CN101158818A - 一种对准装置与对准方法、像质检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻机中掩模与工件台对准的对准装置，一次对准至少四个标记，即可确定一个基本对准位置。与现有技术相比，对准标记所需进行的运动行程也进一步减小，这样进一步减少了对准所用的时间开销，提高了系统工作效率。同时，对准的信号处理方式多样，可以得到不同的对准精度，这样可以根据用户的需要，选择不同的对准信号处理策略，以兼顾对准精度和对准效率两个方面的更进一步的优化。并且可以实现对像质的检测。

Description

一种对准装置与对准方法、像质检测方法

技术领域

本发明涉及一种光刻机对准装置与对准方法，尤其涉及一种光刻机中掩模与工件台对准的对准装置与对准方法。

背景技术

现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。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。光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在晶片的一个曝光区域，随后晶片相对于掩模移动，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晶片的另一曝光区域，重复这一过程直到晶片上所有曝光区域都拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻装置，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，掩模与晶片同时相对于投影系统和投影光束移动。

光刻装置中关键的步骤是将掩模与晶片对准。第一层掩模图案在晶片上曝光后从装置中移开，在晶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晶片上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和晶片进行精确对准。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。

光刻装置的对准系统，其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(XW，YW，ΦWZ)，及掩模在机器坐标系中的坐标(XR，YR，ΦRZ)，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。现有技术有两种对准方案：一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明在晶片上设置的周期性相位光栅结构的对准标记，由光刻装置的投影物镜所收集的晶片对准标记的衍射光或散射光照射在掩模对准标记上，该对准标记可以为振幅或相位光栅。在掩模标记后设置探测器，当在投影物镜下扫描晶片时，探测透过掩模标记的光强，探测器输出的最大值表示正确的对准位置，该对准位置为用于监测晶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晶片上的多个对准标记以及晶片台上基准板的基准标记，实现晶片对准和晶片台对准；晶片台上基准板的基准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晶片的位置关系，实现掩模和晶片对准。

目前，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。

如美国专利US4778275所披露的对准装置，就是在光刻机中一种典型的应用光栅对掩模和硅片进行对准的装置，使用专用照明光照射掩模上的对准掩模标记光栅，光栅透过的光束经过投影物镜进行聚焦之后投射到硅片的标记上，再由硅片标记反射该光束，经过一系列光路系统之后进入检测器进行检测。

上述对准装置结构复杂，对准光束经过多次衍射、反射之后才进入检测器，光束能量消耗大，对对准照明光源的能量要求高；且光路复杂，因此对光路中各种反射镜及透镜的制造及配置精度要求高。如何设计一种结构和光路简单，便于配置的掩模对准系统，成为了业界研究的一大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于投影曝光装置中的位置对准装置、使用该位置对准装置的对准方法以及使用该装置进行像质检测的方法，以实现投影曝光装置中掩模版和曝光对象之间精确的位置对准。

为了达到上述目的，本发明提供一种对准装置，该对准装置包括对准照明系统、掩模、投影物镜和设置在工件台上的基准板，该掩模与基准板分别置于该投影物镜两侧，该对准装置还包括不少于3个掩模标记、与该掩模标记数量相同的基准标记、检测器和与该掩模标记数量相同的照明系统。该掩模标记位于该掩模上，该基准标记位于该基准板上，该检测器位于该基准标记下方，该对准照明系统分别位于掩模标记上方。该掩模标记可以呈中心对称排布。

该基准标记的排布与掩模标记的排布通过投影物镜的光路对应。该掩模标记可以为四象限同周期光栅，其中第一象限与第三象限的光栅方向相同，第二象限与第四象限的光栅方向相同。该基准标记为单象限光栅，其方向分别与相对应的掩模标记靠近几何中心处的光栅方向相同。该基准标记单象限光栅的周期与该掩模标记上光栅周期的比例等于该投影物镜的缩小倍率。

该掩模标记可以为四个且该四个掩模标记上光栅的排布和周期相同。该四个掩模标记可以分别位于该掩模的四角，也可以分别位于该掩模四边的中心。该基准板上还可以包括位于该基准标记几何中心的基准中心标记。该基准中心标记为四象限同周期光栅，其结构与该掩模标记相对应，该基准中心标记光栅的周期与掩模标记光栅周期的比例等于该投影物镜的缩小倍率，通过该基准中心标记的光信号直接进入该检测器。

该检测器可以是一个四象限光传感器，也可以是四个光传感器，还可以是一个四象限光传感器和四个光传感器的结合。

该基准标记与该检测器之间还配置了聚焦光路系统。该聚焦光路系统可以包括聚焦透镜、反射镜和半反射镜。通过该基准标记的光信号先通过该聚焦透镜聚焦，再经过该反射镜和半反射镜反射，进入该检测器。

该对准照明光源发出的对准照明光波长可以为633nm，也可以与曝光光源波长相同。该对准照明光源为宽带光源。

本发明还提供一种使用该对准装置的对准方法，包括以下步骤：

a)移动该掩模和该基准板至待检测位置；

b)由该对准照明光源发出对准照明光照射该掩模标记；

c)用该检测器检测该基准标记或该基准中心标记透过的光强信号；

d)移动该掩模直至该检测器检测到的光强信号超过预定值，则该掩模的位置即为对准位置。

本发明还提供另一种使用该对准装置的对准方法，包括以下步骤：

a)移动该掩模和该基准板至待检测位置；

b)由该对准照明光源发出对准照明光照射该掩模标记；

c)用该检测器检测该基准中心标记透过的光强信号；

d)检测该四象限传感器对角象限传感器的四对差分信号；

e)移动掩模直至该四象限传感器检测到的四对差分信号小于预定值，则该掩模的位置即为对准位置。

步骤e)完成之后移动该掩模，重复步骤b至步骤e，分别扫描各个掩模标记用以获得最佳对准位置。

本发明还提供一种使用该对准装置的像质检测方法，包括以下步骤：

a)移动该掩模和该基准板至待检测位置；

b)由该对准照明光源发出对准照明光照射该掩模标记；

c)用该检测器检测该基准标记透过的光强信号；

d)移动该掩模直至检测器检测到的光强信号达到最大值；

e)改变该基准板高度，重复上述步骤a至步骤d，直至找到光强最大时的基准板高度，该基准板位置为最佳焦面位置；

f)移动该掩模，重复步骤b至步骤e，依次扫描各个掩模标记，获取各掩模标记的最佳焦面位置；

g)利用该各掩模标记的最佳焦面位置对成像质量进行评估。

本发明可以实现一次对准至少四个标记，即可确定一个基本对准位置。与现有技术相比，对准标记所需进行的运动行程也进一步减小，这样进一步减少了对准所用的时间开销，提高了系统工作效率。同时，对准的信号处理方式多样，可以得到不同的对准精度，这样可以根据用户的需要，选择不同的对准信号处理策略，以兼顾对准精度和对准效率两个方面的更进一步的优化。

附图说明

图1为光刻机用于掩模与基准板对准的对准系统结构示意图；

图2为掩膜标记布置示意图；

图3为基底台基准板基准标记分布示意图；

图4为对准系统工作示意图；

图5为基准板下采用四象限传感器探测信号的结构示意图；

图6为基准板下采用独立光强探测器探测信号的结构示意图；

图7为采用基准中心标记进行对准的示意图；

图8为采用四象限传感器探测基准中心标记对准光强信号的示意图；

图9为基准中心标记对准光强信号直接进入四象限传感器的示意图；

图10为对准信号示意图；

图11为掩模标记的另一种排布；

图12为根据图11掩模标记排布所对应基准标记排布；

图13一种四象限传感器信号处理电路结构图；

附图中：IL、曝光照明系统；RM、曝光照明快门；SL、快门狭缝；ILB、曝光照明光束；RT、掩膜台；RE、掩膜版；PL、投影物镜；WT、基底台；WA、基底；FM、基底台基准板；210、粗对准光源；220、粗对准光源；230、粗对准光源；240、粗对准光源；211、粗对准光源输出光纤；221、粗对准光源输出光纤；231、粗对准光源输出光纤；241、粗对准光源输出光纤；212、粗对准光源照明光路；222、粗对准光源照明光路；232、粗对准光源照明光路；242、粗对准光源照明光路；MA10、掩膜标记；MA20、掩膜标记；MA30、掩膜标记；MA40、掩膜标记；20、掩膜版图形区；110、掩膜标记MA的一个分支；120、掩膜标记MA的一个分支；130、掩膜标记MA的一个分支；140、掩膜标记MA的一个分支；MA01、基准板FM上的透射式基准标记；MA11、基准板FM上的透射式基准标记；MA21、基准板FM上的透射式基准标记；MA31、基准板FM上的透射式基准标记；MA41、基准板FM上的透射式基准标记；111、透射式基准标记的一个分支；121、透射式基准标记的一个分支；131、透射式基准标记的一个分支；141、透射式基准标记的一个分支；L1、微缩整形透镜组；L2、微缩整形透镜组；M1、全反射镜；M2、全反射镜；P1、偏振分束棱镜组；M3、偏振分束棱镜组P1的一个分束界面；M4、偏振分束棱镜组P1的一个分束界面；S10、传感单元；S20、传感单元；S30、传感单元；S40、传感单元；S11、光电传感器；S21、光电传感器；S31、光电传感器；S41、光电传感器。

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。

图1示出了光刻机用于掩模与基准板对准的对准系统结构示意图，该对准系统包括对准光源及照明系统、掩模RE、掩模台RT、投影物镜PL和设置在工件台上的基准板FM以及基底WA，掩模与基准板分别置于投影物镜PL两侧，掩模台可以带动掩模移动，工件台可以带动基准板和硅片移动，对准照明系统位于掩模标记上方，用于照亮掩模标记，对准照明系统发出的对准照明光波长为633nm或者其波长与曝光光源波长相同或者其为宽带光源发出宽带照明光，要求其四路对准光源功率相同且稳定，对准照明系统数量与掩模标记相同且位于与其一一对应的掩模标记上方。本发明的另外的一种实施方式，对准光源及照明系统可以与曝光光源及其照明系统复用，即利用曝光光源及其照明系统来进行对准照明，适用于步进机模式，在该照明情况下，较适宜的标记布置模式如图11所示，较适宜的工件台基准标记布置模式如图12所示，这样的优点是可以充分的利用物镜的视场。

图2示出了掩膜标记布置示意图，本实施例中掩模上布置了四个掩模标记，分别位于掩模的角落。单个掩模标记为四象限同周期光栅，其中第一象限与第三象限的光栅方向相同，第二象限与第四象限的光栅方向相同，该两个或四个掩模标记呈现中心对称的排布，对称中心为掩模几何中心。

图3示出了基底台基准板基准标记分布示意图，基准标记与掩模标记一一对应，基准标记为单象限光栅，其方向与相对应的掩模标记靠近几何中心处的光栅方向相同，基准标记单象限光栅的周期与掩模标记上光栅周期的比例等于所述投影物镜的缩小倍率。基准标记几何中心还有一个基准中心标记，基准中心标记为四象限同周期光栅，其结构与掩模标记相对应，基准中心标记光栅的周期与掩模标记光栅周期的比例也等于所述投影物镜的缩小倍率。

图4示出了对准系统工作示意图，与掩模标记一一对应的照明系统各自照亮对应的掩模标记，从掩模标记光栅透过的光经过投影物镜PL汇聚之后投射到基准标记上。

图5示出了基准板下采用四象限传感器探测信号的结构示意图，四象限传感器位于基准标记下方，基准标记与传感器之间配置了汇聚光路，依次为聚焦透镜、一块反射镜和一块半反射镜，其中聚焦透镜靠近基准标记。从四个掩模标记透过的光束经过投影物镜汇聚，被投射到基准标记光栅，之后进入汇聚光路，最后被分别投射到四象限传感器的四个象限上。

图6示出了基准板下采用独立光强探测器探测信号的结构示意图，为了简化光路，去除光路设置误差对对准精度的影响，探测器可以采用四象限传感器与单一光强传感器相结合的检测方式，四个单一光强传感器装配在基准标记下方，用于接收基准标记透过光束的光强，一个四象限传感器装配在基准中心标记下方，用于接收基准中心标记透过光束的光强。

具体的对准方法为，先移动掩模和基准板至特定位置；由对准照明光源发出对准照明光照射掩模标记；再用检测器检测基准标记透过的光强信号，得到每个传感器或传感器分支的信号如图10所示；移动掩模直至检测器检测到的光强信号Us超过该传感器或传感器分支预定值U1时，则该掩模与基准板的位置即为对准位置，由图10可知，该对准位置不止一个，而是一个有效范围。并且，四个分支或四个独立传感器取得预定值的范围不完全相同，所以，需要取这些范围的交集作为对准位置。由于对准信号具有类正弦特征，可以借助于信号的拟和，来更精确的获取对准位置。

另一种采用基准中心标记探测单个掩模标记如图7、图8和图9所示，图7示出了为采用基准中心标记进行对准的示意图，照明光束照射并透过掩模标记之后，通过投影物镜照射到掩模中心标记的四象限光栅上。图8示出了采用四象限传感器探测基准中心标记对准光强信号的示意图，透过该四象限光栅的光束经过半反射镜后被四象限检测器所接收。图9示出了为基准中心标记对准光强信号直接进入四象限传感器的示意图，在这种情况下，基准中心标记下方没有半反射镜，基准中心标记对准光强信号直接被四象限检测器接受。

具体的对准方法为，先移动掩模和基准板至特定位置；由对准照明光源发出对准照明光照射掩模标记；再用检测器检测基准中心标记透过的光强信号，得到每个传感器或传感器分支的信号如图10所示；移动掩模直至检测器检测到的光强信号Us超过该传感器或传感器分支预定值U2时，则该掩模与基准板的位置即为对准位置，这时的对准位置是一个精确值，对准精度较高。同样，还可以借助于信号的拟和，来更精确的获取对准位置。图13示出了一种四象限传感器信号处理电路结构图，可以对使用该方法收集到的信号进行更精确的处理，并用于对准，四象限传感器四个分支S10、S20、S30、S40的输出信号分别为U_S10、U_S20、U_S30和U_S40。由于四个掩膜标记被均匀照明，其投影像的光强及分布均相同，在对准情况下，其与参考光栅对应分支完全重叠，四个探测分支所接收到的光强相同，经过图13所示电路处理后输出误差值为零或低于设定值；而当非对准情况下，因各个掩膜标记投影像与参考光栅重叠程度不同，进而透射到四个探测分支的能量也不同，从而输出与位移误差相应的信号偏差值，即

$U_x=k\frac{(U_{S10}+U_{S20})-(U_{S30}+U_{S40})}{U_{S10}+U_{S20}+U_{S30}+U_{S40}}$ (式1)

$U_y=k\frac{(U_{S10}+U_{S40})-(U_{S20}+U_{S30})}{U_{S10}+U_{S20}+U_{S30}+U_{S40}}$ (式2)

所以根据反馈的误差电压信号U_x、U_y，可以计算出对准位置偏差量Δx、Δy，进而移动掩模板直至四象限传感器检测到的误差信号小于预定值，则该掩模与基准板的位置即为对准位置。还可以利用上述四个信号进行更复杂的组合运算，以获得更精确的对准位置信息。

在完成上述对准步骤之后，为了获得最佳对准位置，可以再移动掩模，使其他单个掩模标记处于扫描位置，再重复上述步骤分别扫描各个掩模标记，以获得最佳对准位置。

本发明还提供一种对准装置的像质检测方法：移动掩模和基准板至特定位置；由对准照明光源发出对准照明光照射掩模标记；用检测器检测基准标记透过的光强信号；移动掩模直至检测器检测到的光强信号达到最大值；改变基准板高度，重复上述步骤，直至找到光强最大处，该基准板位置为最佳焦面位置；移动掩模，使其他掩模标记处于扫描位置，再分别扫描各个掩模标记，获取各掩模标记的最佳焦面位置；通过各掩模标记的最佳焦面位置对成像质量进行评估。

本发明的掩模标记的另一种排布如图11所示，四个掩模标记分别放置在掩模四条边的中心处，相应的基准标记排布如图12所示，基准标记排布按照投影物镜的缩小比例进行缩小排布，而基准中心标记仍然位于基准标记的几何中心处，同时，相应的调整传感器的布置位置，适当调整探测光路相应元件的放置位置。

Claims (19)

1.一种对准装置，包括对准照明系统、掩模、投影物镜和设置在工件台上的基准板，所述掩模与基准板分别置于所述投影物镜两侧，其特征在于：所述对准装置还包括：

不少于3个掩模标记；

与所述掩模标记数量相同的基准标记；

检测器；和

与所述掩模标记数量相同的照明系统；

所述掩模标记位于所述掩模上；所述基准标记位于所述基准板上；所述检测器位于所述基准标记下方；所述对准照明系统分别位于掩模标记上方。

2.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述掩模标记可以呈中心对称排布。

3.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述基准标记的排布与掩模标记的排布通过投影物镜的光路对应。

4.根据权利要求3所述的对准装置，其特征在于：所述掩模标记可以为四象限同周期光栅，其中第一象限与第三象限的光栅方向相同，第二象限与第四象限的光栅方向相同。

5.根据权利要求4所述的对准装置，其特征在于：所述基准标记为单象限光栅，其方向分别与相对应的掩模标记靠近几何中心处的光栅方向相同。

6.根据权利要求5所述的对准装置，其特征在于：所述基准标记单象限光栅的周期与所述掩模标记上光栅周期的比例等于所述投影物镜的缩小倍率。

7.根据权利要求6所述的对准装置，其特征在于：所述掩模标记可以为四个且所述四个掩模标记上光栅的排布和周期相同。

8.根据权利要求7所述的对准装置，其特征在于：所述四个掩模标记可以分别位于所述掩模的四角，也可以分别位于所述掩模四边的中心。

9.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述基准板上还可以包括位于所述基准标记几何中心的基准中心标记。

10.根据权利要求9所述的对准装置，其特征在于：所述基准中心标记为四象限同周期光栅，其结构与所述掩模标记相对应，所述基准中心标记光栅的周期与掩模标记光栅周期的比例等于所述投影物镜的缩小倍率，通过所述基准中心标记的光信号直接进入所述检测器。

11.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述检测器可以是一个四象限光传感器，也可以是四个光传感器，还可以是一个四象限光传感器和四个光传感器的结合。

12.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述基准标记与所述检测器之间还配置了聚焦光路系统。

13.根据权利要求12所述的对准装置，其特征在于：所述聚焦光路系统可以包括：

聚焦透镜；

反射镜；和

半反射镜；

通过所述基准标记的光信号先通过所述聚焦透镜聚焦，再经过所述反射镜和半反射镜反射，进入所述检测器。

14.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述对准照明光源发出的对准照明光波长可以为633nm，也可以与曝光光源波长相同。

15.根据权利要求1所述的对准装置，其特征在于：所述对准照明光源为宽带光源。

16.一种使用权利要求1所述的对准装置的对准方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)移动所述掩模和所述基准板至待检测位置；

b)由所述对准照明光源发出对准照明光照射所述掩模标记；

c)用所述检测器检测所述基准标记或所述基准中心标记透过的光强信号；

d)移动所述掩模直至所述检测器检测到的光强信号超过预定值，则所述掩模的位置即为对准位置。

17.一种使用权利要求1所述的对准装置的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)移动所述掩模和所述基准板至待检测位置；

b)由所述对准照明光源发出对准照明光照射所述掩模标记；

c)用所述检测器检测所述基准中心标记透过的光强信号；

d)检测所述四象限传感器对角象限传感器的四对差分信号；

e)移动掩模直至所述四象限传感器检测到的四对差分信号小于预定值，则该掩模的位置即为对准位置。

18.根据权利要求17所述的对准方法，其特征在于：步骤e)完成之后移动所述掩模，重复步骤b至步骤e，分别扫描各个掩模标记用以获得最佳对准位置。

19.一种使用权利要求1所述的对准装置的的像质检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)移动所述掩模和所述基准板至待检测位置；

b)由所述对准照明光源发出对准照明光照射所述掩模标记；

c)用所述检测器检测所述基准标记透过的光强信号；

d)移动所述掩模直至检测器检测到的光强信号达到最大值；

e)改变所述基准板高度，重复上述步骤a至步骤d，直至找到光强最大时的基准板高度，该基准板位置为最佳焦面位置；

f)移动所述掩模，重复步骤b至步骤e，依次扫描各个掩模标记，获取各掩模标记的最佳焦面位置；

g)利用所述各掩模标记的最佳焦面位置对成像质量进行评估。

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