CN106707691A - 曝光装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曝光装置，包括曝光单元，用于对晶圆进行曝光；所述曝光单元包括照明系统和掩模，所述照明系统包括匀光单元，其特征在于，所述匀光单元包括正六边形的匀光石英棒，所述掩模的形状为与所述匀光石英棒相匹配的正六边形。本发明在相同曝光视场的情况下能够有效降低物镜场曲对焦深的影响，提高实际可使用的焦深；在投影物镜相同的焦深的情况下，扩大了曝光视场的曝光面积。

Description

曝光装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光刻设备，特别涉及一种曝光装置及方法。
背景技术
光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上，通常是衬底的目标部分上的机器。例如，可以将光刻设备用在集成电路的制造中。在这种情况下，可认为是掩模或掩模版的图案形成装置用于生成对应于所述集成电路的单层的电路图案。可以将该图案成像到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括一部分管芯、一个或多个管芯)上。特殊的，在LED制造领域，首先需要将密集孔的图案成像到图形化蓝宝石衬底。
和线条的成像相比，密集孔或密集圆柱的成像会困难得多，其实际的焦深也会大大减少，因此，对光刻而言，焦面的控制要求就非常高；另一方面，相较于硅片，图形化蓝宝石衬底本身的特点在于材质比较硬，面型翘曲较大，这又进一步降低了实际可使用的焦深(Useful Depth Of Focus,UDOF)，在实际可使用的焦深不够的情况下，光刻系统焦面控制误差导致的离焦量会造成基底上图形的一致性超出可接收范围，宏观效果显示为在相同光照条件下，基底上不同图形的区域明暗程度不同，形成肉眼可观测到的“不一致(Not Consistent)”或“色差(Color Difference)”现象。在产线上，肉眼观察是一个重要指标，肉眼对“不一致”或“色差”现象非常敏感，因此，对各种工艺参数的控制，尤其是焦面控制的要求就非常高。
请参考图1，现有技术中的照明系统的匀光设计，采用四边形的匀光棒10。请参考图2，现有技术的掩模20采用四边形形状，掩模可以进行方形拼接，此种结构的照明系统和掩模主要用于激光退火领域，无法用于LED光刻领域。
目前，曝光图形化蓝宝石衬底图形的光刻机，受镜头设计成本或控制系统设计等因素的影响，这些机器良率低，适应性差，难以满足大批量的生产需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种曝光装置，以在相同曝光视场的情况下能够有效降低物镜场曲对焦深的影响，提高实际可使用的焦深；在投影物镜相同的焦深的情况下，扩大了曝光视场的曝光面积。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种曝光装置，包括曝光单元，，用于对晶圆进行曝光；所述曝光单元包括照明系统和掩模，所述照明系统包括匀光单元，所述匀光单元包括正六边形的匀光石英棒。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述掩模的形状为与所述匀光石英棒相匹配的正六边形。
进一步的，本发明的上述曝光装置，还包括泛曝光单元，用于对曝光后的晶圆进行泛曝光。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述泛曝光单元，包括物料支撑结构，用于承载曝光后的晶圆；泛曝光源，提供泛曝光能量；泛曝光控制单元，用于控制所述泛曝光源的打开或闭合，以及控制所述泛曝光源打开或闭合的时间。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述泛曝光源密闭设置在所述物料支撑结构的下方，以阻止外部光源进入泛曝光单元。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述物料支撑结构向下兼容设置，以用于承载所有规格尺寸的晶圆。
进一步的，本发明的上述曝光装置，还包括晶圆盒单元，用于存放晶圆；提取单元，用于提取晶圆；预对准单元，用于将提取的晶圆进行对位；曝光单元，通过正六边形的匀光石英棒和掩模将对准后的晶圆进行曝光。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述提取单元为旋转机械手。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述晶圆为蓝宝石衬底或硅衬底或锗硅衬底。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述照明系统，还依次包括光源、聚光单元、中继单元，所述匀光单元位于所述聚光单元与所述中继单元之间。
进一步的，本发明的上述曝光装置，所述照明系统，还包括设置在所述匀光单元与所述中继单元之间的可动刀口，用于开启或关闭光源以及调节光源经聚光单元的照射视场大小。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种曝光方法，至少包括以下步骤：将照明系统的匀光单元中的匀光石英棒设计成正六边形形状，将掩模的形状设计成与所述匀光石英棒相匹配的正六边形的步骤进行曝光。
进一步的，本发明的曝光方法，在曝光步骤之后，还增加了泛曝光的步骤，使经过泛曝光的图形变成规则的柱形形状。
进一步的，本发明的曝光方法，在曝光时，采用对晶圆的表面形貌特征进行全部测量后，然后一次性对晶圆进行曝光的步骤。
进一步的，本发明的曝光方法，至少包括以下步骤：提取步骤，用于提取晶圆；预对准步骤；将晶圆进行对位；曝光步骤，通过正六边形的匀光石英棒和掩模将对准后的晶圆进行曝光。
进一步的，本发明的曝光方法，在曝光时，采用对晶圆的表面形貌特征进行连续多次测量后，然后一次性对晶圆进行曝光的步骤。
进一步的，本发明的曝光方法，所述测量的具体步骤为：采用垂向测量装置连续多次测量晶圆的表面形貌特征，将载片运动台与所述垂向测量装置的测量结果进行匹配，拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度。
进一步的，本发明的曝光方法，所述曝光的具体步骤为：通过载片运动台的垂向传感器控制晶圆的最佳焦面，一次性的进行步进曝光。
与现有技术相比，本发明的曝光装置及方法，将照明系统中匀光单元的匀光石英棒由四边形改进为正六边形，并将掩模匹配设计为正六边形。具有在相同曝光视场的情况下，正六边形的对角线长度要比四边形的对角线的长度要小，降低了投影物镜对焦深的影响，提高了投影物镜实际有用的焦深；在投影物镜相同的焦深的情况下，正六边形的匀光石英棒反映的正六边形曝光视场，扩大了曝光视场的曝光面积的技术效果。本发明由于提高了投影物镜实际有用的焦深，因此，能够克服光刻系统焦面控制误差导致的离焦量会造成基底上图形的一致性超出可接收范围的缺陷；能够克服肉眼观测到的“不一致”或“色差”的现象。本发明的匀光石英棒和掩模的匹配设计，以及形成的正六边形拼接，特别适应于LED制造领域等密集孔或集圆柱的成像工艺。本发明增加了泛曝光单元及泛曝光的步骤，以改善曝光步骤的图形的侧壁陡度，使经过泛曝光的图形变成规则的柱形形状，以提高曝光产品良率。本发明的曝光方法，通过连续多次测量晶圆的表面形貌特征，拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度，然后一次性对晶圆进行曝光的步骤，与现有技术中采用的测量一次曝光一次的循环步骤相比，具有降低了晶圆物料的敏感度，提高了对硬度较高的衬底例如蓝宝石衬底或者翘曲的晶圆的适应能力。本发明采用一次性曝光的步骤，具有节省了曝光的工时，降低制造成本的效果。
附图说明
图1是现有技术的匀光棒的结构示意图；
图2是现有技术的掩模的拼接结构示意图；
图3是本发明的曝光装置的结构示意图；
图4是本发明的曝光单元的结构示意图；
图5是本发明的匀光石英棒的结构示意图；
图6是本发明的掩模的拼接结构示意图；
图7－8是物镜视场与曝光视场关系的效果图；
图9是本发明增加泛曝光单元的曝光装置的结构示意图；
图10是本发明泛曝光单元的结构示意图；
图11是本发明的物料支撑结构与泛曝光源的结构关系示意图；
图12是未加入泛曝光的传统曝光效果图；
图13是加入泛曝光的效果图；
图14是晶圆传输系统的结构示意图；
图15－16是本发明的照明系统的结构示意图；
图17是硅片工作台位置和垂向测量装置的测量结果进行匹配的示意图；
图18是拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度的示意图。
现有技术图示：10、匀光棒，20、掩模。
本发明图示：100、曝光单元，110、照明系统，111、光源，112、聚光单元，113、匀光单元，1131、匀光石英棒，114、中继单元，115、可动刀口，120、掩模，200、晶圆，201、曝光图形，202、泛曝光图形，300、泛曝光单元，301、物料支撑结构，302、泛曝光源，303、泛曝光控制单元，304、提取单元，305、晶圆盒单元，306、预对准单元，401、物镜视场、402、正六边形曝光视场，403、四边形曝光视场。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
实施例一
请参考图3至6，本实施方式提供一种曝光装置，包括曝光单元100，用于对晶圆200进行曝光；所述曝光单元100包括照明系统110和掩模120，所述照明系统110包括匀光单元113，所述匀光单元113包括正六边形的匀光石英棒1131，所述掩模120的形状为与所述匀光石英棒1131相匹配的正六边形。
请参考图5至8，本发明的曝光装置，将照明系统110中匀光单元113的匀光石英棒1131由四边形改进为正六边形，并将掩模120匹配设计为正六边形。图7－8是物镜视场与曝光视场关系的效果图，请参考图8，在相同曝光视场的情况下，正六边形的匀光石英棒1131反映的正六边形曝光视场的对角线长度要比四边形曝光视场的对角线的长度要短，从而降低了投影物镜对焦深的影响，提高了投影物镜实际有用的焦深；请参考图7，在投影物镜相同的焦深的情况下，正六边形的匀光石英棒1131反映的正六边形曝光视场大于四边形的匀光石英棒的曝光视场，从而扩大了曝光视场的曝光面积。本发明由于提高了投影物镜实际有用的焦深，因此，能够克服光刻系统焦面控制误差导致的离焦量会造成基底上图形的一致性超出可接收范围的缺陷；能够克服肉眼观测到的“不一致”或“色差”的现象。本发明的匀光石英棒1131和掩模120的匹配设计，以及形成的六边形拼接的掩模120，特别适应于LED制造领域等密集孔或集圆柱的成像工艺。
其中，晶圆200为蓝宝石衬底或硅衬底或锗硅衬底等。
请参考图5和15，本发明的照明系统110，还依次包括汞灯或LED等光源111、聚光单元112、中继单元114，所述匀光单元113位于所述聚光单元112与所述中继单元114之间。
请参考图16，本发明的曝光装置，还包括设置在匀光单元113与所述中继单元114之间的可动刀口115，用于开启或关闭光源111以及调节光源111经聚光单元112的照射视场大小。即本发明可以根据可动刀口115配合不同尺寸大小的掩模120进行调节曝光视场的大小，以适应于各种尺寸晶圆200的曝光工艺。
请参考图14，本发明的曝光装置，还包括晶圆盒单元305，用于存放晶圆200；提取单元304，用于提取晶圆200；预对准单元306，用于将提取的晶圆200进行对位；曝光单元100，通过正六边形的匀光石英棒1131和掩模120将对准后的晶圆200进行曝光。本发明的预对准单元306和曝光单元100可分体设计，也可以一体式设计。本发明的提取单元304、预对准曝光单元100与泛曝光单元300构成晶圆传输系统，以用于实现曝光前后以及泛曝光前后对晶圆200的传输。提取单元304在晶圆盒单元305、预对准单元306、曝光单元100中均起到对晶圆200提取的作用。例如可以采用旋转机械手为提取单元304，将晶圆盒单元305的晶圆200提取放入预对准单元306，也可以将预对准单元306的晶圆200放入到曝光单元100进行曝光，还可以将曝光单元100的晶圆200提取回收。
请参考图9、图12、图13，本发明的曝光装置，还包括泛曝光单元300，用于对曝光后的晶圆200进行泛曝光。增加泛曝光单元300后，晶圆传输系统则由提取单元304、晶圆盒单元305、预对准单元306、曝光单元100、泛曝光单元300构成。本发明增加了泛曝光单元300，能够改善曝光步骤的图形的侧壁陡度，使经过泛曝光的图形变成规则的柱形形状，以提高曝光产品良率。图12是未加入泛曝光的传统曝光效果图；曝光图形201的侧壁出现陡度，本图示示例了曝光图形201的侧壁陡度为规则的梯形结构，梯形结构中上底与下底之差的线段与腰线围合成的三角形的侧壁部分均为多余的部分，实际传统曝光后曝光图形201也可能是非等腰梯形结构。图13是加入泛曝光的效果图；对曝光图形201进行泛曝光后形成泛曝光图形202，泛曝光图形202去除了侧壁的多余部分，使图形为柱形形状或接近柱形形状。由此可知，本发明增加泛曝光单元后，能够提高产品的曝光良率。
请参考图10，所述泛曝光单元300，包括物料支撑结构301，用于承载曝光后的晶圆200；泛曝光源302，提供泛曝光能量；泛曝光控制单元303，用于控制所述泛曝光源302的打开或闭合，以及控制所述泛曝光源302打开或闭合的时间。
请参考图11，所述泛曝光源302密闭设置在所述物料支撑结构301的下方，以阻止外部光源进入泛曝光单元300。此种结构的优点在于，防止外部散射光源通过物料支撑结构301照射到泛曝光单元300承载的晶圆200上，避免外部散射光源对晶圆200泛曝光的影响，以提高泛曝光的良率。
作为较佳的实施方式，所述物料支撑结构301向下兼容设置，以用于承载所有规格尺寸的晶圆200。此种结构的优点在于，能够适应于4英寸、8英寸、10英寸、16英寸等所有尺寸的晶圆200，兼容性较好。
实施例二
本实施例二提供一种曝光方法，本实施例二是基于实施例一的曝光装置，至少包括以下步骤：将照明系统的匀光单元中的匀光石英棒设计成正六边形形状，将掩模的形状设计成与所述匀光石英棒相匹配的正六边形的步骤进行曝光。在相同曝光视场的情况下，正六边形的匀光石英棒反映的正六边形曝光视场的对角线长度要比四边形曝光视场的对角线的长度要短，从而降低了投影物镜的焦深，提高了投影物镜实际有用的焦深；在投影物镜相同的焦深的情况下，正六边形的匀光石英棒反映的正六边形曝光视场大于四边形的匀光石英棒的曝光视场，从而扩大了曝光视场的曝光面积。
作为较佳的实施方式，本发明的曝光方法，在曝光步骤之后，还增加了泛曝光的步骤，以改善曝光步骤的图形的侧壁陡度，使经过泛曝光的图形变成规则的柱形形状，以提高曝光图形的良率。结合实施例一的泛曝光单元可知，本发明增加泛曝光步骤后，能够提高产品的曝光良率，便于后续工艺的加工和制造，有效提高产品的合格率。
本发明的曝光方法具体包括以下步骤：提取步骤，用于提取晶圆；预对准步骤；将晶圆进行对位；曝光步骤，通过正六边形的匀光石英棒和掩模将对准后的晶圆进行曝光；泛曝光步骤，用于将曝光后的晶圆进行泛曝光。该具体步骤对晶圆的曝光工艺处理可以进行流水化作业，便于制造和管理。
作为较佳的实施方式，本发明的曝光方法，在曝光时，采用对晶圆的表面形貌特征进行连续多次测量后，然后一次性对晶圆进行曝光的步骤。其中，测量的具体步骤为：采用垂向测量装置连续多次测量晶圆的表面形貌特征，将载片运动台与所述垂向测量装置的测量结果进行匹配，拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度。此步骤的优点在于，测量具有多次连续性，无需等待传统曝光方法中曝光后再次测量的步骤，节约了测量的工时。其中，曝光的具体步骤为：通过载片运动台的垂向传感器控制晶圆的最佳焦面，一次性的进行步进曝光。此步骤的优点在于，通过步进一次性曝光，使晶圆的曝光更加精确，具有节省了曝光的工时，降低制造成本，提高产品的质量的效果。
由于传统的曝光流程，直接用垂向测量装置控制硅片工件台，由于垂向测量装置通常响应速度较慢，因此直接控制的效率较低。且直接控制用有限的点进行调平代表全场的面型，对晶圆的面型要求较高，尤其是片子的边缘，要求更高，一旦物料情况稍差，焦深稍小，就会带来场场间的不一致情况，影响曝光良率。
采用本发明的曝光方法后，可以克服传统曝光流程的上述缺陷。下面以硅片为例给出以下具体实施例来说明本发明的曝光过程及其效果。
步骤S1，将硅片传输到硅片工件台；
步骤S2，硅片工件台执行全局对准；
步骤S3，硅片工件台保持硅片工件台垂向姿态不变，采用硅片工件台的垂向传感器，例如光栅尺，在全视场范围内高速来回扫描，工件台记录实时位置并传到上位机；
步骤S4，垂向测量装置在硅片工件台扫描的同时，连续测量，记录每次测量结果并传到上位机；
步骤S5，上位机将硅片工作台位置和垂向测量装置的测量结果进行匹配，如图17所示，拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度，如图18所示。
步骤S6，硅片由硅片工件台的垂向传感器控制到最佳焦面，进行步进曝光
步骤S7，将曝光后的硅片传输到泛曝光单元；
步骤S8，执行泛曝光；
步骤S9，从泛曝光单元下片。
采用本发明的上述步骤的曝光方法，通过连续多次测量，精确定位最佳焦面，能够充分考虑晶圆的面型分布，曝光结果一致性良好，良率提高。即使在扫描测量时需要一定的时间，但整体时间仍优于传统的曝光流程；本发明由于垂向测量装置不参与直接控制，因此硅片工件台水平向或垂向都能以高速运动的方式进行补偿，以适应硬度较高或者翘曲的晶圆。
本发明的曝光方法，通过连续多次测量晶圆的表面形貌特征，拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度，然后一次性对晶圆进行曝光的步骤，与现有技术中采用的测量一次曝光一次的循环步骤相比，具有降低了晶圆物料的敏感度，提高了对硬度较高的衬底例如蓝宝石衬底或者翘曲的晶圆的适应能力。本发明采用一次性曝光的步骤，具有节省了曝光的工时，降低制造成本的效果。
本实施方式中的六边形指正六边形；四边形是指正四边形，即正方形。
本发明不限于上述具体实施方式，本发明的曝光装置及方法，同样适用于集成光电系统、磁畴存储器的引导和检测图案，平板显示器、液晶显示器、薄膜磁头等领域。凡在本发明的权利要求书的精神和范围内所作出的任何变化，均在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种曝光装置，包括曝光单元，用于对晶圆进行曝光；所述曝光单元包括照明系统和掩模，所述照明系统包括匀光单元，其特征在于，所述匀光单元包括正六边形的匀光石英棒。
2.如权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述掩模的形状为与所述匀光石英棒相匹配的正六边形。
3.如权利要求2所述的曝光装置，其特征在于，还包括泛曝光单元，用于对曝光后的晶圆进行泛曝光。
4.如权利要求3所述的曝光装置，其特征在于，所述泛曝光单元，包括物料支撑结构，用于承载曝光后的晶圆；泛曝光源，提供泛曝光能量；泛曝光控制单元，用于控制所述泛曝光源的打开或闭合，以及控制所述泛曝光源打开或闭合的时间。
5.如权利要求4所述的曝光装置，其特征在于，所述泛曝光源密闭设置在所述物料支撑结构的下方，以阻止外部光源进入泛曝光单元。
6.如权利要求4所述的曝光装置，其特征在于，所述物料支撑结构向下兼容设置，以用于承载所有规格尺寸的晶圆。
7.如权利要求3或4或5或6所述的曝光装置，其特征在于，还包括晶圆盒单元，用于存放晶圆；提取单元，用于提取晶圆；预对准单元，用于将提取的晶圆进行对位；曝光单元，通过正六边形的匀光石英棒和掩模将对准后的晶圆进行曝光。
8.如权利要求7所述的曝光装置，其特征在于，所述提取单元为旋转机械手。
9.如权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述晶圆为蓝宝石衬底或硅衬底或锗硅衬底。
10.如权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，所述照明系统，还依次包括光源、聚光单元、中继单元，所述匀光单元位于所述聚光单元与所述中继单元之间。
11.如权利要求10所述的曝光装置，其特征在于，所述照明系统，还包括设置在所述匀光单元与所述中继单元之间的可动刀口，用于开启或关闭光源以及调节光源经聚光单元的照射视场大小。
12.一种曝光方法，其特征在于，至少包括以下步骤：将照明系统的匀光单元中的匀光石英棒设计成正六边形形状，将掩模的形状设计成与所述匀光石英棒相匹配的正六边形的步骤进行曝光。
13.如权利要求12所述的曝光方法，其特征在于，在曝光步骤之后，还增加了泛曝光的步骤，使经过泛曝光的图形变成规则的柱形形状。
14.如权利要求12所述的曝光方法，其特征在于，所述曝光方法，至少包括以下步骤：提取步骤，用于提取晶圆；预对准步骤；将晶圆进行对位；曝光步骤，通过正六边形的匀光石英棒和掩模将对准后的晶圆进行曝光。
15.如权利要求12所述的曝光方法，其特征在于，在曝光时，采用对晶圆的表面形貌特征进行连续多次测量后，然后一次性对晶圆进行曝光的步骤。
16.如权利要求15所述的曝光方法，其特征在于，所述测量的具体步骤为：采用垂向测量装置连续多次测量晶圆的表面形貌特征，将载片运动台与所述垂向测量装置的测量结果进行匹配，拟合并计算出每一个视场相对于最佳焦面的倾斜度。
17.如权利要求15所述的曝光方法，其特征在于，所述曝光的具体步骤为：通过载片运动台的垂向传感器控制晶圆的最佳焦面，一次性的进行步进曝光。
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