CN105093840B

CN105093840B - 曝光机散射光参量的监测方法

Info

Publication number: CN105093840B
Application number: CN201410205559.8A
Authority: CN
Inventors: 董柏民; 彭蓉; 刘桂花
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN105093840A

Abstract

本发明提供一种曝光机散射光参量的监测方法，至少包括以下步骤：S1：提供第一控片，在其上形成第一正光刻胶层并显影，测量得到厚度T₁；S2：提供一光罩及第二控片，在第二控片上形成第二正光刻胶层，并采用所述光罩进行多次曝光和显影；以曝光能量为横坐标，以光照区域剩余的第二正光刻胶层的厚度为纵坐标绘制曲线，得到斜率S；S3：提供第三控片，在其上形成第三正光刻胶层，在预设曝光能量E下采用所述光罩进行曝光，然后测量显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度T₂；S4：利用公式F=（T₁‑T₂）/(E·∣S∣)*100%计算得到散射光参量F。本发明能够实现曝光机散射光参量F的随时离线监测，周期大大缩短，从而实时保证曝光机成像质量，提高产品良率。

Description

曝光机散射光参量的监测方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，涉及一种曝光机散射光参量的监测方法。

背景技术

曝光机是指通过开启灯光发出UVA波长的紫外线，将胶片或其他透明体上的图像信息转移到涂有感光物质的表面上的设备。在光刻技术中，光刻曝光机一般包括光源、掩膜板以及透镜。掩膜板是一种表面被各种图案覆盖的玻璃板，每个图案都包含有不透明和透明的部分，用来阻挡和允许光线通过。光源通过掩膜板可将图案投射到涂有光刻胶的晶片上，生成三维的浮雕图案，用以辅助在晶片上刻蚀电路图案。

目前最常使用的曝光技术是投影式曝光法，其是以类似投射机将投影片上的图案投射到墙上的这种方式来进行光罩图案的转移。这种曝光法因光罩与芯片彼此并未接触，因此不会损害到光罩上的图案，且图案转移的分辨率较好。而这种投影式的曝光法目前已演进到新一代的重复且步进(Step and Repeat)的方式，此种曝光法使用的光罩，其图案比所要转移的图案大，因此，在进行曝光时，经过光罩的投射光，将被依适当的比例缩小后，才照射在部分的芯片位置上。

投射光是通过曝光机中的透镜缩小的并投射到晶片上的。投射到晶片上的光中包含一部分散射光，散射光来源于透镜自身的反射、透镜材质不均匀导致的散射及透镜表面杂质粒子导致的散射，如图1所示。散射光的存在将导致成像质量的降低。为了得到高质量的曝光图像，需要将散射光占所有投射光线的比例控制在一定范围内。

在半导体工厂内，有其专用设备及方法来检查曝光机散射光的量，由于过程繁杂，其检查周期很长，通常为一个月或三个月检查一次。

因此，提供一种曝光机散射光参量的离线监控方法，以提高监测效率，提升曝光图像的质量实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种曝光机散射光参量的监测方法，用于解决现有技术中曝光机散射光参量监测周期长、效率低导致曝光图像质量差、产品良率降低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种曝光机散射光参量的监测方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一第一控片，在所述第一控片上形成第一厚度的第一正光刻胶层并显影，然后测量得到显影完毕后剩余的第一正光刻胶层的厚度T₁；

S2：提供一光罩，所述光罩包括若干分立排列的不透光区域及其周围的透光区域；

提供一第二控片，在所述第二控片上形成第一厚度的第二正光刻胶层，并采用所述光罩对所述第二正光刻胶层进行多次曝光和显影，其中，曝光能量按预设步长在预设能量范围内依次升高，然后测量每次曝光显影后位于光照区域的剩余的第二正光刻胶层的厚度t₁、t₂、…t_n，其中n为整数，且n>3；

以曝光能量为横坐标，以光照区域剩余的第二正光刻胶层的厚度为纵坐标绘制曲线，得到所述曲线前半部分的斜率S；

S3：提供一第三控片，在所述第三控片上形成第一厚度的第三正光刻胶层，然后在预设曝光能量E下采用所述光罩对所述第三正光刻胶层进行曝光，然后测量显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度T₂；

S4：利用公式F＝(T₁-T₂)/(E·∣S∣)*100％计算得到散射光参量F。

可选地，所述第一控片、第二控片及第三控片上表面均形成有一SiON层。

可选地，所述预设能量范围的起点大于0mJ/cm²，终点小于300mJ/cm²，所述预设步长的范围是0.5～10mJ/cm²。

可选地，所述预设曝光能量大于120mJ/cm²。

可选地，所述光罩的不透光区域在水平面上的投影为正方形、矩形、圆形、正五边形、正六边形或正八边形。

可选地，所述光罩的不透光区域的材料为金属。

可选地，所述光罩的不透光区域的材料为铬。

可选地，所述光罩中的若干不透光区域呈正方晶格排列。

可选地，于所述步骤S1、S2及S3中，每一次显影时间相同。

可选地，所述显影时间范围是30～300秒。

可选地，当需要再次检测曝光机散射光参量时，利用已经得到的参数值T₁及斜率S，并重复所述步骤S3及步骤S4，得到最新的曝光机散射光参量F。

如上所述，本发明的曝光机散射光参量的监测方法，具有以下有益效果：(1)本发明首先测量未经曝光的第一正光刻胶层显影后的厚度T₁，修正了正光刻胶的第一厚度值，排除了正光刻胶本身微弱的溶解率的影响；然后利用特殊设计的光罩对第二正光刻胶层进行多次曝光和显影，并测量每次显影之后位于光照区域的剩余的第二正光刻胶层的厚度，根据测量得到的多组数据绘制得到光刻胶显影后厚度随曝光能量的变化曲线，进而得到显影后厚度未突变前的部分曲线的斜率S；再在足够的曝光能量下利用特殊设计的光罩对第三正光刻胶层进行曝光，并测量显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度T₂；最后利用公式F＝(T₁-T₂)/(E·∣S∣)*100％计算得到散射光参量F。(2)若曝光机曝光过程中不存在散射光，则位于非光照区域的第三光刻胶层不会被曝光，显影后厚度应该等于T₁，然而由于散射光的存在，该区域仍然会在一定程度上被曝光，显影后厚度为T₂，T₁与T₂的差值大小反映了散射光量的多少，通过进一步将该差值与曝光能量E、斜率S相除，即可得到散射光参量F，其反映了散射光占所有投射在晶片上的光线的比例。(3)当散射光参量F大于一定数值，即可判断此时曝光机的成像质量达不到要求，可以及时采取一定的措施如清洁曝光机透镜等，以将散射光参量F控制在一定范围内。(4)本发明可以实现曝光机散射光参量的离线监测，且每当需要确认曝光机散射光参量是否符合要求，只要采用第一次测量得到的T₁及S值，并根据上述步骤S3仅测量T₂，即可根据公式计算得到当时曝光机的散射光参量F，从而实现曝光机的散射光参量F的随时监测，周期大大缩短，从而实时保证曝光机成像质量，提高产品良率。

附图说明

图1显示为现有技术中曝光机投射到晶片上的散射光的来源。

图2显示为本发明的曝光机散射光参量的监测方法的流程图。

图3显示为步骤S1中显影前和显影后第一正光刻胶层的厚度数据图。

图4显示为本发明提供的光罩的结构示意图。

图5显示为步骤S2中显影后光照区域剩余的第二正光刻胶层的厚度随曝光能量的变化曲线。

图6显示为步骤S3中测量显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度的示意图。

元件标号说明

S1～S4 步骤

1 光罩

2 不透光区域

3 透光区域

4 第三控片

5 第三正光刻胶层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种曝光机散射光参量的监测方法，请参阅图2，显示为该方法的流程图，至少包括以下步骤：

步骤S1：提供一第一控片，在所述第一控片上形成第一厚度的第一正光刻胶层并显影，然后测量得到显影完毕后剩余的第一正光刻胶层的厚度T1。

具体的，控片(control wafer)指的是测试使用的晶圆，在半导体行业，为了解机台未来的运行(run)货结果是否在规格内，必须使用控片去试运行，并量测所得结果如厚度、平坦度、微粒数等，控片使用一次就要进入回收流程。

光刻胶(photoresist)，亦称为光阻或光阻剂，是指通过紫外光、深紫外光、电子束、离子束、X射线等光照或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料，是光刻工艺中的关键材料，主要应用于集成电路和半导体分立器件的细微图形加工。光刻胶根据在显影过程中曝光区域的去除或保留可分为两种－正光刻胶(positive photoresist)和负光刻胶(negative photoresist)。正光刻胶之曝光部分发生光化学反应会溶于显影液，而未曝光部份不溶于显影液，仍然保留在衬底上，将与掩膜上相同的图形复制到衬底上。负光刻胶之曝光部分因交联固化而不溶于阻显影液，而未曝光部分溶于显影液，将与掩膜上相反的图形复制到衬底上。

由于正光刻胶在未曝光时并非完全不溶，其仍然具有微弱的溶解度，因此需要对其厚度进行修正，扣除正光刻胶自身溶解度的影响。

作为示例，所述第一控片上表面形成有一厚度为320埃的SiON层，然后在所述SiON层上涂布形成7500埃(第一厚度)的第一正光刻胶层，其中，SiON一方面作为抗反射层，另一方面可以使得涂布的第一正光刻胶层较为平整。接着直接进行显影(未经曝光机曝光)，显影时间为30～300秒，优选为130秒，显影完毕后测量剩余的第一正光刻胶的厚度T₁。

当然，在其它实施例中，所述SiON层及涂布的第一正光刻胶层也可以采用其它厚度值。

图3显影前和显影后第一正光刻胶层的厚度数据图，其中，分别测量了49个点，以得到更精确的结果。如图3所示，显影前所述第一正光刻胶层的厚度为7500埃，显影后，所述第一正光刻胶部分溶解到显影液中，剩余的的第一正光刻胶层的厚度T₁为7218埃，该厚度值为修正后的厚度值，扣除了正光刻胶自身溶解度的影响。

步骤S2：(1)提供一光罩，所述光罩包括若干分立排列的不透光区域及其周围的透光区域。

如图4所示，显示为所述光罩1的示意图。光罩亦称光掩膜，通过曝光机曝光，可将光罩上的图形转移至晶片。所述光罩1的不透光区域2可由金属制成，通常为铬(Cr)，透光区域3通常由二氧化硅制成。

具体的，所述光罩1的不透光区域2在水平面上的投影包括但不限于正方形、矩形、圆形、正五边形、正六边形或正八边形，本实施例中，所述不透光区域2在水平面上的投影优选为正方形，且各个不透光区域呈正方晶格排列。作为示例，该正方形不透光区域2的边长为800μm，相邻两个不透光区域之间的间隔亦为800μm。

需要指出的是，此处所述不透光区域2采用正方形，且相邻两个不透光区域之间的间隔与正方形的边长相等，可以使得晶片各区域的曝光程度更加均匀。

(2)提供一第二控片，在所述第二控片上形成第一厚度的第二正光刻胶层，并采用所述光罩1对所述第二正光刻胶层进行多次曝光和显影，其中，曝光能量按预设步长在预设能量范围内依次升高，然后测量每次曝光显影后位于光照区域的剩余的第二正光刻胶层的厚度t₁、t₂、…t_n，其中n为整数，且n>3。

具体的，所述第二控片上表面亦形成有320埃的SiON层，然后在所述SiON层上涂布形成7500埃(第一厚度)的第二正光刻胶层。

具体的，所述预设能量范围的起点大于0mJ/cm²，终点小于300mJ/cm²，所述预设步长的范围是0.5～10mJ/cm²。本实施例中，优选为在2～135mJ/cm²的曝光能量范围内，以5mJ/cm²为步长，依次对所述第二正光刻胶层进行曝光和显影，并测量显影后位于光照区域的剩余的第二正光刻胶层的厚度，从而得到若干数据点，数据点横坐标为曝光能量，纵坐标为剩余的第二正光刻胶层的厚度。

需要指出的是，每一次显影时间范围为30～300秒，本实施例中，采用与步骤S1中相同显影时间，即130秒。只有各步骤中显影时间均相同，才有可比性，进而保证数据的准确性。

(3)以曝光能量为横坐标，以光照区域剩余的第二正光刻胶层的厚度为纵坐标绘制曲线，得到所述曲线前半部分的斜率S。

图5显示为根据以上数据拟合得到的显影后光照区域剩余的第二正光刻胶层的厚度随曝光能量的变化曲线。如图所示，当曝光能量达到80mJ/cm²左右并逐渐增大时，显影后光照区域剩余的第二正光刻胶层的厚度开始急剧减小，说明在此曝光能量范围，光照区域的光刻胶层溶解度显著升高，当曝光能量大于120mJ/cm²时，光照区域的光刻胶层能够在显影过程中完全去除。在实际生产线上，正常曝光能量要高于120mJ/cm²，否则将导致光刻胶残留。

本步骤中，仅需要得到所述曲线前半部分的斜率S，即光刻胶溶解度未发生突变前曲线的斜率。图5所示，前半部分曲线的拟合方程为y＝-36.25x+6556.9，R²＝0.9832，其中，R²用于测量回归模型拟合数据的程度，R²值的范围是0～1，R²值越高，说明回归模型的拟合越好。由上述拟合方程可知，斜率S＝-36.25。

步骤S3：提供一第三控片，在所述第三控片上形成第一厚度的第三正光刻胶层，然后在预设曝光能量E下采用所述光罩对所述第三正光刻胶层进行曝光，然后测量显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度T₂。

具体的，所述第三控片上表面亦形成有320埃的SiON层，然后在所述SiON层上涂布形成7500埃(第一厚度)的第三正光刻胶层。

具体的，所述预设曝光能量E为正常曝光能量，即大于120mJ/cm²，本实施例中所述预设曝光能量E优选为180mJ/cm²。此处所述预设曝光能量E选择正常曝光能量，能够使测量结果反映后续实际线上生产曝光机的状况。

具体的，显影时间范围为30～300秒，本实施例中，采用与步骤S1及步骤S2中相同的显影时间，即130秒。图6显示为显影后所述第三控片4上剩余的第三正光刻胶层5的示意图，通过测量得到显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度T₂＝7190埃。需要指出的是，测量时至少测量3个点并取平均值，本实施例中测量了49个点，足够多的点保证了数据的准确性。

由于理论上非光照区域的第三光刻胶层由于没有曝光，显影后剩余的厚度应该与修正后的厚度T₁相同，即应为7218埃。而此处实际测得的厚度T₂＝7190埃，小于T₁值，说明曝光机曝光过程中有散射光到达非光照区域，使得该区域部分曝光，在显影过程中厚度减少。因此需要计算散射光具体所占比例，以根据需要采取措施防止散射光过多、导致后续生产过程中曝光成像质量下降。

步骤S4：利用公式F＝(T₁-T₂)/(E·∣S∣)*100％计算得到散射光参量F。

具体的，根据本实施例的测量结果得到散射光参量F＝(7218-7190)/(180·∣-36∣)*100％＝0.43％。其中，散射光参量F反映了散射光占所有投射在晶片上的光线的比例。

至此，通过以上步骤计算得到了曝光机的散射光参量F，当散射光参量F大于一定数值，即可判断此时曝光机的成像质量达不到要求，可以及时采取一定的措施如清洁曝光机透镜等，以将散射光参量F控制在一定范围内。

本发明的曝光机散射光参量的监测方法直观、简单、有效，可以随时根据需要对曝光机的散射光参量F进行监测，从而保证曝光机成像质量始终处于良好状态。

本发明的另一个显著的优点是，当需要再次检测曝光机散射光参量时，可以利用第一次测量得到的参数值T₁及斜率S，只需要重复所述步骤S3及步骤S4，即可得到最新的曝光机散射光参量F，从而用最少的步骤，及时、快速完成曝光机散射光参量的检测。当然，需要保证步骤S3中第三正光刻胶层的厚度与第一正光刻胶层及第二正光刻胶的厚度相同、光刻胶材料相同、显影液相同及显影时间相同。

综上所述，本发明的曝光机散射光参量的监测方法具有以下有益效果：(1)本发明首先测量未经曝光的第一正光刻胶层显影后的厚度T₁，修正了正光刻胶的第一厚度值，排除了正光刻胶本身微弱的溶解率的影响；然后利用特殊设计的光罩对第二正光刻胶层进行多次曝光和显影，并测量每次显影之后位于光照区域的剩余的第二正光刻胶层的厚度，根据测量得到的多组数据绘制得到光刻胶显影后厚度随曝光能量的变化曲线，进而得到显影后厚度未突变前的部分曲线的斜率S；再在足够的曝光能量下利用特殊设计的光罩对第三正光刻胶层进行曝光，并测量显影后位于非光照区域的第三正光刻胶层的厚度T₂；最后利用公式F＝(T₁-T₂)/(E·∣S∣)*100％计算得到散射光参量F。(2)若曝光机曝光过程中不存在散射光，则位于非光照区域的第三光刻胶层不会被曝光，显影后厚度应该等于T₁，然而由于散射光的存在，该区域仍然会在一定程度上被曝光，显影后厚度为T₂，T₁与T₂的差值大小反映了散射光量的多少，通过进一步将该差值与曝光能量E、斜率S相除，即可得到散射光参量F，其反映了散射光占所有投射在晶片上的光线的比例。(3)当散射光参量F大于一定数值，即可判断此时曝光机的成像质量达不到要求，可以及时采取一定的措施如清洁曝光机透镜等，以将散射光参量F控制在一定范围内。(4)本发明可以实现曝光机散射光参量的离线监测，且每当需要确认曝光机散射光参量是否符合要求，只要采用第一次测量得到的T₁及S值，并根据上述步骤S3仅测量T₂，即可根据公式计算得到当时曝光机的散射光参量F，从而实现曝光机的散射光参量F的随时监测，周期大大缩短，从而实时保证曝光机成像质量，提高产品良率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述第一控片、第二控片及第三控片上表面均形成有一SiON层。

3.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述预设能量范围的起点大于0mJ/cm²，终点小于300mJ/cm²，所述预设步长的范围是0.5～10mJ/cm²。

4.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述预设曝光能量大于120mJ/cm²。

5.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述光罩的不透光区域在水平面上的投影为正方形、矩形、圆形、正五边形、正六边形或正八边形。

6.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述光罩的不透光区域的材料为金属。

7.根据权利要求6所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述光罩的不透光区域的材料为铬。

8.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述光罩中的若干不透光区域呈正方晶格排列。

9.根据权利要求1所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：于所述步骤S1、S2及S3中，每一次显影时间相同。

10.根据权利要求9所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：所述显影时间范围是30～300秒。

11.根据权利要求1～10任意一项所述的曝光机散射光参量的监测方法，其特征在于：当需要再次检测曝光机散射光参量时，利用已经得到的参数值T₁及斜率S，并重复所述步骤S3及步骤S4，得到最新的曝光机散射光参量F。