CN104635427B - 用于光刻设备的掩模整形装置及掩模整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的掩模固位系统，包括：掩模台和被承载的掩模；其特征在于，还包括掩模真空整形装置，用于使所述掩模保持面形、补偿挠曲。本发明同时公开一种用于光刻设备的掩模整形的方法。与现有技术相比较，本发明解决了步进扫描光刻机中，大掩模板自重变形补偿问题，使掩模板在整个扫描运动过程中，自重变形得到有效控制，无需通过物镜对物面进行调节。通过在掩模台和密封舱之间设置卡合装置，避免发生位移。

Description

用于光刻设备的掩模整形装置及掩模整形方法

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设备的掩模整形装置及掩模整形方法。

背景技术

液晶显示元件或半导体元件等电子元件，是通过如图1所示的光刻设备10制造，图1中，1是照明光学系统，2是掩模， 3是承载掩模的掩模台，4是投影物镜，5是掩模空间像的像面，6是涂有光刻胶的基片，7是承载基片的工件台。照明光学系统1中出射的照明光均匀的照明掩模2，将掩模上的图案经由投影物镜在硅片上成像，从而将掩模上的图形转移到硅片上。

高世代TFT光刻机所用的掩模巨大。大的掩模板尺寸会产生如图1（a）所示的重力变形。这种变形会导致曝光时掩模板上各图形区域严重偏离最佳物面8。对于重力所导致的掩模变形，现有技术的做法如图1（b）所示，首先通过设计掩模吸附方式（例如两边吸附），使掩模重力变形基本上沿扫描方向(X方向)对称，然后通过调整多个拼接物镜的可动镜片9的高度以适应掩模板在非扫描方向的自重变形，使空间像在非扫描方向（Y方向）基本保持在一个平面5内。然而即便如此，掩模在扫描方向上(X方向)仍然有很大起伏。为了获得好的像质，现有技术要求TFT光刻机的物镜还是要保证较大的焦深，这样就不可避免的牺牲了分辨率需求。而且，引入过多的可动元件使物镜的设计变得复杂，也不利于整机的可靠性。

现有技术CN102955373公开另一种技术方案通过玻璃盖板在掩模上方形成密闭空间、对密闭空间内的空气进行抽吸，使空间内部减压的抽吸机构。该技术方案专门针对接近式曝光场景中，如图2所示该曝光场景中，掩模板吸附于凸缘的下表面，掩模的交换片也在凸缘的下方进行。且从专利可以看出，整个曝光过程中掩模台保持静止，不进行扫描运动。然而，高世代TFT光刻机的掩模大且重，并且在曝光过程中掩模台进行高速扫描运动，在这种情况下，掩模吸附于凸缘下表面方案风险巨大，不可行。吸附在掩模台凸缘的上表面，凸缘支撑掩模的自重是当前高世代TFT光刻机中较好的方案。因此，该方案并不适用于高世代TFT扫描投影光刻机。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种应用于高世代TFT扫描投影光刻机中补偿掩模自重变形的装置。

本发明公开一种用于光刻设备的掩模固位系统，包括：掩模台和被承载的掩模；其特征在于， 还包括掩模真空整形装置，用于使所述掩模保持面形、补偿挠曲。

更进一步地，所述掩模台的凸缘上设有掩模吸附腔，所述掩模的边缘就搁置在所述凸缘的掩模吸附腔上。

更进一步地，所述掩模真空整形装置包括：掩模覆盖机构，用于在上方与在下方的所述掩模配合形成或者脱离封闭区域； 气动控制系统，用于探测所述封闭区域内的气压值并控制所述封闭区域的气压值小于大气压。

更进一步地，所述掩模覆盖机构包括掩模舱盖和升降装置，所述升降装置用于驱使所述掩模舱盖上升或下降，当所述掩模舱盖上升时所述封闭区域消失，当所述掩模舱盖下降时，形成所述封闭区域。

更进一步地，所述气动控制系统包括包括：风机，用于将所述封闭区域内空气抽出；和压力传感器，用于探测所述封闭区域内的气压值；和流量控制器。

更进一步地，所述掩模舱盖由覆盖于金属框架上的石英玻璃组成。

更进一步地，所述掩模舱盖与所述掩模台连接处还包括一密封圈。

更进一步地，所述升降装置包括直线导轨、滑块和直线电机，所述滑块与所述掩模舱盖固连，所述导轨与所述掩模台固连，所述直线电机驱动所述滑块沿所述直线导轨上升或下降。

更进一步地，所述升降装置为一机械手。

更进一步地，所述掩模台凸缘上的吸附腔，是由独立气动控制系统控制。

更进一步地，所述掩模台和掩模舱盖还设置防止水平向和垂向位移的卡合装置。所述卡合装置包括至少包括一套挂钩和挂扣，所述挂钩和挂扣在所述卡合装置卡位时，相互扣合。

更进一步地，所述气动控制系统为同一系统，所述气动控制系统在控制所述封闭区域时，需加在所述气动控制系统与所述封闭区域之间加装真空控制模块。

更进一步地，所述掩模台与所述掩模真空整形装置是固连的。

更进一步地，所述掩模台与所述掩模真空整形装置是分体的。

本发明同时公开一种用于光刻设备的掩模整形的方法，其特征在于，包括：

步骤一、用掩模真空整形装置在掩模版的上方与所述掩模版间构设成一密闭空间；

步骤二、用所述掩模真空整形装置中的气动控制系统抽出所述密闭空间内的空气；

步骤三、控制所述密闭空间的压强，从而控制所述掩模版的面形挠曲。

与现有技术相比较，本发明解决了步进扫描光刻机中，大掩模板自重变形补偿问题，使掩模板在整个扫描运动过程中，自重变形得到有效控制，无需通过物镜对物面进行调节。通过在掩模台和密封舱之间设置卡合装置，避免发生位移。

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是大掩模板自重变形示意图；

图2是现有技术中掩模整形技术方案之一；

图3是本发明所提供的掩模台的结构示意图；

图4是本发明所提供的掩模整形装置的俯视图；

图5是本发明所提供的掩模整形装置的第一、二实施方式示意图；

图6是掩模下沉量与密闭空间压强的关系的仿真结果图；

图7是上层石英板变形仿真结果图；

图8是本发明所提供的掩模整形装置的第三实施方式示意图；

图9是本发明所提供的第三实施方式的流程图；

图10是本发明所提供的掩模整形装置的第四实施方式示意图；

图11是本发明所提供的掩模整形装置的挂钩与挂扣的实施方式之一；

图12是本发明所提供的掩模整形装置的机械手的实施方式示意图；

图13是本发明所提供的掩模整形装置的旋转机构的实施方式示意图；

图14是本发明所提供的掩模整形装置的机械手操作掩模交换版的示意图；

图15是本发明所提供的掩模整形装置的机械手操作流程示意图。

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掩模整形装置。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，在以下描述中所使用的“X向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。

图3是本发明所对应的曝光装置结构示意图，1是照明光学系统，4是投影物镜，6是基片。12为本发明核心部分，包括掩模台（凸缘）3、掩模2、密封舱盖13、电动升降装置14以及吸附补偿的气动系统（未图示）。密封舱盖13与掩模2通过柔性密封圈17形成一个密闭空间18，通过气动控制系统对密闭空间18进行抽真空，形成一定负压，从而补偿掩模重力变形。如图4所示，掩模整形装置13还设有凸出部位16，同时掩模台上对应位置设有凹下部位15，掩模整形装置13盖下时，16和15卡合，从而可以防止扫描曝光时整形装置相对于掩模台凸缘的水平向运动。同时，为了防止掩模台在Z，Rx，Ry方向运动时，密封舱盖相对于掩模台凸缘的垂向位移，还在凸缘和密封舱盖间安装了机械卡死结构，将在后面描述。电动升降装置14可以控制掩模舱盖沿Z轴方向运动以方便掩模交换片。

掩模整形装置13主要由三部分构成，如图4所示，19为轻质坚硬的框架，例如是铝合金。21为镶嵌在框架19中的石英玻璃，二者密封连接。17是位于掩模舱盖13底部的矩形弹性密封圈，材料例如是橡胶或聚四氟乙烯，用来密封掩模舱盖19和掩模板2，从而在石英板21和掩模板2之间形成全密封的空间。

矩形密封圈17具有一定的厚度，其中大部分镶嵌在框架19底部对应地沟槽中, 小部分露出框架底面，石英玻璃21和框架19通过密封材料刚性连接。需要指出的是，石英玻璃14的范围必须大于掩模图形区和对准标记的范围（图4中虚线框22范围内），以防止部分图形区被遮挡而不能曝光；同时，密封圈15必须小于掩模的大小，以防止密封时，因为部分密封圈漏出掩模边缘而导致密封失败。

如果沿图4中的虚线20切开，得到掩模台凸缘 3 和掩模舱盖13的断面图如图5所示，石英板21和掩模2间的密闭空间18的高度例如是10 mm。掩模舱盖框架19与石英玻璃21通过密封材料24密封。掩模舱盖框架19与掩模板17通过柔性矩形密封圈17密封。密封圈24和17可以是同一种材料，例如橡胶。也可以是不同的材料。掩模舱盖框架19上开设有一气路通道25，气路一侧连接软管23（参考图4），另一侧与密闭空间18相通。掩模舱盖19的另一侧也开有以气路通道28以导入外部空气。所以密闭空间18中的压力由气动控制系统从空间18抽吸的空气量与从气路通道流入18的外部空气的流入量的平衡决定。气动控制系统包含风机、压力传感器、流量控制器等。

实施例1中，密闭空间18和掩模吸附腔26各采用一套气动控制系统。如图5（a）所示。实施例2中，密闭空间18和掩模吸附腔26共用一个真空源，但是密闭空间18与吸附腔26中所需的真空度是不同的，因此需要在它们之间安装真空控制模块27，来单独控制密闭空间24中的真空度，如图5（b）所示。

图6显示了四边吸附的情况下，5.5代掩模下沉量随密闭空间24中压强的关系的计算机仿真结果，当密闭空间的压强为-195~-235 Pa（相对于大气压）时，掩模板的下沉量可以控制在±2 um范围内。这一范围远小于传统5.5代掩模台情况的下沉量（40 um）。根据这一仿真结果，确定真空控制模块11中，压差传感器的反复精度不能大于±10 Pa，质量流量控制器的流量控制精度不能大于60ml/min。商用气动产品满足该需求。

本方案中，掩模板下沉通过负压补偿，同时上层石英板也因为重力负压而产生较大变形。图7示出了负压为220 pa时，920mm×800mm上层石英板的变形，为45 um。计算石英板的曲率半径最小约为1530 m，平行光经过石英玻璃后产生3.5×10-8度的发散角，同时仿真的波相差PV值为0.0002λ（λ=365 nm）。

这一仿真结果表明上层石英板的变形不会对光学成像产生影响。

由于扫描曝光时必须保证密封舱盖13与掩模台凸缘保持相对静止，因此需要在掩模台凸缘和密封舱盖间进行机械固连。同时，掩模交换片时，掩模舱盖需要升起以方便机械手取放掩模。因此，密封舱盖和掩模台凸缘之间需要有固连、升降装置。为解决这一问题，本发明引入两个实施例，如图8中所示。

如图,8所示，沿掩模台凸缘非扫描方向的两侧，安置两个升降装置，升降装置包括三部分，30a（30b）是直线导轨，与凸缘固定安装，31a（31b）是滑块，与密封舱盖固定安装。滑块在直线电机32a（32b）的驱动下，直线导轨30a(30b)上运动，从而实现凸缘与密封舱盖的开(图9（a）)与合（图8（b））。两个升降装置在扫描方向（X方向）的位置图8中不能体现，但是为了避免掩模舱盖升起时产生力矩。升降装置应安装于掩模台扫描方向（X）方向的中间位置。

针对实施例3的掩模曝光与交换片流程如图9所示。具体而言，901曝光完成后，需要更换掩模。902掩模台在控制系统控制下运动至掩模交换片位置。903停止真空吸附，同时通过气路通道28往密闭空间18中填充大气。904压力传感器检测吸附腔26和密闭空间18的中的压力大小，并将数据传输给控制系统。905当吸附腔26和密闭空间18中的压力等于大气压时。直线电机32驱动滑块31沿着直线导轨30向上运动，滑块因此承载密封舱盖上升。906随后掩模机械手伸入密封舱盖与凸缘之间的空间，将掩模取走，随后更换新掩模并预对准。907完成交换片后，掩模舱盖降下，气动控制系统开始工作。908当压力传感器判断吸附腔26和密闭空间18中的压力达到预设压力后。909掩模台在控制系统的控制下运动至对准位置对准，曝光位置曝光。

实施例3中，升降装置与掩模台凸缘固连，增加了掩模台的质量，同时，直线电机32a和32b由电缆和数据线的连接，附加的重量和缆线的牵绊会影响掩模台的运动性能。鉴于此，可以执行实施例4

考虑到密封舱的升降只发生在掩模交换片处，实施例4中，用机械手代替升降装置，并固定安装于掩模交换片处，不随掩模台扫描。此时需要考虑扫描时密封舱盖与掩模台凸缘之间的固连。其固连方式如图10所示。

图10（a）为密封舱盖的框架结构，在铝框架的底部，有四个凸出部位16（其中两个未图示），对应于掩模台凸缘上的四个凹下部位15，16与15互相卡合，可以防止扫描曝光过程中掩模舱盖相对于掩模台凸缘的水平向运动。同时，在密封舱盖的侧面，有四个金属挂钩33（其中两个未图示），挂钩可以在机械手作用下绕其内六角旋转。对应的掩模台凸缘上固定安装一个金属挂扣34，如图10（b）所示。金属挂钩33和金属挂扣34的结合面是以内六角中心为圆心的同心圆弧。金属挂钩和金属挂扣在扫描曝光时互相卡合，如图10（c）所示，这样可以保证扫描曝光时密封舱盖13与掩模台凸缘3无垂向相对偏移。这样，在15,16,33,34的共同作用下，密封舱盖13和掩模台凸缘3之间的固连得到保证。掩模交换片时，挂钩33在机械手（未图示）的作用下逆时针旋转一定角度，从而使挂钩33与挂扣34脱离，随后密封舱盖可以升起。

挂钩与挂扣的设计并不限于图10中所示，图11（b）是挂钩与挂扣的另一实施例。其中，35是安装于密封舱盖侧面的挂钩，36是安装于掩模台凸缘侧面的挂扣，37是挂钩上的一个凹槽，凹槽73与挂扣35末端重合时，挂钩可以与挂扣脱离。

图12是机械手100的结构。包括控制y方向运动的电动平移台38，控制z方向运动电动升降台42和控制六角螺丝刀48旋转的旋转机构49。电动平移台38主要包括滑轨39，滑台40和直线电机41。电动升降台42固定安装在滑台40上，由驱动电机41驱动整体沿y方向移动。42主要包括升降机构43、承载台44和驱动电机45，43在驱动电机45的作用下驱动承载太44沿z方向运动。六角螺丝刀伸入挂钩33的内六角，旋转电机46可以驱动六角螺丝刀48转动一定的角度，从而使挂钩转动，控制挂钩与挂扣的卡合与脱离。同时六角螺丝刀48也起到提升掩模舱盖的作用。

图13是从Z轴方向观察的旋转机构49，旋转电机驱动轴承47旋转，轴承的末端连接一个齿轮50，齿轮50与齿轮51a、51b咬合，从而驱动六角螺丝刀48a和48b。48a和48b分别伸入挂钩33a、33b中，从而控制挂钩与挂扣的卡合与脱离。旋转电机与六角螺丝刀通过齿轮咬合，单并不限于此，例如也可以通过传送带咬合。

图14是掩模交换版的示意图，此时掩模台已经由控制系统控制运动到了交换片位置，并且密闭空间18和吸附腔26中已是大气压状态。在交换片的位置，装配有两个机械手100a和100b，分别用于提升密封舱盖的左右两侧。图15示出了机械手操作流程示意图。

如图15中所示，1501、y方向电动平移台运动，将六角螺丝伸入挂钩内六角；1502旋转电机驱动六角螺丝刀旋转一定角度；1503、判断四个挂钩与挂扣是否均已脱离；1504、若四个挂钩与挂扣均已脱离，则直线电机驱动电动升降台运动，将掩模舱盖升起；1505、交换片及预对准；1506、直线电机驱动电动升降台运动，将掩模舱盖降下；1507、旋转电机驱动六角螺丝刀旋转一定角度，使挂钩与挂扣卡合；1508、判断四个挂钩与挂扣是否均已卡合；1509、若四个挂钩与挂扣均已卡合，则Y方向电动平移台运动，将六角螺丝抽出挂钩内六角；1510、气动系统工作；1511、对准、扫描曝光。

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 (13)

1.一种用于光刻设备的掩模固位系统，包括：掩模台和被承载的掩模；其特征在于，还包括掩模真空整形装置，用于使所述掩模保持面形；

掩模覆盖机构，用于在上方与在下方的所述掩模配合形成或者脱离封闭区域；

气动控制系统，用于探测所述封闭区域内的气压值并控制所述封闭区域的气压值小于大气压；

所述气动控制系统包括：风机，用于将所述封闭区域内空气抽出；和压力传感器，用于探测所述封闭区域内的气压值；和流量控制器；

所述掩模台和掩模舱盖还设置防止水平向和垂向位移的卡合装置。

2.如权利要求1所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模台的凸缘上设有掩模吸附腔，所述掩模的边缘就搁置在所述凸缘的掩模吸附腔上。

3.如权利要求1所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模覆盖机构包括掩模舱盖和升降装置，所述升降装置用于驱使所述掩模舱盖上升或下降，当所述掩模舱盖上升时所述封闭区域消失，当所述掩模舱盖下降时，形成所述封闭区域。

4.如权利要求3所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模舱盖由覆盖于金属框架上的石英玻璃组成。

5.如权利要求1所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模舱盖与所述掩模台连接处还包括一密封圈。

6.如权利要求3所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述升降装置包括直线导轨、滑块和直线电机，所述滑块与所述掩模舱盖固连，所述导轨与所述掩模台固连，所述直线电机驱动所述滑块沿所述直线导轨上升或下降。

7.如权利要求3所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述升降装置为一机械手。

8.如权利要求2所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模台凸缘上的吸附腔，是由独立气动控制系统控制。

9.如权利要求1所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述卡合装置包括至少包括一套挂钩和挂扣，所述挂钩和挂扣在所述卡合装置卡位时，相互扣合。

10.如权利要求1或8所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述气动控制系统为同一系统，所述气动控制系统在控制所述封闭区域时，需加在所述气动控制系统与所述封闭区域之间加装真空控制模块。

11.如权利要求1至9中任一所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模台与所述掩模真空整形装置是固连的。

12.如权利要求1至9中任一所述的用于光刻设备的掩模固位系统，其特征在于，所述掩模台与所述掩模真空整形装置是分体的。

13.一种用于光刻设备的掩模整形的方法，其特征在于，使用如权利要求1－12中任一所述的用于光刻设备的掩模固位系统进行掩模版整形，包括：

步骤一、用掩模真空整形装置在掩模版的上方与所述掩模版间构设成一密闭空间；

步骤二、用所述掩模真空整形装置中的气动控制系统抽出所述密闭空间内的空气；

步骤三、控制所述密闭空间的压强，从而控制所述掩模版的面形挠曲。