TWI630466B - 一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其方法，該裝置包括快門葉片、驅動快門葉片旋轉的旋轉電動機、與旋轉電動機電連接的控制器和用於支撐旋轉電動機的底座，快門葉片包括一旋轉中心，以及對應旋轉中心設置的至少一開口區域和遮蔽區域，旋轉中心連接至旋轉電動機，旋轉電動機帶動快門葉片旋轉完成快門的開閉動作，以形成曝光區域和非曝光區域。本發明藉由在遮蔽區域中設置鏤空部分，減輕快門葉片的質量，提高對快門葉片旋轉過程中的控制效果，藉由控制器的控制作用，將快門的開閉過程設於快門葉片的勻速運動的階段，將快門葉片的加速和減速過程設於時間和行程都較為寬裕的快門關閉階段，降低對旋轉電動機的轉矩的要求，有效縮短快門的開閉時間。

Description

一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其使用方法
本發明有關光蝕刻機設備的製造領域，特別有關於一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其使用方法。
光蝕刻技術是用於在基底表面上印刷具有特徵的構圖。經常使用的基底為表面塗有光敏感介質(如光蝕刻膠)的半導體晶片或玻璃基底。在光蝕刻過程中，晶片放在晶片台上，藉由處在光蝕刻設備內的曝光裝置，將特徵構圖投射到晶片表面。
光蝕刻機的一個重要指標是曝光劑量，曝光劑量過大或不足都將影響光蝕刻膠顯影效果，因此對於曝光劑量的精確控制將直接影響光蝕刻機的蝕刻精度。
現有中低端光蝕刻機的曝光系統採用高壓汞燈作為光源，曝光開始、結束由光路中的機械快門控制，曝光劑量大小由曝光時間確定。具體過程如下：1)首先藉由預熱和環境控制使高壓汞燈輸出光功率達到穩定；2)接著計算曝光時間，打開快門開始曝光，同步開始計時；3)最後時間到，關閉快門，曝光結束。
近年來，隨著汞燈輸出功率不斷增加，這就意味著在相同的曝光劑量下，曝光快門的開閉時間必須更短。然而，傳統的機械式快門由於結構的限制，快門開閉時間已然接近極限，若一味 地提高曝光快門的功率只會增加控制系統的負擔。同時，長時間超功率的運作也增加系統的不穩定性。
針對上述問題，現有技術中提供一種用於光蝕刻機曝光分系統的快門裝置，在高功率音圈電動機的帶動下使快門高速開閉，然而為達到更短的快門開閉時間，音圈電動機通常處於大功率運行狀態，然而音圈電動機本身的可靠性和穩定性未能達到實際需求，致使該快門在工作過程中頻發諸多問題，最終影響光蝕刻機的穩定性和光蝕刻效果。
本發明提供一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其使用方法，以解決現有技術中存在的可靠性和穩定性不高的問題。
為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置，包括快門葉片、驅動該快門葉片旋轉的旋轉電動機、與該旋轉電動機電連接的控制器和用於支撐該旋轉電動機的底座，該快門葉片包括一旋轉中心，以及對應該旋轉中心設置的至少一開口區域和遮蔽區域，該旋轉中心連接至該旋轉電動機，該旋轉電動機帶動該快門葉片旋轉完成快門的開閉動作，以形成曝光區域和非曝光區域。
進一步的，該快門葉片的旋轉中心和旋轉電動機之間還設有連接塊。
進一步的，該旋轉電動機與該連接塊之間還設有減速器。
進一步的，該底座與該減速器固定連接。
進一步的，該快門葉片中的開口區域和遮蔽區域分別 為1個，該開口區域和遮蔽區域對應的圓心角均為180度。
進一步的，該快門葉片中的開口區域和遮蔽區域分別為2個，沿該旋轉中心對稱設置，該開口區域和遮蔽區域對應的圓心角均為90度。
進一步的，該快門葉片中的開口區域和遮蔽區域分別為3個，沿該旋轉中心間隔設置，該開口區域和遮蔽區域對應的圓心角均為60度。
進一步的，該遮蔽區域包括沿該旋轉中心由內而外同心設置的鏤空部分和遮蔽部分。
進一步的，該鏤空部分呈扇環形，該遮蔽部分呈環形。
進一步的，該旋轉電動機帶動該快門葉片在形成該曝光區域和該非曝光區域過程中，該電動機和/或快門葉片的旋轉速度不為零。
本發明還提供一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，包括以下步驟：S1：安裝快門葉片、旋轉電動機、控制器和底座，該快門葉片具有一旋轉中心，以及對應該旋轉中心設置的至少一開口區域和遮蔽區域；S2：藉由控制器控制該旋轉電動機的旋轉，從而帶動該快門葉片的旋轉，在旋轉過程中完成快門的開閉動作，以形成曝光區域和非曝光區域。
進一步的，該遮蔽區域包括沿該旋轉中心由內而外同心設置的鏤空部分和遮蔽部分。
進一步的，該鏤空部分呈扇環形，該遮蔽部分呈環形。
進一步的，該步驟S2中，在形成該曝光區域和非曝光區域過程中，該控制器控制旋轉電動機啟動後，帶動該快門葉片進行加速-勻速-減速-靜止-加速的迴圈運動。
進一步的，在該快門關閉階段中，該快門葉片完成加速過程和減速過程，在該快門打開階段，該快門葉片處於勻速旋轉狀態。
進一步的，該步驟S2中，在形成該曝光區域和非曝光區域過程中，該控制器控制該旋轉電動機啟動後，帶動該快門葉片進行加速-勻速-減速-勻速-加速的迴圈運動。
進一步的，在該快門關閉階段中，該快門葉片完成加速過程和減速過程，在該快門打開階段，該快門葉片處於勻速旋轉狀態。
進一步的，該旋轉電動機加速後的恒定速度10倍減速後的恒定速度。
本發明提供的用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其使用方法，藉由在快門葉片中設置一旋轉中心以及對應該旋轉中心設置的至少一開口區域和遮蔽區域，將旋轉中心連接至該旋轉電動機，該旋轉電動機帶動該快門葉片的旋轉，完成快門的開閉動作，以形成曝光區域和非曝光區域，藉由在遮蔽區域中設置鏤空部分，有效減輕快門葉片的質量，提高對快門葉片旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準確度。藉由控制器的控制作用，將快門的開閉過程設於快門葉片的勻速運動的階段，將快門葉片的加速和減速過程設於時間和行程都較為寬裕的快門關閉階段，大大降低對旋轉電動機的轉矩的要求，同時由於旋轉電動機的轉速較高，有 效縮短快門的開閉時間，進一步提高對曝光劑量的控制準確度，提高光蝕刻機的光蝕刻效果。
1‧‧‧快門葉片
2‧‧‧旋轉電動機
3‧‧‧底座
4‧‧‧連接塊
5‧‧‧減速器
6‧‧‧光斑
11‧‧‧旋轉中心
12‧‧‧開口區域
13‧‧‧遮蔽區域
131‧‧‧鏤空部分
132‧‧‧光斑掃描區域遮蔽部分
圖1是本發明實施例1中用於光蝕刻機曝光的快門裝置的結構示意圖；圖2是本發明實施例1快門葉片的結構示意圖；圖3a及3b是本發明實施例1快門關閉狀態的示意圖；圖4a及4b是本發明實施例1快門全開狀態的示意圖；圖5a及5b分別是本發明實施例1快門半開和半閉狀態的示意圖；圖6是本發明實施例1快門葉片在不同曝光狀態下的旋轉速度示意圖；圖7是本發明實施例1中快門在一個曝光週期內的曝光劑量理論利用率；圖8是本發明實施例2快門葉片的結構示意圖；圖9是本發明實施例4快門葉片在不同曝光狀態下的旋轉速度示意圖。
下面結合附圖對本發明作詳細描述。
[實施例1]
如圖1-7所示，本發明提供一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置，包括快門葉片1、驅動該快門葉片1旋轉的旋轉電動機2、與 該旋轉電動機2電連接的控制器(圖中未標出)和用於支撐該旋轉電動機2的底座3，該快門葉片1包括一旋轉中心11，以及對應該旋轉中心11設置的至少一開口區域12和遮蔽區域13，該旋轉中心11連接至該旋轉電動機2，該旋轉電動機2帶動該快門葉片1旋轉完成快門的開閉動作，以形成曝光區域和非曝光區域，且在形成該曝光區域和該非曝光區域過程中，該旋轉電動機2和/或快門葉片1的旋轉速度不為零。
請繼續參照圖1，該快門葉片1的旋轉中心11和旋轉電動機2之間還設有連接塊4，用於將該快門葉片1的旋轉中心11與旋轉電動機2的輸出軸進行有效固定，避免兩者發生相對運動，提高對快門葉片1旋轉過程中的控制效果。
請繼續參照圖1，該旋轉電動機2與該連接塊4之間還設有減速器5，具體的，本實施例中，減速器5的選型速度比為4：1，減速器5與旋轉電動機2的輸出軸連接，減速器5用於協調旋轉電動機2極限轉速和極限扭矩之間的矛盾，由於扭矩越高旋轉電動機2的功率越大，這裡藉由設置減速器5在不增大旋轉電動機2功率的同時增加輸出的扭矩。
較佳的，該底座3與該減速器5固定連接，具體的，該底座3設於減速器5下方，對整個快門裝置進行支撐。
如圖2所示，該快門葉片1中的開口區域12和遮蔽區域13分別為2個，沿該旋轉中心11對稱設置，該開口區域12和遮蔽區域13對應的圓心角均為90度。
較佳的，該遮蔽區域13包括沿該旋轉中心11由內而外同心設置的鏤空部分131和光斑掃描區域遮蔽部分132，如圖2 所示，該鏤空部分131呈扇環形，有效減輕快門葉片的質量，提高對快門葉片旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準確度。該光斑掃描區域遮蔽部分132呈環形，實現快門葉片1旋轉過程中對光斑6進行遮擋，形成非曝光區域。
如圖3a和3b所示，當遮蔽部分132遮擋住光斑6時，形成非曝光區域，相當於快門處於關閉狀態。如圖4a和4b所示，當遮蔽部分132未遮擋光斑6，即光斑6位於開口區域12內時，形成曝光區域，相當於快門處於全開狀態。如圖5a和5b所示，當光斑6部分位於開口區域12內、部分被遮蔽部分132遮擋時，對應於快門的半開和半閉狀態。
本發明還提供一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，包括以下步驟： S1：安裝快門葉片1、旋轉電動機2、控制器和底座3，該快門葉片1具有一旋轉中心11，以及對應該旋轉中心11設置的至少一開口區域12和遮蔽區域13，該遮蔽區域13包括沿該旋轉中心11由內而外同心設置的鏤空部分131和光斑掃描區域遮蔽部分132，該鏤空部分131呈扇環形，有效減輕快門葉片的質量，提高對快門葉片旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準確度。
S2：藉由控制器驅動該旋轉電動機2旋轉，從而帶動該快門葉片1旋轉，形成曝光區域和非曝光區域。較佳的，在形成該曝光區域和非曝光區域過程中，該控制器控制旋轉電動機2啟動後，帶動快門葉片1進行加速-勻速-減速-靜止-加速的迴圈運動。如圖6所示，在該快門關閉階段中，即對應圖中的非曝光區域，該快門葉片1完成加速過程和減速過程，在該快門打開階段，即對應 圖中的曝光區域，該快門葉片1處於勻速旋轉狀態。具體的，快門打開階段包括快門半開、半閉階段和全開狀態，如圖3a-5b所示。藉由控制器的控制作用，將快門的開閉過程設於快門葉片1的勻速運動的階段，將快門葉片1的加速和減速過程設於時間和行程都較為寬裕的快門關閉階段，大大降低對旋轉電動機2的轉矩的要求，同時由於旋轉電動機2的轉速較高，有效縮短快門的開閉時間，進一步提高對曝光劑量的控制準確度，提高光蝕刻機的光蝕刻效果。
針對本實施例中的快門葉片1結構，在快門葉片1從半開狀態-全開狀態-半閉狀態這一勻速轉動週期內，曝光劑量的理論利用率為58.75%，如圖7所示。
設射入光的照度是G，曝光的需求劑量為K，則曝光時間t為：
由於設有減速器5，選型速度比4：1，非曝光區域為1/4圓周，則旋轉電動機2的轉速P為：
設本實施例中射入光的照度G=3000mW/cm2，以最小曝光計量K為80mJ計算得到：
旋轉電動機2的轉速P為：
本實施例中，非曝光區域占圓周1/4，旋轉電動機2必須在該區域內完成減速到0，再加速到7661rpm的過程，故角加速度為：
其中V為旋轉電動機2的線性轉速。
根據本實施例中的快門葉片1的結構計算得到轉動慣量J=1.2×10-5kg/m2，代入到扭矩公式可得：
在該條件下，非曝光狀態下旋轉電動機2的運動時間為31.3ms。根據非曝光時間長度的需求，在快門葉片1停止旋轉的階段選擇停留時間。
[實施例2]
如圖8所示，與實施例1不同的是，該快門葉片1中的開口區域12和遮蔽區域13分別為1個，該開口區域12和遮蔽區域13對應的圓心角均為180度。同時在結構上去除減速器5，直接由旋轉電動機2帶動快門葉片1旋轉。較佳的，該遮蔽區域13包括沿該旋轉中心11由內而外同心設置的鏤空部分131和光斑掃描區域遮蔽部分132，該鏤空部分131呈扇環形，有效減輕快門葉片的質量，提高對快門葉片旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準 確度。該光斑掃描區域遮蔽部分132呈環形，實現快門葉片1旋轉過程中對光斑進行遮擋，形成非曝光區域。本實施例中，快門葉片1中開口區域11和遮蔽區域12分別為1個，以縮短快門葉片1半開或半閉狀態占整個曝光週期的時間，從而提高曝光劑量的利用率。
針對本實施例中的快門葉片1結構，在快門葉片1從半開狀態-全開狀態-半閉狀態這一勻速轉動週期內，曝光劑量的理論利用率為86.11%。
設射入光的照度是G，曝光的需求劑量為K，則曝光時間t為：
非曝光區域為1/2圓周，旋轉電動機2的轉速P為：
非曝光區域占圓周1/2，旋轉電動機2必須在該區域內完成減速到0，再加速到4491rpm的過程，故角加速度為：
其中V為旋轉電動機2的線性轉速。
根據本實施例中的快門葉片1的結構計算得到轉動慣量J=1×10-5kg/m2，代入到扭矩公式得：T=J×ε×1000=256mNm (10)
在該條件下，非曝光狀態下旋轉電動機2的運動時間為 26.7ms。根據非曝光時間度長的需求，在曝光快門葉片1停止旋轉的階段選擇停留時間。
[實施例3]
與實施例1不同的是，該快門葉片1中的開口區域12和遮蔽區域13分別為3個，沿該旋轉中心11間隔設置，該開口區域12和遮蔽區域13對應的圓心角均為60度。較佳的，該遮蔽區域13包括沿該旋轉中心11由內而外同心設置的鏤空部分131和光斑掃描區域遮蔽部分132，該鏤空部分131呈扇環形，有效減輕快門葉片的質量，提高對快門葉片旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準確度。該光斑掃描區域遮蔽部分132呈環形，實現快門葉片1旋轉過程中對光斑進行遮擋，形成非曝光區域。
針對本實施例中的快門葉片1結構，在快門葉片1從半開狀態-全開狀態-半閉狀態這一勻速轉動週期內，曝光劑量的理論利用率為50%。
設射入光的照度是G，曝光的需求劑量為K，則曝光時間t為：
由於設有減速器5，選型速度比4：1，非曝光區域為1/6圓周，則旋轉電動機2的轉速P為：
非曝光區域占圓周1/6，電動機必須在該區域內完成減速到 0，再加速到5217rpm的過程，故角加速度為：
根據本實施例中的快門葉片1的結構計算得到轉動慣量J=1×10-5kg/m2，代入到扭矩公式得：
在該條件下，非曝光狀態下旋轉電動機2的運動時間為30ms。根據非曝光時間長度的需求，在曝光快門葉片1停止旋轉的階段選擇停留時間。
[實施例4]
本實施例中提供一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，包括以下步驟：S1：安裝快門葉片1、旋轉電動機2、控制器和底座3，該快門葉片1具有一旋轉中心11，以及對應該旋轉中心11設置的至少一開口區域12和遮蔽區域13，該遮蔽區域13包括沿該旋轉中心11由內而外同心設置的鏤空部分131和光斑掃描區域遮蔽部分132，該鏤空部分131呈扇環形，有效減輕快門葉片1的質量，提高對快門葉片1旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準確度。
S2：藉由控制器驅動該旋轉電動機2旋轉，從而帶動該快門葉片1旋轉，形成曝光區域和非曝光區域。較佳的，在形成該曝光區域和非曝光區域過程中，該控制器控制旋轉電動機2啟動後，帶動快門葉片1進行加速-勻速-減速-勻速-加速的迴圈運動， 如圖9所示。較佳的，該旋轉電動機2加速後的恒定速度10倍減速後的恒定速度。該種快門葉片1旋轉速度變化的週期適合曝光時間長，且快門關閉時間短的情況。由於快門關閉時間短，該方案對於光源的照度利用率較高。此外，由於旋轉電動機2在啟動時電流極大，過大的電流會導致旋轉電動機2內部積聚更多的熱量，進而導致旋轉電動機2內部結構膨脹，導致旋轉電動機2卡死甚至導線短路的問題。而本實施例中，由於帶動快門葉片1的旋轉電動機2一直處於運動狀態，避免需要經常啟動而引起的問題，從而提高快門的可靠性，延長其使用壽命。
綜上所述，本發明提供的用於光蝕刻機曝光的快門裝置及其使用方法，藉由在快門葉片1中設置一旋轉中心11以及對應該旋轉中心11設置的至少一開口區域12和遮蔽區域13，將旋轉中心11連接至該旋轉電動機2，該旋轉電動機2帶動該快門葉片1旋轉，完成快門的開閉動作，以形成曝光區域和非曝光區域，藉由在遮蔽區域13中設置鏤空部分131，有效減輕快門葉片1的質量，提高對快門葉片1旋轉過程中的控制效果，提高對曝光劑量的控制準確度。藉由控制器的控制作用，將快門的開閉過程設於快門葉片1的勻速運動的階段，將快門葉片1的加速和減速過程設於時間和行程都較為寬裕的快門關閉階段，大大降低對旋轉電動機2的轉矩的要求，同時由於旋轉電動機2的轉速較高，有效縮短快門的開閉時間，進一步提高對曝光劑量的控制準確度，提高光蝕刻機的光蝕刻效果。
雖然說明書中對本發明的實施方式進行說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發明的保護範圍。在不脫離本 發明宗旨的範圍內進行各種省略、置換和變更均應包含在本發明的保護範圍內。

Claims (16)

  1. 一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其包括一快門葉片、驅動該快門葉片旋轉的一旋轉電動機、與該旋轉電動機電連接的一控制器和用於支撐該旋轉電動機的一底座，該快門葉片包括一旋轉中心，以及對應該旋轉中心設置的至少一開口區域和遮蔽區域，該至少一遮蔽區域包括沿該旋轉中心由內而外同心設置的一鏤空部分和一遮蔽部分，該旋轉中心連接至該旋轉電動機，該旋轉電動機帶動該快門葉片旋轉完成一快門的開閉動作，以形成一曝光區域和一非曝光區域。
  2. 如請求項1之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該快門葉片的該旋轉中心和該旋轉電動機之間還設有一連接塊。
  3. 如請求項2之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該旋轉電動機與該連接塊之間還設有一減速器。
  4. 如請求項3之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該底座與該減速器固定連接。
  5. 如請求項1之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該快門葉片中的該至少一開口區域和遮蔽區域分別為1個，該至少一開口區域和遮蔽區域對應的圓心角均為180度。
  6. 如請求項1之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該快門葉片中的該至少一開口區域和遮蔽區域分別為2個，沿該旋轉中心對稱設置，該至少一開口區域和遮蔽區域對應的圓心角均為90度。
  7. 如請求項1之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該快門葉片中的該至少一開口區域和遮蔽區域分別為3個，沿該旋轉中心間隔設置，該至少一開口區域和遮蔽區域對應的圓心角均為60度。
  8. 如請求項1之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該鏤空部分呈扇環形，該遮蔽部分呈環形。
  9. 如請求項1之用於光蝕刻機曝光的快門裝置，其中，該旋轉電動機帶動該快門葉片在形成該曝光區域和該非曝光區域過程中，該電動機和/或該快門葉片的旋轉速度不為零。
  10. 一種用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其包括以下步驟：S1：安裝一快門葉片、一旋轉電動機、一控制器和一底座，該快門葉片具有一旋轉中心，以及對應該旋轉中心設置的至少一開口區域和遮蔽區域，該至少一遮蔽區域包括沿該旋轉中心由內而外同心設置的一鏤空部分和一遮蔽部分；S2：藉由該控制器控制該旋轉電動機的旋轉，從而帶動該快門葉片的旋轉，在旋轉過程中完成一快門的開閉動作，以形成一曝光區域和一非曝光區域。
  11. 如請求項10之用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其中，該鏤空部分呈扇環形，該遮蔽部分呈環形。
  12. 如請求項10之用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其中，該步驟S2中，在形成該曝光區域和該非曝光區域過程中，該控制器控制該旋轉電動機啟動後，帶動該快門葉片進行加速-勻速-減速-靜止-加速的迴圈運動。
  13. 如請求項12之用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其中，在該快門關閉階段中，該快門葉片完成加速過程和減速過程，在該快門打開階段，該快門葉片處於勻速旋轉狀態。
  14. 如請求項10之用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其中，該步驟S2中，在形成該曝光區域和該非曝光區域過程中，該控制器控制該旋轉電動機啟動後，帶動該快門葉片進行加速-勻速-減速-勻速-加速的迴圈運動。
  15. 如請求項14之用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其中，在該快門關閉階段中，該快門葉片完成加速過程和減速過程，在該快門打開階段，該快門葉片處於勻速旋轉狀態。
  16. 如請求項14之用於光蝕刻機曝光的快門裝置的使用方法，其中，該旋轉電動機加速後的恒定速度10倍減速後的恒定速度。
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