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CN108121163B - 一种光源曝光剂量控制系统及控制方法 - Google Patents

一种光源曝光剂量控制系统及控制方法 Download PDF

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CN108121163B CN201611073755.XA CN201611073755A CN108121163B CN 108121163 B CN108121163 B CN 108121163B CN 201611073755 A CN201611073755 A CN 201611073755A CN 108121163 B CN108121163 B CN 108121163B
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Abstract

本发明公开了一种光源曝光剂量控制系统及控制方法，该系统包括LED光源、匀光单元、能量探测单元，以及分别与所述LED光源和能量探测单元连接的曝光剂量控制单元，所述能量探测单元包括与所述LED光源或匀光单元对应的能量探测器和与硅片对应的点能量传感器。通过使用能够产生UV光线的LED光源代替现有的汞灯光源，避免出现汞灯破裂之后有害金属蒸汽进入环境的风险，降低了系统的危险性，使系统更安全；通过曝光剂量控制单元控制LED光源，实现曝光系统的照度调整，同时对LED光源的开闭进行控制，实现高剂量精度的硅片曝光，无需设置可变衰减器和曝光快门，降低了系统复杂度和成本，提高系统可靠性。

Description

一种光源曝光剂量控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，具体涉及一种光源曝光剂量控制系统及控制方法。
背景技术
半导体制造中的光刻技术就是利用光学系统把掩模版上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的硅片上，为了在硅片上精确的再现掩模图形的特征尺寸需要对曝光的剂量进行控制。
图1为现有一种步进光刻机曝光系统，此种曝光系统所使用的光源是汞灯光源，整个光路主要包括汞灯光源100，椭球反射镜101，反光镜102，耦合镜组103，曝光快门104，可变衰减器105，匀光单元106，能量探测器107，中继镜组108，中继反射镜109，投影物镜110，点能量传感器111。其中汞灯100发出的光经过椭球反射镜101和反射镜102投射到灯室的外面形成一定的光锥，作为光源使用。灯室的光锥经过耦合镜组103的耦合进入匀光单元106，匀光单元106为具有一定规格的石英棒，光线在石英棒中多次反射后在石英棒的出射端面形成均匀照明区域，均匀照明作为中继镜组108的物面成像，在中继镜组108的像面形成具有一定远心及NA的均匀照明视场。
如图2所示为现有步进光刻机曝光系统的剂量控制系统，包括：汞灯控制器112、曝光快门104、可变衰减器105、能量探测器107、点能量传感器111、剂量控制板卡200。该剂量控制系统在使用过程中存在以下几方面缺点：一是汞灯光源的照度不可控，为了实现小剂量曝光，剂量控制系统只能增加可变衰减器来获得所需要的照度，增加了系统复杂度和成本且由于可变衰减器是运动部件，因此降低了系统可靠性；二是汞灯光源工作条件要求高，点灯、暖灯时间长，不可以频繁开关，为了控制硅片曝光，剂量控制系统只能增加曝光快门组件，增加了系统复杂度和成本且由于曝光快门是超频繁运动部件，因此大大降低了系统可靠性；三是汞灯光源有一定的危险性。汞灯光源灯泡内充满高压汞蒸气，如果使用不当发生泄露对环境及工作人员都有很大的危害。
发明内容
本发明提供了一种光源曝光剂量控制系统及控制方法，以解决现有技术中存在的系统复杂度和成本高、系统可靠性和安全性低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种光源曝光剂量控制系统，包括：LED光源、匀光单元、能量探测单元，以及分别与所述LED光源和能量探测单元连接的曝光剂量控制单元，所述能量探测单元包括与所述LED光源或匀光单元对应的能量探测器和与硅片对应的点能量传感器。
进一步的，所述曝光剂量控制单元包括相互连接的LED光源控制器和剂量控制板卡，所述LED光源控制器与所述LED光源连接，所述剂量控制板卡分别与所述能量探测器和点能量传感器连接。
进一步的，所述剂量控制板卡中存有所述LED光源在不同光强下从关闭到完全熄灭过程中的累积剂量值的数据。
进一步的，所述剂量控制板卡中存有LED光源的驱动电流和所产生光强之间的对应关系。
进一步的，所述LED光源为LED阵列光源，波长为465nm或435nm或365nm。
进一步的，所述匀光单元采用匀光石英棒。
本发明还提出一种上述光源曝光剂量控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：所述曝光剂量控制单元4控制所述LED光源和能量探测器同时打开，使所述能量探测器探测所述LED光源的照度；
S2：所述曝光剂量控制单元对硅片上实际的照度值进行采样并积分计算硅片上的累计剂量值；
S3：当LED光源的照度稳定之后获取LED光源关闭过程中的累计剂量值；
S4：当步骤S2中测得的硅片上的累计剂量值等于设定的剂量值减去LED光源关闭过程中的累计剂量值时，曝光剂量控制单元关闭LED光源；
S5：当LED光源完全关闭后，曝光剂量控制单元关闭能量探测器，计算此时硅片上的累计剂量值以及与设定剂量值之间的剂量控制误差；
S6：所述曝光剂量控制单元根据所述剂量控制误差控制LED光源的光强。
进一步的，所述步骤S1中还包括对点能量传感器进行标定，以及采用标定后的点能量传感器对能量探测器进行标定。
进一步的，经过标定后，所述能量探测器与所述点能量传感器的关系为：
IESS＝Gain*IED+Offset＝Iwafer
其中，IED代表能量探测器的照度测量值；IESS代表点能量传感器的照度测量值；Gain和Offset值代表比例系数和偏移量；Iwafer代表硅片上实际的照度测量值。
进一步的，所述步骤S2中，所述硅片上的累计剂量值Dget的计算公式为：
其中，Iwafer代表硅片上实际的照度测量值，t为时间。
进一步的，所述步骤S5中，设定剂量值Dset为：
LED光源完全关闭后硅片上的累计剂量值Dget的计算公式为：
剂量控制误差D＝|Dset-Dget|
其中，tclose为LED光源关闭的时刻，Dclose为步骤S3中获得的累积剂量值，Iwafer代表硅片上实际的照度测量值，|·|为绝对值运算。
进一步的，所述步骤S3中，根据稳定的照度值从剂量控制板卡中获取LED光源在该强度下从关闭到完全熄灭过程中的累积剂量值。
进一步的，所述步骤S6中，剂量控制板卡根据剂量控制误差控制LED光源控制器根据LED光源的驱动电流和所产生光强之间的对应关系控制LED光源的光强。
本发明提供的光源曝光剂量控制系统及控制方法，该系统包括LED光源、匀光单元、能量探测单元，以及分别与所述LED光源和能量探测单元连接的曝光剂量控制单元，所述能量探测单元包括与所述LED光源或匀光单元对应的能量探测器和与硅片对应的点能量传感器。通过使用能够产生UV光线的LED光源代替现有的汞灯光源，避免出现汞灯破裂之后有害金属蒸汽进入环境的风险，降低了系统的危险性，使系统更安全；通过曝光剂量控制单元控制LED光源，实现曝光系统的照度调整，同时对LED光源的开闭进行控制，实现高剂量精度的硅片曝光，无需设置可变衰减器和曝光快门，降低了系统复杂度和成本，提高系统可靠性。
附图说明
图1是现有步进光刻机曝光系统的结构示意图；
图2是现有步进光刻机曝光系统的剂量控制系统；
图3是本发明光源曝光剂量控制系统的结构示意图；
图4是本发明LED光源从打开至完全熄灭的照度曲线图。
图1-2中所示：100、汞灯光源；101、椭球反射镜；102、反光镜；103、耦合镜组；104、曝光快门；105、可变衰减器；106、匀光单元；107、能量探测器；108、中继镜组；109、中继反射镜；110、投影物镜；111、点能量探测器；112、汞灯控制器；200、剂量控制板卡。
图3-4中所示：1、LED光源；2、匀光单元；31、能量探测器；32、点能量传感器；4、曝光剂量控制单元；41、LED光源控制器；42、剂量控制板卡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
如图3所示，本发明提供了一种光源曝光剂量控制系统，包括：LED光源1、匀光单元2、能量探测单元以及分别与所述LED光源1和能量探测单元连接的曝光剂量控制单元4，所述能量探测单元包括与所述LED光源1或匀光单元2对应的能量探测器31和与硅片对应的点能量传感器32。通过能量探测器31对LED光源1的照度进行探测，通过点能量传感器32对能量探测器31进行标定，建立两者之间的对应关系，通过曝光剂量控制单元4计算硅片上的累计剂量值并根据其与设定的曝光剂量之间的剂量控制误差对LED光源1的强度和开闭进行控制，从而实现高剂量精度的硅片曝光，无需设置可变衰减器和曝光快门，降低了系统复杂度和成本，提高系统可靠性。
请继续参照图3，所述曝光剂量控制单元4包括相互连接的LED光源控制器41和剂量控制板卡42，所述LED光源控制器41与所述LED光源1连接，所述剂量控制板卡42分别与所述能量探测器31和点能量传感器32连接。剂量控制板卡42对硅片上实际的照度测量值以设定的频率进行采样并积分计算硅片上的累计剂量值，需要说明的是，点能量传感器32经过标定后测量到的光强代表了硅片上的光强，但由于点能量传感器32安装在工件台上，相对硅片是静止的，所以点能量传感器32无法测量每张硅片上每一个视场的光强值，因此在剂量控制时根据点能量传感器32与能量探测器31之间的标定关系，将能量探测器31测得的照度转换成点能量传感器32的照度测量值，即硅片上实际的照度值。
优选的，所述剂量控制板卡42中存有所述LED光源1在不同光强下从关闭到完全熄灭过程中的累积剂量值的数据。由于LED光源1打开到光强稳定和关闭到完全熄灭需要一定的时间，在关闭的过程中光强在变化且会在硅片上累计一定的剂量，因此本实施例方案中需先对LED光源1在不同的光强下关闭到完全熄灭的过程中硅片上的累计剂量值进行测试，形成一组数据，在剂量控制过程中根据当前曝光使用的光强查找相应的数据，当测得的硅片上的累计剂量值等于设定的剂量值减去LED光源关闭过程中的累计剂量值时，通过曝光剂量控制单元4剂量关闭LED光源；具体的，所述剂量控制板卡42中存有LED光源1的驱动电流和所产生光强之间的对应关系，剂量控制板卡42根据剂量控制误差控制LED光源控制器31根据LED光源1的驱动电流和所产生光强之间的对应关系控制LED光源1的光强，从而实现高剂量精度的硅片曝光。
优选的，所述LED光源1为LED阵列光源，波长为465nm或435nm或365nm，一个控制系统中可设有一个或多个LED阵列光源。
优选的，所述匀光单元2采用匀光石英棒。
本发明还提供上述光源曝光剂量控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：所述曝光剂量控制单元4控制所述LED光源1和能量探测器31同时打开，使所述能量探测器31探测所述LED光源1的照度。在能量探测器31开始探测LED光源1的照度之前还需对点能量传感器32进行标定，并采用标定后的点能量传感器32对能量探测器31进行标定，建立两者之间的关系。由于点能量传感器32经过标定后测量到的光强代表了硅片上的光强，但由于点能量传感器32安装在工件台上，相对硅片是静止的，所以点能量传感器32无法测量每张硅片上每一个视场的光强值，因此需标定点能量传感器32与能量探测器31之间的关系，将能量探测器31测得的照度转换成点能量传感器32的照度测量值，本实施例中，能量探测器31与点能量传感器32使用同一类传感器，且两者之间的光学器件透过率恒定不变，则有：
IESS＝Gain*IED+Offset＝Iwafer
其中，IED代表能量探测器31的照度测量值；IESS代表点能量传感器32的照度测量值；Gain和Offset值代表比例系数和偏移量；Iwafer代表硅片上实际的照度值。
S2：所述曝光剂量控制单元4对硅片上实际的照度值进行采样并积分计算硅片上的累计剂量值；所述硅片上的累计剂量值Dget的计算公式为：
其中，Iwafer代表硅片上实际的照度测量值，t为时间。
S3：当LED光源1的照度稳定之后获取LED光源1关闭过程中的累计剂量值；即所述剂量控制板卡42中存有所述LED光源1在不同光强下从关闭到完全熄灭过程中的累积剂量值的数据，由于LED光源1打开到光强稳定和关闭到完全熄灭需要一定的时间，在关闭的过程中光强在变化且会在硅片上累计一定的剂量，因此本实施例方案中需先对LED光源1在不同的光强下关闭到完全熄灭的过程中硅片上的累计剂量值进行测试，形成一组数据，在剂量控制过程中根据稳定之后的照度从该组数据中查找对应的LED光源1关闭过程中的累计剂量值。
S4：当步骤S2中测得的硅片上的累计剂量值等于设定剂量值减去LED光源1关闭过程中的累计剂量值时，曝光剂量控制单元4关闭LED光源1；LED光源1从打开到光强稳定和关闭到完全熄灭的过程如图4所示，包括光源打开到光强稳定过程a、恒光强过程b和光源关闭到完全熄灭过程c；可知在LED光源关闭的过程中光强在变化且会在硅片上累计一定的剂量，若等测得的硅片上的累计剂量值等于设定剂量值时才关闭LED光源1，势必会导致硅片的曝光过度，因此需在测得的硅片上的累计剂量值等于设定剂量值减去步骤S3中获取的LED光源1关闭过程中的累计剂量值时，关闭LED光源1，以保证曝光精度。
S5：当LED光源1完全关闭后，曝光剂量控制单元4关闭能量探测器31，计算此时硅片上的累计剂量值以及与设定剂量值之间的剂量控制误差；具体的，设定剂量值Dset为：
LED光源1完全关闭后硅片上的累计剂量值Dget的计算公式为：
剂量控制误差D＝|Dset-Dget|
其中，tclose为LED光源关闭的时刻，Dclose为步骤S3中获得的累积剂量值，Iwafer代表硅片上实际的照度测量值，|·|为绝对值运算。
S6：所述曝光剂量控制单元4根据所述剂量控制误差控制LED光源1的光强，具体的，所述剂量控制板卡42中存有LED光源1的驱动电流和所产生光强之间的对应关系，该数据列表可根据一定的时间策略进行自动更新；剂量控制板卡42根据剂量控制误差控制LED光源控制器41根据LED光源1的驱动电流和所产生光强之间的对应关系控制LED光源1的光强，从而实现硅片的高精度曝光。
综上所述，本发明提供的光源曝光剂量控制系统及控制方法，该系统包括LED光源1、匀光单元2、能量探测单元以及分别与所述LED光源1和能量探测单元连接的曝光剂量控制单元4，所述能量探测单元包括与所述LED光源1或匀光单元2对应的能量探测器31和与硅片对应的点能量传感器32。通过使用能够产生UV光线的LED光源1代替现有的汞灯光源，避免出现汞灯破裂之后有害金属蒸汽进入环境的风险，降低了系统的危险性，使系统更安全；通过曝光剂量控制单元4控制LED光源1，实现曝光系统的照度调整，同时对LED光源1的开闭进行控制，实现高剂量精度的硅片曝光，无需设置可变衰减器和曝光快门，降低了系统复杂度和成本，提高系统可靠性。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种光源曝光剂量控制系统，其特征在于，包括：LED光源、匀光单元、能量探测单元以及分别与所述LED光源和能量探测单元连接的曝光剂量控制单元，所述能量探测单元包括与所述LED光源或匀光单元对应的能量探测器和与硅片对应的点能量传感器；
其中，所述曝光剂量控制单元包括相互连接的LED光源控制器和剂量控制板卡，所述LED光源控制器与所述LED光源连接，所述剂量控制板卡分别与所述能量探测器和点能量传感器连接，所述剂量控制板卡中存有所述LED光源在不同光强下从关闭到完全熄灭过程中的累积剂量值的数据。
2.根据权利要求1所述的光源曝光剂量控制系统，其特征在于，所述剂量控制板卡中存有LED光源的驱动电流和所产生光强之间的对应关系。
3.根据权利要求1所述的光源曝光剂量控制系统，其特征在于，所述LED光源为LED阵列光源，波长为465nm或435nm或365nm。
4.根据权利要求1所述的光源曝光剂量控制系统，其特征在于，所述匀光单元采用匀光石英棒。
5.一种根据权利要求1所述的光源曝光剂量控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述曝光剂量控制单元控制所述LED光源和能量探测器同时打开，使所述能量探测器探测所述LED光源的照度；
S2：所述曝光剂量控制单元对硅片上实际的照度值进行采样并积分计算硅片上的累计剂量值；
S3：当LED光源的照度稳定之后获取LED光源关闭过程中的累计剂量值；
S4：当步骤S2中测得的硅片上的累计剂量值等于设定的剂量值减去LED光源关闭过程中的累计剂量值时，曝光剂量控制单元关闭LED光源；
S5：当LED光源完全关闭后，曝光剂量控制单元关闭能量探测器，计算此时硅片上的累计剂量值以及与设定剂量值之间的剂量控制误差；
S6：所述曝光剂量控制单元根据所述剂量控制误差控制LED光源的光强。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括对点能量传感器进行标定，以及采用标定后的点能量传感器对能量探测器进行标定。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，经过标定后，所述能量探测器与所述点能量传感器的关系为：
IESS＝Gain*IED+Offset＝Iwafer
其中，IED代表能量探测器的照度测量值；IESS代表点能量传感器的照度测量值；Gain和Offset值代表比例系数和偏移量；Iwafer代表硅片上实际的照度测量值。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述硅片上的累计剂量值Dget的计算公式为：
其中，Iwafer代表硅片上实际的照度测量值，t为时间。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，设定剂量值Dset为：
LED光源完全关闭后硅片上的累计剂量值Dget的计算公式为：
剂量控制误差D＝|Dset-Dget|
其中，tclose为LED光源关闭的时刻，Dclose为步骤S3中获得的累积剂量值，Iwafer代表硅片上实际的照度测量值，|·|为绝对值运算。
10.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据稳定的照度值从剂量控制板卡中获取LED光源在该强度下从关闭到完全熄灭过程中的累积剂量值。
11.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，剂量控制板卡根据剂量控制误差控制LED光源控制器根据LED光源的驱动电流和所产生光强之间的对应关系控制LED光源的光强。
CN201611073755.XA 2016-11-29 2016-11-29 一种光源曝光剂量控制系统及控制方法 Active CN108121163B (zh)

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