CN100576089C - 具有超高强度led光源的无掩膜直写光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在晶片、印刷电路板等衬底材料上印刷构图的具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机。解决了单一的发光二极管发光量不能满足低倍率大视场面积无掩模光刻机照明要求的问题。该机光源包括两个以上的发光二极管；每一个发光二极管分别对应一个聚光透镜，其后部分别连接着耦合光纤，再连接着变芯光纤，变芯光纤对应着相干片。采用多粒发光二极管作为直写光刻机光源，多粒发光二极管同时发光，用多束导光光纤分别进行光能采集通过空间排列耦合，提高LED光强度。

Description

具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机

技术领域

本发明涉及在晶片、印刷电路板、掩膜板、平板显示器、生物晶片、微机械电子晶片、光学玻璃平板等衬底材料上印刷构图的设备，即直写光刻机。

背景技术

光刻机曝光光源部分是各种接近式、步进重复式、步进扫描式光刻机的重要部件之一，其光强度量、寿命、均匀性、发热量都直接和其他各部件的设计相关。光源影响着光刻机使用的最终关键特征尺寸的质量，使用和维护成本等问题。从目前主要光刻机供应商的产品来看，在光刻分辨率0.28μm以上的光刻机中，主要以超高压汞灯作为照明光源，一般来说都具有2000W以上的耗电功率。

现在光刻机的超高压汞灯光源存在主要有如下的问题：

1、寿命短。光刻机用的超高压汞灯在实际使用过程中寿命仅仅为1800小时左右。由于光刻机整机的预热较长，开启后，汞灯就不能关闭，这样就需要每隔二个多月就更换一次超高压汞灯。除此之外，汞灯在光路中的空间位置是非常敏感的，会直接影响到曝光的均匀性，这也需要厂家的专业人员进行操作和维护。这都折算在光刻机运营成本当中，也是光刻机使用费用高的一个方面。如果有一种方法，能够提高光刻寿命，免除频繁的更换的支出费用将大大提高持续工作时间，就能降低光刻机的使用成本。

2、温度高。在光刻机使用中，光路的各部件都有着严格的制冷和温度要求，而汞灯在使用中温度高达上千摄氏度，这个热量对各部件的影响也是非常大的，增加了设备内的发热量。所以在光刻机照明设计中，对光源的制冷和温控增加相应的系统部件。尤其是需要水制冷，附加的水泵，真空管等附件更是增加了整机的复杂性，限制了设备加工精度的提高。

3、耗电高。超高压汞灯一般需要2000W以上的功率，属于一种高耗能非绿色的光源。

4、体积大。汞灯是立体全方位角度的照射，需要较大的椭圆反射镜来收集光束，光路比较复杂，再加上汞灯大耗能，高热量的特点，照明部分需要增加电源供给、水冷散热、滤镜等诸多附件，一台光刻机，照明部分的体积要占到光学部件的1/2以上。光刻机体积难以缩小，给运输和厂房建设等都带来了不利的影响。

另外有的光刻机采用紫外准分子激光进行照明，该方案也会由于采用光扩束器和消散斑振镜等部件造成光路复杂和昂贵的费用。

现在的发光二极管由于发光功率低，尤其在紫外波段输出光功率偏小，单一的发光二极管发光量不能满足低倍率大视场面积无掩模光刻机的照明要求，造成光刻机产出效率低下和曝光时间长而出现的曝光线条侧壁陡度不高等现象。

发明内容

为了解决现今光刻机用单一发光二极管作为光源的能量不足的问题，本发明提供一种性价比高、寿命长、提供均匀稳定的面光源的具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机。

实现上述目的技术解决方案如下：

具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机，包括光源、孔径光栏、中继物镜、反射镜和数字掩膜板、投影物镜和晶圆表面；所述光源为发光二极管光源，光源、孔径光栏和中继物镜位于同一轴线上，且与反射镜对应，反射镜与一侧上方的数字掩模板对应，数字掩模板通过其下方的投影物镜与晶圆表面对应；

所述光源包括两个以上的发光二极管；

每一个发光二极管分别对应一个聚光透镜，每个聚光透镜后部分别连接着耦合光纤，耦合光纤连接着变芯光纤，变芯光纤对应着相干片，相干片对应着孔径光栏。

根据上述的具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机，所述相干片为环形照明相干片，所谓环形相干片是中心部份遮拦，环带透光的光学薄片，当照明光通过时会产生挡掉低频的照明光，当照明光通过时会提高光学系统对比度，示意见图3。

根据上述的具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机，所述相干片为四极照明相干片，所谓四极照明相干片是沿几何中心对称分布于对角线上的四个方形通光孔的薄片，当照明光通过时会提高光学系统对比度，示意见图4。

根据上述的具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机，所述相干片为二元光栅照明相干片，所谓二元光栅照明相干片是由黑白相间光栅构成的光学薄片，当照明光通过时会提高高频对成像的贡献，减低低频对成像的贡献，提高投影系统的对比度，示意见图5。

本发明的有益技术效果是：

采用多粒发光二极管同时发光，用多束导光光纤分别进行光能采集通过空间排列耦合，可以成倍提高系统的光能量采集效率，例如当使用5×投影物镜时，通过3颗1W发光二极管最终在曝光晶圆上获得50mJ/cm²的曝光剂量，这样可在不多于1秒内完成曝光，获得陡度很高的曝光图像，而单一1W发光二极管只能获得25mJ/cm²的光能量。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为LED光源安装在铜质散热块上结构示意图，

图3为环形照明相干片结构示意图，

图4为环四级照明相干片结构示意图，

图5为二元光栅照明相干片结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机包括光源、孔径光栏6、中继物镜7、反射镜8和数字掩膜板9、投影物镜10和晶圆台面11；光源为发光二极管光源，光源孔径光栏6和中继物镜7位于同一轴线上，且与反射镜8对应，反射镜8与一侧上方的DMD数字掩模板9对应，DMD数字掩模板9通过其下方的投影物镜10与晶圆表面11对应。

光源包括两个发光二极管1；每一个发光二极管分别对应一个聚光透镜2，每个聚光透镜2后部分别连接着耦合光纤3，耦合光纤3连接着变芯光纤4，变芯光纤4的另一端对应着相干片5，相干片5对应着孔径光栏6。

相干片5为环形照明相干片，见图3。

如图1所示，1W功率的发光二极管(LED)光源安装在铜质散热块上，他们之间是用PCB电路板固定连接的，见图2。发光二极管(LED)驱动控制电路供电电流为350mA，曝光时间为100ms～1000ms。曝光计量的控制精度小于0.2％。发光二极管(LED)出射405nm光，每个发光二极管(LED)出射光经过聚光透镜2，再耦合进入耦合光纤3的一个入射端，多束耦合光纤3入射光经光纤传导汇集后均匀混合，再经变芯光纤4调整数值孔径匹配，然后通过相干片5调制光再经过一组中继物镜7，叠加后的高功率均匀照明光均匀的投射到DMD数字掩模板9上，最终通过5倍放大的投影物镜10光路，将DMD数字掩模板9上的图形转移到晶圆表面11。晶圆表面11最终的可获得光强达到105mW/cm²，以上，均匀性稳定±5％的照明光能，可以满足光刻工艺的需要。

在直写光刻机光路中可以没有设置控制曝光时间的快门机构，这是由于LED具有良好的快速点亮时间，在很短的时间内就可以稳定光功率的出射，系统的曝光时间是由驱动电路的软件控制的，在非曝光时间都是关闭的，这样可以非常稳定和可靠地实现曝光剂量的精确控制。

实施例2：

光源包括三个发光二极管1；

相干片5为四极照明相干片，见图4。

其它结构同实施例1。

实施例3：

光源包括四个发光二极管1；

相干片5为二元光栅照明相干片，见图5。

其它结构同实施例1。

Claims (4)

1、具有LED光源的无掩膜直写光刻机，包括光源、孔径光栏、中继物镜、反射镜和数字掩膜板、投影物镜和晶圆表面；所述光源为发光二极管光源，光源、孔径光栏和中继物镜位于同一轴线上，且与反射镜对应，反射镜与其一侧上方的数字掩模板对应，数字掩模板通过其下方的投影物镜与晶圆表面对应，

其特征在于：

所述光源包括两个以上的发光二极管；

每一个发光二极管分别对应一个聚光透镜，每个聚光透镜后部分别连接着耦合光纤，耦合光纤连接着变芯光纤，变芯光纤对应着相干片，相干片对应着孔径光栏。

2、根据权利要求1所述的具有LED光源的无掩膜直写光刻机，其特征在于：所述相干片为环形照明相干片，环形照明相干片的中心为遮拦部份，其环带为透光部分。

3、根据权利要求1所述的具有LED光源的无掩膜直写光刻机，其特征在于：所述相干片为四极照明相干片，所谓四极照明相干片是沿几何中心对称分布于对角线上的四个方形通光孔的薄片。

4、根据权利要求1所述的具有LED光源的无掩膜直写光刻机，其特征在于：所述相干片为二元光栅照明相干片，所谓二元光栅照明相干片是由黑白相间光栅构成的光学薄片。

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