基于主動(dòng)平衡質(zhì)量動(dòng)線圈磁浮雙工件臺(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，主要涉及一種主動(dòng)平衡質(zhì)量動(dòng)線圈磁浮雙工件臺(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(wú)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(cè)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(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)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(zhǎng)，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(guó)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(guó)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(guò)氣浮支撐，避免了前述換臺(tái)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)單元與工件臺(tái)分離問(wèn)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(wèn)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(guó)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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩個(gè)工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)無(wú)重疊區(qū)域，避免了碰撞安全隱患。但是通過(guò)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(wèn)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(guó)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(cè)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(guò)程中速度較大，測(cè)量方案必須滿足高速測(cè)量和精度要求，在美國(guó)專利US6498350B2和US20100279232A1中采用多個(gè)激光干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)工件臺(tái)的位置測(cè)量，采用激光干涉儀測(cè)量精度高、工作距離長(zhǎng)，但是測(cè)量光路過(guò)長(zhǎng)，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)明提出了一種基于主動(dòng)平衡質(zhì)量動(dòng)線圈磁浮雙工件臺(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:
一種基于主動(dòng)平衡質(zhì)量動(dòng)線圈磁浮雙工件臺(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(cè)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(cè)量位第一工件臺(tái)預(yù)對(duì)準(zhǔn)完畢后由動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到測(cè)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)線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到曝光位換臺(tái)預(yù)定位置B;第二步，第一工件臺(tái)與第二工件臺(tái)通過(guò)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(guò)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(cè)量，與此同時(shí)，第一線纜臺(tái)跟隨第一工件臺(tái)由測(cè)量位一側(cè)向曝光位運(yùn)動(dòng)，第二線纜臺(tái)跟隨第二工件臺(tái)由曝光位一側(cè)向測(cè)量位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)谝还ぜ_(tái)運(yùn)動(dòng)到曝光位預(yù)定位置C、第二工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)到測(cè)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(cè)量位進(jìn)行硅片上片及硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作;第三步，測(cè)量位第二工件臺(tái)預(yù)對(duì)準(zhǔn)完畢后由動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到測(cè)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)線圈驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到曝光位換臺(tái)預(yù)定位置B’；第四步，第二工件臺(tái)與第一工件臺(tái)通過(guò)平面電機(jī)矢量控制沿圓弧軌跡順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，第一線纜臺(tái)跟隨第一工件臺(tái)由曝光位一側(cè)向測(cè)量位運(yùn)動(dòng)，第二線纜臺(tái)跟隨第二工件臺(tái)由測(cè)量位一側(cè)向曝光位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)诙ぜ_(tái)運(yùn)動(dòng)到曝光位預(yù)定位置C、第一工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)到測(cè)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(cè)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。
[0009]—種基于主動(dòng)平衡質(zhì)量動(dòng)線圈磁浮雙工件臺(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)，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(tái)和第二工件臺(tái)配置在上層水道上方，上層水道和下層水道之間配置宏動(dòng)平面電機(jī)定子，所述第一工件臺(tái)和第二工件臺(tái)運(yùn)行于測(cè)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(cè)量位平面光柵和曝光位平面光柵，第一工件臺(tái)通過(guò)第一線纜臺(tái)線纜與第一線纜臺(tái)相連接，第二工件臺(tái)通過(guò)第二線纜臺(tái)線纜與第二線纜臺(tái)相連接，第一線纜臺(tái)和第二線纜臺(tái)分別安裝在第一線纜臺(tái)導(dǎo)軌和第二線纜臺(tái)導(dǎo)軌上;支撐框架通過(guò)由兩個(gè)雙電機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與平衡質(zhì)量塊相連接，所述雙電機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)由基座、兩個(gè)伺服電機(jī)、一個(gè)輸出軸、兩個(gè)光柵尺、兩個(gè)讀數(shù)頭、兩個(gè)曲柄、兩個(gè)搖桿組成，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸與曲柄連接，兩個(gè)曲柄分別通過(guò)搖桿連接到同一輸出軸上，輸出軸與平衡質(zhì)量塊通過(guò)滾動(dòng)軸承固連，光柵尺與伺服電機(jī)同軸連接，讀數(shù)頭固定在基座上;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(pán)、水冷板、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、微動(dòng)電機(jī)、充電模塊組成，重力補(bǔ)償器動(dòng)子與微動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子集成在一起，所述吸盤(pán)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，在工件臺(tái)四周安裝有防撞框，宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子安裝在工件臺(tái)下方，水冷板安裝在宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子上方，所述宏動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子包括四個(gè)基本運(yùn)動(dòng)單元，每個(gè)單元由四個(gè)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(gè)線圈由里到外依次串聯(lián)，固定在平板形的初級(jí)基板氣隙側(cè)，每相鄰的兩個(gè)線圈的繞向相反，宏動(dòng)平面電機(jī)定子采用交錯(cuò)磁鋼布局，宏動(dòng)平面電機(jī)定子含有氣隙。
[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(guò)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，確保換臺(tái)過(guò)程中宏/微定位精度，直接溯源到激光波長(zhǎng)，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)提出了基于雙電機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)平衡質(zhì)量塊X向、Y向運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)精確補(bǔ)償，相比于被動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，提高了補(bǔ)償精度，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之二；
3)提出了在線充電工件臺(tái)交換方法，并設(shè)計(jì)了帶有充電模塊的工件臺(tái)裝置。采用在線充電工件臺(tái)換臺(tái)方法使得結(jié)構(gòu)省去了工件臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線電纜，減少了線纜繞動(dòng)力和對(duì)工件臺(tái)傳感器的電磁干擾。這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之三；
4)本發(fā)明提出集成繞組結(jié)構(gòu)矢量平面電機(jī)，采用復(fù)合電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高功效矢量控制，具有運(yùn)動(dòng)范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、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、定位精度高等特點(diǎn)，同時(shí)采用純磁懸浮方案有效降低加工難度和成本，提高了運(yùn)動(dòng)的可靠性能，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和突出優(yōu)點(diǎn)之四；
5)提出基于平面光柵的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的平面光柵測(cè)量裝置。和平面光柵測(cè)量系統(tǒng)相比較，激光干涉儀系統(tǒng)在測(cè)量速度上滿足了光刻機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量需求，同時(shí)由于其測(cè)量噪聲小，測(cè)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(guò)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)之五。
【附圖說(shuō)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(cè)量動(dòng)線圈磁浮雙工件臺(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是雙電機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6是六自由度磁浮微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖7微動(dòng)平面電機(jī)動(dòng)子與磁浮重力補(bǔ)償器集成機(jī)構(gòu)示意圖。
[0018]圖8是磁懸浮永磁同步平面電機(jī)示意圖。
[0019]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-測(cè)量位平面光柵;5b-曝光位平面光柵;6a-第一線纜臺(tái)；6b_第一線纜臺(tái)導(dǎo)軌;6c-第一線纜臺(tái)線纜;7a-第二線纜臺(tái)；7b-第二線纜臺(tái)導(dǎo)軌;7c-第二線纜臺(tái)線纜;9-上層水道；I O-下層水道;11-測(cè)量位；12-曝光位；13-雙電機(jī)曲柄搖桿機(jī)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(jī);20-輸出軸;401-Chuck; 40 2-吸盤(pán)；404-防撞框;405-宏動(dòng)平面