TWI410757B - An electron beam exposure apparatus, an electron beam generating apparatus, and an exposure method - Google Patents

Description

電子束曝光裝置、電子束產生裝置及曝光方法

本發明有關於一種電子束產生裝置，設置有密度較高的電子束產生單元，並有利於縮短以電子束進行曝光所需要的時間。

微影製程技術(lithography)在IC製造中一直扮演著舉足輕重的角色，目前業界大多是以光學的方式進行微影的製程。在進行光學微影製程前必須先依據設計的IC電路製作光罩(mask)，而後在透過光罩開始進行光學微影製程(optical lithography)。

光學微影製程的主要步驟如下：首先要在晶圓(wafer)上塗佈光阻，而後再將光罩放置於晶圓上方，並使得紫外光透過光罩投射在光阻上。經過一段時間的照射後，晶圓上的光阻將會被區分為曝光區及非曝光區，並可依據光阻的選擇(如正光阻或負光阻)將曝光區或非曝光區的光阻移除，藉此在晶圓上定義出不同的區塊。

隨著IC產品技術需求的提升及IC密度的增加，微影技術也需不斷地提高解析度以進行更微小尺寸的製程。光學微影術所能製作的最小線寬與光源的波長相關，例如想要得到更小的線寬，則必須採用波長更短的光源。光源的波長有一定的限制，容易在新一代的奈米製程中出現瓶頸，例如波長193nm的光源配合浸潤式微影(immersion lithography)進行曝光，大約可以製作出45nm的結點。然而當IC電路演進到32nm的結點時，則波長193nm的光源恐怕無法進行曝光的製程，而必須配合二次曝光(double patterning)的方式進行。

近年來為了克服上述的問題，各種不同的曝光方法相繼被提出，目前以電子束微影製程(electron beam lithography)最被各界所看好。電子束微影製程的優點在於高度自動化及精準的操作，相較於光學微影製程具有更深的聚焦深度，並可克服一般光學微影的繞射極限問題，以及不須使用光罩等優點。

目前電子束微影技術主要是以單一個電子源來進行微影製程，無法在一微小的面積內設置多個電子束，再加上電子束微影製程主要是透過機械動作進行，使得生產率較光學微影製程低，例如1μm的解析度下每小時約生產五片晶圓。因此在傳統上電子束微影技術主要應用在光罩的製作，若要將其應用在半導體的微影製程中，則在技術上還有許多需要改進的部分。

本發明之一目的，在於提供一種電子束產生裝置，主要由複數個電子束元件組成電子束產生裝置，且電子束元件包括有複數個電子束產生單元，其中電子束元件及電子束產生單元皆為一微機電系統(MEMS)或奈米微機電系統，並可提高單位面積上電子束產生單元的設置密度，以縮短電子束產生裝置進行微影製程所花費的時間。

本發明之另一目的，在於提供一種電子束產生裝置，主要透過半導體製程的技術製作電子束元件，不僅可降低電子束產生裝置的製作成本，亦可短時間內製作大量的電子束元件。

本發明之又一目的，在於提供一種電子束產生裝置，其中電子束元件內之電子束產生單元皆包括有一電子束源及一電子束光學系統，電子束源可用以產生電子束，電子束光學系統則可用以對電子束進行聚焦及偏折。

本發明之又一目的，在於提供一種電子束產生裝置，主要透過半導體製程於單一個晶圓上製作大量的電子束產生單元，並依據可正常工作之電子束產生單元的位置，將晶圓裁切成複數個電子束元件，其中各個電子束元件可為不同的幾何形狀及不同的大小，並包括有不同數量的電子束產生單元，而後再將各個電子束元件進行排列，以組合成為電子束產生裝置。

本發明之又一目的，在於提供一種電子束產生裝置，主要由複數個電子束元件組成電子束產生裝置，且各個電子束元件皆為獨立的構件，當電子束元件內之電子束產生單元損壞時，可直接進行電子束元件的更換，有利於提高維修及置換時的便利性。

本發明之又一目的，在於提供一種電子束曝光裝置，其中電子束產生裝置的大小及形狀與晶圓相近，並可以電子束產生裝置上的電子束產生單元分別對晶圓上不同的掃瞄區域進行曝光，以提高微影製程的效率。

本發明之又一目的，在於提供一種電子束產生裝置的曝光方法，透過此一曝光方法可在電子束產生單元損壞的情況下，仍舊可以電子束產生裝置對晶圓進行曝光。

為達成上述目的，本發明提供一種電子束產生裝置，包括有：至少一電子束元件，其中電子束元件為一微機電系統，並包括有：複數個電子束產生單元，其中電子束產生單元包括有：一電子束源，用以產生一電子束；及一電子束光學系統，用以對電子束進行聚焦及改變其方向。

此外，本發明還提供一種電子束曝光裝置，包括有：一承載單元，用以承載至少一晶圓；一電子束產生裝置，包括有：複數個電子束元件，其中各個電子束元件由半導體製程所製作，並包括有：複數個電子束產生單元，其中電子束產生單元包括有：一電子束源，用以產生一電子束，並將電子束投射至晶圓；一電子束光學系統，用以對電子束進行聚焦及改變其方向；及一資訊處理單元，透過至少一資料傳輸線連接電子束產生裝置。

本發明還提供一種如電子束產生裝置的曝光方法，其中電子束產生裝置用以對一晶圓進行曝光，且晶圓被區分為複數個掃瞄區域，主要包括有以下步驟：以電子束產生裝置之電子束產生單元對晶圓上的掃瞄區域進行曝光；是否有任一電子束產生單元故障；若電子束產生裝置內有任一電子束產生單元故障，則電子束產生裝置及晶圓會相對移動至少一掃瞄區域；及以電子束產生裝置之電子束產生單元再次對晶圓上的掃瞄區域進行曝光。

請參閱第1圖、第2圖及第3圖，分別為本發明一實施例之電子束產生裝置之俯視圖、立體示意圖及剖面示意圖。如圖所示，電子束產生裝置1主要包括有一個或一個以上的電子束元件(beamlet array cell)10，而電子束元件10內則包括有複數個電子束產生單元(beamlet)100，使得電子束產生裝置1可同時產生多個電子束。

各個電子束產生單元100包括有一電子束源(electron source)11及一電子束光學系統(electron optical)13，電子束源11可用以產生一電子束，而電子束光學系統13則用以對電子束進行聚焦並改變電子束的方向。

在本發明一實施例中，電子束源11包括有一資料接收部(data receiver)111、一控制端(source controller)113及一電子槍(electronic emitter)115。電子束光學系統13則包括有一開關平板(blanker)131、至少一電子透鏡(electric lens)133、一電子束偏移器(beam deflector)135或一偵測器(detector)137。在另一實施例中電子束光學系統13亦可僅包括有至少一電子透鏡133。

開關平板131可用以控制電子束的開啟或關閉，但亦可不用設置有開關平板131，並以直接控制電子槍115之開啟與關閉控制電子束之有無；電子透鏡133的數量一般為複數個，並可用以對通過的電子束進行聚焦；電子束偏移器135則用以對通過的電子束進行偏移，並控制電子束的投射位置，在不同實施例中亦可不用設置有電子束偏移器135，而是直接控制電子束產生裝置1或承載單元53進行相對位移，如第6圖所述之實施例。電子透鏡133及電子束偏移器135可透過形成電場或磁場的方式進行電子束的聚焦及偏移，在本發明中主要以形成電場的方式來進行電子束的聚焦及偏移為較佳，主要是因為本發明中電子束產生單元100的體積較小。此外電子束產生單元100所產生之電子束能量(beam energy)較低，例如小於20kev。

本發明所述之電子束產生裝置1的面積與欲進行微影製程之晶圓20(如虛線所示)的面積相近。例如可將複數個電子束元件10進行排列以形成電子束產生裝置1，並使得經過排列之電子束元件10的形狀及大小皆與欲進行微影製程的晶圓20相近，如第1圖所示。

在本發明一實施例中電子束產生裝置1包括有762個電子束元件10，且各個電子束元件10的面積約為10mm×10mm，而各個電子束元件10內又包括有100個電子束產生單元100，換言之電子束產生裝置1上會設置有76200個電子束產生單元100，並可用以對一面積約為300mm的晶圓20進行微影製程。當然在不同實施例中電子束產生裝置1上之電子束元件10的數量並不侷限為762個，且各個電子束元件上之電子束產生單元100的數量亦不侷限為100個，並可用以對各種不同尺寸的晶圓20進行微影製程。

本發明所述之電子束元件10及電子束產生單元100為微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)或奈米微機電系統，例如電子槍115的大小約為50nm，並可透過半導體製程的技術製作。其中電子束元件10的大小、形狀及其內部之電子束產生單元100的數量與排列方式皆為可變，主要可依據半導體製程的設備、良率或規格等條件決定，相關的內容將會在說明書下一段的內容中說明。

請參閱第4圖，為本發明本發明一實施例之電子束元件的構造示意圖。如圖所示，並請配合參照第3圖，本發明所述之電子束元件10為微機電系統，主要於晶圓30上以半導體製程的技術製作複數個電子束產生單元100，其中各個電子束產生單元100皆包括有一電子束源11及一電子束光學系統13，並可進一步將設置有電子束產生單元100的晶圓30進行切割，以形成複數個電子束元件10，且各個電子束元件10上包括有複數個電子束產生單元100。

在製作時可將電子束產生單元100的各個構件設置在同一晶圓上，但亦可製作於不同的晶圓上，而後再將兩個或兩個以上的晶圓進行接合(bonding)，藉此將可以在晶圓30上形成複數個電子束單元100，而後再對晶圓30進行裁切。

在對晶圓30進行裁切時，可依據電子束產生單元100的設置位置，以及半導體製程的設備、良率或規格等條件，決定晶圓30上的裁切線(如第4圖之虛線)及電子束元件10的大小。在本發明一實施例中可將晶圓30裁切成複數個相同大小的電子束元件10，並使得各個電子束元件10內接包括有100個電子束產生單元100。當然隨著半導體製程的設備、良率或規格的進步，亦可使得單一個電子束元件10包括有100個以上的電子束產生單元100。

在不同實施例中，亦可選擇將晶圓40裁切成複數個不同大小及形狀的電子束元件10，並形成第一電子束元件41、第二電子束元件43、第三電子束元件45、第四電子束元件47及第五電子束元件49。例如第一電子束元件41為正方形並包括有100個電子束產生單元100；第二電子束元件43為長方形並包括有200個電子束產生單元100；第三電子束元件45為L形並包括有300個電子束產生單元100；第四電子束元件47為正方形並包括有400電子束產生單元100；第五電子束元件49亦為正方形並包括有900個電子束產生單元100，如第5圖所示。

在實際應用時電子束元件10可為任意之幾何形狀，並包括有任意數量之電子束產生單元100，甚至可以單一個電子束元件10構成電子束產生裝置1。

由於電子束產生單元100及電子束元件10是透過半導體製程的方式製作，有利於降低電子束產生單元100及電子束元件10的製作成本並提高製作的效率，例如可在單一次的製程中製作大量的電子束元件10。此外透過半導體製程的技術進行製作，亦可提高單位面積內電子束產生單元100的數量。

當電子束產生裝置1上之電子束產生單元100及/或電子束元件10損壞時，可直接將損壞之電子束元件10卸下，並裝上新的電子束元件10，可有效降低電子束產生裝置1維修時的難度及成本。

請參閱第6圖，為本發明電子束曝光裝置一實施例之構造示意圖。如圖所示，電子束曝光裝置50包括有一電子束產生裝置1、一資訊處理單元51及一承載單元53，其中電子束產生裝置1與資訊處理單元51相連接，而承載單元53則用以承載晶圓20。

晶圓20放置於承載單元53上，且晶圓20的表面塗佈有一光阻21，在曝光時承載單元53可用以帶動晶圓20在一平面上進行位移。此外電子束產生裝置1亦可相對於承載單元53上的晶圓20進行位移，藉由電子束產生裝置1及晶圓20之間的相對位移，將可以對晶圓20上之光阻21進行曝光。

資料處理單元51主要用以傳送資料至電子束產生裝置1及/或承載單元53，並可控制電子束產生裝置1及承載單元53在平面上進行相對位移，此外亦可控制電子束產生單元100產生電子束，並使得電子束進行偏移。

資訊處理單元51主要透過資料傳輸線55與電子束產生裝置1及/或承載單元53相連接，並進行資料的傳輸，例如資料傳輸線55可為光纖或導線。在實際應用時資訊處理單元51傳送至電子束產生裝置1及/或承載單元53的資料相當龐大，並可使用光纖55進行資料的傳輸，以提高資料傳輸的速度。在本發明一較佳實施例中資訊處理單元51可以不同的光纖55分別與各個電子束元件10相連接，使得電子束元件10與光纖55的數量相同，例如皆為762個。

電子束產生裝置1與晶圓20的面積相近，在本發明一實施例中，電子束產生裝置1包括有762個電子束元件10，且各個電子束元件10的面積約為10mm×10mm，而各個電子束元件10內又包括有100個電子束產生單元100。在使用時各個電子束產生單元100可分別對晶圓20的各個掃瞄區域200進行曝光，例如掃瞄區域200的面積約為1mm² ，且承載單元53的最大移動範圍約為±1mm。由於各個電子束產生單元100僅需要對各個不同之小範圍(1mm² )的掃瞄區域200進行曝光，使得承載單元53僅需要在小範圍內進行位移，如第7圖所示，不僅可降低承載單元53的成本，亦可提高承載單元53的精確度及降低電磁的干擾。

電子束的掃瞄方式如第7圖所示，其中電子束在掃瞄區域200內有500條在第一方向X上的掃瞄線201，且相鄰之掃瞄線201的間隔203的大小約為2μm。

請參閱第8圖，為本發明電子束產生裝置一實施例之曝光方法的步驟流程圖。如圖所示，並請配合參照第1圖及第7圖，電子束產生裝置1包括有複數個電子束元件10，而各個電子束元件10則包括有複數個電子束產生單元100，並可用以對晶圓20進行曝光。使用時可將晶圓20區分成複數個掃瞄區域200，並以電子束產生裝置1之各個電子束產生單元100對晶圓20上各個掃描區域200進行曝光，如步驟61所示。

電子束產生裝置1上設置有數量龐大的電子束產生單元100，當有任一電子束產生單元100發生故障時，使用者可將具有毀損之電子束產生單元100的電子束元件10進行置換。然而當電子束產生裝置1上有任一電子束產生單元100故障時，還是可以電子束產生裝置1對晶圓20進行曝光。

在本發明一實施例中，可進一步判斷是否有任一電子束單元100發生故障，如步驟63所示。若電子束產生裝置1上沒有任一電子束產生單元100故障，則在完成步驟61後，便已完成曝光的步驟。然而當電子束產生裝置1上有任一電子束產生單元100故障時，電子束產生裝置1對晶圓20完成第一次的曝光動作後，電子束產生裝置1及晶圓20會進行相對的移動，且移動的範圍為至少一個掃瞄區域200，例如電子束產生裝置1及晶圓20可在第一方向X或第二方向Y相對位移一掃瞄區域200，如步驟65所示。

當電子束產生裝置1及晶圓20的位移動作完成後，可再次以電子束產生裝置1上的電子束產生單元100對晶圓20上的掃瞄區域200進行曝光，藉此將可以正常的電子束產生單元100代替損壞之電子束產生單元100進行曝光，如步驟67所示。當然在實際應用亦可先判斷電子束產生裝置1上是否有任一電子束產生單元100故障，而後再進行步驟61所述之曝光製程。

透過上述的方法雖然可以在電子束產生單元100損壞的情況下，以電子束產生裝置1完成晶圓20之曝光步驟，然而上述的曝光方法將會造成曝光的時間增加為兩倍。此外當有相鄰之電子束產生單元100損壞，則有可能使得曝光的時間變成原來的三倍。

因此在使用本實施例所述之曝光方法時，亦可進一步判斷是否有相鄰之電子束產生單元100同時故障，若有則操作者可能需要對具有毀損之電子束產生單元100的電子束元件10進行更換，以避免曝光的時間過長。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1．．．電子束產生裝置

10．．．電子束元件

100．．．電子束產生單元

11．．．電子束源

111．．．資料接收部

113．．．控制端

115．．．電子槍

13．．．電子束光學系統

131．．．開關平板

133．．．電子透鏡

135．．．電子束偏移器

137．．．偵測器

20．．．晶圓

200．．．掃瞄區域

201．．．掃瞄線

203．．．間隔

21．．．光阻

30．．．晶圓

40．．．晶圓

41．．．第一電子束元件

43．．．第二電子束元件

45．．．第三電子束元件

47．．．第四電子束元件

49．．．第五電子束元件

50．．．電子束曝光裝置

51．．．資訊處理單元

53．．．承載單元

55．．．資料傳輸線

第1圖：為本發明一實施例之電子束產生裝置之俯視圖。

第2圖：為本發明一實施例之電子束產生裝置的部分構造之立體示意圖。

第3圖：為本發明一實施例之電子束產生裝置之剖面示意圖。

第4圖：為本發明一實施例之電子束元件的裁切構造示意圖。

第5圖：為本發明又一實施例之電子束元件的裁切構造示意圖。

第6圖：為本發明電子束曝光裝置一實施例之構造示意圖。

第7圖：為本發明電子束產生裝置所產生之電子束的掃瞄方式示意圖。

第8圖：為本發明電子束產生裝置一實施例之曝光方法的步驟流程圖。

1．．．電子束產生裝置

10．．．電子束元件

100．．．電子束產生單元

20．．．晶圓

Claims (12)

1. 一種電子束產生裝置，包括有：至少一電子束元件，其中該電子束元件為一微機電系統或一奈米微機電系統，並包括有：複數個電子束產生單元，其中該電子束產生單元包括有：一電子束源，用以產生一電子束；及一電子束光學系統，用以對該電子束進行聚焦及改變其方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子束產生裝置，其中該電子束光學系統包括有至少一電子透鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電子束產生裝置，其中該電子束光學系統還包括有一開關平板、一電子束偏移器及一偵測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電子束產生裝置，其中該電子束源包括有一資料接收部、一控制端及一電子槍。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電子束產生裝置，其中該電子束產生單元所產生之電子束能量小於20kev。
6. 一種電子束曝光裝置，包括有：一承載單元，用以承載至少一晶圓；一電子束產生裝置，包括有：複數個電子束元件，其中該各個電子束元件由半導體製程所製作，並包括有： 複數個電子束產生單元，其中該電子束產生單元包括有：一電子束源，用以產生一電子束，並將該電子束投射至該晶圓；一電子束光學系統，用以對該電子束進行聚焦及改變其方向；及一資訊處理單元，透過至少一資料傳輸線連接該電子束產生裝置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電子束曝光裝置，其中該資料傳輸線的數量與該電子束元件的數量相同。
8. 如申請專利範圍第6項所述之電子束曝光裝置，其中該電子束產生裝置與該晶圓的面積相近。
9. 如申請專利範圍第6項所述之電子束曝光裝置，其中該電子束光學系統包括有一開關平板、至少一電子透鏡、一電子束偏移器及一偵測器，而該電子束源包括有一資料接收部、一控制端及一電子槍。
10. 如申請專利範圍第6項所述之電子束曝光裝置，其中該資料傳輸線為光纖或導線。
11. 一種如申請專利範圍第1項之電子束產生裝置的曝光方法，其中該電子束產生裝置用以對一晶圓進行曝光，且該晶圓被區分為複數個掃瞄區域，主要包括有以下步驟：以該電子束產生裝置之電子束產生單元對該晶圓上的掃瞄區域進行曝光； 是否有任一電子束產生單元故障；若該電子束產生裝置內有任一電子束產生單元故障，則該電子束產生裝置及該晶圓會相對移動至少一掃瞄區域；及以該電子束產生裝置之電子束產生單元再次對該晶圓上的掃瞄區域進行曝光。
12. 如申請專利範圍第11項所述之曝光方法，包括有以下步驟：是否有相鄰之電子束產生單元故障。