CN100495218C - 一种通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法，特征是采用两块经过特殊编码产生零位标记的光栅，将透射光栅放在Z方向上，光束沿着Z方向垂直射入透射光栅；再将反射光栅沿着Z方向安装在透射光栅后面，并平行于透射光栅，光束透过透射光栅后垂直射入反射光栅，经反射光栅反射回来，通过调整反射光栅的相对角度和/或相对位置，使两块光栅完全对准，就可以获得X-Y平面内的绝对零位；在光路上加上分束棱镜，就可通过设置光电接收器接收光信号进行判向和记数，对二维空间中精密位移进行绝对测量和定位；本发明能应用于光刻机中，实现掩模-硅片之间高于20纳米精度的对准，比现有光刻对准技术具有更高的对准精度。

Description

一种通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法

技术领域：

本发明属于测量计量技术领域，特别涉及应用于光刻机的光刻对准技术中通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法。

背景技术：

从20世纪60年代初到目前，光刻对准技术由最初的明场和暗场对准发展到如今的干涉全息或外差干涉全息对准技术和混合匹配及粗、精对准技术，对准精度由原来的微米级提高到纳米级，促进了集成电路的发展。我国《光刻对准技术研究进展》(2004年总第117期，第30到34页)回顾了光刻对准技术的发展功能，对各种对准方法的原理和特点进行了分析和评价，介绍了几种典型主流光刻对准系统结构形式。但目前国内的光刻机的光刻对准精度难以达到100纳米以下，国外的虽然能达到20纳米的精度，但价格昂贵。

现有的一维零位对准标记，是一组在标尺光栅和指示光栅上刻制特别编码的一维条纹。我国《光学仪器》(1994年第16卷第3期，第20到25页)报道过对一维零位光栅的一些性能研究。一维零位光栅于虽然已经有了绝对零位，消除了计算误差，但由于其自由度的限制，只能实现一维方向的对准，要实现多维测量，需要增加多个零位光栅，增加了系统的复杂性。

英国《光学学报》(JOURNAL OF OPTICS A：PURE AND APPLIED OPTICS，2004年第6期，第106到111页)曾介绍了二维平面光栅，这类光栅由于栅线刻划误差及电子细分能力有限，其分辨能力只能达到亚微米级；而且，该光栅也只是增量系统，即没有二维零位标记，因此它没有一个绝对零位，容易导致计算误差，只能用于相对测量或必须外加监测系统才能进行绝对测量。

美国《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments，JULY 2003，VOLUME 74，NUMBER 7，第3549到3553页)介绍过二维零位光栅的具体编码方法。绝对零位可由零位光栅和其它光学器件共同组合来实现。其零位栅线设计时，要求栅线等宽，透光栅线与不透光栅线编码排列，即透光栅线可以与透光栅线相邻，也可以和不透光栅线相邻。计算机零位栅线设计最基本的一点就是利用栅线条纹透光与不透光栅线交替的特点，以“0＂表示不透光栅线以“1＂表示透光栅线，则整个零位栅线序列就可以一个数值为0和1的矩阵来表示；设D＝u0/up，u0为系统光通量输出的第2最大值，up为系统光通量输出的最大值。而D就是光信号强度的对比度，可作为整个光栅系统的特征值。设计光栅的特殊编码矩阵时应该以对比度D最小化为目标，从而使输出信号和光通量强度获得最好的效果。上述编码方法可应用于透射式一维和二维零位光栅；但由于结构上的限制，透射式零位光栅并不能应用于某些设备机构上，如光刻机。

发明内容：

本发明的目的是提出一种通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法，以便于在光刻机上实现掩模-硅片之间的高精度对准，减少误差。

本发明的通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法，采用下述经过特殊光栅编码方法编码产生零位标记的光栅：该光栅由栅线等宽的透光栅线与不透光栅线任意排列组成，以“0＂表示不透光栅线，以“1＂表示透光栅线，将整个零位栅线序列以一个数值为0和1的矩阵来表示；设其光信号强度的对比度D＝u0/up，其中u0为系统光通量输出的第2最大值，up为系统光通量输出的最大值；使对比度D小到能满足系统分辨率的要求；其特征在于：采用上述光栅编码方法制造出两块光栅，该两块光栅中的对应栅格编码为互补码；其中一块为透射光栅，在玻璃片上加工而成；另一块为反射光栅，在硅片上加工而成；将该两块光栅按如下方式组合：首先将透射光栅垂直于入射光路放置，再把反射光栅安装在与透射光栅所在平面平行的平面上，并与入射光路垂直；调整两块光栅的相对位置使两块光栅完全对准，然后调整两块光栅之间的距离至获得最大的光强信号输出；最后用分束棱镜使反射光沿与入射光路垂直的方向射出，并利用光电接收器接收，对光电接收器接收的光信号进行判向和记数，即可对二维空间位置进行绝对测量和定位。

本发明的通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法在光刻机中的应用，其特征在于：按对准精度要求选择相应栅格常数的光栅，将透射光栅做在掩模上，反射光栅做在硅片上，在光刻机中使掩模与硅片对准，即，将掩模与硅片按如下方式组合：首先将掩模垂直于入射光路放置，再把硅片安装在与掩模所在平面平行的平面上，并与入射光路垂直；调整掩模与硅片的相对位置使做在其上的两块光栅完全对准，然后调整二者之间的距离至获得最大的光强信号输出；最后用分束棱镜使反射光沿与入射光路垂直的方向射出，并利用光电接收器接收，对光电接收器接收的光信号进行判向和记数，即可使掩模和硅片实现高精度对准。

通过使两块光栅完全对准，可以实现光刻机中掩模-硅片之间高于20纳米精度的对准；通过选择不同栅格常数的光栅，可获得不同的对准精度。

本发明通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法，是根据菲涅耳衍射理论，当两块光栅完全对准时光信号输出达到峰值，其脉冲半宽等于光栅的栅格常数，因此只要选择足够小的栅格常数的光栅，就可以让两块光栅的对准达到20纳米以上的精度；并且通过重复定位实验也能证明通过调节两块光栅之间的对准，在其二维空间上进行高于20纳米的高精度绝对定位，克服了现有技术只能进行一维或二维平面上普通定位而不能实现在二维坐标系上进行绝对定位的缺点；并且，由于其相对于透射式零位光栅在光信号接收光路上的改变，利用分束棱镜成象在另一个垂直平面内的技术，克服了光刻机不能使用透射式二维零位光栅的结构问题，让光电接收器能接收到光信号，从而可应用于光刻机中可实现掩模-硅片之间等的对准。传统的一维和二维光栅都没有一个绝对零位，容易导致计算误差，只能用于相对测量或必须外加监测系统才能进行绝对测量，精度也很难达到100纳米以上；而透射式光栅虽然能用作绝对测量定位，而且精度也能达到20纳米，但由于结构上的限制，透射式零位光栅并不能应用于如光刻机这类设备机构上。本发明比现有普通对准方法更适用于高精度定位，该零位系统的分辨率达到纳米级，并且结构简单；本发明通过改变系统结构，克服了原有透射式二维零位光栅由于其光路单一在某些结构上不能使用的缺点，能应用于光刻机等设备的对准技术中，更容易实现掩模-硅片之间的高精度对准。

附图说明：

图1为透反式二维零位光栅系统的结构示意图。

图2为光栅对准标记电镜照片。

图3为平面内光栅移动的对准示意图。

图4为光强与相对位移的关系图。

图5是栅格常数为5μm光栅。

图6是栅格常数为0.5μm光栅。

具体实施方式：

下面给合附图详细说明本发明产生透反式二维绝对零位对准标记的实施方式。

实施例1：通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记

图1给出了透反式二维零位光栅系统的结构示意图：坐标Y和坐标Z方向相互垂直。平行光光源1垂直透过分束棱镜4，分束棱镜4的工作面平行于X-Y平面，分束后第一光轴透过分束棱镜4沿着Z方向传播，第二光轴经分束棱镜4反射沿着坐标Y的负方向传播；在第二光轴上放置着光电接收器3，用于判别光源的强度变化，对最终结果给予补偿；透射光栅5安装在分束棱镜4后面，第一光轴垂直射入透射光栅5，其光栅面平行于X-Y平面；反射光栅6安装在透射光栅5后面，光栅平面与透射光栅5平行，第一光轴透过透射光栅5后垂直入射反射光栅6，经反射光栅6反射后沿着第一光轴反射回分束棱镜4上，一部分光透过分束棱镜4，另一部分光经过分束棱镜4反射沿着坐标Y的正方向传播，并用光电接收器2接收其信号。调整过程中，先调整好透射光栅5的相对角度和相对位置，然后保持透射光栅5不动，通过调整反射光栅的相对角度和相对位置获得X-Y平面内的绝对零位。最后，要求两块光栅等所有光学器件的所在平面都要垂直于所在光轴，并且光轴都通过上述平面的中心。通过这样的调节可以保证平面内的零位重合，在光刻机平面空间内形成一个完善的坐标系，实现掩模-硅片之间的对准。

本发明通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法，采用经过特殊编码可以产生零位标记的光栅，该光栅由栅线等宽的透光栅线与不透光栅线任意排列组成，以“0＂表示不透光栅线.以“1＂表示透光栅线，将整个零位栅线序列以一个数值为0和1的矩阵来表示；设光信号强度的对比度D＝u0/up，其中u0为系统光通量输出的第2最大值，up为系统光通量输出的最大值；对比度D尽量小，满足于系统分辨率的要求；设计光栅的特殊编码矩阵时应该以对比度D最小化为目标，从而使实验时的输出信号和光通量强度获得最好的效果。

图2为表示光栅对准标记电镜照片：对准标记是在二维方向上进行特殊编码，图中黑色表示该光栅单元不透光，白色则表示相应的光栅透光。

在平行光照明光路中，用光电接收器配以后续信号处理电路来探测输出的光强，在其透过光强与相对位移的关系图中，会产生一个尖锐脉冲输出，图3和图4分别给出了两块光栅在二维和一维自由度上的相对位移与光强的关系图，图中光强单位任意，位移单位是光栅单元宽度是微米。由图3可说明，只有当两块标记完全对准时，信号输出P最大，如果相对位置稍有偏离，信号输出P会迅速减弱。图4是经过归一化处理后系统输出光强与光栅在X方向上的相对位置变化之间的关系图，曲线A代表透射式二维零位光栅理论值，曲线B为透反式二维零位光栅的实验值，曲线C为透反式二维零位光栅的理论值；三条曲线的脉冲半宽只有一个光栅单元宽度，透射式光栅和透反式光栅在其中心尖峰内都有很好的线性输出，而且两种光栅系统在相同的环境参数以及编码矩阵构造完全相同的条件下，透反式光栅系统的光强信号对比度明显要比传统透射式的小得多，因此前者判别绝对零位位置的性能更加优异。控制光栅单元宽度在微米范围内，则对准精度相应的在微米范围，当对准信号细分一定倍率后，容易获得纳米量级的对准精度。

由于零位光栅是由许多个0和1单元按照一定的编码规律排列而成，具有多单元的累计效应，对加工误差不敏感。其脉冲式的光强输出可作为系统二维方向测量的绝对零位，也可用于高精度、高灵敏度的对准，实现精密定位和绝对测量。这种二维零位对准标记可以广泛应用于高分辨率高精度的三维对准系统中。

本实施例中采用的光栅标记细分系数为64。

实施例2：透反式对准技术在光刻机中的应用

透反式可以作为一种光刻对准技术应用于光刻机中的掩模与硅片的对准。

按对准精度要求选择相应栅格常数的光栅，将透射光栅做在掩模上，反射光栅做在硅片上，在光刻机中要使掩模与硅片对准，就要将掩模与硅片按如下方式组合：首先将掩模垂直于入射光路放置，再把硅片安装在与掩模所在平面平行的平面上，并与入射光路垂直；调整掩模与硅片的相对位置使做在他们上的两块光栅完全对准，然后调整二者之间的距离至获得最大的光强信号输出；最后用分束棱镜使反射光成像于另一方向，利用光电接收器接收，对光电接收器接收的光信号进行判向和记数，通过使两块光栅完全对准，就可以实现光刻机中掩模-硅片之间高于20纳米精度的对准；通过选择不同栅格常数的光栅，可获得不同的对准精度。

由于脉冲半宽只有一个光栅单元宽度，同样编码的光栅通过不同加工方式获得不同的单元宽度，从而实现系统的可变换精度，如图5和图6所示：图5是栅格常数为5μm光栅，图6是栅格常数为0.5μm光栅，当栅格常数为5μm光栅时，系统就可以达到20纳米的精度。在不改变系统其他部件的前提下，可以十分简便地满足不同精度场合下的要求。

通过实验可得到20纳米的对准精度，使用电子束光刻所得的单元宽度为0.5微米的光栅即可得到纳米级的精度，这样在使用过程中就可以选择最经济的方式获得需要的精度。

Claims (2)

1、一种通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法，采用下述经过特殊光栅编码方法编码产生零位标记的光栅：该光栅由栅线等宽的透光栅线与不透光栅线任意排列组成，以“0＂表示不透光栅线，以“1＂表示透光栅线，将整个零位栅线序列以一个数值为0和1的矩阵来表示；设其光信号强度的对比度D＝u0/up，其中u0为系统光通量输出的第2最大值，up为系统光通量输出的最大值；使对比度D小到能满足系统分辨率的要求；其特征在于：采用上述光栅编码方法制造出两块光栅，该两块光栅中的对应栅格编码为互补码；其中一块为透射光栅，在玻璃片上加工而成；另一块为反射光栅，在硅片上加工而成；将该两块光栅按如下方式组合：首先将透射光栅垂直于入射光路放置，再把反射光栅安装在与透射光栅所在平面平行的平面上，并与入射光路垂直；调整两块光栅的相对位置使两块光栅完全对准，然后调整两块光栅之间的距离至获得最大的光强信号输出；最后用分束棱镜使反射光沿与入射光路垂直的方向射出，并利用光电接收器接收，对光电接收器接收的光信号进行判向和记数，即可对二维空间位置进行绝对测量和定位。

2、权利要求1所述通过透反式零位光栅产生绝对零位对准标记的方法在光刻机中的应用，其特征在于：按对准精度要求选择相应栅格常数的光栅，将透射光栅做在掩模上，反射光栅做在硅片上，在光刻机中使掩模与硅片对准，即，将掩模与硅片按如下方式组合：首先将掩模垂直于入射光路放置，再把硅片安装在与掩模所在平面平行的平面上，并与入射光路垂直；调整掩模与硅片的相对位置使做在其上的两块光栅完全对准，然后调整二者之间的距离至获得最大的光强信号输出；最后用分束棱镜使反射光沿与入射光路垂直的方向射出，并利用光电接收器接收，对光电接收器接收的光信号进行判向和记数，即可使掩模和硅片实现高精度对准。

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