主动减振系统技术在纳米加工设备上的应用及发展

袁志扬

（上海理工大学 机械工程学院 上海 200093）

随着大规模集成电路制造业的发展，以光刻机为代表的纳米加工设备集成了光、机、电等多个学科的尖端技术，代表了先进制造技术的最高成就。由于以光刻机为代表的纳米加工设备涉及纳米曝光、定位与测量，其对振动、温度、湿度和颗粒等环境控制极其严格，减振技术是其中的关键技术之一。早期的光刻机及精密加工设备采用的是一体式结构和被动减振系统，减振器的本体形式有金属弹簧、橡胶和空气弹簧[1]，有时会附加一些阻尼结构。这些减振系统结构简单，易于实现，但一旦设计完成，其参数很难更改，因而只能对某一特定的窄频段振动起到衰减作用，而对于隔振对象状态变化较大和振动干扰时变性较强的场合不太适合；同时，由于稳定性的限制，被动隔振也无法对低频振动进行衰减。随着高端光刻机及纳米加工设备的出现，其工作环境更加复杂，被动减振系统对设备的低频振动隔离和位置稳定性控制已经无能为力，设备内部的干扰力也无法削弱。

基于上述原因，将主动隔振系统应用到光刻机等纳米加工设备中，将会克服被动隔振系统的局限性。主动减振系统是利用作动器在被动减振系统中加入主动控制，达到衰减系统低频振动和抵消扰动力的作用，从而实现系统的制振和隔振功能，使得系统在高低频域范围均能实现较好的减振效果和稳定性。正是由于这个特点，主动减振系统在光刻机上得到了广泛的应用，其关键技术发展成为减振系统研究的热点，在先进制造行业具有普遍意义。

1 减振系统构架技术在纳米加工设备上的应用与发展

减振系统构架主要是指设备的减振系统布局，以光刻机为例，光刻机的减振构架主要包含减振器、外部框架、内部框架、运动平台和投影物镜等关键单元的布局。目的是通过隔离地基的振动以及削弱运动平台的反力扰动，使设备在短时间内达到工作所需的残余振动要求。

早期的光刻机使用的是i线光源，采用步进曝光。由于其特征线宽在0.5～2 µm，运动平台的定位精度在0.1 µm～0.2 µm，内部框架残余振动PSD水平限制在10-6（m/s2）2/Hz@2～100 Hz，稳定时间200～500 ms，位置稳定性1～5mm。由于总体要求不高，所以大多采用一体式被动隔振系统构架，如图 1所示。被动隔振器依据其固有特性，一方面隔断来自地面的振动，防止振动通过外部框架传递到内部框架，同时削弱由于运动系统的反力造成内部框架的振动。这种构架的优点是结构简单，成本低廉，便于设备的制造和运输；缺点是兼有制振和隔振功能，低频隔振效果不好，系统稳定时间长，位置稳定性差，运动系统反力在内部框架，存在重心偏移。

为了让系统尽快稳定，内部框架的刚度要尽量大，一阶固有频率要达到200 Hz以上；为了提高位置稳定性，内部框架的质量要尽量大，一般达到3000 kg以上；而为了提高低频的隔振效果，又必须选用频率尽量低的空气弹簧，一般在2～7 Hz；这就形成了光刻机高结构刚度和大质量的矛盾。为了克服这个的矛盾，必须寻求一种可补偿的减振系统来提高光刻机减振的性能，进一步降低光刻机的结构刚度并减小质量，所以近期的步进光刻机普遍使用了一体式主动减振构架。如图2所示，这个主动减振系统包含安装在内部框架的加速度传感器，安装在外部框架上的加速度传感器 2，与空气弹簧并联的作动器 f（可以是气动、压电或电机）以及控制器。由于采用了作动器，减振系统可以通过加速度/速度反馈、地基前馈和重心补偿等控制策略，以及位置和速度环等主动控制措施大幅度提高低频的减振效果，内部框架残余振动的 PSD可以达到10-7（m/s2）2/Hz@2～100 Hz，稳定时间在 100～200 ms，位置稳定性20～100 µm。采用了一体式主动减振系统，虽然系统的刚度仍然要求较严，但系统的质量可以大幅度减小。由于一体式主动减振系统在2～100 Hz的频段由作动器补偿，100 Hz以上的减振性能仍由空气弹簧决定，这样综合利用作动器的低频减振和空气弹簧的高频减振优势，使系统获得更加优越的减振性能。一体式减振构架的优点是质量较轻、低频减振性能较好、稳定时间较短、位置稳定较好；缺点是价格昂贵，仍然兼有制振和隔振功能，对供气和供电要求较高，运动系统反力在内部框架，存在重心偏移。

图2 一体式主动减振构架简图

为了把特征线宽精细到0.18 µm，以KRF为光源的扫描光刻机出现了。由于其受曝光视场较小的限制，只能采用扫描曝光的方式曝光，这样对运动平台的运动精度和系统减振提出了更高的要求。运动平均误差6～8 nm，运动标准误差12～20 nm，内部框架残余振动的PSD要求在10-8（m/s2）2/Hz@1.2～100 Hz， 稳定时间 50～100 ms，位置稳定性 10 µm。通过分析，我们发现影响系统稳定性的关键因素是运动反力F，所以KRF光刻机采用了反力外引减振构架，这是一种介于一体式和分体式减振构架的形式。如图3所示，该构架与一体式减振构架的区别在于将运动平台的水平反作用力通过特殊的接口（支架、弹簧、阻尼器和电机等）引导到外部框架上，使得内部框架水平反力冲击减小；另一方面，通过重心前馈补偿控制，减小重心变化的影响，这样就大大降低内部框架的动态振动响应幅值，提高位置稳定性，取消了减振器水平制振功能，加强了隔振性能。优点是质量较轻、低频减振性能好、稳定时间短、位置稳定好；缺点是价格昂贵，对供气和供电要求较高，垂向运动反力仍在内部框架，存在重心偏移，减振控制复杂。

图3 反力外引主动减振构架简图

由于系统的运动反力不能完全消除，重心偏移始终存在，再要提高光刻机的动态性能还是比较困难。到了ARF光刻机，特征线宽要求90～100 nm，运动平均误差3～6 nm，运动标准误差6～12 nm，内部框架残余振动的PSD要求在10-8（mm/s2）2/Hz@1.2～100 Hz，稳定时间30～50s，位置稳定性5 µm。此时的光刻机对振动已经异常敏感，反力外引主动减振构架没有办法实现减振的要求。为了消除反力和重心偏移的影响，就得利用动量守恒的原理，使用平衡质量的方法彻底解决这个问题。如图4所示，内部框架上的运动平台与平衡质量相连，平衡质量块和运动平台通过作用力和反作用力的一定比例作相反运动。由于质量比很大，平衡质量限制在小范围运动，而运动平台可以实现大范围的运动。由于运动平台和平衡质量只产生运动系统内力，不会产生质心偏移，很好地解决了反力外引主动减振构架的问题。其优点是运动系统对内部框架作用力大大减小，可以大幅度提高内部框架的动态性能，低频减振性能好、缩短稳定时间，位置稳定性非常好；缺点是运动系统复杂，减振质量大，对供气和供电要求较高。

图4 平衡质量主动减振构架简图

图5 分体式主动减振构架简图

现在最先进的ARF干式及浸没扫描光刻机，采用的是分体式主动减振构架，如图5所示。它将运动平台与测量框架独立起来分别进行主动隔振。分体式主动减振构架包含:平衡质量运动系统、运动系统主动隔振器、内部框架主动隔振器、速度/加速度传感器和用于地基前馈的速度/加速度传感器。该光刻机特征线宽要求32～65 nm，运动平均误差＜3 nm，运动标准误差＜6 nm，内部框架残余振动的PSD 要求小于 10-9（mm/s2）2/Hz@0.5～200 Hz，稳定时间10～30 ms，位置稳定性5 µm。分体式减振构架的好处是光刻机的所有测量系统及投影物镜都在内部框架，是个完全静止的环境，这样减振系统的固有频率就可以更低，从而获得更加卓越的减振效果，即使达到0.5 Hz，也可以保证良好的位置稳定性。同时运动系统安置在外部框架，为了获得良好的运动性能，都采用独立减振，而减振装置可以放在运动系统外部，也可以放到运动系统内部。这种测量与运动分离的结构，减轻了减振系统的负担，使得减振、运动和测量系统有了更大的发展空间。

2 减振器在纳米加工设备中的应用与发展

纳米加工设备减振器的主要功能就是隔振和制振，它决定设备的残余振动、稳定时间和位置稳定性，而减振器的刚度、阻尼、作动器类型和控制方式是减振器的关键因素。

以光刻机为例，早期都是步进机，当时视场小、产率低，所以速度和加速度都比较慢，行程也比较小，对残余振动、稳定时间和位置稳定性要求比较低。在这种情况下，光刻机的减振器都是被动的，基本上采用“弹簧+被动阻尼器”的结构，这里的弹簧可以是金属弹簧，也可以是空气弹簧，阻尼器一般是油缸，原理如图6（a）所示。随着上片精度的增加，对垂向的位置稳定性要求进一步提高，这样就出现了具备垂向位置补偿的空气弹簧半主动减振器，如图6（b）所示。

图6 被动和半主动减振器结构原理

该类减振器是利用减振器上板的位置移动或者借助伺服电机带动流量阀的阀门，从而改变排气阀门的大小，通过排气量来控制垂直方向位置，其控制原理见图7所示。

图7 半主动减振器控制原理

随着步进光刻机的发展和扫描光刻机的出现，精度和产率逐步得到提高，所以速度和加速度都得到了提高，行程也逐渐增大，对残余振动、稳定时间和位置稳定性有了较高的要求。被动和半主动的减振器已经不能满足设备的需求，需要有一种高效的减振器来实现快速隔振和制振的功能，这样就出现了带有作动器的主动减振器。这种减振器的本体是在被动单元（橡胶、气囊或弹簧等）上并联了可以主动控制的作动器（直线电机、压电陶瓷或气囊作动器等），每个本体上除配置有垂直方向和水平方向作动器、位置传感器和速度/加速度传感器外，另增加了控制器。

图8 空气弹簧主动减振器结构及控制原理

具体方案如图8所示:在竖直方向，此类减振器由一个缸体带有一个移动活塞，通过圆环弹性薄膜对腔体进行密封，在密封的腔体内充满气体。这种结构的优点是可以产生很高的反作用力对较重的工作平台进行支撑，同时使用电磁控制阀门进行主动控制，对其产生的气动力带宽较窄的问题进行补偿，也可以对快、慢特性进行选择与调节，以使系统振动被迅速衰减。在水平方向，用倒放单摆的原理形成水平的自由度，进行缓冲，实现被动隔振。然后由水平方向的直线电机进行主动振动衰减和精确定位。仍然是一种并联的工作模式。为了保持被隔振对象的精确定位，需要水平和竖直方向的位置传感器进行位置测量和信息反馈，从而驱动电机补偿。该类减振器在水平和竖直方向各有一个速度传感器，利用速度传感器对绝对速度进行测量，得到的速度信号用于驱动水平和竖直方向的电机，以产生一个主动力进行主动控制。该类减振器的主被动系统以并联的方式连接和工作，被隔振系统首先由被动系统产生较慢的力进行隔振，然后根据位置信号，由气动力控制和电机控制回路产生的力进行控制。该类主动减振器还具备重心补偿功能，当运动台的重心发生变化时，运动台将位置信号传给减振器，由减振器进行前馈控制，以补偿重心变化带来的减振器受力的变化，保持系统稳定。

图9 负刚度主动减振器结构原理

分体式的光刻机出现以后，主动减振器从先前的隔振和制振的功能，演化到以隔振为主的功能，为了降低固有频率，减振器采用了附加气室和负刚度的结构，固有频率可以降到0.5 Hz，大大提高了隔振效果。如图9所示，在垂直方向，负刚度主动减振器的顶板通过连接件与动磁铁相连，动磁铁位于静磁铁之间。动磁铁受到静磁铁上下面吸引，当顶板运动时形成垂直方向负刚度，在水平方向仍然采用倒立摆+弹簧的结构，构成水平负刚度机构。这种类型的减振器，在10 Hz频率处，振动衰减率可以达到-40 dB，内部框架的振动功率谱密度可以达到10-10（mm/s2）2/Hz@0.5～200Hz。

3 结语

主动减振系统技术的发展，主要体现在以光刻机为代表的纳米加工设备的减振构架技术及主动减振器技术的发展。主动减振系统技术具有普遍的应用价值，现代先进制造和科学研究需要大量的超精密测试仪器仪表、半导体加工设备、纳米运动系统以及超精密光学平台等高端产品，而环境振动的控制水平直接影响超精密测量和制造水平，纳米加工设备的系统减振技术已经成为尖端工业生产和科学研究发展水平的重要标志之一。下一代的以 EUV光刻机为代表的纳米加工设备工作在真空环境下，不允许有空气，隔振要求更高，这就限制使用空气弹簧来实现减振，而要用通过磁浮等先进技术手段来实现减振。

[1]袁志扬.精密平衡减振硅片台运动系统:中国,101165595A[P].2008.