CN108062007A - 一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法 - Google Patents

一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，适用于采用面阵空间光调制器作为图形发生器进行扫描曝光的光刻系统，过程如下：采集模块采集扫描曝光过程的能量数据，运算模块分析能量数据并形成单线条能量分布图，进行拼接区域能量合并，提取能量合并后的单线条能量分布图单元区间内的特征参数，根据特征参数计算面阵空间光调制器像素单元的目标打开次数，运算模块将目标打开次数传输至数据处理系统，数据处理系统依据目标打开次数控制面阵空间光调制器各像素单元的打开或关闭。本发明的方法在不改变扫描速度以及不影响产能的情况下，能够提高匀光效果，改善拼接效果；本发明的方法同样适用于倾斜式扫描和垂直式扫描，应用范围更广。

Description

一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法
技术领域
本发明涉及直写式光刻系统技术领域，具体涉及一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法。
背景技术
直写式光刻机设备又称影像直接转移设备，是半导体及印制电路板(PCB)生产领域中有别于传统半自动曝光设备的一个重要设备。是利用图形发生器取代传统光刻机的掩模板，从而可以直接将计算机的图形数据曝光到晶圆或PCB板上，节省制板时间和制作掩模板的费用，并且自身可用做掩模板的制作。目前多数厂家的设备都使用空间光调制器(SLM)作为图形发生器。SLM包括数字微镜器件(DMD)和液晶显示器(LCD),SLM包括一个可独立寻址和控制的像素阵列，每个像素可以对透射、反射或衍射的光线进行包括相位、灰度方向或开关状态的调制。
在现有的采用SLM作为图形发生器的直写式光刻系统中，通常要求光均匀性达到2%以内，这对设计、加工和装配的要求较高。如果采用物理匀光(复眼、匀光棒)的方法，其光均匀性最低只能达到5%；我国专利CN 101226343A中提出了一种采用灰度补偿制提高光刻能量曝光均匀性的方法，这种方法属于逻辑匀光的方法，可以大幅度提高曝光场的光均匀性。但是该专利中的方法提高光均匀性的同时以大幅度降低空间光调制器的刷新率为代价——空间光调制器的刷新率在单色图的情况下32K，而在灰度模式下空间光调制器的刷新率仅为1.9K，因而造成产能大大降低；同时，这种灰度补偿的方法不能有效地应用到扫描模式的曝光系统中。
此外，采用SLM作为图形发生器时，扫描条带间的拼接问题不可避免，因而会导致拼接区域的图像变形。我国公开号为专利CN 104536269A的发明专利中提出了一种使用SLM三角区域进行拼接改善的方式，但是这种处理方式只能适用于倾斜式扫描，无法应用于垂直式扫描；这种方式对改善曝光场内光均匀性也没有作用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有采用SLM作为图形发生器的光刻系统中存在的不足，提供一种能够提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，且该方法同样适用于垂直式扫描和倾斜式扫描。
为了达到上述目的，本发明提供了一种梯度式能量补偿方法，通过该方法可以实现扫描曝光过程中每个扫描条带的能量都呈现理想的梯形分布。
本发明的技术方案如下：
一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，所述方法适用于采用面阵空间光调制器作为图形发生器进行扫描曝光的光刻系统。所述方法的过程为：采集模块采集所述扫描曝光过程的能量数据，输入运算模块分析所述的能量数据并形成扫描曝光过程的单线条能量分布图，对扫描曝光过程中连续两个条带的单线条能量分布图进行拼接区域能量合并得到能量合并后的单线条能量分布图，提取所述能量合并后的单线条能量分布图的单元区间内的最小能量和以及叠加次数，根据所述的最小能量和以及所述的叠加次数计算面阵空间光调制器任一扫描轨迹上面阵空间光调制器像素单元的目标打开次数，运算模块将所述的目标打开次数传输至数据处理系统，数据处理系统依据所述的目标打开次数控制面阵空间光调制器各像素单元的打开或关闭。
进一步地，所述扫描曝光是倾斜式扫描或垂直式扫描。
进一步地，所述面阵空间光调制器是数字微镜器件或面阵式发光器件或微字微镜器件中的一种。
进一步地，所述采集模块为线阵电荷耦合器件或线阵互补金属氧化物半导体或面阵耦合器件或面阵互补金属氧化物半导体中的一种。
进一步地，所述运算模块为计算机。
进一步地，所述拼接区域能量合并的方法是先将拼接区域的扫描轨迹逐条合并，然后对叠加的扫描轨迹的能量数据进行叠加。
进一步地，所述目标打开次数的计算根据如下公式：
,
公式中，为所述的目标打开次数，为所述的叠加次数，为所述的最小能量和，为所述的面阵空间光调制器任一扫描轨迹的能量和，为在所述扫描轨迹上每次面阵空间光调制器像素单元打开时输出的平均能量，。
进一步地，所述数据处理系统由高速现场可编程门阵列、内存以及通讯模块组成。
进一步地，所述数据处理系统依据所述的目标打开次数控制面阵空间光调制器各像素单元的打开或关闭的控制规则是当面阵空间光调制器任一扫描轨迹上需要打开面阵空间光调制器像素单元的次数已经满足了该扫描轨迹上需要打开面阵空间光调制器像素单元的目标打开次数时，则之后经过该扫描轨迹的面阵空间光调制器像素单元不再被打开。
采用面阵SLM作为图形发生器进行扫描曝光的光刻系统中，曝光不均匀的主要原因是局部图形曝光能量过大，而曝光能量过大又是面阵SLM像素单元打开次数过多。通过减少曝光能量过大位置的SLM打开次数，可以实现光刻能量均匀性的提高。
对于扫描式曝光，通过在相邻条带的拼接处进行一定宽度区域的重叠曝光可以解决拼接处图像变形的问题，但会导致重叠部分的能量过大。通过控制拼接区域的SLM打开次数，可以避免拼接区域的能量过大，改善拼接效果。
本发明的有益技术效果如下：
本发明提供一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，所述方法适用于采用面阵空间光调制器作为图形发生器进行扫描曝光的光刻系统。通过数据处理系统控制面阵空间光调制器扫描轨迹上的面阵空间光调制器像素单元的打开次数，可以同时实现提高光刻能量的均匀性和改善拼接效果。采用本发明方法的光刻系统其光均匀性小于2%，显著优于采用物理匀光的结果；同时，本发明的方法并没有降低空间光调制器的刷新率，因而产能高。此外，本发明的方法对于扫描曝光中的两种扫描方式——倾斜式扫描和垂直式扫描同样适用，应用范围更广。
附图说明
图1是本发明实施例中倾斜式扫描和垂直式扫描的示意图；
图2是本发明实施例中一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法的流程图；
图3是本发明实施例中扫描曝光过程的单线条能量分布图，其中(a)为倾斜式扫描的单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描的单线条能量分布图；
图4是本发明实施例中扫描曝光过程的理想单线条能量分布图，其中(a)为倾斜式扫描的理想单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描的理想单线条能量分布图；
图5是本发明实施例中扫描曝光过程中连续两个条带的理想单线条能量分布图，其中(a)为倾斜式扫描连续两个条带的理想单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描连续两个条带的理想单线条能量分布图；
图6是本发明实施例中本发明实施例中扫描曝光过程中能量合并后的理想的单线条能量分布图，其中(a)为倾斜式扫描能量合并后的单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描能量合并后的单线条能量分布图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。以下是本发明的具体实施方式。
本发明提供一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，适用于采用面阵空间光调制器(SLM)作为图形发生器进行扫描曝光的光刻系统。
本实施例中的扫描曝光包括倾斜式扫描和垂直式扫描两种形式。两种扫描方式的示意图如图1所示。两种扫描方式的区别在于：垂直式扫描中面阵SLM有一条轴线与扫描方向平行，而在倾斜式扫描中面阵SLM的各轴线均与扫描方向存在大于零度的夹角。
本实施例中的面阵空间光调制器(SLM)是数字微镜器件(DMD)。DMD是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成的器件，采用二进制脉宽调节技术能精确地控制光的灰度等级。
图2是本实施例的提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法的流程图，提高光刻能量均匀性和改善拼接的过程如下。
在采集模块采集扫描曝光过程的能量数据步骤S1中，使用线阵CCD沿DMD扫描轨迹方向扫描，累计扫描过程中的能量和。线阵CCD是与面阵CCD相对的一种CCD器件，其实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率相应高。在该步骤中，为了提高采集结果的精度，CCD在DMD下方的移动过程是均匀的，DMD各像素单元均打开，曝光光源打开且CCD上使用衰减片。
其中，扫描轨迹指的是：无论是倾斜式扫描还是垂直式扫描，在扫描方向上，每个DMD像素单元经过的轨迹是固定的且平行于扫描轴的，称之为扫描轨迹。扫描轨迹的分布具有如下特点：
(1)每一条扫描轨迹上，有至少一个DMD像素单元扫描经过，即同一条DMD像素单元扫描的起点和扫描的终点位置不同，但扫描轨迹本身是在相同的直线上的。
(2)使用同样的DMD进行扫描曝光时，倾斜式扫描的扫描轨迹比垂直式扫描的扫描轨迹更加密集。
(3)在同一次扫描中，每条扫描轨迹之间的间距是相等的。
(4)每一条扫描轨迹上经过的DMD像素单元的个数，即能量叠加次数是固定的；使用同样的DMD进行扫描曝光时，倾斜式扫描的能量叠加次数要少于垂直式扫描的能量叠加次数。
(5)倾斜式扫描的倾斜角取值并非任意，而是必须满足特殊的角度。
(6)假定存在一区域大小与能量场中DMD像素大小相等的区域，那么该区域在整个扫描曝光过程中，其接受的总能量是由该区域所覆盖的扫描轨迹上方经过的所有DMD像素单元提供的能量总和。
在运算模块分析能量数据并形成单线条能量分布图步骤S2中，线阵CCD对能量的采集结果传输至计算机，由计算机对采集结果进行分析处理并形成单线条能量分布图。
其中，单线条能量分布图指的是：假设在扫描方向上存在一条贯穿曝光场的待曝光的横线条，那么每个DMD像素单元经过该横线条时，都会被打开，向该横线条提供光能量；因为光能量分布不均匀的原因，该线条每个位置接受到的能量是不一致的，把这样的能量分布绘制成图，得到单线条能量分布图。
本实施例中能量采集过程通过线阵CCD进行，线阵CCD得到的就是一条线上的能量分布，将线阵CCD采集的结果直接绘制即可得到单线条能量分布图。
图3是本实施例中扫描曝光过程的单线条能量分布图，其中(a)为倾斜式扫描的单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描的单线条能量分布图。可以看出，倾斜式扫描时，能量分布是呈近似梯形分布的；垂直式扫描时，能量分布呈近似矩形分布的。
图3中还可以看出，不同扫描轨迹上接收到的曝光能量和不一致。其中，最大的曝光能量和记为,光均匀性的目标是所有扫描轨迹接收到的曝光能量和均小于。图4给出了光均匀性高的理想状态下的单线条能量分布图，其中(a)为倾斜式扫描的理想单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描的理想单线条能量分布图。提高光均匀性通常是通过减少能量分布图上能量过大的扫描轨迹上DMD像素单元的打开次数实现。
在拼接区域的能量合并步骤S3中，使用计算机软件在所述单线条能量分布图中对扫描曝光过程中相邻两个条带的拼接区域进行能量合并，得到能量合并后的单线条能量分布图。
通过减少能量分布图上能量过大的扫描轨迹上DMD像素单元的打开次数可以提高光均匀性，但是拼接效果并不能由此得到改善。对于倾斜式扫描，由于DMD两侧存在三角区域，三角区域的直接拼合即可拼接效果的改善；但对于垂直式扫描，则需要通过在相邻的两次扫描条带间进行叠加并对叠加区域的扫描轨迹上DMD像素单元的打开次数进行控制，实现输出梯形能量的效果。图5是本发明实施例中扫描曝光过程中连续两个条带的理想单线条能量分布图，即通过拼接需要达到图5的能量分布状态。其中(a)为倾斜式扫描连续两个条带的理想单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描连续两个条带的理想单线条能量分布图。
拼接区域的能量合并的具体过程如下：
首先对扫描轨迹从左至右依次编号，其中扫描轨迹、、、的编号依次为1、k、w+k、w+2k，其中，w是能量分布图上底区域的扫描轨迹数量，即和之间扫描轨迹的数量。
两个相邻条带的拼接过程中，先将拼接区域的扫描轨迹逐条合并——和区域的扫描轨迹是相同的，因此可以进行轨迹合并。轨迹合并的原则是先进行如下合并：，，然后对和两个区间之内的轨迹逐条合并。轨迹合并完毕后，将测量到的能量分布合并到区间内，完成能量合并，得到能量合并后的单线条能量分布图，如图6所示(图6展示的是理想状态下的能量合并后的单线条能量分布图)，其中(a)为倾斜式扫描能量合并后的单线条能量分布图，(b)为垂直式扫描能量合并后的单线条能量分布图。合并后单线条能量分布图的单位区间为。
在提取能量合并后的单线条能量分布图单元区间的特征参数步骤S4中，使用计算机软件对能量合并后的单线条能量分布图的单元区间内的特征参数进行提取，主要是最小能量和以及叠加次数进行提取。其中，最小能量和指的是区间内扫描轨迹上接收的最小能量和，记为，是理想的能量分布图的目标值，如图6中所示；叠加次数由扫描方式、DMD像素大小共同决定。
在计算面阵空间光调制器各像素单元的目标打开次数步骤S5中，计算机依据步骤S4中提取的最小能量和以及叠加次数计算每一扫描轨迹上面阵空间光调制器各像素单元的目标打开次数。目标打开次数的计算根据如下公式：
,
其中，为所述的目标打开次数，为所述的叠加次数，为所述的最小能量和，为所述的面阵空间光调制器任一扫描轨迹的能量和，为平均能量，。
在运算模块将目标打开次数传输至数据处理系统步骤S6中，计算机将计算得到的目标打开次数传输至可编程数据控制器。
在数据处理系统依据目标打开次数控制面阵空间光调制器个像素单元的打开或关闭步骤S7中，可编程数据控制器依据目标打开次数控制面阵空间光调制器各像素单元的打开或关闭，控制规则是：当面阵空间光调制器任一扫描轨迹上需要打开面阵空间光调制器像素单元的次数已经满足了该扫描轨迹上需要打开面阵空间光调制器像素单元的目标打开次数时，则之后经过该扫描轨迹的面阵空间光调制器像素单元不再被打开。
对于拼接区域，优先打开区间的DMD像素单元，当不能满足目标打开次数n时，再打开的DMD像素单元进行打开次数的补齐。
通过上述步骤S1-S7，可以实现对拼接效果和光均匀性的改善。拼接效果的改善体现为实现了图6中理想状态的能量分布；光均匀性的改善可以通过下列计算衡量：
物理匀光的目标结果，其中，为物理匀光后的光均匀性。
本实施例中，,进而得出,从而实现了光均匀性的提高。
由和可以推论，越大，越小，光均匀性越好。在倾斜式扫描中，的优选取值为64、144、196和256中的任一种；垂直式扫描中，的优选取值为336、360、512、768和1024中的任一种。对于任一的取值，相应的光均匀性值可表征为。可见，通过本发明的方法，光均匀性最大值不超过2%，显著优于物理匀光的结果。
以上应用具体实施例对本发明的技术方案进行了详细阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。同时，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于，所述方法适用于采用面阵空间光调制器作为图形发生器进行扫描曝光的光刻系统，所述方法的过程为：采集模块采集所述扫描曝光过程的能量数据，输入运算模块分析所述的能量数据并形成扫描曝光过程的单线条能量分布图，对扫描曝光过程中连续两个条带的单线条能量分布图进行拼接区域能量合并得到能量合并后的单线条能量分布图，提取所述能量合并后的单线条能量分布图的单元区间内的最小能量和以及叠加次数，根据所述的最小能量和以及所述的叠加次数计算面阵空间光调制器任一扫描轨迹上面阵空间光调制器像素单元的目标打开次数，运算模块将所述的目标打开次数传输至数据处理系统，数据处理系统依据所述的目标打开次数控制面阵空间光调制器各像素单元的打开或关闭。
2.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述扫描曝光是倾斜式扫描或垂直式扫描。
3.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述面阵空间光调制器是数字微镜器件或面阵式发光器件或微字微镜器件中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述采集模块为线阵电荷耦合器件或线阵互补金属氧化物半导体或面阵耦合器件或面阵互补金属氧化物半导体中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述运算模块为计算机。
6.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述拼接区域能量合并的方法是先将拼接区域的扫描轨迹逐条合并，然后对叠加的扫描轨迹的能量数据进行叠加。
7.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于，所述目标打开次数的计算根据如下公式：
,
其中，为所述的目标打开次数，为所述的叠加次数，为所述的最小能量和，为所述的面阵空间光调制器任一扫描轨迹的能量和，为在所述扫描轨迹上每次面阵空间光调制器像素单元打开时输出的平均能量，。
8.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述数据处理系统由高速现场可编程门阵列、内存以及通讯模块组成。
9.根据权利要求1所述的一种提高光刻能量均匀性和改善拼接的方法，其特征在于：所述数据处理系统依据所述的目标打开次数控制面阵空间光调制器各像素单元的打开或关闭的控制规则是当面阵空间光调制器任一扫描轨迹上需要打开面阵空间光调制器像素单元的次数已经满足了该扫描轨迹上需要打开面阵空间光调制器像素单元的目标打开次数时，则之后经过该扫描轨迹的面阵空间光调制器像素单元不再被打开。
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