CN104375384B - 一种曝光方法及其曝光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种曝光装置，用于在基底上曝光图形，包括：一激光器，用于提供曝光光源；一光源调整模块，用于调整该曝光光源；一空间光调制器，用于将该曝光光源调制成一图形；一物镜，用于将该图形成像至该基底；一工件台，用于支撑并驱动该基底运动；以及一同步控制单元，用于同步控制该工件台、空间光调制器以及该激光器。本发明同时公开一种曝光方法。

Description

一种曝光方法及其曝光装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路制造加工领域，尤其涉及一种无掩模光刻的曝光方法及其曝光装置。

背景技术

投影曝光装置能够将掩模版上的电路图形经过投影物镜等光学***以一定放大或缩小的倍率投影于涂有感光胶的基底上。目前投影曝光装置已广泛应用于集成电路的制造，并且近年来应用范围扩展到平板显示、印刷电路板制造等领域。

对于目前普遍采用扫描投影式曝光装置，掩模的制造、管理和维护成本不断上升，同时对掩模台、掩模传输、框架提出了更高的要求。无掩模光刻能有效地降低光刻***的复杂度(无需掩模台、掩模传输、框架结构简单)和掩模的加工、维护成本，而基于空间光调制器（Spatial Light Modulatro，以下简称SLM）的无掩模光刻方法因其制作灵活、可靠性高等优势越来越多地被用来制作印刷电路板（PCB）、薄膜液晶面板（TFT）、微机电***（MEMS）。

US7612865、US7253882、US20090086182、US2008258069分别为Dainippon Screen、Fujifilm、Maskless Lithography Inc、ORC等公司的无掩模光刻设备，其特点为：汞灯或激光二极管(Laser Diode，以下简称LD)出射的紫外光经照明***后入射到数字微镜阵列(Digital Micromirror Device，以下简称DMD)表面，DMD生成待曝光的图形，经过投影物镜成像到涂胶基底表面，基底做扫描运动，DMD不断地改变图形，从而得到完整的待曝光图形。

以上各文献中所介绍的***存在一个很大的缺陷。在无掩模曝光***中，空间光调制器(如DMD)所生成的图形是离散的，而基底却在做连续扫描。每幅曝光图形由SLM生成后会保持一段时间，该时间为SLM的显示周期(或称为frame rate)，以DMD为例，目前其最大刷新率为32K fps，即31.25us，若采用汞灯或LD等连续光源，假设基底以0.5m/s的速度做扫描运动，则相当于产生了0.5m/s×31.25us = 15.625um的fading。这一缺陷极大的限制了无掩模光刻的应用，使之不能进行高分辨率图形的曝光，或者只能在很慢的扫描速度下进行曝光，极大影响产率。

从以上背景技术可以看出，对基于SLM的无掩模光刻***而言，分辨率和产率存在一对矛盾，为了拓展无掩模光刻的应用领域，需要考虑在保证无掩模光刻***分辨率的情况下，提高其产率的方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种无掩模光刻的曝光方法及其曝光装置，以同时提高分辨率和产率。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种曝光装置，用于在基底上曝光图形，包括：一激光器，用于提供曝光光源；一光源调整模块，用于调整该曝光光源；一空间光调制器，用于将该曝光光源调制成一图形；一物镜，用于将该图形成像至该基底；一工件台，用于支撑并驱动该基底运动；以及一同步控制单元，用于同步控制该工件台、空间光调制器以及该激光器。

更进一步地，该激光器生成脉冲激光。该光源调整模块包括：一扩束单元，用于将该激光器的出射光扩束；一可变衰减器，用于为该扩束单元的出射光提供0%~99%的连续可调衰减；匀光照明单元，用于将该可变衰减器的出射光调制为均为照明。该空间光调制器为数字微镜阵列。该数字微镜阵列包括若干微反射镜，所述微反射镜可根据所述同步控制单元发出的控制信号进行固定角度偏转。该工件台采取扫描步进运动。

本发明同时公开一种曝光方法，包括：步骤1、加载掩模数据，根据空间光调制器曝光视场沿扫描方向的宽度，将基底上各个曝光视场的数据拆分为若干个曝光条；步骤2、将每一曝光条的图形转换为灰度图以获像方栅格内的曝光剂量分布；步骤3、将步骤2中所获得的灰度图转换为若干二值化图形序列进行存储；步骤4、使脉冲激光、该图形序列和承载基底的工件台同步工作并曝光。

更进一步地，该步骤1中掩模数据的格式为时序提供格式或矢量图形式。该步骤2进一步包括：步骤2.1、将该图形进行栅格化，栅格大小与该空间光调制器像素在该基底面上的大小一致； 步骤2.2、确定该栅格化的图形的灰度值，以获得各栅格内的曝光剂量分布。该步骤2.2中该灰度值的计算方法为：。该步骤3中在二值化图形序列转换过程中遵循以下原则：在曝光过程中使得所述空间光调制器曝光视场经过每个像方栅格至少N次，其中，所述N值等于所述灰度图的灰度阶数。

其中，所述步骤4中的同步工作是指：所述工件台扫描运动到预设的位置时，对应的图形序列进行输出，同时激光器输出脉冲激光。

与现有技术相比较，本技术方案的优点在于：第一、利用脉冲光脉宽窄的特点，避免了空间光调制器显示时间导致的图形消褪；第二、将剂量拆分成N份进行曝光，有利于提高剂量控制精度；第三、工件台可高速连续扫描，有利于提高产率。

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是本发明所示出的曝光装置；

图2是DMD调制原理示意图；

图3是本发明所示出的掩模图形数据示意图；

图4是硅片上每个曝光场的示意图；

图5是硅片上每个strip示意图；

图6是硅片上的Strip内的掩模图形灰度化示意图；

图7是硅片上的Strip视场扫描示意图；

图8是硅片上的Strip二值化图形序列示意图；

图9是掩模数字化过程示意图；

图10是硅片上的Strip图形序列同步示意图；

图11是本发明所示出的工件台与图形序列同步示意图。

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。

本技术方案所公开的曝光装置如图1所示，包括脉冲激光器104、扩束单元103、可变衰减器102、匀光照明单元101、SLM（空间光调制器）、物镜106、工件台108、硅片107以及同步控制单元105组成。

脉冲激光器104为曝光装置提供曝光光源，其波长应在光刻胶的感光范围之内，一般要求波长比紫外波段更短。本技术方案要求光源必须为脉冲光，其原因有二：一是可提供持续时间较短但能量较高的光源，避免连续光曝光时所产生的图形虚化现象；二是可以与工件台以及SLM形成同步，保证成像质量。

扩束单元103将激光器104发出的光扩束，使经过照明后，光束面积与SLM调制区域匹配，保证SLM上各调制单元的利用率。

可变衰减器102为激光器104发出的脉冲提供0%~99%的连续可调衰减，用于控制照射到硅片107表面上脉冲的能量。

匀光照明单元101将激光器104发出的光调制为均匀照明，照射到SLM表面。

SLM用于形成调制图形，相当于传统投影光刻中的掩模图形，只不过在本方案中掩模图形实时改变，其所显示的图形由同步控制单元105进行控制输出。

本实施方案中所采用的SLM为DMD（数字微镜阵列），SLM本实施例中选择DMD，它是一种MEMS器件，各微反射镜可根据其基底地址电极上的控制信号进行固定角度偏转。如图2所示，DMD的基底地址电极201上设置若干未偏转微反射镜202和偏转微反射镜203。当某个微反射镜接收到控制信号为1时，其偏转转12°，反射光将进入后继光学***，如本实施例中的物镜；当接收到信号为0时，偏转-12°。控制信号即对应待曝光的掩模图形数据。根据DMD的特性，要求照明光的入射角（相对于无偏转情况下的DMD工作面）为23°。

物镜106用于将SLM上的调制图形成像到硅片107表面。

工件台108驱动硅片107进行运动，在本方案中，工件台采取扫描步进运动。

同步控制单元105负责：工件台108、SLM、脉冲激光器104之间的同步控制，同时同步控制单元中还包含掩模图形离散化处理、存储的、发送的功能。

本实施方案所对应的曝光方法如下：

首先加载掩模数据，此时所加载的掩模数据一般是GDSII格式（时序提供格式）或矢量图形式。如图3所示。这里至少需要加载一个die（曝光视场）的掩模数据。加载Wafer上的曝光场数据，即根据曝光工艺处方，获取各个die（曝光视场）在wafer上的分布，如图3所示。

根据SLM的曝光视场沿扫描方向的宽度，将各个die（曝光视场）的数据拆分为若干个strip（曝光条），如图5所示。

将各个Strip上的图形由矢量图形式转换为灰度图，如图6所示。首先将矢量图形式的掩模图形进行栅格化，栅格大小（像方Pixel Size）与DMD像素（反射镜）在硅片面上的大小一致。栅格化后需要进一步将掩模图形进行灰度化，通过灰度化可以获得各栅格内的曝光剂量分布，以有掩模状态下的曝光剂量为full dose（全剂量），各栅格内的剂量或为full dose，或为full dose的若干分之一。本实施例中，像方栅格内的剂量（即对应的灰度值）可根据掩模图形在栅格内所占面积比例确定，即：

其中灰度阶数根据不同图形线宽可进行调整，一般可借助如prolith等光刻仿真软件进行计算得到。本实施例中，我们将灰度阶数设置为4阶。各栅格内灰度化后，需要进行曝光的栅格按1~69的序号进行标注。将灰度化图形转换为二值化图形序列进行存储。首先如图7所示，SLM像方视场的栅格大小与掩模图形灰度化后的像方栅格一致，由于灰阶数为4，因此扫描过程中，必须保证SLM视场经过每个像方栅格至少4次，由于SLM是静止的，因此对应于工件台每次经过SLM像方视场宽度的1/4，根据这一原则，将灰度化后的图形拆分为图形序列，如图8所示。

图形序列中各图形均对应于1/4的Full Dose（全剂量）的剂量。整个数字化过程如图9所示，最终所有的图形序列均存储至同步控制单元。图9中，901获取各个die（曝光视场）在wafer上的分布；902将各个die（曝光视场）的数据拆分为若干个strip；903将各个Strip上的图形由矢量图形式转换为灰度图；904将灰度化后的图形拆分为图形序列；905将曝光完成的硅片放入存储盒。

曝光时，脉冲光、图形序列、工件台三者进行同步，如图10、图11所示，工件台运动到预设的位置X1，X2……X9时，对应的图形序列依次为Frame1, Frame2……Frame9，同时激光器输出脉冲，在一个Frame周期内，其输出总能量应为有掩模曝光剂量的1/4，该能量控制由***各种的可变衰减片实现。工件台在两个Frame之间的运动距离为SLM视场宽度的1/4，如此重复，完成扫描。

与现有技术相比较，本技术方案的优点在于：第一、利用脉冲光脉宽窄的特点，避免了空间光调制器显示时间导致的图形消褪；第二、将剂量拆分成N份进行曝光，有利于提高剂量控制精度；第三、工件台可高速连续扫描，有利于提高产率。

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 (6)

1.一种曝光方法，使用一种曝光装置，用于在基底上曝光图形，所述曝光装置包括：

一激光器，用于提供曝光光源；

一光源调整模块，用于调整所述曝光光源；

一空间光调制器，用于将所述曝光光源调制成一图形；

一物镜，用于将所述图形成像至所述基底；

一工件台，用于支撑并驱动所述基底运动；以及

一同步控制单元，用于同步控制所述工件台、空间光调制器以及所述激光器；

其特征在于，所述曝光方法包括：

步骤1、加载掩模数据，根据空间光调制器曝光视场沿扫描方向的宽度，将基底上各个曝光视场的数据拆分为若干个曝光条；

步骤2、将每一曝光条的图形转换为灰度图以获像方栅格内的曝光剂量分布；

步骤3、将步骤2中所获得的灰度图转换为若干二值化图形序列进行存储；

步骤4、使脉冲激光、所述图形序列和承载基底的工件台同步工作并曝光。

2.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，所述步骤1中掩模数据的格式为时序提供格式或矢量图形式。

3.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

步骤2.1、将所述图形进行栅格化，栅格大小与所述空间光调制器像素在所述基底面上的大小一致；

步骤2.2、确定所述栅格化的图形的灰度值，以获得各栅格内的曝光剂量分布。

4.如权利要求3所述的曝光方法，其特征在于，所述步骤2.2中所述灰度值的计算方法为：

5.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，所述步骤3中在二值化图形序列转换过程中遵循以下原则：在曝光过程中使得所述空间光调制器曝光视场经过每个像方栅格至少N次，其中，所述N值等于所述灰度图的灰度阶数。

6.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，所述步骤4中的同步工作是指：所述工件台扫描运动到预设的位置时，对应的图形序列进行输出，同时激光器输出脉冲激光。