極紫外光刻機——工作臺系統目錄一.團隊介紹二.項目背景三.國內外研究現狀四.技術方案五.市場分析六.結論七.參考文獻團隊班級：機械四班團隊成員：許偉2011080040012尹耀華2011080040021魏晶瑞2011080040026

一.團隊介紹二.項目背景

有一種說法是,現代文明是電子芯片驅動的。從航天事業到日常生活,電子芯片對于現代文明的影響無處不在。而這所有的芯片,又無一例外都是光刻工藝的產物。

芯片工藝所能刻出的最小的尺度主要是由光刻工藝所用光源的光波長決定的。所用的光波長越短，所能達到的尺度越小，所能取得的集成度越高。為了緊跟迅速發展的集成電路制作技術，芯片工藝所用的光源從可見光過渡到紫外、遠紫外，最后連遠紫外的光源都無法滿足技術的要求，極端遠紫外（EUVL）芯片工藝技術也就應運而生。

極紫外光刻技術(EUVL)被稱為最有發展潛力的下一代光刻技術,有望接替光學光刻,成為45nm以下光刻產業的主流技術。因而,該技術也是目前國際上先進光刻領域研究的熱點。

圖—1ASML公司研制的NXE:3100EUV光刻機工件臺和掩膜臺系統是步進掃描式光刻機的核心子系統之一。

雙工件臺系統由光刻機設備三大制造商之一的荷蘭ASML公司最先提出，是目前和下一代步進掃描式光刻機工件臺和掩膜臺系統的標準配置。工件臺采用粗、微二級平臺復合驅動的結構方式，其中粗動臺由大行程的平面運動機構組成，微動臺由精密音圈電機或洛倫茲平面電機等運動機構組成。

雙工件臺運動系統中，粗動臺的大行程平面運動由傳統的直線電機正交組合驅動來實現，相對運動部件之間采用氣浮支撐和隔離，以便盡量減少摩擦、振動等外部因素對精度的影響。這種結構存在一些缺點：一是采用直線電機疊加的組合方式實現多自由度運動，會導致系統的結構隨著自由度的增加而變復雜，質量也會隨之增加，同時系統的剛度會下降；二是氣浮支撐剛度較小，結構復雜，運動質量大，且漏氣問題會破壞下一代EUVL的真空環境；三是復雜的粗動臺結構導致兩個工件臺的位置交換困難，生產效率低下。

因此，研究一種結構簡單、質量輕，并能在磁浮狀態下實現多維長行程運動的平面電機，就很有必要，也是目前和將來國內外研究的主要方向。

平面電機是一種平面驅動機構，它與其他類型電機一樣，由定子、動子和支撐等部分組成，其動子能夠帶動負載產生多維運動，且動子運動所需的機械能由電磁能直接轉換而來，而無須引入機械轉換或傳動機構。ASMLNXT1950i雙工件臺光刻機上應用的動圈式磁浮平面電機，它由一個動子和一個定子組成，動子懸浮于定子之上，具有六個自由度，動子與定子之間除了磁場之外沒有任何支撐。Ir.J.C.Compter提出了動子與定子相互對調的動鐵式磁浮平面電機，以消除電線和冷卻系統對于動子運動的干擾。另外對電機的控制結構也進行了改進，將原來三個線圈一組的三相控制改成對每個線圈進行單相控制，以便更精確的控制電機動子上的作用力和力矩。目前，Ir.J.C.Compter提出的動圈式磁浮平面電機，已成功應用于荷蘭ASML公司的新一代高精度TWINSCANNXT1950i光刻機中，其12英寸硅片工作臺工作行程估計為1m以上，并獲得難以置信的15g加速度、3.2m/s運動速度與1.5nm運動精度。

三.國內外研究現狀國內在光刻機磁浮工件臺和掩膜臺系統方面的研究還在起步階段。工作臺采用粗、微二級平臺組合驅動的結構方式，主要部件包括粗定位平臺、微定位平臺和基座。基座位于最底部，粗定位平臺位于基座上方，由兩臺磁懸浮支撐的直線電機組成，可以相對基座在xy平面內移動。微定位平臺位于粗定位平臺正上方，通過磁懸浮導軌支撐。該工作臺可實現xy平面內的長行程運動及繞x、y和z軸的微動。但是磁浮在該工作臺上只是起到了支撐作用，粗動臺的平面運動還是依靠直線電機的疊加運動來實現的，因此并不能算完全意義上的磁浮。

此外，浙江大學、中南大學、哈工大]和清華大學等也都在進行光刻機工件臺和掩膜臺系統方面的設計和研究工作，并提出了多項有關磁浮微動臺和大行程磁浮平面電機方面的發明專利，但由于一些專利尚未見到具體的研究成果發表，因此不便對其性能進行具體評述。四.技術方案4.1總體技術方案

極紫外光刻是以波長為10-14納米的極紫外光作為光源的光刻技術

圖—2極紫外光刻機原理圖工件臺是光刻機最關鍵的子系統之一,也是實現光刻機功能和精度的基礎。EUVL工件臺繼承了許多光學光刻工件臺技術,它是精密機械、檢測、控制、真空等技術的集成,在光刻機對準和掃描曝光過程中起著至關重要的作用。

圖-3ASMLNXT1950i新一代光刻機的磁浮雙工作臺

平面電機的設計同傳統的旋轉電機設計一樣，都是一個綜合考慮和優化的過程。為滿足設計要求，需要考慮多種設計方案。我們設計的動圈式磁浮平面電機采用了一種新的二維Halbach永磁陣列，磁場的分布特性與現有的平面電機均不相同；在解耦方式上采用了直接解耦法。根據設計步驟，首先給出了設計指標；然后從增加驅動力、提高效率、減小力和力矩的波動，以及降低功耗等方面綜合考慮，提出了對永磁陣列和線圈的尺寸進行優化的方法；隨后根據設計指標和優化結果，提出了四種具體的電磁結構；最后通過對各種結構的特性進行對比分析，確定了最優的設計方案。

4.2主要技術指標考慮到動圈式磁浮平面電機研制的難度，以及研制的成本等因素,只進行了原理樣機的設計技術指標為：實現電機動子在三維空間中沿x、y、z軸方向的平動，以及繞三個軸的微小轉動；工作推力：150N；懸浮力：150N；運動速度>1m/s，加速度1g；運行環境溫度:±22.1℃，電機表面溫升<0.5℃；動子結構尺寸：250×250×30㎜。此外，為方便設計，還需要做出如下假設：1）在實際應用中，電機線圈陣列實際上是粘貼在一個質量約為15kg，結構尺寸250×250×30㎜的載物臺下方，但為了方便設計，暫時不考慮線圈陣列上的載物臺，并且將動子的質心設定在線圈陣列的幾何中心。

2）所有電磁結構都為剛體，滿足剛體動力學要求，因此力和力矩可以進行簡單疊加。

3）電機線圈處于恒定的運行環境溫度，其發熱不在設計討論范圍之內。一方面是因為電機在實際運行過程中會采用循環水進行冷卻，工作溫度恒定，其電阻率和尺寸都不會出現變化；另一方面，電機的發熱與路徑的規劃和加速度相關，設計過程中對比的難度很大。

4）線圈陣列中的所有線圈都處于永磁陣列的正常磁場區域，無需考慮線圈位于端部磁場區域的情況。因此，諧波模型和解析模型都可以應用于電機的具體設計。

磁浮平面電機的工作原理，是利用載流導體在磁場中所受的電磁力使動子實現穩定的懸浮，并驅動動子做平面運動。其中，永磁陣列為電機提供穩定分布的磁場，線圈陣列為電流提供載體。因此，永磁陣列和線圈陣列是磁浮平面電機電磁結構的基本組成，也是電磁結構設計的主體。平面電機執行機構由含磁鋼陣列的定子和含線圈的動子平臺組成，動子平臺置于固定不動的定子上，電機工作時動子平臺會懸浮在空中。當給線圈通以一定的電流時，磁鋼陣列形成的閉合磁路使其產生豎直方向（即Z自由度）的磁力分力，當其與動子平臺的重力平衡時，平臺即可懸浮。結合平臺的瞬時懸浮狀態，不間斷地調節線圈中電流的大小可使平臺穩定懸浮。4.3研究內容通過對線圈通電的組合形式和電流大小進行調節，可以使線圈受到斜方向的力，其分力則會推動磁浮平臺在X，Y，Z向運動，還可以使平臺繞X，Y，Z軸的微小旋轉運動，這樣即可實現六自由度運動。4.3.1

新型永磁陣列磁場分布

新型永磁陣列在全局坐標系下的兩種排布方式。（a）永磁陣列的邊與坐標軸平行；（b）永磁陣列的邊與坐標軸之間有45°的夾角

通過采用標量磁位函數、分離變量法和待定系數法，推導出永磁陣列內部及其表面的磁場強度分布公式和磁通密度分布公式，并利用電磁場邊界條件確定了各待定系數的值，從而建立了永磁陣列的諧波模型。并采用有限元法具體分析了兩種排布方式下該永磁陣列的磁場分布特征。

最終，我們選定了下圖（b）所示的永磁陣列，選擇釹鐵硼N38EH作為制造永磁體的磁材料

電機采用磁浮方式進行支撐，因此，其動子具有六個方向的自由度。為了讓動子能夠穩定的懸浮并按照規劃的軌跡進行運動和定位，就必須保證電機在任何狀況下都可控。

動圈式磁浮平面電機的線圈數量和線圈布置式與可控性之間的關系。（a）由6個線圈構成的平面電機；（b）由20個線圈構成的平面電機。線圈的排列方式

線圈的排列方式與線圈的形狀有關。線圈的形狀主要有三種分別是正方形線圈、圓線圈和長方形線圈。由于正方形線圈和圓形線圈的平均功耗、力和力矩的波動較長方形線圈大很多，因此，選擇長方形線圈及其排列方式。對于長方形線圈，為了方便解耦和計算，線圈會旋轉一定的角度放置，使得線圈的長邊與平面永磁陣列中長方形永磁體的邊形成一個45°的夾角，而其排列方式通常有兩種：一種是田字形排列，另一種是人字形排列。

根據永磁陣列和線圈的優化結果，以及電機設計的綜合考慮，我們提出了四種動圈式磁浮平面電機電磁結構。第一種電磁結構第一種電磁結構。在該結構中，采用永磁陣列的邊與坐標軸之間有45°的夾角布置形式，線圈陣列排列成田字形，單個線圈的寬度為2/3Tn，相鄰兩個平行線圈之間的距離也為2/3Tn。電機總共有20個線圈。

第二種電磁結構

第三種電磁結構這兩種結構中的線圈陣列采用的是人字形布置，單個線圈的寬度為2/3T，同一列相鄰兩個平行線圈之間的距離為2/3Tn，相鄰兩行線圈陣列之間的距離為（cl+2cb+?d)/√2。兩種結構的不同之處在于線圈的長度一個為2T，另一個為Tn。電機的線圈數量分別為22個和46個。

第四種電磁結構

該結構與第一種結構類似，所不同的是線圈陣列采用了多組小田字形陣列組合的形式。陣列中單個線圈的寬度為2/3T，相鄰兩個平行線圈之間的距離也為2/3Tn。電機總共有108個線圈。

第一種情況就是當電機只處于穩定的懸浮狀態時的功耗，其平衡方程如下所示：式中，m表示整個電機動子的質量，包括載物臺和線圈；g表示重力加速度。

第二種情況就是當電機電機在懸浮狀態下以最大加速度運行時的功耗，其平衡方程如下所示：式中，a表示動子進行平面運動的加速度，最大值為1g。

為了比較四種結構的優劣，我們分別計算出了在兩種極端情況下電機的功耗水平。

此外，由于當電機動子相對于永磁陣列的位置不同時，各線圈上維持動子平衡和運動所需的電流大小和方向是不同的，因此，功耗的比較需要建立在整個運動區域內。但考慮到永磁陣列產生的磁場分布具有周期性，所以只需計算出動子質心在一個永磁陣列磁場分布周期內變化時的情況就可以分析出全部的功耗水平。

四種電磁結構功耗對比

動圈式磁浮平面電機a俯視圖b主視圖4.3.2電機設計與優化結果大田字形結構（第一種結構）具有最低的功耗，因此被確定為最優設計方案。根據這一方案及以往進行電機制作的經驗，設計出的樣機如圖所示。但為了讓電機免受端部磁場的影響，在理論行程的基礎上，需要在外圍再擴展一定數量的陣列。樣機的線圈數量為20個，各線圈之間在控制上相互獨立。考慮到線圈的制造誤差，線圈與線圈之間需要留有一定的間隙4.3.4

性能分析（一）、電渦流損耗分析

交變磁場會在金屬導體表面引起電渦流，從而導致損耗和阻尼。因此，在傳統電機的制作中，通常會將金屬導體做成疊片式結構或者采用軟磁復合材料以減少渦流損耗。對于平面電機來說，其永磁陣列產生的磁場是周期分布的，線圈產生的磁場也是時變的，所以更需要注意渦流損耗，以避免阻尼的產生。在磁浮平面電機中，容易引起渦流情況主要有以下四種：（1）當電機動子相對于永磁陣列移動時，動子上的鋁材因為相對于永磁陣列運動而受到交變磁場的影響產生的渦流；（2）當線圈陣列相對于定子移動時，線圈電流產生的變化磁場在定子鋁材上產生的渦流；（3）當線圈陣列上的電流出現變化時，線圈電流產生的變化磁場在動子鋁材上產生的渦流；（4）當線圈陣列上的電流出現變化時，線圈電流產生的變化磁場在永磁陣列上產生的渦流；

可以通過瞬態有限元仿真確定鋁材相對于永磁陣列和線圈的合理距離，以及線圈和永磁陣列之間的合理距離。查閱資料：一塊250250mm′的鋁板在永磁陣列上表面不同距離運動時的模型，鋁板受到的磁阻力的變化可從圖上看出磁阻力隨著鋁板與永磁陣列的距離的增加而急劇減少，其減少的趨勢與2B（B表示永磁陣列在鋁板表面的磁通密度的幅值）隨距離的增加而減少的趨勢一致當距離達到d1=20mm時，磁阻力趨于0。因此，動子上面積較大的鋁制零部件與永磁陣列平面的距離不得少于20mm。

電機運行時的總體結構及容易產生渦流的情況

對于上述第（2）種和第（3）情況，由于各線圈上的電流在不同位置時各不相同，產生的磁場強度和分布規律也不一樣，因此判斷這兩種情況下磁阻力的大小具有一定難度。查閱資料可得當鋁板與線圈之間的距離為1mm時，線圈產生的磁場在永磁陣列上面產生的磁通密度的幅值與第（1）種情況中磁阻力為0時永磁陣列在鋁板表面的磁通密度幅值相當，而定子鋁板與動子線圈陣列的距離至少為7mm，因此，可以認為此時的磁阻力可以忽略。對于第（4）種情況，在本設計中可以忽略不計。因為線圈陣列在永磁陣列表面產生的磁動勢非常小。（二）電機熱分析

銅損產生的主要影響就是發熱。由于電機內各種材料都只能在一定的溫度范圍內工作，當線圈發熱使溫度升高超過允許的范圍時，電機就會被破壞。最主要的損壞表現在永磁體的退磁和線圈絕緣層被燒壞。因此，在電機設計過程中，電機的銅損分析是非常重要的一步。熱的傳播方式主要有三種，即傳導、輻射和對流1.熱傳導，即高溫熱源與低溫熱源直接接觸傳熱，是一個分子向另一個分子傳遞振動能的結果。熱量傳遞的計算公式如下：△Q=λ△T式中，△Q表示單位時間內從高溫熱源向低溫熱源傳遞的熱量，λ表示熱導率，△D表示兩個熱源之間的溫度差。各種材料的熱導率不同。2.對流，流體當中，受熱位置不均勻導致流體密度變化而產生流動，流動過程中換熱。經過流體表面的局部對流熱通量計算公式為：式中，q‘表示局部熱通量，h表示局部對流系數，表示表面溫度，表示環境溫度。3.熱輻射，高溫熱源以輻射紅外線等形式向低溫熱源傳熱，這種情況兩個熱源不直接接觸，由于紅外線是電磁波，所以這種熱傳遞方式可以不需要介質，在真空中傳播。電機處于懸浮狀態時，線圈陣列表面的發熱情況（無冷卻系統）電機處于以最大水平加速度運行狀態時，線圈陣列表面的發熱情況（無冷卻系統）

當平面電機工作時，由線圈發熱導致的傳導、對流和輻射持續存在。由于電機的動子沒有與其它任何具有較強導熱能力的物體接觸，因此，在不配備冷卻裝置的情況下，主要的散熱方式就是向周圍空間輻射熱量。由圖可知此時的最高溫度為79.8°C。雖然這一溫度還不足以對電機產生破壞作用，但卻會對精密設備產生很大影響。而當電機長時間以最大水平加速度運行時，由圖可知此時的最高溫度將可以達到314.6°C。這將會讓整個電機完全燒毀。如果采用水冷，由于水的熱導率為0.6W/mK，比熱容為焦耳/千克攝氏度，則在電機發熱最嚴重的情況下，保證電機工作在環境溫度變化許可的范圍內所需要的循環水流量為，所以我們要設計冷卻循環系統來降低系統溫度。由于冷卻系統的設計不屬于此次的研究范圍，在此不再詳述。4.4技術路線理論基礎技術方案，指標電機電磁設計設計方案比較基本問題優化4.5關鍵技術點電磁結構是磁浮平面電機的硬件基礎，獲得驅動效率高、諧波干擾小、工藝性好的平面電機電磁結構，是磁浮平面電機設計的核心。根據新平面永磁陣列的磁場分布特性，建立新型動圈式磁浮平面電機電磁結構的設計與優化方法，掌握大推力、高效率、高響應、諧波小的動圈式磁浮平面電機電磁設計特點與規律，確立電機的最終電磁結構及尺寸。

根據磁浮平面電機的特點，提出并研究了一種基于新型高性能Halbach永磁陣列的動圈式磁浮平面電機的電磁結構。建立了新型電機電磁結構的數學模型，并在此基礎上提出了專門針對該電磁結構的優化方法和設計方法，同時推導了適用于實時控制的簡化模型。4.6創新

4.6.1一種新型平面永磁陣列

根據現有磁浮平面電機中磁場強度與諧波特性難以兼顧的問題，設計出了一種新型平面永磁陣列。與現有的平面永磁陣列相比，該結構使平面電機獲得了更高的磁場強度，同時使磁場的分布具有了良好的諧波特性，從而可以有效提高電機的效率，降低力和力矩的波動。

4.6.2電磁結構設計、優化與分析方法

針對新型電機的電磁結構特點，建立了專門的優化方法，使得永磁陣列在相同極距和厚度的情況下，具有更高的磁場強度和更好的磁場分布特性，使線圈獲得了最佳推重比。針對新型磁浮平面電機的特點，結合現有磁浮平面電機的設計方法和排列方式，從電機的可控性、端部效應和線圈的排列方式等角度出發，綜合分析了電機設計需要考慮的問題，建立了具體的設計方法，并通過多種方案的對比，確立了功耗最低、效率最高的設計方案。針對新型動圈式磁浮平面電機的電磁結構與現有結構均不同的情況，提出了包括永磁體工作點、渦流損耗、發熱和電動勢等基本特性進行分析的方法。五.市場分析國內：目前國內已經開始研發EUVL光刻技術。十年前，國家科技部“十五”重大科技專項100nm高端光刻機的研制任務落戶上海，上海微電子裝備有限公司（簡稱SMEE）肩負起為我國集成電路產業發展研制關鍵裝備——光刻機的歷史使命，在上海張江高科技園區這片創新的熱土誕生。SMEE具備了高端光刻機的系統設計與集成測試的能力，掌握了光刻機多項核心關鍵技術并擁有了這一領域的多項自主知識產權，成為世界上繼歐洲和日本3家光刻機公司之后的第4家掌握高端光刻機的系統設計與系統集成測試技術的公司。自主設計、制造和集成的國內首臺高端投影光刻機于2007年問世，使國內高端光刻機的水平在原有i線光刻機樣機基礎上實現了幾代的跨越和重大突破。首臺先進封裝光刻機于2009年下半年實現了銷售并上用戶生產線運行至今兩年多，連續封裝了幾十萬片硅片，設備性能穩定，得到了客戶較高的評價和認同。目前該系列產品已形成小批量產能，已實現銷售4臺，今年已接訂單6臺，并有臺灣、新加坡等海外市場意向訂單多臺。國外:目前市場上提供量產商用的光刻機廠商有三家：ASML,尼康(Nikon)，佳能(Canon)。根據2007年的統計數據，在中高端光刻機市場，ASML占據大約60%的市場份額。而最高端市場（例如沉浸式光刻機），ASML大約目前占據80%的市場份額。不過，競爭對手尼康也在奮力追趕，主要優勢在于相對較低的價格。ASML為半導體生產商提供光刻機及相關服務，TWINSCAN系列是目前世界上精度最高，生產效率最高，應用最為廣泛的高端光刻機型。目前全球絕大多數半導體生產廠商，都向ASML采購TWINSCAN機型，例如英特爾(Intel)，三星(Samsung)，海力士(Hynix)，臺積電(TSMC)，中芯國際(SMIC)等。在22nm只有ASML一家能夠生產。總結:整體來說光刻機的市場需求量不算太大，當每部