本发明公开了一种真空表面等离子体光刻装置，包括真空发生机组、真空腔体、真空机械手臂组成三大系统，真空腔体内为光刻区域，真空气缸限制掩模架Z向位移；承片台上真空槽负压吸附，提高基片与掩模版结合度；对准光路配合掩模版、承片台完成基片对准；然后通过物镜将标记成像于高清CCD图像探测器上。光纤探头检测掩模版与基片之间的三点间隙值，反馈信号；三点压电直线电机配置光栅尺闭环实现调平回路；三点微型直线电机上下运动应用于基片取放；旋转铜台材质为黄铜，在小角度旋转弹性变形完成自动复原。三点自由球支撑，防止铜台承载变形。该装置能大幅度降低由于环境中颗粒及空气的存在造成的光刻图形缺陷、提高光刻分辨力及曝光重复性。
1.一种真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：包括隔振器(1)、大理石光学平台(2)、真空气缸(3)、CF150真空法兰(4)、CF150内焊法兰(5)、真空气缸固定块(6)、真空直线电缸(9)、夹紧器(10)、CF50真空法兰(11)、真空腔体(12)、吊耳(13)、直线电机转接(14)、真空管状直线伺服电机(15)、对准光路安装板(16)、CF150真空观察窗(18)、石英玻璃(19)、真空直线导轨(20)、三角棱镜夹具(21)、三角棱镜(22)、第一真空微型直线电机(23)、真空LED光源(24)、光学镜腔体(25)、第二微型直线电机(26)、物镜(27)、光纤探头(28)、CCD镜头(29)、无驱动导向轴(30)、掩模架(31)、承片台(33)、拉伸弹簧(34)、拉伸弹簧固定座(35)、掩模夹具(38)、掩模板(39)、微型压电直线电机(41)、压电直线电机(44)、铰链(45)、矩形盲板(46)、钢球(47)、旋转铜台(48)、三点支撑板(49)、转接板(50)和X-Y运动台(51)，隔振器(1)放置在地面，大理石光学平台(2)放置在隔振器(1)上，通过隔振器(1)的作用，能够尽可能的将整个装置与外界隔离，真空腔体(12)通过底部焊接的脚支安放在大理石光学平台(2)上，真空腔体(12)外侧壁上安装了CF150真空法兰(4)、CF150内焊法兰(5)、CF50真空法兰(11)，通过法兰连接，能够实现真空零部件与外界的信号连通，也能够通过设置观察窗，便于对真空环境的观察，真空腔体(12)顶部使用了一个CF150真空观察窗(18)佩带石英玻璃(19)，装置的光源能够有效的通过该观察窗实现光源曝光作用，真空腔体(12)顶部四个吊耳(13)能够方便装置的运输，同时真空腔体(12)的上顶面为法兰连接，设置吊耳(13)也能够方便装置调试与故障维修，夹紧器(10)安装在真空腔体(12)的后面，配合铰链(45)使用，实现真空腔体(12)腔门的开闭；真空气缸(3)安装在真空腔体(12)内侧壁，通过真空气缸固定块(6)完成转接，三个气缸分布在工作时的掩模架(31)下方，通过头部球头向上紧顶掩模架(31)，锁死掩模架Z向移动；真空直线电缸(9)通过螺钉连接安装在真空腔体(12)的真空横梁上，另一侧使用配套的无驱动导向轴(30)将掩模架(31)平稳安装，实现掩模架(31)的大于1000mm距离位移，便于真空取件，一对真空直线导轨(20)安装在真空横梁上面，托起对准光路安装板(16)，通过直线电机转接(14)将真空管状直线伺服电机(15)的定子安装在真空腔体(12)内壁，动子通过安装夹紧件连接在对准光路安装板(16)上，通过动子前后运动能够带动整个对准光路前后实现对物镜(27)的Y向调节，三角棱镜(22)安装在三角棱镜夹具(21)中对准后粘接，确保物镜视野能够成像到CCD镜头(29)中，从而反馈到可视端口，第一真空微型直线电机(23)能够带动真空LED光源(24)、光学镜腔体(25)、第二微型直线电机(26)、物镜(27)整体产生X、Z向运动，实现可调对准设计，光纤探头(28)通过第二微型直线电机(26)安装在对准光路安装板(16)，通过第二微型直线电机(26)Z向走位实现光纤探头的上下位移，能够实现对承片台(33)的三点测距，反馈数据后三点光栅尺复位0点，压电直线电机(44)上升将整个承片台(33)上顶，拉伸弹簧(34)、拉伸弹簧固定座(35)都整体Z向运动，通过压电直线电机(44)得到的走位信号完成步数，三点光栅尺配合压电直线电机(44)完成闭合控制，实现对承片台的调平，掩模板(39)通过掩模夹具(38)安装在掩模架(31)上，掩模板(39)XY方向使用螺钉将其顶死，Z向采用真空吸力将其固定在掩模夹具(38)；旋转铜台(48)通过中心法兰连接于三点支撑位置与三点支撑板(49)连接，三点支撑采用钢球(47)完成，转接板(50)能够将X-Y运动台(51)与整个承片台部分连接起来，完成曝光后，矩形盲板(46)打开，真空三轴机械手臂(57)伸入到承片台(33)中心，配合微型压电直线电机(41)Z向运动将基片顶起，真空三轴机械手臂(57)完成对基片的取件，机械手臂回位将基片放在能够实现Z向移动的装片盒内。
2.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：在真空腔体(12)内使用三处真空气缸(3)完成对掩模架(31)的Z向位移固定，真空气缸(3)与掩模架(31)接触为外向球头方式，防止真空腔体(12)发生径向偏斜，同时能够保证气缸三处球头处于同一平面。
3.根据权利要求1或2所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：对准光路安装板(16)是通过真空直线导轨(20)安装在真空腔体(12)上，通过前后移动可以与LED光路间隙工作，实现调平、曝光。
4.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：使用真空管状直线伺服电机(15)驱动对准光路(54)整体往复运动，真空管状直线伺服电机(15)体积小，并且适用于真空环境。
5.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：使用三处微型压电直线电机(41)完成基片升起和放下，配合三轴机械手臂通过矩形盲板(46)位置的矩形口伸入完成基片取件和放件。
6.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：使用长行程真空直线电缸(9)总长1400mm，行程1000mm，承载100kg，适用于真空环境，这样的使用方法必须保证整体的移动速度不能过快，采用单个真空步进电机与真空减速器配装完成掩模架(31)的移动，另一边采用无驱动导向轴(30)实现双边承载，防止步进电机丢步、越步现象导致掩模架(31)卡死。
7.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：采用两个400万高清晰像素的CCD镜头(29)，对物镜(27)的内容进行反馈监控，并且该CCD镜头(29)能够在真空环境正常使用。
8.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：采用螺钉将掩模板X-Y位移均固定在掩模夹具上，并且掩模板(39)突出掩模夹具(38)0.5～1mm尺寸，确保与基片贴合，掩模夹具(38)螺钉方式安装在掩模架(31)，留出四周间隙贴合特氟龙(37)，减少掩模夹具(38)的磨损以及机械振动。
9.根据权利要求1所述真空表面等离子体光刻装置，其特征在于：三点拉伸弹簧在压电直线电机(44)收缩后将承片台复位，填补压电直线电机(44)无拉伸力的问题；
采用真空X-Y运动台(51)，由三个单轴运动平台搭建而成，单个承载100kG，走位精度配置光栅尺，提高承片台(33)走位精度；
承片台、旋转铜台(48)均使用整块的黄铜材质，三层隔离式设计，采用铜片式结构耦合，三点自由球支撑中心，法兰连接，旋转铜台的压电电机(60)驱动旋转铜台(48)绕轴心旋转，带动承片台(33)产生位移，通过有限元分析，该铜片式结构耦合能够达到使用条件。
真空表面等离子体光刻装置
技术领域
[0001] 本发明涉及到表面等离子体光刻装备技术领域，具体涉及一种真空表面等离子体光刻装置。
背景技术
[0002] 传统光学光刻技术中由于受制于衍射极限，其分辨率只能达到λ/2。这是由于携带物体亚波长信息的倏失波成分随传播距离呈指数衰减，不能传播到远场参与成像所致。近年来，SP光学的出现，为突破衍射极限的光学光刻带来了新的契机。利用SP的短波长特性和对倏失波的增强特性，可实现超越衍射极限的光刻结果。并已发展成为一种高分辨力、低成本的纳米图形加工手段。然而，受到超衍射材料的散射损耗及亚波长结构信息在光刻介质的衰减问题的制约，现有表面等离子体光刻装置在分辨力、图形质量和重复性等方面还存在不足。
发明内容
[0003] 为了降低由于环境中颗粒及空气的存在造成的光刻图形缺陷、提高光刻分辨力及曝光重复性，本发明的目的是提供真空表面等离子体光刻装置，该装置曝光部分整体真空环境，利用真空压电陶瓷电机以及铜台旋转完成对调平及对准。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的如下技术方案：
[0005] 一种真空表面等离子体光刻装置，包括隔振器、大理石光学平台、真空气缸、CF150真空法兰、CF150内焊法兰、真空气缸固定块、钢球接头、万向槽、真空直线电缸、夹紧器、CF50真空法兰、真空腔体、吊耳、直线电机转接、真空管状直线伺服电机、对准光路安装板、真空腔体加强筋、CF150真空观察窗、石英、真空直线导轨、三角棱镜夹具、三角棱镜、真空微型直线电机、真空LED光源、光学镜腔体、微型直线电机、物镜、光纤探头、CCD镜头、无驱动导向轴、掩模架、V型槽口、承片台、拉伸弹簧、拉伸弹簧固定座、基片气管通路、特氟龙、掩模夹具、掩模板、过线筒、微型压电直线电机、压电电机安装座、微型直线导轨、压电直线电机、铰链、矩形盲板、钢球、旋转铜台、三点支撑板、转接板和X-Y运动台，隔震器放置在底面，大理石光学平台放置在隔震器上，通过隔震器的作用，能够尽可能的将整个设备与外界隔离，真空腔体通过底部焊接的脚支安放在大理石光学平台上，真空腔体外侧壁上安装了CF150真空法兰、CF内焊法兰、CF50真空法兰，通过法兰连接，能够实现真空零部件与外界的信号连通，也能够通过设置观察窗，便于对真空环境的观察，真空腔体顶部使用了一个CF150真空观察窗佩带石英玻璃，设备的光源能够有效的通过该观察窗实现光源曝光作用，真空腔体顶部四个吊耳能够方便设备的运输，同时真空腔体的上顶面为法兰连接，设置吊耳也能够方便装置调试与故障维修，夹紧器安装在真空腔体的后面，配合铰链使用，实现真空腔体腔门的开闭；真空气缸安装在真空腔体内侧壁，通过真空气缸固定块完成转接，三个气缸分布在工作时的掩模架下方，通过头部球头向上紧顶掩模架，锁死掩模架Z向移动；真空直线电缸通过螺钉连接安装在真空腔体的横梁上，另一侧使用配套的无驱动导向轴将掩模架平稳安装，实现掩模架的大于1000mm距离位移，便于真空取件，一对真空直线导轨安装在真空横梁上面，托起对准光路安装板，通过直线电机转接将真空管状直线伺服电机的定子安装在真空腔体内壁，动子通过安装夹紧件连接在对准光路安装板上，通过动子前后运动能够带动整个对准光路前后实现对对准物镜的Y向调节，三角棱镜安装在三角棱镜夹具中对准后粘接，确保物镜视野能够成像到CCD镜头中，从而反馈到可视端口，真空微型直线电机能够带动真空LED光源、光学镜腔体微型直线电机、物镜整体产生X、Z向运动，实现可调对准设计，光纤探头通过微型直流电机安装在对撞光路安装板，通过电机Z向走位实现光纤的上下位移，能够实现对承片台的三点测距，反馈数据后三点光栅尺复位0点，压电直线电机上升将整个承片台上顶，拉伸弹簧、拉伸弹簧固定座都整体Z向运动，通过三点压电直线电机得到的走位信号完成步数，三点光栅尺配合电机完成闭合控制，实现对承片台的调平，掩模板通过掩模夹具安装在掩模架上，掩模板XY方向使用螺钉将其顶死，Z向采用真空吸力将其固定在掩模夹具；旋转铜台通过中心法兰连接与三点支撑位置与三点支撑板连接，三点支撑采用钢球完成，转接板能够将X-Y运动台与整个承片台部分连接起来，完成曝光后，矩形盲板打开，真空三轴机械手臂伸入到承片台中心，配合微型压电直线电机Z向运动将基片顶起，真空三轴机械手臂完成对基片的取件，机械手臂回位将基片放在能够实现Z向移动的装片盒内。
[0006] 其中，在真空腔体内使用三点真空腔体完成对掩模架的Z向位移固定，真空气缸与掩模架接触为外向球头方式，防止真空腔体发生径向偏斜，同时能够保证气缸三点球头处于同一平面。
[0007] 其中，对准光路安装板是通过真空直线导轨安装在真空腔体上，通过前后移动可以与LED光路间隙工作，实现调平、曝光。
[0008] 其中，使用真空管状直线伺服电机驱动对准光路整体往复运动，真空管状直线伺服电机体积小，并且适用于真空环境。
[0009] 其中，采用三点120°分布调平承片台，采用压电直线电机上顶承片台，最小步进量≤1nm，顶部采用钢球连接，采用铍青铜，配合光栅尺完成闭环控制。
[0010] 其中，使用三点微型压电直线电机完成基片升起和放下，配合与三轴机械手臂通过矩形盲板位置的矩形口伸入完成基片取件和放件。
[0011] 其中，使用长行程真空直线电缸总长1400mm行程1000mm，承载100kg，适用于真空环境，这样的使用方法必须保证整体的移动速度不能过快，采用单个真空步进电机与真空减速器配装完成掩模架的移动，另一边采用无驱动导向轴实现双边承载，防止步进电机丢步、越步等现象导致掩模架卡死。
[0012] 其中，采用两个400万高清晰像素的CCD镜头完成物镜的内容进行反馈监控，并且该CCD镜头能够在真空环境正常使用。
[0013] 其中，采用螺钉将掩模版X-Y位移均固定在掩模夹具上，并且掩模版突出掩模夹具0.5～1mm尺寸，确保与基片贴合，掩模夹具螺钉方式安装在掩模架，留出四周间隙贴合特氟龙，减少掩模夹具的磨损以及机械振动。
[0014] 其中，三点拉伸弹簧在压电直线电机收缩后将承片台复位，填补压电直线电机无拉伸力的问题；
[0015] 采用真空X-Y运动台，由三个单轴运动平台搭建而成，单个承载100kG，走位精度配置光栅尺，提高承片台走位精度；
[0016] 承片台旋转铜台使用整块的黄铜材质，三层隔离式设计，采用铜片式结构耦合，三点自由球支撑中心，法兰连接，压电电机驱动旋转铜台绕轴心旋转，带动承片台产生位移，通过有限元分析，该铜片连接能够达到使用条件。
[0017] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0018] (1)本发明采用压电电机高精度，配合选装铜台高刚度特性实现小角度旋转自回复设计。
[0019] (2)本发明采用微型压电直线电机Z向运动顶基片，配合机械手臂、门阀完成真空取件，实现保证真空度同时完成真空取件。
[0020] (3)本发明采用光纤测距反馈信号，配合压电直线电机装置光栅尺实现调平闭环回路。
附图说明
[0021] 图1为本发明的真空腔体部分结构示意图。
[0022] 图2为本发明的真空腔体部分结构原理图。
[0023] 图3为旋转铜台结构示意图。
[0024] 图1中：1-隔振器；2-大理石光学平台；3-真空气缸；9-真空直线电缸；12-真空腔体；15-真空管状直线伺服电机；31-掩模架；33-承片台；41-微型直线电机；44-压电直线电机；48-旋转铜台；54-对准光路；55-光源；51-x-y运动台；52-真空泵腔体接口；53-万向球；56-自由球头支撑；57-真空三轴机械手臂；58-压电电机。
[0025] 图2中：1-隔振器；2-大理石光学平台；3-真空气缸；4-CF150真空法兰；5-CF150内焊法兰；6-真空气缸固定块；7-钢球接头；8-万向槽；9-真空直线电缸；10-夹紧器；11-CF50真空法兰；12-真空腔体；13-吊耳；14-直线电机转接；15-真空管状直线伺服电机；16-对准光路安装板；17-真空腔体加强筋；18-CF150真空观察窗；19-石英20-真空直线导轨；21-三角棱镜夹具；22-三角棱镜；23-真空微型直线电机；24-真空LED光源；25-光学镜腔体；26-微型直流电机；27-物镜；28-光纤探头；29-CCD镜头；30-无驱动导向轴；31-掩模架；32-V型槽口；33-承片台；34-拉伸弹簧；35-拉伸弹簧固定座；36-基片气管通路；37-特氟龙；38-掩模夹具；39-掩模版；40-过线筒；41-微型直线电机；42-压电电机安装座；43-微型直线导轨；44-压电直线电机；45-铰链；46-矩形盲板；47-钢球；48-旋转铜台；49-三点支撑板；50-铜台；51-X-Y运动台。
[0026] 图3中：48-旋转铜台；59-压电电机安装板；60-压电电机；61-安装板；62-法兰；63-钢球限位环；64-封口法兰；65-支撑钢球。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图通过实施例对本发明做经一步说明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
[0028] 如图1所示，真空表面等离子体光刻装置，包括隔振器1、大理石光学平台2、真空气缸3、CF150真空法兰4、CF150内焊法兰5、真空气缸固定块6、钢球接头7、万向槽8、真空直线电缸9、夹紧器10、CF50真空法兰11、真空腔体12、吊耳13、直线电机转接14、真空管状直线伺服电机15、对准光路安装板16、真空腔体加强筋17、CF150真空观察窗18、石英19、真空直线导轨20、三角棱镜夹具21、三角棱镜22、真空微型直线电机23、真空LED光源24、光学镜腔体25、微型直流电机26、物镜27、光纤探头28、CCD镜头29、无驱动导向轴30、掩模架31、V型槽口
32、承片台33、拉伸弹簧34、拉伸弹簧固定座35、基片气管通路36、特氟龙37、掩模夹具38、掩模版39、过线筒40、微型直线电机41、压电电机安装座42、微型直线导轨43、压电直线电机
44、铰链45、矩形盲板46、钢球47、旋转铜台48、三点支撑板49、转接板50、X-Y运动台51、电器元件以及真空机组，矩形门阀和三轴真空机械手臂，以及主板电路，控制模块。隔震器1放置在底面，大理石光学平台2放置在隔震器1上，通过隔震器1的作用，能够尽可能的将整个设备与外界隔离，真空腔体12通过底部焊接的脚支安放在大理石光学平台2上，真空腔体12外侧壁上安装了CF150真空法兰4、CF内焊法兰5CF50真空法兰11，通过法兰连接，能够实现真空零部件与外界的信号连通，也能够通过设置观察窗，便于对真空环境的观察，真空腔体12顶部使用了一个CF150真空观察窗18佩带石英19玻璃，设备的光源能够有效的通过该观察窗实现光源曝光作用，真空腔体12顶部四个吊耳13能够方便设备的运输，同时真空腔体12的上顶面为法兰连接，设置吊耳13也能够方便装置调试与故障维修，夹紧器10安装在真空腔体12的后面，配合铰链45使用，实现真空腔体12腔门的开闭。真空气缸3安装在真空腔体
12内侧壁，通过真空气缸固定块6完成转接，三个气缸分布在工作时的掩模架31下方，通过头部球头向上紧顶掩模架31，锁死掩模架Z向移动。真空直线电缸9通过螺钉连接安装在真空腔体12的横梁上，另一侧使用配套的无驱动导向轴30将掩模架31平稳安装，实现掩模架
31的大于1000mm距离位移，便于真空取件，一对真空直线导轨20安装在真空横梁上面，托起对准光路安装板16，通过直线电机转接14将真空管状直线伺服电机15的定子安装在真空腔体12内壁，动子通过安装夹紧件连接在对准光路安装板16上，通过动子前后运动能够带动整个对准光路前后实现对对准物镜27的Y向调节，三角棱镜22安装在三角棱镜夹具21中对准后粘接，确保物镜视野能够成像到CCD镜头29中，从而反馈到可视端口，真空微型直线电机23能够带动真空LED光源24、光学镜腔体25微型直线电机26、物镜27整体产生X、Z向运动，实现可调对准设计，光纤探头28通过微型直流电机26安装在对撞光路安装板16，通过电机Z向走位实现光纤的上下位移，能够实现对承片台33的三点测距，反馈数据后三点光栅尺复位0位，压电直线电机44上升将整个承片台33上顶，拉伸弹簧34、拉伸弹簧固定座35都整体Z向运动，通过三点压电直线电机44得到的走位信号完成步数，三点光栅尺配合电机完成闭合控制，实现对承片台的调平，掩模板39通过掩模夹具38安装在掩模架31上，掩模板39XY方向使用螺钉将其顶死，Z向采用真空吸力将其固定在掩模夹具38。旋转铜台48通过中心法兰连接与三点支撑位置与三点支撑板49连接，三点支撑采用钢球47完成，转接板50能够将X-Y运动台51与整个承片台部分连接起来。完成曝光后，矩形盲板46打开，真空三轴机械手臂57伸入承片台33中心，配合微型压电直线电机41Z向运动将基片顶起，真空三轴机械手臂57完成对基片的取件，机械手臂回位将基片放在能够实现Z向移动的装片盒内。
[0029] 所述的真空机组配合真空计和蝶阀确保真空腔体12内的真空度，对准光路54部分通过真空管状直线伺服电机15控制移动到承片台33的中间，同时掩模架31通过真空直线电缸9移至承片台33中位，通过对准光路54上安装的光纤探头28对掩模版进行检测反馈数据，后信号给到三点真空直线电机44，走位步数由三点光栅尺分别计数，使用闭环控制完成掩模版39调平与对准。对准光路54部分移动避开照明系统，真空气缸3上顶固定掩模版39，压电直线电机闭环走位同样距离，上部由万向铍青铜球头与承片台33接触上移将基片与掩模版39贴合，照明系统作用完成曝光。曝光完成后，微型直线电机41将基片顶起，矩形门阀开启，真空机械手臂伸入，完成取放件操作，真空直线电缸9将掩模架31移动到设备另一端，通过可开闭真空门完成取换掩模版39，完成一个曝光流程。
[0030] 所述的承片台部分，通过光纤探头反馈信号，三点压电直线电机上移，走位信息由三点光栅尺获取反馈，保证三点光栅尺数值一样或在一个容许范围内波动，即承片台部分仍为调平状态，三点直线导轨能够包装压电直线电机不受径向力，上部按住铍青铜万向球头，保持
[0031] 承片台无偏斜。承片台的旋转：铜台中心法兰固定，三点不锈钢球自由限制铜台Z向位移，采用压电电机推动内铜台选装，引导整个铜台以中心为轴转动一个小于等于5°尺寸，计算变形量小于允许变形量。
[0032] 本发明所述的真空表面等离子体光刻装置是这样实现的：
[0033] 首先隔振器1与大理石2光学平台对整个真空腔体12部分进行调平与隔振，真空机组对真空腔体12供气，利用真空计与蝶阀实现对真空腔体12的真空度稳定控制，通过真空直线电缸9走位，将掩模版39中心移动到真空腔体12上方的CF150真空观察窗18中心重合，真空气缸3作用，将掩模版39z向固定，X-Y运动台51驱动整个承片台部分移动到与承片台33中心对准，控制真空管状直线伺服电机15驱动对准光路54部分，通过CCD镜头29配合物镜27成像，完成对准过程，通过三点光纤探头28监测与基片的距离，数据反馈分析后控制压电直线电机44上移，球头接触承片台33，光栅尺反馈走步信号，实现压电直线电机44的调平闭环控制，基片与掩模版39接触后，控制蝶阀开启基片吸气管作用，完成承片台33真空槽为负压，增强基片掩模版39贴合力。曝光完成后，压电直线电机44复位，微型直线电机41将基片顶起，矩形门阀打开，真空机械手臂伸入，将三点顶起的基片取出，后将新的基片采用同样的方式放入，完成一次曝光。
[0034] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
