CN101487991B - 硅片对准系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅片对准系统，所述硅片对准系统包括照明光源系统、对准成像单元、采样模块以及硅片运动控制单元，所述照明光源系统为对准成像单元提供照明光源；所述对准成像单元为硅片对准提供准直的对准光束，并采集在所述硅片表面上反射形成的各级反射光强信号给所述采样模块；所述采样模块将各级反射光强信号转换为电信号，并进行处理得出硅片的位置信号；所述硅片运动控制单元用以控制硅片标记在对准光束下进行扫描运动，所述照明光源系统提供的照明光源为单波长的激光。本发明的硅片对准系统采用半导体激光器发射单波长光，降低了硅片对准系统的设计难度，也减小了激光器自身尺寸和重量，从而降低了光学模块设计的难度。

Description

硅片对准系统

技术领域

本发明涉及一种半导体设备，尤其涉及一种光刻机的硅片对准系统。

背景技术

集成电路芯片生产过程中，为了实现光刻机期望的精度指标，需要精确建立光刻机各个坐标系间的关系，使掩模、掩模台、物镜、硅片、工件台能够建立统一的位置关系。通常可将光刻机中的对准系统分为同轴对准系统和硅片对准系统两种。其中，在硅片对准系统的设计方案上，一直使用红光(633nm)和绿光(532nm)两种光源，从而避免了由于硅片表面标记深度变化而引起的反射光消失现象。在确定实际对准位置的拟合过程中，通过考察两种不同波长激光在硅片表面上的反射率，通过加权平均的方法最终确定实际对准位置。同时为了避免由于不同膜厚上下表面相互干涉等因素带来的负面影响，还提出了对于对准光束的消相干处理。通过1.7～1.8GHz的射频源，对对准光束进行相位调制，从而很好的消除了由于上下反射面光束的相干导致成像模糊的“鬼影效应”现象的影响。

现有的照明光源系统包括红光和绿光两套同样的光路，这种照明光源系统无形中提高了整个硅片系统的造价和设计难度。

而且，由于红、绿两套光路造成的色间偏移，也为拟合过程增加了相当的难度。同时由于半导体激光器的光源调制以及光路引导，均由相关的光学透镜组和器件完成，需要对其中的重要功能部件设备进行精确的标定和位置修正。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种硅片对准系统，降低硅片对准系统的设计难度和制造成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种硅片对准系统，所述硅片对准系统包括照明光源系统、对准成像单元、采样模块以及硅片运动控制单元，其中，

所述照明光源系统为对准成像单元提供照明光源；

所述对准成像单元为硅片对准提供准直的对准光束，并采集在所述硅片表面上反射形成的各级反射光强信号给所述采样模块；

所述采样模块将各级反射光强信号转换为电信号，并进行处理得出硅片的位置信号；

所述硅片运动控制单元用以控制硅片标记在对准光束下进行扫描运动，

所述照明光源系统提供的照明光源为单波长的激光。

进一步的，所述照明光源系统包括980nm半导体激光器，以及由在沿着激光的出射方向依次连接的第一光纤耦合器、光纤放大器、光隔离器、第二光纤耦合器、调制器、偏振控制单元组成的激光器放大环路，其中，

980nm半导体激光器用以产生泵浦光源给所述第一光纤耦合器；

第一光纤耦合器用以将980nm半导体激光器提供的泵浦光源耦合到所述光纤放大器，优选地，所述第一光纤耦合器的输入输出比为50∶50。

光纤放大器用以将所述泵浦光源能量放大和能级跃迁，从而产生对准成像单元需要的1550nm波长的激光，优选地，所述光纤放大器为掺饵光纤放大器。

光隔离器用以防止所述激光反射造成的光能量衰减和信号串扰；

第二光耦合器用以将所述激光耦合输出给所述调制器，产生锁模脉冲激光从激光器放大环路输出，同时产生对准光源给所述对准成像单元，优选地，所述第二光纤耦合器的输入输出比为30∶70，所述对准光源为窄带脉冲光源。

调制器用以产生周期性调制信号，对所述激光产生谐振锁模，产生窄带脉冲激光；

偏振控制单元用以对所述激光的偏振态进行调整，从而使得调制光强最大。

进一步的，所述对准成像单元包括在沿着激光的出射方向依次排列的硅片、前组透镜、空间滤波装置、后组透镜以及参考单元，其中，

空间滤波装置用以将所述硅片标记反射产生的不同级次的衍射光进行光路调整，并使其最终相干成像于所述参考单元的不同位置；

参考单元用以探测不同衍射级次的光强。

进一步的，硅片、前组透镜、空间滤波装置、后组透镜以及参考单元之间的距离分别为1倍前组透镜的焦距。

进一步的，所述采样模块包括光强采样板卡以及计算和控制单元。

进一步的，所述采样板卡包括：光电探测单元、增益控制单元、滤波器以及模数转换器，其中，

光电探测单元用以将所述激光提供的光信号转换为电信号，优选地，所述光电探测单元为光电二极管。

增益控制单元用以对所述电信号进行放大；

滤波器用以对放大后的电信号进行滤波降噪处理；

模数转换器用以将滤波后的电信号进行采样并输出数字信号。

与现有采用红绿双对准光源的硅片对准系统相比，本发明的硅片对准系统采用了半导体激光器发射单波长光，降低了硅片对准系统的设计难度，而且激光器自身尺寸和重量也明显减小，也降低了光学模块设计的难度，由此改善了对准成像单元的设计，提高了对准成像单元对色差的控制，从而提高了硅片对准位置的精度。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明的硅片对准系统作进一步详细的描述。

图1为本发明实施例中硅片对准系统的结构图；

图2为本发明实施例中照明光源系统的结构图；

图3为本发明实施例中对准成像单元的结构图；

图4为本发明实施例中采样模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明具体的功能和实施方式：

请参阅图1，图1为本发明实施例中硅片对准系统的结构图。该系统包括照明光源系统1、对准成像单元2、采样模块4以及硅片运动控制单元5。

请参阅图2，图2为本发明实施例中照明光源系统的结构图，该照明光源系统包括980nm半导体激光器，以及由在沿着激光的出射方向依次连接的第一光纤耦合器、光纤放大器、光隔离器、第二光纤耦合器、调制器、偏振控制单元组成的激光器放大环路。

所述980nm半导体激光器10用以产生泵浦光源给所述第一光纤耦合器，本实施例中，所述980nm半导体激光器10产生的泵浦光源是波长为980nm的连续相干光。

采用这种激光器放大环路损耗小，而且光强也可以通过调整980nm半导体激光器10的泵浦功率来改变，比较方便。

第一光纤耦合器11的输入输出比为50∶50，其作用为将由980nm半导体激光器10所发出的980nm泵浦光源，耦合到所述光纤放大器12，光纤放大器12将所述泵浦光源放大和能级跃迁，产生所述对准成像单元2需要的激光。本实施例中，所述光纤放大器12产生的激光波长为1550nm，所述光纤放大器12为掺饵光纤放大器。

由于本实施例中采用了980nm半导体激光器10发射单波长光，降低了硅片对准系统的设计难度，而且其激光器自身尺寸和重量也明显减小，也降低了光学模块设计的难度。

光隔离器13用以防止所述激光反射造成的光能量衰减和信号串扰，保证了照明光传输的不可逆性。

第二光纤耦合器14用于将所述激光耦合输出给所述调制器15，调制器15产生周期性调制信号，对所述激光产生谐振锁模，实现窄带脉冲激光。

第二光纤耦合器14的输入输出比为30∶70，光强为1550nm，经过增益和放大的激光进入保偏光纤18，产生对准光源给所述对准成像单元；另外一部分光强信号则用以将所述激光耦合输出给所述调制器，产生锁模脉冲激光从激光器放大环路输出，经过激光器放大环路后的激光需要为保持一定偏振角度的线偏振光。

进入对准成像单元2后将通过反射镜(未标示)进行分光和准直，并投影在硅片表面的标记上。

请参阅图3，图3为本发明实施例中对准成像单元的结构图。该对准成像单元2包括在沿着激光的出射方向依次排列的硅片3、前组透镜20、空间滤波装置21、后组透镜22以及参考单元23。

所述前组透镜20，将在硅片3标记上反射的反射光进行收集。在前组透镜20的光瞳位置放置空间滤波装置21，空间滤波装置21将前组透镜20从硅片3表面的标记上反射产生的不同级次的衍射光进行光路调整，并通过后组透镜22进行汇聚，使其最终相干成像于所述参考单元23的不同位置上，参考单元23即可探测到不同衍射级次的光强。

硅片3、前组透镜20、空间滤波装置21、后组透镜22以及参考单元23之间的距离分别等于1倍前组透镜的焦距。其中参考单元23分别对应不同的空间频率进行分别探测，其上刻有与对应空间频率一致的参考标记。

本实施例对准成像单元2的这种透镜组结构设计，无需考虑对于色差的控制，仅需要考虑对于1550nm波长的像差优化，同时内部光路将现有的采用胶合棱镜偏振分光的形式改为直接射入，降低了光学模块设计难度。

请参阅图4，图4为本发明实施例中采样模块4结构示意图。所述采样模块4包括光强采样板卡40以及计算和控制单元41，所述光强采样板卡40包括光电探测单元400、增益控制单元401、滤波器402以及模数转换器403。本实施例中，所述光电探测单元400可使用1550nm波段的高精度光电二极管进行探测，将所述激光提供的光信号转换为电信号，增益控制单元401用以对所述电信号进行放大并输出给滤波器402，滤波器402对放大后的电信号进行滤波降噪处理并输出给模数转换器403，模数转换器403将滤波后的电信号进行采样并输出数字信号，从而得出满足采样频率附近的信号数据，向光强数据总线6发布。

采样模块中的计算和控制单元41通过采集硅片3的位置信号，并进行处理，得出硅片的最终位置，并将信息输出到位置数据总线7上。

硅片对准系统工作的过程如下：请参阅图2，980nm半导体激光器10产生的光源波长为980nm的连续相干光源通过单模保偏光纤17，进入掺饵光纤放大器12，掺饵光纤放大器12将所述窄带脉冲光源放大，调制器15对光路内的1550nm连续光进行调制锁模，并产生激光波长为1550nm的窄带脉冲激光。

经过激光器放大环路输出的对准光源经对准成像单元2准直并投影于硅片标记，硅片运动控制单元5控制硅片3的扫描运动，产生变化的光强信号，脉冲线偏振光从硅片3表面上反射形成反射光反射回给对准成像单元2，对准成像单元2对反射回来的各级衍射光进行收集，并相干成像于参考单元23的不同位置。请参阅图4，将收集的衍射光输出给采样模块4，采样模块4内的光电探测单元400对反射光进行探测，将探测得到的反射光信号通过增益控制单元401进行放大并传输给滤波器402进行滤波，去除干扰信号，经过模数转换器403处理转换为数字信号，向光强数据总线6发送出去，同时，采样模块中的计算和控制单元41通过采集硅片3的位置信号，并进行处理，并将信息输出到位置数据总线7上，从而得出硅片的最终位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种硅片对准系统，所述硅片对准系统包括照明光源系统、对准成像单元、采样模块以及硅片运动控制单元，其特征在于：

所述照明光源系统为对准成像单元提供照明光源，所述照明光源为单波长的激光；

所述对准成像单元为硅片对准提供准直的对准光束，并采集在所述硅片表面上反射形成的各级反射光强信号给所述采样模块；

所述采样模块将各级反射光强信号转换为电信号，并进行处理得出硅片的位置信号；

所述硅片运动控制单元用以控制硅片标记在对准光束下进行扫描运动；

所述照明光源系统包括980nm半导体激光器，以及由在沿着激光的出射方向依次连接的第一光纤耦合器、光纤放大器、光隔离器、第二光纤耦合器、调制器、偏振控制单元组成的激光器放大环路，其中，

980nm半导体激光器用以产生泵浦光源给所述第一光纤耦合器；

第一光纤耦合器用以将980nm半导体激光器提供的泵浦光源耦合到所述光纤放大器；

光纤放大器用以将所述泵浦光源能量放大和能级跃迁，从而产生对准成像单元需要的1550nm波长的激光；

光隔离器用以防止所述激光反射造成的光能量衰减和信号串扰；

第二光纤耦合器用以将所述激光耦合输出给所述调制器，产生锁模脉冲激光从激光器放大环路输出，同时产生对准光源给所述对准成像单元；

调制器用以产生周期性调制信号，对所述激光产生谐振锁模，产生窄带脉冲激光；

偏振控制单元用以对所述激光的偏振态进行调整，从而使得调制光强最大；

所述对准成像单元包括在沿着激光的出射方向依次排列的硅片、前组透镜、空间滤波装置、后组透镜以及参考单元，其中，

空间滤波装置用以将所述硅片标记反射产生的不同级次的衍射光进行光路调整，并使其最终相干成像于所述参考单元的不同位置；

参考单元用以探测不同衍射级次的光强；

参考单元分别对应不同的空间频率进行分别探测，其上刻有与对应空间频率一致的参考标记。

2.如权利要求1所述的硅片对准系统，其特征在于：硅片、前组透镜、空间滤波装置、后组透镜以及参考单元之间的距离分别为1倍前组透镜的焦距。

3.如权利要求1所述的硅片对准系统，其特征在于：所述采样模块包括光强采样板卡以及计算和控制单元。

4.权利要求3所述的硅片对准系统，其特征在于，所述采样板卡包括：光电探测单元、增益控制单元、滤波器以及模数转换器，其中，

光电探测单元用以将所述激光提供的光信号转换为电信号；

增益控制单元用以对所述电信号进行放大；

滤波器用以对放大后的电信号进行滤波降噪处理；

模数转换器用以将滤波后的电信号进行采样并输出数字信号。

5.如权利要求4所述的硅片对准系统，其特征在于：所述光电探测单元为光电二极管。

6.如权利要求1所述的硅片对准系统，其特征在于：所述光纤放大器为掺饵光纤放大器。

7.如权利要求1所述的硅片对准系统，其特征在于：所述对准光源为窄带脉冲光源。

8.如权利要求1所述的硅片对准系统，其特征在于：所述第一光纤耦合器的输入输出比为50∶50。

9.如权利要求1所述的硅片对准系统，其特征在于：所述第二光纤耦合器的输入输出比为30∶70。

Images