CN101216679B - 一种边缘曝光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边缘曝光装置,其照明光学系统由于设计的照明光纤数值孔径比较大,能在整个照明视场范围内提供较大的照明亮度,还能够满足照明物体被均匀照明。同时能够保证硅片边缘的照明光斑在最大视场处畸变<0.01%且像面焦深在正负0.4毫米以内,在凹凸不平的硅片边缘或不同厚度的硅片边缘均得到均匀的照明效果,使该照明光学系统具有较强的工艺适应性并减少了后续设计的难度。
Description
技术领域
本发明涉及光学照明技术,特别涉及用于光刻设备的光学照明技术。
背景技术
电镀是IC电路后封装非常重要的工艺之一,其利用硅片的边缘做阳极,硅片中间的电镀窗口做阴极,然后在阴阳两极之间加一定的直流工作电压,通过控制电流大小及电镀槽中电镀液的浓度来控制金属凸块的高度。由于光刻胶不导电,因此在电镀工艺之前需将硅片边缘的光刻胶去掉,而去边宽度大小取决于前道WEE(Wafer Edge Exclusion)工艺的去边宽度。传统的硅片去边方法很多,但总的归纳起来有两大类:化学去边法和边缘曝光法。化学去边法是利用硅片在涂胶过程中,通过向硅片边缘喷洒溶剂以消除硅片边缘光刻胶,该方法的缺点是去边时间长、溶剂耗材成本高且溶剂易喷洒到硅片中间图形区域,严重影响图形质量。边缘曝光法是将硅片通过真空吸附在旋转平台上,在硅片边缘上方固定一套紫外照明光学系统产生一个照明光斑,然后利用旋转台的旋转以实现硅片边缘曝光。相比化学去边法,边缘曝光法有生产效率高、装置成本低和过程易于控制等优点。
通常边缘曝光装置由紫外照明光源、照明光纤、照明光学系统、旋转台及控制计算机等组成,其中照明光学系统是边缘曝光装置中重要的部件之一,照明光学系统在硅片边缘的照明均匀性、照明光斑尺寸、照明光强及照明视场畸变大小等都将直接影响硅片边缘去边效率、去边质量及去边误差等,因此设计一套好的边缘曝光照明光学系统,是实现硅片边缘曝光的关键。
在所调研的诸多关于边缘曝光的专利中,其所采用的照明光学系统多用由光源发出的光直接由透镜汇入光纤的方式得到曝光用的紫外光。而采用具体光学系统通过照明光学设计得到硅片照明光斑的方法还没有过。如在美国专利5229811中,照明光学系统采用将光源发出的光通过用于光路转折的反射镜、用 于选择透过波段的滤光片,控制光路开关的快门和一会聚透镜直接接入光纤作为照明系统。该光学结构的设计虽能保证被照明光斑的光强,但在照明均匀性、照明光斑尺寸、及照明视场畸变大小等方面均不能兼顾到,必须通过其它方式进行控制,因而增加了后续设计的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种边缘曝光装置中的照明光学系统,它主要提供均匀、高强度、特定形状及稳定的边缘照明光,使不同工艺厚度的硅片能被高效、准确且高质量的实现边缘曝光。
为了达到上述目的,本发明提供一种边缘曝光装置中的照明光学系统,包括曝光光源、照明光纤、照明光学系统、照明光学系统安装支架、硅片、旋转平台和总控单元。该曝光光源通过照明光纤与照明光学系统相连;该照明光学系统安装于该照明光学系统安装支架上,包括:照明物镜组、视场光阑和成像物镜组,从所述照明光纤出射端到硅片面沿光轴依次排列所述照明物镜组、所述视场光阑和所述成像物镜组,其中所述成像物镜组包括前组成像物镜组、孔径光阑和后组成像物镜组,沿照明光传播方向依次排列所述前组成像物镜组、所述孔径光阑和所述后组成像物镜组,所述成像物镜组的结构为关于孔径光阑对称的双高斯结构;该硅片放置于该旋转平台上,并置于该照明光学系统的照射下;该总控单元控制该曝光光源中快门的开启与关闭以及旋转平台的运动。
该曝光光源是能发出紫外波段光的光源。该能发出紫外波段光的光源,可以是汞灯光源。
该照明光学系统安装支架具有垂向及沿硅片径向方向的调整功能。通过调整照明光学系统安装支架的垂向位置,使硅片的边缘处于照明光学系统的最佳焦面位置;通过调整照明光学系统安装支架沿硅片径向方向的位置,可改变硅片的去边宽度。
该照明光纤是数值孔径大于0.35的光纤,使照明光学系统远离曝光光源,以防止曝光光源工作时所散发的热量对照明光学系统的光学性能产生影响。
照明光学系统结构为远心柯勒照明系统。
该照明物镜组包括照明物镜组第一透镜、照明物镜组第二透镜和照明物镜 组第三透镜。沿照明光传播方向依次排列该照明物镜组第一透镜、该照明物镜组第二透镜和该照明物镜组第三透镜。在空间结构上相邻透镜彼此之间相互分离。该照明物镜组第一透镜为平凸透镜,靠近该光纤出射端的表面为平面;该照明物镜组第二透镜为双凸透镜;该照明物镜组第三透镜为双凸透镜。
该视场光阑的孔径与去边边缘光斑大小相同。
该成像物镜组放大倍率为-1倍。
该前组成像物镜组包括前组成像物镜组第一透镜、前组成像物镜组第二透镜、前组成像物镜组第三透镜和前组成像物镜组第四透镜。沿照明光传播方向依次排列该前组成像物镜组第一透镜、该前组成像物镜组第二透镜、该前组成像物镜组第三透镜和该前组成像物镜组第四透镜。在空间结构上相邻透镜彼此之间相互分离。该前组成像物镜组第一透镜为平凸透镜;该前组成像物镜组第二透镜为凸凹透镜;该前组成像物镜组第三透镜为双凸透镜;该前组成像物镜组第四透镜为凸凹透镜。
该后组成像物镜组包括后组成像物镜组第一透镜、后组成像物镜组第二透镜、后组成像物镜组第三透镜和后组成像物镜组第四透镜。沿照明光传播方向依次排列该后组成像物镜组第一透镜、该后组成像物镜组第二透镜、该后组成像物镜组第三透镜和该后组成像物镜组第四透镜。在空间结构上相邻透镜彼此之间相互分离。该后组成像物镜组第一透镜为凸凹透镜;该后组成像物镜组第二透镜为双凸透镜;该后组成像物镜组第三透镜为凸凹透镜;该后组成像物镜组第四透镜为平凸透镜。
该前组成像物镜组和该后组成像物镜组在空间结构上关于孔径光阑严格对称。
该成像物镜组为双远心结构,当视场光阑的安装位置或硅片厚度变化时,成像物镜组的畸变变化比较小,增加了该照明光学系统的工艺适应性。
该边缘曝光装置中透镜均采用对紫外光敏感的熔石英材料。
本发明所提到的照明光学系统除由于设计的照明光纤数值孔径比较大,能在整个照明视场范围内提供较大的照明亮度外,还能够满足照明物体被均匀照明。同时本发明所提供的照明光学系统能够保证硅片边缘的照明光斑在最大视 场处畸变<0.01%且像面焦深在正负0.4毫米以内,因此能够保证凹凸不平的硅片边缘或不同厚度的硅片边缘均得到均匀的照明效果,从而增加了该照明光学系统具有较强的工艺适应性并减少了后续设计的难度。
附图说明
图1为本发明边缘曝光装置结构示意图;
图2为本发明边缘曝光装置中照明光学系统结构示意图;
图3为本发明边缘曝光装置中照明光学系统光线追迹示意图;
图4为本发明照明光学系统中成像物镜组的结构示意图;
图5为本发明照明光学系统中成像物镜组的畸变示意图;
图6为本发明照明光学系统在硅片边缘处的相对照度图。
附图中:1、照明光纤的出射端面;2、照明物镜组第一透镜;3、照明物镜组第二透镜;4、照明物镜组第三透镜;5、视场光阑;6、前组成像物镜组第一透镜;7、前组成像物镜组第二透镜;8、前组成像物镜组第三透镜;9、前组成像物镜组第四透镜;10、孔径光阑;11、硅片面;12、照明物镜组;13、前组成像物镜组;14、后组成像物镜组;15、成像物镜组;16、后组成像物镜组第一透镜;17、后组成像物镜组第二透镜;18、后组成像物镜组第三透镜;19、后组成像物镜组第四透镜;20、边缘曝光装置;21、曝光光源;22、照明光纤;23、照明光学系统;24、照明光学系统安装支架;25、硅片;26、旋转平台;27、边缘;28、照明光斑;29、总控单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1是本发明的边缘曝光装置结构示意图,边缘曝光装置20由曝光光源21,照明光纤22,照明光学系统23,照明光学系统安装支架24,硅片25,旋转平台26及总控单元29组成。
上述曝光光源21是能发出紫外波段的汞灯光源,用于提供硅片边缘曝光的照明光源;照明光纤22用于连接曝光光源21和照明光学系统23,其采用数值孔径较大的光纤(例如数值孔径大于0.35),使照明光学系统23远离曝光光源 21,以防止曝光光源21工作时所散发的热量对照明光学系统23的光学性能产生影响;照明光学系统23用于产生一定大小且光强均匀分布的照明光斑28,以对硅片25的边缘27进行曝光;照明光学系统安装支架24用于固定照明光学系统23,使照明光学系统23在垂向和水平向满足工作距离;硅片25为边缘曝光对象,需对其边缘27进行一定剂量、一定宽度的曝光;旋转平台26用于吸附硅片25并通过旋转使硅片25的边缘27被均匀曝光;总控单元29用于控制曝光光源21中快门的开启与关闭以及旋转平台26的运动控制。
上述照明光学系统安装支架24具有垂向及沿硅片径向方向的调整功能,通过调整照明光学系统安装支架24的垂向位置,使硅片25的边缘27处于照明光学系统23的最佳焦面位置;通过调整照明光学系统安装支架24沿硅片径向方向的位置,可改变硅片25的去边宽度。
图2是边缘曝光装置中照明光学系统结构示意图,从照明光纤22的出射端面1到硅片照明面11依次放置有照明物镜组12、视场光阑5和成像物镜组15。其中照明镜组12由照明物镜组第一透镜2、照明物镜组第二透镜3和照明物镜组第三透镜4组成。成像物镜组15依次由前组成像物镜组13、孔径光阑10和后组成像物镜组14组成,其中前组成像物镜组13由前组成像物镜组第一透镜6、前组成像物镜组第二透镜7、前组成像物镜组第三透镜8和前组成像物镜组第四透镜9组成;后组成像物镜组14由后组成像物镜组第一透镜16、后组成像物镜组第二透镜17、后组成像物镜组第三透镜18和后组成像物镜组第四透镜19依次组成。成像物镜组15中的前组成像物镜组13和后组成像物镜组14在空间结构上关于孔径光阑10左右完全对称,组成一套双高斯成像光学系统。
由于上述成像物镜组15是对称型的双高斯结构,因此前组成像物镜组第一透镜6与后组成像物镜组第四透镜19的结构参数完全相同;前组成像物镜组第二透镜7与后组成像物镜组第三透镜18的结构参数完全相同;前组成像物镜组第三透镜8与后组成像物镜组第二透镜17的结构参数完全相同;前组成像物镜组第四透镜9与后组成像物镜组第一透镜16的结构参数完全相同。
图3是本发明边缘曝光装置中照明光学系统的光线追迹示意图,从图3可以看出,从照明光纤22的出射端1发出的紫外光束经照明物镜组12会聚后均匀照射到视场光阑5,然后被均匀照明的视场光阑5经成像物镜组15成像到硅 片面11,即硅片25的边缘,从而使硅片25的边缘27被均匀曝光。
图4是本发明照明光学系统中成像物镜组的结构示意图,成像物镜组15的设计在结构上关于孔径光阑10左右完全对称,即孔径光阑10两边的前组成像物镜组13及后组成像物镜组14在结构参数上完全一样。上述结构的优点是本发明该的成像物镜组15中的垂轴像差畸变能够自动消除,这样视场光阑5就能够被完全无形变的成像到硅片边缘27,从而避免了由于成像物镜组15的光学畸变对硅片边缘去边宽度误差所带来的贡献。另外,上述成像物镜组在结构上设计为双远心光学系统,因此当由于工艺不同造成硅片25的厚度发生变化时,该成像物镜组的畸变变化比较小,从而保证了硅片边缘去边宽度误差满足指标需求;同时该结构也降低了视场光阑5的厚度加工公差要求以及装校位置误差要求。
镜组15的设计使照明光纤束22的出射端面1与孔径光阑10满足物像共轭关系;视场光阑5与硅片面11满足物像共轭关系,因此本发明该照明光学系统从结构上讲属于远心柯勒照明,从照明均匀性角度讲,本发明该的照明光学系统能够为硅片边缘曝光提供均匀的照明光。
本发明的一个具体实施例中,照明光纤端面直径为5mm,工作距离为160mm,光纤数值孔径为0.37,成像物镜组放大倍率为-1倍,照明均匀性小于3%。视场光阑和像面照明光斑形状为正方形,大小均为4mm。光学玻璃材料处于23摄氏度,一个标准大气压下。照明光波长为405nm。各透镜表面的曲率半径,透镜的中心厚度,透镜所采用的材料折射率及透镜有效口径如表1所列。表1中朝向照明光纤出射端面一侧的为光学元件前表面,朝向硅片面一侧的为光学元件后表面。从照明光纤出射端面1沿光轴至硅片面11,曲率半径中心朝向硅片面一侧的曲率半径为正,曲率半径中心朝向照明光纤出射端面一侧的曲率半径为负。平面曲率半径为∞。
表1
表面 | 半径(mm) | 厚度(mm) | 折射率 | 有效口径 (mm) |
照明光纤出射端 面 | ∞ | 1.5 | 1 | 2.5 |
照明物镜组第一透镜前表面 | ∞ | 5.09 | 1.45884 | 3.143019 |
照明物镜组第一透镜后表面 | -8.166 | 0.47 | 1 | 4.228472 |
照明物镜组第二透镜前表面 | 18.405 | 3.43 | 1.45884 | 4.529775 |
照明物镜组第二透镜后表面 | -33.705 | 0.5 | 1 | 4.551157 |
照明物镜组第三透镜前表面 | 10.33 | 5.24 | 1.45884 | 4.455879 |
照明物镜组第三透镜后表面 | -29.04 | 1.8 | 1 | 3.719275 |
视场光阑 | ∞ | 15.15 | 1 | 3 |
前组成像物镜组第一透镜前表面 | ∞ | 12.76 | 1.45884 | 8.166567 |
前组成像镜物组第一透镜后表面 | --21.5 | 1.44 | 1 | 10.435104 |
前组成像物镜组第二透镜前表面 | 41.4 | 12.7 | 1.45884 | 10.897747 |
前组成像物镜组第二透镜后表面 | 20.42 | 2.74 | 1 | 10.459394 |
前组成像物镜组第三透镜前表面 | 30.2 | 12.58 | 1.45884 | 10.955690 |
前组成像物镜组第三透镜后表面 | -100 | 4.11 | 1 | 11.344147 |
前组成像物镜组第四透镜前表面 | 31.92 | 3.91 | 1.45884 | 11.375405 |
前组成像物镜组第四透镜后表面 | 55.78 | 6 | 1 | 11.036212 |
孔径光阑 | ∞ | 6 | 1 | 10.966548 |
后组成像物镜组第一透镜前表面 | -55.78 | 3.91 | 1.45884 | 11.345958 |
后组成像物镜组第一透镜后表面 | -31.92 | 4.11 | 1 | 11.688030 |
后组成像物镜组第二透镜前表面 | 100 | 12.58 | 1.45884 | 11.638759 |
后组成像物镜组第二透镜后表面 | -30.2 | 2.74 | 1 | 11.226581 |
后组成像物镜组第三透镜前表面 | -20.42 | 12.7 | 1.45884 | 10.711804 |
后组成像物镜组第三透镜后表面 | -41.4 | 1.44 | 1 | 11.170145 |
后组成像物镜组第四透镜前表面 | 21.5 | 12.76 | 1.45884 | 10.702234 |
后组成像物镜组第四透镜后表面 | ∞ | 15.15 | 1 | 8.439684 |
硅片面 | ∞ |
图5是本发明照明光学系统中成像物镜组的畸变示意图,横坐标为畸变比例,纵坐标为归一化视场。其中,曲线01对应的波长为365nm,曲线02对应的波长为405nm,曲线03对应的波长为435nm。由图可以看出,成像系统在紫外光波段350nm~450nm畸变都小于0.002%,几乎可以完全消除畸变影响,满足系统设计指标要求。
图6是本发明照明光学系统在硅片边缘处的相对照度图,模拟1000000条光线,模拟有效率为0.998。相对照度数据导出计算,照明光斑内相对照度即照明均匀性为2.23%。
以上介绍的仅仅是基于本发明的较佳实施例,并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的结构作本技术领域内熟知的部件替换、组合、分立均不超出本发明的揭露以及保护范围。
Claims (17)
1.一种边缘曝光装置,其特征在于,包括:
曝光光源;
照明光纤;
照明光学系统;
照明光学系统安装支架;
硅片;
旋转平台;和
总控单元;
所述曝光光源通过照明光纤与照明光学系统相连;所述照明光学系统安装于所述照明光学系统安装支架上,包括:照明物镜组、视场光阑和成像物镜组,从所述照明光纤出射端到硅片面沿光轴依次排列所述照明物镜组、所述视场光阑和所述成像物镜组,其中所述成像物镜组包括前组成像物镜组、孔径光阑和后组成像物镜组,沿照明光传播方向依次排列所述前组成像物镜组、所述孔径光阑和所述后组成像物镜组,所述成像物镜组的结构为关于孔径光阑对称的双高斯结构;所述硅片放置于所述旋转平台上,并置于所述照明光学系统的照射下;所述总控单元控制所述曝光光源中快门的开启与关闭以及旋转平台的运动。
2.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述曝光光源是能发出紫外波段光的光源。
3.根据权利要求2所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述能发出紫外波段光的光源是汞灯光源。
4.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述照明光学系统安装支架具有垂向及沿硅片径向方向的调整功能。
5.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述照明光纤是数值孔径大于0.35的光纤。
6.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:照明光学系统结构为远心柯勒照明系统。
7.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述照明物镜组包括:
照明物镜组第一透镜;
照明物镜组第二透镜;和
照明物镜组第三透镜;
沿照明光传播方向依次排列所述照明物镜组第一透镜、所述照明物镜组第二透镜和所述照明物镜组第三透镜;在空间结构上相邻透镜彼此之间相互分离。
8.根据权利要求7所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述照明物镜组第一透镜为平凸透镜,靠近所述光纤出射端的表面为平面;所述照明物镜组第二透镜为双凸透镜;所述照明物镜组第三透镜为双凸透镜。
9.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述视场光阑的孔径与去边边缘光斑大小相同。
10.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述成像物镜组放大倍率为-1倍。
11.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述前组成像物镜组包括:
前组成像物镜组第一透镜;
前组成像物镜组第二透镜;
前组成像物镜组第三透镜;和
前组成像物镜组第四透镜;
沿照明光传播方向依次排列所述前组成像物镜组第一透镜、所述前组成像物镜组第二透镜、所述前组成像物镜组第三透镜和所述前组成像物镜组第四透镜;在空间结构上相邻透镜彼此之间相互分离。
12.根据权利要求11所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述前组成像物镜组第一透镜为平凸透镜;所述前组成像物镜组第二透镜为凸凹透镜;所述前组成像物镜组第三透镜为双凸透镜;所述前组成像物镜组第四透镜为凸凹透镜。
13.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述后组成像物镜组包括:
后组成像物镜组第一透镜;
后组成像物镜组第二透镜;
后组成像物镜组第三透镜;和
后组成像物镜组第四透镜;
沿照明光传播方向依次排列所述后组成像物镜组第一透镜、所述后组成像物镜组第二透镜、所述后组成像物镜组第三透镜和所述后组成像物镜组第四透镜;在空间结构上相邻透镜彼此之间相互分离。
14.根据权利要求13所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述后组成像物镜组第一透镜为凸凹透镜;所述后组成像物镜组第二透镜为双凸透镜;所述后组成像物镜组第三透镜为凸凹透镜;所述后组成像物镜组第四透镜为平凸透镜。
15.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述前组成像物镜组和所述后组成像物镜组在空间结构上关于孔径光阑严格对称。
16.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述成像物镜组为双远心结构。
17.根据权利要求1所述的边缘曝光装置,其特征在于:所述边缘曝光装置中透镜均采用对紫外光敏感的熔石英材料。
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- 2007-12-28 CN CN2007101735804A patent/CN101216679B/zh active Active
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