馬喜寶，董同社

(上海微高精密機(jī)械工程有限公司，上海201203)

掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)，是光刻設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵模塊，隨著光刻設(shè)備向著短波長、大片徑、高分辨率、大焦深、高套刻精度的方向發(fā)展，對掩模版的升降速度、定位精度、存放環(huán)境、取放版的效率和安全性等提出了更加嚴(yán)格的要求，既要滿足SEM I標(biāo)準(zhǔn)掩模版盒的接口要求，同時(shí)又要適應(yīng)具有不同尺寸規(guī)格(5英寸、6英寸)和單版或者6版的掩模版盒的需求，以增加互換性和維修性，降低成本，提高效率。

1 功能需求和性能需求

為滿足掩模版盒的鎖定和解鎖，掩模版的升降和定位，掩模版的存放、潔凈等需求，掩模版定位存取機(jī)構(gòu)需滿足表1中的功能需求和性能需求。

2 基本機(jī)構(gòu)

掩模版定位存取主要有兩部分組成：掩模版盒鎖定和解鎖機(jī)構(gòu)；掩模版升降定位機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

2.1 鎖定和解鎖機(jī)構(gòu)

鎖定和解鎖指的是把存放掩模版的版盒放置在鎖定和解鎖機(jī)構(gòu)SEM I接口上并由定位銷定位，兩對鎖銷向兩邊移動，將掩模版盒的有機(jī)玻璃光罩盒和掩模版架底托分離，同時(shí)將有機(jī)玻璃光罩盒鎖定在SEM I接口的固定法蘭口上，掩模版架底托隨版盒托板一起進(jìn)行升降運(yùn)動，完成解鎖過程；移走掩模版盒時(shí)，兩對鎖銷向中心移動，使有機(jī)玻璃光罩盒和固定法蘭口脫離，同時(shí)將其和掩模版架底托鎖緊，使之成為一體，完成鎖定過程。其構(gòu)成如圖2所示。

表1 掩模版定位存取機(jī)構(gòu)需滿足的功能和性能

圖1 掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)基本架構(gòu)

動作原理：導(dǎo)槽滑塊a在電機(jī)、絲杠和螺母組成的動力組件的推動下做往復(fù)平移運(yùn)動，安裝在導(dǎo)槽滑塊a斜形滑槽中的導(dǎo)向銷a、b在交叉滾柱滑塊a、b和導(dǎo)槽滑塊a的雙重約束下，在垂直于導(dǎo)槽滑塊a往復(fù)運(yùn)動的方向上同步運(yùn)動；同時(shí)導(dǎo)槽滑塊b通過固定于導(dǎo)槽滑塊a上鋼索的牽引，做往復(fù)平移運(yùn)動，同樣使安裝在導(dǎo)槽滑塊b斜形滑槽中的導(dǎo)向銷c、d在垂直于導(dǎo)槽滑塊b往復(fù)運(yùn)動的方向上同步運(yùn)動，這樣4個(gè)導(dǎo)向銷a、b和c、d相向移動，完成掩模版盒的解鎖和開鎖功能。其優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)動副摩擦阻力小，動作靈活；4個(gè)鎖銷運(yùn)動同步且運(yùn)動距離相等，不會對掩模版盒造成損壞，安全性好。

圖2 版盒鎖定解鎖機(jī)構(gòu)

2.2 掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)

掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)是指將解鎖后的掩模版架底托隨版盒托板一起進(jìn)行升降運(yùn)動，把放置于掩模版架不同版槽中的掩模版，輸送到一個(gè)固定的取放版位，并使版叉上的右安全梁和導(dǎo)向銷順利通過分度定位輪和導(dǎo)向槽，到達(dá)取版位置。其構(gòu)成如圖1（N-N視圖）和圖3所示。

圖3 掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)

動作原理：通過同步齒形帶組件和滾珠絲杠螺母組件構(gòu)成的傳動系統(tǒng)，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成版盒托板上下運(yùn)動。版盒托板側(cè)面固定有連接塊和齒型帶夾，帶動定位傳動齒形帶驅(qū)動分度定位輪繞其軸旋轉(zhuǎn)。版盒托板上升或下降的距離和定位分度輪轉(zhuǎn)過分度圓弧長相等。版盒托板移動一個(gè)相鄰兩掩模版的距離，分度定位輪就轉(zhuǎn)過一個(gè)分度定位齒槽。分度定位輪上的6個(gè)定位槽分別對應(yīng)掩模版盒中6個(gè)不同的掩模版。如果因電機(jī)控制失誤，版盒托板上升或下降的距離不等于兩個(gè)相鄰掩模版的距離，那么定位分度圓上的定位槽就和處于取放版位置版叉上的右安全梁出現(xiàn)錯(cuò)位，無法進(jìn)入掩模版架內(nèi)取放掩模版。當(dāng)版叉右安全梁和導(dǎo)向銷通過分度定位槽后面的導(dǎo)向槽時(shí)，說明版盒托板運(yùn)動到位，既實(shí)現(xiàn)掩模版的定位存取，也保證在存取掩模版的整個(gè)過程中，掩模版處于安全保護(hù)之中。在滾珠絲杠螺母組件及兩個(gè)滾動導(dǎo)軌之間設(shè)計(jì)有防塵板，既能降低運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的噪聲，也可防止運(yùn)動副產(chǎn)生的顆粒物污染環(huán)境。

3 結(jié)構(gòu)的可靠性分析

可靠性可用M TBF和MTTR的數(shù)值來反映，MTBF值越大MTTR值越小，設(shè)備的可靠性就越好，反之就越低。兩種基本結(jié)構(gòu)通過螺栓固定在一起，組成一個(gè)完整的掩模版盒升降定位存取機(jī)構(gòu)，其可靠性由以下公式分析計(jì)算：

式中：Wi為綜合評分?jǐn)?shù)；

W1為結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；

W2為技術(shù)成熟度；

W3為時(shí)間占空比；

W4為環(huán)境因素；

MTBF為設(shè)計(jì)輸入平均無故障工作時(shí)間，5000 h；

MTBFi為設(shè)計(jì)輸出平均無故障工作時(shí)間；

MTTRS為設(shè)計(jì)輸入平均維修時(shí)間，30m in；

MTTRi為設(shè)計(jì)輸出平均維修時(shí)間；

表2 系數(shù)計(jì)算分配值

從計(jì)算結(jié)果來看，組成掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)的兩個(gè)分部件的遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)輸入的值；小于設(shè)計(jì)輸入的值，所以整體結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

4 結(jié)束語

掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)是光刻設(shè)備的主要功能模塊之一，隨著光刻集成電路的迅速發(fā)展，電路集成度大大提高，工藝層大幅度增多，在光刻設(shè)備中對掩模版?zhèn)鬏敽蛯?zhǔn)的可靠性安全性以及效率等方面要求越來越嚴(yán)格，本文從對掩模版升降定位存取機(jī)構(gòu)的需求入手，對結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并對其性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證。