全自動(dòng)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊建章

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

全自動(dòng)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊建章

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

對(duì)全自動(dòng)光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，探討了整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)結(jié)構(gòu)、安裝時(shí)的步驟和要求，以及XY平臺(tái)的靜態(tài)特性分析。

全自動(dòng)光刻機(jī)；對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)；顯微鏡；調(diào)焦機(jī)構(gòu)；XY平臺(tái)

全自動(dòng)光刻機(jī)主要用于分立器件、二極管、IC器件和其它各種半導(dǎo)體元器件制造工藝中的對(duì)準(zhǔn)及曝光，其工作過程是由機(jī)械手將基片從上片盒（取片）——預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（預(yù)對(duì)準(zhǔn)）——工作臺(tái)（對(duì)準(zhǔn)、曝光）——收片盒（收片）的一系列動(dòng)作，進(jìn)行自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和自動(dòng)曝光，極大減少了人為操作。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是全自動(dòng)光刻機(jī)的重要部件，其主要功能就是將工作臺(tái)上的硅片標(biāo)記與掩模版上的標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，一個(gè)硅片在一個(gè)工藝流程中的曝光次數(shù)可能達(dá)到數(shù)次，而對(duì)準(zhǔn)精度直接影響硅片的套刻精度，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，所以硅片的對(duì)準(zhǔn)精度非常關(guān)鍵。

1 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)主要由顯微鏡及CCD成像系統(tǒng)、顯微鏡z向調(diào)焦機(jī)構(gòu)、顯微鏡XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等組成。其對(duì)準(zhǔn)過程一般是：基片傳輸?shù)焦ぷ髋_(tái)上，吸真空后與掩模版進(jìn)行找平，抬升基片使基片與掩模版同時(shí)在顯微鏡成像景深范圍內(nèi)，顯微鏡在預(yù)先定位的掩模版標(biāo)記周圍一定范圍內(nèi)x、y方向掃描尋找基片上標(biāo)記，然后z向微調(diào)焦使掩模版和基片上標(biāo)記同時(shí)成像清晰，根據(jù)掩模版和基片上圖形標(biāo)記進(jìn)行匹配識(shí)別并計(jì)算位置誤差，再根據(jù)標(biāo)記位置誤差控制工作臺(tái)x、y向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行反饋微調(diào)，最終完成標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1 顯微鏡設(shè)計(jì)

對(duì)準(zhǔn)顯微鏡是用來(lái)測(cè)掩模版和基片對(duì)準(zhǔn)的工具。分離視場(chǎng)顯微鏡則要求同時(shí)對(duì)準(zhǔn)掩模版及基片上相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)標(biāo)記，這就要求兩個(gè)顯微鏡對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)標(biāo)記，兩個(gè)標(biāo)記經(jīng)兩個(gè)物鏡成像后合在一個(gè)像面上，再通過CCD系統(tǒng)呈現(xiàn)在顯示屏上。

顯微鏡由光學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。由于對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中的兩條光路完全相同，所以在下面的介紹中只詳細(xì)地闡述了其中的一條光路。光學(xué)結(jié)構(gòu)包括無(wú)限共軛結(jié)構(gòu)的物鏡、管鏡和照明光路三大部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。管鏡和物鏡的焦距決定了顯微鏡的放大倍率，物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了顯微鏡的分辨率，照明光路采用遠(yuǎn)心柯拉照明，保證了顯微鏡視場(chǎng)范圍內(nèi)的照明均勻性。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分不僅能對(duì)光學(xué)結(jié)構(gòu)有很好的固定作用，還起著關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用，機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮光學(xué)系統(tǒng)的最大功效，輔助光學(xué)系統(tǒng)完成相關(guān)的顯微鏡觀察工作。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用的是鏡座式的安裝方法，此方法有以下兩種好處：一是每個(gè)光學(xué)件都是獨(dú)立安裝，裝配更加方便；二是可以對(duì)每一個(gè)光學(xué)件進(jìn)行位置上的微調(diào)，用來(lái)補(bǔ)償機(jī)械加工造成的誤差，從而保證成像的質(zhì)量。在裝配時(shí)要保證光學(xué)件的軸線對(duì)齊，因此在設(shè)計(jì)機(jī)械件時(shí)應(yīng)確保安裝基準(zhǔn)面的選擇和尺寸公差的大小。

圖2 顯微鏡對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

CCD的安裝是通過套筒連接、頂絲固定的方式，這樣可以調(diào)整CCD靶面與光學(xué)件的前后距離，從而找到成像最佳的位置。

2.2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

顯微鏡的調(diào)焦是為了得到清晰圖像而調(diào)節(jié)物鏡與掩模版和基片的距離，即調(diào)節(jié)顯微鏡的z向行程，調(diào)焦行程為±5 mm。調(diào)焦機(jī)構(gòu)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行z向的往返運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。安裝時(shí)保證線性滑臺(tái)與連接板底面的垂直度不大于0.005 mm；安裝z向絲杠組件，保證線性滑臺(tái)側(cè)面與絲杠母平行度為0.02 mm。

圖3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)圖

2.3 XY平臺(tái)設(shè)計(jì)

XY平臺(tái)可以保證顯微鏡運(yùn)動(dòng)到基片的標(biāo)記位置上，其運(yùn)動(dòng)指標(biāo)為：x向行程35～100 mm，y向行程+10～-70 mm，最大負(fù)載質(zhì)量20 kg，定位精度±1 μm。XY平臺(tái)分為上下兩層，底層為y方向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)和同步帶輪通過絲杠將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行y向運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 安裝時(shí)的步驟和要求

安裝y向絲杠組件時(shí)，保證絲杠母前后移動(dòng)時(shí)與導(dǎo)軌基座的安裝定位基準(zhǔn)面A的平行度為0.03 mm，見圖4所示。

圖4 y向絲杠組件的安裝示意圖

安裝y向?qū)к壐睍r(shí)，將兩根交叉滾柱V型導(dǎo)軌副安裝在導(dǎo)軌基座和中導(dǎo)軌座上，中導(dǎo)軌座無(wú)緊定螺釘一側(cè)靠實(shí)緊定安裝螺釘，中導(dǎo)軌座有緊定螺釘一側(cè)的安裝螺釘不要完全緊定，調(diào)整中導(dǎo)軌座側(cè)面的緊定螺釘，均勻地施加壓力，中導(dǎo)軌座上的導(dǎo)軌受力同時(shí)，往復(fù)推動(dòng)導(dǎo)軌，在動(dòng)導(dǎo)軌與定導(dǎo)軌之間無(wú)明顯間隙，且兩個(gè)導(dǎo)軌無(wú)明顯錐度，如圖5所示將表吸附在中導(dǎo)軌座上，安裝的組件及四棱尺放置在大理石平臺(tái)上，調(diào)節(jié)緊定螺釘保證在y向行（+10～-70 mm）范圍內(nèi)導(dǎo)軌相對(duì)于基準(zhǔn)面的平行度，保證垂直方向ΔA不大于20 μm，水平方向直線度ΔB不大于8 μm，將中導(dǎo)軌座上的螺釘緊定。

圖5 y向?qū)к壐钡陌惭b打表示意圖

上層為x方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)與y向類似，安裝x向的絲杠組件與y向方法相同。安裝完x向?qū)к壐睍r(shí)，如圖6所示將表吸附在中導(dǎo)軌座2上，安裝的組件及四棱尺放置在大理石平臺(tái)上，調(diào)節(jié)緊定螺釘保證在x向行程（35～100 mm）范圍內(nèi)導(dǎo)軌相對(duì)于基準(zhǔn)面的平行度，保證在垂直方向ΔA不大于10 μm，水平方向直線度ΔB不大于7 μm，將中導(dǎo)軌座上的螺釘緊定。

圖6 x向?qū)к壐钡陌惭b打表示意圖

2.3.2 靜態(tài)特性分析

根據(jù)所選的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和絲杠材料尺寸可由下面的公式計(jì)算出電機(jī)最大軸向驅(qū)動(dòng)力：

電機(jī)的最小輸出扭矩：

其中，μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)（取為0.05），m為系統(tǒng)負(fù)載總質(zhì)量（20 kg），P為絲杠導(dǎo)程（0.002 m），γ為絲杠正效率（取0.9）。

負(fù)載換算成電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

其中，W為運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量（10 kg），i為減速比等于1。

絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

其中，ρ為絲杠材料密度（7.9 kg/m3），L為絲杠總長(zhǎng)（0.175 m），D為絲杠外徑（0.008 m）。

則絲杠的最大角加速度為：

其中，T為電機(jī)靜力矩（0.09 N·m），η為效率0.9，k為安全系數(shù)（取1.8）。

軸向加速度為：

圖7 XY平臺(tái)總變形

3 工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行光刻工藝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的功能性。首先將基片和掩模版分別放入承片臺(tái)和掩模版架上，其次對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)通過XYZ方向的運(yùn)動(dòng)，先將基片上的標(biāo)記通過識(shí)別中心的方式識(shí)別出來(lái)，然后將掩模版上的方框與基片上的十字標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，最終完成對(duì)準(zhǔn)功能，其對(duì)準(zhǔn)效果如圖9所示。

圖9 標(biāo)記識(shí)別及對(duì)準(zhǔn)效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)及光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)全自動(dòng)光刻機(jī)

可得軸向最大驅(qū)動(dòng)力：

圖7為軸向電機(jī)在94 N的最大驅(qū)動(dòng)力作用下，XY平臺(tái)的整機(jī)變形圖。由圖可知，最大變形量小于1 μm，其余地方變形量極小，故忽略不計(jì)。

圖8 XY平臺(tái)應(yīng)力圖

圖8為在軸向電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力作用下，XY平臺(tái)整機(jī)應(yīng)力圖。由圖可知，導(dǎo)軌與滑塊連接處最大應(yīng)力值為1.93 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，并對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)和XY平臺(tái)的安裝步驟和要求進(jìn)行了說(shuō)明，以及對(duì)XY平臺(tái)進(jìn)行了靜態(tài)特性分析，最后完成工藝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的功能性。

[1] 畢克允，胡先發(fā).微電子技術(shù)（第二版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2]《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯組.光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1972.

[3] 蓋德編（美），張海霞，譯.微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 董彤.機(jī)械裝配技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[5] 印波，李克天，劉吉安，等.微電子封裝設(shè)備精密定位系統(tǒng)的分析[J].裝備制造技術(shù)，2008(11)：41-44.

The Design and Research of the Alignment System for Automatic Lithography Machine

YANG Jianzhang

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The analysis and research on the alignment system of the automatic lithography machine，the overall mechanical structure，optical structure，installation steps and requirements and the static characteristics analysis of XY platform are discussed.

Automatic lithography machine；Alignment system；Microscope；Focusing system；X-Y platform

TN305

B

1004-4507(2017)04-0060-04

楊建章（1991-），男，北京，助理工程師，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體光刻設(shè)備的研究。

2017-05-04