马喜宝，董同社

(上海微高精密机械工程有限公司，上海201203)

掩模版升降定位存取机构，是光刻设备的一个关键模块，随着光刻设备向着短波长、大片径、高分辨率、大焦深、高套刻精度的方向发展，对掩模版的升降速度、定位精度、存放环境、取放版的效率和安全性等提出了更加严格的要求，既要满足SEM I标准掩模版盒的接口要求，同时又要适应具有不同尺寸规格(5英寸、6英寸)和单版或者6版的掩模版盒的需求，以增加互换性和维修性，降低成本，提高效率。

1 功能需求和性能需求

为满足掩模版盒的锁定和解锁，掩模版的升降和定位，掩模版的存放、洁净等需求，掩模版定位存取机构需满足表1中的功能需求和性能需求。

2 基本机构

掩模版定位存取主要有两部分组成：掩模版盒锁定和解锁机构；掩模版升降定位机构，如图1所示。

2.1 锁定和解锁机构

锁定和解锁指的是把存放掩模版的版盒放置在锁定和解锁机构SEM I接口上并由定位销定位，两对锁销向两边移动，将掩模版盒的有机玻璃光罩盒和掩模版架底托分离，同时将有机玻璃光罩盒锁定在SEM I接口的固定法兰口上，掩模版架底托随版盒托板一起进行升降运动，完成解锁过程；移走掩模版盒时，两对锁销向中心移动，使有机玻璃光罩盒和固定法兰口脱离，同时将其和掩模版架底托锁紧，使之成为一体，完成锁定过程。其构成如图2所示。

表1 掩模版定位存取机构需满足的功能和性能

图1 掩模版升降定位存取机构基本架构

动作原理：导槽滑块a在电机、丝杠和螺母组成的动力组件的推动下做往复平移运动，安装在导槽滑块a斜形滑槽中的导向销a、b在交叉滚柱滑块a、b和导槽滑块a的双重约束下，在垂直于导槽滑块a往复运动的方向上同步运动；同时导槽滑块b通过固定于导槽滑块a上钢索的牵引，做往复平移运动，同样使安装在导槽滑块b斜形滑槽中的导向销c、d在垂直于导槽滑块b往复运动的方向上同步运动，这样4个导向销a、b和c、d相向移动，完成掩模版盒的解锁和开锁功能。其优点是：运动副摩擦阻力小，动作灵活；4个锁销运动同步且运动距离相等，不会对掩模版盒造成损坏，安全性好。

图2 版盒锁定解锁机构

2.2 掩模版升降定位存取机构

掩模版升降定位存取机构是指将解锁后的掩模版架底托随版盒托板一起进行升降运动，把放置于掩模版架不同版槽中的掩模版，输送到一个固定的取放版位，并使版叉上的右安全梁和导向销顺利通过分度定位轮和导向槽，到达取版位置。其构成如图1（N-N视图）和图3所示。

图3 掩模版升降定位存取机构

动作原理：通过同步齿形带组件和滚珠丝杠螺母组件构成的传动系统，把电机的旋转运动转化成版盒托板上下运动。版盒托板侧面固定有连接块和齿型带夹，带动定位传动齿形带驱动分度定位轮绕其轴旋转。版盒托板上升或下降的距离和定位分度轮转过分度圆弧长相等。版盒托板移动一个相邻两掩模版的距离，分度定位轮就转过一个分度定位齿槽。分度定位轮上的6个定位槽分别对应掩模版盒中6个不同的掩模版。如果因电机控制失误，版盒托板上升或下降的距离不等于两个相邻掩模版的距离，那么定位分度圆上的定位槽就和处于取放版位置版叉上的右安全梁出现错位，无法进入掩模版架内取放掩模版。当版叉右安全梁和导向销通过分度定位槽后面的导向槽时，说明版盒托板运动到位，既实现掩模版的定位存取，也保证在存取掩模版的整个过程中，掩模版处于安全保护之中。在滚珠丝杠螺母组件及两个滚动导轨之间设计有防尘板，既能降低运动时产生的噪声，也可防止运动副产生的颗粒物污染环境。

3 结构的可靠性分析

可靠性可用M TBF和MTTR的数值来反映，MTBF值越大MTTR值越小，设备的可靠性就越好，反之就越低。两种基本结构通过螺栓固定在一起，组成一个完整的掩模版盒升降定位存取机构，其可靠性由以下公式分析计算：

式中：Wi为综合评分数；

W1为结构复杂度；

W2为技术成熟度；

W3为时间占空比；

W4为环境因素；

MTBF为设计输入平均无故障工作时间，5000 h；

MTBFi为设计输出平均无故障工作时间；

MTTRS为设计输入平均维修时间，30m in；

MTTRi为设计输出平均维修时间；

表2 系数计算分配值

从计算结果来看，组成掩模版升降定位存取机构的两个分部件的远大于设计输入的值；小于设计输入的值，所以整体结构满足使用要求。

4 结束语

掩模版升降定位存取机构是光刻设备的主要功能模块之一，随着光刻集成电路的迅速发展，电路集成度大大提高，工艺层大幅度增多，在光刻设备中对掩模版传输和对准的可靠性安全性以及效率等方面要求越来越严格，本文从对掩模版升降定位存取机构的需求入手，对结构组成进行分析设计，并对其性能进行了分析验证。