主动对焦机构、光路系统及激光直写光刻机的制作方法

本发明属于光刻技术领域，尤其是涉及一种用于具有自动齐焦功能的激光直写光刻机的主动对焦机构、光路系统及激光直写光刻机。

背景技术：

光刻技术是用于在基底表面上印刷具有特征构图的技术。这样的基底可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。

在无掩膜光刻直写系统中，将基片放置在曝光平台上进行曝光。常用的曝光基片通常为半导体晶圆，在实际曝光过程中，对焦是不可少的程序和技术。并且，对焦的精度和对焦的时间对光刻机的图形质量和产能会产生重大的影响。

在目前的光刻系统中，采用图像处理方式的被动对焦方式是主要采用的手段，其响应时间长，对焦精度低，直接降低了产能，影响了光刻机的图像质量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种主动对焦机构、光路系统及激光直写光刻机，以解决现有技术中被动对焦方式响应时间长，对焦精度低，直接降低了产能，影响了光刻机的图像质量的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种主动对焦机构，用于具有自动齐焦功能的激光直写光刻机，其中，包括分光模块、自动对焦模块、Z轴模块、XY轴载物平台，其中，

所述分光模块对所述自动对焦模块发出的光束进行分光，使所述光束通过所述Z轴模块投射至所述XY轴载物平台；

所述XY轴载物平台用于放置需要进行曝光的曝光基底；

所述XY轴载物平台包括位于水平方向的二维自由度，能够实现XY轴联动；

所述Z轴模块具有与水平方向垂直的一维自由度，能够在Z轴方向上自由移动，实现对焦调节。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，该主动对焦机构还包括第一成像模块，其中，

所述分光模块位于所述第一成像模块上，所述第一成像模块提供物象关系。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述自动对焦模块包括自动对焦光源。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述分光模块包括分光棱镜。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述分光棱镜与水平面呈45度夹角放置。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光路系统，用于具有自动齐焦功能的激光直写光刻机，其中，包括曝光光源、光学照明系统、空间光调制器以及第一方面及其可能的实施方式所述的主动对焦机构，其中，

所述曝光光源发出的光束经所述光学照明系统进行整形，整形后的光束经所述空间光调制器形成具有图形信息的光束；

具有图形信息的光束投射至所述主动对焦机构。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，该光路系统还包括第二成像模块，其中，

所述第二成像模块位于所述空间光调制器与所述主动对焦机构之间。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述空间光调制器为数字微镜。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述曝光光源为非脉冲光源。

第三方面，本发明实施例还提供了一种激光直写光刻机，包括多个第二方面及其可能的实施方式所述的光路系统。

本发明实施例带来了以下有益效果：

通过主动对焦机构，可以解决曝光基底的翘曲和不平整的问题，并且可以解决不同厚度的基板的曝光问题。相比较传统的对焦方式，本发明的具有对焦时间短，精度高的优点，能够有效的提高了光刻机的产能和光刻质量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的主动对焦机构的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的主动对焦机构对焦方法的步骤示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种光路系统的结构示意图；

图4为本发明实施例3提供的一种光路系统的曝光方法的步骤示意图。

图标：1-曝光光源；2-光学照明系统；3-空间光调制器；4a-第二成像模块；4b-第一成像模块；5-自动对焦模块；6-Z轴模块；7-曝光基底；8-XY轴载物平台；9-分光模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。对焦技术作为光刻机系统中必不可少的一项关键技术，对焦的时间和精度对光刻机系统的性能和曝光图形的质量起到了至关重要的作用。

在光刻系统中，图像处理被动对焦和旁轴测量仪对焦以及启动对焦是现有的最常用的对焦方式，它们存在对焦速度慢，不够准确，对环境的要求高等缺点，都不能很好的适用于高端光刻机产品。

基于此，本发明实施例提供的一种主动对焦机构、光路系统及激光直写光刻机，在不影响光刻机曝光质量的前提下，解决现有技术对焦不够准确，速度慢的问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种主动对焦机构进行详细介绍。

实施例1

图1为主动对焦机构的结构示意图。

参照图1，该主动聚集机构包括分光模块9、自动对焦模块5、Z轴模块6、XY轴载物平台8，

具体的说，

分光模块9对自动对焦模块5发出的光束进行分光，使光束通过Z轴模块6投射至XY轴载物平台8。

进一步的是，在自动对焦过程中，分光模块9对自动对焦模块5的自动对焦光源发射的光线两次均是反射，而在曝光过程中，对曝光光源1发出的激光是透射作用。分光模块9对不同的波长的光线，具有不同的表现和要求，根据实际需要选用。因此，在本发明中，分光模块9包括一分光棱镜，优选的是，分管棱镜为半透半反棱镜。

进一步的是，分管棱镜对曝光光源的波长全透射，对自动对焦光源的波长全反射。

优选的是，分光棱镜与水平面呈45度夹角放置。

XY轴载物平台8用于放置需要进行曝光的曝光基底7。

进一步的是，曝光基底7水平的放置在XY轴载物平台8上，曝光基底7为印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB板)、硅板、晶圆、掩膜板、生物晶片、微机械电子晶片、光学玻璃的一种。

优选的是，曝光基底7为PCB板。

XY轴载物平台8包括位于水平方向的二维自由度，如图所示，垂直于纸面方向的X轴，以及位于纸面水平方向的Y轴，能够实现XY轴联动；

X轴，Y轴属于扫描曝光调节，当曝光面积大于激光光斑面积时使用XY轴载物平台8可以沿X轴、Y轴方向移动，实现不同区域的曝光。

在实际光刻机工作时，将曝光区域分成各个小区域，每个小区域曝光前进行对焦，实现实时对焦，实现曝光基底7的分区域实时曝光。

Z轴模块6具有与水平方向垂直的一维自由度，能够在Z轴方向上自由移动，实现对焦调节。进一步的是，Z轴模块6包括镜片和驱动装置，镜片可以实现对焦功能，例如对焦透镜。驱动装置驱动镜片上下移动，实现对焦。

自动对焦模块5为刀口法对焦，刀口法对焦的原理如下：

按照常规的光学系统，一般是以光斑中心对准各个光学部件的中心来调试的，而此自动对焦系统采用的刀口法对焦，类似于“刀口”原理，只发出一半的光束，另一半光束被遮挡，以一半的光束进行调试的。

进一步的是，自动对焦模块5为刀口法对焦，自动对焦模块5包括自动对焦光源。

优选的是，自动对焦光源非脉冲光源。

自动对焦光源为非脉冲光源，紫外光、紫光、蓝光、红光等可见光半导体激光器，发出的激光波长范围为395nm-780nm，优选的是，波长为630nm的红光半导体激光器。

需要说明的是，自动对焦模块5还包括探测器，可以探测光源，例如探测经曝光基底7返回的光线，可根据其得到的参数计算出合适的Z轴移动量。

自动对焦模块5自成一闭合光学模块，自动检测该光路系统的像面，计算Z轴的偏差，将坐标转换成Z轴的距离d，Z轴模块6的驱动装置驱动镜片进行上下移动，Z轴模块6竖直方向上移动距离d，实现自动齐焦功能。

进一步的是，该主动对焦机构还包括第一成像模块4b，第一成像模块4b含有镜片，用于成像，类似电影放映的银幕。

其中，分光模块9位于第一成像模块4b上，第一成像模块4b提供合适的物象关系。具体的说，激光的光斑是由激光所成的“物”，经过第一成像模块4b、Z轴模块6对焦在曝光基底7上，形成对应的“像”，实现为光刻机提供合适的物象关系。

实施例2

图2为主动对焦机构对焦方法的步骤示意图。

参照图2，该主动对焦机构对焦方法的具体步骤如下：

S1、在XY轴载物平台放置曝光基底；

具体的，在XY轴载物平台8放置需要进行曝光的曝光基底7。

S2、打开自动对焦模块，发出光束；

具体的，打开自动对焦模块5的自动对焦光源，自动对焦光源光源发出一定波长的激光光束。

S3、光束经过分光模块分光，形成垂直向下的反射光束；

具体的，激光光束经过分光模块9分光，形成垂直向下的反射光束。

S4、反射光束经过第一成像模块，形成一束光斑；

具体的，反射光束经过第一成像模块4b，形成一束光斑。

S5、光斑经过Z轴模块投射至曝光基底；

具体的，光斑经过Z轴模块6投射在曝光基底7上，形成光斑的“像”。

S6、光斑经过曝光基底反射回自动对焦模块；

具体的，光斑的“像”经过反射沿原光路返回，由自动对焦模块5接收。

S7、自动对焦模块自动检测像面，计算Z轴的偏差；

具体的，自动对焦模块5自动检测该光路系统的像面，计算Z轴的偏差，将坐标转换成Z轴的距离d。

S8、Z轴模块移动偏差距离，实现自动对焦；

具体的，Z轴模块6的驱动装置驱动Z轴模块6的镜片，上下移动距离d，实现对焦。

实施例3

如图3所示，本实施例提供了一种光路系统，用于具有自动齐焦功能的激光直写光刻机，该光路系统包括包括曝光光源1、光学照明系统2、空间光调制器3以及实施例1中的主动对焦机构，其中，

曝光光源1发出的光束经光学照明系统2进行整形，整形后的光束经空间光调制器3形成具有图形信息的光束；

具有图形信息的光束投射至实施例1中的主动对焦机构。

进一步的是，该光路系统还包括第二成像模块4a，第二成像模块4a与第一成像模块4b是用相同的镜片，可以进一步提高对准精度，进一步确保曝光光路与对焦光路的焦面重合。

其中，第二成像模块4a位于空间光调制器3与主动对焦机构之间。

需要说明的是，第二成像模块4a与第一成像模块4b组成一个成像镜筒，也可以是两个独立式的镜筒，第二成像模块4a和/或第一成像模块4b和Z轴模块6组成无限远成像系统，无限远校正光学系统中，由曝光基底7通过Z轴模块6的光线不在Z轴模块6内成像，而是作为无限远的平行光束进入第二成像模块4a和/或第一成像模块4b，由第二成像模块4a和/或第一成像模块4b形成中间像。改变第二成像模块4a与第一成像模块4b的距离、改变第二成像模块4a和/或第一成像模块4b与Z轴模块6的间隔，倍率并不会发生改变，也就说说，倍率在任意两者之间均不会发生改变，此外，添加分光模块9或者滤光片等物件，都不会影响原有的成像质量。

优选的是，曝光光源1为非脉冲光源。

进一步的是，曝光光源1的波长为365nm、436nm、405nm、248nm、193nm、157nm等用来进行曝光的波长，高压汞灯中能量最高的两个谱线I线和G线，其中I线是指365nm，G线是指436nm。需要说明的是，波长越短,光刻分辨率越高。

优选的是，曝光光源1的波长波长为405nm。

进一步的是，空间光调制器3为数字微镜(Digital Micromirror Device，简称DMD)。为光刻机提供曝光图形信息。

DMD可以有多种解析度规格：640×480(VGA)，800×600(SVGA),1024×768(XGA)及1280×1024(SXGA)等。DMD单元的分解图共有4层：第一层是微反射镜单元，每个镜面的尺寸为16μm×16μm(13.6μm×13.6μm)，用铝箔制成；第二层是扭臂梁－铰链和微镜的寻址电极；第三层是3金属层，主要由扭臂梁寻址电极、偏置/复位电极和“着路平台”(landing pads)组成；第四层是采用大规模集成电路标准CMOS工艺，在硅基底上制作的静态存储器(RAM)。微镜与扭臂梁相连接，而扭臂梁通过铝铰链悬置在铰链支撑柱上，微反射镜可以绕铰链轴旋转。铰链支撑轴连接到偏置/复位电极，偏置/复位电极给每个微镜提供偏压。微镜寻址电极和扭臂梁寻址电极连接到静态随机存储器。

器件工作时，在反射镜上加负偏压，一个寻址电极上加+5v(数字1)，另一个寻址电极接地(数字0)，这样在微镜与微镜寻址电极，扭臂梁与扭臂梁寻址电极之间就形成一个静电场，产生一个静电力矩，使反射镜绕扭臂梁旋转，直到接触“着陆平台”为止。由于“着路平台”的限制，使镜面的偏转角度θ保持一定值(±12°)，且在DMD整个面积上有很好的一致性。在扭矩的作用下，反射镜将一直锁定于该位置上，直到复位信号出现为止。这样，每一个单元都有三个稳态：+12°(开)、－12°(关)和0°(无信号)。图3显示了一对+12°和－12°偏转的微镜单元。

DMD作为空间光调制器3，其工作原理是，光源发出的光束与光学系统光轴的夹角为2θ，当某一像素被寻址电极电压驱动，使反射镜偏转θ＝+12°时，它反射的光束刚好沿光轴方向通过投影物镜成像在屏上，形成一个亮的象素。当反射镜偏离平衡位置－12°时，反射的光束将不能通过投影物镜，因此像面上呈现出一个暗的象素。控制信号二进制的“1”和“0”状态，分别对应于微镜+12°和－12°两个稳定状态(以微镜平行于基板的位置作为0°)，也就是DMD微镜的“开”和“关”两个状态。当带有掩模图形数据控制信号序列被写入CMOS电路时，DMD对入射光进行调制，掩模图形就可以在像面上显示。

图4为一种光路系统的曝光方法的步骤示意图。

参照图4，优选实施例的具体实施步骤如下：

S40、自动对焦过程；

具体的，打开主动对焦机构的自动对焦模块5的自动对焦光源以进行对焦操作，具体步骤参照实施例2，在此不再赘述。

S41、打开曝光光源，发出光束；

具体的，打开曝光光源1，曝光光源1发出具有一定能量的激光光束。

S42、光束经过光学照明系统进行整形；

具体的，激光光束经过光学照明系统2进行整形。

S43、整形后的光束投射在空间光调制器上，形成具有图形信息的光束；

具体的，整形后的激光光束投射在空间光调制器3上，形成具有图形信息的光束。

S44、具有图形信息的光束形成“中间像”；

具体的，具有图形信息的光束投射至第二成像模块4a上经分光模块9投射在第一成像模块4b上，在第二成像模块4a和第一成像模块4b形成“中间像”。

S45、“中间像”投射至曝光基底，形成曝光图形，实现图形转移；

具体的，“中间像”经Z轴模块6投射至放置在XY轴载物平台8的曝光基底7上，形成曝光图像，实现图形转移，完成该区域的曝光。

同样的，移动XY轴载物平台8，以完成曝光基底7其他分区域的曝光。

需要说明的是，可以在对焦完成之后，然后打开曝光光源1进行曝光操作；也可以在对焦的过程中，打开曝光光源1，以节省时间，具体情况根据实际选择；因为在曝光的光路大于对焦的光路，时间较对焦过程要长，可以在Z轴模块6移动中，打开曝光光源1。也可以通过多次试验测试，积累实验数据，得到两者的时间差值，从而更好的节约时间，提高速度，增加产能。

实施例4

本发明实施例还提供了一种激光直写光刻机，包括多个实施例3的光路系统，可以实现同时对多个区域进行对焦与曝光操作，极大的提高了速度，缩短了时间，增加了产能。

本发明实施例提供的一种激光直写光刻机，与上述实施例提供的主动对焦机构及光路系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。