無掩膜曝光系統及方法

文檔序號：2688590閱讀：363來源：國知局

專利名稱：無掩膜曝光系統及方法
技術領域：
本發明涉及無掩膜直寫數字光刻技術，尤其涉及無掩膜曝光系統、無掩膜曝光方法、元件的制造方法和圖像掃描方法。
背景技術：
平板顯示器(FPD)基板已被廣泛用于個人電腦、電視機等地方。這種液晶顯示器 (LCD)基板是在一個感光基板上通過光刻制備透明薄膜電極而制造出來的。為了實現光刻曝光，通過光學投影系統將模板圖案投影到玻璃基板上的光刻膠的曝光儀器已經生產和使用。
近來大家都預計平板顯示器基板的面積會進一步加大。相應地，投影曝光裝置中的曝光面積也就需要進一步增大。
對于大型薄膜晶體管液晶顯示器來說，如果能在一塊玻璃基板上同時生產6個或 8個板通常是最有效的。由于更大液晶顯示器需求的持續增長，制造商已在大規模生產過程中將玻璃母板尺寸從10年前的680X880毫米加大到現在的2880X3080毫米。目前已有幾家公司正在建設10代線，它們使用是2880X3080毫米的玻璃基板。
為了增加曝光面積，目前在傳統掩膜光刻的基礎上已提出了一個所謂的步進-掃描式曝光系統(步進-掃描系統曝光裝置)。采用這個系統曝光，掩模板和感光基板將在曝光時根據投影光學系統進行掃描-移位操作。掩模板和感光基板將在垂直于掃描的方向上移位特定距離，然后再進行下一個掃描式曝光。
在10代線的液晶顯示器制造過程中，像素單元陣列和彩色濾光片在圖案化處理流程中的技術要求和制造成本方面都遇到了很大的挑戰。典型的非晶硅薄膜晶體管有大約 3. 5微米臨界尺寸和± I μ m的對齊精度。在彩色濾光片制造過程中，只有黑色矩陣(一個彩色濾光片上形成的黑屏似的圖案用于防止漏光，提高了對比度和分開RGB子像素)要求小于 IOym的分辨率和小于±3 μ m的對準精度。RGB像素，隔片和垂直對齊突起，通常不需要小于20 μ m的分辨率精度。與半導體相比，雖然液晶曝光的規格是非常寬松的，但它在大面積曝光和維系產能方面，同樣面臨非常大的挑戰。
由于基板的增大，維持生產力增長的主要方法是靠增加掩模板和曝光區域的大小。
現在用于生產8代線的最大掩模板是1220X1400毫米，厚度為13毫米。附上一塊薄膜(用于防止顆粒污染掩模板表面透明薄膜)，這樣的一塊二進制掩模板成本就很容易超過35萬美元。為了維持10代線的產能并在2880X3080毫米基板上進行四次掃描曝光，光刻和掩膜板公司正在開發面積更大的1600X 1800毫米(厚度為17毫米)的掩模板。大體上說這些非常沉重的石英掩模板耗資超過I百萬美元。
并且在傳統掩模光刻中，高分辨率應用的圖案化掩模板或膠片通常非常昂貴，而且壽命很短。此外，光學掩膜板需要一個很長的采購交貨時間，這對需要在很短時間內開發的產品來說是一個問題。如果發現一個特定的掩模版設計需要進行圖案設計修改時，即使是一個無論多么小的變化，相應的模板修改成本和交貨時間都可能會在生產所需產品過程中導致一些嚴重問題。
因此，目前的光刻技術對于實現大面積曝光還存在生產率低、曝光質量較差以及成本高等問題。發明內容
為此，本發明實施例提供了一種無掩膜曝光系統、無掩膜曝光方法、元件的制造方法和圖像掃描方法，能夠實現大面積曝光并對準。
一方面，本發明實施例提供了一種無掩膜曝光系統，該無掩膜曝光系統包括光學引擎陣列，設置在基板的上方，用于生成曝光圖案并將該曝光圖案轉換到該基板上；平移裝置，用于驅動該光學引擎陣列沿著第一方向平移；掃描平臺，固定在該無掩膜曝光系統的基座上，用于承載該基板并驅動該基板沿著第二方向移動，該第二方向與該第一方向垂直；運動控制及數據處理系統，用于控制該平移裝置和該掃描平臺的運動，并處理曝光圖案數據，以便于該光學引擎陣列生成該曝光圖案；其中，該光學引擎陣列包括的光學引擎以(M，N) 陣列排布，M和N為自然數，且M與N的乘積大于或等于2 ;該掃描平臺還設置有至少一個第二方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第二方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
另一方面，本發明實施例提供了一種無掩膜曝光系統，該無掩膜曝光系統包括根據本發明實施例的第一無掩膜曝光系統，設置在基板的上方；根據本發明實施例的第二無掩膜曝光系統，設置在該基板的下方，其中該第一無掩膜曝光系統或該第二無掩膜曝光系統包括光學引擎陣列，設置在基板的上方，用于生成曝光圖案并將該曝光圖案轉換到該基板上；平移裝置，用于驅動該光學引擎陣列沿著第一方向平移；掃描平臺，固定在該無掩膜曝光系統的基座上，用于承載該基板并驅動該基板沿著第二方向移動，該第二方向與該第一方向垂直；運動控制及數據處理系統，用于控制該平移裝置和該掃描平臺的運動，并處理曝光圖案數據，以便于該光學引擎陣列生成該曝光圖案；其中，該光學引擎陣列包括的光學引擎以(M，N)陣列排布，M和N為自然數，且M與N的乘積大于或等于2 ;該掃描平臺還設置有至少一個第二方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第二方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
再一方面，本發明實施例提供了一種無掩膜曝光方法，該無掩膜曝光方法包括生成步驟，使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，生成預定的曝光圖案；曝光步驟，使用根據本發明實施例的曝光系統，將該預定的曝光圖案轉換到感光性基板的表面。
再一方面，本發明實施例提供了一種元件的制造方法，該制造方法包括生成步驟，使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，生成預定的曝光圖案；曝光步驟，使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，將該預定的曝光圖案轉換到感光性基板的表面；顯影步驟，對該曝光步驟所曝光的該感光性基板進行顯影。
再一方面，本發明實施例提供了一種圖像掃描方法，該圖像掃描方法包括使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，將該無掩膜曝光系統的空間光調制器生成的曝光圖案轉換成圖像傳感器采集的圖像。
本發明已經考慮了上述問題，將提供一個可以實現超大面積掃描曝光的無掩膜曝光裝置。它具有出色的成像性能，并具有運行成本低、工作周期時間短、不會降低產能等特點。其中的一個技術進步就是采用了一種新型的無掩膜光學引擎和光刻方法，將直接由空間光調制器(SLM)給超大基板的特定位置提供數字圖像，并通過視覺系統檢測光學引擎和超大基板間的對準標記和錯位，從而克服傳統曝光系統掩模板交貨時間長，成本高等缺點。
在本發明實施例中，無掩膜掃描曝光裝置可以使用紫外光源，空間光調制器 (SLM),無掩模光學引擎，移動電機系統，位置檢測器，視覺系統，控制系統，數據轉換和數據處理軟件和計算機系統中的一個或多個設備來進行實行超大面積曝光。其原理是由計算機生成圖案數據，將通過由空間光調制器(SLM)，比如數字微鏡器件DMD、液晶顯示器件 LCD、硅基液晶器件LCOS和其它兩維顯示面板實現的無掩模光學系統，投影到移動平臺上的超大基板表面。它也可以通過多個無掩模光學引擎形成陣列，用于加快超大基板的曝光。
每一個無掩膜光學引擎都可以是具有多種功能。其中的一個功能就是每個復合無掩膜光學引擎都可以包括位置探測器，該位置探測器可能是CCD相機、激光位置檢測器或其他位置檢測器用于讀取固定在平臺或基板上的參考線或標記的位置；第二功能是在基板上特定位置形成計算機設計的圖案，其中的位置信息由控制器從光柵尺和位置檢測器讀出；第三個功能是自動對焦系統可以自動檢測基板表面的焦距，來調整無掩膜光學引擎的位置，從而可以隨時得到最佳焦點。
為了實現上述目標，本發明實施例的超大尺寸FPD無掩膜曝光系統的第一個特征是采用光感材料進行曝光的超大型基板，而位于上方的復合無掩膜光學引擎包括光源和無掩膜光學引擎(無掩膜光學引擎可以共享一個光源)，帶光源的視覺系統，其波長為與曝光光源的波長不同，基板上的感光材料對該波長不敏感；每個無掩膜光學引擎上安裝有視覺系統，其光軸通過分光鏡與無掩膜光學引擎對齊。該分光鏡對曝光激光幾乎透明，而對視覺系統照明光是半反射半透明的，其焦平面位置與無掩膜光學引擎相同。視覺系統監視光學引擎的起始位置，其功能是檢查光學引擎位置，同時也可用于對準超大基板上圖案的位置。每個無掩膜光學引擎都可能有一個可單獨控制的Z軸步進電機，用于改變無掩膜光學弓丨擎和基板之間的距離，并實現自動對焦檢測功能。
由控制系統控制的Y軸電機平臺與無掩膜光學引擎同步，平臺可以使無掩膜光學引擎和基板之間進行相對移動；在一種實體中，系統可包括一排以上的復合無掩膜光學引擎，用于在超大基板生生成圖案和大量的像素單元。復合無掩膜光學引擎被安裝在X軸電機上，并也由控制系統控制。沿掃描方向Y軸兩邊都固定有兩個位置傳感器在X軸電機上，并在移動平臺上或基板上刻寫了一根參考基線或標記。無掩膜光學引擎的移動平臺上也有起點位置標記。一般來說，一個無掩膜光學引擎的曝光區域是一個矩形區域并且矩形相對與掃描方向傾斜角度約I 10度。在曝光過程中，首先關閉曝光光源，打開視覺系統光源。因為標記的位置經過準確地校準，即使超大型基板的表面沒有任何圖案，無掩膜引擎也可以直接由視覺系統讀取在移動平臺上的參考標記來糾正自己的位置。這兩個在X軸電機上的位置傳感器將在垂直掃描方向上讀取相對參考線的位置誤差，因為Y軸可能由于移動和溫度，振動而導致移動平臺和無掩膜光學引擎的位置誤差。計算機系統將基于位置信息數據產生圖案，然后打開曝光光源，并開始掃描。在掃描過程中，這兩個位置傳感器記錄移動平臺上的位置誤差，并和計算機系統一起糾正發送到無掩膜光學引擎的圖像數據。如果在基板上表面有一個事先確定的圖案，視覺系統就可以讀取圖案中的標志位置，然后將其保存在計算機和矯正曝光數據并進行曝光。如果對整個基板需要進行多行掃描，X軸需要移動同單次曝光區域寬度相同的距離，并由視覺系統讀取每個無掩膜光學引擎掃描起點的標志。在這種情況下，由于多個無掩膜光學引擎的曝光區域預先進行精心設計，在垂直與掃描方向超大基板上的每個點在掃描方向上經過曝光區域的長度總和不變，因此也就是說，在整個基板表面的曝光量為常量。同樣在所有平行于掃描方向上曝光矩形區在垂直與掃描方向的長度總和是常數.這里存在一個兩次掃描間的拼接區.由于曝光矩形區傾斜，拼接區可以從一次掃描到下一次掃描平滑過渡，因此可以精確和平滑地實現多行掃描曝光，由緊湊無掩膜光學引擎的小曝光區形成一個大曝光面積。由于每個無掩膜光學引擎非常緊湊，掃描曝光可以盡量減少像差的產生，保持了很好的成像性能。為了提高曝光速度，無掩膜光學引擎還可以增加排成幾排形成交錯模式。
本發明的另一個特征可以是基板的上下兩面都有光敏材料用于曝光；無掩膜復合光學引擎置于基板上方形成MXN陣列排布；計算機控制下的XY移動平臺與無掩膜復合引擎同步，XY移動平臺可以使基板相對復合掩膜引擎進行移動；平臺上或基板上的參考標記板對曝光光源透明，而反射視覺系統照明光，參考標記板位于視覺系統焦平面，其中參考標記包括對每個無掩模復合引擎的標線和標記。一般來說，一個無掩膜光學引擎的曝光區域是一個矩形區域并且根據曝光參數的選擇，矩形相對與掃描方向傾斜角度約I 10 度。在曝光過程中，首先關閉曝光光源，打開視覺系統光源。因為標記的位置經過準確地校準，即使超大型基板的表面沒有任何圖案，無掩膜引擎也可以直接由視覺系統讀取在移動平臺上的參考標記來糾正自己的位置。因為參考標記板上的標記位置都是經過嚴格標定的。視覺系統也具有位置傳感器功能讀取在移動平臺上的參考標記來糾正自己的位置。計算機系統將基于位置信息數據產生圖案，然后打開曝光光源，并開始掃描。在掃描過程中，視覺系統實時地探測移動平臺的位置誤差，并和計算機系統一起糾正圖像數據并發送到無掩膜光學引擎。如果在基板上表面已有一個圖案，視覺系統就可以讀取該圖案中的標志位置，然后將其保存在計算機和矯正曝光數據并進行曝光。如果對整個基板需要進行多行掃描，X軸需要移動同單次曝光區域寬度相同的距離，并由視覺系統讀取每個無掩膜光學引擎掃描起點的標志。在這種情況下，由于多個無掩膜光學引擎的曝光區域預先進行精心設計，在垂直與掃描方向超大基板上的每個點在掃描方向上經過曝光區域的長度總和不變，因此也就是說，在整個基板表面的曝光量為常量。同樣在所有平行于掃描方向上曝光矩形區在垂直與掃描方向的長度總和是常數.這里存在一個兩次掃描間的拼接區.由于曝光矩形區傾斜，拼接區可以從一次掃描到下一次掃描平滑過渡，因此可以精確和平滑地實現多行掃描曝光。同時在每個無掩膜光學引擎的小曝光區的開始和結束同樣存在一個拼接區，為了平滑過渡這一區域一種方法可以是采用灰度曝光，另一方法可以是控制曝光的光強使一個無掩膜光學引擎的小曝光區平滑過渡到另一個無掩膜光學引擎的小曝光區。由緊湊無掩膜光學引擎的小曝光區形成一個大曝光面積。由于每個無掩膜光學引擎非常緊湊，掃描曝光可以盡量減少像差的產生，保持了很好的成像性能。
本發明的其中一個目的是消除傳統曝光系統的缺點，提供一個具有標記識別系統的超大面積無掩膜曝光裝置。它的標記識別系統可以通過簡單設計大大提高圖案對準精度。
本發明實施例進一步提供了一種無掩模曝光裝置，當第一個目標和第二個目標在相對于第三個目標的某一方向上移動時，可以將第一個目標產生的超級大的圖像成像到第二個目標上。該裝置由以下幾個部分組成第一個目標的一排無掩模光引擎，用來在第二個目標上成SLM像；每個無掩模光引擎配有一個自動對焦系統，用來確保將SLM像成在第二個目標上；每個無掩模光學系統配有一個視覺系統或者位置傳感器，用來探測相對于第二個目標的位置誤差；第三個目標配有兩個位置傳感器，用來探測在移動時相對于第二個目標的位置誤差；第三個或者第二個目標上有一個參考標記，用來標記每個無掩模光學引擎校準相對于第一個目標在起始點的位置誤差；第二個目標的兩面各有一個參考線條，用來校準第二個目標相對于第一個目標的位置誤差。
同時，每個無掩模光學引擎可以包括光源，用來在第二個目標表面曝光光敏材料；SLM,用來在第二個目標的表面成像素像；光學系統,其兩個成像共軛點之一和第一個目標的SLM重合,另一個共軛點位于第二個目標的表面上；視覺系統,其光源的波長對第二個物體上的光敏材料不敏感。
本發明實施例又進一步提供了一種無掩模曝光裝置，當第一個目標和第二個目標在相對于第三個目標的某一方向上移動時，可以將第一個目標產生的超級大的圖像成像到第二個目標上。該裝置可以由以下幾個部分組成幾排第一個目標的無掩模光引擎，用來成 SLM像在第二個目標上成SLM像，這幾排無掩模光學引擎在列方向上交錯排列；每個無掩模光引擎配有一個自動對焦系統，用來確保將SLM像成在第二個目標上；每個無掩模光學系統配有一個視覺系統或位置傳感器，用來探測相對于第二個目標的位置誤差；第三個目標配有兩個位置傳感器，用來探測在移動時相對于第二個目標在移動過程中的位置誤差；第三個或者第二個目標上有一個參考標記，用來標記每個無掩模光學引擎校準相對于第一個目標在起始點的位置誤差；第二個目標的兩面有兩條參考線條，用來校準第二個目標相對于第一個目標的位置誤差。
同時，每個無掩模光學引擎可以由以下幾個部分組成光源，用來在第二個目標表面曝光光敏材料；空間光調制器SLM，用來在第二個目標的表面成像素像；光學系統，其兩個共軛成像點之一和第一個目標的SLM重合，另一個共軛點位于第二個目標的表面上；視覺系統，其光源的波長對第二個目標上的光敏材料不敏感。
本發明實施例更進一步提供了一種無掩模曝光系統，用于將第一個目標成的超級大的像直接成在第二個目標上。該無掩模曝光系統可以包括由第一個目標的無掩模光引擎組成的陣列，用來在第二個目標上成SLM像；每個無掩模光引擎具有自動對焦系統，用來確保將SLM像成在第二個目標上；無掩模光學引擎的視覺系統，用來探測相對于第二個目標的位置誤差；第二個目標上有一個參考標記平板，用來校準每個無掩模光引擎相對于第一個目標的位置誤差。
同時，每個光引擎可以由以下幾個部分組成光源，用來在第二個目標表面曝光光敏材料；SLM，用來在第二個目標的表面成像素像；光學系統，其兩個成像共軛點之一和第一個目標的SLM重合，另一個共軛點位于第二個目標的表面上；視覺系統，其光源的波長對第二個物體上的光敏材料不敏感。其中，該視覺系統的光軸和無掩模光學引擎通過一個分光器重合；同時第二個目標上的參考平板是可以透過曝光用的光線，反射視覺系統的光線；第二個目標上的參考平板和第二個目標可以固定在一起，隨著第二個物體的運動而運動；參考平板上的標記和線條對于第一個目標的曝光用光線也是透明的。
本發明實施例還進一步提供了一種無掩模曝光系統，用于將第一個目標成的超級大的像直接成在第二個目標上。該無掩模曝光系統可以包括由第一個目標的無掩模光引擎組成的陣列，用來在第二個目標上成SLM像；無掩模光引擎的自動對焦系統，用來確保將 SLM像成在第二個目標上；無掩模光學引擎的觀測系統，用來探測相對于第二個目標的位置誤差；第二個目標上有一個參考標記平板，用來校準每個無掩模光引擎相對于第一個目標的位置誤差。
同時，每個光引擎可以由以下幾個部分組成光源，用來在第二個目標表面曝光光敏材料；SLM,用來在第二個目標的表面成像素像；光學系統,其兩個共軛點之一和第一個目標的SLM重合，另一個共軛點位于第二個目標的表面上。其中，第二個目標的參考標記平板可以在第一個目標之上，并會反射視覺系統的光線；第二個目標上的參考標記平板和第二個目標可以固定在一起，并隨著第二個目標的運動而運動；視覺系統的光源的波長對第二個目標上的光敏材料不敏感，視覺系統的焦點可以在參考標記平板上。
基于上述技術方案，本發明實施例的無掩膜曝光系統、無掩膜曝光方法、元件的制造方法和圖像掃描方法，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提聞曝光質量。

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性框圖。
圖2是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統掃描形成的縫合區域的示意性框圖。
圖3是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的整個掃描區域被兩排光學引擎一次掃描曝光以后形成的縫合區域的示意性框圖。
圖4是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的另一示意性框圖。
圖5是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的相鄰兩個光學引擎在掃描方向的縫合區域和光強變化的示意性框圖。
圖6是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的參考標記平板的示意性框圖。
圖7是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統包括的無掩膜光學引擎的示意性框圖。
圖8是根據本發明實施例的包括視覺系統的無掩膜光學引擎的示意性框圖。
圖9是根據本發明實施例的包括共軸視覺系統的無掩膜光學引擎的示意性框圖。
圖10是根據本發明實施例的包括共軸視覺系統的無掩膜光學引擎的另一示意性框圖。
圖11是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的參考標記平板的另一示意性框圖。〔0045〕圖12是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的參考標記平板的再一示意性框圖。
〔0046〕圖13是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的參考標記平板的再一示意性框圖。
〔0047〕圖14是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的再一示意性框圖。
〔0048〕圖15是根據本發明實施例的無掩膜曝光方法的示意性流程圖。
〔0049〕圖16是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性透視圖。
〔0050〕圖17是圖16中所示的根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性俯視圖。
〔0051〕圖18是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的另一示意性透視圖。
〔0052〕圖19是圖18中所示的根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性前視圖。
〔0053〕圖20是圖18中所示的根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性俯視圖。
〔0054〕圖21是根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的再一示意性透視圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬于本發明保護的范圍。
應理解，本發明涉及無掩膜光刻或直寫數字成像技術，特別涉及單面無掩模曝光系統或雙面無掩模曝光系統，該曝光系統能夠同時對平板的一側或兩側進行曝光，該平板例如為用于印刷電路板PCB的基板，或用于引線框的片板等。本發明期望的主要應用場景是用于印刷電路板、IC封裝和液晶顯示器制造中的雙面曝光；然而，本發明還可以用于文件印刷、照相復制等。下文中將以PCB中的曝光應用為例進行說明，但本發明并不限于此，本發明還可以應用于其它領域。
圖1示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性框圖。該無掩膜曝光系統包括
光學引擎陣列，設置在基板的上方，用于生成曝光圖案并將該曝光圖案轉換到該基板上；
平移裝置，用于驅動該光學引擎陣列沿著第一方向平移；
掃描平臺，固定在該無掩膜曝光系統的基座上，用于承載該基板并驅動該基板沿著第二方向移動，該第二方向與該第一方向垂直；
運動控制及數據處理系統，用于控制該平移裝置和該掃描平臺的運動，并處理曝光圖案數據，以便于該光學引擎陣列生成該曝光圖案；
其中，該光學引擎陣列包括的光學引擎以(M，N)陣列排布，M和N為自然數，且M與 N的乘積大于或等于2 ;該掃描平臺還設置有至少一個第二方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第二方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光系統，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
具體而言，例如如圖1所示，無掩膜曝光系統包括的光學引擎陣列以(1，2)陣列排布，如圖1中的區域514和507所示，該光學引擎陣列設置在超大基板517的上方，用于在運動控制及數據處理系統的控制下，生成曝光圖案并將該曝光圖案轉換到該基板上；該光學引擎陣列例如裝載在平移裝置(未示出)上，驅動該光學引擎陣列沿著第一方向即χ方向平移；掃描平臺504固定在該無掩膜曝光系統的基座上，該基座例如為大理石基座，用于承載該基板517并驅動該基板沿著第二方向即y方向移動；該掃描平臺504還設置有兩個y 方向的諸如線性編碼器的位置傳感器510、512，用于檢測該掃描平臺504移動時沿y方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
在本發明實施例中,可選地,在該第一方向和該第二方向平行于該基板時，該無掩膜曝光系統還包括至少兩個第一方向位置參考系統，分別沿該掃描平臺的與該第二方向平行的兩邊緣設置；其中，該掃描平臺或該基板上設置有與該第二方向平行的至少兩條參考基線，該至少兩條參考基線位于該至少兩個第一方向位置參考系統的下方；并且該至少兩個第一方向位置參考系統用于在該掃描平臺移動時，檢測該光學引擎陣列相對于該基板在該第一方向上的位置誤差。
例如，如圖1所示，χ方向和y方向平行于基板517，該無掩膜曝光系統還包括兩個第一方向位置參考系統515和508，該位置參考系統可以是位置傳感器；掃描平臺504或基板517上設置有與y方向平行的兩條參考基線516和505，這兩條參考基線516和505分別位于位置參考系統515和508的下方；并且這兩個第一方向位置參考系統515和508用于在該掃描平臺504移動時，檢測該光學引擎陣列相對于該基板517在χ方向上的位置誤差。
在本發明實施例中，可選地，該掃描平臺或該基板上設置有起始標記，例如如圖1 中的交叉記號519所示，用于標識該光學引擎陣列包括的每個光學引擎的起始掃描位置；其中，該光學引擎陣列的每個光學引擎包括視覺系統，用于根據該起始標記校準該光學引擎與該基板的相對位置。
可選地，在本發明實施例中，該光學引擎陣列的每個光學引擎包括對焦裝置，用于沿與該基板垂直的方向驅動該光學引擎，以使得該光學引擎輸出的曝光圖案成像在該基板的表面上。
具體而言，如圖1所示，如區域514和507所示的兩個無掩模光學引擎設置在同一排上，用來在超大基板517上產生圖案和產生大量像素點；基板517被真空桌504托住，并可以在控制系統的控制下沿y方向運動并和無掩模光學引擎保持同步。區域514和507是基板517上兩個無掩模光學引擎的空間光調制器SLM像。無掩模光學引擎被裝載在X平臺 (這里沒有顯示)上，該平臺也被控制系統所控制。X平臺的梁上固定著兩個位置傳感器515 和508，他們在桌子504的邊緣上，沿著掃描方向Y。在位置傳感器515和508下面各有一條參考線條(或標記)516和505，位于平臺504或者基板517上。在平臺504上無掩模復合引擎的下面也有位置標記(交叉記號)519，位于每一次掃描的起始點。通常，無掩模光學引擎的曝光區域514和507是長方形的，根據曝光參數的選擇，長方形514和507相對于掃描方向Y具有一個廣10度的傾斜角。Y平臺504被兩個直線導軌501和503支撐，位于花崗巖基座502上，該基座帶有振動隔離器(這里沒有顯示)。由于Y平臺較大，在平臺504的兩側有兩個直線電動機512和510和兩個直線編碼器513和509，用于Y平臺位置的反饋。
在曝光過程中，首先曝光光源關閉，無掩模光學引擎的視覺系統的光源開啟。如果基板517的表面上沒有圖案，那么視覺系統可以直接讀取平臺504上的標記519來校準它自己的位置，因為這些標記的位置在系統安裝時是經過精確校準的。兩個位置傳感器515 和508將讀取在垂直掃描方向(Y方向)Y平臺504相對于參考線516和505的位置誤差，因為Y平臺504可能會出現在運動過程中偏離、直線和顛簸誤差。控制系統基于位置信息產生圖像數據，然后開啟曝光光源并開始掃描。當Y平臺504在掃描時，兩個位置傳感器515 和508 —直在讀入Y平臺在垂直于掃描方向的位置誤差，然后控制系統校準圖像數據并把它傳到這兩個無掩模復合引擎上。如果基板表面上已經有了一個圖案，無掩模復合引擎上的視覺系統可以讀取基板上的對準標記的位置，然后把位置數據存入計算機里，并校準那些和基板位置相匹配的圖像數據，再開始曝光。圖1所示為整個基板的多次掃描曝光，X平臺需要移動一段相當于曝光區域514和507寬度的距離，視覺系統需要在每個無掩模引擎掃描的起始點讀入標記519。在掃描的過程中，兩個編碼器513和509可能不會得到相同的數字，這意味著Y平臺的兩邊不在同一個位置。假設存在位置差dy=Yl-Y0，YO是從編碼器513得到的數據，而Yl是從編碼器509得到的數據，則根據每個無掩模光學引擎的X位置，可以確定無掩膜光學引擎的Y位置為Y=dy*X/L+Y0 ;其中，L是兩個編碼器之間的距離；這里的X的值需要很精確，因為dy是個很小的值。計算機根據Y值產生數據，用于每個無掩模復合引擎的同步。在圖1中整個基板的曝光過程中，無掩模復合引擎507和514進行了四次掃描518和506。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光系統，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面由于掃描平臺的掃描距離和掃描時間的減小，并且通過位置參考系統和視覺系統進行對準，能夠顯著提高大面積曝光時的曝光質量。
圖2示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統掃描形成的縫合區域的示意性框圖。如圖2所示，無掩模曝光系統將通過在超大基板517上形成的無掩模光學引擎514和 507產生多個曝光區域。曝光區域601和606的安排使得在掃描方向603和605上的像素長度之和在垂直于掃描方向603和605的方向上是常數,也就是說,一定量的曝光光束在基板517的整個表面上是常數。由于曝光區域601和606是傾斜的,它們的在掃描方向603和 605的排列使得在垂直于掃描方向603和605的方向上曝光區域的寬度之和是常數。兩次掃描603和605之間有一個縫合區域602，607。由于長方形601，606是傾斜的，線602，607 之間的縫合區域是兩次掃描之間的平滑過渡，所以多次掃描曝光可以得到一個很大的曝光區域，整個基板上的曝光精確且平整，使用緊湊的無掩模光引擎，因此可以得到小的曝光區域。同時，由于每個無掩模復合引擎結構緊湊，所以我們在掃描曝光是可以做到減少像差和確保優秀的成像效果。為了增加曝光速度，可以交錯增加幾排無掩模引擎。
圖3示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的整個掃描區域被兩排光學引擎一次掃描曝光以后形成的縫合區域的示意性框圖。在圖3所示的例子中，整個基板的曝光只需要一次掃描。曝光區域701、721、720、719是第一排，曝光區域704、712、711是第二排。第一排沿著路徑703、705、708、710掃描，第二排沿著路徑705、707、709掃描。縫合區域為702、714、715、716、717、718。由于無掩模引擎的間距和每個無掩模光學引擎的有效掃描寬度相同，這個交錯的引擎設置只需要單次掃描曝光，可以不需要X平臺。
在本發明實施例中，在該第一方向垂直于該基板時，可選地，該掃描平臺還用于驅動該基板沿著第三方向移動，該第三方向與該第二方向垂直，且該第三方向平行于該基板；該掃描平臺還設置有至少一個第三方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第三方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
例如，如圖4所示，在該第一方向(Z方向)垂直于該基板即與X方向和y方向垂直時，掃描平臺807還用于沿X方向驅動基板808，并且該掃描平臺807還設置有兩個第三方向位置傳感器806和802，用于檢測該掃描平臺807移動時沿該χ方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎813、815、819和820。
具體而言,在圖1所不的無掩模曝光系統中，基板517只在Y方向移動,無掩模光學引擎507、514在X方向移動；而在圖4所示的無掩模曝光系統中，基板808在XY兩個方向移動，Y方向依然是掃描方向。四個無掩模復合引擎813、815、819、820在基板808上組成了一個無掩膜光學引擎矩陣。該XY平臺可以設在花崗巖基座801上，該基座被振動隔離器支撐(這里沒有顯示)。X和Y方向有兩對編碼器806、802、812、809。由于有一個2x2的無掩模光引擎矩陣，XY平臺運動的長度只需要1/2Χ1/2基板的尺寸808。無掩模光學引擎 813、815、819、820被裝載在帶有一個Z軸基板808上或者一個單獨的Z軸上。引擎813沿著線814掃描，引擎819沿著線817掃描。線818和816顯示由兩排引擎813,820和815、 819引起的重疊區域。
由于這個重疊區域位于和掃描方向垂直的方向，無掩模光學引擎的傾斜不會在掃描方向對兩個相鄰曝光區域之間的平滑起作用。一種方法可以是在線818、816之間使用灰階曝光，但是該方法不適用于二元曝光。解決方法是在線818、816之間逐步降低第一個無掩模引擎813、820的光源輸出并逐步增加第二個無掩模引擎815、819的光源輸出。引擎813、820的掃描在Υ3線啟動或者停止，當掃描速度從Υ2到Υ3降到O時，引擎818、816 停止。引擎815、819的掃描在YO線啟動或者停止，當掃描速度從Yl到YO降到O時，引擎 815,819 停止。
圖5示出了光強以及YO和Υ3之間的掃描速度變化。線902、903引擎813、820的光輸出和位置關系圖，線904、906所示為引擎815、819的光輸出。同時曲線905所示為引擎813、820的速度，曲線901所示為引擎815、819的速度。
可選地，該無掩膜曝光`系統還包括參考標記平板，用于標識該光學引擎陣列的運動軌跡，該運動軌跡包括該光學引擎陣列中的每個光學引擎的起始標記、停止標記和掃描路線；該光學引擎陣列的每個光學引擎包括視覺系統，用于根據該參考標記平板中的運動軌跡校準該光學引擎與該基板的相對位置。
如圖6所示，因為平臺807在X和Y方向移動，參考標記不能和圖1中的系統相同。修正平臺807的位置需要一個平板來顯示無掩模復合引擎的整個運動軌跡。在圖6中，交叉記號1001、1004是引擎813、820的起始或者停止位置。交叉標記1003、1006是引擎815、 819的起始或者停止記號。線1002是引擎813的掃描軌跡，線1005是引擎815的掃描軌跡，線1002和1005是完全相同的。線1010和1008是引擎820和819的掃描軌跡。長方形區域1007是有效曝光區域。
在本發明實施例中，如圖7所示，可選地，該光學引擎陣列的每個光學引擎100包括
曝光光源101,對該光學引擎100提供曝光光束；
空間光調制器103，用于生成曝光圖案；
成像轉換系統105，用于將該曝光圖案轉換到該基板107，該成像轉換系統105的其中一個成像共軛點位于該基板107的表面上。
應理解，在本發明實施例中，例如該曝光光源101提供UV光，以對涂有諸如光刻膠的光敏材料的基板107進行曝光。該光源系統101例如還可以包括光纖以及光準直勻化裝置，曝光光源101發射的曝光光束通過光纖進入光準直勻化裝置，以對曝光光束進行準直和/或均勻化處理。應理解，曝光光源可以僅包括單獨的曝光光源，也可以包括輸出光束已經經過準直和/或均勻化處理的曝光光源，本發明并不限于此。
具體而言，例如，無掩模光學引擎100包括帶有光纖116的曝光光源101，光準直器和均光器102 ；102的輸出光被鏡面104反射到空間光調制器(SLM) 103，透鏡105將SLM 103成像到基板107上。基板107的表面有光致抗蝕劑涂層。光準直器和均光器102為SLM 103提供了一束均勻光束，表面平板108用來支撐基板107。平板108在控制系統的控制下可以在XY方向移動。空間光調制器103產生需要的像素圖案(像素掩模圖案)。像素掩模圖案可以在空間光調制器103上保留一段特定的時間并和平板108的運動同步。從空間光調制器103發出的光然后經過成像轉換系統105。從成像轉換系統105出來的光然后聚焦到基板107的表面上。基板107可以是IXD玻璃平板，PCB板，或者半導體晶片。然而，需要指出的是，很多不同基板可以從本發明中得益，包括進一步的例子，如非平坦基板。我們希望使用無掩模曝光系統在基板107上投射圖案。系統中有Z軸方向的移動機制，用在無掩模光學引擎100的聚焦調節上。
在本發明實施例中，可選地，該曝光光源包括紫外光、紅外光、可見光、電子束、離子束和X射線中的至少一種能量輻射。可選地，該成像轉換系統包括將來自該空間光調制器的曝光圖案轉換到該基板上的成像透鏡；或將來自該空間光調制器的每個象素的光聚焦為點陣列并轉換到該基板上的點陣列成像系統；或將來自該空間光調制器的曝光圖案劃分成子圖像陣列并轉換到該基板上的子圖像陣列成像系統。
S卩，該成像轉換系統105包括將來自該空間光調制器103的曝光圖案投影到基板 107上的成像透鏡；即成像轉換系統105采用直接成像法；可選地，該成像轉換系統105包括將來自該空間光調制器103的每個象素的光聚焦為點陣列并成像到該基板107上的點陣列成像系統；即成像轉換系統105采用點陣列法。可選地，該成像轉換系統105包括將來自該空間光調制器103的曝光圖案劃分成子圖像陣列并成像到該基板107上的子圖像陣列成像系統；即成像轉換系統105采用子圖像陣列法。
應理解，在本發明實施例中，即光學引擎可以分別具有獨立的曝光光源，或各光學引擎也可以共用曝光光源；曝光光源與校準光源可以單獨設置，也可以整體設置，本發明實施例并不限于此。
應理解，在本發明實施例中，該光學引擎陣列包括的光學引擎還可以具體其它結構，例如本發明實施例中的光學引擎還可以采用US637986 7、US6473237、US6493867或 US7932993中所述的光學引擎，本發明實施例并不限于此。
在本發明實施例中，可選地，該視覺系統包括第一校準光源、第一分束裝置和第一成像裝置；其中，該第一校準光源具有對該基板上的光敏材料不敏感的光波長，該第一校準光源發射的校準光束在透過該第一分束裝置后，由該掃描平臺或該基板反射回該第一分束裝置，并且經由該第一分束裝置反射進入到該第一成像裝置。
應理解，在本發明實施例中，術語“第一”、“第二”僅為了區分不同的器件，而不應對器件的數量構成任何限定，并且“第一”和“第二”可以互換，本發明實施例并不限于此。
具體而言，例如，如圖8所示，該視覺系統可以有以下幾個部分組成攝像頭203、成像透鏡204、校準光源201 (不會對基板107上的光敏材料曝光，如黃光或紅光)、準直透鏡202和光分束器206，其中，準直透鏡202用來聚集從光源201來的光，并通過一個光分束器206照射到基板107上，該分束器206的反射率和透光率一般為50%和50%，從而使得光可以從基板107反射回來，進入成像透鏡204和攝像頭203。因此，如果基板上有圖案的話，攝像頭可以讀入該圖案。在這個例子中視覺系統用來讀入標記，并且該視覺系統的光軸 205與無掩模光學系統的光軸106是不共軸的。如果無掩模光學系統的光軸106由于溫度、振動或者其它因素而有改動的話，視覺系統不能用來作在線實時檢查。為了檢查該光軸的一致性，我們需要曝光測試并測量光軸205和106的位置。下面將結合圖9和圖10進行說明。
如圖9和圖10所示，在本發明實施例中，可選地，該光學引擎包括第二分束裝置301，用于對經過該光學引擎100的入射光束進行分光；該視覺系統包括第二校準光源 201、202，第三分束裝置206和第二成像裝置203、204 ;其中，該第二校準光源201、202具有對該基板上的光敏材料不敏感的光波長，該第二校準光源201、202發射的校準光束在分別經由該第三分束裝置206和該第二分束裝置301反射后，分別由該掃描平臺或該基板以及該第二分束裝置301反射回該第三分束裝置206，并且再經由該第三分束裝置206透射后進入到該第二成像裝置203、204。
具體而言，例如，如圖9所示，在成像轉換系統105的前面加入了光分束器301，其目的是為了將視覺系統的光軸和無掩模光學系統的光軸106結合到一起。分束器301對于從曝光光源101中發出的光來說幾乎是透明的，對于從校準光源201發出的光來說是半反射的。成像轉換系統105需要根據光分束器301優化，從而得到更好的成像質量。
應理解，本發明實施例僅以第二校準光源包括校準光源201以及準直透鏡202為例進行說明，并且以第二成像裝置包括圖像透鏡203和相機204為例進行說明，但本發明實施例并不限于此，例如，第二校準光源可以僅包括校準光源201，第二成像裝置也可以僅包括相機204。
在本發明實施例中，可選地，該第二分束裝置設置在該光學引擎和該基板之間，例如，如圖9所示，第二分束裝置301設置在光學引擎100與基板107之間；可選地，在本發明實施例中，該第二分束裝置設置在該光學引擎的空間光調制器和該光學引擎的投影系統之間，例如，如圖10所示，第二分束裝置301設置在光學引擎100的空間光調制器103和該光學引擎的投影系統105之間。
在本發明實施例中，可選地，該參考標記平板固定在該掃描平臺上與該基板同時運動，該參考標記平板位于該基板的上方且位于該光學引擎陣列的下方；該參考標記平板透射該光學引擎陣列的曝光光束，并反射該視覺系統的校準光束。
例如，如圖11所示，參考標記平板1106是一塊透明的玻璃平板，對曝光光源101是透明的，它通過連接件1101固定在XY平臺1102上。該無掩模光學引擎產生曝光圖案，并投射到基板808的表面1103上。參考標記可以在表面1104或者1105上。這些標記對于曝光光源101是透明的，但是會反射視覺系統的光201。所以視覺系統聚焦在標記的表面上，而不是基板的表面1103上。這里的無掩模光學引擎可以被圖8至圖10中的光學引擎所代替。有若干方法可以將視覺系統的焦平面設定在表面1103上。一種方法是在表面 1104或者1105上成參考標記的全息圖，參考標記的虛像成在表面1103上。另一種簡單的方法是將參考標記成在表面1104上，表面1105鍍上光線201的反射膜但是對曝光光線101 透光。所以表面1105可以當做表面1104上的參考標記的鏡子。如果表面1104和1105之間的距離等于表面1103和1105之間的距離，那么表面1104上的參考標記的虛像就成在表面1103上。由于參考平板上的標記是非常精細的線或者點，大部分視覺系統的光201可以經過表面1104且不降低成像質量，所以光線從表面1105反射到探測器203。
在本發明實施例中，可選地，該參考標記平板固定在該掃描平臺上，且位于該光學引擎陣列的上方。
例如，如圖12所示，參考標記平板1204被放在無掩模復合引擎的頂部，視覺系統也聚焦在頂部而不是基板表面1202。參考標記平板1204通過連接件1203連接到平臺1201 上。這些標記可能對光源101和102不透明。共軸無掩模復合引擎不適用于這個例子。
在本發明實施例中，可選地，該參考標記平板固定在該掃描平臺上與該基板同時運動，且位于該基板的下方，該基板透射該視覺系統的校準光束。
例如，如圖13所示，參考標記平板1303位于基板的下方，視覺系統通過基板表面 1302聚焦到參考標記上。參考標記平板1204和平臺1301直接相連。在這個例子中，基板必須對于光源201透明。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光系統，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
圖14示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性框圖。如圖14所示，計算機系統獲取視覺系統及位置傳感器的信息，用于控制系統進行平臺的運動控制，并用于生成圖像數據；數據生成板在計算機系統的控制下生成圖像數據，由SLM驅動器驅動光學引擎包括的SLM產生與圖像數據相應的圖像，并經過自動聚焦系統成像在基板上；另一方面，控制系統控制平臺控制系統驅動XYZ平臺，以使得基板的運動與圖像的生成與成像同步。
圖15示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光方法的示意性流程圖。如圖15所示，無掩膜曝光開始時，將平臺移動到起始位置并開始掃描，并通過檢測位置誤差和線性編碼器位置，使得光學引擎陣列包括的各光學引擎對準并且同步，在對系統位置進行校正后各光學引擎生成新圖案并發送到SLM，系統在進行位置檢查后進行圖像的轉換。如果圖像轉換沒有完成，則增加曝光光強，重新進行位置誤差和線性編碼器位置的檢測等后續流程；如果圖像轉換完成，則檢測位置誤差和線性編碼器位置、校正位置、生成新圖案、發送到SLM 并檢查位置，如果掃描停止則整個曝光流程結束；如果掃描沒有完成則繼續進行位置誤差和線性編碼器位置的檢測等后續流程；如果掃描已經完成，則在減小曝光光強后繼續進行位置誤差和線性編碼器位置的檢測等后續流程。
圖16示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性透視圖。如圖16所示，該系統包括在XYZ平臺上的4個無掩模復合引擎1614，1613，1612，1611。每個引擎可以有一個單獨的Z平臺，用于自聚焦。基板1605不在基座平板1604上移動。這些引擎 1614，1613，1612，1611相對于基板1605進行掃描。梁1606在Y方向通過兩個帶有直線編碼器1601，1609的直線電動機1603，1607驅動，并被設置在直線導軌1602，1608上。梁1606 上有兩個位置傳感器1615，1610上，用來探測相對于圖5中所示的參考線的位置誤差。參考標記被固定在基座平板1604上。
圖17是圖16中所示的根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性俯視圖。在圖17中，基板1605不在系統中移動。軌跡1701顯示引擎1614的掃描路徑，其他引擎的掃描路徑和這條相似。
圖18示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的另一示意性透視圖。如圖18 所示，4x4的無掩模復合引擎1805被裝載在花崗巖平板1804上。參考標記平板被放在圖 11所示的XY平臺1802上并帶有部件1801。
圖19是圖18中所示的根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性前視圖，如圖19所示，標記平板1803在矩陣引擎和基板之間，使得引擎1805的視覺系統聚焦在標記平板上，該標記平板位于XY平臺1802上；
圖20是圖18中所示的根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的示意性俯視圖，如圖20所示，矩形2002、2005、2007所示分別為引擎2003、1805、2006的掃描區域。軌跡2004 所示為引擎1805的掃描路徑。由于是4x4的無掩模引擎的矩陣，所以每個引擎只要在基板上曝光I/(4x4)的區域。XY平臺只需要基板尺寸1/4 X和1/4 Y的移動長度。
圖21示出了根據本發明實施例的無掩膜曝光系統的再一示意性透視圖。如圖21 所示，該系統包括10x10的無掩模引擎1805矩陣。平臺2105設置在花崗巖基座2104上，并在X，Y方向上移動。平臺2015的XY位置通過激光干涉儀2102，2101測量。基板2103 的尺寸可以達到3mx3m，并且應該使用自動機制加載和卸載。XY平臺2105只需要移動基板尺寸的1/10，也就是說這里是300mm。這是一個很大的優勢,可以節約超大FPD尺寸曝光系統的平臺成本和系統成本。參考標記平板可以是在矩陣引擎的頂部或者在基板2103的上方。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光系統，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
本發明實施例還提供了一種無掩膜曝光系統，該無掩膜曝光系統包括根據本發明實施例的第一無掩膜曝光系統，設置在基板的上方；根據本發明實施例的第二無掩膜曝光系統，設置在該基板的下方，其中該第一無掩膜曝光系統或該第二無掩膜曝光系統包括光學引擎陣列，設置在基板的上方，用于生成曝光圖案并將該曝光圖案轉換到該基板上；平移裝置，用于驅動該光學引擎陣列沿著第一方向平移；掃描平臺，固定在該無掩膜曝光系統的基座上，用于承載該基板并驅動該基板沿著第二方向移動，該第二方向與該第一方向垂直；運動控制及數據處理系統，用于控制該平移裝置和該掃描平臺的運動，并處理曝光圖案數據，以便于該光學引擎陣列生成該曝光圖案；其中，該光學引擎陣列包括的光學引擎以 (M，N)陣列排布，M和N為自然數，且M與N的乘積大于或等于2 ;該掃描平臺還設置有至少一個第二方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第二方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
應理解，在本發明實施例中，術語“第一”、“第二”僅為了區分不同的器件，而不應對器件的數量構成任何限定，例如，第一無掩膜曝光系統可以包括一個或多個無掩膜曝光系統；并且“第一”和“第二”可以互換，本發明實施例并不限于此。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光系統，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
在本發明實施例中,可選地,在該第一方向和該第二方向平行于該基板時，該第一無掩膜曝光系統或該第二無掩膜曝光系統還包括至少兩個第一方向位置參考系統，分別沿該掃描平臺的與該第二方向平行的兩邊緣設置；其中，該掃描平臺或該基板上設置有與該第二方向平行的至少兩條參考基線，該至少兩條參考基線位于該至少兩個第一方向位置參考系統的下方；并且該至少兩個第一方向位置參考系統用于在該掃描平臺移動時，檢測該光學引擎陣列相對于該基板在該第一方向上的位置誤差。
在本發明實施例中，可選地，該掃描平臺或該基板上設置有起始標記，用于標識該光學引擎陣列包括的每個光學引擎的起始掃描位置；其中，該光學引擎陣列的每個光學引擎包括視覺系統，用于根據該起始標記校準該光學引擎與該基板的相對位置。
在本發明實施例中，可選地，該光學引擎陣列的每個光學引擎包括對焦裝置，用于沿與該基板垂直的方向驅動該光學引擎，以使得該光學引擎輸出的曝光圖案成像在該基板的表面上。
在本發明實施例中，可選地，在該第一方向垂直于該基板時，該掃描平臺還用于驅動該基板沿著第三方向移動，該第三方向與該第二方向垂直，且該第三方向平行于該基板；該掃描平臺還設置有至少一個第三方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第三方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。
在本發明實施例中，可選地，該第一無掩膜曝光系統或該第二無掩膜曝光系統還包括參考標記平板，用于標識該光學引擎陣列的運動軌跡，該運動軌跡包括該光學引擎陣列中的每個光學引擎的起始標記、停止標記和掃描路線；該光學引擎陣列的每個光學引擎包括視覺系統，用于根據該參考標記平板中的運動軌跡校準該光學引擎與該基板的相對位置。
在本發明實施例中，可選地，該參考標記平板固定在該掃描平臺上與該基板同時運動，該參考標記平板位于該基板的上方且位于該光學引擎陣列的下方；該參考標記平板透射該光學引擎陣列的曝光光束，并反射該視覺系統的校準光束。可選地，在本發明實施例中，可選地，該參考標記平板固定在該掃描平臺上與該基板同時運動，且位于該基板的下方，該基板透射該視覺系統的校準光束。可選地，該參考標記平板固定在該掃描平臺上，且位于該光學引擎陣列的上方。
在本發明實施例中，可選地，該視覺系統包括第一校準光源、第一分束裝置和第一成像裝置；其中，該第一校準光源具有對該基板上的光敏材料不敏感的光波長，該第一校準光源發射的校準光束在透過該第一分束裝置后，由該掃描平臺或該基板反射回該第一分束裝置，并且經由該第一分束裝置反射進入到該第一成像裝置。
在本發明實施例中，可選地，該光學引擎包括第二分束裝置，用于對經過該光學引擎的入射光束進行分光；該視覺系統包括第二校準光源、第三分束裝置和第二成像裝置；其中，該第二校準光源具有對該基板上的光敏材料不敏感的光波長，該第二校準光源發射的校準光束在分別經由該第三分束裝置和該第二分束裝置反射后，分別由該掃描平臺或該基板以及該第二分束裝置反射回該第三分束裝置，并且再經由該第三分束裝置透射后進入到該第二成像裝置。
在本發明實施例中，可選地，該第二分束裝置設置在該光學引擎和該基板之間；或該第二分束裝置設置在該光學引擎的空間光調制器和該光學引擎的投影系統之間。
在本發明實施例中，可選地，該光學引擎陣列的每個光學引擎包括曝光光源，對該光學引擎提供曝光光束；空間光調制器，用于生成曝光圖案；成像轉換系統，用于將該曝光圖案轉換到該基板，該成像轉換系統的其中一個成像共軛點位于該基板的表面上。可選地，該曝光光源包括紫外光、紅外光、可見光、電子束、離子束和X射線中的至少一種能量輻射。可選地，該成像轉換系統包括將來自該空間光調制器的曝光圖案轉換到該基板上的成像透鏡；或將來自該空間光調制器的每個象素的光聚焦為點陣列并轉換到該基板上的點陣列成像系統；或將來自該空間光調制器的曝光圖案劃分成子圖像陣列并轉換到該基板上的子圖像陣列成像系統。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光系統，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
本發明實施例還提供了一種無掩膜曝光方法，該無掩膜曝光方法包括
生成步驟，使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，生成預定的曝光圖案；
曝光步驟，使用根據本發明實施例的曝光系統，將該預定的曝光圖案轉換到感光性基板的表面。
應理解，根據本發明實施例的無掩膜曝光方法所采用的無掩膜曝光系統與上述實施例中的無掩膜曝光系統相應，為了簡潔，在此不再贅述。
因此，本發明實施例的無掩膜曝光方法，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
本發明實施例還提供了一種元件的制造方法，該制造方法包括
生成步驟，使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，生成預定的曝光圖案；
曝光步驟，使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，將該預定的曝光圖案轉換到感光性基板的表面；
顯影步驟，對該曝光步驟所曝光的該感光性基板進行顯影。
應理解，根據本發明實施例的元件的制造方法所采用的無掩膜曝光系統與上述實施例中的無掩膜曝光系統相應，為了簡潔，在此不再贅述。
因此，本發明實施例的元件的制造方法，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
本發明實施例還提供了一種圖像掃描方法，該圖像掃描方法包括
使用根據本發明實施例的無掩膜曝光系統，將該無掩膜曝光系統的空間光調制器生成的曝光圖案轉換成圖像傳感器采集的圖像。
應理解，根據本發明實施例的圖像掃描方法所采用的無掩膜曝光系統與上述實施例中的無掩膜曝光系統相應，為了簡潔，在此不再贅述。
因此，本發明實施例的圖像掃描方法，通過采用無掩膜的光學引擎陣列，并通過檢測掃描平臺的位置信息以確保光學引擎陣列中的各光學引擎同步，能夠顯著減小大面積曝光時各掃描平臺的掃描距離和掃描時間，由此在大面積曝光時一方面能夠顯著提高生產率、降低生產成本，另一方面能夠提高曝光質量。
本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。
所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為了描述的方便和簡潔，上述描述的系統、裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統、裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執行。另外，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口、裝置或單元的間接耦合或通信連接，也可以是電的，機械的或其它的形式連接。
所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本發明實施例方案的目的。
另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以是兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能單元的形式實現。
所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分，或者該技術方案的全部或部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM, Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種無掩膜曝光系統，其特征在于，包括光學引擎陣列，設置在基板的上方，用于生成曝光圖案并將所述曝光圖案轉換到所述基板上；平移裝置，用于驅動所述光學引擎陣列沿著第一方向平移；掃描平臺，固定在所述無掩膜曝光系統的基座上，用于承載所述基板并驅動所述基板沿著第二方向移動，所述第二方向與所述第一方向垂直；運動控制及數據處理系統，用于控制所述平移裝置和所述掃描平臺的運動，并處理曝光圖案數據，以便于所述光學引擎陣列生成所述曝光圖案；其中，所述光學引擎陣列包括的光學引擎以(M，N)陣列排布，M和N為自然數，且M與N的乘積大于或等于2 ;所述掃描平臺還設置有至少一個第二方向位置傳感器，用于檢測所述掃描平臺移動時沿所述第二方向的位置信息，以同步所述光學引擎陣列包括的各光學引擎。
2.根據權利要求1所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，在所述第一方向和所述第二方向平行于所述基板時，所述無掩膜曝光系統還包括至少兩個第一方向位置參考系統，分別沿所述掃描平臺的與所述第二方向平行的兩邊緣設置；其中，所述掃描平臺或所述基板上設置有與所述第二方向平行的至少兩條參考基線，所述至少兩條參考基線位于所述至少兩個第一方向位置參考系統的下方；并且所述至少兩個第一方向位置參考系統用于在所述掃描平臺移動時，檢測所述光學引擎陣列相對于所述基板在所述第一方向上的位置誤差。
3.根據權利要求2所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述掃描平臺或所述基板上設置有起始標記，用于標識所述光學引擎陣列包括的每個光學引擎的起始掃描位置；其中，所述光學引擎陣列的每個光學引擎包括視覺系統，用于根據所述起始標記校準所述光學引擎與所述基板的相對位置。
4.根據權利要求2所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述光學引擎陣列的每個光學引擎包括對焦裝置，用于沿與所述基板垂直的方向驅動所述光學引擎，以使得所述光學引擎輸出的曝光圖案成像在所述基板的表面上。
5.根據權利要求1所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，在所述第一方向垂直于所述基板時，所述掃描平臺還用于驅動所述基板沿著第三方向移動，所述第三方向與所述第二方向垂直，且所述第三方向平行于所述基板；所述掃描平臺還設置有至少一個第三方向位置傳感器，用于檢測所述掃描平臺移動時沿所述第三方向的位置信息，以同步所述光學引擎陣列包括的各光學引擎。
6.根據權利要求1所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述無掩膜曝光系統還包括參考標記平板，用于標識所述光學引擎陣列的運動軌跡，所述運動軌跡包括所述光學引擎陣列中的每個光學引擎的起始標記、停止標記和掃描路線；所述光學引擎陣列的每個光學引擎包括視覺系統，用于根據所述參考標記平板中的運動軌跡校準所述光學引擎與所述基板的相對位置。
7.根據權利要求6所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述參考標記平板固定在所述掃描平臺上與所述基板同時運動，所述參考標記平板位于所述基板的上方且位于所述光學引擎陣列的下方；所述參考標記平板透射所述光學引擎陣列的曝光光束，并反射所述視覺系統的校準光束。
8.根據權利要求6所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述參考標記平板固定在所述掃描平臺上與所述基板同時運動，且位于所述基板的下方，所述基板透射所述視覺系統的校準光束。
9.根據權利要求6所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述參考標記平板固定在所述掃描平臺上，且位于所述光學引擎陣列的上方。
10.根據權利要求3、4、6、7、8或9所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述視覺系統包括第一校準光源、第一分束裝置和第一成像裝置；其中，所述第一校準光源具有對所述基板上的光敏材料不敏感的光波長，所述第一校準光源發射的校準光束在透過所述第一分束裝置后，由所述掃描平臺或所述基板反射回所述第一分束裝置，并且經由所述第一分束裝置反射進入到所述第一成像裝置。
11.根據權利要求3、4、6、7或8所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述光學引擎包括第二分束裝置，用于對經過所述光學引擎的入射光束進行分光；所述視覺系統包括第二校準光源、第三分束裝置和第二成像裝置；其中，所述第二校準光源具有對所述基板上的光敏材料不敏感的光波長，所述第二校準光源發射的校準光束在分別經由所述第三分束裝置和所述第二分束裝置反射后，分別由所述掃描平臺或所述基板以及所述第二分束裝置反射回所述第三分束裝置，并且再經由所述第三分束裝置透射后進入到所述第二成像裝置。
12.根據權利要求11所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述第二分束裝置設置在所述光學引擎和所述基板之間；或所述第二分束裝置設置在所述光學引擎的空間光調制器和所述光學引擎的投影系統之間。
13.根據權利要求1至9中任一項所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述光學引擎陣列的每個光學引擎包括曝光光源，對所述光學引擎提供曝光光束；空間光調制器，用于生成曝光圖案；成像轉換系統，用于將所述曝光圖案轉換到所述基板，所述成像轉換系統的其中一個成像共軛點位于所述基板的表面上。
14.根據權利要求13所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述曝光光源包括紫外光、紅外光、可見光、電子束、離子束和X射線中的至少一種能量輻射。
15.根據權利要求13所述的無掩膜曝光系統，其特征在于，所述成像轉換系統包括將來自所述空間光調制器的曝光圖案轉換到所述基板上的成像透鏡；或將來自所述空間光調制器的每個象素的光聚焦為點陣列并轉換到所述基板上的點陣列成像系統；或將來自所述空間光調制器的曝光圖案劃分成子圖像陣列并轉換到所述基板上的子圖像陣列成像系統。
16.—種無掩膜曝光系統,其特征在于,包括根據權利要求1至15中任一項所述的第一無掩膜曝光系統，設置在基板的上方；根據權利要求1至15中任一項所述的第二無掩膜曝光系統，設置在所述基板的下方。
17.—種無掩膜曝光方法,其特征在于,包括生成步驟，使用根據權利要求1至16中任一項所述的無掩膜曝光系統，生成預定的曝光圖案；曝光步驟，使用根據權利要求1至16中任一項所述的曝光系統，將所述預定的曝光圖案轉換到感光性基板的表面。
18.—種元件的制造方法，其特征在于，包括生成步驟，使用根據權利要求1至16中任一項所述的無掩膜曝光系統，生成預定的曝光圖案；曝光步驟，使用根據權利要求1至14中任一項所述的無掩膜曝光系統，將所述預定的曝光圖案轉換到感光性基板的表面；顯影步驟，對所述曝光步驟所曝光的所述感光性基板進行顯影。
19.一種圖像掃描方法,其特征在于,包括使用根據權利要求1至16中任一項所述的無掩膜曝光系統，將所述無掩膜曝光系統的空間光調制器生成的曝光圖案轉換成圖像傳感器采集的圖像。
全文摘要
本發明公開了一種無掩膜曝光系統和方法。該系統包括光學引擎陣列；平移裝置，用于驅動光學引擎陣列沿著第一方向平移；掃描平臺，用于承載基板并驅動基板沿著第二方向移動，該第二方向與該第一方向垂直；運動控制及數據處理系統，用于控制平移裝置和掃描平臺的運動，并處理曝光圖案數據；該光學引擎陣列包括的光學引擎以(M，N)陣列排布，M和N為自然數，且M與N的乘積大于或等于2；該掃描平臺還設置有至少一個第二方向位置傳感器，用于檢測該掃描平臺移動時沿該第二方向的位置信息，以同步該光學引擎陣列包括的各光學引擎。本發明實施例的無掩膜曝光系統和方法，能夠實現大面積曝光并對準，從而能夠提高生產率和曝光質量。
文檔編號G03F7/20GK103048885SQ201210363540
公開日2013年4月17日申請日期2012年9月26日優先權日2011年10月11日
發明者梅文輝, 杜衛沖, 曲魯杰申請人:中山新諾科技有限公司

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