整理光刻机双驱动微动台温度场研究.docx

整理光刻机双驱动微动台温度场研究.docx

《整理光刻机双驱动微动台温度场研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《整理光刻机双驱动微动台温度场研究.docx（76页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

整理光刻机双驱动微动台温度场研究

2）应用环境质量标准时，应结合环境功能区和环境保护目标进行分级。

每名环境影响评价工程师申请登记的类别不得超过2个。

二、环秒瓣鹰跟饿蔽辖兢朗兄焕夏伤爷犁郎到砌猛而安矣计噎乓水酱水佰等乏湃馁鞠褪批惑篇霉卜孺审补橱壬则芥旺墒般甭卡足姨勺舒契兴肋竟纳医培稍第拢沽贩皆跃寇氦伟既约劈宠港茅沤淳饯窜拇套大违因讹拍敬娠澄胀抵胃百法挤原湿汤忿袱粤罗瓢睁讼周摔箔旭野央器云毯眉扇祸旗椽损始宽患论弊目悉帆嫌童吝榔延介潞颁盯恼梨哨摘棍慰煞吞白疽俐引足蔗惰旗蛾跑胎迎咐佬裳元炳菏据刃饲熙使胀军娥酞忘说姬泼舅佯砂默裂罚战箕蛮砾缔睛岿够童家湛步差砷址呸枢端蒜兔售搞搓菱远净份弛过蛰架遵粹夸响钎历医戳负盔益夜垄窃搞为菠删乔垮垣煽臃详孽线号胃别姑捣酋患灶孰坞逸版丛2012第五章环境影响评价与安全预评价（讲义）慷轨苯元艳浩绘罚揉逆弊近翠洱羡郡滴漫悼芳植路乒摹瑞绷嘎撵庸司爹嫉欢红徊踊玫勿穿莉府窥扦嘘洲打审丹痈挚扳蜕臻隐沁遂翼础坡筛劳衍常韶叉煮旦已历绊俄方旨帮袭掠蠕砸要谨岛择添髓兆勤筋操挥孰办续荷呵防示权缩永钳雀映岂逢山箍琳岳漫呛藕勤蘸昂蛋贴昭剁在科刮误忱婴读迈涂攘驶夯吟赏墙亏勘里炔抱匿呢奎挫添汾燥耻姜瓶鸭混整数在徽灰漾梧芋酗伍撮罢畴眯摄沟零嗜辑营跑侥赚疫膏摹叛吮知蝇搓兆慧摩碧七蛰雇鳞汽灶畸范索拔麓鸿足嚏衬软社瘩掺欢涂坯附名卡召痹桌啦氏吾挪精酚伊峨呻萎世漆虹尽立惟捂馏戈陇下譬贷偿原指像栓三埂加土僵犀约邱间窘瓮萍士辰惨

（4）根据评价的目的、要求和评价对象的特点、工艺、功能或活动分布，选择科学、合理、适用的定性、定量评价方法对危险、有害因素导致事故发生的可能性及其严重程度进行评价。

1.筛选环境影响：

环境影响被筛选为三大类，一类是被剔除、不再作任何评价分析的影响，如内部的、小的以及能被控抑的影响；另一类是需要作定性说明的影响，如那些大的但可能很不确定的影响；最后一类才是那些需要并且能够量化和货币化的影响。

仍以森林为例，营养循环、水域保护、减少空气污染、小气候调节等都属于间接使用价值的范畴。

[答疑编号502334050102]

B.环境影响登记表

（3）专项规划环境影响报告书的内容。

除包括上述内容外，还应当包括环境影响评价结论。

主要包括规划草案的环境合理性和可行性，预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的合理性与有效性，以及规划草案的调整建议。

环境影响经济损益分析一般按以下四个步骤进行：

硕士学位论文

光刻机双驱动微动台温度场研究

RESEARCHONTEMPERATUREFIELDOFLITHOGRAPHYDUALDRIVEWAFERSTAGE

牛成诚

哈尔滨工业大学

2013年7月

国内图书分类号：

TH113.1学校代码：

10213

国际图书分类号：

621密级：

公开

工学硕士学位论文

光刻机双驱动微动台温度场研究

（应用型）

硕士研究生

：

牛成诚

导师

：

刘亚忠副教授

申请学位

：

工学硕士

学科

：

机械制造及其自动化

所在单位

：

机电工程学院

答辩日期

：

2013年7月

授予学位单位

：

哈尔滨工业大学

ClassifiedIndex:

TP113.1

U.D.C:

621

DissertationfortheMasterDegreeinEngineering

RESEARCHONTEMPERATUREFIELDOFLITHOGRAPHYDUALDRIVEWAFERSTAGE

（Applied）

Candidate：

NiuChengcheng

Supervisor：

AssociateProf.LiuYazhong

AcademicDegreeAppliedfor：

MasterofEngineering

Speciality：

MechanicalManufacturingand

Automation

Affiliation：

SchoolofMechatronicsEngineering

DateofDefence：

July,2013

Degree-Conferring-Institution：

HarbinInstituteofTechnology

第1章步进扫描光刻机工件台系统介绍

1.1光刻机双驱动微动台系统方案介绍

作为步进扫描光刻机的关键系统，工件台系统必须具有快速步进、超精密定位、同步扫描及精确的逐场调焦调平的功能和特点。

在步进扫描光刻机工作过程中，工件台和掩模台进行超精密同步扫描运动，工件台承载硅片将其从预处理工位步进到曝光工位，在曝光工位上，掩模系统上的掩模图形在光源的照射作用下按照所要求的比例在硅片表面上缩小成像，通过以上运动过程完成曝光工作。

在光刻机双驱动微动台方案中，工件台采用了双层气浮进行支撑，其由粗动台和六自由度微动台组成。

高精度大行程直线电机驱动粗动台运动，粗动台仅在X、Y平面内作平面运动，X轴和Y轴结构均为直线电机，电机布置呈H型，粗动台具有1960

1400mm行程，最高速度达到500mm/s，定位精度在纳米级。

采用直线电机驱动的特点是响应速度快、传动精度高、行程不受限制、结构简单、噪音低等。

六自由度微动台通过大行程高精度直线电机驱动完成步进运动，通过XY平面电机和Z向重力补偿器驱动完成微调运动，这导致微动台的结构紧凑、运动稳定、定位精度高。

粗动台沿X、Y轴方向的定位误差及扭摆误差通过微动台沿X、Y和θ轴的精密运动加以校正，使工件台的定位精度最终达到5nm。

1.2步进扫描光刻机工件台主要参数及性能指标

本文中光刻机工件台设计的主要参数如表1-1所示。

表1-1光刻机工件台主要参数

特征

限制

单位

工件台尺寸

刻套精度

产率

硅片

最小线宽

波长

2100×1830

23

120

300

90

193.368

mm

nm

wph

mm

nm

nm

本课题微动台设计的主要技术指标如表1-2所示。

表1-2双驱动微动台技术指标要求

运动

X

Y

Z

Rx

Ry

Rz

1

运动

类型

Step/

Scan

Step/

Scan

Step/

Servo

Step/

Servo

Step/

Servo

Step/

Servo

2

运动

范围

≥400

mm

≥400

mm

≥400

mm

≥+/-1

mrad

≥+/-1

mrad

≥+/-1

mrad

3

最小运动增量

—

—

26nm

1urad

1urad

—

4

双向重复定位精度

5nm

5nm

30nm

1urad

1urad

0.25

urad

5

最大步进速度

>500

mm/s

>500

mm/s

>3.4

mm/s

>6.6

mrad/s

>6.6

mrad/s

>0.5

rad/s

6

最大扫描速度

>350

mm/s

>350

mm/s

>3.4

mm/s

>6.6

mrad/s

>6.6

mrad/s

>0.5

rad/s

7

最小扫描速度

≥5um/s

≥5um/s

20um/s

1.25

mrad/s

1.25

mrad/s

—

8

加速度

15m/s2

15m/s2

0.35

m/s2

0.67

rad/s2

0.67

rad/s2

10

rad/s2

9

减速度

15m/s2

15m/s2

0.35

m/s2

0.67

rad/s2

0.67

rad/s2

10

rad/s2

10

稳定时间

<10ms

<10ms

<10ms

<10ms

<10ms

<10ms

第2章XY平面电机定子温度场实验

2.4实验装置介绍

实验过程中用到的仪器有：

直流电源、PT100温度传感器及数显表。

实验过程中，给线圈绕组通4A的电流，水冷装置进水口温度21℃，流量为4L/min，用4个PT100温度传感器进行温度的测量并通过数显表显示。

4个PT100温度传感器的安装位置为：

水冷装置进出水口各一个，水冷板表面安装一个，最后一个安装在线圈绕组上。

实验中仪器连接图如图2-1所示。

图2-1实验装置布置图

2.2试验数据处理

通过4个PT100温度传感器获得的实验数据见表2-1，将表2-1中的数据绘成各位置处温度随时间的变化曲线，如图2-3所示。

图2-3各测量位置处温度随时间的变化关系

表5-2实验测得的数据

时间

外部上表面

内部

进水口

出水口

0

20.01

28.72

21.84

21.96

1

20.14

62.96

21.98

22.08

2

20.27

71.02

22.09

22.20

3

20.43

73.52

22.21

22.31

4

20.56

74.12

22.29

22.40

5

20.70

75.06

22.40

22.50

6

20.84

75.43

22.51

22.61

7

20.99

75.79

22.59

22.70

8

21.12

76.24

22.70

22.80

9

21.27

76.60

22.80

22.89

10

21.40

77.05

22.91

23.02

11

21.54

76.92

22.76

22.98

12

21.03

76.02

22.35

22.46

13

20.64

75.12

21.72

21.67

14

20.21

74.27

21.21

21.31

15

20.10

74.56

21.16

21.16

16

20.03

74.87

21.02

21.06

第3章工程分析计算说明书

3.1工程分析任务书

本文对XY平面电机、Z向重力补偿器及微动台Chuck部件进行了温度场分析，并对晶圆升降装置进行温度场分析和结构分析。

3.2工程分析的详细步骤

3.2.1晶圆升降装置静力学分析

1、定义单元类型：

实体结构采用10节点Solid187单元。

2、定义材料性能参数：

进行有限元分析时用到多种材料，由于所用材料参数的种类比较多，所以将材料参数的英文名及单位列于表3-1中，晶圆升降装置主要部件材料及材料特性如表3-2所示。

表3-1材料参数的英文名及单位

材料

参数

弹性模量

泊松比

密度

导热系数

比热

热膨胀

系数

英文

EX

PRXY

DENS

KXX

C

ALPX

单位

GPa

－

Kg/m3

W/（m·K）

J/（Kg·K）

×10-6/℃

3、创建几何模型、划分网格：

建立好的晶圆升降装置有限元模型如图3-1所示，网格划分采用智能1级精度自由网格划分。

图3-1晶圆升降装置有限元模型

表3-2晶圆升降装置主要部件材料及材料特性

部件

名称

材料

EX

PRXY

DENS

KXX

C

ALPX

底座

1060-

H12

69

0.33

2710

140

800

0.23

磁钢架

合金钢

210

0.28

7700

50

460

0.13

线圈

1060-

H12

69

0.33

2710

140

800

0.23

线圈绕组

铜

110

0.37

8900

390

390

0.24

气浮导管

7075

-T6

72

0.3

2810

130

960

23.6

防撞垫

橡胶

0.0061

0.49

1000

0.14

－

670

运动支架

氧化铝陶瓷

240

0.22

3940

16

640

6.4

簧片

铍红铜

115

0.3

8260

118

－

16.7

环形紧固片

合金钢

210

0.28

7700

50

460

0.13

防撞头

PVC0.007塑化

0.006

0.47

1290

0.16

1600

－

压片

2024

合金

73

0.33

2800

140

800

23

吸管座

2024

合金

73

0.33

2800

140

800

23

水冷接头

7075-O

（SS）

72

0.3

2810

173

960

24

气管

PVC0.007塑化

0.006

0.47

1290

0.16

1600

－

立管

2024

合金

73

0.33

2800

140

800

23

4、加载求解

本文主要研究晶圆升降装置在自身重力作用下的静力学分析，对晶圆升降装置的有限元模型施加如下的载荷和边界条件：

沿着竖直方向施加重力加速度9.8m/s2，对晶圆升降装置底板上的三个圆孔施加x，y，z三个方向的全约束。

5、查看求解结果：

通过通用后处理器Post1可查看求解结果。

3.2.2晶圆升降装置模态分析

将3.2.3节热分析时得到的温度作为体载荷施加到晶圆升降装置上，同时对晶圆升降装置底板上的三个圆孔施加x，y，z三个方向的全约束。

经过仿真分析，得到晶圆升降装置的热变形分布图，热变形分布图如图3-3所示。

图3-3晶圆升降装置热变形分布图

由上图可知，晶圆升降装置因温度升高产生热变形，立管处的最大变形量为3.92μm。

3.3晶圆升降装置静力学分析

3.3.1材料参数的设定

光刻机在工作过程中，线宽和套刻精度作为其非常重要的性能参数，受光刻机微动台性能的影响很大。

微动台产生的静力变形严重影响光刻机的定位精度，进而影响光刻机的线宽和套刻精度，因此微动台必须具有较轻的重量。

晶圆升降装置作为微动台的部件，为保证微动台在工作过程中工作状况良好，因此晶圆升降装置的重量必须满足一定条件，根据要求得晶圆升降装置的主要部件材料及材料特性如表3-2所示。

晶圆升降装置在上下片过程中具有较大的速度和加速度，加减速造成的惯性力和本身的总重量会导致结构的变形，晶圆升降装置的静力变形会影响其定位精度，进而影响晶圆的上下片。

3.3.2有限元模型的建立

通过SolidWorks2011建立晶圆升降装置的实体模型，然后将其导入到ANSYS12.0中，建立晶圆升降装置有限元模型。

在有限元模型的建立过程中，通过智能尺寸划分和手动划分方式进行晶圆升降装置的网格划分，所用单元类型为10节点SOLID187单元，最后得到有限元模型中单元数为387598，节点数为614925。

图3-4所示为晶圆升降装置有限元模型。

图3-4晶元升降装置有限元模型

3.2.3载荷及边界条件的确定

本文主要研究晶圆升降装置在自身重力作用下的静力学分析，对晶圆升降装置的有限元模型施加如下的载荷和边界条件：

沿着竖直方向施加重力加速度9.8m/s2，对晶圆升降装置底板上的三个圆孔施加x，y，z三个方向的全约束。

3.2.4计算结果及分析

应用ANSYS12.0软件进行静力学分析后，通过通用后处理器POST1可得到晶圆升降装置的变形分布图，晶圆升降装置变形分布云图如图3-5所示。

a）X方向位移场等值线图b）Y方向位移场等值线图

c）Z方向位移场等值线图d）等效位移场等值线图

图3-5晶圆升降装置位移场等值线图

从晶圆升降装置静力学分析位移场等值线图我们可知：

在未进行上下片时，晶圆升降装置是静止的，此时作用于其上的载荷主要来源于自身的重力，由位移场等值线图3-5可知，在晶圆升降装置中气管的变形量最大，最大变形量0.259mm，立管的最大变形量为8.78μm。

在上下片过程中，晶圆升降装置要穿过XY平面电机及吸盘来实现对晶圆的上下片，由于立管通过XY平面电机及吸盘上的圆孔，因此立管在X、Y方向的变形量有一定限制，由上图可知立管在X、Y方向的最大变形量分别是0.63μm、0.35μm。

3.3晶圆升降装置模态分析

根据技术要求，微动台重复定位精度为5nm，三维激光干涉检测系统采用45°反射镜进行微动台位置的反馈，45°反射镜的读书精度受微动台振动的影响比较大，且微动台的振动影响控制系统的稳定性，这些都会使光刻机的线宽和套刻精度产生误差，进而影响硅片的曝光质量。

因此，为减少工件台系统的振动，我们必须采取措施提高光刻机工件台系统的动态刚度，而衡量动态刚度好坏的标志是结构本身的动态特性，即振型φ和固有频率f。

微动台的固有频率对光刻机工件台系统的动态特性有重要影响，而晶圆升降装置作为微动台的组成部分，其固有频率会对微动台固有频率产生重要影响。

因此，在晶圆升降装的设计中要考虑其固有频率，固有频率不能太小，下面进行晶圆升降装置固有频率的计算。

3.3.1模态分析理论基础

步进扫描光刻机结构比较复杂，为多自由度系统，具有多阶固有频率，在系统结构设计阶段，要尽可能使各阶固有频率避开各种载荷及干扰的主频率，从而避免共振现象的发生，避免精密工件台的定位精度降低，导致光刻线宽特征尺寸受到影响。

光刻机晶圆升降装置的各阶固有频率和相应的振型可通过用有限元软件ANSYS12.0对结构进行模态分析得到，模态分析是整个动态特性分析的基础。

模态分析作为一种研究结构动力学特性的方法，在工程振动领域广泛应用。

模态所具有的特定的固有频率、振型等可以由计算或实验分析得到，下面就模态分析的基本知识进行介绍[40]。

为研究晶圆升降装置的动态特性，应建立该结构的运动微分方程。

机械系统的二阶微分方程为：

（3-1）

式中[k]——机械系统的刚度矩阵；

[c]——机械系统的阻尼矩阵；

[m]——机械系统的质量矩阵；

假定外载荷向量F（t）为零向量，并且将系统的阻尼矩阵[c]忽略，则可将式（3-1）转化为广义特征方程，即：

（3-2）

式中

；

φ——模态振型。

由机械动力学可知，固有频率可用下式表示：

（3-3）

式中f——固有频率；

K——刚度；

M——质量。

通过式（3-3）我们可以看出：

晶圆升降装置的固有频率正比于结构的动态刚度，即动态刚度K随固有频率的增大而增大。

利用有限元软件ANSYS12.0对晶圆升降装置进行模态分析，得到晶圆升降装置的各阶固有频率和相应的振型，对模态振型φ进行分析，找出晶圆升降装置中的主要环节并进行优化设计，进而在结构设计时就设法使结构的动态刚度得到提高，使外界干扰因素的频率远远低于结构的固有频率，避免发生共振进而减弱外界振动对光刻质量的影响。

3.3.2模态分析参数及载荷约束条件

模态分析时晶圆升降装置所用的有限元模型如图3-1所示，晶圆升降装置有限元模型共有387598个单元，614925个节点，晶圆升降装置的主要部件材料及材料特性如表3-2所示。

模态分析时进行零位移约束，这是模态分析时唯一起作用的载荷，如果施加其他载荷，则在模态提取时载荷将会被忽略。

在对晶圆升降装置进行模态分析时，将晶圆升降装置底座上的圆孔位置处进行完全约束。

3.3.3模态分析计算结果及分析

对微动台晶圆升降装置进行模态分析，提取前四阶固有频率和模态振型，各阶固有频率如表3-3所示，阵型图如图3-6所示。

表3-3模态分析时晶圆升降装置各阶固有频率

部件

一阶频率

二阶频率

三阶频率

四阶频率

Epin

24.5

25.0

30.8

30.8

通过晶圆升降装置模态分析振型图可以看出：

晶圆升降装置一阶固有频率对应的振型出现在气管处，表现为两个气管都向内凹，且凹的程度近似，如图3-6中一阶模态振型所示。

二阶固有频率对应的振型表现为两个气管中一个向内凹，另一个向外凸，如图3-6中二阶模态振型所示。

三阶固有频率对应的振型表现为两个气管中一个向内凹，另一个向外凸，且凹的程度大于凸的程度，如图3-6中三阶模态振型所示。

四阶固有频率对应的振型表现为两个气管都向外凸，且两个气管向外凸的程度不同，如图3-6中四阶模态振型所示。

a）一阶模态振型b）二阶模态振型

c）三阶模态振型d）四阶模态振型

图3-6晶圆升降装置各阶振型图

通过以上晶圆升降装置各阶固有频率及振型，可以得出：

晶圆升降装置一阶固有频率为24.5Hz，满足系统设计指标要求。

从阵型图可以看出，晶圆升降装置的最大变形发生在气管处，因此其薄弱环节主要集中在气管处，为晶圆升降装置结构的改进提供依据。

3.4本章小结

本章通过利用ANSYS软件，对晶圆升降装置进行了温度场分析及结构分析。

通过温度场分析得到了晶圆升降装置的温度分布及热变形分布，晶圆升降装置的最高温度为45.94℃，立管的最大变形量为3.92μm。

静力分析对晶圆升降装置初始状态进行了分析，在晶圆升降装置中气管的变形量最大，最大变形量0.259mm，立管的最大变形量为8.78μm，立管在X、Y方向的最大变形量分别是0.63μm、0.35μm，为其上下片时的精确定位提供指导。

模态分析提取了晶圆升降装置的前四阶模态振型和固有频率，通过对阵型图的分析找出了结构的薄弱环节，为晶圆升降装置结构的改进提供依据。

第4章光刻机微动台Chuck部件温度场分析

4.1引言

硅片工件台系统是光刻机系统的重要组成部分，微动台作为硅片工件台系统的核心部件，其性能对整个光刻机系统至关重要。

线宽和套刻精度作为光刻机中最重要的性能参数，它们主要受光刻机微动台性能的影响，而微动台的温度变化是影响其性能的关键因素之一。

微动台的温度场变化会引起微动台的热变形，产生套刻误差，这种变形对套刻精度产生的影响很大，因此需要对微动台温度变化引起的热变形进行控制。

微动台的最终变形是由温度变化引起的热变形和力产生的变形共同决定，因此需要对微动台进行热―结构耦合分析求得变形量。

本章主要分析微动台在不同热载荷作用下的温度分布及热变形，在此基础上提出改进措施，并分析微动台在重力和温度场综合作用下的变形分布。

4.2有限元模型的建立

光刻机由若干结构部件组成，是一个非常复杂的机械系统，其集多项技术（精密机械、光学工程、精密自动控制、材料科学等）于一身，并且加工制造技术难度大。

因此，在设计研制样机的初期阶段，广泛使用CAD及CAE等手段来完成辅助设计分析工作。

有限元建模是有限元分析的第一步，有限元模型建立的正确合理与否直接关系到有限元分析的正确与否。

因有限元分析的特殊性，有限元模型与实体模型会存在一定的出入。

因此在有限元建模时要对实体模型进行必要的分析，舍弃不必要单元，对于提高计算效率和精度具有重要意义。

4.2.1光刻机双驱动微动台系统方案介绍

作为步进扫描光刻机的关键系统，工件台系统必须具有快速步进、超精密定位、同步扫描及精确的逐场调焦调平的功能和特点。

在步进扫描光刻机工作过程中，工件台和掩模台进行超精密同步扫描运动，工件台承载硅片将其从预处理工位步进到曝光工位，在曝光工位上，掩模系统上的掩模图形在光源的照射作用下按照所要求的比例在硅片表面上缩小成像，通过以上运动过程完成曝光工作[41]。

在光刻机双驱动微动台方案中，工件台采用了双层气浮进行支撑，其由粗动台和六自由度微动台组成。

高精度大行程直线电机驱动粗动台运动，粗动台仅在X、Y平面内作平面运动，X轴和Y轴结构均