光學處理方法及其實施裝置的制作方法

專利名稱：光學處理方法及其實施裝置的制作方法
技術領域：
本發明總的說來涉及處理或加工工件的光學處理方法和裝置，例如，采用激光之類的光束能量，在多層印刷基板上形成所謂穿孔、通孔之類的孔。更確切地說，本發明涉及一種形成高精確度孔的光學鉆孔方法和裝置。
為了更好地理解本發明的基本原理，首先將結合附圖較詳細地描述上述類型的光學處理或加工裝置。圖20描述了一個典型的光學處理裝置，下面對此作一簡略描述。為更確切起見，請參見“Collec-tion of Theses in 28th Convention of Laser Processing Engineersof Japan″pp.51—58，(1992)。
參見圖20，其中的光學處理裝置通常含有用來產生照射掩膜3的光束的光源系統1、一移動或移置掩膜3的掩膜移動機構4、一將掩膜3的圖案圖像復制或傳送到一工件7的成像透鏡5以及一移動或移置工件7的工件移動機構6。
光源系統1含有一準分子(excimer)激光振蕩器11，該準分子激光振蕩器作為一光源，用來輻射截面呈矩形的激光束A。位于準分子激光振蕩器11下一級的是一個光路調節系統12，用來調節從準分子激光振蕩器11輻射的激光束A的射束方向和射束旋轉角。為此，光路調節系統12由三個鏡面12a、12b和12c構成。
另一方面，光路調節系統12的下一級是一個光束成形光學系統13，該光束成形光學系統13由二組發散柱面透鏡13a、13b以及會聚柱面透鏡13c、13d構成，用來將激光束A線性會聚成一平面激光束B，其中，上述透鏡元件固定安裝在固定支架13e上。離開光束成形光學系統13的激光束B經入射角調節鏡14反射而投射到掩膜3上。
參見圖21，掩膜3由一作為底板的透光基片3a構成，該基片由一種合成石英材料組成，使激光束B可以從中透過。在透光基片3a上面通過汽相淀積工藝淀積呈一預定圖形的反射部分3b。該反射部分3b由一種具有高反射率(例如反射率不低于99％)的如鋁膜、多層介電膜之類的薄膜組成。反射部分3b含有大量精細通孔形式的透光部分3C，在預定位置上的每一通孔的直徑數量級為20μm，使得離開光束成形光學系統13的激光束13能夠穿過通孔，從而形成與掩膜圖形對應的光圖像圖形。正如圖20所示的那樣，掩膜3可以由掩膜移動機構4分別沿X方向和Y方向移動。
掩膜3的上方是一個位置與之相對的高反射率鏡面2，用來將反射部分3b反射的激光束B導向掩膜3。另一方面，成像透鏡5位于掩膜3的下方，而工件7位于掩膜3的下方。
工件7固定安裝在一工件固定平臺74上，工件固定平臺借助于安裝在防振固定平臺200上的工件移動機構6，分別可以沿X方向和Y方向移動。工件移動機構6和掩膜移動機構4二者的運行受精密驅動控制系統201的控制，該精密驅動控制系統可以由一個相應編程的計算機構成。另外，工件7的定位以及形成的孔的觀測是通過處理監測系統202來實施的。
下面回過來描述具有上述結構的光學處理裝置的運行。
再參見圖21，在側端部分(圖中為右側)傾斜入射到掩掩膜3上的一部分成形激光束B的光線通過透光部分3C傳送出去形成一光束，構成光學處理，而其他光線被反射部分3b反射到高反射率鏡面2，將入射光線再次反射到掩膜3上。如圖21所示，由高反射率鏡面2反射的連續投射掩膜3的光線，相對于掩膜3的入射位置，與先前投射掩膜3的光線相背離。換言之，平直激光束B在掩膜3和高反射率鏡面2之間經歷了多次反射。
由于掩膜3和高反射率鏡面2之間平直光束B的重復或多次反射，從而平直光束B保持其光強面不出現衰耗。通過透光部分3C傳送的激光束B經成像透鏡5聚焦到工件7上。結果，在工件7上形成其圖形與掩膜3透光部分3C圖形相對應的穿孔7a。
此時，應該指出，成像透鏡5是由高性能透鏡系統來實現的，該系統的像差在成像平面的大部分區域內盡可能取最大，從而將掩膜3中形成的圖形高精度地光學轉換或復制到工件7上。舉例來說，在工件7為多層印刷基片的情況下，其尺寸通常為100mm×100mm的數量級。因此，當以一個步驟對該區域進行光學處理時，必須采用極其昂貴的透鏡系統作為成像透鏡5。
這種情況下的前述光學處理裝置中，工件7上大面積的光學處理是通過采用激光束來掃描掩膜3和工件7來實現的，即如圖20所示，是能過對掩膜3和工件7進行所謂同步掃描來實現的。
舉例來說，當成像透鏡5的放大倍數M為“1/2”時，掩膜3是用橫截面為平面的激光束B以速度V沿X方向掃描的，而工件7同時以V/2的速度沿相反的方向(即(—X)方向)進行掃描。在完成X方向的掃描以后，沿Y方向對工件7逐步移置再進行上述掃描。通過以這種方式重復該掃描操作，可以對工件7的整個表面進行光學處理。
圖23描述的另一例光學處理裝置見1992年1月日本NikkanKogyon Shinbun-sha出版的“表面封裝技術(Surface PackageTechnique)”中揭示的內容。在這種已知的光學處理裝置中，具有形成一圖形的透光部分31a的金屬掩膜31用作實現上述同一目的的掩膜。
所設計的這種已知的光學處理裝置以與圖20中描述的光學處理裝置同樣的方式進行光學處理和機械加工。
更具體地說，通過光束成形光學系統13使準分子激光振蕩器11輻射的激光束A形成一準直激光束，其中，掩膜31由平直光束B輻照。通過掩膜31透光部分31a傳送的平直光束B到達成像透鏡5，從而在成像透鏡5的光學作用下，透光部分31a的圖形被成像到工件7上。通過這種方式，可以實現諸如孔、槽、標記之類形式的磨蝕處理。
然而，圖20中所示的光學處理裝置有下面幾個問題。
首先要指出的問題是成像透鏡5的放大倍數M與設計值之間有一偏差。
更具體地說，當采用具有高強度的紫外線激光束進行光學處理而像準分子激光器產生的激光束那樣容易在玻璃材料中引入應力時，放大倍數開始時極其嚴格或精確調整的成像透鏡5的折射率將在使用了一定時間后發生變化，從而導致放大倍數的變化，盡管這一變化很小。另外，更換掩膜3時，由于掩膜厚度的變化，掩膜3和成像透鏡5之間的位置偏差也會使放大倍數發生改變。此外，當工件7為一多層印刷基板時，成像透鏡5和工件7之間的距離將隨堆積或迭加的接線層和絕緣層的數量而發生變化，這就導致工件7的厚度發生變化，致使成像透鏡5和工件7之間的距離發生變化，從而改變了放大倍數。
當成像透鏡5的放大倍數M由于上述原因而偏離設計值，即使偏離的幅度極小，工件7中形成的孔的幾何形狀和圖形也將發生變形。
舉例來說，假定掩膜3中形成的圖形孔徑為40μm，入射在成像透鏡5上的激光束的直徑為20mm，放大倍數M為“1/2”，同步掃描沿X方向進行。在這種情況下，放大倍數M變化0.1％將使形成的穿孔的中心位置偏差±5μm，從而如圖22所示，形成的孔沿X方向從要求的直徑拉長10μm。
因此，在前述已知的光學處理裝置中，放大倍數偏離設計值不可避免地伴隨著工件7中形成的穿孔幾何形狀的失真，以及穿孔定位精度的誤差而出現。換言之，前述光學處理裝置的問題是，不能以所要求的精度或精確性進行光學處理。
作為解決上述問題的一種方法，構思了一種不采用同步掃描的結構。即使在這種情況下，在上述假定下，孔的位置仍將偏離設計位置約5μm。因此，應該指出的是，在多層印刷基片的情況下，接線圖形是用與光學處理裝置分離的一個裝置形成的，因此，二裝置中的偏差將導致形成孔的幾何形狀和位置有很大的偏差。
為了解決上述問題，本領域的技術人員可以在激光束B的焦點沒有對準時，將從另一光源輻射的光束投射到成像透鏡5的入射一側，用一傳感器檢測工件7處的反射光，從而利用該傳感器的輸出信號實現焦點的調節或對準。
然而，與已知光學處理裝置一樣，在高反射率鏡面2置于非常靠近掩膜3上方的光學處理裝置中，將難以安置上述的輔助聚焦光學系統。
另一方面，圖23所示的光學處理裝置具有下述幾個方面的缺陷。
總的說來，工件7由一種高分子薄膜構成，如聚酰亞胺(poly-imide)、聚乙烯之類，或一種陶瓷片(本領域中稱為生片(greensheet))。
當工件7用上述材料構成時，采用能量密度在0.5至10(J/cm2)這一寬廣范圍內的平直光束B來處理工件7的表面。因此，當成像透鏡5的放大倍數為常數時，會出現下述情況，即必須用強度大于所謂損傷閾值強度的平直光束B來照射掩膜31，這就意味著，激光強度會通過一次脈沖輻射面損傷掩膜。
因此，如果采用強度高于掩膜31損傷閾值的平直激光束B來由一種介電材料組成的，其反射率將下降。
另外，應該理解的是，即使平直激光束B的強度低于前述損傷閾值，持續較長時間用激光束照射掩膜31也將損傷掩膜31。在設計必須處理大量工件7的大規模生產的光學處理裝置時，要求掩膜能夠承受不少于109次激光束脈沖的輻照。然而，在前述已知的光學處理裝置中，用強度低于前述損傷閾值的激光束在延長的時間內連續輻照掩膜31，會損傷掩膜31，從而使掩膜功能下降，這在大批量生產中對制造所需器件顯然是不利的。
至于金屬掩膜31，有已知的不銹鋼掩膜，上面具有如孔、槽之類的透光部分31a，掩膜可以涂覆鉻(Cr)、鋁(Al)之類的玻璃基片構成，上面含有所需的圖形。當采用這種類型的金屬掩膜31時，大量的激光能量將被掩膜31吸收，其結果是在一定時間的使用之后，掩膜會發生熱變形，從而使圖形制作的精度劣化，這是另一個缺陷。
為了解決上述問題，可以用強度大大低于損傷閾值水平的激光束B來輻照圖23所示裝置的掩膜31，從而使掩膜免受損傷，同時保證了用更小放大倍數的成像透鏡5來實現表面處理所需的能量級。然而，在這種情況下，光學處理裝置必須在一大尺寸規膜上來構制。此外，因為成像透鏡5和工件7之間的距離b(見圖23)必須較短，所以成像透鏡5在相當短的時間內將被濺射材料污染，這對大批量生產所需的光學處理裝置的實施來說是不利的。
考慮到上述情況，本發明的一個目的是提供一種采用光束來對某一工件進行處理的光學處理裝置，該裝置能夠將成像放大倍數自動調整到某一預定值，并且同時，不管掩膜和工件的調換與否，均使成像放大倍數保持為常數。
本發明的另一個目的是提供上述類型的光學處理裝置，該裝置確保掩膜的使用壽命延長，同時確保令人滿意的掩膜功能。
本發明又一個目的在于提出一種自動調節上述光學處理裝置中成像放大倍數的方法。
考慮到上述目的以及隨著本說明書的逐光展開而變得清晰起來的其他目的，本發明的一個發明點在于提供了一種光學處理裝置，該裝置包括一光源系統，用來產生一輻照具有預定圖形的掩膜的光束；一成像透鏡，用來將掩膜的圖形圖像轉送或復制到一工件上；一掩膜移動機構，用來沿垂直于成像透鏡光軸的方向移動掩膜；一工件移動機構，用來沿垂直于成像透鏡的光軸方向移動工件；一成像放大倍數改變機構，用來改變掩膜、成像透鏡和工件之間的距離；一中央控制單元，其中，中央控制單元含有一實際成像放大倍數算法模塊，用來按照復制的圖形圖像和預定的掩膜圖形之間的圖形比例，對實際的成像放大倍數作出運算判定；一放大倍數判定模塊，用來確定實際成像放大倍數值和所需要的成像放大倍數值之間的差是否小于一允許值；一Z軸(光軸)位移控制模塊，用來響應于差值超過允許值的放大倍數模塊的顯示，根據實際成像放大倍數值和所要求的成像放大倍數值，對實際成像放大倍數值等于所要求的成像放大倍數值的掩膜/透鏡/工件之間距離作出運算判定，從而控制成像放大倍數改變機構，使掩膜/透鏡/工件距離與運算判定的距離吻合；以及一位移控制模塊，用來控制掩膜移動機構和工件移動機構。
具有上述結構的光學處理裝置，其實際成像放大倍數值與所要求的成像放大倍數值相吻合的掩膜/透鏡/工件之間的距離可以由Z軸(光軸)位移控制模塊作運算判定，從而控制成像放大倍數改變機構，使實際掩膜/透鏡/工件之間的距離取計算值。所以，即使由于成像透鏡的折射率發生變化或由于其他原因使成像透鏡的實際放大倍數發生變化，也可以通過自動調整而自動回到所要求的成像放大倍數。因此，采用本發明的光學處理裝置，當與前述已知的光學處理裝置相比，可以大大提高光學處理的精確性和精度。
在實施本發明的一種較佳方式中，光學處理裝置還可以包括一工件圖形觀測裝置，用來觀察或觀測復制到工件上去的圖形圖像；以及一圖像處理單元，用來處理通過工件圖形觀測裝置拾取的圖形圖像，其中，中央處理單元的實際成像放大倍數運算模塊根據圖像處理單元提供的有關圖形圖像的信息，運算判定實際成像放大倍數值。
采用上述結構的光學處理裝置，測量的實際成像放大倍數值可以具有極高的精確性。
在實施本發明的另一種模式中，工件圖形觀察裝置可以包括一用來放大圖像的放大透鏡和一用來拾取被放大圖形圖像的二維CCD攝像機(camera)。
由于上述結構，可以以高精度高速測量實際成像放大倍數值。
在實施本發明的又一種較佳方式中，成像放大倍數改變機構可以包括至少兩個Z軸(光軸)掩膜移動機構，用來沿光軸方向移動掩膜；Z軸(光軸)成像透鏡移動機構，用來沿光軸方向移動成像透鏡以及Z軸(光軸)工件移動機構，用來沿光軸移動工件，其中，中央控制單元的Z軸(光軸)位移控制模塊對給定的Z軸掩膜移動機構、Z軸成像透鏡移動機構和Z軸工件移動機構中的兩個進行控制，從而使掩膜/透鏡/工件之間的距離與運算判定的距離值吻合。
上述結構的優點是可以調節成像放大倍數而無須向成像透鏡的成像聚焦特性施加任何負面影響。
在實施本發明的再一種較佳方式中，掩膜可以具有一測試圖形，該測試圖形包括至少兩個標記，其中，中央控制單元的實際成像放大倍數運算模塊可以對復制到工件上去的標記圖像之間距和標記實際間距之間的比例作出運算判定，該比例代表實際成像放大倍數值。
采用上述結構，可以高精度地測出實際成像放大倍數值。
在實施本發明的再一種較佳方式中，掩膜可以具有一測試圖形，該測試圖形包括一預定形狀的孔，其中，中央控制單元的實際成像放大倍數運算模塊可以將復制到工件上的孔的圖像尺寸和掩膜孔的實際尺寸之間的比例運算判定為實際成像放大倍數值。
上述結構可以得到一個優點，即，成像放大倍數的調整可以借助于一種很簡單的結構的測試圖形來完成。
在實施本發明的再一種較佳模式中，光學處理裝置可以進一步包括至少兩個同步掩膜移動機構，用來沿垂直于成像透鏡的光軸方向移動該掩膜；一同步成像透鏡移動機構，用來沿垂直于光軸方向移動成像透鏡；以及一同步工件移動機構，用來沿垂直于成像透鏡的光軸方向移動工件，其中，在用光束輻照掩膜時，位移控制模塊控制同步掩膜移動機構、同步成像透鏡移動機構以及同步工件移動機構中的兩個，從而使掩膜與成像透鏡之組合、或者成像透鏡和工件之組合、或者掩膜與工件之組合以相應于所要求的成像放大倍數值的速率比例沿相反的方向同步移動。
上述結構的光學處理裝置之優點及益處在于，即使工件的面積很大，也能得到滿意的處理。
在實施本發明的又一種較佳模式中，上述同步移動可以僅沿一個方向進行，其中，中央控制單元的實際成像放大倍數運算模塊將同步移動期間復制到工件上去的圖形孔像尺寸與掩膜圖形孔尺寸之間的比率運算判定為實際成像放大倍值。
由于采用了上述結構，可以無需使用為測試目的而準備的掩膜來實施成像放大倍數的調整，只要實際使用的掩膜孔的大小是已知的就行。
在實施本發明的一種較佳模式中，同步掩膜移動機構還可以起到掩膜移動機構的作用，同步工件移動機構也可以起到工件移動機構的作用。
這種結構的優點是，可以以較低成本，用一種簡單的結構來制造該光學處理裝置。
在實施本發明的另一種較佳模式中，工件可以有一個較準標記，當工件由于工件移動機構使其移動而處于固定狀態時，較準標記的位置與復制圖形觀測裝置的成像平面中心吻合。
上述結構的優點在于，校準標記之測量專用的觀測裝置可以是一個條件，從而不會使光學處理裝置價格很昂貴。
在實施本發明的又一種較佳模式中，光學處理裝置可以包括一掩膜支架，用來支托掩膜，使其掩膜圖形表面處于一預定位置；以及一工件支架，用來支托工件，使待處理的工件表面處于一預定位置。
采用上述結構的光學處理裝置，即使掩膜和(或)工件的厚度由于更換而發生變化，成像放大倍數也能保持不變。因此，在更換掩膜和(或)工件以后，不必調整成像放大倍數，這就意味著一個更大的優越性，即光學處理可以順利、高速并以高效率進行。
按照本發明的另一個發明點，光學處理裝置包括一光源；一掩膜，掩膜上含有透光部分，使光源輻射的光束能夠透過該透光部分，掩膜上還含有一光反射部分，用來反射光束；位置與透光部分相對的反射裝置，用來將光反射部分反射的光線導向掩膜；一待光學處理的工件；一成像透鏡，用來將通過掩膜傳播的光線而形成的圖形復制到工件上；一裝置，用來沿與成像透鏡光軸正交的方向，移動相互平行的掩膜、成像透鏡和工件中的兩個，從而對工件進行光學處理；一掩膜支架，用來支托掩膜，使其圖形表面處于一預定位置；以及一工件支架，用來支托工件，使待處理的工件表面處于一預定位置。
采用上述結構的光學處理裝置，即使當由于更換而使掩膜和(或)工件厚度發生改變時，成像放大倍數也不會發生變化。這樣，在更換掩膜和(或)工件以后，就不必調整成像放大倍數，這就意味著一個更大的優點，即光學處理可以以更順利、快速且高效率地進行。
在實施本發明的又一種較佳模式中，掩膜可以具有一預定厚度，并且安裝在掩膜支架上，其位置使得掩膜的圖形表面朝向成像透鏡。
采用這種結構可以提高光能的利用率，從而提高光學處理的速度。
在實施本發明的再一種較佳模式中，掩膜支架可以配有一個測試圖形，該測試圖形或者由至少兩個標記構成，或者由一個預定形狀的孔構成。
采用這種結構，可以完全自動地調節成像放大倍數。
在實施本發明的又一種較佳模式中，工件支架可以包括一推進裝置(urging means)，用來將工件推向成像透鏡；以及一保持構件，用來保持工件待處理的表面，并且其表面朝向成像透鏡。
采用上述結構，工件支架的制作便宜，從而可以相應降低光學處理裝置的制造成本。
在實施本發明的又一種較佳模式中，光學處理裝置可以進一步包括一工件高度測量裝置，用來測量工件沿光軸方向的位置。
由于有了這一工件高度測量裝置，使得即使當工件出現變形或失真時，也可以高精確度地測量工件沿光軸方向的位置。從而可以提高光學處理的精度和準確性。
在實施本發明的再一種較佳模式中，該工件高度測量裝置可以或者由一激光型長度測量裝置構成，或者由一接觸型長度測量裝置構成。
采用這一結構可以進一步提高光學處理的準確性。
在實施本發明的另一種較佳模式中，工件高度測量裝置可以被設計成檢測投射到工件上的掩膜圖形圖像的聚焦狀態，其中，中央控制單元的Z軸(光軸)位移控制模塊控制著Z軸(光軸)工件移動機構，從而使該工件定位于圖形圖像被聚焦的位置。
由于這一結構，工件高度測量裝置可以做成一種簡單的結構，有利于從總體上降低光學處理裝置的制造成本。
在實施本發明的又一種較佳模式中，光源系統可以由一個準分子激光系統構成。子激光系統構成。
由于采用這種準分子激光器作為光源系統，可以進行工件的精密光學處理。
在實施本發明的再一種較佳模式中，工件可以是一個用于多層印刷基片的生片，該多層印刷基片含有準備在光束輻照下烘烤的聚酰亞胺或陶瓷。
這種結構的光學處理裝置可以用來對更高密度的多層印刷基片進行光學處理。
在實施本發明的再一種較佳模式中，工件移動機構可以配置一位置檢測器，用來檢測工件的位移。
采用這種結構的光學處理裝置，可以高精度地測量標記圖像之間的距離以及孔像的大小，從而可以使測量的實際成像放大倍數值具有極高精確性。
本發明還給出了一種調整上述光學處理裝置中的成像放大倍數的方法。因此，按照本發明的另一個發明點，本發明提供了一種調整成像放大倍數的方法，該方法包括第一移動步驟，通過工件移動機構移動工件，從而將前述測試圖形的標記圖像定位于復制圖形觀測裝置的觀測位置；一通過復制圖形觀測裝置觀察標記圖像的第一運算步驟，從而借助于圖像處理單元，運算判定標記圖像與復制圖形觀測裝置的成像平面中心的偏差；第二移動步驟，借助于工件移動機構移動工件，從而將標記圖像平移到成像平面的中心，移動的距離與該偏差對應；通過復制圖形觀測裝置觀察向成像平面中心移動的標記圖像的第二運算步驟，從而通過圖像處理單元運算判定標記圖像與中心的偏差；一由工件移動機構移動工件的第三移動步驟，從而將標記圖像平移到成像平面的中心，移動的距離與第二運算步驟判定的偏差對應；以及一距離運算步驟，分別對位置檢測裝置檢測的標記圖像之總位移作出運算判定，從而根據總位移之間的差異判定至少兩個上述方法使實際成像放大倍數值的測量可以具有高精確性，可以高精確性地調整成像放大倍數。
在實施本發明的另一種較佳模式中，掩膜可以含有透光基片，通過交替淀積折射率不同的兩種不同的介電材料而在透光基片上形成介電薄膜；以及一沿介電薄膜延伸形成的圖形，而光源系統可以由一種激光裝置構成，該激光裝置能夠用能量密度保持在300至500mJ/cm2范圍內的激光束輻照掩膜的介電薄膜，其中，成像放大倍數按照能量密度最佳值設置，用來在WP上進行磨蝕處理。
采用上述結構，可以通過相當低輻照能量密度的激光束之輻照，確保在待處理工件的表面上有所需的最佳處理光能。從而可以延長掩膜的使用壽命，同時確保工件處理的高質量。
在實施本發明的再一種較佳模式中，所要求的成像放大倍數值可以或者用300至500mJ/cm2范圍內的最佳能量密度進行復制所需的成像放大倍數值給出，或者由最小能量密度為300mJ/cm2進行復制的建議成像放大倍數給出。
由于這一結構，光學處理后得到的工件可以進一步提高其質量。
在實施本發明的進一步較佳模式中，高反射率鏡面可以置于與掩膜的介電薄膜相對的位置上，從而在高反射率鏡面和介電薄膜之間出現光束的多次反射。
采用這種結構，可以高效率地用激光束輻照掩膜。
在實施本發明的又一個較佳模式中，掩膜的透光基片可以由合成石英玻璃或氟石構成。另外，兩種介電薄膜中，具有高折射率的介電材料可以由氧化鉿或者氧化鈧構成，具有較低折射率的介電材料可以由氧化硅或者氟化鎂構成，高折射率和低折射率的介電材料可以堆積20至30層。
采用這種結構，可以高效率地實現高反射率鏡面的多次反射，而不會引起工件光學處理實際使用的激光束能量有任何顯著損耗。
在實施本發明的再一個較佳模式中，光學處理裝置使用的掩膜在介電薄膜一預定位置形成參考光束透光部分，從而使一部分激光束可以通過該參考光束透光部分，該光學處理裝置還進一步包括一第一激光強度傳感器，用來檢測通過參考光透光部分的激光束的強度。
具有上述結構的光學處理裝置，不僅可以提高光學處理的可靠性，而且可以提高光學處理中高光束能量的利用率。
在實施本發明的又一種較佳模式中，可以配備一個第二激光強度傳感器，用一檢測用于輻射待處理工件表面的激光束的強度。
具有這種結構的光學處理裝置，不僅可以提高光學處理的可靠性，而且可以提高光學處理中高光束能量的利用率。
在實施本發明的進一步較佳模式中，激光束可以是KrF激光器輻射的激光束，波長為248nm。
采用KrF激光器作為光源系統，光束在空氣傳播過程中的能量吸收可以被抑制到最小，從而光學處理的進行不受環境條件的限制。
在實施本發明的再一種較佳模式中，提供了一種對工件進行光學處理的方法，該方法包含通過成像透鏡將掩膜圖形復制到工件上去的步驟，成象透鏡的焦距長度，能夠在理論上實現所要求的成像放大倍數和可建議的成像放大倍數；以及一調整成像放大倍數的步驟，從而使實際成像放大倍數值與要求的成像放大倍數值吻合。
采用這種結構，可以高精確度地調整成像放大倍數，即使在Z軸成像透鏡移動機構和Z軸工件移動機構的移動距離受到限制的情況下也是如此。
在結合附圖通過閱讀對舉例的最佳實施例的描述以后，本發明的特點及其附帶優點就更易于理解。
下面結合附圖描述本發明。


圖1是描述本發明第一種實施例的光學處理裝置的結構示意圖；圖2是圖1所示光學處理裝置中掩膜支架的截面圖；圖3是圖1所示光學處理裝置中央處理單元結構的總體方框示意圖；圖4是描述圖1所示光學處理裝置中放大倍數調節過程的流程圖；圖5描述的是圖1所示光學處理裝置中的聚焦過程；圖6是復制到工件上孔的圖像的頂視圖；圖7是描述測量實際成像放大倍數值操作或過程的透視圖；圖8是通過工件圖形觀測裝置觀察到工件處于十字線狀態的示意頂視圖；圖9是示意描述帶有測試掩膜的掩膜支架透視圖；圖10是描述工件支架結構的截面圖；圖11是描述本發明另一種實施例光學處理裝置總體結構的示意圖；圖12是用本發明裝置進行光學處理的工件分子結構圖；圖13是可用于本發明光學處理裝置的掩膜結構截面圖；圖14是各種介電材料的折射率表；圖15是一種改進形式的掩膜結構截面圖；圖16是描述掩膜介電薄膜表面狀態或條件之變化或改變的特性圖；圖17圖示描述了KrF激光束的輻照能量密度和蝕刻速率之間的關系；圖18以表格形式描述了最佳處理能量密度、要求的成像放大倍數和可建議的成像放大倍數之間的關系；圖19是描述本發明另一種實施例光學處理裝置中激光密度調節過程的流程圖20描述了一個典型的已知光學處理裝置；圖21是描述已知的光學處理裝置中圖形復制操作的示意圖；圖22描述的是用已知光學處理裝置形成的孔的變形或偏差；圖23描述另一例已知的光學處理裝置。
下面參考附圖詳細描述至此被認為是本發明的最佳或典型實施例。在后文的描述中，相同的標號表示相同或相應的部件。同時在后文的描述中，應該理解，詞語“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”僅為方便起見而使用的詞語，而非限定性詞語。
實施例1圖1是按照本發明的第一個實施例的一種光學處理裝置的結構示意圖。在圖1中，與圖20所示的相關技術中使用的相同或類似的部件標以圖20使用的相同的參考符號。
參見圖1，按照本發明的直接的實施例的光學處理裝置，包含一個采用準分子激光器11發射的激光束進行相應成形而獲得的平直激光束B照射掩膜3的光源系統1(該系統依次由準分子激光器11、光路調節系統12、光束成形光學系統13和入射角調整鏡14組成)、用于沿垂直于光軸L的方向(即X方向)移動掩膜3的掩膜移動機構4和同步掩膜移動機構42。將掩膜3的圖案圖像復制到工件7上的成像透鏡5、用于沿垂直于光軸L的方向(即X方向)移動工件7的工件移動機構6和同步工件移動機構62、通過沿平行于光軸L的方向(也稱Z軸)移動成像透鏡5和工件7來改變掩膜3與工件7之間距離的成像放大倍數改變機構(51；61)、用來觀察或檢查和/或攝取用作直觀檢查的工件7上形成的圖案圖像的復制圖案觀察裝置8、用于處理由復制圖案觀察裝置8攝取的圖案圖像的圖像處理單元83和負責控制整個裝置的操作并用來完成所需的數據處理和算法操作的中央控制單元9。為此，中央處理單元可以由計算機構成。
如圖2所示，掩膜3由掩膜支架30夾住，該支架由一個易于緊固在同步掩膜移動機構42的下夾持件31和一個頂蓋32構成。下夾持件31的邊框上沖有開孔，從而將掩膜3固定住，使激光束B能夠穿過掩膜3。具體而言，掩膜3固定在下夾持件31上，印制有圖案的表面3d與下面(即沿著與強反射率鏡2放置面相反方向)保持接觸狀態。隨后頂蓋32裝在掩膜3上并用螺絲33擰緊。
采用上述掩膜裝配結構時，在圖1中所示的光學處理裝置中的掩膜3與成像透鏡5之間的距離由印有圖案的表面3d與成像透鏡5的主平面之間的距離確定。因此，如果掩膜3的放置使其印有圖案的表面朝上，由于掩膜3和成像透鏡5之間的距離隨著調換掩膜3時產生的透光基片3a厚度的差異而變化，高度精確或準確地復制掩膜圖案變得困難起來。
反過來，如前所述，將掩膜3裝配在掩膜支架30上，使印有圖案的表面3d朝下，可以保持掩膜3和成像透鏡5之間的距離不變，使得掩膜3的透光基片3a盡管不同，仍可高精度地進行圖案復制或圖案轉移，這是因為印有圖案的表面3d的位置總是由下夾持件31確定的。
掩膜支架30反過來又以同步掩膜移動機構42(其功能將在后面描述)為連動機構，緊固在掩膜移動機構4上。
如圖1所示，掩膜移動機構4包括的X-Y工作臺以垂直于成像透鏡的光軸而安裝在固定支架110的頂面111上，并且適于在中央控制單元9的控制下與同步掩膜移動機構42一起沿X方向和Y方向移動。附帶說明的是，在圖1所示的光學處理裝置中，Z軸方向與光軸L的方向一致。
另一方面，所提供的同步掩膜移動機構42在沿X和Y方向移動掩膜3時，使得工件7同步移動，并被用來對掩膜3的位置作細微的調整。因此，光軸有時將被人作Z軸。
成像透鏡5由一個將掩膜3的圖案圖像復制或投影到工件7上的光學透鏡系統構成，并且通過設計用作使成像透鏡沿一致于或平行于光軸L的Z軸方向移動的Z軸透鏡移動機構51從動機構，安裝在固定支架110上。附帶說明的是，提供的成像透鏡5是一個焦距為150mm、有效孔徑視角為20mm及設計放大倍數M為0.5000(＝1/2)的遠心光路系統。
成像放大倍數改變機構(51；61)由前述的Z軸透鏡移動機構51和設計用來沿與光軸L一致的Z方向移動工件7并被安裝在固定支架110的底部墻面112上的Z軸工件移動機構61組成。前述的工件移動機構6安裝在Z軸工件移動機構61上。
具體而言，工件移動機構6包括一個與成像透鏡的光軸L垂直配置而安裝在Z軸工件移動機構61上的X-Y工作臺并適于在中央控制單元9的控制下使工件7與同步工件移動機構62一起沿X和Y方向移動。
工件移動機構6帶有一個檢測工件7位移的位置檢測器(未畫出)。位置檢測器可以廉價地由一個轉動編碼器構成，該轉動編碼器隨作為移動工件移動機構6的驅動源使用的電動機的輸出轉軸一起提供。但是，在按照本發明的直接實施例的光學處理裝置中，位置探測器為諸如線標尺或類似部件形式的高精密儀器，安裝在構成工件移動機構6的X-Y臺上，能以小于或等于1微米量級的高分辯率測量出工件7的位移。
同步工件移動機構62被設計用來在X和/或Y方向上對工件7執行精細的定位調節，并與掩膜3的位移保持同步。工件7緊固在工件固定裝置配臺74上，而它又安裝在工件移動同步機構62上。復制或轉移到工件7上面的圖案圖像可以通過一般標以數字8的復制圖案觀測裝置觀察。復制圖案觀測裝置由用于放大投影到工件7上的圖案圖像的放大透鏡81和攝取放大圖案圖像的兩維CCD(電荷耦合器件)攝像機82組成。
另一方面，隨掩膜3提供的掩膜圖案觀測裝置20，包括用以放大掩膜3圖案的放大透鏡21和攝取掩膜3被放大圖案圖像的兩維CCD(電荷耦合器件)攝像機22。
圖像處理單元83被設計用于處理兩維CCD攝像機22和82提供的信號，并由此將圖像處理得到的圖像信息輸出到中央控制單元9。
中央控制單元9負責控制光源系統1中的準分子激光器11、掩膜移動機構4和同步掩膜移動機構42、成像放大倍數改變機構(51；61)、工件移動機構6和同步工件移動機構62及成像處理單元83。
具體而言，如圖3所示，中央控制單元9內含有實際成像放大倍數運算模塊91、放大倍數確定模塊92和Z軸位移控制模塊93。
實際成像放大倍數算法模塊91設計用來通過從運算決定實際成像放大倍數值M’，它表示工件7上圖案圖像與根據圖像處理單元83提供的圖案圖像信息的掩膜3的圖案圖像之間的比率。另一方面，放大倍數確定模塊92判斷實際成像放大倍數運算模塊91確定的實際成像放大倍數值M’與期望成像放大倍數值M(成像透鏡5放大倍數的設計值)之間的差異是否在允許值δ的范圍之內。
當放大倍數確定模塊92判斷上述差異超出允許值的范圍δ時，Z軸位移控制模塊93就通過運算確定或計算出掩膜、成像透鏡和工件之間的距離，在當前實際成像放大倍數值M’的基礎上，使實際放大倍數M’與期望成像放大倍數M相等，據此控制成像放大倍數改變機構(51；61)，使掩膜3、成像透鏡5和工件7之間的距離與運算確定的距離值相一致。具體而言，參照圖2，Z軸位移控制模塊93計算出掩膜3和成像透鏡5之間的掩膜-透鏡距離△a并控制成像透鏡51，從而使掩膜3與成像透鏡5之間的實際距離和計算的掩膜-透鏡距離△a一致。此外，Z軸位移控制模塊93計算出掩膜3與工件7之間的掩膜-工件距離△W并控制Z軸工件移動機構61，從而使掩膜3與工件7之間的實際距離和計算的掩膜-工件距離△W一致。
如圖3所示，中央控制單元9配備的位移控制模塊94一方面負責控制掩膜移動機構4和同步掩膜移動機構42，另一方面負責控制工件移動機構6和同步工件移動機構62。而且，如圖1所示，位移控制模塊94具有控制掩膜移動機構4和工件移動機構6的功能，因而在分別將掩膜3和工件7移動到與掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測裝置8相隔一預定距離時，可以分別在掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測裝置8上產生的圖像的中心，使掩膜3和工件7上的對準標記定位。因此，當對準標記分別偏離掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測裝置8產生的圖像的中心時，就表明掩膜3和工件7未準確定位。
更具體地講，在多層印刷基片中準備開孔的光學處理過程中，掩膜3和工件7在調換后要求作精密的定位，原因是必須以高精度對層間孔的位置予以對準。
與此相關的是，在按照本發明的直接實施例的光學處理裝置中，假定掩膜3和工件7上面的對準標記是由放大倍數數為5的放大透鏡21和81及0.5英寸的二維CCD攝像機22和82檢測的。因為二維CCD攝像機22和82的像素點間距約為2微米，所以采用放大倍數為5的放大透鏡21和81時，像素點間距約為10微米。
經過圖像處理單元83對二維CCD攝像機22和82輸出信號所作的求均和投影處理，對準分辯率達到0.2微米數級，小于像素點間距。因此，借助于掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測裝置8，可以判斷掩膜3與工件7是否非常精確地定位了。
而且，在按照本發明的直接實施例的光學處理裝置中，還帶有測量與光軸L方向一致的工件7高度的工件高度測量裝置10。所配置的工件高度測量裝置10為一個基于激光的長度或距離測量裝置。根據工件高度測量裝置10輸出的測量信息，中央控制單元9配備的Z軸位移控制模塊93控制著Z軸工件移動機構61。
為了通過檢查成像透鏡5的放大倍數是否變化而將其自動調節至目標值或期望成像放大倍數值，首先需要利用如圖5所示的測試專用掩膜3-1進行操作。
如圖5所示，測試專用掩膜3-1上有一通孔3-2和由一對十字刻線3-3和3-4構成的測試圖案。通孔3-2是一直徑20微米的圓孔。而每根十字刻線3-3和3-4的線長0.5毫米，線寬100微米，它們之間的十字刻線間距L1為10.000毫米。
測試專用掩膜3-1以圖2所示的方式裝在掩膜支架30上，而工件7固定在工件固定裝配臺74上。
接下來完成成像透鏡5的調焦操作。首先，如圖5所示，控制掩膜移動機構4，使通孔3-2定位于光軸L，用構成光源系統1主要部件的準分子激光振11發射的激光束B照射測試專用掩膜3-1。
接著，在中央控制單元9的Z軸位移控制模塊93的控制下，Z軸工件移動機構61在成像透鏡5焦點附近逐步進動(即步進方式)，在每一次Z軸工件移動機構61的步進位移下，在工件7上形成通孔3-2的圖像。然后，經過光學處理在工件7上形成的通孔圖像通過放大透鏡81由二維CCD攝像機82攝取，從而使圖像處理單元83計算出通孔圖像的直徑。此后，經過選擇，確定出形成最小孔徑時的工件7的高度。
具體而言，在如圖6所示的工件7上形成的圓孔7-1—7-5中，選擇孔徑最小的圓孔7-3用來指示工件7在對應于成像透鏡5焦點的光軸L方向上的位置，以此控制Z軸工件移動機構61使工件7進入上述裝置。
接下來完成成像放大倍數調整操作，以下將借助于圖4表示放大倍數調整操作的流程圖的圖4進行描述。
在圖4所示的步驟S1中，將新工件7放置在工件固定安裝臺74上，如圖7所示，位移控制模塊94控制掩膜移動機構，使十字刻線3-3和3-4之間的中點對準光軸L。
在這種狀態下，在圖4的步驟S2中，驅動光源系統1的準分子激光器11，使激光束B照射測試專用掩膜3-1，以在工件7上同時形成十字刻線3-3和3-4的圖像。
如圖8所示，在工件7上形成的每根十字刻線圖像7-6和7-7由復制圖案觀測裝置8讀出，中央控制單元9根據圖像處理單元83提供的信息，經過運算確定十字刻線圖像7-6和7-7之間的距離。
值得一提的是，在通過二維CCD攝像機82觀察形成于工件7上的刻線圖像7-6(7-7)時，如果在遠離放大透鏡81的光軸處觀察刻線圖像7-6，那么受放大透鏡81的象差影響，在位置測量過程中會引入誤差。因此，為了高精度地測量刻線標記圖像7-6的位置，最好移動工件7，將刻線圖像7-6放置在放大透鏡81光軸的附近(換一種說法即為二維CCD攝像機82的中心附近，因為二維CCD攝像機82的中心與放大穩定鏡81的光軸一致)，放大透鏡81在該處的象差影響被減少到最低程度。
由于上述原因，需要采用下面將要闡述的位置調整步序。
首先，移動工件移動機構6，可以觀察到刻線圖像對7-6和7-7中的刻線圖像7-6，從而將刻線圖像7-6定位在放大透鏡81的下方(圖4步驟S3)。
在該狀態下，經放大透鏡81觀察到刻線圖像7-6，刻線圖像7-6與二維CCD攝像機82的中心位置的偏離量由圖像處理單元83經過運算確定(圖4的步驟S4)。
偏離量信息由圖像處理單元83傳送到中央控制單元9，借此用位移控制模塊94對工件移動機構6進行控制，使工件7向二維CCD攝像機82的中心位置移動一段相應于上述偏離量的距離(圖4中的步驟S5)。在那種情形下，工件7的位移由前述的位置檢測器探測。
在該狀態下，刻線圖像7-6的中心有可能略微偏離二維CCD攝像機82的中心。因此，通過二維CCD攝像機82再一次觀察刻線圖像7-6，以使圖像處理單元83經過運算確定出刻線圖像7-6的中心對二維CCD攝像機82的中心可能產生的位置偏離。(圖4的步驟S6)。
若存在任何輕微偏離，該信息就從圖像處理單元83送往中央控制單元9，其中的位移控制單元94對工件移動機構6進行控制，使刻線圖像7-6向二維CCD攝像機82的中心位置位移一段相應于二次檢測偏離量的距離(圖4的步驟7)。
因此，刻線圖像7-6進入其中心基本上對準二維CCD攝像機82中心的位置上。在這種情形下，刻線圖像7-6的位移被確定下來。
刻線圖像7-6如上所述的兩次移動產生的總位移由前面提及的位置檢測器檢測。因此，刻線圖像7-6的總位移可以由中央控制單元9根據位置檢測器提供的信息確定，這表明刻線圖像7-6的中心位置可以高精度地確定下來。
對于刻線圖像7-7，為了精確地確定其中心位置，也執行相似的定位步序。
而且，中央控制單元9根據刻線圖像7-6和7-7之間的總位移之差計算出它們之間的圖像間距L2，該差被輸入實.際成像放大倍數運算模塊91(圖4的步驟S8)。
實際成像放大倍數運算模塊91通過計算，確定了代表圖像間距L2和前面已知的刻線間距L1之間比率的實際成像放大倍數值M’(＝L2/L1)。隨后，實際成像放大倍數值M’的信息輸入至放大倍數判斷模塊92(圖4的步驟S9)。
放大倍數判斷模塊92被設計用來判斷實際成像放大倍數值M’與期望成像放大倍數值M之差是否落入允許值δ的范圍之內(圖4的步驟S10)。
當判斷步驟S10的結果為肯定的“YES”時，即完成了放大倍數信號操作，進而啟動光學處理操作(圖4的步驟S11)。否則(即當判斷步驟S10的應答是否定的“NO”時)，就會向Z軸位移控制模塊93發出相應的信號，以進行放大倍數調整操作(圖4的步驟S12)。
在Z軸位移控制模塊93中，根據下列表達式(1)和(2)，在期望成像放大倍數值M、實際成像放大倍數值M’和成像透鏡焦距f的基礎上，可以計算出掩膜與成像透鏡之間的掩膜-透鏡距離計算值△a和掩膜與工件之間的掩膜-工件距離計算值△W△a＝fx((1/M’)－(1/M))……(1)△W＝fx((M’－M＋(1/M’)－(1/M))……(2)隨后，通過控制成像透鏡51，使掩膜3與成像透鏡5之間的實際距離與掩膜-透鏡距離計算值△a一致，同時控制Z軸工件移動機構61，使掩膜3與工件7之間的實際距離與掩膜-工件距離計算值△W一致。按照這種方式，就可以實現放大倍數的自動調整。
在放大倍數自動調整之后，換上新的工件7，再次執行上述步序，以確認自動調整的放大倍數與期望成像放大倍數值M是否一致(圖4的步驟S13)。
下面將介紹一個與自動調整放大倍數有關的數字實例。
所用的是一塊刻線間距L1為10.000毫米的測試專用掩膜3-1。圖像間距L2為5.001毫米。圖像間距L2的測量分辯率約為0.5微米。因此，實際成像放大倍數值M’為0.5001。所以，由表達式(1)和(2)可以確定，掩膜-透鏡距離計算值△a為-60微米，掩膜-工件距離計算值△W為-45微米。根據掩膜-工件距離計算值△a和掩膜-工件距離計算值△W，對成像透鏡5和工件7的位置進行調整。隨后，再次測量放大倍數，結果表明，實際成像放大倍數M’已校正至期望成像放大倍數值M0.5000。
正如前面所指出的，受準分子激光器光束的影響，構成成像透鏡5的材料或成分的性能或多或少要隨時間而降低，同時折射率也要相應變化。毫無疑問，對于按照本發明的光學處理裝置來說，由于Z軸位移控制模塊93根據表達式(1)和(2)得出了掩膜-透鏡距離計算值△a和掩膜-工件距離計算值△W，并且實際成像放大倍數值M’經校正后已與期望成像放大倍數值M一致，所以能夠保證在沒有任何未定誤差的情況下高精度施行復制和處理操作。
在完成上述放大倍數調整步序之后，就開始進行內部光學處理操作(圖4中的步驟S11)。
具體而言，用于光學處理的掩膜3現在將以前面描述的方式裝在掩膜支架30上，而工件7(將用激光束進行光學處理或機械加工)緊固在工件固定安裝臺74上。為了高精度地進行光學復制和處理(機械加工)，必須對掩膜支架30上的掩膜3和工件固定安裝臺74上的工件7在X和Y方向上精確定位。
定位操作可以按照下面解釋的方式進行。
中央控制單元9內的位移控制模塊94控制掩膜移動機構4和工件移動機構6，使掩膜3和工件7分別向掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測置8移動一設定的距離。
分別通過掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測裝置8檢測掩膜3和工件7上的對準標記的位置。當這些對準標記的位置偏離掩膜圖案觀測裝置20和復制圖案觀測裝置8的成像平面上的參考位置時，就控制掩膜移動機構4和工件移動機構6，使對準標記和參考點對準。
而且，為了進行光學復制和處理(機械加工)，必須在已經通過前述的放大倍數調節步序確定的Z方向(即沿光軸L)上的某一距離處設定已在上述X和Y方向上定位的掩膜3和工件7之間的距離。
Z方向上的定位可以按照下述方式進行。
在這一點上，顯而易見的是加工所用的工件所作的光學復制與處理，可以通過更換不同的掩膜3來進行。在那種情況下，各掩膜的厚度可以有所不同。
但是，在按照本發明的直接實施例的光學處理裝置中，如圖2所示，掩膜3以圖案面3d朝下的方式裝在掩膜支架30上。因此，即使是透光基片3a的厚度隨掩膜的不同而不同，圖案面3d總是由下夾持件31定位在一個預定的位置上。因此，盡管更換了掩膜，放置在支架30上的掩膜3與成像透鏡5之間的距離可以保持為通過前述的自動調節步序而建立的掩膜-透鏡距離計算值△a。
在完成了工件7的光學復制操作以后，必須換用新的工件。在那種情況下，工件7經過處理后，其厚度與剛更換上時的厚度通常會有所變化。
尤其是在工件7為多層印制基片的情況下，隨著每次堆積新的一層，基片的厚度約增加50微米。另一方面，在調節好成像透鏡5的放大倍數后，必須使工件7的頂面(即處理面)與成像透鏡5之間的距離保持怛定。在這種情況下，由基于激光的距離或長度測量裝置構成的工件高度測量裝置10測量待處理工件7達到頂面的高度，測量的高度值存儲在中央控制單元9中以作為有關高度的參照值隨后使用。
在將經受處理的工件7更換為新的之后，就對到安裝好的未處理工件7的距離進行測量，這里由Z軸位移控制模塊93控制Z軸工件移動機構61的位置，使得新測得的高度與高度參照值相等。采用這種辦法，盡管更新了工件7，掩膜3和工件7之間的距離仍可以保持為通過前述的放大倍數調節步序設定的掩膜-工件距離計算值△W。
通過使掩膜3與工件7同步位移并利用位于上述X、Y和Z方向上的掩膜3進行工件7的光學復制操作。
具體而言，具有大面積圖案面3d的掩膜3首先被裝在掩膜支架30上。隨后借助于中央控制單元9內的位移控制模塊94控制同步掩膜移動機構42和同步工件移動機構62，激光束分別沿相反方向以一個對應于前述的期望成像放大倍數值M的速度對掩膜3和工件7同步掃描，從而將掩膜3的大面積圖案圖像轉移到工件7上。
從前面的描述顯而易見的是，采用按照本發明的直接實施例的光學處理裝置后，利用測試專用掩膜3-1，可以將復制或轉移掩膜圖案到工件的放大倍數調整至期望的成像放大倍數值M。此外，一旦調整好了成像放大倍數，掩膜3和工件7就可以自動定位而使上述期望成像放大倍數M保持恒定。
因此，按照本發明的直接實施例的光學處理裝置，可以有利地應用于未烘烤的作為多層印制基片的中間絕緣層的聚酰亞胺或陶瓷—所謂的生片的光學處理。在生片的光學復制處理中，孔間尺寸必須高度精確。此外，生片需要頻繁更換。在那種情況下，生片厚度隨著每次更換都有所不同。因此，在每次更換生片后，必須對準層間圖案。在這一點上，利用按照本發明的直接實施例的光學處理裝置處理生片，可以實現自動對準，同時也提高了產量。
上述的光學處理裝置允許進行下面將要簡述的眾多改動或改進。
已經描述過的一對十字刻線3-3和3-4與測試專用掩膜3-1結合使用。但是值得指出的是，可以使用三條或三條以上的十字刻線作為測試圖案。在那種情況下，由于增加了測量的數據量，因而可以進一步改善測量精度。
此外，可以用尺寸為10毫米×10毫米的矩形測試圖案代替十字刻線3-3和3-4。在那種情況下，利用復制圖案觀測裝置8和圖像處理單元83測量矩形圖案的邊長，與采用十字刻線3-3和3-4時一處理單元83測量矩形圖案的邊長，與采用十字刻線3-3和3-4時一樣，同樣可以計算出實際成像放大倍數值M’。即，測量出平行于Y軸延伸矩形測試圖案的邊在X軸上的位置，而后根據這兩條邊在X方向上位置之差計算出實際成像放大倍數值M’。當然，不言而喻的是，使用矩形以外的圖案也可以達到基本相同的效果。
此外，測試專用掩膜3-1的通孔3-2可以用來確定光學復制處理中的放大倍數，而不是確定前述的焦點。在這種情況下，通過驅動同步掩膜移動機構42和同步工件移動機構62進行光學復制處理，使激光束同步掃描掩膜3和工件7。利用實例的方法，假定成像透鏡5設置的期望成像放大倍數值M為5，通過中央控制單元9對同步工件移動機構62和同步掩膜移動機構42的控制，工件7在同步工件移動機構62的作用下沿X方向以1/2V的速度移動，而掩膜3在同步掩膜移動機構42的作用下沿相反的X方向以速度V移動。隨后，測量出通過上述同步光學復制處理在工件7上形成的并沿掃描方向(即沿X方向)延伸的擴展槽的長度。
在那種情況下，當用d1表示如圖13所示擴展槽的短直徑而d2表示其長直徑，而且用D表示成像透鏡5的有效入口孔徑時(見圖22)，實際成像放大倍數運算模塊91就可以按照下面的表達式(3)決定實際成像放大倍數值M’M’－M＝M×M×(d2－d1)/(D—M×(d2－d1))……(3)而且，在前述的光學處理裝置的情形中，測試專用掩膜3-1用于調整成像放大倍數，而掩膜3用于光學復制處理。經是，通過采用在結構上能夠同時夾持掩膜3和測試專用掩膜3-1的掩膜支架30，可以實現成像放大倍數調整的完全自動化。而且，采用同時帶有通孔3-2與十字刻線3-3和3-4的掩膜3也基本上可以達到同樣的效果。
在按照本發明的第一個實施例的光學處理裝置中，掩膜3裝在掩膜支架30上，其圖案面3d相對于高反射率鏡面2朝下放置。順便因在掩膜3和高反射率鏡面2之間來回反射過程中被吸收而引起的能量損失更是微不足道。但是這個問題也可以通過將掩膜3圖案面3d朝上(即朝向高反射率鏡面Z)放置而加以解決。在那種情況下，最好使用透光基片3a和厚度基本相同的掩膜3，從而使透光基片3a與成像透鏡5之間的距離保持恒定。利用實例的方法，在成像放大倍數為0.5的情形下，采用厚度容差在±30微米內的掩膜3，可以將離散或偏離控制在±0.001的范圍之內。實施例2按照本發明的第二個實施例的光學處理裝置與第一個實施例的不同之處在于，采用了接觸型長度測量裝置(未畫出)作為工件高度測量裝置10。具體而言，采用接觸型長度測量裝置作為工件高度測量裝置10來測量工件7沿平行于光軸L方向上的高度，這里中央控制單元9內的Z軸位移控制模塊93設計用來控制Z軸(光軸)工件移動機構61。在這一點上，值得一提的是，當在按照本發明的第一個實施例的光學處理裝置中采用激光型長度測量裝置時，如果工件7是透明的，測量結果或多或少會產生誤差。但是，采用了接觸型長度沒量裝置后，即使工件7是透明的，也基本上可以避免這種誤差，由此可以保證光學復制處理的高度精確。就其它方面而言，按照本發明的第二個實施例的光學處理裝置與第一個實施例的相似。所以，重復之處不再描述。實施例3按照本發明的第三個實施例的光學處理裝置與第二個實施例的不同之處在于，構成復制圖案觀察裝置8的放大透鏡81和二維CCD攝像機82還承擔起工件高度測量裝置10的功能。
具體而言，在按照本發明的直接實施例的光學裝置中，采用短焦距的透鏡作放大透鏡81放大投射到工件7上的圖像，該圖像由二維CCD攝像機82攝取并送往圖像處理單元83，在那里圖像處理單元83確認攝取的圖像是否位于焦點處。當判定攝取的圖像偏出焦距時，中央控制單元9內的Z軸位移控制單元93就控制Z軸工件移動機構61，從而使工件7放置在焦點位置。但是，對于這一點，應該提及的是，即采用二維CCD攝像機以外的其它光電檢測器件，也基本上能達到相同的效果。就其它方面而言，按照本發明的直接實施例的光學處理裝置基本上與本發明的第一、二個實施例的相同，因此沒有必要重復說明。實施例4按照本發明的第四個實施例的光學處理裝置與第一到三個實施例的不同之處在于，采用工件夾具代替了工件高度測量裝置10。參照圖10，工件夾具70安裝在固定底板74上。由圖可見，工件夾具70包含放置工件7的工件安裝臺71、數根將工件安裝臺71沿著向工件高度測量裝置10的方向壓緊而使其處于懸于固定底板74之上狀態的彈簧72以及緊固在固定底板74上的支架73。
在上述的工件夾具70的結構中，放置在工件安裝臺71上的工件7在彈簧72的彈力作用下壓向工件高度測量裝置10，從而又使待處理的工件7的表面與支架73的鎖擋面73a靠緊。
因此，即使工件7的厚度不同，其待處理面也總是定位于由鎖擋面73a決定的一個預定位置上，由此即使更換工件7后工件厚度有所變化，也可以避免工件7成像透鏡5之間的距離發生改變。結果，掩膜3與工件7之間的距離保持為通過前述于本發明第—個實施例的自動調整步序設定的掩膜-工件距離計算值△W，而不管在完成光學處理操作后更換工件7而帶來的厚度的可能差異。
附帶說明的是，本發明的直接實施例也便于改動。利用實例的方式，可以用橡膠或類似的彈性件來代替壓縮彈簧72。此外，同樣也可以采取利用螺絲將工件安裝臺71推向成像透鏡5的設施。
就其它方面而言，按照本發明的直接的實施例的光學處理裝置基本上與第一到三個實施例的相同。因此，沒有必要進一步描述第四個實施例。實施例5按照本發明的第五個實施例的光學處理裝置與第一到第四個實施例的不同之處在于，提供了沿平行于光軸L方向移動或位移掩膜3的Z軸(光軸)掩膜移動機構(未畫出)。
有關的Z軸掩膜移動機構可以安裝在同步掩膜移動機構42上，其中掩膜支架30又緊固在Z軸掩膜移動機構上。
因此，在中央控制單元9內的Z軸位移控制模塊93的控制下，利用上述的Z軸掩膜移動機構可以使掩膜3沿平行于光軸的方向移動。
因此，在按照本發明的直接的實施例的光學處理裝置中，成像放大倍數改變機構可以采取Z軸掩膜移動機構和Z軸工件移動機構61的組合形式或者Z軸掩膜移動機構和Z軸(光軸)透鏡移動機構51的組合形式。
具備上述結構后，在聚焦操作、放大倍數自動調整操作和工件高度測量操作以及工件更換方面，都可以保持期望成像放大倍數值M不變。
就其它方面而言，按照本發明的第五個實施例的光學處理裝置基本上與第一到四個實施例的相似，因此不作進一步的描述。實施例6在按照本發明的第六個實施例的光學處理裝置中，另外提供了一個同步透鏡移動機構(未畫出)，以使成像透鏡5沿著與光軸L正交的方向移動。在這一方面，直接的實施例與上述的第一到五個實施例不同。
有關的同步透鏡移動機構安裝在Z軸透鏡移動機構51和成像透鏡5之間。通過中央控制單元9內的位移控制模塊94對同步透鏡移動機構的控制，成像透鏡5可以沿著與光軸L正交的方向位移。
在其它方面，按照本發明的第六個實施例的光學處理裝置基本上與第一到五個實施例的相似。因此，沒有必要進一步描述這些內容。實施例7在按照本發明的第七個實施例的光學處理裝置中，掩膜移動機構4安排成擔負起同步掩膜移動機構42的功能，同時工件移動機構6擔負起同步工件移動機構62的功能。
在上述安排下，整個光學處理裝置的結構可以用較少的費用以一種簡化的結構來實現。
在其它方面，按照本實施的光學處理裝置與第一個到第六個實施例的基本相同。因此，沒有必要作進一步的描述。實施例8圖11是按照本發明的第八個實施例的光學處理裝置的結構框圖。在圖中，與圖1所示的光學處理裝置相同或相似的部件標以相同的參考字符。而且，需要說明的是，為了闡明按照本實施例的裝置的主要部分，在圖11中省略了同步掩膜移動機構42、同步工件移動機構62和其它部件。
首先應該指出的是，以適合于大批量生產的方式實施按照本發明的這個實施例的光學處理裝置，要求掩膜的功能在經過延長的周期后仍然保持完好。在這一方面，出于現在這種考慮的光學處理裝置與先前在第一到第七個實施例中描述的是不同的。
現從圖11可見，光學處理裝置包含準分子激光器11、光束成形光學系統13、入射角調整鏡14和高反射率鏡2，其中由準分子激光器11發射并透過掩膜100的透光部分100a的激光束B在成像透鏡5的光學變換下在工件7上形成衰減的掩膜100的圖案。因此，在工件7待處理的表面上的掩膜圖像部分受到周期為納秒量級的脈中類件7待處理的表面上的掩膜圖像部分受到周期為納秒量級的脈沖類照射，這樣在所謂的磨蝕現象的作用下，工件7在成像區域的材料從頂層到底層都被去除，由此在工件7上形成了掩膜100的圖像。
通過在掩膜100上方相對放置一塊高反射率鏡2，使激光束B在高反射率鏡2與掩膜100之間來回反射(即激光束B的多重反射)。因此，同樣從經濟觀點來看，也提高了昂貴的準分子激光器的利用率。
現在考慮的光學處理裝置中的準分子激光器11由KrF激光器(氟化氪激光器)構成，這是因為對于在本實施例中具體實現的本發明，光學處理裝置是打算用來在由諸如聚酰亞胺(PI)、對酞酸鹽聚乙烯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氨脂(PUF)、聚氯乙烯(PVC)及其類似原料之類的高分子材料(聚合物)構成的工件上或由鋁系及鋯系材料構成的工件上進行磨蝕處理的。
具體而言，為了完成磨蝕處理以形成孔、槽、標記和/類似結構，必須用激光束斷開工件原料的分子結構或鏈。依實例的方式，(由圖12可見)聚酰亞受(PI)膜的分子結構含有C-C鍵和C-H鍵。因此，為了完成磨蝕處理，就需要使用具有能夠拆開上述連接鍵的能級的激光束。關于這一點，C-H鍵能為3.5電子伏特而C-H鍵能為4.3電子伏特。因此，為了在聚酰亞胺膜的工件上實現光學處理，需要使用能夠提供高于上述鍵能的能級的KrF激光束(5電子伏特)或ArF(氟化氬)激光束。
但是，ArF激光束在空氣或光學元件中傳播時會被強烈吸收，當然這依賴于光學元件所使用的材料。因此，ArF激光束局限于在真空中使用，也就是說，ArF激光束光學處理的缺點是局限性較大。另一方面，KrF激光束基本上不受上述問題的制約。實際上，KrF激光束在空氣中的吸收很小。基于這些理由，在按照本發明的這個實施例的光學處理裝置中，采用波長為248納米的KrF激光束成功地完另一方面，由于上述如此高的能量的KrF激光束的照射，掩膜100必須具備能夠經受106到107次激光照射的結構。下面將詳細描述滿足該目的的掩膜結構。
圖13是一張顯示掩膜100結構的剖面圖，圖14是一張用于構成掩膜的介電材料的折射系數的表。
如圖13所示，掩膜100包含透光基片101和一般用數字102標示的介電薄膜。
透光基片101由人造石英玻璃、熒石(如氟化鈣)或類似材料構成，從而使透過介電薄膜102的KrF激光束B幾乎無透過損耗，并使透光基片101在KrF激光束長期照射下不出現性能老化或變化。
另一方面，介電薄膜102由高折射率的介電層103與低折射率的介電層104相互交疊而成。沿著高折射率的介電層103和低折射率的介電層104伸展下去，形成有預制圖案的光透射部分100a。
附帶地，為了實現激光束在如圖11所示的高反射率鏡2和掩膜100之間的多次反射，高反射率鏡2和掩膜100的介電薄膜102的反射率不得低于99％。
由于上述原因，高折射率的介電層103由氧化鉿(HfO2)、、氧化鈧(Sc2O2)和氧化鋁中的一種構成，而低折射率的介電層104由氧化硅(SiO2)或氟化鎂(MgF2)構成。通過以20-30層交疊的高折射率的介電層103與低折射率的介電層104而形成介電薄膜102，可以使掩膜100的反射率達到99％或者更高，而且可以承受激光功率為1焦耳/平方厘米或更強的KrF激光束13。
另一方面，為了獲得能夠承受強激光功率的介電薄膜102，需要使形成的高折射率的介電層103和低折射率的介電層104盡可能地均勻，并使其層數盡可能地少，以避免在介電薄膜102內產生內應力，同時是大程度地抑制KrF激光束的能量吸收。為了形成滿足上述條件的介電薄膜102，應該選擇使介電層103和104的折射率相差較大的原材料作高折射率介電層103和低折射率介電層104。
介電層103和104分別具有圖14的表列出的折射率n。
因此，通過從圖14所示的表中選擇折射率差異大的材料作高折射率介電層103和低折射率介電層104，以形成介電薄膜102，可以得到高反射率和強激光功率承受能力的掩膜100。
在本實施例中，選擇折射率n最大的氧化鉿(HfO2)構成高折射率介電層103，同時選擇易由商業途徑獲得的高純的氧化硅(SiO2)構成低折射率介電層104，由此可以使掩膜100具有99％或更高的反射率和不低于1焦耳/平方厘米的激光功率承受能力。
再次參照圖13，在介電薄膜102頂端面的左側形成一測試表面區域105，并在該區域形成一參考光束透射部分(通孔)100b，從而可以探測到透過透光部分100b用于測試目的的參考激光束B1。
順便說明的是，掩膜100的結構并不局限于圖13所示的結構，而是可以在各個方面加以改進。利用實例的方式，可以在透光基片101和介電薄膜102之間插入防反射膜106和金屬膜107，以改善掩膜100的光學特性。
接下來將轉而描述照射掩膜100的KrF激光束B的輻射能量密度。
圖16是表示掩膜100的介電薄膜102的表面狀態或條件發生變化和差異的特性圖。在圖中，介電薄膜102上的輻射能量密度沿縱坐標排列，而KrF激光束B的照射次數沿橫坐標排列。
從圖16可見，當用輻射能量密度為0.8焦耳/平方厘米的KrF激光束B對介電薄膜102照射1×108次后，在介電薄膜102的表面形成直徑不大于1微米的顆料。但是，觀察不到介電薄膜102的反射率有變化。而且，在用輻射能量密度為1.15焦耳/平方厘米的KrF激光束B照射2×106次后，不會引起介電薄膜102表面狀況變化。在用能量密度為1.3焦耳/平方厘米的KrF激光束B照射1×106在用能量密度為1.3焦耳/平方厘米的KrF激光束B照射1×106次后，情況同樣如此。
從上述分析可以理解，介電薄膜102承受激光功率的能力與輻射能量密度有關。關于這一點，將要進一步說明的是，在輻射能量密度為1.5-1.6焦耳/平方厘米這樣一個接近于并高于損傷閾值的范圍內(圖16所示的范圍A)，介電薄膜102承受激光功率的能力急劇下降，結果在介電薄膜102的表面出現白色混濁。
因此，可以得出結論，采用輻射能量密度約為激光功率承受能力的(見圖16中區域B)的1/2的KrF激光束B，可以使照射次數提高1-2倍。因此，把介電薄膜102的輻射能量密度最大值設定成不大于500毫焦/平方厘米，就可以使掩膜100的使用壽命延長到超過1×109次照射。
但是，如果輻射能量密度調整為如上所述的較小值，雖然掩膜使用壽命增加了，但是除非采用大尺寸掩膜100，否則將降低生產率。因此，在同時考慮到生產率和下面將要描述的成像放大倍數調整條件時，對于本發明的這個實施例，應把KrF激光束B的輻射能量密度設置在300-500毫焦/平方厘米的范圍內(見圖16中的區域C)。
接下來，在作出采用KrF激光束B對工件7進行磨蝕處理的假定下，將討論優化工作能量密度與成像放大倍數之間的關系。
圖17用曲線表示在由聚酰亞胺膜(PI)形成的待處理工件7上，KrF激光束B的輻射能量密度與磨蝕速率之間的關系。由圖可見，用于光學處理前述材料構成的工件7的優化輻射能量密度為0.4-1.2焦耳/平方厘米。輻射能量密度低于此范圍時，磨蝕速率下降，并導致生產率下降。反過來，輻射能量密度超出上述范圍時，受KrF激光束B的熱效應的影響，形成的圖案尺寸和幾何形狀將會損壞。
通常情形下，激光束的輻射能量密度Rm、工作能量密度(即作用在工件7表面的激光能量密度)Rw和成像透鏡5放大倍數之間的關
Rw/Rm＝1/M2……(4)從上面的表達式(4)可以理解，為了用輻射能量密度Rm為300-500毫焦/平方厘米的KrF激光束B照射掩膜100，以便用0.4-1.2焦耳/平方厘米這樣一個KrF激光束B優化的工作能量密度范圍處理工件7表面，要求成像透鏡5的成像放大倍數M在1/0.9到1/2.0的范圍內。換句話說，所需的成像透鏡5的成像放大倍數為1/0.9到1/2.0。下面將把此放大倍數稱作需求成像放大倍數。
但是，為了在一個延長的周期內實現穩定的磨蝕處理而不損傷掩膜100，必須用輻射能量密度Rm更小的KrF激光束B照射掩膜100。因此，為了達到輻射能量密度Rm最小值300毫焦/平方厘米而優化工作能量密度0.4-1.2焦耳/平方厘米，最好把成像放大倍數M選定在1/1.3-1/2.0的范圍內。后面將把上述成像放大倍數稱作推薦成像放大倍數。
因此，當工件7由聚酰亞胺膜(PI)構成時，優化的工作能量密度在0.4-1.2焦耳/平方厘米的范圍內，其需求成像放大倍數的范圍為1/0.9到1/2.0，而推薦的成像放大倍數范圍為1/1.3到1/2.0。
通過同樣的步序，對于由鈦酸鹽聚乙烯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PUR)、聚氯乙烯(PVC)、鋁系材料和鋯系材料生片構成的工作7，分別確定了優化工作能量密度、需求成像放大倍數和推薦成像放大倍數之間的關系。結果匯總在圖18所示的表中。由圖可見，采用表列的推薦成像放大倍數，掩膜100即使受到低至300毫焦/平方厘米的輻射能量密度的KrF激光束B的照射，也可以獲得適合于在上述各種材料的工件上完成磨蝕處理的優化工件能量密度。因此，掩膜100的使用壽命可以顯著延長。
為了在實際應用中實現上述的需求成像放大倍數和推薦成像放大倍數，需要能夠改變由掩膜100、成像透鏡5和工件7構成的光學系統的成像放大倍數。因此，按照本發明的這個實施例的光學處理裝置，配備了復制圖案觀測裝置8、圖像處理單元83、Z軸透鏡移動機構51、Z軸工件移動機構61和中央控制單元9，其中的Z軸透鏡移動機構51和Z軸工件移動機構61如前面第一個實施例所述，適于由中央控制單元9根據從圖像處理單元83獲得的圖像或視頻信息對其進行控制。
具體而言，通過光學復制操作在工件7上形成的圖案通過復制圖案觀測裝置8觀察。從圖像處理單元83獲得的信息輸入到中央控制單元9的實際成像放大倍數運算模塊91。因此，實際成像放大倍數運算模塊91就計算出實際成像放大倍數M’。計算結果輸入到中央控制單元92，據此判定實際成像放大倍數M’和作為期望成像放大倍數值的需求成像放大倍數M(或推薦成像放大倍數M)之差是否位于允許值δ范圍內。除非差值落入允許值范圍δ內，否則指示信號送至Z軸位移控制模塊93，而它根據在前面第一個實施例中所述的表達式(1)和(2)，根據需求成像放大倍數M(或推薦成像放大倍數M)、實際成像放大倍數M’及焦距f確定掩膜-透鏡距離計算值△a和掩膜-工件距離計算值△W作出響應。此后，中央控制單元9控制Z軸透鏡移動機構51，使掩膜100和成像透鏡5之間的實際距離等于掩膜-透鏡距離計算值△a，同時中央控制單元9控制Z軸工件移動機構61，使掩膜100與工件7之間的實際距離等于掩膜-工件距離計算值△W。采用這種方法完成了成像放大倍數的自動調整。
如上所述，在按照本發明的這個實施例的光學處理裝置中，用輻射能量密度為300-500毫焦/平方厘米的KrF激光束B對掩膜100照射，其中掩膜-透鏡距離計算值△a和掩膜-工件距離計算值△W自動調整，從而在該給定材料構成的工件7實現最優化工件能量密度方面，定出所需的需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)M。然而，為實現高精度的磨蝕處理，照射能量密度實際上必須保持在300～500毫焦/平方厘米2，而且照射由給定材料構制的工件7的能量密度實際上就是優化工件能量密度。
順便指出的是，由于結構或操作上的原因而使Z軸透鏡移動機構51和Z軸工件移動機構61的可移動距離受到限制時，可以通過更換成像透鏡5來調整需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)。
從理論上講，下述的表達式(5)和(6)是適用的△a＋△b＝△W＝f(M＋1)2/M……(5)f＝△W×M/(M＋1)2……(6)這里△a表示掩膜100與透鏡5之間的距離，△b表示透鏡5與工件7之間的距離(即△b＝△W－△a)，f表示成像透鏡5的焦距，而M表示需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)。
具體而言，在已經確定了需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)M和掩膜-工件距離計算值△W之后，根據表達式(6)確定用以導出需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)M的焦距f。通過選擇具有所確定的焦距f的成像透鏡5，就能設定光學處理裝置的需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)M。但是在那種情形下，經常會發生的情況是實際成像放大倍數M’與需求成像放大倍數(或推薦成像放大倍數)M不一致。因此，在安裝完上述所需的焦距f的成像透鏡5之后，最好要進行前面第一個實施例中描述的自動微調。
按照本發明的這個實施例的光學處理裝置，還帶有作為第一和第二激光強度傳感裝置的激光強度傳感器120和121。第一激光強度傳感器120用來檢測穿過掩膜100的參考光束透射部分100b的探針光束B1的光強，其上產生的檢測信號輸出至中央控制單元9。為此，第一激光光強傳感器120安裝在掩膜移動機構4的掩膜支架30上。另一方面，第二激光強度傳感器121的輸出信號同樣被送往中央控制單元9。第二激光強度傳感器121安裝在工件移動機構6上面的工件支架70上。
中央控制單元9響應于來自第一激光光強傳感器120的檢測信中央控制單元9響應于來自第一激光光強傳感器120的檢測信號，根據輸入信號確認出現在的輻射能量密度，然后判斷現在的輻射能量密度是否位于300-500毫焦/平方厘米的范圍內。利用這種安排，就能夠通過在沿水平方向移動第一激光強度傳感器120的同時相應控制掩膜移動機構4以對掩膜100整個表面的KrF激光束B光強進行檢測來發現光強分布的異常。當發現在局部KrF激光束B的強度超過300-500毫焦/平方厘米的能量范圍時，調整準分子激光器11的輸出功率來消除光強分布的異常。在這種情況下，可以防止掩膜100的性能提前退化。
同樣，根據來自第二激光強度傳感器121的信號指示的強度確定出當前的工作能量密度，以此判斷所確定的能量密度是否位于優化工作能量密度范圍內。通過控制工件移動機構6，沿水平方向移動第二激光強度傳感器121，能夠檢測出在工件7整個待處理的表面上KrF激光束B的光強分布可能存在的異常。當在局部KrF激光束B超出優化工作能量密度范圍時，調整準分子激光器11的輸出功率以消除異常。因此確實可以防止工件7產生缺陷。
現在將對按照本發明的這個實施例的光學處理裝置的操作進行描述。
圖19是表示激光強度調節步序的流程圖。為方便描述起見，假定期望成像放大倍數即表示需求成像放大倍數。
由圖19可見，在步驟S1中，選擇用于磨蝕處理的工件。當選用聚酰亞胺膜構成的工件進行處理時，在步驟S2中參照圖18中的表，優化工作能量密度確定為一個在0.4-1.2焦耳/平方厘米范圍內的值。并且，掩膜100上的KrF激光束B的輻射能量密度設定在300-500毫焦/平方厘米的范圍內，同時參照圖18所示的數據表，把實現0.4-1.2焦耳/平方厘米的工件7優化工作能量密度的需求成像放大倍數M設定在1/0.9-1/2.0的范圍內(見圖19中的步驟S3)。
在確定了需求成像放大倍數M之后，根據表達式(6)計算出需求成像放大倍數達到1/0.9-1/2.0的焦距f。接著，選擇焦距為f的成像透鏡5并把它裝在Z軸透鏡移動機構51上。隨后，把掩膜100固定在掩膜支架30上，使介電薄膜103背朝高反射率鏡2，而工件7固定在工件支架70上(見圖19中的步驟S4)。
在這種情況下，掩膜100受到KrF激光束B的照射。KrF激光束B在高反射率鏡2與掩膜100的介電薄膜102之間多次反射，最后導致輻射能量密度為300-500毫焦/平方厘米的KrF激光束B穿過透光部分100a。在成像透鏡5的光學作用下，具有理論值為0.4-1.2焦耳/平方厘米的優化工作能量密度的激光束照射到工件7上。但是，在實際應用中，實際成像放大倍數M’常常與需求成像放大倍數M不同。因此，要借助于Z軸透鏡移動機構51和Z軸工件移動機構61對成像放大倍數進行微調，以確立最終的圖像尺寸(見圖19中的步驟S5)。
具體而言，掩膜100的圖案由KrF激光束B復制到工件7上。復制圖案通過工件圖案觀測裝置8觀察。隨后由圖像處理單元83發出的有關信息輸入中央控制單元9的實際成像放大倍數運算模塊91，以確定實際成像放大倍數M’。在成像放大倍數判斷模塊92中，判斷實際成像放大倍數M’與需求成像放大倍數M之差是否在允許值范圍δ內，否則Z軸位移控制模塊93由前述第一個實施例中的表達式(1)和(2)根據M、實際成像放大倍數M’和成像透鏡5的焦距f確定掩膜-透鏡距離計算值△a和掩膜-工件距離計算值△W。接下來，控制Z軸透鏡移動機構51，使掩膜100與成像透鏡5之間的實際距離等同于掩膜-透鏡距離計算值△a，同時控制Z軸工件移動機構61，使掩膜100與工件7之間的實際距離等同于掩膜-工件距離計算值△W。這樣就自動調整了成像放大倍數。
在以上述方式微調了成像放大倍數之后，中央控制單元9根據量密度，并判斷輻射能量密度是否落入300-500毫焦/平方厘米的范圍內(見圖19中的步驟S6)。
當判斷出輻射能量密度在300-500毫焦/平方厘米范圍之外時，經過對準分子激光器11的激光功率(不止一次地)進行調整后，再次執行前述的判斷步驟(見圖19中當回答為否定的“NO”時接在步驟S6后面的步驟S7)。
另一方面，當判斷輻射能量密度落在300-500毫焦/平方厘米的范圍內時，調整后的工件7上的工作能量密度根據來自第二激光強度傳感器121的信號指示的激光強度予以確定，以判斷工作能量密度是否落入優化工作能量密度范圍(見圖19中的步驟S8)。
當判斷出有關的工作能量密度在優化工作能量密度范圍之外時，就要選擇成像透鏡5和更換其它部件(見當S8的回答是“NO”時跟隨其后的步驟S4)。相反，當判斷有關的工作能量密度位于優化工作能量密度范圍之內時就完成了激光輻射強度調整步序(即圖19中由肯定回答“YES”而來的步驟S8)，由此開始了磨蝕處理操作(見響應步驟S10的肯定輸出而執行的圖4中的步驟S11)。
當工件7采用聚酰亞胺膜以外的材料時，當然能夠參照圖18所示的數據表確定優化工作能量密度和需求成像放大倍數M，以此通過前述的調節步序實現需求成像放大倍數M。
因此，就按照本發明的這個實施例的光學處理裝置而言，通過把掩膜100上的輻射能量密度設定在300-500毫焦/平方厘米的范圍，同時改變光學系統的成像放大倍數以保證滿足工件7的磨蝕處理要求的優化工作能量密度，可以確保延長掩膜100的使用壽命并高質量地處理工件。
而且，通過把高折射率的介電層103與低折射率的介電層104以20-30層交疊在一起構成介電薄膜102，可以以更高的效率實現經高反射率鏡2的多次反射。
此外，由于中央控制單元9被賦予對準分子激光器11的輻射能量密度的控制能力，同時結合第一激光強度傳感器120和第二激光強度傳感器121的措施，因此保證了高度的處理可靠性并能夠提高工作能量利率。
就其它方面而言，按照本實施例的光學處理裝置基本上與第一到第七個實施例的相同。因此，沒有必要對本實施例作進一步的描述。
從詳細描述中可以明顯看出本發明的許多特征和優點，因此所附的權利要求用來涵蓋系統所有屬于本發明的實質精神和范圍的這些特征和優點。而且，由于本領域的技術人員很容易提出眾多的改進和組合，所以用來舉例和描述的精確構造和操作并無限定本發明之目的。
利用實例的方式，在上述第一到第七個實施例的情形中，采用的是準分子激光器11。這是因為在進行量級為50微米以下的處理時準分子激光器的效果較好。但是需要注意的是，對于不需要細微處理的應用，同樣可以采用諸如YAG-激光器、CO2激光器或類似的具有長發射波長的激光器。在第一到第七個實施例的情形中，諸如Z軸(光軸)透鏡移動機構51、Z軸工件移動機構61及其類似的成像放大倍的改變機構用來實現成像放大倍數的微調。對于形成直徑小于20微米的微孔或定位誤差控制在±5微米之內來說，這種配置的效果很好。換句話說，在對尺寸沒有嚴格要求的應用中，可以省去上述成像放大倍數改變機構。而且，在按照第一到第七個實施例的光學處理裝置中，復制圖案觀測裝置8是以放大透鏡81和二維CCD攝像機82組合形式實現的。但是很顯然，也可以采用其它結構來實現復制圖案觀測裝置8。在按照本發明的第八個實施例的光學處理裝置中，隨著構成工件7的材料的不同來調整成像放大倍數。但是，本發明對此并無作出嚴格規定。該實施例是在并未說明同樣可以按照圖18所示的推薦的成像放大倍數進行調整的情況下實施的。在那種情形下，對于投射到掩膜100上的KrF激光束B來說，300毫焦/平方厘米的輻射能量密度就足夠了。因此，掩膜100的使用壽命可以進一步延長。而且，在按照第八個實施例的光學處理裝置中，通過將Z軸(光軸)掩膜移動機構和Z軸工件移動機構61組合起來或者將Z軸掩膜移動機構和Z軸透鏡移動機構51組合起來，能夠提供用于沿平行于光軸L的方向移動掩膜100的Z軸(光軸)掩膜移動機構，以構成成像放大倍數改變機構。在這種配備下，可以改變掩膜100與工件7之間的距離△W，也即在不損失光學系統調焦能力的情況下僅僅通過這種配備調節成像放大倍數。對于按照本發明的第八個實施例的光學處理裝置來說，應該進一步指出的是，當根據照射到掩膜100上的KrF激光束B的輻射能量密度和成像放大倍數將優化工作能量密度以一般經驗確定為0.4-1.2焦耳/平方厘米時，可以省略圖19中所示的步驟S6到S8。在那種情況下，可以在省去第一激光強度傳感器120和第二激光強度傳感器121的同時，也可省去中央控制單元9相應的功能。
此外，所有適宜的改進和等同都可以歸入本發明的精神和范圍內。
權利要求
1.一種光學處理裝置，其特征在于，它包含一光源系統，用來產生輻照具有預定圖形掩膜的光束；一成像透鏡，用來將所述掩膜的圖形圖像復制到一工件上；一掩膜移動機構，用來沿垂直于所述成像透鏡之光軸方向移動所述掩膜；一工件移動機構，用來沿垂直于所述成像透鏡之所述光軸方向移動所述工件；一成像放大倍數改變機構，用來改變所述掩膜、所述成像透鏡和所述工件之間的掩膜/透鏡/工件之間距；以及一中央控制單元；其中，所述中央控制單元包括一實際成像放大倍數運算裝置，用來按照所述復制圖形圖像與所述預定圖像之間的圖形比例，運算判定一實際成像放大倍數值；放大倍數判定裝置，用來確定所述實際成像放大倍數值和期望成像放大倍值之差是否小于一允許值；光軸位移控制裝置，用來響應于所述差值超過所述允許值的所述放大倍數判定裝置之指示，根據所述實際成像放大倍數值和所述期望成像放大倍數值，運算判定所述實際成像放大倍數值與所述期望成像放大倍數值相等的所述掩膜/透鏡/工件之間距，以此控制所述成像放大倍數改變機構，從而使所述掩膜/透鏡/工件之間距與所述運算判定之間距吻合；以及位移控制裝置，用來控制所述掩膜移動機構和所述工件移動機構。
2.如權利要求1所述的光學處理裝置，其特征在于，它還包含工件圖形觀測裝置，用來觀測復制到所述工件上去的所述圖形圖像；以及成像處理裝置，用來處理通過所述工件圖形觀測裝置攝取的圖形圖像；其中，所述中央處理單元的所述實際成像放大倍數運算裝置根據所述成像處理裝置提供的有關所述圖形像的信息，運算判定所述實際成像放大倍數值。
3.如權利要求2所述的光學處理裝置，其特征在于，所述工件圖形觀測裝置包括一用來放大所述圖形圖像的放大透鏡；以及一用來攝取所述放大圖形圖像的二維CCD攝像機。
4.如權利要求1至3任何一個權利要求中所述的光學處理裝置，其特征在于，所述成像放大倍數改變機構包括用來沿所述光軸方向移動所述掩膜的光軸掩膜移動機構、用來沿所述光軸方向移動所述成像透鏡的光軸成像透鏡移動機構以及用來沿所述光軸移動所述工件的光軸工件移動機構中的至少兩個機構；以及所述中央控制單元中的所述光軸位移控制裝置控制所述光軸掩膜移動機構、所述光軸成像透鏡移動機構和所述光軸工件移動機構中的兩個給定機構，從而使所述掩膜/透鏡/工件間距與所述運算判定間距吻合。
5.如權利要求1至3中任何一個權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述具有一測試圖形的掩膜包括至少兩個標記，所述中央控制單元的所述實際成像放大倍數運算裝置在所述復制到所述工件上的標記之所述圖像之間距離與所述標記之間的實際距離之間，運算判定一個比例，作為所述實際成像放大倍數值。。
6.如權利要求1至3任何一個權利要求中所述的光學處理裝置，其特征在于，所述具有一測試圖形的掩膜包括一預定形狀的單孔，所述中央控制單元的所述實際成像放大倍數運算裝置在復制到所述工件上去的所述孔之圖像的大小與所述掩膜的所述孔之實際大小之間運算判定一比例，作為實際成像放大倍數值。
7.如權利要求1至3中任何一個權利要求所述的光學處理裝置，它還包含下述機構中的至少兩個機構同步掩膜移動機構，用來沿垂直于所述成像透鏡之光軸方向移動所述掩膜；同步成像透鏡移動機構，用來沿垂直于光軸方向移動成像透鏡；以及同步工件移動機構，用來沿垂直于所述成像透鏡之光軸方向移動所述工件；其中，在用所述光束輻照所述掩膜時，所述位移控制裝置控制所述同步掩膜移動機構、所述同步成像透鏡移動機構和所述同步工件移動機構中的兩個機構，從而使所述掩膜和所述成像透鏡之組合、或者所述成像透鏡和所述工件之組合或者所述掩膜與所述工件之組合以對應于所述期望成像放大倍數值的速率比例，分別沿相反的方向同步移動。
8.如權利要求6和7中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述同步運動僅沿一個方向進行，所述中央控制單元的所述實際成像放大倍數運算裝置將所述同步運動期間復制到所述工件上去的圖形孔成像之大小與所述掩膜之所述圖形孔的實際大小之間的比例運算判定為所述實際成像放大倍數值。
9.如權利要求7和8任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述同步掩膜移動機構還用作所述掩膜移動機構，所述同步工件移動機構還用作所述工件移動機構。
10.如權利要求1至9中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，當所述工件由所述工件移動機構平移而處于固定狀態時，所述工件經定位，使其對準標記與所述復制圖形觀測裝置的成像平面中心吻合。
11.如權利要求1至10中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，它還包含掩膜支架裝置，用來使所述掩膜支托在這樣一個狀態，即所述掩膜圖形表面被置于一預定位置；以及工件移動機構，用來使所述工件支托在這樣一個狀態，即待處理的所述工件表面被置于一預定位置。
12.一光學處理裝置，其特征在于，它包含一光源；一掩膜，所述掩膜有一使從所述光源輻射的光束能夠通過的透光部分和一個反射所述光束的光反射部分；位于與所述透光部分相對位置上的反射裝置，用來將所述光反射部分反射的光線導向所述掩膜；一待光學處理的工件；一成像透鏡，用來將通過所述掩膜傳送的光線所形成的圖形復制到所述工件上；用來沿與所述成像透鏡光軸正交的方向移動互為平行的所述掩膜、所述成像透鏡和所述工件中的兩個的裝置，從而對所述工件進行光學處理；掩膜支架裝置，用來使所述掩膜支托在這樣一個狀態，即所述掩膜的圖形表面位于一預定位置；以及工件支架裝置，用來將所述工件支托在這樣一個狀態，即待處理的所述工件表面位于一預定位置。
13.如權利要求12所述的光學處理裝置，其特征在于，所述掩膜具有一預定厚度，并且安裝在所述掩膜支架上的位置使得所述掩膜的圖形表面面向所述成像透鏡。
14.如權利要求12和13中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述掩膜支架裝置上具有由至少兩個標記或一個預定形狀的單孔形成的測試圖形。
15.如權利要求12至14中任何一個權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述工件支架裝置包括一推進裝置，用來把所述工件推向所述成像透鏡；以及一固定構件，用來使所述工件固定在待處理的表面，并面向所述成像透鏡。
16.如權利要求1至15中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，它還包含一工件高度測量裝置，用來沿所述光軸方向測量所述工件的位置。
17.如權利要求16所述的光學處理裝置，其特征在于，所述工件高度測量裝置由一激光型長度測量裝置或一接觸型長度測量裝置構成。
18.如權利要求16所述的光學處理裝置，其特征在于，所述工件高度測量裝置適宜于用來檢測投射到所述工件上的所述掩膜圖形圖像的聚焦狀態，所述中央控制單元的所述光軸位移控制裝置控制所述光軸工件移動機構，從而所述工件處于所述圖形圖像被聚焦的位置。
19.如權利要求1至18中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述光源系統由一個準分子激光系統構成。
20.如權利要求1至19中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述工件是由一含有聚酰亞胺或在所述光束輻照下烘烤的陶瓷的多層印刷基片之生片組成的。
21.如權利要求1至20中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，它還包含一位置與所述工件移動機構相關聯的位置探測器，用來探測所述工件的位移。
22.一種在光學處理裝置中判定成像放大倍數的方法，所述光學處理裝置包含一光源系統，用來產生光束并輻射具有預定圖形的掩膜；一成像透鏡，用來將所述掩膜的圖形圖像復制到一工件上；一掩膜移動機構，用來沿與所述成像透鏡光軸垂直的方向移動所述掩膜；一工件移動機構，用來沿與所述成像透鏡光軸垂直的方向移動所述工件；一成像放大倍數改變機構，用來改變所述掩膜、所述成像透鏡和所述工件之間的掩膜/透鏡/工件之間距；以及一中央控制單元，其中，所述中央控制單元包括實際成像放大倍數運算裝置，用來按照復制圖形圖像和所述預定圖形之間的圖形比例，運算判定一實際成像放大倍數值；放大倍數判定裝置，用來判定所述實際成像放大倍值和一期望成像放大倍數值之間的差是否小于一允許值；光軸位移控制裝置，用來響應于所述差值超過所述允許值的所述放大倍數判定裝置之指示，根據所述實際成像放大倍值和所述期望成像放大倍數值，運算判定實際成像放大倍數值變得與所述期望成像放大倍數值相等的掩膜/透鏡/工件之間距，以此控制所述成像放大倍數改變機構，從而使所述掩膜/透鏡/工件之間距與所述運算判定間距吻合；以及位移控制裝置，用來控制所述掩膜移動機構和所述工件移動機構，所述具有一測試圖形的掩膜包括至少兩個標記，其中，所述中央控制單元的所述實際成像放大倍數運算裝置將復制到所述工件上去的所述標記圖像之間的距離和所述標記之間的實際距離之比運算判定為所述實際成像放大倍數值，其特征在于，所述方法包含借助于所述工件移動機構移動所述工件的第一移動步驟，從而將所述測試圖像的標記圖像置于所述復制圖形觀測裝置的觀測位置；通過所述復制圖形觀測裝置來觀測所述標記圖像的第一運算步驟，從而借助于所述圖像處理裝置，運算判定所述標記圖像偏離所述復制圖形觀測裝置的圖像平面中心的狀況；借助于所述工件移動機構移動所述工件的第二移動步驟，從而將標記圖像移向圖像平面的所述中心，移動的距離與所述偏差對應；通過所述復制圖形觀測裝置觀測向所述圖像平面中心移動的所述標記圖像之第二運算步驟，從而由所述圖像處理裝置運算判定所述標記圖像偏離所述中心的狀況；通過所述工件移動機構移動所述工件的第三移動步驟，從而將所述標記圖像向所述圖像平面中心平移，平移的距離與第二運算步驟中判定的偏離相對應；以及用來運算判定位置檢測裝置分別檢測的所述標記圖像之總位移的距離運算步驟，從而根據所述總位移之間的差，判定所述至少兩個標記圖像之間的距離。
23.如權利要求1所述的光學處理裝置，其特征在于，所述掩膜由一透光基片、一通過交替淀積兩種不同折射率的不同介電材料，在所述透光基片上形成的介電薄膜、以及在所述介電薄膜上延伸形成的一圖形而構成；所述光源系統由一激光裝置構成，所述激光裝置能夠用能量密度落在300至500mJ/cm2內的激光束輻射所述掩膜的所述介電薄膜；其中所述成像放大倍數值按照能量密度最佳值來設置，用來實施所述WP上的磨蝕處理。
24.如權利要求23所述的光學處理裝置，其特征在于，所述期望成像放大倍數值是由用落在300至500mJ/cm2范圍內優化能量密度進行復制所需的需求成像放大倍數值或者用300mJ/cm2的最小能量密度進行復制的可建議成像放大倍數給出的。
25.如權利要求23和24中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述高反射率鏡面置于與所述掩膜的介電薄膜相對的位置上，從而在所述高反射率鏡面和所述介電薄膜之間發生所述光束的多次反射。
26.如權利要求23至25中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述掩膜的所述透光基片或者是一種合成石英玻璃或者是一氟石，其中，所述兩種介電薄膜中，具有較高折射率的介電材料或者是氧化鉿，或者是氧化鈧，以及其中，具有較低折射率的介電材料或者是氧化硅，或者是氟化鎂，所述高折射率和低折射率的介電材料被堆積成20至30層。
27.如權利要求23至26中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述掩膜在所述介電薄膜的預定部分形成一參考光束透光部分，用來使一部分激光束能夠從中通過，所述光學處理裝置還包括第一激光強度傳感器，用來檢測通過所述參考光透射部分的激光束的強度。
28.如權利要求23至27中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，第二激光強度傳感器用于檢測輻照所述待處理工件表面的激光束強度。
29.如權利要求23至28中任一權利要求所述的光學處理裝置，其特征在于，所述激光束是由一KrF激光器輻射的，并具有波長248nm。
30.如權利要求23至129中任一權利要求所述的光學處理裝置中對工件進行光學處理的方法，其特征在于，它包含下述步驟通過具有一焦距的成像透鏡，將所述掩膜的圖形復制到所述工件上，所述成像透鏡能夠從理論上實現需求成像放大倍數和可推薦的成像放大倍數，以及調整成像放大倍數，從而使實際成像放大倍數值與所述期望成像放大倍數值吻合。
全文摘要
一種用光束對工件進行光學處理的光學處理裝置。該裝置不管是否更換掩模和工件，均能自動將成像放大倍數調整至一預定值，并同時使成像放大倍數保持為常數，并能延長掩模的使用壽命。該裝置包括一光源、一成像透鏡、一掩模移動機構、一工件移動機構、一成像放大倍數改變機構以及一中央控制單元。該中央控制單元含有一實際成像放大倍數運算模塊、一放大倍數判定模塊、一光軸位移控制模塊以及一位移控制模塊。
文檔編號H05K3/00GK1119975SQ95106168
公開日1996年4月10日 申請日期1995年6月2日 優先權日1994年6月2日
發明者中谷元, 杉立厚志, 出云正雄, 皆川忠郎, 八木俊憲, 頭本信行, 南谷靖史, 松下嘉文 申請人:三菱電機株式會社