CN1625707A - 多光束多面镜扫描*** - Google Patents
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Abstract
提供一种多面镜扫描***和方法,其中,两束或多束光束以不同入射角,照射多面镜的侧面,并在多面镜旋转时,相继地用于扫描基片的表面。实施例包括的一种***,包括:有反射侧面的多面镜、用于旋转多面镜的旋转机构和光源,该光源用于引导多束光束照射在侧面上,使每一光束以不同的入射角照射在侧面上。当旋转机构旋转多面镜时,每一光束在各自的时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的特定部分。多束光束的每一束,用侧面表面的各自部分,反射到基片表面,使用于反射该光束的侧面表面各个部分的和,是总表面面积非常大的百分比。因此,该***有接近百分之100的占空因数以及高的数据速率。
Description
技术领域
本发明涉及多面镜光学扫描***。本发明特别适合用于激光印刷、印刷电路板检查、晶片检查、掩模版检查、和光刻技术。
背景技术
在常规的多面镜扫描***中,引导一束光,例如来自激光光源或灯的光,照射旋转的多面镜反射侧面的一点,一般多面镜有许多这样的反射侧面。从侧面反射的光束,通常通过用于放大和/或会聚的光学***,然后照射在物体表面上,例如涂敷光刻胶的半导体晶片表面上,或激光打印机的打印鼓表面上。随着多面镜的旋转,被反射的光束在该物体表面扫描。
用常规多面镜扫描***能达到的数据速率,除了别的因素外,依赖于多面镜的旋转速度、多面镜的侧面数、和多面镜的“占空因数”。占空因数可以定义为每一侧面用于扫描的面积部分。常规***的占空因数通常小于“1”,因为作为多面镜旋转的结果,当入射光束从照射第一个侧面过渡到照射相邻的第二个侧面时,不能实施扫描。在该过渡当中,光束的一部分被(第一侧面)偏转至一个方向,同时光束的另一部分被(第二侧面)偏转至另一个方向,从而妨碍基片表面被光束扫描。
另一种影响多面镜扫描***数据速率的因数,是沿扫描线的可保留的点(亦称“像素”)数,可保留点数可以表示为“扫描角”θsl,或侧面反射的光束的总角度,除以因光束的有限直径产生的衍射角θd:
(1)扫描线上的点数=θsl/θd,这里
(2)θsl=4∏/侧面数,和
(3)θd=光束的波长/光束直径。
如上述方程式1-3指出,在现有技术的多面镜扫描***中,存在两个冲突的条件。为增加点数以改进***性能,必须增加光束直径(从而减少衍射)。但是,增加光束直径将降低占空因数,因为当光束从一个侧面过渡到另一个侧面时,有更大的侧面面积重叠,从而降低效率。这种本性上的矛盾,限制了常规***能达到的像素速率。
现有技术增加像素速率的尝试,取得有限的成功,且与照明方法有关,如修改光束入射角、和侧面的形状和/或数量。例如,增加侧面数,但导致占空因数的下降。或者,增加光束直径,使光斑覆盖整个侧面(亦称“过满”),但如果使激光束足够大,过量充满侧面,又有合适的强度和均匀性,则它通常有低的效率,浪费相当大的能量。再者,增大侧面的长度,导致较少的侧面数,每一侧面扫描更大的角范围。但是,这种θsl的增加只被有限地利用,因为从侧面反射的光,通常被引导通过光学***(即透镜),而该***没有大的例如约10度到20度的角度范围。
因此,对多面镜扫描***,存在着增加占空因数和数据速率的需求,以便增加效率和***的处理量。
发明内容
本发明的一个方面,是一种多面镜扫描***,它使数据速率最大化的同时,增加它的占空因数,从而显著改进***的效率。
按照本发明,前述的及其他的方面,部分地是通过如下多面镜扫描***获得的,该***包括:有反射侧面的多面镜、用于旋转该多面镜的旋转机构、和光源,该光源用于引导多束光束照射在侧面上,使每一光束以不同的入射角照射在侧面上。当旋转机构旋转多面镜时,每一光束在各自的时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的特定部分。多束光束的每一束,用侧面表面的各自部分,反射到基片表面,使用于反射该光束的侧面表面各个部分的和,是总表面面积非常大的百分比。因此,该***有接近百分之100的占空因数以及高的数据速率。
本发明的另一个方面,是一种方法,包括:旋转有反射侧面的多面镜;引导第一光束以第一入射角,照射在侧面上,使当多面镜旋转时,第一光束在第一时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的第一部分;和引导第二光束以第二入射角,照射在侧面上,使当多面镜旋转时,第二光束在第一时间区间随后的第二时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的第二部分。
本发明的另外方面,本领域熟练人员可从下面的详细说明和所附的权利要求书容易看出,说明中只举出并说明本发明的优选实施例,简单地表明实现本发明的最佳模式。显然,本发明还有其他的和不同的实施例,且本发明的若干细节可以在各个显著方面修改,所有这一切都不偏离本发明。因此,图和说明应当认为是示例性的,而不是限制性的。
附图说明
现在参考附图,其中,有相同参考数字标记的单元,自始至终表示相同的单元,其中:
图1a-1d按照本发明的一个实施例,示意画出多面镜扫描***。
图2-4按照本发明另外的实施例,示意画出多面镜扫描***。
具体实施方式
常规多面镜扫描***的数据速率是受限制的,因为随着多面镜的侧面数和/或入射光束直径的增加,占空因数(即***的效率)下降。本发明克服常规多面镜扫描***中,源于占空因数和数据速率之间矛盾的本性的限制。
按照本发明的方法,两束或更多的光束以不同的入射角照射多面镜的侧面,且在多面镜旋转时,相继地用于扫描基片表面。本发明的每一侧面多光束技术,能通过增加侧面数来增加整个数据速率(像素/秒),同时补偿导致的占空因数降低。按照本发明的一种优化的***,是如下的一种***,其中入射光束数m乘每一光束的占空因数μ几乎为1,于是总的扫描时间几乎为100%。
现在参照图1a-1d,说明本发明的一个实施例。如图1a所示,按照本发明该实施例的多面镜扫描***,包括有多个侧面的常规多面镜100,其中包括侧面100a。多面镜100由常规的旋转机构110沿箭头A的方向旋转。光源120、130分别产生光束LB1和LB2,且光源的排列可使光束LB1、LB2分别以两个不同的入射角α1、α2,例如15°和22°,照射多面镜100的侧面100a。为方便起见,光束LB2以虚线画出。光源120、130可以是激光光源,各提供相同波长的光,也可以各提供不同波长的光。另外,光源120、130可以是灯。
包括一个或多个透镜的常规的光学***140,会聚并引导光束LB1和LB2扫描基片150的表面。角θs1是光束LB1扫描的全角范围,而角θs2是光束LB2扫描的全角范围。不过,只当每一光束在角度范围θa时,才用该光束扫描基片150,角度范围θa通常称为光学***140的接收角。常规的可移动台160提供对基片150的支承,并相对于多面镜100移动基片150。
本发明一个实施例的工作原理,画在图1a-1d。现在参照图1b,在开始时刻t0,被反射的光束LB1进入光学***140,并随着多面镜100沿箭头A的方向旋转,扫描基片150表面的第一部分。在时刻t1,如图1c所示,光束LB1已经越过接收角θa,并结束它有用的扫描范围。从t0到t1,被反射的光束LB2尚不在接收范围,因而与扫描操作不相干。但是,在时刻t1,随着被反射的光束LB1离开光学***140,被反射的光束LB2进入光学***140,并如图1d所示,从t1到t2,随着多面镜100继续沿箭头A方向旋转,被反射的光束LB2扫描基片150表面的第二部分。从t1到t2,被反射的光束LB1与扫描操作不相干。当多面镜100的下一个侧面位于对着光源120、130的位置时,重复同样的过程。
在多面镜100旋转的同时,可以用可移动台150移动基片150,使被LB1扫描的基片150表面的第一部分,不同于被LB2扫描的第二部分。如果基片150不被台160相对于多面镜100移动,那么光束LB1、LB2将扫描基片150表面的相同部分。换句话说,基片150表面的第一部分和第二部分是相同的。
在本发明另外的实施例中,代替两个或更多个分离的光源,是把单一的入射光束分解,提供必要的光束数,照射在多面镜的侧面上。有两种分解入射光束的方法,可以在该配置中实施:被动的和动态的分解。
在图2和3所示本发明的实施例中,用常规的光束分束器或衍射光栅,实施被动的光束分解。现在参照图2,如同图1a-1d的实施例,提供了有侧面200a的多面镜200、旋转机构210、和光学***220。光源230,例如锁模激光器或CW激光器,产生单一的入射光束IB,经引导通过光束分束器240。光束分束器240可以是常规的立方或平板光束分束器,以便把入射光束IB分解,使50%的光通过它,形成光束LB1,而有50%的光形成光束LB2。光束LB1以入射角α1直接照射在侧面200a上,而光束LB2被常规的反射镜250反射,以入射角α2照射在侧面200a上。另外,可以使用按相等强度衍射适当级数的常规衍射光栅(如Damman光栅),作为光束分束器240。该种光栅紧凑和便宜。图2的设备有助于基片260表面的扫描,该基片260由可移动台270支承并在扫描时按需要由可移动台270相对于多面镜200移动,图2的设备按照上面参照图1a-1d说明的方式,扫描基片260表面的相继部分。
现在参照图3,在本发明的又一个实施例中,如图1a-1d的实施例一样,提供了有侧面300a的常规多面镜300、旋转机构310、和光学***320。光源330,例如锁模激光器或CW激光器,产生单一的入射光束IB,经引导通过第一光束分束器340。光束分束器340可以是常规的立方或平板光束分束器,以便把入射光束IB分解,使33%的光通过它,形成光束LB1,而有66%的光(作为中间光束ILB画出)传送至第二光束分束器350,光束分束器350也是常规的立方或平板光束分束器。第二光束分束器350接收中间光束ILB,并把接收的光束分解,使ILB的50%形成光束LB2,而ILB的50%形成光束LB3。光束LB1和LB2分别以入射角α1、α2照射在侧面300a上,而光束LB3被常规的反射镜360反射,以入射角α3照射在侧面300a上。另外,可以使用按相等强度衍射适当级数的常规衍射光栅(如Damman光栅),作为光束分束器340、350。该种光栅紧凑和便宜。图3的设备有助于基片370表面的扫描,该基片370由可移动台380支承并在需要时由可移动台380相对于多面镜300移动,图3的设备按照上面参照图1a-1d说明的方式,扫描基片370表面的相继部分。
在图4所示本发明的实施例中,用常规的声光偏转器(“AOD”)作为光束偏转器,实施主动的光束分解。在典型的AOD中,有压电谐振腔,用于调制对晶体的压力,在晶体内产生声波。诱发的声波在晶体内传播,产生有特定折射率的光栅。当光,例如从本发明扫描***的光源产生的激光,被引导通过该晶体时,光按照光栅的周期被偏转。在本发明的本实施例中,向AOD相继地提供不同调制的信号,如不同频率的正弦射频(RF)信号,以便在不同的相继的时间周期(如上面讨论的时间区间t0到t1和t1到t2)产生不同的光栅。这种技术是实用的,因为AOD改变光束的偏转所必需的时间,在实施本发明时是可以忽略的。例如,声波在AOD中的速度,通常约6000m/sec,实施本发明使用的光束直径,一般是1mm。因此,在1mm/(6000m/sec),或0.166微秒的周期中,可以完成光束偏转的变化。此外,还可以通过控制AOD的RF功率,用AOD来补偿侧面到侧面间反射率的差异。
现在参照图4,如图1a-1d的实施例一样,提供了有侧面400a的常规多面镜400、旋转机构410、和光学***420。光源430,例如锁模激光器或CW激光器,产生单一的入射光束IB,经引导通过AOD440。AOD 440偏转入射光束IB,使光束IB分别在上述时间区间t0到t1和t1到t2形成光束LB1和LB2。光束LB1以入射角α1照射在侧面400a上,而光束LB2以入射角α2照射在侧面400a上。图4的设备有助于扫描基片450表面,该基片450由可移动台460支承并在需要时由可移动台460移动,图4的设备按照上面参照图1a-1d说明的方式,扫描基片450表面的相继部分。
本领域熟练人员显然清楚,常规的光束分解和/或AOD光束偏转技术,可以用于从单一光束产生多于上述参照图3和4说明的两束或三束光束,以便实施本发明。原始的光束,能够衍射或偏转为N束光束,以N个入射角照射在多面镜侧面300a、400a上,使当多面镜300、400旋转时,第N束光束在第N个时间区间,被侧面反射,扫描基片370、450表面的第N部分。当然,可移动台380、460可以相对于多面镜300、400移动基片370、450,使基片370、450表面的N个部分彼此不同。
现在给出本发明多面镜扫描***的具体例子,以表明本发明***的性能,并把它们与单光束的现有技术***比较。在举例前,简要列出多面镜扫描***熟知的性能参数。
定义:
ns-多面镜侧面数
D-光束光斑直径(1/e2)
R-多面镜半径(中心到侧面)
LL-侧面长度
ε-总侧面边缘
L=LL-ε-有效侧面长度
α-入射角
RPM-多面镜每分钟转数
NL-每线有效像素数
-有效占空因数
μ-名义占空因数
θd-衍射角
θsl-名义扫描线的角度
-有效扫描角
θo-进入光学***的可接收入射角
PR-总有效像素速率(像素/秒)
由于有限光束直径的衍射角,表示为:
这里K是截断系数。
名义扫描角是
和有效扫描角是
该扫描角还进一步受进入光学***的接收角限制,在大多数情形下,接收角比扫描角小。因此,有效占空因数可以定义为
有效侧面长度是几何侧面长度减去ε,因此
名义占空因数μ是能用于扫描的侧面相对有效面积:
对相对小的扫描角θsl,我们可以近似为
通常为了使用光学***全部孔径,取
每线的像素数是:
平均像素速率PR是:
本发明两种多光束多面镜扫描***,与现有技术单光束***的***参数例子,总结成下表。计算这些参数时,是使光束直径优化,以获得最大的平均点速率。计算是假定入射光束波长为500nm进行的。
旋转速度(RPM) | 多面镜直径(mm) | 侧面数 | 光束直径(mm) | 占空因数(每光束) | 光束数 | 假定占空因数为1的瞬时点速率(每秒点数) | 实际占空因数下的平均点速率(每秒点数) | 光束入射角 | 扫描角(度) | 每线点数 |
30000 | 100 | 40 | 4.2 | 0.32 | 3 | 55 | 54 | 18°,15°12° | 6 | 874 |
30000 | 100 | 24 | 5.7 | 0.48 | 2 | 74 | 70 | 22°,15° | 14 | 2930 |
30000 | 100 | 18 | 7.5 | 0.50 | 1 | 97 | 49 | 15° | 20 | 5440 |
对本表底部一行的现有技术单光束扫描***,可以看到,虽然光束直径非常大,可得大的瞬时点速率和每线点数,但占空因数只有50%,导致相对低的平均点速率。这一点表明本性上限制现有技术***的矛盾。相反,本发明的***的占空因数,非常接近于1(3×0.32=0.96;2×0.48=0.96),使本发明的***在用更多侧面的多面镜上占有优势,可以产生比现有技术***显著更高的平均点速率。本发明的***在各方面都更有效,结果呈现增强的性能。
本发明的多面镜扫描***,能用于许多扫描***。例如,它可以用作采用激光点扫描表面的检查工具,如半导体晶片表面、光刻技术中的掩模版表面、印刷电路板表面等缺陷的检查。本发明还能用于写入***,如在纸上印刷的激光打印机、光刻技术的曝光***、印刷电路板和掩模版等等的写入工具。
本发明能采用常规的材料、方法、和设备实施。因此,这些材料、设备、和方法的细节,本文没有详细说明。在前面的说明中,为了提供对本发明的完整的了解,说明了许多特定的细节,如特定的材料、结构、化学、过程,等等。但是,应当看到,本发明的实施可以不依靠特别说明的细节。在其他的例子中,为了避免不必要的妨碍本发明的说明,没有详细说明熟知的处理结构。
在本发明公开的内容中,只出示和说明本发明的优选实施例及其通用性的少数例子。显而易见,本发明能用于各种其他的组合和环境,还能在本文阐明的创造性观念范围内改变和修改。
Claims (33)
1.一种多面镜扫描***,包括:
有反射侧面的多面镜;
用于旋转多面镜的旋转机构;
第一光源,用于引导第一光束以第一入射角照射在该侧面上,使当旋转机构旋转多面镜时,该第一光束在第一时间区间,被该侧面反射,扫描基片表面的第一部分;和
第二光源,用于引导第二光束以第二入射角照射在该侧面上,使当旋转机构旋转多面镜时,该第二光束在第一时间区间随后的第二时间区间,被该侧面反射,扫描基片表面的第二部分。
2.按照权利要求1的***,其中的第一和第二光源,包括用于产生原始光束的单一的光束发生器,和用于把原始光束分解为第一和第二光束的第一光束分束器。
3.按照权利要求2的***,包括用于引导第二光束照射在该侧面上的反射镜。
4.按照权利要求2的***,包括第二光束分束器,用于把原始光束分解为第三光束,以第三入射角照射在该侧面上,使当旋转机构旋转多面镜时,该第三光束在第二时间区间随后的第三时间区间,被该侧面反射,扫描基片表面的第三部分。
5.按照权利要求4的***,包括用于引导第三光束照射在该侧面上的反射镜。
6.按照权利要求1的***,其中的第一和第二光源,包括用于产生原始光束的单一的光束发生器,和用于把原始光束衍射为第一和第二光束的衍射光栅。
7.按照权利要求6的***,其中的衍射光栅用于把原始光束衍射为包括第一和第二光束的N束光束,以第N个入射角照射在该侧面上,使当旋转机构旋转多面镜时,该第N束光束在第N个时间区间,被该侧面反射,扫描基片表面的第N部分。
8.按照权利要求1的***,其中的第一和第二光源,包括用于产生原始光束的单一的光束发生器和声光偏转器,该声光偏转器使原始光束分别在第一和第二时间区间偏转,以第一和第二入射角,照射在该侧面上。
9.按照权利要求8的***,其中的多面镜包括多个侧面,且其中的声光偏转器用于补偿多个侧面间反射率的差异。
10.按照权利要求1的***,还包括一光学***,位于侧面与基片之间,用于会聚第一和第二光束。
11.按照权利要求1的***,其中的第一和第二光源,提供的是激光。
12.按照权利要求1的***,其中的原始光源是激光光源。
13.按照权利要求11的***,其中的第一光源用于提供第一波长的激光,而第二光源用于提供与第一波长不同的第二波长的激光。
14.按照权利要求1的***,其中的第一和第二光源是灯。
15.一种多面镜扫描***,包括:
有反射侧面的多面镜;
用于旋转多面镜的旋转机构;和
用于引导多束光束照射在侧面上的光源,使每一光束以不同于其他光束入射角的入射角,照射在侧面上,且当旋转机构旋转多面镜时,每一光束在各自的时间区间,被侧面反射,扫描基片表面各自的部分;
其中的侧面有总的表面面积,而多束光束的每一束,用侧面表面的各自部分,反射到基片表面上;
其中,用于反射光束的侧面表面的各个部分之和,大于总表面面积的百分之90。
16.一种方法,包括:
旋转有反射侧面的多面镜;
引导第一光束以第一入射角,照射在侧面上,使当多面镜旋转时,第一光束在第一时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的第一部分;和
引导第二光束以第二入射角,照射在侧面上,使当多面镜旋转时,第二光束在第一时间区间随后的第二时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的第二部分。
17.按照权利要求16的方法,包括产生单一的原始光束并把该原始光束分解为第一和第二光束。
18.按照权利要求17的方法,包括把原始光束分解为第三光束,以第三入射角照射在侧面上,使当多面镜旋转时,第三光束在第二时间区间随后的第三时间区间,被侧面反射,扫描基片表面的第三部分。
19.按照权利要求16的方法,包括产生单一的原始光束并把该原始光束衍射为第一和第二光束。
20.按照权利要求19的方法,包括把原始光束衍射为包括第一和第二光束的N束光束,以第N个入射角照射在该侧面上,使当多面镜旋转时,该第N束光束在第N个时间区间,被该侧面反射,扫描基片表面的第N部分。
21.按照权利要求16的方法,包括使侧面与基片之间的第一和第二光束会聚。
22.一种方法,包括:
旋转有反射侧面的多面镜;和
引导多束光束照射在侧面上,使每一光束以不同于其他光束入射角的入射角,照射在侧面上,且当多面镜旋转时,每一光束在各自的时间区间,被该侧面反射,扫描基片表面各自的部分;
其中的侧面有总的表面面积,而多束光束的每一束,用侧面表面的各自部分,反射到基片表面上;
其中,用于反射光束的侧面表面的各个部分之和,大于总表面面积的百分之90。
23.按照权利要求1的***,其中基片表面的第一部分,与基片表面的第二部分相同。
24.按照权利要求1的***,还包括可移动的台,用于支承基片和相对于多面镜移动基片。
25.按照权利要求24的***,其中的台,用于移动基片,使基片表面的第一部分不同于基片表面的第二部分。
26.按照权利要求4的***,还包括可移动的台,用于支承基片和相对于多面镜移动基片,使基片表面的第一、第二、和第三部分彼此不同。
27.按照权利要求7的***,还包括可移动的台,用于支承基片和相对于多面镜移动基片,使基片表面的N个部分彼此不同。
28.按照权利要求15的***,还包括可移动的台,用于支承基片和相对于多面镜移动基片,使基片表面的各个部分彼此不同。
29.按照权利要求16的方法,包括移动基片,使基片表面的第一部分不同于基片表面的第二部分。
30.按照权利要求18的方法,还包括相对于多面镜移动基片,使基片表面的第一、第二、和第三部分彼此不同。
31.按照权利要求20的方法,还包括相对于多面镜移动基片,使基片表面的N个部分彼此不同。
32.按照权利要求22的方法,包括相对于多面镜移动基片,使基片表面的各个部分彼此不同。
33.按照权利要求16的方法,包括产生单一的原始光束,并使该原始光束分别在第一和第二时间区间偏转,以第一和第二入射角,照射在侧面上。
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