CN102736422B - 一种接近式逐场曝光装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种接近式逐场曝光装置，包括照明分系统、工件台、位置测量分系统、调焦调平分系统和对准分系统；从照明分系统出射的均匀的平行光入射至掩模台上的掩模，其特征在于，曝光装置的视场基底小，工件台有XYZRxRyRz六个自由度，XY方向可以大范围运动，ZRxRyRz可小范围调整，在曝光前先对基底进行面形测量和对准，曝光时根据基底的面形数据，以及对准的数据按照曝光处方打开照明系统进行逐场曝光。

Description

一种接近式逐场曝光装置与方法

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种接近式逐场曝光装置及方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。LED按功率分可分为大功率LED和小功率LED，按亮度分，可分为高亮度LED(HB-LED)和低亮度LED。生产LED的基底目前绝大多数为蓝宝石基底(Al203)，受限于蓝宝石的物理特性和加工技术，蓝宝石基底的平整性无法和硅基底一样达到um级别，按SEMI标准，4英寸蓝宝石基底的平整性最差为40um，6英寸蓝宝石基底的平整性最差为60um。

LED曝光中最常用的光刻机为Aligner，采用大掩模贴近整片蓝宝石衬底进行一次性曝光，称为接近式曝光，如美国专利US2007/0035731A1和美国专利US447911，此外如美国专利US4530587所公开的投影式Stepper曝光，具有结构简单产率高等一系列优点。图1所示为接近式曝光的光路图，因为蓝宝石衬底表面的不平整性，接近式曝光时候掩模和衬底之间存在衍射现象，导致蓝宝石衬底上图案的成像质量变差，特别是在特征尺寸CD较小(比如CD＜1um＜＜Bow)的时候成像质量或CD均匀性(＞10％)难以被接受。并且衬底不平整性使得掩模可能和衬底接触，导致了所曝光图案存在缺陷，引起了良率变差或返工率变高等问题。采用Mask Aligner曝光，蓝宝石平整性差引起了线宽均匀性变差和良率变差，严重影响LED产品的性能。

因此，近年来出现了采用投影式光刻机曝光LED。该方法采用了IC行业成熟发展的投影曝光技术，逐场调平曝光，精度较高，CD均匀性较好；并且投影式曝光解决不平整性使得掩模和衬底部分位置接触引起的良率或返工率问题。然而，因为投影式光刻机存在场和场之间存在拼接问题，并且产率比自动化Aligner低，而且更重要的是，投影式光刻机的成本远远高于Aligner，因此投影式光刻机将在很长一段时间内无法替代Aligner成为LED曝光生产的主要设备。为此，如何持续改进Alinger的性能，解决Aligner在LED曝光的各种问题，仍是一个广泛的研究课题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明改进了掩模对准机，采用比基底小的视场在基底上逐场曝光。

本发明一种接近式逐场曝光装置，包括：

照明分系统，用以出射平行光；

掩模台，用以承载一掩模，所述平行光入射至所述掩模；

工件台，用以承载一基底，所述基底表面被划分为多个曝光区域；

调焦调平分系统，用以于曝光前对所述基底表面的多个曝光区域进行面形测量以获得与所述多个曝光区域分别对应的面形数据；以及

位置测量分系统，用以测量所述工件台的位置，

在进行步进曝光过程中，于一曝光区域完成曝光之后，驱动所述工件台下降并步进至下一曝光区域，并透过所述调焦调平分系统依据所述下一曝光区域对应的面形数据及所述位置测量系统侧得的所述工件台的位置数据将所述工件台调整到曝光平面，之后驱动工件台上升，开启所述照明系统对所述下一曝光区域进行曝光。

其中，所述照明分系统包括光源和匀光器。

更近一步地，还包括可变狭缝，所述平行光经过所述可变狭缝入射至所述掩模。

其中，所述工件台内设有吸附所述基底的真空吸盘。

其中，所述调焦调平分系统采用激光和二维光电传感器对所述基底表面的多数个曝光区域进行面形测量。

更近一步地，还包括对准分系统，用以于曝光前对所述工件台进行对准作业。

一种曝光的方法，包括如下步骤：

将掩模上载至掩模台上；

将基底上载至工件台上，所述基底表面被划分为多数个曝光区域；

通过调焦调平分系统和所述工件台运动，依次测量所述基底表面的多个曝光区域的面形，并记录面形数据；以及

行逐场曝光，直至所述基底表面的所有曝光区域曝光完成，

其中，于一曝光区域完成曝光之后，驱动所述工件台下降并步进至下一曝光区域，并透过所述调焦调平分系统依据所述下一曝光区域对应的面形数据及位置测量系统侧得的所述工件台的位置数据将所述工件台调整到曝光平面，之后驱动工件台上升，开启照明系统对所述下一曝光区域进行曝光。

更近一步地，还包括在逐场曝光前通过对准分系统对所述工件台进行对准作业。

更近一步地，还包括下载所述基底。

其中，所述照明分系统包括光源和匀光器，用以出射平行光，所述平行光入射至所述掩模。

其中，所述平行光透过一可变狭缝入射至所述掩模。

与传统的对准光刻机Aligner采用大掩模一次曝光的方法相比，本发明采用了小视场逐场调平曝光，改进了分辨能力均匀性并减少了掩模和基底的接触而提高了良率。传统的Aligner接近式曝光，受基底平整性以及衍射及掩模基底可能接触等影响，其均匀性和良率较差。此外，尽管本发明产率较低，但是通过采用更好的工件台，其运动速度快，稳定时间少，其产率仍能达到85wph以上，比手动的Aligner(～30wph)高许多，而仅略低于全自动的Aligner(～120wph)。

与投影式曝光装置及其拼接方法相比，本发明不需要投影物镜而实现逐场调平曝光，因此本发明具有成本更低的优点。传统的投影式曝光装置，需要采用昂贵的物镜系统，大大增加了曝光装置的成本。目前LED生产线普遍精度要求几个um或最多要求0.8um以上，传统Aligner接近式曝光的精度目前已能达到1um左右，成本远比投影式曝光装置低。本发明为改进型Aligner，成本远比投影式曝光装置低，而精度也可达到亚微米，满足LED工业的需求。

附图说明

图1所示为接近式曝光的光路图；

图2所示为根据本发明的曝光装置的结构示意图；

图3所示为根据本发明的曝光装置的工作原理示意图；

图4所示为根据本发明曝光方法的流程图；

图5所示为一典型的曝光处方；

图6所示为场弯曲度的模型。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

图2所示为根据本发明的曝光装置的结构示意图。根据本发明的曝光装置包括照明分系统1，工件台15，位置测量分系统13，调焦调平分系统10，对准分系统8等。照明分系统1包括光源2和匀光器4，光源2可采用汞灯，经凹面镜会聚和匀光器4匀光后为掩模7提供均匀的平行光照明。掩模7安装在掩模台5上，掩模7大小在本实施例中为50mm方片(2英寸片)，掩模上方有可变狭缝6，可变狭缝6可调整掩模曝光区域的大小。工件台有六个自由度，其中XY方向可以大范围运动，本实施例中，XY的运动范围为400mm以上，ZRxRyRz可小范围调整，本实施例中，Z调整范围3mm，RxRyRz调整范围20mrad，XYZ运动精度100nm内，而RxRyRz调整精度在1urad内。工件台内安装真空吸盘12，可吸附基底11。本实施例中所用基底尺寸为100mm或150mm(4英寸片或6英寸片)，所用基底材料为蓝宝石(Al2O3)。工件台通过位置测量分系统13测量位置，本实施例中采用光栅尺测量Rz，而采用激光干涉仪测量XYZ和RxRy。本实施例中调焦调平分系统10采用激光和二维PSD(光电传感器)进行测量。而对准分系统8，利用物镜将基底标记成像到CCD16进行识别，然后调整工件台位置进行对准。

根据本发明的曝光装置采用小视场逐场曝光或大视场整场曝光，其成像原理和Aligner接近式曝光相同。根据本发明的曝光装置不需要成像物镜，如图3所示，当基底不平整时，采用小视场逐场调平接近式曝光。其中，曝光前先采用FLS测量面形和对准，然后工件台多次运动，对基底各场曝光，最后完成整个基底曝光。在面形测量时，首先工件台下降，根据曝光处方，步进到待测位置，再上升进行调焦调平，测量该位置处的面形，重复上述过程，直到获得完整的面形数据。在曝光时，首先工件台下降，根据曝光处方，移动工件台，将基底所需曝光区域移动到掩模下方(此时，与一般Stepper不同，因为基底不平整，为了避免基底和掩模接触，工件台必须先在Z向远离掩模运动(比如运动1mm)，然后再水平运动到下一个曝光场位置(如图5所示))，根据所测量的基底面形数据，按位置测量系统的测量值，调整工件台到最适合曝光的平面——该平面不会接触掩模，并且与掩模的平均距离与其它曝光场一致，然后上升到指定位置，再根据曝光处方，打开照明系统的快门曝光合适的时间。

参考SUSS Aligner公式估算Step Aligner分辨力：

                       CD＝1.5*[(a+d/2)*lambda]^0.5

其中，CD为Aligner分辨能力(um)，a为掩模和基底的距离(um)，d为胶厚(um)，lambda为光波长(um)。根据该公式，按0.365um波长估算，当胶厚为1.2um，则Step Aligner极限分辨力为0.7um，当胶厚为0.6um，则极限分辨力为0.5um。如果距离a＝0.22um，d＝1.2um，那么CD＝0.8um。

图5示出了一种曝光处方的实施例，根据该处方，按照从位置1至位置90的顺序依次进行曝光。

下面结合图4，对本发明的曝光装置的工作流程进行详细描述。

1.上掩模

将50mm掩模经过传输系统上到掩模台内。

2.上基底

将4寸蓝宝石基底传输到工件台上方，放下，启动真空吸附，将基底吸附于真空吸盘上。

3.面形测量

工件台下降，根据曝光处方，通过调焦调平分系统和工件台运动，依次测量各拟曝光区域的面形，并记录面形数据。

根据3个位置点调焦调平，3个位置点在基底的坐标为(0mm，60mm)，(51.96mm，-30mm)，(-51.96mm，-30mm)成等边三角形的三个顶点，工件台步进移动，使得三个位置点在调焦调平分系统下方，依次测量此三点的垂向位置，然后工件台根据此调整姿态，实现全场调焦调平。注意，在对准精度要求不高的情况下(比如＞1um)，可以省略此步。

4.对准

通过对准物镜测量基底标记多个对准标记位置，然后建立坐标系计算调整量，然后根据计算结果调整工件台位置姿态。注意，如果基底无对准标记，则可以省略此步。可变狭缝调整曝光区域尺寸为10mm*10mm。

5.逐场曝光

(1)工件台下降

(2)步进与调平

按照用户的曝光处方(图4)，移动工件台，将基底所需曝光区域移动到掩模下方。与一般Stepper不同，因为基底不平整，为了避免基底和掩模接触，工件台必须先在Z向远离掩模运动(比如运动1mm)，然后再水平运动到下一个曝光场位置(如图5)。

根据所测量的基底面形数据，按位置测量系统的测量值，调整工件台到最适合曝光的平面。

(3)工件台上升

工件台上升到指定位置，所上升到的平面不会接触掩模，并且与掩模的平均距离与其它曝光场一致。

(4)曝光

根据曝光处方，打开照明系统的快门曝光合适的时间。

6.下基底。

在本实施例中，工件台运动速度＞＝350mm/s，稳定时间＜200ms，经过计算(交换片(被曝光的片下片和未曝光的片上片)5s，全场调平1.5s，基底面形测量8s，对准3s，逐场调焦调平与曝光25s(250mJ/cm^2下，25shots))，产率能够达到85wph，远大于手动Aligner曝光装置，接近全自动Aligner曝光的产率，与Stepper产率相当。

参见图6，建模估计每场弯曲度，设D为基底直径，d为场宽度，B为基底弯曲度，那么有场弯曲度X≈B*d*d/(D*D)。焦深和分辨能力的关系为：

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{CD}\≥\mathrm{CD}\_\min =k_1\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\\ \mathrm{DOF}=k_2\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{NA}}^2}\end{array}\right\}\⇒\mathrm{DOF}=\frac{k2}{k1}\frac{\mathrm{CD}\_\min }{\mathrm{NA}}$

其中，DOF为焦深；k1、k2分别为分辨率工艺因子和焦深工艺因子；CD为分辨能力，NA为数值孔径；λ为波长。

其中，当k2≈0.4，k1≈0.6，NA≈0.3，波长0.365um时，可计算

$\mathrm{CD}\≥\mathrm{CD}\_\min =k_1\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\≈0.73\mathrm{um}$

焦深与最小分辨能力的关系则为

$\mathrm{DOF}=\frac{k2}{k1}\frac{\mathrm{CD}\_\min }{\mathrm{NA}}\≈2\mathrm{CD}\_\min$

因为场弯曲的缘故，场弯曲度X可能超过焦深DOF，所以实际的关键分辨能力CD比焦深范围内的CD min大，因此，由上式可以推算出，在不同的弯曲度X中，每场曝光中所能达到的实际最小分辨能力为

$\mathrm{CD}\≈\max (\frac{X}{2},\mathrm{CD}\_\min )\≈\max (\frac{X}{2},0.73\mathrm{um})$

计算得到的实际实际最小分辨能力的关系的计算结果如表1。从表中可以看出，本实施例中采用20mm的视场，则本实施例中逐场曝光的实际最小分辨能力可以达到0.8um以下。

表1 4寸片中的场翘曲度X≈B*d*d/(D*D)与实际最小分辨能力关系表

需要补充说明，尽管本实施例给出了本发明的较佳实施例，但是本发明并不限定各种具体参数，包括视场大小、掩模尺寸、工件台速度等等，也不限定具体步骤，包括调平步骤、对准步骤、曝光步骤等等。各种参数配置下的实施例，只要是小视场逐场调平曝光的接近式光刻装置与方法，都属于本发明的保护范畴。

Claims (11)

1.一种接近式逐场曝光装置，包括：照明分系统，用以出射平行光；掩模台，用以承载一掩模，所述平行光入射至所述掩模；工件台，用以承载一基底；其特征在于，

所述基底表面被划分为多个曝光区域；

所述曝光装置还包括：

调焦调平分系统，用以于曝光前对所述基底表面的多个曝光区域进行面形测量以获得与所述多个曝光区域分别对应的面形数据；以及

位置测量分系统，用以测量所述工件台的位置，

在进行步进曝光过程中，于一曝光区域完成曝光之后，驱动所述工件台下降并步进至下一曝光区域，并透过所述调焦调平分系统依据所述下一曝光区域对应的面形数据及所述位置测量系统测得的所述工件台的位置数据将所述工件台调整到曝光平面，之后驱动工件台上升，开启所述照明系统对所述下一曝光区域进行曝光。

2.根据权利要求1所述的接近式逐场曝光装置，其中，所述照明分系统包括光源和匀光器。

3.根据权利要求1所述的接近式逐场曝光装置，还包括可变狭缝，所述平行光经过所述可变狭缝入射至所述掩模。

4.根据权利要求1所述的接近式逐场曝光装置，其中，所述工件台内设有吸附所述基底的真空吸盘。

5.根据权利要求1所述的接近式逐场曝光装置，其中，所述调焦调平分系统采用激光和二维光电传感器对所述基底表面的多数个曝光区域进行面形测量。

6.根据权利要求1所述的接近式逐场曝光装置，还包括对准分系统，用以于曝光前对所述工件台进行对准作业。

7.一种曝光的方法，包括：

将掩模上载至掩模台上；

将基底上载至工件台上，所述基底表面被划分为多数个曝光区域；

通过调焦调平分系统和所述工件台运动，依次测量所述基底表面的多个曝光区域的面形，并记录面形数据；以及

行逐场曝光，直至所述基底表面的所有曝光区域曝光完成，

其中，于一曝光区域完成曝光之后，驱动所述工件台下降并步进至下一曝光区域，并透过所述调焦调平分系统依据所述下一曝光区域对应的面形数据及位置测量系统测得的所述工件台的位置数据将所述工件台调整到曝光平面，之后驱动工件台上升，开启照明系统对所述下一曝光区域进行曝光。

8.根据权利要求7所述的曝光方法，还包括在逐场曝光前通过对准分系统对所述工件台进行对准作业。

9.根据权利要求7所述的曝光方法，还包括下载所述基底。

10.根据权利要求7所述的曝光方法，其中，所述照明分系统包括光源和匀光器，用以出射平行光，所述平行光入射至所述掩模。

11.根据权利要求10所述的曝光方法，其中，所述平行光透过一可变狭缝入射至所述掩模。