CN102103332A - 高速数字扫描直写光刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速数字扫描直写光刻装置，其包括光源、光源准直光路、图形发生器、成像光路系统、基底、自动运动平台、电脑、数据处理引擎、数据传输板、成像镜头，成像镜头组至少包含两个数字微镜阵列和锥形反射棱镜，锥形反射棱镜实现数字微镜阵列的拼接，设计文档通过电脑传送至数据处理引擎、数据传输板，曝光光线从光源发出，进入光源准直光路，产生均匀的面光源投影至图形发生器，图形发生器上的图形信息伴随光线进入成像光路系统，曝光光线穿过投影光路最后投影在自动运动平台所载的基底上。本发明可以省去掩膜版或菲林版的加工工序，并能提高产品的加工速率，改善了产品加工的良率，降低了产品的生产成本。

Description

高速数字扫描直写光刻装置
技术领域
本发明涉及半导体加工（包括PCB、FPD、LED、光掩模版等使用半导体加工工艺的加工领域）所应用的光刻技术领域，具体涉及一种高速数字扫描直写光刻装置。
背景技术
光刻技术是当前半导体主流平面加工工艺技术中的一环，其用于在基片（也可称为基底）表面上形成特定结构的特征图形。基片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）、印刷电路板（PCB）、发光二极管（LED）、生物芯片、微电子机械系统（MEMS）、光电子线路芯片或光掩膜版等基片。本领域的技术人员将会理解本文的描述，还应用在本领域技术人员已知的其他类型基片。
在实际光刻过程中，基片被传送带或传输手臂自动或操作人员手动传送至高精度运动平台的曝光吸盘上，再利用光刻设备内的曝光装置，将设计好的特征构图投射感光到基片表面的感光剂上，然后再通过后续的加热烘烤、图像显影和显影后烘烤、刻蚀等工序，可以实现设计图案至基片表面的图形转移。在光刻过程中可以使用不同的投影光学装置，依据具体应用，可以分为例如X射线、离子、电子或光子光刻的不同曝光装置，这已为本领域的技术人员所熟知。在此，仅出于说明目的，讨论光刻的具体示例。
印刷电路板（PCB）和平板显示器(FPD)行业内的所使用的光刻技术当前主要为平行光光刻技术或接触/近式光刻技术，其首先需要利用高精度直写式光刻技术（该技术制作精度较高，但生产效率较低下，相当于传统掩模投影式生产效率的1/50）将设计的图案制作成光掩膜版/菲林版（或通称为母板），然后利用投影成像技术将母板上的设计特征图案转换至基片上。该光刻技术具有以下缺点：一、工序复杂。相对于本发明所属的直写光刻技术，首先需要额外加工母板，且对模板的质量具有较高的要求，否则直接影响产品的良率，工序较为复杂。二、分辨率低。因为光学临近效应的影响，很难通过投影成像技术在基片表面的感光剂上实现高精度的线条定义，分辨率较低。三、良率低。对于PCB和FPD行业，无论其母板或基片的尺寸都较为巨大（当前主流尺寸超过400mmX400mm），对母板和基片的光刻加工技术提出较高的要求。在如此大的面积上形成特征图形，不同地域的特征图形因为聚焦、系统稳定性、光平行性或光均匀性的影响，很难均有较高的一致性和重复性，从而良率欠佳。
大规模集成电路加工行业（即半导体加工或代工行业）、生物芯片、微电子机械系统（MEMS）和光电子线路芯片制造业使用的为传统步进式或步进扫描式光刻设备，其类似于平行光光刻技术或接近/触式光刻技术，首先也需要将设计图案经过分割，整合在一个光掩膜版上，每套掩模版重复交叠形成特定功能的器件，然后再将此掩膜版上的图形通过投影成像技术转换到基片上。对于步进式光刻技术，其通过移动平台将基片运载到物镜下的特定位置，然后保持静止状态下投影曝光，然后运动平台移动至下一个曝光位置再投影曝光，以此类推，直至处理完整片基片。对于步进投影式，首先运动平台将基片运载至物镜的特定位置，然后运动平台和母板载运台相向连续运动，实现母板图形至基片的扫描投影曝光，然后运动平台再移至下个曝光位置，以此类推，直至曝光完成整个基片。此类光刻技术具有以下缺点：一、分辨率高，母板依赖性强。步进式或步进扫描式光刻技术配以先进的准分子激光光源可以实现主流的45nm及以下节点工艺的实现。但如此高的分辨率主要依赖于母板特征尺寸的准确性和精准度，如果母板精度变差，可直接造成器件的失效。二、工序复杂。为在基片上制造器件需要多块母板。对于一个特定的器件，平均需要20~40块母板，且伴随着特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差的精度要求变高的原因，每块母板均需要多次直写才能成功，工序更为复杂。三、成本高。且伴随着特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差的精度要求变高的原因，这些母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。四、系统维护成本高。步进式或步进扫描式光刻机的内部构造及其复杂，且因为需要一次曝光的视场较大，光学系统较为复杂，为保证高精度，设备整体对外围环境要求较高，系统维护成本较高。五、基片尺寸较大（400mmX400mm以上）的光掩膜版加工的光刻技术方法多采用直写式光刻技术（或称无掩膜光刻技术），无掩膜系统使用图形发生器（SLM）来代替母板。直接利用图形发生器产生于设计文档一致的特征图形，并通过光学投影技术投影曝光至基片表面。空间光调制器包括数字微镜阵列（DMD）或液晶显示器（LCD），图形发生器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。当前应用于光掩膜版加工的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、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，缺点是加工速度较慢，单个基片曝光时间长；第二种方法采用计算机控制图形发生器的迂回扫描光刻，缺点是：一方面效率较慢，再者分辨率较低，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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速数字扫描直写光刻装置，其将加工效率较为低的直写式光刻技术应用在半导体工业化加工中。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，其包括光源、光源准直光路、图形发生器、成像光路系统、基底、自动运动平台、电脑、数据处理引擎、数据传输板、成像镜头，成像镜头组至少包含两个数字微镜阵列和锥形反射棱镜，锥形反射棱镜实现数字微镜阵列的拼接，设计文档通过电脑传送至数据处理引擎、数据传输板，曝光光线从光源发出，进入光源准直光路，产生均匀的面光源投影至图形发生器，图形发生器上的图形信息伴随光线进入成像光路系统，曝光光线穿过投影光路最后投影在自动运动平台所载的基底上。
优选地，所述光源为发光二极管、准分子激光器或汞灯等波长小于436nm的紫外光源。
优选地，所述光源准直光路至少包含一个复眼和一片凸透镜。
优选地，所述成像光路系统包括光耦合器、第一阶光路成像系统、微透镜阵列、微光栅阵列和第二阶光路成像系统，第一阶光路成像系统实现光耦合器后的多个微透镜阵列的拼接像在微透镜阵列上表面成像；微光栅阵列与微透镜阵列对应，实现消除或降低特定阶的光或者不同像素调制的光之间的干涉；第二阶光路成像系统实现微光栅阵列到基底表面的投影成像。
优选地，所述锥形反射棱镜的底面为正方形，其他四面为等腰三角形，四个等腰三角形与底面正方形所成的面夹角均为四十五度。
优选地，所述锥形反射棱镜的正方形底面平行于基底的曝光面放置。
优选地，所述锥形反射棱镜的等腰三角形面将数字微镜阵列的图形反射至基底的曝光面上。
优选地，所述每个数字微镜阵列与锥形反射棱镜中的一个等腰三角形面相对应。
优选地，所述锥形反射棱镜的两个等腰三角形面作为两个数字微镜阵列的反射面。
优选地，所述锥形反射棱镜的四个等腰三角形面作为四个数字微镜阵列的反射面。
本发明的积极进步效果在于：本发明可以省去掩膜版或菲林版的加工工序，并能提高产品的加工速率，改善了产品加工的良率，降低了产品的生产成本。
附图说明
图1为本发明高速数字扫描直写光刻装置的原理框图。
图2为本发明高速数字扫描直写光刻装置的工作原理示意图。
图3为锥形反射棱镜的结构示意图。
图4a描述光路中含有两个DMD时，DMD与锥形反射棱镜关系的俯视图；图4b描述光路中含有四个DMD时，DMD与锥形反射棱镜关系的俯视图。
图5a描述图4a光路中含有两个DMD光路的侧视图；图5b描述图4b光路中含有四个DMD光路的侧视图。
图6为带有光源的四个DMD的光路图。
图7为四个 DMD光路放大系统的结构示意图。
图8为四个 DMD光路缩放系统的结构示意图。
图9a为多光路扫描系统的结构示意图，图9b为多光路扫描系统投影和光路排布图。
图10a为同一DMD内交叠区域能量分布图；图10b为一DMD的阵列排布图；图10c为实现图10a所示的能量分布图所需的DMD的列控制信号图。
图11为多光路扫描能量分布补偿的示意图。
图12为数据处理引擎的的数据处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明的目的是提供一种高速数字扫描直写光刻装置，其克服了直写式光刻技术原有的加工效率低下的缺点，整合无掩膜的优势，为直写式光刻技术在半导体加工（包括PCB、FPD、LED、光掩模板等使用半导体加工工艺的加工领域）中的工业化应用提供一种方法。其具体实施方法和原理如下所述：
如图1所示，本发明高速数字扫描直写光刻装置包括光源21、光源准直光路22、图形发生器23、成像光路系统24、基底25、自动运动平台26、电脑27、数据处理引擎28、数据传输板29、成像镜头组和用户操作系统等八个子系统构成。光源21为LED（发光二极管）、准分子激光器或汞灯等波长小于436nm的紫外光源。成像镜头组至少包含两个数字微镜阵列和锥形反射棱镜。
如图2所示，电脑27为用户和设备的沟通端口，实际曝光过程中，一方面，设计文档通过电脑27传送至数据处理引擎28、数据传输板29，然后控制图形发生器23产生时的曝光图样。另一方面，曝光光线从光源21发出，进入光源准直光路22，产生均匀的面光源投影至图形发生器23，而此时图形发生器23上的图形信息伴随光线进入成像光路系统24，曝光光线穿过投影光路最后投影在自动运动平台26所载的基底25上。此过程，自动运动平台26沿方向13做匀速扫描运动，此为最基本的直写扫描光刻装置图。光源准直光路至少包含一个复眼和一片凸透镜。
如图3所示，该锥形反射棱镜241的形状为锥形，底面为正方形，即底边线条35、36、37和38位于同一个平面内，且四条直线以此首位相接且垂直组成一个正方形。其他四面为等腰三角形，即侧边线条31、32、33和34分别有一端与下面的正方形面的角向交，另一端交于同一点，且四条线条长度相同，且四个等腰三角形与底面正方形所成的面夹角均为四十五度；若假设所使用的数字微镜阵列（DMD）的正方形区域边长为a，则锥形反射棱镜的底面正方形的边长应为2（2a）1/2，其余等腰三角形的腰长应为（6a）1/2。
图4a、图4b、图5a和图5b揭示了在实际曝光系统中，光耦合器部分两个或四个数字微镜阵列相对于锥形反射棱镜的位置关系。当系统中放置两个数字微镜阵列（DMD）时，如图4a所示，锥形反射棱镜241在系统中倒置放置，即棱镜的正方形底面平行于基底的曝光面放置，锥形反射棱镜的等腰三角形面将DMD的图形反射至基底的曝光面上。每个DMD与锥形反射棱镜中的一个等腰三角形面相对应。锥形反射棱镜的两个等腰三角形面作为两个数字微镜阵列的反射面。锥形反射棱镜的四个等腰三角形面作为四个数字微镜阵列的反射面。如图4a所示，第一数字微镜阵列23a和第二数字微镜阵列23b投影于相邻的两个等腰三角形面。如图5a所示，第一数字微镜阵列23a垂直于第二数字微镜阵列23b，且第一数字微镜阵列23a 中所选取的正方形曝光区域的一条对角线垂直于锥形反射棱镜241的正方形地面，且该对角线的一端投影至等腰三角形的上顶点（非正方形底面上的那点），另一条对角线与与之对应的等腰三角形的中位线所构成的平面平行于锥形反射棱镜的底面正方形。依据上述排列，第一数字微镜阵列23a和第二数字微镜阵列23b经过等腰三角形的反射在基底分别形成第一像43a和第二像43b，且两个像一边有交叠。当系统中放置四个数字微镜阵列（DMD）时，如图4b所示，相似于两个DMD，四个DMD分别对应锥形反射棱镜241的四个等腰三角形面，且DMD在等要三角形面的放置关系与两个DMD时相同。图5b是图4b的截面图。如图4b所示，第三数字微镜阵列23c和第四数字微镜阵列23d投影于相邻的两个等腰三角形面。如图5b所示，依据上述排列，第三数字微镜阵列23c和第四数字微镜阵列23d经过等腰三角形的反射在基底分别形成第三像43c和第四像43d，且两个像一边有交叠。
图6揭示了带有光源21的完整的四个DMD的光耦合器60，图6为图5b的衍生，它亦为一个界面图。图中，第一光源21a和第三光源21c发出的点光源经过第一光源准直光路22a和第三光源准直光路22c转变成均匀的面光源，然后投影至反射镜，经反射镜反射后投影至第一数字微镜阵列23a和第二数字微镜阵列23b，然后再经过锥形反射棱镜241的反射，最终在基底形成第一像43a和第二像43b。
成像光路系统24包括第一光路系统。图7揭示了一种带有光耦合器60的第一光路系统70。该系统由光耦合器60、第一阶光路成像系统242、微透镜阵列243、微光栅阵列244和第二阶光路成像系统245构成。实际曝光设备中，光耦合器60实现四个数字微镜阵列（DMD）的拼接；第一阶光路成像系统242实现光耦合器后的多个DMD的拼接像在微透镜阵列上表面成像；微透镜阵列243实现DMD中的单个像素像的缩放，提高系统分辨率；微光栅阵列244与微透镜阵列243对应，实现消除或降低特定阶的光或者不同像素调制的光之间的干涉，进而提高成像质量；第二阶光路成像系统245实现微光栅阵列到基底25表面的投影成像。该系统中，微透镜阵列243中微透镜的排布与DMD中选取的阵列排布相一致，且单个微透镜的直径尺寸与DMD单像素经过第一阶成像系统放大后的像的尺寸相一致。即若选取的DMD的阵列为700X700，单个像素的尺寸为13.68um，第一阶成像系统的放大倍率为两倍，则微透镜的阵列为700X700，单个像素的尺寸为13.68umX2=27.36um。图7设备系统中所使用的微光栅阵列244的排布与微透镜阵列243一致，但微光栅阵列透光圆孔的直径不得大于微透镜单个透镜直径的3/4，且不得小于1/2。
图8揭示了另外一种带有四个DMD的光耦合器60的第二光路系统80。该系统相对于图7中的系统差别在于，图8中的第二阶光路成像系统245为缩小的倍率，其他系统结构均相同。此系统可以实现高精度直写式光刻设备方案。
图9a和9b揭示了一种可以实现工业化大面积基底的高产能要求的光路系统结构，如图所示，该结构包含多个图7所示的第一光路系统70，多个第一光路系统70呈阵列排布，从而实现基片的一次扫描完成。在该系统中，多个成像光路排列为多行交叉排列，且保证同一行光路轴心在同一个面上，且此面垂直于运动平台的扫描方向；随后的第二行光路轴心也在同一个面上，且第二行中的光路在基片上的投影宽度（与平台扫描方向相垂直的宽度）与前一行中相邻的两个光路在基片上的投影宽度有交叠，且交叠的像素分别不得少于八列。如图所示，第一扫描投影81a、第二扫描投影81b和第三扫描投影81c分别为三个第一光路系统70在基底25上的扫描投影，其中第一扫描投影81a和第三扫描投影81c由排列在第一行的第一光路系统70扫描投影所得，第二扫描投影81b由排列在第二行的第一光路系统70扫描投影所得。第二扫描投影81b在基底25上分别与第一扫描投影81a、第三扫描投影81c有交叠。在实际曝光过程中，投影光路内的DMD正方形投影图形与运动平台的扫描方向在水平方向上有一定的夹角，而并非垂直。
在实际曝光过程中，设备的多个成像光路的交叠处，为实现能量在曝光视场的均一性要求，对边缘交叠的像素进行能量递增补偿。如图10a所示，第二扫描投影81b为第一光路系统在基底上的扫描带，假设DMD由图10b所示的13X13微镜阵列组成，则实际曝光过程中，选取第1、2、3、4列微镜反射至基底表面的能量为预设能量的20%、40%、60%和80%，同时选取第13、12、11、10列微镜反射至基底表面的能量为预设能量的20%、40%、60%和80%。如图11所示，当第二扫描投影81b置于系统光路阵列时，设置第一扫描投影81a、第三扫描投影81c的边缘四列也有相似的能量，则扫描过程中如果因为运动平台的精度误差造成运动平台在与扫描方向相垂直的方向上的移位，也不会造成两个100%的能量叠加或完全未曝光的现象，从而缩小了因为平台精度问题造成的系统曝光精度控制问题。在实际能量百分比的控制过程中，选取图10c所示的高低压信号即可实现同一DMD中不同列的能量控制。
如图12所示，该数据处理引擎分三步完成此转换流程：第一步，将设计文档格式转换成媒介数据格式，此操作在主服务器内完成，主要实现设计数据的X/Y方向的偏移/图形旋转/数据镜像/图形比例调整/图形反色/图形反版；第二步完成媒介数据格式至位图的时时转换，此操作在附服务器内完成，且为时时操作，并未有数据存储于附服务器的硬盘中，主要实现媒介数据到位图数据时时转换、软件对准和时时分割后图形验证功能。第三步，主要实现位图数据到DMD所识别的帧数据的时时转换，此步骤由高速数据传输板和DMD驱动板完成，目的为调整数据分辨率和曝光速率，以及协同信号同步板控制运动平台扫描速率和曝光数据传输速率的同步。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，其包括光源、光源准直光路、图形发生器、成像光路系统、基底、自动运动平台、电脑、数据处理引擎、数据传输板、成像镜头，成像镜头组至少包含两个数字微镜阵列和锥形反射棱镜，锥形反射棱镜实现数字微镜阵列的拼接，设计文档通过电脑传送至数据处理引擎、数据传输板，曝光光线从光源发出，进入光源准直光路，产生均匀的面光源投影至图形发生器，图形发生器上的图形信息伴随光线进入成像光路系统，曝光光线穿过投影光路最后投影在自动运动平台所载的基底上。
2.如权利要求1所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述光源为发光二极管、准分子激光器或汞灯等波长小于436nm的紫外光源。
3.如权利要求1所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述光源准直光路至少包含一个复眼和一片凸透镜。
4.如权利要求1所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述成像光路系统包括光耦合器、第一阶光路成像系统、微透镜阵列、微光栅阵列和第二阶光路成像系统，第一阶光路成像系统实现光耦合器后的多个微透镜阵列的拼接像在微透镜阵列上表面成像；微光栅阵列与微透镜阵列对应，实现消除或降低特定阶的光或者不同像素调制的光之间的干涉；第二阶光路成像系统实现微光栅阵列到基底表面的投影成像。
5.如权利要求1所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述锥形反射棱镜的底面为正方形，其他四面为等腰三角形，四个等腰三角形与底面正方形所成的面夹角均为四十五度。
6.如权利要求5所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述锥形反射棱镜的正方形底面平行于基底的曝光面放置。
7.如权利要求5所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述锥形反射棱镜的等腰三角形面将数字微镜阵列的图形反射至基底的曝光面上。
8.如权利要求7所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述每个数字微镜阵列与锥形反射棱镜中的一个等腰三角形面相对应。
9.如权利要求5所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述锥形反射棱镜的两个等腰三角形面作为两个数字微镜阵列的反射面。
10.如权利要求5所述的高速数字扫描直写光刻装置，其特征在于，所述锥形反射棱镜的四个等腰三角形面作为四个数字微镜阵列的反射面。
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