一种曝光系统中曝光剂量的监控方法、曝光方法及其曝光系统

摘要

本发明公开了一种曝光系统中曝光剂量的监控方法、曝光方法及其曝光系统，该控制方法、曝光方法和曝光系统中，通过使用硅片面上参与曝光的第二光线能量，对中间焦点处不参与曝光的第一光线能量进行标定，建立二者之间的关系曲线，进而通过对中间焦点处不参与曝光的光线能量值进行实时在线监测，间接实现了对于硅片面上曝光能量（曝光剂量）的监测，通过监测的结果进行光开关控制，实现了在线监控曝光剂量的目的，提高了曝光剂量的监控精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光刻领域，特别提供了一种曝光系统中曝光剂量的监控方法、曝光方法及其曝光系统。

背景技术

光刻技术的工艺流程一般分为硅片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀、去胶和套刻等，是一个较为复杂的过程，各工艺环节相互影响又相互制约。其中，曝光是一个非常重要的工艺环节，指的是用特定波长和强度的光波透过掩膜，有选择地照射光刻胶，使受照射部分的光刻胶发生光化学反应，经显影后获得与掩膜上相应的图形。

曝光剂量是光照强度与曝光时间的乘积，表示光刻胶表面获取的曝光能量，由于光刻胶上产生一个良好的图形，需要一定的曝光剂量（阈值），当曝光时间过短，曝光剂量低于阈值时，则不能显影；当曝光时间过长，曝光剂量大于阈值时，则光刻胶的抗蚀能力降低，图形在显影后边缘上出现锯齿，且胶膜表面出现皱纹，影响曝光质量，因此，曝光剂量是关系光刻成功与否的关键参数。

曝光剂量监控是指监测光源在特定波长的辐射强度、稳定性的情况下，通过控制曝光时间，使得受照射部分的光刻胶发生完全光化学反应。

以往在光刻技术中，无法实现曝光剂量的在线监测，影响曝光效果。

因此，如何研发一种新的曝光剂量监控方法，以实现曝光过程中曝光剂量的在线监控，成为人们亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种曝光系统中曝光剂量的监控方法、曝光方法及其曝光系统，以实现曝光过程中曝光剂量的精确监控，提高曝光效果。

本发明提供了一种曝光系统中曝光剂量的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

调整曝光系统中光源的强度，探测多组该曝光系统中曝光光学系统内中间焦点处不参与曝光的第一光线能量以及硅片面上参与曝光的第二光线能量；

依据探测的多组第一光线能量和第二光线能量，建立第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线；

在曝光过程中，实时探测曝光光学系统内中间焦点处不参与曝光的光线能量值；

依据第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线以及实时探测的光线能量值，控制所述曝光光学系统中的光开关。

优选，探测第一光线能量和第二光线能量的组数至少为5组。

进一步优选，依据第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线以及实时探测的光线能量值，控制所述曝光光学系统中的光开关步骤包括：

依据第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线，将硅片面上曝光所需第二光线能量阈值换算为对应的中间焦点处不参与曝光的第一光线能量阈值；

将实时探测的中间焦点处不参与曝光的光线能量值与所述第一光线能量阈值进行比较，直至中间焦点处不参与曝光的光线能量值大于第一光线能量阈值时，关闭所述曝光光学系统中的光开关。

本发明还提供了一种曝光系统的曝光方法，其特征在于：采用上述任意一种曝光剂量的监控方法进行曝光。

本发明还提供了一种曝光系统，所述曝光系统包括曝光光学系统，所述曝光光学系统沿着曝光光线的传播方向依次包括照明系统1和投影物镜2，其特征在于：在所述照明系统1内设置有第一能量探测器3，且所述第一能量探测器3位于曝光光学系统的中间焦点4处。

优选，所述第一能量探测器3为带有中心孔的四象限探测器。

进一步优选，所述四象限探测器的中心孔直径大于所述曝光光学系统在中间焦点4处的有效通光口径。

本发明提供的曝光系统中曝光剂量的监控方法、曝光方法及其曝光系统，通过使用硅片面上参与曝光的第二光线能量，对中间焦点处不参与曝光的第一光线能量进行标定，建立二者之间的关系曲线，进而通过对中间焦点处不参与曝光的光线能量值进行实时在线监测，间接实现了对于硅片面上曝光能量（曝光剂量）的监测，通过监测的结果进行光源的光开关控制，实现了在线监控曝光剂量的目的，提高了曝光剂量的监控精度。

附图说明

图1为曝光系统的部分结构示意图；

图2为光开关与四象限探测器布置示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方案对本发明进行进一步解释，但是并不用于限制本发明的保护范围。

以往使用曝光系统进行曝光工作时，首先在曝光光学系统的硅片面（Wafer面）处安装有能量探测器，对硅片面上的曝光能量进行探测，依据曝光剂量的阈值，计算所需的曝光时间，在进行曝光工作时，将曝光能量探测器移除，在硅片面上安装需要进行曝光的光学元件，根据计算的曝光时间控制光开关，而曝光光学系统在使用一段时间之后，到达硅片面的光强可能发生变化，导致按照原有的曝光时间进行控制，会产生曝光剂量不准确等问题，当发现曝光效果不好时，需要再将能量探测器安装到硅片面处，重新进行曝光时间的计算，存在操作复杂，而且曝光剂量控制精度低等问题。

本发明通过多次的实验发现，曝光光学系统内中间焦点处不参与曝光的光线能量与硅片面上参与曝光的光线能量之间存在一定关系，虽然在曝光过程中，硅片面处的曝光能量不能够实现实时的在线监测，但是中间焦点处不参与曝光的光线能量可以实现实时的在线监测，因此，可以将对硅片面上参与曝光的光线能量监测问题，转换为监测中间焦点处不参与曝光的光线能量问题，实现了在线监测的目的。

本实施方案提供的曝光系统中曝光剂量的监控方法，具体为：

S1：调整曝光系统中光源的强度，探测多组该曝光系统中曝光光学系统内中间焦点处不参与曝光的第一光线能量以及硅片面上参与曝光的第二光线能量；

S2：依据探测的多组第一光线能量和第二光线能量，建立第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线；

S3：在曝光过程中，实时探测曝光光学系统内中间焦点处不参与曝光的光线能量值；

S4：依据第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线以及实时探测的光线能量值，控制所述曝光光学系统中的光开关。

该曝光剂量的监控方法，通过对曝光光学系统内中间焦点处不参与曝光的第一光线能量值的实时监测，间接实现对硅片面上参与曝光的第二光线能量的监测，根据监测的结果进行曝光系统中光开关的控制。

在本实施方案中，步骤S1中探测第一光线能量和第二光线能量的组数至少为5组，由于第一光线能量和第二光线能量之间并非呈纯线性关系，因此需要5组以上的数据进行关系曲线的确定，以提高精确程度。

在本实施方案中，步骤S4具体为：

依据第一光线能量与第二光线能量之间的关系曲线，将硅片面上曝光所需第二光线能量阈值换算为对应的中间焦点处不参与曝光的第一光线能量阈值；

将实时探测的中间焦点处不参与曝光的光线能量值与所述第一光线能量阈值进行比较，直至中间焦点处不参与曝光的光线能量值大于第一光线能量阈值时，关闭所述曝光系统中的光开关。

其中，硅片面上曝光所需第二光线能量阈值依据光刻胶灵敏度进行具体的设定。

本实施方案还提供了一种曝光系统的曝光方法，该曝光方法中采用上述任意一种曝光剂量的监控方法进行曝光。

本实施方案提供了一种曝光系统，参见图1，曝光系统包括曝光光学系统，该曝光光学系统沿着曝光光线的传播方向依次包括照明系统1和投影物镜2，其中，照明系统1包含前组光学元件11和后组光学元件12，前组光学元件11包括第一反射111和第二反射镜112，后组光学元件12包括第三反射镜121、第四反射镜122和第五反射镜123，投影物镜2包含第六反射镜21和第七反射镜22两个光学元件，在照明系统1内设置有第一能量探测器3，且第一能量探测器3位于曝光光学系统的中间焦点4处，该曝光系统中还包括光源7、掩膜5和硅片面（Wafer面6），其中，光源7位于曝光光学系统的光线入射端，掩膜5设置于照明系统1的光线出射端和投影物镜2的光线入射端，硅片面（Wafer面6）设置于投影物镜2光线出射端。

在本实施方案中，第一能量探测器3为带有中心孔的四象限探测器，优选，四象限探测器的中心孔直径大于所述曝光光学系统在中间焦点4处的有效通光口径，以不影响该曝光光学系统的曝光工作，其中，有效通光口径是指参与曝光的光线集合所形成的光束直径。

采用上述曝光系统进行曝光的具体过程为：

（1）光源7工作，前组光学元件11中第一反射镜111和第二反射镜112将光源7辐射输出的光聚焦于中心焦点（IF点）4处；

（2）IF点处安装带有中心孔的四象限探测器，四象限探测器中心孔直径大于曝光系统在该处的有效通光口径，不对参与曝光的中心光线产生遮拦，四象限探测器用于探测IF点处不参与曝光的边缘光线的能量；

（3）光线经过IF点，经由照明系统1的后组光学元件12中第三反射镜121、第四反射镜122和第五反射镜123汇聚于掩膜5处；

（4）光线经掩膜5反射后经由投影物镜2中的第六反射镜21和第七反射镜22最终聚焦于Wafer面6处；

（5）Wafer面6安装第二能量探测器，用于探测辐照在Wafer面6上的参与曝光的光能量；

（6）建立第二能量探测器与四象限探测器测量结果的对应关系，并根据特定的光刻胶灵敏度设定Wafer面6曝光剂量的阈值b，并将该阈值b换算为中心焦点处不参与曝光光线能量的阈值b’；

（7）移除第二探测器，在Wafer面6处安装涂有光刻胶的硅片，在曝光过程中，参与曝光的光线照射到光刻胶上，使得受照射部分的光刻胶产生光化学反应，在一定的曝光时间后，当四象限探测器上累积的光线能量达到阈值b’，此时受照射部分光刻胶发生完全光化学反应，控制安装在四象限探测器前端的光开关A动作，使其关闭，即完成一次曝光。

其中，IF点和Wafer面6处的探测器类型均为光电二极管。

图2为光开关A和第一能量探测器3的布置，两者安装在同一块基板上，沿光路方向，光开关A位于第一能量探测器3前端，其中第一能量探测器3为四象限探测器。

上述各个实施方案是按照递进的方式进行撰写，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。