TWI674483B - 一種光刻機用快門葉片裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種用於光刻機曝光系統的快門葉片裝置，包括兩個快門葉片、兩個隔熱板，每個快門葉片上連接著一個隔熱板。本發明採用快門葉片與隔熱板連接使用的方式，阻礙葉片對快門系統的熱傳導，解決了由快門熱傳導導致的快門系統工作不穩定甚至燒燬的問題。

Description

一種光刻機用快門葉片裝置

本發明關於半導體製造技術領域，尤其關於一種光刻機用快門葉片裝置。

半導體集成電路要經歷材料製備、光罩、光刻、清洗、蝕刻、摻雜、化學機械拋光等多個製程才可以製造出來，其中光刻工藝最為關鍵，決定著製造工藝的先進程度。

光刻工藝技術是指在光照作用下，借助光阻劑將光罩版上的圖形轉移到基片上的技術。其主要過程如下：首先紫外光通過光罩版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學反應；再通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域的光刻膠，使光罩版上的圖形被複製到光刻膠薄膜上；最後利用蝕刻技術將圖形轉移到基片上。

光刻工藝的核心設備是光刻機，其直接決定了集成電路最小的特徵尺寸。

在光刻機的曝光系統中，曝光快門直接決定著光刻機的曝光劑量及精度，是一極其重要的零部件。而通過對快門葉片的高速、高頻“打開-閉合”動作的控制就可以實現對曝光劑量及精度的控制。

現有中低端光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。

快門葉片作為快門的關鍵零部件，其處於高溫、高紫外輻射的惡劣工作環境中，直接承受著高功率汞燈紫外光的照射。葉片壽命及其熱傳導作用直接決定著快門系統的熱環境及快門性能，生產現場快門故障頻發和快門燒燬均跟葉片過熱有直接關係。另外，快門葉片需作高速、高頻“啟/停”旋轉運動，其工作工況決定了葉片必須具有質輕、片薄、壽命長、變形小的特性。

而現有中低端光刻機快門葉片多為薄片金屬材質，材質表面經過氧化技術處理，此快門葉片面臨的主要問題如下： （1）、葉片的熱傳導大，易導致快門工作熱環境變化，造成快門性能不穩定，輕則無法控制曝光劑量及精度，重則燒燬快門； （2）、葉片轉動慣性力大，影響快門“打開-閉合”速度，小劑量無法曝光； （3）、葉片對高能紫外光反射率低，熱累積高，容易變形，壽命短； （4）、葉片需要大量的潔淨冷卻壓縮空氣（CDA）冷卻，且要求CDA波動小，現場生產成本高。

如何有效地解決上述技術問題，是目前的一個攻堅方向。

本發明的主要目的在於，提供一種快門葉片裝置，以有效解決由快門容易傳遞熱量導致的快門系統工作不穩定甚至燒燬的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種快門葉片裝置，用於光刻機曝光系統，包括兩個快門葉片、兩個隔熱板，每個快門葉片連接一個隔熱板。

可選的，所述兩個快門葉片可以選擇性地在入射光光軸方向上有間隙。

可選的，所述兩個快門葉片閉合時，所述兩個快門葉片在垂直於入射光光軸方向上部分重合。

可選的，所述快門葉片為鋁合金材質。

可選的，所述快門葉片的厚度為0.5mm-3mm。

可選的，所述快門葉片具有一接受入射光照射的受光面，所述受光面為光滑鏡面。

可選的，所述受光面的表面粗糙度小於等於0.01μm。

可選的，所述受光面的製作採用金剛石切削加工。

可選的，所述快門葉片具有一接受入射光照射的受光面，所述快門葉片還具有一與所述受光面相對的背光面，所述背光面經過減薄處理。

可選的，所述背光面對應入射光照射區域處不進行減薄處理，或進行的減薄處理程度小於其他區域。

可選的，所述快門葉片具有一接受入射光照射的受光面，所述快門葉片還具有一與所述受光面相對的背光面，所述背光面設置一個或多個凹槽。

可選的，所述一個或多個凹槽為扇形。

可選的，所述背光面還設置有一個或多個加強筋。

可選的，所述隔熱板通過螺釘固定連接在所述快門葉片的端部。

本發明採用快門葉片與隔熱板連接使用的方式，阻礙葉片對快門系統的熱傳導，可有效解決由快門熱傳導導致的快門系統工作不穩定甚至燒燬的問題。

此外，本發明的快門葉片採用密度相對較低的鋁合金材質，且葉片的背光面採用輕量化結構設計進行了減薄處理，有效地減小了葉片的質量和轉動慣性力、提高了快門“打開-閉合”速度，方便小劑量曝光處理並提高了曝光劑量的控制精度；本發明的快門葉片受光面為光滑鏡面，大大提高了快門葉片對高能紫外光的反射率，葉片熱累積少、不易形變、使用壽命延長、生產成本降低，且葉片的熱量累積少就可以相應地減少潔淨冷卻壓縮空氣（CDA）的使用，進一步降低了生產成本。

下面將結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細的描述。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用來方便、明晰地輔助說明本發明的實施例。

參考圖1，並結合圖2，本發明提供了一種快門葉片裝置，該快門葉片裝置由第一快門葉片3、第二快門葉片4、兩個隔熱板2組成。在快門葉片裝置工作時，高能紫外光10直接照射在第一快門葉片3和第二快門葉片4的表面上，在兩個快門葉片3、4上形成高能高熱的紫外光點照射區域5。其中，高能紫外光10由光刻機曝光系統的紫外光源提供，常用的紫外光光源是高壓汞燈，高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經過濾光後使用其中的g 線（波長436 nm）或i 線（波長365 nm）。高能紫外光10的能量比較大、輻射也很強，在高能紫外光10照射到快門葉片3、4上時，快門葉片3和4處於高溫、高輻射的惡劣環境中，快門葉片3、4上的紫外光點照射區域5會有不少的熱量累積並向整個快門系統傳遞熱量。為減少快門葉片3、4對整個快門系統的熱傳導，維護快門工作熱環境和工作性能的穩定，每個快門葉片3、4的端部通過螺釘1分別連接著一個隔熱板2。其中，隔熱板2可以採用玻璃纖維、尼龍、丙烯、膠木、聚縮醛等具有隔熱性質的材質。

可選的，第一快門葉片3與第二快門葉片4在入射的高能紫外光10的光軸方向有一定的間隙，不宜過大，一般為1mm-6mm，如此，可避免第一快門葉片3與第二快門葉片4在運動期間的接觸，從而防止磨損。進一步地，兩葉片閉合時在垂直於入射的高能紫外光10的光軸方向有一定的重合量，1mm-15mm即可，如此，可增強該快門葉片裝置閉合時對高能紫外光10的阻擋能力。

如圖3所示為本發明一個快門葉片的結構，所述第一快門葉片3和第二快門葉片4可具有相互基本鏡像的結構，因此，僅以其中一個的結構進行說明。所述快門葉片的端部設置有若干螺紋通孔6，可將隔熱板2通過螺釘1固定連接在快門葉片上。其中，本發明快門葉片的固定端採用與快門葉片一體化的柔性結構，以減小快門葉片的應力變形。可選的，本發明快門葉片3、4採用鋁合金材質，在保證葉片強度和剛性的同時，具有相對密度低、質量輕的特點。進一步地，本發明的快門葉片3、4為薄板結構，包含有一接受高能紫外光10照射的受光面、一與受光面相背的背光面，快門葉片3、4的厚度一般為0.5mm-3mm。本領域技術人員還可以根據實際工況對第一快門葉片3和第二快門葉片4的形狀在本實施例的基礎上進行調整，調整範圍包括使第一快門葉片3和第二快門葉片4具有非鏡像的結構設計。

可選的，如圖3所示，快門葉片3、4的背光面採用輕量化結構設計，例如可以設計有不同形狀的減薄凹槽7，當然，凹槽7也可以是有著相同的形狀。為保證葉片3、4的強度和剛性，快門葉片3、4的背光面不宜過度減薄，還可以適當設計幾根加強筋9，加強筋9既可以是在背光面上挖減薄凹槽7時形成的，也可以是經過單獨設計後加在背光面上的。另外，考慮到快門葉片3、4閉合時，快門葉片3、4上的紫外光點照射區域5處的溫度較高，快門葉片3、4上與紫外光點照射區域5相背的背光面區域8可以不進行減薄處理，或進行的減薄處理程度小於其他區域。因此，根據一種較佳的實施例，快門葉片3、4背光面的凹槽7採用扇形。此外，無論是否進行輕量化設計，快門葉片的背光面均為粗糙面，其粗糙度值Ra大於1.6μm。

本發明的快門葉片3、4採用鋁合金材質，減小了其密度，還對快門葉片3、4的背光面做了減薄處理，減小了其體積，而物體的轉動慣性力I =∫r² dm，對於物體上某處的質元dm，當其位置一定時，該質元到物體轉軸的垂直距離r也就定了，當減小其質元dm 時，就可以減小物體的轉動慣性力。其中，dm = ρdv ，ρ為密度，dv為體積。而適當減小快門葉片3、4的轉動慣性力，就可以提高快門葉片3、4的“打開-閉合”速度，進而可解決光刻機的小劑量曝光問題。

可選的，本發明快門葉片3、4的受光面為光滑鏡面，該面的面形質量要求為粗糙度Ra小於等於0.01μm。光滑鏡面一般可由金剛石精密切削、化學機械拋光等加工方法加工而成，其中金剛石精密切削為最常用的加工方法。用天然單晶金剛石刀具切削銅、鋁等有色金屬材料，能得到尺寸精度為0.1μm數量級和表面粗糙度Ra為0.01μm數量級的超高精度加工表面。在本實施例中，快門葉片3、4由金剛石精密切削加工而成，經干涉儀檢測，其粗糙度Ra為0.006μm。在一定放大倍數下可以明顯地看出，快門葉片3、4的切削面具有平行或近似平行的金剛石切削刀痕。

對於快門葉片3、4的表面加工方法，其典型工藝路線可規劃如下：外形輪廓粗加工（如水刀切割，激光切割）；去應力熱處理；外形輪廓精加工；柔性結構加工；穩定化熱處理；細磨受光面，保證平面度；金剛石切削受光面；加工背光面凹槽（若有輕量化結構設計）；磨削背光面使其達到粗糙度要求；金剛石精密切削受光面使其達到粗糙度要求；清洗。

實驗證明通過減小葉片表面的粗糙度，可有效地提高葉片的反射率。本發明實施例葉片與一般未作金剛石精密切削處理的陽極氧化葉片的反射率對比如下。

附圖4和附圖5分別為用紫外可見分光光度計檢測的一般陽極氧化葉片和本發明實施例葉片的反射率，其中兩個入射角分別設定為8°和20°。由檢測結果可知，在紫外光波段下，一般的陽極氧化葉片反射率很低，不到1%，且紫外光波長越短反射率越低；而本發明開發的快門葉片3、4反射率高達80%以上，意味著只有少數熱量被快門葉片3、4吸收，絕大部分能量被反射，大大降低了快門葉片3、4上的熱累積。

另外，快門葉片3、4的受光面反射率高、熱累積低，快門葉片3、4工作時的溫度上升慢，維護快門葉片3、4熱環境穩定所需要的潔淨冷卻壓縮空氣（CDA）相應地消耗較少。附圖6為在2500W功率的汞燈下，葉片中心溫度隨CDA流量的變化曲線圖。一般的陽極氧化葉片隨著CDA由30L/min降低到10L/min時，葉片中心溫度由250℃線性上升至約400℃。同時，在CDA降低至10L/min時，陽極氧化葉片溫度由於過高已經遭到燒燬破壞。而本發明開發的高反射率快門葉片3、4，隨著CDA由30L/min降低到0時，快門葉片3、4中心溫度由100℃上升至160℃。與一般的陽極氧化葉片相比，本發明的快門葉片3、4熱累積少，相應地對快門系統的熱傳導也少，大大提升了快門系統的工作熱穩定性。同時，在CDA降低至0L/min時，本發明快門葉片3、4的中心溫度為160℃，遠小於一般陽極氧化葉片的燒燬溫度400℃，考慮到節約生產成本，在實際生產應用中可不用或少用CDA。

綜上，在本發明實施例提供的快門葉片裝置中，隔熱板可將葉片上的熱量進行有效隔離，阻礙葉片上的熱量傳遞至整個快門系統而影響快門性能乃至於燒燬快門；葉片材質為相對密度低、質量輕的鋁合金，並對葉片進行了適當的輕量化結構設計－－背光面的減薄凹槽，有效地減輕了葉片的質量、減小了葉片的轉動慣性力、提高了葉片的“打開-閉合”速度，可以得到更小劑量的曝光處理，同時還可以更精確地控制曝光劑量；而葉片的受光面為光滑鏡面，大大提高了葉片對高能紫外光的反射率，葉片上的熱量累積較少，葉片工作時的溫度相對較低，則葉片不易形變、使用壽命延長，相應地可以降低葉片的更換頻率，使得現場生產成本降低，同時葉片熱累積少、對快門系統的熱傳導就少，進一步維護了整個快門系統熱環境的穩定，有利於整個快門系統工作性能的穩定；另外，葉片熱累積少、葉片工作溫度相對較低，還可以相應地減少潔淨冷卻壓縮空氣（CDA）的使用，進一步降低生產成本。

上述僅為本發明的較佳實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的同等替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬本發明的保護範圍之內。

1‧‧‧螺釘

2‧‧‧隔熱板

3‧‧‧快門葉片

4‧‧‧快門葉片

5‧‧‧紫外光點照射區域

6‧‧‧螺紋通孔

7‧‧‧減薄凹槽

8‧‧‧未做減薄或部分減薄處理區域

9‧‧‧加強筋

10‧‧‧高能紫外光

圖1為本發明實施例的快門葉片裝置主視圖； 圖2為本發明實施例的快門葉片裝置左視圖； 圖3為本發明實施例的快門葉片的結構示意圖； 圖4為一般陽極氧化葉片的紫外光波反射率曲線圖； 圖5為本發明實施例快門葉片的紫外光波反射率曲線圖； 圖6為本發明實施例的冷卻空氣（CDA）流量與葉片溫度關係圖。

Claims (13)

1. 一種快門葉片裝置，用於光刻機曝光系統，其特徵在於：包括兩個快門葉片、兩個隔熱板，每個快門葉片連接一個隔熱板；其中所述快門葉片具有一接受入射光照射的受光面，所述受光面為光滑鏡面並且具有平行或近似平行的金剛石切削刀痕。
2. 如請求項1所述的快門葉片裝置，其中所述兩個快門葉片在入射光光軸方向上有間隙。
3. 如請求項1或2所述的快門葉片裝置，其中所述兩個快門葉片閉合時，所述兩個快門葉片在垂直於入射光光軸方向上部分重合。
4. 如請求項1或2所述的快門葉片裝置，其中所述快門葉片為鋁合金材質。
5. 如請求項1或2所述的快門葉片裝置，其中所述快門葉片的厚度為0.5mm-3mm。
6. 如請求項1所述的快門葉片裝置，其中所述受光面的表面粗糙度小於等於0.01μm。
7. 如請求項1所述的快門葉片裝置，其中所述受光面的製作採用金剛石切削加工。
8. 如請求項1所述的快門葉片裝置，其中所述快門葉片具有一接受入射光照射的受光面，所述快門葉片還具有與所述受光面相對的一背光面，所述背光面經過減薄處理。
9. 如請求項8所述的快門葉片裝置，其中所述背光面對應入射光照射區域處不進行減薄處理，或進行的減薄處理程度小於其他區域。
10. 如請求項1所述的快門葉片裝置，其中所述快門葉片具有一接受入射光照射的受光面，所述快門葉片還具有一與所述受光面相對的背光面，所述背光面設置有一個或多個凹槽。
11. 如請求項10所述的快門葉片裝置，其中所述一個或多個凹槽為扇形。
12. 如請求項10所述的快門葉片裝置，其中所述背光面還設置有一個或多個加強筋。
13. 如請求項1所述的快門葉片裝置，其中所述隔熱板通過螺釘固定連接在所述快門葉片的端部。