高效率光刻机系统设计

党景涛，周庆奎，李霖，宫晨

(中国电子科技集团公司第四十五研究所袁北京100176)

摘

要院为满足芯片生产产能提升的需要袁研制了一种高效率接触/接近式自动光刻机系统遥通

过关键零部件合理布局及局部高效动作设计提高了光刻机的生产效率袁利用全周期动作时序图进行理论效率测算～160片/h渊曝光时间为10s冤袁实验测试生产效率为一次曝光280片/h袁套刻效率为180片/h渊曝光时间为10s冤遥关键词院光刻机曰系统设计曰生产效率中图分类号院TN305

文献标识码院B

文章编号院1004-4507(2019)06-0036-04

DesignoftheHighProductivityMaskAlignerSystem

DANGJingtao，ZHOUQingkui，GONGChen，LILin(The45thResearchInstituteofCETC，Beijing100176，China)

Abstract:Withthedemandofchipproductionexpansion，thehighefficiencymaskalignerisdesigned.Thehighproductivityisaccomplishedbythereasonablesystemlayoutofthekeypartsandtheredesignofthepart.Thetheoreticalproductivityisuptoabout160substratesperhour(exposuretime10s)throughfullcycleactionsequencediagram.Thepracticalproductivityis280substratesperhouronthefirstexposureconditionand180substratesperhouronthealignmentcondition(exposuretime10s).Keywords:Maskaligner；Systemlayout；Productivity

随着信息时代的发展，作为现代工业“粮食”的半导体元器件消耗量巨大，而且逐年增加，制造工艺日臻成熟，单个器件利润大幅下降，生产规模越来越大，生产效率提升的需求越来越迫切，制造设备生产效率的提升能够使企业的利润最大化。作为前道工艺线的关键设备，光刻机生产效率的提高能够有效地提高器件生产的产能。

为此，开发了一种新型的高效率自动接触/接近式光刻机系统，主要应用于分立器件及其它

收稿日期院2019-04-02

新型电子元器件的对准及曝光工艺。通过系统有机整合、各功能工位合理布局设计、局部高效率机构设计等设计理念，使光刻机生产效率得到有效提高，并通过全周期动作时序图和实验对其设计进行了合理化验证。

1机械系统设计

高效率接触/接近式自动光刻机系统布局如图

36（总第279期）Dec援2019EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备先进光刻技术与设备1所示。系统组成包括了左工位单元、右工位单元、曝光系统及其自动控制系统。左、右工位单元各包括上料库、预对准工作台、物料传输系统、对准工作台、下料库。曝光系统包括了曝光光源和光源驱动单元组成。设计中左、右工位共用一套曝光系统，当左工位或者右工位在进行基片传输、预对准、对准时，相应的右工位或者左工位进行曝光工艺，这样

左右工位来回往复，提高了曝光光源的使用效率，进而提高了设备的生产效率。自动对准工作台是光刻机的核心部件，系统设计中左、右工位中的自动对准工作台整体与机架固定不动，依靠曝光光源的移动在两个对准工作台曝光位置之间切换，保证了工作台X、Y、Z、兹向运动及楔形误差补偿机构工作的稳定性，从而保证设备的对准精度和稳定性。

显示器

下料库

曝光系统

左工位

物

料传输

对准工作台

对准工作台

物料传输

工控机

上料库预对准台

预对准台

右工位

400~500mm

图1高效率接触/接近式自动光刻机系统布局

1.1同步机械手设计

同步机械手是物料传输系统的关键部件，为了节省物料传输时间，设计了同步机械手，其结构如图2所示。同步机械手将物料从预对准台传输至对准工作台同时将已完成曝光的物料由对准工作台传输至下料库。同步机械手的双手臂之间的距离由预对准工作台和对准工作台之间的距离决定，而且预对准工作台到对准工作台的距离和对准工作台到下料库的距离相等。1.2上尧下料库

左、右工位各配备一套上、下料库，如图3所示。设备可同时实现4个片盒的装料，避免了单位时间内频繁更换料盒，降低了劳动强度，减少了因

更换料盒设备暂停时间，提高了设备生产效率。

图3上尧下料库

1.3预对准工作台

预对准工作台采用机械定心+视觉识别方式来实现基片预对准功能，基片定心由原有自动光刻机夹持式定心机构改为自定心锥桶机构，定心动作上减少了夹持动作，减少了预对准工作时间，提高

图2同步机械手结构图

了预对准效率。预对准工作台结构如图4所示。

Dec援圆019（总第279期）37先进光刻技术与设备EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备一次完成2片。一次循环所需时间为T：

T=T1+T2夹持机构

自定心锥桶

(1)(2)

T1=t1+t2+t3…+t8其中T1为有效工作时间，T2为各时序之间等候时间和电气部件响应时间约为3s。由图5可知T1为43s，由此得到系统一次循环所需时间T为46s，可以估算出效率约为160片/h（曝光时间为10s）。

（a）夹持式预对准机构（b）自定心锥桶预对准机构

图4预对准机构

2控制系统设计

2.1系统动作时序及效率估算

该系统主要动作时序如图5所示，系统循环

单步机械

手上料预对准同步机械手上料

对准

上料机构电机降

机械手运动至预对准台

3s

预对准台上至1位基片定心基片找正

预对准台上至2位预对准台至0位

6s

预对准台取片/对准工作台取片

机械手Y向回初位机械手X向至收料盒收料盒上/对准工作台接片

5s

对准3s

2.2控制系统框图

高效率接触/接近式自动光刻机的主机控制系统采用工业计算机，系统结构紧凑，可扩展性强。控制系统主要有工业计算机、运动控制卡、I/O采集卡和CCD图像采集处理系统等组成。设备按

曝光头移至工作台1

3s

曝光10s

曝头移至工作台2

3s

曝光

10s

曝光

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7t8

图5系统动作时序及估算时间主机电气系统

汞灯电源电气系统

图像采集

数字I/O采集卡设备位置检测开关设备真空检测传感器电磁阀控制输出

工控机

千兆网口

高压汞灯

工业CCD显微镜照明调节

模拟量输出卡

模拟量采集卡

多轴运动控制卡电机驱动器扫描显微镜调焦电机电机驱动器传输机械手电机电机驱动器工作台及Z向电机电机驱动器片盒升降电机

4轴运动控制卡

工作台位置采集

4轴运动电机真空检测电磁阀控制

真空传感器设备按键操作

图6控制系统框图

38（总第279期）Dec援2019EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备先进光刻技术与设备各部件功能进行模块化设计，提高了设备可靠性和扩展性。控制系统包含基片检测传输系统、基片预对准系统、高精密工作台控制系统、楔形误差找平控制系统和图像采集处理及自动对准系统。

到180片/h（曝光时间为10s）。通过双工位布局设计和局部高效机构设计使得光刻机效率得到有效提升，估算效率和实际效率比较吻合。

3实验测试

该系统在客户现场经过长达4000h的测试，其生产效率达到一次曝光280片/h，套刻效率达

4结束语

本文通过双工位布局设计和局部高效结构设计，利用动作时序图进行合理的效率估算，研制了一种新型高效率接触/接近式光刻机。实验测试生产效率和利用时序图估算生产效率比较吻合，生产效率得到有效提高。参考文献院

[1][2]

李霖，周庆奎.接触接近式光刻机微力找平技术[J].电子工业专用设备，2016，45(11)：26-28.

姚达，刘欣，岳世忠.半导体光刻设备及发展趋势[J].半导体技术，2008，33(3)：193-196.作者简介院

党景涛（1989－），男，陕西杨凌人，毕业于西南交通大学材料加工工程专业，硕士学位，现主要从事半导体专

图7客户现场测试图

用设备研发与设计。

渊上接第4页冤

匀设计的软件实现[D].天津：河北工业大学，2003.[7]

薛继元，冯文林，赵芬，等.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究[J].红外与激光工程，2015，44(1)：176-181.[8][9]

王振文，付朝雪，吴国盛，等.非晶硅薄膜太阳能电池特性研究[J].红外，2012，33(12)：22-26.

熊绍珍，孟志国，王玉冰，王广才，等.a-SiPIN太阳能电池中PI间缓冲层的作用[J].电子学报，1991(02)：39-43.

[10]ShaghayeghEsfahani，MansoorBarati.Purificationofmet-allurgicalsiliconusingironasanimpuritygetterpart玉：GrowthandseparationofSi[J].MetalsandMaterialsIn-ternational，2011，17(5)：823-829.

[11]安百俊，杨佳，周筱丽，等.冶金法与西门子法单晶硅

电池电性能对比[J].太阳能学报，2015，36(10)：2325-2328.

作者简介院

杨利利（1984－），男，宁夏隆德人，工程师，硕士研究生，主要从事晶硅太阳能电池工艺技术研究工作。[14]

[12]SunYingbo.AstudyoftheindependentsolarLEDillu-minationsystem[D].Jinan：ShandongUniversity，2010.[13]郑建邦，任驹，郭文阁，等.太阳能电池内部电阻对其

输出特性影响的仿真[J].太阳能学报，2006(2)：121-125.魏晋云.太阳能电池填充因子与串联电阻的线性关系[J].云南师范大学学报(自然科学版)，2013，33(2)：39-40.

[15]魏晋云.太阳能电池填充因子与并联电阻的指数关系

[J].云南师范大学学报(自然科学版)，2013，33(5)：38-40.

[16]杨利利，马晓波，杨佳.晶硅太阳能电池正面电极印

刷工艺研究[J].宁夏工程技术，2019，18(3)：216-219.

Dec援圆019（总第279期）39