一种光刻机机械式快门叶片结构.pdf

本发明提出一种光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：包括快门基板，中间受热区域叶片和弹性固定元件；所述快门基板采用低密度高强度金属，所述中间受热区域叶片采用耐高温非金属，所述快门基板和中间受热区域叶片通过弹性固定元件固定连接。本发明去除镀层需求，采用金属及耐高温非金属组合形式，光照能量集中区域采用耐高温非金属，非光照集中区域采用低密度高强度金属，并且运用柔性固定方式消除因材料热膨胀系数不一而产生的形变影响，可以承受800℃高温，且制造工艺简单，组合形式多样，易于工程实现。

1.   一种光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：包括快门基板，中间受热区域叶片和弹性固定元件；所述快门基板采用铝合金、钛合金或者铝镁合金，所述中间受热区域叶片采用氧化铝陶瓷、氮化硼陶瓷或者微晶云母陶瓷，所述快门基板和中间受热区域叶片通过弹性固定元件固定连接。

2.   如权利要求1所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述快门基板的厚度为0.8-1mm，中间开设圆通孔，所述圆通孔大小与所述中间受热区域叶片大小相当。

3.   如权利要求1所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述中间受热区域叶片厚度为1.0-3.0mm。

4.   如权利要求1所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述中间受热区域叶片为中间厚边缘薄的结构。

5.   如权利要求1所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述弹性固定元件材料为耐热不锈钢。

6.   如权利要求5所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述弹性固定元件厚度为0.1-0.5mm。

7.   如权利要求5所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述弹性固定元件的截面为“Z”字形。

8.   如权利要求1所述的光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：所述弹性固定元件与所述快门基板铆接、链接或者卡接。

一种光刻机机械式快门叶片结构
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种光刻机机械式快门叶片结构。 
背景技术
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半导体晶片或玻璃基片。在光刻过程中，晶片放在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶片表面。 
光刻机的一个重要指标是最小线宽，曝光剂量的过大或不足都将影响光刻胶显影效果，从而降低最小线宽指标。曝光剂量的精密控制，为整个光刻工艺稳定打好基础。
现有中低端光刻机的曝光系统采用高压汞灯作为光源，曝光开始、结束由光路中的机械快门控制，曝光剂量大小由曝光时间确定。具体过程如下： 
1）首先通过预热和环境控制使高压汞灯输出光功率达到稳定；
2）接着计算曝光时间，打开快门开始曝光，同步计时开始；
3）最后时间到，关闭快门，曝光结束。
随着对产率要求的提高，曝光光源功率也在攀升，目前已经有超过1万W的光刻用汞灯投入产线。 
光刻机机械快门开闭的速度对曝光剂量影响较大，同时高压汞灯的发热量大，对机械快门的寿命产生严重影响。目前通用的快门装置中的传动方式一般基于继电器技术，通过控制继电器的吸合与释放来控制快门的开闭。虽然利用这种方式的快门速度快，但由于继电器的负载能力有限，导致所采用的快门叶片的材料厚度薄、质量小，经不起在太强的光照与过高的温度的环境下工作，使得这种快门的装置不适合应用于大剂量高光强的曝光。ASML与Nikon公司的光刻机快门采用旋转电机带动快门叶片作往复旋转运动，达到快门通光孔开闭的目的。虽然这种技术避免了因继电器负载能力差所引起的传动快门的缺点，但由于旋转电机的启动速度慢，这种快门曝光所需要的时间较长，因而这种方式的曝光产率较低，并且也不适合薄胶工艺。 
此外，快门叶片会向外辐射电磁波。常温下物体向外辐射以低频的远红外为主，随着温度的升高，物体辐射波长会减小。快门受热辐射出的可见光容易被剂量控制系统中的探测器探测到，从而对剂量控制造成干扰，影响剂量控制的精度。 
黑体最大光谱辐射波长 ，其中T为黑体的热力学温度。物体对外的辐射能力可由Stefan-Boltzmann定律给出： 

其中是辐射表面的发射率，定义成在同一温度下表面的发射功率与黑体的发射功率之比。为材料指定的发射率值介于0和1.0之间。因此，黑体的发射率为1.0，理想反射体的发射率为0。是Stefan-Boltzmann常数，常数的值是。A为辐射表面积，为传热物体的绝对温度，为环境绝对温度。
对于不直接接受汞灯光照的一面，环境温度为后续镜头温度，辐射以流出为主，为了增加对外辐射能力，需要增加发射率、表面积A；对于接受灯室照射的一面，既有快门叶片吸收汞灯辐射流入的热量，又有叶片对外辐射的热量，增加叶片正面温控能力需要降低收率/发射率（）这个比值。 
可见高功率快门叶片的结构优化主要解决：速度，温度，高温强度等问题，需要更高功率的汞灯，和更快速度的快门，但汞灯的功率越高，快门叶片受光照后的温度越高，快门叶片越容易损坏，此外本项目中受空间尺寸的影响，快门电机不能选用更大功率的电机，因此快门叶片在现有基础上质量要足够小，才能满足快门的转速要求。 
背景专利CN200910200090《一种用于光刻机曝光分系统的快门装置》面临着如下问题： 
1、该快门叶片，使用的金属镀层，在低温下反射率良好，但是高温下容易氧化发黑，并最终增加叶片对光能的吸收，目前在2000W汞灯曝光系统中已经出现这种情况。
2、该快门叶片，对实际照射到叶片上的光强分布未做考虑，实际光斑能量分布不不均衡，但是材料分布未相应做优化，导致叶片转速仍然偏低。 
现有技术中已针对背景专利《一种用于光刻机曝光分系统的快门装置》做了优化改进：在受照明面涂低吸收率/发射率比例涂层，在背面镀高发射率涂层，以期减少热量吸收，进而控制热变形。但是上述技术方案存在镀膜工艺不易控制、镀膜成本高，膜层在高温紫外光照条件下稳定性未知的问题。同时背面镀高发射率涂层，期望以辐射形式向外释放能量，但这样势必对快门后照明耦合镜组产生影响，增大镜组对热量的吸收。 
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明提出一种光刻机机械式快门叶片结构，其特征在于：包括快门基板，中间受热区域叶片和弹性固定元件；所述快门基板采用低密度高强度金属，如铝合金、钛合金或者铝镁合金等合金材料，所述中间受热区域叶片采用耐高温非金属，如氧化铝陶瓷、氮化硼陶瓷或者微晶云母陶瓷等非金属材料，所述快门基板和中间受热区域叶片通过弹性固定元件固定连接。 
其中，所述快门基板的厚度为0.8-1mm，中间开设圆通孔，所述圆通孔大小与所述中间受热区域叶片大小相当。 
其中，所述中间受热区域叶片厚度为1.0-3.0mm。 
其中，所述中间受热区域叶片为中间厚边缘薄的结构。 
其中，所述弹性固定元件材料为耐热不锈钢。 
其中，所述弹性固定元件厚度为0.1-0.5mm。 
其中，所述弹性固定元件的截面为“Z”字形。 
其中，所述弹性固定元件与所述快门基板铆接、链接或者卡接。 
本发明去除镀层需求，采用金属及耐高温非金属组合形式，光照能量集中区域采用耐高温非金属，非光照集中区域采用低密度高强度金属，并且运用柔性固定方式消除因材料热膨胀系数不一而产生的形变影响，可以承受800℃高温，且制造工艺简单，组合形式多样，易于工程实现。 
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为光刻机快门叶片结构受照射示意图； 
图2为光刻机快门叶片结构受照射处能量分布图；
图3为本发明光刻机机械式快门叶片结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。 
图1为光刻机快门叶片结构受照射示意图，汞灯发出的光线在灯室内经处理到达灯室出光口，快门安装在灯室出光口上方，位于光线焦点附件，快门通过隔热垫连接在直流电机上，在电机带动下做旋转运动。在灯室出光口和快门之间安装光阑和衰减片，工作时为保证掩膜面的曝光剂量，快门需在规定时间内旋转一周，因此要保证快门的转动惯量尽量小，不工作时快门需保证遮蔽所有从灯室发出的光，灯室发出的光功率很高，全部照射在快门上，使快门温度迅速升高，因此快门需在高温情况下稳定工作。综上所述，快门既要有较小的转动惯量又要具备较高的耐高温性能。 
图2所示为典型光刻机快门叶片受照处能量分布图。根据应用场景及能量分布图，可以确定非金属材料半径。 
图3所示为本发明光刻机机械式快门叶片结构示意图。如图3所示，本发明组合形式的快门叶片结构包括快门基板1，中间受热区域叶片2和金属弹性固定元件3。其中快门基板1材料采用铝合金，铝合金具有密度小强度高的优点，采用铝合金可以减轻快门重量，快门基板的厚度为0.8-1mm，中间开设圆通孔，减轻重量及减少叶片转动惯量，提高快门转速。中间受热区域叶片2采用氧化铝陶瓷，前期的实验验证了快门叶片在某种汞灯的照射下，快门叶片受照射面的温度能达到400℃左右，金属快门叶片在该温度受重力作用产生塑性变形，长时间的照射会使变形累积，最终导致快门叶片破裂。而氧化铝陶瓷可以达到密度为3.7×10³Kg/m³，熔点为2000℃，膨胀系数为7.2×10^-6/℃，热导率为24W/(m·K)，弹性模量为320Gpa，耐热温度高，膨胀系数比不锈钢小，刚度比不锈钢大，在400℃时不会受重力影响产生塑性变形而破裂。为减小快门的转动惯量，氧化铝陶瓷厚度为1.5mm。金属弹性固定元件3，用于快门基板1和中间受热区域叶片2之间的固定连接。金属弹性固定元件3会受到少部分光照的影响，因此采用耐热性能较好的耐热不锈钢，厚度为0.3mm。金属弹性固定元件3与快门基板1之间铆接。快门叶片受光照时，快门叶片基板1和中间受热区域叶片2因受光照和膨胀系数的不同，产生的热变形也不同，因此金属弹性固定元件3的截面为“Z”字型，用于消除因材料热膨胀系数不一而产生的形变影响。将本发明的组合快门放在4500W灯室的焦点处照射3天，未产生颗粒、陶瓷脆裂、铝溶化等不良现象。 
在本发明的另一个实施例中，快门叶片基板1采用导热率相对较低的钛合金材料，中间受热区域叶片2为耐热非金属氧化铝陶瓷。由于照射在快门叶片上的光斑光强分布中间强，周边弱，因此中间受热区域叶片2的非金属耐热材料部分为中间厚边缘薄的结构，有利于消除受热不均而产生热应力不一的现象。为减少热量传递到电机轴上，故快门叶片基板采用导热系数较低钛合金材料，经试验确认该方案可行。 
本发明去除镀层需求，采用金属及耐高温非金属组合形式，光照能量集中区域采用耐高温非金属，非光照集中区域采用低密度高强度金属，并且运用柔性固定方式消除因材料热膨胀系数不一而产生的形变影响，可以承受800℃高温，且制造工艺简单，组合形式多样，易于工程实现。    
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。