光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)與工作流程分析綜述圖2-1光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖步進(jìn)式掃描光刻機(jī)的曝光方式是投影式曝光，利用光源經(jīng)過(guò)光路聚焦將掩模片上印刷的芯片電路投影到涂有光刻膠的晶圓的表面進(jìn)行曝光進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光刻任務(wù)。這個(gè)過(guò)程需要光刻機(jī)系統(tǒng)中各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)密切協(xié)作。光刻機(jī)的系統(tǒng)組成主要包活機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成?？偟膩?lái)說(shuō)主要包括雙工件臺(tái)系統(tǒng)、掩模臺(tái)系統(tǒng)、光路成像系統(tǒng)、氣浮隔振系統(tǒng)以及計(jì)量框架。工件臺(tái)、掩模臺(tái)和投影物鏡這三個(gè)機(jī)構(gòu)是進(jìn)行光刻時(shí)主要涉及到的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。印刷有集成電路結(jié)構(gòu)的掩模片被放置在掩模臺(tái)上。投影物鏡在掩模臺(tái)下方，工件臺(tái)位于投影物鏡的下方。工件臺(tái)的作用是承載硅片進(jìn)行光刻掃描運(yùn)動(dòng)。工件臺(tái)上的硅片要處在投影物鏡的焦平面上，從掩模片中透射而出的成像光束經(jīng)過(guò)投影物鏡而被聚焦到工件臺(tái)所承載的硅片上。光刻機(jī)的整個(gè)工作流程簡(jiǎn)述如下：首先，工件臺(tái)和掩模臺(tái)完成調(diào)平工作，然后控制掩模片上的集成電路板、投影物鏡和工件臺(tái)上所承載的的硅片的運(yùn)動(dòng)使得這三者完成焦點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)。掩模片上的集成電路結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)光路成像系統(tǒng)的聚焦而被投射到工件臺(tái)所承載的硅片上。工件臺(tái)和掩模臺(tái)要相互配合彼此的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成曝光刻片的操作。工件臺(tái)上承載的硅片一共可以被被劃分成109個(gè)可以被曝光的像場(chǎng)[9][10]，而每一次曝光只能對(duì)一個(gè)像場(chǎng)進(jìn)行光刻，完成一次曝光后，工件臺(tái)將下一個(gè)像場(chǎng)按照事先規(guī)劃好的路徑移動(dòng)到投影物鏡的下方，從而曝光刻片的任務(wù)可以繼續(xù)執(zhí)行，直到完成硅片上全部109個(gè)像場(chǎng)的刻片。從光刻機(jī)工作的流程可以看出，在光刻任務(wù)中工件臺(tái)主要完成下面兩項(xiàng)任務(wù)：（1）承載硅片，與投影物鏡和掩模臺(tái)進(jìn)行配合從而完成調(diào)平和調(diào)焦。（2）將硅片上的每一塊待刻的像場(chǎng)移動(dòng)到投影物鏡的下方，完成硅片的對(duì)準(zhǔn)工作。在光刻任務(wù)中掩模臺(tái)主要完成下面兩項(xiàng)任務(wù)：（1）承載掩模片，與投影物鏡和工件臺(tái)進(jìn)行配合從而完成調(diào)平和調(diào)焦。（2）與工件臺(tái)進(jìn)行按照4比1或者5比1的速率比進(jìn)行方向相反的運(yùn)動(dòng)，按照次序掃描硅片上的每一個(gè)像場(chǎng)。光刻機(jī)采用宏動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)結(jié)合的復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，宏動(dòng)臺(tái)是粗動(dòng)平臺(tái)，用于完成大行程微米級(jí)別精度的運(yùn)動(dòng)；微動(dòng)臺(tái)是精動(dòng)平臺(tái)，用于完成小行程納米級(jí)別精度的運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)臺(tái)作為光刻機(jī)的核心部件，是工件臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)別精度運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵所在，在光刻機(jī)工作時(shí)，微動(dòng)臺(tái)完成調(diào)平，調(diào)焦等動(dòng)作，并且進(jìn)行納米級(jí)精度的曝光運(yùn)動(dòng)，使硅片得到完整的曝光。微動(dòng)臺(tái)可以根據(jù)功能分為四個(gè)組成部分，分別是：Chuck部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量機(jī)構(gòu)、E-Pin部件。Chuck部件包括真空吸盤(pán)和45°微晶鏡塊。真空吸盤(pán)的作用是固定硅片，經(jīng)過(guò)真空吸盤(pán)的固定，在上下片的時(shí)候不會(huì)發(fā)生硅片的滑落；45°微晶鏡起到反射鏡的作用，與雙頻激光干涉儀相互配合，進(jìn)行高精度的測(cè)量。此外，能夠測(cè)量微動(dòng)臺(tái)與宏動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位置的傳感器的磁極被裝載在Chuck部件上，與微位移傳感器相互配合來(lái)測(cè)量宏動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括垂直方向上音圈電機(jī)和水平面內(nèi)的微動(dòng)平面音圈電機(jī)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)子在在垂向Z向的平動(dòng)和Rx、Ry的偏轉(zhuǎn)通過(guò)3個(gè)垂直方向上的音圈電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)子在水平X、Y向的平動(dòng)以及Rz的偏轉(zhuǎn)通過(guò)水平面內(nèi)3個(gè)平面音圈電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。從而可以在六個(gè)自由度上實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)的精密運(yùn)動(dòng)控制。此外還有重力補(bǔ)償器被安裝在臺(tái)體的垂直方向上，用以對(duì)微動(dòng)臺(tái)的重力進(jìn)行補(bǔ)償，從而音圈電機(jī)可以減少出力，避免音圈電機(jī)出力過(guò)大而發(fā)熱，影響音圈電機(jī)的正常工作。 測(cè)量機(jī)構(gòu)主要包括兩套系統(tǒng)，分別是雙頻激光干涉儀與霍爾傳感器。微動(dòng)臺(tái)的位移主要通過(guò)激光干涉儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)使用的激光干涉儀精度達(dá)到了0.6nm，用以對(duì)微動(dòng)臺(tái)的絕對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量。激光干涉儀的組成可以分成兩個(gè)部分：一個(gè)是激光鏡組，鏡組與工件臺(tái)基礎(chǔ)框架固連，另一個(gè)是前述的45度反射鏡，反射鏡固定在Chuck部件上。激光鏡組可以分成三個(gè)組成部分，激光器、分光器和接收器。總共有8組激光干涉儀，分布在工件臺(tái)的6個(gè)自由度上，X向安裝了3組，Y向安裝了3組，Z向安裝了2組。為了方便測(cè)量解耦，兩兩平行是安裝時(shí)每個(gè)方向上的不同組激光干涉儀需要保證的空間相對(duì)位置關(guān)系。以X方向?yàn)槔M(jìn)行分析，X方向上的位移可以由每一組激光干涉儀都能夠獨(dú)立地測(cè)量得出，如果取得了對(duì)兩組激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果，那么久可以進(jìn)行解耦運(yùn)算，從而獲得微動(dòng)臺(tái)在一個(gè)自由度上的角位移，所以通過(guò)X向的3組激光干涉儀能夠測(cè)量出工件臺(tái)在3個(gè)自由度上的位置信息，這三個(gè)自由度分別是X，Ry和Rz。同樣的道理，Y向的3組激光干涉儀也能夠測(cè)量出工件臺(tái)在3個(gè)自由度上的位置信息，這三個(gè)自由度分別是Y，Rx和Rz。Z向的2組激光干涉儀能夠測(cè)量出工件臺(tái)在兩個(gè)自由度上的位置信息，這兩個(gè)自由度是Z和Ry。很明顯，從激光干涉儀的安裝布局可以看出這是一種冗余的設(shè)計(jì)。通過(guò)8組激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果，三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)角信息可以?xún)纱伪坏玫健Ｔ跍y(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行這種冗余的設(shè)計(jì)的考量在于，如果布置方向相同或者方向相反的冗余激光干涉儀于工件臺(tái)的六個(gè)自由度上，那么在三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上的非線性的耦合項(xiàng)就能夠通過(guò)幾何運(yùn)算來(lái)消除，從而可以使得計(jì)算過(guò)程中的非線性方程組變?yōu)榫€性，能夠讓測(cè)量解耦精度不受到非線性的影響，解耦的運(yùn)算量也得到了降低。 霍爾傳感器用以測(cè)量微動(dòng)臺(tái)和宏動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位置。微動(dòng)臺(tái)上固定有霍爾傳感器的永磁體部分，而霍爾元件和信號(hào)采集板安裝在宏動(dòng)臺(tái)上，霍爾元件通電之后，永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，在垂直于磁場(chǎng)與電流構(gòu)成的平面上會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的霍爾電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)微動(dòng)臺(tái)與宏動(dòng)臺(tái)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，霍爾傳感器與磁鐵之間的相對(duì)位置也會(huì)發(fā)生變化，因而霍爾傳感器收到的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而使霍爾電動(dòng)勢(shì)做出相應(yīng)變化，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，可以通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量微動(dòng)臺(tái)與宏動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位移。一共有六個(gè)霍爾傳感器，其中3個(gè)用來(lái)測(cè)量在Z向相對(duì)位移，2個(gè)用來(lái)測(cè)量在Y向的相對(duì)位移，1個(gè)用來(lái)測(cè)量在X向的相對(duì)位移?；魻杺鞲衅鲗⑽?dòng)臺(tái)相對(duì)于宏動(dòng)臺(tái)的在垂直方向上的位移和在水平方向上的位移轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解耦運(yùn)算，可以求解出微動(dòng)臺(tái)在六個(gè)自由度上相對(duì)于宏動(dòng)臺(tái)的位移。E-pin部件主要完成升降硅片的操作，這個(gè)操作是通過(guò)音圈電機(jī)的在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，該部件還需要配合機(jī)械手實(shí)現(xiàn)上下片等操作。工件臺(tái)是組成光刻機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，光刻機(jī)的工件臺(tái)是一個(gè)達(dá)到了納米級(jí)別定位精度與運(yùn)動(dòng)精度的六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)集中了