一种应用于曝光机的新型z向系统方案及实验研究

李霖

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊 065201)

接触接近式光刻设备是半导体生产及实验制造中的关键设备之一，主要用于功率电子器件、传感器、光电子器件、微波电路、MEMS(微电子机械系统)及其它新型电子元器件的单、双面对准及曝光工艺，有着较大的市场影响力。随着LED芯片市场的快速增长，LED芯片生产商对曝光设备提出了更高的要求。由于LED生产厂家及其它设备用户对曝光机生产效率、操作方便性、设备可靠性等需求，迫切需要我们在z向系统等关键技术方面有所突破、能适应LED芯片生产工艺的曝光机。

1 z向运动系统

1.1 原理

z向系统就是驱动承片台作z向运动的机构，z向运动包括基片接触掩模版的向上运动和基片与掩模微分离的向下运动。基片到位后，接触式曝光机首先驱动基片作z向运动，使基片与掩模接触并提供一定的找平力，楔形误差补偿机构在找平力的作用下完成基片对掩模的找平，即基片与掩模的均匀接触，找平后，通过某种方式(比如真空锁)保持找平效果，然后基片与掩模作微小的z向分离运动，分离后，基片上表面与掩模下表面仍保持平行，基片相对掩模作xy平面的对准运动而不损害掩模表面以及基片表面的光刻胶，对准后，再次使基片与掩模接触，最后进行曝光。

1.2 新型z向系统设计方案

z向系统是工作台的一部分，新型的z向系统方案包括驱动机构、导向机构、锁紧机构等功能机构以及气动控制、执行等辅助装置。其示意图如图1所示。z向采用气缸驱动，靠调节气缸的压力来保证所需的接触力，微分离也采用气动驱动，z向抬升和微分离均由空气轴承导向。其楔形误差补偿机构采用气浮球碗的方式，能够在较小的接触力下完成找平，降低了碎片的可能性，提高成品率。

图1 z向系统示意图

z向系统主要实现以下三种功能：

功能一：支持承片台。承片台背面固联一个球段，它与中央活塞顶部的锥形球座配合，此配合使得找平时承片台可以掩模版为基准在各个方向“摆动”，完成找平，找平后用真空锁住配合。对于脆性基片，在球面配合之间导入压缩空气，使得找平过程低摩擦，阻力小。

功能二：z向抬升运动，使得基片到达曝光位置。z向运动系统的核心是一个长配合的空气轴承，使得抬升运动没有侧移、无需润滑、免维护。提供抬升运动驱动力的是一个特殊的气缸。它完全密封，几乎没有空气泄漏；极低摩擦，对微小的压力变化能作出灵敏的反应；可以0.01 MPa的微压操作，即使在低速状态下，亦能平顺操作无爬行；不需要在空气配管上设置润滑器，非常适合接触力的调整。避免了使用普通气缸的低速爬行现象，基片与掩模接触无冲击。z向系统零件选用轻质材料，使得气缸的驱动压力很低，并且可精确控制，对掩模和基片的损伤很小。

图2 接触力气动控制原理

图2为接触力气动控制原理图。节流阀F39控制z轴上升的速度。活塞上升太快，基片对掩模造成冲击，发出撞击声，且容易碎片。压力开关S9控制找平力。当气缸中的压力达到S9的设定值时，找平完成。改变压力开关S9的设定压力值，就可调整找平力。精密减压阀R5用来设定微分离时气缸中的压力。R1压力设定为0.1 MPa。R5压力设定为0.05 MPa～0.1 MPa。关键压力参数调整其减压阀带有表头。

功能三：微分离。基片和掩模第一次接触以后，运动的空气轴承套被锁紧在分离套上，短暂的延时后分离环充气膨胀，推动分离套/空气轴承套的联合体向下作微小的运动，基片与掩模微分离。调整气囊的充气压力可精确调整微分离量，精密减压阀保证充气压力的重复精度，从而保证微分离量的重复精度。微分离也通过空气轴承导向。分离套通过两层弹性膜片悬挂在壳体上，在z向上具有柔性，而在x，y方向则有很大的刚性。这种设计使得漂移运动降到最小程度。

1.3 实验研究

先期制作完成了一些实验件对z向运动系统的部分功能进行了实验验证，实验气路如图3所示。其中 R1、R4、R5均采用精密减压阀。R1：z向抬升时气缸的压力。R5：微分离时气缸中的压力。R4：分离气囊的充气压力。R1影响z向抬升的速度和找平力；R5对分离间隙起辅助影响；R4对分离间隙起主要作用。

图3 z向系统实验气路控制图

1.3.1 空气轴承

空气轴承按双列环形布置节流孔。采用带气腔的喷嘴节流形式。

实验过程中，空气轴承供气后，空气轴承套与导向杆配合面之间形成气膜，空气轴承套在径向的偏移受阻，用手不能晃动，证明它具有较高的径向刚度，气缸运行非常平稳轻柔。空气轴承的耗气量较小，将手放在试验装置上方才能微微感觉其排气。

1.3.2 气缸

实验数据见表1。

表1 气缸实验数据

从表1中可以看出，气缸的启动压力为0.04 MPa，在0.04 MPa下，其速度非常慢，低于10 mm/s，气缸低速运行平稳，无爬行现象，但未走完全程。通过精密减压阀逐渐增大气缸压力到0.1 MPa，可以看到气缸的速度逐渐增大，气缸行程也有较高的一致性。这说明气缸在没有密封摩擦的情况下，对压力的变化非常敏感，因此找平力的调整可以做到方便、精密。去掉气缸中的压力，气缸能很快落下，气缸抬升过程中无转动。

1.3.3 锁紧装置的性能

(1)不加负载：气缸供气压力为0.1 MPa，锁紧压力为0.4 MPa，在气缸上升过程中的任意位置按下锁紧按钮，气缸停住1～2 s后继续向上窜动，未达到锁紧要求；气缸供气压力为0.1 MPa，锁紧压力增大到0.5 MPa，重复上述步骤可以锁紧；

(2)加650 g负载：气缸供气压力为0.1 MPa，锁紧压力为0.4 MPa，在气缸上升过程中的任意位置按下锁紧按钮，气缸停止1～2 s后继续向上窜动，未达到锁紧要求；气缸供气压力为0.1 MPa，锁紧压力增大到 0.5 MPa，重复上述步骤可以锁紧。

1.3.4 微分离量调整和重复精度

负载650 g,空气轴承供气压力0.5 MPa，滚动隔膜气缸压力0.1 MPa，锁紧环供气压力0.5 MPa，每次在气缸上升到估计的工作行程时锁紧，测相隔120°的3个点的分离间隙。表2给出了其中一组实验数据，从所得数据中可以看出，不同的分离压力对应不同的分离间隙，在相同的分离压力下分离间隙的波动也较小，具有较好的一致性，可以通过控制分离压力得到不同的微分离距离。

通过以上几方面的实验，说明z向运动系统在原理上是正确的，在正式实施之前还有以下几点需要考虑：

(1)在相同分离压力下分离间隙有小的波动，可能是因为锁紧力不够即锁紧间隙过大造成，可以在设计时减小锁紧间隙；

(2)用于锁紧及分离的锁紧环、锁紧片和膜片的材料选择需进一步考虑。

2 结束语

设计了一种曝光机的新型z向系统方案，该方案采用气动驱动的方式，通过控制气体压力来调整接触力，对工艺参数进行优化；通过空气轴承导向减少漂移，提高套刻精度，完成找平、微分离的自动控制，提高曝光机的工作效率、操作方便性、工艺适应性以及设备的可靠性。并通过实验对其部分功能进行了验证，为进一步实用化奠定了基础。

表2 微分离实验数据