一种掩模版制版用夹具装置的研制

李玉敏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

1 装置的工作原理

该装置是一种掩模版制版专用夹具，采用此夹具将母掩模版和子掩模版贴附到一起后进行曝光，将母掩模版上的图形复印到子掩模版上，要求得到的子掩模版图形清晰、相对于母掩模版外形偏差不超过200μm，并且图形相对于外形旋转角不超过1°。这就要求所用夹具能够使母掩模版和子掩模版以外形为定位边有准确的定位功能，并且能够使母掩模版和子掩模版紧密贴附，曝光后才能得到清晰、定位准确的图形。

该装置是将母掩模版以两边外形为基准，紧靠精密定位柱后吸附在母掩模版架上，涂好胶的子掩模版同样以两边外形为基准，紧靠精密定位柱后吸附在子掩模版架上，翻转子掩模版架与母掩模版架闭合到一起时，在母掩模版与子掩模版周围形成一密封的腔体，能够进行真空复印，使母掩模版与子掩模版贴附的更好，此时进行曝光所得到的子版图形位置和曝光效果都更好。

2 装置的结构设计

传统的该夹具装置是直接用转轴连接，定位销定位，但由于掩模版厚度误差为20μm，母掩模版和子掩模版的累计误差最大可达到40μm，为了能补偿掩模版厚度误差，使子掩模版与母掩模版贴附的更好，转动轴和轴套之间的间隙不小于40μm，转动轴和轴套之间的间隙不但可以在掩模版垂直方向补偿掩模版厚误差，同样可以使母掩模版和子掩模版在掩模版的水平方向产生位置移动，这样使得制出的子掩模版上的图形相对于边缘的位置偏差较大，并且有一定的夹角，对于对准标记有严格位置要求的掩模版来说，制版合格率较低。对此，设计了一种掩模版制版专用夹具。

2.1 系统设计方案

该装置结构如图1所示，由子掩模版架和母掩模版架组成，其间由两个精密铰链连接，该铰链转动轴和轴套之间控制在5μm之内的间隙配合，使铰链旋转自由，子掩模版相对于母掩模版在水平方向产生位置移动在8μm之内，子掩模版架和母掩模版架上分别装有3个精密定位柱，可以对掩模版进行定位，定位后分别吸附子掩模版和母掩模版。

该装置进行安装时，将子掩模版架与母掩模版架闭合，子掩模版架和母掩模版架上的3个精密定位孔用3个长的专用精密定位柱穿透，用专用夹具夹紧，在母掩模版架和铰链及子掩模版架和铰链处打精密定位孔，安装精密定位柱，确保铰链长时间翻转位置保持不变。在母掩模版架上加装定位座，其中固定定位座上安装固定的顶珠，弹性定位座上安装弹性柱塞顶珠，调整各定位座上的柱塞，进一步定位子掩模版架，使工装闭合时，确保子掩模版架上的精密定位孔相对于母掩模版版架上精密定位孔位置不变，在固定顶珠和弹性柱塞的共同作用下，保证了子掩模版相对于母掩模版不发生偏转。通过以上结构设计，保证子掩模版架和母掩模版架闭合时，子掩模版和母掩模版分别以两个垂直边为定位边对齐。由于母掩模版和子掩模版均存在厚度误差，因此在子掩模版架上放置了一弹性垫，当子掩模版架与母掩模版架闭合到一起时，通过弹性垫的形变来消除厚度误差，进行真空复印时，抽出真空复印密封圈形成封腔内的空气，使两掩模版贴附的更好，再进行曝光。

图1 掩模版制版用夹具结构示意图

2.2 掩模版架设计

掩模版是通过真空吸附固定在掩模版架上，掩模版架是掩模版的安装基准，为减小吸附时掩模版产生的变形，对版架的选材和结构设计上都做了考虑。首先，掩模版架均选择7A04材料，在粗加工后进行时效处理，半精加工后进行去应力处理，精加工后时效处理去除加工应力和残余应力，采用精密研磨的加工方法使掩模版架平面度误差达到2μm，表面粗糙度 Ra<0.4μm,零件加工完成后表面进行硬质阳极氧化，使版架更稳定不易变形。另外，在结构设计上，如图2所示，尽可能增大真空槽到边缘的距离a，增大支持面积减小掩模版变形，此装置中掩模版架真空槽的宽度b设计为1mm，真空槽到边缘的a≥2.5mm。确保Δh控制在 2～3μm。

图2 掩模版变形示意图

2.3 气路系统

该装置气路系统图如图3所示，由于制版时不用反复操作吸母掩模版，吸母版采用了手动控制阀，制版时，吸子掩模版要反复操作，因此，吸子版采用了电磁阀控制，真空复印和吹氮共用一段气路，解除真空复印的同时，向密封腔内吹入氮气，使翻转子掩模版架变得更轻松。该气路系统可以根据需要利用真空调压阀调节真空复印的真空度大小，通过实验验证，该真空度在－0.03 MPa时效果最好，过小真空复印效果不好，致使母掩模版和子掩模版贴附不好，制出的子掩模版图形不理想；过大母掩模版易变形，长时间使用对母掩模版损伤大。可以通过调节左侧的节流阀和减压阀，控制吹氮气的压力。

图3 系统气路图

3 工艺实验

将有标记的母掩模版和涂好胶的子掩模版分别紧靠精密定位柱后吸附在母掩模版架和子掩模版架上，翻转子掩模版架，使其闭合，按下真空复印按钮，抽出密封腔内的空气，然后进行曝光，结束后解除真空复印，同时向密封腔内吹氮气破坏真空腔，翻转子掩模版架，解除吸子版，取下子掩模版，旋转180°后，紧靠精密定位柱再次吸附子掩模版，翻转子版版架，使其闭合，按下真空复印按钮，进行曝光，结束后解除真空复印吹氮气破坏真空腔，翻转子版版架，解除吸子版，取下子掩模版，将子掩模版进行显影、定影，将两次曝光的标记在读数显微镜下进行测量，两次曝光标记偏差示意图如图4所示，具体测量结果如表1。

图4 两次曝光标记偏差示意图

表1 标记偏差测试结果

由于掩膜版外形偏差为-760μm～0范围内，且允许装置对准误差为±200μm。因此，偏移在960μm范围内均为合格。

4 结论

设计了一种掩模版制版专用夹具装置，通过工艺实验对其功能做了进一步验证，该装置具有准确的定位功能，能够自动补偿片厚误差，可进行真空复印使基片贴附的更好，操作方便，具有良好的使用功能。