CN103197506A - 一种采用镜像硅片台的光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用镜像硅片台的光刻机，包括照明系统，掩模台，投影物镜，硅片台，硅片传输系统以及位置测量系统，其特征在于：在硅片台上以硅片台中心为对称点可左右放置第一硅片和第二硅片；沿硅片台方向在硅片台中心及所述硅片外侧分别布置第一位置测量基准、第二位置测量基准和第三位置测量基准，用于提供水平向和垂向六自由度的参考位置，所述位置测量基准及所述硅片的中心点处在一条直线上且相邻各点间间距相等；所述位置测量系统包括对称布置在投影物镜两侧的第一位置测量系统和第二位置测量系统，每个所述位置测量系统的测量轴到投影物镜光轴的距离等于硅片台上相邻两个所述位置基准的间距，所述测量轴和投影物镜光轴处于同一平面内，并且硅片台上位置测量基准的连线与所述平面平行。

Description

一种采用镜像硅片台的光刻机

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别是涉及一种采用镜像硅片台的光刻机及基于该硅片台配置的硅片测量系统配置和光刻曝光流程，以及该光刻机在浸液式曝光条件下的应用。

背景技术

在集成电路芯片制造过程中，光刻机负责将电路版图以投影曝光的方式转印到硅基底上，形成所需的功能器件和布局连线。作为集成电路芯片制造中最为关键的环节，光刻机的成像、套刻性能直接决定了集成电路芯片最终的电气性能，而光刻机的生产效率决定了芯片生产商的盈利能力。

对于光刻机的制造者而言，提高光刻设备的成像曝光性能，精密定位性能，以及设备运转效率、速度，是其整体性能提升的三个核心要素。光刻机的设计制造者围绕着三个核心需求，不断优化光刻设备内部各个分系统的配置方式、工作流程，以及各分系统的技术解决方案。传统的光刻设备均需要配置掩模台，硅片台，照明、成像系统，硅片传输系统，以及维持整个曝光流程中，掩模台、硅片台位置的位置测量系统。整个曝光流程包括：上硅片、硅片坐标系测量、掩模对准、曝光、下片等过程，这些过程在整个曝光流程中串行依次进行。如何通过曝光流程的优化，提高光刻机的生产效率，是光刻机设计者一直重点关注的技术领域。

当前，半导体制造技术及其光刻技术已经发展到45nm量级，为了满足45nm极小分辨率的光刻曝光，ArF光刻机投影物镜的数值孔径（NA）必须达到1.35。从数值孔径的公式“NA = n×sin（θ）”来看，投影物镜的像方介质的折射率（n）达到1.44，这就使得浸液式光刻技术必须在当前的光刻设备制造中得以应用。

浸液式技术的关键是在投影物镜下表面和硅片之间填充超纯水流场，并由一套浸液供给系统完成供水，回收，气密封，散热，化学杂质清洗等功能。浸液流场的建立和撤销需要大量时间，为了保证整个光刻机工作流程的顺畅，高效率，在整个硅片批流程中，浸液流场须要一直维持工作状态，不允许撤销。与此同时，硅片台还需要完成曝光，硅片坐标系测量，交换片等一系列复杂的动作。相对于传统光刻机的硅片台工作流程来看，浸液式光刻机的硅片台需要考虑的技术因素更加复杂，尤其是交接硅片过程中的流场如何维持，成为光刻机设计者需要重点考虑的问题。

从目前已有的光刻机整机解决方案来看，该领域的技术人员均是通过改变硅片台结构，并基于硅片台结构设计浸液流场维持方案、优化工作流程的方式，实现浸液式光刻曝光，同时提高产率的目的。

美国专利US 7161659 B2，US 2004/211920 A1公开了一种光刻机采用双硅片台配置，在一个硅片台曝光的过程中，另一个硅片台进行硅片坐标系测量。同时，浸液维持机构配合双硅片台，硅片交接在曝光区域外完成，当一个硅片台离开曝光区域，另一个硅片台尚未进入曝光区域时，浸液维持机构将两个硅片台进行连接，支撑、维持并转移浸液流场。两个硅片台相互独立，整机的机械架构和测量系统匹配机制极其复杂。

美国专利US 2008/0225246 A1，US 2005/0036121 A1公开了一种将单硅片台一分为二，其中承载硅片的部分在较大范围内运动，携带硅片完成曝光，硅片坐标系测量，交接片等工作，另一部分与硅片台相互配合，在硅片交接前与硅片台进行流场交接，支撑并维持浸液流场，同时进行物镜定位基准的测量部分。硅片台与浸液维持台在交接过程中需要高精度对接并同步运动，机构复杂，硅片位置信息需要在两台对接的过程中交接，容易损失精度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单，同时提高操作的可靠性和产率，以及具有较高测量精度的采用镜像硅片台的光刻机。

本发明提出一种采用镜像硅片台的光刻机，包括照明系统，掩模台，投影物镜，硅片台，硅片传输系统以及位置测量系统，其特征在于：在硅片台上以硅片台中心为对称点可左右放置第一硅片和第二硅片；沿硅片台方向在硅片台中心及所述硅片外侧分别布置第一位置测量基准、第二位置测量基准和第三位置测量基准，用于提供水平向和垂向六自由度的参考位置，所述位置测量基准及所述硅片的中心点处在一条直线上且相邻各点间间距相等；所述位置测量系统包括对称布置在投影物镜两侧的第一位置测量系统和第二位置测量系统，每个所述位置测量系统的测量轴到投影物镜光轴的距离等于硅片台上相邻两个所述位置基准的间距，所述测量轴和投影物镜光轴处于同一平面内，并且硅片台上位置测量基准的连线与所述平面平行。

其中，每个所述位置测量传感系统包括水平向测量传感器及垂向测量传感器。

其中，在投影物镜两侧对称布置两个所述硅片传输系统。

较优地，每个所述位置测量基准还包括掩模标记成像探测单元。

较优地，还包括浸液系统，构成浸液式光刻机。

使用上述光刻机的曝光流程，包括如下步骤：

（1）以硅片台中心为对称点左右放置有未曝光的所述第一硅片和已曝光的硅片，硅片台运动到一侧的交接位置，该侧的所述硅片传输系统将所述已曝光的硅片撤下并放置未曝光的所述第二硅片，硅片台另一侧的所述第一位置测量基准与所述投影物镜的光轴对齐，进行掩模对准，建立掩模与硅片台的水平向与垂向位置关系，所述第二位置测量系统的测量轴与硅片台中心的所述第二位置测量基准对齐，测量并建立所述第二位置测量系统的测量轴与硅片台的水平向与垂向位置关系； 

（2）硅片台驱动所述第一硅片移动到投影物镜下方进行扫描曝光，同时所述第二位置测量系统按照相同的轨迹对所述第二硅片进行水平位置测量和面形起伏测量；

（3）曝光完毕后，硅片台驱动所述第一硅片移动到另一侧的交接位置，由该侧的所述硅片传输系统执行硅片交接步骤，撤下所述第一硅片并放置新的硅片，同时所述第三位置测量基准与投影物镜光轴对齐，进行掩模对准，建立掩模与硅片台的水平向与垂向位置关系，所述第一位置测量系统的测量轴与硅片台中心的所述第二位置测量基准对齐，测量并建立所述第一位置测量系统的测量轴与硅片台的水平向与垂向位置关系；

（4）重复步骤（2），进行所述第二硅片的曝光和所述新的硅片的位置测量。

由于采用上述结构，本发明可以实现两张硅片的测量、曝光流程并行，因此整机产率得以提高, 且硅片位置信息测量与曝光过程的路径完全一致，有利于曝光时硅片定位精度的提高；相对于两个运动台的光刻机方案，本发明无需两个独立的运动台，因而运动机构简化，整机框架体积、重量减小, 且整机同步控制方式简化，可靠性提高；而相对于其他两个运动台的浸液式光刻机方案，本发明无需浸液流场维持机构，因而整机结构简化, 且没有浸液流场的交接过程，因而整机产率得以提高。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1(a)、(b)所示为本发明采用镜像硅片台的光刻机结构示意图；

图2(a)、(b)所示为本发明光刻机奇数硅片交接运动及状态示意图；

图3(a)、(b)所示为本发明光刻机奇数硅片测量，偶数硅片曝光时运动及状态示意图；

图4(a)、(b)所示为本发明光刻机偶数硅片交接运动及状态示意图；

图5所示为本发明光刻机的测量、曝光流程。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

如图1(a)、(b)所示，本发明提出的光刻机配置镜像硅片台，其中镜像硅片台100左右对称的布置两张硅片101，102。在两张硅片中间和左右两侧分别布置测量传感器位置基准200和201，202，位置测量基准及硅片的中心点处在一条直线上且相邻各点间间距相等。这三个位置基准均能够提供水平向及垂向六自由度的参考位置，这些参考位置均能够被光刻机内部的位置传感器所捕获。

本发明提出的与硅片台相适应的测量系统配置包括：对称布置在投影物镜500两侧的位置测量系统，每个位置测量传感系统包括水平向测量传感器及垂向测量传感器，水平向位置测量传感器301、302，水平向位置测量传感器301、302可以测量位置基准200，201，202，以及硅片上的对准标记与传感器测量轴对齐时，硅片台100的位置。位置基准200还包括一个掩模标记探测单元，当掩模502上的位置标记通过投影物镜500所成的空间像与该探测单元对齐时，返回硅片台100的位置。垂向位置测量传感器311，312，这两个传感器可以实时测量该传感器测量轴对应的硅片101，102，或位置基准200，201，202水平位置的垂向高度。

本发明提出的测量架构布置包括：整个光刻机包括三个测量轴，投影物镜500的光轴，水平向位置测量传感器301和垂向位置传感器311共同拥有的测量轴，以及水平向位置测量传感器302和垂向位置传感器312共同拥有的测量轴，三个测量轴在同一个平面内，并且间距相等，每个位置测量系统的测量轴到投影物镜光轴的距离等于硅片台上相邻两个位置基准的间距，并且硅片台上位置测量基准的连线与测量轴所在的平面平行。当硅片台100处于初始位置时，位置基准200与投影物镜500的光轴对齐。与此同时，水平向位置测量传感器301，垂向位置传感器311的测量轴与位置基准201对齐；水平向位置测量传感器302，垂向位置传感器312的测量轴与位置基准202对齐。硅片101的中心处于水平向位置测量传感器301和垂向位置传感器311共有测量轴与投影物镜500光轴的正中间；硅片102的中心处于投影物镜500光轴与水平向位置测量传感器302和垂向位置传感器312共有测量轴的正中间。这样的配置方式可以保证在两张硅片的中心距离等于投影物镜光轴到左右两侧位置测量传感器测量轴的距离，进而在一张硅片曝光时，另一张硅片可以按照完全相同的路径进行硅片表面位置信息测量。

本发明提出的光刻机结构需要配置两套硅片传输系统601，602，在投影物镜两侧对称布置。分别负责奇数硅片101和偶数硅片102的硅片交接。

本发明提出的工作流程如图5所示，包括：

1、如图2(a)、(b)所示，硅片台运动到最右端，硅片传输系统601将已曝光的硅片撤下并放置未曝光的硅片101。与此同时，位置基准202与投影物镜500的光轴重合，进行掩模对准，建立掩模502与硅片台100的水平向与垂向位置关系；水平向位置测量传感器301，垂向位置传感器311的测量轴与位置基准200对齐，测量并建立该测量轴与硅片台的水平向与垂向位置关系，从而完成硅片101的交接片和硅片102的表面位置信息测量。

2、如图3(a)、(b)所示，硅片台100驱动硅片102移动到投影物镜下方进行扫描曝光。与此同时，水平向位置测量传感器301和垂向位置传感器311按照相同的轨迹对硅片101进行水平位置测量和面形起伏测量。

3、如图4(a)、(b)所示，硅片102曝光完毕，硅片台100运动到最左端，硅片102移动到交接位置，由硅片传输系统602执行硅片交接步骤。与此同时，位置基准201与投影物镜500的光轴重合，进行掩模对准，建立掩模502与硅片台100的水平向与垂向位置关系；水平向位置测量传感器302，垂向位置传感器312的测量轴与位置基准200对齐，测量并建立该测量轴与硅片台的水平向与垂向位置关系。至此，硅片101与掩模502的相对位置关系完全建立。

4、同步骤1，光刻机进行硅片101的曝光与硅片102的位置测量。

本发明基于光刻机硅片台及测量设备的配置方式，提出的光刻机曝光工作流程可以实现两张硅片的并行曝光，每张硅片各自测量曝光流程中的各个关键动作交替进行。

通过配置浸液系统400，在投影物镜500下表面和硅片台100之间建立浸液流场401，实现浸液式曝光。在整个曝光过程中，浸液流场始终处于工作状态，不脱离硅片台，硅片交接过程不影响其状态。   

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种采用镜像硅片台的光刻机，包括照明系统，掩模台，投影物镜，硅片台，硅片传输系统以及位置测量系统，其特征在于：

在硅片台上以硅片台中心为对称点可左右放置第一硅片和第二硅片；

沿硅片台方向在硅片台中心及所述硅片外侧分别布置第一位置测量基准、第二位置测量基准和第三位置测量基准，用于提供水平向和垂向六自由度的参考位置，所述位置测量基准及所述硅片的中心点处在一条直线上且相邻各点间间距相等；

所述位置测量系统包括对称布置在投影物镜两侧的第一位置测量系统和第二位置测量系统，每个所述位置测量系统的测量轴到投影物镜光轴的距离等于硅片台上相邻两个所述位置基准的间距，所述测量轴和投影物镜光轴处于同一平面内，并且硅片台上位置测量基准的连线与所述平面平行。

2.如权利要求1所述的光刻机，其特征在于：每个所述位置测量传感系统包括水平向测量传感器及垂向测量传感器。

3.如权利要求1所述的光刻机，其特征在于：在投影物镜两侧对称布置两个所述硅片传输系统。

4.如权利要求1所述的光刻机，其特征在于：每个所述位置测量基准还包括掩模标记成像探测单元。

5.如权利要求1所述的光刻机，其特征在于：还包括浸液系统，构成浸液式光刻机。

6.使用如权利要求1-5任一项所述的光刻机的曝光流程，包括如下步骤：

（1）以硅片台中心为对称点左右放置有未曝光的所述第一硅片和已曝光的硅片，硅片台运动到一侧的交接位置，该侧的所述硅片传输系统将所述已曝光的硅片撤下并放置未曝光的所述第二硅片，硅片台另一侧的所述第一位置测量基准与所述投影物镜的光轴对齐，进行掩模对准，建立掩模与硅片台的水平向与垂向位置关系，所述第二位置测量系统的测量轴与硅片台中心的所述第二位置测量基准对齐，测量并建立所述第二位置测量系统的测量轴与硅片台的水平向与垂向位置关系； 

（2）硅片台驱动所述第一硅片移动到投影物镜下方进行扫描曝光，同时所述第二位置测量系统按照相同的轨迹对所述第二硅片进行水平位置测量和面形起伏测量；

（3）曝光完毕后，硅片台驱动所述第一硅片移动到另一侧的交接位置，由该侧的所述硅片传输系统执行硅片交接步骤，撤下所述第一硅片并放置新的硅片，同时所述第三位置测量基准与投影物镜光轴对齐，进行掩模对准，建立掩模与硅片台的水平向与垂向位置关系，所述第一位置测量系统的测量轴与硅片台中心的所述第二位置测量基准对齐，测量并建立所述第一位置测量系统的测量轴与硅片台的水平向与垂向位置关系；

（4）重复步骤（2），进行所述第二硅片的曝光和所述新的硅片的位置测量。

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