多光束多面镜扫描系统 【技术领域】
本发明涉及多面镜光学扫描系统。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系统中，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/或会聚的光学系统，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。
用常规多面镜扫描系统能达到的数据速率，除了别的因素外，依赖于多面镜地旋转速度、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。常规系统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系统数据速率的因数，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系统中，存在两个冲突的条件。为增加点数以改进系统性能，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，限制了常规系统能达到的像素速率。
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系统(即透镜)，而该系统没有大的例如约10度到20度的角度范围。
因此，对多面镜扫描系统，存在着增加占空因数和数据速率的需求，以便增加效率和系统的处理量。
【发明内容】
本发明的一个方面，是一种多面镜扫描系统，它使数据速率最大化的同时，增加它的占空因数，从而显著改进系统的效率。
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系统获得的，该系统包括：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，该系统有接近百分之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系统。
图2-4按照本发明另外的实施例，示意画出多面镜扫描系统。
【具体实施方式】
常规多面镜扫描系统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(即系统的效率)下降。本发明克服常规多面镜扫描系统中，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系统，是如下的一种系统，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系统，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系统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通常称为光学系统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进入光学系统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离开光学系统140，被反射的光束LB2进入光学系统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、和光学系统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、和光学系统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，例如从本发明扫描系统的光源产生的激光，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、和光学系统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系统的具体例子，以表明本发明系统的性能，并把它们与单光束的现有技术系统比较。在举例前，简要列出多面镜扫描系统熟知的性能参数。
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-进入光学系统的可接收入射角
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：
θd=2KλD]]>
这里K是截断系数。
名义扫描角是
θsl=22πns,]]>
和有效扫描角是
θ~sl=22πnsμ~.]]>
该扫描角还进一步受进入光学系统的接收角限制，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
μ~=θoθsl.]]>
有效侧面长度是几何侧面长度减去ε，因此
L=2Tan[πns]r-ϵ]]>
名义占空因数μ是能用于扫描的侧面相对有效面积：
μ=L-D/2cos(α+θ~sl/4)-D/2cos(α-θ~sl/4)L+ϵ]]>
对相对小的扫描角θsl，我们可以近似为
μ≈L-D/cos(α)L+ϵ]]>
通常为了使用光学系统全部孔径，取μ≥μ~.]]>
每线的像素数是：
NL≈kθoθd=kθslθdμ~]]>
平均像素速率PR是：
本发明两种多光束多面镜扫描系统，与现有技术单光束系统的系统参数例子，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系统，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系统的矛盾。相反，本发明的系统的占空因数，非常接近于1(3×0.32＝0.96；2×0.48＝0.96)，使本发明的系统在用更多侧面的多面镜上占有优势，可以产生比现有技术系统显著更高的平均点速率。本发明的系统在各方面都更有效，结果呈现增强的性能。
本发明的多面镜扫描系统，能用于许多扫描系统。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系统，如在纸上印刷的激光打印机、光刻技术的曝光系统、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。