CN111025855A - 一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机。该投影光刻机主要基于多个民生领域对温度、压力、电容、应变等传感芯片的巨大需求，填补国内传感芯片专用投影光刻机的空白。该设备不仅能完成多图层套刻，还能完成图形与基片外缘的高精度套刻，即中心对准套刻，满足传感芯片生产需求。该非接触自动中心对准套刻的投影光刻机有效光刻分辨可达2μm；外形套刻精度：优于±3μm；图形套刻精度：优于±500nm；并行对准基片数量：＞100片；生产效率：＞1000片/小时。

Description

一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机
技术领域
本发明涉及一种能实现非接触自动中心对准套刻功能的投影光刻设备，主要用于传感芯片生产，属于新型微纳加工设备研发领域。
背景技术
传感芯片是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感芯片发展十分迅速，主要技术不断延伸和提高。随着可穿戴设备传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器涌现，各国竞相加速新一代传感芯片的开发和产业化，竞争也日益激烈。目前，全球传感器主要由美国、日本、德国提供，占据超过70％份额。近年，国内传感芯片发展较快，但是也存在一定限制，其中传感器芯片的加工设备是关键因素之一。本发明主要涉及研发一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机，填补国内传感芯片光刻设备空白问题。
发明内容
为填补相应空白，本发明研发了一种能用于传感芯片生产的非接触自动中心对准套刻投影光刻机。该设备能高效完成传感芯片的光刻曝光流程，套刻精度高，图形质量好，自动化程度高。
本发明采用的技术方案为：一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，包括照明系统、物镜、气浮工件台，其中：
照明系统采用多颗大功率紫外LED阵列作为照明光源，通过非球面透镜对光线进行收集和初步准直，准直后的光线进入错位蝇眼透镜组被细分匀化，最后通过场镜和聚光镜完全准直成像在照明面上；
物镜采用双腰双远心光学结构；
气浮工件台系统中的平面运动机构将采用“H型”气浮台结构形式，其中x、y向采用直线电机驱动，气浮导轨导向和光栅闭环的结构形式，实现x、y向大行程、高速度、高精度定位，重复定位精度最高可达±100nm，能够满足套刻精度需求；气浮工件台中调焦调平运动部分(z向)采用直流伺服电机加楔形块加光栅测量的结构形式，并且布置三套这样的驱动结构，利用三点调平原理，实现垂θx、θy、Z向的三自由调节，通过调整一个平面上的三点实现，调整结构为楔形块结构，通过电机丝杆驱动楔形块实现；气浮工件台水平运动控制分为X向和Y向，其中Y向为单直线电机，由光栅反馈，X向为双直线电机共同驱动，每个直线电机都有光栅反馈位置，Y向电机分为X1主轴和X2从轴控制，气浮工件台运行位置由上位机发送命令，下位机闭环控制；设备气浮工件台调焦调平运动控制由3个z向电机完成，其位置由光栅进行测量反馈，z方向的位置依靠检焦系统进行位置反馈。
其中，采用高功率LED作为照明发光源，利用复眼配合聚光镜组构成科勒照明结构，能在25mm×25mm有效视场范围内实现300mW/cm2高光功率密度输出照明系统中所有透射元件光学材料均采用牌号为JGS1的熔石英。
其中，掩模台采用伺服电机驱动，光栅尺闭环，重复定位精度可达±50nm。
其中，物镜双腰双远心光学结构，共有16片光学镜片，有效物方视场Φ30mm，物方数值孔径NA物＝0.2，有效像方视场Φ30mm，NA像≈0.1，整体光学放大率M＝-1×，光学共轭距为L＝550mm。
其中，照明系统及物镜中所有透射镜片均镀有高紫外透过率的透过介质膜系，反射镜镀有高紫外反射率的反射介质膜系，膜系抗损伤阈值＞5000mW/cm2。
其中，气浮工件台采用大理石平台作为基座，其中水平台部分由三个直线电机，三套光栅尺测量装置和气浮导轨组成，直线电机Y驱动台子走Y向运动，光栅尺做闭环，气浮导轨导向；直线电机X1，X2驱动台子走X向运动，光栅尺闭环，气浮导轨导向，X、Y向最大行程均为300mm，水平台重复定位精度优于±100nm。
其中，气浮工件台调焦调平运动部分采用三套凸轮驱动机构，三套光栅尺测量装置和一个导向簧片实现Z，Rx和Ry向运动，其原理是当三套驱动机构同步运动时即实现Z向运动；当三套驱动机构做差动运动时，即实现Rx，Ry向运动，重复定位精度优于±500nm。
其中，整机电控系统采用“DSP+FPGA”的架构设计电控系统的硬件部分，通过VME接口、以太网接口和RS-232接口实现工件台电控系统与外界的信息交互，包括接收上位机控制指令和数据传递，激光干涉仪数据获取，与其他分系统信息交互；电源管理和复位电路是保证工件台电控系统稳定的措施之一；外扩RAM用于存放六自由度实时的位置信息的大数据量的数据；EEPROM用于存放配置信息；扩展I/O和QEP电路实现电机的控制和光栅数据的读取，考虑到电信号的完整性和PCB的集成度，拟选用的表面贴装元器件，并采用4层PCB制版，在有效的成本控制下，实现了光刻机整机的稳定控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
该光刻机主要基于多个民生领域对温度、压力、电容、应变等传感芯片的巨大需求，填补国内传感芯片专用投影光刻机的空白。该设备不仅能完成多图层套刻，还能完成图形与基片外缘的高精度套刻，即中心对准套刻，满足传感芯片生产需求。该设备有效光刻分辨可达2μm；外形套刻精度：优于±3μm；图形套刻精度：优于±500nm；并行对准基片数量：＞100片；生产效率：＞1000片/小时。
附图说明
图1为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机外壳，图中：1为操作窗口，2为显示器支架，3为电控开关板，4为第一可拆卸门板，5为第二可拆卸门板；
图2为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中内部主机结构，图中：21为照明系统，22为掩模台，23为光刻物镜，24为主基板，25为气浮工件台，26为减震机架；
图3为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中照明系统光路结构；
图4为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中照明系统光线追迹结果；
图5为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中物镜结构；
图6为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中物镜MTF曲线；
图7为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中气浮工件台水平运动部分结构；
图8为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中气浮工件台调焦调平运动部分结构，图中：81为伺服电机驱动机构，82为垂向楔块运动机构；
图9为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中气浮工件台水平运动控制框图；
图10为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机中气浮工件台调焦调平运动控制框图；
图11为本发明一种非接触自动中心对准套刻投影光刻机整机工作逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
本发明研发了一种能用于传感芯片生产的非接触自动中心对准套刻投影光刻机，该设备整体外观如图1所示。采用型材作为设备外壳整体框架，在设备侧面和后部预留有6个可拆卸门板，方便设备调试和维修；
该设备外形如图1所示，外壳包括第一可拆卸门板4，第二可拆卸门板5，方便设备维护。
设备内部主机如图2所示，由照明系统21、掩模台22、光刻物镜23、主基板24、气浮工件台25，减震机架26以及电控系统构成，其中照明系统、物镜、气浮工件台为核心系统。采用自下而上的装配方式完成组装。装配完成后，需要将掩模台22、主基板24、气浮工件台25调至水平平行，平行度＜10”。
设备照明系统采用多颗大功率紫外LED阵列作为照明光源，通过非球面透镜对光线进行收集和初步准直，准直后的光线进入错位蝇眼透镜组被细分匀化，最后通过场镜和聚光镜完全准直成像在照明面上(掩模面)，如图3所示。
设备照明系统经过实际光线模拟追击，不均匀性优于±2％(25mm×25mm)，最大能量密度超过300mW/cm2，如图4所示，能够同时保证光刻一致性和光刻产率。
设备物镜系统采用双腰双远心光学结构，如图5所示，共有16片光学镜片，有效物方视场Φ30mm，物方数值孔径NA物＝0.2，有效像方视场Φ30mm，NA像≈0.1，理论分辨力可达2μm。物镜整体光学放大率M＝-1×，光学共轭距为L＝550mm。
设备物镜中所有镜片材料采用成都光明光电公司的、牌号分别为H-K9L、F2的玻璃。三种玻璃材料在i线下的参数如表1所示：
表1
折射率(n<sub>365</sub>) 阿贝数
H-K9L 1.53622 500.7057
F2 1.66623 228.6286
其中阿贝数的计算公式为υ＝(n365-1)/(n362-n368)；其中n365、n362、n368分别为曝光中心波长和波段上下线所对应的折射率。
如图6所示，物镜的传递函数(MTF)，使MTF曲线逼近衍射极限，光刻细节信息保真度高。
设备的气浮工件台系统中的平面运动机构将采用“H型”气浮台结构形式，如图7所示，其中x、y向采用直线电机驱动，气浮导轨导向和光栅闭环的结构形式，实现x、y向大行程、高速度、高精度定位，重复定位精度最高可达±100nm，能够满足套刻精度需求。此外，为满足900次/小时的整机效率，气浮工件台选用高速度的直线电机、以及相应的控制器和驱动器。
设备气浮工件台中调焦调平运动部分(z向)采用直流伺服电机加楔形块加光栅测量的结构形式，并且布置三套这样的驱动结构，利用三点调平原理，实现垂θx、θy、Z向的三自由调节。其结构如图8所示，通过调整一个平面上的三点实现，调整结构为楔形块结构，通过电机丝杆驱动楔形块实现。
设备气浮工件台水平运动控制分为X向和Y向，如图9所示。其中Y向为单直线电机，由光栅反馈。X向为双直线电机共同驱动，每个直线电机都有光栅反馈位置。Y向电机分为X1主轴和X2从轴控制。气浮工件台运行位置由上位机发送命令，下位机闭环控制。
设备气浮工件台调焦调平运动控制由3个z向电机完成，其位置由光栅进行测量反馈，z方向的位置依靠检焦系统进行位置反馈，如图10所示。
设备整机工作逻辑如图11所示。
进一步地，如图1所示，外壳上集成有5自由度显示器支架，方便人机交互。在外壳正面，留有操作窗口，方便上下掩模和样片；
如图2所示，设备内部采用下上框架式布局，以主机板为界限，上部集成有照明系统、掩模台、物镜、掩模对准系统、气路控制箱等分系统。下部主要集成有样片对准系统、气浮工件台系统以及电控系统；
设备照明系统采用错位蝇眼透镜阵列作为核心匀光器件对光源所发出的光束进行均匀化、消衍射和侧壁陡度化处理，如图3所示。同时，配合聚光镜组构成科勒照明结构，实现对掩模面的均匀照明。
在Lighttools软件中对照明系统进行仿真，将LED光源实测参数、材料实测参数代入，并考虑一定加工误差和膜系损失，将光线追迹设定为2亿条，以保证仿真的准确性。仿真结果如图4所示，最大照明光功率密度可达300mW/cm2。
物镜系统如图5所示，采用16片双腰双远心构型，采用定心配车的方式进行装配，装配精度：偏心优于±5μm，中心间隔优于±10μm。
气浮工件台保证在装配的工程中需要在千级及以上的超净无尘环境中进行。
整机完成集成后，按照图11完成整机流程调试。

Claims (8)

1.一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是，包括照明系统、物镜、气浮工件台，其中：
照明系统采用多颗大功率紫外LED阵列作为照明光源，通过非球面透镜对光线进行收集和初步准直，准直后的光线进入错位蝇眼透镜组被细分匀化，最后通过场镜和聚光镜完全准直成像在照明面上；
物镜采用双腰双远心光学结构；
气浮工件台系统中的平面运动机构将采用“H型”气浮台结构形式，其中x、y向采用直线电机驱动，气浮导轨导向和光栅闭环的结构形式，实现x、y向大行程、高速度、高精度定位，重复定位精度最高可达±100nm，能够满足套刻精度需求；气浮工件台中调焦调平运动部分(z向)采用直流伺服电机加楔形块加光栅测量的结构形式，并且布置三套这样的驱动结构，利用三点调平原理，实现垂θx、θy、Z向的三自由调节，通过调整一个平面上的三点实现，调整结构为楔形块结构，通过电机丝杆驱动楔形块实现；气浮工件台水平运动控制分为X向和Y向，其中Y向为单直线电机，由光栅反馈，X向为双直线电机共同驱动，每个直线电机都有光栅反馈位置，Y向电机分为X1主轴和X2从轴控制，气浮工件台运行位置由上位机发送命令，下位机闭环控制；设备气浮工件台调焦调平运动控制由3个z向电机完成，其位置由光栅进行测量反馈，z方向的位置依靠检焦系统进行位置反馈。
2.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：采用高功率LED作为照明发光源，利用复眼配合聚光镜组构成科勒照明结构，能在25mm×25mm有效视场范围内实现300mW/cm2高光功率密度输出照明系统中所有透射元件光学材料均采用牌号为JGS1的熔石英。
3.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：掩模台采用伺服电机驱动，光栅尺闭环，重复定位精度可达±50nm。
4.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：物镜双腰双远心光学结构，共有16片光学镜片，有效物方视场Φ30mm，物方数值孔径NA物＝0.2，有效像方视场Φ30mm，NA像≈0.1，整体光学放大率M＝-1×，光学共轭距为L＝550mm。
5.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：照明系统及物镜中所有透射镜片均镀有高紫外透过率的透过介质膜系，反射镜镀有高紫外反射率的反射介质膜系，膜系抗损伤阈值＞5000mW/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：气浮工件台采用大理石平台作为基座，其中水平台部分由三个直线电机，三套光栅尺测量装置和气浮导轨组成，直线电机Y驱动台子走Y向运动，光栅尺做闭环，气浮导轨导向；直线电机X1，X2驱动台子走X向运动，光栅尺闭环，气浮导轨导向，X、Y向最大行程均为300mm，水平台重复定位精度优于±100nm。
7.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：气浮工件台调焦调平运动部分采用三套凸轮驱动机构，三套光栅尺测量装置和一个导向簧片实现Z，Rx和Ry向运动，其原理是当三套驱动机构同步运动时即实现Z向运动；当三套驱动机构做差动运动时，即实现Rx，Ry向运动，重复定位精度优于±500nm。
8.根据权利要求1所述的一种非接触自动中心对准套刻的投影光刻机，其特征是：整机电控系统采用“DSP+FPGA”的架构设计电控系统的硬件部分，通过VME接口、以太网接口和RS-232接口实现工件台电控系统与外界的信息交互，包括接收上位机控制指令和数据传递，激光干涉仪数据获取，与其他分系统信息交互；电源管理和复位电路是保证工件台电控系统稳定的措施之一；外扩RAM用于存放六自由度实时的位置信息的大数据量的数据；EEPROM用于存放配置信息；扩展I/O和QEP电路实现电机的控制和光栅数据的读取，考虑到电信号的完整性和PCB的集成度，拟选用的表面贴装元器件，并采用4层PCB制版，在有效的成本控制下，实现了光刻机整机的稳定控制。
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