CN100340923C - 使用空间光调制器的图形产生系统 - Google Patents

Abstract

在对光辐射灵敏的工件诸如光掩膜、显示板或者微型光学器件上制作图形的一种系统，包括从EUV到IR的波长范围内发射光脉冲的一种源，具有至少一个调制元件(象素)并适合于被至少一种发射的光脉冲照射的一种空间光调制器(SLM)，以及在工件上制作调制器图像的投影系统。另外，该系统包括一种快速脉冲探测器，它探测每个单独脉冲的输出脉冲能量以及对每个所述单独脉冲产生与所述单独脉冲的输出脉冲能量对应的一种信号，响应时间在纳秒或亚纳秒范围内来阻塞每个脉冲区段的开关，配置所述开关以被来自所述快速脉冲探测器的所述信号控制，以便在所述单独脉冲的输出脉冲能量测量结果的基础上将每个单独脉冲的能量输出控制为近似所需的能量输出。

Description

使用空间光调制器的图形产生系统

技术领域

本发明涉及在光敏表面诸如半导体器件和显示器的光掩膜上极高精度地印刷图形。本发明尤其涉及在工件上制作图形的一种系统，它包括从EUV到IR的波长范围内发射光脉冲的一种源，具有至少一个调制元件(象素)并适合于被至少一种发射的光脉冲照射的一种空间光调制器(SLM)，以及在工件上制作调制器图像的投影系统。

背景技术

例如，从本申请人以前的WO 99/45439早已知道在图形产生器中使用空间光调制器(SLM)。与较为广泛应用的使用扫描激光光点的方法相比它具有很多的优点：SLM为大规模平行器件并且每秒中可被写入的象素的数量是非常多的。在SLM的照射为非关键(non-critical)的意义上该光学系统也是比较简单的，然而在激光扫描器中必须以高精度构造整个的光束通路。与一些类型的扫描器相比，特别是光电和声光扫描器，微型镜片SLM可以用在比较短的波长中，这是由于它是纯反射器件。这样的图形产生器包括发射光脉冲的源，具有调制元件(象素)并适合于被发射的光脉冲照射的SLM，以及在工件上建立调制器图像的投影系统。

然而，在图形产生器中使用SLM引起的一个问题是，由于实际原因在工件上的每个特征不得不由一个或至少非常少的光脉冲来产生。因此，该系统对于闪烁之间能量变化和时间抖动非常灵敏。这些问题在气体放电激光器诸如通常使用的受激准分子激光器中特别重要。常规的受激准分子激光器具有5％的闪烁到闪烁能量变化和100ns的闪烁到闪烁时间抖动。这些变化是由于各种因素引起的，诸如增益介质的变化和电子放电过程中的变化。光刻使用的典型受激准分子激光器的激光脉冲持续时间大约为10-20ns，脉冲频率在大约1000Hz的范围内。对于工件上的每个特征使用两次曝光，在一定程度上可以缓解这个问题但不能完全根除。

在常规的微型光刻中，诸如在集成电路光刻中，晶片分步器或者晶片扫描器使用闪烁，需要精度小的光脉冲，这是由于工件上的每个特征通常可以被50个或者更多的光脉冲来形成。因此，在工件区域的每一部分上的总曝光对于光脉冲变化就变得不太灵敏。然而，即使在这种情况下闪烁之间的变化也是麻烦的。为此在US 5852621中提议使用响应时间在纳秒或亚纳秒范围内的快速脉冲能量探测器将代表脉冲能量的电信号提供到触发电路中来控制激光脉冲能量。该触发电路结合这个信号并在结合的信号到达预定程度时触发电光开关，诸如普克尔(Pockels)元件。电光开关的操作削减去一部分脉冲能量使得由此产生的脉冲能量维持在恒定的程度上。

发明内容

因此本发明的一种目的在于提供一种改进的SLM图形产生器来印刷精确的图形。

本发明提供一种在对光辐射敏感的工件上产生图形的系统，包括：从EUV到IR的波长范围内发射光脉冲的一种源，具有至少一个调制元件(象素)、并适合于被至少一种发射的光脉冲照射的一种空间光调制器(SLM)，以及在工件上产生调制器图像的投射系统，其特征在于它还包括：一个快脉冲探测器，以探测每个单独脉冲的输出脉冲能量，以及产生与每个单独脉冲的输出脉冲能量对应的一种信号，一个开关，响应时间在纳秒或亚纳秒范围内来阻断每个脉冲的各个部分，配置所述开关以被来自所述快脉冲探测器的所述信号控制，以便在所述单独脉冲的输出脉冲能量测量结果的基础上将每个单独脉冲的能量输出控制为近似所需的能量输出。

根据本发明的上述系统，其中控制所述开关以减小脉冲之间的抖动并增加发射的光脉冲的脉冲之间的稳定性。

根据本发明的上述系统，其中还根据工件上所需的照射控制所述开关。

根据本发明的上述系统，其中它还包括将光脉冲分割成至少两个部分的分束器，和适合于控制这些部分中的仅仅一个部分的能量输出的开关，和随后再结合脉冲各个部分的再结合单元。

根据本发明的上述系统，其中所述光脉冲源为激光器。优选为受激准分子激光器。

根据本发明的上述系统，其中所述快脉冲探测器为光电二极管。

根据本发明的上述系统，其中所述开关为电光开关。优选包括Pockels元件和至少一个偏振分束器。

根据本发明的上述系统，其中所述开关包括微型机械调制器。

根据本发明的上述系统，其中微型机械调制器包括可控反射单元阵列。

根据本发明的上述系统，其中反射单元包括细长的反射表面。

根据本发明的上述系统，其中在基本平行的伸展方向上布置各反射单元。

根据本发明的上述系统，其中在至少两个不同的伸展方向上布置各反射单元，所述两个伸展方向的延伸之间具有一个夹角。优选为垂直。

根据本发明的上述系统，其中各反射单元为电可控的。

根据本发明的上述系统，其中微型机械调制器包括至少一个电极和可朝向该电极位移的反射膜。

根据本发明的上述系统，还包括一种光延迟元件。

根据本发明的上述系统，其中配置开关以在整体脉冲能量的所需值上切断脉冲。

根据本发明的上述系统，其中配置开关以改变要在每个单独脉冲中使用的透射性能。

根据本发明的上述系统，其中它还包括脉冲展宽器，它被放置在脉冲开关之前，用于伸展每个单独脉冲的脉冲持续时间。

根据本发明的上述系统，其中工件上的每个写入特征被作为小数量的投影图像的叠合来写入。

根据本发明的上述系统，其中空间调制器为调制单元的二维阵列，具有单独和多值像素寻址。

根据本发明的上述系统，其中空间光调制器包括微型机械元件的阵列，优选为微型镜片的阵列。

根据本发明的上述系统，其中它还包括一种脉冲能量衰减器，它被放置在脉冲探测器之前，用于衰减每个单独脉冲的脉冲能量。

根据本发明的上述系统，包括一个受控制的第二开关，它起初被关闭并在脉冲发射后被打开一段受控制的时间区间，以提供脉冲开始端的精确控制。

应当注意到本发明特别涉及半导体器件和显示器的光掩膜印刷，但也涉及半导体器件图形、显示板、集成光学器件和电互连结构的直接写入。另外，它也可以应用于其他类型的精确印刷，诸如证券印刷。应当在广义上来理解印刷这个术语，其含义不只为光刻胶和感光乳剂的曝光，而且意味着凭借光或热激发的烧蚀或化学处理，光对诸如干式工艺纸张的其他光灵敏介质的作用。光不局限于普通可见光，可以为波长从红外(IR)到远UV的广泛范围的光。

附图说明

为了举例说明这些目的，将参照附图示出的本发明的实施例在下文中详细地描述本发明，其中：

图1为根据本发明的使用SLM的图形产生器的示意图；

图2a和b为根据本发明实施例的微型机械调制器的示意图，说明了两种不同的工作条件；以及

图3a-d为形成微型机械调制器的条纹的不同优选排列的图解。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的图形产生器包括优选具有单独和多值象素寻址的SLM1，照射源2，成像光学系统3，和SLM的硬件和软件数据处理系统4。另外，该系统优选包括具有干涉仪位置控制系统6等的精确定位的基片平台5等。

SLM1可以用微型机械加工的镜片即所谓的微型镜片来构造或者用支撑基片上的连续镜面构造，因此使用电信号可以使它变形。然而其他的装置也是可能的，诸如依赖于LCD晶体或电光材料作为调制机制的透射或反射SLM，或者使用压电或电致伸缩激励的微型机械SLM。

对于在EUV范围内的光，具有可变形的镜面单元的Bragg镜片或者微型机械快门可被用作SLM。

图形产生器中的照射优选由KrF受激准分子激光器(excimer laser)来完成，它在248纳米波长的UV区域中给出10-20纳秒长的闪烁，并且带宽对应于受激准分子激光器的自然线宽。为了避免基片上的图形失真，来自受激准分子激光器的光被均匀分布在SLM表面上，并且光具有足够短相干长度以便不在基片上产生激光斑点。优选使用光束扰频器来实现这两个目标。

图形产生器优选具有精确定位的基片平台，它具有干涉仪位置控制系统。在一个方向，y方向上，伺服系统将平台保持在固定的位置上，而在另一方向上，x方向上，平台以连续的速度移动。干涉仪位置测量系统被用在x-方向上，触发曝光的激光闪烁以在基片上的SLM每个图像之间给出均匀的位置。当SLM图像的一个全部行被曝光在衬底上时，平台在x方向上返回到起始位置并在y方向上移动一个SLM图像增量，以曝光基片上的另一行SLM图像。重复这个过程直到整个衬底都被曝光。优选地，表面被写入几遍，以使误差最终得到平衡。

另外，根据本发明的系统包括一种快脉冲探测器7，它探测每个单独脉冲的输出脉冲能量和对每个所述的单独脉冲产生一个与所述单独脉冲的输出脉冲能量对应的信号。探测器被连接到开关8上，它具有在纳秒或亚纳秒范围内的响应时间来阻塞每个脉冲的各部分，配置所述开关使它被来自所述快脉冲探测器的所述信号控制。因此，在所述单独脉冲的输出脉冲能量测量结果的基础上，每个单独脉冲的能量输出可以被控制为近似所需的能量输出。分束器12优选放置在光探测器7的前面，由此只有光束被分开的部分被探测到。可优选地在光束已经被重新聚集后配置开关，但也可以这样配置开关使得它只影响光束的一个分开部分。

在系统中的开关例如可以为包括几个小的反射镜的微型机械调制器。这些镜子可以被电操纵以根据施加到单独的镜片上的电压在不同方向上反射或衍射进入的光。这样的镜面单元例如可以包括具有下电极21的反射膜20，诸如在图2a中描述的。当电压施加在膜和电极之间时，膜被拉向电极，如图2b所述。通过合适地选择膜的形状和膜的电寻址-相互之间或单独地-衍射表面可以由调制器形成。

膜例如可以具有条形的形状。当所有的膜是平的时，即当在它们上没有电压施加时，它们形成平的反射平面。布置调制器使得进入的光被反射离开该平的表面进入到与后续的光学系统的光轴一致的方向中。如果电压施加到每隔一个膜条上，则形成二进制反射光栅。该光栅将进入的光衍射到第一和更高的衍射级中。第一衍射级的角度取决于光栅的节距并选择该角度使得第一和更高衍射级没有透射过下面的光学系统的孔径。因此，调制器如同光开关一样工作。这种类型的器件例如由硅光机器公司(Silicon Light Machines)制造，具有大约10纳秒的开关时间。如果衍射结构的起伏(relief)高度为引入光的半个波长的模数n，n为整数，那么在非衍射的零级中不包含光，开关因此阻塞所有的进入光进入到后续的光学系统中。

微型机械调制器可再分为更小的亚区域，每个亚区域由平行镜面膜条组成并且每个亚区域构成一个开关。亚区域可以配置得相互不同，使所有的膜处于平行或者相对于其他的亚区域旋转。各亚区域被单独控制，因此可以衍射部分光束同时使剩余的光束不被反射地通过。因此，即使对每个单元采用二进制(开/关)驱动，也可以以模拟的方式设置调制器的总透射。为了完全切断光束，则访问所有的亚区域并由此形成衍射。

使每个膜制成一个衍射结构也是可能的。由于只是膜的中间部分被吸引到电极上，因此每个膜本身形成一个周期结构。通过合适地设计膜，可以形成表面填充阵列(看图3a-d)，它在所有的单元被访问时形成一个暗表面。因此，调制器的透射可以通过被访问的模或膜组的相对数量设置。

没有衍射的光与衍射的光的相对数量的另一种控制方式可为控制光栅的起伏深度。如果每个膜被电极吸引的深度根据施加的电压可以被做得连续那么可以完成上述的控制。因此，光栅的起伏深度将被施加的电压值控制，因此该电压值控制了零级中的光相对于第一和更高级中的数量。

在图3a中，示出了细长的微型机械调制器的第一优选布置。在该实施例中，细长的调制器被纵向肩并肩地排列。在图3b中，示出了细长的微型机械调制器的第二优选布置。在该实施例中，细长的调制器被排列成多个平行调制器的组，但是这些组被排列得相互垂直。在图3c中，示出了细长的微型机械调制器的第三优选布置。在该实施例中，细长的调制器被排列成以一个角度布置的垂直的两个调制器的几个组，并且这样的几组被错开地排列得彼此相邻。在图3d中，示出了细长的微型机械调制器的第四优选布置。在该实施例中，细长的调制器被排列成调制器的多条平行线，在长度方向上依次排列，但是这些线之间彼此错开。

然而，开关也可以为电光开关8，诸如Pockels元件。在这种情况下，光探测器7的输出被输送到电光元件触发器上，它结合该信号并且比较结合的信号和对应所需脉冲能量的预定截止值。当达到截止值时，触发器产生触发信号，它在Pockels元件3中激发高电压。这样合适的Pockels元件可从美国的Energy Compression Corporation或者德国的Gsnger买到。高电压施加到Pockels元件上使激光束的偏振偏移了90度，使得穿越Pockels元件的部分光束可以被极化滤光器滤除。

根据本发明的系统通过在整体脉冲能量的预设值上切断脉冲而增加了脉冲之间脉冲能量的稳定性。用于切断脉冲的装置是一种非常快速的开关，例如电光开关，诸如Pockels元件，或者上述的微型机械调制器。如果该系统设置的用于切断脉冲的脉冲能量水平发生了变化，开关将明显稍早或稍晚地切断脉冲，这取决于脉冲能量设置的变化。考虑到大约10-20纳秒的非常短的脉冲持续时间，由于开关的有限速度，难以显著地变化削波时间。因此，不管选择的透射能量剂量，该系统将以相同的时间常数工作。对于Pockels元件开关和使用上述微型机械调制器的开关，可连续地变化开关的透射。

Pockels元件开关的透射可被入射光的偏振控制。它也可以被施加到Pockels元件上的电压来控制，由此控制了该元件的偏振旋转数量并调整被Pockels元件开关的第二偏光器透射的光的数量。考虑到在Pockels元件中使用的高功率，联合使用两个Pockels元件开关可能是方便的，第一个用于开/关削波另一个用于较小的透射调制器。

为了便于斩削非常短的脉冲，在探测器之前可以使用脉冲展宽器9。因此，脉冲持续时间将增加，使得后续的脉冲修整器的有限开关时间较少地处于临界，并且允许更加精确的斩削脉冲。

脉冲展宽器9例如可以包括反射系数小于1的两个平行的镜片。这两个镜片则构成了一个光学共振器。光在穿过第一个镜片时被耦合。镜片的有限透射引起光在共振器中往返几次，光的一部分在每一趟中穿过第二个镜片。由此增加了脉冲持续时间。脉冲持续时间取决于共振器的光子寿命。光子寿命取决于镜子的反射率和共振器长度。

为了具有足够的时间来探测脉冲能量并因此控制开关，可能需要使用延迟单元10，它放置在探测器和开关之间以延迟脉冲。这可以通过在光束通路中放置反射镜以增加通路长度来完成。增加1米的通路长度导致大约3-4ns的脉冲延迟。延迟时间优选也是可调的。然而，也可以使用其他类型的延迟方式。

对于使用SLM的高精度图形产生器系统，所需的平均光束脉冲功率与微型光刻中使用的正常脉冲能量功率相比是非常低的，通常大约10-100mW，而后者通常在10-20W范围内。使用如此高的光束功率引起的问题是放置在激光器后的元件被暴露于高脉冲能量中，因此有可能被损害。在本发明的系统中，因而优选使用具有受限的输出功率的光源。另一种选择，也可以使用常规的激光器等，由此衰减器11可被放置在脉冲探测器前面，用于衰减每个单独脉冲的脉冲能量。

通过以受控方式切去脉冲的两端而留下精确控制的中间部分，可以由本发明的系统控制时间抖动。为此，可以使用上述类型的串连的两个开关，一个在脉冲发射后打开一段受控制的时间区间，另一个在打开开关后关闭一段受控制的时间区间。

尽管关于几个特殊的实施例描述了上述的图形发生系统，但是应当理解可以进行各种修改和变化。例如，可以使用功能相当的元件取代上述系统的几个元件，诸如其他类型的激光器或光源，诸如闪烁放电管，或者对于EUV的等离子体光源，其他类型的延迟电路，其他类型的开关装置，其他类型的探测器，诸如光倍乘器等。因此，本发明只被附加的权利要求书和它们的法律等价物限制。

Claims (23)

1.一种在对光辐射敏感的工件上产生图形的系统，包括：

从EUV到IR的波长范围内发射光脉冲的一种源，

具有至少一个调制元件、并适合于被至少一种发射的光脉冲照射的一种空间光调制器，以及

在工件上产生调制器图像的投射系统，其特征在于它还包括：

一个快脉冲探测器，以探测每个单独脉冲的输出脉冲能量，并且产生与每个单独脉冲的输出脉冲能量对应的信号，

一个开关，响应时间在纳秒或亚纳秒范围内来阻断每个脉冲的各个部分，配置所述开关以被来自所述快脉冲探测器的所述信号控制，以便在所述单独脉冲的输出脉冲能量测量结果的基础上将每个单独脉冲的能量输出控制为所需的能量输出。

2.根据权利要求1的系统，其中控制所述开关以减小脉冲之间的抖动并增加发射的光脉冲的脉冲之间的稳定性。

3.根据权利要求1或2的系统，其中还根据工件上所需的照射控制所述开关。

4.根据权利要求1的系统，其中它还包括将光脉冲分割成至少两个部分的分束器，和适合于控制这些部分中的仅仅一个部分的能量输出的开关，和随后再结合脉冲各个部分的再结合单元。

5.根据权利要求1的系统，其中所述光脉冲源为激光器。

6.根据权利要求1的系统，其中所述快脉冲探测器为光探测器。

7.根据权利要求1的系统，其中所述开关为电光开关。

8.根据权利要求1的系统，其中所述开关包括微型机械调制器。

9.根据权利要求8的系统，其中微型机械调制器包括可控反射单元阵列。

10.根据权利要求9的系统，其中反射单元包括细长的反射表面。

11.根据权利要求10的系统，其中在平行的伸展方向上布置备反射单元。

12.根据权利要求10的系统，其中在至少两个不同的伸展方向上布置各反射单元，所述两个伸展方向的延伸之间具有一个夹角。

13.根据权利要求9的系统，其中各反射单元为电控的。

14.根据权利要求8的系统，其中微型机械调制器包括至少一个电极和可朝向所述电极位移的反射膜。

15.根据权利要求1的系统，还包括一种光延迟元件。

16.根据权利要求1的系统，其中配置开关以在整体脉冲能量的所需值上切断脉冲。

17.根据权利要求1的系统，其中配置开关以改变要在每个单独脉冲中使用的透射性能。

18.根据权利要求1的系统，其中它还包括脉冲展宽器，它被放置在脉冲开关之前，用于伸展每个单独脉冲的脉冲持续时间。

19.根据权利要求1的系统，其中工件上的每个写入特征被作为小数量的投影图像的叠合来写入。

20.根据权利要求1的系统，其中空间调制器为调制单元的二维阵列，具有单独和多值像素寻址。

21.根据权利要求1的系统，其中空间光调制器包括微型机械元件的阵列。

22.根据权利要求1的系统，其中它还包括一种脉冲能量衰减器，它被放置在脉冲探测器之前，用于衰减每个单独脉冲的脉冲能量。

23.根据权利要求1的系统，包括一个受控制的第二开关，它起初被关闭并在脉冲发射后被打开一段受控制的时间区间，以提供脉冲开始端的精确控制。

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