CN1580958A - 无掩模微成影中用时间和/或功率调制获得剂量灰度化 - Google Patents

无掩模微成影中用时间和/或功率调制获得剂量灰度化 Download PDF

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Abstract

在微成影应用中，例如需要控制印刷线的位置或宽度。控制这些图案及其分辨率的有效方法具有尽可能多的灰度等级。本发明包括灰度化的方法，其中，曝光时间的调制会增加对象上灰度等级的数目。此外，本发明包括调制曝光光束的功率以提供额外的灰度等级的方法。

Description

无掩模微成影中用时间和/或 功率调制获得剂量灰度化
技术领域
本发明大体上涉及微成影。更特别地，本发明涉及无掩模微成影。
背景技术
微成影用以在衬底表面上产生特征的工艺。这些衬底包含在平板显示器(例如液晶显示器)、电路板、各种集成电路等的制造过程中所使用的衬底。这些应用中经常使用的衬底是半导体晶片或玻璃衬底。虽然在此仅为例举而描述半导体晶片，但是，本领域技术人员应了解本说明也可以应用至其它类型的衬底。
在微成影期间，配置于晶片台上的晶片会曝露于微成影设备中曝光装置投射于晶片表面上的图像。虽然在光刻的情况下使用曝光装置，但是可以视特定应用而使用不同类型的曝光装置。例如如同本领域技术人员所知的x光、离子、电子、或光子微成影均会要求不同的曝光装置。此处所讨论的微成影的特定实施例仅用于说明。
投影的图像会改变沉积于晶片表面上的例如光阻层等层的特性。这些改变对应于在曝光期间投影至晶片的特征。在曝光后，所述层会被刻蚀以产生图形化层。该图形对应于曝光期间投影至晶片上的那些特征。接着使用该图形化层以移除或进一步处理晶片内例如导电层、半导体层、或绝缘层等的底层结构层的曝露部分。接着重复此工艺以及其它步骤，直到在晶片的表面上或不同层中形成所需的特征为止。
步进和扫描技术配合具有窄成像槽的投影光学系统一起工作。一次扫描各个图场至晶片，而不是一次使整个晶片曝光。通过同时移动晶片及标线片以致于成像槽会在扫描期间移动经过图场，以完成此步骤。晶片台接着必须在图场曝光之间异步地步进以允许将在晶片表面上的标线片图案多个拷贝曝露。以此方式，投影于晶片上的品质可以最佳化。
传统的微成影系统及方法在半导体晶片上形成图像。系统通常具有微成影室，微成影室设计成含有在半导体晶片上执行图像形成的工艺的装置。所述室可以设计成根据所使用的光波长而具有不同的混合气体及真空度。将标线片设置于室内。光线在与半导体晶片相互作用之前会从照射光源(设于系统外部)经过光学系统、标线片上的图像轮廓、及第二光学系统。
需要多个标线片以在衬底上制造器件。由于特征尺寸及小特征尺寸所需之准确公差，将使得这些标线片制造成本及时间增加。而且，标线片在磨耗之前仅能使用一段特定时间。假使标线片未在某公差之内或标线片受损时，经常需要花费额外成本。因此，使用标线片的晶片制造会变得昂贵且令人却步。
为了克服这些缺点，发展了无掩模(例如直接写入、数字等)微成影系统。无掩模系统以空间光调制器(SLM)(例如数字微镜装置(DMD)、液晶显示器(LCD)等)取代标线片。SLM包含各个受控以形成所需图案的工作区阵列(例如镜或透射区)。在此技术中，这些工作区也称为“像素”。根据所需图案的预定及先前存储的演绎法用以控制像素。SLM中的每一像素可以以受控方式改变其光学特性(例如振幅/相位透射)以改变送至晶片表面的剂量。
在通常的实施例中，每一像素可以呈现有限数目分立状态中的一个状态，每一状态对应于某种程度剂量的灰度化。像素具有的很多状态之一对应于未传送光至曝光区的像素。此状态称为黑暗状态或关闭状态。像素的其它状态对应于被调制的像素，以致于该像素可传送一定部分的入射光至曝光区。为了能够控制印制图案(例如印制线的位置或宽度)，希望具有尽可能多的灰度等级。但是，通过增加分立像素状态的数目而可获得的灰度等级的数目至少会因下述理由而受到限制。
如果晶片扫描与短激光脉冲期间发生的曝光是连续的，则在SLM上的图案通常必须于每一激光脉冲时更新一次。假使以连续光源执行曝光，但晶片在曝光期间是静止的或者曝光的污损被补偿时，至少经常地更新图案。结果，必须对SLM维持高数据传输速率。该数据传输速率与分立状态的数目的对数成比例地增加，且对于最大的可能数据传输率的限制会造成对像素状态数目及灰度等级数目的限制。
而且，具有大量数目的状态会使得SLM的设计及状态的控制更加困难。
因此，需要的无掩模微成影系统及方法将允许取得大量的灰度等级，但却不增加不同像素状态的数目。
发明内容
本发明涉及在照明系统中产生大量的灰度等级但不增加所述系统中分立的像素状态的数目。因此对系统印制的特征(例如线的位置或宽度)提供了精密控制。
在一实施例中，本发明提供了包含激光的照明系统中灰度化的方法，其中，改变激光脉冲的持续时间会提供额外的灰度等级。
在另一实施例中，本发明提供包含空间光调制器(SLM)的照明系统中灰度化的方法，其中，改变SLM的像素起动的持续时间会提供额外的灰度等级。
在又另一实施例中，本发明提供照明系统中灰度化的方法，其中，曝光光线的功率的变化会提供额外的灰度等级。
在本发明的又另一实施例中，采用激光脉冲持续时间、像素起动时序、及激光功率的不同组合。
以下参考附图详述本发明的实施例、特点、及优点以及本发明的不同实施例的结构和操作。
附图说明
附图作为说明书中的一部分，用以显示本发明，使本领域技术人员能够实现及使用本发明。
图1示出根据本发明的实施例的具有反射式SLM的无掩模微成影系统。
图2示出根据本发明的实施例的具有透射式SLM的无掩模微成影系统。
图3示出根据本发明的实施例的SLM。
图4示出图3中的SLM的更多细节。
图5示出根据本发明的实施例的元件。
图6为流程图，显示根据本发明的灰度化方法的第一实施例，其中，激光脉冲的持续时间提供额外的灰度等级。
图7为流程图，显示根据本发明的灰度化方法的第二实施例，其中，改变像素的分立状态的持续时间会提供额外的灰度等级。
图8为流程图，显示根据本发明的灰度化方法的第三实施例，其中，改变激光脉冲的功率会提供额外的灰度等级。
图9为流程图，显示根据本发明的灰度化方法的第四实施例，其中，改变来自照明光源的各个光束的功率会提供额外的灰度等级。
图10为时序图，显示改变像素的分立状态的持续时间以提供额外的灰度等级之实施例。
图11为方块图，代表投影光学元件110的一实施例。
图12为方块图，代表本发明可使用的示例系统。
参考附图说明本发明。在对应的代号中，元件第一次出现的图式通常以最左方的数字表示。
具体实施方式
概述
虽然讨论特定的规划及配置，但是，应了解这仅是用于说明之目的。本领域技术人员将了解，在不背离本发明的精神及范围之下，可以使用其它规划及配置。本领域技术人更清楚，本发明也可以应用于其它不同的应用。
本发明的实施例提供例如微成影机器等照明系统中灰度化的方法。可以使用该系统及方法以增加印制于衬底上的例如线的位置或宽度等特征的控制，并维持离散的像素状态的数目。
无掩模微成影系统
图1示出根据本发明的实施例的无掩模微成影系统100。系统100包含照明光源102，用于将光经由分光器106及SLM光学元件108而传送至反射式空间光调制器(SLM)104(例如数字微镜装置(DMD)、反射式液晶显示器(LCD)等)。SLM 104用于将光图形化以取代传统微成影系统中的标线片。从SLM 104反射的已图形化的光会通过分光器106及投影光学元件110，写入到对象112上(例如衬底、半导体晶片、用于平板显示器的玻璃衬底等)。
应了解，公知地，照明光学元件可以容纳于照明光源102之内。也应了解，公知地，SLM光学元件108及投影光学元件110可以包含将光导引至SLM 104和/或对象112上的所需区域所需要的光学元件的任何组合。
在替代实施例中，光源102及SLM 104中之一或二者可以分别耦合至控制器114和116，或是与控制器114和116形成一体。控制器114可以根据来自系统100的反馈以调整照明光源102，或是执行校正。控制器116也可以用于调整和/或校正。或者，控制器116可以用于切换SLM 104上的像素302以使它们在它们的分立状态之间切换(例如在它们的灰度状态之一与全黑或关闭状态之间)(请参见图3)。这可以产生用以曝照对象112的图案。控制器116可以具有一体的存储器或是耦合至具有预定信息和/或用以产生图案的演绎法的存储元件(未显示)。
图2示出根据本发明的又一实施例的无掩模微成影系统200。系统200包含照明光源202，用于将光传送通过SLM 204(例如透射式LCD等)以将光图形化。图形化的光会通过投影光学元件210以将图案写于对象212的表面上。在本实施例中，SLM 204是透射式SLM，例如液晶显示器等。如上所述，照明光源202及SLM 204之一或二者可以分别耦合至控制器210和216，或与控制器210和216形成一体。本领域技术人员了解，控制器214和216可以执行类似于上述控制器114和116的功能。
可以用于系统100或200的SLM实施例是由Micronic LaserSystems AB of Sweden and Fraunhofer Institute for Circuits andSystems of Germany所制造。
为便于说明，以下将仅参考系统100。但是，同本领域技术人员应知道，以下所有思想也可以应用至系统200。本领域技术人员将清楚知道在不背离发明的精神及范围的情况下的图1及2的元件及控制器的其它配置或整合。
图3示出举例说明的SLM 104的工作区300的细节。工作区300包含n×m阵列的像素302(由图中的椭圆形表示)。像素302可以是DMD上的镜子或是LCD上的位置。通过调整像素302的物理特征，它们可以被视为处于它们的状态之一。根据所需图案的数字或模拟输入信号可以被用以切换不同像素302的状态。在某些实施例中，可以检测正被写至对象112的真实图案并决定图案是否在可接受的公差之外。假如为是，则控制器116可以用以产生实时模拟或数字控制信号以便微调(例如校正及调整等)正由SLM 104所产生的图案。
图4示出SLM 104的进一步细节。SLM 104可以包含围绕工作区300的非主动封装400。而且，在替代实施例中，主控制器402可以耦合至每一SLM控制器116以监视及控制SLM阵列。图4中的虚线代表SLM阵列中的第二SLM。可以将一个以上的SLM加至阵列中以适合实施设计。如下所述，在其它实施例中，相邻的SLM可以彼此偏移或交错。
SLM阵列配置
图5示出组件500，包含支撑装置502以容纳SLM 104阵列。如下将更详细地描述，在不同实施例中，SLM 104阵列可以根据所需的每一脉冲之曝光或是其它实施设计标准，而具有不同的行数、列数、每一行的SLM数、每一列的SLM数等。SLM 104可以耦合至支撑装置502。支撑装置502可以具有热控制区504(例如水或空气信道等)。支撑装置502也具有用于控制逻辑及其它电路的区域(例如图4示出元件116和元件402可为ASIC、A/D转换器、D/A转换器、用于数据流动的光纤光学元件等)。此外，如同相关技术中所公知的，支撑装置502可以具有窗506(形成于虚线形状之内)以容纳SLM 104。支撑装置502、SLM 104、及所有外围的冷却或控制装置电路称为组件。组件500允许所需的步骤以产生用于领先的和尾随的SLM所需的接合(例如在对象112上连接特征的相邻元件)及重叠。领先的SLM是在扫描期间于对象112上产生序列图像中的第一图像，尾随的SLM是在扫描期间于对象112上产生序列图像中的最后图像。来自不同扫描的领先及尾随SLM 104的图像重叠有助于移除可能由于相邻的且非重叠的扫描的接合或接缝。例如支撑装置502可以是250mm×250mm或是300mm×300mm。支撑装置502可以通过采用温度稳定的材料制造而用于热管理。
支撑装置502可以作为机械构架以确保SLM 104的间隔控制以及用于嵌入电路控制和热控制区504。任何电子装置可以安装于支撑装置502的背侧及前侧中的任一侧上或是二者上。例如当使用基于模拟技术的SLM或是电子器件时，接线可以从控制或耦合系统504耦合至工作区300。由于安装于支撑装置502上，这些接线可以相当地短，因而相比电路远离支撑装置的情形可以降低模拟信号的衰减。而且，在电路与工作区300之间具有短链接可以增加通信速度，并因而增加实时图案再调整速度。
在某些实施例中，当SLM 104或电路中的电子器件损坏时，可以容易地更换组件500。虽然更换组件500显然比仅更换组件500上的芯片更为昂贵，但是，更换整个组件500事实上更有效率，因而能够节省生产成本。而且，组件500可以重新装配，所以，假使最终用户愿意使用重新装配的组件500时，在零件更换上会降低成本。一旦组件500被更换时，在重新恢复制造之前仅需整体对齐。
利用时间调制的灰度化
对于大部分的微成影应用，例如需要控制印刷线的位置或宽度。控制这些图案及增加分辨率的有效方法是具有尽可能多的灰度等级。
增加对象上的灰度之一方法是调制对象曝露于入射光的时间长度。图6系本发明的一实施例的流程图，其中，曝光的持续时间会被调制。在本实施例中，照明光源102包含激光器(未显示)。在步骤602中，来自照明光源102的光会由SLM 104传送以在对象112上形成第一图案。
步骤604包括改变来自照明光源102中的激光的激光脉冲的持续时间(例如脉冲宽度)。例如假使激光分成多个平行光，且这些平行光的相对长度会改变，脉冲的持续时间也会改变。本领域技术人员显然可知通常用以改变激光脉冲的持续时间的任何其它方法也可以用于本
实施例。
在步骤606中，此时具有不同脉冲宽度的来自照明光源102的光会由SLM 104传送以在对象102上形成第二图案。第二图案会与第一图案重叠。重叠图案可以产生灰度。
步骤608包括重复步骤606直到获得所需的灰度程度为止。重复每一时间步骤606，产生不同范围的灰度等级。来自不同的曝光的灰度的组合会产生额外的灰度。
图7代表本发明的第二实施例，其中，曝光的持续时间会被调制。步骤702包括利用来自照明光源102的光照射SLM 104。SLM 104会在光中产生图案。
在步骤704中，对象112会暴露给来自SLM 104之已图形化的光。
步骤706包括产生多个灰度等级。这是通过如下措施实现的：将SLM 104的像素302中的一部分比SLM 104的其它像素302更早地从其一个状态切换至其次级状态。像素的次级状态可以是不同的灰度状态，其中，像素会传送不同部分的入射光至曝光区。或者，像素切换的次级状态可以是像素不会传送光至曝光区的关闭状态。图10中进一步说明步骤706，该图是步骤706的时序图。X轴1002代表增加时间，以t代表一次扫描的全部时间。Y轴1004代表在给定时间内例如SLM104中为工作状态的像素302的数目。假设在时间0时有数目为N的像素302工作。为简明起见，也假设所有像素的次级状态是关闭状态。本领域技术人员将了解可以使用其它状态。
在时间(t-β)，扫描经过的路径的部分，像素302的第一部分A会切换至它们的关闭状态。因此，正好在时间(t-β)之后，(N-A)像素仍然维持在它们的工作状态。稍后，在时间(t-α)，像素302的第二部分B切换至关闭状态。这样，在时间(t-α)之后，((N-A)-B)像素维持在它们的工作状态。最后，当在时间t达到扫描的结尾时，其余的((N-A)-B)像素会切换至它们的关闭状态，未留下维持在工作状态的像素。
利用功率调制的灰度化
图8表示根据本发明的第三实施例的方法。在方法800中，通过调制每一曝光中的功率以产生灰度化。图11进一步表示方法800，方块图代表投影光学元件110的一实施例。在本实施例中，投影光学元件110包含滤光器1102及其它光学元件1104。本领域技术人员将了解其它光学元件1104可以置放于滤光器1102之前、之后、或二侧上的光路径1106中。此外，在其它实施例中，滤光器1102可以置于投影光学元件110外面的光路径中的任意处。
在图11中所示的实施例中，投影光学元件110也包含控制系统1108，用于在其它事情之中控制滤光器1102的强度透射值。控制系统1108可以是手动的或电子式的。例如控制系统1108可以包括开关。
在方法800中，步骤802包括使光从照明光源通过滤光器1102以产生经过过滤的光。滤光器1102具有第一强度透射值。
在步骤804中，经过过滤的光会使对象112曝光以在对象112上产生第一图案。
在步骤806中，滤光器1102的强度透射值会由例如控制系统1108改变，以致于滤光器1102具有第二强度透射值。
步骤808包括使第一图案与第二图案重叠，第二图案是光经过具有第二强度透射值的滤光器1102而产生的。利用第二图案曝光对象112会产生灰度，第二图案具有不同于第一图案之强度。可以重复步骤806和808以增加对象112上的灰度等级数目。
图9表示根据本发明的第四实施例的方法900。在方法900中，通过调制光束的各个部分中的功率以产生灰度。以图12进一步补充方法900，方块图包括可由方法900使用的系统1200中的元件。系统1200在其它元件之中包括照明光源102、分光器1202、滤光器组1204、SLM组件500、及对象112。滤光器组1204包含滤光器A-N，滤光器A-N在滤光器组1204中以椭圆表示。类似地，SLM组件500包含至少数目与滤光器数目相同的SLM。例如假使在滤光器组1204中有N个滤光器，则在SLM组件500中也可以有N个SLM。
在方法900中，步骤902包括将来自照明光源的光分成一个以上的光束段。光束段将称为光束段A-N。
在步骤904中，光束段A-N会通过滤光器组1204中对应的滤光器A-N。滤光器A-N会调制每一对应的光束段A-N中的功率。在光束段A-N通过滤光器A-N之后，方法900进行至步骤906。
在步骤906中，光束段A-N会照明SLM组件500中对应的SLMA-N。SLM组件500中各个SLM A-N接着传送各个光束段A-N至对象112。
最后，在步骤908中，各个光束段会以重叠方式曝光对象112。由于在每一光束段中会由各个SLM A-N产生不同图案，所以，某些图案会以不同于其它图案的强度曝光对象112。通过不同强度的多个图案的曝光会在对象112上产生灰度等级。通过增加所使用的各个光束区段及各个SLM的数目，可以增加灰度等级的数目。
虽然已于上述说明本发明的不同实施例，但是，应了解它们仅是作为举例说明之用，且非限定。本领域技术人员显然可知，在不悖离本发明的精神及范围之下，可以在形式上及细节上作不同的改变。因此，本发明的广度及范围不应受限于上述举例说明的实施例，而是由根据后述的申请专利范围及其等同范围所界定。

Claims (21)

1.一种在具有空间光调制器的无掩模微成影系统中用于在对象上产生灰度的方法，所述方法包括：
以光束曝照所述对象以产生图案；及
调制所述对象的曝光时间以在所述对象上产生一个范围的灰度等级。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述调制步骤包括改变激光光源的脉冲宽度。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述图案由以第一脉冲宽度操作的激光所产生，所述方法又包括：
使所述图案与以第二脉冲宽度操作的激光相重叠，以产生重叠曝光，其中，第二脉冲宽度不同于第一脉冲宽度，
以致于所述重叠曝光在所述对象上产生不同范围的灰度等级。
4.如权利要求3所述的方法，其中，重复所述重叠步骤直至获得所需数目的灰度等级为止。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述空间光调制器具有多个像素，所述方法在所述曝光步骤之前还包括：
在工作状态之间切换所述多个像素，或是将所述多个像素从一工作状态切换至关闭状态，其中，像素的工作状态对应于由处于特定灰度等级的那个像素将光传送至所述对象，所述关闭状态对应于所述像素未传送光至所述对象。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述调制步骤包括：
使所述空间光调制器的多个像素中的一部分比所述空间光调制器中的其它像素更早地切换至交替状态。
7.如权利要求6所述的方法，其中还包括补偿所述图案的污损。
8.一种在具有空间光调制器的无掩模微成影系统中用于在对象上产生灰度的方法，所述方法包括：
以光束曝照所述对象以产生图案；及
调制所述光束的功率以在所述对象上产生一个范围的灰度等级。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述图案由具有第一功率的光束所产生，所述方法又包括：
使所述图案与具有第二功率的光束相重叠，以产生重叠曝光，
以致于所述重叠曝光在所述对象上产生不同范围的灰度等级。
10.如权利要求9所述的方法，其中，重复所述重叠步骤直至获得所需数目的灰度等级为止。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述重叠步骤包括：
使光束通过具有专门用于所述重叠曝光的固定强度透射值的滤光器；及
将所述光束传送至所述对象。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述重叠步骤包括：
将所述光束分成一个以上的束；
使每一所述束通过具有固定强度透射值的滤光器；
利用其各自的单个空间光调制器来传送每一所述束；及
在所述对象上重叠来自每一个空间光调制器的图像。
13.一种无掩模微成影系统，包括：
照明光源；
对象；及
控制器，
其中，所述控制器调制来自所述光源的光束曝照所述对象的持续时间，以便在所述对象上产生一个范围的灰度等级。
14.如权利要求13所述的无掩模微成影系统，其中，所述调制器通过在连续曝光之间改变激光光源的脉冲宽度以改变所述持续时间。
15.如权利要求13所述的无掩模微成影系统，其中在所述照明光源与所述对象之间还包括：
空间光调制器，
其中，所述空间光调制器具有多个像素，及
其中，像素的工作状态对应于由处于特定灰度等级的那个像素传送光至所述对象，而关闭状态对应于所述像素未传送光至所述对象。
16.如权利要求15所述的无掩模微成影系统，其中，所述调制器通过使所述空间光调制器中的至少一个像素比所述空间光调制器中的其它像素更早地切换至至少一个交替状态，以改变所述持续时间。
17.一种无掩模微成影系统，包括：
输出光束的照明光源；
将所述光束分成多个束的分光器；
多个滤光器，每一所述滤光器对应于所述多个束中的一个并具有固定的强度透射值；及
多个空间光调制器，每一所述空间光调制器对应于所述多个束中的一个，
其中，所述多个光束中每一光束会通过对应的所述滤光器及照明所述对应的空间光调制器阵列，以致于所述多个空间光调制所产生的图案在所述对象上重叠。
18.如权利要求17所述的系统，其中还包括：
控制系统，用于控制所述多个空间光调制器中的每一个所产生的每一图案。
19.一种在具有设置多个像素的空间光调制器的无掩模微成影系统中用于在对象上产生灰度的方法，所述方法包括：
以光束曝照所述对象以产生图案；及
调制所述对象的曝光时间以在所述对象上产生第一范围的灰度等级；及
调制所述光束的功率以在所述对象上产生第二范围的灰度等级。
20.如权利要求19所述的方法，其中，调制所述对象的曝光时间包括下述组成的组中至少一个：
在曝光之间改变所述光束的脉冲宽度，以产生重叠曝光；及
将所述空间光调制器的多个像素中的一部分比所述空间光调制器中的其它像素更早地切换至交替状态。
21.如权利要求19所述的方法，其中，调制所述光束的功率包括下述组成的组中至少一个；
在曝光之间改变所述光束的功率，以产生重叠曝光；
改变所述光束通过的滤光器的强度透射值，以产生重叠曝光；及
在将所述光束分成多个束之后，使每一束通过其各自具有固定强度透射值的滤光器。
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