CN100468213C - 用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统，该对准系统包括提供照明光源的光源模块；传输照明光源的光束，垂直照明晶片上周期性光学结构对准标记的照明模块；采用显微物镜收集对准标记的多级次衍射光，采用多色光分离系统实现多波长衍射光的分离，并利用级结合光栅系统使对准标记衍射频谱的正、负级次的频谱光斑对应重叠相干的成像模块；采用差动莫尔信号探测方法，测量多个波长、多个级次频谱光斑对应位置处光强或位相的变化，得到对准标记位置信息的探测模块。级结合光栅系统包括光栅、反射镜和棱镜，使对准标记衍射频谱的+1—+n级和-1—-n级相同级次的正、负级衍射光斑对应重叠相干。以提供较高的对准精度和稳定性。

Description

用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统

技术领域

本发明与集成电路IC或其它微型器件制造领域的光刻装置有关，涉及一种用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统。

背景技术

光刻装置主要用于集成电路IC或其他微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶片上，例如半导体晶片或LCD板。

由光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在晶片中形成多层电路，为此，光刻装置中要求配置对准系统，实现掩模和晶片的精确对准。当特征尺寸“CD”要求更小时，对套刻精度“Overlay”的要求以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。

对准系统的主要功能是在套刻曝光前实现掩模-晶片对准，即测出晶片在机器坐标系中的坐标(X_W，Y_W，Φ_WZ)，及掩模在机器坐标系中的坐标(X_R，Y_R，Φ_RZ)，并计算得到掩模相对于晶片的位置，以满足套刻精度的要求。一般有两种对准方案，一种是透过镜头的TTL同轴对准技术，另一种是OA离轴对准技术。

目前，光刻设备所采用的对准方式大多为光栅对准。光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息。高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光(包括高级)在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心位置。

一种现有技术，参见中国发明专利，申请号：CN03164859.2，发明名称：“用于光刻系统的对准系统和方法”，该发明专利中所述的对准系统在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板组合来实现多级衍射光的重叠和相干；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记像与参考光栅形成的莫尔条纹的透过光强，得到正弦输出的对准信号。这种类型的对准系统通过双波长照明的确可以抑制干涉相消和对准标记非对称变形的影响。但是，由于只使用了两种可见波长的激光光源，而低k值的介质材料在可见光谱范围的吸收会导致对准信号强度的衰减，从而影响对准精度。另外，采用楔块列阵或揳板组合来实现多级衍射光的重叠、相干。对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高；而楔板组合的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实现起来工程难度较大，代价昂贵。此外，基于偏振分束棱镜的分光系统只能分离两种波长的色光，对多于两种波长以上的对准信号则无能为力。

另一种已有的技术，(参见“Anautomatic mask alignment technique usingmoiréi nterference”，Yoshiyuki Uchida，Shuzo Hattori，Tsutomu Nomura，J.Vac.Scl.Technol.B5(1)，1987，p244-247)，日本精工电子研究中心提出了一种用于接近式X-射线光刻和投影光刻的对准方法，该方法利用差动光栅结构进行对准位置探测，将晶片对准光栅标记成像在掩模对准光栅标记上，利用两对光栅副产生两组相位差为180度基本莫尔信号，以两者之差的差动莫尔信号作为对准信号，通过检测差动莫尔信号的最大斜率位置，得到对准中心位置。尽管该方法的探测灵敏度较高，但是捕获范围较小，只有一个光栅周期。并且，在用于投影光刻的TTL同轴对准中，由于只探测±1级衍射光形成的干涉条纹与掩模对准标记的差动莫尔信号，因此对准精度不高。

又一种在先技术(参见①“压印光刻中高精度对准方法的研究”，王艳蓉，崔东印，丁玉成等，西安交通大学学报，Vol.39，No.7，2005，p719-721；②“基于差动莫尔信号的超高精度对正系统”，王莉，卢秉恒，丁玉成等，机械工程学报，Vol.41，No.4，2005，p75-78)，提出了一种改进方法以提高捕获范围。该方法使用周期分别为50μm和10.5μm的粗、精两组斜纹光栅副结构的对准光栅，驱动环节采用宏微两级，相对于粗精两组光栅检测分别进行驱动。尽管该技术采用了粗、精两组对准标记，提高了对准捕获范围，但是，一方面，两级驱动增加了驱动系统的复杂性，也增加了影响对准精度的不稳定因素；另一方面该技术仅适用于接近式光刻，如果用于投影光刻则仍然存在上述的对准精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统，以提供较高的对准精度和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于光刻装置的对准系统，包括：光源模块、照明模块、成像模块探测模块；

所述的光源模块，提供用于对准系统的照明光源；

所述的照明模块，传输照明光源的光束，垂直照明晶片上周期性光学结构的对准标记；

其实质性特点在于，

所述的成像模块，采用显微物镜收集对准标记的多级次衍射光，并采用多色光分离系统实现多波长衍射光的分离，然后利用级结合光栅系统使对准标记衍射频谱的正、负级次的频谱光斑对应重叠相干；

所述的探测模块，采用差动莫尔信号探测方法，通过测量多个波长、多个级次频谱光斑对应位置处的光强或位相的变化，得到对准标记的位置信息。

该对准系统的主要特征是，通过在光瞳面探测对准标记的衍射频谱的+1-+n级与-1--n级相同级次的正、负级频谱光斑对应重叠相干的各级干涉信号强度变化，得到对准标记的位置信息。

所述的照明光源为多波长空间相干光源，至少有四个波长，例如532nm，633nm，785nm，850nm，并且其中至少有两个光源波长在红外波段。由于对准系统使用多波长照明光源，一方面，可以抑制干涉相消效应的影响，提高了工艺适应性；另一方面，使用近红外和远红外波长的光源照明，可以有效解决低k值的介质材料在可见光谱范围的吸收问题，并可用于多晶硅工艺层的标记探测，从而提高对准信号强度。

优先使用高亮度的激光光源，为提高信噪比，对激光光源进行位相调制，并在后面对探测到的对准信号进行解调。所使用的激光光源可以是半导体激光器，或者光纤激光器等。

当对准标记尺寸较小时，光栅衍射效率与照明光源的偏振特性相关，利用λ/4波片使线偏振光经λ/4波片后入射到晶片上的照明光束为圆偏振光，以确保总有一偏振方向可以产生高效率的衍射光。

晶片对准标记为以十字划线为中心沿水平和垂直方向对称分布的4个子光栅组成的二维位相光栅结构；并且，同一方向对称分布的两个子光栅的基本光栅周期不同。

成像光路包括大数值孔径和长工作距的显微物镜，消色差的λ/4波片，空间滤波器，多色光分离系统，级结合光栅系统等。所述的显微物镜的出射光瞳处设置有空间滤波器。

多色光分离系统为基于色散元件包括棱镜(例如考纽棱镜，立特鲁棱镜等)、闪耀光栅和阶梯光栅，或者干涉截止滤光片，或者衍射光学元件(例如CSG-色分离光栅)，或者上述元件组合的分光系统。

优先采用基于反射或透射式多闪耀光栅的多色光分离系统，多闪耀光栅包括折线型多闪耀光栅、分区域型多闪耀光栅和折线型-分区域组合多闪耀光栅。采用多闪耀光栅的好处在于，闪耀角按所需分离的波长个数进行优化，提高了不同色光衍射效率和对应的信号强度，有利于提高对准精度。

所述的级结合光栅系统包括光栅、反射镜和棱镜，它能够实现对准标记多级次衍射频谱的正、负级次频谱光斑的重叠相干功能。

所述的级结合光栅系统可以由光栅和反射镜两部分组成。为保证稳定性，反射镜和光栅胶合在一整块玻璃基板上。

所述的级结合光栅系统也可以由两组位相光栅和反射镜组成，两组光栅的周期可以相同或不同。

上述的级结合光栅系统使多级次衍射光斑分布的横向尺寸放大了一定倍数。

级结合光栅系统还可以由双楔形棱镜和位相光栅组成，并且在光路中包含转像棱镜(例如Dove道威棱镜)和光程差补偿平板。

上述的级结合光栅系统中的光栅可以为反射式或透射式，振幅型或位相型光栅。

所述的探测模块，包括粗对准(捕获)光路和精对准光路两个光路。一路光束将对准标记和分划线成像在CCD照相机上，进行粗对准；另一路光束将级结合光栅系统的出射光瞳面成像在参考板上，使用差动莫尔信号探测方法进行精对准。

在精对准光路的中间像位置设置有空间滤波器，以消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰。

在级结合光栅系统出射光瞳处设置有空间光调制器，可以选择特定级次的衍射光进行探测。

所述的精对准光路中在参考板上用于水平或垂直方向对准的参考标记各有两组，相应的有两组探测器或探测器列阵。

所述探测模块的差动莫尔信号的探测方法是：利用对准标记两种不同周期的对准标记提高对准捕获范围；探测对准标记的多级次衍射光；对应于每一级次衍射光产生两组位相差为180度的莫尔信号，以差动莫尔信号作为该级次的对准信号。

一种用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其实质性特点在于，其构成包括光栅、反射镜和棱镜；该级结合光栅系统能够使对准标记衍射频谱的+1-+n级和-1--n级相同级次的正、负级衍射光斑对应重叠相干。

上述的级结合光栅系统可以由反射镜和光栅两部分组成。为保证稳定性，反射镜和光栅胶合在一整块玻璃基板上。

上述的级结合光栅系统也可以由两组位相光栅和反射镜组成，两组光栅的周期可以相同或不同。

上述的级结合光栅系统使多级衍射光斑分布的横向尺寸放大了一定倍数。

上述的级结合光栅系统还可以由双楔形棱镜和位相光栅组成，并且光路中包含转像棱镜(例如Dove道威棱镜)和光程差补偿平板。

上述的级结合光栅系统的中的光栅可以为反射式或透射式，振幅型或位相型光栅。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、本发明采用至少有四个波长的多波长空间相干光源，并且其中至少有两个波长在红外波段。一方面，采用多波长光源照明，可以抑制干涉相消效应的影响，提高了工艺适应性；另一方面，采用红外波段的光源可以有效解决低k值的介质材料在可见光谱范围的吸收问题，并可用于多晶硅工艺层的标记探测，提高了对准信号强度。

2、本发明同时在显微物镜的出射光瞳面和多级次衍射光重叠相干成像的中间像位置设置空间滤波器，即采用瞳面和像面双滤波技术，有效地消除了晶片上邻近的产品结构散射光对对准信号的串扰影响，提高了对准精度。

3、本发明采用透射式多闪耀光栅为基础的多色光分离系统，包括折线型多闪耀光栅、分区域型多闪耀光栅和折线型-分区域组合多闪耀光栅，多闪耀光栅可以同时对多个波长进行闪耀，因而提高了不同色光衍射效率和对应的信号强度，有利于提高对准精度。

4、本发明利用一种基于级结合光栅系统的多级次衍射光斑重叠干涉结构，采用衍射的方法实现对准标记的多级衍射光的同级次正、负级衍射光斑对应重叠相干功能。该级结合光栅系统结构稳定性好，并且光学元件的加工制造、装配和调整难度不大，工程上具有可实施性。同时，该级结合光栅系统还可起到扩束作用，方便多探测器的探测。

5、本发明由于采用基于差动莫尔信号的多级次衍射光信号探测方法，在提高对准捕获范围、探测灵敏度和对准信号强度，提高对对准标记非对称变形的工艺适应性的同时，进一步提高了对准精度。

附图说明

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明光刻装置的结构示意图；

图2为本发明晶片对准标记示意图；

图3为本发明对准系统结构示意图；

图4(a)为本发明基于多闪耀光栅的多色光分离系统的原理和结构示意图；

图4(b)为本发明基于干涉截止滤光片的多色光分离系统的原理和结构示意图；

图4(c)为本发明基于干涉截止滤光片和多闪耀光栅组合的多色光分离系统的原理和结构示意图；

图5为本发明实现单色光多级衍射光斑重叠相干的光路图；

图6(a)为本发明基于级结合光栅的单色多级次衍射光斑重叠干涉的原理图；

图6(b)为本发明另一种级结合光栅结构示意图；

图6(c)为本发明又一种级结合光栅结构示意图；

图7为一种利用差动光栅结构进行对准位置探测的在先技术示意图；

图8为本发明探测光路结构示意图；

图9为本发明另一种探测光路结构示意图；

图10为本发明参考板上参考标记的布置情况示意图；

图11为本发明干涉条纹和参考标记的相对位置布设情况示意图；

图12为本发明另外一种干涉条纹和参考标记的位置布设情况示意图。

具体实施方式

图1是本发明具体实施方案的光刻装置结构示意图，由图1可见，其构成包括：用于提供曝光光束的照明系统1；用于支承掩模版2的掩模支架和掩模台3，掩模版2上有掩模图案和具有周期性结构的对准标记RM；用于将掩模版2上的掩模图案投影到晶片6的投影光学系统4；用于支承晶片6的晶片支架和晶片台7，晶片台7上有刻有基准标记FM的基准板8，晶片6上有周期性光学结构的对准标记WM；用于掩模和晶片对准的具有多色光分离系统和级结合光栅系统的对准系统5；用于掩模台3和晶片台7位置测量的反射镜10、16和激光干涉仪11、15，以及由主控制系统12控制的掩模台3和晶片台7位移的伺服系统13和驱动系统9、14。

照明系统1包括一个光源，一个使照明均匀化的透镜系统，一个反射镜以及一个聚光镜(图中未示出)。作为一个光源单元，采用KrF准分子激光器(波长248nm)、ArF准分子激光器(波长193nm)、F2激光器(波长157nm)、Kr2激光器(波长146nm)、Ar2激光器(波长126nm)、或者使用超高压汞灯(g-线、i-线)等。照明系统1均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版上包含电路的掩模图案和周期性结构的标记RM，用于掩模对准。

掩模台3可以经驱动系统14在垂直于照明系统光轴(与投影物镜的光轴AX重合)的X-Y平面内移动，并且在预定的扫描方向(平行于X轴方向)以特定的扫描速度移动。掩模台在移动平面内的位置通过位于掩模台上的反射镜16由多普勒双频激光干涉仪15精密测得。掩模台的位置信息由激光干涉仪15经伺服系统13发送到主控制系统12，主控制系统12根据掩模台3的位置信息通过驱动系统14驱动掩模台3。

投影光学系统4(投影物镜)位于图1所示掩模台3的下方，其光轴AX平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折射光学系统作为投影光学系统，所以，当照明系统发射的曝光光束照射掩模版上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学系统在涂覆有光刻胶的晶片6上成缩小的图像。

晶片台7位于投影光学系统4的下方，晶片台7上设置有一个晶片支架(图中未示出)，晶片6固定在支架上。晶片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向(X方向)和垂直于扫描方向(Y方向)上运动，使得可以将晶片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。晶片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于晶片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，晶片台7的位置信息经伺服系统13发送到主控制系统12，主控制系统12根据位置信息(或速度信息)通过驱动系统9控制晶片台7的运动。

晶片6上有周期性结构的对准标记WM，晶片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准系统5分别通过晶片对准标记WM和基准标记FM实现晶片对准和晶片台对准。对准系统5的对准信息传输到主控制系统12，经数据处理后，驱动系统9驱动晶片台7移动实现掩模和晶片的对准。

图2为本发明的晶片对准标记示意图。晶片对准标记WM为二维位相光栅结构，由4个子光栅P_a、P_b、P_c和P_d以及中心十字划线组成，并且P_a与P_c，P_b与P_d以十字划线为中心沿水平和垂直方向对称分布，其中P_a和P_c用于x方向对准，P_b和P_d用于y方向对准。子光栅P_b和P_c的光栅周期相同，即P_b＝P_c＝P₁₁；子光栅P_a和P_d的光栅周期相同，即P_a＝P_d＝P₂₂。通过选择不同的子光栅周期，可以提高对准系统的捕获范围，捕获范围可表示为P₁₁P₂₂/[2(P₂₂-P₁₁)]。子光栅基本光栅周期的线空比为1:1，为了增强高阶衍射光强度，通常在基本光栅周期内进行细分，具有细分结构的该形式的对准标记也在本发明的保护范围内。整个晶片对准标记WM的尺寸较小，适合于较窄的划线槽，例如为40μm×40μm。

图3为本发明的对准系统结构示意图，该对准系统主要由光源模块1、照明模块2、成像模块3和探测模块4等组成。该对准系统的主要特征是，通过在光瞳面探测对准标记的频谱的+1-+n级与-1--n级同级次正、负级频谱光斑重叠相干的各级次干涉信号强度变化，得到对准标记的位置信息；探测光路则采用基于差动莫尔信号的多级衍射光信号探测的方法。该对准系统具有较强的工艺适应性、灵敏度和高信噪比的对准信号，对准精度可以达到7-9nm的量级，完全满足100nm以下线宽的对准要求。

对准系统采用多波长空间相干光源照明，至少有四个波长(例如532nm，633nm，785nm，850nm)，并且其中至少有两个波长在红外波段。多波长光源λ₁、λ₂、λ₃和λ₄经单模保偏光纤501传输，然后经光纤耦合器502耦合进入多路合束器503，再通过单模保偏光纤504输出到对准系统的照明光路。

对准系统使用多波长光源照明，可以抑制干涉相消效应的影响，提高工艺适应性；使用近红外和远红外波长的光源照明，可以有效解决低k值的介质材料在可见光谱范围的吸收问题，并可用于多晶硅工艺层的标记探测，从而提高对准信号强度。

优先使用高亮度的激光光源，光源模块1中包含有激光模块(图中未示出)，为提高信噪比，在激光模块中对激光光源进行位相调制，并在后面对探测到的对准信号进行解调。所使用的激光光源可以是半导体激光器，或者光纤激光器等。

在照明光路中，多波长照明光束依次经过起偏器505、透镜506、照明孔径光阑507和透镜508，然后通过位于平板509上的小反射镜509a反射进入成像光路，另外，可以用偏振分束器代替平板509。从孔径光阑507到显微物镜511形成柯勒照明系统，透镜506为聚光镜。

成像光路包括大数值孔径和长工作距的显微物镜511，消色差的λ/4波片510，空间滤波器512，多色光分离系统513，多级衍射光斑重叠相干光路514、515、516和517。照明光束经显微物镜511垂直入射到晶片光栅对准标记WM上，发生反射或衍射。显微物镜511是对准成像光路中关键元件，该透镜必须有足够大的数值孔径(例如NA＝0.8)以收集来自晶片对准标记上不同色光的多级次衍射光。当NA＝0.8时，如果使用波长850nm的照明光源，则可以探测节距为1.1μm较小的光栅对准标记。另外，为保证晶片与对准系统间有合适的距离，优选长工作距的显微物镜。

当对准标记光栅节距或细分结构尺寸较小，与照明波长量级相当时，光栅衍射效率与照明光源的偏振特性相关，因此利用消色差的λ/4波片510，使线偏振光经消色差的λ/4波片510后，入射到晶片上的光斑为圆偏振光，圆偏振光包含两个方向垂直的线偏振光，确保总有一偏振方向可以产生高效率的衍射光。

在显微物镜511的出射光瞳处设置有空间滤波器512，以消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰影响。

多色光光源照明晶片对准标记WM，如果对准标记为二维结构，则在晶片上平行和垂直于晶片台移动方向都会发生衍射，在光瞳面509上产生相互垂直的多级次衍射光斑。零级反射光经小反射镜509a反射被遮挡，其余多级次衍射光±1-±n级经显微物镜511准直后进入多色光分离系统513，分离不同波长的衍射光。

多色光分离系统513为基于色散元件包括：棱镜(例如考纽棱镜、立特鲁棱镜等)、闪耀光栅和阶梯光栅，或者干涉截止滤光片，或者衍射光学元件(例如CSG-色分离光栅)等的分光系统。优先采用透射型多闪耀光栅，包括折线型和分区域型闪耀光栅，以及折线型-分区域组合多闪耀光栅。

多级衍射光斑重叠相干光路514、515、516和517主要是基于级结合光栅系统，通过衍射的方法实现对准标记的多级衍射光斑正、负级次的重叠和干涉功能。

探测光路518、519、520和521主要包括粗对准和精对准光路(参见图7)，分别用于捕获(粗对准)和精对准。多级次衍射光斑正、负级次重叠相干，干涉条纹成像在位于光瞳面的参考标记板上，通过测量在参考标记上透射或反射的各波长多级次衍射光对应位置处光强或位相的变化，以差动莫尔信号作为对准信号，可以得到对准标记中心位置。

图4给出了多色光分离系统的基本原理和结构。当采用多光源(例如532nm，633nm，785nm，850nm)同时照明对准标记时，不同波长的多级衍射光相互重叠，因此，不同波长的信号必须分开探测，需要使用多色光分离系统分离不同波长的光。本发明采用以色散元件为主的分光系统，包括棱镜(考纽棱镜，立特鲁棱镜等)、闪耀光栅和阶梯光栅，或者干涉截止滤光片；也可以采用衍射光学元件(例如CSG-色分离光栅)等。

优先采用多闪耀光栅为基础的多色光分离系统。通常，闪耀光栅按中心波长优化，则在边缘波长(例如532nm，850nm)处的光栅效率降低，即使使用高能量的激光，这种能量的衰减也是很明显的。这时可以采用多闪耀光栅，一种为折线型多闪耀光栅，用两个不同闪耀角的小平面代替普通闪耀光栅的槽面，工作时两个不同闪耀角的小平面同时工作，从而在能量-波长曲线上出现两个最大值，分别对应于两个闪耀波长，使曲线在两端下降缓慢，可覆盖较大的波长范围。由于折线型多闪耀光栅的刻划需使用特殊刻制刀，在每条刻线上刻划出两个折线型槽面，因此只适合于线槽密度较小，每条线槽工作面较宽的红外光栅。另一种为分区域多闪耀光栅，是把一块闪耀光栅的工作槽面分成两个或多个区域(由所需分离的波长数目决定)分别刻划，各分区域的线槽密度相同，但闪耀角不同。其实质是多块普通闪耀光栅的拼合，刻划时不会有太大困难，可以刻划较高线槽密度的光栅。

图4(a)采用一个透射式的多闪耀光栅101来分离不同的色光。该多闪耀光栅101是基于折线型结构和分区域结构的组合。多闪耀光栅101可以由两个分区域闪耀光栅101a和101b组成，光栅周期分别为d₁和d₂，其中一块为折线型的红外光栅101a，闪耀角分别为β₁₁和β₁₂，使两个红外波长λ₁，λ₂(例如785nm、850nm)发生闪耀；另一块为普通闪耀光栅101b，闪耀角β₂按两个波长λ₃，λ₄(例如532nm、633nm)的中心波长(λ₃+λ₄)/2(例如582.5nm)优化，则在边缘波长λ₃，λ₄(例如532nm、633nm)处光栅效率的降低程度是可以接受的。另外，多闪耀光栅101还可以由三个分区域闪耀光栅101a′、101b′和101c′组成，光栅周期分别为d₁、d₂和d₃。101a′是折线型多闪耀光栅，闪耀角分别为β₁₁和β₁₂，使两个红外波长λ₁，λ₂发生闪耀；101b′和101c′是普通闪耀光栅，闪耀角分别按波长λ₃，λ₄优化。分离的多色光信号λ₁，λ₂，λ₃和λ₄经过一个透镜或透镜列阵(图中未示出)入射到多级衍射光斑重叠相干光路。

图4(b)给出了另外一种基于干涉截止滤光片的多色光分离系统。多色光λ₁，λ₂，λ₃和λ₄入射到第一分束器102上，透射光束t经过长波通滤光片104后，只有波长为λ₁，λ₂的光透过。然后经过第二分束器105分束，反射光束tr经直角棱镜107反射，光束trr经过短波通滤光片108，则出射光束为λ₂；透射光束tt直接透过长波通滤光片106，则出射光束为λ₁。

第一分束器102的反射光束r经过短波通滤光片103，只有波长为λ₃，λ₄的光透过。然后经第三分束器109分束，反射光束rr通过短波通滤光片110，则出射光束为λ₄；透射光束rt经直角棱镜111反射，光束rtr经过长波通滤光片112，则出射光束为λ₃。由此，实现四种波长衍射光的分离。

图4(c)给出了又一种基于干涉截止滤光片和多闪耀光栅组合的多色光分离系统。多色光λ₁，λ₂，λ₃和λ₄入射到分光器113上，透射光束t直接透过长波通滤光片116，只有波长为λ₁，λ₂的色光透过；波长为λ₁，λ₂的光入射到第一闪耀光栅117，经光栅衍射分光，波长为λ₁，λ₂的光束以不同的衍射角出射，入射到探测系统。反射光束r经直角棱镜114反射，反射光束rr透过短波通滤光片115后，只有波长为λ₃，λ₄的光透过；波长为λ₃，λ₄的光入射到第二闪耀光栅118，同样经光栅衍射分光，波长为λ₃，λ₄的光束以不同的衍射角出射，入射到探测系统。第一闪耀光栅117和第二闪耀光栅118可以是折线型多闪耀光栅119a(光栅周期为d₁，闪耀角为β₁₁和β₁₂)，或者是分区域多闪耀光栅119b(光栅周期分别为d₂₁和d₂₂，对应闪耀角为β₂₁和β₂₂)，或者是普通闪耀光栅119c(光栅周期为d₃，闪耀角为β₃，第一闪耀光栅117以λ₁，λ₂的中心波长进行优化；第二闪耀光栅118以λ₃，λ₄的中心波长进行优化)。

图5给出了单色光多级次衍射光斑重叠相干的光路图。如图所示，对准标记的衍射光在入射面上频谱光斑分布201，图中用填充的实心圆表示+1-+n级衍射光斑，用空心圆表示-1--n级衍射光斑。衍射光经分束器202分成两束，透射光束经过第一空间滤波器203入射到第一级结合光栅系统204。第一空间滤波器203的通光孔径沿x方向，遮挡y方向的衍射光，使x方向的衍射光透过。x方向的衍射光进入到第一级结合光栅系统204，使x方向的对应+1-+n级和-1--n级衍射光斑相互重叠相干。

对准标记衍射光201经分束器202的反射光束分别经过第二空间滤波器205进入到第二级结合光栅系统206。第二空间滤波器205的通光孔径沿y方向，使x方向的衍射光斑被遮挡，y方向的衍射光斑透过。第二级结合光栅系统206与第一级结合光栅系统204结构相同，第二级结合光栅系统206使y方向的对应+1-+n级和-1--n级衍射光斑相互重叠相干。

图6(a)为本发明基于级结合光栅系统的单色多级次衍射光斑重叠、干涉的原理图。以其中一个方向(x或y方向)为例，单波长的多级衍射光斑301入射到级结合光栅系统上，级结合光栅系统由两部分组成：反射镜302和光栅303，并且两者相互垂直。多级次衍射光斑301的+1-+n级和-1--n级光斑以零级光斑所在的光轴方向为对称轴对称入射，对称轴经过反射镜302和光栅303的垂直交点O???。+1-+n级衍射光以入射角(π/2-α)入射到反射镜302上，在反射镜302上(AD范围内)经过反射，以α角入射到光栅303上(BC范围内)；-1--n级衍射光直接以入射角α入射到光栅303上(BC范围内)。则+1-+n级和-1--n级衍射光在光栅303表面法线的两侧以相同的入射角α入射，α为光栅303的±1级衍射角，d为光栅303的光栅周期，则根据光栅衍射公式，

dsinα＝λ

+1-+n级和-1--n级衍射光在光栅303上的1级衍射光沿垂直于光栅303表面的方向出射，使得入射的多级衍射光斑301同级次的正、负级衍射光斑重叠相干。重叠相干的多级衍射光斑的分布与原始入射光斑分布情况相比，横向尺寸放大了K倍，如图所示，

K＝H/h＝BO/AE＝1/cosα>1

因此，该级结合光栅系统除了可以使正、负级衍射光斑重叠相干，还同时兼有光斑的扩束功能，方便多探测器的探测。

另外，由图中可见，由于+n级和-n级衍射光经过的光程不同，因此在两相干光之间会引入一定的光程差OPD_+n，-n，

OPD_+n，-n＝L·cotα

其中，L为+n级和-n级光斑间的距离，因此随着衍射级次的增加，光斑间距的增大，光程差也会增大。对于相干长度较短的半导体光源，要求进行光程差补偿，可以在-1--n级衍射光的光路中放置一些不同厚度的平板，用于补偿光程差。

为增加稳定性，反射镜302和光栅303胶合在一整块玻璃基板上。光栅303可以为振幅型或位相型光栅，优先选用衍射效率高的位相光栅；光栅303可以为反射式或透射式光栅。

另外，图6(b)给出了另外一种基于级结合光栅系统，可以同时实现x和y方向的衍射光斑的重叠相干功能。该级结合光栅系统由位相光栅305，306和反射镜307组成，位相光栅305和306分别用于衍射x和y方向的衍射光斑，反射镜307用于反射x和y方向的光斑到位相光栅305和306的表面，在垂直于两个位相光栅305和306表面的方向，x和y方向的同级次的正、负级衍射光斑重叠相干。两个光栅的周期可以相同或不同，从而x和y方向衍射光的入射角α_x和α_y也相应可以相同或不同。

图6(c)给出了又一种级结合光栅系统的多级次衍射光斑重叠相干的光路。多级次衍射光斑308的-1--n级级衍射光经过一个转像棱镜310(例如Dove道威棱镜)发生倒转，然后经双楔形棱镜312的下半部分折射，以折射角α′入射到位相光栅313上；+1-+n级衍射光经过一个光程差补偿平板309，再经双楔形棱镜312的上半部分折射，同样以折射角α′入射到位相光栅313上；α′为位相光栅313的±1级衍射角，两束入射光在位相光栅313上发生衍射，1级衍射光垂直于光栅313表面透射，使得入射的多级衍射光斑308相同级次正、负级光斑重叠相干。双楔形棱镜312楔角β的选择满足：α′＝(n-1)β；光栅313的光栅周期d′满足光栅衍射公式，

d′sinα′＝d′sin[(n-1)β]＝λ

图7所示为一种接近式光刻中利用差动光栅结构进行对准位置探测的在先技术。如图所示，光栅A、B为同位相的掩模对准标记；光栅C、D为晶片对准标记，C、D两部分位相有180度的相移。光栅A、B、C和D的光栅周期均为p，光栅A、C与光栅B、D分别形成两对光栅副，光栅C相对于光栅A向左错开+p/4，光栅D相对于光栅B向右错开-p/4。光栅A、B和光栅C、D的间隔为塔尔博特距离，激光束垂直照射在光栅A、B上，光栅A、B的塔尔博特像分别成在光栅C、D上，当光栅C、D相对于光栅A、B作同向平行移动时，则产生两组空间位相差为180度周期相同的莫尔信号I₁和I₂，如图7(b)所示。在位移周期p(即图中的E-F范围)内，曲线I₁和I₂在交点G的信号强度相等，信号强度之差为零，定义该G点为对准点。图7(c)为差动莫尔信号：I₁-I₂，以差动莫尔信号为对准信号进行闭环控制晶片台运动。差动莫尔信号的强度为基本莫尔信号I₁和I₂的两倍，在对准点G位置的斜率最大，点G附近的线性区域内，距离G点越近，信号曲线的斜率越大，微小位移引起的信号变化值也就越大，提高了位移检测的分辨率。但是，由图7(c)可以看到，为避免产生周期性对准误差，预对准范围必须为±p/2(即E-F范围)，因此对准捕获范围较小，对于周期较小的对准标记，预对准要求严格。该技术在用于投影光刻的TTL同轴对准中，由于只探测±1级衍射光形成的干涉条纹与掩模对准标记的差动莫尔信号，因此对准精度不高。

与在先技术不同，本发明利用对准标记两种不同周期的光栅标记提高了对准捕获范围；并且对多级次衍射光进行同时探测；每一级次采用差动信号探测，以差动信号为该级次的对准信号，提高了对准位置检测的灵敏度和对准信号强度。

图8给出了本发明探测系统的结构。如图所见，入射光束经分束器401分束，一部分用于捕获(粗对准)，反射光经过一个孔径光阑413，然后透过一个刻有分划线的分划板414，再经会聚透镜415耦合进入光纤416，出射光经投影透镜417成像在CCD相机418上。另一部分用于精对准，透镜402、404将级结合光栅系统的出射光瞳面成像在设置有参考标记410a和410b的参考板409上，由光纤列阵411a、411b和探测器412a、412b(或探测器列阵)接收和探测参考板409上两组透射或反射的光强或位相信号，根据差动莫尔信号得到对准标记的位置信息。

在中间像位置设置有空间滤波器403以消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰；在透镜404的出射光瞳面处设置有空间光调制器405，对多级次重叠相干的干涉条纹进行选择性透射。空间光调制器405可以是可编程的LCD液晶板，根据液晶光阀原理，通过编程控制，可以在液晶板405上形成任意的透光和不透光区域，选择特定级次的衍射光进行探测。

空间光调制器405出射的多级次衍射光干涉条纹经过一个分束器406分成两束为407和408，分别入射到参考板409的参考标记410a和410b上。参考标记410a和410b为一系列周期不等的对应于不同级次的振幅型光栅结构，通过合理布置参考光栅位置，使得相同级次的两组干涉条纹经过对应级次的参考光栅后产生两组位相差为180度的莫尔信号，再经光电探测器412a、412b探测和电路差动放大输出，得到正弦型的差动莫尔信号，作为该级次的对准信号。

图9给出了另外一种探测系统的结构。如果采用坐标反演干涉仪作为多级次衍射光斑重叠干涉系统(坐标反演干涉仪的特点是：使对准标记的x坐标和y坐标分别发生反演的两组频谱重叠，使同级次正、负级的频谱光斑对应重叠相干)，则入射光束419的多级次衍射光斑干涉场分布如图9(a)所示，同一衍射级次的正、负级光斑重叠相干，同时在x方向和y方向形成两组相同的干涉条纹。

如图9(b)所示，透镜420、422将图9(a)所示的多级次衍射光斑干涉场成像在设置有参考标记427a和427b的参考板426上，421为空间滤波器，由空间光调制器423出射的多级次衍射光干涉条纹，+x和-x(或+y和-y)方向的光束424、425分别入射到参考板426的参考标记427a和427b上。以±1级衍射光形成的1级干涉条纹为例，假设1级干涉条纹和对应参考标记427a、427b的周期均为P₁，则1级干涉条纹入射到参考光栅上，得到两组周期为P₁的位相差为180度的莫尔信号。光纤列阵428a、428b和探测器429a、429b(或探测器列阵)接收和探测参考板426上透射或反射的两组位相相反的莫尔信号，以两者之差的差动莫尔信号作为对准信号，确定对准标记的位置信息。

图10所示为参考板上的参考标记的布置情况。430a′-434a和430b′-434b为用于y方向对准的两组参考标记，430c′-434c和430d′-434d为用于x方向对准的两组参考标记。430a′、430b′、430c′和430d′为对应于对准标记子光栅P_a、P_d的1级参考标记；430a、430b、430c和430d为对应于对准标记子光栅P_b、P_c的1级参考标记；431a、431b、431c和431d为对应于对准标记子光栅P_b、P_c的2级参考标记；432a、432b、432c和432d为对应于对准标记子光栅P_b、P_c的3级参考标记；433a、433b、433c和433d为对应于对准标记子光栅P_b、P_c的4级参考标记；依此类推，434a、434b、434c和434d为对应于对准标记子光栅P_b、P_c的n级参考标记。

为提高对准捕获范围，对准过程中首先利用对准标记两种不同周期的子光栅Pb、Pc(周期为P11)和Pa、Pd(周期为P22)，使两种子光栅±1级衍射光的干涉条纹P1和P1′分别与两种子光栅的1级参考标记430a-430d和430a′-430d′进行对准(简称为1级对准)，产生两组周期为P1和P1′的基本莫尔信号，差动莫尔信号为周期P＝P1P1′/(P1′-P1)的拍频信号，将对准捕获范围提高为±P/2。子光栅Pb、Pc的1级对准误差小于±P1/4，落在2级对准的捕获范围内(因为±P2/2＝±P1/4)，于是可以同时进行2级对准，同理可以进行3级、4级......n级对准，n的取值必须满足对准精度的要求。由此，实现了晶片对准标记与参考标记的多级次对准。每一级次的干涉条纹分别与用于x(或y)方向对准的两个相同的参考标记叠加，产生两组基本莫尔信号，由基本莫尔信号得到差动莫尔信号，作为该级次的对准信号。在多级次衍射光的对准信号同时达到最大斜率(过零点)或最大幅值位置时，则实现了晶片对准标记与参考标记的对准。

图11给出了干涉条纹和参考标记的相对位置情况。如图11(a)所示，以±1级衍射光斑重叠相干的干涉条纹为例，1级干涉条纹435和436在参考板426(参见图9(b))上的条纹周期为P₁；参考板426上有两组振幅型光栅结构的参考标记427a和427b，其中，1级参考标记430c和430d的光栅周期为P₁；干涉条纹435相对于参考标记430c向左移动+P₁/4，干涉条纹436相对于参考标记431d向右移动-P₁/4。在晶片台扫描过程中，干涉条纹435和436以一定的速度在参考标记430c和430d上移动，透射或反射的光强信号，即莫尔信号I₁和I₂为位相差为180度的正弦曲线，如图11(b)所示。

图11(b)中，两组基本莫尔信号I₁和I₂周期为P₁；基本莫尔信号I₁和I₂的交点B为对准位置。图11(c)为差动莫尔信号曲线I₁-I₂，两组莫尔信号I₁和I₂中有相同的噪声信号成分，通过差动相减可以得到有效控制，提高信噪比。与基本莫尔信号相比，差动莫尔信号强度增强了1倍；在对准点B位置，差动莫尔信号的斜率最大；在对准点B附近的线性区域内，距离对准点B越近信号曲线的斜率越大，微小位移引起的信号幅值变化也就越大，因而提高了位移检测的灵敏度。为提高对准精度，同时探测高阶衍射光的对准信号，在多级次衍射光的对准信号同时达到最大斜率(过零点)位置时，则实现了晶片对准标记与参考标记的对准。

图12所示为另外一种干涉条纹和参考标记的相对位置情况。以1级干涉条纹为例，如图12(a)所示，1级干涉条纹435和436在参考板426上的条纹周期为P₁；1级参考标记430c、430d的光栅周期也为P₁；干涉条纹435与参考标记430c对准，干涉条纹436相对于参考标记430d向右错开-P₁/2。图12(b)为相应的两组基本莫尔信号I₁和I₂，周期为P₁；两组基本莫尔信号位相差为180度；在对准位置B点，莫尔信号I₁达到最大幅值，莫尔信号I₂达到最小幅值。图12(c)为差动莫尔信号I₁-I₂，在对准点B为中心的±P₁/2(图中A-C)范围内，在对准点B位置，差动莫尔信号强度达到了最大值，比基本莫尔信号强度I₁，I₂增强了1倍，因此通过检测最大对准信号幅值可以得到对准中心位置。同时探测高阶衍射光的对准信号，在多级次衍射光的对准信号同时达到最大幅值时，则实现了晶片对准标记与参考标记的对准。

本发明用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统具体用于但不局限于集成电路IC的制造，该装置还可以用于其它方面的制造，包括微机电系统(MEMS)器件、微光机电系统(MOEMS)器件、集成光学系统、液晶显示板LCD、薄模磁头等。并且，在这些其他应用领域中，本说明书中的术语“晶片”可以由更普通的术语“基底”代替。本发明中的术语“光源”和“光束”包括所有类型的电磁辐射，例如：KrF准分子激光器(波长248nm)、ArF准分子激光器(波长193nm)、F2激光器(波长157nm)、Kr2激光器(波长146nm)、Ar2激光器(波长126nm)、超高压汞灯(g-线、i-线)、远紫外光源(5-20nm的波长范围)、或者离子束和电子束等。

Claims (31)

1.用于光刻装置的对准系统，包括:光源模块、照明模块、成像模块、探测模块；

所述的光源模块，提供用于对准系统的照明光源；

所述的照明模块，传输照明光源的光束，垂直照明晶片上周期性光学结构的对准标记；

其特征在于，

所述的成像模块，采用显微物镜收集对准标记的多级次衍射光，并采用多色光分离系统实现多波长衍射光的分离，然后利用级结合光栅系统使对准标记衍射频谱的正、负级次的频谱光斑对应重叠相干；

所述的探测模块，采用差动莫尔信号探测方法，通过测量多个波长、多个级次频谱光斑对应位置处的光强或位相的变化，得到对准标记的位置信息。

2.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的照明光源为多波长光源，至少有四个波长，并且其中至少有两个光源波长在红外波段。

3.根据权利要求1或2所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的照明光源可以是半导体激光器或光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的照明光源的光束为圆偏振光。

5.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的对准标记为以十字划线为中心沿水平和垂直方向对称分布的四个子光栅所组成的二维位相光栅结构；并且，同一方向对称分布的两个子光栅的基本光栅周期不同。

6.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的显微物镜优先采用大数值孔径和长工作距的显微物镜。

7.根据权利要求1或6所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的显微物镜的出射光瞳处设置有空间滤波器。

8.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的多色光分离系统为基于色散元件，或者干涉截止滤光片，或者衍射光学元件的分光系统。

9.根据权利要求8所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的色散元件包括棱镜、闪耀光栅和阶梯光栅，或者上述元件组合。

10.根据权利要求9所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的闪耀光栅是反射或透射式的多闪耀光栅，包括折线型多闪耀光栅、分区域型多闪耀光栅和折线型-分区域组合多闪耀光栅。

11.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统能够实现对准标记多级次衍射频谱的正、负级次频谱光斑的对应重叠相干功能。

12.根据权利要求11所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统包括至少一组光栅和反射镜。

13.根据权利要求12所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的光栅和反射镜胶合在一整块玻璃基板上。

14.根据权利要求11所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统可以由两组位相光栅和反射镜组成，两组位相光栅的周期可以相同或不同。

15.根据权利要求1或12或14所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统使多级次衍射光斑分布的横向尺寸放大了一定倍数。

16.根据权利要求11所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统可以由位相光栅和双楔形棱镜组成。

17.根据权利要求16所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统光路中包含转像棱镜和光程差补偿平板。

18.根据权利要求1或11到14中任一项或16所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统中的光栅可以为反射式或透射式，振幅型或位相型光栅。

19.根据权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的探测模块包括两路光束，其中，一路光束将对准标记和分划线成像在CCD照相机上，进行粗对准；另一路光束将级结合光栅系统的出射光瞳面成像在参考板上，进行精对准。

20.根据权利要求19所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的进行精对准的光束的光路的中间像位置设置有空间滤波器。

21.根据权利要求19所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的进行精对准的光束的光路在级结合光栅系统出射光瞳处设置有空间光调制器。

22.根据权利要求19所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的参考板上用于水平或垂直方向对准的参考标记各有两组。

23.根据权利要求19所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述的进行精对准的光束的光路中包含有两组探测器或探测器列阵。

24.根据权利要求1或19所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于，所述探测模块的探测方法是，利用具有两种不同周期的对准标记提高对准捕获范围；探测对准标记的多级次衍射光；对应于每一级次衍射光产生两组位相差为180度的莫尔信号，并以差动莫尔信号作为该级次的对准信号。

25.用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，其构成包括光栅、反射镜和棱镜；该级结合光栅系统使对准标记衍射频谱的+1-+n级和-1--n级相同级次的正、负级衍射光斑对应重叠相干。

26.根据权利要求25所述的用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统包括反射镜和光栅。

27.根据权利要求25或26所述的用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，所述级结合光栅系统的反射镜和光栅胶合在一整块玻璃基板上。

28.根据权利要求25所述的用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统可以由两组位相光栅和反射镜组成，两组位相光栅的周期可以相同或不同。

29.根据权利要求25或26或28所述的用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统使多级衍射光斑分布的横向尺寸放大了一定倍数。

30.根据权利要求25所述的用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统可以由双楔形棱镜和位相光栅组成，并且其光路中包含转像棱镜和光程差补偿平板。

31.根据权利要求25或26或28或30所述的用于光刻装置对准系统的级结合光栅系统，其特征在于，所述的级结合光栅系统中的光栅可以为反射式或透射式，振幅型或位相型光栅。

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