CN104076613A - 基于圆形掩模的步进扫描光刻机及其曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于圆形掩模的步进扫描光刻机及其曝光方法，其结构包括照明系统、用于承载硅片的工件台、用于承载圆形掩模的掩模台以及同步控制系统，所述照明系统提供光源，所述同步控制系统控制所述工件台做直线运动，控制所述掩模台做圆周运动，所述掩模台圆周运动的圆心为所述圆形掩模的圆心。本发明中，基于圆形掩模而设计的同步控制系统控制工件台、掩模台以及照明系统的运动，按照特定的路径完成扫描，完成一个曝光场的扫描后，圆形掩模继续做匀速圆周运动，工件台继续做匀速直线运动，进行下一个曝光场的扫描，大大减少发生路径折返的次数，降低了系统资源的开销，同时减少了掩模台、工件台的变速运动过程，提高了成像质量及精度。

Description

基于圆形掩模的步进扫描光刻机及其曝光方法

技术领域

本发明涉及一种基于圆形掩模的步进扫描光刻机及其曝光方法。

背景技术

传统步进扫描光刻机的结构如图1所示，包括承载硅片2的工件台1、承载掩模4的掩模台3、光源6、镜头7以及狭缝5，所述掩模4为方形掩模，根据曝光的图形，在所述掩模4上加工出特定的图案，由于掩模4与硅片2均建立在直角坐标系中，所以掩模4的图形与硅片2的图形为比例不同的相似图形，比例大小依赖于镜头7的放大倍数，所述光源6发出的光经所述狭缝5照射在所述掩模4上。

传统步进扫描光刻机的工作原理如下：由同步控制系统控制光刻机的各个分系统进行扫描工作：同步控制系统获取当前掩模台3与工件台1的工作状态，并控制掩模台3与工件台1运动至曝光位置，在这个过程中，同步控制系统需要保证掩模台3与工件台1在到达所述曝光位置时的速度为目标速度，且为匀速运动；扫描中掩模台3与工件台1为相向运动（如图中箭头方向所示），相对运动的速度比为镜头7的放大倍数；扫描过程中，同步控制系统还需要控制两个刀片在合适的时机由静止到匀速的运动（即控制狭缝5的位置及宽度）；在完成一次扫描后，同步控制系统控制掩模台3与工件台1移动到下一个曝光位置继续扫描。如图2所示，将硅片2分为若干个曝光场8，则箭头方向为传统步进扫描光刻机的扫描路径。

扫描过程中，同步控制系统首先需要通过谈判软件与各个分系统进行谈判来获得其各自的状态以及各分系统到达指定位置的时间，其次同步控制系统控制各个分系统到达指定位置，我们称该过程为准备阶段，然后各个分系统配合同步控制系统完成扫描，最后同步控制系统通过计算软件对扫描结果进行测量计算。如图3所示，扫描各阶段的时间为：谈判阶段T_n、准备阶段T_p、扫描阶段T_S、计算阶段T_c，其中T_n<T_p+T_S。为提高效率，扫描过程采用三级流水线的工作方式，假设需要对5个曝光场8进行扫描，则总扫描时间T=T_n+5（T_p+T_S）。

由此可知，传统步进扫描光刻机存在以下缺点：

1.在连续扫描时，每次扫描都发生路径折返；

2.每次扫描都需要进行谈判、准备，系统资源开销很大；

3.同步控制算法复杂，每次扫描都需要对各个分系统进行系统同步；

4.工件台，掩模台，刀片需要频繁做变速运动，影响成像质量与精度。

发明内容

本发明提供一种基于圆形掩模的步进扫描光刻机及其曝光方法，以提高步进扫描光刻机的成像质量及精度、简化扫描路径及同步控制算法，节约系统资源。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于圆形掩模的步进扫描光刻机，包括照明系统、用于承载硅片的工件台、用于承载圆形掩模的掩模台以及同步控制系统，所述照明系统提供光源，所述同步控制系统控制所述工件台做直线运动，控制所述掩模台做圆周运动，所述掩模台圆周运动的圆心为所述圆形掩模的圆心。

较佳地，所述照明系统包括深紫外线光源和狭缝，所述深紫外线光源透过所述狭缝投射至所述圆形掩模上。

较佳地，所述照明系统还包括平行光转换装置，所述平行光转换装置设于所述狭缝与所述圆形掩模之间。

较佳地，所述狭缝的形状为矩形或扇形。

较佳地，所述狭缝的宽度可调。

较佳地，所述狭缝的宽度小于等于所述深紫外线光源的波长。

较佳地，还包括掩模传输系统和掩模台系统，所述掩模传输系统将所述圆形掩模运送至所述掩模台上，所述掩模台系统对所述圆形掩模进行对准及固定。

较佳地，所述掩模传输系统包括版库以及机械手，所述机械手将放置于所述版库上的圆形掩模运送至所述掩模台上。

较佳地，所述掩模台系统包括掩模预对准装置、掩模台圆周旋转装置以及掩模固定装置。

较佳地，所述掩模固定装置选用真空吸附方式或由气控/液压驱动的机械式紧固方式将所述圆形掩模固定于所述掩模台上。

较佳地，所述圆形掩模的圆心设有一十字形的对准标记，所述对准标记上还设有一凹槽，所述十字形的对准标记用于标记所述圆形掩模的圆心与所述掩模台的圆周运动的圆心之间的偏差，所述凹槽用于标记所述圆形掩模的方向。

本发明还提供了一种基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，应用于如上所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机中，其步骤包括：

S1：将所述圆形掩模放置于所述掩模台上；

S2：对所述圆形掩模的位置进行对准并固定；

S3：所述同步控制系统与工件台及掩模台进行谈判来获得其各自的状态以及工件台及掩模台到达指定位置的时间；

S4：同步控制系统控制工件台及掩模台到达指定位置，进入准备阶段；

S5：工件台及掩模台配合同步控制系统完成扫描；

S6：同步控制系统对扫描结果进行测量计算。

较佳地，所述圆形掩模建立在极坐标系中，点坐标为(ρ,θ)；所述硅片建立在直角坐标系中，点坐标为(x,y)，所述硅片上的图形通过下列公式转换为掩模图形：

x＝ρ;

$y=\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;\&theta;}}{180}.$

较佳地，在执行后续曝光场的扫描时，如果扫描路径没有发生折返，则无需进行S3和S4步骤，直接进行S5步骤；如果发生了路径折返，则需要重新进行S3和S4步骤，然后进行S5步骤。

较佳地，在S2步骤中，将所述圆形掩模的圆心作为对准绝对位置。

较佳地，在S2步骤中，将所述工件台上设置的基准板作为对准绝对位置。

较佳地，所述照明系统提供的深紫外线光源由高压汞灯产生的光通过照明光学系统得到。

较佳地，所述深紫外线光源通过狭缝投射到所述圆形掩模上，随着所述圆形掩模的圆周运动和所述工件台的直线运动，完成一个曝光场的曝光。

较佳地，所述狭缝在第一个扫描开始之前或发生路径折返再次扫描开始之前由所述同步控制系统控制打开，在即将发生路径折返或者所有扫描结束之前由同步控制系统控制关闭。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.连续扫描时，不需要每次扫描都发生路径折返，仅在硅片边缘处进行扫描时发生路径折返；

2.仅在路径折返时需要进行谈判、准备步骤，节省了系统资源的开销；

3.简化了同步控制算法，不需要每次扫描都需要对各个分系统进行同步；

4.仅在路径折返时，工件台、掩模台以及刀片的运动为变速运动，其余时间为匀速运动，提高了成像的质量和精度。

附图说明

图1为现有技术中步进扫描光刻机的结构示意图；

图2为现有技术中步进扫描光刻机的扫描路径示意图；

图3为现有技术中步进扫描光刻机的扫描过程示意图；

图4为本发明一具体实施方式的基于圆形掩模的步进扫描光刻机的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式的基于圆形掩模的步进扫描光刻机的扫描路径示意图；

图6为本发明一具体实施方式的基于圆形掩模的步进扫描光刻机的扫描过程示意图；

图7为本发明一具体实施方式的基于圆形掩模的步进扫描光刻机中狭缝与圆形掩模的位置关系示意图；

图8为本发明一具体实施方式的基于圆形掩模的步进扫描光刻机中圆形掩模的对准标记示意图。

图1～3中：1-工件台、2-硅片、3-掩模台、4-掩模、5-狭缝、6-光源、7-镜头、8-曝光场；

图4～8中：10-照明系统、11-深紫外线光源、12-狭缝、20-工件台、21-硅片、22-曝光场、30-掩模台、31-圆形掩模、32-对准标记、33-凹槽。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，如图4～5所示，包括照明系统10、用于承载硅片21的工件台20、用于承载圆形掩模31的掩模台30以及同步控制系统（图中未示出），所述照明系统10提供光源，所述同步控制系统控制所述工件台20做直线运动，控制所述掩模台30做圆周运动，所述掩模台30圆周运动的圆心为所述圆形掩模31的圆心。本发明中，基于圆形掩模31而设计的同步控制系统控制工件台20、掩模台30以及照明系统10的运动，按照特定的路径（如图5中箭头方向所示）完成扫描，完成一个曝光场22的扫描后，掩模台30继续做匀速圆周运动，工件台20继续做匀速直线运动，进行下一个曝光场22的扫描，从而大大减少发生路径折返的次数，降低了系统资源的开销，同时减少了掩模台30、工件台20的变速运动过程，提高了成像质量以及精度。

较佳地，请继续参考图4，所述照明系统10包括深紫外线光源11和狭缝12，所述深紫外线光源11透过所述狭缝12投射至所述圆形掩模31上。较佳地，所述照明系统10还包括平行光转换装置（图中未示出），所述平行光转换装置设于所述狭缝12与所述圆形掩模31之间，所述平行光转换装置能够最大限度的接收深紫外线光源11，并为单缝衍射提供平行光，使得所述深紫外线光源11的利用率不低于85%。

较佳地，请参考图4和图7，所述狭缝12的形状为矩形或扇形，当所述狭缝12的形状为矩形时，其发生单缝衍射的图案标准，便于照明剂量控制算法中进行能量的补偿与修正；当所述狭缝12的形状为扇形时，所述圆形掩模31上各点经过扇形的狭缝12的角速度与线速度相同，照明剂量分布均匀。

较佳地，请继续参考图4，所述狭缝12的宽度可调，且所述狭缝12的宽度小于等于所述深紫外线光源11的波长，由于狭缝12的宽度小于等于所述深紫外线光源11的波长，在曝光过程中将发生单缝衍射，衍射的一级光将作为曝光光源；所述狭缝12的宽度与投影物镜的放大倍率还将会影响成像的分辨率；另外，本实施例中，所述狭缝12由两个刀片（图中未示出）控制其位置及其宽度。

较佳地，所述基于圆形掩模31的步进扫描光刻机还包括掩模传输系统（图中未示出）和掩模台系统（图中未示出），所述掩模传输系统将所述圆形掩模31运送至所述掩模台30上，具体地，所述掩模传输系统包括版库以及机械手，所述机械手将放置于所述版库上的圆形掩模31运送至所述掩模台30上；所述掩模台系统对所述圆形掩模31进行对准及固定，具体地，所述掩模台系统包括掩模预对准装置、掩模台圆周旋转装置以及掩模固定装置，其中，所述掩模固定装置选用真空吸附方式或由气控/液压驱动的机械式紧固方式将所述圆形掩模31固定于所述掩模台30上。

较佳地，请参考图8，所述圆形掩模31的圆心设有一十字形的对准标记32，所述对准标记32上还设有一凹槽33，所述十字形的对准标记32用于标记所述圆形掩模31的圆心与所述掩模台30的圆周运动的圆心之间的偏差，所述凹槽33用于标记所述圆形掩模31的方向，当所述对准标记32与所述掩模台30的圆周运动的圆心完全重合，且所述凹槽33位于初始定义好的方向上，则所述圆形掩模31的对准完成，位于定义好的初始位置上。

请继续参考图4至图8，本发明还提供了一种基于圆形掩模31的步进扫描曝光方法，应用于如上所述的基于圆形掩模31的步进扫描光刻机中，其步骤包括：

S1：将所述圆形掩模31放置于所述掩模台30上，具体地，所述机械手将放置于所述版库上的圆形掩模31运送至所述掩模台30上；

S2：对所述圆形掩模31的位置进行对准并固定，具体地，所述掩模预对准装置通过所述对准标记32对所述圆形掩模31进行对准，直至所述对准标记32与所述掩模台30的圆周运动的圆心完全重合，且所述凹槽33位于初始定义好的方向上，具体地，本实施例中采用掩模预对准算法，即通过所述掩模预对准装置采集数据，计算圆形掩模31圆心与掩模台圆周旋转装置的圆心之间的偏差，并控制掩模预对准装置移动圆形掩模31，直至圆形掩模31的圆心与掩模台圆周旋转装置的圆心重合；同时，通过对准分系统获取圆形掩模31上的对准标记32，计算圆形掩模31上对准标记32的凹槽33是否处于初始位置，并控制掩模台圆周旋转装置旋转，直至圆形掩模31处于定义的初始位置，圆心及方向均调整完成后，所述掩模固定装置将所述圆形掩模31固定于所述掩模台30上；

S3：所述同步控制系统与工件台20及掩模台30进行谈判来获得其各自的状态以及工件台20和掩模台30到达指定位置的时间；

S4：同步控制系统控制工件台20及掩模台30到达指定位置，进入准备阶段；

S5：工件台20及掩模台30配合同步控制系统完成扫描，具体地，所述照明系统10为系统提供深紫外线光源11，较佳地，所述照明系统10提供的深紫外线光源11由高压汞灯产生的光通过照明光学系统得到，采用照明剂量控制算法，所述圆形掩模31的匀速圆周运动中，各点的角速度一致，而线速度各不相同，照明剂量控制算法能够保证曝光场22上照明剂量的均匀性，该算法一方面解决了圆形掩模31运动中各点线速度的差异所造成的照明剂量不均匀问题，另一方面能够对由于单缝衍射的次级光对周围曝光场22所产生的能量进行了修正。所述深紫外线光源11通过狭缝12投射到所述圆形掩模31上，所述同步控制系统控制所述掩模台圆周旋转装置带动所述掩模台30进行圆周运动，控制所述工件台20进行直线运动，随着所述圆形掩模31的圆周运动和所述工件台20的直线运动，完成一个曝光场22的曝光，最终，按照特定的路径完成扫描，较佳地，所述狭缝12在第一个扫描开始之前或发生路径折返再次扫描开始之前由所述同步控制系统控制打开，在即将发生路径折返或者所有扫描结束之前由同步控制系统控制关闭。

S6：同步控制系统对扫描结果进行测量计算。

较佳地，所述圆形掩模31建立在极坐标系中，某点坐标为(ρ,θ)；所述硅片21建立在直角坐标系中，某点坐标为(x,y)，所述硅片21上的图形通过下列公式转换为掩模图形：

x＝ρ;

$y=\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;\&theta;}}{180},$

所述圆形掩模31的图形与硅片21成像图形为非相似图形，两者之间通过上述的坐标转换来实现图形各点的一一对应。

较佳地，在执行后续曝光场22的扫描时，如果扫描路径没有发生折返，则无需进行S3和S4步骤，直接进行S5步骤；如果发生了路径折返，则需要重新进行S3和S4步骤，然后进行S5步骤，请重点参考图5和图6，连续扫描时，仅在对硅片21的边缘进行扫描时发生路径折返，而仅在路径折返时需要进行谈判阶段和准备阶段，需要说明的是，所述曝光场22之间的划片槽是通过在圆形掩模31上制作特定的不透光区来实现的。仍然以对5个曝光场22进行扫描为例，则总扫描时间T=T_n+T_p+5T_S，与传统步进扫描光刻机的扫描过程相比，本发明中的步进扫描光刻机的扫描过程所用时间大大缩短，进而节省了系统资源的开销，同时简化了同步控制算法，不需要每次扫描都需要对各个分系统进行同步，且仅在路径折返时，工件台20、掩模台30以及控制狭缝12位置和宽度的刀片的运动为变速运动，其余时间为匀速运动，提高了成像质量及精度。

较佳地，在S2步骤中，将所述圆形掩模31的圆心作为对准绝对位置，或将所述工件台20上设置的基准板（图中未示出）作为对准绝对位置，将圆形掩模31圆心作为对准绝对位置时，掩模台30只需做匀速圆周运动，圆周运动的圆心永恒不变，光刻机中各个位置以该点为参考点进行位置定义，在执行对准的过程中，只需要完成圆形掩模31的对准和硅片21的对准即可进行扫描曝光；将所述工件台20上设置的基准板作为对准绝对位置时，要求掩模台30做匀速圆周运动，同时掩模台30还将做X向与Y向的水平运动，此时掩模台30圆心为相对位置，对准将以工件台20上的基准板作为绝对位置进行坐标定义，在执行对准的过程中，需要完成基准板对准，圆形掩模31对准和硅片21对准，方可进行扫描曝光。

综上所述，本发明提供的基于圆形掩模的步进扫描光刻机及其曝光方法，其结构包括照明系统10、用于承载硅片21的工件台20、用于承载圆形掩模31的掩模台30以及同步控制系统，所述照明系统10提供光源，所述同步控制系统控制所述工件台20做直线运动，控制所述掩模台30做圆周运动，所述掩模台30圆周运动的圆心为所述圆形掩模31的圆心。本发明中，基于圆形掩模31而设计的同步控制系统控制工件台20、掩模台30以及照明系统10的运动，按照特定的路径完成扫描，完成一个曝光场22的扫描后，圆形掩模31继续做匀速圆周运动，工件台20继续做匀速直线运动，进行下一个曝光场22的扫描，大大减少发生路径折返的次数，降低了系统资源的开销，同时减少了掩模台30、工件台20的变速运动过程，提高了成像质量及精度。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，包括照明系统、用于承载硅片的工件台、用于承载圆形掩模的掩模台以及同步控制系统，所述照明系统提供光源，所述同步控制系统控制所述工件台做直线运动，控制所述掩模台做圆周运动，所述掩模台圆周运动的圆心为所述圆形掩模的圆心。

2.如权利要求1所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述照明系统包括深紫外线光源和狭缝，所述深紫外线光源透过所述狭缝投射至所述圆形掩模上。

3.如权利要求2所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述照明系统还包括平行光转换装置，所述平行光转换装置设于所述狭缝与所述圆形掩模之间。

4.如权利要求2所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述狭缝的形状为矩形或扇形。

5.如权利要求2所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述狭缝的宽度可调。

6.如权利要求5所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述狭缝的宽度小于等于所述深紫外线光源的波长。

7.如权利要求1所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，还包括掩模传输系统和掩模台系统，所述掩模传输系统将所述圆形掩模运送至所述掩模台上，所述掩模台系统对所述圆形掩模进行对准及固定。

8.如权利要求7所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述掩模传输系统包括版库以及机械手，所述机械手将放置于所述版库上的圆形掩模运送至所述掩模台上。

9.如权利要求7所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述掩模台系统包括掩模预对准装置、掩模台圆周旋转装置以及掩模固定装置。

10.如权利要求9所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述掩模固定装置选用真空吸附方式或由气控/液压驱动的机械式紧固方式将所述圆形掩模固定于所述掩模台上。

11.如权利要求7所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机，其特征在于，所述圆形掩模的圆心设有一十字形的对准标记，所述对准标记上还设有一凹槽，所述十字形的对准标记用于标记所述圆形掩模的圆心与所述掩模台的圆周运动的圆心之间的偏差，所述凹槽用于标记所述圆形掩模的方向。

12.一种基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，应用于如权利要求1～11任一项所述的基于圆形掩模的步进扫描光刻机中，其步骤包括：

S1：将所述圆形掩模放置于所述掩模台上；

S2：对所述圆形掩模的位置进行对准并固定；

S3：所述同步控制系统与工件台及掩模台进行谈判来获得其各自的状态以及工件台及掩模台到达指定位置的时间；

S4：同步控制系统控制工件台及掩模台到达指定位置，进入准备阶段；

S5：工件台及掩模台配合同步控制系统完成扫描；

S6：同步控制系统对扫描结果进行测量计算。

13.如权利要求12所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，所述圆形掩模建立在极坐标系中，点坐标为(ρ,θ)；所述硅片建立在直角坐标系中，点坐标为(x,y)，所述硅片上的图形通过下列公式转换为掩模图形：

x＝ρ;

$y=\frac{\mathrm{\&pi;\&rho;\&theta;}}{180}.$

14.如权利要求12所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，在执行后续曝光场的扫描时，如果扫描路径没有发生折返，则无需进行S3和S4步骤，直接进行S5步骤；如果发生了路径折返，则需要重新进行S3和S4步骤，然后进行S5步骤。

15.如权利要求12所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，在S2步骤中，将所述圆形掩模的圆心作为对准绝对位置。

16.如权利要求12所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，在S2步骤中，将所述工件台上设置的基准板作为对准绝对位置。

17.如权利要求12所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，所述照明系统提供的深紫外线光源由高压汞灯产生的光通过照明光学系统得到。

18.如权利要求17所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，所述深紫外线光源通过狭缝投射到所述圆形掩模上，随着所述圆形掩模的圆周运动和所述工件台的直线运动，完成一个曝光场的曝光。

19.如权利要求18所述的基于圆形掩模的步进扫描曝光方法，其特征在于，所述狭缝在第一个扫描开始之前或发生路径折返再次扫描开始之前由所述同步控制系统控制打开，在即将发生路径折返或者所有扫描结束之前由同步控制系统控制关闭。