CN1212643C - 可线上清洁晶圆承座的曝光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种可线上清洁晶圆承座的曝光系统，包含有：可水平及垂直上下运动的晶圆平台、固定于该晶圆平台上的晶圆承座、激光供应源、投射镜组、聚焦镜模组、舵镜模组、层流气密舱以及惰性气体供应系统，与该层流气密舱相连接，于该层流气密舱中产生一层流气体；其中当要清洁该晶圆承座时，该晶圆平台会运动至该聚焦镜模组的正下方，并经由导入该聚焦镜模组的曝光脉冲激光照射该受有机物污染的表面，在完成该晶圆承座的激光清洁后，该晶圆平台可以会继续运动至该投射镜组的正下方，并由机械臂装载待曝光晶圆于该晶圆承座上，并利用导入该投射镜组的曝光脉冲激光对该待曝光晶圆进行曝光。

Description

可线上清洁晶圆承座的曝光系统
技术领域
本发明涉及集成电路技术，提供一种步进机台线上(On-line)晶圆承座(wafer chuck)清洁(cleaning)装置，尤指一种可线上清洁晶圆承座的曝光系统及利用激光(1aser)进行线上晶圆承座清洁的装置。
背景技术
在集成电路制程中，微影制程(lithographic process)早已成为一不可或缺的技术，通过微影制程，可将设计的图案，诸如电路图案或者是布植区域布局图案等，形成于一个或多个光罩上，然后再通过曝光制程将光罩上的图案利用步进及扫瞄机台(stepper & scanner)转移到半导体晶片上。目前比较成熟的微影技术是利用光学微影技术，使用的曝光光源包括有氟化氪(kryptonfluoride，KrF)激光(248nm)、ArF激光(193nm)以及F2激光(157nm)等，其中又以KrF激光曝光技术较为成熟，亦是较为普及的机种。而其它两种曝光技术以及非光学(non-optical)微影技术，例如EUV(extreme UV)以及电子束(e-beam)等，则都还在发展阶段。
请参阅图1，图1为习知用来进行曝光制程的步进机台(stepper)10。如图1所示，步进机台10包含有一可朝x轴-y轴-z轴方向水平运动的晶圆平台(wafer stage)12，一固定于该晶圆平台12上利用吸真空固定一半导体晶片的晶圆承座14，一可产生曝光激光的激光产生模组(excimer laser generationmodule)16，一用来传导曝光激光的激光传送系统(beam delivery system)18以及一用来对准曝光激光的激光对准投影透镜系统(laseralignmentprojection lens system)20。
在曝光制程中，激光产生模组16首先产生一固定波长的KrF脉冲激光(pulse laser)后，激光源经由激光传送系统18的传送将该脉冲激光以一预定入射角度导向晶圆平台12上的晶圆承座14。在通过激光对准投影透镜系统(laser alignment system)20后，曝光脉冲激光对准焦距至晶圆承座14上方的半导体晶片(未显示)，接着利用晶圆平台的移动带动晶圆承座14上方的半导体晶片，使激光穿过一光罩(mask)及投影透镜(projection lenses)照射在半导体晶片部份区域表面，利用步进机台10的晶圆平台12重复且步进的将光罩上的图案转移至半导体晶片全部表面，以完成整个半导体晶圆的曝光制程。
其中，位于晶圆平台12上方的晶圆承座14是曝光制程中用来携带和控制晶圆的载具(carrier)，其利用吸真空的方式将半导体晶片固定。因此，其表面会与晶背直接接触，致使其遭受污染的机会大增，同时，其表面平坦程度与粗糙程度将影响曝光后的晶圆图案品质。由于经过光阻制程或烘烤制程的半导体晶片背面常会于制程中受到有机物污染，因此这些半导体晶片再进行后续曝光制程时，半导体晶片背面污染物极易残留于晶圆承座14上，造成晶圆承座14的表面平坦度的影响。因而当下一批半导体晶片再度放置于晶圆承座14上时，半导体晶片将产生倾斜情形，使光罩上的图案无法正确地转移至半导体晶片表面，甚至导致定点或随机局部失真离焦(defocus)，进而影响整个曝光制程的品质与效果。
因此，为了确保曝光制程的品质及产品的良率，目前大部份对准系统，均利用超平坦控片及机台本身侦测系统，进行每日的平坦度(flatness monitor)监测，以侦测晶圆承座表面上遭受污染情形，来反应局部失真离焦的状况。如侦测出半导体晶片上出现受污染情形，一般清洁方法均利用人力使用磨石、无尘布或异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)等化学药剂去除表面污染物。然而习知此种清洁方法因晶圆承座表面沟痕甚多，不易完全清除死角中的污染物，且晶圆承座附近对准系统繁杂，极易造成误触对准侦测系统而使对准系统偏移等缺失。如改用将晶圆承座拆卸进行清洗方式，则可完全清除晶圆承座上的污染物，但重新安装晶圆承座需多次调校以确保对准品质，需耗费大量人力与时间，导致机器待机时间(down time)过长。此外，在装卸晶圆承座时，系统内环境亦将因失去密闭而极易遭受外界污染。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可线上清洁晶圆承座的曝光系统及具有线上激光晶圆承座(wafer chuck)清洁装置的步进机台(stepper)，以解决上述问题。
在本发明的实施例中，本发明提供一种可线上清洁晶圆承座的曝光系统，该线上清洁及曝光系统包含有：可水平及垂直上下运动的晶圆平台；晶圆承座，固定于该晶圆平台上，利用吸真空固定一待曝光晶圆，该晶圆承座具有一受有机物污染的表面；激光供应源，提供曝光脉冲激光；投射镜组，设于该晶圆承座的上方；聚焦镜模组，横向设置于该投射镜组的一侧；舵镜模组，将该曝光脉冲激光选择性地导入该投射镜组或该聚焦镜模组；层流气密舱，固定于该聚焦镜模组的一端，将该晶圆承座与大气环境隔离；以及惰性气体供应系统，与该层流气密舱相连接，于该层流气密舱中产生一层流气体；
其中当要清洁该晶圆承座时，该晶圆平台会运动至该聚焦镜模组的正下方，并经由导入该聚焦镜模组的曝光脉冲激光照射该受有机物污染的表面，在完成该晶圆承座的激光清洁后，该晶圆平台可以会继续运动至该投射镜组的正下方，并由一机械臂装载一待曝光晶圆于该晶圆承座上，并利用导入该投射镜组的曝光脉冲激光对该待曝光晶圆进行曝光。
相较于习知步进机的晶圆承座清洁制作方法，本发明利用激光清洁制程以去除晶圆承座表面的污染物，可避免人为处理去污产生的种种疏失，并可结合电脑系统控制以进行线上晶圆承座清洁制程。故本发明可简化平坦度监控的异常处理，减少待机时间以及确保系统环境不受污染。此外，本发明的步进机曝光光源及晶圆承座清洁光源可以共用，因此可降低制程成本并达到曝光的最佳成效。
附图说明
图1为习知步进机机台10的结构示意图；
图2为气密舱22的结构示意图；
图3为本发明的第一实施例；
图4为本发明的第一实施例的气密舱；
图5为本发明的第二实施例。
图示的符号说明：
10、50、80步进机台             12、32、52、82晶圆平台
14、34、54、84晶圆承座         16、56、86激光产生模组
18、58、88激光传送系统         20、60激光对准投影透镜系统
30、62、94层流气密舱           31、98反应室
33、61、95、97脉冲激光         36晶圆平台移动方向
38、96氮气         40a、64气体入口      42氮气移动方向
44沟痕             46、48气体压力       40b、66气体排放口
90投射镜组         92聚焦镜模组
具体实施方式
根据量子物理(quantum physics)理论，激光的光子通量(photon flux)能提供足够的能量和功率以打断附着于固体表面污染物与固体表面间的共价键结(covalent bonds)，因此可轻易地使污染物粒子自晶圆承座表面逸出，达到清洁的目的，此即激光清洁原理。在美国第4782029号专利中，揭露一使用波长为150-400nm、能量密度(energy density)为0.5-10J/cm2的激光，以进行半导体晶片背面的氧化物与氮化物的去除。另外在美国第5151135号专利亦揭露一波长为180-435nm、能量密度为0.1-0.3J/cm2的UV激光以去除固体表面的化学污染物质。因此，本发明主要即利用上述激光清洁原理，以取代人为方式去除晶圆承座上的污染物。本发明设计的线上自动清洁晶圆承座的步进机台主要包含有一用来去除晶圆承座表面污染物的激光源，一确保污染物移除的反应室(chamber)与气体流动系统(gas flowing system)，以及一可线上进行晶圆承座清洁的制程控制电脑(process control computer)。
在激光源方面，由于激光需具有足够的能量可去除系统内空气分解产生或晶背带入累积的碳氢化合物、金属沟子等污染物，故本发明的激光源可为DUVexcimer激光，如波长193nm的ArF光源、波长248nm的KrF光源以及波长157nm的F2光源，或其他固态及气态激光，如NdYAG、CO2等均可应用于本发明。其中，由于DUV excimer激光亦为目前对准及曝光系统的主力机种，故可共用定义图案的曝光光源与清洁承座的光源，而大幅节省光学系统(opticssystem)成本，而KrF又为目前最成熟的DUV excimer激光曝光光源，故KrF为本发明的激光源的最佳实施例。此外，为考量制程生产量(throughput)与晶圆承座的清洁效果，除了激光系统的波长(wave length)、持续时间(dutycycle)、光束轮廓(beam profile)、光束聚焦(beam focus)等均为固定条件外，其他如重复率(repetition rate)、单一脉冲输出能量(output ernergy per pulse)等关键因子均会影响生产量与清洁效果。因此，在选择微影曝光对准系统的使用光源与光学系统时，应将上述的重要控制参数一并设计考虑，以使激光系统同时具有最佳表现的曝光与清洁功用。
此外，为避免经激光通量照射后逸出承座表面的污染粒子仍留在曝光系统的环境(工作区)内，造成其他元件如晶圆平台、对准激光(alignment laser)或光学系统(optics system)等侦检器或是镜组(mirror)等元件的污染，本发明包含的反应室及气体流动系统用来确保污染由工作区移除。请参阅图2，图2为本发明的层流气密舱(hermetically-sealed laminar flow chamber)30的结构示意图，如图2所示，一层流气密舱30覆盖于晶圆平台32上的晶圆承座34上方以形成一密闭的反应室31，且层流气密舱30与一气体流动系统(未显示)相连接。该气体流动系统使用氮气等惰性气体作为流动气体，可避免不必要的化学反应。在激光清洁制程进行时，晶圆承座34随晶圆平台32朝x、y方向36进行移动，使固定的激光光通量33能完整照射晶圆承座34上任一点。同时，气体流动系统所使用的氮气38由一气体入口40a进入气密舱30，并由气体排放口40b流出气密舱30，并以一比晶圆承座34移动速度快且相对于晶圆承座34移动方向36的方向42流动，以形成一强制对流状态如层流(laminarflow)状态通过晶圆承座34表面。因此，晶圆承座34表面具有较佳的边界层(boundary layer)可使沉积在晶圆承座34表面的污染物藉机械力被带走。而晶圆承座34表面的沟痕44中的沉积污染物，亦因沟痕内下方压力46较上方边界层压力48大的压力差，自沟痕44中完全逸出而避免死角清洁不完全的问题。其中，气密舱的设计依清洁效率(制程速度)、晶圆承座行程、聚焦镜片大小及其他系统所占的工作空间等因子可做最佳化的设计。
由于本发明的系统机台包含一制程控制电脑(process control computer，PCC)，用来控制该晶圆平台的x轴方向位移量以及y轴方向位移量，因此可由界面或系统参数设定晶圆承座执行清洗动作的速度、范围、光束区(beamspot)，氮气流速设定及警示范围(alarm)，多少产品批次(product lot)之后可自动执行一次晶圆承座清洗制程(wafer chuck cleaning)，由产品或平坦度监测(flatness monitor)发现承座上有异常的点，操作人员即可立刻由界面下达执行清洁的命令，故配合电脑软硬件的设备可达成本发明的步进机台线上进行晶圆承座的全面(global)或局部(local)的激光清洁。
在不影响对准系统及晶圆平台移动的前提下，根据投射镜组(projectionlens)下方，晶圆承座的上方的工作空间(work space，work area)是否足够，本发明可以有数种不同的应用及装置方式。其中，本发明设计的两步进机台实施例如下：
实施例一
请参阅图3，图3为本发明的第一实施例的步进机台50。步进机台50包含有一可朝x轴-y轴方向水平运动及z轴垂直运动的晶圆平台52，一固定于晶圆平台52上的晶圆承座54，用来固定一待曝光晶圆；一准分子激光产生模组56，可用来产生一具有一固定波长的曝光脉冲激光(pluse laser)；一激光传送系统58用来将该脉冲激光以一预定入射角度导向该晶圆承座54；一激光对准投影透镜系统60，用来对准计算该曝光脉冲激光至该待曝光晶圆的焦距；一层流气密舱62设置于激光传送系统58的一端，用来将晶圆承座54与大气环境隔离。
其中，本发明的激光传送系统(beam delivery system)58包含有一舵镜模组(steering mirror module)(未显示)，设于该脉冲激光的光径(optical-path)上，以及一聚焦镜模组(focus lens module)  (未显示)，设于该舵镜模组以及该晶圆承座54之间。
请参阅图4，图4为图3步进机台50的层流气密舱62局部放大示意图。如图4所示，层流气密舱62设置于激光对准投影透镜系统60的一端，用来将该晶圆承座54与大气环境隔离，其两侧具有一气体进口64(gas inlet)以及一气体排放出口(exhaust)66。其中，由于本发明的第一实施例的层流气密舱62为可伸缩材料所构成的机构，故可用来使该层流气密舱上下移动，且不占空间，亦不影响原有对准系统。且具有足够挠性可使光通量可通过晶圆承座的移动而照射晶圆承座表面任何一处。
如图3、4所示，当步进机台50在进行一般制程时，层流气密舱62拉起，KrF激光在激光产生模组56产生后，经由激光传送系统58的传送与激光对准投影透镜系统60与晶圆平台52的z轴方向移动的聚焦，使曝光脉冲激光61对准至待曝光晶圆的焦距，接着利用步进机重复且缓慢的将光罩上的图案转移至晶片。而在曝光制程进行一段时间后，当晶圆承座54表面受到晶片背面污染而需进行清洗制程时，层流气密舱62拉下，以使晶圆承座54与大气环境完全隔离。接着准分子激光产生模组56首先产生一光子能量高于5.01电子伏特(eV)，且具有一大于150mJ/pulse的脉冲能量的氟化氪激光。经由激光传送系统58中舵镜模组以及聚焦镜模组的传送，以及激光对准投影透镜系统60的聚焦，使该脉冲激光以一预定入射角度导向该晶圆承座54的该受污染表面，使得该受污染表面的有机物将吸收激光而打断共价键而分解成小分子。此时，氮气供应系统提供的氮气由气体进口64进入，并调整流量使层流气密舱62呈现层流状态，而可将晶圆承座54上被分解的小分子带离该晶圆承座的该受污染表面。
实施例二
请参阅图5，图5为本发明的步进机台80的第二实施例。如图5所示，一步进机台80包含有一水平运动的晶圆平台82；一具有同心环型(ring-type)沟痕的晶圆承座或表面布满针状(pin-type)支撑点的晶圆承座84，固定于该晶圆平台82上，用来固定一待曝光晶圆；一激光供应源(laser powersupply)86，用来提供一曝光脉冲激光；一投射镜组(projection lensmodule)90，设于该晶圆承座的上方；一聚焦镜模组92，横向设置于该投射镜组90的一侧；一舵镜模组(未显示)，用来将该曝光脉冲激光选择性地导入投射镜组90或聚焦镜模组92；一层流气密舱94，固定于聚焦镜模组92的一端，用来将该晶圆承座84与大气环境隔离；以及一惰性气体供应系统(未显示)，相连接于该层流气密舱94，用来于该层流气密舱94中产生一层流气体。
如图5所示，当步进机台80在进行一般制程时，晶圆平台82会运动至投射镜组90的正下方，并由一机械臂装载一待曝光晶圆于晶圆承座84上，并利用在激光供应源86产生的KrF激光曝光脉冲激光95导入投射镜组90以使曝光晶圆进行曝光。而在曝光制程进行一段时间后，当晶圆承座84表面受到晶片背面污染而需进行清洗制程时，晶圆平台82会继续运动可以移动至横向设置的聚焦镜模组92的正下方，激光供应源86产生一光子能量高于5.01电子伏特的KrF激光，经由聚焦镜模组92导入一大于150mJ/pulse的脉冲能量的曝光脉冲激光97照射该受有机物污染的晶圆承座84表面，并且利用晶圆平台82的z轴方向调整焦距，因而可打断晶圆承座84表面污染物与晶圆承座84间的键结，被分解出的有机物小分子在气密舱94的反应室98中经由氮气带走，以避免有机污染分子再度污染晶圆承座84表面。
由于清洁晶圆承座84所需的聚焦镜模组92不需像微影曝光使用的投射镜组90那样高精密度，故本发明的第二实施例利用舵镜模组的导引，使激光不经投射镜组90而另外经聚焦镜组92到达底部的气密舱94。因此第二实施例与第一实施例的最大不同处，即在于将反应室98设计于一旁独立出来的空间，可避免反应室98进入曝光区(工作区)使对准系统的精密度产生影响，且反应室98不需使用挠性材质的气密舱，而可固定于聚焦镜组92正下方，但此设计的晶圆承座需有较长的行程(stroke)，故需具备较大的设备空间。
综上所述，本发明利用DUV248nm KrF激光足够的功率去除系统内空气分解产生或晶背带入累积的碳氢化合物、金属沟子等污染物，并结合电脑系统的晶圆承座自动清洗，以解决人为清洁承座的众多缺点，不但具有快速，省时，方便，等优点又无人员操作处理的危险。
此外，本发明的晶圆承座自动清洗系统尚包含以下特点：
1.无化学烟雾(chemical mist)会滞留于曝光工作区的问题。因激光清洁不使用化学药剂，不会有有害废弃物的产生。
2.不似传统方式需靠人员打开机台内部的盖子，将手深入晶圆承座清洁，造成系统内部因微尘进入而受污染。
3.反应室位置与氮气通路管线的设计已经周详，不会在清洗动作时可能造成会危及对准系统的状况。
4.累积于沟痕内或死角处的污染物，均可通过层流气密舱中氮气的机械力移除。
5.任何形状的晶圆承座(如针状或环状)及材质，均可通过激光源的选择等等参数控制，使晶圆承座的清洗效率提高。
相较于习知步进机的晶圆承座清洁制作方法，本发明利用激光清洁制程以去除晶圆承座表面的污染物，可避免人为处理去污产生的种种疏失，并可结合电脑系统控制以进行线上晶圆承座清洁制程。故本发明可简化平坦度监控的异常处理，减少待机时间以及确保系统环境不受污染。此外，本发明的步进机曝光光源及晶圆承座清洁光源可以共用，因此可降低制程成本并达到曝光的最佳成效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种可线上清洁晶圆承座的曝光系统，其特征是：该线上清洁及曝光系统包含有：
一可水平及垂直上下运动的晶圆平台；
一晶圆承座，固定于该晶圆平台上，利用吸真空固定一待曝光晶圆，该晶圆承座具有一受有机物污染的表面；
一激光供应源，提供一曝光脉冲激光；
一投射镜组，设于该晶圆承座的上方；
一聚焦镜模组，横向设置于该投射镜组的一侧；
一舵镜模组，将该曝光脉冲激光选择性地导入该投射镜组或该聚焦镜模组；
一层流气密舱，固定于该聚焦镜模组的一端，将该晶圆承座与大气环境隔离；以及
一惰性气体供应系统，与该层流气密舱相连接，于该层流气密舱中产生一层流气体；
其中当要清洁该晶圆承座时，该晶圆平台会运动至该聚焦镜模组的正下方，并经由导入该聚焦镜模组的曝光脉冲激光照射该受有机物污染的表面，在完成该晶圆承座的激光清洁后，该晶圆平台可以会继续运动至该投射镜组的正下方，并由一机械臂装载一待曝光晶圆于该晶圆承座上，并利用导入该投射镜组的曝光脉冲激光对该待曝光晶圆进行曝光。
2.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：该层流气密舱包含有一由可伸缩材料所构成的机构，使该层流气密舱上下移动。
3.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：该曝光脉冲激光为一氟化氪激光。
4.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：该曝光脉冲激光为一光子能量高于5.01电子伏特的激光。
5.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：经由该聚焦镜模组导向该晶圆承座的曝光脉冲激光具有一大于150mJ/pulse的脉冲能量。
6.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：该晶圆承座为一表面具有环型沟痕的晶圆真空吸承座。
7.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：该晶圆承座为一表面具有针点状支撑的真空晶圆吸承座。
8.如权利要求1所述的曝光系统，其特征是：该惰性气体为氮气。
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