主動(dòng)減振系統(tǒng)技術(shù)在納米加工設(shè)備上的應(yīng)用及發(fā)展

袁志揚(yáng)

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 200093）

隨著大規(guī)模集成電路制造業(yè)的發(fā)展，以光刻機(jī)為代表的納米加工設(shè)備集成了光、機(jī)、電等多個(gè)學(xué)科的尖端技術(shù)，代表了先進(jìn)制造技術(shù)的最高成就。由于以光刻機(jī)為代表的納米加工設(shè)備涉及納米曝光、定位與測(cè)量，其對(duì)振動(dòng)、溫度、濕度和顆粒等環(huán)境控制極其嚴(yán)格，減振技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。早期的光刻機(jī)及精密加工設(shè)備采用的是一體式結(jié)構(gòu)和被動(dòng)減振系統(tǒng)，減振器的本體形式有金屬?gòu)椈伞⑾鹉z和空氣彈簧[1]，有時(shí)會(huì)附加一些阻尼結(jié)構(gòu)。這些減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但一旦設(shè)計(jì)完成，其參數(shù)很難更改，因而只能對(duì)某一特定的窄頻段振動(dòng)起到衰減作用，而對(duì)于隔振對(duì)象狀態(tài)變化較大和振動(dòng)干擾時(shí)變性較強(qiáng)的場(chǎng)合不太適合；同時(shí)，由于穩(wěn)定性的限制，被動(dòng)隔振也無(wú)法對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行衰減。隨著高端光刻機(jī)及納米加工設(shè)備的出現(xiàn)，其工作環(huán)境更加復(fù)雜，被動(dòng)減振系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的低頻振動(dòng)隔離和位置穩(wěn)定性控制已經(jīng)無(wú)能為力，設(shè)備內(nèi)部的干擾力也無(wú)法削弱。

基于上述原因，將主動(dòng)隔振系統(tǒng)應(yīng)用到光刻機(jī)等納米加工設(shè)備中，將會(huì)克服被動(dòng)隔振系統(tǒng)的局限性。主動(dòng)減振系統(tǒng)是利用作動(dòng)器在被動(dòng)減振系統(tǒng)中加入主動(dòng)控制，達(dá)到衰減系統(tǒng)低頻振動(dòng)和抵消擾動(dòng)力的作用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制振和隔振功能，使得系統(tǒng)在高低頻域范圍均能實(shí)現(xiàn)較好的減振效果和穩(wěn)定性。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，主動(dòng)減振系統(tǒng)在光刻機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展成為減振系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，在先進(jìn)制造行業(yè)具有普遍意義。

1 減振系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)在納米加工設(shè)備上的應(yīng)用與發(fā)展

減振系統(tǒng)構(gòu)架主要是指設(shè)備的減振系統(tǒng)布局，以光刻機(jī)為例，光刻機(jī)的減振構(gòu)架主要包含減振器、外部框架、內(nèi)部框架、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和投影物鏡等關(guān)鍵單元的布局。目的是通過(guò)隔離地基的振動(dòng)以及削弱運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的反力擾動(dòng)，使設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到工作所需的殘余振動(dòng)要求。

早期的光刻機(jī)使用的是i線光源，采用步進(jìn)曝光。由于其特征線寬在0.5～2 μm，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度在0.1 μm～0.2 μm，內(nèi)部框架殘余振動(dòng)PSD水平限制在10-6（m/s2）2/Hz@2～100 Hz，穩(wěn)定時(shí)間200～500 ms，位置穩(wěn)定性1～5mm。由于總體要求不高，所以大多采用一體式被動(dòng)隔振系統(tǒng)構(gòu)架，如圖 1所示。被動(dòng)隔振器依據(jù)其固有特性，一方面隔斷來(lái)自地面的振動(dòng)，防止振動(dòng)通過(guò)外部框架傳遞到內(nèi)部框架，同時(shí)削弱由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的反力造成內(nèi)部框架的振動(dòng)。這種構(gòu)架的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，便于設(shè)備的制造和運(yùn)輸；缺點(diǎn)是兼有制振和隔振功能，低頻隔振效果不好，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，位置穩(wěn)定性差，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)反力在內(nèi)部框架，存在重心偏移。

為了讓系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，內(nèi)部框架的剛度要盡量大，一階固有頻率要達(dá)到200 Hz以上；為了提高位置穩(wěn)定性，內(nèi)部框架的質(zhì)量要盡量大，一般達(dá)到3000 kg以上；而為了提高低頻的隔振效果，又必須選用頻率盡量低的空氣彈簧，一般在2～7 Hz；這就形成了光刻機(jī)高結(jié)構(gòu)剛度和大質(zhì)量的矛盾。為了克服這個(gè)的矛盾，必須尋求一種可補(bǔ)償?shù)臏p振系統(tǒng)來(lái)提高光刻機(jī)減振的性能，進(jìn)一步降低光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度并減小質(zhì)量，所以近期的步進(jìn)光刻機(jī)普遍使用了一體式主動(dòng)減振構(gòu)架。如圖2所示，這個(gè)主動(dòng)減振系統(tǒng)包含安裝在內(nèi)部框架的加速度傳感器，安裝在外部框架上的加速度傳感器 2，與空氣彈簧并聯(lián)的作動(dòng)器 f（可以是氣動(dòng)、壓電或電機(jī)）以及控制器。由于采用了作動(dòng)器，減振系統(tǒng)可以通過(guò)加速度/速度反饋、地基前饋和重心補(bǔ)償?shù)瓤刂撇呗裕约拔恢煤退俣拳h(huán)等主動(dòng)控制措施大幅度提高低頻的減振效果，內(nèi)部框架殘余振動(dòng)的 PSD可以達(dá)到10-7（m/s2）2/Hz@2～100 Hz，穩(wěn)定時(shí)間在 100～200 ms，位置穩(wěn)定性20～100 μm。采用了一體式主動(dòng)減振系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)的剛度仍然要求較嚴(yán)，但系統(tǒng)的質(zhì)量可以大幅度減小。由于一體式主動(dòng)減振系統(tǒng)在2～100 Hz的頻段由作動(dòng)器補(bǔ)償，100 Hz以上的減振性能仍由空氣彈簧決定，這樣綜合利用作動(dòng)器的低頻減振和空氣彈簧的高頻減振優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)獲得更加優(yōu)越的減振性能。一體式減振構(gòu)架的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量較輕、低頻減振性能較好、穩(wěn)定時(shí)間較短、位置穩(wěn)定較好；缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，仍然兼有制振和隔振功能，對(duì)供氣和供電要求較高，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)反力在內(nèi)部框架，存在重心偏移。

圖2 一體式主動(dòng)減振構(gòu)架簡(jiǎn)圖

為了把特征線寬精細(xì)到0.18 μm，以KRF為光源的掃描光刻機(jī)出現(xiàn)了。由于其受曝光視場(chǎng)較小的限制，只能采用掃描曝光的方式曝光，這樣對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度和系統(tǒng)減振提出了更高的要求。運(yùn)動(dòng)平均誤差6～8 nm，運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)誤差12～20 nm，內(nèi)部框架殘余振動(dòng)的PSD要求在10-8（m/s2）2/Hz@1.2～100 Hz， 穩(wěn)定時(shí)間 50～100 ms，位置穩(wěn)定性 10 μm。通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是運(yùn)動(dòng)反力F，所以KRF光刻機(jī)采用了反力外引減振構(gòu)架，這是一種介于一體式和分體式減振構(gòu)架的形式。如圖3所示，該構(gòu)架與一體式減振構(gòu)架的區(qū)別在于將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的水平反作用力通過(guò)特殊的接口（支架、彈簧、阻尼器和電機(jī)等）引導(dǎo)到外部框架上，使得內(nèi)部框架水平反力沖擊減小；另一方面，通過(guò)重心前饋補(bǔ)償控制，減小重心變化的影響，這樣就大大降低內(nèi)部框架的動(dòng)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)幅值，提高位置穩(wěn)定性，取消了減振器水平制振功能，加強(qiáng)了隔振性能。優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量較輕、低頻減振性能好、穩(wěn)定時(shí)間短、位置穩(wěn)定好；缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，對(duì)供氣和供電要求較高，垂向運(yùn)動(dòng)反力仍在內(nèi)部框架，存在重心偏移，減振控制復(fù)雜。

圖3 反力外引主動(dòng)減振構(gòu)架簡(jiǎn)圖

由于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)反力不能完全消除，重心偏移始終存在，再要提高光刻機(jī)的動(dòng)態(tài)性能還是比較困難。到了ARF光刻機(jī)，特征線寬要求90～100 nm，運(yùn)動(dòng)平均誤差3～6 nm，運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)誤差6～12 nm，內(nèi)部框架殘余振動(dòng)的PSD要求在10-8（mm/s2）2/Hz@1.2～100 Hz，穩(wěn)定時(shí)間30～50s，位置穩(wěn)定性5 μm。此時(shí)的光刻機(jī)對(duì)振動(dòng)已經(jīng)異常敏感，反力外引主動(dòng)減振構(gòu)架沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)減振的要求。為了消除反力和重心偏移的影響，就得利用動(dòng)量守恒的原理，使用平衡質(zhì)量的方法徹底解決這個(gè)問(wèn)題。如圖4所示，內(nèi)部框架上的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與平衡質(zhì)量相連，平衡質(zhì)量塊和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)作用力和反作用力的一定比例作相反運(yùn)動(dòng)。由于質(zhì)量比很大，平衡質(zhì)量限制在小范圍運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和平衡質(zhì)量只產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)力，不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)心偏移，很好地解決了反力外引主動(dòng)減振構(gòu)架的問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部框架作用力大大減小，可以大幅度提高內(nèi)部框架的動(dòng)態(tài)性能，低頻減振性能好、縮短穩(wěn)定時(shí)間，位置穩(wěn)定性非常好；缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，減振質(zhì)量大，對(duì)供氣和供電要求較高。

圖4 平衡質(zhì)量主動(dòng)減振構(gòu)架簡(jiǎn)圖

圖5 分體式主動(dòng)減振構(gòu)架簡(jiǎn)圖

現(xiàn)在最先進(jìn)的ARF干式及浸沒(méi)掃描光刻機(jī)，采用的是分體式主動(dòng)減振構(gòu)架，如圖5所示。它將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與測(cè)量框架獨(dú)立起來(lái)分別進(jìn)行主動(dòng)隔振。分體式主動(dòng)減振構(gòu)架包含:平衡質(zhì)量運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)隔振器、內(nèi)部框架主動(dòng)隔振器、速度/加速度傳感器和用于地基前饋的速度/加速度傳感器。該光刻機(jī)特征線寬要求32～65 nm，運(yùn)動(dòng)平均誤差＜3 nm，運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)誤差＜6 nm，內(nèi)部框架殘余振動(dòng)的PSD 要求小于 10-9（mm/s2）2/Hz@0.5～200 Hz，穩(wěn)定時(shí)間10～30 ms，位置穩(wěn)定性5 μm。分體式減振構(gòu)架的好處是光刻機(jī)的所有測(cè)量系統(tǒng)及投影物鏡都在內(nèi)部框架，是個(gè)完全靜止的環(huán)境，這樣減振系統(tǒng)的固有頻率就可以更低，從而獲得更加卓越的減振效果，即使達(dá)到0.5 Hz，也可以保證良好的位置穩(wěn)定性。同時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)安置在外部框架，為了獲得良好的運(yùn)動(dòng)性能，都采用獨(dú)立減振，而減振裝置可以放在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)外部，也可以放到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部。這種測(cè)量與運(yùn)動(dòng)分離的結(jié)構(gòu)，減輕了減振系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使得減振、運(yùn)動(dòng)和測(cè)量系統(tǒng)有了更大的發(fā)展空間。

2 減振器在納米加工設(shè)備中的應(yīng)用與發(fā)展

納米加工設(shè)備減振器的主要功能就是隔振和制振，它決定設(shè)備的殘余振動(dòng)、穩(wěn)定時(shí)間和位置穩(wěn)定性，而減振器的剛度、阻尼、作動(dòng)器類型和控制方式是減振器的關(guān)鍵因素。

以光刻機(jī)為例，早期都是步進(jìn)機(jī)，當(dāng)時(shí)視場(chǎng)小、產(chǎn)率低，所以速度和加速度都比較慢，行程也比較小，對(duì)殘余振動(dòng)、穩(wěn)定時(shí)間和位置穩(wěn)定性要求比較低。在這種情況下，光刻機(jī)的減振器都是被動(dòng)的，基本上采用“彈簧+被動(dòng)阻尼器”的結(jié)構(gòu)，這里的彈簧可以是金屬?gòu)椈桑部梢允强諝鈴椈桑枘崞饕话闶怯透祝砣鐖D6（a）所示。隨著上片精度的增加，對(duì)垂向的位置穩(wěn)定性要求進(jìn)一步提高，這樣就出現(xiàn)了具備垂向位置補(bǔ)償?shù)目諝鈴椈砂胫鲃?dòng)減振器，如圖6（b）所示。

圖6 被動(dòng)和半主動(dòng)減振器結(jié)構(gòu)原理

該類減振器是利用減振器上板的位置移動(dòng)或者借助伺服電機(jī)帶動(dòng)流量閥的閥門，從而改變排氣閥門的大小，通過(guò)排氣量來(lái)控制垂直方向位置，其控制原理見(jiàn)圖7所示。

圖7 半主動(dòng)減振器控制原理

隨著步進(jìn)光刻機(jī)的發(fā)展和掃描光刻機(jī)的出現(xiàn)，精度和產(chǎn)率逐步得到提高，所以速度和加速度都得到了提高，行程也逐漸增大，對(duì)殘余振動(dòng)、穩(wěn)定時(shí)間和位置穩(wěn)定性有了較高的要求。被動(dòng)和半主動(dòng)的減振器已經(jīng)不能滿足設(shè)備的需求，需要有一種高效的減振器來(lái)實(shí)現(xiàn)快速隔振和制振的功能，這樣就出現(xiàn)了帶有作動(dòng)器的主動(dòng)減振器。這種減振器的本體是在被動(dòng)單元（橡膠、氣囊或彈簧等）上并聯(lián)了可以主動(dòng)控制的作動(dòng)器（直線電機(jī)、壓電陶瓷或氣囊作動(dòng)器等），每個(gè)本體上除配置有垂直方向和水平方向作動(dòng)器、位置傳感器和速度/加速度傳感器外，另增加了控制器。

圖8 空氣彈簧主動(dòng)減振器結(jié)構(gòu)及控制原理

具體方案如圖8所示:在豎直方向，此類減振器由一個(gè)缸體帶有一個(gè)移動(dòng)活塞，通過(guò)圓環(huán)彈性薄膜對(duì)腔體進(jìn)行密封，在密封的腔體內(nèi)充滿氣體。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生很高的反作用力對(duì)較重的工作平臺(tái)進(jìn)行支撐，同時(shí)使用電磁控制閥門進(jìn)行主動(dòng)控制，對(duì)其產(chǎn)生的氣動(dòng)力帶寬較窄的問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，也可以對(duì)快、慢特性進(jìn)行選擇與調(diào)節(jié)，以使系統(tǒng)振動(dòng)被迅速衰減。在水平方向，用倒放單擺的原理形成水平的自由度，進(jìn)行緩沖，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)隔振。然后由水平方向的直線電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)衰減和精確定位。仍然是一種并聯(lián)的工作模式。為了保持被隔振對(duì)象的精確定位，需要水平和豎直方向的位置傳感器進(jìn)行位置測(cè)量和信息反饋，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)補(bǔ)償。該類減振器在水平和豎直方向各有一個(gè)速度傳感器，利用速度傳感器對(duì)絕對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，得到的速度信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)水平和豎直方向的電機(jī)，以產(chǎn)生一個(gè)主動(dòng)力進(jìn)行主動(dòng)控制。該類減振器的主被動(dòng)系統(tǒng)以并聯(lián)的方式連接和工作，被隔振系統(tǒng)首先由被動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較慢的力進(jìn)行隔振，然后根據(jù)位置信號(hào)，由氣動(dòng)力控制和電機(jī)控制回路產(chǎn)生的力進(jìn)行控制。該類主動(dòng)減振器還具備重心補(bǔ)償功能，當(dāng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的重心發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)臺(tái)將位置信號(hào)傳給減振器，由減振器進(jìn)行前饋控制，以補(bǔ)償重心變化帶來(lái)的減振器受力的變化，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖9 負(fù)剛度主動(dòng)減振器結(jié)構(gòu)原理

分體式的光刻機(jī)出現(xiàn)以后，主動(dòng)減振器從先前的隔振和制振的功能，演化到以隔振為主的功能，為了降低固有頻率，減振器采用了附加氣室和負(fù)剛度的結(jié)構(gòu)，固有頻率可以降到0.5 Hz，大大提高了隔振效果。如圖9所示，在垂直方向，負(fù)剛度主動(dòng)減振器的頂板通過(guò)連接件與動(dòng)磁鐵相連，動(dòng)磁鐵位于靜磁鐵之間。動(dòng)磁鐵受到靜磁鐵上下面吸引，當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)時(shí)形成垂直方向負(fù)剛度，在水平方向仍然采用倒立擺+彈簧的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成水平負(fù)剛度機(jī)構(gòu)。這種類型的減振器，在10 Hz頻率處，振動(dòng)衰減率可以達(dá)到-40 dB，內(nèi)部框架的振動(dòng)功率譜密度可以達(dá)到10-10（mm/s2）2/Hz@0.5～200Hz。

3 結(jié)語(yǔ)

主動(dòng)減振系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以光刻機(jī)為代表的納米加工設(shè)備的減振構(gòu)架技術(shù)及主動(dòng)減振器技術(shù)的發(fā)展。主動(dòng)減振系統(tǒng)技術(shù)具有普遍的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)代先進(jìn)制造和科學(xué)研究需要大量的超精密測(cè)試儀器儀表、半導(dǎo)體加工設(shè)備、納米運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及超精密光學(xué)平臺(tái)等高端產(chǎn)品，而環(huán)境振動(dòng)的控制水平直接影響超精密測(cè)量和制造水平，納米加工設(shè)備的系統(tǒng)減振技術(shù)已經(jīng)成為尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。下一代的以 EUV光刻機(jī)為代表的納米加工設(shè)備工作在真空環(huán)境下，不允許有空氣，隔振要求更高，這就限制使用空氣彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)減振，而要用通過(guò)磁浮等先進(jìn)技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)減振。

[1]袁志揚(yáng).精密平衡減振硅片臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng):中國(guó),101165595A[P].2008.