CN107966882A - 曝光设备和曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了曝光设备和曝光方法，所述曝光设备包括控制系统、光源系统、照明系统及投影物镜，所述照明系统设有多套，每套所述照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，各照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给所述控制系统，所述控制系统控制各所述照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度。在本发明提供的曝光设备和曝光方法中，所述曝光设备设有多套照明系统，每套照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，通过照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给控制系统，使控制系统控制各照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度，提高曝光性能，对于能量调整精度高并能快速调整，实现精确控制，提高曝光精度。

Description

曝光设备和曝光方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及曝光设备和曝光方法。

背景技术

半导体技术中的光刻技术是现代加工技术中制造微细结构最好也是最普遍的加工技术，特别是其中的光刻技术中的曝光部分，是现代制造大规模集成电路(LSI)、微机电系统(MEMS)、平板显示器(LCD、OLED等)最主要的加工手段。

光刻技术的基本原理类似照相机照相原理，可通过光源发生器形成满足要求的高均匀照明场，照射固定在掩膜台上的掩膜板，掩膜板上有所需的光刻图形，通过投影物镜可将被照明掩膜图形无像差的成像到固定在工件台上的基片上，再通过后续工艺得到所需的微细结构。其中，曝光设备要形成满足要求的高均匀照明场，并实现精确的控制曝光剂量，但是随着产品尺寸的越来越大，需要更大的扫描宽度，对于整个曝光设备的要求也越来越高。

因此，如何提高曝光的精度是本领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供曝光设备和曝光方法，以提高曝光的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种曝光设备，包括控制系统、光源系统、照明系统及投影物镜，所述照明系统设有多套，每套所述照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，所述光源系统包括光源发生器，所述光源发生器发出的照明光束入射至所述照明系统，各所述照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给所述控制系统，所述控制系统控制各所述照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度。

可选的，在所述曝光设备中，所述光源系统设有一套，所述光源系统还包括光束单元，所述光束单元将所述光源发生器发出的照明光束分为多束，每束所述照明光束入射至一套所述照明系统。

可选的，在所述曝光设备中，所述光源系统设有多套，与多套所述照明系统一一对应。

可选的，在所述曝光设备中，所述可变衰减器包括两块遮光板，每个遮光板上均具有若干通孔，通过移动两个遮光板控制所述照明光束的通过量。

可选的，在所述曝光设备中，所述光源发生器包括汞灯。

可选的，在所述曝光设备中，每套所述光源系统均还包括恒光强探测器，所述恒光强探测器探测所述光源发生器产生的照明光束的光强。

可选的，在所述曝光设备中，每套所述照明系统均还包括匀光单元，所述支路能量探测器探测对应支路中进入所述匀光单元后的照明光束的照度。

可选的，在所述曝光设备中，所述匀光单元还包括包括第一匀光棒和与所述第一匀光棒连接的第二匀光棒，所述支路能量探测器探测所述第一匀光棒与所述第二匀光棒的连接处射出的所述照明光束。

可选的，在所述曝光设备中，所述匀光单元还包括支路反射镜及光阑，从所述第一匀光棒与所述第二匀光棒的连接处照射出的所述照明光束被所述支路反射镜反射，再经过所述光阑后被所述支路能量探测器探测。

可选的，在所述曝光设备中，所述投影物镜设有多套，并与所述照明系统一一对应，每套所述投影物镜的像面均设有测校能量探测器，所述测校能量探测器探测入射至所述像面的照明光束的照度，所述控制系统根据所述像面的照明光束的照度对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配。

本发明还提供一种曝光方法，采用上述曝光设备对位于所述投影物镜的像面上的物料进行曝光动作，具体包括以下步骤：

对所述物料进行曝光动作前，探测入射至所述投影物镜的像面的各照明光束的照度，对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照明匹配；

上载所述物料进行曝光，所述支路能量探测器实时探测并反馈各照明系统中照明光束的照度，所述控制系统实时判断各照明系统的照明光束的能量变化量，若所述能量变化量位于能量变化阈值内，则计算需要实时调整的能量数值后控制所述可变衰减器进行调节；

若所述能量变化量超出能量变化阈值则停止曝光生产，发出警报，触发对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配。

可选的，在所述曝光方法中，所述对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配包括以下步骤：

步骤1、将各照明系统的可变衰减器回归零位，衰减量为零；

步骤2、执行测试曝光，各所述测校能量探测器探测入射至所述投影物镜的像面的照明光束的照度，标定各所述照明系统的支路能量探测器；

步骤3、执行测试曝光，各所述测校能量探测器探测入射至所述投影物镜的像面的照明光束的照度，以所有所述投影物镜的像面的照明光束的照度的最小值对应的可变衰减器为基准，计算其余的可变衰减器的衰减量，并执行可变衰减器设置；

步骤4，执行测试曝光，判断各所述投影物镜的像面的照明光束的照度是否满足照度匹配要求，是则保存所述支路能量探测器的标定量和可变衰减的衰减量作为机械常数，照度匹配结束；否则返回步骤3。

可选的，在所述曝光方法中，所述光源系统设有多套，并与所述照明系统一一对应，每套所述光源系统均包括恒光强探测器，所述恒光强探测器探测所述光强发生器产生的照明光束的光强，所述步骤1与步骤2之间还包括：

执行测试曝光，各所述测校能量探测器探测入射至所述投影物镜的像面的照明光束的照度，以所有所述投影物镜的像面的照明光束的照度的最小值对应的所述恒光强探测器为基准，分别标定其余所述恒光强探测器；

再用标定后的各所述恒光强探测器测量对应的所述光源发生器产生的照明光束的光强，以所有照明光束的光强的最小值对应的所述光源发生器为基准，计算其余所述光源发生器的电功率，并执行所述光源发生器的电功率设置。

综上所述，在本发明提供的曝光设备和曝光方法中，所述曝光设备设有多套照明系统，每套照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，通过照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给控制系统，使控制系统控制各照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度，可优化在曝光设备的能量控制策略，提高曝光性能，对于能量调整精度高并能快束调整，可减少总体的能量损失，并对其它性能影响较小，实现精确控制，提高曝光精度。

附图说明

图1是本发明实施例的曝光设备的单套照明系统及光源系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的曝光设备的可变衰减器的剖面示意图；

图3是本发明实施例的曝光设备的匀光单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

本发明提供一种曝光设备，包括控制系统、光源系统、照明系统及投影物镜，所述照明系统设有多套，每套所述照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，所述光源系统包括光源发生器，所述光源发生器发生的照明光束入射至所述照明系统，各所述照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给所述控制系统，所述控制系统控制各所述照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度。

其中，所述光源系统设有一套，所述光源系统还包括光束单元，所述光束单元将所述光源发生器发出的照明光束分为多束，每束所述照明光束入射至一套所述照明系统，从而实现一套光源系统对应多套照明系统的一对多的组合方式。

可选的，所述光源系统设有多套，与多套所述照明系统一一对应，相比于上述一对多的组合方式实现一一对应分立一组合方式，满足不同生产类型的需要。

如图1以图2所示单套照明系统的曝光设备，包括光源发生器10、可变衰减器20和投影物镜30，所述光源发生器10发出照明光束，所述可变衰减器20去除部分所述照明光束进行能量控制，进行能量控制后的照明光束从所述投影物镜30照射出。对于一对多的组成方式，光束单元60将所述光源发生器10形成的照明光束分成多束照明光束，每一束照明光束都可以具有相同的参数结构，可将同一发光源形成的多束照明光束组成不同的支路。

继续参考图2所示，所述可变衰减器20包括两块遮光板，每块遮光板21均具有若干通孔，遮光板21通过所述若干通孔控制所述曝光光束的进给量进行能量控制，通过遮光板21独立调节各支路的曝光光束的能量，在本实施例中，曝光光束可以从未遮住的中间区域以及通孔中通过，通过调节中间区域大小即两块遮光板21相对移动作为进给量变化进行控制，若干通孔可以更好的保持曝光光束的均匀性，防止光束遮住部分以及光的衍射等形成均匀性较差的光束，附图中仅图示了上下两部分控制进给量的方式，可以理解的是，对于进给量的控制可以采用其形状以及组合方式，例如左右部分、圆形结构等，同样可以实现调节作用。

在本实施例中，所述光源发生器10可包括碗状体11、设置在所述碗状体11内的汞灯12以及反射镜13，所述汞灯12产生的曝光光束依次经所述碗状体11和反射镜13收集后汇聚到焦面位置汞灯的发光效率高、寿命长、光色好，可作为较佳的发光源。

可选的，每套所述光源系统均还包括恒光强探测器14，所述恒光强探测器14探测所述光源发生器产生的照明光束的光强，为了防止照明光束随光源发生器10使用时间的增长而受到影响，需要通过恒光强探测器14来探测照明光束的光强来确定照明光束是否满足要求，可通过实时监控汞灯12的光强，实现实时调整汞灯12的电功率来保持曝光光束的照度要求。

在本实施例中，所述曝光设备还可包括耦合单元40，所述耦合单元40将进行能量控制后的所述曝光光束进行耦合，通过耦合单元40的耦合作用可以调整曝光光束的数值孔径(NA，Numerical Aperture)参数以及提高曝光光束的融合效果，形成所需的曝光光束并提高利用率，通过耦合可将光束截面为圆形等的曝光光束耦合成光束截面为方形或正多边形等形状的曝光光束，使曝光光束符合光路的要求。

在本实施例中，每套所述照明系统均还包括匀光单元50，所述支路能量探测器51探测对应支路中进行所述匀光单元50后的照明光束的照度，所述匀光单元50可将进行耦合后的所述曝光光束进行匀光，从而使曝光光束满足均匀性的要求，曝光光束不够均匀会影响曝光精度，曝光光束在匀光单元50中充分均匀化，在出射端面曝光光束输出均匀光斑。

如图3所示，进一步的，所述匀光单元50包括第一匀光棒52以及与所述第一匀光棒52连接的第二匀光棒53，所述支路能量探测器51探测所述第一匀光棒52与所述第二匀光棒53的连接处射出的所述照明光束，在连接处可使照明光束照射出来，并被支路能量探测器51探测到，照明光束只有极小的部分被截留(0.1％以下，对照明光束的能量平衡影响可忽略)，进入到支路能量探测器51中，从而可以实现实时反馈曝光设备中照明光束的能量变化。其中第一/第二匀光棒的材料可为石英，照明光束经过匀光棒后可变得更均匀，通过石英可较佳的制成匀光棒，例如，由熔石英作为匀光棒。

在本实施例中，所述匀光单元50包括支路反射镜511和光阑512，从所述第一匀光棒52与所述第二匀光棒53的连接处照射出的所述照明光束被所述支路反射镜511反射，再经过所述光阑512后被所述支路能量探测器51探测。

可选的，所述投影物镜30设有多套，并与所述照明系统一一对应，每套所述投影物镜的像面均设有测校能量探测器70，所述测校能量探测器70探测入射至所述像面的照明光束的照度，所述控制系统根据所述像面的照明光束的照度对入射至所述投影物镜30的各照明光束进行照度匹配，所述曝光光束从所述投影物镜30照射出到所述测校能量探测器70上，测校能量探测器70可位于基板面，在测校工况时，测校能量探测器70才进入光路，测校能量探测器70可在正常生产过程中可移除，测校能量探测器70可通过探测曝光光束的照度，实现对汞灯的恒光强控制器14和支路能量探测器51进行校准/标定。

现有方案中涉及到多个曝光子设备，即可为单套照明系统对应单套光源系统或单束曝光光束，各个子设备间的能量差异会降低曝光性能，通过本方案对多个曝光设备进行照度匹配，使各个子曝光设备具有相同的照度，可避免各个子设备间的能量差异，实现极高的能量调整精度，较快的匹配收敛速度，减少总体的能量损失，同时对于光刻机的其他性能影响较小，从而提高曝光系统例如TFT光刻机的曝光精度。

本发明还提供一种曝光方法，采用上述曝光设备对位于所述投影物镜30的像面上的物料进行曝光动作，具体包括以下步骤：

对所述物料进行曝光动作前，探测入射至所述投影物镜30的像面的各照明光束的照度，对入射至所述投影物镜30的各照明光束进行照度匹配；

上载所述物料进行曝光，所述支路能量探测器51实时探测并反馈各照明系统中照明光束的照度，所述控制系统实时判断各照明系统的照明光束的能量变化量，若所述能量变化量位于能量变化阈值内，则计算需要实时调整的能量数值后控制所述可变衰减器20进行调节；

若所述能量变化量超出能量变化阈值则停止曝光生产，发出警报，触发对入射至所述投影物镜30的各照明光束进行照度匹配。

在上述曝光方法中，对入射至所述投影物镜30的各照明光束进行照度匹配包括以下步骤：

步骤1、将各照明系统的可变衰减器20回归零位，衰减量为零；

步骤2、执行测试曝光，各所述测校能量探测器70探测入射至所述投影物镜30的像面的照明光束的照度，标定各所述照明系统的支路能量探测器51；

步骤3、执行测试曝光，各所述测校能量探测器70探测入射至所述投影物镜30的像面的照明光束的照度，以所以所述投影物镜30的像面的照明光束的照度的最小值对应的可变衰减器20为基准，计算其余的可变衰减器20的衰减量，并执行可变衰减器10设置；

步骤4、执行测试曝光，判断各所述投影物镜30的像面的照明光束的照度是否满足照度匹配要求，是则保存所述支路能量探测器51的标定量和可变衰减器20的衰减量作为机械常数，照度匹配结束；否则返回步骤3。

可选的，所述光源系统设有多套，并与所述照明系统一一对应，每套所述光源系统均还包括恒光强探测器14，所述恒光强探测器14探测所述光源发生器10产生的照明光束的光强，所述步骤1与步骤2之间还包括：

执行测试曝光，各所述测校能量探测器70探测入射至所述投影物镜30的像面的照明光束的照度，以所有所述投影物镜30的像面的照明光束的照度的最小值对应的所述恒光强探测器14为基准，分别标定其余所述恒光强探测器14；

再用标定后的各所述恒光强探测器14测量对应的所述光源发生器10产生的照明光束的光强，以所有照明光束的光强的最小值对应的所述光源发生器10为基准，计算其余所述光源发生器10的电功率，并执行所述光源发生器10的电功率设置。

本发明的曝光设备在曝光前进行的曝光校正方法可按如下进行：

1.进入测校模式，曝光设备按照设定开始执行照度匹配程序；

2.各个支路的可变衰减器回归零位，可通过设置遮光器可使衰减量为零；

3.执行第一测试曝光，得到各个支路的照度，具体的，可通过测校能量探测器得到各个支路的照度；

4.以光源发生器对应的支路照度的最小值，分别标定各个光源发生器，标定后反馈标定最小值作为基准，计算各个光源发生器的电功率，并执行光源发生器的电功率设置，具体的，可采用汞灯作为光源发生器，分别利用恒光强探测器探测各个光源发生器产生的曝光光束的光强，以所有恒光强探测器中的最小值为基准，调整其他光源发生器的电功率，使所有恒光强探测器探测到的光强均一致；

5.执行第二测试曝光，通过测校能量探测器再次得到各个支路的照度；

6.进行标定测算，标定照明光束，再以所有支路中照度最小值作为基准，计算各个支路的可变衰减器的衰减量，并执行可变衰减器调节，具体的，可通过测校能量探测器数值标定照明光束，照明光束由支路能量探测器探测；

7.执行第三测试曝光，通过测校能量探测器得到各个支路的照度；

8.判断照度匹配结果满足预定参数，则进入后续步骤，否则返回进行标定测算；

9.保存可变衰减器的衰减量作为机械常数，保存测校能量探测器标定作为机械常数，结束照度匹配，得到可变衰减量和测校能量探测器标定的机械常数为生产所需设定的参数。

为保证曝光精度，本发明对曝光器设备设计有如下曝光监控方法：

1.通过各个支路能量探测器实时反馈各个支路照明光束的数值；

2.通过支路能量探测器实时反馈数值实时判断各个支路的照明光束能量变化量，若满足照度匹配要求则返回上一步骤，否则进入后续步骤；

3.判断照明光束能量变化量超出预设的范围则停止曝光生产，发出警报，触发曝光校正方法，否则进入后续步骤；

4.计算需要实时调整的能量数值；

5.根据预设范围，判断选择调整手段，例如进行人工介入或自行通过可变衰减器进行能量控制等；

6.返回至初始步骤，继续实时监控。

在上述实施例中，为了便于理解以光束的行径进行描述，本实施方式及附图中省略了其它光学镜片等组件，通过标定得到各部件的特性指标，标定可确定对应的输入/输出关系，其中各部件的位置分布关系亦可根据光路径调整相对位置关系。

综上所述，在本发明提供的曝光设备和曝光方法中，所述曝光设备设有多套照明系统，每套照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，通过照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给控制系统，使控制系统控制各照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度，可优化在曝光设备的能量控制策略，提高曝光性能，对于能量调整精度高并能快束调整，可减少总体的能量损失，并对其它性能影响较小，实现精确控制，提高曝光精度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (13)

1.一种曝光设备，包括控制系统、光源系统、照明系统及投影物镜，其特征在于，所述照明系统设有多套，每套所述照明系统均包括可变衰减器和支路能量探测器，所述光源系统包括光源发生器，所述光源发生器发出的照明光束入射至所述照明系统，各所述照明系统的支路能量探测器探测对应支路的照度并反馈给所述控制系统，所述控制系统控制各所述照明系统的可变衰减器调节对应支路的照度。

2.根据权利要求1所述的曝光设备，其特征在于，所述光源系统设有一套，所述光源系统还包括光束单元，所述光束单元将所述光源发生器发出的照明光束分为多束，每束所述照明光束入射至一套所述照明系统。

3.根据权利要求1所述的曝光设备，其特征在于，所述光源系统设有多套，与多套所述照明系统一一对应。

4.根据权利要求1所述的曝光设备，其特征在于，所述可变衰减器包括两块遮光板，每个遮光板上均具有若干通孔，通过移动两个遮光板控制所述照明光束的通过量。

5.根据权利要求1所述的曝光设备，其特征在于，所述光源发生器包括汞灯。

6.根据权利要求3所述的曝光设备，其特征在于，每套所述光源系统均还包括恒光强探测器，所述恒光强探测器探测所述光源发生器产生的照明光束的光强。

7.根据权利要求1所述的曝光设备，其特征在于，每套所述照明系统均还包括匀光单元，所述支路能量探测器探测对应支路中进入所述匀光单元后的照明光束的照度。

8.根据权利要求7所述的曝光设备，其特征在于，所述匀光单元包括第一匀光棒以及与所述第一匀光棒连接的第二匀光棒，所述支路能量探测器探测所述第一匀光棒与所述第二匀光棒的连接处射出的所述照明光束。

9.根据权利要求8所述的曝光设备，其特征在于，所述匀光单元还包括支路反射镜及光阑，从所述第一匀光棒与所述第二匀光棒的连接处照射出的所述照明光束被所述支路反射镜反射，再经过所述光阑后被所述支路能量探测器探测。

10.根据权利要求1所述的曝光设备，其特征在于，所述投影物镜设有多套，并与所述照明系统一一对应，每套所述投影物镜的像面均设有测校能量探测器，所述测校能量探测器探测入射至所述像面的照明光束的照度，所述控制系统根据所述像面的照明光束的照度对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配。

11.一种曝光方法，其特征在于，采用如权利要求10所述的曝光设备对位于所述投影物镜的像面上的物料进行曝光动作，具体包括以下步骤：

对所述物料进行曝光动作前，探测入射至所述投影物镜的像面的各照明光束的照度，对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配；

上载所述物料进行曝光，所述支路能量探测器实时探测并反馈各照明系统中照明光束的照度，所述控制系统实时判断各照明系统的照明光束的能量变化量，若所述能量变化量位于能量变化阈值内，则计算需要实时调整的能量数值后控制所述可变衰减器进行调节；

若所述能量变化量超出能量变化阈值则停止曝光生产，发出警报，触发对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配。

12.根据权利要求11所述的曝光方法，其特征在于，所述对入射至所述投影物镜的各照明光束进行照度匹配包括以下步骤：

步骤1、将各照明系统的可变衰减器回归零位，衰减量为零；

步骤2、执行测试曝光，各所述测校能量探测器探测入射至所述投影物镜的像面的照明光束的照度，标定各所述照明系统的支路能量探测器；

步骤3、执行测试曝光，各所述测校能量探测器探测入射至所述投影物镜的像面的照明光束的照度，以所有所述投影物镜的像面的照明光束的照度的最小值对应的可变衰减器为基准，计算其余的可变衰减器的衰减量，并执行可变衰减器设置；

步骤4、执行测试曝光，判断各所述投影物镜的像面的照明光束的照度是否满足照度匹配要求，是则保存所述支路能量探测器的标定量和可变衰减器的衰减量作为机械常数，照度匹配结束；否则返回步骤3。

13.根据权利要求12中所述的曝光方法，其特征在于，所述光源系统设有多套，并与所述照明系统一一对应，每套所述光源系统均还包括恒光强探测器，所述恒光强探测器探测所述光源发生器产生的照明光束的光强，所述步骤1与步骤2之间还包括：

执行测试曝光，各所述测校能量探测器探测入射至所述投影物镜的像面的照明光束的照度，以所有所述投影物镜的像面的照明光束的照度的最小值对应的所述恒光强探测器为基准，分别标定其余所述恒光强探测器；

再用标定后的各所述恒光强探测器测量对应的所述光源发生器产生的照明光束的光强，以所有照明光束的光强的最小值对应的所述光源发生器为基准，计算其余所述光源发生器的电功率，并执行所述光源发生器的电功率设置。