CN107664927A - 一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构及工作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构及工作流程，基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构采用了气浮轴承取代了传统的线性导轨，并采用有预载力的直线电机，实现整个曝光台面和数字镜头组的固定台面无摩擦的运行，并在气浮上升力和直线电机的预载力的双重作用下实现整个系统更加稳定的运作。提高了系统的精准度和稳定性，改善了产品加工的效率和良率，从而可实现无掩膜光刻设备在高精细线路解析领域的大规模生产应用。

Description

一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构及工作流程

技术领域：

本发明属于无掩膜光刻曝光系统技术领域，尤其涉及一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构及工作流程。

背景技术：

光刻技术是当前半导体主流平面加工工艺技术中的一环，其用于在基底表面上形成特定结构的特征图形。上述的衬底可包括用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器（例如液晶显示器）、印刷电路板（PCB）、LED、生物芯片、微机械电子芯片（MEMS）、光电子线路芯片或光掩膜版等基片。本领域的技术人员将会理解本文的描述，还应用在本领域技术人员已知的其他类型基片。

无掩膜光刻技术是光刻技术的一个分支，相对于传统掩膜光刻技术，无需额外准备光掩膜作为母版复版曝光，使用图形发生器来代替母版。直接利用图形发生器产生于设计文档一致的特征图形，并通过光学投影技术投影曝光至涂有感光材料的基片表面。

目前无掩膜光刻技术常用的运动平台模组架构主要有以下两种：

一、滚珠丝杆+伺服电机+光栅尺（或编码器），该种方式缺点是滚珠丝杆和伺服电机的结合会造成运动定位存在一定的返程误差，精度较低；且滚珠丝杆的摩擦工作机理需要频繁维护加油，使用寿命短；无法应用于高精度（重复定位精度10um以下）定位曝光；

二、线性导轨+直线电机+光栅尺，该种方式较滚珠丝杆和伺服电机的搭配而言，减少了电机之间的摩擦力，提升了一定的精度，延长了使用寿命，且相对维护频率下降，使用寿命加长。但存在的缺点是线性导轨和固定动子的滑块之间还是存在摩擦力，需要定期维护，也会造成运动定位存在一定的误差，精度相对较低，无法应用于高精度（重复定位精度5um以下）定位曝光。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构及工作流程。

本发明的一种无掩膜光刻系统，其特征在于：包括

料号系统，用于将输入的不同 CAD 矢量设计文件格式转换为包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式；

曝光系统，用于驱动并分别与 RIP 模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信；

RIP 模块，用于将中间数据格式实时膨胀、偏移和旋转，并转换成条带图形，并将条带图形进行Y 方向拉伸，然后栅格化后形成栅格化的条带点阵图形；

数据处理系统，用于实现条带点阵图形的分块化、图形发生器化、X 方向拉伸和图形发生器帧化；

位置矫正模块，用于实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信；

光源模组，用于实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源；

照明系光学组，用于实现将光源模组提供的大功率光源转换到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源；

图形发生器，为可独立寻址和控制的像素阵列；

主控模组，用于实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信；

能量矫正模块，用于实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，实现驱动光源模组改变出光功率大小及闭环控制；

投影镜头模组，由至少5片光学透镜组成；

自动聚焦模组，用于实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动；

运动平台模组，用于实现在曝光系统的驱动下匀速扫描高速运动的指定坐标地点；

对位模组，由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

优选的，无掩膜光刻设备包括料号系统、曝光系统、RIP模块、数据处理系统、位置矫正模块、光源模组、照明系光学组、图形发生器、主控模组、能量矫正模块、投影镜头模组、自动聚焦模组、运动平台模组和对位模组十四个子系统构成，该系统由一套或多套数字光学投影镜头组组成，每个数字光学投影镜头组内包含且仅包含一个图形发生器、一个光源模组、一个照明系光学组、一个数据处理系统、一个投影镜头模组和一个自动聚焦模组。

一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，包括两个Y轴、两个X轴、两个Z轴、一个大理石或金属台面以及固定在其上的一个或两个大理石或金属龙门，所述的X轴、Y轴均包含至少一对带有磁性预载力的定动子、至少一条光栅尺、至少一条参考面加工精度较高的大理石或金属材质导轨和不少于3个气浮垫或一条集成在大理石或金属材质导轨上的气浮轴承，所述的Z轴由至少两对契型模块、两对丝杆、两对联轴器和两个带有编码器的伺服马达构成。

优选的，气浮轴承是指采用小孔节流技术的平面气浮轴承，所指的平面空气轴承可以为作为单独部件制造、使用的气浮垫、气浮块或气脚搭配大理石或金属平面尺最为导向面，也可以为将空气轴承直接集成于机械机构的相应部件中。

优选的，所述定动子包含一个可以按需调整长度的定子和一个动子。

优选的，所述两个Y轴相互平行且固定在大理石或金属台面上，其上设有两个曝光台面，两个曝光台面相互平行，且在沿各自所依附的Y轴运动过程中互不干涉。

优选的，所述两个X轴相互平行，且共同固定在一个大理石或金属龙门上或者分别固定在一个大理石或金属龙门上，且两个X轴和2个Y轴相互垂直，其中一个X轴上固定至少一个数字光学投影镜头组，其中的投影镜头模组的轴心与X轴或Y轴的运行方向垂直，且与Z轴的运行方向平行，另一个X轴上固定至少一个对位模组，其中对位模组中的投影成像镜头的轴心与X轴或Y轴的运行方向垂直，且与Z轴的运行方向平行。

优选的，所述两个曝光台面分别与一个Z轴固定在一起，且每个Z轴又分别和一个Y轴的动子固定在一起。

优选的，所述对位模组由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

本发明的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构的工艺流程，包括以下步骤：

（1）将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统生成新料号文件，根据需要将图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式后关联到新料号文件内；

（2）将生成的新料号通过互联网上传到光刻系统上，在曝光系统内选择新料号文件，自动或手动将第一片涂有感光材料的基板上载到两个曝光台面的其中一个曝光台面的真空吸盘上，点击确认开始对位曝光流程；

（3）获得对位曝光开始指令后，曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到对位模组内的CCD或CMOS投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息，换算出对应的涨缩系数，将中间数据格式按照涨缩系数调整图形后分割成每个图形发生器所需要的条带图形并发送到每个RIP模块内，同时曝光系统软件将驱动第一个曝光台面运载第一片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置；

（4）获得对位曝光开始指令的同时，自动或手动将第二片涂有感光材料的基板上载到第二个曝光台面的真空吸盘上，曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置时，曝光系统软件驱动第二个曝光台面运载第二片基板到对位模组内的CCD或CMOS投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息并准备相关曝光前的数据准备；

（5）待曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板在投影镜头模组下完成曝光后，曝光软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到上下板位置，同时曝光软件将驱动第二个台面运载第二片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置开始第二片的扫描曝光；

（6）在第二个曝光台面运载第二片基板扫描曝光时，曝光软件驱动第一个曝光台面完成第三片基板的上下板和对位作业，依次循环，实现基板的高产能高精度作业。

本发明有益效果：本发明的基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构采用了气浮轴承取代了传统的线性导轨，并采用有预载力的直线电机，实现整个曝光台面和数字镜头组的固定台面无摩擦的运行，并在气浮上升力和直线电机的预载力的双重作用下实现整个系统更加稳定的运作。提高了系统的精准度和稳定性，改善了产品加工的效率和良率，从而可实现无掩膜光刻设备在高精细线路解析领域的大规模生产应用。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的逻辑结构图；

图2为运动平台模组硬件结构图；

图3为运动平台模组硬件结构前视图；

图4为运动平台模组硬件结构上视图；

图5为运动平台模组硬件结构右侧视图及气垫与大理石导轨面之间气隙的微观视图；

图6为运动平台模组中曝光台面与气浮垫的相对关系示意图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的一种无掩膜光刻系统，其特征在于：包括

料号系统，用于将输入的不同 CAD 矢量设计文件格式转换为包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式；

曝光系统，用于驱动并分别与 RIP 模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信；

RIP 模块，用于将中间数据格式实时膨胀、偏移和旋转，并转换成条带图形，并将条带图形进行Y 方向拉伸，然后栅格化后形成栅格化的条带点阵图形；

数据处理系统，用于实现条带点阵图形的分块化、图形发生器化、X 方向拉伸和图形发生器帧化；

位置矫正模块，用于实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信；

光源模组，用于实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源；

照明系光学组，用于实现将光源模组提供的大功率光源转换到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源；

图形发生器，为可独立寻址和控制的像素阵列；

主控模组，用于实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信；

能量矫正模块，用于实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，实现驱动光源模组改变出光功率大小及闭环控制；

投影镜头模组，由至少5片光学透镜组成；

自动聚焦模组，用于实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动；

运动平台模组，用于实现在曝光系统的驱动下匀速扫描高速运动的指定坐标地点；

对位模组，由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

具体地，无掩膜光刻设备包括料号系统、曝光系统、RIP模块、数据处理系统、位置矫正模块、光源模组、照明系光学组、图形发生器、主控模组、能量矫正模块、投影镜头模组、自动聚焦模组、运动平台模组和对位模组十四个子系统构成，该系统由一套或多套数字光学投影镜头组组成，每个数字光学投影镜头组内包含且仅包含一个图形发生器、一个光源模组、一个照明系光学组、一个数据处理系统、一个投影镜头模组和一个自动聚焦模组。

本发明的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，包括两个Y轴、两个X轴、两个Z轴、一个大理石或金属台面以及固定在其上的一个或两个大理石或金属龙门，所述的X轴、Y轴均包含至少一对带有磁性预载力的定动子、至少一条光栅尺、至少一条参考面加工精度较高的大理石或金属材质导轨和不少于3个气浮垫或一条集成在大理石或金属材质导轨上的气浮轴承，所述的Z轴由至少两对契型模块、两对丝杆、两对联轴器和两个带有编码器的伺服马达构成。

具体地，气浮轴承是指采用小孔节流技术的平面气浮轴承，所指的平面空气轴承可以为作为单独部件制造、使用的气浮垫、气浮块或气脚搭配大理石或金属平面尺最为导向面，也可以为将空气轴承直接集成于机械机构的相应部件中；定动子包含一个可以按需调整长度的定子和一个动子；两个Y轴相互平行且固定在大理石或金属台面上，其上设有两个曝光台面，两个曝光台面相互平行，且在沿各自所依附的Y轴运动过程中互不干涉；两个X轴相互平行，且共同固定在一个大理石或金属龙门上或者分别固定在一个大理石或金属龙门上，且两个X轴和2个Y轴相互垂直，其中一个X轴上固定至少一个数字光学投影镜头组，其中的投影镜头模组的轴心与X轴或Y轴的运行方向垂直，且与Z轴的运行方向平行，另一个X轴上固定至少一个对位模组，其中对位模组中的投影成像镜头的轴心与X轴或Y轴的运行方向垂直，且与Z轴的运行方向平行；两个曝光台面分别与一个Z轴固定在一起，且每个Z轴又分别和一个Y轴的动子固定在一起；对位模组由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

本发明的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构的工艺流程，包括以下步骤：

（1）将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统生成新料号文件，根据需要将图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式后关联到新料号文件内；

（2）将生成的新料号通过互联网上传到光刻系统上，在曝光系统内选择新料号文件，自动或手动将第一片涂有感光材料的基板上载到两个曝光台面的其中一个曝光台面的真空吸盘上，点击确认开始对位曝光流程；

（3）获得对位曝光开始指令后，曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到对位模组内的CCD或CMOS投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息，换算出对应的涨缩系数，将中间数据格式按照涨缩系数调整图形后分割成每个图形发生器所需要的条带图形并发送到每个RIP模块内，同时曝光系统软件将驱动第一个曝光台面运载第一片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置；

（4）获得对位曝光开始指令的同时，自动或手动将第二片涂有感光材料的基板上载到第二个曝光台面的真空吸盘上，曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置时，曝光系统软件驱动第二个曝光台面运载第二片基板到对位模组内的CCD或CMOS投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息并准备相关曝光前的数据准备；

（5）待曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板在投影镜头模组下完成曝光后，曝光软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到上下板位置，同时曝光软件将驱动第二个台面运载第二片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置开始第二片的扫描曝光；

（6）在第二个曝光台面运载第二片基板扫描曝光时，曝光软件驱动第一个曝光台面完成第三片基板的上下板和对位作业，依次循环，实现基板的高产能高精度作业。

本发明涉及无掩膜光刻曝光系统，涉及丝印、平印、凸印、凹印行业的制版，印刷线路板、平版显示、触摸屏和芯片封装制造行业的曝光，半导体行业的光掩模板制造等加工领域，该基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构采用了气浮轴承取代了传统的线性导轨，并采用有预载力的直线电机，实现整个曝光台面和数字镜头组的固定台面无摩擦的运行，并在气浮上升力和直线电机的预载力的双重作用下实现整个系统更加稳定的运作。提高了系统的精准度和稳定性，改善了产品加工的效率和良率，从而可实现无掩膜光刻设备在高精细线路解析领域的大规模生产应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种无掩膜光刻系统，其特征在于：包括

料号系统，用于将输入的不同 CAD 矢量设计文件格式转换为包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式；

曝光系统，用于驱动并分别与 RIP 模块、位置矫正模块、主控模组、运动平台模组和对位模组实现双向通信；

RIP 模块，用于将中间数据格式实时膨胀、偏移和旋转，并转换成条带图形，并将条带图形进行Y 方向拉伸，然后栅格化后形成栅格化的条带点阵图形；

数据处理系统，用于实现条带点阵图形的分块化、图形发生器化、X 方向拉伸和图形发生器帧化；

位置矫正模块，用于实现和曝光系统、数据处理系统、运动平台模组和光源模块的双向数据通信；

光源模组，用于实现和位置矫正模块、主控模组和能量矫正模块的双向通信，并为照明系光学组提供可控稳定的大功率光源；

照明系光学组，用于实现将光源模组提供的大功率光源转换到能够覆盖整个图形发生器有效像素阵列的面光源；

图形发生器，为可独立寻址和控制的像素阵列；

主控模组，用于实现和曝光系统、光源模组、能量矫正模块和自动聚焦模组的双向通信；

能量矫正模块，用于实时在线监控照明系光学组以及定时监控投影镜头模组到感光材料表面的光能量波动，实现驱动光源模组改变出光功率大小及闭环控制；

投影镜头模组，由至少5片光学透镜组成；

自动聚焦模组，用于实现拖动投影镜头模组在与焦面垂直的方向上移动；

运动平台模组，用于实现在曝光系统的驱动下匀速扫描高速运动的指定坐标地点；

对位模组，由至少一个CCD或CMOS相机、一个与CCD或CMOS相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

2.一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：包括两个Y轴、两个X轴、两个Z轴、一个台面以及固定在其上的龙门，所述的X轴、Y轴均包含至少一对定动子、至少一条光栅尺、至少一条导轨和不少于3个气浮垫或一条集成在导轨上的气浮轴承，所述的Z轴由至少两对契型模块、两对丝杆、两对联轴器和两个带有编码器的伺服马达构成。

3.根据权利要求2所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述台面为大理石或金属台面，所述龙门为大理石或金属龙门。

4.根据权利要求2所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述的定动子包含一个可以按需调整长度的定子和一个动子，所述定动子为带有磁性预载力的定动子。

5.根据权利要求2所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述的气浮轴承是指采用小孔节流技术的平面气浮轴承。

6.根据权利要求2所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述的两个Y轴相互平行且固定在台面上，其上设有两个曝光台面，两个曝光台面相互平行，且在沿各自所依附的Y轴运动过程中互不干涉。

7.根据权利要求2所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述的两个X轴相互平行，且共同固定在一个龙门上或者分别固定在一个龙门上，且两个X轴和2个Y轴相互垂直，其中一个X轴上固定至少一个数字光学投影镜头组，其中的投影镜头模组的轴心与X轴或Y轴的运行方向垂直，且与Z轴的运行方向平行，另一个X轴上固定至少一个对位模组，其中对位模组中的投影成像镜头的轴心与X轴或Y轴的运行方向垂直，且与Z轴的运行方向平行。

8.根据权利要求6所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述的两个曝光台面分别与一个Z轴固定在一起，且每个Z轴又分别和一个Y轴的动子固定在一起。

9.根据权利要求7所述的一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构，其特征在于：所述的对位模组由至少一个相机、一个与相机匹配的投影成像镜头、一对导轨，一个联轴器、一个丝杆和一个带有编码器的伺服马达或一对定动子和光栅尺构成。

10.一种基于无掩膜光刻系统的新型运动平台架构的工艺流程，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将客户定制的图形矢量格式输入离线的料号系统生成新料号文件，根据需要将图形矢量格式转换成包含轮廓化无交叠多边形图形的中间数据格式后关联到新料号文件内；

（2）将生成的新料号通过互联网上传到光刻系统上，在曝光系统内选择新料号文件，自动或手动将第一片涂有感光材料的基板上载到两个曝光台面的其中一个曝光台面的真空吸盘上，点击确认开始对位曝光流程；

（3）获得对位曝光开始指令后，曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到对位模组内的投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息，换算出对应的涨缩系数，将中间数据格式按照涨缩系数调整图形后分割成每个图形发生器所需要的条带图形并发送到每个RIP模块内，同时曝光系统软件将驱动第一个曝光台面运载第一片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置；

（4）获得对位曝光开始指令的同时，自动或手动将第二片涂有感光材料的基板上载到第二个曝光台面的真空吸盘上，曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置时，曝光系统软件驱动第二个曝光台面运载第二片基板到对位模组内的投影镜头下获取基板上对位标记的真实位置信息并准备相关曝光前的数据准备；

（5）待曝光系统软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板在投影镜头模组下完成曝光后，曝光软件驱动第一个曝光台面运载第一片基板到上下板位置，同时曝光软件将驱动第二个台面运载第二片基板到投影镜头模组的成像面和扫描曝光起始位置开始第二片的扫描曝光；

（6）在第二个曝光台面运载第二片基板扫描曝光时，曝光软件驱动第一个曝光台面完成第三片基板的上下板和对位作业，依次循环，实现基板的高产能高精度作业。