带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统

摘要

带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，主要用于光刻机系统中。该系统包括粗动台、精动台和机架；粗动台含有一个粗动台台体、驱动装置和粗动台重力平衡组件，粗动台台体设置在精动台的外部，将精动台包围在中间；该掩膜台系统还包含用于测量精动台台体和测量架之间位置反馈激光干涉仪测量组件，所述的激光干涉仪测量组件由激光光源、光路组件、激光干涉仪和测量架组成，可对该掩膜台系统的运动部分进行实时的六自由度的测量。该掩膜台系统具有结构简单、紧凑，运动部分质量轻从而减小了负载，提高了速度，加速度和控制带宽，配合激光干涉仪测量系统，大大提高了掩膜台系统的运动的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光刻机掩模台系统，该系统主要应用于半导体光刻机中，属于半导体制造装备 领域。

背景技术

在集成电路芯片的生产过程中，芯片的设计图形在硅片表面光刻胶上的曝光转印（光刻） 是其中最重要的工序之一，该工序所用的设备称为光刻机（曝光机）。光刻机的分辨率和曝光 效率极大的影响着集成电路芯片的特征线宽（分辨率）和生产率。而作为光刻机关键系统的掩 模台系统的运动精度和工作效率，又在很大程度上决定了光刻机的分辨率和曝光效率。

步进扫描投影光刻机基本原理是：来自光源的深紫外光透过掩模台上的掩模版、透镜系统 将掩模版上的一部分图形成像在硅片的某个Chip上。为进行硅片上一个chip的曝光，掩模台 和硅片台需分别进行加速运动，并在运动到曝光起始位置时同时达到扫描曝光所要求的4：1 的速度。此后，硅片台以均匀的速度向扫描运动方向运动，掩模台以四倍于硅片台扫描速度的 速度向与硅片台扫描运动的反方向作扫描运动，两者的运动要求达到极其精确的同步，最终将 掩模版上的全部图形成像在硅片的特定芯片（Chip）上。当一个chip扫描结束后，掩模台和 硅片台分别进行减速运动，同时硅片台进行步进运动，将下一个要曝光的chip移动到投影物 镜下方。此后，掩模台向与上次扫描运动方向相反的方向加速、扫描、减速，硅片台则按照规 划的方向加速、扫描、减速，在同步扫描过程中完成一个chip的曝光。如此不断重复，掩模 台往返进行加速、扫描、减速的直线运动，硅片台按照规划的轨迹进行步进和扫描运动，完成 整个硅片的曝光。

根据对掩模台的运动要求，掩模台主要提供沿扫描方向往返超精密高速直线运动的功能。 其行程应满足chip长度的4倍、并加上加减速的距离；其扫描速度应为硅片台扫描速度的4 倍，最高加速度也相应的会高于硅片台的最高加速度。按照国外典型光刻机商品的技术指标， 掩模台的行程超过100mm（有的机型达到200mm），扫描速度达到1000mm/s，最高加速度达到 20m/s²，即2g。提高掩模台的扫描速度和加速度（硅片台也同步提高），能有效的提高光刻机 的生产率。

最为重要的是，掩模台必需能够实现与硅片台扫描运动的超高精度的同步运动，对45nm 光刻机而言，其同步精度要求MA（移动平均偏差）小于2.25nm，MSD（移动标准偏差）小于 5.4nm。其中，MA主要影响曝光的套刻精度，MSD主要影响曝光分辨率。

为了满足掩模台大行程和高速、高精度的苛刻要求，传统的掩模台系统通常采用粗精动 叠层的驱动结构。掩模台系统由粗动台和叠加在其上的精动台组成。其中，粗动台采用左直线 电机和右直线电机组成的高速大行程的双边驱动系统驱动，气浮导轨支承；精动台则由X方向 的音圈电机和Y方向的音圈电机驱动，对掩模台进行实时高精度的微调，满足其运动精度的要 求。这种叠层驱动结构在运动时，单自由度往复运动的底层直线电机的双边驱动结构，采用气 浮导轨支承，结构复杂，装配精度要求极高，从而限制了掩模台的运动精度，妨碍了其加速度 的提高。

发明内容

为了提高光刻机掩模台的加速度，速度和定位精度，进而促进光刻机的生产率、套刻精度 和分辨率的提高，降低装配精度要求，本发明提供了一种带激光干涉仪测量的具有六自由度粗 动台的掩膜台系统。

本发明的技术方案如下：

带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，该系统包括精动台、粗动台和机 架，所述的粗动台含有一个粗动台台体和驱动装置，其特征在于：所述的粗动台台体设置在精 动台的外部，将精动台包围在中间；所述的驱动装置包括大行程驱动模块和小行程驱动模块两 部分，大行程驱动模块由两组关于X轴方向对称布置在粗动台台体两侧的X方向直线电机组成， 小行程驱动模块由四组同时驱动Y方向和Z方向的两自由度直线电机组成，四组两自由度直线电 机两两关于X轴方向对称布置在粗动台台体两侧，并位于大行程驱动模块下方；

所述的粗动台还包含两个粗动台重力平衡组件，所述的两个粗动台重力平衡组件布置在粗 动台台体上方，沿X轴方向对称布置在粗动台台体两侧，每个粗动台重力平衡组件包含一个粗 动台重力平衡导磁板和两个粗动台重力平衡永磁体，粗动台重力平衡导磁板与X方向直线电机 的永磁体阵列连接在一起，粗动台重力平衡永磁体分别布置在粗动台台体上表面，沿X轴方向 的侧边关于Y轴方向对称布置，并与粗动台重力平衡导磁板留有间隙；

该系统还包含有激光干涉仪测量组件，所述的激光干涉仪测量组件包含激光光源、光路组 件、激光干涉仪和测量架，用于测量精动台台体和测量架之间位置反馈，所述的激光干涉仪包 括一个双轴激光干涉仪和两个四轴激光干涉仪；所述的光路组件包括激光分束器、弯光器和反 射镜；所述的激光光源固定在测量架上，所述的激光分束器和弯光器固定在测量架上；所述的 反射镜包含第一平面反射镜、第二平面反射镜和45°反射镜；

从一个激光光源发出的激光经过激光分束器，按激光分束器的分光比例被分为相互垂直的 两束激光，其中一束激光经过弯光器到达所述的双轴激光干涉仪，另一束激光直接射入其中的 一个四轴激光干涉仪；另外一个激光光源发出的激光经过一个弯光器直接射入另一个四轴激光 干涉仪；所述的双轴激光干涉仪布置在掩膜台系统沿Y轴方向的中心轴线一端，且固定在测量 架上；所述的两个四轴激光干涉仪沿Y轴方向对称布置在粗动台台体下方，并固定在测量架上；

从所述的双轴激光干涉仪出来的光被分成相互平行的一束测量光和一束参考光，测量光经 过固定在精动台上的第一平面反射镜反射后返回双轴激光干涉仪，参考光经过固定在测量架上 的第二平面反射镜反射后返回双轴激光干涉仪；

从每个四轴激光干涉仪出来的光被分成四束相互平行的测量光，该四束测量光分成上下对 称的两排，位于上面一排的两束测量光经过精动台台体相对应的侧面反射后返回四轴激光干涉 仪，位于下面一排的两束测量光经过一个固定在测量架上的45°反射镜将两束光弯折90度后射 向精动台台体底面再反回该四轴激光干涉仪。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：其特 征在于：所述每个X方向直线电机由两组永磁体阵列和一组线圈阵列组成；所述每个两自由度 直线电机由一组永磁体阵列和一组线圈阵列组成，且沿X方向同侧的两个两自由度直线电机共 用一组永磁体阵列；X方向直线电机的两组永磁体阵列以及两自由度直线电机的四组永磁体阵 列都固定在机架上的水平面上；X方向直线电机的两组线圈阵列和两自由度直线电机的四组线 圈阵列均分别固定在粗动台台体上。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：其特 征在于：所述的精动台包含精动台台体、洛伦兹电机和精动台重力补偿组件；所述的洛伦兹电 机包含三种洛伦兹电机，每种洛伦兹电机对称分布在精动台台体沿Y轴方向的两侧面，其中， 第一种洛伦兹电机的驱动方向为沿X轴方向，关于X轴对称布置，每侧至少两个，驱动精动台台 体沿X方向和绕Z轴旋转方向运动；第二种洛伦兹电机的驱动方向沿Y轴方向并通过精动台质心， 每侧至少一个，驱动精动台台体沿Y方向运动；第三种洛伦兹电机的位于精动台台体的四个角 上，同时关于X轴对称布置，每侧两个，其驱动方向沿Z轴方向，驱动精动台台体沿Z方向、绕X 轴旋转方向和Y轴旋转方向运动。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：所述 的精动台台体为方形结构，其四个外侧面和底面均加工成镜面，用于使激光干涉仪反射激光。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：所 述的精动台重力补偿组件包含四个精动台重力补偿单元，每一个精动台重力补偿单元由一个精 动台重力平衡导磁板和一个精动台重力平衡永磁体组成，所述的四个精动台重力补偿单元分别 分布在精动台台体的四个角上，其中四个精动台重力平衡导磁板分别固定在粗动台台体）上； 四个精动台重力平衡永磁体分别固定在精动台台体上，且与精动台重力平衡导磁板的位置相对 应，同时与精动台重力平衡导磁板之间留有间隙。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：所述 的粗动台台体为薄壁壳体，由碳化硅陶瓷材料制成。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：所述 的精动台台体为薄壁壳体，由碳化硅陶瓷材料制成。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，其特征在于：所述 的两组X方向直线电机的线圈阵列和四组两自由度直线电机的线圈阵列都是由无铁芯矩形线圈 组成的一维阵列；所述两组X方向直线电机的永磁体阵列采用一维halbach型永磁阵列，两自由 度直线电机的永磁体阵列采用平面halbach型永磁阵列。

本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，具有以下优点及突 出性效果：①与采用气浮导轨支承的传统掩模台相比，本发明所述的掩模台采用磁悬浮支承， 简化了系统结构，避免了气浮引入的振动和噪声，而且可以满足极紫外光刻所需的高真空度环 境，且磁悬浮装置的吸引力平衡了掩模台及其附属物的绝大部分重力。②与传统的单自由度粗 动台的双边驱动结结构相比，本发明的六自由度粗动台的结构，增加了系统中动子的柔性，既 降低了系统的装配要求，也提高了掩模台的响应速度、加速度和运动定位精度，从而提高了光 刻机的生产率、套刻精度和分辨率。③激光干涉仪测量系统测量精度和测量速度均高于传统的 测量手段，可适应掩模台的高响应速度、高加速度和高运动定位精度，最后大大提高了光刻机 的生产率、套刻精度和分辨率。

图附说明

图1是本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统结构示意图。

图2是本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统的仰视结构 示意图。

图3是本发明所述的双轴激光干涉仪结构示意图。

图4是本发明所述的四轴激光干涉仪结构示意图。

图5是本发明所述粗动台重力平衡组件及精动台重力平衡组件的结构示意图。

图6是本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统X方向直线电 机拆去第一永磁阵列后的结构示意图。

图7是本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统两自由度直 线电机的线圈拆去一侧第三永磁阵列后的结构示意图。

图8a和图8b分别为本发明采用的无铁芯矩形线圈的大线圈一维阵列和小线圈一维阵列的 三维示意图。

图9是本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统中X方向直线 电机永磁体阵列充磁方向的示意图。

图10是本发明所述的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统中两自由度 直线电机永磁体阵列充磁方向的示意图。

图中：1-精动台台体；2-粗动台台体；3-第一X方向直线电机；4-第二X方向直线电 机；5-第一两自由度直线电机；6-第二两自由度直线电机；7-第三两自由度直线电机；8 -第四两自由度直线电机；9-基座；10-测量架；11-粗动台重力平衡导磁板；12-粗动台 重力平衡永磁体；13-第一大线圈阵列；14-第二大线圈阵列；15-第一小线圈阵列；16-第 二小线圈阵列；17-第三小线圈阵列；18-第四小线圈阵列；21-第一永磁体阵列；22-第二 永磁体阵列；23-第三永磁体阵列；31-精动台重力平衡导磁板；32-精动台重力平衡永磁体； 41-双轴激光干涉仪；42-第一四轴激光干涉仪；43-第二四轴激光干涉仪；44-第一平面反 射镜；45-第二平面反射镜；46-45°反射镜；47-45°安装座；48-激光分束器；49-激光 光源；50-弯光器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。

本发明提供的带激光干涉仪测量的具有六自由度粗动台的掩膜台系统，如图1所示，该系 统包括粗动台、精动台和机架，粗动台含有一个粗动台台体2、驱动装置和两个粗动台重力平 衡组件；粗动台台体2套在精动台的外侧，为薄壁壳体，由碳化硅陶瓷材料烧结制成；所述的 驱动装置包括大行程驱动模块和小行程驱动模块两部分，如图6和图7所示。大行程驱动模块 是由两组关于X方向对称布置在粗动台台体2两侧的第一X方向直线电机3和第二X方向直线 电机4组成，负责驱动掩模台粗动台在X方向上做大行程往复直线运动；而小行程驱动模块则 是由四组同时驱动Y方向和Z方向的第一两自由度直线电机5、第二两自由度直线电机6、第 三两自由度直线电机7和第四两自由度直线电机8组成，这四组两自由度直线电机是关于X 方向两两对称布置在粗动台台体2两侧，并位于大行程驱动模块下方，所述的四组两自由度直 线电机负责调节掩模台粗动台在Y轴和Z轴方向的小行程位移，以及绕X轴、Y轴和Z轴转动 的三个自由度的旋转角度的小范围转动；采用基于d-q分解的控制算法，可以使X方向直线电 机只提供X方向的推力，Y和Z方向的推力接近于零；Y和Z方向直线电机只产生Y方向和Z 方向的推力，X方向的推力接近于零；

两个粗动台重力平衡组件关于X轴方向对称布置在粗动台台体两侧，每个粗动台重力平衡 组件包含一个粗动台重力平衡导磁板11和两个粗动台重力平衡永磁体12。每一个粗动台重力平 衡导磁板11与同一侧的X方向直线电机的定子部分连接在一起，两个粗动台重力平衡永磁体12 分别安装在粗动台台体2沿X轴方向的侧边两个角上，并与粗动台重力平衡导磁板11保留一定的 间隙；

该系统还包含有激光干涉仪测量组件，所述的激光干涉仪测量组件包含激光光源49、光路 组件、激光干涉仪和测量架10，用于测量精动台台体1和测量架10之间位置反馈。本发明所述 的激光干涉仪包括一个双轴激光干涉仪41和两个四轴激光干涉仪，分别为第一四轴激光干涉仪 42和第二四轴激光干涉仪43。光路组件包括激光分束器48、弯光器50和反射镜。激光光源49 是固定在测量架10上，激光分束器48和弯光器50也分别固定在测量架10上；所述的反射镜包含 第一平面反射镜44、第二平面反射镜45以及45°反射镜。精动台台体1为方形结构，其四个外 侧面和底面均加工成镜面，用于使激光干涉仪反射激光；

由一台激光光源49发出的激光，经过一个激光分束器48，按激光分束器48的比例被分为相 互垂直的两束，在经过一个弯光器50到达所述的双轴激光干涉仪41、由激光分束器48出来的另 一束激光射入第一四轴激光干涉仪42，而另一台激光光源49发出激光经过一个弯光器50到达第 二四轴激光干涉仪43；双轴激光干涉仪41布置在掩膜台系统沿Y轴方向的中心轴线一端，固定 在测量架10上；同时的，第一四轴激光干涉仪42和第二四轴激光干涉仪43沿Y轴方向对称布置 在粗动台台体2下方，也固定在测量架10上相应位置；

从双轴激光干涉仪41出来的光，被分成相互平行的一束测量光和一束参考光，如图3所示， 测量光经过固定在精动台台体1上的第一平面反射镜44反射回激光干涉仪，参考光经过固定在 测量架10上的第二平面反射镜45反射回激光干涉仪；在本实施例中，测量光测量的是精动台台 体1相对于测量架10的沿Y方向的相对位移，参考光是测量的第二平面反射镜45与双轴激光干涉 仪41之间的距离，此值为不变值，由此可知精动台台体1相对于测量架10的沿Y方向的绝对位移， 上下两束光的测量值做差分，测量沿X轴旋转的角度；同时，可以通过参考光来减少测量机架 的振动所带来的测量误差。

而从所述的每一个四轴激光干涉仪出来光分别被分成四束相互平行的测量光，这四束测量 光被分成了上、下对称的两排，在本实施例中，如图4所示，对于第一四轴激光干涉仪42来说， 位于上面一排的两束测量光，经过精动台台体1相对应的侧面的反射镜面，反射回第一四轴激 光干涉仪42，而位于下面一排的两束测量光，则需要经过一个固定在测量架10上的一个45°反 射镜46将两束光弯折90度后向上射向精动台台体1的底面的反射镜面，再沿原路反射回第一四 轴激光干涉仪42中，对于第二四轴激光干涉仪43，工作原理相同。

按照两个四轴激光干涉仪的安装位置，都是沿着X轴方向进行测量的。那么，这两个四轴 激光干涉仪的上面一排测量光对精动台进行沿X轴方向位移的测量；而下面一排测量光对精动 台进行沿Z轴方向位移的测量；上下两排测量光的测量值做差分，测量沿Y轴旋转的角度；上面 一排的两束测量光的测量值做差分，测量沿Z轴旋转的角度；

每一个X方向直线电机均由一个第一永磁体阵列21、一个第二永磁体阵列22和一组大线圈 阵列组成；每一个两自由度直线电机由一个第三永磁体阵列23和一组小线圈阵列组成，且沿X 方向同侧的两个两自由度直线电机共用一组第三永磁体阵列23；所述的所有X方向直线电机第 一永磁体阵列21和第二永磁体阵列22以及所有两自由度直线电机的第三永磁体阵列23都固 定在光刻机机架上的水平面上；所述的所有大线圈阵列和小线圈阵列分别固定在粗动台台体2 上；

本发明的粗动的X方向直线电机的大线圈阵列和两自由度直线电机的小线圈阵列都是由采 用铜线同心绕制的无铁芯矩形线圈（如图8所示）组成的一维阵列，线圈的支架采用非铁磁性 部件（如铝合金）制成；

本发明的粗动的X方向直线电机的第一永磁体阵列21和第二永磁体阵列22是在一块长方形 薄轭铁上粘接一组采用长方体稀土永磁体排列而成的一维halbach型永磁阵列，第一永磁体阵 列21和第二永磁体阵列22中充磁方向与阵列方向平行的永磁体的体积小于充磁方向与阵列方 向垂直的永磁体（如图6所示，图中的“N”，“S”表示永磁体的N极和S极，此时永磁体的充磁 方向垂直于纸面。所述的两自由度直线电机的第三永磁体阵列23也是在一块长方形薄轭铁上粘 接一组采用长方体稀土永磁体排列而成的平面halbach型永磁阵列，第三永磁体阵列23中充磁 方向与阵列方向平行的永磁体的体积也小于充磁方向与阵列方向垂直的永磁体（如图9所示）。

精动台为六自由度微动工作台，包含精动台台体1、洛伦兹电机和精动台重力补偿组件； 所述的洛伦兹电机包含三种洛伦兹电机，每种洛伦兹电机对称分布在精动台台体1沿Y轴方向的 两侧面，其中，第一种洛伦兹电机的驱动方向为沿X轴方向，关于X轴对称布置，每侧至少两个， 驱动精动台台体1沿X方向和绕Z轴旋转方向运动；第二种洛伦兹电机的驱动方向沿Y轴方向并通 过精动台质心，每侧至少一个，驱动精动台台体1沿Y方向运动；第三种洛伦兹电机的位于精动 台台体的四个角上，同时关于X轴对称布置，每侧两个，其驱动方向沿Z轴方向，驱动精动台台 体沿Z方向、绕X轴旋转方向和Y轴旋转方向运动；

精动台重力补偿组件包含四组精动台重力补偿单元，如图5所示，每一个精动台重力补偿 单元由一个精动台重力平衡导磁板31和一个精动台重力平衡永磁体32组成，所述的四组精动台 重力补偿单元分布在精动台台体1的四个角上，其中所有的精动台重力平衡导磁板31固定在粗 动台台体2上，所有的精动台重力平衡永磁体32固定在精动台台体1上对应的每个精动台重力平 衡导磁板31的位置，并与精动台重力平衡导磁板具有一定的间隙，精动台台体1为薄壁壳体， 由碳化硅陶瓷材料制成；

本发明所述的掩膜台系统，其工作阶段分为启动阶段、正常工作阶段和停止阶段，共三个 阶段。启动阶段的工作原理如下：在系统上电启动之前，重力平衡装置的吸引力小于掩膜台粗 动台及精动台的重力，掩膜台停止在略高于第二永磁阵列22上表面的光刻机机架上的固定工位 上。系统上电启动后，4个两自由度直线电机提供Z方向向上的推力，推动粗动台动子部分向上 运动到工作位置，然后在掩膜台工作过程中一方面调节粗动台动子部分沿Z轴方向的位置，及 绕X轴方向的转动和绕Y方向的转动这两个自由度的姿态，另一方面配合重力平衡装置平衡粗动 台动子部分也即掩膜台及其附属物的重力，使粗动台动子部分及精动台始终处于悬浮状态。与 此同时，4个两自由度直线电机提供Y方向的推力，调整粗动台动子部分及精动台沿Y轴的平动 和绕Z轴的转动两个自由度的姿态，使粗动台动子部分及精动台达到工作所要求的位置和姿态， 并在整个工作过程中实时调节前述五个自由度，满足系统对这五个自由度的定位要求。然后， 2个X方向直线电机采用双边驱动方式，驱动粗动台动子部分也即粗动台动子部分及精动台沿X 方向进行加、减速和匀速往复运动，达到系统要求的工作速度，完成启动阶段的工作。

此后，系统进入正常工作阶段，驱动装置在X方向直线电机工作区域内对粗动台动子部分 及精动台的速度和姿态进行微调，满足系统对其的速度和位置的要求，同时补偿系统的能量耗 散。当粗动台动子部分及精动台运动到+X方向行程的末段，X方向直线电机减速工作至停止， 然后又反向加速，使粗动台动子部分及精动台向-X方向运动至该行程的末段，X方向直线电机 减速工作至停止，如此往复循环。

在停止阶段，当粗动台动子部分及精动台低速运动静止工位上方，然后所有驱动装置配合 减速停放在静止工位上。

本发明所述的掩膜台系统采用磁悬浮支承，不需要气浮系统，简化了系统结构，避免了气 浮引入的振动和噪声，而且可以满足极紫外光刻所需的高真空度环境。

另一方面，与传统的粗精动叠层结构相比，本发明所述的掩膜台系统提供了一种具有六自 由度运动功能的粗动台结构，既保证了扫描运动的推力和提高了运动精度，又降低了粗动台的 高精度装配要求，在不改变运动精度的条件下，大大简化了零部件设计和制造的精度要求，提 高了光刻机的生产率、套刻精度和分辨率。