CN104865798B - 光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，用于选择扫描式光刻机和步进式光刻机的曝光场尺寸，包括：获取待生产的芯片尺寸x_d×y_d；获取待光刻的晶圆的半径R；定义横轴方向上的两个shot的中心距离晶圆中心的距离为X、纵轴方向上的两个shot的中心距离晶圆中心的距离为Y、晶圆的去边长度d；扫描式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{sc_max}×y_{sc_max}，步进式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{st_max}×y_{st_max}；x_sc=a_x×x_d、y_sc=a_y×y_d、x_st=b_x×x_d、y_st=b_y×y_d；根据以下约束条件计算a_x、b_x、a_y、b_y的值：（1）k_x×a_x×x_d=l_x×b_x×x_d=X，同时k_y×a_y×y_d=l_y×b_y×y_d=Y；（2）x_sc＜x_{sc_max}、y_sc＜y_{sc_max}、x_st＜x_{st_max}、y_st＜y_{st_max}；（3）X+0.5x_sc＜R‑d、Y+0.5y_sc＜R‑d；（4）k_x、a_x、l_x、b_x、k_y、a_y、l_y、b_y均为整数。

Description

光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，特别是涉及一种光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，通常都需要经过多次光刻工艺。一般情况下，都会使用到两种光刻机：扫描式光刻机（scanner）和步进式光刻机（stepper），分别执行不同的光刻步骤。

光刻机的曝光场（exposure field）是指光刻机一次成像（shot）所覆盖的区域。扫描式光刻机的曝光场的最大尺寸一般比步进式光刻机的曝光场的最大尺寸要大，例如扫描式光刻机的最大曝光场的尺寸为26×32mm²、步进式光刻机的最大曝光场的尺寸为22×22mm²或18.5×25mm²。

传统的光刻过程中，需要使两种曝光机所曝光的shot大小相同，或者使扫描式光刻机所曝光的shot正好是步进式光刻机所曝光的shot大小的整数倍，例如4倍或2倍。这样就可以使二者曝光区域形成的芯片区（die）可以比较好地对齐。

然而上述方式会造成至少一种光刻机的曝光场尺寸的浪费，例如利用较大的曝光场可以比较快速地完成一片晶圆的光刻过程，而由于人为地限制了shot大小，也限制了光刻机的产能。

发明内容

基于此，有必要提供一种光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，使得光刻机能够最大限度利用曝光场。

一种光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，用于在同时利用扫描式光刻机和步进式光刻机的光刻过程中，选择扫描式光刻机的曝光场尺寸x_sc×y_sc和步进式光刻机的曝光场尺寸x_st×y_st，所述扫描式光刻机用于形成第一光刻图形，所述步进式光刻机用于形成第二光刻图形，所述选择方法使得位于第一光刻图形层上的、且与中心距离最远的4个shot分别与位于第二光刻图形层上的、且与中心距离最远的4个shot中心重合，包括如下步骤：

获取待生产的芯片尺寸x_d×y_d；

获取待光刻的晶圆的半径R；

定义横轴方向上的两个shot的中心距离晶圆中心的距离为X、纵轴方向上的两个shot的中心距离晶圆中心的距离为Y、晶圆的去边长度d；扫描式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{sc_max}×y_{sc_max}，步进式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{st_max}×y_{st_max}；x_sc=a_x×x_d、y_sc=a_y×y_d、x_st=b_x×x_d、y_st=b_y×y_d；

根据以下约束条件计算a_x、b_x、a_y、b_y的值：

（1）k_x×a_x×x_d=l_x×b_x×x_d=X，同时k_y×a_y×y_d=l_y×b_y×y_d=Y；

（2）x_sc＜x_{sc_max}、y_sc＜y_{sc_max}、x_st＜x_{st_max}、y_st＜y_{st_max}；

（3）X+0.5x_sc＜R-d、Y+0.5y_sc＜R-d；

（4）k_x、a_x、l_x、b_x、k_y、a_y、l_y、b_y均为整数。

在其中一个实施例中，所述晶圆为8英寸，所述去边长度d为2～4毫米。

在其中一个实施例中，所述计算a_x、b_x、a_y、b_y的值的步骤为：

计算Xx_{sc_max}/x_d、Xx_{st_max}/x_d、Yy_{sc_max}/y_d、Yy_{st_max}/y_d的整数值，并分别作为a_x、b_x、a_y、b_y的初始值；

判断是否有符合条件（1）和（4）的k_x和l_x，k_y和l_y；若有，则继续判断是否满足条件（3），若是，则获得a_x、b_x、a_y、b_y的值，否则减小b_x、b_y的值继续判断；

若没有符合条件（1）和（4）的k_x和l_x，k_y和l_y，则减小b_x、b_y的值继续判断，若在b_x、b_y的可取值范围内仍然没有符合条件（1）和（4）的k_x和l_x，k_y和l_y，则减小a_x、a_y的值，并由b_x、b_y的初始值开始逐渐减小进行判断，直到获得a_x、b_x、a_y、b_y的值。

在其中一个实施例中，若a_x×x_d＜X_{st_max}或a_y×y_d＜Y_{st_max}，则使扫描式光刻机和步进式光刻机使用相同尺寸的曝光场。

上述方法利用各种约束条件，使得两种光刻机的shot内都有整数个芯片图形，并且相互的芯片图形对齐，得出能够最大限度利用两种光刻机的曝光场尺寸，从而最大程度利用光刻机产能。

附图说明

图1为采用两种光刻机曝光得到的晶圆表面图像的示意图；

图2为一实施例的获得曝光场尺寸的流程图；

图3为计算具体参数的流程图。

具体实施方式

如图1所示，为采用两种光刻机曝光得到的晶圆表面图像的示意图。步进式光刻机形成第一光刻图形层100，其上具有多个shot102；扫描式光刻机形成第二光刻图形层200，其上具有多个shot202。每个shot102、202内都具有多个芯片（die）图形（图未示）。第一光刻图形层100和第二光刻图形层200上的shot的大小反映相应的光刻机的曝光场的大小，从图1中直观体现来看，扫描式光刻机的曝光场的尺寸大于步进式光刻机的曝光场的尺寸。

为了最大限度利用两种光刻机的曝光场，同时两个光刻图形层上的芯片图形能够精确对准，需要达到图1中两个图形重合后所示的状态。也即位于第一光刻图形层100上的、且与中心距离最远的4个shot102分别与位于第二光刻图形层200上的、且与中心距离最远的4个shot202中心重合。

为了确定曝光场的大小，采用如下光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，在同时利用扫描式光刻机和步进式光刻机的光刻过程中，选择扫描式光刻机的曝光场尺寸x_sc×y_sc和步进式光刻机的曝光场尺寸x_st×y_st。

如图2所示，该方法包括如下步骤。

步骤S101：获取待生产的芯片尺寸x_d×y_d。待生产的芯片是根据功能需求和性能指标进行设计并生产得到的，设计结果确定时，芯片尺寸基本上就已经确定了。接下来就是需要确定各个光刻机的一个曝光场能够同时生成多少个芯片图形。

步骤S102：获取待光刻的晶圆的半径R。由于需要测量叠对误差（overlayaccuracy，OVL），保证边缘部分的shot的完整性，同时考虑到晶圆在后期加工需要预留去边距离，因此需要根据晶圆的大小作相应的调整。例如对于8英寸的晶圆，其半径大约为100毫米，预留的去边长度可以为2～4毫米，优选为3毫米。当然，去边长度是根据实际情况进行调整的，以上数据或数据范围仅作为大部分情况下选择的参考。

步骤S103：根据约束条件计算扫描式光刻机和步进式光刻机所采用的曝光场的尺寸。

定义横轴方向上的两个shot的中心到晶圆中心的距离为X、纵轴方向上的两个shot的中心到晶圆中心的距离为Y。扫描式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{sc_max}×y_{sc_max}，步进式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{st_max}×y_{st_max}；x_sc=a_x×x_d、y_sc=a_y×y_d、x_st=b_x×x_d、y_st=b_y×y_d；也即采用扫描尺寸为x_sc×y_sc的扫描式光刻机扫描时，该扫描尺寸内有a_x×a_y个芯片图形；而采用扫描尺寸为x_st×y_st的步进式光刻机扫描时，该扫描尺寸内有b_x×b_y个芯片图形。

根据如下约束条件获取a_x、b_x、a_y、b_y的值，以得到扫描式光刻机和步进式光刻机所采用的曝光场的尺寸。

（1）k_x×a_x×x_d=l_x×b_x×x_d=X，同时k_y×a_y×y_d=l_y×b_y×y_d=Y；

（2）x_sc＜x_{sc_max}、y_sc＜y_{sc_max}、x_st＜x_{st_max}、y_st＜y_{st_max}；

（3）X+0.5x_sc＜R-d、Y+0.5y_sc＜R-d；

（4）k_x、a_x、l_x、b_x、k_y、a_y、l_y、b_y均为整数。

条件式（1）表示在距离X内、横向上有k_x×a_x个（或者l_x×b_x个）芯片图形，或者换一个说法，有k_x个shot202（l_x个shot102），纵向上以此类推。这个条件可以保证扫描式光刻机和步进式光刻机所采用的曝光场内具有整数个芯片图形，并且在两个光刻图形层上、距离X内的芯片图形的数量一致。

条件式（2）是要求所选择的曝光场的尺寸小于各自光刻机所能提供的曝光场的最大尺寸，这是一个很自然的条件。

条件式（3）表示要将芯片图形控制在去边后的范围内，也即横向上的距离X加上半个shot的尺寸不能超过去边后的范围。

条件式（4），无论是一个shot内的芯片图形的个数还是距离X（或Y）内的shot数量，都为整数才有实际意义。

以下说明如何计算a_x、b_x、a_y、b_y的值，如图3所示。

步骤S301：计算x_{sc_max}/x_d、x_{st_max}/x_d、y_{sc_max}/y_d、y_{st_max}/y_d的整数值，并分别作为a_x、b_x、a_y、b_y的初始值。例如，对于a_x×x_d＜x_{sc_max}来说，在芯片尺寸和最大曝光场尺寸已经固定的情况下，a_x的取值范围是比较有限的，从能够取值的最大值，也即x_{sc_max}/x_d的整数值开始逐一计算。

步骤S302：判断是否有符合条件（1）和（4）的k_x和l_x，k_y和l_y；若有，则执行步骤S303，否则执行步骤S304。以横轴为例，获得满足k_x×a_x=l_x×b_x的取值。

步骤S303，继续判断是否满足条件（3）。若是，执行步骤S307，否则执行步骤S304。以横轴为例，条件（3）即k_x×a_x×x_d+0.5a_x×x_d＜R-d，可以确定k_x、a_x是否满足条件。纵轴方向以此类推。

步骤S304：减小b_x、b_y的值。

步骤S305：b_x、b_y的可取值范围内的取值是否穷尽，若是，则执行步骤S306，否则执行步骤S302。

步骤S306：减小a_x、a_y的值，并执行步骤S302。

步骤S307：获得a_x、b_x、a_y、b_y的值。

上述过程中，最差的情况是扫描式光刻机采用和步进式光刻机一样尺寸的曝光场，因此总能得到a_x、b_x、a_y、b_y的值。

若a_x×x_d＜x_{st_max}或a_y×y_d＜y_{st_max}，也即所选择的扫描式光刻机的曝光场的尺寸已经小于步进式光刻机的所能提供的最大曝光场尺寸，此时使扫描式光刻机和步进式光刻机使用相同尺寸的曝光场即可。

上述方法利用各种约束条件得出能够最大限度利用两种光刻机的曝光场尺寸，从而最大程度利用光刻机产能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，用于在同时利用扫描式光刻机和步进式光刻机的光刻过程中，选择扫描式光刻机的曝光场尺寸x_sc×y_sc和步进式光刻机的曝光场尺寸x_st×y_st，所述扫描式光刻机用于形成第一光刻图形，所述步进式光刻机用于形成第二光刻图形，所述选择方法使得位于第一光刻图形层上的、且与中心距离最远的4个shot分别与位于第二光刻图形层上的、且与中心距离最远的4个shot中心重合，包括如下步骤：

获取待生产的芯片尺寸x_d×y_d；

获取待光刻的晶圆的半径R；

定义横轴方向上的与晶圆中心距离最远的两个shot中每个shot的中心距离晶圆中心的距离为X、纵轴方向上的与晶圆中心距离最远的两个shot中每个shot的中心距离晶圆中心的距离为Y、晶圆的去边长度d；扫描式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{sc_max}×y_{sc_max}，步进式光刻机的最大曝光场尺寸为x_{st_max}×y_{st_max}；x_sc＝a_x×x_d、y_sc＝a_y×y_d、x_st＝b_x×x_d、y_st＝b_y×y_d；

根据以下约束条件计算a_x、b_x、a_y、b_y的值：

(1)k_x×a_x×x_d＝l_x×b_x×x_d＝X，同时k_y×a_y×y_d＝l_y×b_y×y_d＝Y；条件式(1)表示在距离X内、横向上有k_x×a_x个、或者l_x×b_x个芯片图形，在距离Y内、纵向上有k_y×a_y、或者l_y×b_y个芯片图形；

(2)x_sc＜x_{sc_max}、y_sc＜y_{sc_max}、x_st＜x_{st_max}、y_st＜y_{st_max}；

(3)X+0.5x_sc＜R-d、Y+0.5y_sc＜R-d；

(4)k_x、a_x、l_x、b_x、k_y、a_y、l_y、b_y均为整数。

2.根据权利要求1所述的光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，其特征在于，所述晶圆直径为8英寸，所述去边长度d为2～4毫米。

3.根据权利要求1所述的光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，其特征在于，所述计算a_x、b_x、a_y、b_y的值的步骤为：

计算x_{sc_max}/x_d、x_{st_max}/x_d、y_{sc_max}/y_d、y_{st_max}/y_d的整数值，并分别作为a_x、b_x、a_y、b_y的初始值；

判断是否有符合条件(1)和(4)的k_x和l_x，k_y和l_y；若有，则继续判断是否满足条件(3)，若是，则获得a_x、b_x、a_y、b_y的值，否则减小b_x、b_y的值继续判断；

若没有符合条件(1)和(4)的k_x和l_x，k_y和l_y，则减小b_x、b_y的值继续判断，若在b_x、b_y的可取值范围内仍然没有符合条件(1)和(4)的k_x和l_x，k_y和l_y，则减小a_x、a_y的值，并由b_x、b_y的初始值开始逐渐减小进行判断，直到获得a_x、b_x、a_y、b_y的值。

4.根据权利要求3所述的光刻工艺中的曝光场的尺寸选择方法，其特征在于，若a_x×x_d＜x_{st_max}或a_y×y_d＜y_{st_max}，则使扫描式光刻机和步进式光刻机使用相同尺寸的曝光场。