CN111352312B - 一种多功能光刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能光刻装置，包括被动隔振***、XY宏动***、Z向宏微三点调平***、对准光路***、紫外光源***和控制***；被动隔振为整个装置提供减震、承重性能；XY宏动***为Z向宏微三点调平***提供XY向宏位移，多轴大行程调整承片台；Z向宏微三点调平***通过宏动结合微动实现承片台三点高精度调平；对准光路***实现承片台与基片标记对准观测；并通过微角度旋转进行对准补偿；紫外光源***提供365nm紫外曝光光源，实现基片曝光；本发明适用于多模式的混合光刻加工领域。

Description

一种多功能光刻装置
技术领域
本发明涉及光学微纳制造装备技术领域，具体涉及一种多功能光刻的装置，适用于多模式的混合光刻加工。
背景技术
近代半导体技术发展迅速发展，其中光学光刻技术扮演着要角色，传统的光学光刻装置局限于单一的光刻模式：
接触模式采用掩模板直接与涂有光刻胶的硅片进行接触曝光，该技术具有高分辨力、设备简单、操作方便、成本低等特点；接近模式在为了避免掩模板与光刻胶接触产生缺陷，装置增加掩模板与光刻胶间隙检测***，通过一定间隙进行曝光；泰伯光刻模式采用高精度、平稳性Z向运动定位***实现定点曝光、扫描曝光模式，利用泰伯效应产生的周期物体自成像进行光刻；SP光刻模式采用SP的短波长特性能够有效的共振耦合局域在物体表面的倏逝波，实现倏逝波放大传输、共振干涉以及局部增强，从而获得超过传统光刻衍射极限的图形，在装置方面采用精密调平和间隙控制技术。
在光刻技术发展和应用需求不断多样化的大背景下，采用单一光刻模式以无法满足微纳结构图形的制备需求，导致装置利用率低下存在着极大的弊端。
发明内容
为了实现纳米图形具有高分辨力以及多模式的加工手段，本发明的目的是为了提供紧凑性、高分辨力、多模式性的装置，该装置三点调平部分采用宏微位移结构配合双物镜对准***完成对基片调平及掩模板标记对准。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多功能光刻装置，包括被动隔振***、XY宏动***、Z向宏微三点调平***、掩模架对准光路***、紫外光源***、控制***、粗位移闭环***、角位移机构、角位移直线电机、三点Z向精位移机构、真空承片台机构、三点直线导轨防偏机构、Z向粗位移旋转电机、直线促动器、光栅尺、压缩弹簧、交叉滚子轴承、压点陶瓷电机组件、运动底板、直线导轨、Y向运动板、X向运动板、压电电机安装附件、压电电机、万向球支撑、弹性簧片、法兰转接、承片台支撑平面、拉伸弹簧。被动隔振***包括4个均匀对称放置的隔振腿和厚度为200mm的大理石平台，XY宏动***最低层为运动底板20放置在被动隔振***上，运动底板安装平面上放置直线导轨实现对Y向运动板承载，通过直线促动器推动Y向运动板直线运动实现Y向宏位移，Y向运动板安装平面放置直线导轨承载X向运动板，通过Y向运动板上放置的直线促动器推动X向运动板实现X向宏位移，Z向宏微三点调平***整体实现承片台上放置基片并与掩模板标记对准，其包含粗位移闭环***放置在XY宏动***上，三点直线导轨防偏机构确保Z向粗位移旋转电机能够在旋转凸轮只输出Z向位移，三点增量式光栅尺读取Z向实际运动位移，实现Z向粗位移旋转电机闭环控制，压缩弹簧通过压缩弹簧支撑角位移机构，减轻Z向粗位移旋转电机Z向静态承载，角位移直线电机推动三点Z向精位移机构整体运动，由交叉滚子轴承作为旋转支撑结构，实现三点Z向精位移机构整体角位移运动，压点陶瓷电机组件由电机安装附件压电电机两部分组成，整体安装在Z向精位移机构上，三点压电电机通过球头连接安装在万向球支撑上，压电电机上下连接板采用拉伸弹簧，实现压电电机无受力回程，弹性簧片三点与压电电机固定连接，中心法兰连接在承片台支撑平面下平面，实现整个真空承片台机构均匀回弹。真空承片台机构采用多气孔方式完成基片的吸附、吹气，掩模架采用抽拉式固定掩模夹持方式，三点手动旋钮固定掩模板，对准光路***包含三轴对称位移***、长焦物镜、CCD相机以及整体光路***，双长焦物镜安装在三轴对称位移***实现对准物镜的XYZ方向位移，并通过CCD相机成像到PC端，实现对掩模板基片标记对准，紫外光源***包含整套光路***，365nm光源Y向位移伸缩闭环可调曝光位置，实现基片曝光，控制***用于实现本装置的控制，包含本装置的所有电路***：PLC、电源、驱动器、开关、线缆布置等。
一种多功能光刻装置，被动隔振***、XY宏动***、Z向宏微三点调平***、掩模架、对准光路***、紫外光源***、控制***七个大***组成了整个装置，被动隔振***支撑整体装置并隔离机械以及底面震动，XY宏动***作为整个运动部分的支撑底板，并实现XY宏位移，Z向宏微三点调平***放置在其上，通过各***的协调运动实现整机协调性，掩模架属于独立于其他部分安装在大理石上，采用抽屉式取换掩模板，固定掩模板进行曝光过程，对准光路***采用三轴对称***对光刻标记进行对准、提高长焦距物镜调整灵活性，紫外光源***采用伺服步进式Y向运动，提高了曝光区域光强均匀性，控制***紧靠运动装置放置，提高装置紧凑型。
一种多功能光刻装置，采用直线促动器定子安装在运动底板，动子安装在Y向运动板，通过直线导轨低摩擦导向实现Y向运动板运动，同样方式实现XY宏位移台，位移台最小步进量70nm，单向重复精度650nm，有效的控制整体运动***精度。
一种多功能光刻装置，承片台运动***包含了XY宏动***、Z向宏微三点调平***，使用直线促动器与直线导轨搭建完成XY轴运动，粗位移闭环***放置在XY宏动***研磨面上，通过三点Z向粗位移旋转电机驱动凸轮上升，配置光栅尺进行***闭环，实现精位移台粗状态调平，精位移通过三点对称压电电机Z向精位移调整，调整行程80um，实现承片台精调平。
一种多功能光刻装置，粗位移闭环***包含直线导轨防偏机构、Z向粗位移旋转电机、光栅尺、压缩弹簧以及凸轮安装组件，三点Z向粗位移旋转电机旋转带动凸轮运动，凸轮的不均匀旋转，角位移机构平面高度发生变化，三点增量式光栅尺分别记录三点电机上升高度差值，进行闭环反馈调整三点凸轮高度差，实现角位移机构平面水平，三点直线导轨防偏机构防止三点抬升高度差异过大导致机构倾斜损坏，凸轮下降过程，压缩弹簧承受结构静载。
一种多功能光刻装置，角位移直线电机定子固定在交叉滚子轴承外环安装板，动子固定在三点Z向精位移机构上，三点Z向精位移机构与交叉滚子轴承内环螺钉连接，通过角位移直线电机推动三点Z向精位移机构实现精位移运动部分旋转角度±3°，实现基片标记旋转调节，真空承片台搭建在运动台的最上层，整体实现XYθ位移、Z向粗精位移调整调平。
一种多功能光刻装置，压电电机通过顶端万向球推动万向球支撑结构，三点上顶承片台产生高精度Z向位移，通过高度差调节实现承片台调平，弹性簧片在结构上升过程产生逐步增大的支座反力，实现压电电机下降后结构复位。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用高精度堆叠式压电电机，配合角位移直线电机推动交叉滚子轴承小角度旋转，实现承片台高精度调平、基片标记对准技术。
本发明采用三轴对准***，配置长焦距物镜，多轴调节对准物镜，提高对准***高精度补偿标记位差。
本发明采用了XY宏位移台、微角度位移结构、宏微结合调平技术，完成对承片台的多轴调节，实现接触模式、接近模式、泰伯光刻模式、SP光刻模式四种模式曝光。
附图说明
图1为本发明的整体结构原理图；
图2为XY宏动***、Z向宏微三点调平***整体结构原理图；
图3为XY宏动***结构原理图；
图4为Z向精位移三点调平***结构原理图；
图5为接近模式曝光示意图；
图6为接触模式曝光示意图；
图7为泰伯光刻模式示意图；
图8为SP光刻模式示意图。
图1中：1-被动隔振***、2-XY宏动***、3-Z向宏微三点调平***、4-掩模架、5-对准光路***、6-紫外光源***、7-控制***。
图2中：8-粗位移闭环***、9-角位移机构、10-角位移直线电机、11-三点Z向精位移机构、12-真空承片台机构、13-直线导轨防偏机构、14-Z向粗位移旋转电机、15-直线促动器、16-光栅尺、17-压缩弹簧、18-交叉滚子轴承、19-压点陶瓷电机组件。
图3中：15-直线促动器、20-运动底板、21-直线导轨、22-Y向运动板、23-X向运动板。
图4中：24-压电电机安装附件、25-压电电机、26-万向球支撑、27-弹性簧片、28-法兰转接、29-承片台支撑平面。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明做经一步说明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
如图1所示：一种多功能光刻装置，包括被动隔振***1、XY宏动***2、Z向宏微三点调平***3、掩模架4、对准光路***5、紫外光源***6、控制***7、粗位移闭环***8、角位移机构9、角位移直线电机10、三点Z向精位移机构11、真空承片台机构12、直线导轨防偏机构13、Z向粗位移旋转电机14、直线促动器15、光栅尺16、压缩弹簧17、交叉滚子轴承18、压点陶瓷电机组件19、运动底板20、直线导轨21、Y向运动板22、X向运动板23、压电电机安装附件24、压电电机25、万向球支撑26、弹性簧片27、法兰转接28、承片台支撑平面29、拉伸弹簧。被动隔振***1包括4个均匀对称放置的隔振腿和厚度为200mm的大理石平台，XY宏动***2最底层为运动底板20放置在被动隔振***1上，运动底板20安装平面上放置直线导轨21实现对Y向运动板22承载，通过直线促动器15推动Y向运动板22实现Y向宏位移，Y向运动板22安装平面放置直线导轨21承载X向运动板23，通过Y向运动板22上放置的直线促动器15推动X向运动板23实现X向宏位移，Z向宏微三点调平***3整体实现承片台上放置基片与掩模板标记对准，其包含粗位移闭环***8放置在XY宏动***2上，三点直线导轨防偏机构13确保Z向粗位移旋转电机14在旋转凸轮只输出Z向位移，三点增量式光栅尺16读取Z向实际运动位移，实现Z向粗位移旋转电机14闭环控制，压缩弹簧17通过压缩弹簧支撑角位移机构9，减轻Z向粗位移旋转电机14Z向静态承载，角位移直线电机10推动三点Z向精位移机构11整体运动，交叉滚子轴承18作为旋转支撑结构，实现三点Z向精位移机构11整体角位移运动，压点陶瓷电机组件19由电电机安装附件24压电电机25组成，安装在Z向精位移机构11上，三点压电电机25球头连接安装在万向球支撑26上，压电电机25上下连接板采用拉伸弹簧，实现压电电机25微受力复位，弹性簧片27与三点压电电机25固定连接，中心法兰连接在承片台支撑平面29下平面，实现整个真空承片台机构12均匀回弹。真空承片台机构12采用多气孔方式完成基片的吸附与吹气，掩模架4采用抽拉式固定掩模夹持，三点手动旋钮固定掩模板，对准光路***5包含三轴对称位移***、长焦物镜、CCD相机以及整体光路***，双长焦物镜安装在三轴对称位移***实现对准物镜的XYZ方向位移，并通过CCD相机成像到PC端，实现对掩模板基片标记对准判断，紫外光源***6包含整套光路***，采用365nm光源Y向位移伸缩闭环定位曝光位置，实现基片曝光，控制***7包含本装置的所有电路***：PLC、电源、驱动器、开关、线缆布置等，实现了整个装置的完善。
如图2所示：承片台运动***包含XY宏动***2、Z向宏微三点调平***3，使用直线促动器15与直线导轨21搭建完成XY运动，粗位移闭环***8放置在XY宏动***2上表研磨平面上，采用三点设计方案，实现承片台粗调平，粗位移闭环***8支撑角位移机构9使得三点Z向精位移机构11有更好的微调性，真空承片台机构12放置在最顶层，集成所有的运动总和，最终实现宏微调平对准功能。
如图3所示：采用直线促动器15定子在运动底板20，动子安装在Y向运动板22，通过直线导轨21低摩擦导向实现Y向运动板22Y向运动，同样方式X向运动板23运动，最终完成XY宏位移运动。
如图4所示：压电电机安装附件24将压电电机25固定，压电电机25顶端万向球连接在万向球支撑26上，弹性簧片27实现精位移部分弹性收缩，弹性簧片27通过法兰转接28与承片台支撑平面29中心连接，实现真空承片台机构12稳定Z向精位移运动。
如图5所示：本发明可实现接近模式光刻技术，通过宏微位移调平以及确定上升距离，控制承片台与掩模板间隙，承片台采用密孔气流方式实现基片真空吸附在承片台上，从而确定基片与掩模板间隙可控。
如图6所示：本发明可实现接触模式光刻技术，与接近模式光刻有相识之处，但在掩模板与基片硬接触后，周圈外层密封***启动，此时基片与承片台真空1吸附，曝光区域同样处于真空2环境中，提高了基片与掩模板的紧贴曝光。
如图7所示：本发明可实现泰伯光刻模式技术，在掩模板上制作光栅，将所需区域图形传递到基片上，实现阵列式图形。
如图8所示：本发明可实现SP光刻模式技术，通过表面镀铬、镀金等金属，在紫外光照射下产生等离子体共振，实现表面等离子体光刻技术，也就是SP光刻模式技术。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种多功能光刻装置，其特征在于：包括：被动隔振***（1）、XY宏动***（2）、Z向宏微三点调平***（3）、掩模架（4）、对准光路***（5）、紫外光源***（6）、控制***（7）、粗位移闭环***（8）、角位移机构（9）、角位移直线电机（10）、三点Z向精位移机构（11）、真空承片台机构（12）、三点直线导轨防偏机构（13）、Z向粗位移旋转电机（14）、直线促动器（15）、三点增量式光栅尺（16）、压缩弹簧（17）、交叉滚子轴承（18）、压电陶瓷电机组件（19）、运动底板（20）、直线导轨（21）、Y向运动板（22）、X向运动板（23）、压电电机安装附件（24）、三点压电电机（25）、万向球支撑（26）、弹性簧片（27）、法兰转接（28）、承片台支撑平面（29）和拉伸弹簧；被动隔振***（1）包括4个均匀对称放置的隔振腿和厚度200mm的大理石平台，XY宏动***（2）底层为运动底板（20）放置在被动隔振***（1）上，运动底板（20）安装面上放置直线导轨（21）实现Y向运动板（22）承载，通过直线促动器（15）推动Y向运动板（22）实现Y向宏位移，Y向运动板（22）安装平面安装直线导轨（21）承载X向运动板（23），Y向运动板（22）上放置的直线促动器（15）推动X向运动板（23）实现X向宏位移，Z向宏微三点调平***（3）实现承片台上放置基片并与掩模板标记对准，包含粗位移闭环***（8）放置在XY宏动***（2）上，三点直线导轨防偏机构（13）确保Z向粗位移旋转电机（14）能够在旋转凸轮只输出Z向位移，三点增量式光栅尺（16）读取Z向实际运动位移，实现Z向粗位移旋转电机（14）闭环控制，压缩弹簧（17）支撑角位移机构（9），减轻Z向粗位移旋转电机（14）Z向静态承载，角位移直线电机（10）推动三点Z向精位移机构（11）整体运动，由交叉滚子轴承（18）作为旋转支撑结构，实现三点Z向精位移机构（11）整体角位移运动，压电陶瓷电机组件（19）由压电电机安装附件（24）三点压电电机（25）两部分组成，整体安装在Z向精位移机构（11）上，三点压电电机（25）通过球头连接安装在万向球支撑（26）上，三点压电电机（25）上下连接板采用拉伸弹簧，实现三点压电电机（25）微受力回程，弹性簧片（27）与三点压电电机（25）固定连接，中心法兰连接在承片台支撑平面（29）下平面，实现整个真空承片台机构（12）均匀回弹；真空承片台机构（12）采用多气孔方式完成基片的吸附与吹气，掩模架（4）采用抽拉式固定掩模夹持方式，三个手动旋钮固定掩模板，对准光路***（5）包含三轴对称位移***、长焦物镜、CCD相机以及整体光路***，双长焦物镜安装在三轴对称位移***实现对准物镜的XYZ方向位移，并通过CCD相机成像到PC端，实现对掩模板基片标记对准判断，紫外光源***（6）包含整套光路***，采用365nm光源Y向位移伸缩闭环定位曝光位置，实现基片曝光，控制***（7）用于实现本装置的控制。
2.根据权利要求1所述一种多功能光刻装置，其特征在于：被动隔振***（1）、XY宏动***（2）、Z向宏微三点调平***（3）、掩模架（4）对准光路***（5）、紫外光源***（6）、控制***（7）组成整个装置，整体装置控制***（7）也与整体装置放置在一体，并且曝光功能多样包含：接触模式、接近模式、泰伯光刻模式、SP光刻模式四种曝光形式；控制***（7）包含本装置的所有电路***：PLC、电源、驱动器、开关、线缆布置，实现了整个装置的完善。
3.根据权利要求1所述一种多功能光刻装置，其特征在于：直线促动器（15）定子安装在运动底板（20），动子安装在Y向运动板（22），通过直线导轨（21）低摩擦导向实现Y向运动板（22）Y向运动，同样方式实现X向运动板（23）X向运动。
4.根据权利要求1所述一种多功能光刻装置，其特征在于：承片台运动***包含XY宏动***（2）、Z向宏微三点调平***（3），使用直线促动器（15）与直线导轨（21）搭建完成XY向位移，粗位移闭环***（8）放置在XY宏动***（2）上表研磨面上，采用三点设计方案，实现承片台粗调平，粗位移闭环***（8）、角位移机构（9）使得三点Z向精位移机构（11）有更好的微调性，真空承片台机构（12）放置在最顶层，集成所有的运动总和，最终实现四轴宏微调平对准功能。
5.根据权利要求1所述一种多功能光刻装置，其特征在于：粗位移闭环***（8）包含三点直线导轨防偏机构（13）、Z向粗位移旋转电机（14）、三点增量式光栅尺（16）、压缩弹簧（17）以及凸轮安装组件，通过Z向粗位移旋转电机（14）旋转带动凸轮运动，凸轮的不均匀性旋转，使得角位移机构（9）平面高度发生变化，三点直线导轨防偏机构（13）防止三点抬升高度差异过大导致机构损坏，通过三点增量式光栅尺（16）分别记录三点电机Z向高度差值，进行控制调整角位移机构（9）水平，三点直线导轨防偏机构（13）凸轮进入下降过程，压缩弹簧承受整体重量，避免凸轮疲劳损伤。
6.根据权利要求1所述一种多功能光刻装置，其特征在于：角位移机构（9）采用角位移直线电机（10）定子固定在交叉滚子轴承（18）外环安装板上，动子固定在三点Z向精位移机构（11）上，三点Z向精位移机构（11）与交叉滚子轴承（18）内环螺钉连接，通过角位移直线电机（10）推动三点Z向精位移机构（11）实现以交叉滚子轴承（18）中心为旋转轴的小角度旋转，真空承片台机构（12）可XYθ位移，以及Z向粗精位移调整调平。
7.根据权利要求1所述一种多功能光刻装置，其特征在于：压电电机安装附件（24）将三点压电电机（25）固定，三点压电电机（25）顶端采用万向球连接在万向球支撑（26）上，通过弹性簧片（27）实现精位移部分弹性收缩，弹性簧片（27）通过法兰转接（28）与承片台支撑平面（29）中心连接，实现真空承片台机构（12）稳定Z向精位移运动。
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