极紫外光刻机-最终稿

极紫外光刻机——工作台系统目录一.团队介绍二.项目背景三.国内外研究现状四.技术方案五.市场分析六.结论七.参考文献团队班级：机械四班团队成员：许伟2011080040012尹耀华2011080040021魏晶瑞2011080040026

一.团队介绍二.项目背景

有一种说法是,现代文明是电子芯片驱动的。从航天事业到日常生活,电子芯片对于现代文明的影响无处不在。而这所有的芯片,又无一例外都是光刻工艺的产物。

芯片工艺所能刻出的最小的尺度主要是由光刻工艺所用光源的光波长决定的。所用的光波长越短，所能达到的尺度越小，所能取得的集成度越高。为了紧跟迅速发展的集成电路制作技术，芯片工艺所用的光源从可见光过渡到紫外、远紫外，最后连远紫外的光源都无法满足技术的要求，极端远紫外（EUVL）芯片工艺技术也就应运而生。

极紫外光刻技术(EUVL)被称为最有发展潜力的下一代光刻技术,有望接替光学光刻,成为45nm以下光刻产业的主流技术。因而,该技术也是目前国际上先进光刻领域研究的热点。

图—1ASML公司研制的NXE:3100EUV光刻机工件台和掩膜台系统是步进扫描式光刻机的核心子系统之一。

双工件台系统由光刻机设备三大制造商之一的荷兰ASML公司最先提出，是目前和下一代步进扫描式光刻机工件台和掩膜台系统的标准配置。工件台采用粗、微二级平台复合驱动的结构方式，其中粗动台由大行程的平面运动机构组成，微动台由精密音圈电机或洛伦兹平面电机等运动机构组成。

双工件台运动系统中，粗动台的大行程平面运动由传统的直线电机正交组合驱动来实现，相对运动部件之间采用气浮支撑和隔离，以便尽量减少摩擦、振动等外部因素对精度的影响。这种结构存在一些缺点：一是采用直线电机叠加的组合方式实现多自由度运动，会导致系统的结构随着自由度的增加而变复杂，质量也会随之增加，同时系统的刚度会下降；二是气浮支撑刚度较小，结构复杂，运动质量大，且漏气问题会破坏下一代EUVL的真空环境；三是复杂的粗动台结构导致两个工件台的位置交换困难，生产效率低下。

因此，研究一种结构简单、质量轻，并能在磁浮状态下实现多维长行程运动的平面电机，就很有必要，也是目前和将来国内外研究的主要方向。

平面电机是一种平面驱动机构，它与其他类型电机一样，由定子、动子和支撑等部分组成，其动子能够带动负载产生多维运动，且动子运动所需的机械能由电磁能直接转换而来，而无须引入机械转换或传动机构。ASMLNXT1950i双工件台光刻机上应用的动圈式磁浮平面电机，它由一个动子和一个定子组成，动子悬浮于定子之上，具有六个自由度，动子与定子之间除了磁场之外没有任何支撑。Ir.J.C.Compter提出了动子与定子相互对调的动铁式磁浮平面电机，以消除电线和冷却系统对于动子运动的干扰。另外对电机的控制结构也进行了改进，将原来三个线圈一组的三相控制改成对每个线圈进行单相控制，以便更精确的控制电机动子上的作用力和力矩。目前，Ir.J.C.Compter提出的动圈式磁浮平面电机，已成功应用于荷兰ASML公司的新一代高精度TWINSCANNXT1950i光刻机中，其12英寸硅片工作台工作行程估计为1m以上，并获得难以置信的15g加速度、3.2m/s运动速度与1.5nm运动精度。

三.国内外研究现状国内在光刻机磁浮工件台和掩膜台系统方面的研究还在起步阶段。工作台采用粗、微二级平台组合驱动的结构方式，主要部件包括粗定位平台、微定位平台和基座。基座位于最底部，粗定位平台位于基座上方，由两台磁悬浮支撑的直线电机组成，可以相对基座在xy平面内移动。微定位平台位于粗定位平台正上方，通过磁悬浮导轨支撑。该工作台可实现xy平面内的长行程运动及绕x、y和z轴的微动。但是磁浮在该工作台上只是起到了支撑作用，粗动台的平面运动还是依靠直线电机的叠加运动来实现的，因此并不能算完全意义上的磁浮。

此外，浙江大学、中南大学、哈工大]和清华大学等也都在进行光刻机工件台和掩膜台系统方面的设计和研究工作，并提出了多项有关磁浮微动台和大行程磁浮平面电机方面的发明专利，但由于一些专利尚未见到具体的研究成果发表，因此不便对其性能进行具体评述。四.技术方案4.1总体技术方案

极紫外光刻是以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术

图—2极紫外光刻机原理图工件台是光刻机最关键的子系统之一,也是实现光刻机功能和精度的基础。EUVL工件台继承了许多光学光刻工件台技术,它是精密机械、检测、控制、真空等技术的集成,在光刻机对准和扫描曝光过程中起着至关重要的作用。

图-3ASMLNXT1950i新一代光刻机的磁浮双工作台

平面电机的设计同传统的旋转电机设计一样，都是一个综合考虑和优化的过程。为满足设计要求，需要考虑多种设计方案。我们设计的动圈式磁浮平面电机采用了一种新的二维Halbach永磁阵列，磁场的分布特性与现有的平面电机均不相同；在解耦方式上采用了直接解耦法。根据设计步骤，首先给出了设计指标；然后从增加驱动力、提高效率、减小力和力矩的波动，以及降低功耗等方面综合考虑，提出了对永磁阵列和线圈的尺寸进行优化的方法；随后根据设计指标和优化结果，提出了四种具体的电磁结构；最后通过对各种结构的特性进行对比分析，确定了最优的设计方案。

4.2主要技术指标考虑到动圈式磁浮平面电机研制的难度，以及研制的成本等因素,只进行了原理样机的设计技术指标为：实现电机动子在三维空间中沿x、y、z轴方向的平动，以及绕三个轴的微小转动；工作推力：150N；悬浮力：150N；运动速度>1m/s，加速度1g；运行环境温度:±22.1℃，电机表面温升<0.5℃；动子结构尺寸：250×250×30㎜。此外，为方便设计，还需要做出如下假设：1）在实际应用中，电机线圈阵列实际上是粘贴在一个质量约为15kg，结构尺寸250×250×30㎜的载物台下方，但为了方便设计，暂时不考虑线圈阵列上的载物台，并且将动子的质心设定在线圈阵列的几何中心。

2）所有电磁结构都为刚体，满足刚体动力学要求，因此力和力矩可以进行简单叠加。

3）电机线圈处于恒定的运行环境温度，其发热不在设计讨论范围之内。一方面是因为电机在实际运行过程中会采用循环水进行冷却，工作温度恒定，其电阻率和尺寸都不会出现变化；另一方面，电机的发热与路径的规划和加速度相关，设计过程中对比的难度很大。

4）线圈阵列中的所有线圈都处于永磁阵列的正常磁场区域，无需考虑线圈位于端部磁场区域的情况。因此，谐波模型和解析模型都可以应用于电机的具体设计。

磁浮平面电机的工作原理，是利用载流导体在磁场中所受的电磁力使动子实现稳定的悬浮，并驱动动子做平面运动。其中，永磁阵列为电机提供稳定分布的磁场，线圈阵列为电流提供载体。因此，永磁阵列和线圈阵列是磁浮平面电机电磁结构的基本组成，也是电磁结构设计的主体。平面电机执行机构由含磁钢阵列的定子和含线圈的动子平台组成，动子平台置于固定不动的定子上，电机工作时动子平台会悬浮在空中。当给线圈通以一定的电流时，磁钢阵列形成的闭合磁路使其产生竖直方向（即Z自由度）的磁力分力，当其与动子平台的重力平衡时，平台即可悬浮。结合平台的瞬时悬浮状态，不间断地调节线圈中电流的大小可使平台稳定悬浮。4.3研究内容通过对线圈通电的组合形式和电流大小进行调节，可以使线圈受到斜方向的力，其分力则会推动磁浮平台在X，Y，Z向运动，还可以使平台绕X，Y，Z轴的微小旋转运动，这样即可实现六自由度运动。4.3.1

新型永磁阵列磁场分布

新型永磁阵列在全局坐标系下的两种排布方式。（a）永磁阵列的边与坐标轴平行；（b）永磁阵列的边与坐标轴之间有45°的夹角

通过采用标量磁位函数、分离变量法和待定系数法，推导出永磁阵列内部及其表面的磁场强度分布公式和磁通密度分布公式，并利用电磁场边界条件确定了各待定系数的值，从而建立了永磁阵列的谐波模型。并采用有限元法具体分析了两种排布方式下该永磁阵列的磁场分布特征。

最终，我们选定了下图（b）所示的永磁阵列，选择钕铁硼N38EH作为制造永磁体的磁材料

电机采用磁浮方式进行支撑，因此，其动子具有六个方向的自由度。为了让动子能够稳定的悬浮并按照规划的轨迹进行运动和定位，就必须保证电机在任何状况下都可控。

动圈式磁浮平面电机的线圈数量和线圈布置式与可控性之间的关系。（a）由6个线圈构成的平面电机；（b）由20个线圈构成的平面电机。线圈的排列方式

线圈的排列方式与线圈的形状有关。线圈的形状主要有三种分别是正方形线圈、圆线圈和长方形线圈。由于正方形线圈和圆形线圈的平均功耗、力和力矩的波动较长方形线圈大很多，因此，选择长方形线圈及其排列方式。对于长方形线圈，为了方便解耦和计算，线圈会旋转一定的角度放置，使得线圈的长边与平面永磁阵列中长方形永磁体的边形成一个45°的夹角，而其排列方式通常有两种：一种是田字形排列，另一种是人字形排列。

根据永磁阵列和线圈的优化结果，以及电机设计的综合考虑，我们提出了四种动圈式磁浮平面电机电磁结构。第一种电磁结构第一种电磁结构。在该结构中，采用永磁阵列的边与坐标轴之间有45°的夹角布置形式，线圈阵列排列成田字形，单个线圈的宽度为2/3Tn，相邻两个平行线圈之间的距离也为2/3Tn。电机总共有20个线圈。

第二种电磁结构

第三种电磁结构这两种结构中的线圈阵列采用的是人字形布置，单个线圈的宽度为2/3T，同一列相邻两个平行线圈之间的距离为2/3Tn，相邻两行线圈阵列之间的距离为（cl+2cb+∆d)/√2。两种结构的不同之处在于线圈的长度一个为2T，另一个为Tn。电机的线圈数量分别为22个和46个。

第四种电磁结构

该结构与第一种结构类似，所不同的是线圈阵列采用了多组小田字形阵列组合的形式。阵列中单个线圈的宽度为2/3T，相邻两个平行线圈之间的距离也为2/3Tn。电机总共有108个线圈。

第一种情况就是当电机只处于稳定的悬浮状态时的功耗，其平衡方程如下所示：式中，m表示整个电机动子的质量，包括载物台和线圈；g表示重力加速度。

第二种情况就是当电机电机在悬浮状态下以最大加速度运行时的功耗，其平衡方程如下所示：式中，a表示动子进行平面运动的加速度，最大值为1g。

为了比较四种结构的优劣，我们分别计算出了在两种极端情况下电机的功耗水平。

此外，由于当电机动子相对于永磁阵列的位置不同时，各线圈上维持动子平衡和运动所需的电流大小和方向是不同的，因此，功耗的比较需要建立在整个运动区域内。但考虑到永磁阵列产生的磁场分布具有周期性，所以只需计算出动子质心在一个永磁阵列磁场分布周期内变化时的情况就可以分析出全部的功耗水平。

四种电磁结构功耗对比

动圈式磁浮平面电机a俯视图b主视图4.3.2电机设计与优化结果大田字形结构（第一种结构）具有最低的功耗，因此被确定为最优设计方案。根据这一方案及以往进行电机制作的经验，设计出的样机如图所示。但为了让电机免受端部磁场的影响，在理论行程的基础上，需要在外围再扩展一定数量的阵列。样机的线圈数量为20个，各线圈之间在控制上相互独立。考虑到线圈的制造误差，线圈与线圈之间需要留有一定的间隙4.3.4

性能分析（一）、电涡流损耗分析

交变磁场会在金属导体表面引起电涡流，从而导致损耗和阻尼。因此，在传统电机的制作中，通常会将金属导体做成叠片式结构或者采用软磁复合材料以减少涡流损耗。对于平面电机来说，其永磁阵列产生的磁场是周期分布的，线圈产生的磁场也是时变的，所以更需要注意涡流损耗，以避免阻尼的产生。在磁浮平面电机中，容易引起涡流情况主要有以下四种：（1）当电机动子相对于永磁阵列移动时，动子上的铝材因为相对于永磁阵列运动而受到交变磁场的影响产生的涡流；（2）当线圈阵列相对于定子移动时，线圈电流产生的变化磁场在定子铝材上产生的涡流；（3）当线圈阵列上的电流出现变化时，线圈电流产生的变化磁场在动子铝材上产生的涡流；（4）当线圈阵列上的电流出现变化时，线圈电流产生的变化磁场在永磁阵列上产生的涡流；

可以通过瞬态有限元仿真确定铝材相对于永磁阵列和线圈的合理距离，以及线圈和永磁阵列之间的合理距离。查阅资料：一块250250mm´的铝板在永磁阵列上表面不同距离运动时的模型，铝板受到的磁阻力的变化可从图上看出磁阻力随着铝板与永磁阵列的距离的增加而急剧减少，其减少的趋势与2B（B表示永磁阵列在铝板表面的磁通密度的幅值）随距离的增加而减少的趋势一致当距离达到d1=20mm时，磁阻力趋于0。因此，动子上面积较大的铝制零部件与永磁阵列平面的距离不得少于20mm。

电机运行时的总体结构及容易产生涡流的情况

对于上述第（2）种和第（3）情况，由于各线圈上的电流在不同位置时各不相同，产生的磁场强度和分布规律也不一样，因此判断这两种情况下磁阻力的大小具有一定难度。查阅资料可得当铝板与线圈之间的距离为1mm时，线圈产生的磁场在永磁阵列上面产生的磁通密度的幅值与第（1）种情况中磁阻力为0时永磁阵列在铝板表面的磁通密度幅值相当，而定子铝板与动子线圈阵列的距离至少为7mm，因此，可以认为此时的磁阻力可以忽略。对于第（4）种情况，在本设计中可以忽略不计。因为线圈阵列在永磁阵列表面产生的磁动势非常小。（二）电机热分析

铜损产生的主要影响就是发热。由于电机内各种材料都只能在一定的温度范围内工作，当线圈发热使温度升高超过允许的范围时，电机就会被破坏。最主要的损坏表现在永磁体的退磁和线圈绝缘层被烧坏。因此，在电机设计过程中，电机的铜损分析是非常重要的一步。热的传播方式主要有三种，即传导、辐射和对流1.热传导，即高温热源与低温热源直接接触传热，是一个分子向另一个分子传递振动能的结果。热量传递的计算公式如下：△Q=λ△T式中，△Q表示单位时间内从高温热源向低温热源传递的热量，λ表示热导率，△D表示两个热源之间的温度差。各种材料的热导率不同。2.对流，流体当中，受热位置不均匀导致流体密度变化而产生流动，流动过程中换热。经过流体表面的局部对流热通量计算公式为：式中，q‘表示局部热通量，h表示局部对流系数，表示表面温度，表示环境温度。3.热辐射，高温热源以辐射红外线等形式向低温热源传热，这种情况两个热源不直接接触，由于红外线是电磁波，所以这种热传递方式可以不需要介质，在真空中传播。电机处于悬浮状态时，线圈阵列表面的发热情况（无冷却系统）电机处于以最大水平加速度运行状态时，线圈阵列表面的发热情况（无冷却系统）

当平面电机工作时，由线圈发热导致的传导、对流和辐射持续存在。由于电机的动子没有与其它任何具有较强导热能力的物体接触，因此，在不配备冷却装置的情况下，主要的散热方式就是向周围空间辐射热量。由图可知此时的最高温度为79.8°C。虽然这一温度还不足以对电机产生破坏作用，但却会对精密设备产生很大影响。而当电机长时间以最大水平加速度运行时，由图可知此时的最高温度将可以达到314.6°C。这将会让整个电机完全烧毁。如果采用水冷，由于水的热导率为0.6W/mK，比热容为焦耳/千克摄氏度，则在电机发热最严重的情况下，保证电机工作在环境温度变化许可的范围内所需要的循环水流量为，所以我们要设计冷却循环系统来降低系统温度。由于冷却系统的设计不属于此次的研究范围，在此不再详述。4.4技术路线理论基础技术方案，指标电机电磁设计设计方案比较基本问题优化4.5关键技术点电磁结构是磁浮平面电机的硬件基础，获得驱动效率高、谐波干扰小、工艺性好的平面电机电磁结构，是磁浮平面电机设计的核心。根据新平面永磁阵列的磁场分布特性，建立新型动圈式磁浮平面电机电磁结构的设计与优化方法，掌握大推力、高效率、高响应、谐波小的动圈式磁浮平面电机电磁设计特点与规律，确立电机的最终电磁结构及尺寸。

根据磁浮平面电机的特点，提出并研究了一种基于新型高性能Halbach永磁阵列的动圈式磁浮平面电机的电磁结构。建立了新型电机电磁结构的数学模型，并在此基础上提出了专门针对该电磁结构的优化方法和设计方法，同时推导了适用于实时控制的简化模型。4.6创新

4.6.1一种新型平面永磁阵列

根据现有磁浮平面电机中磁场强度与谐波特性难以兼顾的问题，设计出了一种新型平面永磁阵列。与现有的平面永磁阵列相比，该结构使平面电机获得了更高的磁场强度，同时使磁场的分布具有了良好的谐波特性，从而可以有效提高电机的效率，降低力和力矩的波动。

4.6.2电磁结构设计、优化与分析方法

针对新型电机的电磁结构特点，建立了专门的优化方法，使得永磁阵列在相同极距和厚度的情况下，具有更高的磁场强度和更好的磁场分布特性，使线圈获得了最佳推重比。针对新型磁浮平面电机的特点，结合现有磁浮平面电机的设计方法和排列方式，从电机的可控性、端部效应和线圈的排列方式等角度出发，综合分析了电机设计需要考虑的问题，建立了具体的设计方法，并通过多种方案的对比，确立了功耗最低、效率最高的设计方案。针对新型动圈式磁浮平面电机的电磁结构与现有结构均不同的情况，提出了包括永磁体工作点、涡流损耗、发热和电动势等基本特性进行分析的方法。五.市场分析国内：目前国内已经开始研发EUVL光刻技术。十年前，国家科技部“十五”重大科技专项100nm高端光刻机的研制任务落户上海，上海微电子装备有限公司（简称SMEE）肩负起为我国集成电路产业发展研制关键装备——光刻机的历史使命，在上海张江高科技园区这片创新的热土诞生。SMEE具备了高端光刻机的系统设计与集成测试的能力，掌握了光刻机多项核心关键技术并拥有了这一领域的多项自主知识产权，成为世界上继欧洲和日本3家光刻机公司之后的第4家掌握高端光刻机的系统设计与系统集成测试技术的公司。自主设计、制造和集成的国内首台高端投影光刻机于2007年问世，使国内高端光刻机的水平在原有i线光刻机样机基础上实现了几代的跨越和重大突破。首台先进封装光刻机于2009年下半年实现了销售并上用户生产线运行至今两年多，连续封装了几十万片硅片，设备性能稳定，得到了客户较高的评价和认同。目前该系列产品已形成小批量产能，已实现销售4台，今年已接订单6台，并有台湾、新加坡等海外市场意向订单多台。国外:目前市场上提供量产商用的光刻机厂商有三家：ASML,尼康(Nikon)，佳能(Canon)。根据2007年的统计数据，在中高端光刻机市场，ASML占据大约60%的市场份额。而最高端市场（例如沉浸式光刻机），ASML大约目前占据80%的市场份额。不过，竞争对手尼康也在奋力追赶，主要优势在于相对较低的价格。ASML为半导体生产商提供光刻机及相关服务，TWINSCAN系列是目前世界上精度最高，生产效率最高，应用最为广泛的高端光刻机型。目前全球绝大多数半导体生产厂商，都向ASML采购TWINSCAN机型，例如英特尔(Intel)，三星(Samsung)，海力士(Hynix)，台积电(TSMC)，中芯国际(SMIC)等。在22nm只有ASML一家能够生产。总结:整体来说光刻机的市场需求量不算太大，当每部