亚纳米级高精度光刻写场拼接方法、所用光刻机系统、晶圆及电子束漂移的测定方法技术方案

一种亚纳米级高精度光刻写场拼接方法、所用光刻机系统、晶圆及电子束漂移的测定方法。在待光刻的晶圆表面上涂有光敏胶层。光敏胶层表面曝光后，其曝光图形会产生微小的凹凸结构。用纳米触点传感器可以识别这些凹凸结构图形并用其作为原位对准坐标标识。通过对曝光前后，晶圆移动前后，写场的位置坐标比较，计算出拼接的偏差，以负反馈控制方式进行晶圆的高精度光刻拼接，克服了现有非原位、远离写场、盲人式开环光刻拼接技术受晶圆工作台机械运动精度、电子束长时间漂移的影响而拼接精度差的缺陷，突破了现有技术严重依赖光刻机系统晶圆工作台数控精度的瓶颈，提供了一种新型的可达亚纳米级精度的光刻写场拼接方法、电子束漂移测定方法、光刻机系统及晶圆。

【技术实现步骤摘要】
亚纳米级高精度光刻写场拼接方法、所用光刻机系统、晶圆及电子束漂移的测定方法
本专利技术涉及集成电路、光电器件等生产技术中的光刻技术，具体涉及用于定位电子束(此处电子束泛指电子束、光子束、离子束或原子束)光刻在图形横向和/或纵向拼接中的精确对准技术，所配用的光刻机系统及晶圆。特别是一种基于电子束光刻系统中写场拼接的空间原位闭环控制技术的亚纳米级高精度光刻写场拼接方法、光刻机系统及预处理晶圆。
技术介绍
微电子学和光电子学的发展引起了集成电路芯片、集成光学以及量子计算产业的高速发展。这些产业成为现代计算机、显示屏乃至整个信息工业核心器件和芯片的基础。当前，现代芯片工业的技术节点已经达到了5纳米甚至更小。制造芯片这样的微器件和纳米器件，离不开光刻技术。光刻技术包括电子束光刻技术、普通光学光刻技术，EUV极紫外光刻技术，离子束光刻技术，以及扫描探针光刻技术等。借助这些关键光刻技术才能制造出精细的光刻图形以至包罗万象的微纳米器件结构包括集成电路芯片和光电集成芯片。当今时代，多掩膜版图形技术在推动半导体工业在大大提高集成电路的集成度的同时，也增加了芯片制造的复杂程度。一个28纳米技术节点的芯片需要40至50块(长宽比如为20毫米)的掩膜版。由此计算，一个14纳米技术节点，10纳米技术节点的芯片需要60块(长宽比如为20毫米)的掩膜版，而一个7纳米技术节点甚至更小尺寸的芯片需要的掩膜版更是多至80至85块掩膜版，5纳米技术节点更是需要100块掩膜版和120道光刻工序！解决光刻中拼接对准误差精度的问题以及这些掩膜版之间对准的一致性问题始终是针对大晶圆尺寸和芯片尺寸的模板制作的一大难题，这就需要更精确(甚至小于1纳米以下)的芯片光刻制造工艺，当前全世界还没有这么高精度的光刻制造技术。现有技术中的电子束光刻机系统(EBL)是一种广泛应用于科研，样品制作，科研和工业模板制作和生产的纳米级光刻技术。这种电子束光刻系统只有一个有限的写场用于曝光，所以大的图形必须分成很多个相互相邻的写场并且由晶圆工作台的移动来分别逐一写场进行曝光，将这些一个挨着一个的写场偏离完美对准拼接是理想的要求，但实际上由于机械运动和电子束漂移而不可能没有误差，且误差不小而难以克服，这个误差就称为拼接误差。这里所指晶圆不仅仅是指晶圆，也包括部分晶圆以及非晶圆类样品。光刻前，在晶圆上涂布有一层平整的光敏胶层，其表面没有任何其它结构。通过将电子束基于预设的图形在光敏胶层层面上扫描曝光会使光敏胶层产生化学反应。光敏胶层层面上被曝光的图形部分通过化学显影将会被保留下来或者被除去，由此电子束曝光的图形转移成光敏胶层的图形，并最终通过刻蚀转移到晶圆上。由于缺少原位的反馈信息(这里所谓原位指的是电子束扫描写场以内的坐标位置)，传统的电子束光刻是一个开环控制的“盲人操作”，即一旦涂布光敏胶层以后，电子束就扫描不了晶圆表面了，因为电子束扫描就意味着晶圆上面光敏胶层的曝光。被曝光的位置只有在光敏胶层显影以后在异位的情况下才能观察到，这个导致光刻过程的任何改进都太晚了而且是不可逆了。写场图形的拼接质量无法在曝光前事先测得并反馈给工作台作进一步移动修正对准。再者，晶圆工作台的机械动作太慢，难以适应电子束的漂移，无法克服由此产生的误差。因此，如何能在整个所需图形的光刻曝光过程中找到一种可以原位测量和校准对准误差的办法是当今光刻技术提高进一步提高精度水平的途径，但时下还没有人找到这样一个方法，当然也没有用于实施该方法的光刻机系统。为便于更充分的公开和易于理解后面本专利技术要努力解决的技术问题，在描述本专利技术的技术方案和具体实施例之前，以下先介绍一下有助于充分说明和便于公众理解的技术术语和作用原理。本专利技术中所述的电子束可以是高斯束，也可以是变形束。如果没有专门的描述，以下的电子束是指高斯型电子束，如果变形束束斑不大的话，也可以是变形束。附图1原理性地示意了高斯束的曝光过程。高斯型电子束聚焦到光敏胶层的表面并进行曝光。电子束的坐标是指电子束瞄准的光敏胶层表面位置所在的坐标。电子束的坐标是通过电子束在光敏胶层表面曝光的位置来体现的。为了记录下准确的电子束坐标，这里定义几个特殊的坐标：电子束刚刚曝光的光敏胶层上的坐标为CPJE，电子束已经瞄准但还没有曝光的坐标为CPTE。两个坐标都有一个特点，即电子束坐标被“叮”在光敏胶层表面位置的坐标上。对于电子束光刻机系统，晶圆工作台的移动带来的误差是可以由电子束的偏转来调节补偿的。而寻找误差的方法是通过晶圆上的对准标记来实现的。通过电子束光刻技术，光刻图形将通过曝光被转移到光敏胶层，然后光刻图形通过刻蚀工艺转移至晶圆。需要注意的是现有技术中，涂布在晶圆上的光敏胶层使得晶圆表面平整化并且没有任何图形结构。晶圆上的光敏胶层形成上表面，这个表面由于“怕光”使得电子束无法在曝光前通过辐照(即是曝光)来作表面成像更无法穿透光敏胶层获得光敏胶层下面的晶圆的图形。再者，光刻机系统曝光是必须同图形的定位精密对准的。尽管这种定位精度受到各种系统本身和环境因素的误差所限制，然而其基本问题是大部分光刻机系统的开环控制问题，即电子束在晶圆上的位置不能在曝光前和曝光期间被观察跟踪到。传统意义上的电子束光刻的对准有本质上的缺陷，对准标记(附图2)远离写场会导致这些对准标记只能通过晶圆工作台的移动来实现电子束光刻写场拼接过程中的间接对准，而不是精确的直接的写场内的原位对准，从而会产生对准误差。精确的原位对准是指电子束在写场内瞄准对准标记的对准。鉴于电子束在曝光区写场内重复定位精度一般小于1纳米，电子束偏转到任何一个曝光区写场内的坐标位置都精确在这个范围内，所谓的原位对准的概念可以扩展到电子束在曝光区写场内对任何一个对准标记的对准都可以看作为原位对准。对于写场之间的拼接对准，为了得到晶圆图形的坐标和电子束的坐标重合就必须使用专门的对准标记。由于电子束对于涂布好光敏胶层的表面不能用电子显微镜的成像功能，以至于无法发现对应于曝光前光敏胶层下面的晶圆图形坐标，所以在晶圆上必须选取写场外特殊的坐标位置来让电子束确定以至对准晶圆图形的位置。电子显微镜随晶圆工作台从写场外远处特殊的坐标位置移动至电子束的照射曝光点的位置，机械运动精度和电子漂移所产生的位置误差就大大限制了当前晶圆写场拼接的精度。大图形电子束光刻大面积图形光刻将电子束图形设计转移到晶圆上去，这些光刻图形能够满足各种应用需求。这些应用则面对着巨大的市场。这些应用包括光学光栅，大面积菲涅尔透镜，集成电路的极紫外光刻掩膜版，分布反馈激光器，半导体激光器阵列，光子晶体，大规模存储器等。其图形的(长度)尺寸可以到10毫米至300毫米以上。由于写场很小，对于大面积光刻，一个写场一次光刻是完成不了的，因此需要很多电子束写场的拼接，拼接误差被积累起来形成严重的系统误差，故对拼接误差精度要求很高。对准标记在不产生被写图形形变的情况下，传统的电子束光刻机系统只能在有限的写场里写出(曝光出)图形。这个写场的尺寸一般在100微米x100微米到1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种亚纳米级高精度光刻写场拼接方法，其特征在于所述方法包含有以下步骤：/n步骤1：在光刻机系统的机体(31)里面，设置好台面(37)，电子显微镜镜筒(32)及其电子枪(372)、晶圆移动工作台(38)及至少一台纳米触点传感器(39)；晶圆工作台(38)上设置好控制其移动的数控驱动装置(371)；在晶圆放入光刻机系统前，在整个晶圆(1)上面涂覆光敏胶层(2)，电子束扫描的范围为曝光区(22)，将曝光区划分成若干个写场，光敏胶层上每个写场内设有特定的在曝光区内曝光后会显露出预定形状的原位对准坐标标识(8、10、18、43、44)；写场依次为第一写场(22-1)、第二写场(22-2)、......、第n写场(22-n)；/n步骤2：将涂有光敏胶层(2)的晶圆(1)放在工作台(38)上，并使晶圆的第一写场(22-1)落入曝光区(22)，让电子显微镜的电子束镜筒(32)垂直正对曝光区(22)，然后使电子束聚焦于该写场；/n步骤3：对处于曝光区(22)内的第一写场(22-1)上的部分晶圆实施曝光，使曝光后该部分晶圆上涂覆的光敏胶发生化学反应引起电子束诱导变化而产生至少一个或一组构成图形的凹凸结构，该凹凸结构的特定形状作为事先预设的原位对准坐标标识的特征形状，将其在曝光区内的特征点的坐标值作为原位对准坐标；/n步骤4：启用纳米触点传感器(39)先测量所述凹凸结构的表面形状，而后对照预设的特定形状识别出上述对准坐标标识，然后确定并记忆其在工作台面上的坐标值(C1L1；C1L2；C1L3；C1R1；C1R2；C1R3)；/n步骤5：进行第二写场的曝光前准备，移动工作台(38)带动晶圆(1)横向和/或纵向移动，从而使刚被曝光的第一写场区(22-1)移出曝光区成为写场22-1′，为随后晶圆的第二写场(22-2)进入曝光区而腾出空间；/n步骤6：启动纳米触点传感器(39)识别出上述移出曝光区的第一写场(22-1′)内的对准坐标标识，确定并记忆其移动后在工作台面上的第一写场位置坐标(C1L1’；C1L2’；C1L3’；C1R1’；C1R2’；C1R3’)；/n步骤7：以移动后的第一写场(22-1′)内的对准坐标标识的数据为闭环反馈控制依据，计算出写场移动前后的实际坐标偏差进而确定电子束下一幅整个曝光区的坐标校正值：/n设与已经移出曝光区的第一写场(22-1′)邻接即将曝光的误差矫正后的第二写场(22-2′)的坐标是C1R1′，即坐标(X...

【技术特征摘要】
1.一种亚纳米级高精度光刻写场拼接方法，其特征在于所述方法包含有以下步骤：
步骤1：在光刻机系统的机体(31)里面，设置好台面(37)，电子显微镜镜筒(32)及其电子枪(372)、晶圆移动工作台(38)及至少一台纳米触点传感器(39)；晶圆工作台(38)上设置好控制其移动的数控驱动装置(371)；在晶圆放入光刻机系统前，在整个晶圆(1)上面涂覆光敏胶层(2)，电子束扫描的范围为曝光区(22)，将曝光区划分成若干个写场，光敏胶层上每个写场内设有特定的在曝光区内曝光后会显露出预定形状的原位对准坐标标识(8、10、18、43、44)；写场依次为第一写场(22-1)、第二写场(22-2)、......、第n写场(22-n)；
步骤2：将涂有光敏胶层(2)的晶圆(1)放在工作台(38)上，并使晶圆的第一写场(22-1)落入曝光区(22)，让电子显微镜的电子束镜筒(32)垂直正对曝光区(22)，然后使电子束聚焦于该写场；
步骤3：对处于曝光区(22)内的第一写场(22-1)上的部分晶圆实施曝光，使曝光后该部分晶圆上涂覆的光敏胶发生化学反应引起电子束诱导变化而产生至少一个或一组构成图形的凹凸结构，该凹凸结构的特定形状作为事先预设的原位对准坐标标识的特征形状，将其在曝光区内的特征点的坐标值作为原位对准坐标；
步骤4：启用纳米触点传感器(39)先测量所述凹凸结构的表面形状，而后对照预设的特定形状识别出上述对准坐标标识，然后确定并记忆其在工作台面上的坐标值(C1L1；C1L2；C1L3；C1R1；C1R2；C1R3)；
步骤5：进行第二写场的曝光前准备，移动工作台(38)带动晶圆(1)横向和/或纵向移动，从而使刚被曝光的第一写场区(22-1)移出曝光区成为写场22-1′，为随后晶圆的第二写场(22-2)进入曝光区而腾出空间；
步骤6：启动纳米触点传感器(39)识别出上述移出曝光区的第一写场(22-1′)内的对准坐标标识，确定并记忆其移动后在工作台面上的第一写场位置坐标(C1L1’；C1L2’；C1L3’；C1R1’；C1R2’；C1R3’)；
步骤7：以移动后的第一写场(22-1′)内的对准坐标标识的数据为闭环反馈控制依据，计算出写场移动前后的实际坐标偏差进而确定电子束下一幅整个曝光区的坐标校正值：
设与已经移出曝光区的第一写场(22-1′)邻接即将曝光的误差矫正后的第二写场(22-2′)的坐标是C1R1′，即坐标(XCiR1′，YC1R1′)，这个也是即将曝光的第二写场(22-2′)需要无缝拼接到移动后的第一写场(22-1′)的新坐标，即：
(XC2L1′，YC2L1′)：XC2L1′＝XC1R1′，YC2L1′＝YC1R1′；
电子束此时正对位于曝光区(22)内的误差矫正以前的第二写场(22-2)的坐标是C2L1，即坐标(XC2L1，YC2L1)，由于该坐标点需要通过对电子束附加偏转电压来贴着已经移动的第一写场(22-1′)的边缘坐标C1R1′对第二写场(22-2)的坐标进行拼接校正曝光，使矫正后的第二写场相关坐标点为C2L1′，C2L1′与C2L1的坐标差为：
ΔX1＝XC2L1′-XC2L1＝XC1R1′-XC2L1
ΔY1＝YC2L1′-YC2L1＝YC1R1′-YC2L1
鉴于第二写场及其坐标(XC2L1，YC2L1)由于工作台还没有移动且还没有曝光是无法获得的，先对电子束在曝光区曝光第一写场和曝光第二写场的曝光区的整体电子束漂移作忽略不计处理，使曝光区内第二写场(22-2)曝光前和校正前的坐标等同于曝光区第一写场(22-1)曝光时的坐标：XC2L1＝XC1L1，YC2L1＝YC1L1，进而使得该坐标可以通过第一写场曝光后工作台移动前光敏胶层表面由于曝光形成的凹凸结构得以测得，从而获得第二写场所有电子束坐标点校正需要补偿的坐标差：
ΔX1＝XC1R1′-XC1L1
ΔY1＝YC1R1′-YC1L1；
步骤8：根据所得的校正需要补偿的坐标差(ΔX1，ΔY1)调整电子束镜筒(32)的偏转电压，校正电子束曝光区使之后续进入曝光区内的晶圆的第二写场(22-2)的拼接坐标(C2L1；C2L2；C2L3；C2R1；C2R2；C2R3；)校正为与移动后的第一写场的相邻的拼接坐标，矫正后的第二写场(22-2′)的拼接坐标与移动后的第一写场而无缝对接。


2.依照权利要求1所述的亚纳米级高精度光刻写场拼接方法，其特征在于还包含有以下步骤：
步骤9：对移置于所述电子束曝光坐标矫正后的曝光区内的第二写场(22-2′)的晶圆部分实施电子束曝光，使曝光后的该部分晶圆上涂覆的光敏胶发生化学反应而显露出所述预设的以特定凹凸结构为特征的该写场内的对准坐标标识；
步骤10：启动纳米触点传感器(39)对照预设的特定形状识别出上述对准坐标标识，确定并记忆其在工作台面上的矫正后的第二写场(22-2′)里特征坐标点的位置坐标(C2L1′；C2L2′；C2L3′；C2R1′；C2R2′；C2R3′)；
步骤11：进行第三写场的曝光前准备，再次移动工作台(38)带动晶圆(1)横向和/或纵向移动，从而使之前移动过的第一写场(22-1′)和刚被曝光的矫正后的第二写场(22-2′)都被移动，让刚被曝光的矫正后的第二写场移出曝光区，通过工作台移动，之前移动过的第一写场(22-1′)的位置坐标产生变化而成为二次移动过的第一写场(22-1′)，位置坐标由(C1Lx′，C1Rx′)变为(C1Lx″，C1Rx″)，矫正后被移出曝光区的第二写场的位置坐标由(C2Lx′，C2Rx′)变为(C2Lx″，C2Rx″)，该第二写场成为移动后的第二写场(22-2″)，为随后晶圆的第三写场(22-3′)移入曝光区腾出空间；
步骤12：再次启动纳米触点传感器(39)识别出上述移出曝光区的第二写场(22-2″)内的对准坐标标识，确定并记忆其在工作台(38)面上的位置坐标(C2L1″；C2L2″；C2L3″；C2R1″；C2R2″；C2R3″)；
步骤13：以移动后的第二写场内的对准坐标标识的数据为闭环反馈控制依据，计算出移动前后的实际坐标的偏差进而确定电子束下一幅曝光区的写场的校正值ΔX2和ΔY2：
设与已经移出曝光区的移动后的第二写场邻接而即将曝光的第三写场的坐标是C2R1″，即坐标(XC2R1″，YC2R1″)，这个也是即将曝光的第三写场需要无缝拼接到移动后的第二写场的校正坐标，即：
(XC3L1″，YC3L1″)：XC3L1″＝XC2R1″，YC3L1″＝YC2R1″；
电子束此时正对位于曝光区内的第三写场的坐标是C3L1，即坐标(XC3L1，YC3L1)，其与要跟随拼接曝光的已经移动的第二写场的坐标差为这个坐标点要通过电子束附加偏转电压来贴着已经移动的第二写场(22-2″)的边缘C2R1″拼接曝光，矫正后的第三写场(22-3″)相关坐标点为C3L1″，C3L1″与C3L1′的坐标差为：
ΔX2＝XC3L1″-XC3L1′＝XC2R1″-XC3L1′
ΔY2＝YC3L1″-YC3L1′＝YC2R1″-YC3L1′；
对电子束在曝光区曝光第二写场和曝光第三写场的曝光区的整体电子束漂移作忽略不计处理，使第三写场在曝光区曝光坐标校正前的坐标等同于第二写场曝光时的坐标：XC3L1′＝XC2L1′，YC3L1′＝YC2L1′，进而使得该坐标可以通过第二写场曝光后工作台移动前光敏胶层表面由于曝光形成的凹凸结构测得，从而获得所有写场曝光点的电子束坐标校正需要补偿的坐标差：
ΔX2＝XC2R1″-XC2L1′
ΔY2＝YC2R1″-YC2L1′；
步骤14：根据所得校正值调整电子束镜筒(32)的偏转电压，校正电子束曝光区使之在其后晶圆的第三写场的所有曝光点的坐标校正为与移动后的第二写场邻接的拼接坐标一致而无缝对接；
步骤15：周而复始，完成整个晶圆全部写场区域的曝光、移动和拼接动作。


3.依照权利要求1所述的亚纳米级高精度光刻写场拼接方法，其特征在于所述电子束也可以是离子束...

【专利技术属性】
技术研发人员：周向前，伊沃·朗格诺，
申请(专利权)人：百及纳米科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31