光刻机掩模台系统的动力学分析.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 光刻机掩模台系统的动力学分析 姓名：陈文枢 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈学东 20070530 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 以步进扫描光刻机为代表的集成电路制造设备是光、机、电一体化的高精尖产 品，其设计和制造集中体现了相关学科中最高水平的研究成果掩模台是光刻机的关 键分系统，其定位精度及其与工件台的同步运动精度决定了光刻机的系统精度，并最 终决定了光刻机所能实现的光刻特征线宽掩模台分系统零部件众多，连接关系复 杂，系统任何微小的扰动都会对光刻质量产生影响，因而建立其精确动力学模型、分 析它的动力学特性具有重要意义 本文用线性弹簧-阻尼力等效刚体之间的柔性连接，结合有限元分析的结果对掩模 台分系统进行简化，建立了掩模台分系统的 SimMechanics 模型采用振动试验和有限 元分析相结合的方法，获得了掩模台分系统的动力学参数，得到了掩模台分系统比较 精确的动力学模型用拉格朗日方法推导出多刚体系统动力学方程，并以推导出的多 刚体系统动力学方程为基础，在 Matlab 环境下开发出了振动分析模块。

利用开发出的 振动分析模块，对掩模台分系统进行了振动特性分析，获得了掩模台分系统中主要部 件的振动特性，并对掩模台分系统的模态频率进行优化，满足了设计要求对掩模台 分系统在整机环境下进行振动测试，仿真结果与测试结果基本一致，从而验证了动力 学模型是正确的 在试验和有限元分析的基础上获得的掩模台分系统动力学模型，能较好地反映掩 模台分系统实际的动力学特性通过对掩模台分系统的振动特性分析，获得了掩模台 分系统中主要部件的振动特性，为光刻机掩模台分系统的结构设计与优化提供了依 据 关键词：关键词：光刻机 动力学 仿真模型 固有特性 振动测试 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The lithography is an equipment with the highest accuracy in the Integrated Circuit manufacture field, it leads the highest level of the relative subject. The reticle stage is a key subsystem of the lithography, its positioning precision determines the final line width and any disturbance will affect the quality of the lithography, so it’s important to know about the dynamic characteristic of the reticle stage. With many assemblies and complicated connections, it’s difficult to get the accuracy modal of the reticle stage. In this thesis, using a linear spring-damping force to replace the flexible connection between bodies and having a simplification of the reticle stage based on the dynamic simulation, then getting the multi rigid-body simulation model for the reticle stage in the SimMechanics toolbox. Using the vibration test and the dynamic simulation to have the dynamic parameters of the reticle stage and getting a more accuracy dynamics modal. The dynamic mathematic models of the multi rigid-body are set up with the Lagrange Method, based on the dynamic mathematic models, the vibration simulation module are empoldered in Matlab. Based on the simulation module, the inherent vibration characteristic of the reticle stage is analyzed detailedly and getting the natural frequencies, then optimizing the natural frequencies of the reticle stage to satisfy our demand. The vibration tests with the hammer impact on the reticle stage are carried out in the entire lithography system to check the dynamic simulation model, the deviation between the natural frequencies gained from the test data and from the simulation results is reasonable and the simulation model is accepted. The accuracy reticle stage simulation modal based on the vibration test and the dynamic simulation can show the nature dynamic characteristic of the reticle stage. Analyzing the inherent vibration characteristic of the reticle stage and getting the natural frequencies, These research results will provide theoretical guidelines for structural design and optimizing. Keywords: Lithography Dynamic Simulation Model Inherent Characteristics Vibration Test 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 本论文属于 （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 引言引言 进入信息时代的 21 世纪，微电子技术仍然是信息产业的主要支撑之一20 世纪， MOS 集成电路已成为微电子产业的核心，它在向高集成度和低成本方向发展的过程 中，遵循着 Intel 公司创始人之一 Moore 预言的发展规律，即：集成电路的集成度每三 年增长 4 倍，特征尺寸每三年缩小2倍（摩尔定律）[1]，这一预言的实现持续带动了 半导体制造设备的不断革命。

在半导体芯片制造设备中，投资最大、也是最为关键的是光刻机，光刻机同时也 是精度最高、难度最大、技术最为密集、进步最快的一种系统性工程设备[2]它集 “光、电、机、仪”技术、计算机技术、 “五微”自动控制技术于一体，代表了世界装 备制造的最高水平，也是支撑高科技集成电路产业的基础光学光刻技术与其他光刻 技术相比，具有生产率高、成本低、易实现高的对准和套刻精度、掩模制作相对简 单、工艺条件容易掌握等优点，一直是半导体芯片制造产业中的主流光刻技术 1.2 光刻机的国内外研究现状光刻机的国内外研究现状 以光刻机为代表的集成电路制造设备是光、机、电一体化的高精尖产品，其设计 和制造集中体现了相关学科中最高水平的研究成果，如对光学镜头表面轮廓的纳米级 测量与误差补偿、亚纳米级粗糙度表面的加工、镀膜材料和工艺、运动平台的纳米级 定位、设备运行环境、振动、温度、湿度、粉尘等的控制都提出了极高的要求[3,4] 光刻技术曾以分步重复光刻机为代表，自 20 世纪 80 年代中期以来，突破了很多 关键技术，曾一直占据着超亚米光刻的主流地位而近来，随着光刻技术的迅速发 展，步进扫描投影光刻机以其独具的优势脱颖而出，逐步取代了分步重复光刻机，其 优点在于：具有大扫描视场、可对残余像差平均从而使像质和套刻精度提高、可对硅 片形貌进行最佳调焦等等。

在过去的几十年中，光刻机作为器件制造业的重要工具，经历了许多次变革，这 些变革是伴随着微处理器和 DRAM 特征尺寸的不断缩减发生的由于光刻机的分辨率与 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 曝光波长、物镜光阑孔径关系为： 分辨率= 1 K NA λ 因此，光刻机的革命发生在以下几个方面：大 NA 非球面物镜光学系统、短波长光 源、分辨率增强技术和同步扫描工件台等 根据国际半导体技术发展路线图（ITRS）的预计，65nm、45nm、32nm、22nm、 18nm 特征尺寸的 CMOS 超大规模集成电路将分别在 2007、2010、2013、2016、2018 年开始小规模生产目前，90nm 光刻机已投入使用，大数值孔径 193nm ArF 光刻机 将用于 65nm 生产工艺，浸液式 193nm ArF 光刻技术将用于 65~45nm 技术节点下一 代光刻机的研究主要包括 157nm 2 F 滚光刻技术、极紫外光刻机、投影电子束曝光设 备、X 射线光刻机、电子束直写等，表 1.1 为光学光刻技术的发展路线[5] 表 1.1 光学光刻技术的发展路线 年份 工艺节 点/nm 少品种 大批量 中品种 中批量 多品种 小批量 2001 130 KrF KrF KrF 2002 130 100 2003 100 90 ArF/EB 直描 2004 90 ArF ArF 2005 90 65 ArF+浸液 ArF+浸液 ArF+浸液 2006 65 2007 65 2008 65 45 F2 2009 45 F2 光学光刻+ EPL/LEEPL 光学光刻+ EP。