基于平面光柵測量的動(dòng)磁鋼磁浮雙工件臺(tái)矢量圓弧換臺(tái)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，主要涉及一種基于平面光柵測量的動(dòng)磁鋼磁浮雙工件臺(tái)矢量圓弧回轉(zhuǎn)換臺(tái)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光刻機(jī)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(jī)關(guān)鍵子系統(tǒng)的工件臺(tái)在很大程度上決定了光刻機(jī)的分辨率、套刻精度和產(chǎn)率。
[0003]產(chǎn)率是光刻機(jī)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(tái)運(yùn)彳丁效率進(jìn)而提尚提尚光刻機(jī)廣率是工件臺(tái)技術(shù)的發(fā)展方向。提尚工件臺(tái)運(yùn)彳丁效率最直接的方式就是提高工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(tái)只有一個(gè)硅片承載裝置，光刻機(jī)一次只能處理一個(gè)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(tái)技術(shù)，這也是目前提高光刻機(jī)生產(chǎn)效率的主流技術(shù)手段。雙工件臺(tái)技術(shù)在工件臺(tái)上設(shè)有曝光、預(yù)處理兩個(gè)工位和兩個(gè)工件臺(tái)，曝光和測量調(diào)整可并行處理，大大縮短了時(shí)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(tái)技術(shù)的光刻機(jī)。
[0004]提高雙工件臺(tái)的運(yùn)行效率是目前光刻機(jī)工件臺(tái)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)之一。雙工件臺(tái)技術(shù)的牽扯到工件臺(tái)在兩個(gè)工位之間切換的問題，換臺(tái)效率直接影響到光刻機(jī)工件臺(tái)的運(yùn)行效率即光刻機(jī)的產(chǎn)率。如何在盡可能縮短換臺(tái)時(shí)間的條件下減小換臺(tái)對(duì)其他系統(tǒng)的干擾一直是研究的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)雙臺(tái)切換過程中，工件臺(tái)在曝光和預(yù)處理工序中一樣為直線驅(qū)動(dòng)，雙臺(tái)專利US2001/0004105A1和W098/40791中，每個(gè)工件臺(tái)有兩個(gè)可交換配合的單元來實(shí)現(xiàn)雙臺(tái)的交換，在不提高工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的前提下提高了產(chǎn)率，但由于工件臺(tái)與導(dǎo)軌之間采用親合連接方式，在換臺(tái)過程中工件臺(tái)與驅(qū)動(dòng)單元會(huì)出現(xiàn)短暫的分離，對(duì)工件臺(tái)的定位精度產(chǎn)生較大影響。同時(shí)運(yùn)動(dòng)單元和導(dǎo)軌較長，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量較大，對(duì)于運(yùn)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)的硅片臺(tái)多臺(tái)交換系統(tǒng)，平面電機(jī)定子設(shè)置在基臺(tái)頂部，動(dòng)子設(shè)置在硅片臺(tái)底部，相對(duì)于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)不存在工件臺(tái)和驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)的雙臺(tái)交換系統(tǒng)，工件臺(tái)采用平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過氣浮支撐，避免了前述換臺(tái)過程中驅(qū)動(dòng)單元與工件臺(tái)分離問題，減小了工件臺(tái)運(yùn)行阻力，減小了平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，減小了散熱問題。
[0005]上述專利換臺(tái)時(shí)采用直線換臺(tái)方案，回轉(zhuǎn)換臺(tái)方案較直線換臺(tái)方案有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此出現(xiàn)了采用回轉(zhuǎn)換臺(tái)的雙工件臺(tái)技術(shù)。中國專利CN101071275采用回轉(zhuǎn)整個(gè)基臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)雙工件臺(tái)的換位，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩個(gè)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)無重疊區(qū)域，避免了碰撞安全隱患。但是通過回轉(zhuǎn)整個(gè)基臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)換位存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，大功率回轉(zhuǎn)電機(jī)精密定位困難和發(fā)熱量大引起系統(tǒng)溫升等問題，同時(shí)回轉(zhuǎn)半徑大，使光刻機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)顯著增大。中國專利CN102495528在基臺(tái)中心采用一種回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接臺(tái)完成雙工件臺(tái)換臺(tái)，換臺(tái)分為三個(gè)節(jié)拍，提高了換臺(tái)效率，但回轉(zhuǎn)換臺(tái)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回轉(zhuǎn)定位精度較低。
[0006]工件臺(tái)的位置測量精度直接影響到光刻機(jī)工件臺(tái)的定位精度，進(jìn)而影響到光刻機(jī)的最小線寬。工件臺(tái)在運(yùn)動(dòng)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(gè)激光干涉儀來實(shí)現(xiàn)一個(gè)工件臺(tái)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(duì)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(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于平面光柵測量的動(dòng)磁鋼磁浮雙工件臺(tái)矢量圓弧回轉(zhuǎn)換臺(tái)方法及裝置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)工件臺(tái)單節(jié)拍快速弧線換臺(tái)、減少換臺(tái)環(huán)節(jié)、縮短換臺(tái)時(shí)間、有效提高了光刻機(jī)產(chǎn)率的目的。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種基于平面光柵測量動(dòng)磁鋼磁浮雙工件臺(tái)矢量圓弧換臺(tái)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(tái)處于預(yù)對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，曝光位第二工件臺(tái)處于曝光狀態(tài);第一步，測量位第一工件臺(tái)預(yù)對(duì)準(zhǔn)完畢后由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到測量位換臺(tái)預(yù)定位置A并充電和等待，曝光位第二工件臺(tái)曝光完畢后由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到曝光位預(yù)定位置C;第二步，第一工件臺(tái)與第二工件臺(tái)通過平面電機(jī)矢量控制沿圓弧軌跡逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，兩個(gè)工件臺(tái)的相位不發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)位置由平面光柵進(jìn)行測量，當(dāng)?shù)谝还ぜ_(tái)由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到曝光位預(yù)定位置C、第二工件臺(tái)由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到測量位預(yù)定位置D時(shí)，換臺(tái)結(jié)束，第一工件臺(tái)在曝光位進(jìn)行硅片光刻曝光，第二工件臺(tái)在測量位進(jìn)行硅片上片及硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作；第三步，測量位第二工件臺(tái)預(yù)對(duì)準(zhǔn)完畢后由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到測量位換臺(tái)預(yù)定位置A’并充電和等待，曝光位第一工件臺(tái)曝光完畢后由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到曝光位預(yù)定位置C;第四步，第二工件臺(tái)與第一工件臺(tái)通過平面電機(jī)矢量控制沿圓弧軌跡順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)诙ぜ_(tái)由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到曝光位預(yù)定位置C、第一工件臺(tái)由動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到測量位預(yù)定位置D時(shí)，換臺(tái)結(jié)束，曝光位第二工件臺(tái)進(jìn)入曝光狀態(tài)，測量位第一工件臺(tái)進(jìn)行上下片及預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作，此時(shí)系統(tǒng)回到初始工作狀態(tài)，完成了包含兩次換臺(tái)操作的一個(gè)工作周期，在測量、曝光和換臺(tái)過程中采用無線通訊方式完成。
[0009]—種基于平面光柵測量動(dòng)磁鋼磁浮雙工件臺(tái)矢量圓弧換臺(tái)裝置，該裝置包括支撐框架、平衡質(zhì)量塊、第一工件臺(tái)、第二工件臺(tái)、無線充電發(fā)射器，所述平衡質(zhì)量塊位于支撐框架上方，宏動(dòng)平面電機(jī)定子安裝在平衡質(zhì)量塊上的平面上，第一工件臺(tái)和第二工件臺(tái)配置在宏動(dòng)平面電機(jī)定子上方，所述第一工件臺(tái)和第二工件臺(tái)運(yùn)行于測量位和曝光位之間，在第一工件臺(tái)和第二工件臺(tái)上平面上分別安裝測量位平面光柵和曝光位平面光柵;支撐框架通過由平面片簧和電磁阻尼器并行組成的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與平衡質(zhì)量塊相連接，所述平面片簧由1對(duì)X向片簧、1對(duì)Y向片簧、1個(gè)Z向片簧和1個(gè)Rz柔性鉸鏈組成，電磁阻尼器由阻尼器上背板、阻尼器下背板、Y向永磁鐵陣列和X向永磁鐵陣列、紫銅板和不銹鋼立柱裝配構(gòu)成，其中阻尼器上背板和阻尼器下背板通過不銹鋼立柱相連接，Y、X向永磁鐵陣列安裝于阻尼器上、下背板之間，并在氣隙間構(gòu)成強(qiáng)磁場，在氣隙強(qiáng)磁場中安裝紫銅板，紫銅板固定于支撐框架上，阻尼器上背板與平衡質(zhì)量塊固定，相對(duì)于上、下背板紫銅板可以產(chǎn)生Χ、Υ向平動(dòng)和Rz轉(zhuǎn)動(dòng)；第一工件臺(tái)和第二工件臺(tái)為六自由度磁浮微動(dòng)臺(tái)，所述六自由度磁浮微動(dòng)臺(tái)由Chuck、吸盤、微動(dòng)電機(jī)、防撞框、宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子、平面光柵讀數(shù)頭、調(diào)平調(diào)焦傳感器、無線充電接收器、無線通訊收發(fā)器組成，所述微動(dòng)電機(jī)由微動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子與重力補(bǔ)償器動(dòng)子集成在一起構(gòu)成，所述吸盤安裝在Chuck上，Chuck四個(gè)角上安裝有四個(gè)平面光柵讀數(shù)頭和四個(gè)調(diào)平調(diào)焦傳感器，Chuck固定在微動(dòng)電機(jī)上，在微動(dòng)電機(jī)四周安裝有防撞框，所述宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子安裝在防撞框下方，宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子由磁鋼陣列交錯(cuò)排布構(gòu)成，宏動(dòng)平面電機(jī)定子由線圈陣列成人字形排布構(gòu)成。
[0010]本發(fā)明具有以下創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn):
1)提出圓弧矢量換臺(tái)方法，并設(shè)計(jì)了圓弧矢量換臺(tái)裝置。采用矢量換臺(tái)策略將雙工件臺(tái)現(xiàn)有的多節(jié)拍直線換臺(tái)優(yōu)化為單節(jié)拍快速換臺(tái)，起停次數(shù)少、穩(wěn)定環(huán)節(jié)少；同時(shí)采用弧線軌跡規(guī)劃縮短了換臺(tái)路徑，回轉(zhuǎn)沖擊小、穩(wěn)定時(shí)間短，同時(shí)交換過程實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)監(jiān)測，確保換臺(tái)過程中宏/微定位精度，直接溯源到激光波長，最終實(shí)現(xiàn)了換臺(tái)的高效率和高精度兩個(gè)特性的兼顧。這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之一；
2)提出了無線通電和無線通信的無線纜干擾的工件臺(tái)交換方法，并設(shè)計(jì)了無線通電和無線通信的雙工件臺(tái)裝置。該裝置在磁浮磁驅(qū)的基礎(chǔ)上，采用無線通電和無線信號(hào)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微動(dòng)臺(tái)電源和通訊信號(hào)的無線傳輸和控制，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，更重要的是消除了電纜和信號(hào)線纜擾動(dòng)對(duì)雙工件臺(tái)定位精度的影響，實(shí)現(xiàn)了無線供電、無線通信數(shù)據(jù)的傳輸和無線纜束縛。這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之二；
3)提出基于動(dòng)磁鋼磁浮平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的矢量平面電機(jī)裝置。采用復(fù)合電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高功效矢量控制，實(shí)現(xiàn)六自由度矢量力的合成和分解，具有運(yùn)動(dòng)范圍大、推力密度大、動(dòng)態(tài)特性好、繞組利用率高、溫度分布均勻、熱變形小等特點(diǎn)，同時(shí)采用動(dòng)磁鋼驅(qū)動(dòng)、無線通信數(shù)據(jù)傳輸，無線纜束縛，結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之三；
4)提出基于平面光柵的測量方法，并設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)的測量需求，同時(shí)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(tái)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(xiǎn)，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之四；
5)提出被動(dòng)補(bǔ)償方法和沖量平衡方法，并設(shè)計(jì)了基于平面片簧和電磁阻尼器并行組成的被動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和平衡質(zhì)量機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)平衡質(zhì)量塊X向、Y向、Z向、Rz運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，相對(duì)于主動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，減小了控制和實(shí)施難度，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)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(tái)流程示意圖。
[0012]圖2是基于平面光柵測量動(dòng)磁鋼磁浮雙工件臺(tái)矢量圓弧換臺(tái)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是雙工件臺(tái)系統(tǒng)的剖視圖。
[0014]圖4是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與平衡質(zhì)量塊裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖5是平面片簧結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6是電磁阻尼結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖7是電磁阻尼器磁鋼排布示意圖。
[0018]圖8是六自由度磁浮微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖9是微動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子與重力補(bǔ)償器集成機(jī)構(gòu)示意圖。
[0020]圖10是宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子磁剛陣列排布不意圖。
[0021]圖11是宏動(dòng)平面電機(jī)定子線圈陣列排布示意圖。
[0022]圖中件號(hào):1-支撐框架;2-平衡質(zhì)量系統(tǒng)；3-宏動(dòng)平面電機(jī)定子;4a_第一工件臺(tái)；4b-第二工件臺(tái)；5a