UV25光刻机说明书.docx

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UV25光刻机说明书

UV2000-25光刻机说明书

URE—2000/25型深度光刻机说明书

中国科学院光电技术研究所

一、整机系统描述

二、性能指标和设备参数

三、系统工作原理及结构

1.工作原理

2.机械结构图

3.电控系统框图

4.关键部件结构图

5.气路图

四、电器接线图及接线表

五、环境要求

六、安装要求—场地大小、电源要求等

七、面板及仪表说明

八、操作步骤—工作过程

一、整机系统描述

URE-2000/25型深度光刻机，是在URE-2000A和URE-2000B基础上开发成功的，其主要特点是：

灯源采用200W交流高压汞灯，曝光波长使用365nm，曝光面积?

100mm（可扩展为150mm?

150mm）。

曝光系统采用积木错位蝇眼透镜实现均匀照明和平滑衍射效应。

掩模面的最大照度可达10mW/cm（用365nm探头测量，曝光面积?

100mm），照度可通过曝光系统内部的可变光栏进行调节。

对准采用双目双视场对准显微镜（可添加CCD对准系统），对准显微镜的有三对目镜和三对物镜可以互换，组合后最大倍数为375倍。

对准物镜轴距可在20mm-63mm之间变化。

在目镜中可单独观察到一个视场的像，也可同时观测到两个视场的像。

机器由单片机系统通过主机上控制面板进行操作（如带CCD的对准系统则通过主计算机进行操作）。

工件台可带动掩模样片一起作X、Y整体运动（关掉工件台真空），也可X、Y整体运动锁紧（关掉工件台真空）。

样片相对于掩模可作X、Y、Z、六维运动，其中X、Y、Z、通过手轮调节，分别通过球气浮调节。

共有2.5英寸、3英寸、4英寸、5英寸四种掩模吸盘。

二、性能指标和设备参数

曝光面积：

75mm×75mm（可扩展为φ100mm）

分辨力：

1－微米（胶厚2微米的正胶）

最大胶厚300微米（SU8胶）

套刻精度：

±微米

掩膜样片整体运动范围：

X：

15mm，Y：

15mm

掩膜尺寸：

寸，3寸，4寸，（可扩展至5寸）

样片尺寸：

直径φ15mm－φ100mm

厚度0.1mm–6mm

照明均匀性：

±3％（75mm×75mm范围）

掩膜相对于样片运动行程：

X：

±3mm；Y：

±3mm；θ：

±6度）

汞灯功率：

200W（直流）

曝光方式定时（可倒计时曝光，定时范围）和定剂量

对准光学系统调焦范围：

1.5mm

曝光面功率密度：

13mW/cm

三、系统工作原理及结构

1.工作原理和设计方案

曝光光学系统

曝光光学系统的功能主要有：

平滑衍射效应、实现均匀照明、滤光和冷光处理、实现强光照明和光强调节。

1.1.1衍射效应平滑方案

按照Fraunhofer的衍射理论，宽为2a的单缝用波长为?

的光照明，在离f远处产生的衍射光强分布是：

由于衍射使主峰旁边还有很多次峰，造成光刻线条质量下降，线条越细、距离越远、曝光波长越长，则这一现象越明显。

图1不消衍射时在工件上的光强分布图2采用积木错位蝇眼透镜时在工件上的光强分布

在本设备中采用积木错位式蝇眼透镜（结构如图3示）形成多点光源，由于采用积木错位式蝇眼透镜，保证单根积分棒截面为正方形，从而具有两好的加工性和装配性，同时保证在任意积分棒的结合处只有两个棱，故易实现不漏光，此外还保证任意积分棒和周围的积分棒等距离，对保证照明均匀性和消衍射效果明显。

从而保证光刻分辨率。

图3积木错位式蝇眼透镜

1.1.2多点光源实现均匀照明的原理

系统采用柯拉照明的原理（如图4示），积分镜是由多块蝇眼透镜拼接而成，能将能量分布不均匀的宽光束分解为若干细光束，各细光束均按柯拉原理照明在掩模面上。

由于在细光束范围内能量分布基本上是均匀的，因而在掩模面上得到均匀照明。

由于细光束均叠加在掩模的相同区域，这就实现了照明的高能量化。

图4均匀照明工作原理

1.1.3紫外波段保证措施

高压汞灯发出的光包括i线、h线、g线及可见光和红外等多种成分，其中i线、h线、g线是曝光所需要的，而可见光和红外等多种成分则对曝光是有害的。

在本方案中，椭球镜和第一块反射镜镀冷光介质膜，所有透镜均镀紫外增透膜，并在光路上配紫外干涉滤光片。

1.1.4强功率保证措施

采用200W高压交流汞灯，负透镜和积木错位蝇眼透镜均采用紫外透过率高的熔石英，并采用大包容角的椭球反射镜。

使用i线滤光片时在掩模面的能量密度可达到13mW/cm以上。

汞灯安装在一个三维工件台，通过三维调节可将汞灯调节在椭球的焦点上，这样可保证照明面的能量最强，同时保证照明均匀性最好。

另外在照明光学系统有一个可变光栏，可以调节照明面能量的强弱。

1.1.5快门控制

采用旋转气缸，通过二位五通电磁阀进行控制。

曝光方式采用到计时定时自动曝光，也可采用定剂量曝光。

由于快门位于后焦点处，因此温度很高（左右），快门叶片采用镜面不锈钢。

1.1.6冷却措施

风冷，在曝光头的后部有一个冷却风扇，在顶部有通风口。

对准测量系统

1.2.1双目双视场对准显微镜

采用双目双视场合像对准显微镜，物镜和目镜各配3对（最大倍数375倍，见图5）。

调节对准物镜手轮，其轴距可在20mm-63mm之间变化。

在目镜中可单独观察到一个视场的像，也可同时观测到两个视场的像。

对准显微镜通过手轮调节上下运动实现调焦。

物镜的倍率越大，数值孔径也越大，测量精度就高，但视场就小，焦深就短。

1.2.2CCD对准系统

对于要求CCD对准的URE-2000/25光刻机，其光学系统如图6示，光学系统总放大倍数为20倍，测量视场为。

物镜的轴距可通过手轮进行调节，其轴距可在20mm-90mm之间变化。

两套对准系统可以单独进行调焦，调焦范围?

1mm。

对于薄胶（胶厚小于5?

m），通过监视器可以同时看到掩模和硅片对准标记，可直接通过计算机监视器，调节对准工件台进行对准。

对于厚胶，首先通过CCD对掩模标记，并保存图像，将对准物镜调焦至硅片面（胶层下表面），可看清硅片面的对准标记，和已保存掩模标记图像相对，即可实现厚胶对准。

图5对准显微镜光学系统图

图6CCD对准光学系统图

工件台

工件台主要功能有：

掩模样片一起作X、Y整体运动—用于捕捉对准标记和扩大曝光面积。

样片相对于掩模作对准运动（X、Y、）—用于对准。

样片相对于掩模可作Z、三维运动—用于调平样片、分离对准间隙以及消除曝光间隙。

吸紧和校平硅片

掩模定位吸紧

抽拉掩模台—在不更换掩模快速上下片。

如图7示，工件台由XY整体运动台、XY相对运动台、球气浮调平机构、Z向上升机构、抽拉掩模台、承片台、掩模吸盘等组成

图7工件台剖面图

2.机械结构图

结构概述

如图8（照片）和图9（整机结构简图）示，URE-2000/25光刻机由主机、控制柜桌和计算机系统（不配CCD对准系统的机器不配计算机系统）组成，三个部分通过电缆线连接，可以相互分离。

主机机械结构由曝光光学系统、双目双视场对准显微镜、CCD对准系统、工件台部件组成。

整机可工作在三种状态位，即：

曝光位、显微镜对准位、CCD对准位。

结构组成

2.2.1曝光光学系统

冷光椭球镜

200W高压汞灯

XYZ汞灯调节台

光学元件：

反射镜、可变光栏、快门、负透镜、积木错位紫外石英蝇眼透镜组（75个透镜，专利技术）、i线滤光片、场镜1、场镜2、反射镜1、反射镜2。

冷却风扇

2.2.2对准工件台

掩模样片整体运动台（XY）

掩模样片相对运动台（XY）

转动台

样片调平机构

样片调焦机构

承片台3个（mm、mm、根据用户需求另设计制作一种）

掩模夹4个（2.5英寸、3英寸、4英寸、5英寸）

抽拉掩模台

2.2.3对准系统

光源、光纤、卤素灯（配备品2只）、电源

光学系统（两套）：

具备调焦功能。

CCD（两个）

采集卡

2.2.4对准显微镜

光源、光纤、卤素灯、电源

双目双视场对准显微镜主体

目镜3对（10倍、16倍、25倍，共6个）

物镜3对（5倍、10倍、15倍，共6个）

2.2.5电控系统

汞灯触发电源

单片机控制系统

计算机系统（由用户自备）

控制柜桌

软件（光盘）

2.2.6气动系统

气缸、电磁阀、减压阀、气动开关等

电磁阀驱动

气动仪表（压力表和真空表）

2.2.7其他附件

真空泵

压力空气系统（用户自备）

管道

图8URE-2000/25光刻机照片

图9整机结构简图

3.电控系统框图

如图10示，电控系统由汞灯电源、计算机系统（不配CCD对准系统的机器则没有此系统）和主控单片机系统组成。

汞灯电源由电感和触发器构成。

主控单片机系统主要检测曝光量（用于检测均匀性和调试汞灯位置）、进行积分实现参数设置（包括曝光时间和曝光剂量设置），定剂量曝光、到计时曝光控制、控制电磁阀（实现气浮调平和吸掩模）、参数记忆（原始参数和上次曝光参数记忆）、系统复位等。

图10电控系统框图

图11电控系统框图

4.关键部件结构图

曝光光学系统

如图12示为曝光光学系统（曝光头）光学结构图，200W的高压汞灯发出的光，首先由镀有冷光反射膜的椭球镜进行聚光，并初次过滤长波段的光（可见光和红外成分），再由一块冷光反射镜再一次过滤长波成份，在椭球镜的后焦点附近设置快门，通过其后的负透镜将照明光转变为平行光，同时进行扩束处理，又通过一块反射镜进行光路转折，在其后的光路中设置一个可变光栏用于调节曝光光强，其口径可在?

15mm--?

60mm变化，之后由积木错位式的积分镜进行均匀照明、消衍射和侧壁增陡处理，最后通过窄带的干涉滤光片、场镜，大反射镜等将掩模和样片的上表面照明。

在曝光头中，蝇眼透镜以前所有的光学元件都将采用石英材料，以保证短波成份的透过率高且耐温性好，所有透镜都镀短波增透膜。

汞灯安装在一个三维台子上，在XYZ三个方向的调节范围都在10mm左右。

图12曝光光学系统

工件台

如图13和图14示：

工件台为光刻机的一个关键由掩模样片整体运动台（XY）、掩模样片相对运动台（XY）、转动台、样片调平机构、样片调焦机构、承片台、掩模夹、抽拉掩模台组成。

整体运动台包括X台和Y台，运动时应关掉其锁紧真空，运动到位再打开真空。

两个方向都采用侧V型滚动导轨，运动行程约20mm。

掩模样片相对运动台（XY）位于整体运动台之上，通过一个铸件相连，两个方向也都采用侧V型滚动导轨，作相对运动时都手轮进行调节，拉簧复位。

运动行程约20mm。

样片调平机构包括球座和半球，当需要调平时在二者之间通，调平完成。

调平过程中首先通过二位三通电磁阀在球座和半球通上压力空气，再通过调焦手轮，使球座、半球、样片向上运动，使样片与掩模相靠而找平样片，并二位三通电磁阀将球座和半球切换为真空进行锁紧而保持调平状态。

样片调焦机构由调焦手轮、杠杆机构和上升直线导轨等组成，调平上升过程初步调焦，调平完成锁紧球气浮后，样片和掩模之间会产生一定的间隙，因此必须进行微调焦。

另一方面，调平完成进行对准，必须分离一定的对准间隙，也需要进行微调焦。

抽拉掩模台主要用于快速上下片，由燕尾导轨、定位挡块和锁紧手轮组成。

承片台和掩模夹是根据不同的样片和掩模尺寸而进行设计的。

掩模夹的上下面均可吸掩模，一般采用上吸掩模方式。

当采用上吸掩模方式，承片台和掩模夹需要配对更换、或大号掩模夹对小号承片台，当采用上下吸掩模方式，则不需配对使用。

承片台吸小片时只需开小片真空，吸大片时既需开小片真空也需开大片真空。

工件台是安装在一个大箱体（机器基座）上，曝光光学系统（曝光头）通过转轴转座与机器基座相连。

在转轴和转座之间由径向轴承。

曝光头的曝光位通过自位机构进行自动自位。

而CCD对准位和