專利名稱：燒蝕激光特征物形狀的再現(xiàn)控制的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種在襯底上形成具有更精確形狀但形狀畸變小的燒蝕特征物的方法和設(shè)備，尤其適用于聚合物襯底。
相關(guān)技術(shù)的描述用掩模和成像透鏡系統(tǒng)在聚合物材料上形成激光器燒蝕特征物是眾所周知的。在此工藝中，用激光照射掩模上的特征物。然后，將透過掩模上透明圖案的激光成像到諸如聚合物薄膜等襯底上，在襯底上發(fā)生燒蝕過程。
圖1示出了傳統(tǒng)準(zhǔn)分子激光器加工系統(tǒng)的基本布局。一般地說，計(jì)算機(jī)通過與系統(tǒng)操作人員聯(lián)系的接口控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制啟動(dòng)脈沖激光器系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的功能是，對(duì)掩模和襯底卡盤定位，以便將激光器研壓(milled)圖案與襯底上的其它特征物適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)。為此，通常將一可視系統(tǒng)(未圖示)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。伺服系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)可以控制衰減模塊，以改變進(jìn)入系統(tǒng)中的紫外線輻射量。另一種方法是，通過調(diào)節(jié)激光器的高電壓或者控制能量設(shè)置點(diǎn)來改變激光器的脈沖能量，并由激光器內(nèi)部脈沖的能量控制回路保持激光器的脈沖能量。
在此圖中，用箭頭表示紫外線光束的光路，它體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部紫外線能量的流向(這里，箭頭只是示意性的，并不表示實(shí)際的光線線路，一般兩路光線不平行)。紫外線功率由脈沖式準(zhǔn)分子激光器發(fā)出。激光器一般以100-300Hz的頻率點(diǎn)火，用持續(xù)時(shí)間大約為20-40納秒的脈沖進(jìn)行經(jīng)濟(jì)加工。典型的工業(yè)準(zhǔn)分子激光器的時(shí)均功率為100-150瓦，但由于脈沖的持續(xù)時(shí)間短，所以峰值功率可以達(dá)到兆瓦。這些高峰值功率在加工多種材料中較為重要。
離開激光器的輸出端后，紫外線能量一般要穿過衰減器；但是，這是一個(gè)可供選擇的部件，并不是所有激光器加工系統(tǒng)中都有的。衰減器可以實(shí)現(xiàn)一種或兩種可能的功能。在第一種功能中，衰減器對(duì)光列(optical train)的惡化進(jìn)行補(bǔ)償。如此用途的衰減器允許激光器運(yùn)行在較窄的脈沖能量帶(從而處于一個(gè)受限制的高電壓電平范圍內(nèi))中，以便長時(shí)間地進(jìn)行更穩(wěn)定的操作。利用系統(tǒng)中的新型光學(xué)鏡片，可以將衰減器設(shè)置成能夠耗散一部分激光器功率。當(dāng)光學(xué)鏡片本身退化并開始吸收能量時(shí)，調(diào)節(jié)衰減器以提供附加光能。對(duì)于此功能，可以使用一個(gè)或多個(gè)簡單的手動(dòng)衰減板。衰減板一般是具有特殊介電膜的石英或熔融石英板，用以將一部分激光器能量轉(zhuǎn)射向衰減器外罩內(nèi)的吸光收集器。
衰減器的另一個(gè)可能功能是對(duì)激光器功率進(jìn)行短期控制。在這方面，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)衰減器，并且調(diào)節(jié)衰減器，以便在襯底上提供適當(dāng)?shù)哪芰棵芏?每單位面積的能量)，從而實(shí)現(xiàn)合適的工藝控制。
離開衰減器后，紫外線能量傳播到擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(可選的)。擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡用于調(diào)節(jié)光束的截面積，以適當(dāng)提供對(duì)光束均質(zhì)器(beam homogenizer)的入射光線。通過在離開均質(zhì)器時(shí)形成正確的照明數(shù)值孔徑而對(duì)總的系統(tǒng)分辨率有很重要的影響。典型的準(zhǔn)分子激光光束在水平與垂直方向上是不對(duì)稱的。一般稱準(zhǔn)分子激光光束為“頂帽式高斯分布”，指在激光器出射方向(通常為垂直方向)之間，光束分布是“頂帽形的”(開始時(shí)相對(duì)平坦，并在邊緣處急劇下降)。在橫向方向上，光束具有一典型的強(qiáng)度分布曲線，該曲線看上去是高斯性質(zhì)的，比如一條常規(guī)的概率曲線。
擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡對(duì)這些方向上的功率分布進(jìn)行一定程度的相對(duì)調(diào)整，以減小(但不完全消除)因這兩個(gè)正交光束方向上數(shù)值孔徑(光錐半角的正弦值)不同而使成像到襯底上的圖案發(fā)生畸變，因?yàn)槌上穹直媛适菙?shù)值孔徑的直接函數(shù)。
圖中示出了在擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡和均質(zhì)器之間有一個(gè)平直束折疊式反射鏡。大多數(shù)系統(tǒng)由于空間的局限只能容納少量的這類反射鏡以便將系統(tǒng)折疊在有效的空間內(nèi)。一般來說，可以將反射鏡放置在各部件之間，但在某些區(qū)域內(nèi)，能量密度會(huì)非常高。因此，要仔細(xì)選擇反射鏡的位置，以避免這些高能量密度的區(qū)域?？偟膩碚f，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)限制折疊式反射鏡的數(shù)量，以最大程度地降低光學(xué)鏡片更換成本和對(duì)準(zhǔn)難度。
接著，紫外線光進(jìn)入光束均質(zhì)器。均質(zhì)器的目的是在掩模平面產(chǎn)生一個(gè)均勻的強(qiáng)照射場。它還決定了照射場的數(shù)值孔徑(即，入射到掩模上的光錐的半角的正弦值)。如上所述數(shù)值孔徑會(huì)影響總的系統(tǒng)分辨率。由于準(zhǔn)分子光束的某些部分比其它部分熱，所以均勻照射要求將光束解析成較小分段，并且光束在掩模平面上延伸和覆蓋。本領(lǐng)域已知幾種方法，其中一些方法基于例如美國專利4,733,944和5,414,559所揭示的傳統(tǒng)的折射光學(xué)鏡片，兩項(xiàng)專利的內(nèi)容通過引用包括在此。均質(zhì)過程還可以基于例如美國專利5,610733所揭示的衍射或全息光學(xué)鏡片，該專利的內(nèi)容通過引用包括在此。另一種方法是，基于連續(xù)起伏微透鏡陣列(Nikoladjeff等人在1997年的《應(yīng)用光學(xué)》第36卷，第32期，第8481-8489頁上發(fā)表的“用于準(zhǔn)分子激光光束均質(zhì)化的、在熔融石英中重復(fù)的衍射微透鏡”對(duì)此有描述)。
離開光束均質(zhì)器后，光傳播到場透鏡，場透鏡用于收集來自均質(zhì)器28的光，并將其適當(dāng)耦合到成像透鏡中。根據(jù)應(yīng)用，場透鏡可以是簡單的球面透鏡、柱面透鏡、其變形或組合。場透鏡的精心設(shè)計(jì)和放置對(duì)于在透鏡的襯底側(cè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心成像是很重要的。
掩模一般放在場透鏡的附近。掩模帶有一圖案，該圖案將被復(fù)制在襯底上。此圖案一般比襯底上所需的尺寸大(2-5倍)。成像透鏡設(shè)計(jì)，可以在將掩模成像到襯底上的過程中放大(或縮小)掩模。這可以獲得以下所需性能，即在掩模平面上保持較低的紫外線能量密度，而在襯底平面上保持較高的能量密度。大比例的縮小通常會(huì)限制襯底平面上可用的場的大小。
掩?？梢酝ㄟ^以下方式制成，即在石英或熔融石英襯底上涂覆鉻或鋁，然后用光刻或其它已知方法將圖案刻蝕在金屬層內(nèi)。另一種方法是，熔融石英掩模上的反射層和/或吸收層可以包含一系列介電層，諸如美國專利4,923,772和5,298,351中所描述的介電層。兩專利的內(nèi)容通過引用包括在此。
成像透鏡的目的是縮小掩模圖案并將其轉(zhuǎn)傳到襯底上。如果圖案在每一維上縮小到1/M，那么能量密度將升高M(jìn)2乘以成像透鏡的透射系數(shù)(一般約80％)。在最簡單的情況下，成像透鏡是單元件透鏡。一般，成像透鏡是一個(gè)復(fù)雜的多元件透鏡，它被設(shè)計(jì)成用于減小像中的各種像差和畸變。成像透鏡最好被設(shè)計(jì)成具有為實(shí)現(xiàn)所需圖像質(zhì)量所必需的最少元件，以便提高透光率，降低成像透鏡的成本。一般來說，成像透鏡是光束列中最昂貴的部件之一。
成像透鏡在襯底上產(chǎn)生掩模之圖案的縮小像。每次激光器發(fā)射，都將一個(gè)強(qiáng)的具有圖案的區(qū)域照射在襯底上。結(jié)果，在被照射區(qū)域刻蝕襯底材料?？梢詫?duì)許多襯底材料如此成像，特別是對(duì)聚合物材料。各種商品名的聚酰亞胺是微電子應(yīng)用和噴墨應(yīng)用中最通用的材料。
圖1所描述的系統(tǒng)是一種“典型的”系統(tǒng)。對(duì)于那些沒有具體要求的應(yīng)用來說，系統(tǒng)可以進(jìn)一步簡化但仍可以產(chǎn)生燒蝕部分，只是在特征物容限、重復(fù)性或兩方面有一些損失。在應(yīng)用的具體需要驅(qū)使下，對(duì)這種典型構(gòu)造作一些改變對(duì)于系統(tǒng)來說是不足為奇的。例如，在美國專利4,940,881中，揭示了在成像透鏡和掩模之間插入一個(gè)旋轉(zhuǎn)的折射元件，這將在一定程度上控制燒蝕孔的形狀。所述專利的內(nèi)容通過引用包括在此。
對(duì)聚合物材料進(jìn)行激光燒蝕有許多應(yīng)用。一些應(yīng)用或其中的一些部分在例如電氣通路(electrical via)的容限方面沒有要求，而是將重點(diǎn)放在小尺寸、高密度特征物和低成本上。其它應(yīng)用對(duì)容限和重復(fù)性有很高的要求。后一類應(yīng)用的例子有諸如噴墨打印頭噴嘴制造和配藥噴嘴制造等液流應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，對(duì)精確尺寸、形狀和制造重復(fù)性的要求很嚴(yán)格。此系統(tǒng)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)難于獲得嚴(yán)格容限和產(chǎn)品重復(fù)性。另外，工藝參數(shù)和光學(xué)部件都對(duì)獲得最嚴(yán)格的可能容限起著重要的作用，達(dá)到亞微米級(jí)。
本發(fā)明的目的是一種在這些要求較高的應(yīng)用中用于將激光燒蝕特征物的形狀控制到亞微米等級(jí)并且限制變形的裝置。在本發(fā)明中，通過光束偏振效應(yīng)的作用，用兩個(gè)裝置來控制諸如孔或噴嘴等燒蝕特征物的形狀。根據(jù)激光器諧振器的結(jié)構(gòu)，激光器光束本身可以隨機(jī)偏振，或者具有較高的偏振性，例如具有線偏振或者另一種更一般的偏振狀態(tài)。即使激光器是隨機(jī)偏振的，光束衰減器和折疊式反射鏡的作用也會(huì)產(chǎn)生部分偏振。其它系統(tǒng)構(gòu)件根據(jù)其它具體情況也可能產(chǎn)生一定的偏振。由于圓形孔對(duì)許多電子應(yīng)用特別重要，所以我們將著重于對(duì)圓形孔的橢圓度控制，但是本發(fā)明同樣適用于其它燒蝕特征物的幾何形狀。
當(dāng)部分偏振光入射到部分燒蝕特征物的側(cè)壁上時(shí)，由于正在形成特征物，所以入射紫外光線的反射率是光的偏振和入射角的函數(shù)。被反射的紫外光能量肯定不能用于吸收和燒蝕。結(jié)果，當(dāng)正在形成特征物時(shí)，被吸收的輻射量在孔或噴嘴的周圍按方位角變化，偏振將橢圓引入燒蝕孔或噴嘴。簡單的幾何考慮表明，其它形狀的特征物也會(huì)因此效應(yīng)而變形。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種針對(duì)上述一個(gè)或多個(gè)缺陷和不足的解決辦法。本發(fā)明可以產(chǎn)生并控制聚合物薄膜中激光燒蝕特征物的形狀。本發(fā)明利用以下事實(shí)，即偏振光的吸收和反射與隨機(jī)偏振光不同。此現(xiàn)象被用來提供畸變較小的激光燒蝕特征物，從而更精確地再現(xiàn)掩模上的特征物，但不引起畸變，例如，影響燒蝕孔的圓度或橢圓度。
依照本發(fā)明，可以將一個(gè)自轉(zhuǎn)的半波片或一個(gè)固定的四分之一波片放在系統(tǒng)中，以消除實(shí)質(zhì)上偏振光束的負(fù)面影響，以產(chǎn)生更精確地?zé)g特征物。在一個(gè)主要方面，本發(fā)明可以減小燒蝕特征物形狀的畸變，其中所述畸變是因偏振效應(yīng)產(chǎn)生反射率差異而導(dǎo)致的。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過實(shí)施本發(fā)明可以制造出比不使用旋轉(zhuǎn)半波片或固定四分之一波片所生產(chǎn)的孔更圓的孔。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將諸如半波片等旋轉(zhuǎn)延遲片放在光束列中可以在系統(tǒng)上逐個(gè)改變激光脈沖的偏振狀態(tài)。用此時(shí)間平均燒蝕期間的偏振效應(yīng)，從而與不使用此光學(xué)鏡片的系統(tǒng)(如圖1所示)相比生產(chǎn)形狀更精確的特征物。對(duì)于包含圓孔的實(shí)施例，在光路中增加此光學(xué)鏡片大大減小了孔橢圓度過程變化。值得注意，關(guān)于這一點(diǎn)，自旋半波片的旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)于激光重復(fù)速率是重要的。為了產(chǎn)生大體圓形的孔，必須調(diào)整激光重復(fù)速率和旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系，使得每個(gè)激光脈沖的電場矢量指向不同方向，并且使電場矢量的分布接近勻均。如果旋轉(zhuǎn)頻率和激光點(diǎn)火頻率彼此成整數(shù)倍，那么電場矢量分布實(shí)際上是有規(guī)則的，并且趨于產(chǎn)生/保持對(duì)孔圓度的偏差。
另外，對(duì)光源起偏(例如，諧振器中的棱鏡或Brewster角板)并且使用四分之一波片或者最好用半波片，可以很方便地制作出橢圓孔。操作人員很容易改變橢圓度的主軸，但不改變掩模。
由此，通過實(shí)施本發(fā)明，用半波片或四分之一波片可以改變來自偏振光源的偏振狀態(tài)。當(dāng)用線偏振光照射時(shí)，包含圓特征物的掩模將產(chǎn)生橢圓的孔，橢圓孔的長軸對(duì)應(yīng)于偏振軸，如圖3所示。另一方面，如圖6所示，通過改變四分之一波片的定向，四分之一波片具有可以將線偏振轉(zhuǎn)換成圓偏振光或橢圓偏振光的效果。利用四分之一波片形成激光燒蝕孔可以產(chǎn)生圓孔或橢圓孔。如圖7所示，通過簡單地將四分之一波片旋轉(zhuǎn)到一較佳的固定方向可以改變橢圓度長軸的位置。通過簡單地改變一個(gè)光學(xué)鏡片的定向而不改變投影掩模來修正孔幾何形狀的能力是一個(gè)強(qiáng)有力和且適應(yīng)性很強(qiáng)的工藝參數(shù)。
可以看出，本發(fā)明的過程可以用來燒蝕各種激光燒蝕特征物或材料。例如，本發(fā)明可以用來在半導(dǎo)體制造過程中利用諸如X射線和包括深紫外線的紫外線等各種輻射源在有機(jī)或無機(jī)光致抗蝕性材料中刻蝕圖案。另外，本發(fā)明的過程可以用來在襯底中燒蝕特征物，這些特征物或者完全橫穿過襯底，或者形成一個(gè)空穴，其給定深度小于襯底的總深度(稱為“盲”通路或孔)。
在一種應(yīng)用中，激光器在聚合物襯底上形成許多孔，用于噴墨打印頭。在熱噴墨打印頭點(diǎn)火期間，會(huì)蒸發(fā)少量的油墨。被蒸發(fā)的油墨使墨滴通過指向打印介質(zhì)噴孔射出。熱噴墨打印的質(zhì)量取決于噴孔的特性。噴孔的關(guān)鍵屬性包括孔出口的形狀(包括橢圓度)、孔壁的輪廓等等。
在一個(gè)主要方面，本發(fā)明提供了一種用于控制通過激光燒蝕襯底而制造的特征物之橢圓度的過程，該過程包括用透過四分之一波片或半波片的激光照射襯底，以便在襯底中形成一特征物。
在另一個(gè)主要方面，本發(fā)明提供了一種用于在襯底中制孔的設(shè)備，該設(shè)備包括輻射源；掩模，它位于輻射源和被來自輻射源的輻射照射的襯底之間；半波片或四分之一波片，它位于輻射源和掩模之間。另一種方法是，將自旋的半波片或四分之一波片放在掩模和成像透鏡之間，這也能提供形狀控制。
如本文中所使用的，這些術(shù)語具有以下含義1. 術(shù)語“橢圓度”指一數(shù)值，該數(shù)值等于長軸直徑減去短軸直徑。
2. 術(shù)語“激光燒蝕的特征物”包括空穴、孔、通路、噴嘴等，并且可以完全燒蝕穿透襯底或者僅部分穿透襯底(“盲”特征物)。
附圖概述圖1示出了一個(gè)傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)的概貌。
圖2示出了一激光器系統(tǒng)，圖示了兩種可供插入延遲波片的選擇。
圖3A-3D示出了當(dāng)在基本上線偏振的光束中使用半波片時(shí)，孔的橢圓長軸跟隨電場矢量。
圖4A和4B示出了用固定半波片照射一部件所獲得的橢圓度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理控制圖。這些采樣產(chǎn)生諸多數(shù)據(jù)，其平均橢圓度為1.17微米。
圖5A和5B示出了用旋轉(zhuǎn)半波片照射一部件所獲得的橢圓度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理控制圖。這些采樣產(chǎn)生諸多數(shù)據(jù)，其平均橢圓度為0.15微米。
圖6A-6C示出了用四分之一波片獲得的激光電場矢量的偏振和旋轉(zhuǎn)，這里基本上以線偏振光入射。
圖7A-7C示出了對(duì)橢圓度的控制，其中通過將四分之一波片旋轉(zhuǎn)到各種固定角度(例如在燒蝕期間不旋轉(zhuǎn))，以獲得從圓偏振至各種橢圓偏振的改變的偏振狀態(tài)(7B)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橢圓度的控制。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖1示出了一種傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)的典型布局。所用激光器的類型將根據(jù)被燒蝕襯底而定。例如，用于制造噴墨打印頭的聚合物薄膜一般是諸如“KaptonTM”和“UpilexTM”等聚酰亞胺，其厚度大約為50微米(2密耳)。對(duì)于此應(yīng)用，通常使用準(zhǔn)分子激光器，例如氪和氙等稀薄氣體、氟氣和氯氣等鹵素、KrF(波長為248納米)以及XeCl(波長為308納米)。一般來說，準(zhǔn)分子激光器通常產(chǎn)生20-40納秒范圍內(nèi)的脈沖寬度。激光器的功率可以根據(jù)系統(tǒng)中光學(xué)部件的數(shù)量和類型進(jìn)行選擇，以便將在大約400-1000毫焦耳/厘米2范圍內(nèi)的能量密度傳遞到襯底上。
在圖1中，激光器110發(fā)射激光112。計(jì)算機(jī)108控制該系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)108控制脈沖激光器系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)106的啟動(dòng)。
當(dāng)出射激光器110后，光束112通常通過望遠(yuǎn)鏡116。從準(zhǔn)分子激光器射出的光束112一般呈矩形，并且對(duì)于許多應(yīng)用來說其截面積經(jīng)常太小。望遠(yuǎn)鏡116用于改變光束大小，好比用本領(lǐng)域眾所周知的兩個(gè)或三個(gè)透鏡望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)或兩個(gè)軸上伸展或壓縮光束。光束112還通常許多轉(zhuǎn)向反射鏡118，這些反射鏡足以將光束112折疊到有效空間內(nèi)。反射鏡可以放在各種位置，放在光束均質(zhì)器120之前或者之后。
光束112通過均質(zhì)器120。均質(zhì)器可以是本領(lǐng)域內(nèi)已知的折射均質(zhì)器，或者是衍射均質(zhì)器。均質(zhì)器的目的是，將激光光束的能量分布均勻地分布在掩模上，以便均勻燒蝕。當(dāng)均質(zhì)器120是衍射均質(zhì)器時(shí)，激光器110最好提供發(fā)散度較低的光束，諸如如本領(lǐng)域所知由非穩(wěn)定諧振器產(chǎn)生的光束。當(dāng)均質(zhì)器是折射均質(zhì)器時(shí)，由于折射均質(zhì)器對(duì)高發(fā)散光線的靈敏度較低，所以可以使用穩(wěn)定的諧振器。
減小光束發(fā)散度的一種方法是，在激光器中使用腔內(nèi)棱鏡。腔內(nèi)棱鏡的作用是消除從準(zhǔn)分子輻射源射出的高發(fā)散光線，使所得的光束滿足衍射均質(zhì)器的要求。如本文中所討論的，由于棱鏡會(huì)對(duì)光束起偏，所以使用本發(fā)明的波片是有利的。當(dāng)把棱鏡與波片結(jié)合時(shí)，非穩(wěn)定諧振器可以獲得相同的結(jié)果。但是，即使是使用非穩(wěn)定諧振器的系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生不希望有的孔橢圓度，因?yàn)樗p器襯底、反射鏡和其它光學(xué)表面都存在部分起偏的作用。
當(dāng)離開均質(zhì)器120之后，激光光束112穿過場透鏡122，射到投影掩模或成像掩模124上。場透鏡122將照射場耦合到成像透鏡中，并且將光瞳放在透鏡的遠(yuǎn)心光闌位置上。
適于實(shí)施本發(fā)明的成像掩模是已知的。美國專利5,378,137描述了可用于實(shí)施本發(fā)明的一類掩模的一個(gè)代表性的例子。一般地說，掩模包括一透明的熔融石英襯底，襯底具有一不透明的或反射的薄層。不透明材料可以是已被濺射到襯底上的一層鉻、紫外線增強(qiáng)涂層、或者任何其它合適的反射或不透明涂層。另一種方法是，將一種反射材料沉積透明襯底上，例如多個(gè)交替的介電層，它們具有不同的折射率，并且具有適當(dāng)?shù)膶訑?shù)和層厚，可以通過異相反射光對(duì)光進(jìn)行有效的部分或全部破壞。
投影掩模124包括許多孔，它們的形狀與希望在用于阻擋一部分激光112的反射或吸收層中形成的燒蝕特征物的形狀相同，從而可以在通過投影或成像透鏡126之后形成一個(gè)激光圖案，并將其投射到由襯底卡盤128保持在適當(dāng)位置的襯底130上。如美國專利5,417,897所述，還可以改變掩模，使燒蝕特征物具有變化的壁面傾角。
成像透鏡的光焦度可以根據(jù)投影需要而變化，并且一般提供一種向下游聚焦光束的步驟。例如，投影透鏡可以一個(gè)5X透鏡，它將來自投影掩模124的圖像縮小到1/5，但將能量密度增大到25倍(乘以透鏡的透射系數(shù)，一般為70-90％)。
圖2示出了包括本發(fā)明波片的激光器系統(tǒng)。在圖2中，激光器210發(fā)射激光212。在圖2中，激光212首先進(jìn)入可選擇的衰減器214。然后，激光212通過望遠(yuǎn)鏡216。通過望遠(yuǎn)鏡216之后，在一較佳實(shí)施例中，激光212射到波片232上。
此波片應(yīng)該放在光束中，其位置例如是光線最接近平行于光軸的地方。另外，波片的這一位置將減小或消除當(dāng)波片在燒蝕期間自旋時(shí)其任何傾斜或楔形所產(chǎn)生的影響，以便當(dāng)射到掩模上時(shí)像是固定的。波片還可以放在系統(tǒng)的其它位置，最好放在衰減器和盡可能多的反射鏡的后面，因?yàn)檫@些元件會(huì)改變偏振狀態(tài)。波片的使用壽命是光強(qiáng)的函數(shù)，當(dāng)光束接觸或穿過系統(tǒng)中的光學(xué)元件時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)降低。因此，光學(xué)鏡片的壽命可以是將波片放在哪里的一個(gè)因素。
波片的第二個(gè)有用位置是位置234。在此位置上，光與光軸的平行程度不如位置225，但如果成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑較小(例如，在分辨率非常低的系統(tǒng)中)，此位置是可接受的。但是，由于此位置位于均質(zhì)器之后，所以該光學(xué)鏡片的任何傾斜或楔形都將影響掩模上像的穩(wěn)定性。但是，如果照射場充分照射掩模上的特征物，且均勻照射，那么照射場的移動(dòng)對(duì)像平面內(nèi)的最終燒蝕結(jié)果幾乎沒有影響。
第三種選擇未圖示，它位于掩模224和成像透鏡226之間。將光學(xué)鏡片放在該位置上還會(huì)在成像系統(tǒng)中產(chǎn)生較小的球面像差；但是，此影響非常小，并且?guī)缀鯖]有后果。由于像不穩(wěn)定，所以此位置上的自旋鏡片的任何楔形或傾角都將影響最終的燒蝕結(jié)果。
無論使用哪一個(gè)位置，激光光束212都必須入射投影掩模224，并且形成一激光光束圖案，以便在透過投影或成像透鏡226之后投射到襯底230上。襯底卡盤228將襯底保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br>
盡管在本系統(tǒng)中僅使用了一個(gè)波片，但在本發(fā)明的其它系統(tǒng)中可以使用多個(gè)延遲波片。
當(dāng)襯底是諸如聚酰亞胺薄膜等聚合物時(shí)，可以由一盤架提供聚合物，并將聚合物定位在激光器系統(tǒng)的襯底臺(tái)上。然后，激光器重復(fù)發(fā)射脈沖一段預(yù)定的時(shí)間，以燒蝕聚合物，形成一特征物。有各種因素會(huì)影響特征物的幾何特征，包括使用本文所討論的波片、功率、能量密度、激光脈沖的數(shù)量等等。然后，取下所得到的聚合物，將新的聚合物放在襯底臺(tái)上。
圖3A-3D示出了激光通過固定半波片310后致使激光311起偏而造成的孔的橢圓度。在圖3A中，激光光束311由電場矢量312(“E”場矢量)和磁場矢量313(“M”場矢量)組成。已知通過激光燒蝕襯底制成的出射孔的長軸是與電場矢量對(duì)準(zhǔn)的。因此，如圖3C中橢圓321所表示的，“E”矢量會(huì)影響出射孔的圓度(橢圓度)，對(duì)于圖3A所示的矢量，圖3C顯示了與孔橢圓度的長軸對(duì)準(zhǔn)電場矢量。同樣，在圖3B中，激光通過具有不同偏振軸的固定半波片。電場矢量和磁場矢量與圖3A的相反。因此，對(duì)于此配置，圖3D示出了由橢圓322表示的出射孔的橢圓度，它再次與孔橢圓度的長軸對(duì)準(zhǔn)。
用圖2所示系統(tǒng)射出的激光照射厚度為50微米的聚酰亞胺薄膜，以形成出口直徑大約為30微米的孔。利用線偏振光束，對(duì)于固定的半波片，平均長軸為1.17微米(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.42)，而對(duì)于旋轉(zhuǎn)半波片，平均長軸只有0.15微米(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.47)。如圖4C所示，在圖3、4、5、6和7中定義的橢圓度是x(最大值)-y(最大值)。此橢圓度的定義不如(長軸一短軸)，這是由軟件對(duì)用于實(shí)證研究的自動(dòng)顯微鏡的限制所產(chǎn)生的。但是，即使用這些不太理想的測量，也能清楚地證明此作用的量化結(jié)果和數(shù)值。
圖4A和4B示出了用通過固定半波片的激光照射一部分并形成50個(gè)孔時(shí)獲得的橢圓度數(shù)據(jù)。此圖是用來導(dǎo)出上述結(jié)論的統(tǒng)計(jì)處理控制圖。發(fā)現(xiàn)平均橢圓度(x最大值與y最大值之差)為1.17微米，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.42微米。需要注意的是，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.42微米有貢獻(xiàn)的變化包括來自燒蝕工藝和測量工具兩者的貢獻(xiàn)。估計(jì)測量貢獻(xiàn)是對(duì)觀察到的隨機(jī)變化的一個(gè)重要貢獻(xiàn)因子。如上所述，圖4C示出了在這些試驗(yàn)中使用的橢圓度定義。
圖5A和圖5B示出了用通過自旋半波片的激光照射一部件并形成50個(gè)孔時(shí)獲得的橢圓度數(shù)據(jù)。此圖是用來導(dǎo)出上述結(jié)論的統(tǒng)計(jì)處理控制圖。由圖可見，用自旋半波片產(chǎn)生的孔的圓度被明顯改善；即平均橢圓度(x最大值減去y最大值)只有0.154微米，小于使用固定波片時(shí)1個(gè)數(shù)量級(jí)。圖5C也示出了所用的橢圓度定義。
圖6A-6C示出了用固定的四分之一波片將基本上線偏振的電場(6A)轉(zhuǎn)換成圓偏振光束(6B)或橢圓偏振光束(6C)的情況，轉(zhuǎn)換依賴于相對(duì)入射E場矢量的定向。
圖6A和6C的現(xiàn)象被制作在圖7A-7C上。圖7A所示的表包含許多橢圓度的數(shù)據(jù)點(diǎn)，它們是四分之一波片相對(duì)于入射E場矢量的旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)。圖7B示出了如何根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度，通過改變的橢圓偏振光束來控制橢圓度；每個(gè)橢圓表示一特定角度，其數(shù)值寫在每個(gè)橢圓的上方。因此，當(dāng)使用四分之一波片時(shí)，在偏振角為±45度時(shí)橢圓度最小，圓度最大，相當(dāng)于圓偏振；而0度偏振角則產(chǎn)生最大的橢圓度。圖7C示出了對(duì)Y最大值和X最大值的測量，這兩個(gè)值用于計(jì)算橢圓度＝X最大值-Y最大值。
權(quán)利要求
1. 一種在襯底中形成激光燒蝕特征物的激光器設(shè)備，其特征在于，包括輻射源，它能夠發(fā)射激光；掩模，用于照射位于輻射源和被照射襯底之間的所述燒蝕特征物；至少一個(gè)延遲片，它選自以下物體組成的組旋轉(zhuǎn)板、固定的可調(diào)節(jié)板，以及自轉(zhuǎn)板，所述板位于輻射源和掩模之間；其中所述設(shè)備形成一燒蝕特征物，與以前用不包含所述旋轉(zhuǎn)半波片或自轉(zhuǎn)四分之一波片的激光設(shè)備在襯底上形成的特征物相比，所述特征物具有所述掩模上所述特征物的更精確的形狀。
2. 一種在襯底中形成激光特征物的激光器設(shè)備，其特征在于，包括輻射源，它產(chǎn)生大體上為線偏振的激光；掩模，用于照射位于輻射源和被來自輻射源的輻射照射的襯底之間的所述特征物；半波片或固定的四分之一波片，它位于輻射源和掩模之間，所述波片在燒蝕期間旋轉(zhuǎn)；其中所述設(shè)備形成一燒蝕特征物，與以前用不包含所述旋轉(zhuǎn)半波片或固定四分之一波片的激光設(shè)備在襯底上形成的特征物相比，所述特征物具有所述掩模上所述特征物的更精確的形狀。
3. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)延遲片選自以下物體組成的組四分之一波的倍數(shù)和半波的倍數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，延遲片選自以下物體組成的組四分之一波的奇數(shù)倍和半波的奇數(shù)倍。
5. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，所述延遲片是固定的可調(diào)節(jié)的波片。
6. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，所述延遲片是旋轉(zhuǎn)片，并且所述延遲片在處理時(shí)均偏振效應(yīng)期間機(jī)械旋轉(zhuǎn)。
7. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，所述延遲片經(jīng)選擇用于補(bǔ)償所述激光的偏振，并且產(chǎn)生大體上的圓偏振光。
8. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，輻射源是一激光器，選自以下裝置組成的組準(zhǔn)分子激光器、Nd/YAG激光器、Nd/YLF激光器和CO2激光器。
9. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，所述準(zhǔn)分子激光器使用一種氣體，所述氣體選自以下物質(zhì)組成的組氪、氙、氟、氯、HCl、氖和氦。
10. 如權(quán)利要求1或2的所述的激光器設(shè)備，其特征在于，所述延遲片提供大體上沿一預(yù)選方向的線偏振，從而形成橢圓形的燒蝕特征物，該特征物的主軸與所述預(yù)選方向?qū)?zhǔn)。
11. 一種用于控制通過燒蝕襯底制成的激光燒蝕特征物的過程，其特征在于，包括以下步驟a)提供如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備；以及b)用透過延遲片的激光通過掩模照射襯底，其中所述延遲片選擇以下物體組成的組固定可調(diào)節(jié)的片、旋轉(zhuǎn)片和自轉(zhuǎn)片，所述燒蝕特征物的形狀比用不包含延遲片的激光設(shè)備形成的燒蝕特征物更精確。
12. 如權(quán)利要求11所述的過程，其特征在于，通過對(duì)所述襯底上存在的特征進(jìn)行機(jī)器顯示以及精確的移動(dòng)控制，對(duì)準(zhǔn)所述激光燒蝕特征物。
13. 如權(quán)利要求11所述的過程，其特征在于，在襯底中制成的所述激光特征物是盲特征物。
14. 如權(quán)利要求11所述的過程，其特征在于，在襯底中制成的所述激光特征物是橢圓孔或圓孔。
15. 如權(quán)利要求14所述的過程，其特征在于，特征物的出口直徑小于約30微米。
16. 如權(quán)利要求14所述的過程，其特征在于，產(chǎn)生不止一個(gè)孔，并且圓孔的平均橢圓度小于約1微米。
17. 如權(quán)利要求11所述的過程，其特征在于，襯底是聚合物薄膜。
18. 如權(quán)利要求17所述的過程，其特征在于，聚合物薄膜是聚酰亞胺。
19. 如權(quán)利要求18所述的過程，其特征在于，所述聚合物薄膜是包含噴墨打印頭中成份的噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于提高在襯底上形成的激光燒蝕特征物之形狀的精度的過程,尤其在襯底為聚合物制品的情況下。所述過程包括用透過延遲片的激光照射聚合物制品,其中延遲片選自:固定可調(diào)節(jié)的片、旋轉(zhuǎn)片和自轉(zhuǎn)片。延遲片最好是四分之一波或半波的倍數(shù)。本發(fā)明還涉及一種用于在襯底中制作燒蝕特征物的激光器設(shè)備,該設(shè)備包括輻射源;位于輻射源和被照射襯底之間的掩模;以及延遲片。其中延遲片是固定可調(diào)片、旋轉(zhuǎn)片或自轉(zhuǎn)片。
文檔編號(hào)B23K26/06GK1326393SQ99813493
公開日2001年12月12日 申請(qǐng)日期1999年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月23日
發(fā)明者C·L·休梅克, D·J·特雷德維爾, B·布格哈特, S·V·戈沃科夫 申請(qǐng)人:美國3M公司, 麥克羅拉斯激光體系有限公司, 蘭姆達(dá)物理有限公司