快门装置、曝光系统以及光刻机的制作方法

1.本发明涉及光刻机技术领域，特别涉及一种快门装置、曝光系统以及光刻机。


背景技术：

2.光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。经常使用的基片为表面涂有光敏感介质的硅片或玻璃基片。在光刻过程中，基片放在承载台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到基片表面。
3.随着光刻机高产率需求的提升及光刻机光源技术的发展，光刻机所用的光源功率越来越高，如紫外ghi线汞灯已由原来的几百瓦功率提升到上万瓦功率。而光刻机剂量控制模块即快门装置就必须面临着无漏光的问题。
4.现有技术中，一种开环控制快门的快门装置采用两个叶片并分别由两个音圈电机驱动，通过调试快门加速时间和减速时间达到控制快门双叶片开闭时间，打开或者关闭时间可达到20ms。但是该快门通光口径为40mm时，该种音圈电机设计出力常数较小，电机线圈需要大量冷却气体进行冷却，同时叶片关闭时，在使用大于2500w的功率光源时重叠叶片处会有严重漏光，影响光刻机曝光质量。
5.专利us6188193b1公开了一种多叶片闭环控制快门，但该快门适用于胶片印刷行业，光功率要求非常低，该专利中提到若光功率达到1000w时就需要借助其他附加装置进行辅助遮光，否则漏光比较严重，同时其采用多轴闭环运动控制使得成本较高。
6.现有快门装置中，快门装置包括执行运动机构和叶片，执行运动机构用于带动叶片运动遮住通光孔，执行运动机构断电时安装在运动执行结构上的叶片不能自动闭合遮住通光孔光路，不能起到光刻机整机断电时自动保护的作用。
7.此外，现有快门装置中运动线缆用于连接扇形线圈，为扇形线圈提供电流，由于扇形线圈在做往复运动，会导致运动线缆折弯，影响运动线缆的可靠性。
8.因此，现有快门装置中存在多个叶片漏光严重的问题，并且现有快门装置缺少断电自动保护；运动线缆容易折弯，缩短运动寿命的问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种快门装置，以解决上述现有快门装置漏光严重、缺少断电自动保护；运动线缆容易折弯，缩短运动寿命的问题。
10.为解决上述技术问题，本发明提供一种快门装置，用于光刻机曝光系统，包括遮光单元、运动执行单元、转接单元和开设有通光孔的罩壳单元，所述转接单元具有一斜面，所述运动执行单元安装在所述转接单元的斜面上，所述运动执行单元与所述遮光单元连接并带动所述遮光单元运动，当所述运动执行单元未通电时，所述遮光单元遮住所述通光孔。
11.可选的，所述罩壳单元上设置有运动线缆转接柱，所述运动线缆转接柱与水平面呈角度设置。
12.可选的，所述快门装置为线圈运动快门，所述快门装置还包括线圈运动线缆，所述
线圈运动线缆一端连接所述运动线缆转接柱，所述线圈运动线缆另一端连接所述运动执行单元，所述线圈运动线缆呈u型设置。
13.可选的，所述罩壳单元包括多个金属罩壳，所述金属罩壳表面经过阳极氧化或者微弧氧化工艺处理。
14.可选的，所述遮光单元的前后两侧设置有两个所述金属罩壳，两个所述金属罩壳与所述遮光单元的间隙为0.1mm-1mm。
15.可选的，所述运动执行单元包括转轴机构和编码器，所述转轴机构包括转轴，所述编码器位于所述转轴的一侧，用于检测所述转轴的位置。
16.可选的，所述运动执行单元包括音圈电机，所述音圈电机包括四个永磁铁和一个扇形线圈，所述扇形线圈固定在所述转轴上。
17.可选的，在设备断电时，所述扇形线圈由于重力作用带动所述遮光单元遮住所述通光孔。
18.可选的，所述遮光单元包括快门叶片和转接板，所述快门叶片通过转接板安装在所述转轴上。
19.可选的，所述遮光单元包括一个快门叶片。
20.可选的，所述转接单元的斜面与水平面之间具有夹角，所述夹角的范围为10度～30度。
21.可选的，所述转接单元的空间位置位于所述通光孔的斜上方。
22.基于同一发明构思，本发明还提供一种曝光系统，包括上述任一所述的快门装置。
23.基于同一发明构思，本发明还提供一种光刻机，包括上述所述的曝光系统。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
25.在本发明提供的一种快门装置、曝光系统以及光刻机中，所述快门装置包括遮光单元、运动执行单元、转接单元和开设有通光孔的罩壳单元，所述运动执行单元与所述遮光单元连接并带动所述遮光单元运动，通过在所述转接单元上设置一斜面，并将所述运动执行单元安装在所述转接单元的斜面上，当所述运动执行单元在断电时，由于所述运动执行单元内的线圈重力的作用，安装在所述运动执行单元上的遮光单元可以自动闭合达到遮住通光孔光路的目的，起到光刻机整机断电自动保护的作用。
26.进一步的，通过在所述罩壳单元上部设置有运动线缆转接柱，所述运动线缆转接柱与水平面呈角度设置。所述线圈运动线缆一端连接所述运动线缆转接柱，所述线圈运动线缆另一端连接所述运动执行单元，使得所述线圈运动线缆始终保持为u型，增大所述运动线缆折弯半径，提高可靠性，提升运动寿命。进一步的，所述快门装置只有一个快门叶片避免了多个快门叶片重叠处漏光严重的问题。
附图说明
27.图1是本发明实施例的快门装置的整体结构示意图；
28.图2是本发明实施例的快门装置的局部结构示意图；
29.图3和图4是本发明实施例的快门装置的运动执行单元结构示意图；
30.图5是本发明实施例的快门装置的音圈电机结构示意图；
31.图6是本发明实施例的快门装置的音圈电机线圈运动控制示意图；
32.图7是本发明实施例的快门装置的运动线缆位置示意图；
33.图8是本发明实施例的快门装置的快门运动轨迹及电流输出示意图；
34.图中，
35.10-罩壳单元；10a-金属罩壳；10b-金属罩壳；10c-金属罩壳；10d-金属罩壳；
36.20a-金属支柱；20b-金属支柱；
37.30-金属底板；
38.40-db接头；
39.50-通光孔；
40.60-运动线缆转接柱；
41.70-转接单元；
42.80-运动执行单元；801-音圈电机；8011-永磁铁；8012-扇形线圈；802a-磁铁背板；802b-磁铁背板；803-轴承座；804a-限位块；804b-限位块；805-编码器；806a-轴承；806b-轴承；807-转轴；808-转接板；
43.90-遮光单元；
44.100-线圈运动线缆。
具体实施方式
45.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种快门装置、曝光系统以及光刻机作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
46.图1为本发明实施例的快门装置的整体结构示意图，图2是本发明实施例的快门装置的局部结构示意图，如图1和2所示，本实施例提供一种快门装置，其可用于光刻机曝光系统，所述快门装置包括遮光单元90、运动执行单元80、转接单元70和开设有通光孔的罩壳单元10，所述转接单元70具有一斜面，所述运动执行单元80安装在所述转接单元70的斜面上，所述运动执行单元80与所述遮光单元90连接并带动所述遮光单元90运动，当所述运动执行单元80静止时，在重力作用下，所述遮光单元90遮住所述通光孔50，从而实现遮住通光孔光路的目的，起到光刻机整机断电自动保护的作用。
47.继续参考图1和图2所示，所述快门装置还包括金属底板30，所述金属底板30上固定设置有两个金属支柱20a、20b，所述转接单元70固定安装在所述金属支柱20a和20b上。本实施例中，两个金属支柱20a、20b均为平板结构，且二者相互平行布置。
48.所述转接单元70设置有一斜面，用来安装所述运动执行单元80，该斜面与水平面之间具有夹角，所述夹角例如是10度～30度。所述转接单元70的空间位置位于所述通光孔50的斜上方，所述运动执行单元80在断电的情况下，由于所述运动执行单元80重力的作用，安装在所述运动执行单元80的遮光单元90可以达到遮住所述通光孔50光路的目的，起到光刻机整机断电自动保护的作用。
49.请继续参考图1和图2，所述罩壳单元10包括第一金属罩壳10a、第二金属罩壳10b、第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d，所述第一金属罩壳10a、第二金属罩壳10b、第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d均为平板结构，所述第一金属罩壳10a和第二金属罩壳10b平行
设置，第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d平行设置，位于所述遮光单元90的前后两侧，也就是说第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d位于所述遮光单元厚度方向的两侧。所述第一金属罩壳10a、第二金属罩壳10b、第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d通过螺钉的方式固定在所述金属支柱20a和金属支柱20b上，其中，第三金属罩壳10c开设有第一通光孔、第四金属罩壳10d上开设有第二通光孔，所述第一通光孔和第二通光孔的预设直径大小相同、位置相同。所述第一通光孔和第二通光孔共同组成通光孔50用来通光。
50.所述第一金属罩壳10a、第二金属罩壳10b、第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d的材质可以是相同的，也可以不完全相同。本实施例中，第一金属罩壳10a、第二金属罩壳10b、第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d的材质均为铝合金，表面处理为阳极氧化或者微弧氧化，其光吸收率较高(可达到90％以上)。
51.请继续参考图1和图2，所述第二金属罩壳10b上安装有数据接口(db接头)40，用来转接编码器、电机的线缆。所述第一金属罩壳10a和第二金属罩壳10b上固定设置有运动线缆转接柱60，所述运动线缆转接柱60位于所述转接单元70和所述运动执行单元80的上方，所述运动线缆转接柱60例如是长方形，并且所述运动线缆转接柱60上设置有沟槽，用于转接运动线缆。
52.请继续参考图1和图2，所述遮光单元90为一个快门叶片，即采用单叶片结构。优选方案中，所述快门叶片的材质例如是铝合金，所述快门叶片厚度例如是0.5mm-3mm，所述快门叶片面对光源面为镜面，可使用抛光、金刚石精密车削工艺实现，所述快门叶片的粗糙度例如是小于ra0.06，所述快门叶片的光反射率可达到90％以上。所述快门叶片的背光面为粗糙面，表面处理为阳极氧化或者微弧氧化。这种叶片的设计可使得快门装置的温度大大降低，大大提高了快门的环境适用性，使得所述快门装置可适用于上万瓦汞灯功率的光源场景下。所述第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d分别置于所述快门叶片的两面，所述第三金属罩壳10c和第四金属罩壳10d与所述快门叶片的间隙例如是0.1mm-1mm，所述快门叶片的挡光处的直径大于所述通光孔50直径，所述快门叶片的挡光处的直径与所述通光孔50直径差值例如是大于10mm，该种设计可以保证所述快门叶片遮住所述通光孔50时，杂散光在所述快门叶片和第三金属罩壳10c、第四金属罩壳10d之间的间隙反复反射时被吸收掉，保证无光泄露。此外，一个快门叶片避免了两个或者多个快门叶片重叠处漏光严重的问题。也避免了一体三叶片往复旋转运动的旋转电机启动速度慢，影响曝光产率的问题。
53.图3和图4是本发明实施例的快门装置的运动执行单元结构示意图。如图3和图4所示，所述运动执行单元80中包括轴承座803、轴承806a、轴承806b和转轴807，所述轴承座803两边各装配有一个轴承806a和轴承806b，所述转轴807安装轴承806a和轴承806b实现旋转，所述遮光单元90包括快门叶片和转接板808，所述快门叶片通过转接板808安装在所述转轴807上实现所述遮光单元90的旋转。进一步的，所述转轴807的一端安装有编码器805，用于实现转轴807的位置检测，实现单轴的闭环控制。
54.图5是本发明实施例的快门装置的音圈电机结构示意图，图6是本发明实施例的快门装置的音圈电机线圈运动控制示意图。如图5和图6所示，所述运动执行单元80包括音圈电机801，所述音圈电机801由四个永磁铁8011和1个扇形线圈8012构成。所述扇形线圈8012固定在所述转轴807上，四个永磁铁8011磁体分别固定在磁铁背板802a和磁铁背板802b上。在本实施例中，所述扇形线圈8012使用扁平漆包线绕制而成。音圈电机的工作原理为通电
线圈放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧。
55.图6示出了扇形线圈8012和永磁铁8011对称布置时的一种状态，且n级磁铁和s级磁铁组成了180
°
。所述扇形线圈8012绕o点做旋转运动。通过控制所述扇形线圈8012的线圈电流i逆时针或者顺时针方向，控制所述扇形线圈8012的运动方向。通过控制所述扇形线圈8012电流i的大小，控制所述扇形线圈8012的旋转运动速度。其中o点位于所述转轴807的轴线上，以此尽可能的减小转动惯量。如图6所示，所述扇形线圈8012的运动行程小于等于2a，所述运动执行单元80还设置有限位块804a和限位块804b，所述限位块804a和限位块804b对所述扇形线圈8012进行限位。同时，b≥a，以此保证线圈运动过程中的受力方向和大小是可控的，其中，b为所述扇形线圈8012扇形角的1/2，a＝π/2-b。
56.请参考图2、图3和图6，在设备通电状态下，通过控制通入电流的大小以及电流的顺时针和逆时针方向控制所述扇形线圈8012的运动，以及所述扇形线圈8012带动所述转轴807运动，所述转轴807带动所述遮光单元90运动达到闭合或者打开通光孔50的目的。通过控制电流的大小和电流的方向可实现运动速度及运动方向的控制。在断电的情况下，所述扇形线圈8012因为自身的重力作用绕着转轴807向下运动，左侧轴承座803进行限位，此时，所述扇形线圈8012会带动所述遮光单元90运动，所述遮光单元90会遮住通光孔50起到光刻机整机断电自动保护的作用。
57.图7是本发明实施例的快门装置的运动线缆位置示意图。如图7所示，在本实施例中，所述快门装置为线圈运动快门，因此运动线缆位置规划特别重要，一方面运动线缆运动时周围无干涉，另一方面需尽可能增大运动线缆折弯半径，提高可靠性。所述线圈运动线缆100选用高寿命的耐折弯运动线缆，为了减小运动线圈的阻力，所述线圈运动线缆100例如是柔性运动线缆。所述线圈运动线缆100一端焊接在所述扇形线圈8012漆包线上，焊点用胶固定，另一端用胶水固定在所述运动线缆转接柱60的线槽内，为了增大线圈运动线缆折弯半径，所述运动线缆转接柱60以倾斜角度c放置，角度c的大小例如是10
°‑
60
°
，所述扇形线圈8012在做摆动时，所述线圈运动线缆100始终保持为u型，提高所述线圈运动线缆100的运动寿命。
58.图8是本发明实施例的快门装置的快门运动轨迹及电流输出示意图。如图8所示，所述快门装置的通光孔50的通光孔径设计值例如是62mm，所述遮光单元90的遮光直径例如是80mm，所述扇形线圈8012的转轴807的中心距离所述通光孔50的通光孔径中心例如是105.5mm。本实施例中使用copley商用控制器，所述编码器805例如采用3600线/圈，控制器进行了细分即14400counts/圈。快门叶片从打开位置到关闭位置，所述扇形线圈8012从-200counts运动到-1500counts，即所述扇形线圈8012运动行程2a＝42.5
°
，所用时间仅为21ms。提高了所述快门装置的通光孔径的口径，实现了快门装置的大口径单轴高速闭环控制。
59.基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种曝光系统，包括上述所述的快门装置，其余部件均可采用本领域技术人员熟知的技术，在此不予赘述。
60.此外，本发明实施例还提供一种光刻机，包括上述所述的曝光系统。
61.综上可见，在本发明实施例提供的一种快门装置、曝光系统以及光刻机中，所述快门装置包括遮光单元、运动执行单元、转接单元和开设有通光孔的罩壳单元，所述运动执行
单元与所述遮光单元连接并带动所述遮光单元运动，通过在所述转接单元上设置一斜面，并将所述运动执行单元安装在所述转接单元的斜面上，当所述运动执行单元在断电时，由于所述运动执行单元内的线圈重力的作用，安装在所述运动执行单元上的遮光单元可以自动闭合达到遮住通光孔光路的目的，起到光刻机整机断电自动保护的作用，进一步的，通过在所述罩壳单元上部设置有运动线缆转接柱，所述运动线缆转接柱与水平面呈角度设置。所述线圈运动线缆一端连接所述运动线缆转接柱，所述线圈运动线缆另一端连接所述运动执行单元，使得所述线圈运动线缆始终保持为u型，增大所述运动线缆折弯半径，提高可靠性，提升运动寿命。进一步的，所述快门装置只有一个快门叶片避免了多个快门叶片重叠处漏光严重的问题。
62.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。