專(zhuān)利名稱(chēng)：采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機(jī)硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(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(chēng)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)的硅片超精密運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為硅片臺(tái))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)基本原理如圖l所示。來(lái)自光源45的深紫外光透過(guò)掩模 版47、透鏡系統(tǒng)49將掩模版上的一部分圖形成像在硅片50的某個(gè)Chip上。掩模版和硅 片反向按一定的速度比例作同步運(yùn)動(dòng)，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定芯片 (Chip)上。 硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)的基本作用就是在曝光過(guò)程中承載著硅片并按設(shè)定的速度 和方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)掩模版圖形向硅片上各區(qū)域的精確轉(zhuǎn)移。由于芯片的線寬非常小(目 前最小線寬已經(jīng)達(dá)到45nm)，為保證光刻的套刻精度和分辨率，就要求硅片臺(tái)具有極高的運(yùn)
動(dòng)定位精度；由于硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度在很大程度上影響著光刻的生產(chǎn)率，從提高生產(chǎn)率的 角度，又要求硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度不斷提高。 傳統(tǒng)的硅片臺(tái)，如專(zhuān)利EP 0729073和專(zhuān)利US 5996437所描述的，光刻機(jī)中只有一 個(gè)硅片運(yùn)動(dòng)定位單元，即一個(gè)硅片臺(tái)。調(diào)平調(diào)焦等準(zhǔn)備工作都要在上面完成，這些工作所 需的時(shí)間很長(zhǎng)，特別是對(duì)準(zhǔn)，由于要求進(jìn)行精度極高的低速掃描(典型的對(duì)準(zhǔn)掃描速度為 lmm/s)，因此所需時(shí)間很長(zhǎng)。而要減少其工作時(shí)間卻非常困難。這樣，為了提高光刻機(jī)的生 產(chǎn)效率，就必須不斷提高硅片臺(tái)的步進(jìn)和曝光掃描的運(yùn)動(dòng)速度。而速度的提高將不可避免 導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的惡化，需要采取大量的技術(shù)措施保障和提高硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度，為保 持現(xiàn)有精度或達(dá)到更高精度要付出的代價(jià)將大大提高。 專(zhuān)利W098/40791(
公開(kāi)日期1998.9. 17 ;國(guó)別荷蘭)所描述的結(jié)構(gòu)采用雙硅片 臺(tái)結(jié)構(gòu)，將上下片、預(yù)對(duì)準(zhǔn)、對(duì)準(zhǔn)等曝光準(zhǔn)備工作轉(zhuǎn)移至第二個(gè)硅片臺(tái)上，且與曝光硅片臺(tái) 同時(shí)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。在不提高硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的前提下，曝光硅片臺(tái)大量的準(zhǔn)備工作由第二個(gè) 硅片臺(tái)分擔(dān)，從而大大縮短了每片硅片在曝光硅片臺(tái)上的工作時(shí)間，大幅度提高了生產(chǎn)效 率。然而該系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)在于硅片臺(tái)系統(tǒng)的非質(zhì)心驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。 本申請(qǐng)人在2003年申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利"步進(jìn)投影光刻機(jī)雙臺(tái)輪換曝光超精密定位 硅片系統(tǒng)"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朲L03156436. 4)，公開(kāi)了一種帶雙側(cè)直線導(dǎo)軌的雙硅片臺(tái)交換結(jié) 構(gòu)，該硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)在工作空間上不存在重疊，因此不需采用碰撞預(yù)防裝置。但是該 硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)也存在一些問(wèn)題，一是該系統(tǒng)要求極高的導(dǎo)軌對(duì)接精度；二是該系統(tǒng) 雙側(cè)導(dǎo)軌只有一側(cè)空間被同時(shí)利用，導(dǎo)致該硅片臺(tái)系統(tǒng)外形尺寸較大，這對(duì)空間利用率要求較高的半導(dǎo)體芯片廠而言無(wú)疑顯得非常重要。三是該系統(tǒng)硅片臺(tái)交換時(shí)需采用帶驅(qū)動(dòng)裝 置的橋接裝置，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 本申請(qǐng)人在2007年申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利"一種采用十字導(dǎo)軌的光刻機(jī)硅片臺(tái)雙臺(tái)交 換系統(tǒng)"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710303713. 5)公開(kāi)了一種由4組雙自由度驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)硅片臺(tái) 雙臺(tái)交換的結(jié)構(gòu)，該硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是靠?jī)上噜忞p自由度驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng) 對(duì)同步控制具有一定要求。同時(shí)，本申請(qǐng)人在2007年申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利"一種采用過(guò)渡承接 裝置的光刻機(jī)硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710303712. 0)和"一種采用傳送帶 結(jié)構(gòu)的光刻機(jī)硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710303648. 6)都在在預(yù)處理工位和 曝光工位上分別設(shè)有一個(gè)H型驅(qū)動(dòng)單元。 所有上述發(fā)明專(zhuān)利中的硅片臺(tái)都是通過(guò)將多個(gè)單自由度直線電機(jī)疊加成H型或 十字型等疊層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多自由度平面運(yùn)動(dòng)。這種疊層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，上層 直線電機(jī)及其直接驅(qū)動(dòng)的硅片臺(tái)都需要底層直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，大大增加了底層直線電機(jī)的 負(fù)擔(dān)，同時(shí)帶來(lái)了非質(zhì)心驅(qū)動(dòng)，需要高精度同步控制等問(wèn)題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，限制了硅 片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)定位精度，妨礙了其定位響應(yīng)速度的提高。本申請(qǐng)人于2007年申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利 "動(dòng)圈式做大范圍平面運(yùn)動(dòng)磁浮六自由度工作臺(tái)"(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710304519. 9)與本發(fā) 明專(zhuān)利的技術(shù)相似，但是存在線圈布置不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的動(dòng)子受力不對(duì)稱(chēng)，需要電磁力提供懸 浮支承，發(fā)熱大，控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高光刻機(jī)硅片臺(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
刻精度和分辨率的提高，本發(fā)明提供了一種采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，包括基臺(tái)ll，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的分 別工作于預(yù)處理工位和曝光工位的硅片臺(tái)和硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述硅片臺(tái)驅(qū) 動(dòng)裝置由平面電機(jī)和氣浮結(jié)構(gòu)組成，平面電機(jī)由一個(gè)定子20和兩個(gè)動(dòng)子組成，平面電機(jī)的 定子20設(shè)置在基臺(tái)頂部，每個(gè)硅片臺(tái)的底部設(shè)有平面電機(jī)的一個(gè)動(dòng)子24 ;所述氣浮結(jié)構(gòu)由 多個(gè)設(shè)置于硅片臺(tái)底部的氣浮軸承23組成。 本發(fā)明所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征還在于所述平 面電機(jī)采用永磁平面電機(jī)、步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式平面電動(dòng)機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)。 本發(fā)明所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征還在于所述永 磁平面電機(jī)的定子采用平面永磁陣列16，該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯(cuò)排列的永 磁體布置而成。 本發(fā)明所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征還在于所述永 磁平面電機(jī)的動(dòng)子由n個(gè)在以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)分布且關(guān)于Y軸 對(duì)稱(chēng)分布的電磁單元組成，n為大于等于4的偶數(shù)；每個(gè)電磁單元由多個(gè)線圈線性排列而 成，線圈帶鐵芯或不帶鐵芯；相鄰電磁單元排列方向互成90。布置；所述氣浮結(jié)構(gòu)至少由 兩個(gè)對(duì)稱(chēng)均布的氣浮軸承組成。 本發(fā)明所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征還在于所述永 磁平面電機(jī)的動(dòng)子由四個(gè)電磁單元組成，每個(gè)電磁單元由五個(gè)矩形無(wú)鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45。角布置；所述氣浮結(jié)構(gòu)由五個(gè)設(shè)置于平臺(tái)底
部的氣浮軸承組成，五個(gè)氣浮軸承在以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中關(guān)于x軸軸對(duì)稱(chēng)分布
且關(guān)于Y軸軸對(duì)稱(chēng)分布，電磁單元和氣浮軸承在平臺(tái)底部交錯(cuò)排列。 本發(fā)明所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征還在于所述平 面永磁陣列采用由一系列永磁體在底座上排列而成的Halbach陣列。 本發(fā)明所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性
效果取消了這種多個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)部件疊加形成多自由度平面運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，由平面電機(jī)
直接驅(qū)動(dòng)每個(gè)硅片臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平面上的雙臺(tái)交換和相應(yīng)的步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)
化，避免了前述專(zhuān)利中的導(dǎo)軌對(duì)接，非質(zhì)心驅(qū)動(dòng)，同步控制等一系列問(wèn)題；采用了氣浮支承，
在硅片臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中僅需要很小的控制電流，避免了前述專(zhuān)利中六自由磁懸浮支承帶
來(lái)的電機(jī)功率大，發(fā)熱大的問(wèn)題，同時(shí)降低了控制的復(fù)雜度，改進(jìn)了電磁單元的布置方式，
電磁單元不僅關(guān)于硅片臺(tái)之心中心對(duì)稱(chēng)，而且電磁單元在以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中
關(guān)于X軸軸對(duì)稱(chēng)分布且關(guān)于Y軸軸對(duì)稱(chēng)分布，保證了硅片臺(tái)的質(zhì)心驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制
結(jié)構(gòu)；大大減輕了驅(qū)動(dòng)負(fù)載，提高了硅片臺(tái)的響應(yīng)速度，大大提高了硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速
度，加速度和運(yùn)動(dòng)定位精度，進(jìn)而大大提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。 圖附說(shuō)明

圖1顯示了步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)基本工作原理。
圖2是只有一個(gè)硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)。 圖3是本申請(qǐng)人2007年申請(qǐng)的一種采用疊層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)。
圖4是本發(fā)明所述采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，即采用永磁平面電機(jī)和氣浮支承的硅片臺(tái)雙臺(tái) 交換系統(tǒng)的三維交換示意圖。 圖6是本發(fā)明所述的硅片臺(tái)底部平面電機(jī)的動(dòng)子和氣浮結(jié)構(gòu)的三維視圖。 圖7本發(fā)明所述的基臺(tái)及其上部的平面電機(jī)的定子的三維視圖。 圖8是本發(fā)明所述的永磁陣列氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直分量關(guān)于XY坐標(biāo)的變化關(guān)系
示意圖。 圖9是本發(fā)明所述的硅片臺(tái)底部平面電機(jī)的動(dòng)子的受力情況示意圖。
圖中 1-硅片臺(tái)；3-H型驅(qū)動(dòng)單元；5-X向直線電機(jī)；7-Y向直線電機(jī)；9-傳送帶系統(tǒng)；
10-對(duì)接滑塊；11-基臺(tái)；15-硅片；16-平面永磁陣列；18-第一長(zhǎng)方體永磁體；
19-第二長(zhǎng)方體永磁體；20-平面電機(jī)的定子；23-氣浮結(jié)構(gòu)；24_平面電機(jī)的動(dòng) 子； 45-光源；47-掩模版；49-透鏡系統(tǒng)；50-硅片。
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。 步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)基本原理如圖l所示。來(lái)自光源45的深紫外光透過(guò)掩模
版47、透鏡系統(tǒng)49將掩模版上的一部分圖形成像在硅片50的某個(gè)Chip上。掩模版和硅
片反向按一定的速度比例作同步運(yùn)動(dòng)，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定芯片(Chip)上。硅片運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)(硅片臺(tái))的基本作用就是在曝光過(guò)程中承載著硅片并按設(shè) 定的速度和方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)掩模版圖形向硅片上各區(qū)域的精確轉(zhuǎn)移。 傳統(tǒng)的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)硅片臺(tái)如圖2所示，光刻機(jī)中只有一個(gè)硅片運(yùn)動(dòng)定位 系統(tǒng)，即只有一個(gè)硅片臺(tái)。調(diào)平、調(diào)焦等準(zhǔn)備工作都要在同一個(gè)硅片臺(tái)上完成，這些工作所 需的時(shí)間很長(zhǎng)，特別是對(duì)準(zhǔn)，由于要求進(jìn)行精度極高的低速掃描(典型的對(duì)準(zhǔn)掃描速度為 lmm/s)，因此所需時(shí)間很長(zhǎng)。為了提高光刻機(jī)的曝光效率，本發(fā)明所述的光刻機(jī)硅片臺(tái)雙臺(tái) 交換系統(tǒng)，將調(diào)平、調(diào)焦、對(duì)準(zhǔn)等曝光準(zhǔn)備工作轉(zhuǎn)移至預(yù)處理工位的硅片臺(tái)上，且與曝光工 位的硅片臺(tái)同時(shí)獨(dú)立工作，從而大大縮短硅片在曝光硅片臺(tái)上的工作時(shí)間。
采用疊層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多自由平面運(yùn)動(dòng)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)如圖3所示。該系 統(tǒng)包含一個(gè)運(yùn)行于預(yù)處理工位的硅片臺(tái)l和一個(gè)運(yùn)行于曝光工位的硅片臺(tái)l，所述硅片臺(tái) 均由H型驅(qū)動(dòng)單元3驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)硅片臺(tái)1作大范圍X、Y方向運(yùn)動(dòng)，所述的H型驅(qū)動(dòng)單元由雙 側(cè)X向直線電機(jī)5以及Y向直線電機(jī)7組成，在基臺(tái)兩側(cè)安裝有傳送帶系統(tǒng)9，用以驅(qū)動(dòng)硅 片臺(tái)1由預(yù)處理工位傳送到曝光工位。這種疊層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)時(shí)， 上層直線電機(jī)及其直接驅(qū)動(dòng)的硅片臺(tái)都需要底層直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，大大增加了底層直線電 機(jī)的負(fù)擔(dān)，限制了硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)定位精度，妨礙了其定位響應(yīng)速度的提高。
圖4是本發(fā)明所述采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
由圖可知本發(fā)明所述采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)是包括基臺(tái)11， 兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位和曝光工位的硅片臺(tái)和硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在 于所述硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置由平面電機(jī)和氣浮結(jié)構(gòu)組成，平面電機(jī)由一個(gè)定子20和兩個(gè)動(dòng) 子組成，平面電機(jī)的定子20設(shè)置在基臺(tái)頂部，每個(gè)硅片臺(tái)的底部設(shè)有平面電機(jī)的一個(gè)動(dòng)子 24 ;所述氣浮結(jié)構(gòu)由多個(gè)設(shè)置于硅片臺(tái)底部的氣浮軸承23組成。所述平面電機(jī)采用永磁 平面電機(jī)、步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式平面電動(dòng)機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)。在永磁平面電機(jī) 時(shí)。優(yōu)選采用動(dòng)圈式無(wú)鐵芯永磁平面電機(jī)，對(duì)實(shí)現(xiàn)大范圍，高速度和高加速度的精確定位較 為容易，系統(tǒng)的綜合性能較為優(yōu)異。相比之下，帶鐵芯的永磁平面電機(jī)因鐵芯的磁滯效應(yīng)導(dǎo) 致系統(tǒng)的帶寬下降；步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)存在低頻振蕩、失步和高頻失步，運(yùn)行速度和加速度 不能很高，自身噪聲和振動(dòng)較大的缺陷；感應(yīng)式平面電動(dòng)機(jī)機(jī)電特性復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)高速和 高精度平面驅(qū)動(dòng)；開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，建模和控制難等問(wèn)題。
圖5是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，即采用永磁平面電機(jī)和氣浮支承的硅片臺(tái)雙臺(tái) 交換系統(tǒng)的三維交換示意圖。所述永磁平面電機(jī)的定子20采用平面永磁陣列16(如圖7 所示)，該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯(cuò)排列的永磁體布置而成。
如圖6所示，平面電機(jī)的動(dòng)子24由四個(gè)在以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中關(guān)于X 軸對(duì)稱(chēng)分布且關(guān)于Y軸對(duì)稱(chēng)分布的電磁單元組成，各相鄰電磁單元方向互成9(T角布置， 每個(gè)電磁單元由5個(gè)矩形無(wú)鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成 45°角布置。的氣浮結(jié)構(gòu)23由5個(gè)設(shè)置于平臺(tái)底部的對(duì)稱(chēng)均布的真空預(yù)載氣浮軸承組成。 工作時(shí)，由氣浮軸承提供每個(gè)硅片臺(tái)在豎直方向的在的平面電機(jī)的定子20上的氣浮支承。 每個(gè)硅片臺(tái)在完成上一工位的工序后，按圖4中大箭頭所示的路徑運(yùn)動(dòng)到下一工位，繼續(xù) 完成下一工位的工序，從而以這種類(lèi)似循環(huán)流水線的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將前一硅片的上下片、預(yù)對(duì) 準(zhǔn)、對(duì)準(zhǔn)等曝光準(zhǔn)備工作和后一硅片曝光工作的并行進(jìn)行，大大提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率。
如圖7所示，設(shè)置于基臺(tái)11的頂部的平面電機(jī)的定子20采用平面永磁陣列，該平面永磁陣列由一系列第一長(zhǎng)方體永磁體18和第二長(zhǎng)方體永磁體19按圖7所示規(guī)律在的基 臺(tái)ll上排列成Halbach陣列，陣列方向在XY平面上與線圈排列方向(圖中為X軸或Y軸 方向)成45°角，圖6中第一長(zhǎng)方體永磁體18(長(zhǎng)、寬、高分別為2a、a、a， a為第一長(zhǎng)方體 永磁體18 —個(gè)邊的長(zhǎng)度)沿豎直方向(即2a的方向)被磁化，產(chǎn)生N極和S極，標(biāo)注在永 磁上表面的N和S表示該永磁體位于上部的磁極名稱(chēng)，第二長(zhǎng)方體永磁體19(長(zhǎng)、寬、高分 別為a、0. 5a、2a， a為第二長(zhǎng)方體永磁體19 一個(gè)短邊的邊長(zhǎng))沿0. 5a的邊長(zhǎng)方向上磁化， 磁化方向(寬的方向)如永磁鐵表面箭頭所示(箭頭由永磁體S極指向永磁體N極)。若 干永磁體如圖7按一定規(guī)律排列，使得永磁體的磁化方向交錯(cuò)排列。平面永磁陣列16在的 平面電機(jī)的定子20和的硅片臺(tái)1之間的氣隙中或接觸面上產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。圖8是圖7所 示平面永磁陣列的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直分量Bz關(guān)于XY坐標(biāo)的變化關(guān)系示意圖。圖8中同 一列中兩相鄰相同永磁體的相同側(cè)面間的距離t為極距，它也是圖7中平面永磁陣列的氣 隙磁感應(yīng)強(qiáng)度兩相鄰峰值之間的距離。 所述設(shè)置于的硅片臺(tái)1底部的的平面電機(jī)的動(dòng)子24由四個(gè)或大于四的偶數(shù)個(gè)在 以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)分布且關(guān)于Y軸對(duì)稱(chēng)分布的電磁單元組成， 所述每個(gè)電磁單元由一個(gè)或一個(gè)以上相同的矩形無(wú)鐵芯線圈線性排列而成；其優(yōu)化結(jié)構(gòu)是 采用四個(gè)電磁單元，每個(gè)電磁單元由相同的五個(gè)矩形無(wú)鐵芯線圈線性排列而成。矩形無(wú)鐵 芯線圈的長(zhǎng)度大于Halbach陣列的極距的四倍，寬度為Halbach陣列極距的0. 8 1倍。一 般矩形線圈的長(zhǎng)約為7a，寬約1. 4a，線圈厚度約為0. 4a(a為永磁體5 —個(gè)短邊的邊長(zhǎng))，線 圈排列方向與永磁陣列排列方向成45。角(或沿X軸方向或沿Y軸方向)布置，各相鄰電 磁單元方向互成90。角布置。 每個(gè)線圈通電后在永磁陣列產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用，其所受洛侖茲力 可以分解為三個(gè)互相垂直的分力，即沿豎直方向的力Fz，在XY平面內(nèi)沿線圈長(zhǎng)邊方向的力 Fl和在XY平面內(nèi)垂直于線圈長(zhǎng)邊方向的力F2，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算和仿真發(fā)現(xiàn)，在硅片臺(tái)沿X方 向或沿Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)Fz和F2在約1. 414 t的行程內(nèi)按正弦規(guī)律變化，峰值大小約為2N， Fl大小約為0. 00001N-0. OOOIN，約等于0，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Fz和F2故忽略不計(jì)。這樣通過(guò)適當(dāng) 的控制策略，單獨(dú)控制各個(gè)線圈的電流，可以使所有線圈在豎直方向產(chǎn)生的力Fz的合力為 零，同時(shí)考慮到真空預(yù)載氣浮支承的剛度接近零阻尼特性，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)硅片臺(tái)在基臺(tái)上 完全獨(dú)立的平面運(yùn)動(dòng)，從而方便的實(shí)現(xiàn)水平面上的雙臺(tái)交換和相應(yīng)的步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)。
圖9表示了單個(gè)硅片臺(tái)具有4個(gè)電磁單元驅(qū)動(dòng)時(shí)的受力情況，4個(gè)電磁單元分別 稱(chēng)為第一電磁單元、第二電磁單元、第三電磁單元和第四電磁單元，它們底面的中心分別為 01、 02、 03和04。圖中ABCD為硅片臺(tái)1的底面，abcd為ABCD在基臺(tái)頂面上的投影。第i 個(gè)(i = 1，2，3，4)電磁單元的3個(gè)方向分量F' xi、F' yi和F' zi作用于該電樞單元底 面的中心Oi，于是在上述力分量的作用下，硅片臺(tái)實(shí)現(xiàn)沿x、y方向的運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
一種采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，包括基臺(tái)(11)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位和曝光工位的硅片臺(tái)和硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置由平面電機(jī)和氣浮結(jié)構(gòu)組成，平面電機(jī)由一個(gè)定子(20)和兩個(gè)動(dòng)子組成，平面電機(jī)的定子(20)設(shè)置在基臺(tái)頂部，每個(gè)硅片臺(tái)的底部設(shè)有平面電機(jī)的一個(gè)動(dòng)子(24)；所述氣浮結(jié)構(gòu)由多個(gè)設(shè)置于硅片臺(tái)底部的氣浮軸承(23)組成。
2. 按照權(quán)利要求1所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征在于所述平面電機(jī)采用永磁平面電機(jī)、步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式平面電動(dòng)機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻式平面 電機(jī)。
3. 按照權(quán)利要求2所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征在于所述永磁平面電機(jī)的定子采用平面永磁陣列(16)，該平面永磁陣列由一系列磁化方向交錯(cuò)排列的永磁體布置而成。
4. 按照權(quán)利要求2所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征在于所述永磁平面電機(jī)的動(dòng)子由n個(gè)在以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)分布且關(guān)于 Y軸對(duì)稱(chēng)分布的電磁單元組成，n為大于等于4的偶數(shù)；每個(gè)電磁單元由多個(gè)線圈線性排列 而成，線圈帶鐵芯或不帶鐵芯；相鄰電磁單元排列方向互成90。布置；所述氣浮結(jié)構(gòu)至少 由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)均布的氣浮軸承組成。
5. 按照權(quán)利要求4所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征在于所 述永磁平面電機(jī)的動(dòng)子由四個(gè)電磁單元組成，每個(gè)電磁單元由五個(gè)矩形無(wú)鐵芯線圈線性排列而成，線圈排列方向與永磁陣列排列方向成45。角布置；所述氣浮結(jié)構(gòu)由五個(gè)設(shè)置于平臺(tái)底部的氣浮軸承組成，五個(gè)氣浮軸承在以硅片臺(tái)質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中關(guān)于x軸軸對(duì)稱(chēng)分布且關(guān)于Y軸軸對(duì)稱(chēng)分布，電磁單元和氣浮軸承在平臺(tái)底部交錯(cuò)排列。
6. 按照權(quán)利要求3所述的采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，其特征在于所述平面永磁陣列采用由一系列永磁體在底座上排列而成的Halbach陣列。
全文摘要
采用氣浮平面電機(jī)的硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)，主要用于光刻機(jī)系統(tǒng)中。該硅片臺(tái)雙臺(tái)交換系統(tǒng)包括基臺(tái)、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的分別工作于預(yù)處理工位和曝光工位的硅片臺(tái)和硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置。所述硅片臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置由平面電機(jī)和氣浮結(jié)構(gòu)組成，平面電機(jī)采用永磁平面電機(jī)、步進(jìn)式平面電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式平面電動(dòng)機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻式平面電機(jī)，平面電機(jī)一個(gè)定子和兩個(gè)動(dòng)子組成，定子設(shè)置在基臺(tái)頂部，動(dòng)子設(shè)置在硅片臺(tái)的底部；所述氣浮結(jié)構(gòu)由多個(gè)設(shè)置于硅片臺(tái)底部的氣浮軸承組成。該系統(tǒng)通過(guò)平面電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)硅片臺(tái)實(shí)現(xiàn)平面上的雙臺(tái)交換和步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)，提高了光刻機(jī)的生產(chǎn)率、套刻精度和分辨率。
文檔編號(hào)H02K33/18GK101694560SQ200910172949
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者尹文生, 張鳴, 徐登峰, 朱煜, 楊開(kāi)明, 段廣洪, 汪勁松, 田麗, 胡金春, 許巖, 閔偉 申請(qǐng)人:清華大學(xué);