CN106933049B - 一种用于半导体光刻的曝光系统与曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体光刻的曝光系统与曝光方法，本发明通过在匀光单元与反射镜之间设置微反射镜阵列代替传统的可变狭缝装置，根据曝光时掩模板的图案以及曝光精度要求来设定曝光视场的参数，并输入微反射镜阵列的驱动软件中，计算出微反射镜阵列在曝光时的运动参数，在曝光时，控制板卡根据驱动软件中的数据持续向微反射镜中每个数字微镜发送指令，每个数字微镜在每一时刻接收指令后作出相应的翻转动作，直至曝光结束。本发明采用的微反射镜阵列，具有成千上万个数字微镜实时变化曝光视场、范围与剂量，避免了传统可变狭缝装置在变化狭缝形状时产生的机械振动以及对可变狭缝装置驱动系统的高加速度的要求，降低了曝光系统机械结构与控制系统的复杂性。

Description

一种用于半导体光刻的曝光系统与曝光方法

技术领域

本发明涉及半导体光刻领域，特别涉及一种用于半导体光刻的曝光系统与曝光方法。

背景技术

在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成，而每次光刻所对应使用的掩模以及工艺要求会产生变化，在工艺要求较高的时候，需要光强度集中且杂散光需要被遮挡，在掩模板图形区域复杂的时候，某些区域的无效杂散光也需要被遮挡，才能保证曝光后在硅片上留下的图形精准。而当工艺要求较低的时候或者图形区域比较简单，光刻精度要求较低的时候，照明光源所产生的部分光强度较低的杂散光可无需遮挡，避免降低工作效率。因此需要在照明光源与曝光对象之间设置可以调节照明强度与范围的可变狭缝，这种可变狭缝负责与掩模板各边配合运动，遮挡动态扫描曝光过程中，可能照射到相邻曝光场的照明光。在最新型的前道扫描光刻机中，可变狭缝还被用于场内非扫描向高阶剂量误差的校正。

传统的可变狭缝采用刀口机械结构的高速高加速运动实现，需要在曝光系统中，设计高达5～10G高加速度的物理运动，对精密的光学系统引入了较大的动力学扰动，影响最终的照明性能。同时，为了实现场内非扫描向高阶剂量误差的校正，传统结构的可变狭缝需要在刀口上再做近20对可编程的微动结构，导致系统结构异常复杂，且可变狭缝是一种机械装置，在变化过程中必然会产生振动冲击，变化也需要可变狭缝的驱动系统具有高加速度的功能，这样使得整个曝光系统的工程可实现性和可靠性较低。因此有必要发明一种曝光装置能够简单有效地承载可变狭缝的功能且提高曝光系统的可实现性与可靠性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种具有微反射镜阵列的曝光系统，其中微反射镜阵列代替原有的可变狭缝装置，使得这种曝光系统不仅具有可变狭缝的功能，且消除了可变狭缝装置机械变动时产生的振动冲击以及对驱动系统的高加速要求，提升了曝光系统的工程实现性和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供一种用于半导体光刻的曝光系统，依次包括照明光源、准直扩束系统、匀光单元、反射镜、中继单元、掩模板以及工件台，在所述匀光单元与所述反射镜之间设置微反射镜阵列和吸光装置，所述微反射镜阵列将有效光束反射至所述反射镜上并传送至掩模板与工件台上，将杂散光束反射至吸光装置。

作为优选，所述微反射镜阵列包括控制板卡、芯片插座与数字微镜，所述数字微镜为外部是微反射镜的微机电系统芯片。

作为优选，所述控制板卡设置驱动软件，在所述驱动软件中输入参数调控曝光时每个所述数字微镜的反射角度与翻转速度。

作为优选，所述数字微镜的个数在一千个以上，所述数字微镜个数随曝光精度的提高而相应增多。

作为优选，所述控制板卡根据掩模板的移动速度控制微反射镜的翻转速度，根据曝光时设定的曝光剂量决定曝光每一时刻每片微反射镜的反射角度。

作为优选，所述掩模板在曝光过程中随着曝光的进行而移动。

本发明还提供一种使用上述曝光系统的曝光方法，包括以下步骤：

步骤一：根据工艺精度与掩模板的图案确定曝光视场的参数；

步骤二：将曝光视场的参数输入驱动软件中，计算出微反射镜阵列中各数字微镜在每一时刻的翻转速度与翻转角度；

步骤三：打开照明光源，控制板卡向每个数字微镜发送翻转指令，每个数字微镜接收翻转指令后即翻转为相应的角度；

步骤四：随着曝光的进行，控制板卡每一时刻都向每个数字微镜发送指令，每个数字微镜在接收指令后变化翻转的角度；

步骤五：曝光完成后，微反射镜阵列恢复为初始状态。

作为优选，步骤一中曝光视场的参数是指曝光视场的区域、范围与曝光剂量。

作为优选，所述数字微镜的响应时间与光源在掩模板上扫描的时间成正比，所述数字微镜的响应时间等于控制板卡向数字微镜发送翻转指令的时间、数字微镜接收指令的时间和数字微镜作出翻转动作的时间之和。

作为优选，数字微镜的响应时间为S_DMD，且

其中S_WS为光源在掩模板上扫描时间，M_po为物镜倍率，M_il为照明系统倍率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在匀光单元与反射镜之间设置微反射镜阵列代替传统的可变狭缝装置，根据曝光时掩模板的图案以及曝光精度要求来设定曝光视场的参数，并输入微反射镜阵列的驱动软件中，计算出微反射镜阵列在曝光时的运动参数，然后在曝光时，控制板卡根据驱动软件中的数据持续向微反射镜中每个数字微镜发送指令，每个数字微镜在每一时刻接收指令后作出相应的翻转动作，直至曝光结束。本发明采用的微反射镜阵列，具有成千上万个数字微镜实时变化曝光视场、范围与剂量，避免了传统可变狭缝装置在变化狭缝形状时产生的机械振动以及对可变狭缝装置驱动系统的高加速度的要求，降低了曝光系统机械结构与控制系统的复杂性，具有操作简便、迅速、提高系统的可实现性和可靠性的特点。

附图说明

图1为本发明提供的曝光系统的结构示意图；

图2为本发明提供的微反射镜阵列的结构示意图；

图3为本发明提供的曝光方法流程示意图。

图中：1-照明光源，2-准直扩束系统，3-匀光单元，4-微反射镜阵列，401-有效光束，402-杂散光束，5-反射镜，6-中继单元，7-掩模板，8-吸光装置，9-工件台。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参照图1，本发明提供的曝光系统，依次包括照明光源1、准直扩束系统2、匀光单元3、微反射镜阵列4、反射镜5、中继单元6、掩模板板7以及工件台9，在匀光单元3与反射镜5之间还设置了吸光装置8，这样从照明光源1所发射的光依次通过准支扩束系统2和匀光单元3后被传输到微反射镜阵列4上，微反射镜阵列4将需要的光束反射到反射镜5上，然后通过中继单元6被传输至掩模板板7和工件台9上，将不需要的光束反射至吸光装置8，并被其吸收处理。

照明光源1主要为紫外线光源或者可见光光源，比如汞灯。

准直扩束系统2的作用是将照明光源1所发射出的光束进行扩大，形成大致与掩模板7图形大小相对应的照明视场。

请参照图2，微反射镜阵列4整体呈矩形结构，由若干个正方形的数字微镜排列而成，在光照射至微反射镜阵列4时，每个数字微镜根据之前的设定形成不同的翻转角度，当投射至该数字微镜上的光束为需要放入曝光照明视场中的光束(即有效光束)时，该数字微镜即翻转成能够将该束光反射至反射镜5上的角度，当投射至该数字微镜上的光束为不需要放入曝光照明视场中的杂散光束或者杂散光束或者会破坏曝光工艺的光束，该数字微镜即翻转成能够将该光束反射至吸光装置8的角度，这样整个微反射镜阵列4能够将所有需要照射到掩模板板7的每一束光反射至反射镜5上，将不需要照射至掩模板7的每一束光反射至吸光装置8上。每个数字微镜装配在下方的芯片插座上，与芯片插座连接的为控制板卡，所述数字微镜为外部是微反射镜的微机电系统芯片，曝光精度要求越高，所述数字微镜个数越多。

控制板卡内部设置驱动软件，驱动软件用于输入参数调控曝光时数字微镜的翻转角度与翻转速度，并且在曝光时向每个数字微镜发送指令，指示每个数字微镜在每个时刻所需要翻转的角度，每个数字微镜在接收到指令后作出相应的翻转动作。

掩模板7与工件台9在曝光时会产生移动，控制板卡根据掩模板7的移动速度控制数字微镜的翻转速度，根据曝光时设定的曝光剂量决定曝光每一时刻每片微反射镜的反射角度。

控制板卡向数字微镜发送翻转指令的时间、数字微镜接收指令的时间以及作出翻转动作的时间之和称为数字微镜的响应时间。数字微镜的响应时间与光源在掩模板上扫描的时间成正比，具体为：

其中S_DMD为数字微镜的响应时间，其中S_WS为光源在掩模板上扫描时间，M_po为物镜倍率，M_il为照明系统倍率。而这种响应也会带来相应的离散化误差，由下式表示：

其中F_DMD为数字微镜的响应频率。

比如前道的光刻机视场大小为26mm×10mm，其对视场大小精度需求为0.1mm，和掩模板同步时间需求为50ms。常规的0.7英寸的数字微镜产品像素大小为1024×768，每个像素格边长是13.6um，视场中边长不低于0.5mm的图像都可以被分辨，响应时间可以达到ms级或更高，则刷新频率为5KHz，因此这种由数字微镜组成的微反射镜阵列4完全可以满足曝光时需求的响应速度。

控制板卡还根据掩模板的图形区域与曝光工艺的精度要求所确定的曝光剂量来调节每一个数字微镜在每一时刻的翻转角度，曝光剂量由下式表示：

DOSE(X,Y,x,y)＝A(X,Y)·F(x)·G(y)，其中X、Y为曝光场中心在硅片上的坐标，A(X,Y)为各个曝光场的剂量设定值，F(x)为在X方向上的光强，G(y)为在Y方向上的积分光强；

X为曝光场内各点的非扫描方向坐标，f(x)为扫描光强在X方向分布的多项式表达，F_n为设定系数，ε_x为控制残差，因此在X方向上的积分光强为：

i为控制精度的阶数，这种控制精度的阶数由曝光器件所能达到的精度决定，i∈[1,∞)，本实施例中i取值为6，不同的i所对应的f_i(x)是不同的，如当i＝1时，f_i(x)＝x²，而当i＝2时，f_i(x)＝x。

Y为曝光场内各点的扫描方向坐标，g(y)为扫描光强在Y方向分布的多项式表达，G_n为设定系数，ε_y为控制残差，因此在Y方向上的积分光强为：

同理，不同的i所对应的g_i(x)是不同的，如当i＝1时，g_i(x)＝x²，而当i＝2时，g_i(x)＝x。

为了方便计算，上述多项式中x,y∈[-1,1]。

微反射镜阵列4可以认为是对DOSE(X,Y,x,y)＝A(X,Y)·F(x)·G(y)的离散化表达，通过控制微反射镜阵列4形成特定的照明视场轮廓，工件台9扫描过程就是对该照明轮廓的积分，最终形成所需的剂量分布数据。

本发明还提供使用上述的曝光系统的曝光方法，请参照图3，包括以下步骤：

步骤一：根据工艺精度与掩模板的图案确定曝光视场的参数，如曝光视场的区域、范围与曝光剂量；

步骤二：将曝光视场的参数输入驱动软件中，计算出每一时刻照射至每一个数字微镜上的光束是否为需要放入至照明视场中的有效光束，确定各数字微镜在每一时刻所需的翻转速度与翻转角度；

步骤三：打开照明光源1，控制板卡向每个数字微镜发送翻转指令，每个数字微镜接收翻转指令后即翻转为所需要的角度；

步骤四：随着曝光的进行，控制板卡每一时刻都向每个数字微镜发送指令，每个数字微镜在接收指令后立即变化翻转的角度；

步骤五：曝光完成后，微反射镜阵列4恢复为初始状态。

本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例，显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于半导体光刻的曝光系统，依次包括照明光源、准直扩束系统、匀光单元、反射镜、中继单元、掩模板以及工件台，其特征在于，在所述匀光单元与所述反射镜之间设置微反射镜阵列和吸光装置，所述微反射镜阵列将有效光束反射至所述反射镜上并传送至掩模板与工件台上，将杂散光束反射至吸光装置，其中，所述微反射镜阵列包括若干个数字微镜，当投射至所述数字微镜上的光束为所述有效光束时，所述数字微镜翻转成能够将所述有效光束反射至所述反射镜上的角度；所述微反射镜阵列还包括控制板卡，所述控制板卡根据所述掩模板的移动速度控制微反射镜的翻转速度，根据掩模板的图形区域与曝光工艺的精度要求所确定的曝光剂量来调节每个所述数字微镜在每一时刻的翻转角度。

2.如权利要求1所述的用于半导体光刻的曝光系统，其特征在于，所述数字微镜为外部是微反射镜的微机电系统芯片。

3.如权利要求2所述的用于半导体光刻的曝光系统，其特征在于，所述控制板卡设置驱动软件，在所述驱动软件中输入参数调控曝光时每个所述数字微镜的反射角度与翻转速度。

4.如权利要求2所述的用于半导体光刻的曝光系统，其特征在于，所述数字微镜的个数在一千个以上，所述数字微镜个数随曝光精度的提高而相应增多。

5.如权利要求1所述的用于半导体光刻的曝光系统，其特征在于，所述掩模板在曝光过程中随着曝光的进行而移动。

6.一种使用权利要求1～5中任意一项所述的曝光系统的曝光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据工艺精度与掩模板的图案确定曝光视场的参数；

步骤二：将曝光视场的参数输入驱动软件中，计算出微反射镜阵列中各数字微镜在每一时刻的翻转速度与翻转角度；

步骤三：打开照明光源，控制板卡向每个数字微镜发送翻转指令，每个数字微镜接收翻转指令后即翻转为相应的角度；

步骤四：随着曝光的进行，控制板卡每一时刻都向每个数字微镜发送指令，每个数字微镜在接收指令后变化翻转的角度；

步骤五：曝光完成后，微反射镜阵列恢复为初始状态。

7.如权利要求6所述的曝光方法，其特征在于，步骤一中曝光视场的参数是指曝光视场的区域、范围与曝光剂量。

8.如权利要求6所述的曝光方法，其特征在于，所述数字微镜的响应时间与光源在掩模板上扫描的时间成正比，所述数字微镜的响应时间等于控制板卡向数字微镜发送翻转指令的时间、数字微镜接收指令的时间和数字微镜作出翻转动作的时间之和。

9.如权利要求8所述的曝光方法，其特征在于，数字微镜的响应时间为S_DMD，且

其中S_WS为光源在掩模板上扫描时间，M_po为物镜倍率，M_il为照明系统倍率。

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