專利名稱：光刻機掃描曝光方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體設備運行方法，尤其涉及一種光刻機掃描曝光方法。
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，掃描方式通過掩模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)的曝光場劑量均勻性，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。使得狹縫積分均勾性成為制約光刻機曝光劑量系統性 能的主要因素之一，進而影響到線寬(CD)均勻性。
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曝光方法，以改善曝光 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方法，在光刻機的 硅平面上設置相互正交的兩個方向，并將所述硅平面分為若干曝光場區域，所 迷光刻機上設置有可變狹縫，所迷可變狹縫在所述的兩個方向上分別"^殳置有刀 口 ，根據其打開的位置可在硅平面形成不同的視場輪廓，先對曝光場區域其中一 個方向掃描曝光，再對同一曝光場區域另一個方向掃描曝光。
進一步的，當對爆光場區域其中一個方向掃描曝光時，所述可變狹縫在該 方向的刀口從閉合狀態開始逐漸打開至最大，再逐漸縮小至閉合狀態。
進一步的，當對曝光場區域其中一個方向掃描曝光前，所述可變狹縫在該 方向的刀口保持閉合狀態，所述可變狹縫在另一個方向的刀口調整到比全開略 小的位置，以遮去曝光場區域光強分布中該另一個方向的梯形邊緣的光，使得 硅平面的視場輪廓在該方向邊緣的漸變區域剛好被阻擋。
進一步的，當對曝光場區域其中一個方向掃描曝光時，所述可變狹縫在另 一個方向的刀口保持不動。
進一步的，當對曝光場區域其中一個方向掃描曝光時，光刻機上的掩模臺 跟隨在該方向運動。
進一步的，在光刻機上承栽硅片的工件臺配合所迷掩模臺以及可變狹縫同 步運動。
進一步的，在掃描曝光從一個方向切換至另一方向的過程中，所述可變狹 縫的刀口保持閉合狀態。
進一步的，在所述珪平面上掃描曝光的路徑以"S"型方式進行掃描。
與現有的光刻機掃描膝光方法相比，本發明通過在所述光刻機上設置有可變狹縫，在光刻機的硅平面上設置X方向和Y方向，并將所述珪平面分為若干 啄光場區域，先對曝光場區域其中一個方向掃描曝光，再對同一曝光場區域另 一個方向掃描曝光。改善了曝光場區域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。
附困說明
以下結合附圖和具體實施例對本發明的光刻機掃描曝光方法作進一步詳細 的描述。
圖l為本發明實施例中的光刻機掃描曝光方法使用的光刻機裝置示意圖2為本發明實施例中可變狹縫刀口全部打開的狀態及其在曝光場區域形 成的光強分布示意圖3為本發明實施例中可變狹縫刀口 Y向打開的狀態及其Y向掃描時曝光 場區域形成的光強分布示意圖4為本發明實施例中可變狹縫刀口 X向打開的狀態及其X向掃描時曝光 場區域形成的光強分布示意圖5a ~圖5e為本發明實施例中X向掃描曝光時可變狹縫和掩;f莫臺運動的配 合過程示意圖5f ~圖5i為本發明實施例中Y向掃描曝光時可變狹縫和掩^t臺運動的配 合過程；
圖6為本發明實施例中采用的一種掃描曝光路徑方法示意圖。
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為本發明實施例中的光刻機掃描曝光方法使用的光刻機裝 置示意圖。光源1通過設置在光刻機上的可變狹縫2經過照明透鏡3以及折射 鏡4形成的照明鏡組，可變狹縫2形成的視場輪廓投影到掩模臺6所在的掩模本實施例中，在垂直于光軸的平面上設置相互正交的兩個方向，分別定義 所述正交的兩個方向設為X軸和Y軸，X向、Y向和主光線傳播方向的逆方向這 三個方向滿足右手定則。光刻機的硅平面8、掩模面5和可變狹縫2所在平面都 垂直于主光軸，所述的這些平面各自對應的不同X軸、Y軸和Z軸，所述的這些 平面的Z軸都逆主光軸方向，如果把主光軸看作直線，所述的這些平面的X軸 和Y軸方向一致。所述硅平面8按該平面上X軸和Y軸方向，被分為若干曝光 場區域，所述可變狹縫2在所在平面上X軸和Y軸方向上分別設置有刀口 。可 變狹縫2在與X方向相同的方向上設置有一對刀口 20和刀口 21，在與Y方向相 同的方向上設置有一對刀口 22和刀口 23。
當可變狹縫2打開的時候，形成的靜態視場輪廓中間區域在Y方向上的剖 面是連續的光強分布，在X方向上的剖面也是連續的光強分布，具體形狀和照 明模式或掃描方向相關，可變狹縫刀口 2可才艮據實際掃描曝光方式的需要形成 特定的視場輪廓。
物鏡7的功能是把掩模面5上的掩模圖案成像到工件臺9上的硅平面8上。 所述工件臺9可以做六維運動，在掃描曝光過程中，工件臺9的運動方向和掩 模臺6的運動方向相反，且兩者都垂直于光軸的方向。
上述的掩模臺6、物鏡7以及工件臺9均固定于光刻機的主框架10。
實際掃描曝光的時候，為了提高掃描曝光的效果，需要在掃描方向形成無 突變邊緣的連續光強分布，而在非掃描方向形成均勻的矩形光強分布，本發明中 根據Y向掃描啄光時的掃描方向和X向掃描曝光時的掃描方向的不同，分別形 成不同的視場輪廓。如圖3~圖4所示的實施例中，照明才莫式是四極照明，外相 干因子O. 89，內相干因子O. 69，視場輪廓硅平面的大小為22mm*10. 5mm，照明 輪廊頂部的大小為19mm*7. 5mra， 曝光場也取19mm*7. 5mm。
請參閱圖2所示，當可變狹縫2的X向刀口 20以及刀口 21和Y向刀口 22 以及刀口 23全部打開的時候，在硅平面8上形成的4見場輪廓為兩個方向上光強
6分布曲面類似梯形，即光強分布無突變邊緣。但是這不是掃描曝光所需要的視
場輪廓形狀，掃描曝光所需要的視場輪廓形狀為在掃描方向為類似梯形的光 強分布，而在非掃描方向形成類似矩形的光強分布，如圖3或圖4。
本實施例的掃描曝光方法為先對曝光場區域其中一個方向掃描曝光，再對 同一曝光場區域另一個方向掃描曝光。
請參閱圖3，當對曝光場Y方向進行掃描曝光時，可變狹縫2形成如圖3 的視場輪廓，可變狹縫2的Y向的刀口 22以及刀口 23打開時露出圖2的類似 梯形的斜邊的光，以形成Y向連續的無突變邊緣的光強分布，同時，可變狹縫X 向的刀口 2 0以及刀口 2 1關閉部分以恰好使X向的類似梯形斜邊的光遮去，以 形成X向均勻的矩形光強分布。
同理，請參閱圖4，當對X方向掃描啄光時，可變狹縫2的X向刀口 20以 及刀口 21打開以露出X向類似梯形的斜邊的光，Y向刀口 22以及刀口 23關閉 部分以遮去Y向類似梯形的斜邊的光，從而形成如圖4的祝場輪廓。也就是說， Y方向掃描曝光時，可變狹縫X方向刀口 20以及刀口 21不需要全部打開，而是 適當小一些，把曝光場光強分布中X方向的梯形邊緣的光擋去；同樣，X方向掃 描曝光時，可變狹縫Y方向刀口 22以及刀口 23不需要全部打開，而是適當小 一些，把曝光場光強分布中Y方向的梯形邊緣的光擋去。
掩模臺6的坐標系和工件臺9的坐標系相同，掩模臺6不僅能在Y方向上 運動，還能在X方向上運動，因此掩模臺6至少可2維運動。當進行Y向掃描 曝光時，掩模臺6在Y向運動，同理，當進行X向掃描曝光時，掩模臺6在X 向運動，運動方向由具體的啄光路徑規劃決定；掩才莫臺6的運動和所述可變狹 縫2的刀口的運動相互配合，實現雙向掃描曝光。
對曝光場區域其中一個方向掃描曝光前，所迷可變狹縫2在該方向的刀口 保持閉合狀態，所述可變狹縫2在另一個方向的刀口調整到比全開略小的寬度， 使得硅平面的視場輪廓在該方向邊緣的漸變區域剛好被阻擋。
對曝光場區域其中一個方向掃描曝光時，所述可變狹縫2在該方向的刀口從閉合狀態開始逐漸打開至最大，再逐漸縮小至閉合狀態。當對曝光場區域其
中一個方向掃描膝光時，所述可變狹縫2上另一個方向的刀口在該位置4呆持不 動。當掃描方向的刀口全部打開時，可以在硅平面8形成掃描方向有明顯光強 漸變區域，非掃描方向無明顯的光強漸變區域的視場輪廓。具體情況如下
請參閱圖5a-圖5i,圖5a 圖5e為本實施例中Y向掃描膝光時可變狹縫 2和掩模臺6運動的配合過程；圖5f ~圖5i為本實施例中X向曝光時可變狹縫 2和掩模臺6運動的配合過程。其中，從圖5e到圖5f所示的掃描方向切換過程 中，掩模5也需要同步運動到圖5f所示的位置，可變狹縫2的刀口在移動過程 中必須保持可變狹縫2是關閉的，不能把照明光泄露到硅片上；并且Y向掃描 曝光時，X向刀口遮去所述類似梯形斜邊，并固定不動，Y向刀口露出所述類似 梯形斜邊；X向掃描曝光時候，Y向刀口遮去所述類似梯形斜邊，并固定不動， X向刀口露出所述類似梯形斜邊。
Y向掃描曝光的具體過程如下如圖5a所示，X向的刀口 20以及刀口 21 關閉部門以遮去所述類似梯形X向斜邊，并固定不動，Y向上方刀口 22全部打 開以露出所迷類似梯形Y向斜邊，Y向下方刀口 23全部關閉，并隨掩才莫5下方 邊緣同步運動從關閉逐漸打開。
如圖5b所示為Y向下方刀口 23打開約一半的情況，繼續打開，直至Y向 下方刀口 23全部打開，如圖5c所示，^L場輪廓Y向兩邊的所述類似梯形Y向 斜邊都露出。此時，可變狹縫2全部刀口位置保持不變，而掩4莫臺6繼續運動， 直到掩模5上方邊緣運動到了可變狹縫2上方刀口 22邊緣對應位置，可變狹 縫2上方刀口 22才同步關閉。圖5d所示為可變狹縫2上方刀口 22關閉了一 半的情況，圖5e所示為可變狹縫2上方刀口 22全部關閉的情況，此時完成對 曝光場Y向掃描曝光。
接著，切換掃描曝光方向，準備X向的掃描曝光。如圖5f所示，把掩模5 移動到當前最近的X向位置，并且，更改可變狹縫2的刀口的位置Y向刀口 22以及刀口 23打開部分以遮去所述類似梯形光強分布的Y向斜邊，并固定不動，X向右方刀口 20全部打開以露出所述類似梯形X向斜邊，X向左方刀口 21 全部關閉。
如圖5g所示，X向左方刀口 21隨掩模5下方邊緣同步運動，從關閉狀態 開始逐漸打開；如圖5h所示為X向左方刀口 21全部打開的情況，X向兩邊的 類似梯形X向斜邊都露出。此時，可變狹縫2的所有刀口位置保持不變，而掩 模臺6繼續運動，直到掩模5右方邊緣運動到了可變狹縫2右方刀口 20邊緣對 應位置，可變狹縫2右方刀口 20才同步關閉。如圖5i所示為可變狹縫2右方 刀口 20全部關閉的情況，此時完成對曝光場X向掃描曝光。然后才開始準備 曝光下一個曝光場，方法和上述方法類似，至于下一個曝光場是X向先曝光還 是Y向先曝光，由曝光路徑少見劃決定。
所述工件臺9和傳統的掃描曝光方式中的工件臺一樣，可作六維運動，配 合所述掩模臺6和所述可變狹縫2完成雙向掃描曝光，在此，因為物鏡7成反 像，所以掃描曝光時，工件臺9的位置和掩模臺6的位置坐標乘物鏡7放大倍 率的乘積后的位置，相對于物鏡7光軸對稱。
請參閱圖6，圖6為本發明實施例中采用的一種掃描膝光路徑方法示意圖。 本實施例中采用雙向掃描曝光，其曝光路徑策略和傳統方法不同。采用"S"型 算法規劃路徑，工件臺9上的硅平面8被分為56個(6行9列)曝光場區域(如 圖6中的矩形區域)，如圖6中的箭頭方向所示，每個區城都#_雙向掃描曝光， 當膝光場X向(或Y向):帔曝光完后，立即開始對曝光場另一個方向曝光，然后工 件臺9移動到同一行的下一個鄰近的曝光場區域，直到該行曝光完畢，再移動 到下一行最近的開始位置繼續雙向掃描曝光，直到所有曝光場區域都被掃描曝 光。顯然，和傳統掃描曝光方法的曝光路徑規劃不一樣，采用專門的曝光路徑 規劃進行雙向掃描曝光，其產率會被顯著提高。
此外，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 貪心算法(近鄰法)，動態規劃方法，蟻群算法等。
通過仿真分析表明，在本實施例中，如杲視場輪廓照明頂部均勻性為2%，
9狹縫積分均勻性為0.8%,采用4kHz激光掃描膝光，掃描速度為300mm/s，忽略 振動和雜散光等影響，那么如果采用傳統方法一次單向(y向)掃描曝光后，曝光 場的劑量均勻性為0. 9°/ 。 但是，如果采用本實施例進行雙向掃描曝光后，那么 曝光場的劑量均勻性能達到0. 5%以下，采用本實施例，劑量系統性能顯著改善。
從以上實施例中可以看出，采用專門的可變狹縫2和^^模臺6和工件臺9 配合運動，能夠實現雙向掃描曝光，因為分別在Y方向和X方向兩次進行掃描 曝光，其結果是啄光場同一點的劑量為視場輪廓中對應點所在的Y方向的各點 光強積分和對應點所在的X方向的各點光強積分的和，所以，硅平面的劑量系 統性能比傳統技術的只進行Y方向掃描的結果其曝光場同一點的劑量為視場輪 廓中對應點所在的Y方向的各點光強積分更好。
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，本發明不受上迷實施例的限制，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方法，在光刻機的硅平面上設置相互正交的兩個方向，并將所述硅平面分為若干曝光場區域，所述光刻機上設置有可變狹縫，所述可變狹縫在所述的兩個方向上分別設置有刀口，其特征在于先對曝光場區域其中一個方向掃描曝光，再對同一曝光場區域另一個方向掃描曝光。
2. 如權利要求1所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于當對曝光場區 域其中一個方向掃描曝光時，所迷可變狹縫在該方向的刀口從閉合狀態開始逐 漸打開至最大，再逐漸縮小至閉合狀態。
3. 如權利要求1或2所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于對曝光場 區域其中一個方向掃描曝光前，所述可變狹縫在該方向的刀口保持閉合狀態，所 述可變狹縫在另一個方向的刀口調整到比全開略小的寬度，以遮去曝光場區域 光強分布中該另一個方向的梯形邊緣的光。
4. 如權利要求3所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于當對曝光場區 域其中一個方向掃描曝光時，所述可變狹縫在另一個方向的刀口在該位置保持 不動。
5. 如權利要求1所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于當對曝光場區 域其中一個方向掃描曝光時，光刻機上的掩模臺跟隨在該方向運動。
6. 如權利要求l所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于在光刻機上承 栽硅片的工件臺配合所述掩模臺以及可變狹縫同步運動。
7. 如權利要求1所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于在掃描曝光從 一個方向切換至另一方向的過程中，所述可變狹縫的刀口保持閉合狀態。
8. 如權利要求l所述的光刻機掃描曝光方法，其特征在于在所述硅平面 上掃描曝光的路徑以"S"型方式進行掃描。
全文摘要
本發明提供一種光刻機掃描曝光方法，其在光刻機的硅平面上設置相互正交的兩個方向，并將所述硅平面分為若干曝光場區域，所述光刻機上設置有可變狹縫，所述可變狹縫在所述的兩個方向上分別設置有刀口，先對曝光場區域其中一個方向掃描曝光，再對同一曝光場區域另一個方向掃描曝光，當對曝光場區域其中一個方向掃描曝光時，所述可變狹縫在該方向的刀口從閉合狀態開始逐漸打開至最大，再逐漸縮小至閉合狀態。本發明通過先對曝光場區域其中一個方向掃描曝光，再對同一曝光場區域另一個方向掃描曝光。改善了曝光場區域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G03F7/20GK101487988SQ20091004682
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者俊 張 申請人:上海微電子裝備有限公司