直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法

摘要

本发明公开了一种直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，特征图形要先经过处理后再传送至空间光调制器，同时打开曝光光源，将特征图形转移到基底上；处理流程为：特征图形首先经过图像栅格化处理成带有图形信息的位图数据；然后进行边缘灰度处理，得到灰度数据；将灰度数据通过灰度——能量查找表转换为灰度能量后传输送至空间光调制器。本发明不需要增加额外的边缘轮廓平滑处理，也不需要通过工件台的高精度定位。本发明实现简单，在保证直写式光刻机系统的产能的同时，实现了直写式光刻机系统的分辨率的提高和曝光图形质量的改善。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体行业光刻技术领域，属于采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，特别是使用空间光调制器的直写式光刻机的采用灰度方式提高曝光图形质量的方法。

背景技术

光刻技术是用于在基底表面上印刷具有特征的构图。这样的基底可包括用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器（例如液晶显示器）、电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等的芯片。

在现代微电子学中，集成电路的制造属于精密微细加工技术，包括光刻、离子注入、刻蚀、外延生长、氧化等一系列工艺。光刻工艺指是在表面匀胶基底上，通过曝光显影等工艺将图形转移到光刻胶上的过程，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。一般的芯片制程中至少需要10次以上的光刻工序甚至更多。

传统的掩膜式光刻机为在晶圆上制造器件，需要实现制作多个掩模版。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差的原因，这些掩膜板对于生产而言成本很高，耗时很长，从而使传统的掩模型晶圆光刻制造成本越来越高，非常昂贵。

直写式光刻系统相对于使用传统掩模板的方法，在光刻方面提供了许多益处。直写式系统使用空间光调制器来代替掩模板。空间光调制器可以是数字微镜系统，也可以是液晶显示器，它包括一个可独立寻址和控制的像素阵列，每个像素可以对透射、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掩模板，产生一定的空间光强和相位的调制，聚焦光然后通过掩模板投射到光敏感元件上。每一个掩模板配置成一个单一的图像。

在直写式的光刻系统中，特征图形由空间光调制器微镜阵列产生，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（通常M＜1）投影到光敏感元件的基底上，产生特征的构图。

采用空间光调制器的直写式光刻系统主要采用计算机控制空间光调制器精缩排版曝光。其主要问题是分辨率较低，并且受到单位像素的形状和有效通光孔径（fill-in factor）的限制，难以制作连续光滑的图形轮廓。通常情况下，有两个解决方案：1）针对边缘部分的图形，更换高倍物镜去投影曝光，可以实现边缘的平滑度，并提高曝光图形精度；2）利用高精度的定位系统，在处理图形的边缘部分时，利用定位系统的高精度定位，产生小于一个像素尺寸的网格精度的位移，实现小于像素宽度的图形曝光。前者会增大硬件成本，而且还会涉及到不同镜头之间的位置关系需要高精度的标定；后者会增大光刻机曝光系统的时间消耗，影响产能。本发明的特点就是通过灰度方式进行图形的边缘进行灰度处理和控制，可以一次性将图形转移到基底上，保证了直写式光刻机的产能的基础上，提高了图形的精度和分辨率，兼顾了光刻机的产能与图形质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，适用于使用空间光调制器作为图形发生器的直写式光刻机，通过对空间光调制器的像素的个数或者翻转的占空比进行调制，产生能量灰度，提高了直写光刻机系统的分辨率和曝光图形的精度，并使图形轮廓的边缘锯齿得以平滑。

本发明的技术方案如下：

    直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，包括有曝光光源、聚光镜系统、空间光调制器、远心成像系统、基底，所述的曝光光源发出的光经过聚光镜系统汇聚、均匀化以后以一定的角度θ入射到空间光调制器上，入射光经空间光调制器调制以后通过远心成像系统成像在基底上，其特征在于：所述的空间光调制器的微镜阵列产生的特征图形要先经过处理后再传送至空间光调制器，同时打开曝光光源，将特征图形转移到基底上；

    处理流程如下：

特征图形首先经过图像栅格化处理成带有图形信息的位图数据；然后进行边缘灰度处理，得到灰度数据；将灰度数据通过灰度——能量查找表转换为灰度能量后传输送至空间光调制器；

具体步骤如下：

（1）准备带有灰度信息的数据

将待曝光数据转换为和空间光调制器像素相对应的阵列数据，其中阵列数据中包含图形的大小、图形在阵列中位置以及图形边缘覆盖阵列像素的信息，把DMD像素全部被图形覆盖的地方用w表示，部分覆盖的地方按照面积大小覆盖一个灰度因子G，从而实现了DMD像素单元和灰度数据的转换；

    （2）灰度数据到灰度能量的转换

基底上所要形成的亚像素尺寸的大小，与能量需求之间存在对应关系；假设最大灰度为E0，凡是标记为w的栅格区域均对应的是完全曝光，需要给定最大能量，即E0能量；在一些像素未被完全覆盖的图形边缘区域，这些像素需要利用光能量的灰度来产生这些边缘，使得图形线宽更精确，提高复杂图形的边缘平滑度；通过灰度——能量查找表的查询，将图形尺寸上的灰度因子G转换到相应的光能量E上；

    （3）直写式光刻机的灰度曝光

将生成的带有能量灰度信息的数据送至空间光调制器，同时打开曝光光源，通过计算机控制空间光调制器像素翻转频率实现不同的占空比，或者对多个空间光调制器像素通过叠加不同次数曝光，实现对反射至基底的光能量进行不同灰阶的调制，完成直写式光刻机系统的图形曝光。

    所述的直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，其特征在于：所述的基底为掩膜板或晶圆。

所述的直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，其特征在于：所述的空间光调制器是一块或者是多块拼接而成的。

本发明的原理是：

    在使用空间光调制器作为图形发生器的直写式光刻系统中，调制空间光调制器各个像素单元的曝光能量大小，使得图形中不同位置处对应的曝光能量呈现出能量阶梯（灰度），主要是对图形的边缘区域进行能量的灰度控制。通过对这些像素能量进行一定法则的分配，实现精度小于图形发生器像素投影到基底上的尺寸的曝光，可以提高曝光图形的精度和分辨率，并且还可以实现对图形轮廓锯齿进行平滑的效果。

本发明的有益效果在于：

本发明通过准备带有灰度信息的数据对空间光调制器进行灰度调制，直接将待曝光图形一次性转移到光敏感的基底上，不需要增加额外的边缘轮廓平滑处理，也不需要通过工件台的高精度定位，耗费大量的时间来换取高的分辨率。本发明实现简单，在保证直写式光刻机系统的产能的同时，实现了直写式光刻机系统的分辨率的提高和曝光图形质量的改善。

附图说明

图1是本发明的系统原理结构图（1为光刻机曝光光源，2为光刻机曝光光源聚光镜系统，3为空间光调制器，4和5构成远心投影成像系统，6为基底）。

图2是本发明的灰度曝光流程图。

图3是本发明的边缘为斜线的灰度数据示意图（7为待曝光图形，8为直接曝光区域数据，9为需要进行灰度处理的边缘区域）。

图4是本发明的边缘为直线的灰度数据示意图（标w的栅格和灰度255是对应的，标G的栅格对应的灰度，用a、b和c来表示）。

图5是本发明的边缘为圆弧的灰度数据示意图（10为待曝光的圆，11为边缘进行4级灰度处理的灰度数据）。

具体实施方式

    如图1所示，直写式光刻系统中采用灰度方式提高曝光图形质量的方法，包括有曝光光源1、聚光镜系统2、空间光调制器3、目镜4和物镜5构成的远心成像系统、基底6，曝光光源1发出的光经过聚光镜系统2汇聚、均匀化以后以一定的角度θ入射到空间光调制器3上，入射光经空间光调制器3调制以后通过远心成像系统成像在基底6（掩膜板或晶圆）上，空间光调制器3的微镜阵列产生的特征图形要先经过处理后再传送至空间光调制器3，同时打开曝光光源，将特征图形转移到基底上；

    如图2所示，处理流程如下：

特征图形首先经过图像栅格化处理成带有图形信息的位图数据；然后进行边缘灰度处理，得到灰度数据，如图3所示的无灰度区域和边缘灰度区域，其中，7为待曝光图形，8为直接曝光区域数据，9为需要进行灰度处理的边缘区域；将灰度数据通过灰度——能量查找表转换为灰度能量后传输送至空间光调制器；

具体步骤如下：

（1）准备带有灰度信息的数据

将待曝光数据转换为和空间光调制器像素相对应的阵列数据，其中阵列数据中包含图形的大小、图形在阵列中位置以及图形边缘覆盖阵列像素的信息，如图4所示，把DMD像素全部被图形覆盖的地方用w表示，部分覆盖的地方按照面积大小覆盖一个灰度因子G，从而实现了DMD像素单元和灰度数据的转换；

    （2）灰度数据到灰度能量的转换

基底上所要形成的亚像素尺寸的大小，与能量需求之间存在对应关系；假设最大灰度为E0，凡是标记为w的栅格区域均对应的是完全曝光，需要给定最大能量，即E0能量；在一些像素未被完全覆盖的图形边缘区域，这些像素需要利用光能量的灰度来产生这些边缘，使得图形线宽更精确，提高复杂图形的边缘平滑度；通过灰度——能量查找表的查询，将图形尺寸上的灰度因子G转换到相应的光能量E上，在图4中分别用a、b和c表示；

    （3）直写式光刻机的灰度曝光

将生成的带有能量灰度信息的数据送至空间光调制器，同时打开曝光光源，通过计算机控制空间光调制器像素翻转频率实现不同的占空比，或者对多个空间光调制器像素通过叠加不同次数曝光，实现对反射至基底的光能量进行不同灰阶的调制，完成直写式光刻机系统的图形曝光。

如图5所示，以四级灰度处理为例，其中，10为待曝光的圆，11为边缘进行4级灰度处理的灰度数据，对于全黑区域，调制空间光调制器相应像素的占空比即为100%，灰度为0.75、0.5和0.25的区域即调制占空比分别为75%、50%和25%。实际系统进行1%~100%的能量控制，可以根据需要的灰度等级进行设置即可。

到此，即完成输入图形到基底上的转移，由于采用了灰度模式，可以实现边缘区域小于空间光调制器物理尺寸的“亚像素”图形曝光，提高了曝光图形的精度，增加了图形边缘斜线和圆弧区域的平滑效果。