CN101126905A - 具有对焦机构的直写光刻装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光刻技术领域，解决了的直写光刻装置存在的光学定位检测系统和曝光投影系统离轴对焦对不同镜头需要分别位移校正的问题。特点在于：在光学集光器和可编程的图形发尘器之间增设对焦系统；其中对焦光学波长分束器位于光学集光器和可编程的图形发尘器之间，对焦光学集光器和对焦光源依次位于对焦光学波长分束器上方。直接利用可变倍率的投影镜头来共轴投射对焦图形，实现不同镜头的共轴对焦，避免了离轴对焦对不同镜头所需要的分别位移校正过程，提高效率，同时减小了离轴对焦装置的成本。实现了对于投影镜头转换过程引起的焦平面变化的实时校距，并且实现了对晶片上已有图形的实时对位检测。
Description
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，具体地说，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上印刷构图的直写光刻装置。
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。这样的衬底可包括用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器(例如液晶显示器)、电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等的基片。经常使用的基片为半导体晶片或玻璃基片。
在光刻过程中，晶片放置在晶片台上，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。尽管在光刻过程中使用了投影光学装置，还可依据具体应用，使用不同的类型曝光装置。例如X射线、离子、电子或光子光刻的不同曝光装置，这已为本领域技术人员所熟知。
半导体行业使用的传统分步重复式或分步扫描式光刻工具，将分划板的特征构图在各个场一次性的投影或扫描到晶片上，一次曝光或扫描一个场。然后通过移动晶片来对下一个场进行重复性的曝光过程。传统的光刻系统通过重复性曝光或扫描过程，实现高产出额的精确特征构图的印刷。
为了在晶片上制造器件，需要多个分划板。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差需求的原因，这些分划板对于生产而言成本很高，耗时很长，从而使利用分划板的传统晶片光刻制造成本越来越高，非常昂贵。
无掩膜(如直接写或数字式等)光刻系统相对于使用查分划板的方法，在光刻方面提供了许多益处。无掩膜系统使用空间图形发生器(SLM)来代替分划板。SLM包括数字微镜系统(DMD)或液晶显示器(LCD)，SLM包括一个可独立寻址和控制的象素阵列，每个象素可以对透射、反射或衍射的光线产生包括相位、灰度方向或开关状态的调制。
无掩膜光刻系统主要采用的是以下两种方法：一、激光束直写法；二、空间图形发生器精缩排版曝光。其中，激光束直写法是逐点曝光，采用高能激光在光敏感衬底上直接产生图形，加工速度慢，单个晶片曝光时间长；第二种方法采用计算机控制图形发生器(SLM)，产生区域性的特征图形，一次性地曝光到光敏感衬底上相对应的巨域，主要问题是分辨率较低，并且受到单位象素的形状和有效通光孔径(fill-in factor)的限制，难以制作连续光滑的图形轮廓。
为了解决了现有的分步直写光刻技术效率低，单象素的连续性扫描光刻操作难度大的问题，中国专利申请200720037805.9公开了一种综合式直写光刻装置。结构特点是：在透镜和投影镜头之间设有反射镜；两个以上不同倍率的投影镜头设于盘状转换器上，光学定位检测系统包括与转换器上的投影镜头共轴的光学波长分束器，光学波长分束器一侧同轴设有包括检测成像透镜、光敏感探测器的成像系统。该装置的投影光学系统和光学定位检测系统采用离轴对焦方式，因不同的镜头存在位移误差，投影镜头转换过程引起的焦平面变化和位置的变化，需要分别进行位移校正；复杂图形的光刻至少需要两次以上的转换投影镜头，每一次的位移校正需要一定的时间，从对焦的一秒钟到精确定位的几分钟。
发明内容
本发明的目的是：在现有直写光刻装置中附加一个图形投影机构，来提供一种采用主动式的图形投影而实现对光敏感衬底进行自动对焦，即提供一种具有对焦机构的直写光刻装置。
具体的结构改进设计方案如下：
在附加有主动式图形投影对焦的综合式直写光刻装置中包括两个照射图形发生器的光源1A，1B，两个分别用于提供照射光束的光学集光系统2A，2B，一个可编程的图形发生器3，一个采用远心结构的投影光学系统，一个与投影光学系统共轴的光学定位检测系统，一个移动光敏感衬底的精密移动平台10，和控制各个部分的计算机控制系统；其中光源1A/B和光学集光系统2A/B同轴对应设于可编程的图形发生器3一侧，通过光学波长分束器15组合成同轴光路，投影光学系统包括透镜或透镜组4和投影镜头5。光学定位检测系统包括投影镜头5，通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学波长分束器6，光学波长分束器6一侧平行设有检测透镜13和光敏感探测器8的光学成象系统。
其中对焦系统包括对焦光源1A、对焦光学集光器2A和对焦光学波长分束器15，其中对焦光学波长分束器15位于光学集光器2B和可编程的图形发生器3之间，对焦光学集光器2A和对焦光源1A依次位于对焦光学波长分束器15上方。
对焦光学波长分束器15与可编程的图形发生器3之间的角度为30-60度。
上述图形发生器包括至少一个阵列的可单独切换的元件(就是独立可以控制开光转换的元件的阵列)，由计算机控制来产生特征的构图。图形发生器可以是反射，衍射或透射器件，优选为空间数字式反射镜阵列，例如美国德州仪器公司的DLP芯片(DMD)。照射光源可以是连续光源，如孤光灯、LED或连续激光，在脉冲频率远高于图形发生器的元件的开关频率时也可以使用脉冲调制的LED或准连续激光，照射光源优选为LED光源。图形发生器产生的特征构图，通过光学投影系统被以一定的精缩比例(M)投影到光敏感衬底11上，精缩比例的改变由改用不同倍率的投影透镜来实现。精缩比例M可以大于1(M＞1)，也可以小于1(M＜＝1)，由实际应用的特征尺寸和印刷尺寸大小决定。在优选的实施例中，我们描述了精缩比例M＜1的应用，但本领域的技术人员都理解，类似的应用可以使用到M＞1的情况。光敏感衬底的移动可以在三轴、四轴或六轴的空间精密移动平台10上来实现。投影光学系统采用远心结构。
在优选的方案中，投影光学系统将图形发生器的图形以对光敏感元件不产生曝光效果的波长投影在光敏感元件上，光敏感元件表面反射把图形反射回投影光学系统，经过光学分束器6从新成像到光学探测器8上。
在优选的方案中，光敏感元件在精密移动平台上连续地上下移动，在光学探测器8上产生连续变化的聚焦位移的图形，由计算机计算对应的聚焦函数，选择最佳的聚焦平面。
在优选的方案中，根据计算机计算的聚焦函数和搜索算法，光敏感元件在精密移动平台上阶跃式地上下移动，在光学探测器8上产生不同聚焦位移的图形，由计算机计算对应的聚焦函数，选择最佳的聚焦平面。
本发明的有益技术效果是，直接利用可变倍率的投影镜头来共轴投射对焦图形，实现不同镜头的共轴对焦，避免了离轴对焦对不同镜头所需要的分别位移校正过程，提高效率，同时减小了离轴对焦装置的成本。采用共轴的光学定位检测系统，实现了对于投影镜头转换过程引起的焦平面变化的实时校正，并且实现了对晶片上已有图形的实时对位检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为本发明调换光学波长分束器和反射镜位置的另一结构示意图。
图3为本发明的图形对焦的聚焦函数示意图。
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描述。
实施例1：
参见图1，具有对焦机构的直写光刻装置包括：
两个用于提供照射光束的对焦光源1A，光源1B，对焦光源1A和光源1B优选为发光二极管，也可以是弧光灯，还可以是激光器。
两个用于提供照射光束的对焦光学集光器2A，光学集光系统2B，图1中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。同样的理解适用于所有的图片中所示的光学器件。
一个对焦光学波长分束器15，根据对焦光源1A和光源1B的对应波长，把两束光同轴叠加。对焦光学波长分束器15相对与可编程的图形发生器3呈30度角，可调整角度范围为30-60度角。
一个可编程的图形发生器3，优选为空间微反射镜阵列，他具有可独立寻址的单独切换的元件。
一个采用远心结构的投影光学系统，包括透镜、或透镜组4和投影镜头5，其中投影镜头5为可以转换的不同倍率的两个以上的投影镜头，图1中为五个不同倍率的的投影镜头。透镜、或透镜组4和投影镜头5采用非共轴的平行结构，如在图1所示，通过平行的光学波长分束器6和反射镜14得到非共轴的平行光路。
一个不同倍率的投影镜头的转换器9，转换器9为盘状，通过转动轴设于机架上，转换器9上设有五个不同倍率的投影镜头5，五个不同倍率的投影镜头5的中心距离转换器9转动轴中心线的半径相等。
一个精密移动平台10，用以承载光敏感元件11。
一个通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学定位检测系统，
该光学定位检测系统包括一个通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学波长分束器6，光学波长分束器6上部垂直设有包括检测透镜13和光敏感探测器8的光学成像系统；
对焦光源1A、光源1B分别采用不同的波长，对焦光源1A是对光敏感元件11不能产生曝光效果的长波长，光源1B是对光敏感元件11能进行图形曝光的短波长.
对焦光源1A、光源1B产生的照射光束，经过对焦光学集光器2A、光学集光系统2B的聚光均匀后，然后由对焦光学波长分束器15同轴叠加，投射到可编程的图形发生器3上。光学集光系统2B可以包括用于收集照射光束的聚光器，还包括用于设置光束强度分布的调整装置，例如积分器，复眼。通过这种方式，入射到可编程的图形发生器3上的光束具有所需要的均匀性，强度分布和角度分布。
可编程的图形发生器3由计算机控制，使各个微反射镜产生不同的对应倾斜，对反射光进行调制，产生一定的空间调制图形。因此也可以使用具有同样功能的空间光调制器，例如液晶显示器(LCD)。
空间调制图形经过投影光学系统以一定的放大倍率M投射到光敏感元件11表面。图1所示的放大倍率M＜1，但本领域的技术人员也理解放大倍率M可以在不同的应用中采取M＞1的选择。对于不能产生曝光效果的长波长的投影图形，经过光敏感元件表面的反射，从新返回投影光学系统，通过光学分束镜6，定位光学成象系统的检测透镜13和光敏感探测器8，成象在光敏感探测器8上。
当光敏感元件表面位于投影镜头5的焦平面上时，空间调制图形经过投影光学系统投射光敏感元件表面的像是最清晰的，同时也反射到光敏感探测器8上成一个清晰的像.通过计算机和聚焦函数的算法，将给出聚焦函数的最大值，如图3所示.
当光敏感元件表面没有位于投影镜头5的焦平面上时，反射到光学探测器8上的成像也不清晰，聚焦函数的计算值相应减小.通过光敏感元件11在精密移动平台10上连续地上下移动，在光敏感探测器8上产生连续变化的不同聚焦位移的图形，由计算机计算对应的聚焦函数，选择最佳的聚焦平面。
对于固定的投影图形和工作条件，可以根据计算机计算的聚焦函数和搜索算法，光敏感元件11在精密移动平台10上阶跃式地上下移动，在光学探测器8上产生不同聚焦位移的图形，由计算机计算对应的聚焦函数，快速地搜索最佳的聚焦平面。
不同倍率的投影镜头的转换器9是一个转盘式结构，可以是手动，也可以是机械自动控制转换。每个不同放大倍率的投影镜头做落在距离转换器9相同的半径距离上，通过转换器9可以依次转换到投影光路上投影镜头5的位置，并和辅助透镜或透镜组4同心和共轴，以保证投影成像到晶片上的质量。
与背景技术中的直写光刻装置相比较，背景技术中的直写光刻装置需要另一个对位对焦系统来实现系统的对焦，同时给光学定位检测系统的检测透镜13和光敏感探测器8，来提供照明.在本发明的优先实施例中，光学定位检测系统采用了和曝光投影相似的光源1。使用对焦光学波长分束器15，使得空间调制器上的标记图形被成像到光学定位检测系统，并通过计算机处理，得到投影镜头5相对于光敏感元件11的精确空间位置信息，包括聚焦平面的位置和空间调制器投影图形相对于光敏感元件上已有特征图形的位置。直接利用可变倍率的投影镜头来共轴投射对焦图形，实现不同镜头的共轴对焦，避免了离轴对焦对不同镜头所需要的分别位移校正过程，提高工作效率，同时减小了离轴对焦装置的成本。采用共轴的光学定位检测系统，实现了对于投影镜头转换过程引起的焦平面变化的实时校正，并且实现了对晶片上已有图形的实时对位检测。
实施例2：
参见图2，该装置是实施例1的变型，通过调换光学波长分束器6和反射镜14的位置改变了光路，使得投影成像系统的透镜、或透镜组4和投影镜头5是共轴，而对光学定位检测系统的检测透镜13、光敏感探测器8和投影镜头5是平行非共轴结构。本领域的技术人员应理解为也可应用和增加不同的反射镜，分束器等的光学器件组合，改变投影成像系统和光学定位检测系统的光路位置，同样的达到本实施例的对焦功能。
对焦光源1A为激光器，对焦光学集光器2A、对焦光学波长分束器15都与实施例1相同。可编程的图形发生器3为空间衍射镜阵列，其上的对焦图形经过同轴投影光路的透镜、或透镜组4，光学分束镜6和投影镜头5投射到光敏感元件11表面。
当光敏感元件表面位于投影镜头5的焦平面上时，对焦图形经过投影光学系统投射光敏感元件表面的象是最清晰的，同时也反射到光敏感探测器8上成一个清晰的象。通过计算机和聚焦函数的算法，将给出聚焦函数的最大值，如图3所示。
当光敏感元件表面没有位于投影镜头5的焦平面上时，反射到光敏感探测器8上的成像也不清晰，聚焦函数的计算值相应减小。通过光敏感元件11在精密移动平台10上连续地上下移动，在光敏感探测器8上产生连续变化的不同聚焦位移的图形，由计算机计算对应的聚焦函数，选择最佳的聚焦平面。
对于固定的投影图形和工作条件，可以根据计算机计算的聚焦函数和搜索算法，光敏感元件在精密移动平台上阶跃式地上下移动，在光敏感探测器8上产生不同聚焦位移的图形，由计算机计算对应的聚焦函数，快速地搜索最佳的聚焦平面。
Claims (4)
1.具有对焦机构的直写光刻装置，包括光源、光学集光系统、投影光学系统、镜头转换机构和光学定位检测系统；其中，光学集光系统包括光学集光器和可编程的图形发生器，光源与光学集光器对应；投影光学系统包括透镜、或透镜组和两个以上的投影镜头，透镜、或透镜组对应位于可编程的图形发生器下方，两个以上的投影镜头位于镜头转换器上；光学定位检测系统包括光敏感探测器和检测透镜，检测透镜通过光学波长分束器与投影镜头对应；其特征在于：
在光学集光器和可编程的图形发生器之间设有对焦系统；
所述对焦系统包括对焦光源、对焦光学集光器和对焦光学波长分束器，其中对焦光学波长分束器位于光学集光器和可编程的图形发生器之间，对焦光学集光器和对焦光源依次位于对焦光学波长分束器上方。
2.根据权利要求1所述的具有对焦机构的直写光刻装置，其特征在于：所述对焦光源为发光二极管、或弧光灯、或激光器。
3.根据权利要求1所述的具有对焦机构的直写光刻装置，其特征在于：所述对焦光学波长分束器相对与图形发生器倾斜30-60角。
4.根据权利要求1所述的具有对焦机构的直写光刻装置，其特征在于：所述可编程的图形发生器为空间微反射镜阵列、或空间衍射镜阵列、或空间透射光调制阵列。
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