李霖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊 065201)

接觸接近式光刻設(shè)備是半導(dǎo)體生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)制造中的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于功率電子器件、傳感器、光電子器件、微波電路、MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))及其它新型電子元器件的單、雙面對(duì)準(zhǔn)及曝光工藝，有著較大的市場(chǎng)影響力。隨著LED芯片市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，LED芯片生產(chǎn)商對(duì)曝光設(shè)備提出了更高的要求。由于LED生產(chǎn)廠家及其它設(shè)備用戶對(duì)曝光機(jī)生產(chǎn)效率、操作方便性、設(shè)備可靠性等需求，迫切需要我們?cè)趜向系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面有所突破、能適應(yīng)LED芯片生產(chǎn)工藝的曝光機(jī)。

1 z向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

1.1 原理

z向系統(tǒng)就是驅(qū)動(dòng)承片臺(tái)作z向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，z向運(yùn)動(dòng)包括基片接觸掩模版的向上運(yùn)動(dòng)和基片與掩模微分離的向下運(yùn)動(dòng)?；轿缓?，接觸式曝光機(jī)首先驅(qū)動(dòng)基片作z向運(yùn)動(dòng)，使基片與掩模接觸并提供一定的找平力，楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在找平力的作用下完成基片對(duì)掩模的找平，即基片與掩模的均勻接觸，找平后，通過(guò)某種方式(比如真空鎖)保持找平效果，然后基片與掩模作微小的z向分離運(yùn)動(dòng)，分離后，基片上表面與掩模下表面仍保持平行，基片相對(duì)掩模作xy平面的對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)而不損害掩模表面以及基片表面的光刻膠，對(duì)準(zhǔn)后，再次使基片與掩模接觸，最后進(jìn)行曝光。

1.2 新型z向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

z向系統(tǒng)是工作臺(tái)的一部分，新型的z向系統(tǒng)方案包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等功能機(jī)構(gòu)以及氣動(dòng)控制、執(zhí)行等輔助裝置。其示意圖如圖1所示。z向采用氣缸驅(qū)動(dòng)，靠調(diào)節(jié)氣缸的壓力來(lái)保證所需的接觸力，微分離也采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，z向抬升和微分離均由空氣軸承導(dǎo)向。其楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用氣浮球碗的方式，能夠在較小的接觸力下完成找平，降低了碎片的可能性，提高成品率。

圖1 z向系統(tǒng)示意圖

z向系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下三種功能：

功能一：支持承片臺(tái)。承片臺(tái)背面固聯(lián)一個(gè)球段，它與中央活塞頂部的錐形球座配合，此配合使得找平時(shí)承片臺(tái)可以掩模版為基準(zhǔn)在各個(gè)方向“擺動(dòng)”，完成找平，找平后用真空鎖住配合。對(duì)于脆性基片，在球面配合之間導(dǎo)入壓縮空氣，使得找平過(guò)程低摩擦，阻力小。

功能二：z向抬升運(yùn)動(dòng)，使得基片到達(dá)曝光位置。z向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的核心是一個(gè)長(zhǎng)配合的空氣軸承，使得抬升運(yùn)動(dòng)沒(méi)有側(cè)移、無(wú)需潤(rùn)滑、免維護(hù)。提供抬升運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的是一個(gè)特殊的氣缸。它完全密封，幾乎沒(méi)有空氣泄漏；極低摩擦，對(duì)微小的壓力變化能作出靈敏的反應(yīng)；可以0.01 MPa的微壓操作，即使在低速狀態(tài)下，亦能平順操作無(wú)爬行；不需要在空氣配管上設(shè)置潤(rùn)滑器，非常適合接觸力的調(diào)整。避免了使用普通氣缸的低速爬行現(xiàn)象，基片與掩模接觸無(wú)沖擊。z向系統(tǒng)零件選用輕質(zhì)材料，使得氣缸的驅(qū)動(dòng)壓力很低，并且可精確控制，對(duì)掩模和基片的損傷很小。

圖2 接觸力氣動(dòng)控制原理

圖2為接觸力氣動(dòng)控制原理圖。節(jié)流閥F39控制z軸上升的速度。活塞上升太快，基片對(duì)掩模造成沖擊，發(fā)出撞擊聲，且容易碎片。壓力開(kāi)關(guān)S9控制找平力。當(dāng)氣缸中的壓力達(dá)到S9的設(shè)定值時(shí)，找平完成。改變壓力開(kāi)關(guān)S9的設(shè)定壓力值，就可調(diào)整找平力。精密減壓閥R5用來(lái)設(shè)定微分離時(shí)氣缸中的壓力。R1壓力設(shè)定為0.1 MPa。R5壓力設(shè)定為0.05 MPa～0.1 MPa。關(guān)鍵壓力參數(shù)調(diào)整其減壓閥帶有表頭。

功能三：微分離?；脱谀５谝淮谓佑|以后，運(yùn)動(dòng)的空氣軸承套被鎖緊在分離套上，短暫的延時(shí)后分離環(huán)充氣膨脹，推動(dòng)分離套/空氣軸承套的聯(lián)合體向下作微小的運(yùn)動(dòng)，基片與掩模微分離。調(diào)整氣囊的充氣壓力可精確調(diào)整微分離量，精密減壓閥保證充氣壓力的重復(fù)精度，從而保證微分離量的重復(fù)精度。微分離也通過(guò)空氣軸承導(dǎo)向。分離套通過(guò)兩層彈性膜片懸掛在殼體上，在z向上具有柔性，而在x，y方向則有很大的剛性。這種設(shè)計(jì)使得漂移運(yùn)動(dòng)降到最小程度。

1.3 實(shí)驗(yàn)研究

先期制作完成了一些實(shí)驗(yàn)件對(duì)z向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)氣路如圖3所示。其中 R1、R4、R5均采用精密減壓閥。R1：z向抬升時(shí)氣缸的壓力。R5：微分離時(shí)氣缸中的壓力。R4：分離氣囊的充氣壓力。R1影響z向抬升的速度和找平力；R5對(duì)分離間隙起輔助影響；R4對(duì)分離間隙起主要作用。

圖3 z向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)氣路控制圖

1.3.1 空氣軸承

空氣軸承按雙列環(huán)形布置節(jié)流孔。采用帶氣腔的噴嘴節(jié)流形式。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空氣軸承供氣后，空氣軸承套與導(dǎo)向桿配合面之間形成氣膜，空氣軸承套在徑向的偏移受阻，用手不能晃動(dòng)，證明它具有較高的徑向剛度，氣缸運(yùn)行非常平穩(wěn)輕柔?？諝廨S承的耗氣量較小，將手放在試驗(yàn)裝置上方才能微微感覺(jué)其排氣。

1.3.2 氣缸

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 氣缸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，氣缸的啟動(dòng)壓力為0.04 MPa，在0.04 MPa下，其速度非常慢，低于10 mm/s，氣缸低速運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，但未走完全程。通過(guò)精密減壓閥逐漸增大氣缸壓力到0.1 MPa，可以看到氣缸的速度逐漸增大，氣缸行程也有較高的一致性。這說(shuō)明氣缸在沒(méi)有密封摩擦的情況下，對(duì)壓力的變化非常敏感，因此找平力的調(diào)整可以做到方便、精密。去掉氣缸中的壓力，氣缸能很快落下，氣缸抬升過(guò)程中無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3.3 鎖緊裝置的性能

(1)不加負(fù)載：氣缸供氣壓力為0.1 MPa，鎖緊壓力為0.4 MPa，在氣缸上升過(guò)程中的任意位置按下鎖緊按鈕，氣缸停住1～2 s后繼續(xù)向上竄動(dòng)，未達(dá)到鎖緊要求；氣缸供氣壓力為0.1 MPa，鎖緊壓力增大到0.5 MPa，重復(fù)上述步驟可以鎖緊；

(2)加650 g負(fù)載：氣缸供氣壓力為0.1 MPa，鎖緊壓力為0.4 MPa，在氣缸上升過(guò)程中的任意位置按下鎖緊按鈕，氣缸停止1～2 s后繼續(xù)向上竄動(dòng)，未達(dá)到鎖緊要求；氣缸供氣壓力為0.1 MPa，鎖緊壓力增大到 0.5 MPa，重復(fù)上述步驟可以鎖緊。

1.3.4 微分離量調(diào)整和重復(fù)精度

負(fù)載650 g,空氣軸承供氣壓力0.5 MPa，滾動(dòng)隔膜氣缸壓力0.1 MPa，鎖緊環(huán)供氣壓力0.5 MPa，每次在氣缸上升到估計(jì)的工作行程時(shí)鎖緊，測(cè)相隔120°的3個(gè)點(diǎn)的分離間隙。表2給出了其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從所得數(shù)據(jù)中可以看出，不同的分離壓力對(duì)應(yīng)不同的分離間隙，在相同的分離壓力下分離間隙的波動(dòng)也較小，具有較好的一致性，可以通過(guò)控制分離壓力得到不同的微分離距離。

通過(guò)以上幾方面的實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明z向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在原理上是正確的，在正式實(shí)施之前還有以下幾點(diǎn)需要考慮：

(1)在相同分離壓力下分離間隙有小的波動(dòng)，可能是因?yàn)殒i緊力不夠即鎖緊間隙過(guò)大造成，可以在設(shè)計(jì)時(shí)減小鎖緊間隙；

(2)用于鎖緊及分離的鎖緊環(huán)、鎖緊片和膜片的材料選擇需進(jìn)一步考慮。

2 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種曝光機(jī)的新型z向系統(tǒng)方案，該方案采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)控制氣體壓力來(lái)調(diào)整接觸力，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)空氣軸承導(dǎo)向減少漂移，提高套刻精度，完成找平、微分離的自動(dòng)控制，提高曝光機(jī)的工作效率、操作方便性、工藝適應(yīng)性以及設(shè)備的可靠性。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其部分功能進(jìn)行了驗(yàn)證，為進(jìn)一步實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

表2 微分離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)