CN109856926B - 直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置及方法，属于直写光刻曝光技术领域。该调试装置包括支撑底座、精密定位运动平台、调试机构、支撑架和CCD图像采集系统。精密定位运动平台包括Y轴、X轴和Z轴；Z轴的顶部安装有真空吸盘；真空吸盘上方吸附带有Mark点的高精度标定板。调试机构包括安装在支撑底座上可升降的移动滑台、调试连接底板、移动滑轨、与移动滑轨滑动配合的移动滑轨运动座以及固定在移动滑轨运动座上的千分表。本发明先采用CCD图像采集系统对X轴和Y轴的正交性进行测量，再采用调试机构调试X轴和Y轴的正交性。本发明能够提高直写光刻曝光设备精密定位运动平台正交性调试的效率和准确度，降低调试成本。
Description
技术领域
本发明涉及直写光刻曝光技术领域，具体涉及一种直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置及方法。
背景技术
直写光刻技术是使用激光在衬底表面上印刷具有特征的图形。这样的衬底应用于PCB线路板、半导体器件、平板显示器、生物芯片、封装、微电子芯片等领域。在衬底上直写光刻制版过程是：将衬底放置在精密定位运动平台的真空吸盘上，使用真空吸附，通过光刻设备中的曝光装置，将设计的特征图形投射到衬底表面，为了保证曝光在衬底上的图形与理论图形保持一致，必须使精密定位运动平台运动轨迹准确，要求具有较好的正交性，才能使理论曝光位置与实际曝光的位置相符。
精密定位运动平台的正交性是衡量精密定位运动平台特性的一个重要指标，也是影响直写光刻曝光设备曝光性能的一个重要指标。其主要取决于以下几个因素：定位运动平台导轨的精密等级、反馈系统中光栅尺的分辨率和热膨胀系数、多轴组装产生的综合误差等。精密定位运动平台正交性的优劣会影响曝光过程中拼接、曝光图形的变形，进一步影响曝光图形外层对准和内层对准精度。
传统的直写光刻曝光设备精密定位运动平台正交性调试方法主要是利用激光干涉仪的垂直度测量模块，沿着轴运行的方向，测量出XY轴集成平台平面不同位置的正交值，则需要长度可覆盖XY轴行程的反射镜，成本进一步增加，此方法价格昂贵，测试环境要求极高，且组装调试过程复杂。鉴于现有技术的上述缺点，本发明所解决的技术问题是：提供一种装调简单、高效和成本较低的直写光刻曝光设备精密定位运动平台正交性的调试方法，可以有效提高精密定位运动平台XY轴的垂直度，从而大幅度提高直写光刻曝光设备的曝光图形正确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置及方法，该装置及方法能够有效校准直写光刻曝光设备精密定位运动平台的正交性，使直写光刻曝光设备在曝光过程中减少拼接错位、外层对准和内层对准误差过大现象的发生。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置，包括支撑底座、安装在支撑底座上的精密定位运动平台、安装在支撑底座上的调试机构、安装在支撑底座上的支撑架和安装在支撑架上的CCD图像采集系统。
所述精密定位运动平台包括从下向上依次设置的Y轴、X轴和Z轴；所述Z轴的顶部安装有真空吸盘，真空吸盘上带有Mark点的高精度标定板，所述高精度标定板为高精密曝光机制备，高精度标定板上的Mark点为规则排列布置。
所述调试机构包括安装在支撑底座上的可升降的移动滑台、安装在移动滑台顶部的调试连接底板、安装在调试连接底板上的移动滑轨、与移动滑轨滑动配合的移动滑轨运动座以及固定在移动滑轨运动座上的千分表。
进一步的，所述支撑底座和支撑架均采用花岗岩大理石材质。
进一步的，所述CCD图像采集系统包括依次安装在支撑架上的CCD1图像采集系统和CCD2图像采集系统；所述CCD1图像采集系统为直写光刻曝光设备自带的。
进一步的，所述高精度标定板上的Mark点为若干均匀排布的实心圆Mark点；相邻实心圆Mark点在X轴方向上的间距设为a，在Y轴方向上的间距设为b。
进一步的，所述CCD2图像采集系统安装在CCD2支架上，所述CCD2支架通过固定支架安装在支撑架上；所述固定支架上开设有用于调节CCD2图像采集系统Y轴位置的腰型孔。
进一步的，所述X轴通过若干螺钉连接在Y轴上。
本发明还涉及一种上述直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，该方法包括以下步骤：
(1)移动高精度标定板，使其上实心圆Mark点的排列方向和精密定位运动平台X和Y轴的移动方向保持一致；
(2)移动精密定位运动平台的Z轴，并调试CCD图像采集系统，找到高精度标定板的精确焦面；
(3)将精密定位运动平台的X轴和Y轴归零点，以所测X轴和Y轴零点位置的正交值作为调试基准；
(4)移动精密定位运动平台的X轴和Y轴，选取高精度标定板一个实心圆Mark点，设为Mark1点，将Mark1点移动至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x1，y1)；
(5)移动精密定位运动平台Y轴，移动距离为b或b的整数倍，选取高精度标定板上一个实心圆Mark点，设为Mark2点，将Mark2点移至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x2，y2)；
(6)回到精密定位平台坐标点(x1，y1)，移动精密定位运动平台X轴，移动距离为a或a的整数倍，并采用CCD图像采集系统，选取高精度标定板上一个实心圆Mark点，设为Mark3点，将Mark3点移至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x3，y3)；
(7)根据测量得到的坐标点(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，采用式(1)和式(2)，计算出精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α；
(8)设连接精密定位运动平台X轴与Y轴的螺钉的间距为L，采用式(3)求得需正交值调试的偏差值m：
m＝Ltanα (3)
(9)根据步骤(8)求得的偏差值m，采用调试机构，首先调节支撑底座上可升降的移动滑台8，移动到所需要的位置，然后移动固定在移动滑轨运动座13上的千分表11，将千分表11沿移动滑轨12移动到螺钉的间距为L的一端，千分表11指在精密定位平台X轴4上，松开精密定位运动平台X和Y轴若干紧固螺钉，最后通过公式(3)计算的m距离，调试精密定位运动平台X轴向Y轴方向偏移m距离，待调试过程完成以后，再将连接精密定位运动平台X轴和Y轴的螺钉锁紧；
(10)重复步骤(3)至步骤(7),再次计算出精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α；若步骤(10)所测得的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α不在设定的正交阈值范围内，则重复步骤(8)-(9)，直至所测得的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α在设定的正交阈值范围内。
由以上技术方案可知，本发明先采用CCD图像采集系统对X轴和Y轴的正交性进行测量，再采用调试机构调试X轴和Y轴的正交性，直至二者的正交性符合要求。本发明能够有效校准直写光刻曝光设备精密定位运动平台的正交性，使直写光刻曝光设备在曝光过程中减少拼接错位、外层对准和内层对准误差过大现象的发生，是直写光刻曝光设备调试过程中不可或缺的一步。本发明能够提高直写光刻曝光设备精密定位运动平台正交性调试的效率和准确度，降低调试成本。
附图说明
图1是本发明中调试装置的结构示意图；
图2是本发明中高精度标定板的结构示意图；
图3是本发明中CCD2图像采集系统及CCD2支架、固定支架的结构示意图；
图4是本发明中调试机构的主视图；
图5是本发明中调试机构的俯视图；
图6是本发明操作过程中X轴、Y轴以及螺钉的结构关系示意图；
图7是本发明中式(1)表示的三角形余弦函数的示意图；
图8是本发明中式(3)表示的三角形正切函数的示意图。
其中：
1、支撑底座，2、支撑架，3、Y轴，4、X轴，5、Z轴，6、真空吸盘，7、高精度标定板，8、移动滑台，9、固定支架，10、CCD1图像采集系统，11、千分表，12、移动滑轨，13、移动滑轨运动座，14、CCD2支架，15、CCD2图像采集系统，16、实心圆Mark点，17、手轮，18、螺钉，19、调试连接底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置，包括支撑底座1、安装在支撑底座1上的精密定位运动平台、安装在支撑底座1上的调试机构、安装在支撑底座1上的支撑架2和安装在支撑架2上的CCD图像采集系统。
所述精密定位运动平台包括从下向上依次设置的Y轴3、X轴4和Z轴5。精密定位运动平台的结构构造和现有技术中直写光刻曝光设备采用的精密定位运动平台的结构相同。所述Z轴5的顶部设安装有真空吸盘6；所述真空吸盘6上方放置有高精度标定板7。真空吸盘是直写光刻曝光设备自带的。所述高精度标定板7为高精密曝光机制备，高精度标定板7上的Mark点为规则排列布置；所述高精度标定板7上的Mark点为若干均匀排布的实心圆Mark点16，相邻实心圆Mark点16在X轴方向上的间距设为a，在Y轴方向上的间距设为b。本发明中所述的Mark点表示标记。
如图4和图5所示，所述调试机构包括安装在支撑底座上可升降的移动滑台8、安装在移动滑台8顶部的调试连接底板、安装在调试连接底板上的移动滑轨12、与移动滑轨12滑动配合的移动滑轨运动座13以及固定在移动滑轨运动座13上的千分表11。移动滑台8上安装有手轮17，手轮17用于调整移动滑台的高度。移动滑台升降的实现采用现有技术中的升降结构。所述调试机构，通过可升降的移动滑台8，可以实现在Z方向上的长度的调整；通过滑动配合的移动滑轨12与移动滑轨运动座13，可以实现千分表11在X轴4方向上的位置的调整。该调试机构可以调整精密定位运动平台不同长度、不同型式的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值。该调试机构位于精密定位运动平台的外围，通过调试机构横向和竖向的移动，能够调试不同范围、不同型式的精密定位运动平台的正交性。在调试精密定位运动平台的正交性时，根据三角形余弦函数和三角形正切函数计算出Y轴方向需要偏移的数值，采用千分表调试精密定位运动平台X轴的安装位置，调试方法简单高效。
进一步的，所述支撑底座1和支撑架2均采用花岗岩大理石材质，优选的，采用的是高精度的大理石花岗岩材质。大理石稳定性较好，受温度变化影响小。
进一步的，所述CCD图像采集系统包括依次安装在支撑架上的CCD1图像采集系统和CCD2图像采集系统；所述CCD1图像采集系统为直写光刻曝光设备自带的。所述图像采集系统是利用现有技术中的图像匹配法和图像处理算法，使CCD视场中的Mark点自动移动到CCD视场的中心位置，测量精度高，精度误差小于0.5μm。本发明不仅采用了直写光刻曝光设备自带的CCD1图像采集系统，还额外设置了一个CCD2图像采集系统，这样能够增加调试范围，避免图像采集盲区。由于高精密标定板尺寸有限和真空吸盘尺寸有限，一个图像采集系统很难测量Y轴方向不同位置的正交值。本发明在Y轴方向上设置两个CCD图像采集系统，可以测量Y轴全行程与X轴的正交值。本实例中X轴方向要求的尺寸，一个图像采集系统可以覆盖完，并且直写光刻设备上自身在X方向存在有两个并排的图像采集系统。
进一步的，如图2所示，所述高精度标定板7上设有若干均匀排布的实心圆Mark点16；相邻实心圆在X轴方向上的间距设为a，在Y轴方向上的间距设为b。高精度标定板为石英基底或硅基底，其上的实心圆Mark点是通过高精度曝光机曝光后刻蚀所得，其刻蚀后的图形变形和缩放均很小，实心圆Mark点任意距离的精度误差小于0.1μm。高精密标定板上规则排列的实心圆Mark点是用于CCD图像采集系统识别的图像，由于是高精度，可以作为测量基准。
进一步的，如图3所示，所述CCD2图像采集系统15安装在CCD2支架14上，所述CCD2支架14通过固定支架9安装在支撑架2上；所述固定支架9上开设有用于调节CCD2图像采集系统Y轴位置的腰型孔。
进一步的，如图6所示，所述X轴4通过若干螺钉18连接在Y轴3上。
本发明还涉及一种上述直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，该方法包括以下步骤：
(1)移动高精度标定板，使其上实心圆Mark点的排列方向和精密定位运动平台X和Y轴的移动方向保持一致。
(2)移动精密定位运动平台的Z轴，并调试CCD图像采集系统，找到高精度标定板的精确焦面。
(3)将精密定位运动平台的X轴和Y轴归零点，以所测X轴和Y轴零点位置的正交值作为调试基准。
(4)移动精密定位运动平台的X轴和Y轴，选取高精度标定板一个实心圆Mark点，设为Mark1点，将Mark1点移动至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x1，y1)。
(5)移动精密定位运动平台Y轴，移动距离为b或b的整数倍，选取高精度标定板上一个实心圆Mark点，设为Mark2点，将Mark2点移至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x2，y2)。
(6)回到精密定位平台坐标点(x1，y1)，移动精密定位运动平台X轴，移动距离为a或a的整数倍，并采用CCD图像采集系统，选取高精度标定板上一个实心圆Mark点，设为Mark3点，将Mark3点移至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x3，y3)。
(7)根据测量得到的坐标点(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，采用式(1)和式(2)，计算出精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α；
(8)设连接精密定位运动平台X轴与Y轴的螺钉的间距为L，采用式(3)求得需正交值调试的偏差值m：
m＝Ltanα (3)
(9)根据步骤(8)求得的偏差值m，采用调试机构，首先调节支撑底座上可升降的移动滑台8，移动到所需要的位置，然后移动固定在移动滑轨运动座13上的千分表11，将千分表11沿移动滑轨12移动到螺钉的间距为L的一端，千分表11指在精密定位平台X轴4上，松开精密定位运动平台X和Y轴若干紧固螺钉，最后通过公式(3)计算的m距离，调试精密定位运动平台X轴向Y轴方向偏移m距离，待调试过程完成以后，再将连接精密定位运动平台X轴和Y轴的螺钉锁紧。
(10)重复步骤(3)至步骤(7),再次计算出精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α；若步骤(10)所测得的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α不在设定的正交阈值范围内，则重复步骤(8)-(9)，直至所测得的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α在设定的正交阈值范围内。
本发明的工作原理为：
在所测直写光刻曝光设备精密定位运动平台上安装真空吸盘，在真空吸盘上吸附带有规则排列的实心圆Mark点的高精度标定板，借助直写光刻曝光设备自身所带的CCD1图像采集系统和另外安装的CCD2图像采集系统，测量出精密定位运动平台X轴和Y轴的坐标点，算出精密定位运动平台X轴和Y轴的角度，再通过调试机构，便可调到直写光刻曝光设备精密定位运动平台高精度的正交值。本发明借助CCD图像采集系统和调试机构，能够测量出精密定位运动平台全行程的正交值，补偿到直写光刻曝光设备测量系统中，降低精密定位运动平台正交性对直写光刻曝光设备曝光性能的影响，提高曝光精度。测量后生成的文件具有固定的格式，可被直写光刻曝光设备曝光系统读取，由曝光系统进行插值算法补偿，用于提高精密定位运动平台X轴和Y轴不同位置的正交性。本发明适用于直写光刻技术或用到精密定位平台的其他技术领域，比传统的激光干涉仪调试正交性成本低、且易操作，本发明所述的高精度标定板和CCD图像采集系统，测量精度高，误差小于0.5um，可以有效评估直写光刻曝光设备精密定位运动平台正交性。本发明可以测量直写光刻曝光设备X&Y轴十字交叉平台、X&Y&Z三轴平台、或龙门结构的平台，本实施例中以X&Y&Z三轴平台为例。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，其特征在于：所述调试装置包括支撑底座、安装在支撑底座上的精密定位运动平台、安装在支撑底座上的调试机构、安装在支撑底座上的支撑架和安装在支撑架上的CCD图像采集系统；
所述精密定位运动平台包括从下向上依次设置的Y轴、X轴和Z轴；所述Z轴的顶部安装有真空吸盘，真空吸盘上吸附带有Mark点的高精度标定板；
所述调试机构包括安装在支撑底座上可升降的移动滑台、安装在移动滑台顶部的调试连接底板、安装在调试连接底板上的移动滑轨、与移动滑轨滑动配合的移动滑轨运动座以及固定在移动滑轨运动座上的千分表；
所述高精度标定板上的Mark点为若干均匀排布的实心圆Mark点，相邻实心圆Mark点在X轴方向上的间距设为a，在Y轴方向上的间距设为b；
所述X轴通过若干螺钉连接在Y轴上；
该方法包括以下步骤：
(1)移动高精度标定板，使其上实心圆Mark点的排列方向和精密定位运动平台X和Y轴的移动方向保持一致；
(2)移动精密定位运动平台的Z轴，并调试CCD图像采集系统，找到高精度标定板的精确焦面；
(3)将精密定位运动平台的X轴和Y轴归零点，以所测X轴和Y轴零点位置的正交值作为调试基准；
(4)移动精密定位运动平台的X轴和Y轴，选取高精度标定板一个实心圆Mark点，设为Mark1点，将Mark1点移动至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x1，y1)；
(5)移动精密定位运动平台Y轴，移动距离为b或b的整数倍，选取高精度标定板上一个实心圆Mark点，设为Mark2点，将Mark2点移至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x2，y2)；
(6)回到精密定位平台坐标点(x1，y1)，移动精密定位运动平台X轴，移动距离为a或a的整数倍，并采用CCD图像采集系统，选取高精度标定板上一个实心圆Mark点，设为Mark3点，将Mark3点移至CCD图像采集系统视场中心，记录此时的精密运动平台的坐标点(x3，y3)；
(7)根据测量得到的坐标点(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，采用式(1)和式(2)，计算出精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α；
(8)设连接精密定位运动平台X轴与Y轴的螺钉的间距为L，采用式(3)求得需正交值调试的偏差值m：
m＝Ltanα (3)
(9)根据步骤(8)求得的偏差值m，采用调试机构，首先调节支撑底座上可升降的移动滑台8，移动到所需要的位置，然后移动固定在移动滑轨运动座13上的千分表11，将千分表11沿移动滑轨12移动到螺钉的间距为L的一端，千分表11指在精密定位平台X轴4上，松开精密定位运动平台X和Y轴若干紧固螺钉，最后通过公式(3)计算的m距离，调试精密定位运动平台X轴向Y轴方向偏移m距离，待调试过程完成以后，再将连接精密定位运动平台X轴和Y轴的螺钉锁紧；
(10)重复步骤(3)至步骤(7),再次计算出精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α；若步骤(10)所测得的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α不在设定的正交阈值范围内，则重复步骤(8)-(9)，直至所测得的精密定位运动平台X轴和Y轴的正交值α在设定的正交阈值范围内。
2.根据权利要求1所述的直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，其特征在于：所述支撑底座和支撑架均采用花岗岩大理石材质。
3.根据权利要求1所述的直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，其特征在于：所述CCD图像采集系统包括依次安装在支撑架上的CCD1图像采集系统和CCD2图像采集系统；所述CCD1图像采集系统为直写光刻曝光设备自带的。
4.根据权利要求1所述的直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，其特征在于：所述高精度标定板为高精密曝光机制备，高精度标定板上的Mark点为规则排列布置。
5.根据权利要求3所述的直写光刻曝光设备定位运动平台正交性调试装置的调试方法，其特征在于：所述CCD2图像采集系统安装在CCD2支架上，所述CCD2支架通过固定支架安装在支撑架上；所述固定支架上开设有用于调节CCD2图像采集系统Y轴位置的腰型孔。
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2019
- 2019-03-25 CN CN201910229390.2A patent/CN109856926B/zh active Active
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