基于主動平衡質(zhì)量動線圈磁浮雙工件臺矢量圓弧換臺方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種主動平衡質(zhì)量動線圈磁浮雙工件臺矢量圓弧回轉(zhuǎn)換臺方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光刻機是極大規(guī)模集成電路制造中重要的超精密裝備之一。作為光刻機關(guān)鍵子系統(tǒng)的工件臺在很大程度上決定了光刻機的分辨率、套刻精度和產(chǎn)率。
[0003]產(chǎn)率是光刻機發(fā)展的主要追求目標(biāo)之一。在滿足分辨率和套刻精度的條件下，提尚工件臺運彳丁效率進而提尚提尚光刻機廣率是工件臺技術(shù)的發(fā)展方向。提尚工件臺運彳丁效率最直接的方式就是提高工件臺的運動加速度和速度，但是為保證原有精度，速度和加速度不能無限制提高。最初的工件臺只有一個硅片承載裝置，光刻機一次只能處理一個硅片，全部工序串行處理，生產(chǎn)效率低。為此有人提出了雙工件臺技術(shù)，這也是目前提高光刻機生產(chǎn)效率的主流技術(shù)手段。雙工件臺技術(shù)在工件臺上設(shè)有曝光、預(yù)處理兩個工位和兩個工件臺，曝光和測量調(diào)整可并行處理，大大縮短了時間，提高了生產(chǎn)效率。目前的代表產(chǎn)品為荷蘭ASML公司基于Twinscan技術(shù)即雙工件臺技術(shù)的光刻機。
[0004]提高雙工件臺的運行效率是目前光刻機工件臺技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)之一。雙工件臺技術(shù)的牽扯到工件臺在兩個工位之間切換的問題，換臺效率直接影響到光刻機工件臺的運行效率即光刻機的產(chǎn)率。如何在盡可能縮短換臺時間的條件下減小換臺對其他系統(tǒng)的干擾一直是研究的重點。在傳統(tǒng)雙臺切換過程中，工件臺在曝光和預(yù)處理工序中一樣為直線驅(qū)動，雙臺專利US2001/0004105A1和W098/40791中，每個工件臺有兩個可交換配合的單元來實現(xiàn)雙臺的交換，在不提高工件臺運動速度的前提下提高了產(chǎn)率，但由于工件臺與導(dǎo)軌之間采用親合連接方式，在換臺過程中工件臺與驅(qū)動單元會出現(xiàn)短暫的分離，對工件臺的定位精度產(chǎn)生較大影響。同時運動單元和導(dǎo)軌較長，運動質(zhì)量較大，對于運動速度和加速度的提高都產(chǎn)生不利影響。中國專利CN101609265提出了一種平面電機驅(qū)動的硅片臺多臺交換系統(tǒng)，平面電機定子設(shè)置在基臺頂部，動子設(shè)置在硅片臺底部，相對于直線電機驅(qū)動不存在工件臺和驅(qū)動單元的分離；中國專利CN101694560中提出了一種采用氣浮支撐永磁平面電機驅(qū)動的雙臺交換系統(tǒng)，工件臺采用平面電機驅(qū)動并通過氣浮支撐，避免了前述換臺過程中驅(qū)動單元與工件臺分離問題，減小了工件臺運行阻力，減小了平面電機驅(qū)動電流，減小了散熱問題。
[0005]上述專利換臺時采用直線換臺方案，回轉(zhuǎn)換臺方案較直線換臺方案有獨特優(yōu)勢，因此出現(xiàn)了采用回轉(zhuǎn)換臺的雙工件臺技術(shù)。中國專利CN101071275采用回轉(zhuǎn)整個基臺的方式實現(xiàn)雙工件臺的換位，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時兩個工件臺運動無重疊區(qū)域，避免了碰撞安全隱患。但是通過回轉(zhuǎn)整個基臺實現(xiàn)工件臺換位存在轉(zhuǎn)動慣量大，大功率回轉(zhuǎn)電機精密定位困難和發(fā)熱量大引起系統(tǒng)溫升等問題，同時回轉(zhuǎn)半徑大，使光刻機主機結(jié)構(gòu)顯著增大。中國專利CN102495528在基臺中心采用一種回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接臺完成雙工件臺換臺，換臺分為三個節(jié)拍，提高了換臺效率，但回轉(zhuǎn)換臺機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回轉(zhuǎn)定位精度較低。
[0006]工件臺的位置測量精度直接影響到光刻機工件臺的定位精度，進而影響到光刻機的最小線寬。工件臺在運動過程中速度較大，測量方案必須滿足高速測量和精度要求，在美國專利US6498350B2和US20100279232A1中采用多個激光干涉儀來實現(xiàn)一個工件臺的位置測量，采用激光干涉儀測量精度高、工作距離長，但是測量光路過長，對濕度和空氣紊流所引起誤差非常敏感，而且成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于主動平衡質(zhì)量動線圈磁浮雙工件臺矢量圓弧回轉(zhuǎn)換臺方法及裝置，達(dá)到實現(xiàn)工件臺單節(jié)拍快速弧線換臺、減少換臺環(huán)節(jié)、縮短換臺時間、有效提高了光刻機產(chǎn)率的目的。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種基于主動平衡質(zhì)量動線圈磁浮雙工件臺矢量圓弧換臺方法，該方法包括以下步驟:初始工作狀態(tài)，測量位第一工件臺處于預(yù)對準(zhǔn)狀態(tài)，曝光位第二工件臺處于曝光狀態(tài)；第一步，測量位第一工件臺預(yù)對準(zhǔn)完畢后由動線圈驅(qū)動運動到測量位換臺預(yù)定位置A并充電和等待，曝光位第二工件臺曝光完畢后由動線圈驅(qū)動運動到曝光位換臺預(yù)定位置B;第二步，第一工件臺與第二工件臺通過平面電機矢量控制沿圓弧軌跡逆時針運動，在運動過程中，兩個工件臺的相位不發(fā)生變化，運動位置由平面光柵進行測量，與此同時，第一線纜臺跟隨第一工件臺由測量位一側(cè)向曝光位運動，第二線纜臺跟隨第二工件臺由曝光位一側(cè)向測量位運動，當(dāng)?shù)谝还ぜ_運動到曝光位預(yù)定位置C、第二工件臺運動到測量位預(yù)定位置D時，換臺結(jié)束，第一工件臺在曝光位進行硅片光刻曝光，第二工件臺在測量位進行硅片上片及硅片預(yù)對準(zhǔn)操作;第三步，測量位第二工件臺預(yù)對準(zhǔn)完畢后由動線圈驅(qū)動運動到測量位換臺預(yù)定位置A’并充電和等待，曝光位第一工件臺曝光完畢后由動線圈驅(qū)動運動到曝光位換臺預(yù)定位置B’；第四步，第二工件臺與第一工件臺通過平面電機矢量控制沿圓弧軌跡順時針運動，與此同時，第一線纜臺跟隨第一工件臺由曝光位一側(cè)向測量位運動，第二線纜臺跟隨第二工件臺由測量位一側(cè)向曝光位運動，當(dāng)?shù)诙ぜ_運動到曝光位預(yù)定位置C、第一工件臺運動到測量位預(yù)定位置D時，換臺結(jié)束，曝光位第二工件臺進入曝光狀態(tài)，測量位第一工件臺進行上下片及預(yù)對準(zhǔn)操作，此時系統(tǒng)回到初始工作狀態(tài)，完成了包含兩次換臺操作的一個工作周期。
[0009]—種基于主動平衡質(zhì)量動線圈磁浮雙工件臺矢量圓弧換臺裝置，該裝置包括支撐框架、平衡質(zhì)量塊、第一工件臺、第二工件臺，所述平衡質(zhì)量塊位于支撐框架上方，下層水道安裝在平衡質(zhì)量塊上的平面上，第一工件臺和第二工件臺配置在上層水道上方，上層水道和下層水道之間配置宏動平面電機定子，所述第一工件臺和第二工件臺運行于測量位和曝光位之間，在第一工件臺和第二工件臺上平面上分別安裝測量位平面光柵和曝光位平面光柵，第一工件臺通過第一線纜臺線纜與第一線纜臺相連接，第二工件臺通過第二線纜臺線纜與第二線纜臺相連接，第一線纜臺和第二線纜臺分別安裝在第一線纜臺導(dǎo)軌和第二線纜臺導(dǎo)軌上;支撐框架通過由兩個雙電機曲柄搖桿機構(gòu)組成的主動運動補償機構(gòu)與平衡質(zhì)量塊相連接，所述雙電機曲柄搖桿機構(gòu)由基座、兩個伺服電機、一個輸出軸、兩個光柵尺、兩個讀數(shù)頭、兩個曲柄、兩個搖桿組成，伺服電機轉(zhuǎn)軸與曲柄連接，兩個曲柄分別通過搖桿連接到同一輸出軸上，輸出軸與平衡質(zhì)量塊通過滾動軸承固連，光柵尺與伺服電機同軸連接，讀數(shù)頭固定在基座上;第一工件臺和第二工件臺為六自由度磁浮微動臺，所述六自由度磁浮微動臺由Chuck、吸盤、水冷板、防撞框、宏動平面電機動子、平面光柵讀數(shù)頭、調(diào)平調(diào)焦傳感器、微動電機、充電模塊組成，重力補償器動子與微動平面電機動子集成在一起，所述吸盤安裝在Chuck上，Chuck四個角上安裝有四個平面光柵讀數(shù)頭和四個調(diào)平調(diào)焦傳感器，Chuck固定在微動電機上，在工件臺四周安裝有防撞框，宏動平面電機動子安裝在工件臺下方，水冷板安裝在宏動平面電機動子上方，所述宏動平面電機動子包括四個基本運動單元，每個單元由四個相繞組組成，其中每相電樞繞組由若干同心的方形線圈構(gòu)成，各個線圈由里到外依次串聯(lián)，固定在平板形的初級基板氣隙側(cè)，每相鄰的兩個線圈的繞向相反，宏動平面電機定子采用交錯磁鋼布局，宏動平面電機定子含有氣隙。
[0010]本發(fā)明具有以下創(chuàng)新點和突出優(yōu)點:
1)提出圓弧矢量換臺方法，并設(shè)計了圓弧矢量換臺裝置。采用矢量換臺策略將雙工件臺現(xiàn)有的多節(jié)拍直線換臺優(yōu)化為單節(jié)拍快速換臺，起停次數(shù)少、穩(wěn)定環(huán)節(jié)少；同時采用弧線軌跡規(guī)劃縮短了換臺路徑，回轉(zhuǎn)沖擊小、穩(wěn)定時間短，同時交換過程實時測量系統(tǒng)監(jiān)測，確保換臺過程中宏/微定位精度，直接溯源到激光波長，最終實現(xiàn)了換臺的高效率和高精度兩個特性的兼顧。這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之一；
2)提出了基于雙電機曲柄搖桿機構(gòu)的主動補償機構(gòu)，可以實現(xiàn)平衡質(zhì)量塊X向、Y向運動的實時精確補償，相比于被動補償結(jié)構(gòu)，提高了補償精度，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之二；
3)提出了在線充電工件臺交換方法，并設(shè)計了帶有充電模塊的工件臺裝置。采用在線充電工件臺換臺方法使得結(jié)構(gòu)省去了工件臺電機驅(qū)動線電纜，減少了線纜繞動力和對工件臺傳感器的電磁干擾。這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之三；
4)本發(fā)明提出集成繞組結(jié)構(gòu)矢量平面電機，采用復(fù)合電流驅(qū)動實現(xiàn)高功效矢量控制，具有運動范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、推力密度大、動態(tài)特性好、繞組利用率高、溫度分布均勻、熱變形小、定位精度高等特點，同時采用純磁懸浮方案有效降低加工難度和成本，提高了運動的可靠性能，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之四；
5)提出基于平面光柵的測量方法，并設(shè)計了相應(yīng)的平面光柵測量裝置。和平面光柵測量系統(tǒng)相比較，激光干涉儀系統(tǒng)在測量速度上滿足了光刻機系統(tǒng)的測量需求，同時由于其測量噪聲小，測量精度高于激光干涉儀，特別是回避了 chuck臺上平面反射鏡的直角反射鏡的制造難度與高成本和質(zhì)量、慣量過大的風(fēng)險，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之五。
【附圖說明】
[0011]圖1是單節(jié)拍優(yōu)化規(guī)劃弧線快速換臺流程示意圖。
[0012]圖2是基于平面光柵測量動線圈磁浮雙工件臺矢量圓弧換臺裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是雙工件臺系統(tǒng)的剖視圖。
[0014]圖4是運動補償機構(gòu)與平衡質(zhì)量塊裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖5是雙電機曲柄搖桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6是六自由度磁浮微動臺結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖7微動平面電機動子與磁浮重力補償器集成機構(gòu)示意圖。
[0018]圖8是磁懸浮永磁同步平面電機示意圖。
[0019]圖中件號:1-支撐框架;2-平衡質(zhì)量系統(tǒng)；3-宏動平面電機定子;4a_第一工件臺；4b-第二工件臺；5a-測量位平面光柵;5b-曝光位平面光柵;6a-第一線纜臺；6b_第一線纜臺導(dǎo)軌;6c-第一線纜臺線纜;7a-第二線纜臺；7b-第二線纜臺導(dǎo)軌;7c-第二線纜臺線纜;9-上層水道；I O-下層水道;11-測量位；12-曝光位；13-雙電機曲柄搖桿機構(gòu)；14-光柵尺；15-讀數(shù)頭；16-曲柄；17-搖桿；18-基座；19-伺服電機;20-輸出軸;401-Chuck; 40 2-吸盤；404-防撞框;405-宏動平面