CN104345579B - 无掩模曝光设备及其信号回馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无掩模曝光设备及其设备信号回馈控制方法，所述无掩膜曝光设备包括：曝光光照装置，用于提供曝光束；空间光调制器，根据曝光图案调整曝光束，并将非用于曝光的光束排斥掉；信号回馈控制装置，采集所述空间光调制器排斥掉的非用于曝光的光束，经计算后，用于控制所述空间光调制器。本发明通过探测器的设置，采集和探测了未被空间光调制器投射到曝光对象上的曝光束，进而能够据此对空间光调制器投射的曝光图案进行监控和反馈，一方面充分利用了这部分能量，不至于浪费，另一方面使得曝光图案的正确性得到了保证，有利于最后的成像质量。解决了如何实现在曝光过程中对空间光调制器投射的曝光图案进行监控和反馈的技术问题。

Description

无掩模曝光设备及其信号回馈控制方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺，尤其涉及光刻设备中的曝光装置。

背景技术

光刻设备是将目标图形转移到衬底上的装置，目前在集成电路，平板显示，印刷电路板等制造领域有着广泛应用。通常的光刻设备是利用掩模来形成目标图形，曝光装置将目标图形以一定的倍率投影到涂有光敏材料层的衬底上，如曝光对象、玻璃基板。为减少掩模加工维护成本，已经开发出无掩模光刻系统，无掩模光刻系统以空间光调制器(SLM)(如微反射镜阵列，液晶显示器)取代掩模，将光投射到衬底上形成像素阵列，SLM控制每个像素的开或者关来形成所需的图形。

在现有的无掩模光刻方案中，多采用空间光调制器(SLM)加扫描曝光的方式，如US20090086176，US2009086182中所示，空间光调制器(SLM)采用了TI公司的数字微反射镜阵列(DMD)，每个微反射镜都有+/-12度两个偏转角度，并都可独立偏转，以此将所需的光线反射进入物镜并到达衬底上构成曝光图案。在这些专利所揭示的方案中，数字微反射镜阵列(DMD)将有用的光线反射到衬底形成曝光图案，而不用的光线则被反射到光阱被吸收，这部分能量或者信息实际是被浪费掉了。

另一方面，在实际应用中，衬底做扫描运动，数字微反射镜阵列(DMD)通过控制所有微反射镜的翻转获得与掩模扫描相同的效果，最终在衬底上曝光出所需的图形。因此需要有大量数据支撑数字微反射镜阵列(DMD)投射的曝光图案刷新，以0.9英寸的数字微反射镜阵列(DMD)为例，其像素1920x1080，以17kHz速率刷新，则约需22Gbps的数据传输率控制数字微反射镜阵列(DMD)刷新。在大数据量传输及数字微反射镜阵列(DMD)高速刷新过程中，数字微反射镜阵列(DMD)构图的正确性必须得到保证，它直接影响最后的成像质量。因此有必要对数字微反射镜阵列(DMD)投射的曝光图案进行监控和反馈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现在曝光过程中对空间光调制器(SLM)投射的曝光图案进行监控和反馈。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种无掩模曝光设备，包括：

一种无掩模曝光设备，包括：

曝光光照装置，用于提供曝光束；

空间光调制器，根据曝光图案调整曝光束，并将非用于曝光的光束排斥掉；

其特征在于，还包括：

信号回馈控制装置，采集所述空间光调制器排斥掉的非用于曝光的光束，经计算后，用于控制所述空间光调制器，及所述曝光光照装置；

所述信号回馈控制装置包括：探测器和控制器，

探测器，用于采集和探测未被所述空间光调制器投射到曝光对象上的曝光束；

控制器，分别与光源、所述空间光调制器和所述探测器连接，分别用于控制所述光源、根据所需的曝光图案控制所述空间光调制器的运作、以及根据所述探测器采集和探测的信息监测各个时间的曝光图案，从而通过所述空间光调制器对曝光图案进行补偿控制；

所述空间光调制器为数字微反射镜阵列，所述数字微反射镜阵列中的每个微反射镜均仅有两个偏转角度，所述曝光束要么通过微反射镜的一个偏转角度投射到曝光需要的方向上，要么通过另一个偏转角度投射到非曝光需要的方向上；

每个所述曝光图案包括若干像素，每个所述像素包括曝光与不曝光两个像素状态，两个像素状态分别与所述微反射镜的两种翻转角度对应，所述控制器内设有像素寄存器，所述像素寄存器用以预存每个曝光图案的每个像素状态信息，所述控制器通过所述像素寄存器中的信息控制所述微反射镜阵列中的微反射镜的翻转；具体为

所述控制器通过将投射在所述探测器上的图案转化为像素状态信息，并将该像素状态信息与所述像素寄存器中预存的对应的曝光图案的像素状态信息进行比对，如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，则自动通过后续的曝光图案对其进行补偿；如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，则发出警告或报错、终止程序，并进行错误记录。

较佳地，所述曝光光照装置是曝光光源通过一个照明系统将所述曝光束提供到所述空间光调制器，经所述照明系统处理的曝光束的照明视场与所述空间光调制器的尺寸相匹配。

较佳地，所述数字微反射镜阵列正对曝光对象形成视场区域，在所述曝光对象扫描经过所述视场区域的过程中，所述数字微反射镜阵列根据不同时间变换不同的曝光图案，使得扫描完成后所述曝光对象通过各曝光图案的曝光剂量的叠加形成所需的最终曝光图案。

较佳地，所述数字微反射镜阵列还包括若干经锁定的微反射镜，所述经锁定的微反射镜投射的光束始终投射在所述探测器上，所述探测器采集和检测到的信息用于实现所述曝光光照装置光强能量的监控。

较佳地，所述经锁定的反射镜投射的光束通过光阑及聚光装置投射到所述探测器上。

较佳地，如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，所述控制器通过改变后续曝光图案中对应像素的状态实现补偿，如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，后续曝光图案中对应像素的状态的改变无法实现错误的像素状态的补偿时，发出警告或报错、终止程序，并进行错误记录。

较佳地，所述无掩模曝光设备，还包括物镜，所述空间光调制器通过所述物镜，根据所需的曝光图案将所述曝光束投射到曝光对象上所需的位置。

本发明通过探测器的设置，采集和探测了未被空间光调制器(SLM)投射到曝光对象上的曝光束，进而能够据此对空间光调制器(SLM)投射的曝光图案进行监控和反馈，一方面充分利用了这部分能量，不至于浪费，另一方面使得曝光图案的正确性得到了保证，有利于最后的成像质量。解决了如何实现在曝光过程中对空间光调制器(SLM)投射的曝光图案进行监控和反馈的技术问题。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的无掩模曝光设备的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的微反射镜阵列的分光原理图；

图3是曝光对象上的曝光图案与投射在所述控制器上的图案的对比示意图；

图4是使用本发明一实施例提供的无掩模曝光设备进行曝光的过程示意图；

图5是对使用本发明一实施例提供的无掩模曝光设备对曝光图案进行补偿控制的流程图；

图6是对使用本发明一实施例提供的无掩模曝光设备对曝光图案进行补偿控制的流程图；

图7是本发明另一实施例提供的无掩模曝光设备的结构示意图；

图中，101-光源；102-照明系统；103、601-空间光调制器(SLM)；104-物镜；105-工件台；106-曝光对象；111-控制器；201-镜头；121、660-探测器；311、312-微反射镜；330、340、620、630-曝光束；350、640-光束；201-曝光对象上的曝光图案；202-投射在所述检测器上的图案；401、501-视场区域；650-光阑及聚光装置。

具体实施方式

以下将结合图1至图7通过两个实施例对本发明提供的无烟末曝光装置进行详细的描述，其均为本发明可选的实施例，可以认为本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。

实施例1

请参考图1，并结合图2，本实施例提供了一种无掩模曝光设备，包括：

曝光光照装置，用于提供曝光束330；

空间光调制器(SLM)103，根据曝光图案调整曝光束，并将非用于曝光的光束350排斥掉；

信号回馈控制装置，采集所述空间光调制器(SLM)103排斥掉的非用于曝光的光束350，经计算后，还用于控制所述空间光调制器(SLM)103。

所述信号回馈控制装置包括：探测器121和控制器111，

探测器121，用于采集和探测未被所述空间光调制器(SLM)103投射到曝光对象106上的曝光束；

控制器111，分别与曝光光源101、所述空间光调制器(SLM)103和探测器121连接，分别用于控制所述曝光光源101、根据所需的曝光图案控制空间光调制器(SLM)103的运作、以及根据所述探测器121采集和探测的信息监测各个时间的曝光图案，从而通过所述空间光调制器(SLM)103对曝光图案进行补偿控制。

请参考图2，本实施例通过探测器121的设置，采集和探测了未被空间光调制器(SLM)103投射到曝光对象106上的曝光束350，进而能够据此对空间光调制器(SLM)103投射的曝光图案进行监控和反馈，一方面充分利用了这部分能量，不至于浪费，另一方面使得曝光图案的正确性得到了保证，有利于最后的成像质量。解决了如何实现在曝光过程中对空间光调制器(SLM)103投射的曝光图案进行监控和反馈的技术问题。

请参考图1，所述无掩模曝光设备还包括物镜104，所述空间光调制器(SLM)103通过所述物镜104根据所需的曝光图案将所述曝光束340投射到曝光对象106上的所需位置。所述曝光光照装置是曝光光源101通过一个照明系统102将所述曝光束330提供到所述空间光调制器(SLM)103。所述空间光调制器(SLM)103通过一个镜头201将所述光束350投射到所述探测器121上。经所述照明系统102处理的曝光束330的照明视场与所述空间光调制器(SLM)103的尺寸相匹配

在本实施例中，请参考图2，所述空间光调制器(SLM)103为数字微反射镜阵列(DMD)，所述数字微反射镜阵列(DMD)中的每个微反射镜均仅有两个偏转角度，所述曝光束330要么通过微反射镜的一个偏转角度投射到曝光需要的方向上，要么通过另一个偏转角度投射到非曝光需要的方向上，本实施例中投射到所述探测器121上，图2中示意性地显示出了这一特征，即通过图2中的微反射镜311将曝光束340投射到曝光对象106的方向上，通过图2中的微反射镜312将曝光束350投射到探测器121上，这一技术特征可以使得所述曝光束340投射在曝光对象106上的曝光图案与投射在所述探测器121上的图案能够互补，请参考图3，其示意性地显示了曝光对象上的曝光图案201与投射在所述检测器上的图案202的互补情况。所述微反射镜阵列通过其微反射镜的翻转实现不同时间的曝光图案的变换。

请着重参考图1，在本实施例中，曝光光源101提供曝光所需的辐射，照明系统102将光源发出的光进行扩束，匀光等处理，使得经所述照明系统102处理的曝光束330的照明视场与所述空间光调制器(SLM)103的尺寸相匹配，本实施例中也就是使该照明视场与数字微反射镜阵列(DMD)大小匹配，保证数字微反射镜阵列(DMD)的利用率和光能的利用率。空间光调制器(SLM)103用于构图，这里使用的是TI公司的数字微反射镜阵列(DMD)，替代传统掩模的功能，并且不停控制微反射镜翻转，使得图案刷新，实现相当于掩模扫描的效果。物镜104将数字微反射镜阵列(DMD)的图形成像到曝光对象106上，曝光对象106随工件台105做扫描运动，最终在曝光对象106上得到所需曝光图案，数字微反射镜阵列(DMD)将构图所需的曝光束340投射到曝光对象106上，其余的光束350则被另一个镜头201收集并成像到探测器121上，探测器121可以是面阵的CCD或者CMOS。探测器121采集的图案传给控制器111，用于对光源101、空间光调制器(SLM)103、工件台105实施控制。

请参考图4，并结合图6，所述数字微反射镜阵列(DMD)正对所述曝光对象106形成视场区域401，在所述曝光对象106扫描经过所述视场区域401的过程中，所述数字微反射镜阵列(DMD)根据不同时间变换不同的曝光图案，使得扫描完成后所述曝光对象106通过各曝光图案的曝光剂量的叠加形成所需的曝光图案。

每个所述曝光图案包括若干像素，每个所述像素包括照射与未照射两个像素状态，两个像素状态分别与所述微反射镜的两种翻转角度对应，所述控制器111内设有像素寄存器(图未示)，所述像素寄存器用以预存每个曝光图案的每个像素状态信息，所述控制器111通过所述像素寄存器中的信息控制所述微反射镜阵列中的微反射镜的翻转。

具体来说，请着重参考图4，并结合图2和图6，所述数字微反射镜阵列(DMD)每个微反射镜有+/-12度两个固定的翻转角，当微反射镜翻转到例如+12度位置(如微反射镜311所示)的时候，这些微反射镜将入射光束330反射到曝光对象106上形成曝光图案；当微反射镜翻转到例如-12度位置的时候，这些微反射镜将光束反射到探测器121上。两部分微反射镜在曝光对象和探测器上所形成的图形应完全互补，如图3所示。所述数字微反射镜阵列(DMD)的操作过程简述如下：先根据所需曝光的曝光图案得到n幅曝光图案，每个曝光图案均由像素组成，将每个像素的状态写入像素寄存器中，“1”表示+12度，“0”表示-12度。数据写完后，通过复位信号使微反射镜同步翻转到预存的状态。探测器121的像素个数应不低于所述数字微反射镜阵列(DMD)的像素个数，并通过光学系统设计保证所述数字微反射镜阵列(DMD)上的每个像素与探测器121上的不同像素相对应。所述控制器111每发送一幅按照像素“1”或“0“表示的图案，在探测器121上都能得到对应图案，通过设定阈值的方法将图案转换为2阶灰度图，即“1”表示有光照，“0”表示无光照，通过将该图案与DMD控制器发出的图案按像素进行异或操作，即可判定是否有像素与预设值不同。

请着重参考图4，A、B、C、D、E为曝光对象上的5个像素点，沿着扫描方向进入视场区域401。在T0时刻A、B、C、D、E即将进入曝光视场区域401，在T1～T4时间段，这些像素扫过视场区域401。本实施例以斜线的密度表达4阶灰度，T1～T4中画有斜线的部分代表有光区域，白色代表无光区域。扫描完成后，A、E接收到扫描方向上1个微反射镜的曝光剂量，B、D接收到2个微反射镜的曝光剂量，C接收到4个微反射镜的曝光剂量。T5显示了最终曝光结果，若C接收到100％曝光剂量，则B、C接收到50％曝光剂量，而A、E接收到25％曝光剂量。

请参考图5和图6，所述控制器111通过将投射在所述探测器上的图案转化为像素状态信息，并将该像素状态信息与所述像素寄存器中预存的对应的曝光图案的像素状态信息进行比对，如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，则自动通过后续的曝光图案对其进行补偿，如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，则发出警告或报错、暂停程序，并进行错误记录。

如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，所述控制器通过改变后续曝光图案中对应像素的状态实现曝光量的补偿，如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，后续曝光图案中对应像素的状态的改变无法实现错误的像素状态的补偿时，则发出警告或报错、终止程序，并进行错误记录。

请着重参考图5，在本实施例中，用探测器121对T1～T4时刻的探测器121上图形进行探测，可得到曝光对象106各时刻的曝光图案，若在某一时刻由于数据传输，所述数字微反射镜阵列(DMD)控制等方面原因导致部分微反射镜翻转有误，可通过探测器121探测出来，并反馈给控制器111，在后续数字微反射镜阵列(DMD)投射的曝光图案中加以补偿。具体实施过程描述如下(如图5示)：曝光对象106扫描经过所述数字微反射镜阵列(DMD)所形成的视场区域时，所述数字微反射镜阵列(DMD)图案翻转n次，n幅图案对应的像素状态信息预存在了控制器的像素寄存器中。对应的，控制器111将传送n幅图案(0.9英寸DMD每幅1920*1080bit)给所述数字微反射镜阵列(DMD)用于控制所述数字微反射镜阵列(DMD)翻转从而形成曝光图案。所述数字微反射镜阵列(DMD)每次翻转后，可在探测器121表面探测到与曝光对象106面互补的图案，将该图案与控制器111所发出的图案数据进行对比，可知是否有像素翻转错误，如果得知由于某个像素或某些像素在第m次(m<n)数据写入或微反射镜翻转过程中有误，例如应该为“1”的状态实际结果为“0”，则对应的曝光对象106上的像素在应该获得曝光的位置没有获得曝光，此时从所述数字微反射镜阵列(DMD)的第m+1幅图案到第n幅图案依次检查对应该像素的微反射镜是否有“0”状态，如果有，则控制器111将该“0”状态调整为“1”，该像素通过这种补偿方式，使得总的曝光剂量不变。如果后续没有“0”状态，则该像素最终将曝光不足，可根据不同的工艺控制策略发出警告并记录错误信息，或者报错终止曝光程序。反之，某像素由“0”状态错误翻转为“1”，也可采用同样方式补偿。

简单举例，在图6中，为获得图中T5时刻的曝光效果，即C接收100％曝光剂量，B、C接收50％曝光剂量，A、E接收25％曝光剂量，图5中的上组图设计了从T1～T4时刻的数字微反射镜阵列(DMD)形成的曝光图案，“1”表示曝光，“0”表示不曝光。在实际曝光过程中，T1时刻，微反射镜发生误翻转，像素B本应为“1”状态，而实际为“0”状态，致使像素B未接收到曝光，通过探测器121的图案和曝光对象106的曝光图案互补关系可得知错误信息，在T2～T4的图案中依次检查像素B经过的图案区域是否有状态为“0”的图案，该例中T2时刻像素B的状态为“0”，将其调整为“1”(503’)，最终像素B仍可获得50％的曝光剂量。

请着重参考图1，并结合其他附图，本实施例还提供了一种无掩模曝光设备信号回馈控制方法，控制器111通过将投射在探测器121上的图案转化为像素状态信息；

所述控制器111将该像素状态信息与所述控制器111内的像素寄存器中预存的对应的曝光图案的像素状态信息进行比对，

如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，所述控制器通过改变后续曝光图案中对应像素的状态实现补偿，

然后，正常进行后续曝光工序处理；

如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，后续曝光图案中对应像素的状态的改变无法实现错误的像素状态的补偿时，发出警告或报错、，并进行错误记录，

然后，待人工或者预设介入后，选择继续正常进行后续曝光工序处理；或者选择终止执行后续曝光工序处理。

实施例2

请参考图7，本实施例在实施例1如图1所示的无掩模曝光设备的框架下，将所述数字微反射镜阵列(DMD)上的某一列或者某些像素固定反射到不经过物镜104的方向，取这部分光强用作能量监控来反映光源在时间上的波动，达到实施剂量控制的效果。如图7所示，将所述数字微反射镜阵列(DMD)的最右两列微镜或两列中的某部分微镜611，反射到探测器660上，通过光阑及聚光装置650，投射到能量探测器660上。通过对这部分能量的采集来实时调整光源能量大小达到剂量控制效果。这样不需要增加额外的分光光路，在结构上可以更简单紧凑。

将本实施例中的技术手段与实施例1相结合，也可以认为，所述数字微反射镜阵列(DMD)还可以包括若干经锁定的微反射镜611，经锁定的反射镜611投射的光束640始终投射在所述调制信号回馈装置上，本实施例中，投射在所述探测器660上，所述控制器依据探测器660采集和检测到的信息实现所述曝光光照装置光强能量的监控。其中，经锁定的反射镜611投射的光束640通过光阑及聚光装置650投射到所述探测器660上。

综合以上两个实施例的描述，本发明通过探测器的设置，采集和探测了未被空间光调制器(SLM)投射到曝光对象上的曝光束，进而能够据此对空间光调制器(SLM)投射的曝光图案进行监控和反馈，一方面充分利用了这部分能量，不至于浪费，另一方面使得曝光图案的正确性得到了保证，有利于最后的成像质量。本发明可检测数字微反射镜阵列(DMD)实际形成的图形，用于工艺控制；也可利用数字微反射镜阵列(DMD)实现剂量控制，而不需要额外在增加光路。

Claims (7)

1.一种无掩模曝光设备，包括：

曝光光照装置，用于提供曝光束；

空间光调制器，根据曝光图案调整曝光束，并将非用于曝光的光束排斥掉；

其特征在于，还包括：

信号回馈控制装置，采集所述空间光调制器排斥掉的非用于曝光的光束，经计算后，用于控制所述空间光调制器，及所述曝光光照装置；

所述信号回馈控制装置包括：探测器和控制器，

探测器，用于采集和探测未被所述空间光调制器投射到曝光对象上的曝光束；

控制器，分别与光源、所述空间光调制器和所述探测器连接，分别用于控制所述光源、根据所需的曝光图案控制所述空间光调制器的运作、以及根据所述探测器采集和探测的信息监测各个时间的曝光图案，从而通过所述空间光调制器对曝光图案进行补偿控制；

所述空间光调制器为数字微反射镜阵列，所述数字微反射镜阵列中的每个微反射镜均仅有两个偏转角度，所述曝光束要么通过微反射镜的一个偏转角度投射到曝光需要的方向上，要么通过另一个偏转角度投射到非曝光需要的方向上；

每个所述曝光图案包括若干像素，每个所述像素包括曝光与不曝光两个像素状态，两个像素状态分别与所述微反射镜的两种翻转角度对应，所述控制器内设有像素寄存器，所述像素寄存器用以预存每个曝光图案的每个像素状态信息，所述控制器通过所述像素寄存器中的信息控制所述微反射镜阵列中的微反射镜的翻转；具体为

所述控制器通过将投射在所述探测器上的图案转化为像素状态信息，并将该像素状态信息与所述像素寄存器中预存的对应的曝光图案的像素状态信息进行比对，如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，则自动通过后续的曝光图案对其进行补偿；如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，则发出警告或报错、终止程序，并进行错误记录。

2.如权利要求1所述的无掩模曝光设备，其特征在于：所述曝光光照装置是曝光光源通过一个照明系统将所述曝光束提供到所述空间光调制器，经所述照明系统处理的曝光束的照明视场与所述空间光调制器的尺寸相匹配。

3.如权利要求1所述的无掩模曝光设备，其特征在于：所述数字微反射镜阵列正对曝光对象形成视场区域，在所述曝光对象扫描经过所述视场区域的过程中，所述数字微反射镜阵列根据不同时间变换不同的曝光图案，使得扫描完成后所述曝光对象通过各曝光图案的曝光剂量的叠加形成所需的最终曝光图案。

4.如权利要求1所述的无掩模曝光设备，其特征在于：所述数字微反射镜阵列还包括若干经锁定的微反射镜，所述经锁定的微反射镜投射的光束始终投射在所述探测器上，所述探测器采集和检测到的信息用于实现所述曝光光照装置光强能量的监控。

5.如权利要求4所述的无掩模曝光设备，其特征在于：所述经锁定的反射镜投射的光束通过光阑及聚光装置投射到所述探测器上。

6.如权利要求5所述的无掩模曝光设备，其特征在于：如果比对结果显示应为曝光状态的像素未曝光，所述控制器通过改变后续曝光图案中对应像素的状态实现补偿，如果比对结果显示应为不曝光状态的像素错误曝光，后续曝光图案中对应像素的状态的改变无法实现错误的像素状态的补偿时，发出警告或报错、终止程序，并进行错误记录。

7.如权利要求1至6任一所述的无掩模曝光设备，其特征在于：还包括物镜，所述空间光调制器通过所述物镜，根据所需的曝光图案将所述曝光束投射到曝光对象上所需的位置。