【《光刻机整体结构与工作流程分析综述》2700字】

光刻机整体结构与工作流程分析综述图2-1光刻机整体结构示意图步进式扫描光刻机的曝光方式是投影式曝光，利用光源经过光路聚焦将掩模片上印刷的芯片电路投影到涂有光刻胶的晶圆的表面进行曝光进而实现光刻任务。这个过程需要光刻机系统中各种复杂的运动机构密切协作。光刻机的系统组成主要包活机械结构系统、运动控制系统和测量系统组成。总的来说主要包括双工件台系统、掩模台系统、光路成像系统、气浮隔振系统以及计量框架。工件台、掩模台和投影物镜这三个机构是进行光刻时主要涉及到的运动机构。印刷有集成电路结构的掩模片被放置在掩模台上。投影物镜在掩模台下方，工件台位于投影物镜的下方。工件台的作用是承载硅片进行光刻扫描运动。工件台上的硅片要处在投影物镜的焦平面上，从掩模片中透射而出的成像光束经过投影物镜而被聚焦到工件台所承载的硅片上。光刻机的整个工作流程简述如下：首先，工件台和掩模台完成调平工作，然后控制掩模片上的集成电路板、投影物镜和工件台上所承载的的硅片的运动使得这三者完成焦点的对准。掩模片上的集成电路结构经过光路成像系统的聚焦而被投射到工件台所承载的硅片上。工件台和掩模台要相互配合彼此的运动，进而完成曝光刻片的操作。工件台上承载的硅片一共可以被被划分成109个可以被曝光的像场[9][10]，而每一次曝光只能对一个像场进行光刻，完成一次曝光后，工件台将下一个像场按照事先规划好的路径移动到投影物镜的下方，从而曝光刻片的任务可以继续执行，直到完成硅片上全部109个像场的刻片。从光刻机工作的流程可以看出，在光刻任务中工件台主要完成下面两项任务：（1）承载硅片，与投影物镜和掩模台进行配合从而完成调平和调焦。（2）将硅片上的每一块待刻的像场移动到投影物镜的下方，完成硅片的对准工作。在光刻任务中掩模台主要完成下面两项任务：（1）承载掩模片，与投影物镜和工件台进行配合从而完成调平和调焦。（2）与工件台进行按照4比1或者5比1的速率比进行方向相反的运动，按照次序扫描硅片上的每一个像场。光刻机采用宏动台与微动台结合的复合驱动方式，宏动台是粗动平台，用于完成大行程微米级别精度的运动；微动台是精动平台，用于完成小行程纳米级别精度的运动。微动台作为光刻机的核心部件，是工件台能够实现纳米级别精度运动的关键所在，在光刻机工作时，微动台完成调平，调焦等动作，并且进行纳米级精度的曝光运动，使硅片得到完整的曝光。微动台可以根据功能分为四个组成部分，分别是：Chuck部件、执行机构、测量机构、E-Pin部件。Chuck部件包括真空吸盘和45°微晶镜块。真空吸盘的作用是固定硅片，经过真空吸盘的固定，在上下片的时候不会发生硅片的滑落；45°微晶镜起到反射镜的作用，与双频激光干涉仪相互配合，进行高精度的测量。此外，能够测量微动台与宏动台之间的相对位置的传感器的磁极被装载在Chuck部件上，与微位移传感器相互配合来测量宏动台与微动台之间的相对位置。执行机构主要包括垂直方向上音圈电机和水平面内的微动平面音圈电机。执行机构的动子在在垂向Z向的平动和Rx、Ry的偏转通过3个垂直方向上的音圈电机来驱动实现；执行机构动子在水平X、Y向的平动以及Rz的偏转通过水平面内3个平面音圈电机来驱动实现。从而可以在六个自由度上实现微动台的精密运动控制。此外还有重力补偿器被安装在台体的垂直方向上，用以对微动台的重力进行补偿，从而音圈电机可以减少出力，避免音圈电机出力过大而发热，影响音圈电机的正常工作。 测量机构主要包括两套系统，分别是双频激光干涉仪与霍尔传感器。微动台的位移主要通过激光干涉仪来进行测量，测量系统使用的激光干涉仪精度达到了0.6nm，用以对微动台的绝对位置进行测量。激光干涉仪的组成可以分成两个部分：一个是激光镜组，镜组与工件台基础框架固连，另一个是前述的45度反射镜，反射镜固定在Chuck部件上。激光镜组可以分成三个组成部分，激光器、分光器和接收器。总共有8组激光干涉仪，分布在工件台的6个自由度上，X向安装了3组，Y向安装了3组，Z向安装了2组。为了方便测量解耦，两两平行是安装时每个方向上的不同组激光干涉仪需要保证的空间相对位置关系。以X方向为例进行分析，X方向上的位移可以由每一组激光干涉仪都能够独立地测量得出，如果取得了对两组激光干涉仪的测量结果，那么久可以进行解耦运算，从而获得微动台在一个自由度上的角位移，所以通过X向的3组激光干涉仪能够测量出工件台在3个自由度上的位置信息，这三个自由度分别是X，Ry和Rz。同样的道理，Y向的3组激光干涉仪也能够测量出工件台在3个自由度上的位置信息，这三个自由度分别是Y，Rx和Rz。Z向的2组激光干涉仪能够测量出工件台在两个自由度上的位置信息，这两个自由度是Z和Ry。很明显，从激光干涉仪的安装布局可以看出这是一种冗余的设计。通过8组激光干涉仪的测量结果，三个自由度的转角信息可以两次被得到。在测量系统上进行这种冗余的设计的考量在于，如果布置方向相同或者方向相反的冗余激光干涉仪于工件台的六个自由度上，那么在三个转动自由度上的非线性的耦合项就能够通过几何运算来消除，从而可以使得计算过程中的非线性方程组变为线性，能够让测量解耦精度不受到非线性的影响，解耦的运算量也得到了降低。 霍尔传感器用以测量微动台和宏动台之间的相对位置。微动台上固定有霍尔传感器的永磁体部分，而霍尔元件和信号采集板安装在宏动台上，霍尔元件通电之后，永磁体产生磁场，在垂直于磁场与电流构成的平面上会产生与磁场强度成正比的霍尔电动势，当微动台与宏动台之间发生相对运动的时候，霍尔传感器与磁铁之间的相对位置也会发生变化，因而霍尔传感器收到的磁感应强度发生变化，从而使霍尔电动势做出相应变化，根据这个现象，可以通过感应电动势来测量微动台与宏动台之间的相对位移。一共有六个霍尔传感器，其中3个用来测量在Z向相对位移，2个用来测量在Y向的相对位移，1个用来测量在X向的相对位移。霍尔传感器将微动台相对于宏动台的在垂直方向上的位移和在水平方向上的位移转化成为电信号。通过对信号进行解耦运算，可以求解出微动台在六个自由度上相对于宏动台的位移。E-pin部件主要完成升降硅片的操作，这个操作是通过音圈电机的在垂直方向上的运动实现的，该部件还需要配合机械手实现上下片等操作。工件台是组成光刻机系统的关键部分，光刻机的工件台是一个达到了纳米级别定位精度与运动精度的六自由度运动系统，是一个集中了