CN101114135A - 一种用于光刻设备的对准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光刻设备的对准系统，其在基底标记或基底台基准标记使用具有粗精配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，还可以获得标记变形的信息和其它有用信息，通过对三个周期大小配合和/或布局进行优化设计，可以使得标记非对称变形对对准位置的影响有效减小。

Description

一种用于光刻设备的对准系统

技术领域

本发明涉及光刻机技术，特别涉及扫描投影光刻机的对准技术。

背景技术

应用步进扫描投影光刻机来完成微细加工的图形转移任务，基本上会涉及工件装载、工件待加工区域与掩膜版对准、工件曝光和工件卸载等基本步骤，其中尤其涉及到工件需要进行多层加工工艺的情况下，工件待加工区域与掩模版的精确对准是确保在线宽不断缩小情况下工件被正确加工的前提，当图形被准确的投影到工件待加工区域或新一层图形准确的套准投影在先前已形成图形的工件待加工区域上时，对当前层的适宜曝光，可以实现图形从掩膜版到基底(即待加工工件)的准确转移或层间套刻要求。

早期的光刻投影设备多采用同轴对准方法，专利US.4,251,160介绍了一种同轴对准装置，来实现掩膜片标记与基底标记的对准，其实现结构包括对准用光源、掩膜片及掩膜标记、对准光路(借助于投影物镜光路)和基底及基底标记。然而，随着加工最小线宽不断缩小，被迫采用更短的曝光波长，由于物镜必须根据曝光波长而并非对准波长进行优化设计，对准信号的强度势必受到影响。而且由于引入CMP工艺使得基底标记不对称，从而使同轴对准方法不再可靠。此外，各种工艺步骤使对准标记发生变化，包括引入不对称性和基底光栅标记的槽有效深度的变化。其它加工方法或步骤经常引入不同类型的误差。例如，铜-镶嵌过程会在集成电路表面的随机分布中引入对准误差。随着光刻技术构造的结构的尺寸减小和复杂性提高，不断要求提高对准精度。不提高对准精度，就不能实现分辨率的提高。此外，微器件复杂性的提高更需要技术来控制并将制造过程中由于对准误差而必须丢弃的基底数量降至最低。

另外，如何实现较大的捕获范围保证包含对准中心也是应该关注的问题，因为技术条件和工作顺序的限制，基底上片的预对准精度还不容易达到很高的程度，所以对完成预对准以后放在基底台的基底进行对准的前提条件是对准装置可以保证找到对准标记中心所在的区域，并获取包含中心区域信息的信号，通过对这种类型信号的处理最终获得对准中心位置，这也就是所谓的捕获范围问题。文献1(A new interferometric alignment technique，D.C.Flanders and HenryI.Smith，Appl.Phys.Lett.，vol.31，no.7，p.426，1977)介绍了一种用于X射线投影光刻机利用被具有周期p的基底标记与具有周期p+Δp的掩膜版标记之间的空间调制得到的正级次光组干涉形成的相位信号与负级次光组干涉形成的相位信号之间相位零相交位置作为精对准的位置，同时，这样可以获得P＝[p(p+Δp)]/Δp≈p²/Δp的标记中心位置的捕获范围，即可以确保在P范围内有一个对准点。

更进一步，文献2(Automatic Alignment System for Optical ProjectionPrinting，Gijs Bouwhuis and Stefan Wittekoek，IEEE Transactions on ElectronDevices，VOL.ED-26，NO.4，April 1979)提出了一种用于步进投影光刻机的一种利用周期为p的基底相位光栅与周期为p′＝R×p/2(其中R为光学倍率)的掩膜版相位光栅相对进行扫描运动获得一个与基底位置相一致的二次型相位信号，可以利用最大光强值来确定对准位置，前提是预对准精度达到p/4，在预对准精度允许范围内的信号峰值就是所求的对准位置，文中提到虽然可以用增加观察光路的方法来实现这样的预对准精度，但更好的方法是加入另外一个周期为p+Δp(Δp＜＜p)的光栅，通过设计保证这两个周期的光栅存在零相交位置，这样这两个光栅形成的信号的零相交位置将以P＝[p(p+Δp)]/Δp≈p²/Δp为周期重复出现，所以如果在小于P的范围内将可以保证只有一个唯一的零相交位置，这个位置就可以作为精确的对准位置。但随着特征线宽(Critical Dimension，CD)尺寸的减小，对套刻精度提高的要求也使得单纯用这种方式无法满足更高对准精度的要求。因为如果减小p，则P也将减小，对预对准的要求相应必须提高；而如果增大p，则P虽可以增大，但如果只利用一级光无法更好的实现更高精度的对准。

离轴对准系统的引入已经有一段时间。比如，专利US.4,937,618介绍了一种离轴对准技术，其中使用了两路离轴对准单元，结合一路同轴对准单元来完成掩膜版标记和基底标记的对准，在两路离轴对准单元中，每一路都可以提供高、低两种放大倍数底探测方式，分别用于精对准和粗对准，其探测信号经过一个参考标记比较后引入CCD(电耦合器件)和检测电路以及显示器，通过检测电路对图像信号进行逐行积分，获得若干连续桢的整幅图像后通过与预设的代表标记中心的阈值电平值V1和一个低电平值V2做比较，可以找到超过V2的值，作为标记图像，而超过V1的值作为标记中心，x向和y向可以同时探测。显然，通过预设阈值电平值来检测对准中心，其精度除了容易受CCD象素大小和系统放大倍率(放大倍率过大则不易保证成像质量)影响，还受信号上叠加的平均噪声的影响，所以实际对准精度和重复性较差。

专利US.5,243,195介绍了一种离轴对准技术，也是结合同轴对准装置来实现掩膜版标记和基底标记的对准。通过用一个分化板将标记x向和y向部分分别成像在各自的CCD传感器上，然后结合对图像信号的分析得到对准位置，然而，标记变形和不同覆盖层材料反射率的变化使得图像对比度和强度变化很大，从而影响得到较好的结果。

专利US.6,297,876 B1介绍了一种离轴对准方法，也是结合同轴对准装置来实现掩膜版标记和基底标记的对准。通过采集一个标记的7个阶次的衍射光，经过具有楔板调节装置的空间分离装置使这7个阶次的正负分量在像面相干叠加，然后对这7个阶次的光信号进行拟和，找到7个阶次都最大的一点，作为标记的中心位置。该方案的优点是可以实现自动捕获以及较高的对准精度，但缺点是需要特殊的楔板调节装置和复杂的装调，另外，衍射光中的高阶次信号较弱，而该方法却又靠高阶次信号来实现较高的对准精度，实际中随着标记(特别是硅片标记)反射信号(特别是高阶次信号)功率过低，则实际无法利用高阶次信号，所以并不能可靠的提供最高对准精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光刻设备的对准系统，以实现较大的捕获范围和较高的对准精度，而相应的光刻装置具有较高的套刻精度和产率。

为了达到上述的目的，本发明提供一种用于光刻设备的对准系统，其包括：对准辐射源、对准标记、对准标记信号检测器和信号处理器；该对准辐射源发出校准光束；该校准光束照射该对准标记得到对准标记信号；该对准标记信号射入该对准标记信号检测器；该对准标记信号检测器与信号处理器相连接。

该对准标记包含有至少三段光栅结构。

该对准标记包含的相位光栅有三个不同周期相位。

该对准标记信号为该校准光束照射该对准标记后发出的一级衍射信号。

该对准标记可以位于基底上，也可以位于基底台上。

该透镜组可以是单独设计的采用双远心结构的4f透镜组，也可以是光刻机的投影物镜。

该对准标记位于该透镜组的前组透镜焦平面上。

该对准系统采用统一的工作时序控制机制。

该对准标记可以是成直线排列的三个不同周期的相位光栅，也可以是位于同一平面内成正交布置的两组成直线排列的三个不同周期的相位光栅，还可以是位于同一平面内的其他方式排列的包含三个不同周期的相位光栅。该成直线排列的三个不同周期的相位光栅的条纹垂直于三个光栅所成直线，位于中部的光栅的周期可以是小于位于两边的光栅的周期，位于中部的光栅的周期可以是大于位于两边的光栅的周期之差。

该透镜组中可以加入空间滤波器。该空间滤波器仅允许三个周期相位的光栅的一级衍射信号通过。该空间滤波器可以是仅允许该对准标记的光栅的一级衍射信号通过的孔径光阑。

该对准辐射源可以是只能发出一个波长的校准光束的辐射源，也可以是能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源。该能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源可以是同一时刻发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源，也可以是同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个或两个以上辐射源。

该同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个或两个以上辐射源可以通过分束器将不同波长的校准光束以相同入射角投射到该对准标记。该分束器可以是偏振分束器件。

该同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个或两个以上辐射源可以是同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个辐射源，此时，第一辐射源发出第一波长的校准光束垂直于该对准标记平面照射对准标记，第二辐射源发出第二波长的校准光束垂直于第一辐射源发出的第一波长的校准光束，该偏振分束器件位于该第一波长的校准光束与该第二波长的校准光束交汇处。可以在该偏振分述器件与该对准标记之间加入λ/4波片。

使用能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源时，可以只使用一个对准标记信号检测器，也可以使用两个或两个以上对准标记信号检测器。使用两个或两个以上该对准标记信号检测器时，可以使用分束器将两个或两个以上波长的对准标记信号分别投射到不同的对准信号检测器。该分束器可以是偏振分束器件。

该对准标记信号检测器可以包括对准辐射源光纤、分光装置、前组透镜、空间滤波器、后组透镜、全反射器件、光电信号传感器和与该对准标记布局形式相应的参考光栅。该对准辐射源连接到该对准辐射源光纤，该对准辐射源光纤连接到该分光装置的一个输入端，该分光装置的一个输出端和另一个输入端同时指向该对准标记，该分光装置的另一个输出端指向该前组透镜，该空间滤波器位于该前组透镜和该后组透镜之间，该全反射器件位于该前组透镜和该后组透镜的中心光路上，该参考光栅分别位于该对准标记的光栅通过透镜组成像位置，该光电信号传感器分别位于该参考光栅后。该参考光栅分支的周期分别与对应该对准标记分支所成像的周期相同。该全反射器件可以是全反射棱镜。

该对准标记信号检测器也可以包括对准辐射源光纤、分光装置、前组透镜、空间滤波器、后组透镜、全反射器件、探测光纤、光电信号传感器和与该对准标记布局形式相应的参考光栅。该对准辐射源连接到该对准辐射源光纤，该对准辐射源光纤连接到该分光装置的一个输入端，该分光装置的一个输出端和另一个输入端同时指向该对准标记，该分光装置的另一个输出端指向该前组透镜，该空间滤波器位于该前组透镜和该后组透镜之间，该全反射器件位于该前组透镜和该后组透镜的中心光路上，该参考光栅分别位于该对准标记的光栅通过透镜组成像位置，该探测光纤的一端分别位于该参考光栅后，该探测光纤的另一端连接到该光电信号传感器。该参考光栅分支的周期分别与对应该对准标记分支所成像的周期相同。该全反射器件可以是全反射棱镜。

该信号处理器包括：光电转换和放大器；模数转换器；具有两输入端的拟和信号处理器；位置数据处理器；具有两输出端的位置数据转换与采样器；基底台运动控制器；和工作时序控制器；该对准标记信号检测器的输出信号输入该光电转换和放大器的输入端；该光电转换和放大器的输出端与该模数转换器的输入端相连；该模数转换器的输出端与该拟和信号处理器的一个输入端相连；基底台位移信号输入该位置数据转换与采样器的输入端；该位置数据转换与采样器的一个输出端与该位置数据处理器的输入端相连；该位置数据处理器的输出端与该拟和信号处理器的另一个输入端相连；该位置数据转换与采样器的另一个输出端与基底台运动控制器相连；工作时序控制器与光电转换和放大器、模数转换器、拟和信号处理器、位置数据处理器、位置数据转换与采样器、基底台运动控制器的时序端口相连。

该基底台位移信号可以由位于基底台平面呈正交分布且均对准基底台的两部激光干涉仪输出。该基底台位移信号还可以包括与该基底台平面呈垂直的一部激光干涉仪的输出信号。

本发明的用于光刻设备的对准系统在基底标记或基底台基准标记使用具有粗精配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，采用较少的光纤信号及电信号处理通道数量，可以简化硬件实现和缩小信号处理时间开销，从而提高对准效率，通过对三个周期相位光栅对准位置的分析，还可以获得标记变形的信息和其它有用信息，通过对三个周期大小配合进行优化设计，可以使得标记非对称变形对对准位置的影响有效减小。

附图说明

图1为使用本发明的光刻机对准系统示意图；

图2为一维x向三周期标记示意图；

图3为一维y向三周期标记示意图；

图4为成正交布置的两组光栅的三周期标记示意图；

图5为三周期光栅空间衍射示意图；

图6为本发明的三周期对准系统的一种实现方案示意图；

图7为4f系统结构示意图；

图8为三周期对准工作原理及光路结构示意图；

图9为多波长三周期对准系统结构示意图；

图10为空间滤波器工作原理示意图；

图11为空间滤波器结构示意图；

图12为使用两波长对准辐射源的空间滤波器结构示意图；

图13为参考光栅结构示意图；

图14为探测光纤布置截面结构示意图；

图15为一维三周期标记在基底上的分布示意图；

图16为二维三周期标记在基底上的分布示意图；

图17为理想三周期对准信号；

图18为实际三周期对准信号。

附图中：1、基底台标记；2、掩膜版标记；3、基底台标记；4、掩膜版；5、基底标记；6、掩膜台；7、基底；9、基底台；100、对准装置；100′、对准装置；101、对准标记信号；102、传输光纤；103、传输光纤；104、全反射棱镜；104′、全反射棱镜；105、空间滤波器；105′、空间滤波器；106、参考光栅；106′、参考光栅；107、探测光纤；110、分束器；111、1/4λ波片；200、信号处理器；201、光电转换和放大器；201a、光电转换器件；202、模数转换器；203、拟和信号处理器；204、位置数据处理器；205、位置数据转换与采样器；206、基底台运动控制器；207、工作时序控制器；300、对准辐射源；300′、对准辐射源；303、透镜；302、孔径光阑；301、透镜；IFx、x向基底台位移测量装置激光干涉仪；IFy、y向基底台位移测量装置激光干涉仪；PL、投影物镜；L1、前组透镜；L1′、前组透镜L2、后组透镜；L2′、后组透镜；IB、校准光束；P1、标记平面；P2、成像平面；RG、参考光栅；FB、探测光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

附图1(图1是使用本发明的光刻机对准系统示意图)示出了现有技术使用的对准系统以及本发明的对准系统可以采用的一种实施方案，光刻机的主要结构包括：掩膜台6、掩膜版4、投影物镜PL、基底台9。基底台标记1和基底标记5可以为图2、图3或者图4的形式。基底标记5在基底7上的分布可以为图15或者图16的形式，其中，图15为4组一维三周期标记的组合。

现有技术使用的系统中，利用较低能量的曝光辐射源或其它非曝光波长辐射源照射掩膜台6承载的掩膜版4上的掩膜版标记2，通过投影物镜PL将掩膜版标记2的缩小像投射到基底台9上的作为基准标记集合的基底台标记3上，利用基底台标记3透射到其下的传感器进行光电信号转换，通过一系列的扫描采集信号，结合由x向基底台位移测量装置激光干涉仪IFx和y向基底台位移测量装置激光干涉仪IFy测得的空间位置信号进行拟和处理，建立掩膜版与基底台的坐标转换关系。

本发明的对准系统由对准辐射源300提供一路或多路具有合适波长的照明光源通过传输光纤103照射基底台标记1，由对准装置100收集标记上反射的对准标记信号101。当基底台标记1的排列为图4的形式时，进行x向测量的具有三个周期x向的一级衍射光信号共有三路，进行y向测量的具有y向的一级衍射光信号共有三路，一共六路信号经过对准装置100收集，通过传输光纤102引到较远处的对准信号处理单元200内完成光电转换和信号放大调理和模数转换后存放在指定的存储器地址内。同时，可以由x向基底台位移测量装置激光干涉仪IFx和y向基底台位移测量装置激光干涉仪IFy同时获取相应的运动位置信息。将测得数值进行拟和处理，可以找到基底台标记1在基底台坐标系下相应的对准点坐标值(x₁，y₁)。

同理，对准装置100可以对基底标记5进行测量，得到基底标记5在基底台坐标系下相应的坐标值(x₅，y₅)。

由(x₁，y₁)和(x₅，y₅)可以建立基底台坐标系原点与基底坐标系原点之间的转换关系，进而建立两坐标系之间的转换关系。

图2示出了用于x向对准的三周期标记结构。图2包括p0x、p1x、p2x三个的光栅分支，其周期分别是p0、p1、p2。其中p2x分支、p1x分支标记中点相对于p0x分支中点成中心对称分布，即整个标记的形心与p0x分支形心重合。

附图3(图3是一维y向三周期标记示意图)示出了用于y向对准的三周期标记结构。图3包括p0y、p1y、p2y三个的光栅分支，其周期分别是p0、p1、p2。其中p2y分支、p1y分支标记中点相对于p0y分支中点成中心对称分布，即整个标记的形心与p0y分支形心重合。

图4示出了同时用于x向和y向对准的三周期标记结构。x向标记包括p0x、p1x、p2x三个的光栅分支，其周期分别是p0、p1、p2，p0x包括p0x_a和p0x_b两光栅分支。其中p2x分支、p1x分支标记中点相对于p0x分支中点成中心对称分布，p0x_a分支、p0x_b分支标记中点相对于p0x分支中点成中心对称分布，即整个x向标记的形心与p0x分支形心重合。y向标记包括p0y、p1y、p2y三个的光栅分支，其周期分别是p0、p1、p2，p0x包括p0y_a和p0y_b两光栅分支。其中p2y分支、p1y分支标记中点相对于p0y分支中点成中心对称分布，p0y_a分支、p0y_b分支标记中点相对于p0y分支中点成中心对称分布，即整个y向标记的形心与p0y分支形心重合。x向标记与y向标记正交于各自的形心，且两标记重合部分无光栅。这种标记的作用是支持对角线扫描，即如果沿着与x向或y向坐标轴成45度的方向进行扫描，则可以同时获得x向和y向标记中心位置。

三个光栅周期的基本关系为：p0＜p1＜p2(式1)

图5示出了对本发明的三周期标记进行一维扫描时的情况。当校准光束IB垂直或近似垂直投射到一维三周期标记的表面时，在标记的三个不同周期光栅处发生衍射，根据衍射角公式：

$\sin \mathrm{\α}=n\frac{\mathrm{\λ}}{p}$                              (式2)

(其中，p代表光栅的节距，α代表衍射子光束与光栅法线的夹角，λ代表入射光波长，n代表衍射级次)发生衍射后入射光束在每一光栅处变成正负级次对称分布多个子光束，在自由空间中将沿着各自的波面传播。本发明仅需要利用每一光栅的一级衍射光进行对准。实际上，衍射发生时，还会在每处产生除一级衍射光之外的高级次衍射光，这里并不需要这些衍射分量，而是在设计中尽量避免某个分支高级次衍射光对其它分支一级衍射光的干扰。另一方面，衍射光束的零级子光束也是不需要的衍射分量，要在设计中避免其对三个分支一级衍射光造成影响。

在一个方向上的扫描可以得到三个不同周期的信号S_p0、S_p1、S_p2，p0＜p1＜p2，p0、p1、p2分别为S_p0、S_p1、S_p2的周期。利用这三个不同周期的信号，我们可以实现本发明所需要达到的目的，即在实现较大捕获范围的同时获得很高的对准精度，其基本原理如下：

1)利用两个较大周期获得较大捕获范围。

对准标记的两个较大周期之间存在着固定的微小周期差，可以表示为：

Δp＝p2-p1  (式3)

由单独的分支p1所能提供的最大捕获范围是或表示为

，这是因为周期为p1的分支的正负一级光在像面上相干后的干涉条纹的周期为，而捕获范围即允许期望位置误差落在信号的某个确定周期内；而相应的周期为p2的分支所能提供的最大捕获范围是

。两单独分支所能提供的最大捕获范围是，其捕获范围并不是很大，在预对准偏差大于

的情况下无法确定标记中心位置确切的位于哪一个信号周期。而如果我们同时使用两个周期的光栅，则可以把捕获范围扩大到P′，其中：

$P^{\′}=\frac{\frac{1}{2}p1\×\frac{1}{2}p2}{\frac{1}{2}\mathrm{\Δp}}=\frac{1}{2}\frac{p1\×p2}{(p2-p1)}$     (式4)

即如果标记中心与期望位置的误差小于P′或在P′内，则按照指定的期望位置为中心进行扫描时，可以得到标记中心的粗对准位置。

2)利用第三周期获得极高对准精度。

进一步的，由位相光栅衍射干涉原理可以推出对准精度表达式：

$\mathrm{\δ}=\frac{p}{2n}\×\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}}$ (式5)

其中，δ为对准精度，p为物方标记光栅周期，n为衍射级数，ΔФ为信号检测电路相位分辨率。

本发明通过引入一个与p1、p2相比较小的光栅周期p0来实现提高对准精度的目的，对准的精度有了进一步提高。

3)结合两个较大周期获得的粗对准位置与第三周期获得的精细对准信号。

理想情况下，粗对准位置是S_p1和S_p2的相位重合点C_p1和C_p2(此处两信号相位相同)，另外，通过对标记三个分支的合理设计布局，可以保证精对准信号S_p0也在C_p0处出现一个相位重合点，而三者的相位重合点即可认为是理想情况下的对准点；实际情况下，然而器件制造过程中，标记和参考光栅都不可能做到精确的对称，而且基底标记在工艺过程中，会出现各种变形情况，所以，实际上并不存在三个周期信号绝对精确的相位重合点。而且，对于三个不同的周期，工艺引起变形的情况也不同，在当前工艺条件下，较大周期易受工艺引起变形的影响，而工艺加工对较小周期影响也较小。真实情况是，三个信号S_p0、S_p1、S_p2任何时候彼此之间都会存在一些偏差，在这种情况下所能达到的最好结果是找到一个位置，使得在捕获范围内，首先以S_p1、S_p2其中一个信号为基准找到两者相位偏差最小点；以该点为基准点，找S_p0与S_p1信号的相位偏差最小点，即可以作为精确对准位置。只需要周期p0足够大，比如p0＞(p2-p1)，实际上是可以保证在S_p0与S_p1信号相位最临近点(以峰值为同相位)附近，只存在一个峰值点。

图7是4f系统的结构示意图。在标记平面P1上的标记位于4f系统的前组透镜L1的前焦面且位于光轴的近轴区，从标记上任一分支衍射的某个级次的正负两束光经过前组透镜L1后变成两路准直光束；经过4f系统的后组透镜L2汇聚后，这两路准直光束被聚焦到后组透镜L2的后焦面上，由于正负级次之间存在稳定的相位差，频率相同且在参考光栅面上投影分量相互平行，满足相干条件，两路子光束在此处相干成像。实际上，在标记上各分支上的衍射分量中会有多个级次的子光束可以进入该4f系统的入射光瞳，本发明仅使用其中的一级衍射光束，所以需要在前组透镜L1的后焦面处设置一个孔径光阑装置，使得可以选择性的透过我们需要级次的子光束。

图10是作为空间滤波器的孔径光阑装置的工作原理图。空间滤波器105位于L1的后焦面，孔径光阑的透光处，分别对应三光栅的一级衍射光光路，并且最小周期光栅的一级衍射光与其他周期光栅的高级衍射光之间有足够的位置偏移。

图11是本发明使用的一种空间滤波器的结构示意图。对应于图4所示的成正交布置的两组光栅的三周期标记，它包括x向的空间滤波器结构和y向的空间滤波器结构。仅可以通过x向的三周期标记和y向的三周期标记的一级衍射光。

为了更形象的说明工作原理，图8采用了夸张的方式来绘制了三个周期上衍射和成像过程。实际上，入射激光是一束光，其颜色是单色光。由于f1远大于标记尺寸，可以认为标记的各个周期都位于光学4f系统的主光轴上前组透镜L1的前焦点处，所以经过前组透镜L1后，三个周期的一级衍射光都是近似平行于主光轴的光线，图8中为了区分的原因，故意画的略有偏斜。由图8可知，入射光束IB通过全反射棱镜104偏转后垂直投射到基底表面的标记上，该入射激光束足够覆盖标记的三个周期，所以，当标记发生衍射时，分支会产生各级衍射光。由于周期p0＜p1＜p2，同级次衍射光线中，分支p0x处子光束衍射角最大，其次是分支p1x处子光束，而分支p2x处子光束衍射角最小。当我们只对三个周期的一级衍射光感兴趣时，可以只在图5b中示出各一级衍射子光束示意性的光线追迹。由于有全反射棱镜104和孔径光阑105的遮挡作用，零级衍射分量不会对各一级衍射子光束造成干扰。分支p0x光栅处衍射的一级光b0+1和b0-1经前组透镜L1后成一对平行与主光轴的准直光束b0+1′、b0-1′，并通过光阑105的通光孔后经后组透镜L2的汇聚在后组透镜L2的后焦面处2个子光束b0+1″和b0-1″发生干涉，在像面P2靠近主光轴处形成p0x的像p0x′。同理，p1x处衍射子光束经过该4f系统可以成像在p1x′处，p2x处衍射子光束经过该4f系统可以成像在p2x′处。同时，在像面P2上与主光轴中心对称的放置着一个参考光栅，包含与p0x周期对应的RG0x，与p1x周期对应的RG1x，p2x周期对应的RG2x等各段，其具体结构样式可以参见图13；在每个参考光栅的每一段后面都放置着对应的探测光纤，可以收集通过参考光栅后的光强信号，其布置方式可参见图14。而这些探测光纤将相应的光强信号引导至光电转换器件，对光强信号进行转换和处理。由于基底标记的图像是与光栅结构形式一致的连续光斑条纹，当标记相对于对准光学系统移动时，这些条纹相对于参考光栅也会移动，即成像条纹与参考光栅的重合程度发生连续的变化，结果是在光电探测器上的信号光强也随着这种移动发生连续变化，由于条纹间距是周期性变化，这种光强信号的变化也是周期性的。根据傅立叶光学，在探测器上形成的是一种正弦形式的信号，如果保持标记与对准系统的相互精确的匀速运动，则可以获得一个恒定周期的正弦信号。对应于每一段(标记像-参考光栅)，都会有一个与光栅周期成正比的恒定周期的正弦信号。

下面示例说明本发明的几种具体产品构成，其目的是更好地解释本发明的运用，而不应当理解为对本发明的限制。

图6为本发明的三周期对准系统的一种实现方案的示意图。对准辐射源300发出的辐射源经透镜303、孔径光阑302和透镜301和传输光纤103(传光保偏光纤)经全反射棱镜104偏转，经前组透镜L1垂直照射到位于基底台9的基底台标记1或位于基底7的基底标记5上，在三周期标记上发生衍射的各周期的1级衍射子光束发射到前组透镜L1后被偏转成与光轴近似平行的准直光束，另外各周期光栅的0级衍射光返回原入射光方向。各准直光束中其实包含一些被视为可能干扰参考光栅面成像的衍射级次和杂散光分量，所以在前组透镜L1的后焦面(同时也是后组透镜L2的前焦面)设置了一个仅能够选择性的透过三个周期的1级衍射光分量的空间滤波器105。这些光束由后组透镜L2聚焦于放置在后组透镜L2后焦面的参考光栅106上形成干涉像，在进行基底台标记1或基底标记5的对准扫描时，所成的像相对于参考光栅106匀速移动，进而在置于参考光栅后的探测光纤107接收面上形成连续变化的正弦光强信号，由传输光纤102传送到信号处理单元200的光电转换和放大器201的光电转换器件201a后变为电信号。经由工作时序控制器207的统一触发，可以保证对该对准电信号的采集与经位置数据转换和采样器205所采集的位移数值同步。同时，光电转换和放大器201处理后的信号还要经模数转换器202转换成数字信号，送至拟和信号处理器203；而203同时接收来自位置数据处理器204的位置数据，其来自于位置数据转换与采样器205，该数据同时提供给基底台运动控制器206，由基底台运动控制器206控制基底台按照所要求的速度和方向进行标记扫描。结合来自于模数转换器202和位置数据处理器204的同步采样数据，可以由拟和信号处理器203经拟和处理，确定本次扫描的对准位置。

实际操作中，可以取入射波长为633nm，选择p0＝1.8um，p1＝16um，p2＝17.6um时，α0＝20.58929°(α0为p0的一级衍射光衍射角)；α1＝2.267356°(α1为p1的一级衍射光衍射角)；α2＝2.061139°(α2为p2的一级衍射光衍射角)；相应的p1＝16um时，8级衍射光的衍射角为18.45139°，9级衍射光的衍射角度为20.85858°；p2＝17.6um所对应的8级衍射光、9级衍射光的衍射角分别是16.72194°和18.88642°，由此可知，这样的周期配合是可以满足三个分支彼此互不影响，而实现这种匹配关系的光学系统的NA约为0.35，是可以实现的。实际上，当三个分支反射功率基本相当时，由于高级次衍射光的功率远远低于1级衍射光，甚至可以忽略其对1级衍射分量的影响。三个分支的0级衍射光被空间滤波器105阻挡，不能进入后续光路，继而也不会参与后组透镜L2后焦面的成像。

本发明的另一实施例如图9所示，使用类似于模块300的不同波长的辐射源。引入多波长是考虑到实际对准工艺时，由于不同介质材料对不同波长辐射源的吸收能力不同以及基底加工处理对标记光栅沟槽深度影响带来衍射效率和反射系数的变化，通过不同波长的辐射源，可以选择信号最好的或通过组合选择最合适的信号作为对准信号。其中对准装置100′具有与对准装置100相同的结构，其具体的原理如图8所示相同。新增了一个分束器模块110。该分束器模块将来自模块100的具有波长λ1和第一偏振方向的对准辐射光束透射至基底台9上的标记1或基底7上的标记5上；该分束器将来自100′的具有波长λ2和与上述第一偏振方向垂直的第二偏振方向的对准辐射光束偏转后垂直投射到基底台9上的标记1或基底7上的标记5上。标记1或标记5将这两束入射辐射衍射后的各级次反射回分束器原入射界面，并再反射回原出射模块100或100′后由100或100′在各自参考光栅处成像。当对准标记光栅周期较小，与照明波长量级相当或小于5λ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111，使从分束器110出射到硅片上的线偏振光经消色差的λ/4波片111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。图中105和105′的结构形式将变为图12所示的样式，这是因为光路设计要兼容两种入射波长的衍射角偏移，由于可以选择较为接近的两种入射辐射波长，可以选择633nm与532nm的激光，也可以选择633nm与785nm的激光，所以两衍射角偏移不会过大，可以减小在参考光栅上形成图像时的波像差进而导致的对准位置误差。

当我们利用某种方式将标记进行粗略定位，比如可以在空间滤波器105后设置一个分光装置，分出一部分信号，利用另外一个透镜组将之成像在视频成像装置上，操作员以此为辅助来将标记定位在对准系统的视场中心附近，然后开始标记扫描运动，这样就可以更容易的获得分别与对准标记的3个光栅周期相应的信号Sp0、Sp1、Sp2。实际上，如果基底或基底台预对准精度足够的话，不借助其它辅助装置也能够直接获得3个周期扫描信号。可以参见图17所示的理想三周期对准信号，对应于一个方向的扫描而言，可以获得3个不同周期的信号。实际上的信号如图18所示，首先以S_p1、S_p2其中一个信号为基准找到两者相位偏差最小点，如S_p1的C_p1点和S_p2的C_p2点，其最小偏差为Δ(C_p2-C_p1)；以C_p1点为基准点，找S_p0与S_p1信号的相位偏差最小点，比如图18所示的C_p0点，C_p0即可以作为精确对准位置。

Claims (38)

1.一种用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对准系统包括：

对准辐射源；

对准标记；

对准标记信号检测器；和

信号处理器；

其中，所述对准辐射源发出校准光束；所述校准光束照射所述对准标记得到对准标记信号；所述对准标记信号射入所述对准标记信号检测器；所述对准标记信号检测器与信号处理器相连接。

2.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记包含有至少三段光栅结构。

3.根据权利要求2所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记包含的相位光栅有三个不同周期。

4.根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记信号为所述校准光束照射所述对准标记后发出的一级衍射信号。

5.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述的光刻设备包括基底和基底台，所述对准标记可以位于基底上，也可以位于基底台上。

6.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述透镜组可以是单独设计的采用双远心结构的4f透镜组，也可以是光刻机的投影物镜。

7.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述透镜组包括前组透镜，所述对准标记位于所述透镜组的前组透镜焦平面上。

8.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准系统采用统一的工作时序控制机制。

9.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记可以是成直线排列的三个不同周期的相位光栅。

10.根据权利要求9所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述成直线排列的三个不同周期的相位光栅的条纹垂直于所述三个光栅所成直线，位于中部的光栅的周期可以小于位于两边的光栅的周期。

11.根据权利要求10所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述位于中部的光栅的周期可以大于所述位于两边的光栅的周期之差。

12.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记可以是位于同一平面内成正交布置的两组成直线排列的三个不同周期的相位光栅。

13.根据权利要求12所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述成直线排列的三个不同周期的相位光栅的条纹垂直于所述三个光栅所成直线，位于中部的光栅的周期小于位于两边的光栅的周期。

14.根据权利要求13所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述位于中部的光栅的周期大于所述位于两边的光栅的周期之差。

15.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记可以是位于同一平面内的其他方式排列的包含三个不同周期的相位光栅。

16.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述透镜组中可以加入空间滤波器。

17.根据权利要求16所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述空间滤波器仅允许三个周期的相位光栅的一级衍射信号通过。

18.根据权利要求17所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述空间滤波器可以是仅允许所述对准标记的光栅的一级衍射信号通过的孔径光阑。

19.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准辐射源可以是只能发出一个波长的校准光束的辐射源。

20.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准辐射源可以是能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源。

21.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源可以是同一时刻只发出一个波长的校准光束的辐射源。

22.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源可以是同一时刻发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源。

23.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源可以是同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个或两个以上辐射源。

24.根据权利要求23所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个或两个以上辐射源可以通过分束器将不同波长的校准光束以相同入射角投射到所述对准标记。

25.根据权利要求24所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述分束器可以是偏振分束器件。

26.根据权利要求25所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个或两个以上辐射源可以是同一时刻发出不同的单一波长的校准光束的两个辐射源，第一辐射源发出第一波长的校准光束垂直于所述对准标记平面照射所述对准标记，第二辐射源发出第二波长的校准光束垂直于所述第一辐射源发出的第一波长的校准光束，所述偏振分束器件位于所述第一波长的校准光束与所述第二波长的校准光束交汇处。

27.根据权利要求26所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：可以在所述偏振分述器件与所述对准标记之间加入λ/4波片。

28.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：使用所述能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源时，可以只使用一个所述对准标记信号检测器。

29.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：使用所述能发出两个或两个以上波长的校准光束的辐射源时，可以使用两个或两个以上所述对准标记信号检测器。

30.根据权利要求29所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：使用两个或两个以上所述对准标记信号检测器时，可以使用分束器将两个或两个以上波长的对准标记信号分别投射到不同的透镜组和对准信号检测器。

31.根据权利要求30所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述分束器可以是偏振分束器件。

32.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记信号检测器可以包括：

对准辐射源光纤；

分光装置；

前组透镜；

空间滤波器；

后组透镜；

全反射器件；

光电信号传感器；和

与所述对准标记布局形式相应的参考光栅；

所述对准辐射源连接到所述对准辐射源光纤；所述对准辐射源光纤连接到所述分光装置的一个输入端；所述分光装置的一个输出端和另一个输入端同时指向所述对准标记；所述分光装置的另一个输出端指向所述前组透镜；所述空间滤波器位于所述前组透镜和所述后组透镜之间；所述全反射器件位于所述前组透镜和所述后组透镜的中心光路上；所述参考光栅分别位于所述对准标记的光栅通过透镜组成像位置；所述光电信号传感器分别位于所述参考光栅后。

33.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记信号检测器可以包括：

对准辐射源光纤；

分光装置；

前组透镜；

空间滤波器；

后组透镜；

全反射器件；

探测光纤；

光电信号传感器；和

与所述对准标记布局形式相应的参考光栅；

所述对准辐射源连接到所述对准辐射源光纤；所述对准辐射源光纤连接到所述分光装置的一个输入端；所述分光装置的一个输出端和另一个输入端同时指向所述对准标记；所述分光装置的另一个输出端指向所述前组透镜；所述空间滤波器位于所述前组透镜和所述后组透镜之间；所述全反射器件位于所述前组透镜和所述后组透镜的中心光路上；所述参考光栅分别位于所述对准标记的光栅通过透镜组成像位置；所述探测光纤的一端分别位于所述参考光栅后，所述探测光纤的另一端连接到所述光电信号传感器。

34.根据权利要求32或33所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述参考光栅分支的周期分别与对应所述对准标记分支所成像的周期相同。

35.根据权利要求32或33所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述全反射器件可以是全反射棱镜。

36.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述信号处理器包括：

光电转换和放大器；

模数转换器；

具有两输入端的拟和信号处理器；

位置数据处理器；

具有两输出端的位置数据转换与采样器；

基底台运动控制器；和

工作时序控制器；

所述对准标记信号检测器的输出信号输入所述光电转换和放大器的输入端；所述光电转换和放大器的输出端与所述模数转换器的输入端相连；所述模数转换器的输出端与所述拟和信号处理器的一个输入端相连；基底台位移信号输入所述位置数据转换与采样器的输入端；所述位置数据转换与采样器的一个输出端与所述位置数据处理器的输入端相连；所述位置数据处理器的输出端与所述拟和信号处理器的另一个输入端相连；所述位置数据转换与采样器的另一个输出端与基底台运动控制器相连；工作时序控制器与光电转换和放大器、模数转换器、拟和信号处理器、位置数据处理器、位置数据转换与采样器、基底台运动控制器的时序端口相连。

37.根据权利要求36所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述基底台位移信号可以由位于基底台平面呈正交分布且均对准基底台的两部激光干涉仪输出。

38.根据权利要求37所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述基底台位移信号还可以包括与所述基底台平面呈垂直的一部激光干涉仪的输出信号。

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