TW413971B - Stepper or scanner having two energy monitors for a laser - Google Patents

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經濟部中央標隼局β:工消费合作社印製 413971 Λ7 ,--一―_ 丨” 五、發明説明（I ) 發明之技術範疇 本發明係關於供晶圓製造之步進機或掃瞄器，係使 用一雷射做為光源，且特別地關於一種當_雷射之能量被 與一步進機、一掃瞄器、或一步進-掃描系統—起使用時 ，之監測技術。 發明背景 傳統的雷射經常在鄰近該雷射處併用一供監測該雷 射光之強度的光也監測器β此種系統之一係揭示於美國專 利第5,450,270號，名稱為”供校正一種雷射波長控制機構 之方法與裝置 ”(Method and Apparatus for Cali-brating a Laser Wavelength Control Mechanism),由發明人 ig0r

Formenkov讓與給本案之受讓人，亦合併做為參考。通常 ，該光能監測器為一光偵測器，其產生一與撞擊在該光偵 測器上之光強度成比例的輸出電流。 雷射經常被用於半導體晶圓製造系統中以選擇性地 使該晶圓上之一層光阻曝光《一光罩（或光網）被放入該雷 射光和該晶圓之間以獲得該選擇性曝光。技術現況係由曝 光系統將該光感模型步進或掃描在該晶圓表面上，其並且 包括一相當複雜之光學系統以指引該雷射對該晶圓表面之 照射。 在一步進或掃瞄期間’使該光阻適當曝光所需之光 的數量係為撞擊在該晶圓上之光強度與時間長度之一乘積 。於是，必須確知該光的強度以決定該光撞擊在晶圓上所 需持續之時間。通常，該雷射光係以脈衝之方式而產生， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 4 ----.--“--4 1 焚-------訂------ '線 .(請先閲讀背面之—注意事項再填寫本頁) Λ7 B7 4139^1 五、發明説明（2 ) 而且使該光阻適當地曝光所需之脈衝數目係根據該雷射光 之強度而決定者。由於該脈衝能量之變化，在一單一曝光 過程中的脈衝數目經常很大（例如大於2〇)以使個別的脈衝 中之變化不會明顯地影響該曝光能量之總和。 申請人等發現該步進機或掃瞄器之光學機構會引起 撞擊在該晶圓上之雷射光強度的完全不可預測之衰減。由 於該光強度偵測器被設置於鄰近該雷射輸出處，故無法顧 及任何由該步進機或掃瞄器之光學機構所產生的不可預測 之光衰減。於是’實際上撞擊在該晶圓上的光強度未被得 知，且該晶圓處理系統未被最佳化。 當一大型準分子雷射系統被與一步進機或掃描器連 結使用時，上述問題益形明顯，因為該雷射系統通常依自 然法則係與該步進機或掃描器被分隔相距數公尺，而且需 要有附加的光束引導光學機構。 發明摘要 於一實施例中，除了將一光強度監測器合併於一用 以製造晶圓之雷射系統内以外，申請人等亦在該步進機或 掃描器本身内併入一第二光強度監測器，以使由該步進機 或掃描器之光學機構或一光束角度之改變而產生的衰減， 在該雷射光撞擊在該第二光強度監測器之前已發生。較佳 者，該第二光強度偵測器係被安置得儘可能地靠近該晶圓 〇 該二光強度偵測器構k 一反饋機構的部件，其調登 該雷射之光輸出以使在一脈衝射於該晶圓上的期間之光強 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) A4現格（210X297公釐） --------- ^ ^---^----訂--------^ ' ,' (諳先閱讀背面之^一意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 Λ7 H7 413971 五、發明説明（3 ) 度處於一最適值。來自該第一及第二偵測器之光強度信號 傳達不同的資訊：該雷射系統中之偵測器係被用以傳達有 關該雷射之輸出的資訊，而在該步進機/掃瞄器中的偵測 器則被用以傳達在該掃瞄器/步進機中的相關光學資訊。 該二偵測器之使用使得該雷射光束特性可以被更精確的調 整以提供每一脈衝一更為一致的能量β從而，在該曝光過 程中可使用較少的脈衝。 此項技術可被使用於步進機或掃瞄器之外的晶圓製 造系統中。 圖示之簡單說明 第1圖顯示一雷射系統和一步進機/掃描器曝光系統， 其係過經變更以包括一緊鄰該晶圓之光強度監測器和一在 該雷射系統中之光強度監測器。 第2圖大致上係顯示該用以調整該雷射輸出之反饋系 統。 第3圖所示為使用來自該二偵測器之信號於控制該雷 射輸出時之流程圖。 第4圖顯示被該雷射監測器所測量到之在一叢串内由 一脈衝到另一脈衝，以及在修正前之叢串到叢串間的雷射 脈衝能量變化。 第5圖顯不由於加熱、光束角度變化、以及其它因素 所造成之光衰減中的變化。 第6圖顯示被該步進機;^掃瞄器中的光偵測器所測量到 之經修正的脈衝強度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格(210^7^5" ---：-----^ I裝------訂------版 (諳先閱讀背面之-注意事項再填寫本賓) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 413971 Λ7 Β7 五、發明説明（4 ) 較佳實施例之詳細說明 第1圖顯示一合併有本發明之晶圓處理機裝置》 在第1圖中，一準分子系統10包含一準分子雷射激發 室，係標示為雷射12，和各種反饋控制電路和機構以調整 由該雷射系統10所發射之雷射光的波長、光譜寬、強度、 和叢申持續時間。這些控制電路和機構係表示為雷射控制 器14。供調整一雷射、控制其強度、並控制雷射光之脈衝 的方法與結構已廣為人知，而任何適當的方法皆可以被使 用以控制雷射系統10之該雷射輸出。 一步進機、掃瞄器、或步進及掃瞄系統（統稱步進機20) 接收來自雷射系統10之一雷射光束21，且最終將一光罩圖 案聚焦到一半導體晶圓22之上，以使晶圓22上之一層光阻 曝光。在一預定數目之雷射光的脈衝後，或在一掃瞄之後 ，晶圓22被一 X-Y平台24步進於X及/或Y方向。在晶圓22 之每一次曝光後，一控制器26回應一軟件例程而控制該 X-Y平台24的位置。在晶圓22之每一步進期間，一脈衝控 制器27提供信號給雷射系統1 〇以產生.一預定數目之脈衝。 構成步進機20之部件的一個鍵盤和電腦（未示出）可被用以 程序化在晶圓22之供自動處理的控制器26及27。 該準分子雷射系統10通常係被製成一獨立單元，且 該雷射系統10將如何地受該等步進機光學機構之影響係無 法被事先精確得知的。 由該雷射系統10所輸1出之該雷射光束21被在一充滿 氮氣之導管30内的鏡片28和29導引至步進機20之一光輸入 本^^尺度通财關家辟（CNS )祕巧（2[QX297公楚} . η ---：---^---- Γ裝—------訂-----> ^ 1 - - (請先閱讀背面<注意事項再填寫本頁} 1 - - _— 1 - - _— 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 413971 Λ7 Β7 五'發明説明（5 ) 埠。H氣係被用以防止濕氣進入導管30而使得傳導經過導 管30之雷射光衰減。 光束調節器光學機構32和光束聚光器光學機構34係 依所需，在該光束21之應用於一包含一或多個光罩圓案的 光網36之前將它改變。該光束調節器光學機構32可包括一 系列之透鏡（構成一均質器）以平均在該光束之整個區域的 雷射光束21之空間強度》此一均質器可使用一後面跟隨有 一第二透鏡之小透鏡群的二維排列，以平衡該等小透鏡之 光輸出。該調節器光學機構32和聚光器光學機構34亦可依 所需而擴散該光束，以形成一方形光束<此種光學機構32 和34可為傳統的。 一半鍍銀鏡片38’和其它若有需要時的光學機構將 該光束重新導引穿過透鏡39而至光網36上。在光網36之上 的該光罩圖案通常為鉻或其它不透光材料，係形成一將被 複製在晶圓22之表面上的光阻之圖案。 聚焦光學機構40將通過光網36之光聚焦到晶圓22上 的一小區域。若步進機20為一掃瞄器.，則使用一傳統掃瞄 系統以掃目苗光網36和晶片22關於激光透鏡39之·一狭窄長條 區域。額外之光束操控及造型光學機構亦可被合併在步進 機20内。 撞擊在該半鍍銀鏡片38上的光中之一小部份係被光 偵測器44所接收’其可為任何一種傳統光偵測器。光偵測 器之一適合的種類包括一行列之光二極體，其電流輸出減 去一直流補償值（DC offset)後與照射在該等光二極體上之 本紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面<注#^項再填寫本頁) ,ιτ .線. A7 413971 —______Η 7 五、發明説明（6 ) 光強度成比例。此種光偵測器行列係已為人所熟知的。 一類似的鏡片45和光偵測器46被用以測量在該雷射 12輸出端之該光束21的強度》 一傳統的快門47可控制地阻擋光束21進入步進機2〇 *且被設置在鏡片45之下游處。 該X-Y平台控制器26被程序化以將晶圓22於一預定數 目的雷射能量之脈衝之後，步進至下一位置，通常係具有 一預定之波長和脈衝寬度。若系統20為一掃瞄器，該晶圓 22和光網36係與步進前之光成比例的被掃瞄。脈衝之數目 乃依據在一步進或掃瞄期間撞擊在該晶圓上之必須的總光 能量而加以計算。此需要一對該光能量和脈衝寬度之準確 測定。就申請人所知，前述之雷射系統和步進機/掃瞄器 ’並未在該雷射與該步進機/掃瞄器本身之内提供一雷射 光強度測量裝置，以於該雷射系統被設置於該步進機外部 時，供用於相互的連結。 一準分子雷射，包括它的電源供應、控制電路、和冷 卻系統，係該步進機外部之一相當大.的裝置。由於步進機 20内之各種光學機構所提供的衰減可在使用期間改變，為 了一特定的步進或掃瞄而由該雷射系統10所產生的脈衝數 目可能會非所欲地多於或少於使晶圓22上之該光阻最理想 地曝光的量。藉由將該光偵測器44設置在造成衰減問題之 該步進機光學機構之後和光網36之前，當調整該雷射輸出

I 之光強度時，來自該步進機光學機構之任何衰減或扭曲將 被自動列入考慮。然而，單獨使用光偵測器44並不能辯識 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2Ι〇Χ297公釐） --------圓裝------訂------V (請先閲讀背面之ά意事項再填窍本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 9 413971 Λ7 B7 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 五'發明説明（7 ) 任一能量暫態現象係由於該光學機構或是該雷射系統1〇所 造成的。 該雷射系統10中之光偵測器46被用以辨識單獨因為 該雷射系統10而造成之能量暫態。如將被見到的，光偵測 器44和46之連結使用創造出一加乘效果而大幅地改進入射 於光網36上之脈衝能量的一致性。 許多其它的光學排列可被用來提供該雷射光給光網 36、光偵測器44、和光偵測器46，而且此種排列可以同樣 的適合於達成本發明之優點。 第2圖中’信號調節器48(例如一經程序化之處理器） 被配置於步進機20或雷射系統1〇之任一者，其接收來自光 偵測器44和46的信號，以及其它關於雷射脈衝和叢訊之時 序的資訊’並且處理光偵測器44和46的該等輸出以產生雷 射輸出補償信號。此種信號進一步被以該雷射控制器14中 之回路進行處理，以控制雷射12之操作電壓，以改變該雷 射輸出。此程序將更詳細地說明如后。 第2圖大致地顯示在該雷射系統1〇中供於每一脈衝期 間控制該雷射光之強度，以及供於需要時調整該雷射之其 它特性的該反饋回路。第3圚所示為該反饋回路所使用之 基本步锁的流程圖。 來自步進機20中之光偵測器44的信號通常為一類比 信號。此信號先使用一取樣和保持電路56而被整合並取樣 I 以有效地獲得在該雷射開啟時間的期間内之該光強度的一 快照。接著使用一類比-至-數位轉換器58將該結果信號轉 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 10 (請先聞讀背面之&意事項再填寫本頁) •裝· 訂 Λ7 Λ7 ΓΓ 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印製 B7 發明説明（8 ) 換成一數位信號。一取樣時脈59被提供給該取樣和保持電 路56以及該類比-至-數位轉換器58以使讀數在一雷射脈衝 期間的恰當時機被取得。 接著轉換器58之該數位輸出被應用至一處理器6〇， 其可為一個人電腦，經軟體61之程序化以將代表光強度之 該等數位信號和用以控制該雷射12本身之控制信號相互關 聯起來。處理器60亦可為一固線ASIC。來自該雷射系統10 中之光偵測器46的類比信號被一相同的取樣與保持電路62 和類比-至-數位轉換器64所處理，並被應用至處理器 一雷射控制器14接收來自處理器60之該等控制信號 ，並且使用已知的方法而調整雷射12之特性。一已知的用 以調整一雷射之輸出光強度的方法係於雷射12中調整該激 發電壓。其它用以控制雷射12之輸出的技術包括控制該激 發室之氣壓、氣體混合物、或氣體溫度。 一實施例中，雷射12以1000赫茲之時率輸出紫外線 脈衝。 控制雷射12以增加或減少它的光強度之可選擇方案 係為，被光偵測器44和46偵測到的光強度等級可被雷射控 制器14或脈衝控制器27(第1圊）所使用以於晶圓22被步進 之前或在一掃瞄期間，判定衝撞擊在晶圓22上之光脈應多 一些或少一些。 第3圖例示當該晶圓22正被步進機2〇所處理時，在第 1和第2圖中被該等系統所^行的基本步驟。 第Ϊ步驟中’雷射12被激發以輸出雷射光束脈衝β 一 --¾衣II------- ^ (請先閱讀背面之t項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS } { 210X297/^^ ) 11 413971 經濟部申央標準局員工消費合作社印裝 Λ7 Β7 五、發明説明（9 ) ' "" 實施例中，脈衝在1000赫茲被輸出。為使晶圓22表面上之 光阻適當地曝光，需要有處於一確定強度之預定數目（例 如十）的脈衝。 第2步驟中，雷射12之光強度輸出係使用光偵測器46 而被感應到。如第2圖所示，此信號係被數位化並應用在 處理器60。 第3步驟中’來自該步進機/掃瞄器光學機構之光強度 輸出係使用光偵測器44而加以偵測。如第2圖所示，此信 號接著被數位化並應用至處理器60。 使用光彳貞測器44和46而被產生之信號通常由於不同 的因素而在許多方面相異。第4團所示為，在雷射12之輸 出的修正前，被光偵測器46所偵測到之由雷射12所輸出之 光脈衝的強度振幅。脈衝通常係以叢訊而輸出，而第4圖 之特定例中，每一叢訊係有七個脈衝。在叢訊之間有一時 間延遲。通常’ 一叢訊中的最初幾個脈衝具有較該叢訊中 剩餘的脈衝為高之振幅。該等最初數個脈衝之振幅相異而 剩餘的脈衝則大致上具有一固定振幅。於第4圖中亦可見 ，即便所有該等叢訊中的脈衝皆具有完全相同之振幅乃所 欲的，在该第二叢说中之該等脈衝的振幅係較最初兩個叢 efl令之該等脈衝振幅為高。叢訊中和叢訊間之此種振幅差 異係由雷射12内之暫態狀況所造成，例如該雷射室内之熱 與激發現象。此等暫態之成因已為周知而無需再行詳細說 明。 1 通常’在該雷射輸出中的暫態依據該等脈衝能量之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（2丨OX297公楚） 12 --------1 _裝------訂------_威 {請先聞讀背面-5¾意事項再填寫本頁} 經濟部中央標牟局負工消費合作社印製 413971 Λ7 一~~-------H? 五、發明説明（10 ) — " 過去歷程為可重複且可預測的。稍後將說明利用此重複性 第5圖例示由於光學機構和由於如第4圖所示之於相 同時點的期間中光束角度之偏差所引起的光強度衰減之改 變6光學衰減之改變通常係因為光學成分本身内的熱變動 而引起。通常，當一光學成分變得較熱，它的衰減由於各 種因素而增加。又，在一雷射叢訊期間，光束角度可能輕 微地改變。然而，此光束角度之改變可能造成入射至光網 36和光铺測器44上的光之實質衰減，因為這些成分可能距 離雷射12數十公尺。此等因光束角度之改變而造成的衰減 亦被包括於第5圖之圊表中。 再次參考第3圖，第4步驟顯示被光偵測器44和46輸 出之光強度信號的差異係被計算以判別那些是由於步進機 光學機構或光束角度所引起之強度暫態，和那些是由於雷 射12所引起之暫態β 第5步驟中，由於雷射12本身所造成之脈衝強度暫態 係根據該光偵測器46之信號而辨識。. 第6步驟中，由於步進機/掃瞄器光學機構或一光束角 度之改變所造成之脈衝強度暫態係根據光偵測器信號間的 差異而辨識。 第7步驟中，由於雷射12本身所造成之暫態被記錄並 分析以確定這些暫態係如何在每一脈衝間與每一叢訊間重 複。 ! 第8步驟中，由於步進機/掃瞄器光學機構或光束角度 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（21〇X 297公f ) 13 -^------1Τ-------4 (請先閱讀背面v->i意事項再填寫本頁) 經濟部十央標準局員工消費合作社印製 413971 Λ7 ____B? 五 '發明説明（11 ) ~ 改變所引起之暫態被記錄並分析以確定這些暫態如何在每 一脈衝間與每一叢訊間重複。 藉由將因為雷射本身而造成之暫態與因為步進機/掃 瞄器光學機構或光束角度改變而造成之暫態予以分開，雄 定暫態之重複模式的能力被大幅簡化。給定由於雷射12本 身所引起與由於步進機/掃瞄器光學機構或光束角度改變 所引起之暫態的複雜度，若是這些暫態被合併，所產生之 信號可能太複雜以至於無法確定在一合理時間内是否存在 重複模式。 第9步驟中，由雷射12本身所引起之暫態的一個重複 模式被使用以決定供下一脈衝之雷射輸出的預先修正，以 有效的造成該雷射輸出之脈衝與脈衝間之一致性。 第10步驟中，根據第8步驟之結果，該雷射輸出之必 要的預先修正被決定，以抵消被光偵測器44所接收到之信 號中，單獨因為該等步進機/掃瞄器光學機構或光東角度 偏差而造成之暫態。 第11步驟中，第9和第10步驟中得到的這些預先修正 被處理器60所併入並應用至該雷射控制器14。接著，為了 使該脈衝強度，即光偵測器44所偵測的，每一脈衝與下一 脈衝皆一致，雷射控制器14適當地調整雷射12之激發電壓 或其它特性，如步驟12所示。此修正係在一脈衝接一脈衝 之基礎上被完成’以使被光偵測器44所接收之光強度形成 i 每一脈衝與下一脈衝一致，如第6圖所示。為了使步進機 光學衰減之改變’被光偵測器46所偵測到之該雷射12輸出 本紙張尺度適财關家料（CNS ) A4規格（21GX297公楚） 14 --------------1T------0 (請先閱讀背面<注意事項再填寫本頁〕 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 413971 λ- B7 五、發明説明（12 ) 將不太可能脈衝與脈衝間都成一致。 給定被光偵測器44所感應到之脈衝至脈衝的均一光 強度’晶圓22對光能量之曝光可以更有可預測性。由於每 次曝光較少脈衝造成較短之晶圓製造時間，此程序可被用 以減少每次曝光中的脈衝數目而升高每次脈衝之光強度至 一均一等級，因而節省處理時間》 上述發明基本上不管該步進機或其它晶圊製造設備 怎樣，當一大型雷射系統被提供時係具有特別的優點者。 因為在此一狀況下，一個製造者發展該雷射系統，而另一 個製造者發展該步進機或其它處理系統。對此種晶園製造 系統而言，該雷射製造者不需考慮步進機之光學損失而且 ，因而可提供一個一般性的雷射系統給許多不同的步進機 系統。 下列文獻係同時供參考以提供劑量控制之一掃瞄系 統的光學機構與方法之更詳細的内容：，，供具有脈衝能量 變動和曝光位置跳動之掃瞄曝光的劑量控制”(by K,Suzuki et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol 34(1995), pp. 6565-6572) * 和1997年3月之”供DUV石版印刷之一步進與掃瞄系統的 效能’（by G. deZwart et al·，SPIE Symposium on Optical Microlithography)。 雖本發明之特定實施例被例示並詳細說明，惟對熟 習於熟習此項技術者而言，明顯地可於不偏離本發明之廣 義概念的情況下進行變更^修飾，因此，申請專利範圍應 包含本發明之精神與範嘴内之所有的變更與修飾。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0χ297公楚） 15 ---^------f *裝------訂------Μ (請先閲讀背面各注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 413971 Λ7 Β7 五、發明説明（13 ) 元件標號對照 10 雷射系統 40 聚焦光學機構 12 雷射 44 光偵測器 14 雷射控制器 45 鏡片 20 步進機 46 光偵測器 21 雷射光束 47 快門 22 半導體晶圓 48 信號調節器 24 Χ-Υ平台 56 取樣和保持電路 26 Χ-Υ平台控制器 58 類比-數位轉換器 27 脈衝控制器 59 取樣時脈 28 鏡片 60 處理器 29 鏡片 61 軟體 30 導管 62 取樣和保持電路 32 光束調節器 64 類比-至-數位轉換器 34 光束聚光器 36 光網 38 半鍍銀鏡片 39 透鏡 ."衣 t 1 訂 1 Lr ΛΜ _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2! Ο X 297公釐） 16

Claims (1)

1. 413971 "1 1 2 9 5 S AS B8 C8 D8 六、申請專利範圍 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 h 一種半導體晶圓製造系統，包含： —雷射’其發射一確定強度之光； 一晶圓曝光系統’其接受由該雷射產生的光線之 ’該曝光系統提供光學元件於該雷射與光罩之間，其 中該等光學元件造成由該雷射所發射之光在撞擊於該 光罩之前被衰減； 一第一光強度偵測器，其位於該曝光系統内，以 接收該等光學元件之至少一個所激發之雷射光的至少 一部分，且係於該光撞擊在該光罩上之前； 一第二光強度偵測器，其係位於緊鄰該雷射處， 以接收由該雷射輪出之雷射光的至少一部分， 該第一光強度偵測器與該第二光強度偵測器之輸 出連合起來被使用以控制一半導體晶圓對雷射光之一 曝光。 2. 如申請專利範圍第1項之該系統，其中該第—光強度損 測器與該光罩之間並無光學元件。 3. 如申請專利範圍第1項之該系統，其中光學元件被提供 於該第一光強度偵測器與該光罩之間。 4. 如申請專利範圍第1項之該系統，其中該雷射係為一殼 艘内之一準分子雷射，其與包含該等光學元件和該第 一強度偵測器之一殼體分隔開。 5. 如申清專利範圍第1項之1該系統，其中該雷射為一不受 該曝光系統所支撐之自由定置單元。 6. 如申請專利範圍第1項之該系統，其中該曝光系統為一 請 先 閱 ? 注 意 事 項 再 裝 訂 本紙張从逋用巾關家辟（CNS ) ( 210x297/^7 ABCD 413971 六、申請專利範圍 步進機。 7.如申請專利範圍第1項之該系統，其中該曝光系統為一 掃瞒器。 -------ΐ--:-裝------訂—r-----續—'J (請先閱讀背面r注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )从規格（210 X 297公釐）