袁志揚

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院 上海 200093）

隨著大規(guī)模集成電路制造業(yè)的發(fā)展，以光刻機為代表的納米加工設(shè)備集成了光、機、電等多個學(xué)科的尖端技術(shù)，代表了先進制造技術(shù)的最高成就。由于以光刻機為代表的納米加工設(shè)備涉及納米曝光、定位與測量，其對振動、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。早期的光刻機及精密加工設(shè)備采用的是一體式結(jié)構(gòu)和被動減振系統(tǒng)，減振器的本體形式有金屬彈簧、橡膠和空氣彈簧[1]，有時會附加一些阻尼結(jié)構(gòu)。這些減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但一旦設(shè)計完成，其參數(shù)很難更改，因而只能對某一特定的窄頻段振動起到衰減作用，而對于隔振對象狀態(tài)變化較大和振動干擾時變性較強的場合不太適合；同時，由于穩(wěn)定性的限制，被動隔振也無法對低頻振動進行衰減。隨著高端光刻機及納米加工設(shè)備的出現(xiàn)，其工作環(huán)境更加復(fù)雜，被動減振系統(tǒng)對設(shè)備的低頻振動隔離和位置穩(wěn)定性控制已經(jīng)無能為力，設(shè)備內(nèi)部的干擾力也無法削弱。

基于上述原因，將主動隔振系統(tǒng)應(yīng)用到光刻機等納米加工設(shè)備中，將會克服被動隔振系統(tǒng)的局限性。主動減振系統(tǒng)是利用作動器在被動減振系統(tǒng)中加入主動控制，達到衰減系統(tǒng)低頻振動和抵消擾動力的作用，從而實現(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現(xiàn)較好的減振效果和穩(wěn)定性。正是由于這個特點，主動減振系統(tǒng)在光刻機上得到了廣泛的應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展成為減振系統(tǒng)研究的熱點，在先進制造行業(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，以光刻機為例，光刻機的減振構(gòu)架主要包含減振器、外部框架、內(nèi)部框架、運動平臺和投影物鏡等關(guān)鍵單元的布局。目的是通過隔離地基的振動以及削弱運動平臺的反力擾動，使設(shè)備在短時間內(nèi)達到工作所需的殘余振動要求。

早期的光刻機使用的是i線光源，采用步進曝光。由于其特征線寬在0.5～2 μm，運動平臺的定位精度在0.1 μm～0.2 μm，內(nèi)部框架殘余振動PSD水平限制在10-6（m/s2）2/Hz@2～100 Hz，穩(wěn)定時間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隔振系統(tǒng)構(gòu)架，如圖 1所示。被動隔振器依據(jù)其固有特性，一方面隔斷來自地面的振動，防止振動通過外部框架傳遞到內(nèi)部框架，同時削弱由于運動系統(tǒng)的反力造成內(nèi)部框架的振動。這種構(gòu)架的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，便于設(shè)備的制造和運輸；缺點是兼有制振和隔振功能，低頻隔振效果不好，系統(tǒng)穩(wěn)定時間長，位置穩(wěn)定性差，運動系統(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；這就形成了光刻機高結(jié)構(gòu)剛度和大質(zhì)量的矛盾。為了克服這個的矛盾，必須尋求一種可補償?shù)臏p振系統(tǒng)來提高光刻機減振的性能，進一步降低光刻機的結(jié)構(gòu)剛度并減小質(zhì)量，所以近期的步進光刻機普遍使用了一體式主動減振構(gòu)架。如圖2所示，這個主動減振系統(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)的作動器 f（可以是氣動、壓電或電機）以及控制器。由于采用了作動器，減振系統(tǒng)可以通過加速度/速度反饋、地基前饋和重心補償?shù)瓤刂撇呗裕约拔恢煤退俣拳h(huán)等主動控制措施大幅度提高低頻的減振效果，內(nèi)部框架殘余振動的 PSD可以達到10-7（m/s2）2/Hz@2～100 Hz，穩(wěn)定時間在 100～200 ms，位置穩(wěn)定性20～100 μm。采用了一體式主動減振系統(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。由于一體式主動減振系統(tǒng)在2～100 Hz的頻段由作動器補償，100 Hz以上的減振性能仍由空氣彈簧決定，這樣綜合利用作動器的低頻減振和空氣彈簧的高頻減振優(yōu)勢，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)點是質(zhì)量較輕、低頻減振性能較好、穩(wěn)定時間較短、位置穩(wěn)定較好；缺點是價格昂貴，仍然兼有制振和隔振功能，對供氣和供電要求較高，運動系統(tǒng)反力在內(nèi)部框架，存在重心偏移。

圖2 一體式主動減振構(gòu)架簡圖

為了把特征線寬精細到0.18 μm，以KRF為光源的掃描光刻機出現(xiàn)了。由于其受曝光視場較小的限制，只能采用掃描曝光的方式曝光，這樣對運動平臺的運動精度和系統(tǒng)減振提出了更高的要求。運動平均誤差6～8 nm，運動標(biāo)準(zhǔn)誤差12～20 nm，內(nèi)部框架殘余振動的PSD要求在10-8（m/s2）2/Hz@1.2～100 Hz， 穩(wěn)定時間 50～100 ms，位置穩(wěn)定性 10 μm。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是運動反力F，所以KRF光刻機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)別在于將運動平臺的水平反作用力通過特殊的接口（支架、彈簧、阻尼器和電機等）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，通過重心前饋補償控制，減小重心變化的影響，這樣就大大降低內(nèi)部框架的動態(tài)振動響應(yīng)幅值，提高位置穩(wěn)定性，取消了減振器水平制振功能，加強了隔振性能。優(yōu)點是質(zhì)量較輕、低頻減振性能好、穩(wěn)定時間短、位置穩(wěn)定好；缺點是價格昂貴，對供氣和供電要求較高，垂向運動反力仍在內(nèi)部框架，存在重心偏移，減振控制復(fù)雜。

圖3 反力外引主動減振構(gòu)架簡圖

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

圖4 平衡質(zhì)量主動減振構(gòu)架簡圖

圖5 分體式主動減振構(gòu)架簡圖

現(xiàn)在最先進的ARF干式及浸沒掃描光刻機，采用的是分體式主動減振構(gòu)架，如圖5所示。它將運動平臺與測量框架獨立起來分別進行主動隔振。分體式主動減振構(gòu)架包含:平衡質(zhì)量運動系統(tǒng)、運動系統(tǒng)主動隔振器、內(nèi)部框架主動隔振器、速度/加速度傳感器和用于地基前饋的速度/加速度傳感器。該光刻機特征線寬要求32～65 nm，運動平均誤差＜3 nm，運動標(biāo)準(zhǔn)誤差＜6 nm，內(nèi)部框架殘余振動的PSD 要求小于 10-9（mm/s2）2/Hz@0.5～200 Hz，穩(wěn)定時間10～30 ms，位置穩(wěn)定性5 μm。分體式減振構(gòu)架的好處是光刻機的所有測量系統(tǒng)及投影物鏡都在內(nèi)部框架，是個完全靜止的環(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，即使達到0.5 Hz，也可以保證良好的位置穩(wěn)定性。同時運動系統(tǒng)安置在外部框架，為了獲得良好的運動性能，都采用獨立減振，而減振裝置可以放在運動系統(tǒng)外部，也可以放到運動系統(tǒng)內(nèi)部。這種測量與運動分離的結(jié)構(gòu)，減輕了減振系統(tǒng)的負擔(dān)，使得減振、運動和測量系統(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、穩(wěn)定時間和位置穩(wěn)定性，而減振器的剛度、阻尼、作動器類型和控制方式是減振器的關(guān)鍵因素。

以光刻機為例，早期都是步進機，當(dāng)時視場小、產(chǎn)率低，所以速度和加速度都比較慢，行程也比較小，對殘余振動、穩(wěn)定時間和位置穩(wěn)定性要求比較低。在這種情況下，光刻機的減振器都是被動的，基本上采用“彈簧+被動阻尼器”的結(jié)構(gòu)，這里的彈簧可以是金屬彈簧，也可以是空氣彈簧，阻尼器一般是油缸，原理如圖6（a）所示。隨著上片精度的增加，對垂向的位置穩(wěn)定性要求進一步提高，這樣就出現(xiàn)了具備垂向位置補償?shù)目諝鈴椈砂胫鲃訙p振器，如圖6（b）所示。

圖6 被動和半主動減振器結(jié)構(gòu)原理

該類減振器是利用減振器上板的位置移動或者借助伺服電機帶動流量閥的閥門，從而改變排氣閥門的大小，通過排氣量來控制垂直方向位置，其控制原理見圖7所示。

圖7 半主動減振器控制原理

隨著步進光刻機的發(fā)展和掃描光刻機的出現(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，對殘余振動、穩(wěn)定時間和位置穩(wěn)定性有了較高的要求。被動和半主動的減振器已經(jīng)不能滿足設(shè)備的需求，需要有一種高效的減振器來實現(xiàn)快速隔振和制振的功能，這樣就出現(xiàn)了帶有作動器的主動減振器。這種減振器的本體是在被動單元（橡膠、氣囊或彈簧等）上并聯(lián)了可以主動控制的作動器（直線電機、壓電陶瓷或氣囊作動器等），每個本體上除配置有垂直方向和水平方向作動器、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，此類減振器由一個缸體帶有一個移動活塞，通過圓環(huán)彈性薄膜對腔體進行密封，在密封的腔體內(nèi)充滿氣體。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以產(chǎn)生很高的反作用力對較重的工作平臺進行支撐，同時使用電磁控制閥門進行主動控制，對其產(chǎn)生的氣動力帶寬較窄的問題進行補償，也可以對快、慢特性進行選擇與調(diào)節(jié)，以使系統(tǒng)振動被迅速衰減。在水平方向，用倒放單擺的原理形成水平的自由度，進行緩沖，實現(xiàn)被動隔振。然后由水平方向的直線電機進行主動振動衰減和精確定位。仍然是一種并聯(lián)的工作模式。為了保持被隔振對象的精確定位，需要水平和豎直方向的位置傳感器進行位置測量和信息反饋，從而驅(qū)動電機補償。該類減振器在水平和豎直方向各有一個速度傳感器，利用速度傳感器對絕對速度進行測量，得到的速度信號用于驅(qū)動水平和豎直方向的電機，以產(chǎn)生一個主動力進行主動控制。該類減振器的主被動系統(tǒng)以并聯(lián)的方式連接和工作，被隔振系統(tǒng)首先由被動系統(tǒng)產(chǎn)生較慢的力進行隔振，然后根據(jù)位置信號，由氣動力控制和電機控制回路產(chǎn)生的力進行控制。該類主動減振器還具備重心補償功能，當(dāng)運動臺的重心發(fā)生變化時，運動臺將位置信號傳給減振器，由減振器進行前饋控制，以補償重心變化帶來的減振器受力的變化，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖9 負剛度主動減振器結(jié)構(gòu)原理

分體式的光刻機出現(xiàn)以后，主動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，負剛度主動減振器的頂板通過連接件與動磁鐵相連，動磁鐵位于靜磁鐵之間。動磁鐵受到靜磁鐵上下面吸引，當(dāng)頂板運動時形成垂直方向負剛度，在水平方向仍然采用倒立擺+彈簧的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成水平負剛度機構(gòu)。這種類型的減振器，在10 Hz頻率處，振動衰減率可以達到-40 dB，內(nèi)部框架的振動功率譜密度可以達到10-10（mm/s2）2/Hz@0.5～200Hz。

3 結(jié)語

主動減振系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以光刻機為代表的納米加工設(shè)備的減振構(gòu)架技術(shù)及主動減振器技術(shù)的發(fā)展。主動減振系統(tǒng)技術(shù)具有普遍的應(yīng)用價值，現(xiàn)代先進制造和科學(xué)研究需要大量的超精密測試儀器儀表、半導(dǎo)體加工設(shè)備、納米運動系統(tǒng)以及超精密光學(xué)平臺等高端產(chǎn)品，而環(huán)境振動的控制水平直接影響超精密測量和制造水平，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實現(xiàn)減振，而要用通過磁浮等先進技術(shù)手段來實現(xiàn)減振。

[1]袁志揚.精密平衡減振硅片臺運動系統(tǒng):中國,101165595A[P].2008.