CN101231475A - 光刻机曝光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造领域，为一种光刻机曝光系统及其控制方法。它包括LED光源、曝光控制系统、上位机等，系统与上位机连接，上位机输出控制信号至空间图形发生器SLM，空间图形发生器SLM产生曝光图形，LED光源发出的光束经过光路组件A、空间图形发生器SLM、光路组件B、分束器、物镜后照射基片，光电探测器B检测分束器分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统，曝光控制系统的输出送至驱动电路，驱动电路的输出送至LED光源以控制其输出光功率和曝光剂量。它克服了现有技术中曝光功率波动对曝光剂量的影响等问题，具有曝光剂量控制精度高、体积小、功耗低、无机械运动部件、反应迅速、寿命长、成本低等优点。

Description

光刻机曝光系统

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，为一种光刻机曝光系统及其控制方法。

背景技术

光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。经常使用的基片为表面涂有光敏感介质的半导体晶片或玻璃基片。

在光刻过程中，晶片放置在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶片表面。

为了在晶片上制造器件，需要多个分划板。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差需求的原因，这些分划板对于生产而言成本很高，耗时很长，从而使利用分划板的传统晶片光刻制造成本越来越高，非常昂贵。

无掩膜(如直接写或数字式等)光刻系统相对于使用传统分划板的方法，在光刻方面提供了许多益处。无掩膜系统使用空间图形发生器(SLM)来代替分划板。SLM包括数字微镜系统(DMD)或液晶显示器(LCD)，SLM包括一个可独立寻址和控制的象素阵列，每个象素可以对透射、反射或衍射的光线产生包括相位、灰度方向或开关状态的调制。

传统的光刻图像的制造使用以特定的图象编码的分划板，产生一定的空间光强和相位的调制，聚焦光然后通过分划板投射到光敏感元件上。每一个分划板配置成一个单一的图像。

在无掩膜的光刻系统中，特征图形由空间微反射镜阵列产生，这些微小镜面可以独立寻址单独受控以不同的倾斜方向反射照射的光束，以产生空间光强调制。通过光学投影元件，这些空间微镜阵列以一定的放大倍率M投影到光敏感元件的衬底上，产生特征的构图。

光刻机的一个重要指标是最小线宽，曝光剂量过大或不足都将影响光刻胶显影效果，从而降低最小线宽指标。曝光剂量精密控制，为整个光刻工艺稳定打好基础。

现有光刻机的曝光系统采用高压汞灯作为光源，曝光开始、结束由光路中的机械快门控制，曝光剂量大小由曝光时间确定，具体过程如下：

首先，通过预热和环境控制使高压汞灯输出光功率达到稳定；

按以下公式计算曝光时间：

曝光时间＝曝光剂量÷曝光功率；

打开快门开始曝光，同步开始计时；

定时时间到，关闭快门，曝光结束。

高压汞灯作为光源工作时，电流通过高压汞蒸汽，使之电离激发，形成放电管中电子、原子和离子间的碰撞而发光，优点是输出光功率大，发光效率在20～30lm/W。当灯加上电源电压后，主电极和辅助电极间产生辉光放电，瞬时转移到主电极间，形成弧光放电，几分钟后汞蒸汽达稳定态。灯熄灭后，须自然冷却，待蒸气压下降至一定值后才能再启动，时间约需5～10分钟。当电源电压变动时，灯参数的随之变动。

采用开环定时控制方式，曝光剂量受光源发光稳定性、定时器精度及机械快门速度影响大，长时间使用需要重新标定光功率。光刻机专用高压汞灯及电路的成本高昂，寿命只有几千小时。同时高压汞灯的发热量大，机械快门体积及振动均对光刻机的环境控制带来不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光刻机曝光系统及其控制方法，实现曝光剂量精确控制，解决了曝光功率波动对曝光剂量的影响，解决因光源老化发光功率下降带来的需要不断标定光功率的问题。

本发明所采用的技术方案是：光刻机曝光系统，包括LED光源、曝光控制系统、驱动电路、光电探测器A、B、分束器、光路组件A、B、空间图形发生器SLM、物镜、上位机，其中：

曝光控制系统与上位机连接，上位机输出控制信号至空间图形发生器SLM，空间图形发生器SLM产生曝光图形，LED光源发出的光束经过光路组件A、空间图形发生器SLM、光路组件B、分束器、物镜后照射基片，光电探测器A检测LED光源的输出光信号并将输出送至驱动电路，光电探测器B检测分束器分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统，曝光控制系统的输出送至驱动电路，驱动电路的输出送至LED光源以控制其输出光功率和曝光剂量。

驱动电路包括光电转换放大电路，反相放大器，比例求和放大电路，LED恒流源驱动电路，

光电转换放大电路包括运算放大器U1与电阻R1、电容C1，反相放大器包括运算放大器U2、电阻R2、R3、R4，运算放大器U3作为电压跟随器，比例求和电路包括运算放大器U4与电阻R11、R12、R13、R14，LED恒流源驱动电路包括运算放大器U5、U6、三极管N1、电阻R7，

光电探测器A输出的光电流信号I与光电转换放大电路中的运算放大器U1连接，运算放大器U1的输出信号与反相放大器U2的输入端连接，U2的输出信号与作为电压跟随器的运算放大器U3的输出与比例求和电路中的运算放大器U4输入端连接，运算放大器U4、U5输出与运算放大器U6输入端连接。

控制方法如下，

a、工作时，上位机将曝光光强DA，曝光剂量值D(mJ/cm²)及SLM打开象素比例R，镜头序号n通知曝光控制系统，曝光控制系统输出DA，开始曝光；同时发出AD采样信号，得到光功率采样值AD；

b、根据下面公式计算实时的曝光剂量

$D\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{M_n\×{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}(\mathrm{AD}\left(t\right)\×\mathrm{Kn})\×\mathrm{dt}}{S\×R}$

式中：AD(t)为t时刻的AD采样值

Kn为采用镜头n，光功率采集的转换系数

Mn为镜头n的放大倍率

S为SLM面积

R为SLM上打开像素的比例

c、当D(t)≥D时，控制系统停止曝光

本发明的积极效果是：该发明保证了光刻机曝光系统的曝光剂量精确控制，通过光电传感器实时采集曝光功率，解决了曝光功率波动对曝光剂量的影响，并可以解决因光源老化发光功率下降带来的需要不断标定光功率的问题。具有曝光剂量控制精度高、体积小、功耗低、无机械运动部件、反应迅速、寿命长、成本低等优点。

附图说明

附图1本发明的总体示意图，

附图2本发明的驱动电路图，

附图3本发明的LED瞬态特性图，

附图4本发明的曝光剂量控制结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，光刻机曝光系统包括LED光源1、曝光控制系统2、驱动电路3、光电探测器A4、光电探测器B5、分束器6、光路组件A7、光路组件B8、空间图形发生器SLM9、物镜10、上位机11，其中：

曝光控制系统2与上位机11连接，上位机11输出控制信号至空间图形发生器SLM9，空间图形发生器SLM9产生曝光图形，LED光源1发出的光束经过光路组件A7、空间图形发生器SLM9、光路组件B8、分束器6、物镜10后照射基片12，光电探测器A4检测LED光源1的输出光信号并将输出送至驱动电路3，光电探测器B5检测分束器6分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统2，曝光控制系统2的输出送至驱动电路3，驱动电路3的输出送至LED光源1以控制其输出光功率和曝光剂量。

如图2所示，驱动电路包括光电转换放大电路，反相放大器，比例求和放大电路，LED恒流源驱动电路。

光电转换放大电路包括运算放大器U1与电阻R1、电容C1，反相放大器包括运算放大器U2、电阻R2、R3、R4，运算放大器U3作为电压跟随器，比例求和电路包括运算放大器U4与电阻R11、R12、R13、R14，LED恒流源驱动电路包括运算放大器U5、U6、三极管N1、电阻R7。

光电探测器A输出的光电流信号I与光电转换放大电路中的运算放大器U1连接，运算放大器U1的输出信号Vf与反相放大器U2的输入端连接，U2的输出信号-Vf与作为电压跟随器的运算放大器U3的输出Vs与比例求和电路中的运算放大器U4输入端连接，运算放大器U4、U5输出与运算放大器U6输入端连接。

光电探测器A将LED输出光信号转换为光电流信号I，通过跨阻放大为电压信号Vf，该电压与LED发光功率成正比，反向器将其转换为-Vf；控制电压输入为Vs，这两组电压通过比例求和电路得到LED恒流源的控制电压Vc＝k1*Vs-k2*Vf，该电压与LED的驱动电流If成线性，决定LED输出光功率大小。其中LED光功率稳定过程：LED光功率上升-Vf上升-Vc下降-If下降-LED光功率下降。通过选择合适比例系数k2，可以使自动光功率控制达到稳定快速。当设置Vs为0时，将关闭恒流源，从而关闭LED光源。调整Vs的大小，可以改变恒流源输出，调整曝光功率。

曝光控制系统包括信号处理器，数模转换器和模数转换器以及通信接口电路等。控制系统通过上位机得到DMD曝光象素比例和镜头放大倍率及曝光剂量设定值(根据光刻胶类型选择)。当曝光平台准备好了，上位机通知控制系统开始曝光。控制系统将清零内部寄存器，将设定的DA值输出，经高分辨率数模转换器转换为控制电压Vs，LED驱动电路工作，曝光开始。曝光光线经分光镜，一部分经过曝光物镜实现曝光，另一部分被光电探测器B接收，转换成光电流信号；该光电流信号通过控制系统的光电转换放大电路转换为模拟电压，经过高速模数转换电路为数字光功率信号给信号处理器。信号处理器根据曝光剂量控制算法，在曝光完成时将DA输出置0，从而结束曝光。

驱动电路特点：

恒流源电路可以采用双极型三极管或场效应管，光电转换电路1可采用跨阻抗放大电路或高阻抗放大器将光电流信号转换为光电压信号，该信号与DA电压信号通过比例求和电路共同控制恒流源驱动电流的静态工作点。

参数调试方法：

1，将部件安装完毕。

2，选择曝光物镜镜头1，放大倍率为M1。

3，关闭所有照明。

4，打开SLM所有像素。

5，设置LED输出最大光强。

6，检查1、2号光电探测器位置，1号应在LED光照范围内，2号光敏面应将光斑全部包括在内。

7，调节光电转换电路的增益，使输出电压达到1V左右(此电压根据AD线性输入电压范围确定)。

8，记下此时的AD转换数据AD1。

9，用光功率计测量基片端的光功率值P1。

10，K1＝P1/AD1

11，更换镜头，重复8，9，10步骤，得到所有镜头的Kn。

12，SLM面积计算

S＝m×n×b²

式中m为SLM的行数，n为SLM的列数，b为SLM象素边长

13，更新调整信号处理器算法中的相应参数，固化程序。

控制算法根据设定剂量及实时曝光剂量值控制LED光源的开关，具体过程如下：

1，工作时，上位机将曝光光强DA，曝光剂量值D(J/cm²)及SLM打开象素比例R，镜头序号n通知控制系统。控制系统输出DA，开始曝光；同时发出AD采样信号，得到光功率采样值AD；

2，根据下面公式计算实时的曝光剂量

$D\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{M_n\×{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}(\mathrm{AD}\left(t\right)\×\mathrm{Kn})\×\mathrm{dt}}{S\×R}$

式中：AD(t)为t时刻的AD采样值

Kn为采用镜头n，光功率采集的转换系数

Mn为镜头n的放大倍率

S为SLM面积

R为SLM上打开像素的比例

3，当D(t)≥D时，控制系统停止曝光。

控制系统特点：

可采用嵌入式处理器、DSP、FPGA或多处理器组合方式作为信号处理器，与上位机通信可采用以太网、串行口、USB等，接收上位机设置的曝光剂量及相关数据，信号处理器输出DA控制数据，开始曝光。光电转换电路2可采用跨阻抗放大电路或高阻抗放大器将光电流信号转换为光电压信号，AD转换器的转换时序控制信号由信号处理器给出，转换数字结果由信号处理器读取；信号处理器根据曝光剂量控制算法控制曝光结束时刻，并最后将曝光结果通过通信接口通知上位控制计算机。

附图3为本发明的LED瞬态特性图，从图中可以看出，a.曝光开始，LED光功率上升，光电转换为电压上升沿。b.曝光结束，LED光功率下降，光电转换为电压下降沿。c.上升沿与下降沿时间在100uS之内，没有明显过冲。

附图4本发明的曝光剂量控制结果，反映了设置曝光剂量与实测曝光剂量的归一化数据，其标准差SD≤0.0028。

Claims (3)

1.光刻机曝光系统，包括LED光源[1]、曝光控制系统[2]、驱动电路[3]、光电探测器A[4]、光电探测器B[5]、分束器[6]、光路组件A[7]、光路组件B[8]、空间图形发生器SLM[9]、物镜[10]、上位机[11]，其特征在于：

曝光控制系统[2]与上位机[11]连接，上位机[11]输出控制信号至空间图形发生器SLM[9]，空间图形发生器SLM[9]产生曝光图形，LED光源[1]发出的光束经过光路组件A[7]、空间图形发生器SLM[9]、光路组件B[8]、分束器[6]、物镜[10]后照射基片[12]，光电探测器A[4]检测LED光源[1]的输出光信号并将输出送至驱动电路[3]，光电探测器B[5]检测分束器[6]分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统[2]，曝光控制系统[2]的输出送至驱动电路[3]，驱动电路[3]的输出送至LED光源[1]以控制其输出光功率和曝光剂量。

2.如权利要求1所述的光刻机曝光系统，其特征在于：驱动电路包括光电转换放大电路，反相放大器，比例求和放大电路，LED恒流源驱动电路，

光电转换放大电路包括运算放大器U1与电阻R1、电容C1，反相放大器包括运算放大器U2、电阻R2、R3、R4，运算放大器U3作为电压跟随器，比例求和电路包括运算放大器U4与电阻R11、R12、R13、R14，LED恒流源驱动电路包括运算放大器U5、U6、三极管N1、电阻R7；

光电探测器A输出的光电流信号I连接光电转换放大电路中的运算放大器U1的输入，运算放大器U1的输出与反相放大器U2的输入端连接，U2的输出与电压跟随器的运算放大器U3的输出与比例求和电路中的运算放大器U4的输入端连接，运算放大器U4、U5输出与运算放大器U6输入端连接。

3.如权利要求1所述的光刻机曝光系统，其特征在于：

采用如下控制方法，

a、工作时，上位机将曝光光强DA，曝光剂量值D(mJ/cm²)及SLM打开像素比例R，镜头序号n通知曝光控制系统，曝光控制系统输出DA，开始曝光；同时发出AD采样信号，得到光功率采样值AD；

b、根据下面公式计算实时的曝光剂量

$D\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{M_n\×{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}(\mathrm{AD}\left(t\right)\×\mathrm{Kn})\×\mathrm{dt}}{S\×R}$

式中：AD(t)为t时刻的AD采样值

Kn为采用镜头n，光功率采集的转换系数

Mn为镜头n的放大倍率

S为SLM面积

R为SLM上打开像素的比例

c、当D(t)≥D时，控制系统停止曝光。

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