CN101251724A - 一种用于光刻装置的对准系统、对准方法和光刻装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于光刻装置的对准系统、对准方法和光刻装置，采用相位探测和幅值探测相结合的原理，对准精度高。对准标记至少包含第一光栅和第二光栅，减小了对准标记非对称变形导致的对准位置误差。同时，组成对准标记的第一光栅和第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中，有效解决信号的串扰问题。照明光束为沿垂直于对准方向的方向延伸的长椭圆形光斑，提高了光源的能量利用率，有利于提高对准信号强度和探测的动态范围。
Description
技术领域
本发明与集成电路或其它微型器件制造领域的光刻装置有关，特别涉及一种对准技术和光刻装置。
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，主流光刻装置的对准系统大多所采用相位光栅对准技术。相位光栅对准技术是指照明光束照射在相位光栅型对准标记上发生衍射和反射，通过探测携带有对准标记的全部或局部位置信息的衍射和反射光获得对准标记的中心位置。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(包括高级次)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。
参见文献(1)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；(2)中国发明专利，公开号：CN1495540A，发明名称：利用至少两个波长的光刻系统的对准系统和方法，一种现有技术是由荷兰ASML公司所采用的4f系统结构的离轴对准系统，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；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的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，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方向对准的光栅X8.0的各级光栅像在像面沿y方向排列成像；用于y方向对准的光栅Y8.0的各级光栅像在像面沿x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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光刻装置的对准系统、对准方法和光刻装置，以实现提高对准精度，减小对准标记非对称变形导致的对准位置误差，解决信号的串扰问题，提高光源的能量利用率，提高对准信号强度和探测的动态范围。
为达到上述目的，本发明提供一种用于光刻装置的对准系统，该系统至少包括：光源模块，提供用于对准系统的照明光束；照明模块，传输光源模块的照明光束，照明晶片上的对准标记；成像模块，对对准标记成像，其至少包括物镜和第一成像光路，该模块通过物镜收集对准标记的反射光和衍射光，并且传输到该第一成像光路对该对准标记成像；探测模块，至少包括参考标记和第一探测光路，该探测模块通过第一探测光路来探测对准标记经成像模块的第一成像光路成像后并通过参考标记调制的透射光强，在对准标记扫描过程中得到第一光信号和第二光信号；信号处理和定位模块，用于处理该第一光信号和第二光信号，并结合第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的位置信息。
该光源模块中包含有激光单元。该激光单元包含有相位调制器。该激光单元中包含有激光器，该激光器可以是气体激光器、固体激光器、半导体激光器，或者光纤激光器。
该光源模块中包含平顶高斯光束整型装置。
该照明光束为至少包含两个分立波长的激光照明光束。该至少包含两个分立波长的激光照明光束可以采用四个分立波长，并且其中至少有两个波长在近红外或红外波段。
该照射到晶片上的照明光束的偏振态为圆偏振光。
该照射到晶片上的照明光束为沿垂直于对准方向的方向延伸的长椭圆形光斑。该长椭圆形照明光斑不是同时而是随着晶片台的不同移动方向交替产生的，在x方向对准时只在晶片上形成沿y方向延伸的长椭圆形照明光斑，在y方向对准时只在晶片上形成沿x方向延伸的长椭圆形照明光斑。该长椭圆形照明光斑可以通过快门控制，交替选择包含不同整形器的两路照明光路来产生。该长椭圆形照明光斑可以通过使用两个交替被驱动的，并且具有不同形状的快门的激光光源来实现；也可以使用具有可变快门的单个激光光源来实现。该长椭圆形照明光斑还可以通过形状可变的可变照明光阑来实现，该可变照明光阑包括可编程的液晶光阀。
该对准标记是划线槽(Scribe Lane)对准标记，至少包含两组相位光栅：第一光栅和第二光栅，该第一光栅和第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中。该对准标记的第一光栅和第二光栅的中心位置重合，整个对准标记以该中心位置为对称中心结构对称。该对准标记可以进一步包括周期不同于上述第二光栅的占空比为1∶1的周期性的第三光栅；该对准标记还可以进一步包括三个以上的光栅。该第一光栅可以是由两组以上周期不同的光栅组成，用于对准标记的粗对准，即捕获标记。该第一光栅可以是编码的零位光栅。该第二光栅是占空比为1∶1的精细光栅，用于精对准。
该第一成像光路使组成对准标记的第一光栅的包括±1级在内的两个以上级次的衍射光和第二光栅的±1级衍射光分别相干成像在位于像面的参考标记上。该参考标记包含四组振幅型参考光栅：第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅和第四参考光栅，分别对应于x和y方向对准标记的第一光栅和第二光栅的光栅像，其中第二参考光栅和第四参考光栅沿周期方向的长度可以等于对应的对准标记第二光栅的1级光栅像长度，也可以大于对应的对准标记第二光栅的1级光栅像长度。该四组振幅型参考光栅中用于同一方向对准的两组光栅的排列方式与相应的对准标记相同，沿垂直于对准方向的方向排列。
该第一探测光路与第一成像光路相连接，探测组成对准标记的第一光栅和第二光栅的光栅像经过参考标记的对应参考光栅调制后的透射光强变化，得到第一光信号和第二光信号。
该信号处理和定位模块处理第一光信号和第二光信号，根据第一光信号的幅值信息得到对准标记的粗略中心位置，即捕获对准标记；根据第二光信号的位相信息，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。
该成像模块还包含第二成像光路，将对准标记的第一光栅和一个分划板上的分划线一起成像在CCD相机上。该探测模块还包含第二探测光路，与该第二成像光路相连接，直接探测对准标记像，用于对准标记位置的视频监测和手动对准。
该第一成像光路还包含多色光分离系统，实现多波长的对准标记衍射光的分离。该多色光分离系统为基于色散元件，或者二向色性元件，或者衍射光学元件的分光系统。
本发明还提供一种用于光刻的对准方法，包括以下步骤：
经照明模块传输光源模块发出的激光照明光束，在晶片上形成长椭圆形光斑，并照射对准标记；
通过成像模块的物镜采集对准标记的反射光和衍射光，并经成像模块中的第一成像光路对对准标记成像；
由探测模块中的第一探测光路探测对准标记经第一成像光路成像后并通过参考标记调制的透射光强，在对准标记扫描过程中得到第一光信号和第二光信号；
经信号处理和定位模块处理第一光信号和第二光信号，并结合第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的位置信息。
本发明还提供一种光刻装置，其构成包括：照明系统，用于传输曝光光束；掩模台，用于支承掩模版的掩模支架，掩模版上有掩模图案和具有周期性结构的对准标记；投影光学系统，用于将掩模版上的掩模图案投影到晶片上；晶片支架和晶片台，用于支承晶片，晶片台上有含有基准标记的基准板，晶片上具有周期性光学结构的对准标记；对准系统，用于晶片对准和晶片台对准，其设置在该掩模台和该晶片台之间；同轴对准单元，用于掩模对准；反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和晶片台位置测量；以及由主控制系统控制的掩模台和晶片台位移驱动的伺服系统和驱动系统。该对准系统包括：光源模块，提供用于对准系统的照明光束；照明模块，传输光源模块的照明光束，照明晶片上的对准标记；成像模块，对对准标记成像，其至少包括物镜和第一成像光路，该模块通过物镜收集对准标记的反射光和衍射光，并且传输到该第一成像光路对该对准标记成像；探测模块，至少包括参考标记和第一探测光路，该探测模块通过第一探测光路来探测对准标记经成像模块的第一成像光路成像后并通过参考标记调制的透射光强，在对准标记扫描过程中得到第一光信号和第二光信号；信号处理和定位模块，用于处理第一光信号和第二光信号，并结合第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的位置信息。该对准标记是划线槽(Scribe Lane)对准标记，至少包含两组相位光栅：第一光栅和第二光栅，该第一光栅和第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中。该照射到晶片上的照明光束为沿垂直于对准方向的方向延伸的长椭圆形光斑。
本发明的对准系统采用相位探测和幅值探测相结合的原理，能够提供较高的对准精度。粗对准采用幅值探测技术，基于对准标记的第一光栅成像，第一光栅是多周期光栅(或者编码的零位光栅)，探测第一光栅的多组(两组以上)光栅衍射光相干成像后经对应的多周期参考光栅调制后的透射光强，由透射光信号的幅值信息确定粗略对准位置(捕获对准标记)；精对准采用相位探测技术，探测对准标记的第二光栅的±1级衍射光相干成像后经对应参考光栅调制后的透射光强，由透射光信号的相位信息确定精确对准位置。
本发明的对准标记至少包含第一光栅和第二光栅，两组光栅的对准中心位置重合，第一光栅是多周期光栅用于粗对准(或捕获标记)；周期较小的第二光栅用于精对准，由于精对准光栅采用了较小的线宽，有利于提高对准精度，同时具有较强的工艺适应性，减小了对准标记非对称变形导致的对准位置误差。同时，组成对准标记的第一光栅和第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中，避免了在对准扫描中对准标记各组光栅像扫描对应参考光栅时，不同的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。
本发明的对准系统中照射到晶片上的照明光束为沿垂直于对准方向的方向延伸的长椭圆形光斑，提高了光源的能量利用率，有利于提高对准信号强度和探测的动态范围。
附图说明
图1是本发明光刻装置的对准系统与光刻装置之间的总体布局、工作原理结构示意图；
图2(a)～图2(c)是图1中晶片对准标记的示意图；
图3是本发明对准系统的系统结构示意图；
图4是本发明对准系统的对准标记在晶片划线槽内的布设情况以及照明光斑扫描晶片对准标记的示意图；
图5是本发明对准系统的参考标记示意图；
图6(a)和图6(b)是本发明对准系统的对准信号(包括第一光信号和第二光信号)示意图；
图7是在先技术的对准标记和参考标记结构示意图；
附图中：1、照明系统；2、掩模版；3、掩模台；4、投影光学系统；5、离轴式对准系统；6、晶片；7、晶片台；8、基准板；9、驱动系统；10、反射镜；11、激光干涉仪；12、主控制系统；13、伺服系统；14驱动系统；15、激光干涉仪；16、反射镜；500、对准标记；500Y、y方向对准的对准标记；5001、第一光栅；5002、第二光栅；500X、x方向对准的对准标记；5003、第一光栅；5004、第二光栅；501、单模保偏光纤；502、光纤耦合器；503、合束器；504、单模保偏光纤；505、起偏器；506、透镜；507、照明孔径光阑；508、透镜；509、平板；509a、反射棱镜；510、消色差的λ/4波片；511、物镜；512、分束器；512a、分束面；513、空间滤波器；514、多色光分离系统；515、透镜系统；516、参考标记；517、传输光纤；518、光电探测器阵列；520、空间滤波器；521、分划板；522、透镜系统；523、传输光纤；524、CCD相机；561、第一参考光栅；562、第二参考光栅；563、第三参考光栅；564、第四参考光栅；565、光纤；566、光纤；567、光纤；568、光纤；580、光斑；581、光斑；FM、基准标记；RM、掩模对准标记；EF、曝光场。
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示出了本发明光刻装置的对准系统与光刻装置之间的总体布局、工作原理结构示意图。光刻装置的构成包括：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掩模对准标记RM；用于将掩模版2上的掩模图案投影到晶片6的投影光学系统4；用于支承晶片6的晶片支架和晶片台7，晶片台7上有刻有基准标记FM的基准板8，晶片6上有周期性光学结构的对准标记500；用于掩模和晶片对准的离轴式对准系统5；用于掩模台3和晶片台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和晶片台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掩模对准标记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重合)的X-Y平面内移动，并且在预定的扫描方向(平行于X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晶片6上成缩小的图像。
晶片台7位于投影光学系统4的下方，晶片台7上设置有一个晶片支架(图中未示出)，晶片6固定在支架上。晶片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向(X方向)和垂直于扫描方向(Y方向)上运动，使得可以将晶片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。晶片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于晶片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，晶片台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控制晶片台7的运动。
晶片6上设有周期性结构的对准标记500，晶片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准系统5分别通过晶片对准标记500和基准标记FM实现晶片6对准和晶片台7对准。另外，一个同轴对准单元(图中未示出)将晶片台上基准板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驱动晶片台7移动实现掩模和晶片6的对准。
图2是图1中晶片对准标记500的结构示意图。图2(a)是用于y方向对准的对准标记500Y的结构示意图，参见图4，对准标记500Y位于x方向的划线槽(Scribe lane)中。对准标记500Y包含两组相位光栅：第一光栅5001和第二光栅5002。对准标记500Y的两组光栅：第一光栅5001和第二光栅5002沿垂直于对准方向的方向排列，即用于y方向对准的对准标记500Y的两组光栅沿x方向排列。另外，两组光栅间的位置可以任意调换。如图中所示，对准标记500Y的两组光栅的对准中心位置重合，整个对准标记500Y以该对准中心位置为对称中心结构对称。
其中，第一光栅5001是多周期光栅，用于对准标记的粗对准(捕获标记)，它由两组以上周期不同的光栅组成。例如图2(b)所示，第一光栅5001包含五组光栅，周期分别为P1、P2和P3，以光栅P1为中心排列在两边的光栅周期依次增大(即P1＜P2＜P3)或者减小(即P3＜P2＜P1)，则第一光栅5001的光栅分布情况是P3、P2、P1、P2、P3。通过选择合适的光栅参数包括：周期(P1、P2和P3)、占空比(τ1、τ2和τ3)、周期数(n1、n2和n3)和不同光栅间隔(d12和d23)使得该第一光栅5001能够产生较好对比度的对准信号，更利于第一光栅5001的位置检测。进一步，多周期的第一光栅5001还可以包含有第四种周期或更多其他周期的光栅。另外，第一光栅5001也可以是编码的零位光栅。第二光栅5002是较小周期的占空比为1∶1的精细光栅，用于精对准，第二光栅周期P0，例如第二光栅5002的周期可以为1μm。
同样，如图2(c)所示，用于x方向对准的对准标记500X包括第一光栅5003和第二光栅5004，两组光栅周期与对准标记500Y的两组光栅周期相同，并且两组光栅的对准中心位置重合(参见图中所示)。对准标记500X的两组光栅沿垂直于对准方向的方向，即y方向排列。参见图4，对准标记500X位于y方向的划线槽(Scribe Lane)中。
此外，本发明所述的对准标记500X和500Y还可以进一步包括周期不同于上述第二光栅5002和5004的第三光栅(占空比为1∶1的周期相位光栅)，甚至更多的光栅。
图3为本发明第一实施例的对准系统5结构示意图，该对准系统5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近红外或红外波段在内的多个分立波长的光源、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511、分束器512、空间滤波器(513、520)、多色光分离系统514和透镜系统(515、522)、分划板521。探测模块包括参考标记516、传输光纤(517、523)、CCD相机524和光电探测器阵列518。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。
该对准系统的主要特征是，采用相位探测和幅值探测相结合的原理，能够提供较高的对准精度。通过在像面探测对准标记的第一光栅和第二光栅相干成像后分别经参考标记调制的光强变化，分别由透射光信号的幅值和相位信息获得对准标记的中心位置。粗对准采用幅值探测技术，基于对准标记的第一光栅成像，第一光栅是多周期光栅(或者编码的零位光栅)，探测第一光栅的多组(两组以上)光栅衍射光相干成像后经对应的多周期参考光栅调制后的透射光强，由透射光信号的幅值信息确定粗略对准位置(捕获对准标记)；精对准采用相位探测技术，探测对准标记的第二光栅的±1级衍射光相干成像后经对应参考光栅调制后的透射光强，由透射光信号的相位信息确定精确对准位置。该对准系统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。
参见图3，对准系统5的光源模块提供包含多个分立波长的照明光束，至少包含两个分立波长的照明光束，例如，633nm和785nm；优先采用四个分立的波长，并且其中至少有两个波长在近红外或红外波段。例如，532nm、633nm、785nm和850nm。多波长(λ1、λ2、λ3和λ4)照明光束经单模保偏光纤501传输，然后经光纤耦合器502耦合进入合束器503，再通过单模保偏光纤504输出到对准系统5的照明模块。
优先使用高亮度的激光光源，在光源模块中包含有激光单元(图中未示出)，为提高信噪比，在激光单元中采用相位调制器对激光束进行相位调制，并在信号处理和定位模块对探测到的对准信号进行解调。所使用的激光光源可以是气体激光器、固体激光器、半导体激光器，或者光纤激光器等。另外，光源模块中还包含平顶高斯光束(Flat-top Gaussian beam)整型器(图中未示出)，用于将高斯光束整型成平顶高斯光束。
上述的对准系统使用多波长激光照明光束，可以抑制多工艺层产生的相消干涉效应的影响，提高工艺适应性；使用近红外和远红外波长的光源照明，可以有效解决低k值的介质材料在可见光谱范围的吸收问题，并可用于多晶硅工艺层的标记探测，同时兼容双掩模工艺中的对准需求，从而提高对准信号强度。
如图3所示，照明模块包括传输光纤504和照明光学系统，多波长照明光束依次经过起偏器505、透镜506、照明孔径光阑507和透镜508，然后经平板509上的反射棱镜509a垂直入射到消色差的λ/4波片510。
当对准标记光栅周期较小，与照明波长量级相当(一般指小于5λ)时，光栅衍射效率与照明光束的偏振特性相关，因此利用消色差的λ/4波片510，使线偏振光经消色差的λ/4波片510后，经物镜511入射到晶片上的照明光斑为圆偏振光，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。
多波长照明光束经物镜511垂直入射到晶片对准标记上，发生反射或衍射。物镜511是对准成像光路中关键元件，该透镜必须有足够大的数值孔径(例如NA＝0.8)以收集来自晶片对准标记上不同色光的多级次衍射光。当NA＝0.8时，如果使用波长850nm的照明光源，则可以探测节距为1.1μm较小的光栅对准标记。另外，为保证晶片与对准系统间有合适的距离，优选长工作距的物镜。
多波长照明光束经照明光学系统和物镜511在晶片上所形成的照明光斑为长椭圆形，如图4中的光斑580和581所示。长椭圆形照明光斑580和581不是同时而是随着晶片台的不同移动方向交替产生的，在x方向对准时只在晶片上形成沿y方向延伸的长椭圆形照明光斑581，在y方向对准时只在晶片上形成沿x方向延伸的长椭圆形照明光斑580。一种方法是将照明光路设计成各有一个快门控制的两路光路(图3中未显示)，一路通过整形器(如折射棱镜)将照明光斑整形成长椭圆形光斑580，另一路通过另一个垂直放置的整形器(如折射棱镜)将照明光斑整形成长椭圆形光斑581，通过两个快门控制交替在晶片上产生相互垂直的长椭圆形照明光斑580和581。另外一种方法，可以通过使用两个交替被驱动的，并且具有不同形状的快门的激光光源来实现，其中一个激光光源的快门具有一个方向的狭缝(如x方向)，用来产生长椭圆形照明光斑580；另一个激光光源的快门具有另一个垂直方向的狭缝(如y方向)，用来产生长椭圆形照明光斑581。另外，还可以使用具有可变快门的单个激光光源来实现，或者是形状可变的可变照明光阑(例如，可编程的液晶光阀)来实现，其中一个快门或光阑具有一个方向的狭缝(如x方向)，另一个激光光源的快门或照明光阑具有另一个垂直方向的狭缝(如y方向)。另外还包括其他类似的实施方法。
图4给出了图2所示的对准标记结构在晶片划线槽内的布设情况。在晶片上曝光场EF之间为划线槽，在相互垂直的划线槽中布设有对准标记500X和500Y，对准标记500X用于x方向的对准，位于y向的划线槽中；对准标记500Y用于Y方向的对准，位于x向的划线槽中。对准标记500Y和500X位于划线槽的中间区域，为防止来自IC产品结构的信号串扰，对准标记500Y和500X的光栅沿周期方向长度小于划线槽宽度，例如为72μm；为增加衍射光强度可以增加光栅的宽度，例如为180μm。在进行y方向对准时，随着晶片台7沿y方向的位移，长椭圆形照明光斑580沿y方向扫描对准标记500Y；在进行x方向对准时，随着晶片台7沿x方向的位移，长椭圆形照明光斑581沿x方向扫描对准标记500X。
成像模块包括第一成像光路(包括粗对准和精对准成像光路)和第二成像光路(即CCD成像光路)。其中，第二成像光路将对准标记和分划板上的分划线一起成像在CCD相机光敏面上，用于手动对准和视频监测。第二成像光路包括物镜511、消色差的λ/4波片510、分束器512、空间滤波器520、分划板521、透镜系统522等。
第一成像光路使对准标记的第一光栅(多周期光栅或编码的零位光栅)相干成像在位于像面参考标记对应的参考光栅上，产生第一光信号(即粗对准信号)，进行粗对准(或捕获对准标记)；使对准标记的第二光栅的±1级衍射光相干成像在参考标记对应的参考光栅上，产生第二光信号(即精对准信号)，进行精对准。第一成像光路包括物镜511、消色差的λ/4波片510、分束器512、空间滤波器513、多色光分离系统514、透镜系统515。
探测模块包括第一探测光路(包括粗对准和精对准探测光路)和第二探测光路(即CCD成像探测光路)，分别对应于第一成像光路和第二成像光路。第一探测光路包括参考标记516、传输光纤517、光电探测器阵列518。第二探测光路包括传输光纤523和CCD相机524。
多波长照明光束照明晶片对准标记500，发生反射和衍射，在物镜511的频谱面上产生一系列衍射光斑，分别对应对准标记500的第一光栅和第二光栅。对准标记500的衍射光经物镜511准直后进入分束器512，经分束面512a分成两路，一路进入第一成像光路，另一路进入第二成像光路。
第二成像光路，即CCD成像光路中，来自于对准标记的第一光栅5001和5003的多波长的多个级次衍射光的一部分光束经过空间滤波器520和一个刻有分划线的分划板521，然后经透镜522和传输光纤523将第一光栅5001、5003和分划线一起成像在CCD相机524上，用于手动对准和视频监测。另外，CCD成像光路也可以位于单色光路(如λ1光路)中，此时所成的像为单色像。
进入第一成像光路的多波长衍射光首先经过一个位于对准标记500的中间像面的空间滤波器513，使得只有对准标记500Y的第一光栅5001和对准标记500X的第一光栅5003的多个级次(包括±1级)衍射光，以及第二光栅5002和第二光栅5004的±1级衍射光可以通过，零级光、其它不需要的级次衍射光和杂散光被滤掉，同时消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰影响。
以x方向对准标记500X的成像和对准过程为例，透过空间滤波器513的对准标记500X的多波长的多级次衍射光首先经过一个多色光分离系统514，使得不同颜色的衍射光分离。图3中仅给出了其中一种波长λ1的光路，波长为λ1的对准标记500X的第一光栅5003(多周期光栅或编码的零位光栅)的包括±1级在内的多个级次(例如±1～±3级)衍射光经过透镜515相干成像在位于像面的参考标记516的对应第三参考光栅563上。
如图5所示，参考标记516包括四组振幅型参考光栅：第一参考光栅561、第二参考光栅562、第三参考光栅563和第四参考光栅564，分别对应于对准标记500Y的第一光栅5001和第二光栅5002，以及对准标记500X的第一光栅5003和第二光栅5004的光栅像。参考标记516的两组光栅：第一参考光栅561、第二参考光栅562的排列方式与对准标记500Y相似，沿垂直于对准方向(y方向)的方向，即x方向排列；另外两组光栅：第三参考光栅563和第四参考光栅564的排列方式与对准标记500X相似，沿垂直于对准方向(x方向)的方向，即y方向排列。第二参考光栅562和第四参考光栅564沿周期方向的长度可以等于或者也可以大于对应的对准标记第二光栅的1级光栅像长度。四组参考光栅后分别设置有传输光纤束517，包括光纤565、566、567和568，将参考标记516的各组参考光栅的透射光传输到相应的光电探测器阵列518，在对准标记500X和500Y扫描过程中，得到对准标记x和y方向的对准信号，如图6所示，包括第一光信号和第二光信号。
参见图6，在晶片台扫描过程中，当对准标记500X的第一光栅5003和第三参考光栅563完全对准时(或者对准标记500Y的第一光栅5001和第一参考光栅561完全对准时)，可以得到如图6(a)所示的第一光信号，经信号处理和定位模块处理第一光信号，得到粗对准中心位置为x1(或y1)。当对准标记随着晶片台的移动偏离对准位置时，第一光信号的幅值快速下降，通过对对准标记500的第一光栅5001和5003的参数(周期、占空比、周期数和间隔)的优化设计，可以使得最高峰幅值和次级峰幅值明显区分出来，使最高峰值与次级峰值相对差值d达到整个信号幅值h的50％左右，防止在实际检测中由于最高峰值与次级峰值幅值相近而造成对准信号位置检测错误。
波长为λ1的对准标记500X的第二光栅5004的±1级衍射光经过透镜515相干成像在位于像面的参考标记516的对应第四参考光栅564上。在对准标记500X(或者500Y)扫描过程中，对准标记500X的第二光栅5004的1级光栅像扫描第四参考光栅564(或者对准标记500Y的第二光栅5002的1级光栅像扫描第二参考光栅562)时，经传输光纤束517和光电探测器阵列518，可以得到如图6(b)所示的第二光信号，第二光信号是为具有多峰值特性的正弦周期信号，信号周期是P0/2。信号处理和定位模块处理第二光信号，由于精对准的捕获范围为±1/2倍的精对准信号周期，因此根据第一光信号的粗对准中心位置x1(或y1)，可以在第二光信号中在以粗对准位置x1(或y1)为中心的±1/2周期范围内得到唯一的一个峰值位置，该位置即为精对准的对准中心位置x0(或y0)，从而获得整个对准标记500X(或500Y)的中心位置。
在晶片台扫描过程中，第一成像光路对对准标记500X(或500Y)的第一光栅的多个衍射级次和第二光栅的±1级衍射光分别相干成像，第一探测光路在像面探测两个光栅像经参考标记对应的振幅型参考光栅调制后的透射光强变化，分别得到第一光信号和第二光信号。由第一光信号的幅值信息获得对准标记500X(或500Y)的粗略中心位置，实现对准标记500X(或500Y)的粗捕获；由第二光信号的相位信息，并结合对准标记500X(或500Y)的粗略中心位置信息，获得对准标记500X(或500Y)的精确中心位置。第二成像光路和第二探测光路采用CCD相机探测对准标记500X(或500Y)的第一光栅和分划线的像，用于手动对准和视频监测。
本发明所述的对准系统使用多波长的照明光束同时照明对准标记时，不同波长的衍射光相互重叠，因此不同波长的对准信号必须分开探测，需要使用多色光分离系统分离不同波长的光信号。
本发明中，多色光分离系统514可以采用不同的原理和器件来实现，可以为基于色散元件的分光系统包括：棱镜(考纽棱镜、立特鲁棱镜等)、闪耀光栅和阶梯光栅；也可以是基于二向色性元件的分光系统，例如干涉滤光片，也可以是基于DOE衍射光学元件(例如CSG-色分离光栅)的分光系统。
优先采用一种透射型多闪耀光栅作为多色光分离系统，所述透射型多闪耀光栅包括折线型闪耀光栅和分区域型闪耀光栅，以及折线型-分区域组合多闪耀光栅，其具体形式或结构参见中国发明专利(1)“一种光刻设备的对准系统以及该对准系统的级结合系统”，公开号：CN1949087；(2)“用于光刻设备的对准系统及其级结合光栅系统”，公开号CN1936711。通常的闪耀光栅结构参数是按中心波长优化，在边缘波长(例如532nm，850nm)处的光栅衍射效率降低，即使使用高能量的激光，这种能量的衰减也是很明显的。这时可以采用多闪耀光栅，一种为折线型多闪耀光栅，用两个不同闪耀角的小平面代替普通闪耀光栅的槽面，工作时两个不同闪耀角的小平面同时工作，从而在能量-波长曲线上出现两个最大值，分别对应于两个闪耀波长，使曲线在两端下降缓慢，可覆盖较大的波长范围。由于折线型多闪耀光栅的刻划需使用特殊刻制刀，在每条刻线上刻划出两个折线型槽面，因此只适合于线槽密度较小，每条线槽工作面较宽的红外光栅。另一种为分区域多闪耀光栅，是把一块闪耀光栅的工作槽面分成两个或多个区域(由所需分离的波长数目决定)分别刻划，各分区域的线槽密度相同，闪耀角不同。其实质是多块普通闪耀光栅的拼合，刻划时不会有太大困难，可以刻划较高线槽密度的光栅。
参见图7，一种现有技术的情况(参见(1)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；(2)中国发明专利，公开号：CN1495540A，发明名称：利用至少两个波长的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；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的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，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方向对准的光栅X8.0的各级光栅像在像面沿y方向排列成像；用于y方向对准的光栅Y8.0的各级光栅像在像面沿x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。
本发明的用于光刻的对准方法的实施例是图1-图6及其附图说明所述的一种使用上述对准系统进行晶片对准的对准方法。
本发明的光刻装置的实施例是采用上述对准系统的光刻装置，参见图1-图6及其附图说明。
本发明所述的对准系统同时还可以实现对光刻装置的相关参数的测量，基于对对准标记的位置信息探测来确定离焦、能量、剂量、线宽、接触孔尺寸或关键尺寸中的至少一个。
本发明对上述实施例进行了描述。本发明不仅限于上述实施例，还包括在从属权利要求中所述的本发明实施例的组合和非本质性的改动。本发明所述的装置和方法具体应用于但不局限于集成电路IC的制造，该装置还可以用于其他方面的制造，包括微机电系统(MEMS)器件、微光机电系统(MOEMS)器件、集成光学系统、液晶显示板LCD、薄膜磁头等。并且，在上述其它应用领域中，本发明所述的“晶片”可以由更通用的术语“基底”代替。本发明中所涉及到的“光源”和“光束”包括所有类型的电磁辐射，例如：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)、超高压汞灯(g-线、i线)、远紫外光源(5-20nm的波长范围)、或者离子束和电子束等。
Claims (30)
1. 一种用于光刻装置的对准系统，其特征在于，至少包括：
光源模块，提供用于对准系统的照明光束；
照明模块，传输光源模块的照明光束，照明晶片上的对准标记；
成像模块，对对准标记成像，其至少包括物镜和第一成像光路，该模块通过物镜收集对准标记的反射光和衍射光，并且传输到所述第一成像光路对所述对准标记成像；
探测模块，至少包括参考标记和第一探测光路，所述探测模块通过第一探测光路来探测对准标记经成像模块的第一成像光路成像后并通过参考标记调制的透射光强，在对准标记扫描过程中得到第一光信号和第二光信号；
信号处理和定位模块，用于处理所述第一光信号和第二光信号，并结合第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的位置信息。
2. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述光源模块中包含有激光单元。
3. 如权利要求2所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述激光单元包含有相位调制器。
4. 如权利要求2所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述激光单元中包含有激光器，所述激光器可以是气体激光器、固体激光器、半导体激光器，或者光纤激光器。
5. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述光源模块中包含平顶高斯光束整型装置。
6. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述照明光束为至少包含两个分立波长的激光照明光束。
7. 如权利要求6所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述至少包含两个分立波长的激光照明光束可以采用四个分立波长，并且其中至少有两个波长在近红外或红外波段。
8. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述照射到晶片上的照明光束的偏振态为圆偏振光。
9. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述照射到晶片上的照明光束为沿垂直于对准方向的方向延伸的长椭圆形光斑。
10. 如权利要求9所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述长椭圆形照明光斑不是同时而是随着晶片台的不同移动方向交替产生的，在x方向对准时只在晶片上形成沿y方向延伸的长椭圆形照明光斑，在y方向对准时只在晶片上形成沿x方向延伸的长椭圆形照明光斑。
11. 如权利要求9所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述长椭圆形照明光斑可以通过快门控制，交替选择包含不同整形器的两路照明光路来产生。
12. 如权利要求9所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述长椭圆形照明光斑可以通过使用两个交替被驱动的并且具有不同形状的快门的激光光源来实现；也可以使用具有可变快门的单个激光光源来实现。
13. 如权利要求9所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述长椭圆形照明光斑可以通过形状可变的可变照明光阑来实现，所述可变照明光阑包括可编程的液晶光阀。
14. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述对准标记是划线槽对准标记，至少包含两组相位光栅：第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中。
15. 如权利要求14所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述对准标记的第一光栅和第二光栅的中心位置重合，整个对准标记以所述中心位置为对称中心结构对称。
16. 如权利要求14所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述对准标记可以进一步包括周期不同于上述第二光栅的占空比为1∶1的周期性的第三光栅；所述对准标记还可以进一步包括三个以上的光栅。
17. 如权利要求14所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述第一光栅可以是由两组以上周期不同的光栅组成，用于对准标记的粗对准，即捕获标记。
18. 如权利要求14所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述第一光栅可以是编码的零位光栅。
19. 如权利要求14所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述第二光栅是占空比为1∶1的精细光栅，用于精对准。
20. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述第一成像光路使组成对准标记的第一光栅的包括±1级在内的两个以上级次的衍射光和第二光栅的±1级衍射光分别相干成像在位于像面的参考标记上。
21. 如权利要求20所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述参考标记包含四组振幅型参考光栅：第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅和第四参考光栅，分别对应于x和y方向对准标记的第一光栅和第二光栅的光栅像，其中第二参考光栅和第四参考光栅沿周期方向的长度可以等于对应的对准标记第二光栅的1级光栅像长度，也可以大于对应的对准标记第二光栅的1级光栅像长度。
22. 如权利要求21所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述四组振幅型参考光栅中用于同一方向对准的两组光栅的排列方式与相应的对准标记相同，沿垂直于对准方向的方向排列。
23. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述第一探测光路与第一成像光路相连接，探测组成对准标记的第一光栅和第二光栅的光栅像经过参考标记的对应参考光栅调制后的透射光强变化，得到第一光信号和第二光信号。
24. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述信号处理和定位模块处理第一光信号和第二光信号，根据第一光信号的幅值信息得到对准标记的粗略中心位置，即捕获对准标记；根据第二光信号的位相信息，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。
25. 如权利要求1所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述成像模块还包含第二成像光路，将对准标记的第一光栅和一个分划板上的分划线一起成像在CCD相机上。
26. 如权利要求25所述的一种用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述探测模块还包含第二探测光路，与所述第二成像光路相连接，直接探测对准标记像，用于对准标记位置的视频监测和手动对准。
27. 如权利要求1所述的一种用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述第一成像光路还包含多色光分离系统，实现多波长的对准标记衍射光的分离。
28. 如权利要求27所述的一种用于光刻装置的对准系统，其特征在于：所述多色光分离系统为基于色散元件，或者二向色性元件，或者衍射光学元件的分光系统。
29. 一种使用如权利要求1所述的对准系统的对准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
经照明模块传输光源模块发出的激光照明光束，在晶片上形成长椭圆形光斑，并照射对准标记；
通过成像模块的物镜采集对准标记的反射光和衍射光，并经成像模块中的第一成像光路对对准标记成像；
由探测模块中的第一探测光路探测对准标记经第一成像光路成像后并通过参考标记调制的透射光强，在对准标记扫描过程中得到第一光信号和第二光信号；
经信号处理和定位模块处理第一光信号和第二光信号，并结合第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的位置信息。
30. 一种包括如权利要求1所述的对准系统的光刻装置，其构成包括：
照明系统，用于传输曝光光束；
掩模台，用于支承掩模版的掩模支架，掩模版上有掩模图案和具有周期性结构的对准标记；
投影光学系统，用于将掩模版上的掩模图案投影到晶片上；
晶片支架和晶片台，用于支承晶片，晶片台上有含有基准标记的基准板，晶片上具有周期性光学结构的对准标记；
对准系统，用于晶片对准和晶片台对准，其设置在所述掩模台和所述晶片台之间；
同轴对准单元，用于掩模对准；
反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和晶片台位置测量，以及
由主控制系统控制的掩模台和晶片台位移驱动的伺服系统和驱动系统；
其特征在于：
所述对准系统包括：光源模块，提供用于对准系统的照明光束；照明模块，传输光源模块的照明光束，照明晶片上的对准标记；成像模块，对对准标记成像，其至少包括物镜和第一成像光路，所述模块通过物镜收集对准标记的反射光和衍射光，并且传输到所述第一成像光路对所述对准标记成像；探测模块，至少包括参考标记和第一探测光路，所述探测模块通过第一探测光路来探测对准标记经成像模块的第一成像光路成像后并通过参考标记调制的透射光强，在对准标记扫描过程中得到第一光信号和第二光信号；信号处理和定位模块，用于处理第一光信号和第二光信号，并结合第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的位置信息；所述对准标记是划线槽对准标记，至少包含两组相位光栅：第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中；所述照射到晶片上的照明光束为沿垂直于对准方向的方向延伸的长椭圆形光斑。
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