專利名稱：具有對焦機構(gòu)的新型直寫光刻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光刻技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及在晶片、印刷電路板、掩膜板、平 板顯示器、生物晶片、微機械電子晶片、光學(xué)玻璃平板等襯底上印刷構(gòu)圖的直寫光刻裝 置。
背景技術(shù)：
光刻技術(shù)是用于在襯底表面上印刷具有特征的構(gòu)圖。這樣的襯底可包括用于制造半 導(dǎo)體器件、多種集成電路、平面顯示器(例如液晶顯示器)、電路板、生物芯片、微機 械電子芯片、光電子線路芯片等的基片。經(jīng)常使用的基片為半導(dǎo)體晶片或玻璃基片。
在光刻過程中，晶片放置在晶片臺上，通過處在光刻設(shè)備內(nèi)的曝光裝置，將特征構(gòu) 圖投射到晶片表面。盡管在光刻過程中使用了投影光學(xué)裝置，還可依據(jù)具體應(yīng)用，使用 不同的類型曝光裝置。例如X射線、離子、電子或光子光刻的不同曝光裝置，這已為本 領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。
半導(dǎo)體行業(yè)使用的傳統(tǒng)分步重復(fù)式或分步掃描式光刻工具，將分劃板的特征構(gòu)圖在 各個場一次性的投影或掃描到晶片上， 一次曝光或掃描一個場。然后通過移動晶片來對 下一個場進(jìn)行重復(fù)性的曝光過程。傳統(tǒng)的光刻系統(tǒng)通過重復(fù)性曝光或掃描過程，實現(xiàn)高 產(chǎn)出額的精確特征構(gòu)圖的印刷。
為了在晶片上制造器件，需要多個分劃板。由于特征尺寸的減少以及對于較小特征 尺寸的精確公差需求的原因，這些分劃板對于生產(chǎn)而言成本很高，耗時很長，從而使利 用分劃板的傳統(tǒng)晶片光刻制造成本越來越高，非常昂貴。
無掩膜(如直接寫或數(shù)字式等)光刻系統(tǒng)相對于使用査分劃板的方法，在光刻方面 提供了許多益處。無掩膜系統(tǒng)使用空間圖形發(fā)生器(SLM)來代替分劃板。SLM包括數(shù)字 微鏡系統(tǒng)(DMD)或液晶顯示器(LCD)， SLM包括一個可獨立尋址和控制的象素陣列，每 個象素可以對透射、反射或衍射的光線產(chǎn)生包括相位、灰度方向或開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制。
無掩膜光刻系統(tǒng)主要采用的是以下兩種方法 一、激光束直寫法；二、空間圖形發(fā) 生器精縮排版曝光。其中，激光束直寫法是逐點曝光，采用高能激光在光敏感襯底上直接產(chǎn)生圖形，加工速度慢，單個晶片曝光時間長；第二種方法采用計算機控制圖形發(fā)生 器(SLM),產(chǎn)生區(qū)域性的特征圖形， 一次性地曝光到光敏感襯底上相對應(yīng)的巨域，主要 問題是分辨率較低，并且受到單位象素的形狀和有效通光孔徑(fill-in factor)的限 制，難以制作連續(xù)光滑的圖形輪廓。
為了解決了現(xiàn)有的分步直寫光刻技術(shù)效率低，單象素的連續(xù)性掃描光刻操作難度大 的問題，中國專利申請200720037805. 9公開了一種綜合式直寫光刻裝置。結(jié)構(gòu)特點是 在透鏡和投影鏡頭之間設(shè)有反射鏡；兩個以上不同倍率的投影鏡頭設(shè)于盤狀轉(zhuǎn)換器上， 光學(xué)定位檢測系統(tǒng)包括與轉(zhuǎn)換器上的投影鏡頭共軸的光學(xué)波長分束器，光學(xué)波長分束器 一側(cè)同軸設(shè)有包括檢測成像透鏡、光敏感探測器的成像系統(tǒng)。該裝置的投影光學(xué)系統(tǒng)和 光學(xué)定位檢測系統(tǒng)采用離軸對焦方式，因不同的鏡頭存在位移誤差，投影鏡頭轉(zhuǎn)換過程 引起的焦平面變化和位置的變化，需要分別進(jìn)行位移校正；復(fù)雜圖形的光刻至少需要兩 次以上的轉(zhuǎn)換投影鏡頭，每一次的位移校正需要一定的時間，從對焦的一秒鐘到精確定. 位的幾分鐘。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是在現(xiàn)有直寫光刻裝置中附加一個圖形投影機構(gòu)，來提供一種 采用主動式的圖形投影而實現(xiàn)對光敏感襯底進(jìn)行自動對焦，即提供一種具有對焦機構(gòu)的 新型直寫光刻裝置。
具體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案如下
具有對焦機構(gòu)的新型直寫光刻裝置，包括光源、光學(xué)集光系統(tǒng)、投影光學(xué)系統(tǒng)、鏡 頭轉(zhuǎn)換機構(gòu)和光學(xué)定位檢測系統(tǒng)；其中，光學(xué)集光系統(tǒng)包括光學(xué)集光器和可編程的圖形 發(fā)生器，光源與光學(xué)集光器對應(yīng)；投影光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡、或透鏡組和兩個以上的投影 鏡頭，透鏡、或透鏡組對應(yīng)位于可編程的圖形發(fā)生器下方，兩個以上的投影鏡頭位于鏡 頭轉(zhuǎn)換器上；光學(xué)定位檢測系統(tǒng)包括光敏感探測器和檢測透鏡，檢測透鏡通過檢測波長 分束器與投影鏡頭對應(yīng)；
光學(xué)定位檢測系統(tǒng)一側(cè)設(shè)有對焦系統(tǒng)；
所述對焦系統(tǒng)包括由上至下依次對應(yīng)排列的對焦光源、對焦圖形發(fā)生器、對焦透鏡、 或透鏡組和對焦反射鏡，對焦系統(tǒng)平行與光學(xué)定位檢測系統(tǒng)，其中對焦反射鏡與光學(xué)定 位檢測系統(tǒng)中的檢測分束器平行對應(yīng)。所述對焦光源為發(fā)光二極管、或弧光燈、或激光器。 所述對焦圖形發(fā)生器為固定的圖形模板、或可編程的圖形發(fā)生器； 所述可編程的圖形發(fā)生器為空間微反射鏡陣列、或液晶圖形顯示器。 本實用新型的有益技術(shù)效果是，直接利用可變倍率的投影鏡頭來共軸投射對焦圖 形，實現(xiàn)不同鏡頭的共軸對焦，避免了離軸對焦對不同鏡頭所需要的分別位移校正過程， 提高效率，同時減小了離軸對焦裝置的成本。采用共軸的光學(xué)定位檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對 于投影鏡頭轉(zhuǎn)換過程引起的焦平面變化的實時校正，并且實現(xiàn)了對晶片上已有圖形的實 時對位檢測。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2為投影光學(xué)系統(tǒng)和投影鏡頭同軸的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實用新型的圖形對焦的聚焦函數(shù)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型作進(jìn)一步地描述。
實施例1: 該裝置包括
一個用于提供照射光束的光源1，優(yōu)選為發(fā)光二極管，
一個用于提供照射光束的光學(xué)集光系統(tǒng)2，圖1中所示的是一片光學(xué)器件，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員應(yīng)理解為也可應(yīng)用多片的光學(xué)器件組合。同樣的理解適用于所有的圖片中所 示的光學(xué)器件。
一個可編程的圖形發(fā)生器3，優(yōu)選為空間微反射鏡陣列，他具有可獨立尋址的單獨 切換的元件。
一個采用遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的投影光學(xué)系統(tǒng)，包括透鏡、或透鏡組4和投影鏡頭5，其中投 影鏡頭5為可以轉(zhuǎn)換的不同倍率的兩個以上的投影鏡頭。透鏡、或透鏡組4和投影鏡頭 5采用非共軸的平行結(jié)構(gòu)，如圖1所示，通過平行的光學(xué)波長分束器6和反射鏡14得到 非共軸的平行光路。
一個不同倍率的投影鏡頭的轉(zhuǎn)換器9，轉(zhuǎn)換器9為盤狀，通過轉(zhuǎn)動軸設(shè)于機架上， 轉(zhuǎn)換器9上設(shè)有五個不同倍率的投影鏡頭5，五個不同倍率的投影鏡頭5的中心距離轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)動軸中心線的半徑相等。
一個精密移動平臺IO，用以承載光敏感元件ll。
一個通過不同倍率的不同投影鏡頭的共軸的光學(xué)定位檢測系統(tǒng)，在圖1所示的實施 例中，該系統(tǒng)包括一個通過不同倍率的不同投影鏡頭的共軸的光學(xué)波長分束器6，光學(xué) 波長分束器6上部垂直設(shè)有包括檢測分束器12、檢測透鏡13和光敏感探測器8的光學(xué) 成象系統(tǒng)；在檢測分束器12外側(cè)、與光學(xué)波長分束器6平行非共軸安裝有本實用新型 的對焦系統(tǒng)裝置包括對焦反射鏡17，對焦透鏡、或透鏡組16，對焦圖形發(fā)生器19和 對焦光源18。
對焦光源18采用對于光敏感元件11不敏感的波長,照射到對焦圖形發(fā)生器19上。 對焦圖形發(fā)生器19可以是固定的圖形模版。對焦圖形發(fā)生器19上的對焦圖形經(jīng)過對焦 透鏡、或透鏡組16,對焦反射鏡17,檢測分束器12,光學(xué)波長分束器6和投影鏡頭5 投射到光敏感元件ll表面。
當(dāng)光敏感元件表面位于投影鏡頭5的焦平面上時，對焦圖形經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)投射 光敏感元件表面的象是最清晰的，同時也反射到光學(xué)探測器8上成一個清晰的象。通過 計算機和聚焦函數(shù)的算法，將給出聚焦函數(shù)的最大值，如圖3所示。
當(dāng)光敏感元件表面沒有位于投影鏡頭5的焦平面上時，反射到光學(xué)探測器8上的成 象也不清晰，聚焦函數(shù)的計算值相應(yīng)減小。通過光敏感元件11在精密移動平臺10上連 續(xù)地上下移動，在光學(xué)探測器8上產(chǎn)生連續(xù)變化的不同聚焦位移的圖形，由計算機計算 對應(yīng)的聚焦函數(shù)，選擇最佳的聚焦平面。
對于固定的投影圖形和工作條件,可以根據(jù)計算機計算的聚焦函數(shù)和搜索算法,光 敏感元件在精密移動平臺上階躍式地上下移動，在光學(xué)探測器8上產(chǎn)生不同聚焦位移的
圖形，由計算機計算對應(yīng)的聚焦函數(shù)，快速地搜索最佳的聚焦平面。 實施例2
該裝置是實施例1的變型，通過調(diào)換光學(xué)波長分束器6和反射鏡14的位置和光路， 使得投影成象系統(tǒng)的透鏡、或透鏡組4,光學(xué)波長分束器6和投影鏡頭5是共軸,而對位 成象系統(tǒng)的檢測透鏡13和投影鏡頭5是平行不共軸結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解為 也可應(yīng)用和增加不同的反射鏡,分束器等的光學(xué)器件組合，改變投影成象系統(tǒng)和對位成 象系統(tǒng)的光路位置，同樣的達(dá)到本實施例的對焦功能。對焦光源18為弧光燈、或激光器；對焦圖形發(fā)生器19為可編程的圖形發(fā)生器,例 如空間微反射鏡陣列,或者液晶圖形顯示器；對焦透鏡、或透鏡組16、對焦反射鏡17 都與實施例1相同。對焦圖形發(fā)生器19上的對焦圖形經(jīng)過非共軸的投影光路對焦透鏡、 或透鏡組16，對焦反射鏡17，檢測分束器12,反射鏡14，光學(xué)波長分束器6和投影鏡 頭5投射到光敏感元件11表面。
當(dāng)光敏感元件表面位于投影鏡頭5的焦平面上時，對焦圖形經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)投射 光敏感元件表面的象是最清晰的，同時也反射到光學(xué)探測器8上成一個清晰的象。通過 計算機和聚焦函數(shù)的算法，將給出聚焦函數(shù)的最大值，如圖3所示。
當(dāng)光敏感元件表面沒有位于投影鏡頭5的焦平面上時，反射到光學(xué)探測器8上的成 象也不清晰，聚焦函數(shù)的計算值相應(yīng)減小。通過光敏感元件11在精密移動平臺10上連 續(xù)地上下移動，在光學(xué)探測器8上產(chǎn)生連續(xù)變化的不同聚焦位移的圖形，由計算機計算 對應(yīng)的聚焦函數(shù)，選擇最佳的聚焦平面。
對于固定的投影圖形和工作條件，可以根據(jù)計算機計算的聚焦函數(shù)和搜索算法,光 敏感元件在精密移動平臺上階躍式地上下移動，在光學(xué)探測器8上產(chǎn)生不同聚焦位移的 圖形，由計算機計算對應(yīng)的聚焦函數(shù)，快速地搜索最佳的聚焦平面。
權(quán)利要求1、具有對焦機構(gòu)的新型直寫光刻裝置，包括光源、光學(xué)集光系統(tǒng)、投影光學(xué)系統(tǒng)、鏡頭轉(zhuǎn)換機構(gòu)和光學(xué)定位檢測系統(tǒng)；其中，光學(xué)集光系統(tǒng)包括光學(xué)集光器和可編程的圖形發(fā)生器，光源與光學(xué)集光器對應(yīng)；投影光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡、或透鏡組和兩個以上的投影鏡頭，透鏡、或透鏡組對應(yīng)位于可編程的圖形發(fā)生器下方，兩個以上的投影鏡頭位于鏡頭轉(zhuǎn)換器上；光學(xué)定位檢測系統(tǒng)包括光敏感探測器和檢測透鏡，檢測透鏡通過檢測波長分束器與投影鏡頭對應(yīng)；其特征在于光學(xué)定位檢測系統(tǒng)一側(cè)設(shè)有對焦系統(tǒng)；所述對焦系統(tǒng)包括由上至下依次對應(yīng)排列的對焦光源、對焦圖形發(fā)生器、對焦透鏡、或透鏡組和對焦反射鏡，對焦系統(tǒng)平行與光學(xué)定位檢測系統(tǒng)，其中對焦反射鏡與光學(xué)定位檢測系統(tǒng)中的檢測分束器平行對應(yīng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對焦機構(gòu)的新型直寫光刻裝置，其特征在于所述 對焦光源為發(fā)光二極管、或弧光燈、或激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對焦機構(gòu)的新型直寫光刻裝置，其特征在于所述 對焦圖形發(fā)生器為固定的圖形模板、或可編程的圖形發(fā)生器；所述可編程的圖形發(fā)生器為空間微反射鏡陣列、或液晶圖形顯示器。
專利摘要本實用新型涉及具有對焦機構(gòu)的新型直寫光刻裝置，解決了的直寫光刻裝置存在的光學(xué)定位檢測系統(tǒng)和曝光投影系統(tǒng)離軸對焦對不同鏡頭需要分別位移校正的問題。特點在于平行與光學(xué)定位檢測系統(tǒng)增設(shè)對焦系統(tǒng)，對焦系統(tǒng)包括由上至下依次對應(yīng)排列的對焦光源、對焦圖形發(fā)生器、對焦透鏡、或透鏡組和對焦反射鏡，其中對焦反射鏡與光學(xué)定位檢測系統(tǒng)中的檢測分束器平行對應(yīng)。直接利用可變倍率的投影鏡頭來共軸投射對焦圖形，實現(xiàn)不同鏡頭的共軸對焦，避免了離軸對焦對不同鏡頭所需要的分別位移校正過程，提高效率，同時減小了離軸對焦裝置的成本。
文檔編號G03F7/20GK201097106SQ20072004440
公開日2008年8月6日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者劉文海 申請人:芯碩半導(dǎo)體(合肥)有限公司