CN111796488A - 基于uv-led光刻光源的步进式曝光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UV‑LED光刻光源的步进式曝光方法,包括:利用UV‑LED光源作为光刻光源,以形成光强均匀分布的曝光场;通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准;通过微透镜阵列对所述UV‑LED光源的出光光束进行准直,并在掩模表面形成正方形曝光光斑;通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上。本发明可实现无限大曝光区域,可以实现亚微米级掩模对准精度,为实现高精度光刻奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,具体地,涉及一种光刻机曝光方法。
背景技术
曝光是微加工过程中一个必不可少的工艺,也是光刻过程中的一个关键步骤。随着半导体技术的发展,对曝光的要求也越来越高。现有的曝光方法中,通常能够实现的曝光区域有限,影响光刻的精度。
发明内容
鉴于以上问题,本发明的目的是提供一种基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,以解决现有曝光区域有限的问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明所述基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,包括:
利用UV-LED光源作为光刻光源,以形成光强均匀分布的曝光场;
通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准;
通过微透镜阵列对所述UV-LED光源的出光光束进行准直,并在掩模表面形成正方形曝光光斑;
通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上。
优选地,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤包括:
将掩模安装在掩模工件台,将晶圆安装在晶圆工件台,其中,晶圆工件台包括:XY运动台、Z轴晶圆卡盘、真空吸盘和气压缸,真空吸盘安装在XY运动台上,Z轴晶圆卡盘用于卡在晶圆的周边,气压缸用于将晶圆吸附在真空吸盘上;
通过掩模工件台的移动确定掩模的位置;
通过显微镜组搜索掩模上的掩模标记、晶圆上的晶圆标记,并获取掩模标记的中心位置坐标和晶圆标记的中心位置坐标;
根据掩模标记和晶圆标记的中心位置坐标控制XY运动台运动,带动晶圆运动,使得掩模标记与晶圆标记相重合。
优选地,根据掩模标记和晶圆标记的中心位置坐标控制XY运动台运动,带动晶圆运动,使得掩模标记与晶圆标记相重合,包括:
控制XY运动台绕Z轴转动,使得晶圆标记相对于水平线的旋转角度θ=0。
优选地,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤,还包括:
通过图像处理系统校准掩模标记与晶圆标记的重合度。
优选地,所述图像处理系统通过下述步骤进行对准图案识别,校准掩模标记与晶圆标记的重合度,包括:
获取经过训练得到的对准图案模板,其中,对准图案指的是将掩模标记和晶圆标记对准后得到的图案;
设定运行参数,所述运行参数包括待查找区域范围、图像缩放大小、停止查找的接受阈值;
在待查找区域范围内遍历得到多个待搜索图像;
通过神经网络算法将多个待搜索图像逐一与对准图案模板匹配,并获取匹配度;
将获取的匹配度按照从高到低的顺序排列,识别出对准图案。
优选地,在通过识别模块得到对准图案的同时,列举出匹配度,对准图案中心的X、Y方向坐标,旋转角度,拟合误差,目标覆盖度,杂斑占比,缩放比例中的一种或多种。
优选地,获取经过训练的对准图案模板包括对对准图案进行训练,对对准图案进行训练的步骤包括:
获取晶圆上的真实对准图案,并且将其设定为训练区域;
设置训练区域原点和坐标系;
将训练区域划分为多个局部训练区域;
设置训练参数,包括训练模式、局部训练区域的选择以及特征提取结果的显示;
对每个局部训练区域进行训练,每个局部训练区域至少存储一个从训练数据中获得的模板;
评价受训特征,通过计算训练获得的模板粒度大小,判断是否可以用于目标识别定位。
优选地,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤,还包括:
通过人机界面显示掩模标记的中心位置坐标、晶圆标记的中心位置坐标、掩模标记和晶圆标记对准时的对准图案。
优选地,通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上的步骤包括:
将晶圆表面划分为多个大小相同的矩形区域的网格单元;
将晶圆工件台按照蛇形移动,并按照蛇形依次曝光各个网格单元,传递掩模图案。
优选地,正方形曝光光斑的尺寸为50×50mm。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
本发明利用UV-LED光源作为光刻光源,具有发光效率高、能耗低、寿命长的特点,使用时无需预热;并且,曝光场光强均匀分布,无需整形,从而提高光刻效率。
本发明利用微透镜阵列代替激光准直光路,使得光学系统简单高效;并且,本发明通过大行程XY运动台的步进运动,可实现无限大曝光区域,提高效率。
附图说明
图1是本发明所述基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法的流程示意图;
图2是本发明中基于UV-LED光刻光源的光刻机的结构示意图;
图3是本发明中UV-LED光源与微透镜阵列示意图;
图4a-图4c分别是本发明中显微镜组、掩模和晶圆不同状态下的示意图;
图5是本发明中掩模标记和晶圆标记对准前的示意图;
图6是本发明中掩模标记和晶圆标记对准时的对准图案示意图;
图7是本发明中步进运动的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此,附图和描述在本质上是说明性的,而不是用于限制权利要求的保护范围。此外,在本说明书中,附图未按比例画出,并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1是本发明所述基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法的流程示意图,如图1所示,所述基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,包括:
步骤S1,利用UV-LED光源1作为光刻光源,以形成光强均匀分布的曝光场,UV-LED是一种紫外发光二极管,通过使用UV-LED光源1作为光刻光源,替代光刻机曝光系统中复杂的光源准直光路,并且,UV-LED光源1具有发光效率高、能耗低、寿命长等特点,使用时无需预热,使得本发明的曝光方法更加的安全环保。其中,UV-LED光源1均匀分布,通过微透镜阵列2准直之后,形成平行的出射光束。
步骤S2,通过掩模对准系统将掩模标记51与晶圆标记52对准,掩模标记51承载于掩模3上,晶圆标记52承载于晶圆4上,在曝光前将掩模标记51与晶圆标记52对准,有利于提高光刻的精度。在一个实施例中,掩模标记51的外轮廓呈方形,方形内部具有中空的十字形图案,晶圆标记52呈十字形,掩模标记51与晶圆标记52的对准指的是将掩模标记51的方形中心与晶圆标记52的十字形中心对准。
步骤S3,通过微透镜阵列2对所述UV-LED光源1的出光光束进行准直,并在掩模3表面形成正方形曝光光斑。通过分布的UV-LED光源1调整正方形曝光光斑的尺寸,优选地,正方形曝光光斑的尺寸为50×50mm。本发明中利用微透镜阵列2代替激光准直光路,使得光学系统简单高效。
步骤S4,通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上,掩模图案承载在掩模3上,掩模图案可以是集成电路图等设计图形,晶圆4指的是制作硅半导体集成电路所用的硅晶片,晶圆4上涂有光刻胶,通过曝光实现图案转移,将掩模图案在晶圆上固定,可用于制作各种电路元件结构。并且,通过步进式曝光可以实现无限大曝光区域。
在一个实施例中,在掩模表面形成正方形曝光光斑的步骤之后,通过接触式或接近式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上。
图2是本发明中基于UV-LED光刻光源的光刻机的结构示意图,图3是本发明中UV-LED光源与微透镜阵列示意图,如图2和图3所示,该光刻机包括:UV-LED光源1、微透镜阵列2、掩模对准系统。其中,UV-LED光源1用于提供光强均匀分布的曝光场;微透镜阵列2用于对所述UV-LED光源1的出光光束进行准直,并在掩模表面形成正方形曝光光斑;掩模对准系统用于在曝光前将掩模标记51与晶圆标记52对准(图2中显示多个对准标记5,包括掩模标记51和晶圆标记52,且图中仅对掩模标记51和晶圆标记52进行示意性表示,并不用于限定掩模标记51和晶圆标记52的具体形状)。
所述掩模对准系统包括:机械系统、控制系统和图像处理系统,所述机械系统包括用于安装掩模3的掩模工件台、用于安装晶圆4的晶圆工件台、用于驱动掩模工件台移动的第一驱动机构和用于驱动晶圆工件台移动的第二驱动机构,掩模3和晶圆4平行设置,所述控制系统用于控制第一驱动机构和第二驱动机构,所述图像处理系统用于校准掩模标记51和晶圆标记52的重合度。通过掩模对准系统在曝光前对准掩模标记51和晶圆标记52,实现亚微米级掩模对准精度,为实现高精度光刻奠定基础。
在一个可选实施例中,控制系统采用闭环控制系统,接收掩模标记51和晶圆标记52的中心位置坐标,控制第一驱动机构和第二驱动机构分别调整掩模工件台和晶圆工件台的位置,对准掩模标记51和晶圆标记52。第一驱动机构和第二驱动机构可以采用伺服电机。
需要说明的是,关于第一驱动机构对掩模工件台的驱动原理以及第二驱动机构对晶圆工件台的驱动原理均为现有技术,在本发明中不再详细赘述。
在一个实施例中,所述图像处理系统包括:
模板获取模块,用于获取经过训练得到的对准图案模板,其中,对准图案指的是将掩模标记和晶圆标记对准后得到的图案;
参数设定模块,用于设定运行参数,所述运行参数包括待查找区域范围、图像缩放大小、停止查找的接受阈值(即在接受阈值范围之内进行图像查找);
图像获取模块,用于在待查找区域范围内遍历得到多个待搜索图像,其中,待搜索图像指的是待查找区域中包括的图像;
匹配模块,用于通过神经网络算法将多个待搜索图像逐一与对准图案模板匹配,并获取匹配度;例如,还可以通过计算图像的相似度得到,具体地相似度计算方法可以采用欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离、余弦距离等来衡量两张图像的相似度,在此不再详细赘述;
识别模块,将获取的匹配度按照从高到低的顺序排列,识别出对准图案。
进一步地,在通过识别模块得到对准图案的同时,可以列举出匹配度,对准图案中心的X、Y方向坐标,旋转角度,拟合误差,目标覆盖度,杂斑占比,缩放比例等参数。
在一个实施例中,所述图像处理系统还包括模板训练模块,用于对对准图案进行训练。具体地,模板训练模块包括:
图形获取单元,获取晶圆上的真实对准图案(可通过相机直接拍摄得到),并且将其设定为训练区域;
坐标设定单元,用于设置训练区域原点和坐标系,具体地,将对准图案中心设置为训练区域原点,并建立XY坐标系;
训练区域划分单元,用于将训练区域划分为多个局部训练区域;
训练参数设置单元,用于设置训练参数,训练参数的设置指的是训练模式、局部训练区域的选择以及特征提取结果的显示等,其中特征提取指的是对图形的特征提取;
训练单元,对每个局部训练区域进行训练,每个局部训练区域至少存储一个从训练数据中获得的模板;
受训特征评价单元,计算训练获得的模板粒度大小,判断是否具有足够信息量用于目标识别定位(即是否可以用作对准图案模板),其中,目标识别定位指的是对对准图案的识别。
图4a-图4c分别是本发明中显微镜组、掩模和晶圆不同状态下的示意图,如图4a-图4c所示,所述掩模对准系统还包括显微镜组,用于获取掩模标记51的中心位置坐标、晶圆标记52的中心位置坐标。由于接近式或接触式曝光中掩模与晶圆之间距离较小,故采用以下上下双物镜的测量方式。优选地,显微镜组包括上物镜61和下物镜62,所述上物镜61安装在掩模3的上方,用于搜索并获取晶圆标记52图形,通过所述晶圆标记图形获取晶圆标记52中心的位置坐标;所述下物镜62安装在所述晶圆4的下方,用于搜索并获取掩模标记51图形,通过所述掩模标记图形获取掩模标记51中心的位置坐标。通过下物镜62的出射光束可以对已安装就位的掩模3上的掩模标记51进行搜索,通过图像识别方法获得掩模标记图形,并对获取的掩模标记图形进行数字化处理,以获取掩模标记51的中心位置坐标,并且,下物镜62可将掩模标记51的中心位置坐标传输至控制系统,以便于控制系统根据掩模标记51的中心位置坐标控制第二驱动机构调整晶圆工件台的位置,从而更方便将掩模标记51和晶圆标记52对准。同样地,通过上物镜61的出射光束可以对已安装就位的晶圆4上的晶圆标记52进行搜索,通过图像识别方法获得晶圆标记图形,并对获取的晶圆标记图形进行数字化处理,以获取晶圆标记52的中心位置坐标,并且,上物镜61可将晶圆标记52的中心位置坐标传输至控制系统,以便于控制系统根据晶圆标记52的中心位置坐标控制第一驱动机构调整掩模工件台的位置,从而便于将掩模标记51和晶圆标记52对准。
需要说明的是,图2中均仅对掩模3和晶圆4进行示意性表示,并不用于限定其形状。
所述掩模对准系统还包括人机界面,所述人机界面用于显示掩模标记51的实时位置坐标、晶圆标记52的实时位置坐标、将掩模标记51和晶圆标记52对准时的对准图案。图6是本发明中掩模标记和晶圆标记对准时的对准图案示意图,如图6所示,掩模标记51的外轮廓呈方形,内部具有中空的十字形,晶圆标记52呈十字形,对准指的是方形中心和晶圆标记的十字形中心对准。
本发明中,掩模标记51和晶圆标记52均可以有多个,对准时,将掩模标记51和晶圆标记52一一对应。
在一个实施例中,所述晶圆工件台包括:XY运动台、Z轴晶圆卡盘、真空吸盘和气压缸,其中,真空吸盘安装在XY运动台上,Z轴晶圆卡盘用于卡在晶圆的周边,气压缸用于将晶圆4吸附在真空吸盘上。XY运动台用于在XY平面内运动,调整X坐标和Y坐标,Z轴晶圆卡盘具有高分辨率的旋转轴,可以调整晶圆4的旋转角度。通过第二驱动机构驱动XY运动台的移动,同时带动其上吸附的晶圆4运动,从而可以调整晶圆标记52的位置,使得晶圆标记52与掩模标记51对准。
优选地,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤包括:
将掩模3安装在掩模工件台,将晶圆4安装在晶圆工件台;
通过掩模工件台的移动确定掩模3的位置;
通过显微镜组搜索掩模3上的掩模标记51、晶圆4上的晶圆标记52,并获取掩模标记51的中心位置坐标和晶圆标记52的中心位置坐标;
根据掩模标记51和晶圆标记52的中心位置坐标控制晶圆工件台中的XY运动台运动,带动晶圆4运动,使得掩模标记51与晶圆标记52相重合。
图5是本发明中掩模标记和晶圆标记对准前的示意图,如图5所示,(x1,y1)指的是掩模标记51的中心位置坐标,(x2,y2)指的是晶圆标记52的中心位置坐标,θ指的是晶圆标记相对于水平线的旋转角度。进一步地,根据掩模标记51和晶圆标记52的中心位置坐标控制晶圆工件台中的XY运动台运动,带动晶圆4运动,使得掩模标记51与晶圆标记52相重合,具体包括:控制XY运动台在XY平面内做平面运动,使得晶圆标记中心点与掩模标记中心点之间的欧式距离控制XY运动台绕Z轴转动,使得θ=0。
掩模对准系统通过掩模工件台与XY运动台的配合移动,将掩模标记51与晶圆标记52对准,可以实现亚微米级掩模对准精度,为实现高精度光刻奠定基础。
进一步地,通过掩模对准系统将掩模标记51与晶圆标记52对准的步骤,还包括:通过图像处理系统校准掩模标记51与晶圆标记52的重合度。通过图像处理系统可以保证重合精度,从而提高光刻精度。
在一个实施例中,所述图像处理系统通过下述步骤进行对准图案识别,校准掩模标记与晶圆标记的重合度:
获取经过训练得到的对准图案模板,其中,对准图案指的是将掩模标记和晶圆标记对准后得到的图案;
设定运行参数,所述运行参数包括待查找区域范围、图像缩放大小、停止查找的接受阈值(即在接受阈值范围之内进行图像查找);
在待查找区域范围内遍历得到多个待搜索图像,其中,待搜索图像指的是待查找区域中包括的图像;
通过神经网络算法将多个待搜索图像逐一与对准图案模板匹配,并获取匹配度;例如,还可以通过计算图像的相似度得到,具体地相似度计算方法可以采用欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离、余弦距离等来衡量两张图像的相似度,在此不再详细赘述;
将获取的匹配度按照从高到低的顺序排列,识别出对准图案。
进一步地,在通过识别模块得到对准图案的同时,可以列举出匹配度,对准图案中心的X、Y方向坐标,旋转角度,拟合误差,目标覆盖度,杂斑占比,缩放比例中的一种或多种。
在一个实施例中,获取经过训练的对准图案模板包括对对准图案进行训练的步骤,具体地,包括:
获取晶圆上的真实对准图案(可通过相机直接拍摄得到),并且将其设定为训练区域;
设置训练区域原点和坐标系,具体地,将对准图案中心设置为训练区域原点,并建立XY坐标系;
将训练区域划分为多个局部训练区域;
设置训练参数,包括训练模式、局部训练区域的选择以及特征提取结果的显示等,其中特征提取指的是对图形的特征提取;
对每个局部训练区域进行训练,每个局部训练区域至少存储一个从训练数据中获得的模板;
评价受训特征,通过计算训练获得的模板粒度大小,判断是否具有足够信息量用于目标识别定位(即是否可以用作对准图案模板),其中,模板粒度表征的是图形的细化程度,粒度越小,细化程度越大,目标识别定位指的是对对准图案的识别。
在一个实施例中,通过掩模对准系统将掩模标记51与晶圆标记52对准的步骤,还包括:通过人机界面显示掩模标记51的中心位置坐标、晶圆标记52的中心位置坐标、掩模标记51和晶圆标记52对准时的对准图案。通过人机界面可以更直观地显示掩模标记51和晶圆标记52的对准情况,便于控制系统对第一驱动机构和第二驱动机构的控制。
在一个实施例中,通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上的步骤包括:将晶圆4的表面划分为多个大小相同的矩形区域的网格单元,网格单元的大小具体根据曝光需求划分;将晶圆工件台按照蛇形移动,并按照蛇形路线依次曝光各个网格单元,传递掩模图案。图6是本发明中步进运动的示意图,如图7所示,用1~9分别表示九个网格单元,箭头方向表示步进运动的方向,以蛇形路线依次对1~9九个网格单元进行曝光,实现大曝光区域的曝光。
需要说明的是,本发明中,步进运动是晶圆工件台的步进运动,更进一步地说,指的是晶圆工件台中XY运动台的步进运动,通过控制系统控制第二驱动机构驱动XY运动台的移动。并且,本发明中对第二驱动机构的具体构成并不限于伺服电机,也可以是步进电机等。
以上仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,包括:
利用UV-LED光源作为光刻光源,以形成光强均匀分布的曝光场;
通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准;
通过微透镜阵列对所述UV-LED光源的出光光束进行准直,并在掩模表面形成正方形曝光光斑;
通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上。
2.根据权利要求1所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤包括:
将掩模安装在掩模工件台,将晶圆安装在晶圆工件台,其中,晶圆工件台包括:XY运动台、Z轴晶圆卡盘、真空吸盘和气压缸,真空吸盘安装在XY运动台上,Z轴晶圆卡盘用于卡在晶圆的周边,气压缸用于将晶圆吸附在真空吸盘上;
通过掩模工件台的移动确定掩模的位置;
通过显微镜组搜索掩模上的掩模标记、晶圆上的晶圆标记,并获取掩模标记的中心位置坐标和晶圆标记的中心位置坐标;
根据掩模标记和晶圆标记的中心位置坐标控制XY运动台运动,带动晶圆运动,使得掩模标记与晶圆标记相重合。
4.根据权利要求2所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤,还包括:
通过图像处理系统校准掩模标记与晶圆标记的重合度。
5.根据权利要求4所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,所述图像处理系统通过下述步骤进行对准图案识别,校准掩模标记与晶圆标记的重合度,包括:
获取经过训练得到的对准图案模板,其中,对准图案指的是将掩模标记和晶圆标记对准后得到的图案;
设定运行参数,所述运行参数包括待查找区域范围、图像缩放大小、停止查找的接受阈值;
在待查找区域范围内遍历得到多个待搜索图像;
通过神经网络算法将多个待搜索图像逐一与对准图案模板匹配,并获取匹配度;
将获取的匹配度按照从高到低的顺序排列,识别出对准图案。
6.根据权利要求5所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,在通过识别模块得到对准图案的同时,列举出匹配度,对准图案中心的X、Y方向坐标,旋转角度,拟合误差,目标覆盖度,杂斑占比,缩放比例中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,获取经过训练的对准图案模板包括对对准图案进行训练,对对准图案进行训练的步骤包括:
获取晶圆上的真实对准图案,并且将其设定为训练区域;
设置训练区域原点和坐标系;
将训练区域划分为多个局部训练区域;
设置训练参数,包括训练模式、局部训练区域的选择以及特征提取结果的显示;
对每个局部训练区域进行训练,每个局部训练区域至少存储一个从训练数据中获得的模板;
评价受训特征,通过计算训练获得的模板粒度大小,判断是否可以用于目标识别定位。
8.根据权利要求2所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,通过掩模对准系统将掩模标记与晶圆标记对准的步骤,还包括:
通过人机界面显示掩模标记的中心位置坐标、晶圆标记的中心位置坐标、掩模标记和晶圆标记对准时的对准图案。
9.根据权利要求2所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,通过步进式曝光将掩模图案传递到涂有光刻胶的晶圆上的步骤包括:
将晶圆表面划分为多个大小相同的矩形区域的网格单元;
将晶圆工件台按照蛇形移动,并按照蛇形依次曝光各个网格单元,传递掩模图案。
10.根据权利要求1所述的基于UV-LED光刻光源的步进式曝光方法,其特征在于,正方形曝光光斑的尺寸为50×50mm。
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