專利名稱：帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機(jī)掩模臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻機(jī)中，屬于半導(dǎo)體制造裝備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在集成電路芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，芯片的設(shè)計(jì)圖形在硅片表面光刻膠上的曝光轉(zhuǎn)印(光刻)是其中最重要的工序之一，該工序所用的設(shè)備稱為光刻機(jī)(曝光機(jī))。光刻機(jī)的分辨率和曝光效率極大的影響著集成電路芯片的特征線寬(分辨率)和生產(chǎn)率。而作為光刻機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)的掩模臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度和工作效率，又在很大程度上決定了光刻機(jī)的分辨率和曝光效率。步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)基本原理是:來(lái)自光源的深紫外光透過(guò)掩模臺(tái)上的掩模版、透鏡系統(tǒng)將掩模版上的一部分圖形成像在硅片的某個(gè)Chip上。為進(jìn)行硅片上一個(gè)chip的曝光，掩模臺(tái)和硅片臺(tái)需分別進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)到曝光起始位置時(shí)同時(shí)達(dá)到掃描曝光所要求的4:1的速度。此后，硅片臺(tái)以均勻的速度向掃描運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，掩模臺(tái)以四倍于硅片臺(tái)掃描速度的速度向與硅片臺(tái)掃描運(yùn)動(dòng)的反方向作掃描運(yùn)動(dòng)，兩者的運(yùn)動(dòng)要求達(dá)到極其精確的同步，最終將掩模版上的全部圖形成像在娃片的特定芯片(Chip)上。當(dāng)一個(gè)chip掃描結(jié)束后，掩模臺(tái)和硅片臺(tái)分別進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)硅片臺(tái)進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，將下一個(gè)要曝光的chip移動(dòng)到投影物鏡下方。此后,掩模臺(tái)向與上次掃描運(yùn)動(dòng)方向相反的方向加速、掃描、減速，硅片臺(tái)則按照規(guī)劃的方向加速、掃描、減速，在同步掃描過(guò)程中完成一個(gè)chip的曝光。如此不斷重復(fù)，掩模臺(tái)往返進(jìn)行加速、掃描、減速的直線運(yùn)動(dòng)，硅片臺(tái)按照規(guī)劃的軌跡進(jìn)行步進(jìn)和掃描運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)硅片的曝光。根據(jù)對(duì)掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)要求，掩模臺(tái)主要提供沿掃描方向往返超精密高速直線運(yùn)動(dòng)的功能。其行程應(yīng)滿足chip長(zhǎng)度的4倍、并加上加減速的距離；其掃描速度應(yīng)為硅片臺(tái)掃描速度的4倍,最高加速度也相應(yīng)的會(huì)高于娃片臺(tái)的最高加速度。按照國(guó)外典型光刻機(jī)商品的技術(shù)指標(biāo)，掩模臺(tái)的行程超過(guò)IOOmm (有的機(jī)型達(dá)到200mm),掃描速度達(dá)到1000mm/s,最高加速度達(dá)到20m/s2，即2g。提高掩模臺(tái)的掃描速度和加速度(硅片臺(tái)也同步提高)，能有效的提聞光刻機(jī)的生廣率。最為重要的是，掩模臺(tái)必需能夠?qū)崿F(xiàn)與硅片臺(tái)掃描運(yùn)動(dòng)的超高精度的同步運(yùn)動(dòng)，對(duì)45nm光刻機(jī)而言，其同步精度要求MA (移動(dòng)平均偏差)小于2.25nm，MSD (移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差)小于5.4nm。其中，MA主要影響曝光的套刻精度，MSD主要影響曝光分辨率。為了滿足掩模臺(tái)大行程和高速、高精度的苛刻要求，傳統(tǒng)的掩模臺(tái)系統(tǒng)通常采用粗精動(dòng)疊層的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。掩模臺(tái)系統(tǒng)由粗動(dòng)臺(tái)和疊加在其上的精動(dòng)臺(tái)組成。其中，粗動(dòng)臺(tái)采用左直線電機(jī)和右直線電機(jī)組成的高速大行程的雙邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，氣浮導(dǎo)軌支承；精動(dòng)臺(tái)則由X方向的音圈電機(jī)和Y方向的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)掩模臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的微調(diào)，滿足其運(yùn)動(dòng)精度的要求。這種疊層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，單自由度往復(fù)運(yùn)動(dòng)的底層直線電機(jī)的雙邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用氣浮導(dǎo)軌支承，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配精度要求極高，從而限制了掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度，妨礙了其加速度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，一是為了提高光刻機(jī)掩模臺(tái)的加速度，速度和定位精度，進(jìn)而促進(jìn)光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率，降低裝配精度的要求；二是為了更好地適應(yīng)掩模臺(tái)的高響應(yīng)速度、高加速度和高運(yùn)動(dòng)定位精度的要求，進(jìn)而提高測(cè)量精度，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括精動(dòng)臺(tái)、粗動(dòng)臺(tái)和基座，所述的粗動(dòng)臺(tái)含有一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體和驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述的粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體設(shè)置在精動(dòng)臺(tái)的外部，將精動(dòng)臺(tái)包圍在中間；所述的驅(qū)動(dòng)裝置包括大行程驅(qū)動(dòng)模塊和小行程驅(qū)動(dòng)模塊兩部分，大行程驅(qū)動(dòng)模塊由兩組關(guān)于X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體兩側(cè)的X方向直線電機(jī)組成，小行程驅(qū)動(dòng)模塊由四組同時(shí)驅(qū)動(dòng)Y方向和Z方向的兩自由度直線電機(jī)組成，四組兩自由度直線電機(jī)兩兩關(guān)于X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體兩側(cè)，并位于大行程驅(qū)動(dòng)模塊下方；所述的粗動(dòng)臺(tái)還包含兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件，所述的兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上方，沿X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體兩側(cè)，每個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件包含一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板和兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體，粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板與X方向直線電機(jī)的永磁體陣列連接在一起，粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體分別布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上表面，沿X軸方向的側(cè)邊關(guān)于Y軸方向?qū)ΨQ布置，并與粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板留有間隙。該系統(tǒng)還含有平面衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)，所述的平面衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量精動(dòng)臺(tái)與基座之間相對(duì)位置的六個(gè)傳感器組件；所述的每個(gè)傳感器組件包括平面衍射光柵尺、光柵讀數(shù)頭和光柵讀數(shù)頭支架；所述的六個(gè)傳感器組件布置在精動(dòng)臺(tái)的底面，且沿Y軸方向?qū)ΨQ布置；所述的六個(gè)光柵讀數(shù)頭沿Y軸方向等間距對(duì)稱分布，所述的每側(cè)的三個(gè)光柵讀數(shù)頭共用一個(gè)平面衍射光柵尺；所述的平面衍射光柵尺安裝在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體底面沿Y軸方向的兩側(cè)邊上，所述的光柵讀數(shù)頭安裝在光柵讀數(shù)頭支架上，光柵讀數(shù)頭支架安裝在基座的上表面，光柵讀數(shù)頭與平面衍射光柵尺之間保留間隙；當(dāng)粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證每側(cè)沿Y軸方向至少有兩個(gè)光柵讀數(shù)頭進(jìn)行正常測(cè)量，同一側(cè)的兩組傳感器共同實(shí)現(xiàn)X方向、Y方向和Z方向的位移測(cè)量，以及繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度的測(cè)量；關(guān)于Y軸對(duì)稱的相對(duì)應(yīng)的兩組傳感器共同實(shí)現(xiàn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度的測(cè)量；本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述每個(gè)X方向直線電機(jī)由兩組永磁體陣列和一組線圈陣列組成；所述每個(gè)兩自由度直線電機(jī)由一組永磁體陣列和一組線圈陣列組成，且沿X方向同側(cè)的兩個(gè)兩自由度直線電機(jī)共用一組永磁體陣列；x方向直線電機(jī)的兩組永磁體陣列以及兩自由度直線電機(jī)的四組永磁體陣列都固定在基座上的水平面上；x方向直線電機(jī)的兩組線圈陣列和兩自由度直線電機(jī)的四組線圈陣列均分別固定在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上。本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精動(dòng)臺(tái)包含精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體、洛倫茲電機(jī)和精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件；所述的洛倫茲電機(jī)包含三種洛倫茲電機(jī)，每種洛倫茲電機(jī)對(duì)稱分布在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體沿Y軸方向的兩側(cè)面，其中，第一種洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向?yàn)檠豖軸方向，關(guān)于X軸對(duì)稱布置，每側(cè)至少兩個(gè)，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體沿X方向和繞Z軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)；第二種洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向沿Y軸方向并通過(guò)精動(dòng)臺(tái)質(zhì)心，每側(cè)至少一個(gè)，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體沿Y方向運(yùn)動(dòng)；第三種洛倫茲電機(jī)的位于精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的四個(gè)角上，同時(shí)關(guān)于X軸對(duì)稱布置，每側(cè)兩個(gè)，其驅(qū)動(dòng)方向沿Z軸方向，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體沿Z方向、繞X軸旋轉(zhuǎn)方向和Y軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件包含四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元，每一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元由一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板和一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體組成，所述的四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元分別分布在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的四個(gè)角上，其中四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板分別固定在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上；四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體分別固定在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上，且與精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板的位置相對(duì)應(yīng)，同時(shí)與精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板之間留有間隙。本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體為薄壁殼體，由碳化娃陶瓷材料制成。本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體為薄壁殼體，由碳化娃陶瓷材料制成。本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的兩組X方向直線電機(jī)的線圈陣列和四組兩自由度直線電機(jī)的線圈陣列都是由無(wú)鐵芯矩形線圈組成的一維陣列；所述兩組X方向直線電機(jī)的永磁體陣列采用一維halbach型永磁陣列,兩自由度直線電機(jī)的永磁體陣列采用平面halbach型永磁陣列。本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:①與采用氣浮導(dǎo)軌支承的傳統(tǒng)掩模臺(tái)相比，本發(fā)明所述的掩模臺(tái)采用磁懸浮支承，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了氣浮引入的振動(dòng)和噪聲，而且可以滿足極紫外光刻所需的高真空度環(huán)境，且磁懸浮裝置的吸引力平衡了掩模臺(tái)及其附屬物的絕大部分重力。②與傳統(tǒng)的單自由度粗動(dòng)臺(tái)的雙邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的六自由度粗動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)中動(dòng)子的柔性，既降低了系統(tǒng)的裝配要求，也提高了掩模臺(tái)的響應(yīng)速度、加速度和運(yùn)動(dòng)定位精度，從而提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。③平面衍射光柵傳感器可同時(shí)進(jìn)行空間三自由度的測(cè)量，測(cè)量精度高和測(cè)量速度快，可適應(yīng)掩模臺(tái)的高響應(yīng)速度、高加速度和高運(yùn)動(dòng)定位精度，但是價(jià)格便宜很多，節(jié)省了大量成本，經(jīng)濟(jì)適用。圖附說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述的平面衍射光柵傳感器測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)X方向直線電機(jī)拆去第一永磁陣列后的結(jié)構(gòu)不意圖。圖4是本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)兩自由度直線電機(jī)的線圈拆去一側(cè)第三永磁陣列后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5a和圖5b分別為無(wú)鐵芯線圈的大線圈陣列和小線圈陣列的三維示意圖。圖6是本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)中X方向直線電機(jī)永磁體陣列充磁方向的示意圖。圖7是本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)中兩自由度直線電機(jī)永磁體陣列充磁方向的示意圖。圖8是精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件中重力平衡導(dǎo)磁板和重力平衡永磁體的布置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1 一精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體；2—粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體；3—第一 X方向直線電機(jī)；4一第二 X方向直線電機(jī)；5—第一兩自由度直線電機(jī)；6—第二兩自由度直線電機(jī)；7—第三兩自由度直線電機(jī)；8—第四兩自由度直線電機(jī)；10—基座；11—粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板；12—粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體；13—第一大線圈陣列；14一第二大線圈陣列；15—第一小線圈陣列；16—第二小線圈陣列；17—第三小線圈陣列；18—第四小線圈陣列；21—第一永磁體陣列；22—第二永磁體陣列；23_第三永磁體陣列；25_光柵讀數(shù)頭；26_光柵讀數(shù)頭支架；27_平面衍射光柵尺；31_精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板；32—精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體；41 一平面衍射光柵傳感器第一組件；42—平面衍射光柵傳感器第二組件；43—平面衍射光柵傳感器第三組件；44一平面衍射光柵傳感器第四組件；45_平面衍射光柵傳感器第五組件；46_平面衍射光柵傳感器第六組件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、機(jī)理和工作過(guò)程作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明提供的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，該系統(tǒng)包括粗動(dòng)臺(tái)和精動(dòng)臺(tái)，粗動(dòng)臺(tái)含有一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2、驅(qū)動(dòng)裝置和兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件；粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2套在精動(dòng)臺(tái)的外側(cè),為薄壁殼體，由碳化娃陶瓷材料燒結(jié)制成；所述的驅(qū)動(dòng)裝置包括大行程驅(qū)動(dòng)模塊和小行程驅(qū)動(dòng)模塊兩部分，如圖3和圖4所示。大行程驅(qū)動(dòng)模塊是由兩組關(guān)于X方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2兩側(cè)的第一 X方向直線電機(jī)3和第二 X方向直線電機(jī)4組成，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)掩模臺(tái)粗動(dòng)臺(tái)在X方向上做大行程往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；而小行程驅(qū)動(dòng)模塊則是由四組同時(shí)驅(qū)動(dòng)Y方向和Z方向的第一兩自由度直線電機(jī)
5、第二兩自由度直線電機(jī)6、第三兩自由度直線電機(jī)7和第四兩自由度直線電機(jī)8組成，這四組兩自由度直線電機(jī)是關(guān)于X方向兩兩對(duì)稱布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2兩側(cè)，并位于大行程驅(qū)動(dòng)模塊下方，所述的四組兩自由度直線電機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)掩模臺(tái)粗動(dòng)臺(tái)在Y軸和Z軸方向的小行程位移，以及繞X軸、Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)角度的小范圍轉(zhuǎn)動(dòng)；采用基于d-q分解的控制算法，可以使X方向直線電機(jī)只提供X方向的推力，Y和Z方向的推力接近于零，和Z方向直線電機(jī)只產(chǎn)生Y方向和Z方向的推力，X方向的推力接近于零；兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件關(guān)于X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體兩側(cè)，每個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件包含一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板11和兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體12。每一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板11與同一側(cè)的X方向直線電機(jī)的定子部分連接在一起，兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體12分別安裝在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2沿X軸方向的側(cè)邊兩個(gè)角上，并與粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板11保留一定的間隙；另外，該掩膜臺(tái)系統(tǒng)還含有平面衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)。平面衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量精動(dòng)臺(tái)與基座10之間相對(duì)位置的六個(gè)傳感器組件，分別為平面衍射光柵傳感器第一組件41、平面衍射光柵傳感器第二組件42、平面衍射光柵傳感器第三組件43、平面衍射光柵傳感器第四組件44、平面衍射光柵傳感器第五組件45和平面衍射光柵傳感器第六組件46 ;每個(gè)傳感器組件包括平面衍射光柵尺27、光柵讀數(shù)頭25和光柵讀數(shù)頭支架26。六個(gè)傳感器組件布置在精動(dòng)臺(tái)底面，最好布置在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I的底面，且沿Y軸方向?qū)ΨQ布置；所述的六個(gè)光柵讀數(shù)頭25沿Y軸方向等間距對(duì)稱分布，在本實(shí)施例中，平面衍射光柵傳感器第一組件41、平面衍射光柵傳感器第二組件42和平面衍射光柵傳感器第三組件43等間隔呈直線布置在左側(cè)，平面衍射光柵傳感器第四組件44、平面衍射光柵傳感器第五組件45和平面衍射光柵傳感器第六組件46等間隔呈直線布置在右側(cè)，每一側(cè)的三個(gè)傳感器的光柵讀數(shù)頭25共用同一個(gè)平面衍射光柵尺27。平面衍射光柵尺27安裝在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I底面沿Y軸方向的兩側(cè)邊上，而光柵讀數(shù)頭25安裝在光柵讀數(shù)頭支架26上，光柵讀數(shù)頭支架26安裝在基座10的上表面，光柵讀數(shù)頭25與平面衍射光柵尺27之間保留間隙；每一個(gè)平面衍射光柵傳感器可做沿X軸、Y軸和Z軸三個(gè)自由度的位移測(cè)量。當(dāng)粗動(dòng)臺(tái)沿著Y軸方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)粗動(dòng)臺(tái)的行程范圍，設(shè)置平面衍射光柵尺27的長(zhǎng)度以及相鄰兩個(gè)光柵讀數(shù)頭25的間距，以保證在粗動(dòng)臺(tái)行程范圍內(nèi)，在粗動(dòng)臺(tái)的每一側(cè)始終沿Y軸運(yùn)動(dòng)方向上至少同時(shí)有兩個(gè)光柵讀數(shù)頭25進(jìn)行正常測(cè)量，即可讀取數(shù)據(jù)，在本實(shí)施例中，此時(shí)，平面衍射光柵傳感器第一組件41和平面衍射光柵傳感器第二組件42兩組傳感器，或者是平面衍射光柵傳感器第一組件41和平面衍射光柵傳感器第三組件43兩組傳感器，共同實(shí)現(xiàn)X方向、Y方向和Z方向的位移測(cè)量，這兩個(gè)傳感器在Z軸方向的測(cè)量值做差分，就得到精動(dòng)臺(tái)相對(duì)于粗動(dòng)臺(tái)繞X軸旋轉(zhuǎn)的角度，這兩個(gè)傳感器在X軸方向的測(cè)量值做差分，就得到精動(dòng)臺(tái)相對(duì)于粗動(dòng)臺(tái)Z軸旋轉(zhuǎn)的角度；關(guān)于Y軸對(duì)稱的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的兩組傳感器，平面衍射光柵傳感器第一組件41和平面衍射光柵傳感器第六組件46兩組傳感器，或者是平面衍射光柵傳感器第二組件42和平面衍射光柵傳感器第五組件45兩組傳感器，或者是平面衍射光柵傳感器第三組件43和平面衍射光柵傳感器第四組件44兩組傳感器，兩個(gè)傳感器在Z軸方向的測(cè)量值做差分，就得到精動(dòng)臺(tái)相對(duì)于粗動(dòng)臺(tái)繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度。圖6是本發(fā)明所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)中X方向直線電機(jī)永磁體陣列充磁方向的示意圖。每一個(gè)X方向直線電機(jī)均由一個(gè)第一永磁體陣列21、一個(gè)第二永磁體陣列22和一組大線圈陣列組成，如圖5所示；每一個(gè)兩自由度直線電機(jī)由一個(gè)第三永磁體陣列23和一組小線圈陣列組成，且沿X方向同側(cè)的兩個(gè)兩自由度直線電機(jī)共用一組第三永磁體陣列23 ;所述的所有X方向直線電機(jī)第一永磁體陣列21和第二永磁體陣列22以及所有兩自由度直線電機(jī)的第三永磁體陣列23都固定在光刻機(jī)機(jī)架上的水平面上；所述的所有大線圈陣列和小線圈陣列分別固定在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2上；本發(fā)明的粗動(dòng)的X方向直線電機(jī)的大線圈陣列和兩自由度直線電機(jī)的小線圈陣列都是由采用銅線同心繞制的無(wú)鐵芯矩形線圈(如圖5所示)組成的一維陣列，線圈的支架采用非鐵磁性部件(如鋁合金)制成；本發(fā)明的粗動(dòng)的X方向直線電機(jī)的第一永磁體陣列21和第二永磁體陣列22是在一塊長(zhǎng)方形薄軛鐵上粘接一組采用長(zhǎng)方體稀土永磁體排列而成的一維halbach型永磁陣列，第一永磁體陣列21和第二永磁體陣列22中充磁方向與陣列方向平行的永磁體的體積小于充磁方向與陣列方向垂直的永磁體(如圖6所示，圖中的“N”，“S”表示永磁體的N極和S極，此時(shí)永磁體的充磁方向垂直于紙面。所述的兩自由度直線電機(jī)的第三永磁體陣列23也是在一塊長(zhǎng)方形薄軛鐵上粘接一組采用長(zhǎng)方體稀土永磁體排列而成的平面halbach型永磁陣列，第三永磁體陣列23中充磁方向與陣列方向平行的永磁體的體積也小于充磁方向與陣列方向垂直的永磁體(如圖6和圖7所不)。精動(dòng)臺(tái)為六自由度微動(dòng)工作臺(tái)，包含精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體1、洛倫茲電機(jī)和精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件；所述的洛倫茲電機(jī)包含三種洛倫茲電機(jī)，每種洛倫茲電機(jī)對(duì)稱分布在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I沿Y軸方向的兩側(cè)面，其中，第一種洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向?yàn)檠豖軸方向，關(guān)于X軸對(duì)稱布置，每側(cè)至少兩個(gè)，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I沿X方向和繞Z軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)；第二種洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向沿Y軸方向并通過(guò)精動(dòng)臺(tái)質(zhì)心，每側(cè)至少一個(gè)，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I沿Y方向運(yùn)動(dòng)；第三種洛倫茲電機(jī)的位于精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的四個(gè)角上，同時(shí)關(guān)于X軸對(duì)稱布置，每側(cè)兩個(gè)，其驅(qū)動(dòng)方向沿Z軸方向,驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體沿Z方向、繞X軸旋轉(zhuǎn)方向和Y軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)；精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件包含四組精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元，如圖8所示，每一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元由一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板31和一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體32組成，所述的四組精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元分布在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I的四個(gè)角上，其中所有的精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板31固定在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體2上，所有的精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體32固定在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I上對(duì)應(yīng)的每個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板31的位置，并與精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板具有一定的間隙，精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體I為薄壁殼體，由碳化硅陶瓷材料制成；本發(fā)明所述的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其工作階段分為啟動(dòng)階段、正常工作階段和停止階段，共三個(gè)階段。啟動(dòng)階段的工作原理如下:在系統(tǒng)上電啟動(dòng)之前，重力平衡裝置的吸引力小于掩膜臺(tái)粗動(dòng)臺(tái)及精動(dòng)臺(tái)的重力，掩膜臺(tái)停止在略高于第二永磁陣列22上表面的光刻機(jī)機(jī)架上的固定工位上。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，4個(gè)兩自由度直線電機(jī)提供Z方向向上的推力，推動(dòng)粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分向上運(yùn)動(dòng)到工作位置，然后在掩膜臺(tái)工作過(guò)程中一方面調(diào)節(jié)粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分沿Z軸方向的位置，及繞X軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)這兩個(gè)自由度的姿態(tài)，另一方面配合重力平衡裝置平衡粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分也即掩膜臺(tái)及其附屬物的重力，使粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)始終處于懸浮狀態(tài)。與此同時(shí)，4個(gè)兩自由度直線電機(jī)提供Y方向的推力，調(diào)整粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)沿Y軸的平動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度的姿態(tài)，使粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)達(dá)到工作所要求的位置和姿態(tài)，并在整個(gè)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)前述五個(gè)自由度，滿足系統(tǒng)對(duì)這五個(gè)自由度的定位要求。然后，2個(gè)X方向直線電機(jī)采用雙邊驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分也即粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)沿X方向進(jìn)行加、減速和勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到系統(tǒng)要求的工作速度，完成啟動(dòng)階段的工作。此后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作階段，驅(qū)動(dòng)裝置在X方向直線電機(jī)工作區(qū)域內(nèi)對(duì)粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)的速度和姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，滿足系統(tǒng)對(duì)其的速度和位置的要求，同時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的能量耗散。當(dāng)粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)到+X方向行程的末段，X方向直線電機(jī)減速工作至停止，然后又反向加速，使粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)向-X方向運(yùn)動(dòng)至該行程的末段，X方向直線電機(jī)減速工作至停止，如此往復(fù)循環(huán)。在停止階段，當(dāng)粗動(dòng)臺(tái)動(dòng)子部分及精動(dòng)臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)靜止工位上方，然后所有驅(qū)動(dòng)裝置配合減速停放在靜止工位上。本發(fā)明所述的掩膜臺(tái)系統(tǒng)采用磁懸浮支承，不需要?dú)飧∠到y(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了氣浮引入的振動(dòng)和噪聲，而且可以滿足極紫外光刻所需的高真空度環(huán)境。另一方面，與傳統(tǒng)的粗精動(dòng)疊層結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所述的掩膜臺(tái)系統(tǒng)提供了一種具有六自由度運(yùn)動(dòng)功能的粗動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)，既保證了掃描運(yùn)動(dòng)的推力和提高了運(yùn)動(dòng)精度，又降低了粗動(dòng)臺(tái)的高精度裝配要求，在不改變運(yùn)動(dòng)精度的條件下，大大簡(jiǎn)化了零部件設(shè)計(jì)和制造的精度要求，提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
權(quán)利要求
1.帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括精動(dòng)臺(tái)、粗動(dòng)臺(tái)和基座(10)，所述的粗動(dòng)臺(tái)含有一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)和驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述的粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)設(shè)置在精動(dòng)臺(tái)的外部，將精動(dòng)臺(tái)包圍在中間；所述的驅(qū)動(dòng)裝置包括大行程驅(qū)動(dòng)模塊和小行程驅(qū)動(dòng)模塊兩部分，大行程驅(qū)動(dòng)模塊由兩組關(guān)于X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2 )兩側(cè)的X方向直線電機(jī)組成，小行程驅(qū)動(dòng)模塊由四組同時(shí)驅(qū)動(dòng)Y方向和Z方向的兩自由度直線電機(jī)組成，四組兩自由度直線電機(jī)兩兩關(guān)于X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)兩側(cè)，并位于大行程驅(qū)動(dòng)模塊下方； 所述的粗動(dòng)臺(tái)還包含兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件，所述的兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)上方，沿X軸方向?qū)ΨQ布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)兩側(cè)，每個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件包含一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板(11)和兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體(12)，粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板(11)與X方向直線電機(jī)的永磁體陣列連接在一起，粗動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體(12)分別布置在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)上表面，沿X軸方向的側(cè)邊關(guān)于Y軸方向?qū)ΨQ布置，并與粗動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板(11)留有間隙。
所述掩膜臺(tái)系統(tǒng)還含 有平面衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)，所述的平面衍射光柵測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量精動(dòng)臺(tái)與基座(10)之間相對(duì)位置的六個(gè)傳感器組件；所述的每個(gè)傳感器組件包括平面衍射光柵尺(27)、光柵讀數(shù)頭(25)和光柵讀數(shù)頭支架(26);所述的六個(gè)傳感器組件布置在精動(dòng)臺(tái)的底面，且沿Y軸方向?qū)ΨQ布置；六個(gè)光柵讀數(shù)頭(25)沿Y軸方向等間距對(duì)稱分布，每側(cè)的三個(gè)光柵讀數(shù)頭(25)共用一個(gè)平面衍射光柵尺(27);所述的平面衍射光柵尺(27)安裝在精動(dòng)臺(tái)底面沿Y軸方向的兩側(cè)邊上，所述的光柵讀數(shù)頭(25)安裝在光柵讀數(shù)頭支架(26)上，光柵讀數(shù)頭支架(26)安裝在基座(10)的上表面，光柵讀數(shù)頭(25)與平面衍射光柵尺(27)之間保留間隙；當(dāng)粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證每側(cè)沿Y軸方向至少有兩個(gè)光柵讀數(shù)頭(25)進(jìn)行正常測(cè)量，同一側(cè)的兩組傳感器共同實(shí)現(xiàn)X方向、Y方向和Z方向的位移測(cè)量，以及繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度測(cè)量；關(guān)于Y軸對(duì)稱的相對(duì)應(yīng)的兩組傳感器共同實(shí)現(xiàn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度測(cè)量。
2.按照權(quán)利要求1所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述每個(gè)X方向直線電機(jī)由兩組永磁體陣列和一組線圈陣列組成；所述每個(gè)兩自由度直線電機(jī)由一組永磁體陣列和一組線圈陣列組成，且沿X方向同側(cè)的兩個(gè)兩自由度直線電機(jī)共用一組永磁體陣列；X方向直線電機(jī)的兩組永磁體陣列以及兩自由度直線電機(jī)的四組永磁體陣列都固定在基座(10)上的水平面上；X方向直線電機(jī)的兩組線圈陣列和兩自由度直線電機(jī)的四組線圈陣列均分別固定在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2 )上。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精動(dòng)臺(tái)包含精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)、洛倫茲電機(jī)和精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件；所述的洛倫茲電機(jī)包含三種洛倫茲電機(jī)，每種洛倫茲電機(jī)對(duì)稱分布在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)沿Y軸方向的兩側(cè)面，其中，第一種洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向?yàn)檠豖軸方向，關(guān)于X軸對(duì)稱布置，每側(cè)至少兩個(gè)，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)沿X方向和繞Z軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)；第二種洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向沿Y軸方向并通過(guò)精動(dòng)臺(tái)質(zhì)心，每側(cè)至少一個(gè)，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)沿Y方向運(yùn)動(dòng)；第三種洛倫茲電機(jī)的位于精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的四個(gè)角上，同時(shí)關(guān)于X軸對(duì)稱布置，每側(cè)兩個(gè)，其驅(qū)動(dòng)方向沿Z軸方向，驅(qū)動(dòng)精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體沿Z方向、繞X軸旋轉(zhuǎn)方向和Y軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)。
4.按照權(quán)利要求3所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償組件包含四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元，每一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元由一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板(31)和一個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體(32)組成，所述的四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力補(bǔ)償單元分別分布在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)的四個(gè)角上，其中四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板(31)分別固定在粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)上；四個(gè)精動(dòng)臺(tái)重力平衡永磁體(32)分別固定在精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)上，且與精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板(31)的位置相對(duì)應(yīng)，同時(shí)與精動(dòng)臺(tái)重力平衡導(dǎo)磁板之間留有間隙。
5.按照權(quán)利要求1所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(2)為薄壁殼體，由碳化硅陶瓷材料制成。
6.按照權(quán)利要求3所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的精動(dòng)臺(tái)臺(tái)體(I)為薄壁殼體，由碳化娃陶瓷材料制成。
7.按照權(quán)利要求2所述的帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于:所述的兩組X方向直線電機(jī)的線圈陣列和四組兩自由度直線電機(jī)的線圈陣列都是由無(wú)鐵芯矩形線圈組成的一維陣列；所述兩組X方向直線電機(jī)的永磁體陣列采用一維halbach型永磁陣列,兩自由度直線`電機(jī)的永磁體陣列采用平面halbach型永磁陣列。
全文摘要
帶平面衍射光柵測(cè)量的具有六自由度粗動(dòng)臺(tái)的掩膜臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括粗動(dòng)臺(tái)、精動(dòng)臺(tái)和機(jī)架；粗動(dòng)臺(tái)含有一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體、驅(qū)動(dòng)裝置和粗動(dòng)臺(tái)重力平衡組件，粗動(dòng)臺(tái)臺(tái)體設(shè)置在精動(dòng)臺(tái)的外部，將精動(dòng)臺(tái)包圍在中間，實(shí)現(xiàn)粗動(dòng)臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)。該掩膜臺(tái)系統(tǒng)還含有平面衍射光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)包含六組平面衍射光柵傳感器組件，用于測(cè)量精動(dòng)臺(tái)與基座之間的相對(duì)位置，可同時(shí)進(jìn)行三自由度的測(cè)量。本發(fā)明在調(diào)整掩模臺(tái)姿態(tài)的同時(shí)既提高了掩模臺(tái)的速度、加速度和控制帶寬，又滿足了高運(yùn)動(dòng)精度和定位精度的要求，進(jìn)而提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率，并且測(cè)量精度和測(cè)量速度也很高，可適應(yīng)掩模臺(tái)的高響應(yīng)速度、高加速度和高運(yùn)動(dòng)定位精度。
文檔編號(hào)H02K41/02GK103105743SQ20131004877
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者張鳴, 朱煜, 成榮, 楊開(kāi)明, 徐登峰, 劉召, 劉昊, 田麗, 張利, 葉偉楠, 張金, 穆海華, 尹文生, 胡金春 申請(qǐng)人:清華大學(xué)