PAGE大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題目晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)教師：機械工程學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)班20畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班級姓名下發(fā)日期20題目晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計專題主要內(nèi)容及要求大面積納米壓印光刻機是一種高效、高精度、低成本制造微納米結(jié)構(gòu)精密裝備，是生產(chǎn)高密度磁盤、高亮度LED、微流體器件、微光學(xué)器件的核心設(shè)備，基于一種新型大面積納米壓印工藝，開展大面積晶圓尺度納米壓印光刻機整機結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計及數(shù)字化建模的研究。課題的目的：了解納米壓印基本工藝，熟悉整片晶圓納米壓印的原理和工藝實現(xiàn)方法，完成大面積晶圓尺度納米壓印光刻機整機的分析、設(shè)計及數(shù)字化建模工作。課題的內(nèi)容和要求：整機動力學(xué)分析，整機機械結(jié)構(gòu)總體布局和方案的設(shè)計，整機部件的總體設(shè)計和裝配，整機三維數(shù)字化建模。主要技術(shù)參數(shù)進度及完成日期3月7日~3月20日畢業(yè)實習3月21日~4月3日查閱資料、熟悉課題4月4日~4月17日確定整機總體設(shè)計方案4月18日~5月1日整機動力學(xué)分析5月2日~5月22日整機關(guān)鍵部件的設(shè)計5月23日~5月29日整機構(gòu)的數(shù)字化建模和主要零件圖繪制5月30日~6月15日撰寫畢業(yè)論文、準備答辯教學(xué)院長簽字日期教研室主任簽字日期指導(dǎo)教師簽字日期指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師:年月日指定論文評閱人評語評閱人:年月日答辯委員會評語評定成績指導(dǎo)教師給定成績(30%)評閱人給定成績(30%)答辯成績（40%）總評答辯委員會主席簽字本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書PAGE75摘要本文介紹了晶圓尺度紫外納米壓印光刻技術(shù)原理、發(fā)展趨勢和所設(shè)計的壓印系統(tǒng)。所設(shè)計的壓印光刻機采用一種均勻性微接觸壓印工藝，適用于6英寸的大面積壓印，在小的壓印力和脫模力下，大大擴展了壓印面積，同時的保證壓印復(fù)形的精度和質(zhì)量，從而大大提高了生產(chǎn)效率延長了模具壽命。本文根據(jù)實際工況，根據(jù)壓印機的性能要求和所實現(xiàn)的運動要求，對納米壓印光刻機的主體結(jié)構(gòu)進行了分析設(shè)計并且充分考慮了整機尺寸布局，并進行了反復(fù)改進。在以上基礎(chǔ)上，建立了納米壓印光刻機的各關(guān)鍵零部件主體結(jié)構(gòu)的實體模型，并完成了整機的裝配建模。另外，本文還設(shè)計分析了晶圓尺度紫外納米壓印光刻機的關(guān)鍵子系統(tǒng)，如機架、壓印頭、承片臺、主動減振系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、固化曝光系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：壓印光刻機；壓印頭；承片臺；機架；氣動系統(tǒng)

AbstractThispaperintroducesthetechnologyandprincipleofthewaferscalenanoimprintinglithography,developmentandthedesignofnanoimprintinglithographysystem.Thedesignofpressuresealscannerusingauniformitymicrocontactpressuresealprocess,applicabletosixinchesoflargeareainthesmallembossing,stampedforceandstrippingforce,greatlyexpandthestampingarea,atthesametimeguaranteetheaccuracyofstampedcomplexshapeandquality,whichgreatlyimprovetheproductionefficiencyextendedthedielife.Inthispaper,accordingtotheactualworkingcondition,embossingmachineaccordingtotheperformancerequirementsandrealizedbymovementrequest,thenanostampingscannermainbodystructuredesignandanalysisoffullconsiderationofthesize,thelayoutandtherepeatedimprovement.Onthebasisoftheabove,theestablishmentofananostampingscannereachkeypartsofthemainstructuresolidmodel,andcompletethewholeengineassemblymodeling.Inaddition,thispaperalsoanalyzesthedesignwaferscaleultravioletnanostampingscannerkeysubsystems,suchasframe,stamping,frequencyofTaiwan,headtoreducevibrationsystem,pneumaticsystems,curingexposuresystem.Keywords:nanoimprintinglithographyequipment;imprintinghead;waferstage;frame;pneumaticsystem

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II目錄 III1緒論 11.1課題背景 11.2納米壓印技術(shù)及其發(fā)展 61.3國內(nèi)外納米壓印技術(shù)的研究 101.4本論文研究的主要內(nèi)容和意義 112晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 132.1整片納米壓印工藝 132.2納米壓印光刻機介紹 172.3光刻機主要結(jié)構(gòu)形式及選型 202.4納米壓印光刻機總體布局設(shè)計 212.5晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 243晶圓尺度納米壓印光刻機關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計 283.1機架結(jié)構(gòu)設(shè)計 283.2壓印頭的設(shè)計 383.2承片臺的設(shè)計 443.3氣動系統(tǒng) 473.4固化曝光系統(tǒng) 513.5主動減振系統(tǒng) 54第4章晶圓尺度納米壓印光刻機整機數(shù)字建模 564.1納米壓印光刻機主要部件的實體模型的建立 564.2納米壓印光刻機整機的數(shù)字模型的建立 59第5章結(jié)論 62參考文獻 63致謝 65附件1 66附件2 74第1章緒論1.1課題背景光刻機作為一種系統(tǒng)性工程設(shè)備，集“光、電、機、儀”技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體，代表了世界裝備制造的最高水平，也是支撐高科技集成電路的基礎(chǔ)。光學(xué)光刻技術(shù)與其他光刻技術(shù)相比，易實現(xiàn)高套刻精度、掩模制作相對簡單、工藝條件容易掌握等優(yōu)點，一直是半導(dǎo)體芯片制造業(yè)中的主流光刻技術(shù)，但隨著IC的集成度提高，普通的光學(xué)光刻已不能滿足半導(dǎo)體芯片加工對高生產(chǎn)率、低成本的要求。納米壓印設(shè)備的研究旨在為制備納米結(jié)構(gòu)和器件提供一種高分辨率、低成本和高生產(chǎn)率的新方法?？蓮V泛用于納米電子器件、納米光學(xué)器件、納米光電器件、納米磁存儲器及生物微流體器件的制造，為納米科學(xué)技術(shù)研究提供一個重要的制造技術(shù)平臺，對進一步推動他們的產(chǎn)業(yè)化起著重要作用。隨著電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展，光刻技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)意義上的范疇，如上所述，它幾乎包括和覆蓋了所有微細圖形的傳遞、微細圖形的加工和微細圖形的形成過程。因此，未來光刻技術(shù)的發(fā)展也是多元化的，應(yīng)用領(lǐng)域的不同會有所不同，但就占有率最大的半導(dǎo)體和微電子產(chǎn)品領(lǐng)域而言，實現(xiàn)其納米水平產(chǎn)業(yè)化的光刻技術(shù)將分成兩個階段，即：①90～32nm階段將仍然由深紫外和極紫外光刻結(jié)合一些新的技術(shù)手段去完成，同時納米壓印和掃描探針光刻技術(shù)在45nm技術(shù)節(jié)點將會介入進行過渡；②32nm以下的規(guī)模生產(chǎn)光刻技術(shù)將在納米壓印和掃描探針光刻技術(shù)之間選擇?？傊?，未來光刻技術(shù)的發(fā)展將會更快，技術(shù)上將會更加集中。據(jù)在先進光刻技術(shù)大會（國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）主辦），32nm節(jié)點后解決方案有3個，即極紫外線光刻，納米壓印光刻，雙面曝光、兩次圖形曝光。上述3個候補都存在著各自的課題。但是，即使解決了技術(shù)上的課題，仍難以避免設(shè)備價格的高漲及包括基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的成本增加。這樣一來，能夠引進多臺設(shè)備并單獨投資進行先進制程開發(fā)的半導(dǎo)體廠商更是屈指可數(shù)，因此這樣以來納米壓印機卻不失一種最好的半導(dǎo)加工設(shè)備。該技術(shù)因為沒有光學(xué)曝光中的衍射現(xiàn)象和電子束曝光中的散射現(xiàn)象；可以,同時制作成百上千個器件：不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)或復(fù)雜的電磁聚焦系統(tǒng)因此具有的分辨率高、成本低、工藝環(huán)節(jié)少、高產(chǎn)量優(yōu)點，并且已成為下一代光刻技術(shù)中的有力競爭者。奧地利的EVGroup、美國的Nanonex、瑞典的Obducat和德國的SussMicrotec等公司紛紛推出了納米壓印光刻設(shè)備。因此納米壓印可望成為一種工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),從根本上開辟了各種納米器件生產(chǎn)的廣闊前景。納米壓印技術(shù)已經(jīng)展示了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。1958年美國德克薩斯儀器公司發(fā)明了集成電路(lntegratedcircuit，IC)之后，隨著20世紀60年代雙極型和MOS型集成電路的發(fā)展，標志著由電子管和晶體管制造電子整機的時代發(fā)生了質(zhì)和量的飛躍，并且創(chuàng)造了一個前所未有的具有極強滲透力和旺盛生命力的新興產(chǎn)業(yè)-IC產(chǎn)業(yè)。以全球電子產(chǎn)品和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強勁發(fā)展趨勢及在全球經(jīng)濟中的主要地位，IC產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代國民經(jīng)濟乃至地區(qū)安全和全球經(jīng)濟的晴雨表，是整個社會總體產(chǎn)業(yè)增長的動力和活力源泉。IC制造具有復(fù)雜的工藝鏈：晶圓制備、電路制造、封裝等，其中電路制造過程最為復(fù)雜，包括氣相沉積、光刻、刻蝕、離子注入、擴散和引線等。決定IC特征尺寸大小的關(guān)鍵和瓶頸技術(shù)就是其中的光刻環(huán)節(jié)。IC特征尺寸的變化與光刻技術(shù)的發(fā)展關(guān)系遵從著著名的摩爾定理。隨著IC特征尺寸的減小，采用的曝光方式從接觸式、接近式到投影式；光源從436nm、365nm、248nm到193nm;數(shù)值孔徑從0.35、0.45、0.55、0.60到0.70。當特征尺寸小于100nm時，現(xiàn)有的工藝和光源都必須再次更新，如離軸照明技術(shù)、相移掩模技術(shù)、浸沒透鏡技術(shù)籌作為目前提高光刻分辨率的新技術(shù)正被研究和應(yīng)用，但也僅僅是對光刻分辨率的有限提高。為了更進一步提高光刻分辨率，延長光學(xué)光刻壽命，發(fā)展下一代的光學(xué)光刻技術(shù)，包括X射線、離子束投影、無掩模、電子束投影、納米壓印和電子束直寫等成為必要。這些因素對我國IC業(yè)趕超西方先進水平是非常不利的，不符合我國現(xiàn)有國情。只有采用較低資金投入，繞開光刻中光學(xué)難題的全新光刻工藝思路，才會給我國IC業(yè)的大發(fā)展帶來機會，盡快掌握IC制造核心技術(shù)，趕超西方先進水平已經(jīng)成為國家政治、經(jīng)濟、軍事等發(fā)展的關(guān)鍵因素。下一代光刻按術(shù)——壓印光刻(lmprintlithography，IL)就符合以上要求。自20世紀60年代以來，半導(dǎo)體技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，到現(xiàn)在仍遵循著“摩爾定律”保持強勁的發(fā)展態(tài)勢?！澳柖伞笔荌ntel公司創(chuàng)始人之一的GoldonMoore于1965年提出的，即每隔約18-24個月，單個芯片上晶體管數(shù)目將增加1倍。為了趕上迅速發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)，歐洲、日本、韓國、臺灣與美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會合作制訂了《國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖》（ITRS），最新的藍圖進程如圖1-1所示。圖1-1光刻技術(shù)潛在方案藍圖認為目前挑戰(zhàn)存在于拓展193nm節(jié)點光刻技術(shù)及發(fā)展新型下一代可替代方法上。其中，拓展首先將在以下領(lǐng)域中有所進展：曝光設(shè)備、抗蝕材料和加工設(shè)備、制模及設(shè)備和材料、臨界尺寸測試、覆蓋控制和缺陷檢測度量設(shè)備。而制造IC光刻的主要因素取決于臨界尺寸（CD）控制、覆蓋、缺陷控制和低成本。同時，藍圖的延伸將仍然需要發(fā)展下一代光刻技術(shù)，例如EUV、無掩模（ML2）、壓印光刻[1]。因為下一代光刻將需要發(fā)展完全新的架構(gòu)，因此，將其視為經(jīng)濟生產(chǎn)問題來進行也成為主要挑戰(zhàn)之一。壓印光刻技術(shù)既可以在大面積基片上重復(fù)、大批量地制備各種納米圖形結(jié)構(gòu)，通過并行處理制備多個零件，也不需要極為復(fù)雜昂貴的光學(xué)鏡頭和光學(xué)系統(tǒng)、電子聚焦系統(tǒng)，同時又避免了光學(xué)曝光中的衍射和電子束曝光一起的散射現(xiàn)象，分辨率可達幾個納米，因此具有強大競爭力，從根本上展示了納米器件生產(chǎn)的廣闊前景。2003年，國際半導(dǎo)體藍圖(ITRS)已經(jīng)將壓印光刻技術(shù)列為32nm工藝的候選方案之一。納米壓印光刻(Nanoimprintlithography,NIL)是由華裔科學(xué)家美國普林斯頓大學(xué)的CHOU等在1995年首先提出的一種全新的納米圖形復(fù)制方法，它采用傳統(tǒng)的機械模具微復(fù)型原理來代替包含光學(xué)、化學(xué)及光化學(xué)反應(yīng)機理的傳統(tǒng)復(fù)雜光學(xué)光刻，避免了對特殊曝光束源、高精度聚集系統(tǒng)、極短波長透鏡系統(tǒng)以及抗蝕劑分辨率受光半波長效應(yīng)的限制和要求，目前壓印的最小特征尺寸可以達到5nm。NIL較之現(xiàn)行的投影光刻和其他下一代光刻技術(shù)，具有高分辯率、超低成本(國際權(quán)威機構(gòu)評估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻至少低一個數(shù)量級和高生產(chǎn)率等特點，已被納入2005版的國際半導(dǎo)體藍圖，并被排在16nm節(jié)點?，F(xiàn)在普林斯頓大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、哈佛大學(xué)、密西根大學(xué)、林肯實驗室、摩托羅拉、惠普公司及瑞士的PaulScherrer研究所、德國亞琛工業(yè)大學(xué)等眾多知名大學(xué)和研究機構(gòu)都在致力于納米壓印光刻技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用。現(xiàn)有的納米壓印光刻工藝主要包括熱壓印(Hotembossinglithography，HEL)[3]、紫外納米壓印(Ultra-violetnanoimprintlithography，UV-NIL)[4]和微接觸印刷(Microcontactprint，μ-CP，MCP)[5]。目前全世界已有五家納米壓印光刻設(shè)備提供商，它們是美國的MolecularImprintsInc.，NanonexCorp，奧地利的EVGroup、瑞典的ObducatAB和德國的SussMicrotecCo.，Inc.。盡管NIL從原理上回避了昂貴的投影鏡組和光學(xué)系統(tǒng)固有的物理限制，但因其屬于接觸式圖形轉(zhuǎn)移過程，又衍生了許多新的技術(shù)問題。其中1∶1壓印模具的制作、套印精度、模具的使用壽命、生產(chǎn)率和缺陷控制被認為是當前最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體加工幾十年里一直采用光學(xué)光刻技術(shù)實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移,最先進的浸潤式光學(xué)光刻在45nm節(jié)點已經(jīng)形成產(chǎn)能,然而,由于光學(xué)光刻技術(shù)固有的限制,已難以滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)沿著摩爾定律快速發(fā)展。在下一代圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)中,電子束直寫.X射線曝光和納米壓印技術(shù)占有重要地位。其中納米壓印技術(shù)具有產(chǎn)量高、成本低和工藝簡單的優(yōu)點,是納米尺寸電子器件的重要制作技術(shù)。介紹了傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)以及納米壓印技術(shù)的新進展,如熱塑納米壓印技術(shù)、紫外固化納米壓印技術(shù)、微接觸納米壓印技術(shù)、氣壓輔助納米壓印技術(shù)、激光輔助壓印技術(shù)、靜電輔助納米壓印技術(shù)、超聲輔助納米壓印技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等。光刻技術(shù)采用了機械方法，也就是說，通過一個主模接觸，使抗蝕劑層變?yōu)橐环N物理形狀，而這種形狀作為一個刻蝕掩模，可以得到亞波長尺寸圖型和結(jié)構(gòu)。壓印光刻的這種機械特性消除了光刻方法依賴與光束能量相關(guān)的分辨率極限因素。壓印光刻技術(shù)的研究始于普林斯頓大學(xué)納米結(jié)構(gòu)實驗室StephenY.Chou教授，將一具有納米圖案的模版以機械力（高溫、高壓）在涂有高分子材料的硅基板上等比例壓印復(fù)制納米圖案，其加工分辨力只與模版圖案的尺寸有關(guān)，而不受光學(xué)光刻的最短曝光波長的物理限制，目前IL（ImprintLithography）技術(shù)已經(jīng)可以制作線寬在5nm以下的圖案。其原理如圖1-2所示。首先在硅基板用丙酮等進行清洗，然后將阻蝕膠旋涂于硅基片上。當模板壓向阻蝕膠后并停止后，可用UV對其進行曝光照射，使阻蝕膠固化成型。然后模板移去，并對在樣品上沒有固化的膠體用丙酮沖去。最后采用各向異性的反映離子干刻工藝將阻蝕膠的圖形轉(zhuǎn)移到基片上?！D1-2納米壓印光刻技術(shù)的工藝流程1.2納米壓印技術(shù)及其發(fā)展納米壓印技術(shù)最早由StephenYChou教授在1995年率先提出,這是一種不同與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的全新圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。納米壓印技術(shù)的定義為:不使用光線或者輻照使光刻膠感光成形,而是直接在硅襯底或者其它襯底上利用物理學(xué)的機理構(gòu)造納米尺寸圖形。傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)主要有三種:熱塑納米壓印技術(shù)、紫外固化壓印技術(shù)和微接觸納米壓印技術(shù)。熱塑納米壓印技術(shù)主要的工藝流程制備高精度掩模板,一般采用硬度大和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的SiC、Si3N4、SiO2,利用電子束蝕刻技術(shù)或反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)來產(chǎn)生圖案;利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻膠,常見的是PMMA和PS;加熱至光刻膠的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度(Tg)之上50℃～100℃,然后加壓(500kPa～1000kPa)于模板并保持溫度和壓力一段時間,液態(tài)光刻膠填充掩模版圖形空隙;降低溫度至Tg以下后脫模,將圖形從模板轉(zhuǎn)移到基片上的光刻膠;采用反應(yīng)離子刻蝕去除殘留光刻膠,就將圖形轉(zhuǎn)移到基板上。為了減小空氣氣泡對轉(zhuǎn)移圖案質(zhì)量的影響,整個工藝過程都要在小于1Pa的真空環(huán)境中進行。壓印過程如圖1-3所示。圖1-3熱塑納米壓印技術(shù)工藝流程紫外固化納米壓印技術(shù)由德州大學(xué)CGWill2son教授提出。主要工藝過程先制備高精度掩模板,而且要求掩模板對紫外光是透明的,一般采用SiO2材質(zhì)作為掩模版;在基板上旋涂一層液態(tài)光刻膠,光刻膠的厚度為600nm～700nm,光刻膠要求黏度低,對紫外光敏感;利用較低壓力將模板壓在光刻膠之上,液態(tài)光刻膠填滿模板空隙,從模板背面用紫外光照射,紫外光使光刻膠固化;脫模后用反應(yīng)離子蝕刻方式除去殘留光刻膠,將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。壓印過程如圖1-4所示。紫外固化納米壓印技術(shù)與熱塑壓印技術(shù)相比不需要加熱,可以在常溫下進行,避免了熱膨脹因素,也縮短了壓印的時間;掩模板透明,易于實現(xiàn)層與層之間對準,層與層之間的對準精度可以達到50nm,適合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的要求。但紫外固化納米壓印技術(shù)設(shè)備昂貴,對工藝和環(huán)境的要求也非常高;沒有加熱的過程,光刻膠中的氣泡難以排出,會對細微結(jié)構(gòu)造成缺陷。生產(chǎn)中常常采用紫外固化納米壓印技術(shù)和步進技術(shù)相結(jié)合,形成步進式快閃納米壓印技術(shù)工藝過程如圖1-5所示。該方法采用小模板分步壓印紫外固化的方式,大大提高了在基板上大面積壓印轉(zhuǎn)移的能力,降低了掩模板制造成本,也降低了采用大掩模板帶來的誤差。但此方法對位移定位和驅(qū)動精度的要求很高。圖1-4紫外固化納米壓印技術(shù)工藝流程圖1-5步進快閃式納米壓印技術(shù)工藝流程微接觸壓印技術(shù)]有兩種實現(xiàn)方法,分別為微接觸納米壓印技術(shù)和毛細管微模版法。微接觸納米壓印技術(shù)由哈佛大學(xué)的WhitesidesGM等人提出,工藝過程:用光學(xué)或電子束光刻技術(shù)制得掩模板,用一種高分子材料(一般是PDMS)在掩模版中固化脫模后得到微接觸壓印所需的模板;將模板浸沒到含硫醇的試劑中;再將PDMS模板壓在鍍金的襯底上10s～20s后移開,硫醇會與金反應(yīng)生成自組裝的單分子層SAM,將圖形由模板轉(zhuǎn)移到襯底上。后續(xù)處理工藝有兩種:一種是濕法蝕刻,將襯底浸沒在氰化物溶液中,氰化物使未被SAM單分子層覆蓋的金溶解,這樣就實現(xiàn)了圖案的轉(zhuǎn)移;另一種是通過金膜上自組裝的硫醇單分子層來鏈接某些有機分子,實現(xiàn)自組裝,此方法最小分辨率可以達到35nm,主要用于制造生物傳感器和表面性質(zhì)研究等方面。壓印過程如圖1.5所示。毛細管微模版法由微接觸納米壓印技術(shù)發(fā)展而來,掩模板制作的方式與微接觸壓印技術(shù)相同模板放置在基板之上,將液態(tài)的聚合物(一般為聚甲基丙烯酸)滴在模板旁邊,由于虹吸作用,聚合物將填充模板的空腔;聚合物固化后脫模,再經(jīng)過蝕刻就將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。工藝過程如圖1-7所示。圖1-6微接觸納米壓印工藝過程圖1-7毛細管微模制法工藝過程在納米壓印技術(shù)的發(fā)展歷程中,近年出現(xiàn)了一些新的實現(xiàn)方法,或者是在傳統(tǒng)技術(shù)上進行改進,如激光輔助納米壓印技術(shù)、靜電輔助納米壓印技術(shù)、氣壓輔助納米壓印技術(shù)、金屬薄膜直接壓印技術(shù)、超聲波輔助熔融納米壓印技術(shù)、彈性掩模版壓印技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等。金屬薄膜直接壓印技術(shù)是在Si基板上利用離子束濺射技術(shù)產(chǎn)生一層Cu、Al和Au等金屬薄膜,直接用超高壓在金屬薄膜上壓印出圖案。此工藝需要油壓系統(tǒng)提供超高的壓印壓力,達到幾百MPa。有文章稱利用50000N的高壓可以在220nm厚的金屬薄膜上壓出73nm～169nm的壓痕。如此高壓有可能會將基板壓壞,為了解決這個問題,在金屬薄膜和基板之間加入一層緩沖層(NEB-22或SUB-8)緩沖層可以使壓力減少為原來的1%,，只需要2MPa～40MPa。同時使用尖銳的掩模板,以增強對薄膜的壓力,如圖1-8所示。利用油壓系統(tǒng)提供4MPa～20MPa的壓力,在溫度為40℃～80℃的范圍內(nèi)用模板直接壓Au-聚合物薄膜,可以得到理想的圖形轉(zhuǎn)移。激光輔助壓印技術(shù)[就是用高能準分子激光透過掩模版直接熔融基板,在基板上形成一層熔融層,該熔融層取代傳統(tǒng)光刻膠,然后將模板壓入熔融層中,待固化后脫模,將圖案從掩模板直接轉(zhuǎn)移到基板之上。采用的準分子激光波長要能透過掩模版而能量盡量避免被吸收,掩模版常采用SiO2,據(jù)報道利用激光融化Si基板進行壓印工藝可以實現(xiàn)低于10nm的特征線寬,工藝流程如圖1-9所示。因為是直接將圖案轉(zhuǎn)移到基板之上,不需要蝕刻過程,也減少了曝光和蝕刻等工藝,可以大大減少納米壓印的時間,降低生產(chǎn)成本。圖1-8改進的金屬薄膜直接壓印圖1-9激光輔助壓印技術(shù)納米壓印技術(shù)大都是不連續(xù)的生產(chǎn)工藝過程,難以進行大規(guī)模和大面積的生產(chǎn),為了進行量產(chǎn),只有采用很大的掩模版或者是需要高對準精度和自動化操作的步進紫外固化技術(shù)。大掩模版加工困難,且易損壞;步進快閃技術(shù)工藝環(huán)節(jié)多,控制難度大,為克服這些難題,一種新的連續(xù)的納米壓印技術(shù)—滾軸式納米壓印技術(shù)得以出現(xiàn)。滾軸式納米壓印技術(shù)有連續(xù)壓印、產(chǎn)量高、成本低和系統(tǒng)組成簡單等特點。有兩種實現(xiàn)工藝:一種是將掩模版直接制作到滾軸上,可以通過直接在金屬滾軸上刻蝕或者利用彈性掩模套在滾軸上實現(xiàn),滾軸的轉(zhuǎn)動將圖形連續(xù)地壓入已旋涂好光刻膠(溫度達到玻璃化溫度以上)的基板上,滾軸的滾動實現(xiàn)了壓入和脫模兩個步驟,如圖1-10(a)所示。還可以是在彈性掩模版上利用滾軸滾動施壓,但均勻性難以保證;另一工藝是將滾軸式壓印技術(shù)和紫外壓印技術(shù)相結(jié)合,紫外固化納米壓印技術(shù)光刻膠本身就是液態(tài),紫外光固化可以將紫外光束很好地控制到滾軸和光刻膠分離的區(qū)域,采用的基板可以是彈性基板或者是如Si樣的硬基板。其彈性基板的工藝流程如圖1-10(b)所示。圖1-10滾軸式壓印原理電磁輔助納米壓印和氣壓輔助納米壓印都是對壓印工藝中壓印壓力的施壓環(huán)節(jié)進行改進,提高壓力作用的均勻性,延長掩模版的使用壽命,從壓力作用分布和承片臺自適應(yīng)要求來看,氣壓輔助納米壓印技術(shù)較有優(yōu)勢,但氣囊施壓還不能完全體現(xiàn)氣體施壓壓力均勻的特點,氣體直接接觸掩模版和光刻膠,也還需要考慮氣流對系統(tǒng)對準、光刻膠氣泡和氣壓作用方式等多方面的問題。1.3國內(nèi)外納米壓印技術(shù)的研究國內(nèi)也有很多科研單位從事納米壓印技術(shù)研究和應(yīng)用,臺灣清華大學(xué)利用超聲波輔助對熱塑納米壓印作了重大改進。西安交通大學(xué)自己建立了一套壓印系統(tǒng),采用彈性掩模、紫外固化技術(shù)和六自由度自適應(yīng)承片臺。中科院電工研究所設(shè)計了一套氣囊氣缸式壓印系統(tǒng),利用氣囊充氣解決壓力施壓和承片臺自適應(yīng)問題。上海交通大學(xué)設(shè)計建立了真空負壓紫外固化納米壓印系統(tǒng)。華中科技大學(xué)也設(shè)計了一套熱塑納米壓印系統(tǒng)。目前全球已有五家商業(yè)公司提供納米壓印機,包括美國的MolecularIm2printsInc和NanonexCorp、奧地利的EVGroup、瑞典的ObdcatAB和德國的SussMicroTec。在應(yīng)用方面,納米壓印系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,如量子磁碟、DNA電泳芯片、生物細胞培養(yǎng)膜、GaAs光檢測器、波導(dǎo)起偏器、硅場效應(yīng)管、納米機電系統(tǒng)、微波集成電路、亞波長器件、納米電子器件、納米集成電路、量子存儲器件、光子晶體陣列和OLED平板顯示陣列等。納米壓印技術(shù)正逐漸成為微納加工技術(shù)的一種重要方式。1.4本論文研究的主要內(nèi)容和意義隨著壓印工藝對特征圖形質(zhì)量和效率要求的提高，對壓印光刻機進行分析和改進就成了整片晶元納米壓印光刻機研制中不可或缺的一部分。本文設(shè)計的壓印光刻機將應(yīng)用于大尺寸整片晶圓納米壓印方法。本文根據(jù)實際工況，建立了壓印機的主體結(jié)構(gòu)的實體模型，根據(jù)壓印機的性能要求和所實現(xiàn)的運動要求，對壓印機的主體結(jié)構(gòu)進行了分析設(shè)計并且充分考慮了整機尺寸，并進行了反復(fù)改進。“納米壓印”是一種全新的納米圖形復(fù)制方法。其特點是具有超高分辯率,高產(chǎn)量,低成本。高分辯率是因為它沒有光學(xué)曝光中的衍射現(xiàn)象和電子束曝光中的散射現(xiàn)象。高產(chǎn)量是因為它可以象光學(xué)曝光那樣并行處理,同時制作成百上千個器件。低成本是因為它不象光學(xué)曝光機那樣需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)或象電子束曝光機那樣需要復(fù)雜的電磁聚焦系統(tǒng)。因此納米壓印可望成為一種工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),從根本上開辟了各種納米器件生產(chǎn)的廣闊前景。納米壓印技術(shù)已經(jīng)展示了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。如用于制作量子磁碟[,DNA電泳芯片,GaAs光檢測器,波導(dǎo)起偏器,硅場效應(yīng)管,高密度磁結(jié)構(gòu),GaAs量子器件,納米電機系統(tǒng)和微波集成電路等。本文設(shè)計的整體大尺寸壓印頭可以使壓印頭的結(jié)構(gòu)及壓印程序變得簡單，在保證精度的同時提壓印效率。本文提出一種由支撐層、彈性層和結(jié)構(gòu)層組成的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明的晶圓級軟模具，壓印過程采用從模具中心位置向外側(cè)方向逐漸均勻性微接觸壓印的方法，基于新的模具結(jié)構(gòu)并采用氣體輔助壓印力和毛細力共同作用下，實現(xiàn)壓印力均勻分布、消除氣泡缺陷，并在小的壓印力下實現(xiàn)大面積圖形的復(fù)制（保證復(fù)形的精度和質(zhì)量）。脫模過程采用模具從晶圓最外側(cè)向中心小面積連續(xù)“揭開”式脫模工藝，在真空吸力和水平力的共同作用下，采用微小的脫模力即可實現(xiàn)大面積脫模（一方面避免大面積接觸同時脫模需要較大的脫模力，導(dǎo)致對模具和復(fù)制圖形造成損傷；另一方面避免單側(cè)揭開式脫模，因模具變形大導(dǎo)致其壽命短以及生產(chǎn)率低的缺陷)。壓印過程和脫模過程均以模具中心為對稱軸，模具均勻和對稱受力，壓印和脫模過程兩側(cè)同時進行（極大提高生產(chǎn)率和復(fù)形的質(zhì)量）。為實現(xiàn)此構(gòu)想而研制的晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程,主要包含以下幾個基本過程。初步確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。確定晶圓尺度納米壓印光刻機各零部件的位置,裝配順序及其相互間的關(guān)系,晶圓尺度納米壓印光刻機的裝配模型。建立裝配模型。在UG軟件中建立晶圓尺度納米壓印光刻機的三維實體模型,主要包含以下內(nèi)容:零件建模、裝配各零部件生成整機模型。詳細設(shè)計。完成零部件模型的細節(jié)設(shè)計,如裝配孔、焊接接頭等的設(shè)計。干涉檢查。完成零部件的裝配和細節(jié)設(shè)計后,對整機模型進行干涉檢查。

第2章晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1整片納米壓印工藝圖2-1為熱壓印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,可以看出熱壓印工藝除對均勻加熱及受力的需要外,為了滿足大面積壓印過程中聚合物對模具凹槽填充的充分性和一致性,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還需要一個真空腔體,整個壓印過程必須在真空狀態(tài)下完成。工作狀態(tài)下的真空度為,由分子泵實現(xiàn),時間在3min左右。另外,熱壓印過程中對找平機構(gòu)的要求也非常高,這一環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在承片臺的調(diào)節(jié)設(shè)計和對準監(jiān)測環(huán)節(jié)上。諸多因素決定了熱壓印工藝的應(yīng)用對象為圖形單一、特征尺寸較大、產(chǎn)品批量要求低的制造領(lǐng)域。由此，可看出此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且相關(guān)對準、調(diào)平等要求嚴格，因此，此結(jié)構(gòu)不能應(yīng)用于本項目中。圖2-1熱壓印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-2為實際制作的微區(qū)納米壓印裝備壓印頭結(jié)構(gòu)示意圖。氣缸驅(qū)動導(dǎo)軌上的滑塊上下運動,z軸電機驅(qū)動壓印頭在工作平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),微動開關(guān)用于z軸運動強制限位。緩沖器減緩模壓頭的沖擊作用。采用LIGA工藝制作金屬(Ni)模版,安裝于模仁夾具。但是，本項目中的壓印機應(yīng)用于6in的整片壓印，而圖2-2結(jié)構(gòu)僅用于微區(qū)微納米壓印，因此，也不被本設(shè)計采用，卻有很好的參考價值。圖2-2微區(qū)微納米壓印裝備壓印頭部結(jié)構(gòu)圖滾動式納米壓印技術(shù)，是Chou在原有的平板壓印的基礎(chǔ)上于1998提出的。在平板式壓印過程中，對平板間的平行度，平板間的受力不均勻性以及平板的平整度等方面，另外也是壓印方式的一種選擇。滾動式納米壓印技術(shù)可以兩種方式來實現(xiàn)，如圖2-2中的a和b。在圖2-2的a中，通過微刻蝕技術(shù)在一個圓柱形的滾柱上面刻蝕出具有微納米特征尺寸的圖案，然后通過滾柱滾動從而在PMMA薄膜上面留下與其圖案相反的圖案。接下來，就跟納米壓印相同的圖形糟移來是實現(xiàn)加工。在圖2-2b中，壓印過程和納米壓印的都一樣是平板壓印，只不過在對印章施加壓力的時候采用了滾柱來施加。納米壓印技術(shù)和滾動式納米壓印技術(shù)的對比結(jié)果，Chou沒有對此描述。（a）滾式壓印裝置（b）兩種不同的滾壓方式圖2-2滾式納米壓印技術(shù)的機構(gòu)和不同的壓印方式圖2-3是氣囊氣缸式真空紫外納米壓印系統(tǒng)設(shè)計原理圖，該系統(tǒng)屬于整體式壓印，即采用與基底材料面積相同的模板，一次性完成模板圖形到基底材料的微納米圖案的轉(zhuǎn)印。其主要由三部分組成：氣囊氣缸式壓印系統(tǒng)、真空室和管狀紫外光源光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)壓印面積范圍1OOmm，最大壓印力5×10Pa，紫外強度50mW／cm。此結(jié)構(gòu)比較簡單，但對6in的晶圓的要求還遠遠不夠。圖2-3氣囊氣缸式真空紫外納米壓印系統(tǒng)設(shè)計原理圖本文提出一種由支撐層、彈性層和結(jié)構(gòu)層組成的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明的晶圓級軟模具，壓印過程采用從模具中心位置向外側(cè)方向逐漸均勻性微接觸壓印的方法，基于新的模具結(jié)構(gòu)并采用氣體輔助壓印力和毛細力共同作用下，實現(xiàn)壓印力均勻分布、消除氣泡缺陷，并在小的壓印力下實現(xiàn)大面積圖形的復(fù)制（保證復(fù)形的精度和質(zhì)量）。脫模過程采用模具從晶圓最外側(cè)向中心小面積連續(xù)“揭開”式脫模工藝，在真空吸力和水平力的共同作用下，采用微小的脫模力即可實現(xiàn)大面積脫模（一方面避免大面積接觸同時脫模需要較大的脫模力，導(dǎo)致對模具和復(fù)制圖形造成損傷；另一方面避免單側(cè)揭開式脫模，因模具變形大導(dǎo)致其壽命短以及生產(chǎn)率低的缺陷)。壓印過程和脫模過程均以模具中心為對稱軸，模具均勻和對稱受力，壓印和脫模過程兩側(cè)同時進行（極大提高生產(chǎn)率和復(fù)形的質(zhì)量）。大尺寸整片晶圓納米壓印方法，其基本過程如圖2-4所示。具體包括以下工藝步驟：1）預(yù)處理過程。關(guān)閉壓力管路，打開真空管路，模板吸附在壓印頭工作臺面上（具體說是模板的支撐層吸附于壓印頭工作臺面中的凹槽里）。將涂鋪有抗蝕劑的晶圓固定在工作臺上，壓印頭與晶圓對正后，壓印機構(gòu)下降，直至壓印頭的支撐調(diào)節(jié)塊與晶圓工作臺相接觸。2）壓印過程首先，從模板中心位置開始，將初始的真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài)，在氣體輔助壓印力和毛細力共同作用下，軟模具的彈性層在中心位置縱向產(chǎn)生彎曲變形，局部開始接觸襯底上的抗蝕劑，模具中心位置的微納米結(jié)構(gòu)腔體開始被抗蝕劑所充填，如圖2-4（a）所示；隨后，從模具中心位置向外側(cè)方向逐一將真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài)，模具結(jié)構(gòu)層與抗蝕劑的接觸面積不斷擴大，直至整個模具結(jié)構(gòu)層與整片晶圓上的抗蝕劑完全接觸，模具中的所有微納米結(jié)構(gòu)腔體被抗蝕劑所充填，如圖2-4（b）和（c）所示；最后，所有壓力通道的壓力保持均勻一致性增大，實現(xiàn)液態(tài)抗蝕劑材料在模具微納米結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)的完全充填，并且減薄至預(yù)定的殘留層厚度。3）固化過程開啟紫外光光源，紫外光透過模具對抗蝕劑曝光，充分固化液態(tài)抗蝕劑，如圖2-4（d）所示。4）脫模過程首先，從晶圓最外兩側(cè)開始，關(guān)閉壓力管路，打開真空管路，同時開啟脫模用的噴嘴。在真空吸力和噴嘴壓縮空氣產(chǎn)生水平力共同作用下，從最外側(cè)開始模具與晶圓相互分離，如圖2-4（e）所示；隨后，從晶圓最外側(cè)向模具中心逐一將壓力轉(zhuǎn)換回真空狀態(tài)，實現(xiàn)模具從晶圓外側(cè)向中心連續(xù)“揭開”式的脫模，脫模力為真空吸力和水平力的合力，如圖2-4（f）和（g）所示；最后，模具中心位置與晶圓相分離，實現(xiàn)模具與晶圓的完全分離，完成脫模，如圖2-4（h）所示。圖2-4大尺寸整片晶圓納米壓印工藝過程示意圖2.2納米壓印光刻機介紹納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印(HEL)、紫外壓印(UV-NIL)和微接觸印刷(μCP)。納米壓印術(shù)是軟刻印術(shù)的發(fā)展，它采用繪有納米圖案的剛性壓模將基片上的聚合物薄膜壓出納米級圖案，再對壓印件進行常規(guī)的刻蝕、剝離等加工，終極制成納米結(jié)構(gòu)和器件，可以大批量重復(fù)性地在大面積上制備納米圖形結(jié)構(gòu)，并且所制出的高分辨率圖案具有相當好的均勻性和重復(fù)性。該技術(shù)還有制作本錢極低、簡單易行、效率高等優(yōu)點。因此，與極端紫外線光刻、X射線光刻、電子束刻印等新興刻印工藝相比，納米壓印術(shù)具有不遜的競爭力和廣闊的應(yīng)用遠景。目前，這項技術(shù)最先進的程度已達到小于5nm的水平。當前開發(fā)納米壓印設(shè)備的公司都是一些名不見經(jīng)傳的公司，如Nanonex、EVGroup、MolecularImprintsInc．(MII)和Obducat等，見下表。表2-1納米壓印設(shè)備生產(chǎn)廠商公司名稱所在地備注MolecularImprints美國得克薩斯州德克薩斯大學(xué)的分離公司，也許是半導(dǎo)體行業(yè)最為關(guān)注的壓印設(shè)備制造商，擁有超過100名員工。SussMicroTec德國Munich掩模對準器和晶片壓接工具制造商，提供能夠自動完成晶片處理過程的新型壓印設(shè)備。Nanonex美國新澤西州普林斯頓大學(xué)的分離公司，是最早的納米壓印公司，出售抗阻材料、掩模以及壓印設(shè)備。EVGroup奧地利掩模對準器和晶片壓接工具制造商，聲稱已經(jīng)售出40臺壓印設(shè)備。Obducat瑞典壓印設(shè)備的主要供給商，同時提供掃描電子顯微鏡和電子束光刻工具。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展為半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)帶來了廣闊的市場。同時集成電路的生產(chǎn)實際上也是對一個國家整體工業(yè)水平和經(jīng)濟實力的考驗和帶動。而納米壓印光刻設(shè)備作為比較有潛力的半導(dǎo)體設(shè)備也有著比較廣闊的市場前景?，F(xiàn)有晶圓尺度納米壓印光刻設(shè)備主要有EVG770GenII、Imprio55、NX2000、6int、NPS300和NSR2005i9c型i線步進式光刻機。（1）、EVG770GenII納米壓印晶圓步進機EVG公司推出EVG770GenII步進機納米壓印光刻機（NIL）（如圖2-5）。EVG770GeII解決了大面積光學(xué)用途和高分辨率納米光學(xué)及納米電子學(xué)特征圖形的復(fù)制。圖2-5EVG770GenII步進機納米壓印光刻機EVG770GenII作為第一臺基于紫外光的納米壓印分步重復(fù)光刻系統(tǒng)，是專用于微光學(xué)器件（例如CMOS圖像傳感器和圓片級照相機的微透鏡）制作的圖形曝光設(shè)備。該系統(tǒng)增強了單步工藝，并能夠為專業(yè)的鏡頭制造者增添納米壓印圖形直至之后的晶圓級微透鏡制作成型的能力。實現(xiàn)高分辨率特點的其他應(yīng)用包括，例如波導(dǎo)管、環(huán)形諧振器的制造以及納米電子產(chǎn)品的研發(fā)等。EVG770GenII分步重復(fù)系統(tǒng)支持100-300mm范圍內(nèi)晶圓的硬件和軟件功能的紫外-近紫外線納米壓印以及微接觸光刻用途。專用的系統(tǒng)特點包括一個可實現(xiàn)最佳套刻對準的雙工作臺對準途徑和高精度定位系統(tǒng)。獨特的壓印頭帶有一種測量壓印/脫模力的測壓元件，可進行各種商用抗蝕劑和抗粘性涂層的實時和原位表征監(jiān)測，改善微成型工藝和納米壓印靈活性。此外，該系統(tǒng)具有在真空狀態(tài)下壓印的能力，能實現(xiàn)較高的圖形保真度，成品率和器件的性能。該系統(tǒng)支持半自動/全自動晶圓與模板的轉(zhuǎn)移。（2）、Imprio55，NX2000，6int和NPS300納米壓印設(shè)備美國得克薩斯州MolecularImprints公司的Imprio55（圖2-6）、瑞典Obducat公司的6int納米壓印設(shè)備（圖2-7），以及美國Nanonex公司的NX2000和德國SussMicroTec公司的NPS300等。這些產(chǎn)品均沿襲了光學(xué)光刻在隔震和對準方面的優(yōu)異特性，但是在壓印模具下壓過程中采用空氣懸浮工作方式的承片臺容易產(chǎn)生平面位移，無法保證分布壓印過程中的納米級定位要求，因此這些設(shè)備主要應(yīng)用于單層壓印或整片壓印。圖2-6Imprio55壓印設(shè)備圖2-76int納米壓印設(shè)備（3）、NSR2005i9c型i線步進式光刻機NSR2005i9c是日本尼康公司于90年代初期推出的一種i線步進式光刻機，其最小分辨率小于0.45um，可變數(shù)值孔徑從0.50至0.57，采用5英寸掩膜版，可對6英寸晶圓進行曝光。2.3光刻機主要結(jié)構(gòu)形式及選型1、現(xiàn)有光刻機主要結(jié)構(gòu)形式光刻機的主要結(jié)構(gòu)形式有有很多，常用的結(jié)構(gòu)有懸臂式、橋式、橋式懸臂式、龍門式、立柱式，如圖2-8所示。圖2-8現(xiàn)有光刻機主要結(jié)構(gòu)形式模型2、晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)形式的確定由于各種結(jié)構(gòu)形式的變形對精度的影響不同，故應(yīng)該根據(jù)所設(shè)計的納米壓印光刻機的精度和所加工晶片尺寸選擇它的結(jié)構(gòu)形式。懸臂式的特點是工作面開闊，工件易于裝卸，但懸臂結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形且懸臂的變形隨著壓印頭的位置不同而變化，其精度低于0.01mm/m。橋式的特點是剛性好，x，y，z行程都可較大，其精度也較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且限制了操作孔間。橋式懸臂式結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，并且完全可由龍門式替代。龍門式結(jié)構(gòu)剛性好，精度高。立軸式適于小型機。因此，本文主要考慮懸臂式和龍門式結(jié)構(gòu)。本課題所研究的設(shè)備用于加工6in的晶圓片，剛度和精度都要求比較高，同時需要有較大的操作空間，同時力求結(jié)構(gòu)簡單。因此，晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)形式選用龍門式結(jié)構(gòu)。2.4納米壓印光刻機總體布局設(shè)計一、納米壓印光刻機功能分析1、設(shè)計要求根據(jù)所確定的6in大尺寸整片晶圓納米壓印的加工工藝,對晶圓尺度納米壓印光刻機提出以下具體要求：（1）預(yù)處理要求。關(guān)閉壓力管路，打開真空管路，模具被吸附在壓印頭工作臺面上（具體說是模板的支撐層吸附于壓印頭工作臺面中的凹槽里）。將涂鋪有抗蝕劑的晶圓固定在工作臺上，壓印頭與晶圓對正后，壓印機構(gòu)下降，直至壓印頭的支撐調(diào)節(jié)塊與晶圓工作臺相接觸。（2）壓印要求首先，從模板中心位置開始，將初始的真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài)，在氣體輔助壓印力和毛細力共同作用下，軟模具的彈性層在中心位置縱向產(chǎn)生彎曲變形，局部開始接觸襯底上的抗蝕劑，模具中心位置的微納米結(jié)構(gòu)腔體開始被抗蝕劑所充填；隨后，從模具中心位置向外側(cè)方向逐一將真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài)，模具結(jié)構(gòu)層與抗蝕劑的接觸面積不斷擴大，直至整個模具結(jié)構(gòu)層與整片晶圓上的抗蝕劑完全接觸，模具中的所有微納米結(jié)構(gòu)腔體被抗蝕劑所充填；最后，所有壓力通道的壓力保持均勻一致性增大，實現(xiàn)液態(tài)抗蝕劑材料在模具微納米結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)的完全充填，并且減薄至預(yù)定的殘留層厚度。（3）固化要求開啟紫外光光源，紫外光透過模具對抗蝕劑曝光，充分固化液態(tài)抗蝕劑。（4）脫模要求首先，從晶圓最外兩側(cè)開始，關(guān)閉壓力管路，打開真空管路，同時開啟脫模用的噴嘴。在真空吸力和噴嘴壓縮空氣產(chǎn)生水平力共同作用下，從最外側(cè)開始模具與晶圓相互分離；隨后，從晶圓最外側(cè)向模具中心逐一將壓力轉(zhuǎn)換回真空狀態(tài)，實現(xiàn)模具從晶圓外側(cè)向中心連續(xù)“揭開”式的脫模，脫模力為真空吸力和水平力的合力；最后，模具中心位置與晶圓相分離，實現(xiàn)模具與晶圓的完全分離，完成脫模。2、功能分析及功能分解根據(jù)設(shè)計要求可知,總功能就是涂覆有光刻膠的晶圓片,按要求的加工工藝進行壓印,并保證所要求的加工精度。通過對總功能的分析可把總功能分解成能直接求解的分功能(功能元)。這些分功能與機器所要完成的一系列相互獨立的工藝動作相對應(yīng),并用樹狀功能圖來描述。如圖2-9所示,將總功能分解為開關(guān)壓縮空氣、模板固定、收送晶片、隔振、固定晶片并調(diào)平、壓印頭升降、真空—壓力變換、紫外曝光、壓力—真空變換等9個分功能。圖2-9樹狀功能圖本文主要進行納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，以及機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本設(shè)計中,納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計應(yīng)能實現(xiàn)納米壓印光刻機的開關(guān)壓縮空氣、模板固定、收送晶片、隔振、固定晶片并調(diào)平、壓印頭升降、真空—壓力變換、紫外曝光、壓力—真空變換等9個分功能,進而實現(xiàn)其所要求的功能。二、納米壓印光刻機總體布局設(shè)計本機設(shè)備是一臺采用龍門式布置的納米壓印光刻機,主要用于加工6in的晶片，并且考慮到需要加工更大尺寸的晶片，壓印頭的大體尺寸(長×寬×高)為300mm×250mm×250mm，行程為150mm，因此初步確定晶圓尺度納米壓印光刻機形體尺寸(長×寬×高)為600mm×500mm壓印光刻機機械系統(tǒng)是由承片臺、壓印頭（紫外曝光系統(tǒng)安裝在壓印頭內(nèi)）、底座、機架等幾部分組成的。光刻機結(jié)構(gòu)簡圖見圖2-10所示。圖2-10光刻機結(jié)構(gòu)簡圖1伺服電機2橫梁3滑塊導(dǎo)柱5壓印頭連桿6壓印頭7三層模具8承片臺9立柱10底座2.5晶圓尺度納米壓印光刻機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合考慮立柱和橫梁截面形狀以及壓印頭在機架上的裝配后可采用的機架設(shè)計,本文提出了以下幾種方案。方案1進一步考慮立柱和橫梁截面形狀，立柱與底座的連接，橫梁和立柱的連接以及壓印頭在機架上的裝配后改進機架結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紤]橫梁受力幾乎只是壓印頭重力，因此，用下面結(jié)構(gòu)即可滿足要求。圖2-11方案一再考慮橫梁與立柱連接后作出如下改進。立柱采用鋼板，其上焊接一個同材料的鋼板用作與底座的連接；立柱與橫梁采用加工有孔的三角鐵連接，而實際上直接把立柱和橫梁用螺栓連接；壓印頭導(dǎo)柱固定在橫梁上的螺紋孔中；壓印頭固定在橫梁上表面的螺紋孔中；壓印頭連桿穿過橫梁上的大孔，如圖2-12。圖2-12改進的方案一方案2本方案中，龍門架的兩根立柱亮兩端各加工有螺紋，分別用于與底座和橫梁的連接。用兩根立柱做壓印頭導(dǎo)柱，不僅大大簡化了結(jié)構(gòu)，擴大操作空間，使其更緊湊，提高橫梁的剛度，而且便于加工安裝，如下圖2-13所示。但這會大大加大加工和裝配難度，從另一方面看，即在同等條件下，降低了設(shè)備的精度。圖2-13方案二但以上結(jié)構(gòu)用兩根立柱做壓印頭導(dǎo)柱，這會增大壓印頭尺寸，同時由于底座面積比較大，不易保證其加工精度，因此，采用獨立的立柱，并在加工底座螺紋孔前先加工沉頭孔，如圖2-14。同樣，此改進也不能避免已存在的問題，即會加大加工和裝配難度，降低了設(shè)備的精度。圖2-14改進的方案二方案3把方案2中的橫梁改為用鋼板制造，即方案3。同樣，此改進也未避免已存在的問題，即降低了設(shè)備的精度。2-15方案三綜合考慮立柱和橫梁截面形狀以及壓印頭在機架上的裝配后可采用的機架設(shè)計,可以從以上三個方案或者綜合它們后再次改進方案中選出最終方案。在選擇方案時應(yīng)考慮立柱和橫梁截面形狀，立柱與底座的連接，橫梁和立柱的連接，它們的受力以及壓印頭在機架上的裝配。此外，不僅考慮要簡化結(jié)構(gòu)，擴大操作空間，使其更緊湊，提高橫梁的剛度，而且要便于加工安裝同時要降低加工和裝配難度，從另一方面看，即在同等條件下，降低設(shè)備的精度。方案2和方案3不能避免已存在的問題，即會加大加工和裝配難度，降低了設(shè)備的精度，因此本設(shè)計中不采用。綜合考慮立柱和橫梁截面形狀以及壓印頭在機架上的裝配后可采用的機架設(shè)計,可以從以上三個方案中選方案1作為最終方案。

第3章晶圓尺度納米壓印光刻機關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計本節(jié)主要針對系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵子系統(tǒng)作一簡要的描述，包括它們的結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計要求等幾個方面。3.1機架結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1一、機架的功用安裝、支承、固定或活動的零部件，使之保持相對位置和運動關(guān)系，并承受力和力矩。二、機架的設(shè)計要求1、足夠的靜剛度和較高的剛度／重量比。2、良好的動態(tài)特性。3、較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力。4、便于制造、裝配、維修和吊運及考慮氣壓、電器裝置的安置等。三、機架的設(shè)計基本步驟1、根據(jù)機架的使用要求進行受力分析，再根據(jù)所受的力、熱變形和其它要求（主要是其它零部件安置等），并參考光刻機機床的同類型件，初步設(shè)計其基本形狀和尺寸。2、可以用有限元法，借助于電子計算機進行驗算，求解機架的靜剛度和動態(tài)剛度，避免盲目性，提高成功率。3、根據(jù)計算結(jié)果對設(shè)計進行修改，或?qū)讉€方案進行對比，選擇最佳方案。3.1設(shè)計壓印機機架的形體尺寸時，首先應(yīng)考慮能否容納下最大晶圓的尺寸，然后考慮壓印頭與晶圓間相對運動所需的行程。在結(jié)構(gòu)諸多形體尺寸中，一般先確定結(jié)構(gòu)長度或?qū)挾?。一、橫梁輪廓尺寸確定壓印機的橫梁截面長寬比可參考一般機床大件截面高寬比推薦值(如下表3-1)確定。由于伺服電機的連接座面積約為120mm×120mm，所以橫梁截面長（寬）至少有一個尺寸至少為120mm，但為了使立柱有較大的剛度，令其截面寬度為120mm，由下表可取橫梁截面長寬比為1，則橫梁截面長度為120mm。表3-1一般機床大件截面高寬比推薦值橫梁的長度可參考工作臺尺寸確定，取為500mm，則橫梁輪廓尺寸如圖3-1。圖3-1橫梁輪廓尺寸之一二、立柱的輪廓尺寸確定立柱的形體高度h，包括以下幾個方面的尺寸：立柱與底座連接尺寸h1，承片臺高度h2，最大晶圓片厚度h3，橫梁到工件高度h4，橫梁高度h5，立柱高度裕量h6（如下圖所示，其中h6未標出）。圖3-2形體尺寸確定圖壓印頭重量（壓印力可忽略不計）由壓印頭作用在橫梁上，由橫梁傳遞到立柱上，立柱與固定在地基上的底座連接，立柱可視為下端固定的懸臂梁考慮。立柱的懸伸量為：3-1承片臺高度h2，約為100mm。最晶圓片厚度h3，為幾到一百多個微米可以忽略不計，取h3=0。橫梁到工件高度h4，主要由壓印頭尺寸，壓印頭行程和一定的尺寸裕量（可以并入立柱高度裕量h6計算）三部分尺寸決定。壓印頭模具端面到機架距離為300-350mm，壓印頭行程為150mm，即h4為450-500mm。橫梁高度h5，兩個方案對應(yīng)的尺寸為120mm和20mm。立柱高度裕量h6（如圖3-4所示，其中h6未標出），取為5mm。則對應(yīng)立柱總體高度H約為：3-23-3其中，立柱與底座連接尺寸h1，即立柱連接部分的高度，取為25mm。考慮到立柱上端與橫梁連接，因此立柱的截面長約為120mm。立柱的截面長寬比可由上表取為3，則其截面寬度為40mm。立柱的輪廓尺寸如圖3-3。圖3-3立柱的輪廓尺寸圖三、底座廓尺寸確定底座的形體長度l，包括以下幾個方面的尺寸：立柱底座寬度尺寸l1=100mm，底座寬度裕量h2=60mm，承片臺寬度l3=180mm。圖3-4底座的形體長度l，可由下式計算：3-4壓印機的底座截面長寬比可按上表取為0.1，則壓印機的底座截面寬為50mm，截面長為600mm。底座的輪廓尺寸如圖3-5圖3-5底座的輪廓尺寸如圖3.1.3機架結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮的主要問題是保證良好的靜剛度和動態(tài)特性，減少熱變形、合理選用材料和熱處理方式、有較好的結(jié)構(gòu)工藝性。一、立柱和橫梁截面形狀機架主要是承受力矩、扭矩以及彎扭復(fù)合載荷，所以自身剛度主要是考慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。在彎、扭載荷作用下，機架的變形與截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料和截面積相同而形狀不同時，截面慣性矩相差很大，因此應(yīng)正確選擇截面的形狀和尺寸以提高自身剛度。截面形狀與慣性距的關(guān)系如下表3-2所示。表3-2截面形狀與慣性距的關(guān)系立柱和橫梁截面面的形狀的選擇，主要考慮加工、裝配工藝性，以及材料是否易得，成本低等。綜合考慮后立柱和橫梁的合適形式主要有以下幾種，如圖3-6。圖3-6立柱和橫梁的截面形式直接用實心鋼材，如圖3-6中a，浪費材料，且相對剛度低，但對立柱和梁來說可以獲得較好的連接且方便壓印頭的安裝；b型可直接采用型鋼或焊接，但單梁壓印頭不易安裝，采用雙橫梁則結(jié)構(gòu)復(fù)雜；c型橫梁，由于安裝壓印頭需要開窗會造成其剛度下降；d型結(jié)構(gòu)的橫梁壓印頭難安裝，若用雙橫梁，則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同樣也不是立柱的理想方案；e型可鋼焊接而成，可以獲得與立柱很好的連接且方便壓印頭的安裝，同樣也適合立柱的要求；f型結(jié)構(gòu)省材料，省空間，且不易變形，連接裝配方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；g截面，僅用作立柱，可大大簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，但設(shè)備承載能力卻不是很好，可進一步改為h截面。由上可可知橫梁可采用D—1A120S9方形鋼管，其截面形狀如下圖1A=120，S=9。或者用鋼板，槽鋼焊接而成。圖3-7立柱截面形狀二、合理選擇立柱和橫梁連接部位的結(jié)構(gòu)和選擇連接螺栓尺寸及布置圖3-8立柱和底座連接部位的結(jié)構(gòu)圖3-8c和d若僅立柱考慮與底座連接，則立柱與底座及橫梁的連接及螺栓的布置，如下圖3-9?？紤]與橫梁連接，為了便于加工，采用的連接結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具體情況定，立柱的最終三維模型如圖3-11所示。a、立柱與底座的連接b、立柱與橫梁的連接圖3-9立柱的連接及螺栓的布置圖3-12立柱的最終三維模型為了安裝機件壓印頭，橫梁往往需要在支承件外壁上開孔，窗孔對剛度的影響決定于它的大小和位置。開在與彎曲平面垂直的壁上的窗孔，對影響抗彎剛度最大。開在較窄壁上的窗孔，對抗扭剛度的影響比開在較寬壁上的窗孔大。因此矩形截面的立柱，窗孔盡量不要開在前、后壁上。必須開孔時，應(yīng)靠近支承件幾何中心附近。孔寬或孔徑以不超過支承件寬度的0.25倍為宜。工作時加蓋，并用螺釘上緊，可補償一部分剛度的損失。表2-3給出了在空心梁類支承件模型上開孔及加蓋對剛度影響的試驗結(jié)果?？紤]與壓印頭及立柱的連接，橫梁可結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖3-13。表3-3開孔及加蓋對剛度的影響圖3-13橫梁結(jié)構(gòu)圖四、底座的詳細設(shè)計底座在光刻機整機系統(tǒng)中同樣占有非常重要的地位。在光刻機結(jié)底板由下面的空氣彈簧支撐，由于空氣彈簧可以有效隔離3Hz以上的振動，使得光刻機內(nèi)部世界的最低固有頻率降低到1-2Hz，有效的隔離了更寬頻帶的振動。光刻機中最核心的承片臺就連接在底板上。底板材料采用殷鋼材料，這種材料又稱鎳鐵合金（含63.8%Fe，36%Ni，0.2%C），是一種特殊的精密合金。它的一個重要特性就是受溫度影響最小，其溫度影響系數(shù)為一般鋼的十分之一。這種殷鋼材料采用染黑新工藝，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的結(jié)合力。用該工藝方法獲得的氧化膜呈深黑色或黑藍色，這種氧化膜厚度1微米左右，不受工件復(fù)雜形狀的限制，凡是溶液浸到的部位即有氧化層，不會影響零件精度。這種新技術(shù)從一個側(cè)面也反映出光刻機的研發(fā)是多種先進技術(shù)的結(jié)晶。由于本設(shè)備的承片臺能自動適應(yīng)壓印頭在垂直方向的位姿，因此其他部分的加工和裝配精度可適當降低。兩根導(dǎo)柱裝配后只要它們的中心線平行度滿足要求，并與橫梁垂直，不干涉壓印頭上下運動即可。同時，橫梁與底座的平行度也可以適當降低要求。對應(yīng)立柱的設(shè)計底座的設(shè)計可有以下方案。圖3-14底座3.支承件的材料主要為鑄鐵和鋼。由于本設(shè)備為單件、小批量的高精度設(shè)備，由下表可知機架選用由型鋼和鋼板制造。為防止零件薄壁振動應(yīng)采用≥10mm厚壁板。由于設(shè)計中的壓印機為小批量生產(chǎn)，且結(jié)構(gòu)比較簡單，受力較小，因此，采用10-50mm的厚鋼板螺栓連接或輔以一定的焊接工藝，可以獲得較好的市場適應(yīng)性和縮短生產(chǎn)周期，如下表所示。表3-4結(jié)構(gòu)特征的工藝性特征3.2壓印頭的設(shè)計壓印頭主要的功能就是定位模具與襯底，并對其施加一定的壓力，使模具浸入阻蝕膠中，從而形成特征圖形。而要實現(xiàn)這些功能，必須有一個設(shè)計合理、運行穩(wěn)定可靠的載體為基本條件，這個載體就是壓印頭的機械機構(gòu)部分。壓印平頭的總體機械結(jié)構(gòu)如圖3-15左圖所示，壓印頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-15右圖所示。圖3-15壓印平頭的總體機械結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.機架2滑塊3導(dǎo)柱4壓印頭5壓印頭連桿6伺服電機3.2.1壓印頭壓下零件設(shè)計圖3-16壓下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)爆炸圖1伺服電機2聯(lián)軸器3機架4絲杠螺母5導(dǎo)柱6直線軸承或軸套7絲杠8支撐板一、導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計圖3-17導(dǎo)向機構(gòu)圖3-18直線軸承中間位置開有螺栓孔，連接桿固定在下方，絲杠螺母固定在上方，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是兩個導(dǎo)向套加工困難，改進方法：可以選用分體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向套，或者把直線軸承固定在板上，這樣可以在裝配的時候方便調(diào)整，以保證導(dǎo)向精度。二、連接機構(gòu)的設(shè)計圖3-19連接桿連接桿可以選用的樣式有板狀的，筒狀的。具體結(jié)構(gòu)如上圖所示，將連接彎板與連桿形式，改成剛度較高的直筒式示。改進之后，壓印頭在X、Z三個方向的變形都處于亞微米級，大大改善了壓印頭機構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度，在一定程度上保證了特征圖形的壓印質(zhì)量。在此選用筒狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)在xyz三個方向的受力受力變形比較小。3.2.2壓印頭零件設(shè)計圖3-20壓印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)爆炸圖1外殼2氣閥板3氣閥板擋環(huán)4透明氣路板5三層模具6支撐調(diào)整板一、壓印頭外殼圖3-21壓印頭外殼整體的壓印頭外殼，具有良好的位置度，可以避免壓印頭外殼的裝配誤差。材料可以選用鋁合金。二．排閥固定板圖3-22排閥固定板此板周圍的小孔是管路孔，如圖3-22所示，氣路管通過這些小孔把石英氣路板上引出接到三位三通閥上，板上的大孔即為固定三位三通閥所用的孔。板的下方裝有三根紫外線燈。三、氣路板如圖3-23所示，1為真空和氣體通路出入口，與上面的閥體相連，2為石英氣路板中間的管道，作用是進行氣體分配。3為與軟模具相接觸的通氣孔，通過這些孔的氣體跟真空的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)壓模和脫模。圖3-23氣路板1真空和氣體通路出入口2石英氣路板中間的管道3與軟模具相接觸的通氣孔四、支撐調(diào)整板如圖所示，針對不同的模具厚度及其壓印厚度選擇不同厚度的支撐調(diào)整板。因螺栓預(yù)緊力的影響，支撐板會產(chǎn)生輕微的變形，所以應(yīng)采用剛度較大的材料。圖3-23支撐調(diào)整板3.2承片臺的設(shè)計3.2.1承片臺概述晶圓尺度納米壓印光刻機承片臺是光刻機的核心單元之一，見圖2-1中，它必須具有可靠固定晶圓、保證模版與基片的平行的功能和特點。其可靠固定晶圓、保證模版與基片的平行精度直接影響光刻機的復(fù)制精度，并最終決定了光刻機所能實現(xiàn)的光刻特征線寬尺寸。隨著光刻機復(fù)制精度的不斷提高，承片臺的精度也需要相應(yīng)地提高。光刻機承片臺由真空吸盤、承片臺與底座三部分組成。壓印過程中要得到盡可能小的留膜厚度,而且更重要的是要保證模版與基片的平行,使得模版與基片能夠均勻的接觸。若模版與基片不平行,將得到楔形的留膜,甚至模版的一端直接接觸基片。如果楔形留膜的厚度差超過壓印特征的高度,那么在后續(xù)的干法等厚刻蝕時就會將特征刻蝕掉。同時模版與基片的不平行也將導(dǎo)致下壓時模版與基片的相對滑移,發(fā)生側(cè)向擴張,影響壓印的精度,另外在起模時模版也會對壓印特征造成破壞。因此壓印過程中必須保證模版與基片的平行度。定位工作臺是壓印機的關(guān)鍵部分,由它保證模版與基片平行且能夠均勻接觸,而且相對滑動盡可能的小。從定位工作臺的機構(gòu)性質(zhì)來看有被動(又稱自適應(yīng))調(diào)整型與主動調(diào)整型。自適應(yīng)調(diào)整型是指利用機構(gòu)自身的柔性來被動地適應(yīng)模版與基片的不行。當壓印力通過模版作用到基片上時,承載基片的定位工作臺會發(fā)生相應(yīng)的微小轉(zhuǎn)動,使得整個基片受力均勻。而這種微小的轉(zhuǎn)動可以通過機構(gòu)自身的柔性來實現(xiàn)。主動調(diào)整型是通過檢測裝置檢測模版與基片的不平行度,然后通過調(diào)整裝置進行調(diào)整,主動地改變模版與基片的不平行狀態(tài)。本文主要是介紹被動適應(yīng)工作臺。自適應(yīng)定位工作臺的主要形式有：彈簧支撐工作臺、柔性支撐承片臺、楔形補償承片臺等。而本文介紹的可采用氣浮承片臺和彈簧支撐工作臺。3.2.2承片臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、承片臺的總體結(jié)構(gòu)圖3-24承片臺的總體結(jié)構(gòu)如圖所示，承片臺與底座是曲面接觸，接觸表面需光滑以減小摩擦，提高工作壽命。在底座中加工出真空管道來，以利于將承片臺緊固定在底座上。真空吸盤通過螺釘連接，固定在承片臺上。當壓印頭下時通過調(diào)整支撐裝置使現(xiàn)模板與晶片平行后，用真空吸緊并保持它們之的間平行。二、承片臺底座設(shè)計根據(jù)要求選擇底座的材料為45鋼，此材料摩擦因數(shù)高，耐磨性好，有一定的抗腐蝕和抗膠合能力，機械強度和制造工藝好。承片臺選料時應(yīng)考慮的主要因素有：工作溫度和溫升速度是主要因素。承片臺的材料應(yīng)具有良好的恢復(fù)性能，耐磨性好，有一定的耐油，耐溫，抗腐蝕及抗膠合能力，有一定的機械強度和良好的制造工藝。因此，選材料為45鋼，其對偶材料也是45鋼，其干摩擦因數(shù)為0.15～0.18，濕摩擦因數(shù)為0.06～0.08。45鋼的密度為7.85g/。底座的主要功能是用來固定承片臺，具體結(jié)構(gòu)如圖3-25。半圓凹形底座加工方法比較簡單，孔的加工可以通過鉆孔或者鏜孔完成。槽的加工可以通過漲刀的方法完成，然后再依次加工陣列分布的小型圓孔，在底座與孔槽平面垂直側(cè)面上加工出管螺紋與孔槽接通，以便吸真空，固定承片臺。圖3-25承片臺底座圖3-26承片臺3.3承片臺的設(shè)計承片臺放置在底座上，將底座加工成凹形狀是方便固定承片臺，固定的方法是將底座中的孔槽吸真空，通過真空發(fā)生器，或者可以是真空泵。在本設(shè)計中，承片臺被加工成半圓形，底面圓弧與承片臺的凹槽接觸，如圖3-26。承片臺的材料選擇采用45鋼。承片臺上加工有8個螺孔用來固定真空吸盤。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，方便選材，且不需要調(diào)整機構(gòu)，因為是軟模具壓印所以不需要平行檢測裝置，操作方便。圖3-26真空吸盤真空吸盤的工作原理是與承片臺連接，用真空產(chǎn)生負壓吸附固定基片。該真空吸盤的表面為均勻分布的小方點，其結(jié)構(gòu)使得硅片與吸盤接觸面積減小，從而能有效防止灰塵落在吸盤表面，而在真空吸附時產(chǎn)生硅片表面彎曲變形，并且也消除了溝槽式結(jié)構(gòu)在真空吸附時產(chǎn)生的局部變形。真空吸盤如上圖3-32。3.3氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)包括：回路設(shè)計；原件、附件選用；管道選擇設(shè)計；系統(tǒng)壓降驗算；空壓機和真空泵的選用；經(jīng)濟性與可靠性分析。3.3.1氣閥板的設(shè)計壓印頭的尺寸約是170×170×70mm,根據(jù)查詢機械設(shè)計手冊初步定氣閥板的尺寸為200×170×40mm。當工廠中各氣動設(shè)備對壓縮空氣的工作壓力有多種要求時，氣源系統(tǒng)的管道必須保證最高壓力要求。為避免壓縮空氣在管道內(nèi)流動時的損失過大，必須對管道流速做限制。管內(nèi)流速或最大流量決定了管道直徑的大小。管道內(nèi)徑d的計算=15mm3-6式中：Q—壓縮空氣在管道內(nèi)的體積流量，;V—壓縮空氣在管道內(nèi)的流速，單位為m/s，一般壓縮空氣在廠區(qū)內(nèi)的流速為8~10m/s,用汽車間內(nèi)的流速可達10~15m/s。為避免過大的壓力損失，限定壓縮空氣管道內(nèi)的流速在25m/s以下。用上述公式算得管徑d后，還應(yīng)驗算空氣通過管道的壓力損失是否在允許范圍內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗，在廠區(qū)范圍內(nèi)，較大型的壓縮空氣站，從管道的起點到終點，壓縮空氣的壓力降不得超過初始壓力的%8或0.1Mpa；在車間范圍內(nèi)，不得超過供氣壓力的%5或0.05Mpa；如超過上述數(shù)據(jù)，就必須增大管徑。綜上所述氣空的直徑學(xué)d=15mm。每排7個空，共5排，如下圖。圖3-27氣閥板的平面和立體圖常用的管接頭連接型式有卡套式、插入式、卡箍式、快速接頭和回轉(zhuǎn)接頭。接頭的連接方式有過渡接頭、等徑接頭、異徑接頭及內(nèi)外壓力螺紋表接頭等。目前管接頭的螺紋形式有C螺紋、R螺紋及NPT螺紋。氣閥板的兩側(cè)是螺紋孔，用來連接管道，一共5個。上板面均勻分布著孔徑相同的孔，此孔與側(cè)面的管道相通，以保證氣體的通暢。3.3.2氣動回路的設(shè)計氣動基本回路是氣動回路的基本組成部分，可分為：壓力控制回路、方向控制回路、速度控制回路、位置控制回路和基本邏輯回路。在壓力控制回路中一次壓控制回路主要控制氣罐，使其壓力不超過規(guī)定壓力。常采用外控式溢流閥來控制