CN102129177B - 一种监测曝光机台的曝光能量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种监测曝光机台的曝光能量的方法和系统，该方法包括以下步骤：确定在一定条件下曝光后模板晶圆上的光刻胶厚度与曝光能量之间的关系；测量曝光后待测晶圆上的光刻胶厚度；根据该关系，获得与测量的光刻胶厚度对应的曝光能量；将获得的曝光能量与设置的曝光能量比较以对曝光机台的曝光能量进行监测。本发明还公开了一种监测曝光能量的系统。通过本发明的监测曝光能量的方法和系统，达到更加经济的、简单的对曝光机台的曝光能量进行监测的目的。

Description

一种监测曝光机台的曝光能量的方法和系统

技术领域

本发明涉及半导体制程，尤其涉及一种监测曝光机台的曝光能量的方法和系统。

背景技术

在半导体制造技术中，晶圆的关键尺寸(Critical Dimension)越来越小，例如，线宽尺寸由45纳米变为32纳米。而维持关键尺寸的均匀性则显得非常重要。某些类型的图案需要不同等级的关键尺寸的均匀性。例如，以45纳米制程来说，使用在微处理器电路的独立线需要在1.3纳米的线宽的3个标准差(sigma)之间；使用在记忆体阵列的密集线需要在3.4纳米的线宽的3个标准差之间。

有多种因素可能影响到上述的关键尺寸。这些因素可能来自光学、化学或机械方面的因素。针对不同的因素，现有技术中提出了不同的解决方案。例如，涂覆有化学增幅光刻胶的晶圆的存放时间对最终形成的关键尺寸有影响。针对该问题，中国第200710171612.7号专利申请公开了一种关键尺寸的控制方法。其通过产生关键尺寸和存放时间的对应关系曲线来获得晶圆的安全存放时间。以此来对关键尺寸进行控制。

另外，光刻过程对关键尺寸的影响也非常大。图1示出了通常的光刻过程的流程图。光刻通常包括8个步骤：步骤110为气相成底膜，即对晶圆进行清洗、脱水和晶圆表面成底膜处理，以增强晶圆和光刻胶之间的粘附性；步骤120为涂覆光刻胶，即在晶圆上涂覆光刻胶材料；步骤130为软烘，即在光刻胶涂到晶圆表面后用于去除光刻胶中的溶剂；步骤140为对准和曝光，用以将掩膜板图形转移到涂胶的晶圆上；步骤150为曝光后烘焙(PEB)，即在100度到110度的热板上进行曝光后的烘焙；步骤160为显影，即用化学显影剂将光刻胶的可溶解区域溶解，而将图形留在晶圆表面；步骤170为坚膜烘焙，即显影后的热烘；步骤180为显影检查。

上述光刻工艺过程中的每个步骤都可能对最终形成的关键尺寸产生影响。其中在曝光过程中，曝光机台的曝光能量和聚焦是影响关键尺寸的两个重要因素。现有技术针对曝光能量和聚焦两个因素做了诸多改进。比如针对曝光能量来说，虽然可以在曝光机台上设置需要的曝光能量，但是曝光机台产生的曝光能量会产生“漂移”，即实际产生的曝光能量会和设置的曝光能量有所差别，该漂移会造成关键尺寸的变化。因此，需要对曝光机台实际产生的曝光能量进行监测。在现有技术中通常采用安装在曝光机台上的曝光能量监测模块来对曝光能量进行监测。该监测模块监测曝光机台发出的曝光能量，通过监测模块监测出的曝光能量来判断曝光机台产生的曝光能量是否产生漂移。

但是，安装该监测模块是需要花费额外的成本的。并且当该监测模块本身产生问题时，监测到的曝光能量就更加不能反映实际产生的曝光能量。因此需要一种更加经济的、简单的对曝光机台的曝光能量进行监测的方法和系统。

发明内容

本发明首先公开了一种监测曝光机台的曝光能量的方法，该方法包括以下步骤：确定在一定条件下曝光后模板晶圆上的光刻胶厚度与曝光能量之间的关系；测量曝光后待测晶圆上的光刻胶厚度；根据该关系，获得与测量的光刻胶厚度对应的曝光能量；将获得的曝光能量与设置的曝光能量比较以对曝光机台的曝光能量进行监测。

进一步地，该一定条件包括相同的涂胶机参数、相同的光刻胶类型和相同的曝光机台参数。

进一步地，上述关系为线性关系。更进一步地，该线性关系为：y＝-31.547x+2005.2，其中y代表光刻胶厚度，x代表曝光能量。

进一步，上述关系在所述曝光机台的曝光能量大于或等于2.6毫焦且小于或等于6.4毫焦时确定。

较佳的，测量曝光后待测晶圆上的光刻胶厚度的步骤在曝光后烘焙之后显影之前。

进一步的，上述方法进一步包括：判断获得的曝光能量与设置的曝光能量的差值是否超过阈值；当差值超过阈值时，发出警告。较佳地，该阈值设置为设置的曝光能量的3％。

本发明还公开了一种监测曝光机台的曝光能量的系统，包括：厚度测量单元，其配置为在曝光后测量待测晶圆上的光刻胶厚度；存储单元，其配置为保存测量的光刻胶厚度以及曝光后模板晶圆上的光刻胶厚度和曝光能量之间关系；处理单元，其配置为获取测量的光刻胶厚度，并根据该关系获得与该测量的光刻胶厚度对应的曝光能量，并将该获得的曝光能量与设置的曝光能量比较以对曝光机台的曝光能量进行监测。

进一步地，上述处理单元进一步配置为判断获得的曝光能量与设置的曝光能量的差值是否超过阈值，并当差值超过阈值时，发出警告。较佳地，该阈值设置为设置的曝光能量的3％。

进一步地，厚度测量单元配置为在曝光后烘焙之后显影之前对待测晶圆上的光刻胶厚度进行监测。

通过上述的监测曝光机台的曝光能量的方法和系统，达到了更加经济、简单的对曝光机台的曝光能量进行检测的目的。

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是现有技术中光刻过程的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的监测曝光能量的方法的流程图；

图3A-3C是在不同焦点下晶圆上的光刻胶厚度与曝光能量的关系图线；

图4是根据本发明一个实施例的监测曝光能量的系统的框图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

参考图2，示出了根据本发明一个实施例的监测曝光机台的曝光能量的方法200的流程图。方法200开始于步骤210，其中确定曝光后晶圆上的光刻胶厚度和曝光能量之间的关系。需要说明的是，此处的光刻胶厚度指的是光刻胶的光学厚度。本发明的实施例是利用光刻胶的光学厚度和曝光能量之间的关系来实施的，而不是依据光刻胶的物理厚度和曝光能量之间的关系。这是因为光刻胶曝光后，其光学特性受到曝光能量的影响而改变，因此光刻胶的光学厚度和曝光能量之间有一定的关系。另外，除非有特别说明，本文中所述的光刻胶厚度指的是光刻胶的光学厚度。而且，为了获得更加准确的曲线，该光刻胶厚度指的是晶圆上光刻胶的平均厚度，或者是晶圆上某一区域内光刻胶的平均厚度。也就是说，可以在晶圆表面上或者晶圆的某一区域上取若干个光刻胶厚度监测点，通过测量这些不同点的光刻胶厚度来计算晶圆的或者晶圆的某一区域的光刻胶的平均厚度。厚度监测点的选取可以根据需要设置。并且数量的选择也可以根据需要选择。这些都不构成对本发明的限制。进一步的，对光刻胶厚度的测量可以在曝光步骤后的任何时刻测量。但是为了避免引入其他影响光刻胶厚度或曝光能量的因素，较佳地，对晶圆上光刻胶厚度的测量发生在曝光之后显影之前。更进一步地，对光刻胶厚度的测量可以在曝光后烘焙之后显影之前，也即上面提到的步骤150和步骤160之间。另外，需要说明的是，此处的晶圆指的是用于确定所述关系的晶圆，可以称为模板晶圆，其不同于下述的在实际中使用的待测晶圆。但可以理解的是，模板晶圆和待测晶圆是相同的类型。以下对如何确定曝光后晶圆上的光刻胶厚度和曝光能量之间的关系作详细描述。

图3A-3C是不同焦点时的晶圆上的光刻胶厚度与曝光能量的关系图线。其中横坐标x代表曝光能量，其单位是毫焦(mj)，纵坐标y代表光刻胶厚度，其单位是埃(

)。为了清楚地表示，图中仅仅示出了坐标系的一部分，可以理解的是，这种表示并不影响本发明的阐述。需要说明的，由于有一些影响光刻胶厚度和曝光能量之间关系的因素，因此确定光刻胶厚度与曝光能量之间的关系的步骤需要在一定条件下进行。该处指的一定条件指的是以下几种参数一定的情况，在本实施例中这些参数可以包括：涂胶机的参数、光刻胶的类型和曝光机台参数。对于一定的光刻胶类型来说，在一定的涂胶机的参数的情况下，在晶圆上得到的光刻胶的物理厚度是一定的。而具有该物理厚度的光刻胶在经过曝光机台参数相同的曝光机台后，最终得到的晶圆上光刻胶的光学厚度与曝光能量有关。因此，在这几个条件一定的情况下，得出的晶圆上光刻胶厚度和曝光能量之间的关系就是一定的。

图3A-3C是基于表1中测得的数据得出的。表1是在焦点分别为零、0.03和-0.03时光刻胶厚度与曝光能量的对应表。本领域的技术人员可以理解的是，上述的焦点零是在曝光机台上设置的一个参考位置，当高于该位置时，焦点为正。当低于该位置时，焦点为负。另外表1的数据是在下述条件下得到的：相同的涂胶显影机(track)参数以及相同的曝光机台参数和相同的X-125型光刻胶。在该例子中，在涂胶后，在晶圆上涂覆的光刻胶的物理厚度大概为195纳米。

	焦点＝0	焦点＝0.03	焦点＝-0.03
				曝光能量(毫焦)	光刻胶厚度(埃)	光刻胶厚度(埃)	光刻胶厚度(埃)
2.6	1925.2788	1927.1247	1930.8967
				2.8	1917.9567	1919.7145	1923.5897
3.0	1910.5590	1912.668	1915.9867
				3.2	1904.2496	1906.3469	1909.7856
3.4	1895.8457	1897.6457	1901.6542
				3.6	1891.6308	1893.5549	1897.1026
3.8	1884.1245	1886.3257	1889.7586
				4.0	1879.0121	1881.2485	1884.8575
4.2	1872.7026	1874.6457	1878.5741
				4.4	1866.3932	1868.4128	1871.9501
4.6	1860.0838	1862.1269	1865.6521
				4.8	1853.7744	1855.7548	1859.4230
5.0	1849.3465	1851.4459	1854.7749
				5.2	1841.1556	1843.0632	1846.8514
5.4	1834.8462	1836.5989	1840.2630
				5.6	1828.5368	1830.4015	1833.9973
5.8	1823.2418	1825.1968	1828.7410
				6.0	1816.5874	1818.4351	1821.8963
6.2	1810.5201	1812.5968	1815.9742
				6.4	1803.2992	1805.3309	1808.7658
6.6	1801.4257	1803.4875	1806.9631
				6.8	1804.2589	1806.5517	1809.6981
7.0	1804.9874	1806.6895	1810.5843
				7.2	1806.9721	1808.4519	1812.6243

7.4

1805.2456

1807.3456

1810.7751

表1

根据表1中测得的数据，可以分别做出图3A-3C。从图3A-3C中可以清楚的看出，当曝光能量大于或等于2.6毫焦且小于或等于6.4毫焦时，光刻胶厚度和曝光能量之间存在着特定的线性关系。另外，在确定上述关系时，其中曝光能量是在曝光机台设置的或者监测模块测出的曝光能量。并且是在上述设备正常工作状态下测出的，因此可以用来对两者的异常状态(例如曝光能量漂移)进行监测。在测得光刻胶厚度的情况下，通过这种关系可以获得相应的曝光能量。举例来说，图3A为通过表1中测得的数据得到的在焦点为零时的光刻胶厚度和曝光能量的关系图线。图3A中的特定的线性关系为：y＝-31.547x+2005.2。可以理解的是，测得的数据并不都是完全精确地符合该线性关系，而是与该关系有很小的偏差。但是，该偏差非常小，其带来的影响可以忽略不计。图3A中的直线为根据实际的数据拟合出的直线。实际上，该直线和实际的数据的拟合度可以达到0.9961，基本接近1。因此图3A中的线性关系可以代表实际中光刻胶厚度和曝光能量之间的关系。另外，在焦点为0.03和-0.03时，光刻胶厚度和曝光能量之间同样存在一定的线性关系。如图3B和3C所示。因此，通过该关系，可以获得与测得的光刻胶厚度对应的曝光能量。

需要进一步说明的是，在焦点不同的情况下，虽然不同的光刻胶厚度对应不同的曝光能量，但是从表1以及图3A-3C中可以看出，焦点的不同对两者之间关系的影响非常小。例如对应于4.6的曝光能量，在焦点分别为零、0.03和-0.03时的光刻胶厚度分别为1860.0838、1862.1269和1865.6521，其差别非常小，可以忽略不计。因此，在一定条件下，可以只确定一个光刻胶厚度和曝光能量之间的关系，而不用考虑焦点的影响。因此，上述在焦点为零时得到的关系，可以同样适用于焦点为0.03和-0.03时的情况。

可以理解的是，上述特定的关系是在上面例子中提到的一定条件下测得的，在不同的条件下两者之间的关系可能不同于上面提到的关系。但是在某一曝光能量范围内，曝光后的光刻胶厚度和曝光能量之间存在一定的关系，尤其是存在线性关系。这种关系可以通过上面提到的方法得到。因此，除了上述的特定条件外，本发明可以适用于其他条件下的曝光能量监测。因此，上述例子中两者之间的特定关系并不构成对本发明的限制。另外，步骤210是需要事先确定的，并且对于相同的条件，只需要确定一次。当两者的关系确定后，就可以采用下述的步骤220至步骤260在实际中对曝光机台发出的曝光能量进行监测。

然后方法200进行到步骤220，其中测量曝光后晶圆上的光刻胶厚度。如上所述，此处的晶圆指的是实际中待测的晶圆，不同于步骤210中的模板晶圆。但如上所述，模板晶圆和待测晶圆是相同的类型。如上所述，该测量是对实际中曝光后晶圆上的光刻胶厚度的测量，不同于步骤210中在确定光刻胶厚度和曝光能量关系中对光刻胶厚度的测量。由于方法200是对曝光能量进行监测的，因此需要在曝光后对待测晶圆上的光刻胶厚度进行测量。一般来说，对光刻胶厚度的测量可以在曝光步骤后的任何时刻测量。但是为了避免引入其他影响光刻胶厚度或曝光能量的因素，较佳地，对光刻胶厚度的测量发生在曝光之后显影之前。更进一步地，可以在曝光后烘焙之后显影之前，也即上面提到的步骤150和步骤160之间。

另外，对待测晶圆上光刻胶厚度的测量可以通过多种手段来进行。现有技术中已经公开了这些技术手段，因此在此不对这些技术手段进行详细的说明。另外，可以理解的是，为了更好地实施方法200，该光刻胶厚度指的是待测晶圆上光刻胶的平均厚度。也就是说，可以在晶圆表面上取若干个光刻胶厚度监测点，通过测量这些不同点的光刻胶厚度来计算待测晶圆上光刻胶的平均厚度。厚度监测点的选取可以根据需要设置。并且数量的选择也可以根据需要选择。这些都不构成对本发明的限制。

当测量光刻胶的厚度完成后，方法200进行到步骤230。在步骤230，通过光刻胶厚度与曝光能量的关系获得与测得的光刻胶厚度对应的曝光能量。在测得光刻胶厚度后，通过上述的线性关系获得与该测得的光刻胶厚度对应的曝光能量。

在获得与光刻胶厚度对应的曝光能量后，方法200进行到步骤240，其中将获得的曝光能量E2与设置的曝光能量E1比较。其中设置的曝光能量E1可以是在曝光机台上设置的曝光能量。通过该比较，可以得知曝光机台的曝光能量是否发生漂移。比如，如果获得的曝光能量是5毫焦，但是曝光机台上设置的曝光能量是4.6毫焦。那么就说明在曝光机台上产生了曝光能量的漂移，即产生了0.4毫焦的能量漂移。另外，该设置的曝光能量E1也可以是现有技术中监测曝光能量的监测模块监测到的曝光能量。当然，也可以同时与曝光机台上设置的曝光能量和监测模块监测的曝光能量进行比较。通过该比较不仅可以得知曝光机台的曝光能量是否产生漂移，也可以获知监测模块是否工作正常。

可选地，在步骤240之后，还包括步骤250和步骤260。在步骤250，判断E2和E1之间的差值是否超过阈值。该阈值可以根据需要设定。较佳地，该阈值可以设定为允许的曝光能量漂移。允许的曝光能量漂移指的是，虽然实际的曝光能量不同于设置的曝光能量，但是该不同不会对关键尺寸造成不可接受的影响。通常来说，曝光能量的漂移在设置的曝光能量的3％之内都是可以接受的。举例来说，曝光机台上设置的曝光能量为5毫焦，最后通过本发明的实施例的方法200获得的曝光能量为5.1毫焦，那么说明曝光能量发生了0.1毫焦的漂移，由于0.1毫焦只是5毫焦的2％，因此该漂移是在可接受的范围之内的。如果获得的曝光能量为5.4毫焦，那么曝光能量产生了8％的漂移，此时该8％就超出了上面所述的阈值。另外，阈值也可以设置为某一数值，而不是上面提到的百分比，比如0.3毫焦。这样，当获得的曝光能量E2与设置的曝光能量E1的差值超过0.3毫焦时，认为其超过了阈值。

如果在步骤250的判断结果为否，那么该方法200终止。如果在步骤250的判断结果为是，那么方法200进行到步骤260。在步骤260，发出警告。即，告知用户曝光能量的漂移已经超出了允许的范围，需要对曝光机台或者曝光过程做检查。这样，用户可以及时对曝光能量进行监控，及时发现曝光能量的漂移。

图4示出了根据本发明一个实施例的监测曝光能量的系统400的框图。系统400包括厚度测量单元410、存储单元420、处理单元430，其中厚度测量单元410配置为在曝光后测量待测晶圆上的光刻胶厚度，并将该光刻胶厚度保存在存储单元420中，存储单元420还配置为存储通过上述步骤210获得的曝光后模板晶圆上的光刻胶厚度和曝光能量之间关系。处理单元430配置为获取上述测量的光刻胶厚度，并根据上述关系获得与测量的光刻胶厚度对应的曝光能量，并将获得的曝光能量与设置的曝光能量比较以对曝光机台的曝光能量进行监测。该处理单元430进一步配置为判断获得的曝光能量与设置的曝光能量的差值是否超过阈值，并当差值超过阈值时，发出警告。优选的，该阈值可以设置为该设置的曝光能量的3％。进一步的，如上所述，厚度测量单元对光刻胶厚度的测量在曝光后烘焙之后显影之前。

通过上述本发明的监测曝光机台的曝光能量的方法和系统，达到了更加经济、简单的对曝光机台的曝光能量进行检测的目的。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种监测曝光机台的曝光能量的方法，包括以下步骤：

确定在一定条件下曝光后模板晶圆上的光刻胶厚度与曝光能量之间的关系；

测量曝光后待测晶圆上的光刻胶厚度；

根据所述关系，获得与所述测量的光刻胶厚度对应的曝光能量；

将所述获得的曝光能量与设置的曝光能量比较以对所述曝光机台的曝光能量进行监测；

其中，所述光刻胶厚度为光刻胶的光学厚度，所述一定条件包括相同的涂胶机参数、相同的光刻胶类型和相同的曝光机台参数，当所述曝光机台的曝光能量处于一定范围内时，所述关系为线性关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述一定范围为所述曝光机台的曝光能量大于或等于2.6毫焦且小于或等于6.4毫焦时确定所述线性关系为：y＝-31.547x+2005.2，其中y代表光刻胶厚度，x代表曝光能量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量曝光后所述待测晶圆上的光刻胶厚度的步骤在曝光后烘焙之后显影之前。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

判断所述获得的曝光能量与所述设置的曝光能量的差值是否超过阈值；

当所述差值超过所述阈值时，发出警告。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阈值设置为所述设置的曝光能量的3％。

6.一种监测曝光机台的曝光能量的系统，包括：

厚度测量单元，其配置为在曝光后测量待测晶圆上的光刻胶厚度；

存储单元，其配置为保存所述测量的光刻胶厚度以及曝光后模板晶圆上的光刻胶厚度和曝光能量之间的关系；

处理单元，其配置为获取所述测量的光刻胶厚度，并根据所述关系获得与所述测量的光刻胶厚度对应的曝光能量，并将所述获得的曝光能量与设置的曝光能量比较以对曝光机台的曝光能量进行监测；

其中，所述光刻胶厚度为光刻胶的光学厚度，当所述曝光机台的曝光能量处于一定范围内时，所述关系为线性关系。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理单元进一步配置为判断所述获得的曝光能量与所述设置的曝光能量的差值是否超过阈值，并当所述差值超过所述阈值时，发出警告。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理单元进一步配置为判断所述获得的曝光能量与所述设置的曝光能量的差值是否超过所述设置的曝光能量的3％，并当所述差值超过所述设置的曝光能量的3％时，发出警告。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述厚度测量单元配置为在曝光后烘焙之后显影之前对所述待测晶圆上的光刻胶厚度进行测量。

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