CN113156775A

CN113156775A - 一种接近式曝光光源及曝光方法

Info

Publication number: CN113156775A
Application number: CN202110458931.6A
Authority: CN
Inventors: 张顺平; 李文豪
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2021-07-23

Abstract

本发明属于半导体制程技术领域，并具体公开了一种接近式曝光光源及曝光方法，其包括紫外线激光器和光学透镜，其中：紫外线激光器安装在光学透镜的光心连线上，位于光学透镜焦深范围内；紫外线激光器和光学透镜间安装有狭缝。曝光时：S1接近式曝光光源与待曝光样品相对移动，光源发出的紫外线光区扫描通过整个待曝光样品表面；S2判断是否曝光结束，若未结束，使接近式曝光光源与样品均反向，再次相对移动，使紫外线光区扫描通过整个样品表面；若结束，完成曝光；S3重复S2，直至完成样品曝光。本发明利用紫外线激光器作为光源，配合狭缝和光学透镜得到高度平行线光源，简化了曝光光源结构，且体积小、集成性好，可实现面区域扫描式曝光。

Description

一种接近式曝光光源及曝光方法

技术领域

本发明属于半导体制程技术领域，更具体地，涉及一种接近式曝光光源及曝光方法。

背景技术

目前，商用的光刻机按照曝光方式主要可分为接触式光刻机、接近式光刻机和投影式光刻机三类。这其中，接触式光刻机因为对掩膜版损伤很大而被淘汰；投影式光刻机光路系统复杂，成本昂贵，导致其主要应用于关键尺寸在亚微米甚至纳米级的生产中。对于关键尺寸在微米级的微型器件而言，投影式光刻机显得不够经济，而接近式光刻机因其高分辨率，成本低廉以及对掩模版损伤较小等特点在关键尺寸为微米级的微型器件生产中脱颖而出。

对于接近式光刻机而言，最重要的组成部分之一是光源系统。商用的接近式光刻机大都采用汞灯点光源配合复杂的光路系统，采用面曝光的方式对样品进行曝光。这种光源以及曝光方法存在一些不足之处，主要体现在：(1)曝光时使用的光源一般为汞灯点光源，为了得到高度平行且能量集中的紫外光，需要非常复杂的光路系统，这意味着组成光路系统需要多个平面镜以及多种不同的光学透镜配合使用，不仅增加了光路系统及结构的设计难度，也使得光路系统体积庞大，价格昂贵且不便于集成化；(2)面曝光时，曝光区域的能量分布不均，这将导致曝光大尺寸样品时，样品表面各处曝光程度不一，从而影响光刻效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种接近式曝光光源及曝光方法，其目的在于，简化曝光光源系统结构，实现体积小、集成性好的接近式曝光光源，可实现面区域扫描式曝光，使曝光均匀。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种接近式曝光光源，包括紫外线激光器和光学透镜，其中：所述紫外线激光器安装在所述光学透镜的光心连线上，且位于该光学透镜的焦深范围内；所述紫外线激光器和所述光学透镜间安装有狭缝。

作为进一步优选的，所述狭缝的宽度为5μm～20μm。

作为进一步优选的，还包括支架，该支架下端安装所述光学透镜，支架上端设有多个安装位，该安装位用于安装所述紫外线激光器。

作为进一步优选的，所述支架外设有遮光防尘罩，该遮光防尘罩用于防止紫外线激光器产生的紫外线激光发散。

作为进一步优选的，所述遮光防尘罩材质为金属、亚克力、塑料中的一种。

作为进一步优选的，所述支架材质为铝合金。

作为进一步优选的，所述紫外线激光器的功率为100mW～1000mW。

作为进一步优选的，所述光学透镜包括凸透镜、凹面镜、平面镜中的一种或多种组合。

按照本发明的另一方面，提供了一种曝光方法，其采用上述接近式曝光光源实现，包括如下步骤：

S1接近式曝光光源与待曝光样品相对移动，使接近式曝光光源发出的紫外线光区扫描通过整个待曝光样品表面；

S2、判断是否曝光结束，若未结束，则使接近式曝光光源与待曝光样品均反向，再次相对移动，使接近式曝光光源发出的紫外线光区扫描通过整个待曝光样品表面；若结束，则完成曝光；

S3、重复步骤S2，直至完成待曝光样品曝光。

作为进一步优选的，曝光时，待曝光样品单位面积单位时间内受到曝光的能量为10mJ～55mJ。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的接近式曝光光源，其将常见的汞灯、LED等替换为功率低、能量高度集中且线性度极好的紫外线激光器，并利用狭缝对所述紫外线激光器输出的紫外激光进行初步优化，最少仅需要利用一片凸透镜便可得到高度平行的窄线宽光源，在不损失曝光强度的同时，提高了曝光效率，并减小了光路系统的复杂程度，进而简化了光源结构，缩小了曝光光源体积，降低了制造成本；同时该接近式曝光光源体积小，集成性好，可与任一种扫描步进式载物系统配合，适用性及实用性强。

2.本发明在紫外线激光器和光学透镜间设置狭缝，该狭缝可以减小紫外线激光器发出的紫外激光线宽，使其能量更加集中，从而对紫外线激光器输出的紫外激光质量进行初步优化；同时，考虑到透过紫外光的能量不宜过小或过大，进一步确定了该狭缝宽度。

3.本发明通过设计支架的结构，使接近式曝光光源可以作为配件与任意接近式光刻机及微制造平台等集成，适配性及兼容性好；同时在支架上设置了多个紫外线激光器安装位，可以满足不同曝光强度配合的要求。

4.本发明中紫外线激光器的功率为100mW～1000mW，主要考虑功耗及可能对样片造成伤害等因素，紫外激光器的功率不应太大，同时，若紫外激光器的功率太小，达到所需曝光能量花费的时间会变长，效率降低，以此确定紫外线激光器功率范围。

5.本发明提出的曝光方法利用扫描的方式对样品进行曝光，避免了面整体曝光时所导致的曝光能量不均；进而，由于采用的接近式曝光光源的体积小，使得它在曝光过程中也可以移动，这样曝光时让载物系统与接近式曝光光源相向移动，缩短了单次扫描所用的时间，提高了工艺效率。

附图说明

图1为本发明实施例接近式曝光光源结构示意图；

图2为本发明实施例接近式曝光光源结构爆炸图；

图3为本发明实施例接近式曝光光源曝光光路示意图；

图4为本发明实施例接近式曝光光源曝光方法流程图；

图5为本发明实施例曝光陶瓷衬底的光刻胶所得光刻图形的显微图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-紫外线激光器，2-遮光防尘罩，3-支架，4-光学透镜，5-狭缝。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种接近式曝光光源，如图1和图2所示，包括紫外线激光器1、遮光防尘罩2、支架3、光学透镜4和狭缝5，其中：所述紫外线激光器1安装在所述光学透镜4的光心连线上，且紫外线激光器1位于该光学透镜4的焦深或等价焦深范围内；所述支架3下端安装所述光学透镜4，支架3上端设有多个安装位，该安装位用于安装所述紫外线激光器1，紫外线激光器1与支架3采用螺丝固定，上下位置可调；所述狭缝5安装在所述支架3上，且位于光学透镜4正上方；所述支架3外设有遮光防尘罩2，该遮光防尘罩2用于防止紫外线激光器1产生的紫外线激光发散。

具体的，对于早期提供紫外点光源的汞灯，其寿命短、功耗高，至今已几乎不被应用。尽管后续人们提出用紫外LED阵列来延长寿命并减小功耗，但LED体积小，功率低，要得到均匀且能量足够的曝光区域，必须借助复杂的光学系统设计(小透镜阵列、多种光学透镜的组合等方法)来实现，这增加了接近式曝光光源的制造难度并可能造成光源体积的增大。相对的，本发明所采用的紫外激光器体积小，功耗低，且能够长时间提供线性度极好，能量集中的紫外光，简化了光学系统的设计；另外，通过所述紫外线激光器输出的线激光区域相比于汞灯或LED光源提供的面激光区域而言，能量分布更加均匀，加以扫描的曝光方式，能够高效实现大面积的样品曝光操作。

进一步的，所述紫外线激光器1是激光手电，准分子激光器中的任意一种；紫外线激光器1提供的紫外光为近紫外光，其波长为200nm～400nm，优选紫外光波长为365nm；同时，考虑功耗及可能对样片造成伤害等因素，所述紫外激光器的功率不应太大，然而功率太小，达到所需曝光能量花费的时间会变长，效率降低，依此将紫外线激光器1的功率设为100mW～1000mW，进一度优选为500W。

进一步的，狭缝5用于减小紫外线激光器1发出的紫外激光线宽，使其能量更加集中，以达到初步优化紫外光质量的作用；狭缝5的宽度为5μm～20μm，长度任意。

进一步的，光学透镜4用于将紫外线激光器发出的紫外激光转化为高度平行的紫外激光，光学透镜4包括凸透镜、凹面镜、平面镜中的一种或多种组合，各镜片的数量任意，且各镜片相对位置应满足其光心在同一条直线上。进一步的，所述支架3主要用于确定紫外线激光器1、狭缝5与光学透镜4的相对位置，其为组装式或一体式，材质可以是金属、塑料等的任意一种或多种的组合，优选为铝合金。

进一步的，所述遮光防尘罩2用于防止紫外线激光器产生的紫外线激光发散以及防止灰尘污染，其为组装式或一体式的，材质为金属、亚克力、塑料中的一种或多种组合，优选为黑色不透光亚克力。

上述接近式曝光光源结构工作时，如图3所示，为它的光路(点画线箭头方向)示意图：高度平行且能量集中的紫外激光从接近式曝光光源发出，紫外激光沿黑色点画线箭头所示光路传播，并在样品上形成线状紫外光区域。

采用上述接近式曝光光源进行曝光，包括如下步骤：

S3、重复步骤S2，直至完成待曝光样品曝光。

进一步的，待曝光样品单位面积单位时间内受到曝光的能量为10mJ～55mJ；优选的，所述载物系统与所述接近式曝光光源相对移动，且两者相对移动时，其速度大小相等，方向相反。

为使曝光过程更加清楚，如图4所示，曝光过程具体包括如下步骤：

S1将接近式曝光光源安装在载物台上方，并在载物台上放置样品，将此时接近式曝光光源和载物台的状态称为初始状态；

S2通过远端程序控制所述接近式曝光光源开启，在载物台上形成线状紫外光区域；

S3通过远端程序控制接近式曝光光源与所述载物台相向移动，移动方向参见图4(实线箭头表示所述载物台的移动方向，虚线箭头表示所述接近式曝光光源的移动方向)，使紫外线光区域扫描通过整个样品表面；

S4若本次曝光结束，则先通过远端程序控制所述接近式曝光光源关闭，再控制接近式曝光光源和载物台各自向相反的方向移动至原位，最后将样品取下进行光刻的后续操作；若本次曝光未结束，则直接控制所述接近式曝光光源和所述载物台各自向相反的方向移动，使接近式曝光光源产生的线状紫外光区域在样品上再次扫描通过；

S5若经过S4步骤后曝光操作结束，则直接关闭接近式曝光光源，取下样品并进行光刻的后续操作；若曝光操作尚未结束，则重复步骤S3和S4，通过同时控制接近式曝光光源和载物台相向移动使线状紫外光区域在样品表面不断扫描，直至曝光结束，控制接近式曝光光源和载物台回到初始状态后取下样品进行光刻的后续操作。

采用功率为500mW、波长为365nm的紫外激光手电，宽度10um、长度100mm的狭缝，以及上述曝光方法曝光陶瓷衬底的光刻胶，所得光刻图形的显微照片如图5所示，曝光所得效果与设计掩模版图案一致。

综上所述，本发明提出的接近式曝光光源体积小、结构简单、价格便宜。紫外光发生器采用能量集中且线性度良好的线激光手电，并采用扫描曝光的方式对样品进行曝光，一方面，相比于汞灯、LED等光发生器而言，紫外线激光器能量分布均匀，在不影响曝光程度的前提下，提高了曝光效率；另一方面，本发明提出的接近式曝光光源可以通过设计支架的结构来配合任意一种接近式光刻机，适配性好。这意味着本发明在接近式光刻机的设计与制造、集成器件微制造平台的开发等方面具有广泛的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种接近式曝光光源，其特征在于，包括紫外线激光器(1)和光学透镜(4)，其中：所述紫外线激光器(1)安装在所述光学透镜(4)的光心连线上，且位于该光学透镜(4)的焦深范围内；所述紫外线激光器(1)和所述光学透镜(4)间安装有狭缝(5)。

2.如权利要求1所述的接近式曝光光源，其特征在于，所述狭缝(5)的宽度为5μm～20μm。

3.如权利要求1所述的接近式曝光光源，其特征在于，还包括支架(3)，该支架(3)下端安装所述光学透镜(4)，支架(3)上端设有多个安装位，该安装位用于安装所述紫外线激光器(1)。

4.如权利要求3所述的接近式曝光光源，其特征在于，所述支架(3)外设有遮光防尘罩(2)，该遮光防尘罩(2)用于防止紫外线激光器(1)产生的紫外线激光发散。

5.如权利要求4所述的接近式曝光光源，其特征在于，所述遮光防尘罩(2)材质为金属、亚克力、塑料中的一种。

6.如权利要求3所述的接近式曝光光源，其特征在于，所述支架(3)材质为铝合金。

7.如权利要求1所述的接近式曝光光源，其特征在于，所述紫外线激光器(1)的功率为100mW～1000mW。

8.如权利要求1-7任一项所述的接近式曝光光源，其特征在于，所述光学透镜(4)包括凸透镜、凹面镜、平面镜中的一种或多种组合。

9.一种曝光方法，采用如权利要求1-8任一项所述的接近式曝光光源实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1、接近式曝光光源与待曝光样品相对移动，使接近式曝光光源发出的紫外线光区扫描通过整个待曝光样品表面；

S3、重复步骤S2，直至完成待曝光样品曝光。

10.如权利要求9所述的曝光方法，其特征在于，曝光时，待曝光样品单位面积单位时间内受到曝光的能量为10mJ～55mJ。