CN1094827A - 双面对版曝光机 - Google Patents

Abstract

本发明双面对版曝光机，采用真空吸盘作为上下 掩膜版的固定和可调整对准的机构，利用吸附原理将 掩膜版吸在吸盘上，每个吸盘可作多个自由度的调 整，具有两个曝光光源并包括一个显微镜。本发明双 面对版曝光机可由普通的单面光刻机改造而成。本 曝光机可用于制作需双面曝光的各种集成压力传感 器和其它半导体器件，以及其它需进行双面图形对准 加工的片状材料加工。可曝光硅片最大直径为40 毫米，对准偏差小于10微米。

Description

本发明涉及一种曝光机，具体地说是一种用于硅片正、反两面进行掩膜曝光用的双面对版曝光机。

双面对版曝光机用于对硅片及其它需要正反面对准加工的不透明片状材料的双面图形复印。目前国内外有关的技术及设备归纳如下：

1、利用红外光刻机进行双面对准曝光：操作时先在晶片的一面加工出所需的图形，然后利用红外线在晶片中一定的穿透能力，将已加工出的图形映照在另一面，再利用掩膜进行对准曝光。参见R.A.Heinz    et    al，SOLID    STATE    TECHNOLOGY/August    1978    P55-60和Dr    Roy    L.Maddox    SOLID    STATE    TECHNOLOGY/February    1979    P57-59。这种方法的不足之处在于;

①红外显微镜观察条件差，图形反差小，图形对准慢且不够精确，低于一密耳（25.4μm）的对准偏差难以实现;

②红外线穿透能力有一定限度，当需要对准的晶片厚度超过一定值时，将很难甚至得不到清晰可辩的图形;特别是需要同时看清正反面不等距离的图形就更加困难;

③国外一台红外光刻机价值数万美元，一般厂家无力承受;

④不能用于不透红外光的基片。

2、用定位匣实现双面对准，这种方法是予先将两块镜面对称的掩膜版固定在有绞链结构的版夹上。下掩膜版上附有定位槽，硅片沿定位槽安放并固定在两掩膜之间。可单面依次曝光或双面同时曝光。这种装置的主要优点是硅片可直接定位，减少了工序。其存在的问题是：

①由于定位槽宽度不可调，对硅片外径尺寸要求严格，且要求规格一致;

②很难保证上、下版精确对准及固定;

③硅片安放时是沿定位槽滑到下掩膜版面上的，增加了对掩膜的磨损，降低了掩膜寿命;

④在版夹绞链重复开合过程中难以保证版的位置不发生相对移动。

3、采用定位螺栓实现双面对版：此处两块掩膜版的定位由定位螺栓完成。具体做法是先制好其中的一块版A，与另一待制版B二者同时用定位螺栓固紧，通过A对B曝光，得到相互对称的两块版，操作时将双面涂好胶的硅片置于两掩膜之间，两掩膜按照制版时的方位将定位螺栓定位，固紧。可单面依次曝光或双面同时曝光后进行刻蚀。参见RICHARD    M.WHITE    et    al，Sensor    and    Actuators，13（1988）391-395。这种方法引入对准偏差的可能性在于：

①待制版B曝光后，若定位螺栓或掩膜版侧面被杂质沾污或沾污状态及程度发生变化，则会导致二掩膜版位置错动;

②制版时和用版对硅片曝光时，两掩膜版对螺栓的靠紧程度不同;

③硅片厚度或光致抗蚀剂厚度变化导致的上、下版与螺栓接触点位置的改变;

④在制版或使用过程中掩膜版衬底玻璃的侧面或不是一个规整的平面、或版侧面产生即使很小的边缘破损，都会导致两版图形的错位。

这种方法的不足之处在于：

①硅片的定位也要靠定位螺栓，故要求其有足够长的定位面。既增加了对硅片的加工要求，又降低了硅片利用率;

②定位螺栓直径的微小波动，特别是安装垂直度的微小偏差，均会使两版中夹有硅片时产生图形错动;

③硅片上的图形排列必须保证与定位面严格平行，增加了制版难度;

④只能用于对一次氧化后无图形光片上的双面对版曝光，不能实现版上图形与片上图形之间的对准。

4、机械式双面光刻机：这种光刻机的关键是配有双面曝光夹具。上版固定在版夹上，版夹可X.Y.Z三维运动，下版可上下移动并可沿同心轴转动，二版均有对准标记，操作时将硅片置于二版之间，对准二版之标记，夹紧后可上、下光源同时曝光。参见潘明瑞、半导体技术1987.1，P.7。其不足之处在于：

①硅片在二掩膜版之间不可随意移动，均也只能用于一次氧化后的无图形硅片曝光;

②对版时需同时看清上、下两版上的标记，对显微镜景深要求较高。对硅片厚度超过400μm者还需改造其中一个目镜镜头，通过两个放大倍数不同的目镜分别观察上、下两版的对准标记。此时两眼所看到的两个标记大小不等。显然这是难以用肉眼精确对准的，且增大了人为因素;

③无法实现单晶片的晶向定位，故无法用于各向异性腐蚀时的对版曝光。

本发明目的是提出一种新的曝光机原理，该曝光机可以使上下掩膜版精确对准，其对准偏差小于10微米，从而完成硅片的双面对准曝光;本发明的另一个目的是提出一种结构简单、成本低廉、操作方便、一机两用的双面对版曝光机。

本发明双面对版曝光机包括：

一个显微镜[2]套装在一个固定于台架[12]上的立轴上，显微镜[2]可绕轴水平转动和沿轴向上下移动;

一个用于曝光的上光源[11]，是由普通电光源形成的平行光源，该光源与显微镜[2]成一固定角度装在同一立轴上，上下高度可调整且可绕轴水平转动;

本发明的特征在于还包括：

一个上掩膜版吸盘[3]通过悬臂安装在一个可垂直运动的蜗杆上，该蜗轮蜗杆系统固定在一个可围绕一个固定在台架[12]上的主轴旋转的支架上。上吸盘[3]为环状柱形空腔结构，上下端面镜面抛光，下端面有对称分布的小气孔群[13]，侧面安装气嘴[14]使空腔与抽气泵连通，抽气泵通过气嘴抽气使空腔[15]产生负压将上掩膜版[4]通过气孔群[13]吸附固定在吸盘[3]上并随之绕轴旋转和沿轴上下移动。

一个硅片吸盘[6]，为圆柱空腔结构，上端面镜面抛光并有小气孔群[16]，侧面安装气嘴[17]使空腔与抽气泵连通。硅片[5]靠抽气泵抽气使空腔内产生负压吸附在吸盘[6]的上端面，吸盘[6]安装在台架[12]上并可沿x或y方向水平微动和水平自旋;

一个与上掩膜版吸盘[3]结构相同的下掩膜版吸盘[8]，上端面镜面抛光并有对称分布的气孔群，吸盘[8]安装在台架上，可水平x、y方向微动和自旋;

一个下光源挡板[9]和下光源[10]，挡板[9]与上光源[11]同轴安装并联动，下光源[10]亦为普通电光源形成的平行光源，位于台架[12]的下面、下掩膜版吸盘[8]的垂直下方。

工作时首先将镜面对称（图形或特定标记）的两掩膜版药面相对置于下版吸盘上，接通下版真空通道吸附下版;落下上版吸盘吸起上版，两版之间的距离以不产生药膜摩擦为限。在显微镜下移动或旋转下版，使之与上版对版标记完全重合。之后二者均不能再有水平面上的微动。上提上夹具，其高度以附带有硅片的吸盘能进入二掩膜版之间为限。将硅片送入二版之间后落下上吸盘，使上版与硅片轻轻接触，移动并旋转硅片，使之与上版图形对准。盖上上吸盘上盖，使上版·吸盘中腔接通真空系统，通过上版气孔将硅片吸在上版下面，将硅片吸盘气路放气，此时上提上版，硅片即随同上版一同提起。撤回硅片架，落下上版吸盘，直到硅片下面接触下掩膜版。打开上吸盘上盖，旋开显微镜并使上光源对准硅片曝光，与此同步，下挡板旋开，下光源对硅片下面曝光。经显影后即可得到正反两面对准的图形。

随着计算机的发展和自动化程度的提高，传感器的地位越来越为人们所认识和承认。而固态传感器又以其体积小、重量轻、耗电省等一系列优点在传感器家族中占据着独特的位置，并将随其制作水平及各项性能指标的提高拥有日益扩大的市场。作为固态传感器重要的和主要分支的力学量传感器和某些化学量传感器，在其加工制作过程离不开双面加工，因而用于双面加工的红外光刻机及各种专用夹具、模具等也即应运而生。本发明型双面对版曝光机正是在这种情况下，在研究、比较了国际国内的有关技术之后研制出的适合工业应用的、具有很高实用价值的双面加工设备。

该双面曝光机可由原有的单面光刻机改装而成。下版吸盘安装在原版夹微动系统位置上;原版夹微动系统改为硅片吸盘微动系统增加上版吸盘和硅片吸盘及所需的移动，转动部件;增加一个同上光源相同的下光源系统;外配一个直筒式显微镜。

该机的特点是：

1、上版有两个自由度，硅片及下版均有3个自由度，互相独立，操作灵活;

2、可以在任意中间工序实现晶向定位及图形的双面对准，不受硅片上有无图形的限制;

3、对硅片尺寸及形状，规格无特殊要求;

4、显微镜本身有两个自由度，可保证观察图形时垂直对准，并扩大了显微镜的视野，可缩短对版时间;

5、一机两用，只需关闭下光源即可做单面光刻机使用;

凡是有单面光刻机的厂家均可花费几千元（关键取决于所选配的显微镜的档次）即可获得目前尚无有出售的双面对版曝光机。扩展了设备功能，且不致产生闻置设备。

已改制成的双面对版型曝光机，微动机构采用钢件构成，上、下版吸盘采用合金铝制成，可曝光硅片最大尺寸φ40mm，满足半导体压力传感器上下对准偏差＜±10μm的要求，用此机制作的cy-yz-J型硅集成压力传感器其各项技术指标均已达到设计指标。

若采用球形汞灯聚光系统，加大平行光柱面积，曝光面积可根据需要增大，基本工作原理不变。

图1为本发明双面对版曝光机的工作原理图;

图2为上掩膜版吸盘的结构原理图;

图3为硅片吸盘的结构原理图。

Claims (1)

1、一种双面对版曝光机，包括：

一个显微镜[2]套装在一个固定于台架[12]上的立轴上，可绕轴水平转动和沿轴向上下移动；

一个用于曝光的上光源[11]，是由普通电光源形成的平行光源，该光源与显微镜[2]成一固定角度装在同一个立轴上，上下高度可调整且可绕轴水平转动；

本发明的特征在于还包括：

一个上掩膜版吸盘[3]通过悬臂安装在一个可垂直运动的蜗杆上，该蜗轮蜗杆系统固定在一个可围绕一个固定在台架[12]上的主轴旋转的支架上，吸盘[3]为环状柱形空腔结构，上下端面镜面抛光，下端面有对称分布的小气群[13]，侧面安装气嘴[14]使空腔与抽气泵连通，抽气泵通过气嘴抽气，使空腔[15]产生负压将上掩膜版[4]通过气孔群[13]吸附固定在吸盘[3]上并随之绕轴旋转和上下移动；

一个硅片吸盘[6]，为圆柱空腔结构，上端面镜面抛光并有小气孔群[16]，侧面安装气嘴[17]使空腔与抽气泵连通。硅片[5]靠抽气泵抽气使空腔内产生负压吸附在吸盘[6]的上端面，吸盘[6]安装在台架[12]上并可沿x或y方向水平微动和水平自旋；

一个与上掩膜版吸盘[3]结构相同的下掩膜版吸盘[8]，上端面镜面抛光并有对称分布的气孔群，吸盘[8]安装在台架上，可水平x、y方向微动和自旋；

一个下光源档板[9]和下光源[10]，档板[9]与上光源[11]同轴安装并联动，下光源[10]亦为普通电光源形成的平行光源，位于台架[12]的下面下掩膜版吸盘[8]的垂直下方。

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