光刻系统和光刻方法与流程
本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及用于制造半导体器件的光刻系统和光刻方法。
背景技术
光刻技术是半导体制造技术的基础工艺，被广泛引用在半导体制造中，因此光刻技术的进展直接决定着半导体制造技术的发展水平。光刻过程的基本步骤包括：将光刻胶涂布在衬底上形成光刻胶膜；用掩膜板作为遮光罩对衬底上的光刻胶进行曝光；显影并去除一部分光刻胶，从而将掩膜板上的图案转移到光刻胶上；利用光刻胶作为掩膜对衬底进行刻蚀；将剩余的光刻胶去除。在以上基本步骤中，曝光的步骤是关键的步骤之一。随着例如半导体的临界尺寸(cd)越来越小，对于光刻技术的曝光的分辨率和临界尺寸等的要求也越来越高，光刻系统的焦深越来越浅，并且光刻的公共工艺窗口也越来越狭窄。
技术实现要素：
本公开的一个目的是提供一种光刻系统和光刻方法，能够例如提高改善的光刻工艺。
根据本公开的第一方面，提供了一种光刻系统，包括：光源，被配置为提供光；掩膜板，具有预定图案并被配置为基于预定图案遮挡光的至少一部分；透镜，被配置为用经遮挡的光投影出预定图案的像；和衬底台，被配置为支撑衬底，并使得预定图案的像被投影到衬底上的光刻胶中。预定图案至少包括第一图案和第二图案，第一图案和第二图案能够分别被透镜投影并且在被投影时具有不同的像距，并且衬底台被配置为在透镜的光轴方向上移动衬底，使得第一图案的像在光刻胶中的深度与第二图案的像在光刻胶中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。
根据本公开的第二方面，提供了一种光刻方法，包括以下步骤：用光照射掩膜板上的第一图案并用透镜将第一图案投影到衬底上的光刻胶中以形成第一图案的像，以及用光照射掩膜板上的第二图案并用透镜将第二图案投影到衬底上的光刻胶中以形成第二图案的像，并且在用光照射第一图案的步骤和用光照射第二图案的步骤之间，还包括以下步骤：根据第一图案和第二图案在被透镜投影时各自的像距，在透镜的光轴方向上移动支撑衬底的衬底台，使得在第一图案被投影时第一图案的像在光刻胶中的深度与在第二图案被投影时第二图案的像在光刻胶中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。
根据本公开的实施例的一个优点在于，提供了一种能够提供改善的光刻工艺的光刻系统和光刻方法。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是示意性地示出根据本公开的实施例的光刻系统的示图。
图2是示意性地示出了掩膜板上的图案投影到光刻胶中的像的像平面和焦深的视图。
图3是示意性地示出由掩膜板上的图案的厚度引起像距变化的原理图。
图4是示意性地示出由掩膜板上的图案的线条尺寸引起像距变化的原理的示意图。
图5是示意性地示出由衬底台在透镜的光轴方向上移动衬底的另一个方式的示意图。
图6是示意性地示出根据本公开的实施例的光刻方法的流程的示图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
如图1所示，其示意性地示出根据本公开的实施例的光刻系统10的示图。如图所示，光刻系统10包括光源1、掩膜板2、透镜3和衬底台4。光源1被配置为提供用于对衬底进行曝光的光。光源1可以是本领域技术人员已知的各种光源，例如，高压汞灯、受激准分子激光器(例如，krf准分子激光器、arf准分子激光器和f2准分子激光器)、x射线发射器、电子束发射器、离子束发射器等。另外，随着光刻工艺的发展，来自光源1的光的波长越来越短，以满足越来越高的光刻分辨率的要求。例如，光的波长可以处于紫外波段、深紫外波段、极紫外波段等。此外，来自光源1的光的强度和稳定性等参数可以满足对衬底进行曝光的要求。
掩膜板2包括基底和基底上用于形成预定图案的遮光材料。来自光源1的光入射到掩膜板2上，并且掩膜板2基于预定图案遮挡光的至少一部分。经遮挡的光之后被透镜3投影到衬底5上的光刻胶6中。图1中示出的是透射式投影光刻系统。在该透射式投影光刻系统中，来自光源1的光透射通过掩膜板2，使得掩膜板上的预定图案遮挡光的至少一部分，来产生经遮挡的光。透射式投影光刻系统的掩膜板2使用透明的基底，一般是玻璃，包括钠钙玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃等。然而，本领域技术人员可以明白，在本公开的一个或多个实施例中也可以使用反射式投影光学系统。在该反射式投影光刻系统中，来自光源的光由掩膜板的基底反射并且不被遮光材料反射，来产生经遮挡的光。反射式投影光刻系统的掩膜板使用反射式基底，包括例如各种金属等。基底上的遮光材料包括金属(例如铬)和金属氧化物(例如氧化铁)等。遮光材料通过溅射、蒸发等方式沉积到基底上，从而形成预定图案。
透镜3用于对来自光源1并经遮挡的光(即，透过掩膜板2的光)进行投影，来投影出预定图案的像。在一个或多个实施例中，透镜3可以是多个透镜组成的透镜组。透镜3具有光轴31，并且投影出的预定图案的像(像平面)在光轴上距离透镜的光学中心的距离被定义为像距。通过透镜3投影，可以对掩膜板上的预定图案进行缩放。也就是说，形成衬底上的预定图案的像可以是按照掩膜板上的预定图案放大或缩小的。在本公开的一个实施例中，例如，衬底上的预定图案的像的长度可以是掩膜板上的预定图案的长度的1/4，即，面积的1/16。通过用投影透镜缩小掩膜板上的预定图案，例如可以增加掩膜板上的图案的尺寸，降低掩膜板的制作难度。
衬底台4用于支撑衬底5，并使得预定图案的像被投影到衬底5上的光刻胶6中。衬底台4可以在透镜3的光轴31方向上移动，以改变衬底5和光刻胶6在光轴31的方向上的位置。
在根据本公开的实施例中，衬底5上的预定图案至少包括第一图案和第二图案。第一图案和第二图案能够分别被透镜3投影，并且在被投影时具有不同的像距。也就是说，第一图案的像和第二图案的像(像平面)在光轴31上距离透镜的光学中心的距离不同，并且因此第一图案的像(像平面)和第二图案的像(像平面)在光轴上不重合。参照图1，第一图案的成像光由数字8表示，而第二图案的成像光由数字9表示，并且第一图案的像所在的像平面为i1，第二图案的像所在的像平面为i2。如图1所示，像平面i1和像平面i2不重合并且距透镜3的光学中心的距离不同，即，第一图案的像和第二图案的像具有不同的像距。对于由预定图案所形成的每个图像来说，除了在像平面处获得了最清晰的图像之外，在焦深(dof)的范围内都可以获得良好的分辨率。如图2所示，焦深22指的是在像平面21的前后一定区域内，能够获得具有良好分辨率的像的焦点范围。在光刻工艺领域，当焦深的范围落在光刻胶中时，就能对光刻胶进行曝光处理，所以焦深的范围也就是光刻的工艺窗口。由于第一图案的像和第二图案的像不重合，所以二者的焦深的范围也不相同，工艺窗口不相同，并且焦深的重叠的区域为光刻工艺的公共工艺窗口。公共工艺窗口越大，光刻工艺的容忍度就越高。然而，由于第一图案的像和第二图案的像具有不同的像距，因此第一图案和第二图案的工艺窗口的重叠范围较小，公共工艺窗口较小，从而减小了光刻工艺的容忍度。
根据本公开的一个或多个实施例，衬底台4能够在透镜3的光轴方向上移动衬底5，使得第一图案的像在光刻胶6中的深度与第二图案的像在光刻胶6中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。即，缩小了第一图案的像和第二图案的像在光刻胶6中的距离，从而增加了第一图案和第二图案的工艺窗口的重叠范围，扩大了公共工艺窗口，从而增加了了光刻工艺的容忍度。在一些情况下，第一图案的像和第二图案的像在光刻胶6中的深度可以相同，此时两个图案的工艺窗口完全重叠，可以获得最大的公共工艺窗口。
作为一个具体实施方式，在光刻过程中，首先用光照射第一图案并将第一图案投影到衬底5上的光刻胶6中以形成第一图案的像，之后再用光照射第二图案并将第二图案投影到衬底5上的光刻胶6中以形成第二图案的像。在用光照射第一图案的步骤和用光照射第二图案的步骤之间，根据第一图案和第二图案在被投影时各自的像距，在透镜的光轴方向上移动支撑衬底5的衬底台4，使得第二图案的像在光刻胶6中的深度接近或等于第一图案的像在光刻胶中6的深度，从而使得第一图案的像在光刻胶6中的深度与第二图案的像在光刻胶6中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。
在本公开中以掩膜板上的预定图案中的第一图案和第二图案为例进行了说明，但是本领域技术人员也可以明白，除了第一图案和第二图案之外，预定图案还可以包括其他多个图案，并且每个图案在被透镜投影时都可以具有对应的像距。衬底台能够根据各个图案的像距来在透镜的光轴方向上移动衬底，使得各个图案的像在衬底上的光刻胶中的位置彼此接近，从而扩大光刻工艺的公共工艺窗口。
第一图案和第二图案虽然形成在同一个掩膜板中，但是由于各种因素，第一图案和第二图案在被透镜6投影时可能具有不同的像距。在下文中对于引起第一图案和第二图案的像距差异的因素进行举例说明。
如上所述，掩膜板2包括基底和基底上用于形成预定图案的遮光材料。为了形成预定图案，遮光材料被沉积在基底上并具有一定厚度。考虑到预定图案的形状、遮光材料的沉积工艺等，在基地上的整个预定图案中，所沉积的遮光材料的厚度可能是不均匀的。因此，遮光材料的厚度不同可以导致图案在透镜的光轴上的位置发生改变。例如，更厚的遮光材料使得图案更加靠近透镜，从而减小了物距，并且相应地，更薄的遮光材料使得图案更加远离透镜，从而增加了物距。图3是示意性地示出由掩膜板上的图案的厚度引起像距变化的原理图。如图3所示，由于第一图案和第二图案的厚度不同，第一图案31和第二图案32在透镜的光轴上的位置不同，从而使得二者的物距不同。进一步地，由于物距的不同，导致在通过透镜33成像时，第一图案31的像34的像距和第二图案32的像35的像距不同。另外，请注意图3仅仅是表示由掩膜板上的图案的厚度引起像距变化的原理图，在本公开的光刻设备中实际的投影光路不一定与图3的光路相同。
另外，掩膜板2上的图案的线条尺寸也会引起像距的改变。随着掩膜板上的图案的线条尺寸的减小，衍射效应越来越明显，并且衍射级的衍射角等随着线条尺寸的改变而改变。在本公开的实施例中，线条尺寸包括线条宽度、线条间隔、线条周期等。对于一个图案来说，由于衍射效应，第0级衍射光与±1级衍射光之间的衍射角随着衍射狭缝的宽度而改变。根据衍射公式，±1级衍射光的衍射角的计算公式为
根据本公开，衬底台4可以通过多种方式来在透镜的光轴方向上移动衬底5。在本公开的一个或多个实施例中，衬底台4垂直于透镜的光轴方向延伸，并且被配置为能够沿透镜的光轴方向移动。也就是说，衬底台4的支撑表面与透镜的光轴方向垂直。例如，当透镜的光轴方向为竖直方向时，衬底台4沿水平方向延伸，并且衬底台的支撑表面为水平表面。在该实施例中，如图1所示，衬底台4沿上下箭头所示方向移动，来实现在透镜的光轴方向上移动衬底。另外，图5是示意性地示出由衬底台在透镜的光轴方向上移动衬底的另一个方式的示意图。如图5所示，在本公开的一个或多个实施例中，衬底台4相对于透镜的光轴方向倾斜延伸，并且被配置为能够沿倾斜方向移动。也就是说，衬底台4的支撑表面相对于透镜的光轴方向倾斜。例如，当透镜的光轴方向为竖直方向时，衬底台4相对于竖直方向和水平方向倾斜，衬底台的支撑表面为相对于水平面倾斜的表面。在该实施例中，衬底台4沿图5中的箭头所示方向移动，来实现在透镜的光轴方向上移动衬底。在该实施例中，如果需要，可以在衬底台4移动的同时，在与透镜的光轴垂直的方向上移动光源、掩膜板和透镜中的一个或多个，以在期望的位置用期望的图案对衬底进行曝光。
在本公开的一个或多个实施例中，还可以使用像距确定设备来确定掩膜板上的包括第一图案和第二图案的预定图案的像距。例如，像距确定设备可以包括用来测量制作完成的掩膜板的表面形貌的任何设备。掩膜板的表面形貌包括掩膜板上的各个图案的厚度和线条尺寸中的至少一个。根据所测量的表面形貌，可以借助计算机来通过建模等计算出各个图案的像距。另外，除了直接测量制作完成的掩膜板的表面形貌之外，甚至还可以在制作掩膜板之前，根据掩膜板的设计图直接获得掩膜板上的各个图案的线条尺寸等。另外，像距确定设备还可以在利用掩膜板上的各个图案分别进行曝光时，实时检测图案的像的位置、图案的像在光刻胶中的聚焦状态等，来确定对应图案的像距。所确定的各个图案的像距可以被例如存储在存储器中，并且在下一次使用该掩膜板进行曝光处理时直接从存储器中读出并使用。
图6是示意性地示出根据本公开的实施例的光刻方法的流程的示图。首先，在步骤s1中，用光照射掩膜板上的第一图案并用透镜将第一图案投影到衬底上的光刻胶中以形成第一图案的像。在这个步骤中，衬底台4调整衬底5的高度，使得第一图案的像形成在光刻胶6中的适当位置。之后，在步骤s2中，根据第一图案和第二图案在被透镜投影时各自的像距，在透镜的光轴方向上移动支撑衬底的衬底台，使得在第一图案被投影时第一图案的像在光刻胶中的深度与在第二图案被投影时第二图案的像在光刻胶中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。具体来说，在这个步骤中，衬底台4调整衬底5的高度，使得在接下来的步骤s3中第二图案的像在光刻胶6中的深度接近或等于步骤s1中第一图案的像在光刻胶6中的深度，从而相比于第一图案与第二图案的像距之差缩小了第一图案和第二图案的像相对于光刻胶的距离。之后，在步骤s3中，用光照射掩膜板上的第二图案并用透镜将第二图案投影到衬底上的光刻胶中以形成第二图案的像。接下来，可以用于预定图案中的其它图案代替第二图案，重复执行步骤s2和s3，直到完成掩膜板上的所需图案的曝光为止。
在根据本公开的光刻方法中，还可以包括确定掩膜板上的至少第一图案和第二图案在被透镜投影时各自的像距的步骤。如上文讨论的，该步骤可以例如在制作掩膜板之前进行、在利用掩膜板进行曝光之前进行、在用掩膜板的各个图案进行曝光时分别实时进行。在本公开的一个或多个实施例中，确定掩膜板上的至少第一图案和第二图案的像距的步骤包括确定第一图案和第二图案的形貌和基于第一图案和第二图案的形貌来确定第一图案与第二图案在被投影时的像距。第一图案和第二图案的形貌包括第一图案和第二图案的厚度和线条尺寸中的至少一个。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
另外，本公开的实施例还可以包括以下示例
1、一种光刻系统，其特征在于包括：
光源，被配置为提供光；
掩膜板，具有预定图案并被配置为基于预定图案遮挡光的至少一部分；
透镜，被配置为用经遮挡的光投影出预定图案的像；和
衬底台，被配置为支撑衬底，并使得预定图案的像被投影到衬底上的光刻胶中，
其中，预定图案至少包括第一图案和第二图案，第一图案和第二图案能够分别被透镜投影并且在被投影时具有不同的像距，并且
衬底台被配置为在透镜的光轴方向上移动衬底，使得第一图案的像在光刻胶中的深度与第二图案的像在光刻胶中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。
2、根据项目1所述的光刻系统，其特征在于，第一图案和第二图案具有不同的厚度。
3、根据项目1所述的光刻系统，其特征在于，第一图案和第二图案具有不同的线条尺寸。
4、根据项目1所述的光刻系统，其特征在于，衬底台垂直于透镜的光轴方向延伸，并且被配置为能够沿透镜的光轴方向移动。
5、根据项目1所述的光刻系统，其特征在于，衬底台相对于透镜的光轴方向倾斜延伸，并且被配置为能够沿倾斜方向移动。
6、根据项目1所述的光刻系统，其特征在于还包括像距确定设备，用于确定至少第一图案和第二图案在被投影时的像距。
7、根据项目6所述的光刻系统，其特征在于，像距确定设备确定第一图案和第二图案的形貌，并基于所确定的形貌来确定第一图案和第二图案在被投影时的像距。
8、根据项目7所述的光刻系统，其特征在于，第一图案和第二图案的形貌至少第一图案和第二图案的厚度和线条尺寸中的至少一个。
9、一种光刻方法，其特征在于包括以下步骤：
用光照射掩膜板上的第一图案并用透镜将第一图案投影到衬底上的光刻胶中以形成第一图案的像，
用光照射掩膜板上的第二图案并用透镜将第二图案投影到衬底上的光刻胶中以形成第二图案的像，
其中，在用光照射第一图案的步骤和用光照射第二图案的步骤之间，还包括以下步骤：
根据第一图案和第二图案在被透镜投影时各自的像距，在透镜的光轴方向上移动支撑衬底的衬底台，使得在第一图案被投影时第一图案的像在光刻胶中的深度与在第二图案被投影时第二图案的像在光刻胶中的深度之差小于第一图案与第二图案的像距之差。
10、根据项目9所述的光刻方法，其特征在于，第一图案和第二图案具有不同的厚度。
11、根据项目9所述的光刻方法，其特征在于，第一图案和第二图案具有不同的线条尺寸。
12、根据项目9所述的光刻方法，其特征在于，衬底台垂直于透镜的光轴方向延伸，并且在透镜的光轴方向上移动支撑衬底的衬底台的步骤包括沿透镜的光轴方向移动衬底台。
13、根据项目9所述的光刻方法，其特征在于，衬底台相对于透镜的光轴方向倾斜延伸，并且在透镜的光轴方向上移动支撑衬底的衬底台的步骤包括沿倾斜方向移动衬底台。
14、根据项目9所述的光刻方法，其特征在于还包括：
确定掩膜板上的至少第一图案和第二图案在被透镜投影时各自的像距。
15、根据项目14所述的光刻方法，其特征在于，确定掩膜板上的至少第一图案和第二图案的像距的步骤包括：
确定第一图案和第二图案的形貌，和
基于第一图案和第二图案的形貌来确定第一图案与第二图案在被投影时的像距。
16、根据项目15所述的光刻方法，其特征在于，第一图案和第二图案的形貌包括第一图案和第二图案的厚度和线条尺寸中的至少一个。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
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