專利名稱：光刻機(jī)曝光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，為一種光刻機(jī)曝光系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
光刻技術(shù)是用于在襯底表面上印刷具有特征的構(gòu)圖。經(jīng)常使用的基片為表面涂有光 敏感介質(zhì)的半導(dǎo)體晶片或玻璃基片。
在光刻過程中，晶片放置在晶片臺上，通過處在光刻設(shè)備內(nèi)的曝光裝置，將特征構(gòu) 圖投射到晶片表面。
為了在晶片上制造器件，需要多個分劃板。由于特征尺寸的減少以及對于較小特征 尺寸的精確公差需求的原因，這些分劃板對于生產(chǎn)而言成本很高，耗時很長，從而使利 用分劃板的傳統(tǒng)晶片光刻制造成本越來越高，非常昂貴。
無掩膜(如直接寫或數(shù)字式等)光刻系統(tǒng)相對于使用傳統(tǒng)分劃板的方法，在光刻方 面提供了許多益處。無掩膜系統(tǒng)使用空間圖形發(fā)生器(SLM)來代替分劃板。SLM包 括數(shù)字微鏡系統(tǒng)(DMD)或液晶顯示器(LCD)， SLM包括一個可獨(dú)立尋址和控制的象 素陣列，每個象素可以對透射、反射或衍射的光線產(chǎn)生包括相位、灰度方向或開關(guān)狀態(tài) 的調(diào)制。
傳統(tǒng)的光刻圖像的制造使用以特定的圖象編碼的分劃板，產(chǎn)生一定的空間光強(qiáng)和相 位的調(diào)制，聚焦光然后通過分劃板投射到光敏感元件上。每一個分劃板配置成一個單一 的圖像。
在無掩膜的光刻系統(tǒng)中，特征圖形由空間微反射鏡陣列產(chǎn)生，這些微小鏡面可以獨(dú) 立尋址單獨(dú)受控以不同的傾斜方向反射照射的光束，以產(chǎn)生空間光強(qiáng)調(diào)制。通過光學(xué)投 影元件，這些空間微鏡陣列以一定的放大倍率M投影到光敏感元件的襯底上，產(chǎn)生特 征的構(gòu)圖。
光刻機(jī)的一個重要指標(biāo)是最小線寬，曝光劑量過大或不足都將影響光刻膠顯影效果， 從而降低最小線寬指標(biāo)。曝光劑量精密控制，為整個光刻工藝穩(wěn)定打好基礎(chǔ)。
現(xiàn)有光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)采用高壓汞燈作為光源，曝光開始、結(jié)束由光路中的機(jī)械快 門控制，曝光劑量大小由曝光時間確定，具體過程如下
首先，通過預(yù)熱和環(huán)境控制使高壓汞燈輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定；
按以下公式計算曝光時間
曝光時間=曝光劑量+曝光功率；
打開快門開始曝光，同步開始計時；
定時時間到，關(guān)閉快門，曝光結(jié)束。
高壓汞燈作為光源工作時，電流通過高壓汞蒸汽，使之電離激發(fā)，形成放電管中電
子、原子和離子間的碰撞而發(fā)光，優(yōu)點(diǎn)是輸出光功率大，發(fā)光效率在20~ 30Im/W。當(dāng) 燈加上電源電壓后，主電極和輔助電極間產(chǎn)生輝光放電,瞬時轉(zhuǎn)移到主電極間，形成弧光 放電，幾分鐘后汞蒸汽達(dá)穩(wěn)定態(tài)。燈熄滅后，須自然冷卻，待蒸氣壓下降至一定值后才 能再啟動，時間約需5 10分鐘。當(dāng)電源電壓變動時，燈參數(shù)的隨之變動。
采用開環(huán)定時控制方式，曝光劑量受光源發(fā)光穩(wěn)定性、定時器精度及機(jī)械快門速度 影響大，長時間使用需要重新標(biāo)定光功率。光刻機(jī)專用高壓汞燈及電路的成本高昂，壽 命只有幾千小時。同時高壓汞燈的發(fā)熱量大，機(jī)械快門體積及振動均對光刻機(jī)的環(huán)境控 制帶來不利影響。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種光刻機(jī)曝光系統(tǒng)及其控制方法，實(shí)現(xiàn)曝 光劑量精確控制，解決了曝光功率波動對曝光劑量的影響，解決因光源老化發(fā)光功率下 降帶來的需要不斷標(biāo)定光功率的問題。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是光刻機(jī)曝光系統(tǒng)，包括LED光源、曝光控制系 統(tǒng)、驅(qū)動電路、光電探測器A、 B、分束器、光路組件A、 B、空間圖形發(fā)生器SLM、 物鏡、上位機(jī)，其中
曝光控制系統(tǒng)與上位機(jī)連接，上位機(jī)輸出控制信號至空間圖形發(fā)生器SLM，空間 圖形發(fā)生器SLM產(chǎn)生曝光圖形，LED光源發(fā)出的光束經(jīng)過光路組件A、空間圖形發(fā)生 器SLM、光路組件B、分束器、物鏡后照射基片，光電探測器A檢測LED光源的輸出 光信號并將輸出送至驅(qū)動電路，光電探測器B檢測分束器分出的光束信號并將輸出送至 曝光控制系統(tǒng)，曝光控制系統(tǒng)的輸出送至驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的輸出送至LED光源以 控制其輸出光功率和曝光劑量。
驅(qū)動電路包括光電轉(zhuǎn)換放大電路，反相放大器，比例求和放大電路，LED恒流源驅(qū) 動電路，
光電轉(zhuǎn)換放大電路包括運(yùn)算放大器U1與電阻R1、電容C1，反相放大器包括運(yùn)算
放大器U2、電阻R2、 R3、 R4，運(yùn)算放大器U3作為電壓跟隨器，比例求和電路包括運(yùn) 算放大器U4與電阻R11、 R12、 R13、 R14， LED恒流源驅(qū)動電路包括運(yùn)算放大器U5、 U6、三極管N1、電阻R7，
光電探測器A輸出的光電流信號I與光電轉(zhuǎn)換放大電路中的運(yùn)算放大器U1連接， 運(yùn)算放大器U1的輸出信號與反相放大器U2的輸入端連接，U2的輸出信號與作為電壓 跟隨器的運(yùn)算放大器U3的輸出與比例求和電路中的運(yùn)算放大器U4輸入端連接，運(yùn)算 放大器U4、 U5輸出與運(yùn)算放大器U6輸入端連接。
控制方法如下，
a、 工作時，上位機(jī)將曝光光強(qiáng)DA，曝光劑量值D (mJ/cm2)及SLM打開象素比 例R，鏡頭序號n通知曝光控制系統(tǒng)，曝光控制系統(tǒng)輸出DA，開始曝光；同時發(fā)出 AD采樣信號，得到光功率采樣值A(chǔ)D ;
b、 根據(jù)下面公式計算實(shí)時的曝光劑量
竭一
式中AD (t)為t時刻的AD采樣值
Kn為采用鏡頭n，光功率采集的轉(zhuǎn)換系數(shù) Mn為鏡頭n的放大倍率
S為SLM面積
R為SLM上打開像素的比例
c、 當(dāng)D (t) 時，控制系統(tǒng)停止曝光
本實(shí)用新型的積極效果是該實(shí)用新型保證了光刻機(jī)曝光系統(tǒng)的曝光劑量精確控 制，通過光電傳感器實(shí)時采集曝光功率，解決了曝光功率波動對曝光劑量的影響，并可 以解決因光源老化發(fā)光功率下降帶來的需要不斷標(biāo)定光功率的問題。具有曝光劑量控制 精度高、棘積小、功耗低、無機(jī)械運(yùn)動部件、反應(yīng)迅速、壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


附圖1本實(shí)用新型的總體示意圖，
附圖2本實(shí)用新型的驅(qū)動電路圖，
附圖3、 4本實(shí)用新型的LED瞬態(tài)特性圖，
附圖5本實(shí)用新型的曝光劑量控制結(jié)果。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，光刻機(jī)曝光系統(tǒng)包括LED光源1、曝光控制系統(tǒng)2、驅(qū)動電路3、光 電探測器A4、光電探測器B5、分束器6、光路組件A7、光路組件B8、空間圖形發(fā)生 器SLM9、物鏡IO、上位機(jī)ll，其中
曝光控制系統(tǒng)2與上位機(jī)11連接，上位機(jī)11輸出控制信號至空間圖形發(fā)生器 SLM9，空間圖形發(fā)生器SLM9產(chǎn)生曝光圖形，LED光源1發(fā)出的光束經(jīng)過光路組件A7、 空間圖形發(fā)生器SLM9、光路組件B8、分束器6、物鏡10后照射基片12，光電探測器 A4檢測LED光源1的輸出光信號并將輸出送至驅(qū)動電路3，光電探測器B5檢測分束 器6分出的光束信號并將輸出送至曝光控制系統(tǒng)2，曝光控制系統(tǒng)2的輸出送至驅(qū)動電 路3，驅(qū)動電路3的輸出送至LED光源1以控制其輸出光功率和曝光劑量。
如圖2所示，驅(qū)動電路包括光電轉(zhuǎn)換放大電路，反相放大器，比例求和放大電路， LED恒流源驅(qū)動電路。
光電轉(zhuǎn)換放大電路包括運(yùn)算放大器U1與電阻R1、電容C1，反相放大器包括運(yùn)算 放大器U2、電阻R2、 R3、 R4，運(yùn)算放大器U3作為電壓跟隨器，比例求和電路包括運(yùn) 算放大器U4與電阻R11、 R12、 R13、 R14， LED恒流源驅(qū)動電路包括運(yùn)算放大器U5、 U6、三極管N1、電阻R7。
光電探測器A輸出的光電流信號I與光電轉(zhuǎn)換放大電路中的運(yùn)算放大器Ul連接， 運(yùn)算放大器U1的輸出信號Vf與反相放大器U2的輸入端連接，U2的輸出信號-Vf與作 為電壓跟隨器的運(yùn)算放大器U3的輸出Vs與比例求和電路中的運(yùn)算放大器U4輸入端連 接，運(yùn)算放大器U4、 U5輸出與運(yùn)算放大器U6輸入端連接。
光電探測器A將LED輸出光信號轉(zhuǎn)換為光電流信號I，通過跨阻放大為電壓信號 Vf ，該電壓與LED發(fā)光功率成正比，反向器將其轉(zhuǎn)換為-Vf;控制電壓輸入為Vs ， 這兩組電壓通過比例求和電路得到LED恒流源的控制電壓Vc=kl*Vs- k2*Vf ，該電壓 與LED的驅(qū)動電流If成線性，決定LED輸出光功率大小。其中LED光功率穩(wěn)定過程 LED光功率上升——Vf上升一 Vc下降一If下降一LED光功率下降。通過選擇合適 比例系數(shù)k2，可以使自動光功率控制達(dá)到穩(wěn)定快速。當(dāng)設(shè)置Vs為O時，將關(guān)閉恒流源， 從而關(guān)閉LED光源。調(diào)整Vs的大小，可以改變恒流源輸出，調(diào)整曝光功率。
曝光控制系統(tǒng)包括信號處理器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通信接口電路等。控 制系統(tǒng)通過上位機(jī)得到DMD曝光象素比例和鏡頭放大倍率及曝光劑量設(shè)定值(根據(jù)光
刻膠類型選擇)。當(dāng)曝光平臺準(zhǔn)備好了，上位機(jī)通知控制系統(tǒng)開始曝光?？刂葡到y(tǒng)將清 零內(nèi)部寄存器，將設(shè)定的DA值輸出，經(jīng)高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制電壓Vs, LED 驅(qū)動電路工作，曝光開始。曝光光線經(jīng)分光鏡， 一部分經(jīng)過曝光物鏡實(shí)現(xiàn)曝光，另一部 分被光電探測器B接收，轉(zhuǎn)換成光電流信號；該光電流信號通過控制系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換放 大電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓，經(jīng)過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為數(shù)字光功率信號給信號處理器。信號 處理器根據(jù)曝光劑量控制算法，在曝光完成時將DA輸出置O，從而結(jié)束曝光。 驅(qū)動電路特點(diǎn)
恒流源電路可以采用雙極型三極管或場效應(yīng)管，光電轉(zhuǎn)換電路1可采用跨阻抗放大 電路或高阻抗放大器將光電流信號轉(zhuǎn)換為光電壓信號，該信號與DA電壓信號通過比例 求和電路共同控制恒流源驅(qū)動電流的靜態(tài)工作點(diǎn)。
參數(shù)調(diào)試方法
1，將部件安裝完畢。
2，選擇曝光物鏡鏡頭l，放大倍率為M1。
3，關(guān)閉所有照明。
4，打開SLM所有像素。
5，設(shè)置LED輸出最大光強(qiáng)。
6,檢查l、 2號光電探測器位置，1號應(yīng)在LED光照范圍內(nèi)，2號光敏面應(yīng)將光斑全 部包括在內(nèi)。
7，調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換電路的增益，使輸出電壓達(dá)到1V左右(此電壓根據(jù)AD線性輸入電
壓范圍確定)。 8，記下此時的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)AD1。 9,用光功率計測量基片端的光功率值P1。 10， K1=P1/AD1
11，更換鏡頭，重復(fù)8， 9， IO步驟，得到所有鏡頭的Kn。 12，SLM面積計算
S=mXnXb2
式中m為SLM的行數(shù)，n為SLM的列數(shù)，b為SLM象素邊長 13，更新調(diào)整信號處理器算法中的相應(yīng)參數(shù)，固化程序。
控制算法根據(jù)設(shè)定劑量及實(shí)時曝光劑量值控制LED光源的開關(guān)，具體過程如下-
1，工作時，上位機(jī)將曝光光強(qiáng)DA，曝光劑量值D (J/cm2)及SLM打開象素比例R， 鏡頭序號n通知控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)輸出DA，開始曝光；同時發(fā)出AD采樣信號， 得到光功率采樣值A(chǔ)D ;
2，根據(jù)下面公式計算實(shí)時的曝光劑量
m"x (^z)(/)xa:")x^
￡>(r) =-^-
式中AD (t)為t時刻的AD采樣值
Kn為采用鏡頭n，光功率采集的轉(zhuǎn)換系數(shù) Mn為鏡頭n的放大倍率 S為SLM面積 R為SLM上打開像素的比例 3，當(dāng)D (t)》D時，控制系統(tǒng)停止曝光。 控制系統(tǒng)特點(diǎn)
可采用嵌入式處理器、DSP、 FPGA或多處理器組合方式作為信號處理器，與上位 機(jī)通信可采用以太網(wǎng)、串行口、 USB等，接收上位機(jī)設(shè)置的曝光劑量及相關(guān)數(shù)據(jù)，信號 處理器輸出DA控制數(shù)據(jù)，開始曝光。光電轉(zhuǎn)換電路2可采用跨阻抗放大電路或高阻抗 放大器將光電流信號轉(zhuǎn)換為光電壓信號，AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時序控制信號由信號處理器 給出，轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果由信號處理器讀??；信號處理器根據(jù)曝光劑量控制算法控制曝光結(jié) 束時刻，并最后將曝光結(jié)果通過通信接口通知上位控制計算機(jī)。
附圖3、圖4為本發(fā)明的LED瞬態(tài)特性圖，從圖3中可以看出，a.曝光開始，LED 光功率上升，光電轉(zhuǎn)換為電壓上升沿。從圖4中可以看出，b.曝光結(jié)束,LED光功率下 降，光電轉(zhuǎn)換為電壓下降沿。c.上升沿與下降沿時間在100uS之內(nèi)，沒有明顯過沖。
附圖5本發(fā)明的曝光劑量控制結(jié)果，反映了設(shè)置曝光劑量與實(shí)測曝光劑量的歸一化 數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)差SD《0.0028。其中縱座標(biāo)為實(shí)際爆光劑量，橫座標(biāo)為設(shè)置爆光劑量。
權(quán)利要求1、光刻機(jī)曝光系統(tǒng)，包括LED光源[1]、曝光控制系統(tǒng)[2]、驅(qū)動電路[3]、光電探測器A[4]、光電探測器B[5]、分束器[6]、光路組件A[7]、光路組件B[8]、空間圖形發(fā)生器SLM[9]、物鏡[10]、上位機(jī)[11]，其特征在于曝光控制系統(tǒng)[2]與上位機(jī)[11]連接，上位機(jī)[11]輸出控制信號至空間圖形發(fā)生器SLM[9]，空間圖形發(fā)生器SLM[9]產(chǎn)塵曝光圖形，LED光源[1]發(fā)出的光束經(jīng)過光路組件A[7]、空間圖形發(fā)生器SLM[9]、光路組件B[8]、分束器[6]、物鏡[10]后照射基片[12]，光電探測器A[4]檢測LED光源[1]的輸出光信號并將輸出送至驅(qū)動電路[3]，光電探測器B[5]檢測分束器[6]分出的光束信號并將輸出送至曝光控制系統(tǒng)[2]，曝光控制系統(tǒng)[2]的輸出送至驅(qū)動電路[3]，驅(qū)動電路[3]的輸出送至LED光源[1]以控制其輸出光功率和曝光劑量。
2、 如權(quán)利要求1所述的光刻機(jī)曝光系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動電路包括光電轉(zhuǎn)換放 大電路，反相放大器，比例求和放大電路，LED恒流源驅(qū)動電路，光電轉(zhuǎn)換放大電路包括運(yùn)算放大器U1與電阻R1、電容Cl,反相放大器包括運(yùn)算 放大器U2、電阻R2、 R3、 R4，運(yùn)算放大器U3作為電壓跟隨器，比例求和電路包括運(yùn) 算放大器U4與電阻R11、 R12、 R13、 R14， LED恒流源驅(qū)動電路包括運(yùn)算放大器U5、 U6、三極管N1、電阻R7;光電探測器A輸出的光電流信號I連接光電轉(zhuǎn)換放大電路中的運(yùn)算放大器Ul的輸 入，運(yùn)算放大器U1的輸出與反相放大器U2的輸入端連接，U2的輸出與電壓跟隨器的 運(yùn)算放大器U3的輸出與比例求和電路中的運(yùn)算放大器U4的輸入端連接，運(yùn)算放大器 U4、 U5輸出與運(yùn)算放大器U6輸入端連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，為一種光刻機(jī)曝光系統(tǒng)及其控制方法。它包括LED光源、曝光控制系統(tǒng)、上位機(jī)等，系統(tǒng)與上位機(jī)連接，上位機(jī)輸出控制信號至空間圖形發(fā)生器SLM，空間圖形發(fā)生器SLM產(chǎn)生曝光圖形，LED光源發(fā)出的光束經(jīng)過光路組件A、空間圖形發(fā)生器SLM、光路組件B、分束器、物鏡后照射基片，光電探測器B檢測分束器分出的光束信號并將輸出送至曝光控制系統(tǒng)，曝光控制系統(tǒng)的輸出送至驅(qū)動電路，驅(qū)動電路的輸出送至LED光源以控制其輸出光功率和曝光劑量。它克服了現(xiàn)有技術(shù)中曝光功率波動對曝光劑量的影響等問題，具有曝光劑量控制精度高、體積小、功耗低、無機(jī)械運(yùn)動部件、反應(yīng)迅速、壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G03F7/20GK201194068SQ20082003279
公開日2009年2月11日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者鈺 胡 申請人:芯碩半導(dǎo)體(中國)有限公司