專利名稱：一種投影曝光裝置與拼接方法
技術領域：
本發明涉及光刻領域，尤其涉及光刻裝置中的投影曝光裝置及投影曝光和拼接方法。
背景技術：
在高亮度發光二極管HBLED的加工工藝中，GaN基LED外延是在藍寶石襯底上制備的。由于GaN和藍寶石襯底材料的晶格常數相差14%，造成降低載流子的產生率，產生大量熱能，縮短芯片的壽命。圖形化藍寶石基板PSS技術可以有效的提高芯片內部量子效率，改變LED光學路線，提升LED外部量子效應。 PSS的工藝流程是首先用光刻工藝在藍寶石基底上制作出周期性圖形如圖I所示，在2英寸或4英寸圓形基底上光刻出圓形圖案，通常圖案直徑和圖案間距比為2 I或3 I排布；然后進行干法或濕法刻蝕出圖形結構，最后在PSS層上進行mocvd制作GaN基發光二極管的外延層。在光刻工藝中，由于使用的藍寶石襯底的翹曲度和總厚度偏差TTV達不到傳統IC加工中使用的硅襯底的要求，所以使用接觸式或接近式光刻機對整片藍寶石襯底曝光難以達到產品的合格率要求。投影光刻機的視場小，在一片藍寶石基底上分多次曝光如圖2所示，圖2中的I是矩形視場下的圖案排布，視場四個邊緣部分都會有半個曝光圖形，將圖I進行拼接曝光就可以完成整片基底的曝光如圖2中的2所示。步近投影光刻機可以較好的解決基底翹曲較嚴重的問題，但是視場拼接會使曝光圖案拼接產生誤差。圖3所示為理想的拼接圖案和幾種典型的不合格拼接圖案。如圖3所示，理想的拼接圖案是一個完整的圓形；在實際情況中兩拼接圖形會產生X方向的位移，如圖3中的第4和第5拼接圖案所示；兩拼接圖形也有可能會產生Y方向的位移，如圖3中的第2和第3拼接圖案所示。經實驗發現圖案形變主要在視場之間的拼接部分，其主要原因是傳統的投影光刻機的視場都是矩形，PSS工藝的圖案排布成菱形而且沒有切割槽，所以矩形的小視場必然會把一個圖案分成幾部分。實驗結果如圖4所示。在理想狀態下可以通過圖案拼接的方法完成曝光，但是投影圖像會發生畸變，會使一個像點從理想位置產生位移，比如對于線寬在2微米的線條，相對畸變往往要小于O. I微米才會保證較好的套刻精度，傳統的投影光刻機難以很好多的解決這個問題。對于類似于PSS工藝中襯底的特殊的周期性圖形排布方式，本發明提出了投影光刻機可以改變視場形狀的曝光方法，能解決傳統投影光刻機拼接圖像要求高的問題，改善曝光質量。
發明內容
傳統的投影光刻機的視場形狀由可變狹縫處的四個刀口組成，四個刀口都能水平移動，通過四個刀口的水平移動改變矩形視場的尺寸，本發明在保留刀口水平移動的兩個自由度外，還在部分刀口處增加了旋轉的自由度，可以實現非矩形視場。通過該結構，可以將視場變成菱形、三角形、梯形或六邊形等，以滿足多種特殊光刻需求，提高曝光質量。
本發明的投影曝光裝置，用于在基底表面形成曝光圖案，包括可變狹縫，所述可變狹縫包括若干刀口，其特征在于，所述可變狹縫的刀口既可平移運動也可旋轉運動，根據待曝光圖案的排布，調整所述刀口來調整所述可變狹縫的視場的形狀和尺寸，使得所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過或使得所述視場包含了所述待曝光圖案區域；，從而使得所述視場之間的拼接線不穿過所述曝光圖案。其中，所述刀口數目為四個，通過調整所述刀口得到菱形、矩形或梯形視場。其中，所述刀口數目為六個，通過調整所述刀口得到六邊形視場。其中，所述刀口數目為三個，通過 調整所述刀口得到三角形視場。其中，所述待曝光圖案的排布為矩形或非矩形排布。其中，所述非矩形排布為菱形、六邊形、三角形或梯形排布。本發明還提出了一種投影曝光方法，包括(I)將掩模加載到掩模臺，所述掩模上具有待曝光圖案；(2)將基底加載到工件臺；(3)根據待曝光圖案的排布，將可變狹縫中的刀口進行平移和/或旋轉運動以調整所述可變狹縫的視場尺寸及形狀，使得所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過或使得所述視場包含了所述掩模上待曝光圖案區域；(4)移動所述工件臺，將所述基底所需曝光區域移動到所述掩模下方，對所述基底逐場曝光，直至整個基底被全部曝光。其中，曝光方式為步進式或掃描式。其中，所述刀口數目為四個，通過調整所述刀口得到菱形、矩形或梯形視場。其中，所述刀口數目為六個，通過調整所述刀口得到六邊形視場。其中，所述刀口數目為三個，通過調整所述刀口得到三角形視場。其中，所述待曝光圖案的排布為矩形排布或非矩形排布。其中，所述非矩形分布為菱形、六邊形、三角形、或梯形排布。其中，所述非矩形排布為三角形排布或梯形排布，所述可變狹縫形成的視場的形狀為相應的三角形或梯形，所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過，整個基底分為兩個分別具有正立和倒立的三角形或梯形的區域，先對其中一個區域進行逐場曝光，將該區域完全曝光后旋轉基底，再對另一區域進行逐場曝光，直至整個基底曝光完畢。使用非矩形非圓形視場曝光，可以根據圖案的排布選擇合適的視場曝光，使曝光圖案不被視場之間的拼接線分割開，避免了圖案拼接的問題，即使投影圖像發生畸變也不會影響圖案形狀。比如說，在圖形化藍寶石襯底曝光時，采用傳統曝光方式，需要將掩模邊緣圖形設計成為半圓，再拼接，增加了系統難度，而采用本裝置與方法可避免此問題。
關于本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。圖I所示為利用光刻工藝在藍寶石基底上制作出的周期性圖形的示例；圖2所示為傳統的利用矩形視場進行曝光的視場圖形和按照步進方式曝光拼接后的整體圖案；
圖3所示為典型的拼接圖形；圖4所示為逐場曝光拼接后的曝光顯影結果；圖5所示為本發明所用的投影曝光裝置的結構示意圖；圖6所示為傳統的可變狹縫的四個刀口的結構示意圖；圖7所示為根據本發明的四個刀口的可變狹縫的結構示意圖；圖8所示為可變狹縫刀口的結構示意圖；圖9所示為根據本發明的成菱形排布的需要曝光的圓形的排布圖案；
圖10所示為將本發明的四個刀口形成菱形的動作示意圖；圖11所示為根據本發明的第一實施方式的視場的結構示意圖；圖12所示為根據本發明的實施方式的曝光路徑示意圖；圖13所示為根據本發明的三個刀口的可變狹縫的結構示意圖；圖14所示為根據本發明的成三角形排布的需要曝光的圓形的排布圖案；圖15所示為根據本發明的對六邊形排布的待曝光圖案的曝光路徑示意圖；圖16所示為根據本發明的三角形或梯形排布的待曝光圖案的視場形狀示意圖；圖17所示為本發明使用的幾種不同的曝光處方。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施例。投影式光刻機的基本結構原理如圖5所示，主要由光源I、勻光器件2、可變狹縫3、照明鏡組4、物鏡6等幾大部分組成。工作原理是首先光源I產生照明光，穿過勻光器件2和可變狹縫3，然后經照明鏡組4折射后，通過物鏡6投影在基底7上。其中光源I產生投影光刻要求的分辨率所需要的曝光波段；勻光器件2根據坷拉照明原理，將光束分割再疊力口，提高光能分布的均勻性；可變狹縫3通過調整刀口來決定視場的尺寸；在本發明中將可變狹縫3和掩模5之間部分定義為照明鏡組4，主要作用是對穿過可變狹縫后的光束進行再處理。物鏡6的功能是把掩模5上的掩模圖案成像到基底7上。所述基底7被真空吸附在可以做六維運動的工件臺上，在步進曝光過程中，基底7和掩模臺作相對運動，兩者都垂直于光軸的方向。實現非矩形視場主要是通過改變可變狹縫3的四個刀口的位置來實現的。傳統的可變狹縫的四個刀口的結構示意圖如圖6所示，根據主光線傳播方的右手定則定義的四個不透光刀口 8、9、10、11互相疊在一起。在可變狹縫垂直于光軸平面上設置相互垂直的兩個方向，分別定義所述垂直的兩個方向為X方向和Y方向，四個刀口都可以分別在X方向和Y方向上移動，光源從四個刀口組成的矩形空白處穿過，這種機械結構只能構成矩形視場。投影光刻機的路徑規劃如圖2箭頭方向所示，先沿水平方向一個個視場逐個曝光，當一排曝光完成后再沿垂直方向步進，然后再沿水平方向反向步進，如此反復直到全部基底曝光完成。本發明在保留傳統可變狹縫處的四個刀口的機械結構和自由度外，增加旋轉的自由度來實現非矩形視場，如圖7所示，通過旋轉刀口 9、11和平移刀口 8、10就可以組成一組非矩形視場。本發明增加旋轉自由度的方法如圖8所示，12、13分別是刀口 11的俯視和主視結構示意圖，14、15分別是刀口 9的俯視和主視結構示意圖。基本機械結構設計是在刀口9和刀口 11下方各增加一個電機，所述電機可以使刀口 9以刀口的左上角為原點旋轉和刀口 11以刀口的右上角為原點旋轉，同時刀口 8和10配合地在X、Y方向移動后，就可以實現非矩形視場。第一實施方式本實施例中，以直徑為50毫米的藍寶石材料作為基底，需要曝光圓形圖案成菱形排布，圖案直徑為2微米，圖案間距I微米，排布示意圖如圖9所示。四個刀口的初始狀態如圖6所示。順時針旋轉刀口 9和11各30度，就可以使視場之間的拼接線不從圖形區穿過，菱形視場如圖9所示，視場的四條邊都距離圖形邊緣O. 5微米。形成該菱形視場的動作步驟為I.首先9刀口以左上角為原點順時針旋轉30度；2.然后11刀口以右上角為原點順時針旋轉30度；·
3.平移8刀口和10刀口位置，得到距離H;動作示意圖如圖10所示。根據圖I I可以 得到H的計 算公 式// = 1.5 + 1.5 + 3xWxcos30° = 1.5 + 1.5 + 1.5；W^微米；由于圓形圖案的直徑為2微米，間距
為I微米，根據直角三角形計算公式可以得到兩排圖形的圓心距離為3力微米，N表示實際情況下有多少個兩排圖形的圓心距離，比如以示意圖11為例，該圖中的N為3，將N= 3帶入公式得到H = 10. 794微米(V^=I. 732)的長度后，同樣根據直角三角形計算公式就可以
得到L1=|V^/=12.463微米(^=1 732)。在實際應用中，如果以15X15毫米的矩形視場
尺寸為例，刀口 9和11順時針旋轉30度可以得到最大視場L1 = 10. 436毫米，L2 = 15毫米。圖12所示為本發明步進光刻機的曝光路徑示意圖，當采用菱形視場16后，不會像矩形視場有圖案被拼接線分割，其運動方式和傳統步進光刻機相同，如路徑17所示先沿水平方向一個個視場逐個曝光，當一排圖形曝光完成后再沿垂直方向步進，然后再沿反向水平方向步進，如此反復直到全部基底曝光完成。圖15中的18、19為本發明采用六邊形視場后的步進光刻機曝光兩種路徑示意圖，證明采用六邊形視場也可以像菱形視場那樣解決圖案被拼接線分割的問題，其運動方式和傳統的步進光刻機相同，第一種路徑如路徑18所示以左下角的視場為起點，先以±32度方向(本發明中的角度的正負均為相對于X軸正半軸的夾角)水平運動一個個視場逐個曝光，當一排圖形曝光完成后垂直上移一個曝光視場后，再以±32度方向反方向水平運動，如此反復直到全部基底曝光完成；第二種路徑如路徑19所示以左上角的視場為起點，向32度方向運動一個個視場逐個曝光，當一排圖形曝光完成后再運動下一排曝光區域，向-148度方向運動一個個視場逐個曝光，如此反復直到全部基底曝光完成。圖17所示為本發明使用的幾種不同的曝光處方。22為本實施例所用的曝光處方。該處方介紹了通過改變可變狹縫形成菱形或六角形視場后使用傳統矩形掩模實現PSS工藝的工作流程。下面結合該曝光處方對本發明的曝光裝置的工作流程進行詳細描述I.將50mm掩模經過傳輸系統上到掩模支架內；2.將4寸藍寶石基底傳輸到工件臺上方，放下，啟動真空吸附，將基底吸附于真空吸盤上；3.將可變狹縫的刀口旋轉平移形成菱形或六角形視場，其原理與圖7所示的原理相同；4.根據視場形狀選擇步進處方，菱形視場的步進處方如圖12所示；六邊形視場的步進處方如圖15所示，移動工件臺，將基底所需曝光區域移動到掩模下方一個個視場逐個曝光。采用這種方法的優點是對于圖案直徑和圖案間距比為2 : I或3 : I排布的規則圖形，一次曝光就能實現工藝要求。需要說明的是，盡管本實施例中采用的是菱形視場，但是也可以用三角形視場(在第二實施方式中詳述)，刀片結構如圖13所示，其視場圖形如圖14所示。曝光方式和菱形視場相似，此處不再贅述。 此外，需要補充的是在采用圖6所示的傳統的矩形視場時，若將掩模形狀做成圖9所示的菱形或圖14所示的三角形(在第三實施方式中詳述)，也可以避免半圓拼接情況的發生。曝光方式和前文菱形視場相似，此處不再贅述。第二實施方式圖16所示為本發明采用正三角形視場和梯形視場兩種視場的步進光刻機曝光示意圖。正三角形視場和梯形視場的形成方式與實施例I中的棱形視場的形成方式相似，采用這兩種非矩形視場也可以避免圖案被拼接線分割，其運動方式和傳統步進光刻機相同。如20所示，三角形視場首先對基板上的區域I進行逐個視場的曝光，然后將基板水平旋轉180度，再對基板上的區域2進行逐個視場曝光。21中使用梯形視場原理與正三角形視場類似，首先對基板上的區域I進行逐個視場的曝光，然后將基板水平旋轉180度，再對基板上的區域2進行逐個視場曝光。圖17的23示出了本實施例使用的曝光處方，該處方示出了通過改變可變狹縫形成三角形或梯形視場后使用傳統矩形掩模實現PSS工藝的工作流程。下面結合圖17的23對本發明的曝光裝置的工作流程進行詳細描述。I.將50mm掩模經過傳輸系統上到掩模支架內；2.將4寸藍寶石基底傳輸到工件臺上方，放下，啟動真空吸附，將基底吸附于真空吸盤上；3.將可變狹縫的刀口旋轉平移，形成梯形或三角形視場，其原理如圖13所示；4.根據視場形狀選擇步進處方，視場如圖16的20、21所示，移動工件臺，將基底所需曝光區域移動到掩模下方，先將基底的區域I逐個視場曝光，再旋轉基底后逐個曝光基底的區域2。需要注意的是光刻機的工件臺具有旋轉功能，可以實現基底的360度旋轉。在本實施例中基底需要旋轉180度采用這種方法可以實現圖形區不被拼接線分割，但是需要將一片基底分成2個區域，先對其中一個區域曝光，然后旋轉基底再對另一個區域曝光。第三實施方式本發明的第三種方法是采用傳統的如圖6所示的矩形視場，掩模形狀做成如圖9或圖12所示的菱形或圖14所示的三角形等非矩形形狀，在將掩模形狀做成菱形時，光刻機的工作臺的運動方式如圖2所示與實施例I類似。其工作流程為I.將掩模經過傳輸系統上到掩模支架內；2.將4寸藍寶石基底傳輸到工件臺上方，放下，啟動真空吸附，將基底吸附于真空吸盤上；3.根據視場形狀選擇如圖12所示的步進處方，移動工件臺，將基底所需曝光區域移動到掩模下方一個個視場逐個曝光。圖17的24所示為本實施例在掩模形狀為三角形時所用的曝光處方，該處方示出了這種使用矩形視場和非矩形掩模實現PSS工藝的工作流程。根據該曝光處方進行曝光的工作流程為I.將掩模經過傳輸系統上到掩模支架內；
2.將4寸藍寶石基底傳輸到工件臺上方，放下，啟動真空吸附，將基底吸附于真空吸盤上；3.根據圖16的20所示的視場，移動工件臺，將基底所需曝光區域移動到掩模下方，先將基底的區域I逐個視場曝光，再旋轉基底后逐個曝光基底的區域2。采用這種方法的優點是不需要對傳統的光刻機設備進行改造，更改掩模板的價格較低廉。同樣缺點也較為明顯，不對稱的非矩形掩模在光刻時會有受熱不均的現象，長時間使用掩模會產生形變而引入各種誤差。第四實施方式除了上面的三種實施方式，本發明還可以將非矩形視場與非矩形掩模配合使用。例如圖13所示的非矩形視場即可與如圖14所示的非矩形掩模配合使用。光刻機的工作時的運動方向根據非矩形視場的形狀來決定。圖17的25示出了一種曝光處方的實施例，該處方介紹了使用圖13所示的非矩形視場和圖14所示的非矩形掩模實現PSS工藝的工作流程。根據該曝光處方進行曝光的工作流程為I.將掩模經過傳輸系統上到掩模支架內；2.將4寸藍寶石基底傳輸到工件臺上方，放下，啟動真空吸附，將基底吸附于真空吸盤上；3.將可變狹縫的刀口旋轉平移形成三角視場；4.根據如圖16的20所示的視場，移動工件臺，將基底所需曝光區域移動到掩模下方，先將基底的區域I逐個視場曝光，再旋轉基底后逐個曝光基底的區域2。相對于第一實施方式、第二實施方式和第三實施方式，本實施方式的工藝效果更好，但是相對成本最高。本說明書中所述的只是本發明的較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明的限制。凡本領域技術人員依本發明的構思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種投影曝光裝置，用于在基底表面形成曝光圖案，包括可變狹縫，所述可變狹縫包括若干刀口，其特征在于，所述可變狹縫的刀口既可平移運動也可旋轉運動，根據待曝光圖案的排布，調整所述刀口來調整所述可變狹縫的視場的形狀和尺寸，使得所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過或使得所述視場包含了所述待曝光圖案區域；，從而使得所述視場之間的拼接線不穿過所述曝光圖案。
2.根據權利要求I所述的曝光裝置，其中，所述刀口數目為四個，通過調整所述刀口得到菱形、矩形或梯形視場。
3.根據權利要求I所述的曝光裝置，其中，所述刀口數目為六個，通過調整所述刀口得到六邊形視場。
4.根據權利要求I所述的曝光裝置，其中，所述刀口數目為三個，通過調整所述刀口得到三角形視場。
5.根據權利要求I所述的曝光裝置，其中，所述待曝光圖案的排布為矩形或非矩形排布。
6.根據權利要求5所述的曝光裝置，所述非矩形排布為菱形、六邊形、三角形或梯形排布。
7.一種投影曝光方法，包括 (1)將掩模加載到掩模臺，所述掩模上具有待曝光圖案； (2)將基底加載到工件臺； (3)根據待曝光圖案的排布，將可變狹縫中的刀口進行平移和/或旋轉運動以調整所述可變狹縫的視場尺寸及形狀，使得所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過或使得所述視場包含了所述掩模上待曝光圖案區域； (4)移動所述工件臺，將所述基底所需曝光區域移動到所述掩模下方，對所述基底逐場曝光，直至整個基底被全部曝光。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，曝光方式為步進式或掃描式。
9.根據權利要求7所述的方法，其中，所述刀口數目為四個，通過調整所述刀口得到菱形、矩形或梯形視場。
10.根據權利要求7所述的方法，其中，所述刀口數目為六個，通過調整所述刀口得到六邊形視場。
11.根據權利要求7所述的方法，其中，所述刀口數目為三個，通過調整所述刀口得到三角形視場。
12.根據權利要求7所述的方法，其中，所述待曝光圖案的排布為矩形排布或非矩形排布。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述非矩形分布為菱形、六邊形、三角形、或梯形排布。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述非矩形排布為三角形排布或梯形排布，所述可變狹縫形成的視場的形狀為相應的三角形或梯形，所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過，整個基底分為兩個分別具有正立和倒立的三角形或梯形的區域，先對其中一個區域進行逐場曝光，將該區域完全曝光后旋轉基底，再對另一區域進行逐場曝光，直至整個基底曝光完畢。
全文摘要
一種投影曝光裝置，用于在基底表面形成曝光圖案，包括可變狹縫，所述可變狹縫包括若干刀口，其特征在于，所述可變狹縫的刀口既可平移運動也可旋轉運動，根據待曝光圖案的排布，調整所述刀口來調整所述可變狹縫的視場的形狀和尺寸，使得所述視場邊緣從所述待曝光圖案之間穿過或使得所述視場包含了所述待曝光圖案區域，從而使得所述視場之間的拼接線不穿過所述曝光圖案。
文檔編號G03F7/20GK102955366SQ20111024177
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月22日 優先權日2011年8月22日
發明者張俊, 唐世弋, 陳勇輝 申請人:上海微電子裝備有限公司