CN103926797A - 一种用于光刻装置的双面套刻系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻装置的双面套刻系统，包括：一照明模块，用于提供辐射束；一支撑结构，用于支撑图案形成装置；一投影物镜，用于将图案成像至晶圆，该晶圆包括一位于背面的图案，该晶圆经过曝光后正面获得一对准标记和一套刻图案，一支撑结构，用于固定晶圆；一双面套刻误差测量装置，用于测量该套刻图案与该背面图案的相对位置误差，一正面对准系统，用于确定该晶圆正面的对准标记位置。本发明还同时公开一种用于光刻装置的双面套刻方法。

Description

一种用于光刻装置的双面套刻系统及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻装置的双面套刻方法。

背景技术

半导体加工制造中，晶圆双面光刻技术已应用于微电子机械系统MEMS、射频器件制造以及先进封装技术领域。微机电系统加工的典型产品具体包括惯性加速度计、压力传感器、光学可变衰减片、喷墨打印头等。射频器件制造过程中通过双面光刻可减小因厚金属沉积导致的信号衰减。先进封装技术借助贯穿晶圆通孔工艺制造垂向高密度跨芯片的连接线，实现多层堆叠二维平面器件的三维集成。双面处理技术直接决定上述产品加工质量。例如压力传感器制造过程中，器件性能及质量取决于前面与背面工艺层二者间定位精度；先进封装器件内连接管道需任意布置，也对晶圆前面与背面对准的套准提出高精度需求。对于不透明的晶圆衬底，对准系统或套准机均不能同时测量晶圆正面和背面标记位置，光刻设备中双面对准技术的应用衍生出新的双面套准测量研究方向。双面套准测量工具需具备较大的测量范围，覆盖晶圆表面尽可能大的区域，且测量对象涵盖多种材料及不同厚度的衬底或薄膜。

文献Proc. of SPIE, Vol. 6520, 65202R1-10, “Development and Characterization of a 300mm Dual-Side Alignment Stepper”和美国专利US6525805中公开了三种实现双面套刻曝光的方法及装置：其一为可见光直接探测式，通过镶嵌至晶片台中的光学棱镜，由晶圆底部直接对背面标记进行对准；其二为红外底部照射式，将红外光源镶嵌至晶片台中，对晶圆背面标记进行对准；其三为红外顶部照射式，基于红外光穿透晶圆正面，探测晶圆背面标记。

可见光直接探测式和红外底部照射式，均依赖于光学棱镜或红外光源镶嵌至晶片台内部，在晶圆背面标记对准过程中，对标记位置有限制，只能探测特定区域的标记；红外顶部照射式需透过晶圆整体，背面标记清晰度严重依赖于晶圆厚度及材料透射特性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种不用背面对准系统的双面套刻系统及方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻装置的双面套刻系统，其特征在于，包括：一照明模块，用于提供辐射束；一支撑结构，用于支撑图案形成装置；一投影物镜，用于将图案成像至衬底，该衬底包括一位于背面的图案，该衬底经过曝光后正面获得一对准标记和一套刻图案，一支撑结构，用于固定衬底；一双面套刻误差测量装置，用于测量该套刻图案与该背面图案的相对位置误差，一正面对准系统，用于确定该衬底正面的对准标记位置。

本发明同时公开一种用于光刻装置的双面套刻方法，包括：

步骤一：通过前道工序在一衬底背面形成一背面图案；

步骤二：上载所述衬底到衬底台上，对所述衬底进行第一次曝光，获得一正面对准标记及正面套刻图案；

步骤三：，下载所述衬底，对所述衬底显影；

步骤四：获得所述套刻图案与所述背面图案的相对位置误差；

步骤五：再次上载所述衬底，根据所述正面对准标记进行正面对准；

步骤六：补偿所述相对位置误差，对所述衬底进行第二次曝光。

更近一步地，所述步骤四中相对位置误差Δx_d、Δy_d满足：

其中：x _d、y _d分别为曝光在衬底上的所述正面套刻图案的位置坐标；Tx _d、Ty _d分别为该场的平移；M _xd、M _yd为倍率；Φ _fxd、Φ _fyd为像面旋转；W _xxd 、W _xyd、W _yxd 、W _yyd 、W _4xd、W _4yd分别为该场的楔形畸变；D _3xd、D _3yd为三阶畸变；D _5x、D _5yd为五阶畸变；R _fxd、R _fyd分别为拟合残差。

更近一步地，所述步骤五中的所述正面对准具体为，利用正面对准系统确定所述正面对准标记的位置，建立衬底相对于衬底台坐标系的位置关系。

更近一步地，所述正面对准标记的位置Δxa、Δya为： 

其中：x _a、y _a分别为对准标记场内名义位置坐标；Tx _a、Ty _a分别为该场的平移；M _xa、M _ya为倍率；Φ _xa、Φ _ya为像面旋转；W _xxa 、W _xya、W _yxa 、W _yya 、W _4xa、W _4ya分别为该场的楔形畸变；D _3xa、D _3ya为三阶畸变；D _5xa、D _5ya为五阶畸变；R _xa、R _ya分别为拟合残差。

更近一步地，所述步骤六中的补偿相对位置误差为根据所述相对位置误差和所述衬底相对于衬底台坐标系的位置关系进行补偿后，获得实际曝光场位置。

更近一步地，所述实际曝光场位置（x_e，y_e）为：

其中：x _f、y _f分别为曝光在衬底上的标记场内名义位置坐标；Tx _f、Ty _f分别为该场的平移；M _fx、M _fy为倍率；Φ _fx、Φ _fy为像面旋转；W _xx 、W _xy、W _yx 、W _yy 、W _4x、W _4y分别为该场的楔形畸变；D _3x、D _3y为三阶畸变；D _5x、D _5y为五阶畸变。

更近一步地；一投影物镜，用于将图案成像至衬底，该衬底包括一位于反更近一步地，所述正面对准标记及正面套刻图案可合并为一种标记。

与现有技术相比较，本发明所提出一种双面套刻曝光方法，仅借助传统正面对准，通过一次曝光后测量双面套刻偏差，计算偏差量补偿后再次曝光，达到双面套刻的目的。本发明不依赖于背面对准系统，对晶片台结构、晶圆厚度、透射率等特性无特殊要求，基于正面对准系统实现双面套刻曝光，适用于对产率节拍要求较宽松的应用场合。

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示意性地显示了一种可用于执行本发明方法的步骤的光刻装置；

图2是在晶圆上经过第一次曝光后形成的图案示例图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的用于光刻装置的双面套刻系统。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，“正面”应理解为朝上的一面，“背面”应理解为朝下的一面。

图1示意性地显示了一种可用于执行本发明方法的步骤的光刻装置，包括：照明器1，用于提供辐射的照明光学系统；掩模台3，用于支撑掩模2；投影物镜4，用于将图案成像至晶圆5；晶片台6，用于固定晶圆5；正面对准系统7，用于确定晶圆5正面标记8位置。

投影光束入射至固定于掩模台3上的掩模2，透过掩模2后，携带掩模图像信息的投影光束通过投影物镜4，聚焦于晶圆5目标位置8。掩模台和晶片台均可精密移动，其位置可利用干涉测量仪等测量装置精确测量。利用正面对准系统可精确定位晶圆5正面的标记8的位置。容易为本领域相关专业人员所理解，在进行双面套刻之前，晶圆背面存在前道工序加工完成的标记及图案9。将晶圆上载至晶片台上，执行第一次曝光，可在晶圆正面得到包含对准标记11及特定的套刻图案10。图2给出了在晶圆上经过第一次曝光后形成的图案示例。

在另一种实施方式中，对准标记11和套刻图案10可以合并，同样的标记既可用于正面对准，还可用于双面套刻误差测量。

经显影后，借助双面套刻误差测量装置，可量取晶圆正面套刻图样10相对于背面前道工序图案9的相对位置误差Δx_d、Δy_d。根据光学系统投影成像原理，套刻误差满足如下关系

 其中：x _d、y _d分别为曝光中第一层曝光在晶圆上的标记场内所述正面套刻图案的位置坐标；Tx _d、Ty _d分别为该场的平移；M _xd、M _yd为倍率；Φ _fxd、Φ _fyd为像面旋转；W _xxd 、W _xyd、W _yxd 、W _yyd 、W _4xd、W _4yd分别为该场的楔形畸变；D _3xd、D _3yd为三阶畸变；D _5x、D _5yd为五阶畸变；R _fxd、R _fyd分别为拟合残差。

再次上载晶圆，利用正面对准系统7确定对准标记11的位置Δxa、Δya，可建立晶圆相对于晶片台坐标系位置关系：

   其中：x _a、y _a分别为对准标记场内名义位置坐标；Tx _a、Ty _a分别为该场的平移；M _xa、M _ya为倍率；Φ _xa、Φ _ya为像面旋转；W _xxa 、W _xya、W _yxa 、W _yya 、W _4xa、W _4ya分别为该场的楔形畸变；D _3xa、D _3ya为三阶畸变；D _5xa、D _5ya为五阶畸变；R _xa、R _ya分别为拟合残差。

根据背面图案，规划的正面曝光场名义位置为（x_f，y_f），经过坐标系变化及套刻误差补偿后，实际曝光场位置（x_e，y_e）为：

    其中：x _f、y _f分别为曝光在晶圆上的标记场内名义位置坐标；Tx _f、Ty _f分别为该场的平移；M _fx、M _fy为倍率；Φ _fx、Φ _fy为像面旋转；W _xx 、W _xy、W _yx 、W _yy 、W _4x、W _4y分别为该场的楔形畸变；D _3x、D _3y为三阶畸变；D _5x、D _5y为五阶畸变。

综合考虑坐标系对准及双面套刻误差的影响，有：

Tx _f =  Tx _d+  Tx _a

Ty _f =  Ty _d+  Ty _a

Mx _f =  Mx _d+  Mx _a

My _f =  My _d+  My _a

Φx _f =  Φx _d+ Φx _a

Φy _f =  Φy _d+ Φy _a

W _xx =  W _xxd+  W _xxa

W _xy =  W _xyd+  W _xya

W _yx =  W _yx d+  W _yxa

W _yy =  W _yy d+  W _yya

W _4x =  W _4xd+  W _4xa

W _4y =  W _4yd+  W _4ya

D _3xf =  D _3xd+  D _3xa

D _3yf =  D _3yd+  D _3ya

D _5xf =  D _5xd+  D _5xa

D _5yf =  D _5yd+  D _5ya

Φx _f =  Φx _d+ Φx _a

Φy _f =  Φy _d+ Φy _a

根据各曝光场的期望位置，执行曝光，在晶圆正面形成目标图案，与背面图案组合，可得期望的双面套刻结果。   

与现有技术相比较，本发明所提出一种双面套刻曝光方法，仅借助传统正面对准，通过一次曝光后测量双面套刻偏差，计算偏差量补偿后再次曝光，达到双面套刻的目的。本发明不依赖于背面对准系统，对晶片台结构、晶圆厚度、透射率等特性无特殊要求，基于正面对准系统实现双面套刻曝光，适用于对产率节拍要求较宽松的应用场合。

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 (8)

1.一种用于光刻装置的双面套刻系统，其特征在于，包括：一照明模块，用于提供辐射束；

一支撑结构，用于支撑图案形成装置；一投影物镜，用于将图案成像至衬底，所述衬底包括一位于背面的图案，所述衬底经过曝光后正面获得一对准标记和一套刻图案，一支撑结构，用于固定衬底；一双面套刻误差测量装置，用于测量所述套刻图案与所述背面图案的相对位置误差，一正面对准系统，用于确定所述衬底正面的对准标记位置。

2.一种用于光刻装置的双面套刻方法，其特征在于，包括：

步骤一：通过前道工序在一衬底背面形成一背面图案；

步骤二：上载所述衬底到衬底台上，对所述衬底进行第一次曝光，获得一正面对准标记及正面套刻图案；

步骤三：，下载所述衬底，对所述衬底显影；

步骤四：获得所述套刻图案与所述背面图案的相对位置误差；

步骤五：再次上载所述衬底，根据所述正面对准标记进行正面对准；

步骤六：补偿所述相对位置误差，对所述衬底进行第二次曝光。

3.如权利要求2所述的双面套刻方法，其特征在于，所述步骤四中相对位置误差Δx_d、Δy_d满足：

其中：x _d、y _d分别为曝光在衬底上的所述正面套刻图案的位置坐标；Tx _d、Ty _d分别为该场的平移；M _xd、M _yd为倍率；Φ _fxd、Φ _fyd为像面旋转；W _xxd 、W _xyd、W _yxd 、W _yyd 、W _4xd、W _4yd分别为该场的楔形畸变；D _3xd、D _3yd为三阶畸变；D _5x、D _5yd为五阶畸变；R _fxd、R _fyd分别为拟合残差。

4.如权利要求2所述的双面套刻方法，其特征在于，所述步骤五中的所述正面对准具体为，利用正面对准系统确定所述正面对准标记的位置，建立衬底相对于衬底台坐标系的位置关系。

5.如权利要求4所述的双面套刻方法，其特征在于，所述正面对准标记的位置Δxa、Δya为： 

其中：x _a、y _a分别为对准标记场内名义位置坐标；Tx _a、Ty _a分别为该场的平移；M _xa、M _ya为倍率；Φ _xa、Φ _ya为像面旋转；W _xxa 、W _xya、W _yxa 、W _yya 、W _4xa、W _4ya分别为该场的楔形畸变；D _3xa、D _3ya为三阶畸变；D _5xa、D _5ya为五阶畸变；R _xa、R _ya分别为拟合残差。

6.如权利要求４所述的双面套刻方法，其特征在于，所述步骤六中的补偿相对位置误差为根据所述相对位置误差和所述衬底相对于衬底台坐标系的位置关系进行补偿后，获得实际曝光场位置。

7.如权利要求6所述的双面套刻方法，其特征在于，所述实际曝光场位置（x_e，y_e）为：

其中：x _f、y _f分别为曝光在衬底上的标记场内名义位置坐标；Tx _f、Ty _f分别为该场的平移；M _fx、M _fy为倍率；Φ _fx、Φ _fy为像面旋转；W _xx 、W _xy、W _yx 、W _yy 、W _4x、W _4y分别为该场的楔形畸变；D _3x、D _3y为三阶畸变；D _5x、D _5y为五阶畸变。

8.如权利要求2所述的双面套刻方法，其特征在于，所述正面对准标记及正面套刻图案可合并为一种标记。