WO2013026368A1

WO2013026368A1 - 一种干涉曝光装置及方法

Info

Publication number: WO2013026368A1
Application number: PCT/CN2012/080258
Authority: WO
Inventors: 许琦欣; 王帆
Original assignee: 上海微电子装备有限公司
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2013-02-28
Also published as: CN102955365A; CN102955365B; KR101576071B1; US9195146B2; KR20140056341A; EP2749948A1; EP2749948A4; EP2749948B1; US20140176925A1

Abstract

一种干涉曝光装置，包括：光源（100），用于提供曝光光束；匀光扩束单元（200），用于对光源发出的光束进行准直或整形；干涉头（300），包括至少两组光栅（303），用于将曝光光束形成至少两束干涉光束并会聚于基底表面形成一干涉曝光图形，光栅（303）的周期及位置与待曝光的图形的周期及分布特征相一致；运动承载单元（406），用于提供基底至少三自由度运动；测量单元（500），用于获得干涉头坐标系与运动承载单元坐标系的夹角，以便在对基底曝光之前依据测量单元（500）的测量结果对运动承载单元（406）的曝光位置进行调整。

Description

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，尤其涉及一种步进光刻设备及光刻曝光方法。背景技术

干涉光刻技术利用光的干涉和衍射特性，通过特定的光束组合方式，对干涉场内的光强分布进行调制，并用感光材料记录下来，产生光刻图形。

干涉光刻兼具高分辨率（可以相对容易地达到曝光波长的 1/4 )、大焦深 (接近光源的相干长度）的优点，可用于几十纳米〜几个微米尺寸的周期性图形加工。

目前，大范围周期性图形结构，如超长光栅、图形化蓝宝石衬底、光子晶体、太阳能吸收器、 FED ( Field Emmition Display )等，都需要在 2英寸〜 6 英寸的衬底上，制造均匀密布的周期性结构。这些结构不仅包含一维结构，还有二维结构。如何保证这些特征图形在较大面积的衬底上做到均勾分布（即很高的拼接精度）是一个很关键的技术问题。

现有技术的解决方案之一是美国专利 US6285817提出了一种基于球面波的多光束干涉光刻技术方案，该方案使用若干个放置在离待曝光衬底很远处的点光源，产生扩散球面波，以一定传播角度会聚在涂胶衬底之上，形成大面积的干涉图形。由于球面波本身具有波前畸变，因此会导致衬底中心和边缘处图形分布不均匀。

现有技术的解决方案之二是美国专利 US7561252 中提出了 "Scan Beam Interference Lithography (SBIL) " 的相无念 , 称为 Doppler Writing。使用该方法, 可在最大为 12英寸的衬底上制造超长光栅，线宽可达 lOOnm, 同时具有 4艮好的均匀性，但该方法的局限在于结构复杂，且无法应用于二维图形的加工。

现有技术的解决方案之三是美国专利 US6882477及文献《使用塔尔博特冷静干涉仪实现 193nm 浸没式光刻》 Proc. SPIE 5377, " Immersion microlithography at 193 nm with a Talbot prism interferometer" 中公开了基于平面波的 Talbot干涉曝光方案，相对球面波，平面波的波前畸变要小得多，但如果曝光场过大的话，各光学元件、环境介质引起的位相误差将对曝光图形均匀性产生影响。通过减小单个曝光场面积，采用逐场曝光的方式，可减小这一影响，但会带来另外的问题：因为干涉曝光图形的方向与运动承载单元的运动方向不一致，导致干涉光束与成片台运动位置之间存在夹角 α (如图 1 ), 从而将导致图形产生拼接问题，如图 2所示。

综上所述，现有技术中出现了不同的基于光束干涉的光刻技术，但是都具有一个至关重要的技术问题有待突破，即如何解决应用于大范围的微纳米周期图形加工的问题。发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种干涉曝光装置及方法，能够实现大面积高均匀性的图形拼接，且兼容于多种类别的周期性图形结构。

为实现上述发明目的，本发明公开一种干涉曝光装置，包括：

一光源，用于提供曝光光束；

一匀光准直单元，用以将所述光源出射的曝光光束均勾准直；

一干涉头，包括至少两组光栅，用于将所述曝光光束形成至少两束干涉光束并通过所述干涉头沿垂向的一维运动将所述至少两束干涉光束会聚于基底表面形成一干涉曝光图形，所述光栅的周期及位置与待曝光的图形的周期及分布特征相一致；

一运动承载单元，用于承载所述基底，并提供所述基底至少三自由度运动；

一测量单元，用于获得所述干涉头的坐标系与所述运动承载单元的坐标系之间的夹角，以便在曝光至所述基底上之前依据所述测量单元的测量结果对所述运动承载单元的曝光位置进行调整。

更进一步地，该干涉头包括三组正六边型光栅，该光栅之间呈 120度排列；或者该干涉头包括两组矩形光栅，该光栅平行排列。该运动承载单元上包括一对准标记。该运动承载单元与该基底之间还放置一光阑。该匀光准直单元与该干涉头之间还包括一反射镜。干涉头可替换。干涉头的光栅区域与曝光场形状相同。

本发明同时公开一种干涉曝光方法，包括：

加载干涉头，及加载待曝光基底于运动承载单元上；

利用测量单元测得所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系之间的夹角；以及

根据所述夹角及设定的曝光场位置更新所述运动承载单元的曝光位置；将所述运动承载单元运动至所述更新后的曝光位置；以及底表面，逐场曝光所述基底。更进

其中为运

动承载单元的设定的曝光场位置。

本发明还公开一种用于步进干涉曝光的对准装置，其包括至少两个测量单元，安装在干涉头上方；所述干涉头上还包括至少两个识别标记，所述运动承载单元上设有对准标记；所述对准装置通过调整成像焦距以探测所述干涉头上的识别标记，以及所述运动 7 载单元上的对准标记。

本发明还公开一种用于大范围周期性基底加工的干涉曝光对准方法，包括：通过离线测校，确定第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换关系及第一、第二测量单元坐标系自身的非正交、畸变；将运动承载单元上的对准标记分别移动至第一、第二测量单元坐标系中目标位置对应的参考位置，获取该对准标记在测量单元中的像素位置，将这两个像素位置作为新的目标位置；设备常数中获取第一、第二干涉头标记的位置；由测量单元分别获取第一、第二干涉头标记的像素位置；分别计算当前像素位置与目标位置的偏移量；获取第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数，以及第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数；将当前像素位置与目标位置的偏移量转换到运动承载单元零位坐标系中；获取运动承载单元零位坐标系中第一、第二干涉头标记的对准参考位置；计算当前第一、第二干涉头标记在运动承载单元零位坐标系中的实际位置；求解对准模型，求得干涉头相对运动承载单元零位坐标系的旋转量 RR ；修正运动承载单元步进的设定位置

与现有技术相比较，本发明提供一种干涉曝光装置及方法，利用一测量单元来检测干涉图形相对于运动承载单元（即承片台）的角度偏差，利用该角度偏差用来修正运动承载单元的曝光位置，因此能够实现大面积高均匀性的图形拼接。由于该干涉头可以被替换，因此兼容于多种类别的周期性图形结构。附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图 1 是现有技术公开的干涉条纹方向与运动承载单元运动方向不一致时的示意图；

图 2是现有技术公开的大面积周期性图形干涉加工时的拼接误差示意图；图 3是本发明干涉曝光装置结构示意图；

图 4是本发明干涉曝光装置中干涉头的第一实施方式的结构示意图；图 5是本发明第一实施方式的干涉光束示意图；

图 6是本发明第一实施方式的曝光效果；

图 7是本发明第一实施方式的曝光场拼接；图 9是本发明干涉曝光装置第二实施方式的干涉光束示意图；图 10是本发明第二实施方式的曝光效果。具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明所提供的干涉曝光装置适用于大范围周期图形加工，该干涉曝光装置的结构示意图如图 3中所示。该干涉曝光装置包括光源 100, 用于提供曝光所需的光束；勾光扩束单元 200, 用于对光源发出的光束进行准直或整形；干涉头 300, 用于对相干光源进行分割后形成至少两道干涉臂（或称干涉光束）；干涉头 300 出射的干涉臂会聚在基底上（图中未示出），然后入射测量单元 500; 该干涉曝光装置还包括一运动承载单元 406, 该运动承载单元 406 可以承载基底在至少 3个自由度方向上运动。干涉头 300由至少两组闪耀光栅构成，当该干涉头 300的光栅方向与运动承载单元 406的运动方向存在夹角时，即会在基底的曝光图形上产生拼接误差。通过设置的测量单元 500可以获取其夹角，并对该运动承载单元 406的位置进行补偿。

下面将结合图 3详细说明本发明所公开的干涉曝光装置的详细的结构示意图及如何实现无拼接误差的大范围周期图形加工。

如图 3中所示，该干涉曝光装置包括一激光器，即光源 100, 激光器 100 发出的高斯光束进入勾光扩束单元 200。激光光束经过勾光扩束单元 200后被准直为均匀光束，且光束直径能够至少覆盖干涉头上的光栅区域。由于匀光扩束单元 200在现有技术中已经得到广泛的应用，因此此处不详述。

经过匀光扩束单元 200 准直后的光束经过一反射镜 201 , 照射到干涉头 300上。在本发明中，要求干涉头 300既能够将相干光源进行分割，形成干涉臂 301 , 又能使各干涉臂 301以一定空间角度会聚。本实施例中，干涉头的结构如图 4所示，它的表面通过镀铬形成非透光区 302, 并配有三组互相成 120 度角排列的一维闪耀光栅 303 , 此外还有至少两个 "十"字形标记 304作为识别标" ^己。

激光光束照射到闪耀光栅区域后，其 +1级衍射光受到增强，而其余级次衍射则被抑制，从而形成三个干涉臂 301 (图中仅示出两个）。三个干涉臂 301 以一级光的衍射角 Θ会聚于吸附在运动承载单元上的涂胶基底之上，如图 5 所示，则在三光束交汇的区域，会形成如图 6所示的密集孔效果。

密集孔之间的距离 p由衍射角 Θ和曝光波长确定：

ρ = (1)

3 sin *

由于采用光栅作为干涉头，因此要改变孔与孔之间的距离时，只需要更换干涉头即可，而由于在本实施例中，干涉头作用与投影光刻中的掩膜类似，所以可采用自动化的传输机构，将干涉头安放于支撑平台 409上。

密集孔直径由曝光时间确定，该时间与孔直径大小、所用光刻胶特性、光源在基底上的光照度等参数有关。

曝光场面积则由干涉头上刻画出的闪耀光栅的面积确定，如图 4所示，本实施例中，三组闪耀光栅的区域均为正六边形，这样可以恰好使曝光场面积等于光栅区域的面积，以控制曝光区域大小，同时，六边形结构能够形成图形无缝拼接效果，如图 7所示。

在本实施例中，曝光不同密集孔间距，光栅衍射角 Θ不同，因此干涉区域的垂向位置也有所区别，由筒单的几何关系可知，干涉区域距离干涉面的高度 H与光栅

其中 d为干涉头上的闪耀光栅中心之间的距离。

基底（图中未示出）放置于运动承载单元（即承片台） 406上面，运动承载单元 406可以提供基底至少 3个自由度的运动。为了实现最佳的技术效果，避免外界环境的干扰，在运动承载单元 406下放置一气浮系统 405。上述基底、运动 ₇|载单元 406及气浮系统 405均放置于一主框架 410内，而主框架 410 又由减震装置 407 ( Air Mount )提供支撑，以隔离外界振动对于干涉光刻曝光的干扰。本干涉曝光装置其他各组成部分及测量单元均位于主框架确定的内部世界中。

在主框架 410的两侧，安装两个一维线性导轨 401 , 用于驱动干涉头支撑平台 409沿着垂直方向做一维运动，以保证干涉区域始终位于涂胶基底表面。在涂胶基底上表面，还安装有一光阑 404, 以阻挡闪耀光栅的残余 0级光及其他非必要的杂散光进入干涉区域。

运动^载单元 406气浮于主框架 410上，由刚性连接在主框架 410上的激光干涉仪 403伺服，承载涂胶基底在水平方向进行步进。当运动承载单元 406步进并稳定于设定位置时，激光快门（Shutter ) 101开启，当曝光到一定时间后， ShutterlOl关闭，此时一个曝光场曝光完成，运动载单元 406继续步进至下一个待曝光位置。

由于位于干涉头 300上的光栅方向与运动承载单元运动方向存在如图 1 所示的夹角 α , 因此对应的干涉图形与运动 7 载单元 406运动方向之间也会存在相同角度 a , 于是在步进曝光时，会使整个衬底上的曝光图形产生如图 2 所示的拼接误差。

在本实施例中，在主框架 410上左右两侧各安装一个 CCD摄像机 (即测量单元）500,其焦距可进行调节，干涉头 300上配有两个 "十"字形标记 304, 分别供左右 CCD进行识别，同时运动承载单元 406上也附有一个对准标记 408, 可供任意一个 CCD识别，通过 CCD 500分别对干涉头标记 304及运动承载单元上的对准标记 408进行识别，可获取其夹角 , 并通过修改运动承载单元 406的设定位置进行补偿，下面将详细说明这一流程。

在说明流程之前，先预定义以下坐标系，请结合图 8理解坐标系：运动承载单元（即承片台）坐标系（筒称 WSCS ): 其原点位于运动承载单元的几何中心， x、 y轴方向由激光干涉仪平面镜确定，为二维正交坐标系；运动承载单元零位坐标系（筒称 WZCS ): 与运动承载单元处于（0,0 )时的运动承载单元坐标系重合，运动承载单元的位置描述为 WZCS原点在 WSCS 下的向量，即 WSCS与 WZCS间仅存在平移关系：

干涉头坐标系（筒称 RCS ): 二维正交坐标系，其原点位于干涉头的几何 x、 y轴方向由干涉头的几何边界确定，每次更换干涉头，该坐标系都会发生改变；

干涉头零位坐标系（筒称 RZCS ): 二维正交坐标系，为 WZCS在干涉头平面内的投影；

左 /右 CCD (即测量单元）坐标系（MVLCS、 MVRCS ): 为二维非正交坐标系，原点由 CCD测量系统的逻辑像素位置（0,0 )确定，坐标轴方向垂直于 CCD成像边界确定。

为方便叙述，再定义若干位置：

目标位置（ Aim Position ): 描述于 MVL(R)CS中，其意义为干涉头上的 "十" 字标记对准时，该标记的像在描述于 MVL(R)CS中的像素位置；

参考位置（ Ref Position ): 描述于 WZCS中，其意义为目标位置在 WZCS 下的对应位置，该位置作为一恒定量，在本实施例中，左右 CCD中的目标位置各对应一个参考位置；

当前位置（ Current Position ): 描述于 MVL(R)CS下，表明干涉头或运动承载单元上的标记实际在左 /右 CCD中的像素位置。

通过对准所希望确定的夹角（X , 是指干涉头坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的夹角。

整个校正流程如下：

第一步：首先通过离线测校，确定以下关系：

MVL(R)CS与 WZCS之间的转换关系，即 CCD中的任意像素位置，对应 WZCS下的位置坐标；

MVL(R)CS与 RZCS之间的转换关系，即 CCD中的任意像素位置，对应 RZCS下的位置坐标；

MVL(R)CS自身的非正交、畸变。

第二步：更新目标位置，将运动载单元 406上的对准标记 408分别移动至 MVL(R)CS 中目标位置对应的参考位置，获取该对准标记 408 在两个 CCD中的像素位置，将这两个像素位置作为新的目标位置：

，

，。第三步：获取干涉头 300上左右 "十" 字形标记 304的位置，该位置由干涉头 300加工时确定并保证精度：

_Y ^RCS · ( _r ^RCS v^RCS Λ

^LRM · \^Λ LRM， J LRM )

RCS · ( _Y ^RCS ^CS

^RRM · \^XRRM， y RRM )

第四步：由 CCD 500分别获取左、右 "十" 字形标记 304在各自坐标系中的位置：

MVRCS , ( MVRCS MVRCS

^-Cur · \^XCur , y Cur )

第五步：分别计算当前位置与目标位置的偏移量:

f MVLCS MVLCS

CS ^XRA ― ^XCur

MVLCS MVLCS

y RA 一 Cur J

MVRCS

offset CurToAim

第七步：将第五步中的左右 CCD中的位置偏移量转换到 WZCS中: j rr .WZCS _n WZ MVLCS MVLCS、

^L°ff^Set A ,i,m„Tr„orC-„ur, = ^RMVL -(Xcur ^-RA )

WZCS ^z (_x MVRCS MVRCS

Roffset R^w 、

I^VMVR ^-RA ) 第八步：获取 WZCS 中左右 "十" 字标记 304 的对准参考位置

WZCS / WZCS WZCS WZCS . / WZCS WZCS

X LRA , y )、 ^ , y

第九步：计算左右 "十" 字标记 304 的像在 WZCS 中的位置

WZCS . ( WZCS WZCS x WZCS . , WZCS WZCS ·

^-LRM •· ^X^ LLRRMM ， y LRM )、 - ■RRRRMM · \ y^X-^RRRRMM , Y RRM )，

WZCS WZCS

X LRM ^LRA + L offset

WZCS _ WZCS , n ff _†WZCS 第十步：两 "十" 字标记 304在 WZCS下的位置满足方程组:

cos(W ) - sin(f ）

sin(RR^wzcs) cos(RR^wzcs)

其中 Mr为此时标记倍率， f 即为 RCS 与 WZCS之间的夹角 α , Ro:^zcs ?o ^es为两坐标系间的平移，通过两个 "十"标记 304的测量转换结果，可得到四组方程，可解得：

f =β,Α (4)

其中：

RCS WZCS , RCS WZCS

ox .ox + oy .oy

A

(Sx^RCSf + (Sy^RCS)

- RCS WZCS RCS

>y .ox + ox

B

(Sx^K " )^z + (Sy^K " )

S RCS _ RCS RCS

ox --― ^XLRM ― ^XRRM ,

Sy^RCS -- = vL^RR^CM^S - WZCS _ WZCS WZCS

OX ― ^XLRM ― ^XRRM ,

第十一步：重新计算运动承载单元设定位置

经过上述步骤，就可以实现在大面积的基底上达到较高的图形拼接精度。本发明还提供第二实施方式。第二实施方式与第一实施方式的区别在于干涉头 300的图形设置。如图 9所示，该干涉头 300上设置有两组并行排列的一维闪耀光栅 303 , 同时也设置两个探测器识别标志 304。两组一维闪耀光栅 303均呈矩形。利用图 9中所涉及的干涉头会形成两光束交汇的干涉区域，会形成如图 10中所示的干涉条纹。其中干涉区域距离干涉面的高度 H与光栅衍射角 Θ的关系为：

d

H 其中 d为干涉头上闪耀光栅中心的间距。其他的对夹角的补偿公式如上文所示。

与现有技术相比较，本发明提供一种干涉曝光装置及方法，利用一测量单元来检测干涉图形相对于运动承载单元的角度偏差，利用该角度偏差用来修正运动承载单元的曝光位置，因此能够实现大面积高均匀性的图形拼接。由于该干涉头可以被替换，因此兼容于多种类别的周期性图形结构。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

权利要求

1、一种干涉曝光装置，其特征在于，包括：

一光源，用于提供曝光光束；

2、如权利要求 1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头包括三组正六边型光栅，所述正六边型光栅的栅线之间呈 120度排列，以在所述基底上形成呈六边形分布的密集孔阵列的干涉曝光图形。

3、如权利要求 1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头包括两组矩型光栅，所述两组矩型光栅平行排列，且光栅的栅线之间互相平行，以在所述基底上形成呈密集线结构的干涉曝光图形。

4、如权利要求 1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述运动承载单元上包括一对准标记。

5、如权利要求 1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述运动承载单元与所述基底之间还放置一光阑。

6、如权利要求 1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头可替换。

7、如权利要求 1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头的光栅区域与曝光场形状相同。

8、一种采用如权利要求 1所述的干涉曝光装置的干涉曝光方法，其特征在于，包括：加载干涉头，及加载待曝光基底于运动承载单元上；

根据所述夹角及设定的曝光场位置更新所述运动承载单元的曝光位置；将所述运动承载单元运动至所述更新后的曝光位置；以及

底表面，逐场曝光所述基底。

9、如权利要求 8述的干涉曝光方法，其特征在于，所述运动承载单元的曝光位置采用如下公式计算:

其中 RR^WZCS为所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系之间的夹角为运动承载单元的设定的曝光场位置。

10、如权利要求 1 所述的干涉曝光装置，其特征在于，还包括一对准装置，所述对准装置包括至少两个测量单元安装在所述干涉头上方；所述干涉头上还包括至少两个识别标记，所述运动 7 载单元上设有对准标记；所述对准装置通过调整成像焦距以探测所述干涉头上的识别标记，以及所述运动承载单元上的对准标记。

11、一种用于大范围周期性基底加工的干涉曝光对准方法，采用如权利要求 10所述的干涉曝光装置，其中所述对准装置包括两个测量单元，分别为第一、第二测量单元，所述干涉头上包括两个识别标记，分别为第一、第二干涉头标记，其特征在于，所述方法包括：

a) 通过离线测校，确定第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换关系及第一、第二测量单元坐标系自身的非正交、畸变； b) 将运动承载单元上的对准标记分别移动至第一、第二测量单元坐标系中目标位置对应的参考位置，获取该对准标记在测量单元中的像素位置，将这两个像素位置作为新的目标位置；

c) 设备常数中获取第一、第二干涉头标记的位置；

d) 由测量单运元分别获取第一、第二干涉头标记的像素位置；

e) 分别计算当前像动素位置与所述目标位置的偏移量；

f) 获取第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数，以及第一、第二载测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数；单

g) 将当前像素位置与目标位置的偏移量转换到运动承载单元零位坐标系中；步

h) 获取运动承载单元零位坐标系中第一、第二进干涉头标记的对准参考位置；

i) 计算当前第一、第二干涉头标记在运动承载单元零位设坐标系中的实际位置；

j) 求解对准模型，求得干涉头相对运动承载单元零位坐标系的旋位转量

WZCS

RR

为运动承载单元的原设定

y₀

位置,