一種用于光刻設(shè)備的曝光裝置與曝光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種集成電路裝備制造領(lǐng)域，尤其涉及一種用于光刻設(shè)備的曝光裝置 與曝光方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 投影曝光裝置能夠?qū)⒀谀０嫔系碾娐穲D形經(jīng)過投影物鏡等光學(xué)系統(tǒng)以一定放大 或縮小的倍率投影于涂有感光膠的基底上。目前投影曝光裝置已廣泛應(yīng)用于集成電路的制 造，并且近年來應(yīng)用范圍擴展到平板顯示、印刷電路板制造等領(lǐng)域。
[0003] 隨著市場對半導(dǎo)體產(chǎn)品需求量的不斷增大和生產(chǎn)商對其價格競爭力的不斷追求， 初始加工的硅片、平板顯示基板和PCB基板的尺寸不斷增大。在晶圓制造領(lǐng)域，450_設(shè)備 的需求已經(jīng)提上具體日程，要求450mm曝光設(shè)備具有300mm設(shè)備相當(dāng)甚至更高的產(chǎn)能，掩模 成本在IC制造中，單套掩模板價格可達上千萬美金，與曝光設(shè)備幾乎等價；在平板顯示領(lǐng) 域，普遍采用掃描投影式曝光裝置，為了保持、甚至提高產(chǎn)率，掩模的尺寸隨基板世代的提 升而增大，掩模的管理和維護成本不斷上升，同時對掩模臺、掩模傳輸、框架提出了更高的 要求。在PCB領(lǐng)域，隨著基板大小的增加，無法再使用接近接觸式光刻設(shè)備進行圖形加工； 另外，由于PCB產(chǎn)品的附加值較小，采用類似平板顯示的掃描投影曝光裝置會導(dǎo)致成本增 加。因此，具備一定產(chǎn)能的無掩模曝光裝置能夠滿足目前的微納制造發(fā)展趨勢。
[0004] 無掩模光刻能有效地降低光刻系統(tǒng)的復(fù)雜度（無需掩模臺、掩模傳輸、框架結(jié)構(gòu) 簡單）和掩模的加工、維護成本，是進行大尺寸基底光刻的發(fā)展趨勢之一，而基于空間光調(diào) 制器（Spatial Light Modulator，以下簡稱SLM)的無掩模光刻方法因其制作靈活、可靠性 高和產(chǎn)率較客觀等優(yōu)勢越來越多地被用來制作印刷電路板（PCB )、薄膜液晶面板（TFT )、微 機電系統(tǒng)（MEMS)。
[0005] US7612865、US7253882、US20090086182、US2008258069分別為Dainippon Screen、 Fujifilm、Maskless Lithography Inc、0RC等公司的用于PCB加工的無掩模光刻設(shè)備，其特 點為：汞燈或激光二極管（Laser Diode，以下簡稱LD)出射的紫外光經(jīng)照明系統(tǒng)后入射到 數(shù)字微鏡陣列（Digital Micromirror Device，以下簡稱DMD)表面，DMD生成待曝光的圖 形，經(jīng)過投影物鏡成像到涂膠基底表面，基底做掃描運動，DMD不斷地改變圖形，從而得到完 整的待曝光圖形。
[0006] 以上各系統(tǒng)存在一個很大的缺陷。在無掩模曝光系統(tǒng)中，空間光調(diào)制器（如DMD) 所生成的圖形是離散的，而基底卻在做連續(xù)掃描。每幅曝光圖形由SLM生成后會保持一段 時間，該時間為SLM的顯示周期（或稱為frame rate)，以DMD為例，目前其最大刷新率為 32K fps，即31. 25us，若采用汞燈或LD等連續(xù)光源，假設(shè)基底以0. 5m/s的速度做掃描運動， 則相當(dāng)于產(chǎn)生了 〇.5m/sX3L25us = 15.625um的fading。這一缺陷極大的限制了無掩模 光刻的應(yīng)用，使之不能進行高分辨率圖形的曝光，或者只能在很慢的掃描速度下進行曝光， 極大影響產(chǎn)率。
[0007] 針對以上無掩模曝光系統(tǒng)的缺陷，現(xiàn)有技術(shù)又提出了基于DMD和脈沖激光同步曝 光的無掩模光刻系統(tǒng)（見專利CN201310351942. X)。通過脈沖激光、DMD、運動臺三者之間 的同步運動，使DMD在兩幅離散圖形之間，運動臺可以通過較大的距離，在保證能量利用率 的如提下提1?掃描速度，從而提1?廣率。
[0008] 然而，以上基于DMD的無掩模曝光設(shè)備有一個很大的缺陷：由于DMD內(nèi)部各微反射 鏡的偏轉(zhuǎn)只能為+/-12度，由于制造工藝問題，其偏轉(zhuǎn)始終存在+/-1度的誤差，因此該DMD 傾斜誤差會導(dǎo)致部分像素失效或照明均勻性下降。
[0009] 如想利用CN201310351942. X中提出的方案曝光Ium左右的線條，假設(shè)采用18倍 縮小倍率、像方NA=O. 28的物鏡，對應(yīng)像方孔徑角為16. 26度，物方孔徑角根據(jù)放大率換算 為16. 28/18 = 0. 9度，DMD微鏡偏轉(zhuǎn)誤差+/-1度，導(dǎo)致反射光偏轉(zhuǎn)+/-2度，因此會有相當(dāng) 一部分光不能進入光學(xué)系統(tǒng)，而由于DMD的偏轉(zhuǎn)角度不能連續(xù)進改變，因此該誤差無法通 過器件本身進行消除。
[0010] 在 "System Design Considerations for DLP" 一文中，提出了兩種解決方案，其 一是增大照明的面積，通過增加經(jīng)DMD反射后的光錐面積，保證無論光錐如何偏轉(zhuǎn)，都能覆 蓋DMD出瞳（即數(shù)值孔徑范圍)。這種方案的缺陷在于：照明能量浪費極其嚴重，導(dǎo)致有效的 曝光能量不足10%。此外，這一方法相當(dāng)于增大了照明的部分相干因子，使之》1，在這種情 況下，往往導(dǎo)致成像對比度降低。
[0011] 另一種解決方案是增大物鏡數(shù)值孔徑，即通過增大DMD出瞳面積，使之能夠接收 任意偏轉(zhuǎn)角度下的反射光。這種方案的弊端在于：曝光Ium線條的NA可能需要增大到0. 7 或〇. 8,由于焦深與NA的平方成反比關(guān)系，因此導(dǎo)致焦深大大縮??；此外，由于各像素偏轉(zhuǎn) 情況不一，很難保持出瞳面上，能量分布的對稱性，影響成像。
[0012] 綜上所述，針對低NA (〈0. 9)、高倍率(縮小倍率>10倍)，需要尋找一種能夠解決 DMD像素失效問題，但又能克服成像及照明能量利用率弊端的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種既能解決DMD像素失效 問題，但又能克服成像及照明能量利用率弊端的曝光裝置和曝光方法。
[0014] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開一種用于光刻設(shè)備的曝光裝置，包括：激光 器，用于提供一曝光光束；光束整形單元，用于將該曝光光束整形；數(shù)字微鏡陣列（DMD)，用 于接收該整形后的曝光光束并反射該曝光光束以形成一調(diào)制圖形；物鏡，用于將該調(diào)制圖 形成像至一硅片表面；運動臺，該運動臺用于承載該硅片；同步控制單元，同步控制該激光 器、DMD和運動臺。
[0015] 更進一步地，該光束整形單元按照光束傳播的方向依次包括：一擴束單元，用于該 曝光光束與該DMD的調(diào)制區(qū)域匹配；一可變衰減器，用于曝光光束的能量，一勻光照明單 元，用于將該曝光光束整形為一均勻照明光束。
[0016] 本發(fā)明同時公開一種用于光刻設(shè)備的曝光方法，該光刻設(shè)備包括激光器、運動臺、 DMD以及物鏡，該曝光方法包括： 步驟一將待曝光圖形數(shù)據(jù)灰度化形成mXn的原始矩陣A，其中m、n分別為原始矩陣的 行數(shù)及列數(shù)； 第二步、依據(jù)該DMD的失效像素矩陣C，將該原始矩陣A擴展成m+2p-2行，η列的矩陣 AO'，其中該DMD的行數(shù)、列數(shù)分別為p、q ; 步驟三、根據(jù) B' iiKA' Jia-D+lda-D+l+padORBdAND C}-計算該 DMD 需要輸出的圖形B' i，其中B。為DMD上元素全部為0的矩陣，i為大于等于1的整數(shù)，1為 該運動臺的步進距離； 步驟四、根據(jù)A' 1+1=A' 1對~'進行迭代更新形成若干幀圖形，直至 I (i-1)+1+p等于A。'的行數(shù)或A。'的各元素均為0 ; 步驟五、同步控制激光器、DMD、及運動臺，以使該若干幀圖形被該物鏡依序成像至位于 該運動臺上的硅片上。
[0017] 更進一步地，該DMD的失效像素的測量方法為：a、將該激光器功率輸出最大；b、 將一點能量傳感器置于該物鏡最佳焦面位置；c、依次測量DMD的的每一像素，根據(jù)該點能 量傳感器的讀數(shù)判斷該像素是否為失效像素，若是失效像素將其定義為〇,若是有效像素將 其定義為1。
[0018] 更進一步地，該待曝光圖形透過以下方法獲得：根據(jù)一掩模數(shù)據(jù)、該硅片的曝光 場數(shù)據(jù)以及該DMD的曝光視場寬度，將該硅片上的曝光場數(shù)據(jù)拆分為若干個待曝光圖形數(shù) 據(jù)。
[0019] 更進一步地，該運動臺的步進距離J力運動臺在相鄰兩個幀圖形之間運動的距 離。
[0020] 更進一步地，待曝光圖形灰度化包括以下步驟：首先，將待曝光圖形柵格化，柵 格化大小與該DMD像素在該硅片面上的大小一致；其次，將待曝光圖形進一步灰度化， 以獲得各柵格內(nèi)的曝光劑量（Dose)分布；以及，計算各柵格需要曝光的次數(shù)N，其中， N=Max {int (Dose · S/ (P · Mag)) +1，Gray_Level}，S 為該 DMD 面積，Mag 為光刻設(shè)備物鏡的 賠率，P為激光器的脈沖激光能量，Gray_LeVel為灰階數(shù)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案利用曝光裝置進行DMD像素有效性的前 饋測量，利用掩模數(shù)字化算法，將DMD失效像素剔除，使之不參與曝光，并利用DMD其他有效 像素，分擔(dān)失效像素的功能，通過算法、流程解決問題，不造成照明能量的損失或焦深減少。
【附圖說明】
[0021] 關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進一步的了 解。
[0022] 圖1是本發(fā)明所涉及的曝光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是數(shù)字微鏡陣列的調(diào)制原理示意圖； 圖3是掩模圖形數(shù)據(jù)示意圖； 圖4是硅片上的曝光條拆分示意圖； 圖5是曝光條內(nèi)掩模圖形灰度化TK意圖； 圖6是SLM視場掃描TK意圖； 圖7是數(shù)字微鏡陣列的失效像素示意圖； 圖8是灰度圖矩陣擴展A'的示意圖； 圖9是因像素失效導(dǎo)致未完成的灰度圖二值化轉(zhuǎn)換示意圖； 圖10是轉(zhuǎn)換完成的灰度圖二值化示意圖； 圖11是圖形序列同步曝光TK意圖； 圖12是脈沖光、圖形序列、運動臺三者進行同步曝光示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施例。
[0024] 圖1是本發(fā)明所涉及的曝光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，該曝光裝置包括 激光器15、探測激光器（圖中未示出）、擴束單元16、可變衰減器17、勻光照明單元18、空間 光調(diào)制器20,物鏡13、運動臺10、硅片11、探測光路以及同步控制單元14組成。
[0025] 激光器15為曝光裝置提供曝光光源，其波長應(yīng)在光刻膠的感光范圍之內(nèi)，一般要 求波長比紫外波段更短。可以是脈沖激光器，也可以是連續(xù)激光器，這里為了使產(chǎn)率最大 化，因此選擇脈沖激光器。
[0026] 擴束單元16將激光器發(fā)出的光擴束，使經(jīng)過照明后，光束面積與空間光調(diào)制器20 調(diào)制區(qū)域匹配，保證空間光調(diào)制器20上各調(diào)制單元的利用率。
[0027] 可變衰減器17為激光器發(fā)出的光提供0%~99%的連續(xù)可調(diào)衰減，用于控制照射到 硅片表面上脈沖的能量。
[0028] 勻光照明單元18將激光器發(fā)出的光調(diào)制為均勻照明，照射到空間光調(diào)制器20表 面。
[0029] 空間光調(diào)制器20用于形成調(diào)制圖形，相當(dāng)于傳統(tǒng)投影光刻中的掩模圖形，只不過 在本方案中掩模圖形實時改變，其所顯示的圖形由同步控制單元進行控制輸出。
[0030] 本實施方案中所采用的空間光調(diào)制器20為DM