CN117452785A - 自适应调平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及精密加工技术领域，具体涉及一种自适应调平装置及方法，包括承载组件，用于承载晶圆的位置，驱动组件，与承载组件连接用于带动承载组件运动以调平承载组件与晶圆的间隙，外部固定框架，与驱动组件连接且用于稳定驱动组件的位置，传感调平组件，安装于承载组件上且用于测量晶圆与承载组件的间隙，弹性预紧件，用于稳定连接外部固定框架和驱动组件。该装置可以实现在全工作行程中晶圆与掩膜间隙以及自适应调平装置位移的实时测量与动态控制。

Description

自适应调平装置及方法

技术领域

本申请涉及精密加工技术领域，具体涉及一种自适应调平装置及方法。

背景技术

光刻是半导体制造过程中一道非常重要的工序，它是将一系列掩模板上的芯片图形通过曝光依次转移到硅片相应层上的工艺过程，被认为是大规模集成电路制造中的核心步骤。在接近、接触式及表面等离子体（SP）光刻中由于对焦深的要求非常高，所以曝光的线宽精度与套刻精度受掩膜与基片之间的间隙影响巨大，通常最对只有几十纳米，受限于传统光刻工艺光掩模加工工艺以及采用的光学间隙测量方式，很难在如此小的间隙要求下检测与控制晶圆与掩膜的平行。

现有技术：（1）US8387482 B2中描述了纳米压印技术领域中控制掩膜运动的装置，其通过三个致动器和柔性结构实现掩膜的3-PRR运动。（2）CN108086408B公开了一种应用于光刻装置的被动式调平锁紧机构，该装置用于光刻机中实现对掩模版与基片之间的被动调平，该装置以承片台为基准，承片台推动掩模版向上移动，一定位移距离后掩模版上的光栅尺清零，然后掩模版在重力的作用下回到初始位置，通过光栅尺计数控制三点步进电机步数，通过齿轮啮合带动掩模板Z向上升，掩模板调平后，步进电机自锁，执行电动缸执行下压控制，完成对掩模版调平后的固定。

但是，上述两种方法均无法实现在全工作行程中晶圆与掩膜间隙以及自适应调平装置位移的实时测量与动态控制。

发明内容

本申请实施例提供一种自适应调平装置及方法，可以实现在全工作行程中晶圆与掩膜间隙以及自适应调平装置位移的实时测量与动态控制。

第一方面，本申请实施例提一种自适应调平装置，包括

承载组件，用于承载晶圆的位置，

驱动组件，与承载组件连接用于带动承载组件运动以调平承载组件与晶圆的间隙，

外部固定框架，与驱动组件连接且用于稳定驱动组件的位置，

传感调平组件，安装于承载组件上且用于测量晶圆与承载组件的间隙，

弹性预紧件，用于稳定连接外部固定框架和驱动组件。

根据本申请第一方面前述实施方式，承载组件包括相互可拆卸连接的掩膜真空吸盘和柔性掩膜，

掩膜真空吸盘用于承载晶圆，

柔性掩膜与驱动组件相对设置于掩膜真空吸盘两侧，

驱动组件带动掩膜真空吸盘运动，传感调平组件安装在掩膜真空吸盘上。

根据本申请第一方面前述实施方式，驱动组件包括内部运动框架和多个驱动器，

内部运动框架与外部固定框架相对设置，

驱动器转子与内部运动框架连接，驱动器定子与部固定框架连接，驱动器转子一端可沿轴向移动，以使内部固定框架相对外部固定框架沿轴向移动，内部运动框架可带动掩膜真空吸盘平移和倾斜运动，

多个驱动器等间距设置于外部固定框架上，

内部运动框架与外部固定框架分别与弹性预紧件两侧耦合。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，还包括

正交柔性铰链，正交柔性铰链下底面与内部运动框架耦合，正交柔性铰链上表面与掩膜真空吸盘耦合。

根据本申请第一方面前述实施方式，内部运动框架上设置有第三耦合部，

内部运动框架通过第三耦合部与正交柔性铰链连接。

根据本申请第一方面前述实施方式，传感调平组件包括皮米传感组件、压力传感组件和光谱仪组件，

皮米传感组件安装在正交柔性铰链上，

压力传感组件数量有多个且设置在驱动器动子上且位于内部运动框架内，

光谱仪组件数量有多个且等距分布在正交柔性铰链上表面。

根据本申请第一方面前述实施方式，正交柔性铰链包括固定端、柔性铰链和运动端，

固定端通过第三耦合部与内部运动框架耦合，固定端为方形框架，

运动端与掩膜真空吸盘耦合，运动端为尺寸小于固定端尺寸的方向框架，多个光谱仪组件等距分布在运动端上，

柔性铰链数量有两组，每组柔性铰链两端分别与固定端和运动端连接，两组柔性铰链在彼此正交方向上以四连杆结构的形式设置。

根据本申请第一方面前述实施方式，外部固定框架、弹性预紧件和内部运动框架均开设有位置相对的中心通孔，中心通孔为环形，外部固定框架、弹性预紧件和内部运动框架上的中心通孔尺寸相同。

根据本申请第一方面前述实施方式，弹性预紧件上设置有第一耦合部和第二耦合部，

第一耦合部数量有多个，多个第一耦合部均匀设置在弹性预紧件下表面，弹性预紧件通过第一耦合部与外部固定框架连接，

第二耦合部数量有多个，多个第二耦合部均匀设置在弹性预紧件上表面，弹性预紧件通过第二耦合部与内部运动框架连接。

第二方面，本申请实施例提一种自适应调平方法，包括

将晶圆放置于承载组件上，确定传感调平组件读数正常，执行如下操作：

驱动组件开始运动，带动承载组件平移和倾斜运动，直至传感调平组件内部读数均相同，并将读数清零，结束预调平，

驱动组件再次运动，带动承载组件平移和倾斜运动，同时读取传感调平组件的数据，通过数据计算晶圆与承载组件的旋转角、接触力和间隙，通过驱动组件运动调整承载组件与晶圆的间隙，

在传感调平组件内部读数均相同后，完成动态自适应调平流程。

本申请实施例通过将晶圆放置在承载组件上，以驱动组件带动承载组件运动，同时根据传感调平组件读数计算晶圆与承载组件的旋转角、接触力和间隙，调整驱动组件带动承载组件进行平移和倾斜运动，从而调整晶圆与掩膜的间隙，实现自适应调平装置位移的实时测量与动态控制。

附图说明

图1为本申请一实施例的自适应调平装置的爆炸图；

图2为本申请一实施例的自适应调平装置的局部爆炸图；

图3为本申请一实施例的自适应调平装置的立体图；

图4为本申请一实施例的自适应调平装置的正交柔性铰链的结构示意图；

图5为本申请一实施例的自适应调平装置的仰视图；

图6为本申请一实施例的自适应调平方法的流程图。

标号：1-外部固定框架；2-内部运动框架；3-弹性预紧件；4-正交柔性铰链；5-掩膜真空吸盘；6-柔性掩膜；7-皮米传感组件；8-压力传感组件；9-光谱仪组件；10-驱动器；11-中心通孔；12-固定端；13-柔性铰链；14-运动端；15-第一活动连杆；16-第二活动连杆；17-探头；18-反射镜；19-第一耦合部；20-第二耦合部；21-第三耦合部。

实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

第一方面，本申请实施例提供一种自适应调平装置，用于在全工作行程中晶圆与掩膜间隙以及自适应调平装置位移的实时测量与动态控制。本申请实施例的自适应调平装置包括承载组件、驱动组件、外部固定框架1、传感调平组件和弹性预紧件3（参照图1）。

承载组件用于承载晶圆的位置；本申请实施例中，承载组件可以对晶圆形成包裹，对晶圆的位置进行固定，承载组件与驱动组件连接，驱动组件在Z1、Z2、Z3三个轴进行直线运动时，可以带动承载组件绕T1、T2、T3方向进行角运动（参照图3），可实现承载组件的自适应调平。

驱动组件一侧与承载组件连接，另一侧通过弹性预紧件3与外部固定框架1连接，可以相对外部固定框架1在Z1、Z2、Z3三个轴方向上进行直线运动，进而带动承载组件运动；例如：驱动组件可以在Z1、Z2、Z3三个轴方向上进行±1.5mm的行程，带动承载组件进行微小的直线运动。

外部固定框架1用于稳定驱动组件的位置，一侧固定在外部设备上，另一侧与弹性预紧件3耦合，且通过弹性预紧件3与驱动组件稳定连接，外部固定框架1形状优选为六边形。

传感调平组件安装于承载组件上，可以实时测量承载组件的旋转角、以及晶圆与承载组件的间隙和接触力，从而便于驱动组件调整承载组件的位置和角度。

弹性预紧件3一侧与驱动组件耦合，另一侧与外部固定框架1耦合，用于稳定驱动组件和外部固定框架1的连接。

本申请实施例的自适应调平装置，通过将晶圆吸附在承载组件上，利用传感调平组件实时监测承载组件的旋转角、以及晶圆与承载组件的间隙和接触力，从而控制驱动组件带动承载组件在绕T1、T2、T3三个轴方向上进行角运动，从而使得承载组件相对于外部固定框架1的发生平移、倾斜运动，以完成对晶圆间隙的调整。

在一些实施例中，承载组件包括相互可拆卸连接的掩膜真空吸盘5和柔性掩膜6（参照图1），掩膜真空吸盘5用于承载晶圆，掩膜真空吸盘5为方形或其他形状，为内凹状，且与柔性掩膜6配合设置，柔性掩膜6与驱动组件相对设置于掩膜真空吸盘5两侧，柔性掩膜6与掩膜真空吸盘5共同完成对晶圆的固定，驱动组件与掩膜真空吸盘5连接，进而带动掩膜真空吸盘5运动，传感调平组件安装在掩膜真空吸盘5上，可以监测晶圆与柔性掩膜6的间隙和夹角。

本申请实施例中，每个晶圆可能存在微小的差异，放置在掩膜真空吸盘5上时，夹角和间隙可能不同，通过将晶圆放置在掩膜真空吸盘5中，再将柔性掩膜6与掩膜真空吸盘5盖合，从而稳定晶圆的位置，再通过传感调平组件测量晶圆与柔性掩膜6的夹角和间隙。

在一些实施例中，驱动组件包括内部运动框架2和多个驱动器10（参照图1-3），内部运动框架2与外部固定框架1相对设置，且内部运动框架2与外部固定框架1均为六边形形状，驱动器10转子与内部运动框架2连接，驱动器10定子与外部固定框架1连接，驱动器10转子一端可沿Z轴向移动，以使内部固定框架2相对外部固定框架1沿Z轴向移动，内部运动框架2可带动掩膜真空吸盘5平移和倾斜运动，通过多个驱动器10同时启动，可以带动整个内部固定框架2相对外部固定框架1沿Z轴向平行移动，而通过启动单个或部分驱动器10，可以使得内部固定框架2相对外部固定框架1倾斜运动，可以实现±0.2°的角运动，驱动器10数量优选为3个，多个驱动器10等间距设置于外部固定框架1上，可以实现驱动器10的稳定，在其转子工作时，带动内部固定框架2各个部位发生平移或角运动，驱动器10可以是压电驱动器、直线电机或音圈电机，优选的，驱动器10为PI公司的216压电驱动器，内部运动框架2与外部固定框架1分别与弹性预紧件3两侧耦合，弹性预紧件3通过耦合内部运动框架2与外部固定框架1，能够稳定内部运动框架2。

本申请实施例中，每次晶圆放置时，柔性掩膜6的旋转角、晶圆与柔性掩膜6的间隙和接触角均可能不同，每次可以根据实际情况通过调整不同位置的驱动器10运动，带动内部运动框架2运动，调整内部运动框架2相对外部固定框架1在Z1、Z2、Z3三个轴方向的距离，再带动掩膜真空吸盘5调整T1、T2、T3三个轴方向上的位置，进而实现对柔性掩膜6的旋转角、晶圆与柔性掩膜6的间隙和接触角的调整。

在一些实施例中，自适应调平装置还包括正交柔性铰链4（参照图4），正交柔性铰链4下底面与内部运动框架2耦合，正交柔性铰链4上表面与掩膜真空吸盘5耦合，正交柔性铰链4可以提供正交旋转运动，在正交柔性铰链4随着内部运动框架2运动时，能够减少横向漂移，从而提高调平操作的精准性。

本申请实施例中，正交柔性铰链4的结构可以通过远程相交轴正交的方式尽量减少对准时掩膜柔性掩膜6相对于晶圆的横向漂移，同时可以保证除运动方向外的刚性，防止在有液体情况下的横向位移力和分离力。

在一些实施例中，内部运动框架2上设置有第三耦合部21（参照图2），第三耦合部21内设在内部运动框架2上表面，内部运动框架2通过第三耦合部21与正交柔性铰链4稳定连接，第三耦合部21可以是螺纹紧固件或其它紧固件。

本申请实施例中，第三耦合部21能够稳定连接内部运动框架2和正交柔性铰链4，进而提高正交柔性铰链4的移动稳定性。

在一些实施例中，传感调平组件包括皮米传感组件7、压力传感组件8和光谱仪组件9（参照图1和图5），皮米传感组件7安装在正交柔性铰链4上，皮米传感组件7设置在正交柔性铰链4上表面，可以监测位于正交柔性铰链4上方的掩膜柔性掩膜6沿RX/RY的旋转角，压力传感组件8数量有多个且设置在驱动器10动子上且位于内部运动框架2内，压力传感组件8位于驱动器10动子与内部运动框架2之间，可以监测内部运动框架2与驱动器10的接触力，进而测量柔性掩膜6与晶圆的接触力，光谱仪组件9数量有多个且等距分布在正交柔性铰链4上表面，能够测量晶圆与柔性掩膜6的间隙。

本申请实施例中，通过对皮米传感组件7、压力传感组件8和光谱仪组件9的设置，可以对晶圆的位置信息进行精确测量，以实现柔性掩膜6的自适应调平，能够确保对晶圆的调平精准性。

在一些实施例中，正交柔性铰链4包括固定端12、柔性铰链13和运动端14（参照图4），固定端12通过第三耦合部21与内部运动框架2耦合，固定端12为方形框架，运动端14与掩膜真空吸盘5耦合，运动端14为尺寸小于固定端12尺寸的方向框架，多个光谱仪组件9等距分布在运动端14上，柔性铰链13数量有两组，每组柔性铰链13两端分别与固定端12和运动端14连接，两组柔性铰链13在彼此正交方向上以四连杆结构的形式设置。

本申请实施例中，通过固定端12与内部运动框架2耦合，通过运动端14与掩膜真空吸盘5耦合，在内部运动框架2运动时，带动固定端12运动，进而带动柔性铰链13运动，而由于柔性铰链13在彼此正交方向上以四连杆结构的形式布置，可以有效减少对准时柔性掩膜6相对于晶圆的横向漂移，同时可以保证除运动方向外的刚性，防止在有液体情况下的横向位移力和分离力，再将运动传递到运动端14，带动掩膜真空吸盘5运动，实现对晶圆间隙的调整。

在一些实施例中，每组柔性铰链13均包括第一活动连杆15和第二活动连杆16（参照图4），两组柔性铰链13的第一活动连杆15和第二活动连杆16的远程相交轴均位于柔性掩膜6的下表面且呈正交分布。

本申请实施例中，这样的设置可以稳定掩膜真空吸盘5，使其在随着运动端14运动时，不发生横向位移。

在一些实施例中，皮米传感组件7包括探头17和反射镜18（参照图5），探头17安装在固定端12上，反射镜18安装在运动端14上，且探头17和反射镜18位置相对。

本申请实施例中，通过将探头17和反射镜18位置相对设置，可以精确测量柔性掩膜6沿RX/RY的旋转角，便于调平晶圆。

在一些实施例中，外部固定框架1、弹性预紧件3和内部运动框架2均开设有位置相对的中心通孔11（参照图2），中心通孔11为环形，外部固定框架1、弹性预紧件3和内部运动框架2上的中心通孔11尺寸相同。

本申请实施例中，外部固定框架1、弹性预紧件3和内部运动框架2上开设的中心通孔11形状相同且位置相对，能够便于安装且能够便于外部固定框架1、弹性预紧件3和内部运动框架2的位置对应。

在一些实施例中，弹性预紧件3上设置有第一耦合部19和第二耦合部20（参照图2），第一耦合部19数量有多个，第一耦合部19数量优选为3个，多个第一耦合部19均匀设置在弹性预紧件3下表面，弹性预紧件3通过第一耦合部19与外部固定框架1连接，可以稳定连接弹性预紧件3和外部固定框架1，第二耦合部20数量有多个，第二耦合部20数量优选为3个，多个第二耦合部20均匀设置在弹性预紧件3上表面，弹性预紧件3通过第二耦合部20与内部运动框架2连接。

本申请实施例中，通过有第一耦合部19和第二耦合部20交替设置，能够稳定内部运动框架2与外部固定框架1的连接。

第二方面，本申请实施例提供一种自适应调平方法（参照图6），该方法包括如下步骤：

S1、将晶圆放置于掩膜真空吸盘5上，连接掩膜真空吸盘5和柔性掩膜6，确定皮米传感组件7、压力传感组件8和光谱仪组件9读数正常，执行如下操作：

S2、启动驱动器10，带动内部运动框架2相对外部固定框架1在Z1、Z2、Z3方向上运动，带动柔性掩膜6的绕T1、T2、T3运动，直至所有光谱仪组件9读数相同，同时读取压力传感组件8数据是否正常，读数正常则将读数清零，结束预调平，压力传感器组件8不正常则重复调整驱动器10，

S3、驱动器10继续在Z1、Z2、Z3方向上运动，同时开始读取皮米传感组件7和压力传感器8数据，当驱动器10运动至皮米传感器组件7数据发生变化，即晶圆与柔性掩膜6开始接触，若皮米传感器组件7读数不一致，说明柔性掩膜6与晶圆间隙不一致，控制驱动器10继续同步运动至皮米传感器组件7读数变化一致，此时，读取皮米传感器组件7的读数，并结合皮米传感器组件7的探头17的平面布置位置D1、D2（参照图5）通过三角函数可以计算出柔性掩膜6绕RX/RY的转角，

S4、计算出转角后，通过驱动器10控制柔性掩膜6远离晶圆，并将皮米传感器组件7测得的数据反向通过驱动器10补偿，调平柔性掩膜6与晶圆的间隙，完成动态自适应调平流程。

在一些实施例中，步骤S3，包括如下子步骤：

在对皮米传感器组件7读数过程中，监测压力传感器组件8读数，防止本装置超压，一旦压力读数超过设定阈值，立即中止驱动器10运动。

综上，本申请实施例通过将晶圆放置在承载组件上，以驱动组件带动承载组件运动，同时根据传感调平组件读数计算晶圆与承载组件的旋转角、接触力和间隙，调整驱动组件带动承载组件进行平移和倾斜运动，从而调整晶圆与掩膜的间隙，实现自适应调平装置位移的实时测量与动态控制。

Claims (10)

1.自适应调平装置，其特征在于：包括

承载组件，用于承载晶圆的位置，

驱动组件，与所述承载组件连接用于带动所述承载组件运动以调平承载组件与晶圆的间隙，

外部固定框架，与所述驱动组件连接且用于稳定驱动组件的位置，

传感调平组件，安装于所述承载组件上且用于测量晶圆与承载组件的间隙，

弹性预紧件，用于稳定连接外部固定框架和驱动组件。

2.根据权利要求1所述的自适应调平装置，其特征在于：所述承载组件包括相互可拆卸连接的掩膜真空吸盘和柔性掩膜，

所述掩膜真空吸盘用于承载晶圆，

所述柔性掩膜与所述驱动组件相对设置于所述掩膜真空吸盘两侧，

所述驱动组件带动掩膜真空吸盘运动，所述传感调平组件安装在掩膜真空吸盘上。

3.根据权利要求2所述的自适应调平装置，其特征在于：所述驱动组件包括内部运动框架和多个驱动器，

所述内部运动框架与所述外部固定框架相对设置，

所述驱动器转子与所述内部运动框架连接，所述驱动器定子与所述部固定框架连接，所述驱动器转子一端可沿轴向移动，以使所述内部固定框架相对所述外部固定框架沿轴向移动，所述内部运动框架可带动掩膜真空吸盘平移和倾斜运动，

多个所述驱动器等间距设置于所述外部固定框架上，

所述内部运动框架与所述外部固定框架分别与弹性预紧件两侧耦合。

4.根据权利要求3所述的自适应调平装置，其特征在于：还包括

正交柔性铰链，所述正交柔性铰链下底面与内部运动框架耦合，所述正交柔性铰链上表面与所述掩膜真空吸盘耦合。

5.根据权利要求4所述的自适应调平装置，其特征在于：所述内部运动框架上设置有第三耦合部，

所述内部运动框架通过第三耦合部与正交柔性铰链连接。

6.根据权利要求5所述的自适应调平装置，其特征在于：所述传感调平组件包括皮米传感组件、压力传感组件和光谱仪组件，

所述皮米传感组件安装在正交柔性铰链上，

所述压力传感组件数量有多个且设置在驱动器动子上且位于内部运动框架内，

所述光谱仪组件数量有多个且等距分布在正交柔性铰链上表面。

7.根据权利要求6所述的自适应调平装置，其特征在于：所述正交柔性铰链包括固定端、柔性铰链和运动端，

所述固定端通过第三耦合部与内部运动框架耦合，所述固定端为方形框架，

所述运动端与掩膜真空吸盘耦合，所述运动端为尺寸小于固定端尺寸的方向框架，多个所述光谱仪组件等距分布在运动端上，

所述柔性铰链数量有两组，每组所述柔性铰链两端分别与固定端和运动端连接，两组所述柔性铰链在彼此正交方向上以四连杆结构的形式设置。

8.根据权利要求3所述的自适应调平装置，其特征在于：所述外部固定框架、弹性预紧件和内部运动框架均开设有位置相对的中心通孔，所述中心通孔为环形，所述外部固定框架、弹性预紧件和内部运动框架上的中心通孔尺寸相同。

9.根据权利要求3所述的自适应调平装置，其特征在于：所述弹性预紧件上设置有第一耦合部和第二耦合部，

所述第一耦合部数量有多个，多个所述第一耦合部均匀设置在弹性预紧件下表面，所述弹性预紧件通过第一耦合部与外部固定框架连接，

所述第二耦合部数量有多个，多个所述第二耦合部均匀设置在弹性预紧件上表面，所述弹性预紧件通过第二耦合部与内部运动框架连接。

10.自适应调平方法，应用于如权利要求1至9中任一权利要求所述的自适应调平装置，其特征在于：所述方法包括

将晶圆放置于承载组件上，确定传感调平组件读数正常，执行如下操作：

驱动组件开始运动，带动承载组件平移和倾斜运动，直至传感调平组件内部读数均相同，并将读数清零，结束预调平，

驱动组件再次运动，带动承载组件平移和倾斜运动，同时读取传感调平组件的数据，通过数据计算晶圆与承载组件的旋转角、接触力和间隙，通过驱动组件运动调整承载组件与晶圆的间隙，

在传感调平组件内部读数均相同后，完成动态自适应调平流程。