光刻机曝光系统技术方案

本发明专利技术涉及半导体制造领域，为一种光刻机曝光系统及其控制方法。它包括ＬＥＤ光源、曝光控制系统、上位机等，系统与上位机连接，上位机输出控制信号至空间图形发生器ＳＬＭ，空间图形发生器ＳＬＭ产生曝光图形，ＬＥＤ光源发出的光束经过光路组件Ａ、空间图形发生器ＳＬＭ、光路组件Ｂ、分束器、物镜后照射基片，光电探测器Ｂ检测分束器分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统，曝光控制系统的输出送至驱动电路，驱动电路的输出送至ＬＥＤ光源以控制其输出光功率和曝光剂量。它克服了现有技术中曝光功率波动对曝光剂量的影响等问题，具有曝光剂量控制精度高、体积小、功耗低、无机械运动部件、反应迅速、寿命长、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造领域，为一种光刻机曝光系统及其控制方法。技术背景光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。经常使用的基片为表面涂有光 敏感介质的半导体晶片或玻璃基片。在光刻过程中，晶片放置在晶片台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构 图投射到晶片表面。为了在晶片上制造器件，需要多个分划板。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征 尺寸的精确公差需求的原因，这些分划板对于生产而言成本很高，耗时很长，从而使利 用分划板的传统晶片光刻制造成本越来越高，非常昂贵。无掩膜(如直接写或数字式等)光刻系统相对于使用传统分划板的方法，在光刻方 面提供了许多益处。无掩膜系统使用空间图形发生器(SLM)来代替分划板。SLM包 括数字微镜系统(DMD)或液晶显示器(LCD)， SLM包括一个可独立寻址和控制的象 素阵列，每个象素可以对透射、反射或衍射的光线产生包括相位、灰度方向或开关状态 的调制。传统的光刻图像的制造使用以特定的图象编码的分划板，产生一定的空间光强和相 位的调制，聚焦光然后通过分划板投射到光敏感元件上。每一个分划板配置成一个单一 的图像。在无掩膜的光刻系统中，特征图形由空间微反射镜阵列产生，这些微小镜面可以独 立寻址单独受控以不同的倾斜方向反射照射的光束，以产生空间光强调制。通过光学投 影元件，这些空间微镜阵列以一定的放大倍率M投影到光敏感元件的衬底上，产生特 征的构图。光刻机的一个重要指标是最小线宽，曝光剂量过大或不足都将影响光刻胶显影效果， 从而降低最小线宽指标。曝光剂量精密控制，为整个光刻工艺稳定打好基础。现有光刻机的曝光系统采用高压汞灯作为光源，曝光开始、结束由光路中的机械快 门控制，曝光剂量大小由曝光时间确定，具体过程如下首先，通过预热和环境控制使高压汞灯输出光功率达到稳定； 按以下公式计算曝光时间曝光时间=曝光剂量+曝光功率；打开快门开始曝光，同步开始计时；定时时间到，关闭快门，曝光结束。高压汞灯作为光源工作时，电流通过高压汞蒸汽，使之电离激发，形成放电管中电 子、原子和离子间的碰撞而发光，优点是输出光功率大，发光效率在20~ 301m/W。当 灯加上电源电压后，主电极和辅助电极间产生辉光放电,瞬时转移到主电极间,形成弧光 放电，几分钟后汞蒸汽达稳定态。灯熄灭后，须自然冷却，待蒸气压下降至一定值后才 能再启动，时间约需5 10分钟。当电源电压变动时，灯参数的随之变动。采用开环定时控制方式，曝光剂量受光源发光稳定性、定时器精度及机械快门速度 影响大，长时间使用需要重新标定光功率。光刻机专用高压汞灯及电路的成本高昂，寿 命只有几千小时。同时高压汞灯的发热量大，机械快门体积及振动均对光刻机的环境控 制带来不利影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种光刻机曝光系统及其控制方法，实现曝光剂 量精确控制，解决了曝光功率波动对曝光剂量的影响，解决因光源老化发光功率下降带 来的需要不断标定光功率的问题。本专利技术所采用的技术方案是光刻机曝光系统，包括LED光源、曝光控制系统、 驱动电路、光电探测器A、 B、分束器、光路组件A、 B、空间图形发生器SLM、物镜、 上位机，其中曝光控制系统与上位机连接，上位机输出控制信号至空间图形发生器SLM，空间 图形发生器SLM产生曝光图形，LED光源发出的光束经过光路组件A、空间图形发生 器SLM、光路组件B、分束器、物镜后照射基片，光电探测器A检测LED光源的输出 光信号并将输出送至驱动电路，光电探测器B检测分束器分出的光束信号并将输出送至 曝光控制系统，曝光控制系统的输出送至驱动电路，驱动电路的输出送至LED光源以 控制其输出光功率和曝光剂量。驱动电路包括光电转换放大电路，反相放大器，比例求和放大电路，LED恒流源驱 动电路，光电转换放大电路包括运算放大器U1与电阻R1、电容C1，反相放大器包括运算放大器U2、电阻R2、 R3、 R4，运算放大器U3作为电压跟随器，比例求和电路包括运 算放大器U4与电阻R11、 R12、 R13、 R14， LED恒流源驱动电路包括运算放大器U5、 U6、三极管N1、电阻R7，光电探测器A输出的光电流信号I与光电转换放大电路中的运算放大器UI连接， 运算放大器U1的输出信号与反相放大器U2的输入端连接，U2的输出信号与作为电压 跟随器的运算放大器U3的输出与比例求和电路中的运算放大器U4输入端连接，运算 放大器U4、 U5输出与运算放大器U6输入端连接。控制方法如下，a、 工作时，上位机将曝光光强DA，曝光剂量值D (mJ/cm2)及SLM打开象素比 例H，镜头序号n通知曝光控制系统，曝光控制系统输出DA，开始曝光；同时发出 AD采样信号，得到光功率采样值AD ;b、 根据下面公式计算实时的曝光剂量M x f(v4D(r)x^:")x^ ￡>(r) =-^-式中AD (t)为t时刻的AD采样值Kn为采用镜头n，光功率采集的转换系数 Mn为镜头n的放大倍率S为SLM面积R为SLM上打开像素的比例c、 当D (t)》D时，控制系统停止曝光本专利技术的积极效果是该专利技术保证了光刻机曝光系统的曝光剂量精确控制，通过光 电传感器实时采集曝光功率，解决了曝光功率波动对曝光剂量的影响，并可以解决因光 源老化发光功率下降带来的需要不断标定光功率的问题。具有曝光剂量控制精度高、体 积小、功耗低、无机械运动部件、反应迅速、寿命长、成本低等优点。附图说明附图l本专利技术的总体示意图， 附图2本专利技术的驱动电路图， 附图3本专利技术的LED瞬态特性图， 附图4本专利技术的曝光剂量控制结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，光刻机曝光系统包括LED光源1、曝光控制系统2、驱动电路3、光 电探测器A4、光电探测器B5、分束器6、光路组件A7、光路组件B8、空间图形发生 器SLM9、物镜IO、上位机ll，其中曝光控制系统2与上位机11连接，上位机11输出控制信号至空间图形发生器 SLM9，空间图形发生器SLM9产生曝光图形，LED光源1发出的光束经过光路组件A7、 空间图形发生器SLM9、光路组件B8、分束器6、物镜10后照射基片12，光电探测器 A4检测LED光源1的输出光信号并将输出送至驱动电路3，光电探测器B5检测分束 器6分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统2，曝光控制系统2的输出送至驱动电 路3，驱动电路3的输出送至LED光源1以控制其输出光功率和曝光剂量。如图2所示，驱动电路包括光电转换放大电路，反相放大器，比例求和放大电路， LED恒流源驱动电路。光电转换放大电路包括运算放大器U1与电阻R1、电容C1，反相放大器包括运算 放大器U2、电阻R2、 R3、 R4，运算放大器U3作为电压跟随器，比例求和电路包括运 算放大器U4与电阻R11、 R12、 R13、 R14， LED恒流源驱动电路包括运算放大器U5、 U6、三极管N1、电阻R7。光电探测器A输出的光电流信号I与光电转换放大电路中的运算放大器Ul连接， 运算放大器U1的输出信号Vf与反相放大器U2的输入端连接，U2的输出信号-Vf与作 为电压跟随器的运算放大器U3的输出Vs与比例求和电路中的运算放大器U4输入端连 接，运算放大器U4、 U5输出与运算本文档来自技高网...

【技术保护点】
光刻机曝光系统，包括ＬＥＤ光源［１］、曝光控制系统［２］、驱动电路［３］、光电探测器Ａ［４］、光电探测器Ｂ［５］、分束器［６］、光路组件Ａ［７］、光路组件Ｂ［８］、空间图形发生器ＳＬＭ［９］、物镜［１０］、上位机［１１］，其特征在于：　　　　曝光控制系统［２］与上位机［１１］连接，上位机［１１］输出控制信号至空间图形发生器ＳＬＭ［９］，空间图形发生器ＳＬＭ［９］产生曝光图形，ＬＥＤ光源［１］发出的光束经过光路组件Ａ［７］、空间图形发生器ＳＬＭ［９］、光路组件Ｂ［８］、分束器［６］、物镜［１０］后照射基片［１２］，光电探测器Ａ［４］检测ＬＥＤ光源［１］的输出光信号并将输出送至驱动电路［３］，光电探测器Ｂ［５］检测分束器［６］分出的光束信号并将输出送至曝光控制系统［２］，曝光控制系统［２］的输出送至驱动电路［３］，驱动电路［３］的输出送至ＬＥＤ光源［１］以控制其输出光功率和曝光剂量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡钰，
申请(专利权)人：芯硕半导体中国有限公司，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]