光刻機掃描曝光系統及其掃描曝光方法

專利名稱：光刻機掃描曝光系統及其掃描曝光方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體設備及其方法，尤其涉及一種光刻機掃描膝光系統及其掃描曝光方法。
背景技術：
現代微電子技術的核心是集成電路生產，而集成電路生產的發展又必須以半導體設備為其主要支撐條件，在當前集成電路生產設備中，光刻設備占最核心的地位。光刻:技術在經歷了接觸式、接近式、投影式、掃描式、步進式幾個重大技術發展階段后，向步進掃描式過渡。
光刻機三大核心指標為線寬均勻性、套刻精度和產率。線寬均勻性是光刻機的重要核心指標，而劑量系統性能和焦面系統性能是影響線寬均勻性的兩個最重要因素。劑量系統性能的主要指標為劑量均勻性，指的是曝光后硅平面上的曝光劑量在空間上分布的均勻性，經常用它來指代劑量系統性能。如果劑量系統性能較差，則無法在硅片上獲得線寬(CD)分布比較均勻的線條，導致無法進行集成電路光刻生產。
相對于步進方式，掃描方式通過掩^f莫臺和工件臺配合可變狹縫在掃描方向同步運動，使得硅平面的同 一點的劑量為視場輪廓在掃描方向的各點光強積分，大大改善了掃描方向的劑量均勻性。在這基礎上，進一步改善劑量系統性能的方式有多種，包括動態改變可變狹縫不同位置寬度、動態改變掃描速度和動態分塊設置透過率等等。然而，這些方法都是基于單向掃描曝光方式，只能改善
掃描方向(Y向)的啄光場劑量均勻性，不能改變非掃描方向(X向)的劑量均
勻性一狹縫積分均勻性，使得狹縫積分均勻性成為制約光刻機曝光劑量系統性能的主要因素之一。因此，有必要尋找一種即能改善Y方向的劑量均勻性，又能改善X方向的劑量均勻性，以改善整個劑量系統性能的系統和方法。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種光刻機掃描膝光系統及其方法，改善曝光劑量的系統性能，提高光刻線寬的均勻性。，
為解決上述技術問題，本發明提供一種光刻機掃描曝光系統，包括光源以及沿著光源出射光束形成的光路依次排列的柱面鏡、變焦鏡組、光學均勻器、耦合光組、掩模板、物鏡、工件臺，在所述變焦鏡組和光學均勻器之間設置有光束旋轉鏡組。
進一步的，所迷光束旋轉鏡組由若干組光學元件組成，優選地，所述光束旋轉鏡組由2組光學元件組成。
進一步的，所迷光學元件由至少4個以上扇形反射元件層層相嵌放置成圓形。
進一步的，所述耦合光組包括沿著光源從所述光學均勻器射出的方向依次
排列的聚光鏡、可變狹縫、照明組件。
進一步的，所述可變狹縫的位置與所迷聚光鏡的焦面的位置離焦。進一步的，所述可變狹縫打開時在工件臺表面形成與可變狹縫形狀相同的
視場輪廓。
本發明還提供一種使用所述光刻機掃描曝光系統的掃描曝光方法，包括光源以及沿著光源射出方向依次排列的柱面鏡、變焦鏡組、光學均勻器、耦合光組、掩模板、物鏡、工件臺，在所迷變焦鏡組和光學均勻器之間設置有光束旋轉鏡組。
進一步的，所述光束旋轉鏡組由若干組光學元件組成。
進一步的，所述光束旋轉鏡組由2組光學元件組成。
進一步的，所述耦合光組包括沿著光源從所迷光學均勻器射出的方向依次
5排列的聚光鏡、聚光鏡焦面、可變狹縫、照明組件。
進一步的，所述可變狹縫打開時在工件臺表面形成與可變狹縫形狀相同的視場輪廓。
本發明還提供一種使用所述光刻機掃描膝光系統的掃描曝光方法，先對詠光場區域掃描曝光后，將所述光束旋轉鏡組移入所述光源射出方向形成的光路中，再次對曝光場區域掃描啄光，完成掃描啄光后移開所述光束旋轉鏡組。
進一步的，在移入所述光束旋轉鏡組時，將變焦鏡組至光學均勻器之間形
成的照明光瞳旋轉到預設的角度，在移開所述光束旋轉鏡組時，將變焦鏡組至光學均勻器之間形成的照明光瞳恢復。
進一步的，旋轉到預設的角度范圍為沿光路軸心正向或者反向45度~135度。
進一步的，在移入所述光束旋轉鏡組時，將所述光學均勻器旋轉與所述照明光瞳相同的角度，在移開所述光束旋轉鏡組時，將所述光學均勻器旋轉恢復到原來的位置。
進一步的，所述工件臺配合所迷掩模板和可變狹縫同步運動，實現對同一曝光場進行再次掃描曝光。
進一步的，掃描曝光的路徑以"S"型方式進行掃描，
與現有的光刻機掃描曝光系統及其方法相比，本發明通過先對膝光場進行第一次掃描爆光后，裝入光束旋轉鏡組，使得在光學均勻器后的光線繞光軸旋轉預設的角度，然后再次對同一膝光場進行第二次掃描曝光，改善了詠光場Y方向的劑量均勻性，又能改善X方向的劑量均勻性，從而改善曝光劑量的系統性能，提高光刻線寬的均勻性。
以下結合附圖和具體實施例對本發明的光刻才幾掃描膝光系統作進一步詳細的描述。

圖1為本發明光刻機掃描曝光系統結構示意圖2為本發明實施例中的光刻機掃描曝光系統結構示意圖3為本發明光刻機掃描曝光系統實施例中光束旋轉鏡組的結構示意圖4為本發明光刻機掃描膝光系統實施例中對同一曝光場第一次掃描曝光
的視場輪廓以及掃描曝光效果示意圖5為本發明光刻機掃描曝光系統實施例中對同一曝光場再次掃描啄光的
視場輪廓以及掃描曝光效果示意圖6為本發明光刻機掃描曝光系統實施例曝光路徑示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明具體的功能和實施方式
請參閱圖1,圖1為本發明光刻機掃描啄光系統結構示意圖，包括光源1以 及沿著光源l射出方向依次排列的柱面鏡2、變焦鏡組3、光學均勻器5、耦合 光組6、掩模板7、物鏡8以及工件臺9，在所述變焦鏡組3和光學均勻器5之 間設置有光束旋轉鏡組4，并為光學均勻器5增加旋轉設備，使得對同一曝光場 進行第2次掃描曝光時光學均勻器5后的照明光的光分布做接近90度的旋轉， 其結果使得掩模板的照明光也作90度旋轉。所述光束旋轉鏡組4由若干組光學 元件4Q組成。
請參閱圖2，圖2為本發明光刻機掃描曝光系統的實施例結構示意圖。其 中，光源l發出的光為激光，光學均勻器5為復眼透鏡，耦合光組6包括沿著 光源從所述光學均勻器5射出的方向依次排列的聚光鏡60、聚光鏡焦面61、可 變狹縫62、照明組件63。其中可變狹縫62與聚光鏡焦面61離焦是為了在掃描 方向上形成梯形邊緣的視場輪廓10 (請參閱圖5)，以更好地改善掃描曝光后的 劑量均勻性。光束旋轉鏡組4可以移入光源1射出方向形成的光路和移出光路， 光學均勻器5可沿從光源1發出的照明光的光軸軸心做90度旋轉。
第一次曝光的過程如下光束旋轉鏡組4被移出光路，可變狹縫62和工件臺9以及所述掩模板7配合，使從光源1出射的激光經過柱面鏡2和變焦鏡組3 后，形成平行光，第一次掃描曝光平行光直接入射到光學均勻器5，經過耦合光 組6,并透過掩模板7直接對工件臺9上的硅片上(未標示)需要曝光的曝光場 進行掃描，在Y方向對曝光場進行第一次掃描曝光。
在進行第二此曝光時，可以先將光束旋轉鏡組4移入光路。
請參閱圖3,圖3為本發明光刻機掃描曝光系統實施例中光束旋轉鏡組的結 構示意圖，在移入所述光束旋轉鏡組4時，將變焦鏡組3至光學均勻器5之間 形成的照明光瞳旋轉到預設的角度，旋轉到預設的角度范圍為沿光路軸心正向 或者反向45度~135度為較佳。本實施例中，旋轉的角度為90度，由兩個45 度的旋轉光束的光學元件40組成，其中每個45度的旋轉光束的光學元件40有 8個類似電風扇或渦輪的扇形反射元件，本實施例中的扇形反射元件為扇形狀的 反射鏡片，每個反射鏡片張角不小于45度，與電風扇類似，以輻射狀層層相嵌 放置。每個反射鏡片的上下表面均可反射。反射鏡片也可以采用上下表面鍍有 反射材料的金屬片代替。所述光學元件40可以使得照明光的光束繞照明光軸軸 心旋轉5度~85度。
本實施例中采用兩個45度的旋轉光強的光學元件40，沿著照明光軸同向布 置，完成本實施例的使照明光的光束旋轉90度的目的。以下結合光傳播和旋轉 方向更詳細介紹該光學元件40的工作過程
將第1個45度的旋轉光束的光學元件40的8個反射鏡片，按逆時針方向分 別編號400， 401， 402, 403， 404， 405， 406， 407 (第1至第8反射鏡片)，沿著光軸 方向的入射光被所述第1片反射鏡片400上表面沿著接近垂直光軸方向從第一 反射點反射到第2片反射鏡片401背面的第二反射點上，第二反射點與所述光 束旋轉鏡組4中心的連線和第一反射點與光束旋轉鏡組中心的連線互相成接近 45度角度，從第一反射點到第二反射點的反射光為第一反射光，第一反射光被第 2片反射鏡片401的背面反射形成第二反射光，第二反射光的方向仍然沿著入射 光的主光軸方向。因此，所述第1片反射鏡片400正面將所述光反射到所述第2片反射鏡片401背面，并被第2片反射鏡片401背面沿著光軸反射；同理，所 述第2片反射鏡片401正面將光反射到所述第3片反射鏡片402背面，并被第3 片反射鏡片402背面沿著光軸反射；依此類推，直到第8片反射鏡片407正面 將光反射到所述第1片反射鏡片400背面，并被第1片反射鏡片400背面沿著 光軸反射。
將第2個45度的旋轉光的光學元件40的8個反射鏡片，按逆時針方向分別 編號408， 409， 410， 411， 412, 413， 414， 415 (第9至第16反射鏡片)，其 位置依次對應第1個45度的旋轉光的光學元件40的8個反射鏡片 400， 401,402， 403， 404, 405， 406,407，形狀和功能也類似。從第2反射鏡片401 背面反射的第二反射光入射到第IO反射鏡片409正面，并在第IO反射鏡片409 正面形成第三反射光反射到第ll反射鏡片410背面，然后形成第四反射光沿主 光軸方向反射。這就是說，經過這兩個光學元件，從變焦鏡組3至光學均勻器5 之間形成的照明光瞳的光分布凈皮旋轉接近90度。本實施例中，所述光束旋轉鏡 組4和光學均勻器5，由劑量控制系統(未標示)統一控制，當對曝光場進行第 一次掃描曝光時，劑量控制系統控制所述光束旋轉鏡組4從照明光光路位置中 移開，則視場輪廓光束分布與傳統的掃描曝光系統一樣。
當對同 一啄光場進行第二次掃描曝光時，膝光劑量控制系統控制所述光束 旋轉鏡組4移動到光路中心位置，則聚光鏡組的焦面光束分布繞光束中軸接近 90度旋轉，經過可變狹縫離焦，形成視場輪廓，并共扼投影到位于工件臺9上 的硅平面上，因此，硅平面視場輪廓中間均勻區域一照明頂部的中心區域的光 束分布繞視場輪廓中心做接近90度旋轉。
為了使得效果更好，可選的，當光束旋轉鏡組4移入M時，將所述光學均 勻器5旋轉與所迷照明光瞳相同的角度。本實施例中為旋轉90度，使得聚光鏡 60的焦面光分布繞光軸作接近90度旋轉，也就是可變狹縫62處視場輪廓照明 頂部中間區域的光分布做接近90度的旋轉，所迷可變狹縫62和所述工件臺9 和所述掩才莫臺7再次配合，在Y方向對同一曝光場進行第二次掃描曝光，第二次掃描詠光后，再對下一個膝光場進行同樣的兩次曝光。本實施例中，照明才莫
式是常規照明，部分相干因子為0. 8，物鏡數值孔徑0. 75，視場輪廓為22mm*22mm: 爆光場大小為22mm*32mm。
請參閱圖4,圖4為本發明光刻沖/U掃描曝光系統實施例中第一次掃描詠光的 視場輪廓以及掃描膝光效果示意圖。當光束旋轉鏡組4移離光路10位置，光學 均勻器5恢復原來位置，可變狹縫62上的刀口全部打開，在硅平面上得到了 22咖*22咖的視場輪廓11,其中其掃描方向Y向的寬度為22mm,在掃描方向上 都形成連續的類似梯形的光束分布，掃描方向頂部寬19mra而沿著非掃描方向則 近似為均勻分布，非掃描方向的狹縫積分均勻性不好。
請參閱圖5，圖5為本發明光刻機掃描曝光系統實施例中再次掃描詠光的視 場輪廓以及掃描曝光效果示意圖。把光束旋轉鏡組4移入光路10位置，使得兩 者的中心重合，光學均勻器5也同向旋轉90度，那么光路10的光分布繞光軸 旋轉了 90度，被旋轉光分布的照明光經過勻光和會聚后，在可變狹縫62前的 光分布也被旋轉了 90度，照明光的邊緣被可變狹縫62切割后，最終被投影到 工件臺9上的硅平面形成視場輪廓12。本實施例中，定義光束旋轉鏡組4移離 光路位置所形成的視場輪廓為標準視場輪廓，掃描方向為Y方向，非掃描方向 為X方向。
如果采用圖5的標準視場輪廓11對曝光場Y方向進行一次掃描曝光，則曝 光場上只能對標準-現場輪廓掃描方向上的光束分布進行積分均勻，而非掃描方 向的光束分布無法進行積分均勻，最后造成曝光場的整體劑量系統性能不好。 因此，光束旋轉鏡組4移入光路10位置，使得所形成的視場輪廓12的中間均勻 區域(即為照明頂部的中間大約19咖* 19mm的區域)的光束分布在標準視場輪 廓的照明頂部的光束分布作90度旋轉，并在Y方向上對同一個曝光場再一次進 行掃描曝光，其結果是曝光場中間區域同 一點的啄光劑量為標準視場輪廓中對 應點所在的兩個水平方向的各點光束積分的和，所以，硅平面的劑量系統性能 比傳統技術的只進行一次掃描的結果即曝光場同 一點的劑量為視場輪廓中對應
1點所在的一個水平方向的各點光強、積分更好。
請參閱圖6,圖6為本發明光刻機掃描詠光系統實施例膝光路徑示意圖，需 要說明的是，因為本實施例中采用兩次掃描膝光，所以藩光路徑策略和傳統方 法不同。本實施例中，硅片被分為56個(6行9列)爆光場區域，此處采用"S" 型算法規劃路徑，如圖6中的箭頭方向所示，每個區域都被兩次掃描曝光，當 啄光場沿著Y向被曝光一次后，立即開始對膝光場從反方向詠光，然后工件臺移 動到同一行的下一個鄰近的曝光場區域，直到該行啄光完畢，再移動到下一行 最近的開始位置繼續兩次掃描爆光，直到所有膝光場區域都被掃描曝光。為了 提高產率，可通過各種改進算法尋找較優曝光路徑，比如采用近鄰法，"S"型算 法，動態規劃方法，蟻群算法等等a顯然，采用專門的啄光路徑規劃進行兩次 掃描曝光，其產率會凈皮提高。
從以上實施例中可以看出，本實施例采用光束旋轉鏡組4移入或移出照明 光路，同時旋轉光學均勻器5，并通過具有移動形狀和大小的可變狹縫62來配 合掩模臺7和工件臺9運動，先對曝光場掃描曝光后，再對同一視場輪廓頂部 中間區域的光分布做接近90度的旋轉，進行再次掃描曝光，兩次掃描曝光中的 結果是曝光場同 一點的劑量接近為第 一次啄光時候視場輪廓中對應點所在的兩 個水平方向的各點光強積分的和，顯著提高了劑量系統性能，進而改變線寬均 勻性，最終改善曝光效果。
需要注意的是，盡管本發明中采用較佳方式90度旋轉來旋轉視場輪廓頂部 的光，并選用2個45度的旋轉光的光學元件來進行說明本發明的構思和原理， 也可以選用一個90度旋轉光的光學元件，或者選用一個30度旋轉光的光學元 件和一個60度旋轉光學元件的組合，或者選用3個以上旋轉光學元件的組合等。 例如，當選用一個30度旋轉光的光學元件和一個60度旋轉光學元件的組合，30 度旋轉光學元件時，光學元件由12個扇形反射鏡片層層相嵌，構成一個圓，每個 扇形反射鏡片30度，使得光分布繞光軸旋轉了 30度，60度旋轉光學元件，光學 元件由6個扇形反射鏡片層層相嵌，構成一個圓，每個扇形反射鏡片60度，使得
ii光分布再繞光軸旋轉了 60度。同理，當選用一個90度旋轉光學元件時，光學 元件有4個扇形反射鏡片構成。
可變狹縫62與聚光鏡焦面61離焦是為了在掃描方向上形成梯形邊緣的視 場輪廓10 (請參閱圖5)，以更好地改善掃描曝光后的劑量均勻性。可變狹縫62 在聚光鏡焦面上時也能實現本發明的基本目的。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業 的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中 描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還 會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發 明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求
1. 一種光刻機掃描曝光系統，包括光源以及沿著光源出射光束形成的光路依次排列的柱面鏡、變焦鏡組、光學均勻器、耦合光組、掩模板、物鏡、工件臺，其特征在于在所述變焦鏡組和光學均勻器之間設置有光束旋轉鏡組。
2. 如權利要求1所述的光刻機掃描曝光系統，其特征在于所述光束旋轉 鏡組由若干組光學元件組成。
3. 如權利要求2所述的光刻機掃描曝光系統，其特征在于所述光束旋轉 鏡組由2組光學元件組成。
4. 如權利要求2或3所述的光刻機掃描曝光系統，其特征在于所述光學 元件由至少4個以上扇形反射元件層層相嵌放置成圓形。
5. 如權利要求l所述的光刻機掃描膝光系統，其特征在于所述耦合光組 包括沿著光源從所述光學均勻器射出的方向依次排列的聚光鏡、可變狹縫、照 明組件。
6. 如權利要求5所述的光刻機掃描曝光系統，其特征在于所述可變狹縫 的位置與所述聚光鏡的焦面位置離焦。
7. 如權利要求5所述的光刻機掃描曝光系統，其特征在于所述可變狹縫 打開時在工件臺表面形成與可變狹縫形狀相同的視場輪廓。
8. —種使用權利要求1所述光刻機掃描曝光系統的掃描曝光方法，其特征 在于先對曝光場區域掃描曝光后，將所述光束旋轉鏡組移入所述光源出射光 束形成的光路中，再次對曝光場區域掃描曝光，完成掃描爆光后移開所述光束 旋轉鏡組。
9. 如權利要求8所述的掃描膝光方法，其特征在于在移入所述光束旋轉 鏡組時，將變焦鏡組至光學均勻器之間形成的照明光瞳旋轉到預設的角度，在移 開所述光束旋轉鏡組時，將變焦鏡組至光學均勻器之間形成的照明光瞳恢復。
10. 如權利要求9所述的掃描膝光方法，其特征在于旋轉到預設的角度范圍為沿光路軸心正向或者反向45度~ 135度。
11. 如權利要求9或10所述的掃描膝光方法，其特征在于在移入所述光 束旋轉鏡組時，將所述旋轉光學均勻器旋轉與所述照明光瞳相同的角度。
12. 如權利要求8所述的掃描曝光方法，其特征在于所述工件臺配合所 述掩模板和可變狹縫同步運動，實現對同 一曝光場進行再次掃描曝光。
13. 如權利要求8所述的掃描啄光方法，其特征在于掃描曝光的路徑以 "S"型方式進4于掃描。
全文摘要
本發明提供一種光刻機掃描曝光系統，包括光源以及沿著光源出射光束形成的光路依次排列的柱面鏡、變焦鏡組、光學均勻器、耦合光組、掩模板、物鏡、工件臺，在所述變焦鏡組和光學均勻器之間設置有光束旋轉鏡組，所述光束旋轉鏡組由若干組光學元件組成。掃描曝光時，先對曝光場區域掃描曝光后，將所述光束旋轉鏡組移入所述光路中，再次對曝光場區域掃描曝光，完成掃描曝光后移開所述光束旋轉鏡組，改善了曝光場Y方向的劑量均勻性，又能改善X方向的劑量均勻性，從而改善曝光劑量的系統性能，提高光刻線寬的均勻性。
文檔編號G03F7/20GK101482705SQ20091004648
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月23日 優先權日2009年2月23日
發明者俊 張, 鳴 羅 申請人:上海微電子裝備有限公司