CN101482705A - 光刻机扫描曝光系统及其扫描曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光刻机扫描曝光系统，包括光源以及沿着光源出射光束形成的光路依次排列的柱面镜、变焦镜组、光学均匀器、耦合光组、掩模板、物镜、工件台，在所述变焦镜组和光学均匀器之间设置有光束旋转镜组，所述光束旋转镜组由若干组光学元件组成。扫描曝光时，先对曝光场区域扫描曝光后，将所述光束旋转镜组移入所述光路中，再次对曝光场区域扫描曝光，完成扫描曝光后移开所述光束旋转镜组，改善了曝光场Y方向的剂量均匀性，又能改善X方向的剂量均匀性，从而改善曝光剂量的系统性能，提高光刻线宽的均匀性。

Description

光刻机扫描曝光系统及其扫描曝光方法

技术领域

本发明涉及一种半导体设备及其方法，尤其涉及一种光刻机扫描曝光系统及其扫描曝光方法。

背景技术

现代微电子技术的核心是集成电路生产，而集成电路生产的发展又必须以半导体设备为其主要支撑条件，在当前集成电路生产设备中，光刻设备占最核心的地位。光刻技术在经历了接触式、接近式、投影式、扫描式、步进式几个重大技术发展阶段后，向步进扫描式过渡。

光刻机三大核心指标为线宽均匀性、套刻精度和产率。线宽均匀性是光刻机的重要核心指标，而剂量系统性能和焦面系统性能是影响线宽均匀性的两个最重要因素。剂量系统性能的主要指标为剂量均匀性，指的是曝光后硅平面上的曝光剂量在空间上分布的均匀性，经常用它来指代剂量系统性能。如果剂量系统性能较差，则无法在硅片上获得线宽(CD)分布比较均匀的线条，导致无法进行集成电路光刻生产。

相对于步进方式，扫描方式通过掩模台和工件台配合可变狭缝在扫描方向同步运动，使得硅平面的同一点的剂量为视场轮廓在扫描方向的各点光强积分，大大改善了扫描方向的剂量均匀性。在这基础上，进一步改善剂量系统性能的方式有多种，包括动态改变可变狭缝不同位置宽度、动态改变扫描速度和动态分块设置透过率等等。然而，这些方法都是基于单向扫描曝光方式，只能改善扫描方向(Y向)的曝光场剂量均匀性，不能改变非扫描方向(X向)的剂量均匀性—狭缝积分均匀性，使得狭缝积分均匀性成为制约光刻机曝光剂量系统性能的主要因素之一。

因此，有必要寻找一种即能改善Y方向的剂量均匀性，又能改善X方向的剂量均匀性，以改善整个剂量系统性能的系统和方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种光刻机扫描曝光系统及其方法，改善曝光剂量的系统性能，提高光刻线宽的均匀性。，

为解决上述技术问题，本发明提供一种光刻机扫描曝光系统，包括光源以及沿着光源出射光束形成的光路依次排列的柱面镜、变焦镜组、光学均匀器、耦合光组、掩模板、物镜、工件台，在所述变焦镜组和光学均匀器之间设置有光束旋转镜组。

进一步的，所述光束旋转镜组由若干组光学元件组成，优选地，所述光束旋转镜组由2组光学元件组成。

进一步的，所述光学元件由至少4个以上扇形反射元件层层相嵌放置成圆形。

进一步的，所述耦合光组包括沿着光源从所述光学均匀器射出的方向依次排列的聚光镜、可变狭缝、照明组件。

进一步的，所述可变狭缝的位置与所述聚光镜的焦面的位置离焦。

进一步的，所述可变狭缝打开时在工件台表面形成与可变狭缝形状相同的视场轮廓。

本发明还提供一种使用所述光刻机扫描曝光系统的扫描曝光方法，包括光源以及沿着光源射出方向依次排列的柱面镜、变焦镜组、光学均匀器、耦合光组、掩模板、物镜、工件台，在所述变焦镜组和光学均匀器之间设置有光束旋转镜组。

进一步的，所述光束旋转镜组由若干组光学元件组成。

进一步的，所述光束旋转镜组由2组光学元件组成。

进一步的，所述耦合光组包括沿着光源从所述光学均匀器射出的方向依次排列的聚光镜、聚光镜焦面、可变狭缝、照明组件。

进一步的，所述可变狭缝打开时在工件台表面形成与可变狭缝形状相同的视场轮廓。

本发明还提供一种使用所述光刻机扫描曝光系统的扫描曝光方法，先对曝光场区域扫描曝光后，将所述光束旋转镜组移入所述光源射出方向形成的光路中，再次对曝光场区域扫描曝光，完成扫描曝光后移开所述光束旋转镜组。

进一步的，在移入所述光束旋转镜组时，将变焦镜组至光学均匀器之间形成的照明光瞳旋转到预设的角度，在移开所述光束旋转镜组时，将变焦镜组至光学均匀器之间形成的照明光瞳恢复。

进一步的，旋转到预设的角度范围为沿光路轴心正向或者反向45度～135度。

进一步的，在移入所述光束旋转镜组时，将所述光学均匀器旋转与所述照明光瞳相同的角度，在移开所述光束旋转镜组时，将所述光学均匀器旋转恢复到原来的位置。

进一步的，所述工件台配合所述掩模板和可变狭缝同步运动，实现对同一曝光场进行再次扫描曝光。

进一步的，扫描曝光的路径以“S”型方式进行扫描。

与现有的光刻机扫描曝光系统及其方法相比，本发明通过先对曝光场进行第一次扫描曝光后，装入光束旋转镜组，使得在光学均匀器后的光线绕光轴旋转预设的角度，然后再次对同一曝光场进行第二次扫描曝光，改善了曝光场Y方向的剂量均匀性，又能改善X方向的剂量均匀性，从而改善曝光剂量的系统性能，提高光刻线宽的均匀性。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明的光刻机扫描曝光系统作进一步详细的描述。

图1为本发明光刻机扫描曝光系统结构示意图；

图2为本发明实施例中的光刻机扫描曝光系统结构示意图；

图3为本发明光刻机扫描曝光系统实施例中光束旋转镜组的结构示意图；

图4为本发明光刻机扫描曝光系统实施例中对同一曝光场第一次扫描曝光的视场轮廓以及扫描曝光效果示意图；

图5为本发明光刻机扫描曝光系统实施例中对同一曝光场再次扫描曝光的视场轮廓以及扫描曝光效果示意图；

图6为本发明光刻机扫描曝光系统实施例曝光路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明具体的功能和实施方式：

请参阅图1，图1为本发明光刻机扫描曝光系统结构示意图，包括光源1以及沿着光源1射出方向依次排列的柱面镜2、变焦镜组3、光学均匀器5、耦合光组6、掩模板7、物镜8以及工件台9，在所述变焦镜组3和光学均匀器5之间设置有光束旋转镜组4，并为光学均匀器5增加旋转设备，使得对同一曝光场进行第2次扫描曝光时光学均匀器5后的照明光的光分布做接近90度的旋转，其结果使得掩模板的照明光也作90度旋转。所述光束旋转镜组4由若干组光学元件40组成。

请参阅图2，图2为本发明光刻机扫描曝光系统的实施例结构示意图。其中，光源1发出的光为激光，光学均匀器5为复眼透镜，耦合光组6包括沿着光源从所述光学均匀器5射出的方向依次排列的聚光镜60、聚光镜焦面61、可变狭缝62、照明组件63。其中可变狭缝62与聚光镜焦面61离焦是为了在扫描方向上形成梯形边缘的视场轮廓10(请参阅图5)，以更好地改善扫描曝光后的剂量均匀性。光束旋转镜组4可以移入光源1射出方向形成的光路和移出光路，光学均匀器5可沿从光源1发出的照明光的光轴轴心做90度旋转。

第一次曝光的过程如下：光束旋转镜组4被移出光路，可变狭缝62和工件台9以及所述掩模板7配合，使从光源1出射的激光经过柱面镜2和变焦镜组3后，形成平行光，第一次扫描曝光平行光直接入射到光学均匀器5，经过耦合光组6，并透过掩模板7直接对工件台9上的硅片上(未标示)需要曝光的曝光场进行扫描，在Y方向对曝光场进行第一次扫描曝光。

在进行第二此曝光时，可以先将光束旋转镜组4移入光路。

请参阅图3，图3为本发明光刻机扫描曝光系统实施例中光束旋转镜组的结构示意图，在移入所述光束旋转镜组4时，将变焦镜组3至光学均匀器5之间形成的照明光瞳旋转到预设的角度，旋转到预设的角度范围为沿光路轴心正向或者反向45度～135度为较佳。本实施例中，旋转的角度为90度，由两个45度的旋转光束的光学元件40组成，其中每个45度的旋转光束的光学元件40有8个类似电风扇或涡轮的扇形反射元件，本实施例中的扇形反射元件为扇形状的反射镜片，每个反射镜片张角不小于45度，与电风扇类似，以辐射状层层相嵌放置。每个反射镜片的上下表面均可反射。反射镜片也可以采用上下表面镀有反射材料的金属片代替。所述光学元件40可以使得照明光的光束绕照明光轴轴心旋转5度～85度。

本实施例中采用两个45度的旋转光强的光学元件40，沿着照明光轴同向布置，完成本实施例的使照明光的光束旋转90度的目的。以下结合光传播和旋转方向更详细介绍该光学元件40的工作过程：

将第1个45度的旋转光束的光学元件40的8个反射镜片，按逆时针方向分别编号400，401，402，403，404，405，406，407(第1至第8反射镜片)，沿着光轴方向的入射光被所述第1片反射镜片400上表面沿着接近垂直光轴方向从第一反射点反射到第2片反射镜片401背面的第二反射点上，第二反射点与所述光束旋转镜组4中心的连线和第一反射点与光束旋转镜组中心的连线互相成接近45度角度，从第一反射点到第二反射点的反射光为第一反射光，第一反射光被第2片反射镜片401的背面反射形成第二反射光，第二反射光的方向仍然沿着入射光的主光轴方向。因此，所述第1片反射镜片400正面将所述光反射到所述第2片反射镜片401背面，并被第2片反射镜片401背面沿着光轴反射；同理，所述第2片反射镜片401正面将光反射到所述第3片反射镜片402背面，并被第3片反射镜片402背面沿着光轴反射；依此类推，直到第8片反射镜片407正面将光反射到所述第1片反射镜片400背面，并被第1片反射镜片400背面沿着光轴反射。

将第2个45度的旋转光的光学元件40的8个反射镜片，按逆时针方向分别编号408，409，410，411，412，413，414，415(第9至第16反射镜片)，其位置依次对应第1个45度的旋转光的光学元件40的8个反射镜片400，401，402，403，404，405，406，407，形状和功能也类似。从第2反射镜片401背面反射的第二反射光入射到第10反射镜片409正面，并在第10反射镜片409正面形成第三反射光反射到第11反射镜片410背面，然后形成第四反射光沿主光轴方向反射。这就是说，经过这两个光学元件，从变焦镜组3至光学均匀器5之间形成的照明光瞳的光分布被旋转接近90度。本实施例中，所述光束旋转镜组4和光学均匀器5，由剂量控制系统(未标示)统一控制，当对曝光场进行第一次扫描曝光时，剂量控制系统控制所述光束旋转镜组4从照明光光路位置中移开，则视场轮廓光束分布与传统的扫描曝光系统一样。

当对同一曝光场进行第二次扫描曝光时，曝光剂量控制系统控制所述光束旋转镜组4移动到光路中心位置，则聚光镜组的焦面光束分布绕光束中轴接近90度旋转，经过可变狭缝离焦，形成视场轮廓，并共轭投影到位于工件台9上的硅平面上，因此，硅平面视场轮廓中间均匀区域—照明顶部的中心区域的光束分布绕视场轮廓中心做接近90度旋转。

为了使得效果更好，可选的，当光束旋转镜组4移入光路时，将所述光学均匀器5旋转与所述照明光瞳相同的角度。本实施例中为旋转90度，使得聚光镜60的焦面光分布绕光轴作接近90度旋转，也就是可变狭缝62处视场轮廓照明顶部中间区域的光分布做接近90度的旋转，所述可变狭缝62和所述工件台9和所述掩模台7再次配合，在Y方向对同一曝光场进行第二次扫描曝光，第二次扫描曝光后，再对下一个曝光场进行同样的两次曝光。本实施例中，照明模式是常规照明，部分相干因子为0.8，物镜数值孔径0.75，视场轮廓为22mm*22mm，曝光场大小为22mm*32mm。

请参阅图4，图4为本发明光刻机扫描曝光系统实施例中第一次扫描曝光的视场轮廓以及扫描曝光效果示意图。当光束旋转镜组4移离光路10位置，光学均匀器5恢复原来位置，可变狭缝62上的刀口全部打开，在硅平面上得到了22mm*22mm的视场轮廓11，其中其扫描方向Y向的宽度为22mm，在扫描方向上都形成连续的类似梯形的光束分布，扫描方向顶部宽19mm而沿着非扫描方向则近似为均匀分布，非扫描方向的狭缝积分均匀性不好。

请参阅图5，图5为本发明光刻机扫描曝光系统实施例中再次扫描曝光的视场轮廓以及扫描曝光效果示意图。把光束旋转镜组4移入光路10位置，使得两者的中心重合，光学均匀器5也同向旋转90度，那么光路10的光分布绕光轴旋转了90度，被旋转光分布的照明光经过匀光和会聚后，在可变狭缝62前的光分布也被旋转了90度，照明光的边缘被可变狭缝62切割后，最终被投影到工件台9上的硅平面形成视场轮廓12。本实施例中，定义光束旋转镜组4移离光路位置所形成的视场轮廓为标准视场轮廓，扫描方向为Y方向，非扫描方向为X方向。

如果采用图5的标准视场轮廓11对曝光场Y方向进行一次扫描曝光，则曝光场上只能对标准视场轮廓扫描方向上的光束分布进行积分均匀，而非扫描方向的光束分布无法进行积分均匀，最后造成曝光场的整体剂量系统性能不好。因此，光束旋转镜组4移入光路10位置，使得所形成的视场轮廓12的中间均匀区域(即为照明顶部的中间大约19mm*19mm的区域)的光束分布在标准视场轮廓的照明顶部的光束分布作90度旋转，并在Y方向上对同一个曝光场再一次进行扫描曝光，其结果是曝光场中间区域同一点的曝光剂量为标准视场轮廓中对应点所在的两个水平方向的各点光束积分的和，所以，硅平面的剂量系统性能比传统技术的只进行一次扫描的结果即曝光场同一点的剂量为视场轮廓中对应点所在的一个水平方向的各点光强、积分更好。

请参阅图6，图6为本发明光刻机扫描曝光系统实施例曝光路径示意图，需要说明的是，因为本实施例中采用两次扫描曝光，所以曝光路径策略和传统方法不同。本实施例中，硅片被分为56个(6行9列)曝光场区域，此处采用“S”型算法规划路径，如图6中的箭头方向所示，每个区域都被两次扫描曝光，当曝光场沿着Y向被曝光一次后，立即开始对曝光场从反方向曝光，然后工件台移动到同一行的下一个邻近的曝光场区域，直到该行曝光完毕，再移动到下一行最近的开始位置继续两次扫描曝光，直到所有曝光场区域都被扫描曝光。为了提高产率，可通过各种改进算法寻找较优曝光路径，比如采用近邻法，“S”型算法，动态规划方法，蚁群算法等等。显然，采用专门的曝光路径规划进行两次扫描曝光，其产率会被提高。

从以上实施例中可以看出，本实施例采用光束旋转镜组4移入或移出照明光路，同时旋转光学均匀器5，并通过具有移动形状和大小的可变狭缝62来配合掩模台7和工件台9运动，先对曝光场扫描曝光后，再对同一视场轮廓顶部中间区域的光分布做接近90度的旋转，进行再次扫描曝光，两次扫描曝光中的结果是曝光场同一点的剂量接近为第一次曝光时候视场轮廓中对应点所在的两个水平方向的各点光强积分的和，显著提高了剂量系统性能，进而改变线宽均匀性，最终改善曝光效果。

需要注意的是，尽管本发明中采用较佳方式90度旋转来旋转视场轮廓顶部的光，并选用2个45度的旋转光的光学元件来进行说明本发明的构思和原理，也可以选用一个90度旋转光的光学元件，或者选用一个30度旋转光的光学元件和一个60度旋转光学元件的组合，或者选用3个以上旋转光学元件的组合等。例如，当选用一个30度旋转光的光学元件和一个60度旋转光学元件的组合，30度旋转光学元件时，光学元件由12个扇形反射镜片层层相嵌，构成一个圆，每个扇形反射镜片30度，使得光分布绕光轴旋转了30度，60度旋转光学元件，光学元件由6个扇形反射镜片层层相嵌，构成一个圆，每个扇形反射镜片60度，使得光分布再绕光轴旋转了60度。同理，当选用一个90度旋转光学元件时，光学元件有4个扇形反射镜片构成。

可变狭缝62与聚光镜焦面61离焦是为了在扫描方向上形成梯形边缘的视场轮廓10(请参阅图5)，以更好地改善扫描曝光后的剂量均匀性。可变狭缝62在聚光镜焦面上时也能实现本发明的基本目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (13)

1.一种光刻机扫描曝光系统，包括光源以及沿着光源出射光束形成的光路依次排列的柱面镜、变焦镜组、光学均匀器、耦合光组、掩模板、物镜、工件台，其特征在于：在所述变焦镜组和光学均匀器之间设置有光束旋转镜组。

2.如权利要求1所述的光刻机扫描曝光系统，其特征在于：所述光束旋转镜组由若干组光学元件组成。

3.如权利要求2所述的光刻机扫描曝光系统，其特征在于：所述光束旋转镜组由2组光学元件组成。

4.如权利要求2或3所述的光刻机扫描曝光系统，其特征在于：所述光学元件由至少4个以上扇形反射元件层层相嵌放置成圆形。

5.如权利要求1所述的光刻机扫描曝光系统，其特征在于：所述耦合光组包括沿着光源从所述光学均匀器射出的方向依次排列的聚光镜、可变狭缝、照明组件。

6.如权利要求5所述的光刻机扫描曝光系统，其特征在于：所述可变狭缝的位置与所述聚光镜的焦面位置离焦。

7.如权利要求5所述的光刻机扫描曝光系统，其特征在于：所述可变狭缝打开时在工件台表面形成与可变狭缝形状相同的视场轮廓。

8.一种使用权利要求1所述光刻机扫描曝光系统的扫描曝光方法，其特征在于：先对曝光场区域扫描曝光后，将所述光束旋转镜组移入所述光源出射光束形成的光路中，再次对曝光场区域扫描曝光，完成扫描曝光后移开所述光束旋转镜组。

9.如权利要求8所述的扫描曝光方法，其特征在于：在移入所述光束旋转镜组时，将变焦镜组至光学均匀器之间形成的照明光瞳旋转到预设的角度，在移开所述光束旋转镜组时，将变焦镜组至光学均匀器之间形成的照明光瞳恢复。

10.如权利要求9所述的扫描曝光方法，其特征在于：旋转到预设的角度范围为沿光路轴心正向或者反向45度～135度。

11.如权利要求9或10所述的扫描曝光方法，其特征在于：在移入所述光束旋转镜组时，将所述旋转光学均匀器旋转与所述照明光瞳相同的角度。

12.如权利要求8所述的扫描曝光方法，其特征在于：所述工件台配合所述掩模板和可变狭缝同步运动，实现对同一曝光场进行再次扫描曝光。

13.如权利要求8所述的扫描曝光方法，其特征在于：扫描曝光的路径以“S”型方式进行扫描。

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