CN201083960Y - 直写光刻装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光刻技术领域，解决了现有的分步直写光刻技术效率低，连续扫描光刻操作难度大的问题，提供一种综合两者特点的直写光刻装置。结构特点是：两个以上不同倍率的投影镜头设于盘状转换器上，且每个投影镜头5与投影光学系统的透镜或透镜组4同轴；光学定位检测系统包括与转换器上的投影镜头共轴的光学波长分束器，光学波长分束器一侧同轴设有包括检测成像透镜、光敏感探测器的成像系统。该装置采用可变倍率的投影镜头，提高曝光的效率。采用共轴的光学定位检测系统，达到改变的倍率的投影镜头产生的图形能进行无间隙连接。该装置采用直写扫描和精缩排版的混合法，实现光滑的图形轮廓，并提高曝光的效率。

Description

直写光刻装置

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，具体地说，涉及在晶片、印刷电路板、掩膜板、平板显示器、生物晶片、微机械电子晶片、光学玻璃平板等衬底上印刷构图的直写光刻装置。

背景技术

光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。这样的衬底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)、电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等的基片。经常使用的基片为半导体晶片或玻璃基片。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。

在光刻过程中，晶片放置在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶片表面。尽管在光刻过程中使用了投影光学装置，还可依据具体应用，使用不同的类型曝光装置。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。

半导体行业使用的传统分步重复式或分步扫描式光刻工具，将分划板的特征构图在各个场一次性的投影或扫描到晶片上，一次曝光或扫描一个场。然后通过移动晶片来对下一个场进行重复性的曝光过程。传统的光刻系统通过重复性曝光或扫描过程，实现高产出额的精确特征构图的印刷。

为了在晶片上制造器件，需要多个分划板。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差需求的原因，这些分划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。

无掩膜(如直接写或数字式等)光刻系统相对于使用查分划板的方法，在光刻方面提供了许多益处。无掩膜系统使用空间图形发生器(SLM)来代替分划板。SLM包括数字微镜系统(DMD)或液晶显示器(LCD)，SLM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。

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、空间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，加工速度慢，单个晶片曝光时间长；第二种方法采用计算机控制图形发生器(SLM)，产生巨域性的特征图形，一次性地曝光到光敏感衬底上相对应的巨域，主要问题是分辨率较低，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

本发明的目的是：提供一种采用可变倍率的投影镜头，提高曝光效率，实现对光敏感衬底进行直写扫描和分步式排版构图的直写光刻装置。

具体的结构设计方案如下：

直写光刻装置，包括一个照射图形发生器的光源1，一个用于提供照射光束的光学集光系统2，一个可编程的图形发生器3，一个投影光学系统，一个移动光敏感衬底的精密移动平台10；其中光源1和光学集光系统2同轴对应设于可编程的图形发生器3一侧，投影光学系统包括透镜、或透镜组4和投影镜头5；

还包括一个不同倍率的投影镜头的转换器9，转换器9为盘状，通过转动轴设于机架上，转换器9上设有两个以上不同倍率的投影镜头5，所述两个以上不同倍率的投影镜头5的中心距离转换器9转动轴中心线的半径相等，且每个投影镜头5与投影光学系统的透镜或透镜组4同轴；

还包括一个光学定位检测系统，所述系统包括一个位于投影光学系统的透镜、或透镜组4和投影镜头5之间的光学波长分束器6，光学波长分束器6一侧平行设有包括检测分束器12、检测透镜13和光敏感探测器8的光学成象系统。

所述光源1为发光二极管光源，或为弧光灯，或为激光器。

所述光学定位检测系统的检测分束器12外侧、与光学波长分束器6共轴设有对位对焦光源7。

所述转换器9上设有五个不同倍率的投影镜头5。

上述图形发生器3包括至少一个阵列的可单独切换的元件，由计算机控制来产生特征的构图。图形发生器3可以是反射，衍射或透射器件，优选为空间反射镜阵列(DMD)。照射光源可以是连续光源，如孤光灯、LED或连续激光，在脉冲频率远高于图形发生器的元件的开关频率时也可以使用脉冲调制的LED或准连续激光。照射光源优选为LED光源，在脉冲频率远高于图形发生器的元件的开关频率时可以使用脉冲调制的LED光源。图形发生器产生的特征构图，通过光学投影系统被以一定的精缩比例(M)投影到光敏感衬底上，精缩比例的改变由改用不同倍率的投影透镜来实现。精缩比例M可以大于1(M＞1)，也可以小于1(M＜＝1)，由实际应用的特征尺寸和印刷尺寸大小决定。在优选的实施例中，我们描述了精缩比例M＜1的应用，但本领域的技术人员都理解，类似的应用可以使用到M＞1的情况。光敏感衬底的移动可以在三轴、四轴或六轴的空间精密移动平台上来实现。投影光学系统采用远心结构。

在优选的方案中，投影光学系统将图形发生器的图形以一定的时间间隔投影在光敏感元件上，光敏感元件在图形投影间隔之间进行移动，同时图形发生器的图形也在进行切换，使再次投影的构图与前次投影的构图构成无缝接连。

在优选的方案中，图形发生器被连续地照射，投影光学系统把特征构图连续地投影在光敏感元件上，光敏感元件在精密移动平台上连续地移动，产生连续曝光的光滑构图。

在优选的方案中，图形发生器被前述两种照射方式的组合，分别间隔地和连续地投影到光敏感元件上，其间投影光学系统选用不同的精缩倍率进行图形投影，以减少曝光时间，并产生连续光滑的轮廓。

本实用新型的有益技术效果是，采用可变倍率的投影镜头，提高曝光的效率。采用共轴的光学定位检测系统，达到改变的倍率的投影镜头产生的图形能进行无间隙连接。该装置采用直写扫描和精缩排版的混合法，实现光滑的图形轮廓，并提高曝光的效率。

例如在在优选的实施方案中，可以选用四组倍率分别为1/5，1/10，1/20，1/40的投影镜头，通过1/40的投影镜头达到最高分辨率0。5微米，采用直写扫描和精缩排版的混合法可以产生最小线宽厚0。5微米的光滑的图形轮廓。同时对于大特征的构图，倍率分别为1/5，1/10，1/20的投影镜头能产生比1/40的投影镜头大分别为64，16，4倍数的曝光面积，从而得到相应倍数的曝光效率。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图，

图2为光学定位检测系统和曝光投影采用不同光源的结构示意图。

图3为本实用新型装置实现综合式直写光刻的示例图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。

实施例1：

参见图1，直写光刻装置包括：

一个用于提供照射光束的光源1，优选为发光二极管，也可以是弧光灯，还可以是激光器；

一个用于提供照射光束的光学集光系统2，图1中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。同样的理解适用于所有的图片中所示的光学器件。

一个可编程的图形发生器3，优选为空间微反射镜阵列，他具有可独立寻址的单独切换的元件。

一个采用远心结构的投影光学系统，包括透镜、或透镜组4和投影镜头5，其中投影镜头5为可以转换的不同倍率的两个以上的投影镜头。透镜、或透镜组4和投影镜头5采用共轴结构，如图1所示；

一个不同倍率的投影镜头的转换器9，转换器9为盘状，通过转动轴设于机架上，转换器9上设有两个以上不同倍率的投影镜头5，两个以上不同倍率的投影镜头5的中心距离转换器9转动轴中心线的半径相等，且每个投影镜头5与投影光学系统和透镜或透镜组4同轴；转换器9上安装有五个不同倍率的投影镜头5。

一个精密移动平台10，用以承载光敏感元件11。

一个通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学定位检测系统，该系统包括一个通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学波长分束器6，光学波长分束器6一侧设有包括检测分束器12、检测透镜13和光敏感探测器8的光学成象系统。

光源1产生的照射光束，经过照明系统2的聚光，均匀后投射到图形发生器3上。照明系统2可以包括用于收集照射光束的聚光器，还包括用于设置光束强度分布的调整装置，例如积分器，复眼。通过这种方式，入射到图形发生器上的光束具有所需要的均匀性，强度分布和角度分布。

可编程的图形发生器3由计算机控制，使各个微反射镜产生不同的对应倾斜，对反射光进行调制，产生一定的空间调制图形。因此也可以使用具有同样功能的空间光调制器，例如液晶显示器(LCD)。

空间调制图形经过投影光学系统以一定的放大倍率M投射到光敏感元件表面。图1所示的放大倍率M＜1，但本领域的技术人员也理解放大倍率M可以在不同的应用中采取M＞1的选择。不同的放大倍率在光敏感元件上产生不同的投影图型的面积大小，使的大特征的图型曝光时间减小，省掉了精密移动平台的多次往复移动，提高了曝光效率。同时对于小的特征图形，利用高放大倍率的高分辨率来产生，保证图形的特征构图。

不同倍率的投影镜头的转换器9是一个转盘式结构，可以是手动，也可以是机械自动控制转换。每个不同放大倍率的投影镜头坐落在距离转换器9相同的半径距离上，通过转换器9可以依次转换到投影光路上投影镜头5的位置，并和辅助透镜或透镜组4同心和共轴，以保证投影成象到晶片上的质量。

光学定位检测系统采用了和曝光投影相同的光源1。使用光学分束器6，使得光敏感元件上固定的定位标记被成象到定位检测系统，并通过计算机处理，得到投影镜头5相对于光敏感元件的精确空间位置信息。通过对不同放大倍率的投影镜头的精确空间定位，能确保不同放大倍率的投影镜头的曝光图形能在光敏感元件表面实现无间隙连接。要实现这项功能，要求光敏感元件上固定的定位标记不会被曝光投影相同的光源1所影响，例如在固定的定位标记上不喷射光敏感材料，或者在光敏感元件后继处理过程中对固定的定位标记进行保护。

实施例2：

图2示意性的示出了另一种依照本发明的一个具体实施例的直写光刻装置。该装置包括：

一个用于提供照射光束的光源1，优选为发光二极管，

一个用于提供照射光束的光学集光系统2，图2中所示的是一片光学器件，本领域的技术人员应理解为也可应用多片的光学器件组合。同样的理解适用于所有的图片中所示的光学器件。

一个可编程的图形发生器3，优选为空间微反射镜阵列，他具有可独立寻址的单独切换的元件。

一个采用远心结构的投影光学系统，包括透镜、或透镜组4和投影镜头5，其中投影镜头5为可以转换的不同倍率的两个以上的投影镜头。透镜、或透镜组4和投影镜头5采用共轴结构，如图2所示。

一个不同倍率的投影镜头的转换器9，转换器9为盘状，通过转动轴设于机架上，转换器9上设有两个以上不同倍率的投影镜头5，两个以上不同倍率的投影镜头5的中心距离转换器9转动轴中心线的半径相等，且每个投影镜头5与投影光学系统和透镜或透镜组4同轴；转换器9上安装有五个不同倍率的投影镜头5。

一个精密移动平台10，用以承载光敏感元件11。

一个通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学定位检测系统，在图2所示的实施例中，该系统包括一个通过不同倍率的不同投影镜头的共轴的光学波长分束器6，光学波长分束器6一侧平行设有包括检测分束器12、检测透镜13和光敏感探测器8的光学成象系统；在检测分束器12外侧、与光学波长分束器6共轴安装有对位对焦光源7。

光学定位检测系统包括光学波长分束器6，对位对焦光源7，和光学成象系统8。在每次更换一定的放大倍率的投影镜头5，在曝光以前，光学定位检测系统通过波长分束器6把不同于曝光波长的对位对焦光源7投影到光敏感元件上，通过投影镜头5搜索和探测光敏感元件上固定的定位标记，并通过计算机处理，得到投影镜头5相对于光敏感元件的精确空间位置信息。通过对不同放大倍率的投影镜头的精确空间定位，能确保不同放大倍率的投影镜头的曝光图形能在光敏感元件表面实现无间隙连接，见图3综合式直写光刻的示例图。

Claims (4)

1.直写光刻装置，包括一个照射图形发生器的光源(1)，一个用于提供照射光束的光学集光系统(2)，一个可编程的图形发生器(3)，一个投影光学系统，一个移动光敏感衬底的精密移动平台(10)；其中光源(1)和光学集光系统(2)同轴对应设于可编程的图形发生器(3)一侧，投影光学系统包括透镜、或透镜组(4)和投影镜头(5)，其特征在于：

还包括一个不同倍率的投影镜头的转换器(9)，转换器(9)为盘状，通过转动轴设于机架上，转换器(9)上设有两个以上不同倍率的投影镜头(5)，所述两个以上不同倍率的投影镜头(5)的中心距离转换器(9)转动轴中心线的半径相等，且每个投影镜头(5)与投影光学系统的透镜或透镜组(4)同轴；

还包括一个光学定位检测系统，所述系统包括一个位于投影光学系统的透镜、或透镜组(4)和投影镜头(5)之间的光学波长分束器(6)，光学波长分束器(6)一侧平行设有包括检测分束器(12)、检测透镜(13)和光敏感探测器(8)的光学成象系统。

2.根据权利要求1所述的直写光刻装置，其特征在于：所述光源(1)为发光二极管光源，或为弧光灯，或为激光器。

3.根据权利要求1所述的直写光刻装置，其特征在于：所述光学定位检测系统的检测分束器(12)外侧、与光学波长分束器(6)共轴设有对位对焦光源(7)。

4.根据权利要求1所述的直写光刻装置，其特征在于：所述转换器(9)上设有五个不同倍率的投影镜头(5)。

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