投影光刻機鏡頭的裝校關(guān)鍵工藝與技術(shù)

1、投影光刻機鏡頭的裝校關(guān)鍵工藝與技術(shù)【關(guān)鍵詞】投影光刻機,光刻鏡頭,裝校工藝【論文摘要】重點介紹投影光刻鏡頭的裝配結(jié)構(gòu)、材料和加工、定心、檢測、調(diào)整、連接等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的基本要求、工藝方法和保證措施。在此基礎(chǔ)上介紹了一種光刻鏡頭專用裝校系統(tǒng)；最后結(jié)合我國的光刻鏡頭研制現(xiàn)狀和存在問題對今后的發(fā)展方向提出幾點個人見解。 第一章 前 言投影光刻鏡頭是微電子生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝設(shè)備分步投影光刻機的核心部件。隨著微電子生產(chǎn)工藝不斷向微細化、集成化發(fā)展，對光刻鏡頭的要求越來越高，從而推動著光學(xué)制造技術(shù)在近十幾年時間內(nèi)從材料、設(shè)計、加工、檢測、裝校等各方面全面向前發(fā)展， 加上激光技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)而古老的光學(xué)制造技術(shù)

2、在內(nèi)容上發(fā)生了深刻變化，也使得在微電子工業(yè)中被認為壽終正寢的光學(xué)光刻技術(shù)煥發(fā)出新的青春。一個高性能光刻鏡頭的制造典型地反映和代表了當今世界光學(xué)制造技術(shù)的最高水平和高新技術(shù)的含義，這是因為設(shè)計制造這樣的鏡頭意味著以下一些復(fù)雜技術(shù)問題的解決：* 尋求并獲得在紫外和深紫外波段的高性能指標的光學(xué)材料； * 探索新的光學(xué)結(jié)構(gòu)或?qū)Φ湫徒Y(jié)構(gòu)進行合理有效的復(fù)雜化； * 先進的光學(xué)設(shè)計軟件、豐富的像差校正經(jīng)驗并取得近乎完美的計算結(jié)果； * 具備高精度的檢測分析手段； * 掌握和具備高精度光學(xué)零件、機械零件的加工工藝和手段； * 尋找品質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)膜系材料和膜系設(shè)計結(jié)果，具備高精度的膜系控制和檢測手段； * 掌握

3、和具備相應(yīng)的裝配工藝、技術(shù)、材料和手段； 此外還應(yīng)包括嚴格的環(huán)境條件控制和配套設(shè)施。下面著重介紹與光刻鏡頭裝配有關(guān)的工藝和第二章 光刻鏡頭的裝配概念光刻鏡頭裝配的最終目標就是嚴格按照理論設(shè)計的要求保證鏡頭每個鏡片的相對空間位置。對球面鏡片而言，它們的空間相對位置由兩個量決定，一個是沿光軸方向的間隔，另一個是鏡片光軸與鏡頭光軸之間的偏差c。因此光刻鏡頭的裝校問題從本質(zhì)上說就是如何使=理論計算值，使c=0的問題。這就必然涉及到裝配結(jié)構(gòu)、過程、方法、手段和使用材料等工藝技術(shù)問題。本章先就光刻鏡頭的裝配結(jié)構(gòu)和裝配過程作一介紹，以便對光刻鏡頭有一個清楚的裝配概念。光刻鏡頭的裝配結(jié)構(gòu)光刻鏡頭對裝配精度的要

4、求一般在微米和亞微米的量級，為了保證這一點，光刻鏡頭的裝配結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較大的差別，主要體現(xiàn)在： (1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)用普通加工精度的隔圈或套筒來保證鏡片的軸向間隔，隔圈或套筒的加工精度(直徑、長度L)一般在數(shù)十微米的量級。并且確定和L時以理論計算值為根據(jù)，不去顧及計算值與帶有加工誤差的實際值之間的差別和其它因素反映在實際間隙上的誤差，因此，不可能有很高的實際精度。而光刻鏡頭用精密加工的鏡框軸向基準面之間的實際距離(H)來保證鏡片的軸向間隙，并且對H最放松的加工誤差也不會超過5 m，它更真實地反映了鏡片的實際間隔。 (2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對鏡片偏心量c的控制是依靠鏡筒、隔圈、套筒、鏡框的機械加工精度或者鏡

5、片本身的磨邊精度來保證的。這些件的加工精度一般在數(shù)十微米，加上裝配間隙也在數(shù)十微米，因此偏心的控制精度就可想而知。而光刻鏡頭是在高精度(1m)定心儀的實時監(jiān)視下，通過高精度加工的鏡框定位面和直接在定心監(jiān)視下連接固定鏡片來保證偏心量的。這不僅反映了偏心量的真實情況而且在精度上有了數(shù)量級的提高。 (3)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對鏡片的固定采用包邊或壓圈一類的機械固定法，給鏡片造成較大的應(yīng)力，嚴重破壞光學(xué)鏡頭成像質(zhì)量。光刻鏡頭用低應(yīng)力光學(xué)結(jié)構(gòu)膠固定，大大減輕了應(yīng)力，有利于成像質(zhì)量的保證。 (4)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中鏡筒、隔圈、壓圈、套筒、鏡框是不可缺少的結(jié)構(gòu)件，大鏡片直接固定，小鏡片在鏡框中包邊后固定。所有結(jié)構(gòu)件都是保證裝配

6、精度的重要因素，光刻鏡頭裝配結(jié)構(gòu)中只有一種對裝配精度起決定作用的鏡框和一個對裝配精度沒有太大影響的鏡筒。鏡筒只起外界保護和整體定位作用。光刻鏡頭的裝配過程從以上介紹可以清楚看出，光刻鏡頭的裝配結(jié)構(gòu)和工藝流程在保證裝配精度方面充分體現(xiàn)了更為直接,更為真實和更為實時的3個特點。 第三章 光刻鏡頭裝配的關(guān)鍵因素總體上講，在光刻鏡頭的整個裝配過程中，沒有那個工藝環(huán)節(jié)是不重要的，無論哪個環(huán)節(jié)的失敗都裝不出合格的鏡頭。根據(jù)本人的了解和體會，以下關(guān)鍵因素應(yīng)引起高度重視。3.1 裝配材料這里所說的材料一個是指制造鏡框和鏡筒的金屬材料，另一個是指固定鏡片的光學(xué)結(jié)構(gòu)膠。3 鏡框鏡筒材料光刻鏡頭的鏡框和鏡筒一般是用

7、銅合金或鋁合金制作。對選擇材料的主要要求是： (1)較高的硬度。因為鏡框的連接使用螺釘固定，鏡框受到的擠壓力較大，硬度不夠?qū)a(chǎn)生擠壓變形，一方面破壞裝配精度，另一方面會產(chǎn)生擠壓應(yīng)力并傳遞到鏡片上而影響成像質(zhì)量。 (2)良好的熱穩(wěn)定性。光刻鏡頭在工作時受到大功率的光源照射，并且為了消除雜光，鏡框內(nèi)表面往往要加工成微細螺紋面并氧化成黑色，因此極易吸收熱量，盡管對光源已采取了冷光反射處理，有效地濾除了紅外成分，但仍會有可觀的熱量存在，被鏡框吸收產(chǎn)生受熱膨脹變形而影響成像質(zhì)量。(3)良好的精密加工性能。在鏡框上加工出的裝配基準面平面度在微米級，表面粗糙度在0.0160以上，用金剛石刀具加工而成。材料的

8、加工性能不好就不能有效地保證。起初，國外大都用銅合金材料，一個大數(shù)值孔徑的鏡頭重量達100 kg以上，因此現(xiàn)在傾向于用鋁合金。這就要求尋找一種特殊的鋁合金材料并掌握這種材料的熱處理工藝，一般來說在鏡筒和鏡框的機械加工過程中要經(jīng)過數(shù)道熱處理工序才能保證上述要求。對鏡筒來說，雖然作用與鏡框不同，但光刻鏡頭的鏡筒直徑一般在200350 mm。長度在6001 200 mm，與鏡框外徑基準面的配合間隙在5 m左右，并有要求很高的加工直線度和圓柱度。這樣的大尺寸、高精度薄壁零件對材料的要求與鏡框是完全類似的。3 低應(yīng)力光學(xué)結(jié)構(gòu)膠前面提到鏡片是用結(jié)構(gòu)膠粘接固定在鏡框上的。因此對結(jié)構(gòu)膠的要求是在不產(chǎn)生固化應(yīng)力

9、的前提下具有良好的粘附性能。這可能是一個很難完全調(diào)和的矛盾。要尋找一種滿足這種要求且理想的膠十分困難，國外都是鏡頭制造廠家自己研究配制，并把其配方作為Knowhow看待嚴加保密。本人根據(jù)觀察分析認為，即使國外也沒有很理想的膠。只是相對好些而已，現(xiàn)實的是優(yōu)先保證低應(yīng)力，適當犧牲粘附性，因為所有的光刻鏡頭的包裝和使用資料都明確提示人們在運輸和存放時保證鏡頭直立、嚴禁側(cè)臥。另外，粘接面的選擇或粘接點的排布以及粘接方法也十分重要。從現(xiàn)實看，既有選擇點粘接的，也有選擇面粘接的。無率采用哪種形式，保證均勻性是必須的，否則也會產(chǎn)生應(yīng)力。對高精度的鏡片來說，只要有應(yīng)力存在，在激光球面干涉儀或應(yīng)力儀上都是可以明

10、顯看出。3.2 鏡框基準面的精密加工鏡框基準面的加工是保證裝配精度最重要的一步，必須在一臺特制的高精度定心車床上進行，并且最好是立式車床。車床主軸精度應(yīng)在亞微米級，通常只有空氣或液體靜壓主軸才具有這種高精度。定心儀的定心精度也應(yīng)在亞微米級。設(shè)計時，定位面的寬度不大于10 mm。一般上定位面為一連續(xù)的環(huán)帶面，下定位面為3個點面。在預(yù)加工鏡框時已為精加工留出了幾百微米的余量。進刀可分數(shù)次進行，每次進刀量約為20 m，最后一次進刀量應(yīng)不大于10 m。每次切削一氣呵成，不能停頓。另外注意吃刀量、車削速度和主軸轉(zhuǎn)速的最佳配合以及刀具的正確裝夾。3.3 定心定心對任何光學(xué)鏡頭裝配都是要貫徹始終的工作，只不

11、過對光學(xué)鏡頭的定心精度要求更為嚴格而已。光刻鏡頭裝配過程中的定心分為3個階段。 (1)粘接定心。鏡片粘入鏡框時要在定心監(jiān)測下進行，目的是保證鏡片光學(xué)軸與鏡框幾何軸重合。此時對定心精度要求雖然不是十分高，但也不能存在太大的偏差，剩余偏差量必須在下一步的精加工中能夠修正過來。對定心儀和轉(zhuǎn)軸的精度要求仍然很高。粘接定心以鏡框幾何軸為基準，調(diào)整鏡片位置來完成。因此，鏡框的初加工精度是要嚴格保證的。精加工只對基準面而言，其它的尺寸在初加工時就應(yīng)滿足要求。 (2)精加工定心。鏡框基準面的精加工更要在高精度定心儀檢測下進行。它是以鏡片光學(xué)軸為基準，修切基準面使鏡框幾何軸與鏡片光學(xué)軸重合，因此車床的主軸精度十

12、分關(guān)鍵。 (3)連接定心。這是把第二步中已經(jīng)定心加工好的帶框鏡片在嚴格保證每個鏡片的光學(xué)軸完全重合的情況下一個個地推疊起來并加以固定。因此這是決定性的定心步驟，是鏡頭成敗的關(guān)鍵。連接定心是以精密主軸為基準的，它也是最后形成的鏡頭光軸。每個鏡片的光軸都要以這個軸為基準調(diào)整重合。由此可見，這個主軸的精度對光刻鏡頭的裝配精度是多么重要。此外，鏡頭連接用的定心儀不僅要求高的精度，而且最好是可調(diào)焦的。因為這一步的定心要包容所有鏡片的定心準直點，范圍很大，更換定心儀物鏡既不方便也會帶來一些其它不利因素。3.4 裝校參數(shù)裝校參數(shù)是指在光刻鏡頭裝校過程中必須要知道的已知測量參數(shù)、過程測量參數(shù)和理論計算參數(shù)。

13、(1)已知測量參數(shù)包括每個鏡片的材料折射率N和鏡片實測厚度d，實測球面半徑R1、R2。 (2)過程參數(shù)是裝配過程加工并測量而得知的參數(shù)。過程參數(shù)包括D、H和h。過程參數(shù)在裝配過程中是要傳遞的，即后一個參數(shù)的確定是以前一個參數(shù)為根據(jù)的。 (3)理論計算參數(shù)包括： 兩個鏡片之間的空氣間隔，每個鏡片球面的垂直放大率和每個鏡片表面的自準直位置Lz(距裝配時最上那個球面頂點的距離)。以上這些參數(shù)除了理論計算參數(shù)在鏡頭設(shè)計時就要嚴格給定外，其它參數(shù)都是在鏡片加工和鏡頭裝配過程中經(jīng)過嚴格的精密測量而得到的，甚至包括材料的折射率N也不以材料廠家給出的值為準，還要經(jīng)過自己實測得到精確值。因此，光刻鏡頭的制造涉及

14、許多高精密的檢測計量儀器，使一些廠家感到買的起馬，配不起鞍。3.5 連接固定光刻鏡頭的每個鏡片都有一個鏡框，鏡框之間是用3個螺釘串聯(lián)連接固定的。需要注意，定好心的帶框鏡片在連接固定時因受力不均發(fā)生跑偏或者產(chǎn)生應(yīng)力。解決這個問題一是固定螺釘和螺孔在加工時要光滑無刺，配合松緊適當，加工時最好配作。二是裝配者在緊固過程中要用力均勻，分多次少量循環(huán)進給完成緊固 ，3個螺釘?shù)臄Q緊程度相同，用力矩扳手為好。緊固過程始終在定心儀的監(jiān)視下進行。緊固好后仔細檢查偏心情況，必要時重新調(diào)整，直到滿意為止。另外，隨著裝配高度和重量的增大，如果主軸的承載能力不夠或間隙精度不夠，會產(chǎn)生大的偏擺，使定心無法進行，因此對精密

15、主軸的要求是極其苛刻的。第四章 光刻鏡頭專用裝配系統(tǒng)光刻鏡頭是隨著分步投影光刻機的發(fā)展而發(fā)展的。在起步的初期，光學(xué)制造廠家還從未遇到過如此困難的制造任務(wù)，沒有什么專用設(shè)備儀器可以利用，都是在傳統(tǒng)光學(xué)制造的基礎(chǔ)上自行設(shè)計制造一些單一功能的土法設(shè)備儀器。同時，也沒有成熟的制造工藝，處于一邊摸索一邊試驗總結(jié)的階段。隨著這一領(lǐng)域的迅速發(fā)展，現(xiàn)在世界幾家主要光刻鏡頭生產(chǎn)廠家在技術(shù)上、工藝上日臻完善成熟，已經(jīng)研制出多種性能指標十分優(yōu)良的光刻鏡頭加工、裝配和檢測系統(tǒng)。本節(jié)介紹一種光刻鏡頭專用裝配系統(tǒng)。這種系統(tǒng)從本質(zhì)上講是一臺配有若干項檢測功能的高精度立式車床。 整個系統(tǒng)固定在一個大理石工作臺上，工作臺用氣墊

16、支撐，放在防震地基上；空氣主軸上部設(shè)計有供調(diào)整的平移調(diào)整板和傾斜調(diào)整板；主軸由編碼電機軟連接驅(qū)動；大理石臺面上主軸兩側(cè)設(shè)有直徑測量儀、厚度測量儀和自動調(diào)整電磁錘。工作臺上方為x向氣浮導(dǎo)軌，溜板就跨騎在導(dǎo)軌上，并靠平面電機驅(qū)動；溜板上固定有能夠z向運動的刀架，刀架也用平面電機驅(qū)動；另固定有測量透鏡矢高的H測量儀；定心顯微鏡能被驅(qū)動沿垂直導(dǎo)軌作上下移動并在系統(tǒng)安裝調(diào)整與空氣主軸嚴格同心。此外，該系統(tǒng)還配有壓縮空氣配給系統(tǒng)，向空氣主軸和氣浮導(dǎo)軌送氣；真空系統(tǒng)輔助氣浮導(dǎo)軌定位鎖緊；切削吸附收集系統(tǒng)在加工時能將碎屑及時吸走以保持環(huán)境清潔。激光干涉系統(tǒng)由同一光源分為5路，分別測量溜板的x行程，刀架z向行程

17、，H儀矢高測量和環(huán)境監(jiān)控測量。另外，還引出一路備用，用來在安裝設(shè)備時調(diào)整主軸精度。這種系統(tǒng)的控制全部程序化，程序設(shè)計十分符合裝配要求。除了鏡框直徑和厚度的測量需要人工干涉外，加工、定心調(diào)整、矢高測量都可以在預(yù)先設(shè)定后自動進行。加工和連接在通一臺設(shè)備上進行。該系統(tǒng)的主要指標： 主軸轉(zhuǎn)速控制： 加工時最大500 rmin偏心檢查時25 rmin加工合金材料精度：側(cè)面圓柱度0.2 m端面平面度0.5 m重復(fù)精度： 50R500 mm時 0.2 m500R1500 mm時 0.5 mR1500 mm時 1弧秒定心范圍： +-(不包括+505-50)鏡框直徑測量精度： 3 m鏡框厚度測量精度： 3 m這

18、種裝配系統(tǒng)把鏡框精密加工和鏡頭裝配在通一臺設(shè)備上完成，減少了傳遞環(huán)節(jié)，保證了精度的統(tǒng)一，同時裝配比較方便，從而較好地保證了光刻鏡頭的裝配要求。但是，這種系統(tǒng)的研制也是非常復(fù)雜和困難的，價格十分昂貴。第五章 我國光刻鏡頭的研制現(xiàn)狀、存在問題 和發(fā)展建議我國在光刻鏡頭的研制上起步并不算晚，當1976年美國GCA公司向世界推出第一臺Mann4800分步光刻機后就立刻引起了我國有關(guān)廠所的關(guān)注，并接觸到投影光刻鏡頭的概念。此后，原電子部四十五所、長春光機所、浙江大學(xué)、成都光電所也都先后程度不同地探索過這種鏡頭的設(shè)計和制造技術(shù)?！鞍宋濉焙汀熬盼濉逼陂g，原電子部四十五所和成都光電所都承擔了分步投影光刻機的攻

19、關(guān)研制任務(wù)，其中包括鏡頭的研制。原電子部中科院把光刻鏡頭作為重點基礎(chǔ)研究項目賦予有關(guān)研究所進行探索研究。到目前為止國內(nèi)曾先后研制出了幾個技術(shù)指標相當于國外90年代初期水平的g線和i線光刻鏡頭。應(yīng)該說我國在這方面開展了一些很有意義和價值的工作，取得了一些成績和經(jīng)驗，尤其在鏡頭的設(shè)計和技術(shù)理論儲備上有很大的進展。但同時我們也應(yīng)該看到還存在以下問題： * 發(fā)展速度太緩慢； * 工藝技術(shù)不成熟不完善，基礎(chǔ)不配套，不能進行工業(yè)性生產(chǎn)； * 專用檢測設(shè)備儀器和關(guān)鍵生產(chǎn)性手段等硬件落后。 導(dǎo)致這些問題的原因主要是： * 投影光刻機整機生產(chǎn)沒有進入實用化和批量生產(chǎn)，對配套鏡頭的緊迫感不強烈，沒有市場動力； * 國家和行業(yè)對投影光刻鏡頭的投資不足。過去已投資金也過于分散，對誰都難以從根本上解決問題； * 基礎(chǔ)工業(yè)落后，缺乏行業(yè)協(xié)調(diào)，因此發(fā)展不平衡，增大了光刻鏡頭的制造難度。根據(jù)以上問題，筆者認為我國在光刻鏡頭制造技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展今后應(yīng)注重從以下幾個方面做起： (1)注重投資的集中傾斜，重點落實在已