本发明涉及光刻机领域，特别涉及一种快门装置及其控制方法、光刻机及其曝光剂量控制方法。
背景技术：
光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。经常使用的基片为表面涂有光敏感介质的半导体晶片或玻璃基片。在光刻过程中，晶片放在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶片表面。
光刻机的一个重要指标是曝光剂量，对于曝光剂量的精确控制直接影响着一台光刻机的刻蚀精度。
现有中低端光刻机的曝光系统采用高压汞灯作为光源，曝光开始、结束由光路中的机械快门控制，曝光剂量大小由曝光时间确定。具体过程如下：首先通过预热和环境控制使高压汞灯输出光功率达到稳定；接着，计算曝光时间，打开快门开始曝光，同步计时开始；最后，时间到，关闭快门，曝光结束。
应用于曝光的快门机械形式根据快门叶片运动形式主要分为旋转式快门及直线式快门。快门运动控制方式主要包含开环式控制及闭环式控制。
现有技术中揭示了双叶片旋转式直驱方式，运动主体为动磁铁，采用改变线圈组内部电流方向产生磁场方向变化，吸附永磁铁直线运动，但对速度未有明确体现。现有技术中还公开了一种电磁直线运动驱动结构，但该结构的应用工况为相机领域，通光孔径直径小于10mm，且相机工况的光强能量较低，并不适用于光刻机。
现有技术中还提出一种采用旋转电机作为驱动的单叶片的旋转式快门，并采用闭环控制进行曝光开闭位置控制，快门最小开闭时间在150ms～170ms之间，在2000mw/cm2工况下最小剂量为300mj。但是，此快门面临的主要问题如下：
(1)对于小于300mj的工艺剂量需要通过照度衰减结构的能量衰减方式实现小剂量曝光；
(2)由于开闭时间的限制，小剂量曝光产率存在比较明显劣势；
(3)由于照度衰减机构的存在以及快门开闭速度的限制，导致单位时间内光源利用率降低。
技术实现要素：
本发明提供一种快门装置及其控制方法、光刻机及其曝光剂量控制方法，以减小快门开闭时间，提高小剂量曝光产率并提高光源利用率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种快门装置，包括：挡光单元和音圈电机，其中，所述音圈电机包括永磁模块、驱动导轨模块和线圈结构，所述驱动导轨模块和所述线圈结构设置在所述永磁模块中间，所述线圈结构设置在所述驱动导轨模块上，所述永磁模块在所述驱动导轨模块内部产生磁场，所述线圈结构通电后产生与所述驱动导轨模块磁场方向相反或相同的磁场，使其沿所述驱动导轨模块往复运动，所述挡光单元包括两组快门叶片，所述快门叶片与所述线圈结构连接。
作为优选，所述永磁模块包括对称布置的两组永磁铁组，每组永磁铁组包括两块永磁铁，所述驱动导轨模块设于所述两块永磁铁之间，所述线圈结构包括两个线圈，一个线圈对应一组永磁铁组。
作为优选，所述驱动导轨模块采用铁芯。
作为优选，所述驱动导轨模块为弧形或者半圆形。
作为优选，所述两组快门叶片剪刀式铰接，且两快门叶片之间存在重叠。
作为优选，所述快门叶片采用铝制叶片。
作为优选，所述快门叶片表面经过黑色阳极氧化工艺处理。
作为优选，所述快门装置还包括罩设在音圈电机和挡光单元外部的罩壳，所述罩壳上与挡光单元对应位置处开设有通光孔径。
作为优选，所述罩壳上设有冷却气入口，用于通入压缩空气对所述音圈电机和挡光单元冷却。
作为优选，所述快门叶片的直径大于所述通光孔径的直径。
作为优选，所述快门叶片与所述线圈结构之间还设置有轴承转轴组件。
作为优选，所述轴承转轴组件包括：轴承座、安装在所述轴承座上的转轴、设在所述转轴上的轴承以及与所述轴承配合的轴套，所述转轴与所述快门叶片以及线圈结构连接。
作为优选，所述转轴与所述轴承、所述轴承与所述轴套之间过渡配合。
作为优选，所述轴承采用双深沟球轴承。
作为优选，所述快门装置还包括位置探测器，所述位置探测器安装在所述轴承转轴组件上，且位置与所述快门叶片对应。
作为优选，所述快门叶片的重心相对所述快门叶片的转轴中心向下偏移，且偏向于快门叶片圆弧侧。
本发明还提供一种的快门装置的控制方法，包括：根据光斑大小确定音圈电机的输出力；根据音圈电机的输出力确定线圈结构控制板卡的输出电流，所述线圈结构控制板卡输出正方向电流控制快门叶片加速，所述线圈结构控制板卡输出反方向电流控制快门叶片减速，通过打开加速、打开减速、关闭加速和关闭减速四个速率控制阶段实现所述快门叶片的开闭，同时设定快门叶片处于打开加速、打开减速、关闭加速和关闭减速状态时的通电时间。
作为优选，无动作时，所述线圈结构控制板卡的输出电流远小于控制快门叶片加速的正向电流及控制快门叶片减速的反向电流，使快门叶片处于静止状态。
作为优选，根据光斑大小确定音圈电机的输出力的步骤包括：根据光斑大小确定单个快门叶片的旋转行程，根据该旋转行程计算开闭过程中快门叶片所需的推力，进而确定音圈电机的输出力。
作为优选，还包括：优化所述线圈结构控制板卡的输出电流峰值，对所述快门叶片进行s型速度曲线控制。
本发明还提供一种采用快门装置进行曝光剂量控制的光刻机。
本发明还提供一种应用于所述的光刻机的曝光剂量控制方法，包括：接收曝光剂量指令，根据所述曝光剂量确定所述音圈电机的输出力，根据所述音圈电机的输出力确定线圈结构控制板卡的输出电流和通电时间，所述线圈结构控制板卡输出正向电流使所述快门装置进行打开加速动作，加速结束后所述线圈结构控制板卡输出反向电流使所述快门装置进行打开减速动作；减速电流结束后，所述线圈结构控制板卡输出保持电流进入等待阶段；根据能量时间积分判定条件等待关闭命令下发，关闭命令下发后，所述线圈结构控制板卡输出正向电流使所述快门装置进行关闭加速动作，加速结束后所述线圈结构控制板卡输出反向电流使得所述快门装置进行关闭减速动作，这样单次曝光剂量控制过程完成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过采用两组快门叶片配合，可以减小快门叶片行程；另一方面采用可以提供大扭矩的音圈电机，两者配合，使得本发明的光刻机曝光快门装置可以实现以下技术指标：单叶片开闭角度达20°，通光直径为40mm，最小开闭时间为28.4ms，大大提高了快门叶片的开闭时间，而且单个快门叶片的驱动平均功率15.3w；照度工况2500mw/cm2，快门叶片处光功率为170w时的最小曝光剂量为80mj，小剂量曝光产率至少提升了3倍，无需使用照度衰减机构，提高了单位时间内的光源利用率。
附图说明
图1为本发明实施例1中快门装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中音圈电机的结构示意图；
图3为本发明实施例1中轴承转轴组件的结构示意图；
图4为本发明实施例1中快门叶片质心位置示意图；
图5为本发明实施例1中快门叶片与罩壳之间的位置关系图；
图6为本发明实施例1中快门叶片速率控制示意图；
图7为本发明实施例1中快门装置的开环电流控制原理示意图；
图8为本发明实施例1中光刻机曝光过程能量探测示意图；
图9为本发明实施例2中快门叶片优化速率控制示意图。
图中所示：100-音圈电机、110-永磁模块、111-永磁铁、120-驱动导轨模块、130-线圈、200-快门叶片、300-轴承转轴组件、310-轴承座、320-转轴、330-轴承、340-轴套、400-位置探测器、500-罩壳、510-通光孔径。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图1-5所示，本发明的光刻机曝光快门装置，包括：罩壳500、设置在所述罩壳500内的挡光单元、轴承转轴组件300、音圈电机100以及位置探测器400。罩壳500也即是光刻机曝光快门装置的总体外形尺寸为160mm×50mm×200mm。其中，所述挡光单元包括两个快门叶片200，所述音圈电机100通过所述轴承转轴组件300控制所述快门叶片200动作。
请重点参照图1-2，所述音圈电机100包括：永磁模块110、驱动导轨模块120和线圈结构，其中，所述永磁模块110包括：对称布置的两组永磁铁组1101、1102，每组永磁铁组中包含两块永磁铁111。所述驱动导轨模块120采用铁芯，该铁芯贯穿两组永磁铁组1101、1102并设置在两块永磁铁111之间，所述线圈结构包括两个线圈130，所述两个线圈130设置在所述铁芯上并与对应的快门叶片200连接。具体地，一组永磁铁组对应一个线圈130，一个线圈130连接一个快门叶片200，4个永磁铁111组成的两组永磁铁组1101、1102在铁芯内部产生顺铁芯方向的磁场，线圈130通电后，线圈130的磁场方向与铁芯内部磁场方向相反或相同，通过改变线圈130内电流的方向，便可以控制线圈130在铁芯上进行加减速运动。
所述音圈电机100还包括安装座140，用于固定永磁铁组1101、1102及驱动导轨模块120。需要说明的是，所述驱动导轨模块120为弧形或者半圆形，本实施例将所述安装座140和所述永磁模块110也对应设置为弧形或半圆形，便于驱动所述两组快门叶片200动作。因此，本实施例的图2仅用作对音圈电机100结构的辅助说明，并不限定对音圈电机100的具体形状做约束限定。
请重点参照图1和图3，所述轴承转轴组件300包括：轴承座310、安装在所述轴承座310上的转轴320、设在所述转轴320上的轴承330以及与所述轴承330过渡配合的轴套340，所述转轴320与所述快门叶片200连接，所述转轴320与所述轴承330、所述轴承330与轴套340之间均采用过渡配合，可以极大程度减小快门叶片200的轴向摆动量。
作为优选，所述轴承330采用双深沟球轴承，可以有效减小单轴承结构造成的轴承座310与转轴320高速运动过程中的晃动。
如图4所示，所述罩壳500上与挡光单元也即是快门叶片200对应的位置处开设有通光孔径510，且所述罩壳500上设有冷却气入口，通过该冷却气入口通入小流量的压缩空气，对线圈130和快门叶片200进行散热处理，规避了由于热影响导致线圈130内部电流不稳的风险，同时提高了快门叶片200的长期可靠性。为了进一步保证快门叶片200的耐热性，本发明采用散热系数较耐热不锈钢更优、转动惯量更小的铝制叶片，该铝制叶片与上述的小流量压缩空气辅助配合，实现快门叶片200的冷却散热。
请参照图1至图5，本发明的两组快门叶片200采用剪刀式铰接，进一步的，在未曝光状态下时，为有效减小两快门双叶片200之间的缝隙带来的散射光和反射光进入照明系统中，使两个快门叶片200存在重叠。具体为，当快门叶片200的间隙为2mm时，设计重叠宽度为8mm，增加了杂光在2个快门叶片200之间的反射次数，进一步的，该快门叶片200需要采用硬质黑色阳极氧化工艺，使快门叶片200的表面反射率小于6％，可以有效吸收杂散光；同时控制快门叶片200与罩壳500之间的间距2mm，并使得快门叶片200的直径较通光口径510单边大4mm，减小罩壳500上通光孔径510的边缘散射光影响。
作为优选，如图4所示，所述快门叶片200的质心c位于所述快门叶片200上转轴320的下方，且偏向于快门叶片200圆弧侧，使得快门叶片200的重力距大于轴承330的摩擦阻力距，使得快门叶片200在异常断电状态下，可以自行处于关闭挡光状态，避免紫外光长时间光照对工件台或硅片造成影响。
所述位置探测器400有两个，分别安装在所述轴承座310上，且位置与所述快门叶片200对应，用于探测快门叶片200的位置。
由上可知，本实施例通过采用两组快门叶片200配合，可以减小快门叶片200的行程；另一方面采用可以提供大扭矩的音圈电机100，两者配合，使得本发明的光刻机曝光快门装置可以实现以下技术指标：单个快门叶片200的开闭角度达20°，通光直径为40mm，单个快门叶片200的驱动平均功率15.3w时，最小开闭时间达28.4ms，通过缩小工作行程的方式大大减小了开闭时间；照度工况2500mw/cm2，快门叶片200处，光功率为170w时的最小曝光剂量为80mj，小剂量曝光产率至少提升了3倍，无需使用照度衰减机构，提高了单位时间内的光源利用率。
如图6所示，为本发明的光刻机曝光快门装置的打开、关闭运动示意图，即快门叶片的速率控制示意图，其运动形式主要包括打开加速过程、打开减速过程、关闭加速过程和关闭减速过程。
参照图1至图5，本发明还提供一种光刻机曝光快门装置的控制方法，本发明对快门装置进行开环电流控制，具体包括：
首先，根据曝光时的光斑大小来确定单个快门叶片200的旋转行程，根据该旋转行程计算开闭过程中快门叶片200所需的推力，进而确定音圈电机100的输出力。具体通过以下公式实现：
l＝0.5·ξ·t2………………………….公式1
m＝j·ξ………………………….公式2
m＝f·l………………………….公式3
其中，l为单个快门叶片200的旋转行程，最小开闭需求时间t为30ms，单个快门叶片200的转动惯量j为0.000042kg·m2；m为转动力矩大小，ξ为快门叶片200的角速度，l是线圈130的力臂长度。
由下述公式计算快门装置开闭过程中，单个快门叶片200所需的推力f大小，即音圈电机100的输出力f大小：
f＝m/l＝2·j·l/(t2·l)≈13n
另，考虑到摩擦力等因素，确定音圈电机100的输出力f大小为14n。
根据音圈电机100的输出力确定控制板卡的正、反方向电流i1及i2，其中控制板卡输出正方向电流i1时，快门叶片200处于打开加速或关闭加速过程，控制板卡输出反向电流i2时，快门叶片200处于打开减速或关闭减速过程，同时设定快门叶片200处于打开加速、打开减速、关闭加速和关闭减速状态时的通电时间t1、t2、t3和t4的大小，进而控制快门装置的打开过程和关闭过程，当然，t1+t2+t3+t4≤30ms，如图7所示。无动作时，控制板卡的输出电流远小于正、反向电流，使快门叶片200处于静止状态。
通过上述方式获得的快门装置的电气参数主要包含：单个线圈130的电阻＜6ω，线圈130内电流＜5a，功率＜22w。
如图8所示，为曝光过程能量探测示意图。快门剂量曝光控制流程包括：接收曝光剂量指令，控制板卡输出正、反向电流使光刻机曝光快门装置依次进行打开加速、打开减速动作；减速电流结束后，控制板卡输出保持电流进入等待阶段，所述保持电流指远小于正、反向电流，使快门叶片200处于静止状态；根据能量时间积分判定条件等待关闭命令下发，关闭命令下发后，控制板卡输出正、反向电流使得快门叶片200进行关闭加速、关闭减速动作。
实施例2
当光刻机曝光快门装置的电功率小于20w时，可以通过优化控制板卡的输出电流的峰值，提高快门叶片200的开闭速度，实现在照度工况为3000mw/cm2时，最小开闭时间达20ms。如图9所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例在实施例1的基础上，对控制板卡进行优化，对挡光单元进行s型速度曲线控制，如此可以减小快门叶片200在打开位置及关闭位置的振动频率及幅值，进而更加有效保证曝光剂量的精度及重复性。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
