CN114442440A - 一种光刻机 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例提出了一种光刻机，所述光刻机包括控制装置、激光光源、电光调制器、光纤传输系统、光聚焦系统以及电驱动工件台，所述控制装置与所述电光调制器以及所述电驱动工件台连接，所述控制装置用于基于设计版图控制所述电光调制器对于所述激光光源发射的激光进行调制得到相应的曝光脉冲以及控制所述电驱动工作台进行运动。本公开实施例利用电光调制器对激光进行光强度的开关调制，调制的频率可以达到100GHz，利用同步化的电驱动工件台和电光调制在涂覆光刻胶的半导体晶圆或其他研发试样上形成大面积的微米纳米级图案，适用于集成电路或其它类似集成微纳系统研究、研发和生产。

Description

一种光刻机
技术领域
本公开涉及一种芯片或者集成电路的制造领域，尤其涉及一种光刻机。
背景技术
光刻机是利用紫光或紫外光的光子照射涂覆在晶圆或试样表面的光刻胶 (感光胶)使光刻胶分子大小产生变化得到在特定溶剂中的溶解度产生对比度。利用该溶剂对晶圆/试样表面上涂覆的经过选择性曝光的光刻胶进行显影行程图案。光刻机是芯片生产线的核心技术，曝光光刻胶后能得到的最小线宽是光刻机的最重要指标和芯片产线先进程度的表征。一条最先进的芯片产线，通常根据晶体管集成度高低和芯片布线要求，在其晶体管制造工艺(前道)和晶体管间金属互连工艺(后道)分别配置1台或多台各种不同加工精度的光刻机。光刻机按其在光刻胶上形成图案的方式分为两大类。第一类是把强度分布均匀的光斑，通过具有透明和不透明区域图案的光刻掩模板后在光刻胶上行程与掩模板图案高度保真的像。这类光刻机广泛用于半导体的生产线上。第二类光刻机是利用一束聚焦后的光在感光胶上扫描需要曝光的区域，或利用空间光调制器对均匀的光斑分区域调制光强形成空间上明暗对比的图案后在感光胶上实现曝光，这类光刻机因不需要光刻掩模版被称为无掩模光刻机，前者也叫激光直写，后者也被称为LDI。上述两类光刻机的设计都采用自由空间光学结构，即从光源发出的光到达光刻胶表面的过程中，光线都裸露在空气中。对于高精度的图形曝光，光路上空气因温度、气流、悬浮微粒都会对设备和曝光结果产生影响。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提出了一种光刻机，以解决现有技术中的现有光刻机采用自由空间光学结构，即从光源发出的光到达光刻胶表面的过程中，光线都裸露在空气中等问题。
一方面，本公开提供一种光刻机，所述光刻机包括控制装置、激光光源、电光调制器、光纤传输系统、光聚焦系统以及电驱动工件台，所述控制装置与所述电光调制器以及所述电驱动工件台连接，所述控制装置用于基于设计版图控制所述电光调制器对于所述激光光源发射的激光进行调制得到匹配的曝光光脉冲以及控制所述电驱动工作台进行运动。
在一些实施例中，所述控制装置用于将所述设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据，基于所述光刻数据生成针对所述电光调制器的电光调制信号以及针对所述电驱动控制台的工件台控制信号。
在一些实施例中，所述激光光源采用固体激光器、半导体激光器、气体激光器中的任意一种或者采用多个相同或者不同的连续激光器组成的阵列激光器。
在一些实施例中，所述激光光源发射的激光的波长在193nm到405nm的范围内，发射激光的功率在1mW到1kW的范围内，所述激光光源的激光发射的方式是以向自由空间发射的方式或者以耦合光纤输出的方式。
在一些实施例中，所述电光调制器至少包括高频电信号发生器，所述高频电信号发生器产生的电脉冲经过放大后通过电光调制方式调整光波导的两臂的光相位，以形成具有目标宽度的脉冲光信号。
在一些实施例中，所述光纤传输系统用于传输经过调制的光信号的光纤，所述光纤采用单膜或多模光纤。
在一些实施例中，所述光纤采用有机光纤或石英光纤制成。
在一些实施例中，所述光聚焦系统采用能够与所述光纤传输系统耦合的光纤透镜。
在一些实施例中，所述电驱动工件台包括多个驱动装置以实现光刻材料上的曝光位置在XYZ三个轴向的定位和控制，其中，X轴和Y轴位于所述光聚焦系统实现光信号聚焦的焦平面上，Z轴是沿与该焦平面垂直的方向。
在一些实施例中，所述电驱动工件台包括第一驱动装置、第二驱动装置以及第三驱动装置，所述第一驱动装置控制所述电驱动工件台在Z轴方向上的运动，其Z轴方向上的定位和控制精度为100nm-10um量级，所述电驱动工作台在Z轴方向上运动的最大位移量在5mm到50mm之间以及所述第二驱动装置和所述第三驱动装置分别控制所述电驱动工件台在X轴和Y轴方向上的运动，其在X轴和Y轴两个轴向的定位和控制精度控制在2nm到1um之间，所述电驱动工作台在X轴和Y轴方向上的运动最大位移量为50mm到320mm。
本公开实施例利用光纤连接激光光源和光聚焦系统，避免自由空间的光学光刻机在设计和生产上采用复数个光学透镜或透镜组，光纤光刻机光路简单，制造和维护成本都大大降低；光纤连接从光源到光聚焦系统，可以大大缩短光路的长度；采用电光调制实现对光刻的激光光能的开关，结合电驱动工作台的移动，实现光刻的图案化功能，光电调制技术可以实现达到100GHz 的图案产生频率，比无掩模的电子束曝光机图案发生器100MHz的图形发生器频率高100倍以上，相应的图案加工速率也可以提高100倍。本公开实施例利用电光调制器对激光进行光强度的开关调制，调制的频率可以达到 100GHz，利用同步化的电驱动工件台和电光调制在涂覆光刻胶的半导体晶圆或其他研发试样上形成大面积的微米纳米级图案，适用于集成电路或其它类似集成微纳系统研究、研发和生产。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例的光刻机的系统示意图；
图2为本公开实施例的光刻机的控制装置的结构示意图；
图3为本公开实施例的光刻机的激光光源的结构示意图；
图4为本公开实施例的光刻机的光聚焦系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
本公开实施例涉及一种光刻机，其用于基于预先设置的光刻设计版图在光刻材料上通过曝光的方式实现光刻操作，如图1所示，图1示出了所述光刻机的结构示意图，所述光刻机包括控制装置1、激光光源2、电光调制器3、光纤传输系统4、光聚焦系统5以及电驱动工件台6；这里的所述光刻材料例如是通过旋涂、喷胶或其它工艺涂覆光刻胶的晶圆或者其他光刻材料，所述光刻材料设置在所述电驱动工作台6上，所述激光光源2用于向所述光刻材料发射连续激光以实现曝光；其中，所述控制装置1与所述电光调制器3以及所述电驱动工件台6连接，其分别用于基于所述设计版图控制所述电光调制器3对于所述激光光源2发射的激光进行调制得到匹配的曝光脉冲以及控制所述电驱动工作台6的运动。这样，经过调制的脉冲激光能够针对设置在所述电驱动工作台6上的所述光刻材料实现曝光以完成光刻操作。
具体地，如上所述，所述控制装置1分别用于基于所述设计版图控制所述电光调制器3对于所述激光光源2发射的激光进行调制以及控制所述电驱动工作台6进行运动；其中，所述控制装置1可以采用人机界面的方式进行控制设置。首先，例如通过图形软件设计出符合集成电路/芯片或其他集成微纳系统的设计版图，或者基于第三方设计软件输入以上符合要求的设计版图，并把所述设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据，这里的所述光刻数据是指针对所述光刻材料与实现曝光相关的数据，最后基于所述光刻数据生成针对所述电光调制器3的电光调制信号11以及针对所述电驱动控制台6的工件台控制信号12。
进一步地，所述控制装置1通过所述电光调制信号11对所述激光光源2 发射的连续激光进行调制，从而得到所述光刻操作所需要的宽度匹配的曝光脉冲；所述控制装置1通过所述工件台控制信号12控制所述电驱动工件台6 进行运动以在曝光点位置实现曝光操作。
这样，所述控制装置1能够通过所述电光调制信号11和所述工件台控制信号12同步控制所述电光调制器3和所述电驱动工件台6，从而实现在设置在所述电驱动工作台上的光刻材料上执行曝光操作，最终实现精密的光刻功能。
其中，如图2所示，所述控制装置1基于例如通过所述设计版图获取所述光刻材料需要的与曝光相关的数据，并通过将与曝光相关的数据通过DAC 模块或者ADC模块分解为驱动装置控制数据和对应的电光调制数据。其中，所述驱动装置控制数据至少包括为满足光刻工艺需要的晶圆等光刻材料上所有曝光位置和不需要曝光位置的位置信息、每个位置对应的所述电驱动工件台6上光刻材料的位置的定位信息和驱动装置的移动控制数据；所述电光调制数据至少包括对应于每个曝光位置和不需要曝光位置的电压信号信息和脉冲宽度信息。其中，所述电光调制信号11以及所述工件台控制信号12分别基于所述驱动装置控制数据和对应的所述电光调制数据形成。
下面分别详细介绍所述光刻机1中的各部件：
这里的用于发射激光的所述激光光源2包括电源21以及激光器22，这里的所述激光光源2可以采用多种激光器，例如固体激光器、半导体激光器或气体激光器，也可以是多个相同或者不同的激光器组成的阵列激光器，这里的所述激光光源2发射的激光的波长可以在193nm到405nm的范围内，发射的是连续激光，发射激光的功率可以在1mW到1kW的范围内，所述激光光源2的激光发射的方式可以是以向自由空间发射的方式或者以耦合光纤输出的方式，这里优选地采用能够以光纤输出方式发射激光的激光器，以便于与后面的所述光纤传输系统4耦合进行光的传输。
进一步地，如图3所示，如果所述激光光源2采用向自由空间发射的方式的激光器，所述激光光源2至少包括光聚焦装置23，经过所述光聚焦装置 23聚焦后的光斑可以直接耦合到后面的所述光纤传输系统4的光纤接头中。
这里的所述电光调制器3包括高频电信号发生器，所述高频电信号发生器通过接收所述控制装置1发送的所述电光调制信号11，其产生的电脉冲经过放大后可以通过电光调制方式调整光波导的两臂的光相位，以形成具有目标宽度的曝光脉冲，从而直接输入到所述光纤传输系统4中。
这里的所述光纤传输系统4是指用于传输经过调制的光信号的光纤，用于接收经过所述电光调制器3调制后的曝光脉冲的信号，这里的所述光纤可以采用单膜或多模光纤，其材质可以采用有机光纤或石英光纤制成，这里优选采用单模石英光纤，所述光纤传输系统4输出的曝光脉冲信号用于实现曝光。
这里的所述光聚焦系统5是一个整体的光学器件，其用于实现将所述光纤传输系统4输出的用于曝光的曝光脉冲信号在所述电驱动工作台6上设置的例如晶圆等光刻材料的焦平面上形成最小的光斑，从而实现高精度的光刻。其中，所述光聚焦系统5可以优选采用和所述光纤传输系统4耦合在一起的光纤透镜，如图4所示，所述光纤透镜包括光纤外芯51，所述光纤外芯51 能够与所述光纤传输系统4实现结构上的连接以便于光信号的传输，在所述光纤外芯51中设置光纤内芯52。光聚焦系统5的光出射端只有突出的光纤内芯52，所述光纤内芯52有适当的曲面结构，对出射曝光脉冲或光束形成聚焦功能，其焦平面是曝光时光刻胶指定的曝光位置。所述光纤内芯52发射的曝光脉冲信号在所述光聚焦系统5的聚焦面上实现聚焦。这样的所述光纤透镜能够与所述光纤传输系统4实现结构上的结合，并能够显著实现聚焦的效果。
这里的所述电驱动工件台6包括多个驱动装置以实现所述光刻材料上的曝光位置在XYZ三个轴向的精密定位和控制，这里的所述驱动装置例如可以是电机单元，其中，X轴和Y轴是位于所述光聚焦系统5实现曝光脉冲聚焦的焦平面上，Z轴是沿与该焦平面垂直的方向。
进一步地，所述电驱动工件台6在Z轴方向上的定位和控制精度为 100nm-10um量级，为此，对于Z轴方向上的运动控制可以优选采用步进电机，也可以采用压电电机实现，这里的所述电机单元控制所述电驱动工作台6运动的最大位移量在5mm到50mm之间；
所述电驱动工件台6的在X轴和Y轴方向上的运动分别由两组独立的电机单元控制，每组所述电机单元至少包括步进电机和压电电机，每组所述电机单元的定位精度例如可以由激光干涉器实现，例如利用激光干涉器发射的定位信号和压电电机的驱动信号组成闭环控制信号以控制定位，这样，使得位于焦平面内的X轴和Y轴两个轴向的定位和控制精度控制在2nm到1um之间，所述电机单元控制所述电驱动工作台6的运动最大位移量为50mm到 320mm。当然，所述电驱动工件台6也可以具有焦平面内的转动和XY面法线偏离聚焦光线的倾斜定位和控制能力。
为实现例如在半导体晶圆或其他材料等光刻材料的表面形成大面积并且高精度的微纳结构，从而满足例如集成电路和其它微纳系统的研究、研发和生产需要，本公开实施例涉及的所述光纤光刻机通过以下的方案实现光刻功能。
(1)在例如半导体晶圆或其它光刻材料的表面涂覆上具有理想厚度的光刻胶，并经过烘烤等方式将光刻胶固化后将所述光刻材料设置在所述电驱动工件台6上，所述电驱动工件台6通过控制Z轴方向运动的驱动装置实现Z 轴方向上的移动和定位，其中，将光刻胶定位在所述光聚焦系统5所形成的焦平面内；
(2)在所述控制装置1内置的设计软件上设计用于芯片或微纳系统的设计版图，或者将通过第三方软件设计得到的设计版图经过转化后导入到所述控制装置1中；其中，所述控制装置1将用于芯片或者微纳系统的设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据。
其中，所述控制装置1基于所述设计版图获取光刻操作需要的与实现曝光相关的光刻数据，并将所述光刻数据分解成驱动装置控制数据和对应的电光调制数据，其中，所述驱动装置控制数据至少包括为满足工艺光刻需要的晶圆等光刻材料上所有曝光位置和不需要曝光位置的位置信息、每个位置对应的所述电驱动工件台6上光刻材料的位置的定位和驱动装置的移动控制数据；所述电光调制数据至少包括对应于每个曝光位置和不需要曝光位置的电压信号数据和脉冲宽度数据。
(3)当例如半导体晶圆等光刻材料通过所述电驱动工作台6移动到所述光聚焦系统5的焦平面的位置后，所述控制装置1基于所述工件台控制信号 12控制所述电驱动工件台6在X轴和Y轴方向上移动，并把所述光刻材料移动到初始曝光点位置后，根据电光调制数据中每个曝光位置对应的调制电压和脉冲宽度信号，从而基于电光调制信号11调制得到匹配的曝光脉冲，最终完成在当前曝光位置的光刻操作；所述控制装置1继续控制所述电驱动工件台6在焦平面内移动，把例如半导体晶圆等所述光刻材料移动到记录的下一个曝光位置，并执行电光调制数据中对应的电光调制动作。
当基于所述控制装置1发出的针对所述电光调制器3的所述电光调制信号11以及针对所述电驱动控制台6的所述工件台控制信号12依次完成驱动装置控制数据和电光调制数据中对于每个曝光位置的曝光操作后，则完成当次光刻。
(4)完成当次光刻的例如半导体晶圆等所述光刻材料通过所述电驱动工件台6推出光纤光刻机后，进入显影、定影后其他的刻蚀或镀膜或离子注入、退火或其他相关工艺后，这样将完成本次光刻操作的所有工艺步骤。
(5)根据芯片或者微纳系统的设计版图或工艺线的实际情况，重复上述 (1)-(3)的步骤，即可完成芯片或者微纳系统的光刻工艺。
本公开实施例利用电光调制器对激光进行光强度的开关调制，调制的频率可以达到100GHz，利用同步化的电驱动工件台和电光调制在涂覆光刻胶的半导体晶圆或其他研发试样上形成大面积的微米纳米级图案。本发明适用于集成电路或其它类似集成微纳系统研究、研发和生产。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这不应当理解为要求这些操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行来执行。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实施例中。
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种光刻机，所述光刻机包括控制装置、激光光源、电光调制器、光纤传输系统、光聚焦系统以及电驱动工件台，所述控制装置与所述电光调制器以及所述电驱动工件台连接，所述控制装置用于基于设计版图控制所述电光调制器对于所述激光光源发射的激光进行调制以及控制所述电驱动工作台进行运动。
2.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述控制装置用于将所述设计版图按照加工工艺分解成多层图案，并基于每层图案生成光刻数据，基于所述光刻数据生成针对所述电光调制器的电光调制信号以及针对所述电驱动控制台的工件台控制信号。
3.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述激光光源采用固体激光器、半导体激光器、气体激光器中的任意一种或者采用多个相同或者不同的连续激光器组成的阵列激光器。
4.根据权利要求3所述的光刻机，其特征在于，所述激光光源发射的激光的波长在193nm到405nm的范围内，发射激光的功率在1mW到1kW的范围内，所述激光光源的激光发射的方式是以向自由空间发射的方式或者以耦合光纤输出的方式。
5.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述电光调制器至少包括高频电信号发生器，所述高频电信号发生器产生的电脉冲经过放大后通过电光调制方式调整光波导的两臂的光相位，以形成具有目标宽度的光脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述光纤传输系统用于传输经过调制的光信号的光纤，所述光纤采用单膜或多模光纤。
7.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述光纤采用有机光纤或石英光纤制成。
8.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述光聚焦系统采用能够与所述光纤传输系统耦合的光纤透镜。
9.根据权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述电驱动工件台包括多个驱动装置以实现光刻材料上的曝光位置在XYZ三个轴向的定位和控制，其中，X轴和Y轴位于所述光聚焦系统实现光信号聚焦的焦平面上，Z轴是沿与该焦平面垂直的方向。
10.根据权利要求9所述的光刻机，其特征在于，所述电驱动工件台包括第一驱动装置、第二驱动装置以及第三驱动装置，所述第一驱动装置控制所述电驱动工件台在Z轴方向上的运动，其Z轴方向上的定位和控制精度为100nm-10um量级，所述电驱动工作台在Z轴方向上运动的最大位移量在5mm到50mm之间以及所述第二驱动装置和所述第三驱动装置分别控制所述电驱动工件台在X轴和Y轴方向上的运动，其在X轴和Y轴两个轴向的定位和控制精度控制在2nm到1um之间，所述电驱动工作台在X轴和Y轴方向上的运动最大位移量为50mm到320mm。
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CN1286818A (zh) * 1998-03-11 2001-03-07 株式会社尼康 紫外激光装置以及使用该紫外激光装置的曝光装置和曝光方法
CN112363322A (zh) * 2020-10-12 2021-02-12 之江实验室 一种用于激光直写的共轴超分辨焦斑阵列产生装置
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