CN101187783A - 调焦调平测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调焦调平测量系统及其测量方法。该测量系统包括物光栅、第一成像系统、第二成像系统、探测光栅和探测模块，第一成像系统可将物光栅经光束照明成像于被测对象以形成第一光栅像，第二成像系统可将第一光栅像成像于探测光栅以形成第一探测像，第一探测像与探测光栅叠加形成第一莫尔条纹，第一莫尔条纹被探测模块探测，探测模块的位置信息固定，被测对象的位置信息表现于第一莫尔条纹相对于探测模块的位置信息。

Description

调焦调平测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种光机电设备，具体涉及投影光刻系统中的调焦调平测量系统及其测量方法。

背景技术

光刻装置(光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。光刻机可将掩模板上的图形通过曝光装置按一定比例转移到要加工的对象上(如硅片等)。硅片在这里泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等。在曝光过程中，需要使加工对象(如硅片等)的相应表面保持在曝光装置的焦深范围之内。为此，光刻机采用了用于测量加工对象(如硅片等)的表面位置信息的调焦调平测量系统。调焦调平测量系统可以和夹持加工对象(如硅片等)的工件台一起使加工对象(如硅片等)的被曝光区域一直处于光刻机曝光装置的焦深之内，从而使掩模板上的图形理想地转移到加工对象(如硅片等)上。

随着投影光刻机分辨率的不断提高和投影物镜焦深的不断减小，对光刻机内调焦调平测量分系统的测量精度和能够实时测量曝光区域等性能的要求也越来越高。因此目前步进扫描中所采用的调焦调平测量系统通常为光电测量系统，如：基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)、基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)、基于针孔和面阵CCD的光电探测方法(美国专利US 6081614)和基于PSD(位置敏感器件)的光电测量方法(中国专利：200610117401.0和Focusing and leveling system usingPSDs for the wafer steppers.Proc.SPIE，1994，2197：997-1003.)。上述调焦调平测量系统都较为复杂，而且除基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)以及基于PSD的光电测量方法(中国专利：200610117401.0)之外，上述调焦调平测量系统都是非差分测量系统，因此稳定性较差。而除基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)外，上述调焦调平测量系统都会受被测对象单点测量区域内局部反射率不均的影响，因此其工艺适应性差。

局部反射率不均的现象产生于在IC制造过程中。IC制造过程中会有不同的硅片基底、涂层、光刻胶、以及硅片上会有不同的已经加工上去的图形等工艺相关的特性并最终引起整个硅片的局部和整体反射率等的变化。而这些局部和整体的反射率的变化会引起调焦调平测量系统的测量误差，有人把这一类误差叫做“工艺相关性误差”。根据现有的调焦调平测量系统(如美国专利US5191200等)实际工作测量，这一“工艺相关性误差”可达到微米量级，而一般100nm节点的光刻机对调焦调平测量系统的测量精度要求为10nm量级，所以这种误差的存在会使整个光刻机无法正常工作。为了消除这一误差，现有的做法都是采用在线矫正的办法。在线矫正的办法需要做大量工艺试验来确定各种不同工艺下工艺相关性误差的修正因子，然后再在实际工作中根据不同的工艺在线修正调焦调平测量系统的工艺相关性误差。而且，为了安全和保证成品率，每更换一次工艺还需要再进行对调焦调平测量系统的测试。

另外，由于其自身原理上的缺陷，基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)不但系统稳定性差，而且测量精度不高。若基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)达到与其他调焦调平测量系统相同精度时，该调焦调平测量系统的结构会变得相当冗杂。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种结构简单、相对稳定、同样高测量精度且工艺适应性较高的调焦调平测量系统及其测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了调焦调平测量系统包括物光栅、第一成像系统、第二成像系统、探测光栅和探测模块，第一成像系统可将物光栅经光束照明成像于被测对象以形成第一光栅像，第二成像系统可将第一光栅像成像于探测光栅以形成第一探测像，第一探测像与探测光栅叠加形成第一莫尔条纹，第一莫尔条纹被探测模块探测，探测模块的位置信息固定，被测对象的位置信息表现于第一莫尔条纹相对于探测模块的位置信息。

与现有技术相比，本发明系统，具有同样高甚至更高的测量精度，却结构更简单，成本更低，并可设计成差分结构以提高系统稳定性。而且，莫尔条纹的平均作用可有效提高本发明调焦调平测量系统的工艺适应性。

附图说明

图1为光刻机系统示意图。

图2为莫尔条纹形成示意图。

图3为根据本发明一实施例设计的具有非差分结构的调焦调平测量系统示意图。

图4为根据本发明一实施例设计的莫尔条纹探测示意图。

图5为光栅尺常规的信号检测与处理示意图。

图6为根据本发明一实施例设计的具有差分结构的调焦调平测量系统示意图。

图7为根据本发明一实施例设计的光源模块交替调制示意图。

图8为根据本发明一实施例设计的另一具有非差分结构的调焦调平测量系统示意图。

图9为根据本发明一实施例设计的另一具有差分结构的调焦调平测量系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。

图1示出了光刻机系统10。图1的XYZ坐标系设定为如图所示的右手直角坐标系，其中Z轴沿着光刻机投影物镜的光轴。光刻机系统10可将掩模板1上的图形通过投影物镜3按一定比例转移到要加工的对象4上(如硅片等)。其中，数字2代表投影物镜3的光轴。在图1所示在光刻机系统10中，需要使加工对象4(如硅片等)的相应表面保持在投影物镜3的焦深范围之内。为此，光刻机采用了用于测量加工对象4(如硅片等)的表面位置信息的调焦调平测量系统6。调焦调平测量系统6可以和夹持加工对象4(如硅片等)的工件台5一起使加工对象4(如硅片等)的被曝光区域一直处于光刻机投影物镜3的焦深之内，从而使掩模板1上的图形理想地转移到加工对象4(如硅片等)上。

由于本发明系统中的调焦调平测量系统6是基于莫尔条纹检测原理设计的，所以在介绍调焦调平测量系统6之前，下文将首先介绍莫尔条纹的形成及其特性。图2示出了莫尔条纹的形成示意图。其中，图2(a)示出了当两个周期为P的振幅光栅，图2(b)示出了图2(a)中的两个周期为P的振幅光栅以某一特定夹角(比如θ)叠加在一起并被照明后形成的周期为S的莫尔条纹。当两个周期为P的振幅光栅之间的夹角θ很小时，振幅光栅周期P与其形成的莫尔条纹的周期S之间满足以下关系：

                    S＝P/θ                        (1)

其中夹角θ的单位为弧度。

根据莫尔条纹的形成原理可知莫尔条纹具有如下特性：由式(1)可知莫尔条纹具有放大性，这更有利于提高分辨率和测量精度以及探测器的布置；莫尔条纹的移动方向与两振幅光栅的相对移动方向垂直；莫尔条纹的移动与两振幅光栅的相对移动同步；莫尔条纹具有平均作用，也就是说，莫尔条文可以平均掉两振幅光栅的局部误差，如制造误差等。本发明正是利用莫尔条纹的平均作用特性来消除调焦调平测量系统被测对象单个测光斑区域内的局部反射率不均引入的工艺相关性误差，从而提高本发明系统的工艺适应能力。下文将结合本发明对此做进一步解释。

另外，图2所示为两个周期相同的振幅光栅形成横向莫尔条纹的过程。此外，两个不同周期的振幅光栅可以平行叠加并形成纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹等。下文只以横向莫尔条纹为例说明本发明，但本发明并不只限于应用横向莫尔条纹。

图3为图1中调焦调平测量系统6的结构示意图。调焦调平测量系统6属于多点测量系统，且各个点的测量结构和原理等特性完全相同，因此下文只以一个测量点为例说明本调焦调平测量系统6。图3中XYZ坐标系与图1中的光刻机系统坐标系一样设定为如图所示的右手直角坐标系调焦调平测量系统。调焦调平测量系统6包括光栅13、第一成像系统20、第二成像系统22、探测光栅16和探测模块19，还可包括光源模块11和照明模块12。从光源模块11发出的光束经过照明模块12后照明物光栅13。在光束照明下的物光栅13可以经第一成像系统20成像于被测对象4处以形成光栅像。被测对象上的光栅像还可经第二成像系统20成像于探测光栅16上以形成探测像。探测光栅16与物光栅在探测光栅16上形成的探测像参数相同。当探测光栅16与探测像成某一特定夹角放置时便形成了莫尔条纹，莫尔条纹进一步被沿M轴探测的探测模块19探测。由于在两次成像过程中，打到被测对象4上的光束被被测对象4反射后携带了被测对象4上相应位置的Z向信息，即物光栅13在探测光栅16上的探测像相对于探测光栅16(16位置固定)的位置关系代表了被测对象4上相应位置的Z向信息。根据莫尔条纹的特点可知，莫尔条纹的位置和移动信息包含了被测对象4上相应位置的的Z向位置信息。通过探测模块19探测和处理莫尔条纹的位置和移动信息，调焦调平测量系统6可最终得到被测对象4上相应位置的的Z向位置信息。

在调焦调平测量系统6中，第一成像系统20和第二成像系统22分别由成像模块14和偏置平板15以及成像模块18和偏置平板17组成。成像模块14和18一般属于结构相同的单元倍率放大系统且镜像于Z轴布置。成像模块4至少为像方远心系统，而成像模块8至少为物方远心系统，以此消除由于被测对象4上下移动时对测量系统造成的误差。而为了降低装配误差对莫尔条纹的对比度的影，成像模块8也应该是像方远心，即成像模块8一般应该是双远心系统。系统偏置平板15和17属于结构相同且对称于调焦调平坐标系Z轴布置的平行平板。偏置平板15和17可利用平行平板对光线的偏置作用来调节整个调焦调平测量系统6的零点。偏置平板15和17在调节调焦调平测量系统6零点时相对转动且转动量相同。另外，探测模块19应该离探测光栅16足够近以更好地探测莫尔条纹。

为了消除被测对象4光刻胶上下表面间的层间干涉对调焦调平测量系统6的影响，光源模块11一般选择宽带光源。同时，根据实际需要进行选择，光源模块11可以是调制光源或连续光源。调制光源有利于提高最终探测信号的信噪比，但调制的宽带光源要比连续的宽带光源成本高。

此外，在调焦调平测量系统6中，物光栅13的周期要根据测量系统的测量范围和测量精度以及是采用单周期还是多周期覆盖整个测量范围进行综合确定。如果采用多周期覆盖调焦调平测量系统6的测量范围，物光栅13需要被设计成类似绝对光栅尺的标尺光栅的光栅，这是因为调焦调平测量系统需要是一个绝对测量系统而不是相对测量系统。在这里，仅以一个光栅周期覆盖整个调焦调平测量系统6测量范围的情况解释本发明，但本发明不限于此。而物光栅13的外形尺寸需要根据在被测对象4上形成的光栅像的形状尺寸和布置以及整个测量系统的结构进行设计。在此将不对物光栅13的外形尺寸设计做详细阐述。

图4示出了莫尔条纹的探测示意图。其中，图4(a)示出了图3形成的莫尔条纹，图4(b)示出了图3中探测模块19的结构。探测模块19可以是单个光电探测器组成的光电探测器阵列(未示出)，也可以是如图4(b)所示的栅形光电探测器或线性CCD。其中栅形光电探测器的一个长条栅形探测区域输出一个测量信号。探测模块19相对于莫尔条纹的布置如图4(a)中的虚线区域所示。探测模块19(栅形探测器或线性CCD)的敏感(测量)方向应该与莫尔条纹的移动方向一致，而且探测模块19(栅形条探测器或线性CCD)应尽可能覆盖所有的莫尔条纹，以更彻底地平均掉如上所述的被测对象4上局部反射率变化等引起的调焦调平测量系统的测量误差。最终，将探测模块19的每个单元探测器(如栅形探测器的每个栅形条，光电探测器的每个探测单元或是线性CCD的每个象素)探测到的光强对所有探测单元探测器探测到的光强总和进行归一化，以使单个探测单元输出的信号不受整个光源系统光强的变化以及被测对象反射率整体变化等的影响。因此，本发明系统工艺适应能力得到了提高。而且，由于本发明系统原理上的特性消除或大大减少了“工艺相关性误差”，从而省去了上述那些工艺试验和在线测试矫正等流程，从调焦调平测量分系统的角度提高了整个光刻机的产率、成品率以及使用成本等，提高了整个光机的性能和竞争力。

此外，由于本发明系统的原理是通过检测物光栅13的探测像与探测光栅16形成的莫尔条纹得到被测对象4的相应位移或位置信息的，而传统的光栅尺也是通过检测指示光栅和标尺光栅形成的莫尔条纹得到相应的位移信息的。既然两者都是通过检测莫尔条纹的信息得到被测对象的位置或位移信息，因而本发明系统的信号检测与传统光栅尺的信号检测与处理类似，也就是说，本发明系统的信号检测与处理在计算整个被测区域的位置信息之前可以借鉴光栅尺的成熟的信号检测与处理系统的，这样就会大大减少本发明系统的工程实现成本。

图5示出了光栅尺常规的信号检测与处理示意图。理论上，能量探测器探测到的莫尔条纹光强与位移的关系如图5(a)所示。图5(a)所示的波形为线性的锯齿波形曲线。由于衍射等现象的存在以及后续处理的方便，一般都把锯齿波形转化成如图5(b)所示的正弦信号。而且，为了提高分辨率，如图5(b)所示的正弦信号一般都要采取细分措施。细分的方法有很多，在这里以倍频细分法为例进行说明。从5(b)得到的正弦信号被4倍频后得到如图5(c)所示的波形。倍频后的正弦信号还可被转化成如图5(d)所示的方波信号。图5(d)所示的方波信号再进行微分得到如图5(e)所示的尖脉冲信号。图5(e)所示的尖脉冲信号输入到编码和计数等电路中以便最终得到相应的位移信息。

如图3所示的调焦调平测量系统6的结构属于非差分结构，其可做为本发明的基本结构。本发明测量系统还可进一步设计成如图6所示的差分结构。图6示出了具有差分结构的调焦调平测量系统60。调焦调平测量系统60包括物光栅63、第一成像系统70、第二成像系统72、探测光栅74和探测模块69，还可包括光源模块61和照明模块62。从光源模块61发出的光束经过照明模块62后照明物光栅63。在光束照明下的物光栅63可以经第一成像系统70成像于被测对象4以形成第一光栅像。被测对象上的第一光栅像还可经第二成像系统72成像于探测光栅74以形成第一探测像。探测光栅74与物光栅在探测光栅74上形成的第一探测像参数相同。当探测光栅74与第一探测像成某一特定夹角放置时便形成了第一莫尔条纹，第一莫尔条纹进一步被沿M轴探测的探测模块69探测。同时，物光栅63还可以经第一成像系统70成像于投影物镜66下表面以形成第二光栅像。投影物镜66下表面的第二光栅像还可经第二成像系统72成像于探测光栅74以形成第二探测像。探测光栅74与第二探测像叠加形成了第二莫尔条纹，第二莫尔条纹进一步被沿M轴探测的探测模块69探测。如上所述，探测模块69可以测得被测对象4的位置信息。同理，探测模块69也可以测得投影物镜66下表面的位置信息。二者差分最终可以得到被测对象4的被测区域相对于投影物镜66下表面的位置信息。由于在正常工作情况下的投影物镜66的最佳焦平面相对于投影物镜66的下表面是固定的，所以得到被测对象4相对于投影物镜66下表面的位置信息也就得到了被测对象4相对于投影物镜66最佳焦平面的位置关系。

为了在被测对象4和投影物镜66上分别形成第一和第二光栅像，光源模块61发出的光束被分束为参考光和测量光。光源模块61可以采用一种波段的光也可以采用两种不同波段/波长的光来生成参考光和测量光。

若光源模块61采用一种波段的宽带光时，光源模块61发出的光束在通过照明模块62之前被分成了两份。一份是用来打到投影物镜66下表面作为参考光，另一份是用作测量被测对象4的测量光。参考光和测量光通过模块62，63，64，68，74，69的不同部位，即参考光和测量光采用离轴光学的方法对称于光轴地通过相关各光学元件。同样，物光栅63和探测光栅74应该设计成参考光路中的光栅和测量光路中光栅对称与光学系统光轴的办法相应布置。而且，一般用于参考光路中的光栅和用于测量光路中的光栅相同并制作在同一个基板上。当参考光和测量光最终到达探测模块69时，探测模块69相对于图3非差分结构中的探测模块19来说，应该有两套相同的探测系统，而且参考光和测量光分别打到这两套探测器上。

若光源模块61采用一种宽带光和另一个不同波段的窄带或宽带光耦合在一起时，两种不同波段的光被分别用作参考光和测量光，且两种不同波段/波长的光是分时交替地通过后续的光学系统的。图7示出了两种不同波段/波长的参考光和测量光交替调制的示意图。如图7所示，一个时刻只能有一种波段的光通过后续的光学系统，即参考光和测量光是分时测量的。参考光和测量光分时共用一套探测器系统。此时，光学模块64和68包括有波长分束/合束器，以使两种不同波段/波长的光在模块64处分开而分别打到投影物镜66下表面和被测对象4上，然后又在模块68处被合在一起通过后续的光学系统和探测模块。按照如上方式进行测量地系统也称为分时差分测量系统。

具有差分结构的调焦调平测量系统60具有更多的优点，比如它可以消除由于投影物镜66的机械位置变化或振动引起的测量误差。另外，由于用来测量投影物镜66下表面和用来测量被测对象4的参考光和测量光通过相同的光学模块，所以调焦调平测量系统光路中振动、热或应力引起的机械变形以及整个调焦调平测量系统的整体振动或偏移等影响都得到了消除，从而整个调焦调平测量系统的稳定性和重复性得到了提高。

如图3所示的调焦调平测量系统6和如图6所示的调焦调平测量系统60可进一步分别改进成如图8所示的调焦调平测量系统6’和如图9所示的调焦调平测量系统60’。相比调焦调平测量系统6和60，调焦调平测量系统6’和60’具有更高的系统分辨率和测量精度。这是通过在模块18和19之间以及68和69直接分别放置放大模块80实现的。放置放大模块80后，系统享有更高的分辨率并可以实现更高精度的测量，而且分辨率和测量精度提高的倍数理论上就是放大模块80的放大倍数。但此时探测器模块(19或69)的测量面积也要相应地增大以保证测量范围不变，否则测量范围会相应变小。

上述附图和具体实施方式仅为本发明的常用实施例，在不背离本发明的发明精神和后附的权利要求书所界定的发明范围的前提下，本发明可以有各种增补、修改和替代。因此，上述实施例系用于说明例证本发明而非限制本发明的范围，本发明的范围由后附的权利要求书及其合法等同物来界定，而不限于此前之描述。权利要求书旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (14)

1.一种调焦调平测量系统，其特征在于：该调焦调平测量系统包括物光栅、第一成像系统、第二成像系统、探测光栅和探测模块，该第一成像系统可将物光栅经光束照明成像于被测对象以形成第一光栅像，该第二成像系统可将该第一光栅像成像于该探测光栅以形成第一探测像，该第一探测像与该探测光栅叠加形成第一莫尔条纹，该第一莫尔条纹被该探测模块探测，该探测模块的位置信息固定，该被测对象的位置信息表现于该第一莫尔条纹相对于该探测模块的位置信息。

2.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：还包括一对偏置平板相对该被测对象对称分布于该第一成像系统和该第二成像系统，该对偏置平板用于调节该调焦调平测量系统的零点。

3.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该探测光栅与该第一探测像参数相同且该探测光栅与该第一探测像成一夹角放置。

4.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该探测模块的敏感方向与该第一莫尔条纹的移动方向一致。

5.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：还包括置于该第二成像系统和该探测模块之间的放大模块。

6.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该第一成像系统还可将该物光栅经该光束照明成像于投影物镜下表面以形成第二光栅像，该第二成像系统还可将该第二光栅像成像于该探测光栅以形成第二探测像，该第二探测像与该探测光栅叠加形成第二莫尔条纹，该第二莫尔条纹被该探测模块探测，该投影物镜下表面的位置信息表现于该第二莫尔条纹相对于该探测模块的位置信息。

7.如权利要求6所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该光束包括用于形成该第一光栅像的测量光和用于形成该第二光栅像的参考光。

8.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：还包括光源模块和照明模块，该光源模块发出的该光束经该照明模块照明该物光栅。

9.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该第一和第二成像系统分别包括成像模块，其中第一成像系统中的成像模块为像方远心或双远心，第二成像系统中的成像模块为物方远心或双远心。

10.一种采用权利要求1所述的调焦调平测量系统的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

物光栅经光束照明成像于该被测对象以形成第一光栅像；

该第一光栅像成像于探测光栅以形成第一探测像；

该第一探测像与该探测光栅叠加形成第一莫尔条纹；

该第一莫尔条纹被探测模块探测，其中该探测模块位置固定；

根据该第一莫尔条纹相对于该探测模块的位置信息计算该被测对象的位置信息。

11.如权利要求10所述的测量方法，其特征在于：该探测光栅与该第一探测像参数相同且该探测光栅与该第一探测像成一夹角放置。

12.如权利要求10所述的测量方法，其特征在于：该探测模块的敏感方向与该第一莫尔条纹的移动方向一致。

13.如权利要求10所述的测量方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤：

该物光栅经该光束照明成像于投影物镜下表面以形成第二光栅像；

该第二光栅像成像于该探测光栅以形成第二探测像；

该第二探测像与该探测光栅叠加形成第二莫尔条纹；

根据该第二莫尔条纹相对于该探测模块的位置信息计算该投影物镜下表面的位置信息；

差分该被测对象和该投影物镜下表面的位置信息以得到该被测对象相对该投影物镜下表面的位置信息。

14.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤：

分束该光束为测量光和参考光，其中该测量光用于形成该第一光栅像，该参考光用于形成该第二光栅像。

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