CN105301912A - 一种用于光刻设备的曝光装置与曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的曝光装置，包括：激光器，用于提供一曝光光束；光束整形单元，用于将该曝光光束整形；数字微镜阵列（DMD），用于接收该整形后的曝光光束并反射该曝光光束以形成一调制图形；物镜，用于将该调制图形成像至一硅片表面；运动台，该运动台用于承载该硅片；同步控制单元，同步控制该激光器、DMD和运动台。本发明同时提供一种用于光刻设备的曝光方法。

Description

一种用于光刻设备的曝光装置与曝光方法

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曝光装置与曝光方法。

背景技术

投影曝光装置能够将掩模版上的电路图形经过投影物镜等光学系统以一定放大或缩小的倍率投影于涂有感光胶的基底上。目前投影曝光装置已广泛应用于集成电路的制造，并且近年来应用范围扩展到平板显示、印刷电路板制造等领域。

随着市场对半导体产品需求量的不断增大和生产商对其价格竞争力的不断追求，初始加工的硅片、平板显示基板和PCB基板的尺寸不断增大。在晶圆制造领域，450mm设备的需求已经提上具体日程，要求450mm曝光设备具有300mm设备相当甚至更高的产能，掩模成本在IC制造中，单套掩模板价格可达上千万美金，与曝光设备几乎等价；在平板显示领域，普遍采用扫描投影式曝光装置，为了保持、甚至提高产率，掩模的尺寸随基板世代的提升而增大，掩模的管理和维护成本不断上升，同时对掩模台、掩模传输、框架提出了更高的要求。在PCB领域，随着基板大小的增加，无法再使用接近接触式光刻设备进行图形加工；另外，由于PCB产品的附加值较小，采用类似平板显示的扫描投影曝光装置会导致成本增加。因此，具备一定产能的无掩模曝光装置能够满足目前的微纳制造发展趋势。

无掩模光刻能有效地降低光刻系统的复杂度(无需掩模台、掩模传输、框架结构简单)和掩模的加工、维护成本，是进行大尺寸基底光刻的发展趋势之一，而基于空间光调制器（Spatial Light Modulator，以下简称SLM）的无掩模光刻方法因其制作灵活、可靠性高和产率较客观等优势越来越多地被用来制作印刷电路板（PCB）、薄膜液晶面板（TFT）、微机电系统（MEMS）。

US7612865、US7253882、US20090086182、US2008258069分别为Dainippon Screen、Fujifilm、Maskless Lithography Inc、ORC等公司的用于PCB加工的无掩模光刻设备，其特点为：汞灯或激光二极管(Laser Diode，以下简称LD)出射的紫外光经照明系统后入射到数字微镜阵列(Digital Micromirror Device，以下简称DMD)表面，DMD生成待曝光的图形，经过投影物镜成像到涂胶基底表面，基底做扫描运动，DMD不断地改变图形，从而得到完整的待曝光图形。

以上各系统存在一个很大的缺陷。在无掩模曝光系统中，空间光调制器(如DMD)所生成的图形是离散的，而基底却在做连续扫描。每幅曝光图形由SLM生成后会保持一段时间，该时间为SLM的显示周期(或称为frame rate)，以DMD为例，目前其最大刷新率为32K fps，即31.25us，若采用汞灯或LD等连续光源，假设基底以0.5m/s的速度做扫描运动，则相当于产生了0.5m/s×31.25us = 15.625um的fading。这一缺陷极大的限制了无掩模光刻的应用，使之不能进行高分辨率图形的曝光，或者只能在很慢的扫描速度下进行曝光，极大影响产率。

针对以上无掩模曝光系统的缺陷，现有技术又提出了基于DMD和脉冲激光同步曝光的无掩模光刻系统(见专利CN201310351942.X)。通过脉冲激光、DMD、运动台三者之间的同步运动，使DMD在两幅离散图形之间，运动台可以通过较大的距离，在保证能量利用率的前提下提高扫描速度，从而提高产率。

然而，以上基于DMD的无掩模曝光设备有一个很大的缺陷：由于DMD内部各微反射镜的偏转只能为+/-12度，由于制造工艺问题，其偏转始终存在+/-1度的误差，因此该DMD倾斜误差会导致部分像素失效或照明均匀性下降。

如想利用CN201310351942.X中提出的方案曝光1um左右的线条，假设采用18倍缩小倍率、像方NA=0.28的物镜，对应像方孔径角为16.26度，物方孔径角根据放大率换算为16.28/18 = 0.9度，DMD微镜偏转误差+/-1度，导致反射光偏转+/-2度，因此会有相当一部分光不能进入光学系统，而由于DMD的偏转角度不能连续进改变，因此该误差无法通过器件本身进行消除。

在“System Design Considerations for DLP”一文中，提出了两种解决方案，其一是增大照明的面积，通过增加经DMD反射后的光锥面积，保证无论光锥如何偏转，都能覆盖DMD出瞳（即数值孔径范围）。这种方案的缺陷在于：照明能量浪费极其严重，导致有效的曝光能量不足10%。此外，这一方法相当于增大了照明的部分相干因子，使之>>1，在这种情况下，往往导致成像对比度降低。

另一种解决方案是增大物镜数值孔径，即通过增大DMD出瞳面积，使之能够接收任意偏转角度下的反射光。这种方案的弊端在于：曝光1um线条的NA可能需要增大到0.7或0.8，由于焦深与NA的平方成反比关系，因此导致焦深大大缩小；此外，由于各像素偏转情况不一，很难保持出瞳面上，能量分布的对称性，影响成像。

综上所述，针对低NA(<0.9)、高倍率（缩小倍率>10倍），需要寻找一种能够解决DMD像素失效问题，但又能克服成像及照明能量利用率弊端的方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种既能解决DMD像素失效问题，但又能克服成像及照明能量利用率弊端的曝光装置和曝光方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻设备的曝光装置，包括：激光器，用于提供一曝光光束；光束整形单元，用于将该曝光光束整形；数字微镜阵列（DMD），用于接收该整形后的曝光光束并反射该曝光光束以形成一调制图形；物镜，用于将该调制图形成像至一硅片表面；运动台，该运动台用于承载该硅片；同步控制单元，同步控制该激光器、DMD和运动台。

更进一步地，该光束整形单元按照光束传播的方向依次包括：一扩束单元，用于该曝光光束与该DMD的调制区域匹配；一可变衰减器，用于曝光光束的能量，一匀光照明单元，用于将该曝光光束整形为一均匀照明光束。

本发明同时公开一种用于光刻设备的曝光方法，该光刻设备包括激光器、运动台、DMD以及物镜，该曝光方法包括：

步骤一将待曝光图形数据灰度化形成m×n的原始矩阵A，其中m、n分别为原始矩阵的行数及列数；

第二步、依据该DMD的失效像素矩阵C，将该原始矩阵A扩展成m+2p-2行，n列的矩阵A0’，其中该DMD的行数、列数分别为p、q；

步骤三、根据B′_i＝{(A′_i[l(i-1)+1：l(i-1)+1+p，1：q]OR B₀)AND C}-计算该DMD需要输出的图形B′_i，其中B₀为DMD上元素全部为0的矩阵，i为大于等于1的整数，l为该运动台的步进距离；

步骤四、根据A′_i+1＝A′_i-B′_i对A_i’进行迭代更新形成若干帧图形，直至l(i-1)+1+p等于A₀’的行数或A₀’的各元素均为0；

步骤五、同步控制激光器、DMD、及运动台，以使该若干帧图形被该物镜依序成像至位于该运动台上的硅片上。

更进一步地,该DMD的失效像素的测量方法为：a、将该激光器功率输出最大；b、将一点能量传感器置于该物镜最佳焦面位置；c、依次测量DMD的的每一像素，根据该点能量传感器的读数判断该像素是否为失效像素，若是失效像素将其定义为0，若是有效像素将其定义为1。

更进一步地，该待曝光图形透过以下方法获得：根据一掩模数据、该硅片的曝光场数据以及该DMD的曝光视场宽度，将该硅片上的曝光场数据拆分为若干个待曝光图形数据。

更进一步地，该运动台的步进距离l 为运动台在相邻两个帧图形之间运动的距离。

更进一步地，待曝光图形灰度化包括以下步骤：首先，将待曝光图形栅格化，栅格化大小与该DMD像素在该硅片面上的大小一致；其次，将待曝光图形进一步灰度化，以获得各栅格内的曝光剂量（Dose）分布；以及，计算各栅格需要曝光的次数N，其中，N=Max{int(Dose·S/(P·Mag))+1, Gray_Level}，S为该DMD面积，Mag为光刻设备物镜的赔率，P为激光器的脉冲激光能量，Gray_Level为灰阶数。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案利用曝光装置进行DMD像素有效性的前馈测量，利用掩模数字化算法，将DMD失效像素剔除，使之不参与曝光，并利用DMD其他有效像素，分担失效像素的功能，通过算法、流程解决问题，不造成照明能量的损失或焦深减少。

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是本发明所涉及的曝光装置的结构示意图；

图2是数字微镜阵列的调制原理示意图；

图3是掩模图形数据示意图；

图4是硅片上的曝光条拆分示意图；

图5是曝光条内掩模图形灰度化示意图；

图6是SLM视场扫描示意图；

图7是数字微镜阵列的失效像素示意图；

图8是灰度图矩阵扩展A’的示意图；

图9是因像素失效导致未完成的灰度图二值化转换示意图；

图10是转换完成的灰度图二值化示意图；

图11是图形序列同步曝光示意图；

图12是脉冲光、图形序列、运动台三者进行同步曝光示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1是本发明所涉及的曝光装置的结构示意图。如图1中所示，该曝光装置包括激光器15、探测激光器（图中未示出）、扩束单元16、可变衰减器17、匀光照明单元18、空间光调制器20，物镜13、运动台10、硅片11、探测光路以及同步控制单元14组成。

激光器15为曝光装置提供曝光光源，其波长应在光刻胶的感光范围之内，一般要求波长比紫外波段更短。可以是脉冲激光器，也可以是连续激光器，这里为了使产率最大化，因此选择脉冲激光器。

扩束单元16将激光器发出的光扩束，使经过照明后，光束面积与空间光调制器20调制区域匹配，保证空间光调制器20上各调制单元的利用率。

可变衰减器17为激光器发出的光提供0%~99%的连续可调衰减，用于控制照射到硅片表面上脉冲的能量。

匀光照明单元18将激光器发出的光调制为均匀照明，照射到空间光调制器20表面。

空间光调制器20用于形成调制图形，相当于传统投影光刻中的掩模图形，只不过在本方案中掩模图形实时改变，其所显示的图形由同步控制单元进行控制输出。

本实施方案中所采用的空间光调制器20为DMD。本实施例中选择数字微镜阵列（DMD），它是一种MEMS器件，各微反射镜可根据其基底地址电极上的控制信号进行固定角度偏转。当某个微反射镜接收到控制信号为1时，其偏转转12°，反射光将进入后继光学系统，如本实施例中的物镜；当接收到信号为0时，偏转-12°。控制信号即对应待曝光的掩模图形数据。根据DMD的特性，要求照明光的入射角（相对于无偏转情况下的DMD工作面）为23°，如图2所示。

物镜13用于将空间光调制器20上的调制图形成像到硅片11表面。

运动台10驱动硅片11进行运动。在本方案中，运动台采取扫描步进运动。运动台上带有点能量传感器12，用于探测硅片面上的激光能量。

同步控制单元14负责：运动台10、空间光调制器20、激光器15之间的同步控制，同时同步控制单元中还包含掩模图形离散化处理、存储的、发送的功能。

图3是掩模图形数据示意图。如图3中所示，此时所加载的掩模数据一般是GDSII格式或矢量图形式60。

本发明所涉及的曝光方法如下：

步骤一、加在掩模数据，此时所加载的掩模数据一般是GDSII格式或矢量图形式。这里至少需要加载一个die（曝光单元）的掩模数据。

步骤二、加载硅片上的曝光场数据，即根据曝光工艺处方，获取各个die在硅片上的分布。

步骤三、根据空间光调制器的曝光视场沿扫描方向的宽度，将各个die的数据拆分为若干个strip（曝光条）。 如图4中所示，501是一个空间光调制器的曝光视场宽度，502是硅片上的一个曝光条，503是硅片上的另一个曝光条，504是一个曝光单元。

步骤四、将各个曝光条（strip）上的图形由矢量图形式转换为灰度图。图5是曝光条内掩模图形灰度化示意图。如图5所示，strip内的掩模图形401被转换为栅格化的掩模图形402，其中每一个像方代表一个像方栅格404。栅格化的掩模图形402再进一步被转化成灰度图403，其中每个栅格均变成灰度化后的像方栅格405。具体的转化过程如下：

首先将矢量图形式的掩模图形进行栅格化，栅格大小（像方Pixel Size）404与DMD像素（微反射镜）在硅片面上的大小一致。

栅格化后需要进一步将掩模图形进行灰度化，通过灰度化可以获得各栅格内的曝光剂量分布，以有掩模状态下的曝光剂量为full dose（全剂量），各栅格内的剂量或为full dose，或为full dose的若干分之一。本实施例中，像方栅格内的剂量（即对应的灰度值）可根据掩模图形在栅格内所占面积比例确定，即：

（1）

其中灰度阶数根据不同图形线宽可进行调整，一般可借助如prolith等光刻仿真软件进行计算得到。本实施例中，我们将灰度阶数设置为4阶。各栅格内灰度化后，需要进行曝光的栅格如下图6中灰色格点所示，格点中的数字表示灰度值，将整个灰度化栅格记为矩阵A。

步骤五、对DMD失效像素进行测量（本步骤也可以事先独立进行），具体步骤如下：

5.1首先，使用曝光激光器，输出功率设置在最大值。

5.2保持光路照明模块正常工作，重新设置DMD调制状态，以单个DMD像素为一个成像单元(super pixel)。

5.3将点能量传感器置于物镜最佳焦面位置，点能量探测器的探测面应大于视场面积，成像单元工作时，测量出口处点能量传感器能量读数。

5.4 将DMD情况依次进行刷新，能量探测器记录读数，关闭当前DMD成像单元，并设置另一成像单元开启，测量出口处点能量传感器能量读数I。

5.5 重复进行测测量，直至像素单元遍历整个DMD阵列。

根据每个像素反射至硅片面的能量及给定能量阈值TH，将反射至硅片面能量<TH的像素认为是失效像素，记录下其在整个DMD阵列中的位置(i,j)，表示DMD像素自上而下第i行，自左至右第j列，如图7所示，定义为矩阵C，其中失效像素对应的元素定义为0。图7中60为DMD微镜阵列，61为失效像素，62为可用像素。

步骤六、将灰度化图形转换为二值化图形序列进行存储。具体方法如下：

6.1 Ø 根据以下公式，计算每个像方pixel所需要的曝光次数N，1≤N≤p（p为DMD阵列行数，本实施例中p=9），其中Dose为曝光剂量，单位为mj/cm2，S为DMD面积单位为cm2，Mag为物镜缩小倍率，P为脉冲激光能量，单位为mj，Gray_Level为灰度值，本实施例中，假定根据最终曝光剂量、物镜配置、激光能量等参数，计算得到N=4；

6.2 Ø 计算DMD每两帧之间运动台通过的距离l， l需为像素数的整数倍，由以下公式确定，本实施例中，l=int{9/4}=2

6.3Ø 设原始灰度图矩阵A的行数和列数分别为m、n，DMD微镜阵列行数和列数分别为p、q，第1帧(初始时刻)和最后1帧(最终时刻)时，DMD与灰度图间的位置关系的如图8所示，因此需要对原始灰度图矩阵A进行扩展，在原始灰度图矩阵A的上方和下方都再加上p-1行、n列的矩阵，新扩展的矩阵元素全部设为0。从而形成m+2p-2行，n列矩阵A₀’。DMD阵列为矩阵B₀，元素全部为0，如图8所示,70是DMD栅格初始时刻，71是灰度化栅格，72是最终时刻。

6.4 Ø 根据以下关系计算DMD上需要输出的图形图(OR为矩阵对应元素进行或运算，AND为矩阵对应元素进行与运算)

（4）

6.5 Ø 根据以下关系更新Ai’，直至 等于A0’的行数或A0’的各元素均为0：

A′_i+1＝A′_i-B′_i (5)

对于m×n的矩阵A，若DMD微镜阵列为p行，每两个DMD帧之间经运动台经过像素数为l，则完成矩阵A区域的曝光，一共所需要的二值化图形数量k为，本实施例中m=7，p=9，l=2，故k=8；

以本实施例中的矩阵A、A₀’、 B_i、C等矩阵为例，整个过程如图9所示：

在本实施例中，可以看到最终8帧过后，最终扩展矩阵A9’中仍有残留的非0元素，其原因在于本实施例中的三个失效像素无法使用。

6.6 Ø 在上述情况下，令 ，即l =1，于是以本实施例中的矩阵A、A₀’、 B_i’、C等矩阵为例，整个过程如图10所示。此时整个曝光需要的二值化图形帧数量为13。

步骤七、调整衰减片，保证脉冲能量P与曝光次数N的乘积等于Dose。

步骤八、脉冲光、图形序列、运动台三者进行同步，如图11、12所示，运动台10运动到预设的位置X1，X2……X13时，对应的图形序列依次为Frame1, Frame2……Frame13，同时激光器输出脉冲。运动台10在两个Frame之间的运动距离为l个(本实施例中为1个)DMD像方像素宽度，如此重复，完成扫描。

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 (7)

1.一种用于光刻设备的曝光装置，其特征在于，包括：

激光器，用于提供一曝光光束；

光束整形单元，用于将所述曝光光束整形；

数字微镜阵列（DMD），用于接收所述整形后的曝光光束并反射所述曝光光束以形成一调制图形；

物镜，用于将所述调制图形成像至一硅片表面；

运动台，所述运动台用于承载所述硅片；

同步控制单元，同步控制所述激光器、DMD和运动台。

2.如权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述光束整形单元按照光束传播的方向依次包括：一扩束单元，用于所述曝光光束与所述DMD的调制区域匹配；一可变衰减器，用于曝光光束的能量，一匀光照明单元，用于将所述曝光光束整形为一均匀照明光束。

3.一种用于光刻设备的曝光方法，所述光刻设备包括激光器、运动台、DMD以及物镜，所述曝光方法包括：

步骤一将待曝光图形数据灰度化形成m×n的原始矩阵A，其中m、n分别为原始矩阵的行数及列数；

第二步、依据所述DMD的失效像素矩阵C，将所述原始矩阵A扩展成m+2p-2行，n列的矩阵A0’，其中所述DMD的行数、列数分别为p、q；

步骤三、根据 计算所述DMD需要输出的图形，其中B ₀为DMD上元素全部为0的矩阵，i为大于等于1的整数，为所述运动台的步进距离；

步骤四、根据对A_i’进行迭代更新形成若干帧图形， 直至等于A₀’的行数或A₀’的各元素均为0；

步骤五、同步控制激光器、DMD、及运动台，以使所述若干帧图形被所述物镜依序成像至位于所述运动台上的硅片上。

4.如权利要求3所述的用于光刻设备的曝光方法，其特征在于，所述DMD的失效像素的测量方法为：

a、将所述激光器功率输出最大；

b、将一点能量传感器置于所述物镜最佳焦面位置；

c、依次测量DMD的的每一像素，根据所述点能量传感器的读数判断该像素是否为失效像素，若是失效像素将其定义为0，若是有效像素将其定义为1。

5.如权利要求3所述的用于光刻设备的曝光方法，其特征在于，所述待曝光图形透过以下方法获得：根据一掩模数据、所述硅片的曝光场数据以及所述DMD的曝光视场宽度，将所述硅片上的曝光场数据拆分为若干个待曝光图形数据。

6.如权利要求3所述的用于光刻设备的曝光方法，其特征在于，所述运动台的步进距离l 为运动台在相邻两个帧图形之间运动的距离。

7.如权利要求3所述的用于光刻设备的曝光方法，其特征在于，待曝光图形灰度化包括以下步骤：

首先，将待曝光图形栅格化，栅格化大小与所述DMD像素在所述硅片面上的大小一致；

其次，将待曝光图形进一步灰度化，以获得各栅格内的曝光剂量（Dose）分布；

以及，计算各栅格需要曝光的次数N，其中，N=Max{int(Dose·S/(P·Mag))+1, Gray_Level}，S为所述DMD面积，Mag为光刻设备物镜的赔率，P为激光器的脉冲激光能量，Gray_Level为灰阶数。