CN101308332B

CN101308332B - 一种控制光刻曝光剂量的方法

Info

Publication number: CN101308332B
Application number: CN2008100399586A
Authority: CN
Inventors: 江潮; 罗闻; 徐文
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: CN101308332A

Abstract

本发明提供一种控制光刻曝光剂量的方法及其系统。本发明所提供的控制光刻曝光剂量的方法是利用多个脉冲的平均波动性低于曝光精度要求的特性，通过选择曝光的激光脉冲的个数来控制光刻曝光剂量精度，并进一步决定衰减率，最后进行曝光。使用该方法的控制光刻曝光剂量的系统主要包括激光器、衰减器、控制器以及能量传感器，系统具有结构相对简单的优点，并且结合其控制光刻曝光剂量的方法使用能大大提高光刻曝光剂量精度。

Description

一种控制光刻曝光剂量的方法

技术领域

本发明涉及光刻机的技术领域，具体涉及控制光刻曝光剂量的方法。

背景技术

集成电路芯片制造中，光刻技术是一项关键的技术，芯片的特征尺寸的不断缩小是伴随着光刻技术的不断进步。光刻技术的发展已经使特征尺寸CD(Critical Dimension)达到100nm甚至100nm以下。随着光刻分辨率的提高，对CD均匀性的要求也越来越高。影响CD均匀性的因素很多，譬如涂胶、曝光、显影、刻蚀等一系列光刻工艺都会影响CD均匀性。其中，曝光步骤是通过光刻机完成。曝光剂量是曝光过程中的通过光刻机设定的一个重要参数，它是指在曝光过程中硅片单位面积上光刻胶所吸收的特定波长的光能量，硅片面上某一点处曝光光强对曝光时间的积分：

D = {&Integral;}_{0}^{T} I (t) dt

①

式中D为曝光剂量；T为曝光时间；I为曝光光强，是时间t的函数。

因此，曝光剂量能直接影响光刻机的性能指标，如CD、CD的均匀性、生产效率等，必须加以严格控制，才能实现最佳的曝光均匀性和稳定性。

同时，在光刻机中，激光器产生的单个激光脉冲之间的能量波动比较大(最大在15％)，如果不加以控制，激光脉冲的能量波动会累积到晶圆表面导致实际曝光剂量与预设的曝光剂量之间产生偏差，从而影响光刻效果，导致产品不合格。为减少由于脉冲能量波动导致剂量偏差而引起的生产缺陷，在光刻过程中，均要采用控制曝光剂量的方法保证产品的合格率。

当前控制曝光剂量采用的方法主要是针对逐个激光脉冲能量进行控制。第一种方法是：刘世元、吴小健于2006年发表于光学学报Vol.26，No.6的标题为“深紫外准分子激光实时曝光剂量控制算法研究”的文章中，提出了逐个脉冲控制方法。该方法的原理在于测试每个实际发出的脉冲能量，根据测量值，推算下一个脉冲的能量值。例如：实际需要的剂量50mJ/cm²，而要求单个脉冲剂量为5mJ/cm²，共需要10个脉冲。但是由于波动的原因实测得到第一个脉冲剂量仅为4.5mJ/cm²，那么要求激光器发射的下一个脉冲的剂量为5.5mJ/cm²，用以补偿上一个脉冲的剂量。依此类推，直到最后一个脉冲，显然，该算法的最后一个脉冲的剂量波动无法通过这种算法优化。这种方法的原理是通过下一个脉冲对已有的剂量进行补偿，但在要求的脉冲数很少，或者由于剂量波动一直偏低，则可能会出现失控的情况，从而难以达到实际需求的脉冲剂量。同时，这种采用逐个脉冲控制的算法，需要对每个脉冲进行测量，但由于能量传感器会遮挡晶圆面的受光区域，因此在正常工作情况下无法使用晶圆台表面的传感器进行光测量，必须在非晶圆表面光路中再增加一个测量激光能量的传感器，用于正常工作曝光的光能量测量。

第二种剂量控制的方法，在光路中增加设备以及控制环路的方法来提高曝光剂量控制精度，是由申请号为US20050270613、US20040239907的两个美国公开专利中所提出的。这种方法采用双激光腔的激光器或者采用两台激光器获得所需要的两个激光光源，利用第二个光源对第一个光源的能量进行补偿。这种方法是在光路中增加功能环节，并且通过硬件和光学设备调节，并且调节时间要求在两个脉冲间隔中完成，因此整个系统光路中设备多，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制光刻曝光剂量的方法，所述方法能极大地提高光刻的曝光剂量精度，结合所述方法使用的系统具有结构简单的优点。

本发明公开一种用于控制光刻曝光剂量的方法，包括步骤：

A、获取激光器的曝光剂量精度与脉冲个数的对照关系表；

B、根据光刻曝光剂量精度要求的参数，由对照关系表对应查找相应的第一脉冲个数；

C、根据未衰减的单个脉冲剂量，以及实际要求曝光剂量，计算得到第二脉冲个数；

D、第二脉冲个数与第一脉冲个数进行比较，如果第一脉冲个数小于或等于第二脉冲个数，激光器发出的脉冲数量采用第二脉冲个数；如果第一脉冲个数大于第二脉冲个数，激光器发出的脉冲数量采用第一脉冲个数，通过具有一定衰减率的衰减器衰减脉冲能量，使衰减后的单个脉冲的剂量与第一脉冲个数的乘积满足实际要求曝光剂量的要求。

所述第一脉冲个数为正整数，所述第二脉冲个数为依据公式计算所得得到的值，计算得到的值不是整数时，对其取整再加1为第二脉冲个数。其计算所依据公式是：

N_{p, \min} = \frac{D \cdot W_{Exp} \cdot W_{l}}{η \cdot T_{A, \max} \cdot E_{p}}

其中，N_p，min为第二个脉冲个数，D为实际要求曝光剂量，η为光学系统的透过率，E_p为脉冲能量，T_A，max为能量完全通过衰减器时的衰减率，W_Exp为芯片宽度，W_l为硅片表面运动方向上曝光面积的有效宽度。

所述衰减器的衰减率是第二脉冲个数除以第一脉冲个数的商值。

较佳地，所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，还包括步骤E、能量传感器测量经由所述衰减器输出的激光脉冲的能量值，根据其判断激光脉冲剂量是否达到实际要求曝光剂量，如果未达到实际要求曝光剂量，则再次调整所述激光器，直至其达到实际要求曝光剂量。

所述能量传感器响应紫外光波长光能量。

从以上技术方案可以看出，本发明所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，通过选择曝光的激光脉冲的个数来控制光刻曝光剂量精度，并进一步决定所述衰减器的衰减率，系统实现控制光刻曝光剂量的功能，能大大提高光刻曝光剂量精度，并能够避免逐个脉冲控制方法中的少量几个激光脉冲能量剧烈波动所导致严重影响光刻剂量精度的情况；相对于需要控制单个脉冲的方法算法简单，并不需要高实时性的控制软硬件环境；同时，本发明所述的方法不依赖于光刻机的信号处理手段，仅通过激光器就可达到对于剂量的精度控制。对于当前使用的新的光刻机或者已经使用过的二手光刻机，无需添加特殊的装置和设备的情况下，可以实现使用该发明方法的系统改造升级。本发明所提供的控制光刻曝光剂量的方法，其特点还在于，仅在正常曝光前使用能量传感器获取能量，并随后移出曝光区域，正常工作时不再利用该能量传感器进行测量，因而相对使用逐个脉冲控制方法的系统，本发明提供的系统相比传统的使用逐个脉冲控制法的系统减少了一个能量传感器，系统结构更为简单。

附图说明

图1为本发明所提供的一种控制光刻曝光剂量的方法的实施例的流程图；

图2为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的示意图。

图3为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的一个实施例示意图；

图4为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的又一个实施例中能量传感器置于激光脉冲之下的示意图；

图5为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的又一个实施例中晶圆置于激光脉冲之下的示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1所示为本发明所提供的一种控制光刻曝光剂量的方法的实施例的流程图。如图1所示，流程步骤包括：

步骤10：实验生成脉冲精度系数和脉冲数关系对照表；

进一步，执行步骤20：根据曝光精度要求的系数ζ，由步骤10中的

关系对照表查找脉冲数N_D；

进一步，执行步骤30：根据未衰减的单个脉冲剂量以及理想要求曝光

剂量，计算实际脉冲需求个数Np，min；

进一步，执行步骤40：对脉冲个数N_D和Np，min二者进行比较；

如果N_D≤Np，min，则进一步执行步骤50：则选择Np，min作为曝光脉冲个数；开始进行曝光，则进一步执行

如果N_D＞Np，min，则进一步执行步骤51：则对衰减器进行衰减；

再进一步执行步骤52：选择N_D作为曝光脉冲个数；

开始正式曝光，流程结束。

其中，对于同一个光刻机的激光器，如果激光器未作调整，在下一次光刻曝光剂量控制调节时，其步骤10可以参照前一次的步骤10生成的实验生成对照表，一般情况下，生成的对照表中，当脉冲数越大，激光脉冲的平均波动会趋向于变小，脉冲精度系数变高，例如，激光器50个脉冲个数时，脉冲的精度系数可以达到0.2％，激光器100个脉冲个数时，脉冲的精度系数可以达到0.3％。对照表中所选择的脉冲个数值不受本发明范围限制。

脉冲个数N_D和Np，min均为正整数，其中Np，min为依据公式计算所得得到的值，计算得到的值不是整数时，对其取整再加1为Np，min，其计算所依据公式是：

N_{p, \min} = \frac{D \cdot W_{Exp} \cdot W_{l}}{η \cdot T_{A, \max} \cdot E_{p}}

②

公式②中，D为实际要求曝光剂量，η为光学系统的透过率，E_p为脉冲能量，T_A，max为能量完全通过衰减器时的衰减率，W_Exp为芯片宽度，W_l为硅片表面运动方向上曝光面积的有效宽度。

其中步骤51中，衰减器的衰减率是Np，min除以N_D的商值，可以为小数。

图2所示为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的示意图。该系统使用本发明实施例所提供的控制光刻剂量的方法。如图2所示，控制光刻曝光剂量的系统包括激光器5、控制器3、能量传感器1、衰减器4。其中，能量传感器1和控制器3相互连接，主要用于测量激光脉冲能量，并反馈脉冲能量信号于控制器3；激光器5和控制器3相互连接，主要用于发送激光脉冲；衰减器4和控制器3相互连接，衰减器4主要是用来衰减由激光器5发出的激光脉冲的能量，通过调节衰减器4的衰减率来衰减激光能量，当衰减率为1时，激光脉冲能量几乎100％通过衰减器；控制器3与激光器5、能量传感器1和衰减器4相互连接，主要是用来完成信号检测、运算以及发送命令，最终控制激光器5以及衰减器4的运行情况。激光器5发出的激光脉冲，经由衰减器4处理后输出。

图3所示为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的一个实施例。

如图3所示，光刻曝光剂量控制系统由一系列模块组成反馈控制闭环回路，包括激光器5、控制器3、能量传感器1、衰减器4、分光器2。其中，能量传感器1和控制器3相互连接，主要是用来测量由分光器2分光出来的激光脉冲能量，并反馈脉冲能量信号于控制器3，能量传感器1响应的能量范围为紫外光波长能量；激光器5和控制器3相互连接，主要是用来发送激光脉冲；衰减器4和控制器3相互连接，衰减器4主要是用来衰减由激光器5发出的激光脉冲的能量，通过调节衰减器4的衰减率来衰减激光能量，当衰减率为1时，激光脉冲能量几乎100％通过衰减器；控制器3与激光器5、能量传感器1和衰减器4相互连接，主要是用来完成信号检测、运算以及发送命令，最终控制激光器5以及衰减器4的运行情况；分光器2主要是用来将激光脉冲中的部分能量分出，提供给能量传感器1测量；激光器5发出的激光脉冲，经由衰减器4，再经过分光器2，然后作用于晶圆的光刻胶上。

图4和图5所示为本发明提供的一种控制光刻曝光剂量的系统的又一个实施例示意图。其中，图4为本发明实施例中能量传感器置于激光脉冲之下的示意图，图5为本发明实施例中晶圆置于激光脉冲之下的示意图。如图4和图5所示，光刻曝光剂量控制系统由一系列模块组成反馈控制闭环回路，光刻曝光剂量控制系统包括激光器5、控制器3、能量传感器1、衰减器4、温度控制器7。其中，能量传感器1与温度控制模块7和控制器3相互连接，主要是用来测量光脉冲能量，并反馈脉冲能量信号于控制器3，能量传感器1响应的能量范围为紫外光波长能量；控制器3与激光器5、能量传感器1和晶圆台控制器9相互连接，主要是用来完成信号检测、运算以及发送命令，最终控制激光器5以及衰减器4的运行情况；衰减器4主要是用来衰减由激光器5发出的激光脉冲的能量；激光器5与控制器3相连接，主要是用来发送激光脉冲，激光器5发出的脉冲能量可以调节；温度控制器7直接置于能量传感器1之上，主要用来感应环境的温度，保证能量传感器5所测量的激光能量精度受环境温度影响最小。晶圆台6、晶圆台控制器9为该实施例系统的辅助设备，晶圆8为有光刻胶的需要曝光物品。晶圆台6与晶圆台控制器9连接，用于置放能量传感器1和晶圆8，保证能量传感器1和晶圆8的上表面置于同一光学平面上；晶圆台控制器9与系统的控制器3、晶圆台6连接，主要用来控制晶圆台6的运动，并使能量传感器1移出曝光区域不阻碍激光束投射到晶圆8的表面。如图4所示，激光器5发出的激光脉冲，经由衰减器4，然后作用于能量传感器1上。如图5所示，激光器5发出的激光脉冲，经由衰减器4，然后作用于晶圆8上。

以下结合图3和图1，对控制光刻曝光剂量的方法及其系统的实施例进行详细说明：

(1)按照不同的曝光剂量精度系数，对激光器5进行实验，得到剂量精度系数ζ与脉冲数N_D之间的关系表，完成步骤10；

(2)设实际要求曝光剂量D已知，并且曝光剂量精度系数ζ为0.3％(此处以0.3％为例)，据此查询前期实验得出的剂量精度系数与脉冲个数关系表，查找出N_D＝100，完成步骤20。

(3)在实际的光刻机系统中，剂量的计算公式为：

D = \frac{N_{P} \cdot η \cdot T_{A} \cdot E_{p}}{W_{Exp} \cdot W_{l}}

③

其中，D为实际曝光剂量，N_P为脉冲个数，η为光学系统的透过率，E_p为单个激光脉冲能量，T_A为可调能量衰减率，W_Exp为芯片(die)宽度，W_l为硅片表面运动方向上曝光面积的有效宽度。

而公式③中η值是系统固有特性，W_Exp是die的宽度，W_Slit是由设备形成的曝光面积宽度，这三个值为系统设置。因此可以根据式③推出公式④，公式④为：

N_{p, \min} = \frac{D \cdot W_{Exp} \cdot W_{l}}{η \cdot T_{A, \max} \cdot E_{p}}

④

其中，N_p，min为实际需求的脉冲个数，D为实际要求曝光剂量，η为光学系统的透过率，E_p为单个激光脉冲能量，T_A为可调能量衰减率，W_Exp为芯片(die)宽度，W_l为硅片表面运动方向上曝光面积的有效宽度；T_A，max为能量完全通过衰减器时的衰减率，此时激光能量可以全部通过衰减器。通过公式④计算N_p，min，如果N_p，min不是整数，则对其舍去小数点后面的数并加上1后得到的整数值，其整数值记为INT(N_p，min)，完成步骤30。

(4)对INT(N_p，min)和脉冲个数100(N_D)进行大小比较，完成步骤40。

(5)如果100(N_D)小于或等于INT(N_p，min)，控制器3则将曝光脉冲数定为INI(N_p，min)，激光器5发出激光脉冲；开始正式曝光前，激光能量通过分光器2分出一部分能量至能量传感器1，能量传感器1测量出经由衰减器4输出的激光脉冲的能量值E_p，根据公式③计算D值(其中N_P＝INT(N_p，min))，如果激光脉冲剂量没有达到实际要求曝光剂量的D值，则对激光器5进行调整，直至达到实际要求曝光剂量的D值才开始正式曝光。完成步骤50。

(6)如果100(N_D)大于INT(N_p，min)，控制器3则将曝光脉冲数定为100，并相应设置衰减器4衰减激光脉冲通过的能量，衰减率T_A＝N_p，min/N_D，在曝光过程中，衰减器4一直保持该衰减率；开始正式曝光前，激光能量通过分光器2分出一部分能量至能量传感器1，能量传感器1测量出经由衰减器4输出的激光脉冲的能量值E_p，根据公式③计算D值(其中N_P＝INT(N_p，min))，如果激光脉冲剂量没有达到实际要求曝光剂量的D值，则对激光器5进行调整，直至达到实际要求曝光剂量的D值才开始正式曝光。完成步骤51和52。

最后，对晶圆开始正式曝光，流程结束。

以下结合图4、图5和图1，对控制光刻曝光剂量的方法及其系统的实施例进行详细说明：

(3)在实际的光刻机系统中，通过公式③计算曝光剂量，而公式③中η值是系统固有特性，W_Exp是die的宽度，W_l是由设备形成的曝光面积宽度，这三个值为系统设置。因此可以根据式③推出公式④，通过公式④计算N_p，min，如果N_p，min不是整数，则对其舍去小数点后面的数并加上1后得到的整数值，其整数值记为INT(N_p，mm)，完成步骤30。

(5)如果100(N_D)小于或等于INT(N_p，min)，控制器3则将曝光脉冲数定为INT(N_p，min)，激光器5发出脉冲，同时保持衰减器4处于能量铜鼓最大状态，即T_A，max＝1；开始正式曝光前，能量传感器1测量经由衰减器4输出的激光脉冲的能量值E_p(如图4所示)，根据公式③计算D值(其中N_P＝INT(N_p，min))，如果激光脉冲剂量没有达到实际要求曝光剂量的D值，则对激光器5进行调整，直至达到实际要求曝光剂量的D值才开始正式曝光。完成步骤50。

(6)如果100(N_D)大于INT(N_p，min)，控制器3则将曝光脉冲数定为100，并相应设置衰减器4衰减激光脉冲通过的能量，衰减器4的减率为T_A＝INT(N_p，min)/N_D，在曝光过程中，衰减器4一直保持该衰减率；开始正式曝光前，能量传感器1测量经由衰减器4输出的激光脉冲的能量值E_p(如图4所示)，根据公式③计算D值(其中N_P＝100)，如果激光脉冲剂量没有达到实际要求曝光剂量的D值，则对激光器5进行调整，直至达到实际要求曝光剂量的D值才开始正式曝光。完成步骤51和步骤52。

最后通过控制器3通知晶圆台控制器6将晶圆7移入曝光区域，同时，能量传感器1移出曝光区域，直至其不阻碍激光束投射到晶圆8的表面，对晶圆8进行曝光(如图5所示)，流程结束。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims

1.一种用于控制光刻曝光剂量的方法，其特征在于，包括步骤：

A、获取激光器的曝光剂量精度与脉冲个数的对照关系表；

D、第二脉冲个数与第一脉冲个数进行比较，如果第一脉冲个数小于或等于第二脉冲个数，激光器发出的脉冲数量采用第二脉冲个数；如果第一脉冲个数大于第二脉冲个数，激光器发出的脉冲数量采用第一脉冲个数，通过具有一定衰减率的衰减器衰减脉冲能量，使衰减后的单个脉冲的能量与第一脉冲个数的乘积满足实际要求曝光剂量的要求；

所述计算所依据公式是：

N_{p, \min} = \frac{D {\cdot W}_{Exp} {\cdot W}_{l}}{{η \cdot T}_{A, \max} \cdot E_{p}}

其中，N_p，min为第二脉冲个数，D为实际要求曝光剂量，η为光学系统的透过率，E_p为脉冲能量，T_A，max为能量完全通过衰减器时的衰减率，W_Exp为芯片宽度，W_l为硅片表面运动方向上曝光面积的有效宽度。

2.根据权利要求1所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，其特征在于，所述激光器发出的脉冲数量和所述衰减器进行关联调节，保证所述激光器发出的脉冲数量与脉冲能量的乘积项符合光刻曝光剂量精度要求。

3.根据权利要求1所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，其特征在于，所述第一脉冲个数为正整数，所述第二脉冲个数为计算所得值，如计算所得值不是整数时，则对其取整再加1。

4.根据权利要求1所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，其特征在于，所述衰减器的衰减率是所述第二脉冲个数除以所述第一脉冲个数的商值。

5.根据权利要求1所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，其特征在于，所述步骤D后还包括步骤E、能量传感器测量经由所述衰减器输出的激光脉冲的能量值，根据其判断激光脉冲剂量是否达到实际要求曝光剂量，如果未达到实际要求曝光剂量，则再次调整所述激光器，直至其达到实际要求曝光剂量。

6.根据权利要求5的所述的用于控制光刻曝光剂量的方法，其特征在于，所述能量传感器响应紫外光波长光能量。