一种干涉曝光装置及方法

摘要

本发明公开一种干涉曝光装置，包括：一光源，用于提供曝光光束；一干涉头，用于将所述曝光光束形成至少两束干涉光束并会聚于基底表面形成一干涉曝光图形，所述干涉头沿垂向做一维运动；一运动承载单元，用于提供所述基底至少三自由度运动；一测量单元，用于获得所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系的夹角，以便在对所述基底曝光之前依据所述测量单元的测量结果对所述运动承载单元的曝光位置进行调整。

权利要求

1.一种干涉曝光装置，包括：

一光源，用于提供曝光光束；

一运动承载单元，用于承载一基底，并提供所述基底至少三自由度运动；

其特征在于，所述干涉曝光装置还包括：

一干涉头，用于将所述曝光光束形成至少两束干涉光束并会聚于所述基底表面形成一干涉曝光图形，所述干涉头沿垂向做一维运动；

一测量单元，用于获得所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系的夹角，以便在所述基底曝光前依据所述测量单元的测量结果对所述运动承载单元的曝光位置进行调整。

2.如权利要求1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头包括至少两组光栅且光栅周期及位置能够与待曝光的图形周期及分布特征相一致和至少两个测量单元识别标记。

3.如权利要求2所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头包括三组正六边型光栅，所述正六边型光栅栅线之间呈120度排列，以在所述基底上形成六边形分布的密集孔阵列。

4.如权利要求2所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头包括两组矩型光栅，所述光栅平行排列，且光栅栅线之间互相平行，以在所述基底上形成密集线结构。

5.如权利要求1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉曝光装置还包括一匀光准直单元，所述匀光准直单元用以将所述光源出射的曝光光束均匀准直。

6.如权利要求1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述运动承载单元上包括一运动承载单元标记。

7.如权利要求1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述运动承载单元与所述基底之间还放置一光阑。

8.如权利要求5所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述匀光准直单元与所述干涉头之间还包括一反射镜。

9.如权利要求1所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头可替换。

10.如权利要求2所述的干涉曝光装置，其特征在于，所述干涉头的光栅区域与曝光场形状相同。

11.一种干涉曝光方法，其特征在于，包括：

加载干涉头，及加载待曝光基底于运动承载单元上；

利用一测量单元测得所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系之间的夹角；以及根据所述夹角及设定的曝光场位置更新所述运动承载单元的曝光位置；

将所述运动承载单元运动至所述更新后的曝光位置；以及将光源发出的光束经所述干涉头形成的至少两束干涉光束会聚于所述基底表面，逐场曝光所述基底。

12.如权利要求11述的干涉曝光方法，其特征在于，所述运动承载单元的曝光位置使用的计算公式为：WZCS

其中RR 为所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系之间的夹角。

13.一种用于步进干涉曝光的对准装置，应用于干涉曝光装置中，所述干涉曝光装置包括一干涉头及运动承载单元，其特征在于：所述对准装置包括至少2个测量单元，安装在所述干涉头上方；所述对准装置通过调整成像焦距以探测所述干涉头上的标记，以及所述运动承载单元上的标记。

14.一套用于大范围周期性基底加工的干涉曝光对准方法，其特征在于：a)通过离线测校，确定第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换关系及第一、第二测量单元坐标系自身的非正交、畸变；

b)更新目标位置，将运动承载单元上的标记分别移动至第一、第二测量单元坐标系中目标位置对应的参考位置，获取该标记在测量单元中的像素位置，这两个位置作为新的目标位置；

c)设备常数中获取干涉头上第一、第二标记的位置；

d)由测量单元分别获取第一、第二干涉头标记的像素位置；

e)分别计算当前像素位置与目标位置的偏移量；

f)获取第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数，以及第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数；

g)将当前像素位置与目标位置的偏移量转换到运动承载单元零位坐标系中；

h)获取运动承载单元零位坐标系中干涉头对准标记的对准参考位置；

i)计算当前干涉头对准标记在运动承载单元零位坐标系中的实际位置；

WZCS

j)求解对准模型，求得干涉头相对运动承载单元零位坐标系的旋转量RR ；

修正运动承载单元步进的设定位置

说明书

一种干涉曝光装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体装备制造技术领域，尤其涉及一种应用于大范围周期图形加工的干涉曝光装置及方法。

背景技术

[0002] 干涉光刻技术利用光的干涉和衍射特性，通过特定的光束组合方式，对干涉场内的光强分布进行调制，并用感光材料记录下来，产生光刻图形。

[0003] 干涉光刻兼具高分辨率(可以相对容易地达到曝光波长的1/4)、大焦深(接近光源的相干长度)的优点，可用于几十纳米～几个微米尺寸的周期性图形加工。

[0004] 目前，大范围周期性图形结构，如超长光栅、图形化蓝宝石衬底、光子晶体、太阳能吸收器、FED(Field Emmition Display)等，都需要在2英寸～6英寸的衬底上，制造均匀密布的周期性结构。这些结构不仅包含一维结构，还有二维结构。如何保证这些特征图形在较大面积的衬底上做到均匀分布(即很高的拼接精度)是一个很关键的技术问题。

[0005] 现有技术的解决方案之一是美国专利US6285817提出了一种基于球面波的多光束干涉光刻技术方案，该方案使用若干个放置在离待曝光衬底很远处的点光源，产生扩散球面波，以一定传播角度会聚在涂胶衬底之上，形成大面积的干涉图形。由于球面波本身具有波前畸变，因此会导致衬底中心和边缘处图形分布不均匀。

[0006] 现有技术的解决方案之二是美国专利US7561252中提出了“Scan Beam Interference Lithography(SBIL)”的概念，称为Doppler Writing。使用该方法，可在最大为12英寸的衬底上制造超长光栅，线宽可达100nm，同时具有很好的均匀性，但该方法的局限在于结构复杂，且无法应用于二维图形的加工。

[0007] 现有技术的解决方案之三是美国专利US6882477及文献《使用塔尔博特冷静干涉仪实现193nm浸没式光刻》Proc.SPIE 5377，“Immersion microlithography at193 nm with a Talbot prisminterferometer中公开了基于平面波的Talbot干涉曝光方案，相对球面波，平面波的波前畸变要小得多，但如果曝光场过大的话，各光学元件、环境介质引起的位相误差将对曝光图形均匀性产生影响。通过减小单个曝光场面积，采用逐场曝光的方式，可减小这一影响，但会带来另外的问题：因为干涉曝光图形的方向与运动承载单元的运动方向不一致(如图1)，从而 将导致图形产生拼接问题，如图2所示。

[0008] 综上所述，现有技术中出现了不同的基于光束干涉的光刻技术，但是都具有一个至关重要的技术问题有待突破，即如何解决应用于大范围的微纳米周期图形加工的问题。

发明内容

[0009] 为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种干涉曝光装置及方法，能够实现大面积高均匀性的图形拼接，且兼容于多种类别的周期性图形结构。

[0010] 为实现上述发明目的，本发明公开一种干涉曝光装置，包括：

[0011] 一光源，用于提供曝光光束；

[0012] 一干涉头，用于将该曝光光束形成至少两束干涉光束并会聚于基底表面形成一干涉曝光图形，所述干涉头沿垂向做一维运动；

[0013] 一运动承载单元，用于承载所述基底，并提供所述基底至少三自由度运动；

[0014] 一测量单元，用于获得该干涉头坐标系与该运动承载单元坐标系的夹角，以便在所述基底曝光前依据所述测量单元的测量结果对所述运动承载单元的曝光位置进行调整。

[0015] 更进一步地，该干涉头包括至少两组闪耀光栅和至少两个测量单元识别标记。该干涉头包括三组正六边型光栅，该光栅之间呈120度排列。该干涉头包括两组距型光栅，该光栅平行排列。该干涉曝光装置还包括一匀光准直单元，该匀光准直单元用以将光源出射光束均匀准直。该运动承载单元包括一运动承载单元。该运动承载单元还包括一激光干涉仪。该运动承载单元上包括一运动承载单元标记。该运动承载单元与该基底之间还放置一光阑。该匀光准直单元与该干涉头之间还包括一反射镜。干涉头可替换。干涉头的光栅区域与曝光场形状相同。

[0016] 本发明同时公开一种干涉曝光方法，其特征在于，包括：

[0017] 加载干涉头，及加载待曝光基底于运动承载单元上；

[0018] 利用一测量单元测得所述干涉头坐标系与所述运动承载单元坐标系之间的夹角；以及

[0019] 根据所述夹角及设定的曝光场位置更新所述运动承载单元的曝光位置；

[0020] 将所述运动承载单元运动至所述更新后的曝光位置；以及

[0021] 将光源发出的光束经所述干涉头形成的至少两束干涉光束会聚于所述基底表面，逐场曝光所述基底。

[0022] 更进一步地，该运动承载单元的曝光位置使用的计算公式为：

[0023]

[0024] 其中RRWZCS为干涉仪坐标系与与运动承载单元坐标系之间的夹角。

[0025] 本发明还公开一种用于步进干涉曝光的对准装置，其特征在于：所述对准装置包括至少2个测量单元，安装在干涉头上方；所述对准装置通过调整成像焦距以探测干涉头上的标记，以及运动承载单元上的标记。

[0026] 本发明还公开一种用于大范围周期性基底加工的干涉曝光对准方法，其特征在于：通过离线测校，确定第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换关系及第一、第二测量单元坐标系自身的非正交、畸变；新目标位置，将运动承载单元上的标记分别移动至第一、第二测量单元坐标系中目标位置对应的参考位置，获取该标记在测量单元中的像素位置，这两个位置作为新的目标位置；设备常数中获取干涉头上第一、第二标记的位置；由测量单元分别获取第一、第二干涉头标记的像素位置；分别计算当前像素位置与目标位置的偏移量；获取第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数，以及第一、第二测量单元坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的转换参数；将当前像素位置与目标位置的偏移量转换到运动承载单元零位坐标系中；获取运动承载单元零位坐标系中干涉头对准标记的对准参考位置；计算当前干涉头对准标记在运动承载单元零位坐标系中的实际位置；求解对准模型，求得干涉头相对运动承载单元零位坐标WZCS系的旋转量RR ；

[0027] 修正运动承载单元步进的设定位置

[0028] 与现有技术相比较，本发明提供一种干涉曝光装置及方法，利用一测量单元来检测干涉图形相对于运动承载单元(即承片台)的角度偏差，利用该角度偏差用来修正运动承载单元的曝光位置，因此能够实现大面积高均匀性的图形拼接。由于该干涉头可以被替换，因此兼容于多种类别的周期性图形结构。

附图说明

[0029] 关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

[0030] 图1是现有技术公开的干涉条纹方向与运动承载单元运动方向不一致时的示意图；

[0031] 图2是现有技术公开的大面积周期性图形干涉加工时的拼接误差示意图；

[0032] 图3是本发明干涉曝光装置结构示意图；

[0033] 图4是本发明干涉曝光装置中干涉头的第一实施方式的结构示意图；

[0034] 图5是本发明第一实施方式的干涉光束示意图；

[0035] 图6是本发明第一实施方式的曝光效果；

[0036] 图7是本发明第一实施方式的曝光场拼接；

[0037] 图8是本发明干涉曝光装置的坐标系定义；

[0038] 图9是本发明干涉曝光装置第二实施方式的干涉光束示意图；

[0039] 图10是本发明第二实施方式的曝光效果。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

[0041] 本发明所提供的干涉曝光装置适用于大范围周期图形加工，该干涉曝光装置的结构示意图如3中所示。该干涉曝光装置包括光源1，用于提供曝光所需的光束；匀光扩束单元2，用于对光源发出的光束进行准直或整形；干涉头3相干光源进行分割后形成至少两道干涉臂(或称干涉光束)；干涉头3出射的干涉臂会聚在基底上(图中未视出)，然后入射测量单元5；该干涉曝光装置还包括一运动承载单元4，该运动承载单元4可以基底至少3个自由度方向运动。干涉头3由至少两组闪耀光栅构成，当该干涉头3的光栅方向与运动承载单元4的运动方向存在夹角时，即会在基底的曝光图形上产生拼接误差。通过设置的测量单元5可以获取其夹角，并对该运动承载单元4的位置进行补偿。

[0042] 下面将结合图3详细说明本发明所公开的干涉曝光装置的详细的结构示意图及如何实现无拼接误差的大范围周期图形加工。

[0043] 如图3中所示，该干涉曝光装置包括一激光器100，激光器100发出的高斯光束进入匀光扩束单元200。激光光束经过匀光扩束单元200后被准直为均匀光束，且光束直径能够至少覆盖干涉头上的光栅区域。由于匀光扩束单元200在现有技术中已经得到广泛的应用，因此此处不详述。

[0044] 经过匀光扩束单元200准直后的光束经过一反射镜201，照射到干涉头300上。在本发明中，要求干涉头300既能够将相干光源进行分割，形成干涉臂301，又能使各干涉臂301以一定空间角度会聚。本实施例中，干涉头的结构如图4所示，它的表面通过镀铬形成非透光区，并配有三组互相成120度角排列的一维闪耀光栅，此外还有至少2个“十”字形标记。

[0045] 激光光束照射到闪耀光栅区域后，其+1级衍射光受到增强，而其余级次衍射则被抑制，从而形成三个干涉臂301。三个干涉臂301以一级光的衍射角θ会聚于吸附在运动承载单元上的涂胶基底之上，如图5所示，则在三光束交汇的区域，会形成如图6所示的密集孔效果。

[0046] 密集孔之间的距离p由衍射角θ和曝光波长确定：

[0047]

[0048] 由于采用光栅作为干涉头，因此在要改变孔与孔之间的距离，只需要更换干涉头即可，而由于在本实施例中，干涉头作用与投影光刻中的掩膜类似，所以可采用自动化的传输机构，将干涉头安放于支撑平台上。

[0049] 密集孔直径由曝光时间确定，该时间与孔直径大小、所用光刻胶特性、光源在基底上的光照度等参数有关。

[0050] 曝光场面积则由干涉头上刻画出的闪耀光栅的面积确定，如图4所示，本实施例中，三组闪耀光栅的区域均为正六边形，这样可以恰好使曝光场面积等于光栅区域的面积，以控制曝光区域大小，同时，六边形结构能够形成图形无缝拼接效果，如图7所示。

[0051] 在本实施例中，曝光不同密集孔间距，光栅衍射角θ不同，因此干涉区域的垂向位置也有所区别，有简单的几何关系可知，干涉区域距离干涉面的高度H与光栅衍射角θ的关系为：

[0052]

[0053] 其中d为正六边形曝光场两定点之间的最大距离。

[0054] 在主框架的两侧，安装两个一维线性导轨，可驱动干涉头支撑平台沿着垂直方向做一维运动，以保证干涉区域始终位于涂胶基底表面。

[0055] 在涂胶基底上表面，还安装有一光阑，以阻挡闪耀光栅的残余0级光及其其他非必要的杂散光进入干涉区域。

[0056] 基底(图中未视出)放置于运动承载单元(即承片台)406上面，运动承载单元406可以提供基底至少3个自由度的运动。为了实现最佳的技术效果，避免外界环境的干扰，在运动承载单元406下放置一气浮系统405。上述基底、运动承载单元406及气浮系统
405均放置于一主框架410内，而主框架410又由减震装置407(Air Mount)提供支撑，以隔离外界振动对于干涉光刻曝光的干扰。本干涉曝光装置其他各组成部分及测量单元均位于主框架确定的内部世界中。

[0057] 在主框架410的两侧，安装两个一维线性导轨401，用于驱动干涉头300支撑平台沿着垂直方向做一维运动，以保证干涉区域始终位于涂胶基底表面。

[0058] 在涂胶基底上表面，还安装有一光阑404，以阻挡闪耀光栅的残余0级光及其他非必要的杂散光进入干涉区域。

[0059] 运动承载单元406气浮于主框架410上，由刚性连接在主框架410上的激光干涉仪403 伺服，承载涂胶基底在水平方向进行步进。当运动承载单元步进并稳定于设定位置时，激光快门(Shutter)200开启，当曝光到一定时间后，Shutter200关闭，此时一个曝光场曝光完成，运动承载单元406继续步进至下一个待曝光位置。

[0060] 由于位于干涉头600上的光栅方向与运动承载单元运动方向存在如图1所示的夹角α，因此对应的干涉图形与运动承载单元运动方向之间也会存在相同角度α，于是在步进曝光时，会使整个衬底上的曝光图形产生如图2所示的拼接误差。

[0061] 在本实施例中，在主框架410上安装上左右两侧各安装一个CCD摄像机(即测量单元)500，其焦距可进行调节，干涉头上配有两个“十”字形标记，分别供左右CCD进行识别，同时运动承载单元406上也附有一个标记408，可供任意一个CCD识别，通过CCD分别对干涉头标记及运动承载单元上的标记进行识别，可获取其夹角α，并通过修改运动承载单元的设定位置进行补偿，下面将详细说明这一流程。

[0062] 在说明流程之前，先预定义以下坐标系，请结合图8理解坐标系：

[0063] 运动承载单元(即承片台)坐标系(简称WSCS)：其原点位于运动承载单元的几何中心，x、y轴方向由激光干涉仪平面镜确定，为二维正交坐标系；

[0064] 运动承载单元零位坐标系(简称WZCS)：与运动承载单元处于(0，0)时的运动承载单元坐标系重合，运动承载单元位置描述为WZCS原点在WSCS下的向量，即WSCS与WZCS间仅存在平移关系：

[0065]

[0066] 干涉头坐标系(简称RCS)：二维正交坐标系，其原点位于干涉头的几何中心，x、y轴方向由干涉头的几何边界确定，每次更换干涉头，该坐标系都会发生改变；

[0067] 干涉头零位坐标系(简称RZCS)：二维正交坐标系，为WZCS在干涉头平面内的投影；

[0068] 左/右CCD(即测量单元)坐标系(MVLCS、MVRCS)：为二维非正交坐标系，原点由CCD测量系统的逻辑像素位置(0，0)确定，坐标轴方向垂直于CCD成像边界确定。

[0069] 为方便叙述，再定义若干位置：

[0070] 目标位置(Aim Position)：描述于MVL(R)CS中，其意义为干涉头上的“十”字标记对准时，该标记的像在描述于MVL(R)CS中的像素位置；

[0071] 参考位置(Ref Position)：描述于WZCS中，其意义为目标位置在WZCS下的对应位置，该位置作为一恒定量，在本实施例中，左右CCD中的目标位置各对应一个参考位置；

[0072] 当前位置(Current Position)：描述与MVL(R)CS下，表明干涉头或运动承载单元上的 标记实际在左右CCD中的像素位置。

[0073] 通过对准所希望确定的夹角α，是指干涉头坐标系与运动承载单元零位坐标系之间的夹角。

[0074] 整个校正流程如下：

[0075] 第一步：首先通过离线测校，确定以下关系：

[0076] MVL(R)CS与WZCS之间的转换关系，即CCD中的任意像素位置，对应WZCS下的位置坐标；

[0077] MVL(R)CS与RZCS之间的转换关系，即CCD中的任意像素位置，对应RZCS下的位置坐标；

[0078] MVL(R)CS自身的非正交、畸变。

[0079] 第二步：更新目标位置，将运动承载单元上的标记分别移动至MVL(R)CS中目标位置对应的参考位置，获取该标记在CCD中的像素位置，这两个位置作为新的目标位置：

[0080]

[0081]

[0082] 第三步：获取干涉头上左右“十”字形标记的位置，该位置由干涉头加工时确定并保证精度：

[0083]

[0084]

[0085] 第四步：由CCD分别获取左、右“十”字形标记在各自坐标系中的位置：

[0086]

[0087]

[0088] 第五步：分别计算当前位置与目标位置的偏移量：

[0089]

[0090]

[0091] 第六步：获取MVLCS与WZCS之间的转换参数，以及MVRCS与WZCS之间的转换参数[0092] 第七步：将第五步中的左右CCD中的位置偏移量转换到WZCS中：

[0093]

[0094]

[0095] 第八步：获取WZCS中左右“十”字标记的对准参考位置

[0096] 第九步：计算左右“十”字标记的像在WZCS中的位置

[0097]

[0098]

[0099] 第十步：两“十”字标记在WZCS下的位置满足方程组：

[0100]WZCS

[0101] 其中Mr为此时标记倍率，RR 即为RCS与WZCS之间的夹角α，为两坐标系间的平移，通过两个“十”标记的测量转换结果，可得到4组方程，可解得：

[0102] RRWZCS＝BA

[0103] (4)

[0104] 其中：

[0105]

[0106]

[0107]

[0108]

[0109]

[0110]

[0111] 第十一步：重新计算运动承载单元设定位置

[0112]

[0113] 其中 为原运动承载单元位置的设定位置。

[0114] 经过上述步骤，就可以实现在大面积的基底上达到较高的图形拼接精度。

[0115] 本发明还提供第二实施方式。第二实施方式与第一实施方式的区别在于干涉头300的图形设置。如图9所示，该干涉头300上设置有两组并行排列的一维闪耀光栅，同时也设置两个探测器识别标志。两组一维闪耀光栅均呈矩形。利用图9中所涉及的干涉头会形成两光束交汇的干涉区域，会形成如图10中所示的干涉条纹。其中干涉区域距离干涉面的高度H与光栅衍射角θ的关系为：

[0116]

[0117] 其中d为矩形曝光场两定点之间的最大距离。其他的对夹角的补偿公式如上文所示。

[0118] 与现有技术相比较，本发明提供一种干涉曝光装置及方法，利用一测量单元来检测干涉图形相对于运动承载单元的角度偏差，利用该角度偏差用来修正运动承载单元的曝光位置，因此能够实现大面积高均匀性的图形拼接。由于该干涉头可以被替换，因此兼容于多种类别的周期性图形结构。

[0119] 本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。