CN1054835A - 激光直接写入式集成电路制造系统 - Google Patents

Abstract

一种激光直接写入系统，在光束扩展器入口处使 激光束扫描。光束扩展器减小由机械式扫描器件形 成的扫描角和误差。其输出端较小的扫描角与激光 直接写入式半定制集成电路制造系统能很好地配 合。扫描误差的减小使得在该集成电路表面上聚焦 的激光光点的位置精度更高。

Description

本发明涉及一种用于制造具有私人定制的（personalized  custom）或半定制的集成电路晶片的激光直接写入装置及方法。从某方面来说，本发明是有关一种能提供高精度的激光扫描聚焦光点的光学系统。

激光扫描已用于许多领域。激光打印机、条形码读出器和光带数据记录器是应用激光扫描的一些例子。在半导体工业方面，激光扫描也具有重要性。激光扫描已用于激光扫描显微镜、晶体管工艺、以及用于激光图案发生器中，以便产生供晶片分挡器用的标线。

使用最广的激光扫描装置是旋转多棱镜，几乎每一部激光打印机都要用到它。典型的激光打印机中的光学系统包括一个激光源、一个声-光调制器、一个光束扩展器、一个旋转多棱镜和一个圆柱形的聚焦透镜。利用声-光调制器对激光束进行高速切换，然后将其扩展到所需要的直径。接着使已扩展的激光束扫描和聚焦，从而形成一条数十厘米长、包含高达数千个可分解开的光点的扫描线。对于典型的激光打印机，其光点尺寸为数十微米（1微米＝0.001毫米）数量级。

有两篇文章提到涉及本领域技术的集成电路的工艺。

一篇是“IBM杂志”（IBM  Journal，1967年9月，520-526页），该篇文章指出，所提到的系统采用紫外光或者电子束使按机械控制平移的晶片上的光刻胶层曝光。这种方法包括使计算机发出的写入指令转化为半导体晶片上的金属导体。无论采用紫外光还是电子束，晶片都贴着一个平台在通电时由步进电机驱动而按程序在X-Y方向移动。光刻胶的已曝光部分随后被冲洗掉。紫外光或电子束是受电子机械快门以通一断方式而加以控制的，而快门又受一计算机程序控制。

第二篇是“电子周刊”（Electronics  Week，1985年2月4日，21-24页），该篇文章论述到一种激光射线的处理工艺，其中提出一种装置及一种方法，据此而使精确导向的激光束和常规的刻蚀方法用于以尽量短的周转期按小批量定制的集成电路。该方法用了预定构形的晶片，但不包括用户特定的光刻掩模。晶片在激光枪下以1微米的步伐一条线、一条线地移动，而激光枪发出稳定的兰色光束聚焦成两微米直径的光点。该光束由计算机进行通断控制。晶片上已曝光的区域随后被刻蚀掉了。

本发明的装置和方法采用了激光直接写入工艺，从而以十分短的周转期制造私人定制或半定制的集成电路。本发明人已发明了一种高效率的激光直接写入系统，用于使半定制的集成电路上的光刻胶层曝光而无须使用掩膜。这种不用掩膜的方法省却了工具加工（制造掩膜），并且有可能以低成本和快的周转期使小量（少于500）半定制的集成电路按私人需要实现。

本发明涉及到一种高精度的激光扫描和聚焦系统，包括使激光束扫描，使激光束通过一个激光束扩展器，然后使该激光束聚焦到一个表面上。该激光束扩展器能产生较大直径的激光束，并可由一透镜聚焦成小光点而照射到一个表面上。已扩展的激光束能通过一个显微镜的物镜而投射聚焦到该表面部位。

在上述系统中，所述表面可以是一种涂敷光刻胶的集成电路晶片。该集成电路晶片相对于已聚焦的激光光点的位置可由放置晶片的一个可移动的表面来控制。在所述系统中，可用一个氦镉激光源来发出激光束，而激光束则可用一个声-光调制器作通或断的切换。已接通的激光束可通过一个谐振扫描器或用一个安放在激光束扩展器入口处的旋转多棱镜来扫描。

本发明还涉及一种激光直接写入式的定制的或半定制的集成电路制造装置，该装置包括：

（a）发出激光束的激光发生器;

（b）对发出的激光束进行调制的激光束调制器;

（c）使已调制的激光束在第一方向进行扫描的激光束扫描器;

（d）使扫描的激光束直径扩展的光束扩展器;

（e）使扩展了的激光束聚焦到可沿垂直于上述第一方向的方向而移动的表面上的聚焦器件;

（f）用于控制激光束调制器及控制上述表面移动的程序计算机装置。

所述装置中的激光发生器可以是一种氦镉激光源。调制器可以是一种声-光调制器。扫描器可以是一种多面旋转多棱镜。聚焦器件可以是一个显微镜物镜。所述表面可以是一种机动平台，该平台受所述计算机控制，并用于放载涂有光刻胶的集成电路晶片。

附图示出了本发明一个特例，但这些附图并非以任何方式对本发明的实质或保护范围带来限制。附图中：

图1是本发明的激光直接写入式的定制的或半定制的集成电路制造系统的基本部件的示意图;

图2是该激光直接写入系统的激光束扫描部件的示意图;

图3是该激光直接写入系统的激光束扩展器部件的光路细节图;

图4示出由该激光直接写入系统产生的高分辨度的光刻胶图案的一个实例;

图5示出在一个半定制的集成电路上形成的相互连接的光刻胶图案的一个实例，图中显示出一个互补型金属氧化物半导体（CMOS）的门阵列。

本发明的激光直接写入式的定制的或半定制的集成电路（IC）制造系统包括一个激光发生器、一个显微镜，一台程序控制计算机和一个其上安放有涂敷了光刻胶层的IC晶片的、可在X-Y轴线方向上移动的机动平台。使激光束进行扫描，然后在使其投射到半定制的IC晶片表面上之前通过一个光束扩展器。这一技术可同时达到两个非常必需的目标：（1）一个较大直径的激光束，该激光束可在半定制的集成电路晶片上聚焦成较小的光点;以及（2）压缩扫描光束的角距，因此而使扫描误差减小。

图1示出激光直接写入系统的工作原理。由氦镉激光发生器10发生激光束11。激光束11穿过声-光调制器12，该调制器受射频（RF）驱动器8的控制，而驱动器又受控制计算机6的控制。已调制的激光束13射到扫描镜面14上，经其偏转成为激光束16，再穿过显微镜物镜25，该激光束聚焦成光点26并照在在涂敷光刻胶的IC晶片4上，晶片则放在受控制计算机6控制的可沿X-Y轴线方向移动的机动平台2上。在激光束穿过显微镜物镜25之后而投射到集成电路晶片4上时，其聚焦的激光光点26约为0.7微米数量级。无论是X-Y机动平台2（它使集成电路晶片4与聚焦激光光点26的相对位置发生变化）还是激光束16都受到计算机的控制，从而按照存储在控制计算机6中的信息有选择地使光刻胶曝光。应用这项技术，一个集成电路的相互连接的图案就能从计算机存储的资料而直接转到集成电路晶片4的光刻胶层上。激光扫描镜面14改进了整个系统，使激光束16和聚焦光点26能沿着Y轴移动。平台2具有一定的惯性，因而限制了它沿X和Y轴线快速移动的能力。激光束16沿Y轴线的移动与该平台只沿X轴线的移动相配合，使总的生产效率增加了好几个数量级。扫描镜面14用于使激光束16偏转，以便形成一条256微米长的Y轴线扫描线。采用机械式扫描装置14，例如在本过程中所用的旋转多棱镜时，存在两个主要问题。对于一个平均分度的、由电机驱动的旋转多棱镜，其扫描精度约为30弧度秒的数量级。当使用焦距为5毫米的50倍显微镜物镜使激光束在集成电路晶片表面4上聚焦成光点26时，1微米间隔的两个点之间的角距为41弧度秒。因此，使用平均分度的旋转多棱镜14就使该直接写入系统的精度限制在0.8微米左右，这是不能令人满意的。

使用旋转多棱镜14的另一缺点在于，当多棱镜造成很宽的扫描角时（一个有8个面的器件，每个面可提供达90度的扫描角），该激光直接写入系统的投射光学器件（显微镜物镜25）只能接受入射激光束16的1.5度左右的偏移，结果激光功率只能按很低的占空因数被利用，导致整个效率降低。

为了解决上述两个问题，本发明人已经发明了一种扫描系统，以下结合附图2进行描述。图2示出了其扫描激光束的光路的细节。激光源10为氦镉激光源，其激光波长为442毫微米，输出功率为10毫瓦。输出光束11的直径为0.3毫米。该激光束11是由一个声-光调制器12进行通断切换的。然后，被调制器切换的激光束13被一个旋转的8面多棱镜14偏转，从而造成一个扫描角15，该扫描角通常为30度的峰-峰值。本领域的技术人员应当知道，用其他种类的机械式扫描器，诸如谐振扫描器（如由General  Scanning  of  Waterlown，MA，USA生产的一种谐振扫描器），也能起到相同的扫描作用。于是已偏转的激光束16就射入一个光束扩展器17中。

如图3详细所示，光束扩展器至少由两个透镜组成。入射透镜18的焦距20为fi，而出射透镜19的焦距21为fe。扩展率定义为输出光束的直径23之值De与输入光束的直径22之值Di之比，它等于fe/fi。

再参看图2。在光束扩展器17出口处的扩展了的扫描激光束24的直径约为3毫米。同时，光束扩展器17出口处的扫描角也按一个因数fe/fi（即光束扩展率）而缩小。因此，该机械式扫描系统的误差也就缩小了相同的比值，其典型数值为10。

光束扩展器17出口处的扫描激光束24随后通过焦距为5毫米的50倍的显微镜物镜25而聚焦，于是在集成电路晶片4上形成位置精度为0.1微米的一条256微米的扫描线。

用这种直接写入系统中的激光束扫描，能提供非常高的分辨度和精度。该系统能在半定制的集成电路上形成位移精度为0.1微米的亚微米型的激光光点。这一精度比现在应用的典型的激光打印机所要求的精度要高几个数量级。

由上述激光直接写入系统产生的光刻胶层的一种实验图案示于图4上。该图案由1微米厚的光刻胶层上形成的1微米宽的线条和间隙构成，表示出用本发明的激光直接写入系统能形成多么精细的光刻胶层的图案。

图5示出该激光直接写入系统在一个互补型金属氧化物半导体（CMOS）的门阵列上产生的相互连接的光刻胶图案。用随后的金属化刻蚀工艺处理，画有图案的光刻胶下面的相互连接的金属就被随后面保留下来。

所公开的技术关键性的好处在于，它能用一个廉价的机械式扫描器件，例如一个旋转多棱镜，使已聚焦的激光光点以0.1微米的精度而定位。

与其他类型的激光扫描系统的差别是，本发明系统是在光束扩展器的入口处使激光束扫描。这种安排使光束扩展器能减小由机械式扫描器件（例如旋转多棱镜）所形成的扫描角和造成的误差。光束扩展器输出端较小的扫描角与激光直接写入系统的投射光学器件之间的很好的相互配合，以及扫描误差的减小，使得在半定制的集成电路表面上的已聚焦的激光光点的定位精度更高。

本发明的激光扫描系统有一个氦镉激光源，其输出是用一个声-光调制器来进行高速通断变换的。既可用一个谐振扫描器也可用一个旋转多棱镜放置在一个10倍的光束扩展器入口处使已被切换的激光束扫描。在光束扩展器的出口端，激光束的直径按上述扩展率（10倍）扩大，而扫描角则以相同的倍率缩小。由于对本直接写入式投射光学器件只需要小的扫描角（其典型值为峰-峰值3度），因此这种安排允许光束扩展器起到两个非常重要的作用：（1）通过使激光束在穿过物镜而聚焦之前进行扩展，能形成较小的激光光点;（2）通过减小出口激光束的扫描角，该光束扩展器可使由机械式扫描器造成的角度误差减小，因此在出口激光束穿过显微镜物镜而投射时，能形成一个较短的而精度更高的扫描线。

本领域的技术人员按照以上所叙述的方式，很明显，在实施本发明的过程中，可以在不脱离本发明的精神和范围内作出多种变换和修改。因此，本发明的保护范围应根据所附权利要求中所限定的实质而加以确定。

Claims (16)

1、一种高精度的激光扫描和聚焦的方法，其特征在于，该方法包括：使一个激光束进行扫描；使该激光束通过一个光束扩展器；以及随后将此激光束聚焦到一个表面上。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束扩展器给出了一个大直径的激光束，该激光束被一个透镜聚焦到所述表面上而形成为一个小的光点。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，已扩展的激光束是通过一个显微镜物镜而投射聚焦到所述表面上的。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述表面是涂敷光刻胶的集成电路晶片。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述集成电路晶片相对于聚焦激光光点的位置是受该晶片所放置在其上的一个可移动表面控制的。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光束是由一个氦镉激光源发出的，而该激光束又是由一个声-光调制器进行通断切换的。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，已切换在接通位置上的激光束是通过一个谐振扫描器而进行扫描的。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，已切换在接通位置上的激光束是通过一个旋转多棱镜而在所述光束扩展器的入口处进行扫描的。

9、一种激光直接写入式的定制的或半定制的集成电路制造装置，其特征在于包括：

（a）发出激光束的激光发生器;

（b）对发出的激光束进行调制的激光束调制器;

（c）使已调制的激光束在第一方向进行扫描的激光束扫描器;

（d）使扫描的激光束直径扩展的光束扩展器;

（e）使扩展了的激光束聚焦到可沿垂直于上述第一方向的方向而移动的表面上的聚焦装置;

（f）用于控制激光束调制器及控制上述表面移动的编程序的计算机装置。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激光发生器是一个氦镉激光源。

11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述调制器是一个声-光调制器。

12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述扫描器是一个多面的旋转多棱镜。

13、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述扫描器是一个八面的旋转多棱镜。

14、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述聚焦装置是一个显微镜物镜。

15、根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述表面是一个由所述计算机控制的机动平台。

16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述机动平台用于放载一个涂覆有光刻胶的集成电路晶片。

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