CN100587605C - 一种用于光刻设备对准系统的对准标记结构 - Google Patents

Abstract

一种用于光刻设备对准系统的对准标记结构，所述对准标记是二维对准标记，至少包含六组光栅：用于x轴方向对准的x轴第一光栅、第二光栅和第三光栅，以及用于y轴方向对准的y轴第一光栅、第二光栅和第三光栅，所述x轴和y轴各自的第一光栅、第三光栅和第二光栅均沿对准方向依次排开，用于x轴方向对准和用于y轴方向对准的光栅相互垂直，根据所述x轴方向和y轴方向的第一光栅对准信号和第二光栅对准信号的位相信息得到对准标记的粗略中心位置，根据第三光信号的位相信息，并结合对准标记的粗略中心位置得到对准标记的精确中心位置，本发明降低了技术难度，避免了因耦合产生的误差和光能量的损失，提高了精度。

Description

一种用于光刻设备对准系统的对准标记结构

技术领域

本发明与集成电路或其他微型器件制造领域的光刻设备有关，特别涉及一种对准系统的对准标记。

背景技术

现有技术中的光刻设备，主要用于集成电路IC或其他微型器件的制造。通过光刻设备，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准情况下依次曝光成像在涂覆有光刻胶的硅片上。目前的光刻设备大体上分为两类，一类是步进光刻设备，掩模图案一次曝光成像在硅片的一个曝光区域，随后硅片相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在硅片的另一曝光区域，重复这一过程直到硅片上所有曝光区域都拥有相应掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻设备，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与硅片同时相对于投影系统和投影光束移动，完成硅片曝光。

光刻设备中关键的步骤是将掩模与硅片对准。第一层掩模图案在硅片上曝光后从设备中移走，在硅片进行相关的工艺处理后，进行第二层掩模图案的曝光，但为确保第二层掩模图案和随后掩模图案的像相对于硅片上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和硅片进行精确对准。由于光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在硅片中形成多层电路，为此，光刻设备中要求实现掩模和硅片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对对准精度的要求将变得更加严格。

现有技术有两种对准方案：一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明掩模上的对准标记通过物镜成像于硅片平面，移动硅片台，使硅片台上的参考标记扫描对准标记所成的像，同时采样所成像的光强，探测器输出的最大光强位置即表示正确的对准位置，该对准位置为用于监测硅片台位置移动的激光干涉仪的位置测量提供了零基准；另一种是OA离轴对准技术，通过离轴对准系统测量位于硅片台上的多个对准标记以及硅片台上基准板的基准标记，实现硅片对准和硅片台对准，硅片台上参考标记与掩模对准标记对准，实现掩模对准，由此可以得到掩模和硅片的位置关系，实现掩模和硅片对准。

目前，主流光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，衍射光携带有关于对准标记结构的全部信息。多级次衍射光以不同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±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)在参考面干涉成像，利用像与相应参考光栅在一定方向扫描，经光电探测器探测和信号处理，确定对准中心位置。

一种现有技术的情况(参见中国发明专利，公开号：CN1506768A，发明名称：用于光刻系统的对准系统和方法)，荷兰ASML公司所采用的一种4f系统结构的ATHENA离轴对准系统，该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来实现对准标记多级衍射光的重叠和相干成像，并在像面上将成像空间分开；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透过参考光栅的透射光强，得到正弦输出的对准信号。

该对准系统通过探测对准标记的(包括高级次衍射光在内)多级次衍射光以减小对准标记非对称变形导致的对准位置误差。具体采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的正、负级次光斑对应重叠、相干成像，同时各级衍射光光束通过楔块列阵或楔板组的偏折使得对准标记用于x轴方向对准的光栅各级光栅像在像面沿y轴方向排列成像；用于y轴方向对准的光栅各级光栅像在像面沿x轴方向排列成像，避免了对准标记各级光栅像扫描对应参考光栅时不同周期光栅像同时扫描一个参考光栅的情况，有效解决信号的串扰问题。但是，使用楔块列阵时，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。

另一种现有技术的情况(参见中国发明专利，公开号：200710044152.1，发明名称：一种用于光刻设备的对准系统)，该对准系统采用具有粗细结合的三周期相位光栅，只利用这三个周期的一级衍射光作为对准信号，可以实现大的捕获范围的同时获得高的对准精度，只使用各周期的一级衍射光，可以获取较强的信号强度，提高系统信噪比，不需要借助楔板等调节装置来分开多路高级次衍射分量，简化光路设计和调试难度，但在二维对准标记布局中，标记结构松散，需要较大的照明光斑，这势必引入更多杂散光，降低了信噪比，另一方面，在这个发明中，二维对准标记的中间光栅的x轴向和y轴向光栅均采用了两段光栅，需要通过耦合器将两段光耦合在一起，探测其光强，而两段光栅相位难以完全重合，这必然会引入相位误差，导致精度降低，此外，光耦合的过程将损失能量，不能充分利用光强。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于光刻设备对准系统的排列紧凑且非耦合的对准标记结构，采用以下技术方案：

所述对准标记是二维对准标记，至少包含六组光栅：x轴第一光栅、x轴第二光栅和x轴第三光栅，用于x轴方向对准，所述x轴第一光栅、x轴第三光栅和x轴第二光栅沿x轴方向依次排开，所述x轴第一光栅和所述x轴第二光栅为大周期光栅，所述x轴第三光栅为小周期光栅，所述x轴第三光栅离所述x轴第一光栅和所述x轴第二光栅其中之一的距离比到另一个的距离远，y轴第一光栅、y轴第二光栅和y轴第三光栅，用于y轴方向对准，所述y轴第一光栅、y轴第三光栅和y轴第二光栅沿y轴方向依次排开，所述y轴第一光栅和所述y轴第二光栅为大周期光栅，所述y轴第三光栅为小周期光栅，所述y轴第三光栅离所述y轴第一光栅和所述y轴第二光栅其中之一的距离比到另一个的距离远，所述x轴的光栅和所述y轴的光栅相互垂直，所述x轴第三光栅和与其相距远的x轴大周期光栅之间的中点，与所述y轴第三光栅和与其相距远的y轴大周期光栅之间的中点重合。

进一步的，所述对准标记的x轴和y轴各自的第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级衍射光通过空间滤波分别相干成像在位于像面的参考光栅上。

进一步的，所述参考光栅包括六组振幅型光栅，分别对应于x轴第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级光栅像和y轴第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级光栅像，六组光栅的排列方式与对准标记相同。

进一步的，所述对准标记的x轴和y轴各自的第一光栅、第二光栅和第三光栅的像经过参考光栅调制后的透射光强变化，分别得到x轴和y轴各自的第一光栅对准信号、第二栅对准信号和第三光栅对准信号。

进一步的，根据所述x轴和y轴各自的第一光栅对准信号和第二光栅对准信号的位相信息得到对准标记的粗略中心位置，根据所述x轴和y轴各自的第三光信号的位相信息，并结合对准标记的粗略中心位置得到对准标记的精确中心位置。

进一步的，所述对准标记的x轴和y轴各自的第一光栅像、第二光栅像和第三光栅像在对准位置时分别与相应的参考光栅中心位置重合，即相位得到匹配，用于更准确的粗捕获对准和精对准，减小对准误差。

本发明采用了二维对准标记的不对称排列，使得光栅排列紧凑，并且二维对准标记的中间光栅的x轴向和y轴向均采用一段光栅，排列更加紧凑，减小了照明光斑的尺寸，使得引入的杂散光变少，提高了信号的信噪比和最终的对准精度，中间光栅的x轴向和y轴向均采用一段光栅，不需要考虑两段光的耦合问题，降低了技术难度，并避免了因耦合产生的误差和光能量的损失，提高了精度。

附图说明

图1是本发明光刻设备所用的对准系统与光刻设备之间的总体布局、工作原理结构示意图；

图2是本发明实施方案所用对准系统结构示意图；

图3是本发明实施方案所用对准系统中频谱面滤波孔分布示意图；

图4是本发明硅片对准标记第一实施方案二维标记的示意图；

图5是本发明硅片对准标记第一实施方案对应参考光栅的示意图；

图6是本发明对准系统第一实施方案二维对准标记划线槽布局图；

图7是本发明对准标记第一实施方案经过对准系统扫描，信号增益处理后的对准信号示意图；

图8是本发明硅片对准标记第二实施方案二维标记的示意图；

图9是本发明硅片对准标记第二实施方案对应参考光栅的示意图；

图10是本发明对准系统第二实施方案二维对准标记划线槽布局图；

图11是本发明对准系统第二实施方案经过对准系统扫描，信号增益处理后的对准信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的描述。

请参考图1，图1示出了本发明所用光刻设备的对准系统与光刻设备之间的总体布局、工作原理结构示意图。光刻设备的构成包括：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硅片6的投影光学系统4，用于支承硅片6的硅片支架和硅片台7，硅片台7上有刻有基准标记FM的基准板8，硅片6上有周期性光学结构的对准标记；用于掩模和硅片对准的离轴对准系统5，用于掩模台3和硅片台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和硅片台7位移的伺服系统13和驱动系统9、14。

其中，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、一个聚光镜(图中均未示出)。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2上包含有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轴重合)的X轴-Y轴平面内移动，并且在预定的扫描方向(平行于X轴轴方向)以特定的扫描速度移动。掩模台3在移动平面内的位置通过位于掩模台3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3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所示的掩模台3下方，其光轴AX轴平行于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的折射式或折反射式光学系统作为投影光学系统，所以当照明系统1发射的曝光光束照射掩模版2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硅片6上成缩小的图像。

硅片台7位于投影光学系统4的下方，硅片台7上设置有一个硅片支架(图中未示出)，硅片6固定在支架上。硅片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向(X轴方向)和垂直于扫描方向(Y轴方向)上运动，使得可以将硅片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。硅片台7在X轴-Y轴平面内的位置通过一个位于硅片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，硅片台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控制硅片台7的运动。

硅片6上设有周期性结构的对准标记，硅片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准系统5分别通过硅片对准标记和基准标记FM实现硅片6对准和硅片台7对准。另外，一个同轴对准单元(图中未示出)将硅片台上基准板8的基准标记FM与掩模对准标记RM对准，实现掩模对准。对准系统5的对准信息结合同轴对准单元的对准信息一起传输到主控制系统12，经数据处理后，驱动系统9驱动硅片台7移动实现掩模和硅片6的对准。

图2为本发明第一实施例的对准系统结构示意图，该对准系统主要由光源模块、照明模块、成像模块、探测模块、信号处理和定位模块(图中没有示出)等组成。光源模块主要包括提供两个波长的光源、快门、光隔离器和RF调制器(图中没有示出)。照明模块包括传输光纤和照明光学系统。成像模块主要包括：大数值孔径的物镜(211)、分束器214、双向分束器218、空间滤波器(219、224)和透镜系统(211、220、225)。探测模块包括参考光栅(221、226)、传输光纤(216、222、227)、CCD相机217和光电探测器(223、228)。信号处理和定位模块主要包括光电信号转换和放大、模数转换和数字信号处理电路等。

对准系统原理为：光源模块输出的光束201(包含两种可选波长，也可同时应用)进入光束合束器202，经由单膜保偏光纤203传输到起偏器204、透镜205、照明孔径光阑206和透镜207，然后经平板209上的反射棱镜208垂直入射到消色差的λ/4波片210进入大数值孔径的物镜211(4F透镜的前组)，光束经大数值孔径的物镜211会聚照射到硅片标记212上并发生衍射，标记212各级次衍射光沿原路返回并经平板209进入分束器214，分束器214将一小部分衍射光经过镀膜反射面213反射到CCD光路经过透镜215、传输光纤216，成像于CCD217上用于观测标记成像情况，另一部分衍射光沿光路透射过去由分光棱镜218两种波长光束分开，分别进入不同的光路，经过相应的空间滤波器(219、224)选择需要的衍射光级次(本发明需要的分别是各光栅的±1级衍射光，并通过透镜系统(220、225，4F透镜的后组)将相应衍射级次光干涉像成在参考光栅(221、226)上，标记衍射级次干涉像经由参考光栅(221、226)扫描得到的信号经传输光纤(222、227)输送到光电探测器(223、228)进行信号探测。

图3为本发明所用空间滤波器(219、224)的结构示意图，分为垂直和水平两个方向排列，分别用于两个方向的对准标记±1级衍射光滤波，由于对准标记中用于对准范围捕获的两个大周期光栅的周期相差很小，其±1级衍射光束在4F系统频谱面(空间滤波器所在位置)上距离很近，所以也可以让两个大周期光栅的±1级衍射光束在同一滤波孔内通过。

该对准系统的主要特征是，通过在像面探测对准标记的第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级衍射光相干成像后经参考光栅调制的光强变化，由透射光信号的相位信息获得对准标记的中心位置。其中由对准标记的第一光栅和第二光栅的对准信号获得对准标记的粗略位置信息，由对准标记的第三光栅的对准信号得到对准标记的精确位置信息。

图4是图1中硅片二维对准标记的结构示意图，是可以实现两个方向同时进行扫描对准的标记，标记共由六组光栅组成。对准标记是占空比为1∶1的相位光栅结构。

用于x轴方向对准的对准标记包含三组不同周期的光栅：第一光栅401、第二光栅402和第三光栅403，其中第一光栅401的光栅周期为P1，第二光栅402的光栅周期为P2，第三光栅403的光栅周期为P3，所述x轴方向的第一光栅401和第三光栅403为大周期光栅，所述x轴方向的第二光栅402为小周期光栅，所述x轴方向的第一光栅401、第三光栅403和第二光栅402沿对准方向依次排开，用于x轴方向对准的对准标记光栅位于x轴方向的划线槽中，所述x轴方向的第三光栅403处于靠近所述x轴方向的第二光栅402的位置，两者的位置关系需保证信号无串扰。

对用于两组大周期光栅：第一光栅401和第二光栅402，选择不同的光栅周期可以提高对准标记的捕获范围，捕获范围表示为P1×P2/[2(P1-P2)]。光栅周期P1、P2相差不大，一般取P2＝(1±r％)P1，其中r取值在5到15之间。例如，第一光栅401周期为13um，第二光栅402周期为12um，则捕获范围为78um。第三光栅403的周期P3＜P1，且P3＜P2，用于精对准。例如，第三光栅403的周期可以为2μm。三组光栅之间的周期取值要相互匹配，即要求在滤波面上的滤波孔只能够让各自光栅的±1级衍射光透过，其他级次衍射光由于在滤波孔外而被挡住。

同样，用于y轴方向对准的对准标记包括第一光栅405、第二光栅404和第三光栅406，所述y轴方向的第三光栅406处于靠近所述y轴方向的第二光栅404的位置，两者的位置关系需保证信号无串扰，三组光栅周期与x轴方向对准标记的三组光栅周期相同。二维对准标记在划线槽(Scribe Lane)中的位置如图6所示。

用于x轴方向对准和用于y轴方向对准的光栅相互垂直，所述的用于x轴方向对准的对准标记，和所述用于y轴方向对准的对准标记交点应为x轴方向和y轴方向的第一光栅与第三光栅的中点，根据所述x轴方向和y轴方向的第一光栅对准信号和第二光栅对准信号的位相信息得到对准标记的粗略中心位置，根据第三光栅对准信号的位相信息，并结合对准标记的粗略中心位置得到对准标记的精确中心位置。

该对准系统对准标记三组光栅周期可以根据各自衍射光束在频率面上的位置，进行合适的周期匹配，以便于进行空间滤波，能够产生具有较强工艺适应性、高灵敏度和高信噪比的对准信号，对准系统重复性精度可以达到3-5nm，完全满足线宽90nm以及90nm以下的对准要求。

如图5所示，参考光栅包括六组振幅型光栅：光栅501、光栅502、光栅503、光栅504、光栅505和光栅506，分别对应于x轴方向对准标记的第一光栅401、第二光栅的402和第三光栅403，y轴方向对准标记的第一光栅404、第二光栅405和第三光栅406的衍射±1级光栅像。六组振幅型光栅后分别设置有传输光纤束，包括光纤507、508、509、510、511和512，将参考光栅的各组光栅的透射光传输到相应的光电探测器阵列，为使得标记排列紧凑，并使其探测光纤有足够的空间摆放，要求光纤511和512分别与光纤507、509相切，从而确定各标记光栅间的位置关系，在二维对准标记扫描过程中，得到对准标记x轴和y轴方向的对准信号，经过增益处理后如图7所示，包括第一光栅对准信号P1、第二光栅对准信号P2和第三光栅对准信号P3。

图6给出了二维对准标记结构在硅片划线槽内的布设情况，在硅片上曝光场之间相互垂直的划线槽内，布设有二维对准标记，光栅P1、P2、P3用于x轴方向对准，位于x轴方向的划线槽内。光栅P4、P5、P6用于y轴方向对准，位于y轴方向的划线槽内。为防止来自IC产品结构的信号串扰，对准标记光栅应该位于划线槽的中间区域，并且宽度小于划线槽宽度，例如为72μm或36μm，划线槽宽度则为82μm左右。

图7为理想三周期对准信号。

图8-11为是采用上述对准系统的光刻设备的另一个实施例，图8是本发明硅片对准标记第二实施方案二维标记的示意图，所述x轴第三光栅403处于靠近所述x轴第一光栅401的位置，所述y轴第三光栅406处于靠近所述y轴第一光栅404的位置，图9是本发明硅片对准标记第二实施方案对应参考光栅的示意图，图10是本发明对准系统第二实施方案二维对准标记划线槽布局图，图11是本发明对准系统第二实施方案经过对准系统扫描，信号增益处理后的对准信号示意图，原理皆和第一实施方案相同。

本发明所述的这种二维对准标记占用空间小，这使得照明光斑相应减小，光源利用率提高，并且二维对准标记的中间光栅的x轴向和y轴向均采用一段光栅，不需要考虑两段光的耦合问题，降低了技术难度，并避免了因耦合产生的误差和光能量的损失，提高了精度。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1、一种用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于：

所述对准标记是二维三周期对准标记，包含六组光栅：

x轴第一光栅、x轴第二光栅和x轴第三光栅，用于x轴方向对准，所述x轴第一光栅、x轴第三光栅和x轴第二光栅沿x轴方向依次排开，所述x轴第一光栅和所述x轴第二光栅为大周期光栅，所述x轴第三光栅为小周期光栅，所述x轴第三光栅离所述x轴第一光栅和所述x轴第二光栅其中之一的距离比到另一个的距离远；

y轴第一光栅、y轴第二光栅和y轴第三光栅，用于y轴方向对准，所述y轴第一光栅、y轴第三光栅和y轴第二光栅沿y轴方向依次排开，所述y轴第一光栅和所述y轴第二光栅为大周期光栅，所述y轴第三光栅为小周期光栅，所述y轴第三光栅离所述y轴第一光栅和所述y轴第二光栅其中之一的距离比到另一个的距离远；

所述x轴的光栅和所述y轴的光栅相互垂直，所述x轴第三光栅和与其相距远的x轴大周期光栅之间的中点，与所述y轴第三光栅和与其相距远的y轴大周期光栅之间的中点重合。

2、如权利要求1所述的用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于，所述对准标记的x轴和y轴各自的第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级衍射光通过空间滤波分别相干成像在位于像面的参考光栅上。

3、如权利要求2所述的用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于，所述参考光栅包括六组振幅型光栅，分别对应于x轴第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级光栅像和y轴第一光栅、第二光栅和第三光栅的±1级光栅像，所述参考光栅的排列方式与对准标记相同。

4、如权利要求3所述的用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于，所述参考光栅后分别设置有传输光纤束。

5、如权利要求1所述的用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于，所述对准标记的x轴和y轴各自的第一光栅、第二光栅和第三光栅的像经过参考光栅调制后的透射光强变化，分别得到x轴和y轴各自的第一光栅对准信号、第二光栅对准信号和第三光栅对准信号。

6、如权利要求5所述的用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于：根据所述x轴和y轴各自的第一光栅对准信号和第二光栅对准信号的位相信息得到对准标记的粗略中心位置，根据所述x轴和y轴各自的第三光栅对准信号的位相信息，并结合对准标记的粗略中心位置得到对准标记的精确中心位置。

7、如权利要求1所述的用于光刻设备对准系统的对准标记结构，其特征在于，所述对准标记的x轴和y轴各自的第一光栅像、第二光栅像和第三光栅像在对准位置时分别与相应的参考光栅中心位置重合，即相位得到匹配，用于粗捕获对准和精对准，减小对准误差。

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