CN107290938B - 一种用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法 - Google Patents

一种用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光刻机曝光的快门装置及其方法，该装置包括快门叶片、驱动快门叶片旋转的旋转电机、与旋转电机电联接的控制器和用于支撑旋转电机的底座，快门叶片包括一旋转中心，以及对应旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域，旋转中心连接至旋转电机，旋转电机带动快门叶片旋转完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域。本发明通过在遮蔽区域中设置镂空部分，减轻了快门叶片的质量，提高对快门叶片旋转过程中的控制效果，通过控制器的控制作用，将快门的开闭过程设于快门叶片的匀速运动的阶段，将快门叶片的加速和减速过程设于时间和行程都较为宽裕的快门关闭阶段，降低了对旋转电机的转矩的要求，有效缩短了快门的开闭时间。

Description

一种用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及光刻机设备的制造领域，具体涉及一种用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法。
背景技术
光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。经常使用的基片为表面涂有光敏感介质的半导体晶片或玻璃基片。在光刻过程中，晶片放在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶片表面。
光刻机的一个重要指标是曝光剂量，曝光剂量过大或不足都将影响光刻胶显影效果，因此对于曝光剂量的精确控制将直接影响光刻机的刻蚀精度。
现有中低端光刻机的曝光系统采用高压汞灯作为光源，曝光开始、结束由光路中的机械快门控制，曝光剂量大小由曝光时间确定。具体过程如下：
1)首先通过预热和环境控制使高压汞灯输出光功率达到稳定；
2)接着计算曝光时间，打开快门开始曝光，同步开始计时；
3)最后时间到，关闭快门，曝光结束。
近年来，随着汞灯输出功率不断增加，这就意味着在相同的曝光剂量下，曝光快门的开闭时间必须更短。然而，传统的机械式快门由于结构的限制，快门开闭时间已然接近极限，若一味地提高曝光快门的功率只会增加控制系统的负担。同时，长时间超功率的运作也增加了系统的不稳定性。
针对上述问题，现有技术中提供了一种用于光刻机曝光分系统的快门装置，在高功率音圈电机的带动下使快门高速开闭，然而为达到更短的快门开闭时间，音圈电机通常处于大功率运行状态，然而音圈电机本身的可靠性和稳定性未能达到实际需求，致使该快门在工作过程中频发诸多问题，最终影响了光刻机的稳定性和光刻效果。
发明内容
本发明提供了一种用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法，以解决现有技术中存在的可靠性和稳定性不高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于光刻机曝光的快门装置，包括快门叶片、驱动所述快门叶片旋转的旋转电机、与所述旋转电机电联接的控制器和用于支撑所述旋转电机的底座，所述快门叶片包括一旋转中心，以及对应所述旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域，所述旋转中心连接至所述旋转电机，所述旋转电机带动所述快门叶片旋转完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域，且在形成所述曝光区域和所述非曝光区域过程中，所述旋转电机和/或快门叶片旋转速度不为零。
进一步的，所述快门叶片的旋转中心和旋转电机之间还设有连接块。
进一步的，所述旋转电机与所述连接块之间还设有减速器。
进一步的，所述底座与所述减速器固定连接。
进一步的，所述快门叶片中的开口区域和遮蔽区域分别为1个，所述开口区域和遮蔽区域对应的圆心角均为180度。
进一步的，所述快门叶片中的开口区域和遮蔽区域分别为2个，沿所述旋转中心对称设置，所述开口区域和遮蔽区域对应的圆心角均为90度。
进一步的，所述快门叶片中的开口区域和遮蔽区域分别为3个，沿所述旋转中心间隔设置，所述开口区域和遮蔽区域对应的圆心角均为60度。
进一步的，所述遮蔽区域包括沿所述旋转中心由内而外同心设置的镂空部分和光斑扫描区域遮蔽部分。
进一步的，所述镂空部分呈扇环形，所述光斑扫描区域遮蔽部分呈环形。
本发明还提供了一种用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，包括以下步骤：
S1：安装快门叶片、旋转电机、控制器和底座，所述快门叶片具有一旋转中心，以及对应所述旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域；
S2：通过控制器控制所述旋转电机旋转，从而带动所述快门叶片旋转，在旋转过程中完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域。
进一步的，所述步骤S1中，所述遮蔽区域包括沿所述旋转中心由内而外同心设置的镂空部分和光斑扫描区域遮蔽部分。
进一步的，所述镂空部分呈扇环形，所述光斑扫描区域遮蔽部分呈环形。
进一步的，所述步骤S2中，在形成所述曝光区域和非曝光区域过程中，所述控制器控制旋转电机启动后，带动所述快门叶片进行加速-匀速-减速-静止-加速的循环运动。
进一步的，在所述快门关闭阶段中，所述快门叶片完成所述加速过程和减速过程，在所述快门打开阶段，所述快门叶片处于匀速旋转状态。
进一步的，所述步骤S2中，在形成所述曝光区域和非曝光区域过程中，所述控制器控制所述旋转电机启动后，带动所述快门叶片进行加速-匀速-减速-匀速-加速的循环运动。
进一步的，在所述快门关闭阶段中，所述快门叶片完成所述加速过程和减速过程，在所述快门打开阶段，所述快门叶片处于匀速旋转状态。
进一步的，所述旋转电机加速后的恒定速度≥10倍减速后的恒定速度。
本发明提供的用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法，通过在快门叶片中设置一旋转中心以及对应所述旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域，将旋转中心连接至所述旋转电机，所述旋转电机带动所述快门叶片旋转，完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域，通过在遮蔽区域中设置镂空部分，有效减轻了快门叶片的质量，提高对快门叶片旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。通过控制器的控制作用，将快门的开闭过程设于快门叶片的匀速运动的阶段，将快门叶片的加速和减速过程设于时间和行程都较为宽裕的快门关闭阶段，大大降低了对旋转电机的转矩的要求，同时由于旋转电机的转速较高，有效缩短了快门的开闭时间，进一步提高了对曝光剂量的控制准确度，提高了光刻机的光刻效果。
附图说明
图1是本发明实施例1中用于光刻机曝光的快门装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1快门叶片的结构示意图；
图3a-3b是本发明实施例1快门关闭状态的示意图；
图4a-4b是本发明实施例1快门全开状态的示意图；
图5a-5b分别是本发明实施例1快门半开和半闭状态的示意图；
图6是本发明实施例1快门叶片在不同曝光状态下的旋转速度示意图；
图7是本发明实施例1中快门在一个曝光周期内的曝光剂量理论利用率；
图8是本发明实施例2快门叶片的结构示意图；
图9是本发明实施例4快门叶片在不同曝光状态下的旋转速度示意图。
图中所示：1、快门叶片；11、旋转中心；12、开口区域；13、遮蔽区域；131、镂空部分；132、光斑扫描区域遮蔽部分；2、旋转电机；3、底座；4、连接块；5、减速器；6、光斑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
实施例1
如图1-7所示，本发明提供了一种用于光刻机曝光的快门装置，包括快门叶片1、驱动所述快门叶片1旋转的旋转电机2、与所述旋转电机2电联接的控制器(图中未标出)和用于支撑所述旋转电机2的底座3，所述快门叶片1包括一旋转中心11，以及对应所述旋转中心11设置的至少一开口区域12和遮蔽区域13，所述旋转中心11连接至所述旋转电机2，所述旋转电机2带动所述快门叶片1旋转完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域，且在形成所述曝光区域和所述非曝光区域过程中，所述旋转电机2和/或快门叶片1的旋转速度不为零。
请继续参照图1，所述快门叶片1的旋转中心11和旋转电机2之间还设有连接块4，用于将所述快门叶片1的旋转中心11与旋转电机2的输出轴进行有效固定，避免两者发生相对运动，提高对快门叶片1旋转过程中的控制效果。
请继续参照图1，所述旋转电机2与所述连接块4之间还设有减速器5，具体的，本实施中，减速器5的选型速度比为4:1，减速器5与旋转电机2的输出轴连接，减速器5用于协调旋转电机2极限转速和极限扭矩之间的矛盾，由于扭矩越高旋转电机2的功率越大，这里通过设置减速器5在不增大旋转电机2功率的同时增加输出的扭矩。
优选的，所述底座3与所述减速器5固定连接，具体的，所述底座3设于减速器5下方，对整个快门装置进行支撑。
如图2所示，所述快门叶片1中的开口区域12和遮蔽区域13分别为2个，沿所述旋转中心11对称设置，所述开口区域12和遮蔽区域13对应的圆心角均为90度。
优选的，所述遮蔽区域13包括沿所述旋转中心11由内而外同心设置的镂空部分131和光斑扫描区域遮蔽部分132，如图2所示，所述镂空部分131呈扇环形，有效减轻了快门叶片的质量，提高对快门叶片旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。所述光斑扫描区域遮蔽部分132呈环形，实现快门叶片1旋转过程中对光斑6进行遮挡，形成非曝光区域。
本发明还提供了一种用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，包括以下步骤：
S1：安装快门叶片1、旋转电机2、控制器和底座3，所述快门叶片1具有一旋转中心11，以及对应所述旋转中心11设置的至少一开口区域12和遮蔽区域13，所述遮蔽区域13包括沿所述旋转中心11由内而外同心设置的镂空部分131和光斑扫描区域遮蔽部分132，所述镂空部分131呈扇环形，有效减轻了快门叶片的质量，提高对快门叶片旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。
S2：通过控制器驱动所述旋转电机2旋转，从而带动所述快门叶片1旋转，形成曝光区域和非曝光区域。优选的，在形成所述曝光区域和非曝光区域过程中，所述控制器控制旋转电机2启动后，带动快门叶片1进行加速-匀速-减速-静止-加速的循环运动。如图6所示，在所述快门关闭阶段中，即对应图中的非曝光区域，所述快门叶片1完成所述加速过程和减速过程，在所述快门打开阶段，即对应图中的曝光区域，所述快门叶片1处于匀速旋转状态。具体的，快门打开阶段包括快门半开、半闭阶段和全开状态，如图3a-5b所示。通过控制器的控制作用，将快门的开闭过程设于快门叶片1的匀速运动的阶段，将快门叶片1的加速和减速过程设于时间和行程都较为宽裕的快门关闭阶段，大大降低了对旋转电机2的转矩的要求，同时由于旋转电机2的转速较高，有效缩短了快门的开闭时间，进一步提高了对曝光剂量的控制准确度，提高了光刻机的光刻效果。
针对本实施例中的快门叶片1结构，在快门叶片1从半开状态-全开状态-半闭状态这一匀速转动周期内，曝光剂量的理论利用率为58.75％，如图7所示。
设入射光的照度是G，曝光的需求剂量为K，则曝光时间t为：
由于设有减速器5，选型速度比4:1，非曝光区域为1/4圆周，则旋转电机2的转速P为：
设本实施例中入射光的照度G＝3000mW/cm2，以最小曝光计量K为80mJ计算得到：
旋转电机2的转速P为：
本实施中，非曝光区域占圆周1/4，旋转电机2必须在该区域内完成减速到0，再加速到7661rpm的过程，故角加速度为：
其中V为旋转电机2的线性转速。
根据本实施例中的快门叶片1的结构计算得到转动惯量J＝1.2×10-5kg/m2，代入到扭矩公式可得：
在该条件下，非曝光状态下旋转电机2的运动时间为31.3ms。根据非曝光时长的需求，在快门叶片1停止旋转的阶段选择停留时间。
实施例2
如图8所示，与实施例1不同的是，所述快门叶片1中的开口区域12和遮蔽区域13分别为1个，所述开口区域12和遮蔽区域13对应的圆心角均为180度。同时在结构上去除了减速器5，直接由旋转电机2带动快门叶片1旋转。优选的，所述遮蔽区域13包括沿所述旋转中心11由内而外同心设置的镂空部分131和光斑扫描区域遮蔽部分132，所述镂空部分131呈扇环形，有效减轻了快门叶片的质量，提高对快门叶片旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。所述光斑扫描区域遮蔽部分132呈环形，实现快门叶片1旋转过程中对光斑进行遮挡，形成非曝光区域。本实施例中，快门叶片1中开口区域11和遮蔽区域12分别为1个，以缩短快门叶片1半开或半闭状态占整个曝光周期的时间，从而提高了曝光剂量的利用率。
针对本实施例中的快门叶片1结构，在快门叶片1从半开状态-全开状态-半闭状态这一匀速转动周期内，曝光剂量的理论利用率为86.11％。
设入射光的照度是G，曝光的需求剂量为K，则曝光时间t为：
非曝光区域为1/2圆周，旋转电机2的转速P为：
非曝光区域占圆周1/2，旋转电机2必须在该区域内完成减速到0，再加速到4491rpm的过程，故角加速度为：
其中V为旋转电机2的线性转速。
根据本实施例中的快门叶片1的结构计算得到转动惯量J＝1×10-5kg/m2，代入到扭矩公式得：
T＝J×ε×1000＝256mNm (10)
在该条件下，非曝光状态下旋转电机2的运动时间为26.7ms。根据非曝光时长的需求，在曝光快门叶片1停止旋转的阶段选择停留时间。
实施例3
与实施例1不同的是，所述快门叶片1中的开口区域12和遮蔽区域13分别为3个，沿所述旋转中心11间隔设置，所述开口区域12和遮蔽区域13对应的圆心角均为60度。优选的，所述遮蔽区域13包括沿所述旋转中心11由内而外同心设置的镂空部分131和光斑扫描区域遮蔽部分132，所述镂空部分131呈扇环形，有效减轻了快门叶片的质量，提高对快门叶片旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。所述光斑扫描区域遮蔽部分132呈环形，实现快门叶片1旋转过程中对光斑进行遮挡，形成非曝光区域。
针对本实施例中的快门叶片1结构，在快门叶片1从半开状态-全开状态-半闭状态这一匀速转动周期内，曝光剂量的理论利用率为50％。
设入射光的照度是G，曝光的需求剂量为K，则曝光时间t为：
由于设有减速器5，选型速度比4:1，非曝光区域为1/6圆周，则旋转电机2的转速P为：
非曝光区域占圆周1/6，电机必须在该区域内完成减速到0，再加速到5217rpm的过程，故角加速度为：
根据本实施例中的快门叶片1的结构计算得到转动惯量J＝1×10-5kg/m2，代入到扭矩公式得：
在该条件下，非曝光状态下旋转电机2的运动时间为30ms。根据非曝光时长的需求，在曝光快门叶片1停止旋转的阶段选择停留时间。
实施例4
与实施例不同的是，本实施例中提供一种用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，包括以下步骤：
S1：安装快门叶片、旋转电机、控制器和底座，所述快门叶片具有一旋转中心，以及对应所述旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域；
S1：安装快门叶片1、旋转电机2、控制器和底座3，所述快门叶片1具有一旋转中心11，以及对应所述旋转中心11设置的至少一开口区域12和遮蔽区域13，所述遮蔽区域13包括沿所述旋转中心11由内而外同心设置的镂空部分131和光斑扫描区域遮蔽部分132，所述镂空部分131呈扇环形，有效减轻了快门叶片1的质量，提高对快门叶片1旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。
S2：通过控制器驱动所述旋转电机2旋转，从而带动所述快门叶片1旋转，形成曝光区域和非曝光区域。优选的，在形成所述曝光区域和非曝光区域过程中，所述控制器控制旋转电机2启动后，带动快门叶片1进行加速-匀速-减速-匀速-加速的循环运动，如图9所示。优选的，所述旋转电机2加速后的恒定速度≥10倍减速后的恒定速度。该种快门叶片1旋转速度变化的周期适合曝光时间长，且快门关闭时间短的情况。由于快门关闭时间短，该方案对于光源的照度利用率较高。此外，由于旋转电机2在启动时电流极大，过大的电流会导致旋转电机2内部积聚更多的热量，进而导致旋转电机2内部结构膨胀，导致旋转电机2卡死甚至导线短路的问题。而本实施例中，由于带动快门叶片1的旋转电机2一直处于运动状态，避免需要经常启动而引起的问题，从而提高快门的可靠性，延长其使用寿命。
综上所述，本发明提供的用于光刻机曝光的快门装置及其使用方法，通过在快门叶片1中设置一旋转中心11以及对应所述旋转中心11设置的至少一开口区域12和遮蔽区域13，将旋转中心11连接至所述旋转电机2，所述旋转电机2带动所述快门叶片1旋转，完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域，通过在遮蔽区域13中设置镂空部分131，有效减轻了快门叶片1的质量，提高对快门叶片1旋转过程中的控制效果，提高了对曝光剂量的控制准确度。通过控制器的控制作用，将快门的开闭过程设于快门叶片1的匀速运动的阶段，将快门叶片1的加速和减速过程设于时间和行程都较为宽裕的快门关闭阶段，大大降低了对旋转电机2的转矩的要求，同时由于旋转电机2的转速较高，有效缩短了快门的开闭时间，进一步提高了对曝光剂量的控制准确度，提高了光刻机的光刻效果。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，包括快门叶片、驱动所述快门叶片旋转的旋转电机、与所述旋转电机电联接的控制器和用于支撑所述旋转电机的底座，所述快门叶片包括一旋转中心，以及对应所述旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域，所述旋转中心连接至所述旋转电机，所述旋转电机带动所述快门叶片旋转完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域，且在形成所述曝光区域和所述非曝光区域过程中，所述旋转电机和/或快门叶片旋转速度不为零。
2.根据权利要求1所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述快门叶片的旋转中心和旋转电机之间还设有连接块。
3.根据权利要求2所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述旋转电机与所述连接块之间还设有减速器。
4.根据权利要求3所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述底座与所述减速器固定连接。
5.根据权利要求1所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述快门叶片中的开口区域和遮蔽区域分别为1个，所述开口区域和遮蔽区域对应的圆心角均为180度。
6.根据权利要求1所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述快门叶片中的开口区域和遮蔽区域分别为2个，沿所述旋转中心对称设置，所述开口区域和遮蔽区域对应的圆心角均为90度。
7.根据权利要求1所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述快门叶片中的开口区域和遮蔽区域分别为3个，沿所述旋转中心间隔设置，所述开口区域和遮蔽区域对应的圆心角均为60度。
8.根据权利要求1所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述遮蔽区域包括沿所述旋转中心由内而外同心设置的镂空部分和光斑扫描区域遮蔽部分。
9.根据权利要求8所述的用于光刻机曝光的快门装置，其特征在于，所述镂空部分呈扇环形，所述光斑扫描区域遮蔽部分呈环形。
10.一种用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：安装快门叶片、旋转电机、控制器和底座，所述快门叶片具有一旋转中心，以及对应所述旋转中心设置的至少一开口区域和遮蔽区域；
S2：通过控制器控制所述旋转电机旋转，从而带动所述快门叶片旋转，在旋转过程中完成快门的开闭动作，以形成曝光区域和非曝光区域。
11.根据权利要求10所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述遮蔽区域包括沿所述旋转中心由内而外同心设置的镂空部分和光斑扫描区域遮蔽部分。
12.根据权利要求11所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，所述镂空部分呈扇环形，所述光斑扫描区域遮蔽部分呈环形。
13.根据权利要求10所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S2中，在形成所述曝光区域和非曝光区域过程中，所述控制器控制旋转电机启动后，带动所述快门叶片进行加速-匀速-减速-静止-加速的循环运动。
14.根据权利要求13所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，在所述快门关闭阶段中，所述快门叶片完成所述加速过程和减速过程，在所述快门打开阶段，所述快门叶片处于匀速旋转状态。
15.根据权利要求10所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S2中，在形成所述曝光区域和非曝光区域过程中，所述控制器控制所述旋转电机启动后，带动所述快门叶片进行加速-匀速-减速-匀速-加速的循环运动。
16.根据权利要求15所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，在所述快门关闭阶段中，所述快门叶片完成所述加速过程和减速过程，在所述快门打开阶段，所述快门叶片处于匀速旋转状态。
17.根据权利要求15所述的用于光刻机曝光的快门装置的使用方法，其特征在于，所述旋转电机加速后的恒定速度≥10倍减速后的恒定速度。
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