专利名称：一种步进光刻设备及光刻曝光方法
技术领域：
本发明涉及集成电路装备制造领域，尤其涉及一种步进光刻设备及光刻曝光方法。
背景技术：
光刻设备是一种将掩模图案曝光成像到硅片上的设备。已知的光刻设备包括步进重复式和步进扫描式。现有技术中所公开的使用缩减倍率投影物镜的步进光刻机中，该投影物镜的倍率为缩减的，即按I : N的比率将掩模图案通过投影物镜投射于基底上。现有技术中所公开的步进光刻机所使用的工件台，通常采用的结构为粗动结构与微动结构相结合，或者是XY(水平向)运动台与旋转台相结合，甚至是单个的粗动台结构。而现有技术中的光刻机的掩模台均为粗动台。
现有技术中的步进曝光方法为，当基底完成调平和对准后，在工件台上步进至指定位置后，需使该工件台保持一定精度的稳定状态后才能进行曝光。采用传统的缩减倍率的步进投影装置和方法，工件台的步进精度要求很高，并且稳定时间要求很短，为此，整机难度较大，并且产能受稳定时间的严重影响。如专利US2001/0021009、US6287735及US2009/0201475中公开的技术方案内容所
示，上述专利均采用减少工件台质量、简化工件台结构、优化控制方式等方式来改进步进光刻机，但仍然存在步进稳定所需时间长，产率较低的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，提供一种步进光刻设备及光刻曝光方法，能有效减少步进稳定时间，进一步减少曝光所需总时间，使光刻设备的产率提闻。为了实现上述发明目的，本发明公开一种步进光刻设备，包括一照明单元，用于提供曝光光束；一工件台，用于支撑一基底在大行程范围内进行六自由度运动；一掩模台，用于支撑一掩模在曝光时候在小行程范围内相对所述工件台同步运动；一投影物镜，用于将掩模上图形按预定比例投射至基底；其特征在于，所述工件台依次步进至曝光场后，所述掩模台同步运动至所述工件台对应的位置并同时曝光。更进一步地，该投影物镜的投影倍率为I : 5。更进一步地,该掩模台的步进行程小于30mm,该工件台的步进行程大于30mm。更进一步地，该步进光刻设备还包括一位置测量系统。更进一步地，该工件台的水平向运动装置为H型结构，垂向运动装置为凸轮结构。更进一步地，该掩模台的水平向运动装置为洛仑兹电机，垂向运动装置为簧片机构。更进一步地，该位置测量系统采用激光干涉仪或编码尺。更进一步地,该掩模台同步运动至该工件台对应的XY和Rz位置。
本发明同时公开一种使用上述步进光刻设备的光刻曝光方法，其特征在于，步骤一、进行曝光前准备工作；步骤二、工件台步进至第一曝光场后，掩模台同步运动至该工件台对应的位置并同时曝光；步骤三、判断是否已经完成全部曝光场的曝光，如果判断结果是“否”，则返回步骤二 ；如果判断结果是“是”，则曝光结束。该步骤一包括上掩模，上基底，对所述基底实现全场对准。与现有技术相比较，本发明将现有技术中的工件台微动台转移为掩模台微动结构，使整机难度降低。此外，采用本发明装置工作时候，工件台粗动到曝光区域附近时，含微动结构的掩模台立即动态跟踪工件台位置，由于在小范围内的高频跟踪类似于扫描光刻机，此时可以同时曝光，因此，采用本装置与方法不需要像传统步进光刻机结构那样，掩模台不动，而工件台步进必须位置稳定到指定精度内才可以曝光，所以说，采用本装置与方法，步进稳定时间显著减少，曝光总时间相应变少，产率相应变高。
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。图I是本发明所涉及的步进光刻设备的结构示意图；图2是步进光刻设备的工件台的俯视图；图3是步进光刻设备的工件台的侧视图；图4是步进光刻设备的掩模台的俯视图；图5是步进光刻设备的掩模台的侧视图；图6是步进光刻设备的位置测量系统的结构示意图；图7是该光刻曝光方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的步进光刻设备及光刻曝光方法。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X轴或X向”一词主要指于水平向平行的坐标轴或方向；“Y轴或Y向”一词主要指与水平向平行同时与X轴垂直的坐标轴或方向；“ζ轴或Z向” 一词主要指与X轴Y轴均垂直的坐标轴或方向；“Rx轴”一词主要指绕X轴旋转的方向；“Ry轴”一词主要指绕Y轴旋转的方向；“Rz轴”一词主要指绕Z轴旋转的方向。请参见图I,图I是本发明所涉及的步进光刻设备的结构示意图。如图I中所示，该步进光刻设备包括照明系统1，掩模台2，及放置于掩模台2之上的掩模9，投影物镜6，工件台4及放置于工件台4之上的基底7，以及整体框架5和位置测量系统3。本装置实施例中，照明系统I采用汞灯照明，提供i线或gh线或ghi线曝光，形成常规照明。投影物镜6采用I : M(M> I)的缩减式物镜，优选地采用I : 5的缩减式物镜。在本发明中，工件台4采用粗动结构并放置于整机框架5之间。掩模台2采用微动结构并放置于整机框架之上。基底7通过粗动台4依次步进到各曝光场，掩模9在基底7步进到指定曝光区域附近时，通过掩模微动台2动态跟踪工件台的振动，在动态跟踪的同时进行曝光。其中工件台4和掩模台2位置信息通过精密测量系统3测量。本发明所涉及的步进光刻设备在工作时，工件台4粗动到曝光区域附近时，含微动结构的掩模台2立即动态跟踪工件台4位置，由于在小范围内的高频跟踪类似于扫描光刻机，此时可以同时曝光，因此，采用本装置与方法不需要像传统步进光刻机结构那样，掩模台不动，而工件台步进必须位置稳定到指定精度内才可以曝光。工件台4的详细结构请参见图2和图3，其中图2是步进光刻设备的工件台的俯视图，图3工件台的侧视图。工件台4是一个六自由度运动机构，即工件台可以满足X、Y、Z、Rx> Ry、Rz六个方向的运动。其中，水平向采用H型架构直驱结构控制X、Y轴长行程运动，·Rz轴根据H型的兼容型接口来设计，水平三轴测量采用干涉仪测量进行控制。垂向采用凸轮机构46实现Z、Rx, Ry轴的运动控制，采用编码器测量。工件台4水平向架构采用H型的驱动方案包括X驱动方向和Y驱动方向。X驱动方向包括两个X向导轨41。两个电机磁铁定子43和导轨41装配体安装于工件台支撑框架上，X电机动子402与Y向横梁导轨固连，提供X向和Rz向运动。Y向驱动包括一个Y向导轨45，Y向电机定子安装于Y向横梁导轨之上，动子安装于曝光台框架上。横梁导轨中间采用躺式直线电机。H型滑块采用双导轨气浮导向，左侧导轨为平导轨配置2个垂向气浮垫47 (真空预紧)，只提供垂向支撑和导向，水平方向为自由。右侧导轨为二维导轨49，约束Y向和Z向，可采用U型高刚性气浮滑块，左右两侧各两个气浮垫，互为预紧，垂向采用两个气浮垫(真空预紧)。本发明同时提供了工件台4的第二技术方案，即将右侧导轨采用硅钢导轨，采用磁预紧，气浮滑块采用2个垂向和单侧Rz气浮垫。Rz气浮垫与Y向导轨之间可采用柔性块连接。横梁Y导轨两侧各2个X向气浮垫，抵抗Y向运动的冲击力和Rz的转矩，压缩气体互为预紧。微动框架底部采用高刚度气足401设计，由大理石台作导向平面，总计可用到12个气浮垫和I个气足。工件台4的垂向运动机构除了音圈电机直驱方案，还采用传统的凸轮机构46驱动。掩模台2的详细结构请参见图4和图5，其中图4是步进光刻设备的掩模台的俯视图，图5掩模台的侧视图。掩模台2的水平微动电机采用了三个洛伦兹电机驱动，包括用于提供X方向的洛伦兹电机SSZX，用于提供Y方向的洛伦兹电机SSYl和SSY2。掩模台4的下表面采用气浮导向设计，由大理石26作平面导向。掩模台4安装Χ、Υ向两块平面反射镜22、21，兼容支持5寸、6寸掩模。掩模台4无工位切换机构，提供掩模版交接接口，上版精度由微动音圈电机实现X、Y、RZ三自由度的精度指标和行程补偿。掩模版通过真空被吸附在吸版台25上，吸版台25采用凸台设计。掩模台4垂向执行器23采用簧片机构采用三个垂向支撑簧片连接大理石26和掩模台框架，具有垂向高刚度，水平低刚度。簧片与大理石26之间有柔性铰链，解开Rx和Ry向的耦合。本装置实施例中，所采用的位置测量系统如图6，水平向XYRz等采用激光干涉仪测量，而Z向采用内置的编码尺测量。除了掩模台2上设置X向平面反射镜22、Υ向平面反射镜21外，工件台4上同样设置了 X向平面反射镜42、Υ向平面反射镜44外.平面反射镜反射激光干涉仪出射的激光，用于水平向XYRz测量。使用本发明所公开的步进光刻设备的工作流程要点是工件台通过粗动台依次步进到各曝光场，掩模台在工件台步进到指定曝光区域附近时，通过掩模台微动结构动态跟踪工件台的振动，在动态跟踪的同时进行曝光。如图7中所示，图7是该光刻曝光方法的流程图。在进行光刻曝光之前，首先完成SI曝光前的准备工作，曝光前的准备工作具体包括上掩模S11，上晶片S12，对晶片实现全场对准S13。完成曝光前得准备工作SI后，进入第一次步进曝光S2，具体包括将工件台步进到第一个曝光场位置处S21，然后掩模台动态跟踪工件台微小位置变化S22。在第一次步进曝光S2时，掩模台同步跟踪工件台的运动，在动态跟踪的同时进行曝光。因此步骤S2完成时，曝光S3同时完成。然后进行第二次步进曝光S4，第二次步进曝光S4的步骤和第一次步进曝光S2完全一致，包括将工件台步进到第二个曝光场位置处S41，然后掩模台动态跟踪工件台微小位置变化S42。完成曝光S5后，判断是否全部曝光场被曝光S6，如果判断结果是否，则重新进入步骤S3，如果判断结果是是，则光刻曝光结束，下晶片或换晶片S7。本实施例的一个优选技术方案为掩模台只跟踪工件台的 XY和Rz，这样是为了进一步降低系统的复杂性。本发明所定义的工件台和掩模台都是可在曝光的同时同步运动，所述粗动结构和微动结构的主要区别包括其一，前者的XY向的行程比较大，比如都大于30mm，而后者的行程比较小；其二，前者的定位精度(在晶片面或在晶片面投影)一般比后者低。本发明装置和传统的步进光刻机的掩模台不存在曝光同时可动态运动的微动结构，而是简单的锁进结构或其它静态结构；此外，传统光刻机的工件台一般包含粗动台和微动台(或XY台与旋转台，只有极少数为只用H型的粗动结构)。此外，本发明方法和传统步进机的显著不同是，本发明在曝光的同时，掩模台同步跟踪工件台的运动。而传统步进光刻机的掩模台是不跟踪工件台运动的。因为本发明工件台只有粗动结构，所以本发明工件台方案比传统工件台采用的粗动台加微动台结构(或XY台加Rz台)更简单；同时，因为物镜为I : 5缩减式物镜，所以掩模台水平XY向误差比在工件台的精度要求放松了 5倍，而垂向Z向的定位误差被放松到25倍，因此本装置中掩模台和工件台组成的系统比传统工件台采用粗动+微动结构而掩模台曝光时固定的结构更为简单。也就是说，本方案将传统步进光刻机的工件台的微动台转移到掩模台上，整机难度被大幅度降低。采用本发明装置工作时候，可以和传统步进光刻机不一样，即在工件台粗动到曝光区域的时候，掩模台通过微动结构动态跟踪工件台位置，不需要工件台位置完全稳定即可曝光，因此全晶片曝光总时间变少，产率变高。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。
权利要求
1.一种步进光刻设备，包括 一照明单元，用于提供曝光光束； 一工件台，用于支撑一基底在大行程范围内进行六自由度运动； 一掩模台，用于支撑一掩模在曝光时候在小行程范围内相对所述工件台同步运动； 一投影物镜，用于将掩模上图形按预定比例投射至基底； 其特征在于，所述工件台依次步进至曝光场后，所述掩模台同步运动至所述工件台对应的位置并同时曝光。
2.如权利要求I所述的步进光刻设备，其特征在于，所述投影物镜的投影倍率为I 5。
3.如权利要求I所述的步进光刻设备，其特征在于，所述掩模台的步进行程小于30mm,所述工件台的步进行程大于30mm。
4.如权利要求I所述的步进光刻设备，其特征在于，所述步进光刻设备还包括一位置测量系统。
5.如权利要求I所述的步进光刻设备，其特征在于，所述工件台的水平向运动装置为H型结构，垂向运动装置为凸轮结构。
6.如权利要求I所述的步进光刻设备，其特征在于，所述掩模台的水平向运动装置为洛仑兹电机，垂向运动装置为簧片机构。
7.如权利要求4所述的步进光刻设备，其特征在于，所述位置测量系统采用激光干涉仪或编码尺。
8.如权利要求I所述的步进光刻设备，其特征在于，所述掩模台同步运动至所述工件台对应的XY和Rz位置。
9.一种使用如权利要求I至8任一项所述的步进光刻设备的光刻曝光方法，其特征在于， 步骤一、进行曝光前准备工作； 步骤二、工件台步进至第一曝光场后，掩模台同步运动至所述工件台对应的位置并同时曝光； 步骤三、判断是否已经完成全部曝光场的曝光，如果判断结果是“否”，则返回步骤二 ； 如果判断结果是“是”，则曝光结束。
10.如权利要求9所述的光刻曝光方法，其特征在于，所述步骤一包括上掩模，上基底，对所述基底实现全场对准。
全文摘要
本发明公开一种步进光刻设备，包括一照明单元，用于提供曝光光束；一工件台，用于支撑一基底在大行程范围内进行六自由度运动；一掩模台，用于支撑一掩模在曝光时候在小行程范围内相对所述工件台同步运动；一投影物镜，用于将掩模上图形按预定比例投射至基底；其特征在于，所述工件台依次步进至曝光场后，所述掩模台同步运动至所述工件台对应的位置并同时曝光。本发明同时公开一种该步进光刻设备的光刻曝光方法。
文档编号G03F7/20GK102955368SQ20111024179
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者陈勇辉, 吴立伟, 张俊 申请人:上海微电子装备有限公司