CN1460892A - 激光加工方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在以往用来消除光掩膜上存留缺陷的激光加工方法中，存在一些尚待解决的问题，即在衬底上缺陷已被消除的部分形成了损伤，因而降低了加工的质量。在本发明的用来去除光掩膜上存留缺陷的激光加工方法中，消除存留缺陷采用了一种结构，其中待加工的表面朝下，激光束从下面进行照射，而且照射是在一种含卤代烃气体如乙基碘等的环境下通过激光束进行。

Description

激光加工方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用来修正光掩模和液晶衬底上的图形缺陷的激光加工方法，以及采用此方法的激光加工装置。
背景技术
在日本专利申请No.2002-62637中，对用来修正光掩模和液晶衬底上的图形缺陷的一种现有技术激光加工装置作了说明。那个申请所描述的修正图形缺陷的方法中，衬底用一个激光束照射，该衬底的被加工表面是朝下的，因而通过激光蒸发把衬底上的缺陷去掉。在该方法中，在衬底表面被激光束照射的同时，可以对它进行观察而不会降低用来观察它的光学系统的分辨率。此外，由于激光蒸发所产生的细小颗粒在重力作用下往下落，故可获得高精度的图形，同时重新回到衬底上的细小颗粒的数量可以被限制到一个极小的量。
另外，按照国际专利申请No.1989-502149(PCT/US87/03488)的国家出版物的一种激光加工装置，具有一个气体外套，带气体出口和进口，其形状象一个圆环形同心状。这种特征可以让气体局部喷到衬底上，可使气体通断，并且可以转换气体喷出和吸入的方向。因此，用一个装置就可以既通过激光CVD(化学蒸汽淀积)形成图形薄膜，又可以通过激光蒸发去掉图形薄膜。
但是，采用传统的激光蒸发法的激光修正方法，要求激光照射很快将需要除去的图形膜加热到摄氏几千度的高温，这就产生了一个问题，即照射可能在上面粘有图形膜的衬底表面上挖出一些洞，即使衬底是一个象石英之类的耐高温衬底也一样。举例来说，对于半导体工艺中所用的铬掩模的情况，即使激光功率和脉冲宽度等加工条件已经最佳化，激光照射仍能在衬底表面造成10nm左右深度的损伤。因此，若把这种掩模用于实际曝光过程中，这种损伤将使曝光的光线产生相位变化，从而使得显影出来的图形宽度不同于预先确定的宽度。为了减小这种损伤的深度，可以把用来修正图形的激光功率相对于最佳条件降低，但这会引起一个问题，即激光束加工部分的边缘形状将按线性变差。
为解决这个问题，要求有一种通过用激光束照射将图形蚀刻除去的方法，这时激光束是在一种蚀刻气体的环境中进行照射的。不过，对于采用铬作为图形材料(它一般是耐化学腐蚀和耐高温的)的光掩模的情况，还没听说有什么蚀刻气体能满足下面图形修正工作的一些使用要求：操作方便，反应速度适中，使反应产物具有高蒸汽压，等等。
此外，如国际专利申请No.1989-502149(PCT/US87/03488)的国家出版物中所述，为有效地提供源气体的局部环境，要求将气体局部喷至衬底窗上的气包体的进气口和出气口是相对于激光照射部分同心且中心对称的。但是，在衬底表面和气包体之间的间距通常仅为1mm左右的范围内(此间距与物镜的工作范围有关)，很难制造成这样围绕气包体内激光照射部分同心配置的双气流路径。因而造成气包体的制造成本高且成品率低。在高精度激光加工装置中，高的分辨率要求工作范围较短，因而无法保证气包体所需的空间。这就引起了一个问题，即高精度的加工装置不能有这样一个气窗。
另外，对于气包体中装有同心喷气口和吸气口的情况，为了增加加工部分处源气体的浓度，减少被加工部分处产生的微细颗粒吸附到补底上，可以让源气体从一个小直径的喷嘴喷出，因而在激光照射部分的源气体可能具有很高的气流粘滞度。在这种情况下，喷口的气体屏蔽效应被破坏了，因而将出现源气体向周围泄漏和空气混进来等问题。
                       发明内容
本发明是针对上述问题而提出的。本发明的一个目的是提供一种激光加工方法和装置，它能修正透明的缺陷和不透明的缺陷中的一种或者两种，它包含一种能用来加工和除去缺陷的新型蚀刻气体，且所采用的激光功率低到不至引起衬底的变形，和一种具有气体屏蔽功能的气体窗，以在被加工的表面上局部而有效地形成一个蚀刻源气体的环境。
为解决上述问题，本发明提供了一种去掉衬底上要求部分的激光加工方法，它采用激光束去源气体的环境下照射衬底，其特征是该源气体是一种包含卤代烃的气体，同时被加工的表面是朝向下方。
另外，此激光加工方法的特征是，卤代烃是由下列组合形成的一种化合物：碘、氯和溴中的任何一种卤素和甲基、乙基和丙基中的任何一种烃基。还有，衬底是一个铬掩模衬底。
本发明的另一个目的是提供一种无气室的激光加工装置，它包括：一个激光照射和观察系统，用来对安装在X-Y定位工件台上的衬底上的一部分进行激光束照射和光学观察；一个用来形成蚀刻源气体的局部环境或在被加工部分周围的CVD源气体的局部环境的气包体，且被加工表面与气包体之间的间隙很小，但不会与衬底上的被加工表面接触；和一个用来将源气体通入和排出气包体的源气体进气和排气装置，其中衬底被加工的表面是朝向下方；激光照射和观察光学系统被安置成应使得光学观察和激光束在衬底上所要求部分的照射是从下面进行的；气包体包括一个喷嘴，用来将源气体喷向衬底上要加工部分的激光束照射位置；一个形如弯月的进气口，它的开口的中心与喷嘴相对于激光照射位置(它位于一个水平面内的喷嘴和该中心之间)处在对称的位置；一个形如环形圈的净化气体喷口，其开口的宽度应这样变化，使得从进气口附近的开口部分喷出的净化气体量比从喷嘴附近开口部分喷出的净化气体量要多。
本发明还有一个目的是提供一种无气室的激光加工装置，它包括：一个激光照射和观察系统，用来对安装在X-Y定位工件台上的衬底上的一部分进行激光束照射和光学观察；一个用来形成蚀刻源气体的局部环境或在被加工部分周围的CVD源气体的局部环境的气包体，且被加工表面与气包体之间的间隙很小，但不会与衬底上的被加工表面接触；和一个用来将源气体通入和排出气包体的源气体进气和排气装置，其中衬底被加工的表面是朝向上方；激光照射和观察光学系统被安置成应使得光学观察和激光束在衬底上所要求部分的照射是从上面进行的；气包体包括一个喷嘴，用来将源气体喷向衬底上要加工部分的激光束照射位置；一个形如弯月的进气口，它的开口的中心与喷嘴相对于激光照射位置(它位于一个水平面内的喷嘴和该中心之间)处在对称的位置；一个形如环形圈的净化气体喷口，其开口的宽度应这样变化，使得从进气口附近的开口部分喷出的净化气体量比从喷嘴附近开口部分喷出的净化气体量要多。
另外，在上面两种激光加工装置中，从进气口附近的净化气体喷口部分喷出的净化气体量，是从喷嘴附近的净化气体喷口部分喷出的净化气体量的1.5至3.5倍。蚀刻气体是一种包含卤代烃的源气体，卤代烃是由碘、氯、溴中的任何一种卤素和甲基、乙基和丙基中的任何一种烃基组合而成的，而且衬底是一个铬掩模衬底。另外，源气体进气和排气装置的特点是，它包含一种根据需要修正的缺陷的类型而在蚀刻源气体和CVD源气体之间进行转换的机构。
本发明提供一种激光加工方法，它采用以乙基碘作为蚀刻气体的卤代烃，而且所用结构中被蚀刻的衬底表面是朝向下方。因此，这种方法在腐蚀性，毒性和燃烧性方面具有很高的安全性，所以不需要采用复杂而昂贵的元件，从而降低了设备本身和维护的成本。此外，在加工质量方面，本方法能提供高质量的修正，把对衬底的损坏限制在一个极小的程度，而且在已加工部分的边缘不出现碰伤。
此外，把本发明的气包体结构用到激光蚀刻加工和激光CVD加工装置中，可以降低设备的制造成本，且通过提高激光束照射部分处允许的源气体流动速度的上限，可以在很宽范围内使加工条件最佳化，同时气包体与衬底之间的间距可以比传统方法中的间距大得多，从而大大减少了偶然刮伤被加工表面的几率。
                       附图说明
本发明的上述和其它一些目的，特征和优点将从下面结合附图所作的详细描述中清楚地了解剖，这些附图中：
图1是按本发明的激光加工装置第一实施方案的结构示意图；
图2是本发明的气包体结构示意图；
图3是本发明的第二个实施装置的结构示意图。
                     具体实施方式
图1是一种具体实施装置的结构示意图，示出了本发明用于修正光掩模上的透明和不透明缺陷时，所用装置的结构。
在这张图中，包含一个被加工表面2朝下的光掩模的衬底1被X-Y定位工件台9上的真空吸盘10所保持。
根据X-Y定位工件台的运动，采用一个顶端装有物镜4的激光照射和观察光学系统5，来对衬底1下表面上的图形进行观察，并和激光束对下表面进行照射。
气包体3处于激光照射和观察光学系统5及衬底1之间，用来引导激光束及引进和排出源气体。物镜4与气包体3做成一体。源气体管道7和净化气体管道6分别从气体进给和排出装置11供给源气体和净化气体，源气体管道7和净化气体管道6与抽走排出气体的排气管道8与气包体3相连。另外，把一个微分压力传感器19安装在窗口部分的净化气体喷口13的底坐上，以测定气包体3和衬底1之间的间距。控制装置12控制激光照射和观察光学系统5的激光发射时间，转换观察放大率和照明，控制聚焦位置调节机构，X-Y定位工件台9的运动操作，源气体的转换操作，等等。
采用乙基碘气体作为蚀刻气体，氩气作为控制气体。通常在诸如铬等化学上不活泼材料的气体蚀刻方法中，只利用氯和氟等化学反应强烈的卤素气体与这种不活泼材料在高温下的反应，或者是等离子体反应。这种情况下，本发明发现，在卤素系列和烃系列的混合气体中，采用乙基碘作为激光蚀刻用的材料无论在腐蚀性，毒性和燃烧性等各方面都要比其它材料优越得多。另外，本发明首先从实验上证明，采用脉冲式光照射的激光蚀刻可以达到可实用的蚀刻速率。
铬蚀刻的反应机理可分析如下。乙基碘气体在室温下在空气中是稳定的，在光和热的作用下碘从中析出。自由碘与组成图形膜的铬反应产生碘化铬。碘化铬在室温下的蒸汽压很低，因此在气相态不能蒸发。但是，在激光束照射之前吸附在衬底上的乙基碘气体被用于激光蚀刻的脉冲激光束照射所产生的瞬时温升到热分解，与此同时碘化物与构成衬底的铬发生反应，蒸发成一种气相的碘化铬气体。当脉冲激光束终止时，气相碘化铬冷却下来凝成细小的颗粒。通过使被加工的表面的位置朝向下面，蚀刻反应按照一种独特的反应机制进行，使得所产生的细小颗粒向下落。落下的颗粒并不落向位于下面的物镜4上，而是被吸向进气口的高速水平气体流强迫进入进气口15，这个进气口15是处在源气体喷出喷嘴14的喷出方向，而且是位于喷嘴14的相反一边。如上所述的所选定的源气体，反应机理，和认定的蚀刻反应，在激光加工技术中还没有研究过，本发明首次证明了可通过这些措施实现激光加工铬掩模的实用方法和设备。
图2是从衬底侧面开口形状看过去的本发明气包体中源气体喷出喷嘴和进气口的位置示意图。
在此图中，源气体是由位于激光束照射部分18(以十字叉丝表示)右侧的源气体喷出喷嘴14提供的，同时马上就被吸入进气口15中，后者是一个弯月形的开口，处于激光束照射部分的左侧。另一方面，净化气体喷出口13的宽度W1和W2的尺寸是不相同的，这个尺寸差设计得使由进气口15附近的喷出口部分提供的净化气体量比由相对一侧喷出口部分提供的量多三倍。
在气包体和衬底间的间隙部分内，源气体和净化气体在水平面内的流动方向分别以白色箭头(源气体流动方向16)和黑色箭头(净化气体流动方向17)表示。每个开口的位置和形状应做成这样，使得源气体喷出喷嘴14和进气口15之间的源气体浓度高一些，而且在激光束照射部分18处的源气体浓度和流动速度可通过调节从源气体喷出喷嘴14喷出的量而达到最佳值。另一方面，从外向内喷出的净化气体流可以防止源气体泄漏到气包体3的外面。由于净化气体的喷出量在进气口15附近的喷出口部分增加，即使源气体的喷出量增加使得它在激光照射部分处的流动速度增大，气体的屏蔽作用仍然存在。另外，流向气包体外面的净化气体流将防止空气混入激光照射部分。
下面将通过与用传统蒸发方法得到的修正质量的比较，详细描述采用乙基碘蚀刻修正铬掩模不透明缺陷所得到的修正质量。
所用的激光源是第三谐波光源Nd：作为激光源的Yag激光(波长355nm，脉宽20ps，重复频率1KHz)，蚀刻加工是用10sccm(标准立方厘米每秒：即在一个大气压下一分钟流过的以立方厘米计的流量)的源气体流量来进行的，其中源气体是一种包含0.5％乙基碘的气体(它以氩气作为控制气体)，而用氮气构成的净化气体是以20升/秒的流量进给，以10升/秒的流量吸走。
所用的物镜是一个高分辨率紫外光透镜，其工作范围为2mm，NA＝0.8。净化气体喷出口13的外径为20mm，较宽的喷出口的宽度W1＝6mm，较窄的喷出口的宽度W2＝2mm，即开口部分的最宽部分和最窄部分宽度相差三倍。此外，图2所示的源气体喷出喷嘴的直径为0.5mm，弯月形进气口15的尺寸是：短轴a＝3mm，长轴b＝8mm。
为了所述加工特征获得的加工特性如下。如采用1μm见方的激光照射尺寸，则按本发明的蚀刻方法与通常的蒸发方法相比，本发明方法中发生蚀刻反应的激光强度约为蒸发方法中激光强度加工阈值的30％至80％。当激光强度为蒸发方法加工阈值强度的60％时，需要3分钟加工一个1μm的方块，且在铬图形下面石英衬底中的损伤不深于2nm(这是测量装置灵敏度的极限)。
另一方面，在激光蒸发加工的情况下，即使照射强度已经是最佳值，损伤深度也将大到10nm。另外，在激光蒸发加工中，在被加部分的边缘可看到Cr图形上的100nm左右的凸起。但是，在采用乙基碘蚀刻反应时看不到有凸起。同时也没有激光加工产生的反应产物吸附在加工部分附近的衬底上。当从源气体喷出喷嘴14喷出的源气体流量在5sccm以下时，可以看到有少量反应产物淀积在物镜4上，但在5sccm以上时则来发现有反应产物淀积在上面。
在上面的描述中，虽然是讲到用乙基碘作为蚀刻气体，但若代之以溴(Br)和氯(Cl)这些卤族元素也同样有效。同样，烃基也不只限于乙基，甲基和丙基也一样有效。就是说，能用于本发明的蚀刻气体可以是形式如CnHm-R(其中R为卤素组，n为正整数1，2，或3，m为正整数3，5，或7。)的卤代烃。
下面是在激光CVD中采用碳酰铬作为本发明的源气体的情况时，修正透明缺陷中检测的气体屏蔽效应。就是说，对传统类型的双同心结构(内同心圆构成进气口，外同心圆构成净化气体喷出口)与本发明上述实施装置中的气包体结构的气体屏蔽效应进行比较。结果如下。
当气包体与衬底间的间距为0.5mm，且净化气体流量和吸气流量分别为20升/秒和10升/秒时，从源气体喷出喷嘴14喷出的量从5变为100sccm。在传统型同心气包体的情况下，当喷出量超过50sccm时，有源气体泄漏到气包体周围，而且有空气混入激光照射部分。在本发明的气窗的情况下，即使源气体喷出量为100sccm，也没有发现有源气体泄漏和空气混入激光照射部分的情形。
另外，在源气体流量为30sccm的情况下，改变气包体3和衬底1之间的间距来比较在上述两种结构中源气体的泄漏情况。在传统结构中，当此间距大于0.6mm时就发现有泄漏。而在本发明的气包体中，直至1.5mm还没发现有泄漏。允许间距较宽对于避免在衬底1和气包体3之间产生偶然碰撞是很有效的。
通过提供这样一个气窗并引入CVD源气体，在激光CVD中也能实现对透明缺陷的有效修正。
另外，在上述试验中，还描述了离进气口15最近的开口部分和离进气口最远的开口部分之间，从净化气体喷出口13喷出的气体量相差三倍的情况。若气体喷出量是在1.5倍至3.5倍之间变化，则可维持有效的气体屏蔽作用。
此外，在上述本发明的第一实施装置中，还描述了激光蚀刻反应和激光CVD反应单独进行的情形。源气体进给装置的结构应能进给供CVD的源气体和供蚀刻的源气体，这时加工方法可以通过按被修正的缺陷类型变换气体而加以转换。在这种情况下，由于一个设备可以作薄膜形成和薄膜除去两种加工工序，因而需修正的处理能力可以很高速度进行，使得它更为实用。
其次，作为本发明的第二实施装置，图3表示一种通过激光CVD进行薄膜形成反应的设备，其中采用了如图2所示的气包体结构，且衬底的待加工表面是朝上的，因而是用一个激光束从上面照射。这时由于衬底被加工表面朝上，因而衬底可以很容易地夹持在X-Y定位工件台上，这是它的优点。另外，即使在激光照射位置处的源气体流速，比带用来吸收和喷出净化气体的双同心开口的传统气包体要高，也不会有源气体泄漏到周围去。因此，较高的源气体流速可以抑制淀积在CVD薄膜周围区域的细小颗粒的吸附，从而改善修正的质量。
还有，在这个结构中，通过采用包含卤代烃的蚀刻气体(如在第一个实施装置中所述)进行激光蚀刻，也可以制成一个具有薄膜淀积和薄膜清除两种功能的设备。
此外不用说，可以利用现有传统的激光蒸发反应，制造具有额外的薄膜清除加工工序的激光加工设备。
虽然本发明是结合某些优选实施例来加以描述的，但应明白，本发明所包含的内容并不只限于这些具体实施例。相反，它可以包含在下面的权利要求书的思路和范围内的所有可供选择方案，改进和等效方案。

Claims (14)

1.一种用来去除衬底上所需部分的激光加工方法，它采用激光束在源气体环境中照射衬底，其中所述源气体是一种含卤代烃的气体。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其中衬底的待加工表面朝向下方。
3.如权利要求1所述的激光加工方法，其中卤代烃是一种由碘，氯和溴的任何一种卤素与甲基、乙基和丙基中的任何一种烃基组合而成的化合物。
4.如权利要求1所述的激光加工方法，其中衬底是一个铬掩模衬底。
5.一种通过激光束在源气体环境中照射衬底来去除衬底上所需部分的激光加工设备，它包括：
一个激光照射和观察系统，用来对保持在X-Y定位工件台上的衬底的待加工部分进行光学观察和利用激光束照射，
一个气包体，用来在待加工部分附近形成一个局部蚀刻源气体环境或局部化学汽相淀积源气体环境，且在该气包体与待加工表面之间形成一个小间隙而不接触衬底上的待加工表面，
一个源气体进给和排出装置，用来把源气体送入该气包体及从气包体中排出，其中：
衬底的待加工表面朝向下方，
激光照射和观察光学系统被布置成能从下面进行光学观察及用激光束在衬底的所需部分进行照射，
该气包体包含一个喷嘴，用来把源气体吹到衬底上待加工部分的激光束照射位置；一个形如弯月的进气口，它的开口的中心与喷嘴相对于激光照射部分处在对称的位置，激光照射部分位于一个水平面内的喷嘴和所述中心之间；一个形如圆形圈的净化气体喷口，其开口的宽度应这样变化，使得从进气口附近的开口部分喷出的净化气体量比从喷嘴附近的开口部分喷出的净化气体量要多。
6.如权利要求5所述的激光加工设备，其中蚀刻气体是一种包含卤代烃的源气体，卤代烃是由碘、氯和溴中的任何一种卤素与甲基、乙基和丙基中的任何一种烃基组合而成的。
7.如权利要求5所述的激光加工设备，其中衬底是一个铬掩模衬底。
8.如权利要求5所述的激光加工设备，其中源气体进给和排出装置包含一个按被修正的缺陷类型在蚀刻源气体和化学汽相淀积源气体之间进行转换的机构。
9.如权利要求5所述的激光加工设备，其中从进气口附近净化气体喷出口部分喷出的净化气体量比从喷嘴附近的净化气体喷出口喷出的净化气体量多1.5至3.5倍。
10.一种用来清除衬底上所需部分的激光加工设备，它采用激光束在源气体环境中照射该衬底，此设备包括：
一个激光照射和观察系统，用来通过激光束进行照射，并在被保持于X-Y定位工件台上的衬底上的待加工部分上进行光学观察，
一个气包体，用来在待加工部分附近形成一个局部蚀刻源气体环境或局部化学汽相淀积源气体环境，并且在气包体和待加工表面之间形成一个小间隙而不接触衬底上的待加工表面，
一个源气体进给和排出装置，用来把源气体送入该气包体及从气包体中排出，其中：
衬底的待加工表面朝向上方，
激光照射和观察光学系统被布置成能从上面进行光学观察及用激光束在衬底的所需部分进行照射，
该气包体包含一个喷嘴，用来把源气体吹到衬底上待加工部分的激光束照射位置；一个形如弯月的进气口，它的开口的中心与喷嘴相对于激光照射部分处在对称的位置，激光照射部分位于一个水平面内的喷嘴和所述中心之间；一个形如圆形圈的净化气体喷口，其开口的宽度应这样变化，使得从进气口附近的开口部分喷出的净化气体量比从喷嘴附近的开口部分喷出的净化气体量要多。
11.如权利要求10所述的激光加工设备，其中蚀刻气体是一种含卤代烃的源气体，卤代烃是由碘、氯和溴中的任何一种卤素与甲基，乙基和丙基中的任何一种烃基组合而形成的。
12.如权利要求10所述的激光加工设备，其中衬底是一个铬掩模衬底。
13.如权利要求10所述的激光加工设备，其中源气体进给和排出装置包含一个按被修正的缺陷类型在蚀刻源气体和化学汽相淀积源气体之间进行转换的机构。
14.如权利要求10所述的激光加工设备，其中从进气口附近的净化气体喷出口部分喷出的净化气体量比从喷嘴附近的净化气体喷出口部分喷出的净化气体量多1.5至3.5倍。
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