CN107145043A - 硅片对准标记的曝光装置和曝光方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅片对准标记的曝光装置和曝光方法，曝光装置由光源模块、照明模块、能量监测模块、成像模块、安装主框架、硅片高度传感器、掩模台、硅片台和控制模块组成，本发明包含两个以上的照明‑成像单元，可在硅片表面同时进行两个或两个以上对准标记的曝光。节省了硅片对准标记的曝光时间，从而提高了IC生产线的生产效率，节省了IC生产成本。

Description

硅片对准标记的曝光装置和曝光方法
技术领域
本发明涉及半导体加工制造领域，具体涉及一种硅片对准标记的曝光装置及曝光方法。
背景技术
在半导体加工制造过程中，需要利用光刻机对硅片表面进行层层曝光，以将掩模上的集成电路(IC)图形转移到硅片表面。在完成每一层IC图形的曝光后，硅片需要从光刻机的工件台上移出并经过后续的显影与刻蚀等光刻工艺处理，再对掩模上的下一层IC图形进行曝光。为了使硅片表面后续各层IC图形与已曝光图形的精确定位，光刻机需将掩模与硅片表面进行精确对准，即掩模和硅片的精确对准。掩模和硅片的精确对准是通过硅片预对准、掩模预对准、掩模和硅片的直接对准等步骤实现的，其中掩模和硅片的直接对准是影响掩模与硅片对准精度的主要因素，它是通过掩模和硅片上的对准标记完成的。因此，硅片对准标记是掩模和硅片精确对准的基准，形成硅片对准标记也是后续光刻工艺的基础。
目前，硅片对准标记的曝光采用集成电路生产线上用于IC图形曝光的投影光刻机，并通过后续显影、刻蚀等工艺在硅片表面形成具有一定深度的凹槽，从而在硅片表面获得所需的对准标记。另外，在进行掩模与硅片直接对准时，硅片表面至少需要两个对准标记才能测出掩模和硅片的相对位置关系，并且两个对准标记相隔一定距离分布于硅片的边缘区域。因此，硅片对准标记的曝光装置需要精确的剂量控制和位置控制功能，才能在硅片表面的特定位置形成一定深度的对准标记。
上述硅片对准标记曝光方法的不足之处在于采用高分辨率、大视场的IC图形曝光用投影光刻机来对低分辨率、小尺寸的硅片对准标记进行曝光，生产效率低，成本高。具体表现在：
1)采用投影光刻机一次只能在硅片上对一个对准标记进行曝光，无法同时对两个或两个以上的对准标记进行曝光，降低了硅片对准标记的曝光效率。
2)硅片对准标记的线宽一般大于IC图形的特征尺寸，而对准标记的图形尺寸远小于IC图形尺寸，所以采用投影光刻机进行硅片对准标记的曝光会造成资源浪费，降低IC生产线的生产效率。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提出一种硅片对准标记的曝光装置及曝光方法，特别是一种多路并行的硅片对准标记曝光装置及曝光方法。该曝光装置包含两个或两个以上照明-成像单元，可在硅片表面同时进行两个或两个以上对准标记的曝光。该硅片对准标记曝光装置及曝光方法节省了硅片对准标记的曝光时间，从而提高了IC生产线的生产效率，节省了IC生产成本。
本发明的技术解决方案如下：
一种硅片对准标记的曝光装置，其特点在于，包括光源模块、照明模块、能量监测模块、成像模块、安装主框架、硅片高度传感器、掩模台、硅片台和控制模块，所述的安装主框架自上而下依次是照明模块安装基板、掩模台、成像模块安装基板和硅片台，所述的掩模具有两个以上对准标记，相应的所述的光源模块、照明模块、能量监测模块、成像模块、硅片高度传感器分别具有相同数量的曝光光源、照明镜头、成像镜头、能量监测模块和硅片高度传感器，在所述的照明模块安装基板上安装所述的照明模块和所述的能量监测模块，在所述的所述的成像模块安装基板上安装所述的成像模块和硅片高度传感器，在所述的掩模台和硅片台分别承载掩模和硅片，所述的照明镜头由聚光镜组、快门和照明镜组组成，所述的聚光镜组的后焦平面和所述的照明镜组的物面重合，所述的照明镜组的像面和所述的掩模重合，所述的能量监测模块由分光镜和光电探测器组成，所述的分光镜位于聚光镜组和照明镜组之间，所述的成像模块的成像镜头的物面和所述的掩模的后表面重合，成像镜头的像面和所述的硅片的表面重合；
所述的控制模块由驱动单元、控制单元以及两个以上输入输出通信接口组成，该控制模块的输出端与所述的曝光光源的控制端、照明镜头的快门的控制端、硅片台的控制端相连，控制模块的输入端与所述的光电探测器的输出端、硅片高度传感器的输出端相连。
所述的曝光光源为光纤耦合LED光源，或是LED和准直透镜组合体，或是宽带光源与滤光片的组合体。
所述的快门为机械快门、电子快门、光快门或机械电子混合快门。
所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或光电池。
利用上述硅片对准标记的曝光装置实现硅片对准标记的曝光方法，包括以下步骤：
1)曝光预备：所述的控制模块打开曝光光源，所述的光电探测器监测曝光光强并输入所述的控制模块；
2)上片：将硅片放置在所述的硅片台上；
3)所述的控制模块打开曝光光源，所述的硅片高度传感器探测硅片的上表面是否和成像镜头的的像面重合，如不重合，所述的控制模块过硅片台调整所述的硅片的高度，使硅片的上表面与成像镜头的像面重合；
4)对准标记曝光：控制模块根据能量监测模块的光电探测器监测当前的曝光光强和光刻胶的曝光剂量要求，计算硅片对准标记曝光时间，并设定曝光时间，打开快门进行曝光；
5)达到曝光时间，控制模块关闭快门，结束曝光；
6)换片返回步骤3)实现下一次曝光。
本发明的有益效果如下：
1)提高了硅片对准标记的曝光效率。本发明硅片对准标记曝光装置的照明模块包括两个以上照明镜头，成像模块包含两个以上对应的成像镜头。利用该曝光装置可同时对掩模上的两个以上对准标记进行同时曝光，减少了硅片对准标记的曝光时间，提高了曝光效率。
2)提高了IC生产线的生产效率。IC生产线上影响光刻设备曝光效率的主要因素有硅片台与掩模台的运动速度、上下片时间、掩模和硅片的对准时间、调平调焦距时间等。本发明硅片对准标记曝光装置可作为子系统集成到光刻设备上，单独用于硅片对准标记的曝光，节省了掩模和硅片的对准时间，提高了IC生产线上的生产效率。
3)实现硅片对准标记曝光剂量的精确控制。本发明硅片对准标记曝光装置及曝光方法采用能量监测模块实时监测当前曝光光强，根据光电探测器的探测光强值、硅片对准标记的曝光剂量，计算曝光时间。并利用控制模块控制快门的打开时间，可实现对曝光剂量的精确控制。
附图说明
图1本发明硅片对准标记曝光装置及曝光方法的硅片表面对准标记布局。
图2本发明硅片对准标记曝光装置及曝光方法的硅片对准标记图形。
图3本发明硅片对准标记曝光装置的结构框图。
图4本发明硅片对准标记曝光装置的照明模块的结构图。
图5本发明硅片对准标记曝光装置的成像模块的结构图。
图6本发明硅片对准标记曝光装置的照明模块的光路图。
图7本发明硅片对准标记曝光装置的成像模块的光路图。
图8本发明硅片对准标记曝光方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
下面以8英寸硅片的对准标记曝光为例来说明本发明的硅片对准标记曝光装置，请参阅图1。图1是8英寸硅片表面的对准标记布局，标记图形之间的相对位置：中心坐标W1(-85mm,0)，W2(85mm，0)，L＝W2-W1＝170mm±3μm。图2是对准标记的图形，其最小线宽为8μm，曝光图形尺寸为0.5mm×0.5mm。根据所要曝光的硅片对准标记的尺寸和最小线宽，所述的硅片对准标记曝光装置的照明模块采用两个照明镜头，成像模块采用两个成像镜头并行曝光两个硅片对准标记。
请参阅图3，图3是本发明硅片对准标记的曝光装置实施例的结构框图。由图3可见，本发明硅片对准标记的曝光装置，由光源模块1、照明模块2、能量监测模块3、成像模块4、安装主框架5、硅片高度传感器6、掩模台7、硅片台8和控制模块9组成，所述的安装主框架5自上而下依次是照明模块安装基板501、掩模台7、成像模块安装基板502和硅片台8，所述的掩模701具有两个以上对准标记，相应的所述的光源模块1、照明模块2、能量监测模块3、成像模块4、硅片高度传感器6分别具有相同数量的曝光光源、照明镜头、成像镜头、能量监测模块3和硅片高度传感器6，在所述的照明模块安装基板501上安装所述的照明模块2和所述的能量监测模块3，在所述的所述的成像模块安装基板502上安装所述的成像模块4和硅片高度传感器6，在所述的掩模台7和硅片台8分别承载掩模701和硅片801，所述的照明镜头由聚光镜组201、快门202和照明镜组203组成，所述的聚光镜组201的后焦平面和所述的照明镜组203的物面重合，所述的照明镜组203的像面和所述的掩模701重合，所述的能量监测模块3由分光镜和光电探测器组成，所述的分光镜位于聚光镜组201和照明镜组203之间，所述的成像模块4的成像镜头的物面和所述的掩模701的后表面重合，成像镜头的像面和所述的硅片801的表面重合；
所述的控制模块9由驱动单元、控制单元以及两个以上输入输出通信接口组成，该控制模块9的输出端与所述的曝光光源的控制端、照明镜头的快门202的控制端、硅片台8的控制端相连，控制模块9的输入端与所述的光电探测器的输出端、硅片高度传感器6的输出端相连(有的图中未示)。
掩模台7和硅片台8均具有快速步进、定位及微调功能。
根据掩模701上对准标记的个数，所述的光源模块1具有两个以上曝光光源，各曝光光源在光源模块1上的位置与掩模701上的对准标记位置一一对应。
进一步地，所述的曝光光源为光纤耦合LED光源，也可以是LED和准直透镜组合体，或者是宽带光源与滤光片的组合体。
所述的照明模块2具有两个以上照明镜头，同时为掩模701上的两个以上对准标记提供均匀照明。照明镜头的个数与曝光光源相同，照明镜头在照明模块2上的分布由曝光光源的位置决定。
进一步地，所述的照明镜头由聚光镜组201、快门202和照明镜组203组成。所述的聚光镜组201的后焦平面和照明镜组203的物面重合，请参阅图6。所述的照明镜组203像面和掩模701重合，照明镜组在物方和像方均为远心光路。所述的快门202为机械快门、电子快门、光快门或者机械电子混合快门。快门202通过电机驱动器，由控制计算器9控制进行打开或关闭快门操作。
所述的能量监测模块3由分光镜和光电探测器组成。所述的分光镜为镀分光薄膜的立体棱镜，位于聚光镜组201和照明镜组203之间，用于实现对照明光束的分束。所述的光电探测器为光电二极管，也可以是光电三极管、光电倍增管或光电池。根据曝光光源的个数，在照明模块安装基板501上安装相同数目的能量监测模块3，以对各照明镜头进行独立的能量监测。
所述的成像模块4具有两个以上成像镜头，其个数取决于掩模701上对准标记的个数，且各成像镜头在成像模块安装基板502上的位置与各对准标记相对应。利用成像模块4的两个以上成像镜头可实现对掩模701上两个以上对准标记的同时曝光。
进一步地，所述成像镜头具有一定的倍率，其物面和掩模701后表面重合，像面和硅片801表面重合，且物方和像方均为远心光路。
所述的硅片高度传感器6由感测头和控制器组成。所述的感测头安装在所述的成像模块安装基板502上，实现对硅片801高度的实时测量。
所述的控制模块9由驱动单元、控制单元以及两个以上输入输出通信接口组成。
利用所述的硅片对准标记曝光装置实现硅片对准标记的曝光方法，其特征在于光源模块1的每个曝光光源通过照明模块2上对应的照明镜头进行光束整形，在掩模701表面形成一定大小的均匀光斑，为掩模701上的两个以上对准标记提供均匀照明。利用成像模块4的成像镜头，掩模701上的对准标记以一定的比例成像于硅片801表面。利用该曝光装置的两个以上照明-成像单元，可对掩模701上的两个以上对准标记进行多路并行曝光。
利用上述硅片对准标记的曝光装置实现硅片对准标记的曝光方法，包括以下步骤：
1)曝光预备：所述的控制模块9打开曝光光源，所述的光电探测器监测曝光光强并输入所述的控制模块9；
2)将硅片801放置在所述的硅片台8上；
3)所述的控制模块9打开曝光光源，所述的硅片高度传感器6探测硅片801的上表面是否和成像镜头的的像面重合，如不重合，所述的控制模块9通过硅片台8调整所述的硅片801的高度，使硅片801的上表面与成像镜头的像面重合；
4)对准标记曝光：控制模块9根据能量监测模块3的光电探测器监测当前的曝光光强和光刻胶的曝光剂量要求，计算硅片对准标记曝光时间，并设定曝光时间，打开快门202进行曝光；
5)达到曝光时间，控制模块9关闭快门202，结束曝光；
6)换片返回步骤3)实现下一次曝光。
利用本发明，可以实现硅片对准标记的曝光。利用此装置的曝光方法采用能量监测模块实时监测当前曝光光强，实现对曝光剂量的精确控制。另外，本发明的曝光装置可作为子系统集成到光刻设备上，单独用于硅片对准标记的曝光，节省了掩模和硅片的对准时间，提高了IC生产线上的生产效率。因此，本发明硅片对准标记曝光装置及曝光方法具有精确控制曝光剂量、提高硅片对准标记曝光效率、节省IC生产成本等优点。
本发明所述的只是本发明的一种具体实施例，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 (5)

1.一种硅片对准标记的曝光装置，其特征在于，包括光源模块(1)、照明模块(2)、能量监测模块(3)、成像模块(4)、安装主框架(5)、硅片高度传感器(6)、掩模台(7)、硅片台(8)和控制模块(9)，所述的安装主框架(5)自上而下依次是照明模块安装基板(501)、掩模台(7)、成像模块安装基板(502)和硅片台(8)，所述的掩模(701)具有两个以上对准标记，相应的所述的光源模块(1)、照明模块(2)、能量监测模块(3)、成像模块(4)、硅片高度传感器(6)分别具有相同数量的曝光光源(1)、照明镜头、成像镜头、能量监测模块(3)和硅片高度传感器(6)，在所述的照明模块安装基板(501)上安装所述的照明模块(2)和所述的能量监测模块(3)，在所述的所述的成像模块安装基板(502)上安装所述的成像模块(4)和硅片高度传感器(6)，在所述的掩模台(7)和硅片台(8)分别承载掩模(701)和硅片(801)，所述的照明镜头由聚光镜组(201)、快门(202)和照明镜组(203)组成，所述的聚光镜组(201)的后焦平面和所述的照明镜组(203)的物面重合，所述的照明镜组(203)的像面和所述的掩模(701)重合，所述的能量监测模块(3)由分光镜和光电探测器组成，所述的分光镜位于聚光镜组(201)和照明镜组(203)之间，所述的成像模块(4)的成像镜头的物面和所述的掩模(701)的后表面重合，成像镜头的像面和所述的硅片(801)的表面重合；
所述的控制模块(9)由驱动单元、控制单元以及多个以上输入输出通信接口组成，该控制模块(9)的输出端与所述的曝光光源的控制端、照明镜头的快门(202)的控制端、硅片台(8)的控制端相连，控制模块(9)的输入端与所述的光电探测器的输出端、硅片高度传感器(6)的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的硅片对准标记的曝光装置，其特征在于，所述的曝光光源为光纤耦合LED光源，或是LED和准直透镜组合体，或是宽带光源与滤光片的组合体。
3.根据权利要求1所述的硅片对准标记的曝光装置，其特征在于，所述的快门(202)为机械快门、电子快门、光快门或机械电子混合快门。
4.根据权利要求1所述的硅片对准标记的曝光装置，其特征在于，所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或光电池。
5.利用权利要求1所述的硅片对准标记的曝光装置实现硅片对准标记的曝光方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)曝光预备：所述的控制模块(9)打开曝光光源，所述的光电探测器监测曝光光强并输入所述的控制模块(9)；
2)上片：将硅片(801)放置在所述的硅片台(8)上；
3)所述的控制模块(9)打开曝光光源，所述的硅片高度传感器(6)探测硅片(801)的上表面是否和成像镜头的的像面重合，如不重合，所述的控制模块(9)通过硅片台(8)调整所述的硅片(801)的高度，使硅片(801)的上表面与成像镜头的像面重合；
4)对准标记曝光：控制模块(9)根据能量监测模块(3)的光电探测器监测当前的曝光光强和光刻胶的曝光剂量要求，计算硅片对准标记曝光时间，并设定曝光时间，打开快门(202)进行曝光；
5)达到曝光时间，控制模块(9)关闭快门(202)，结束曝光；
6)换片返回步骤3)实现下一次曝光。
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