CN103901730B - 曝光装置及曝光方法 - Google Patents

Abstract

这种曝光装置，用于对涂胶基底进行至少两次曝光，包括至少两个SLM、运动机构、投影物镜、工件台、涂胶基底以及控制单元，至少两个空间光调制器分别安装于运动机构上，SLM、所述运动机构以及工件台分别由控制单元控制，载有涂胶基底的工件台在控制单元的控制下运动到待曝光位置，运动机构在控制单元的控制下将至少两个SLM依次调整至投影物镜的物面进行曝光，每个空间光调制器在控制单元的控制下依次进行数据载入阶段、器件重置阶段和图形显示阶段，控制单元控制各空间调制器同时进行上述任一阶段，从而提高所有SLM整体的有效刷新率，提高无掩模光刻设备的产率，并减少了SLM图形的显示时间，可使用连续光源制作高分辨率图形的。

Description

曝光装置及曝光方法

技术领域

本发明涉及半导体光刻领域，尤其涉及一种曝光装置及曝光方法。

背景技术

投影曝光装置能够将掩模版上的电路图形经过投影物镜等光学系统以一定放大或缩小的倍率投影于涂有感光胶的基底上。目前投影曝光装置已广泛应用于集成电路的制造，并且近年来应用范围扩展到平板显示、印刷电路板制造等领域。

随着市场对半导体产品需求量的不断增大和生产商对其价格竞争力的不断追求，初始加工的平板显示基板和PCB基板的尺寸不断增大。在平板显示领域，普遍采用扫描投影式曝光装置，为了保持、甚至提高产率，掩模的尺寸随基板世代的提升而增大，掩模的管理和维护成本不断上升，同时对掩模台、掩模传输、框架提出了更高的要求。在PCB领域，随着基板大小的增加，无法再使用接近接触式光刻设备进行图形加工；另外，由于PCB产品的附加值较小，采用类似平板显示的扫描投影曝光装置会导致成本增加。

无掩模光刻能有效地降低光刻系统的复杂度(无需掩模台、掩模传输、框架结构简单)和掩模的加工、维护成本，是进行大尺寸基底光刻的发展趋势之一，而基于空间光调制器（Spatial Light Modulatro，以下简称SLM）的无掩模光刻方法因其制作灵活、可靠性高和产率较客观等优势越来越多地被用来制作印刷电路板（PCB）、薄膜液晶面板（TFT）、微机电系统（MEMS）。

US7612865、US7253882、US20090086182、US2008258069分别为Dainippon Screen、Fujifilm、Maskless Lithography Inc、ORC等公司的用于PCB加工的无掩模光刻设备，其特点为：汞灯或激光二极管(Laser Diode，以下简称LD)出射的紫外光经照明系统后入射到数字微镜阵列(Digital MicromirrorDevice，以下简称DMD)表面，DMD生成待曝光的图形，经过投影物镜成像到涂胶基底表面，基底做扫描运动，DMD不断地改变图形，从而得到完整的待曝光图形。

以上各系统存在一个很大的缺陷。在无掩模曝光系统中，空间光调制器(例如是DMD)所生成的图形是离散的，而基底却在做连续扫描。每幅曝光图形由SLM生成后会保持一段时间，该时间为SLM的显示周期。帧速率（即刷新率，Frame Rate）即一秒钟里出现的画面的数量，以DMD为例，目前其最大刷新率为32K fps，即31.25us，若采用汞灯或LD等连续光源，假设基底以0.5m/s的速度做扫描运动，则相当于产生了0.5m/s×31.25us=15.625um的fading。这一缺陷极大的限制了无掩模光刻的应用，使之不能进行高分辨率图形的曝光，或者只能在很慢的扫描速度下进行曝光，极大影响产率。

参考文献（Marc Klosner and Kanti Jain.“Massively parallel,large-areamaskless lithography”,Applied Physics Letters 2004,84,2880-2882）中，Anvik公司提出了利用脉冲激光器作为光源，利用脉冲光脉宽较窄(几十ns)的特点，可避免产生以上的fading效果。然而，脉冲激光器功率提升难度较大，随着基底面积增加，光源能量问题将更加突出。

在以上背景下，如何提高DMD的有效frame rate是提高无掩模光刻设备性能的一大关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曝光装置及曝光方法，可以提高SLM的有效刷新率，从而提高无掩模光刻设备产率，并可以减少了SLM图形的显示时间，从而可以使用连续光源制作高分辨率图形的。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种曝光装置，用于对涂胶基底进行至少两次曝光，包括：照明单元、至少两个空间光调制器、运动机构、投影物镜、工件台、涂胶基底以及控制单元，所述至少两个空间光调制器分别安装于所述运动机构上，所述空间光调制器、所述运动机构以及所述工件台分别由所述控制单元控制，载有所述涂胶基底的所述工件台在所述控制单元的控制下运动到待曝光位置，所述运动机构在所述控制单元的控制下将所述至少两个空间光调制器依次调整至所述投影物镜的物面进行曝光，每个空间光调制器在所述控制单元的控制下依次进行数据载入阶段、器件重置阶段和图形显示阶段，所述控制单元控制各空间调制器同时进行上述任一阶段。

优选的，在上述的曝光装置中，所述运动机构为正多棱柱形结构，所述空间光调制器的数量等于所述正多棱柱形结构的柱面数，所述空间光调制器分别安装于所述正多棱柱形结构的柱面，所述正多棱柱形结构能够绕自身的中心轴转动。

优选的，在上述的曝光装置中，所述运动机构是平面结构，所述至少两个空间光调制器沿扫描方向间隔设置于所述平面结构上。

优选的，在上述的曝光装置中，所述运动机构是转盘结构，所述至少两个空间光调制器绕所述转盘结构的圆心分布于所述转盘结构上。

优选的，在上述的曝光装置中，所述至少两个空间光调制器绕所述转盘结构的圆心均匀分布于所述转盘结构上。

优选的，在上述的曝光装置中，还包括光源，所述光源是汞灯或激光二极管或连续激光器或脉冲激光器。

优选的，在上述的曝光装置中，所述空间光调制器是数字微镜阵列。

本发明还公开了一种曝光方法，采用如上所述的曝光装置，包括如下步骤：

步骤1，工件台在控制单元的控制下运动，使得涂胶基底到达待曝光位置；

步骤2，所述至少两个空间光调制器在控制单元的控制下处于图形显示阶段、器件重置阶段和数据载入阶段中任一的阶段，使得下一次曝光所需的空间光调制器处于图形显示阶段；

步骤3，运动机构在所述控制单元的控制下，将下一次曝光所需的空间光调制器调整到所述投影物镜的物面并完成此次曝光；

步骤4，重复步骤1，进入循环，直至完成整个涂胶基底的曝光。

本发明提供的曝光装置及曝光方法，虽然单个空间光调制器的图形刷新时间（图形刷新时间依次包括：调制图形的数据载入阶段时间、器件重置阶段时间以及图形显示阶段时间）没有缩小，但是根据需要进行统筹安排，在至少两次的曝光过程中，所述至少两个空间光调制器根据需要并行进行相同或不同的阶段，即使得各空间光调制器并行进行各自的阶段，相比现有的单个空间光调制器的整个图形刷新时间完成后再进行下一个空间光调制器的图形刷新，减少了所有空间光调制器所需的时间，因而可以提高所有空间光调制器整体的有效刷新率，从而提高无掩模光刻设备产率，并且由于减少了所有SLM图形的整体显示时间，从而可以使用连续光源制作高分辨率图形，进一步提高产率。

附图说明

本发明的曝光装置由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明实施例一的曝光装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一的曝光装置中的数字微镜阵列的结构示意图。

图3为本发明实施例一的曝光装置中的数字微镜阵列的调制原理图之一。

图4为本发明实施例一的曝光装置中的数字微镜阵列的调制原理图之二。

图5为本发明实施例一的曝光装置中的运动机构的结构示意图。

图6为本发明实施例一的曝光装置中T0时刻各DMD所处的阶段。

图7为本发明实施例二的曝光装置中的运动机构的结构示意图。

图8为本发明实施例三的曝光装置中的运动机构的结构示意图。

图中，1-光源、2-照明单元、3-空间光调制器、31-微反射镜、31a-已偏转12度的微反射镜、31b-已偏转-12度的微反射镜、4-运动机构、5-投影物镜、6-工件台、7-涂胶基底、8-控制单元。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参阅图1，本实施例提供的曝光装置，用于对涂胶基底7进行至少两次曝光，包括光源1、照明单元2、至少两个空间光调制器3、运动机构4、投影物镜5、工件台6以及控制单元8，所述至少两个空间光调制器3分别安装于所述运动机构4上，所述空间光调制器3、所述运动机构4以及所述工件台6分别由所述控制单元8控制，载有所述涂胶基底7的所述工件台6在所述控制单元8的控制下运动到待曝光位置，所述运动机构4在所述控制单元8的控制下将所述至少两个空间光调制器3依次调整至所述投影物镜5的物面进行曝光，每个空间光调制器3在所述控制单元8的控制下依次进行数据载入阶段（即Load状态）、器件重置阶段(即reset状态)和图形显示阶段(即Hold状态)，所述控制单元8控制各空间调制器3同时进行上述任一阶段。也就是说，所述至少两个空间光调制器3根据需要并行进行数据载入阶段或器件重置阶段或图形显示阶段。当一个空间光调制器3处于所述投影物镜5的物面时，该空间光调制器3处于图形显示阶段，其余空间光调制器3根据需要处于图形显示阶段或数据设置阶段或数据载入阶段。

本发明提供的曝光装置及曝光方法，虽然单个空间光调制器的图形刷新时间（图形刷新时间依次包括：调制图形的数据载入阶段时间、器件重置阶段时间以及图形显示阶段时间）没有缩小，但是根据需要进行统筹安排，在至少两次的曝光过程中，所述至少两个空间光调制器根据需要并行进行相同或不同的阶段，即使得各空间光调制器并行进行各自的阶段，相比现有的单个空间光调制器的整个图形刷新时间完成后再进行下一个空间光调制器的图形刷新，减少了所有空间光调制器所需的时间，因而可以提高所有空间光调制器整体的有效刷新率，从而提高无掩模光刻设备产率，并且由于减少了所有SLM图形的整体显示时间，从而可以使用连续光源制作高分辨率图形，进一步提高产率。

所述光源1为该曝光装置提供照明，可以是汞灯，也可以脉冲激光器，也可以是激光二极管等其他形式的连续激光器。所述光源1发出的光进入所述照明单元2，所述照明单元2对该光进行匀光，使之能够均匀地照射于SLM表面上。

本实施例中，所述空间光调制器3（SLM）选用数字微镜阵列（DMD），所述DMD是一种MEMS器件。请参阅图2，该DMD上的各个微反射镜31可根据其基底地址电极32上的控制信号进行固定角度的偏转，也就是DMD上的微反射镜31分为未偏转的微反射镜和已偏转的微反射镜，其中，已偏转的微反射镜分为已偏转12度的微反射镜31a和已偏转-12度的微反射镜31b。当某个微反射镜31接收到的控制信号为1时，其偏转12度，该微反射镜31的反射光将进入后继光学系统（如本实施例中的物镜），如图3所示；当某个微反射镜31接收到信号为0时，偏转-12度，如图4所示。根据DMD的特性，要求照明光的入射角（相对于无偏转情况下的DMD工作面）为23度，如图3所示。

较佳的，请参阅图5，所述运动机构4为正多棱柱形结构，所述空间光调制器3的数量等于所述正多棱柱形结构的柱面数，所述空间光调制器3分别安装于所述正多棱柱形结构的柱面，所述正多棱柱形结构能够绕自身的中心轴转动。本实施例中，所述运动机构4为正六棱柱形结构，所述至少两个空间光调制器3的数量是六个，所述空间光调制器3分别安装于所述正六棱柱形结构的六个棱面，所述正六棱柱形结构能够绕自身的中心轴转动，即能够绕O轴进行360度的转动，从而可以通过转动，可以将各个DMD带到投影物镜5的物面上。由于DMD的调制特性，使得入射角度非23度的光不能进入后续的投影物镜5，因此，假设运动机构4的转速为Rps,则满足入射角度为23度时，DMD上的图形所驻留在投影物镜5的物面上的时间t为：

$t=\frac{1}{\mathrm{Rps}\·360}$

相邻两幅DMD调制图形之间的间隔T等于运动机构4转过1/6圈对应的时间，即：

$T=\frac{1}{\mathrm{Rps}\·6}$

frame_rate＝Rps·6

如取Rps=5334时，T=31.24us，对应的刷新率（frame_rate）为32004fps，超过DMD器件本身能够达到的最大fps值，且DMD调制图形在投影物镜5的物面的有效驻留时间为T的1/60，即5.2us，当工件台6以0.5m/s的速度进行扫描时，造成的动态虚化值（fading值）为0.5m/s×5.2us=2.6um，相对原先0.5m/s×31.25us=15.625um的fading值，成像质量将有很大改善。

有效的DMD调制图形将被投影物镜5成像到涂胶基底7的表面，涂胶基底7由工件台6承载，工件台6做扫描运动，其最大扫描速度V_max为:

V_max＝min{V_stage,Grid_size×frame_rate}

其中，V_stage表示工件台6本身能达到的最大运动速度；Grid_size为一个frame周期内，工件台6允许通过的最大长度，它与曝光剂量控制有关。由此可见，只要提高了所有DMD的整体刷新率（frame_rate），就能有效提高扫描速度，使之接近其设计极限，从而提高产率。

每个DMD的数据刷新过程依次包括：调制图形的数据载入阶段、器件重置阶段、以及图形显示阶段这三个阶段，即每个DMD的图形刷新时间包括调制图形的数据载入阶段时间、器件重置阶段时间以及图形显示阶段时间，分别对应时间t_load、t_reset、t_hold。在本实施例中，要求运动机构4转过一圈所用时间不小于t_load+t_reset+t_hold，即满足：

$\frac{1}{\mathrm{Rps}}<t\_\mathrm{load}+t\_\mathrm{reset}+t\_\mathrm{hold}$

现将运动机构4上的六个DMD分别依次命名为：DMD1～6。如图6所示,图6为本发明实施例一的曝光装置中T0时刻各DMD所处的阶段，当DMD1处于图形显示阶段时，下一个图形DMD6已同样处于图形显示阶段，只待旋转到有效位置；同时，DMD5处于器件重置阶段，DMD4、DMD3、DMD2处于数据载入阶段。由于将单个DMD图形刷新的时间分散到空间上6个DMD分别执行，因此，使整体的frame rate得到提高。

此处需特别说明的是，于本发明的其他实施例中，上述运动机构亦可为正三棱柱、正四棱柱、正五棱柱、正七棱柱、正八棱主等正多棱柱形结构中的一种，相应的设置于该运动机构上的DMD的数量亦应根据所采用的正多棱柱形结构的柱面进行确定即可，即DMD的数量等于正对棱柱形结构的柱面数。且采用该些正多棱柱形结构及相应数量DMD的曝光装置其工作原理与上述实施例相同，在此不再赘述。

请参阅图1至图6，本实施例提供的曝光方法，采用如上所述的曝光装置，包括如下步骤：

步骤1，工件台6在控制单元8的控制下运动，使得涂胶基底7到达待曝光位置。

步骤2，所述至少两个空间光调制器3在控制单元8的控制下根据需要处于图形显示阶段、器件重置阶段和数据载入阶段中任一阶段，使得下一次曝光所需的空间光调制器3处于图形显示阶段即Load状态。本实施例中，控制单元8驱动DMD1～6，使DMD1和DMD16处于图形显示阶段；使DMD5处于器件重置阶段即Reset状态；使DMD4、DMD3和DMD2处于调制图形数据载入阶段即Load状态。

步骤3，运动机构4在所述控制单元8的控制下，将下一次曝光所需的空间光调制器3调整到所述投影物镜5的物面并完成此次曝光。本实施例中，控制单元8驱动运动机构4，使之转动到特定角度，使入射到DMD1工作面的光的入射角为23°，将DMD1上的图形曝光到涂胶基底7上。

步骤4，重复步骤1，进入循环，直至完成整个涂胶基底7的曝光。

实施例二

请参阅图7，本实施例与实施例一的区别在于：所述运动机构4是平面结构，所述至少两个空间光调制器3沿扫描方向间隔设置于所述平面结构上。本实施例中，空间光调制器3为DMD，DMD的个数为2个，为DMD1和DMD2，当然数量可以更具需要设置。当DMD1被带到投影物镜5的物面时，DMD1正好处于Reset状态完成，且开始进入图形显示阶段，且DMD2处于Load状态；当DMD1被带离投影物镜5的物面时，DMD2被带入投影物镜5的物面，且处于Reset状态。理论上运动机构4可驱动多个DMD进行往返运动，由于将单个DMD图形刷新的时间分散到空间上2个DMD分别执行，因此使整体的frame rate得到提高。

实施例三

请参阅图8，本实施例与实施例一的区别在于：所述运动机构4是转盘结构，所述至少两个空间光调制器3绕所述转盘结构的圆心分布于所述转盘结构上。较佳的，在本实施例的曝光装置中，所述至少两个空间光调制器3绕所述转盘结构的圆心均匀分布于所述转盘结构上。

本实施例中，空间光调制器3为DMD，DMD的个数为4个，具体为DMD1、DMD2、DMD3和DMD4，共同均匀绕着位于所述转盘结构圆心位置的固定转轴做旋转运动。当DMD1被带到投影物镜5的物面时，DMD1正好处于Reset状态完成，且开始进入图形显示阶段，后续图形DMD2、DMD3、DMD4处于Load状态，只待旋转到有效位置，由于将单个DMD图形刷新的时间分散到空间上4个DMD分别执行，因此使整体的刷新率（frame rate）得到提高。

综上所述，本发明提供的曝光装置及曝光方法，虽然单个空间光调制器的图形刷新时间（图形刷新时间依次包括：调制图形的数据载入阶段时间、器件重置阶段时间以及图形显示阶段时间）没有缩小，但是根据需要进行统筹安排，在至少两次的曝光过程中，所述至少两个空间光调制器根据需要并行进行相同或不同的阶段，即使得各空间光调制器并行进行各自的阶段，相比现有的单个空间光调制器的整个图形刷新时间完成后再进行下一个空间光调制器的图形刷新，减少了所有空间光调制器的所需的时间，因而可以提高所有空间光调制器整体的有效刷新率，从而提高无掩模光刻设备产率，并且由于减少了所有SLM图形的整体显示时间，从而可以使用连续光源制作高分辨率图形的，进一步提高产率。

显然，本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种曝光装置，用于对涂胶基底进行曝光，包括照明单元、至少两个空间光调制器、投影物镜、工件台以及控制单元，其特征在于，还包括运动机构，所述至少两个空间光调制器分别安装于所述运动机构上，所述空间光调制器、所述运动机构以及所述工件台分别由所述控制单元控制，载有所述涂胶基底的所述工件台在所述控制单元的控制下运动到待曝光位置，所述运动机构在所述控制单元的控制下将所述至少两个空间光调制器依次调整至所述投影物镜的物面进行曝光，每个空间光调制器在所述控制单元的控制下依次进行数据载入阶段、器件重置阶段和图形显示阶段，所述控制单元控制各空间光调制器同时进行上述任一阶段。

2.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述运动机构为正多棱柱形结构，所述空间光调制器的数量等于所述正多棱柱形结构的柱面数，所述空间光调制器分别安装于所述正多棱柱形结构的柱面，所述正多棱柱形结构能够绕自身的中心轴转动。

3.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述运动机构是平面结构，所述至少两个空间光调制器沿扫描方向间隔设置于所述平面结构上。

4.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述运动机构是转盘结构，所述至少两个空间光调制器绕所述转盘结构的圆心分布于所述转盘结构上。

5.根据权利要求4所述的曝光装置，其特征在于，所述至少两个空间光调制器绕所述转盘结构的圆心均匀分布于所述转盘结构上。

6.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，还包括光源，所述光源是汞灯或激光二极管或连续激光器或脉冲激光器。

7.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述空间光调制器是数字微镜阵列。

8.一种曝光方法，其特征在于，采用如权利要求1～7中任意一项所述的曝光装置，包括如下步骤：

步骤1，工件台在控制单元的控制下运动，使得涂胶基底到达待曝光位置；

步骤2，所述至少两个空间光调制器在控制单元的控制下处于图形显示阶段、器件重置阶段和数据载入阶段中任一的阶段，使得下一次曝光所需的空间光调制器处于图形显示阶段；

步骤3，运动机构在所述控制单元的控制下，将下一次曝光所需的空间光调制器调整到所述投影物镜的物面并完成此次曝光；

步骤4，重复上述步骤，直至完成整个涂胶基底的曝光。