CN101963766A - 一种用于光刻机的掩模预对准装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光刻机的掩模预对准装置，包括光源；对光源发出的光进行准直的准直透镜；位于掩模板上的第一预对准标记和第二预对准标记；双远心成像系统；图像传感器和信号处理系统；其中，经准直透镜准直的光穿过第一预对准标记后由半透半反棱镜反射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上；经准直透镜准直的光穿过第二预对准标记后由反射棱镜反射后透过半透半反棱镜入射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上；信号处理系统对图像传感器上所成的像进行处理，并将处理结果反馈至掩模运动系统。

Description

一种用于光刻机的掩模预对准装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路或其它微型器件制造领域的光刻设备，尤其涉及一种用于光刻机掩模预对准的装置及方法。

背景技术

光刻机中的预对准技术是使掩模在一定精度范围内与光刻机的投影物镜光轴进行预对准，包括旋转和水平方向对准，以使得对准标记处于精密对准系统的捕获范围内，预对准的成功与否以及其效率的高低直接影响着生产效率的高低。

中国专利公开文献CN1940734提供了一种掩模预对准装置，该装置的特点是利用四象限探测器分别采集硅片上两个标记的像，利用每个象限之间能量差值关系表征硅片的位置信息，这种装置是光刻机系统中常用的预对准方法，无论是用于掩模预对准还是硅片预对准。该预对准装置中采用了两路对准探测系统进行探测，再对这两路信号进行分光和合像，然后输入监视器进行监视。捕获标记范围最大达到500um，一般为300um，主要受四象限探测器面积约束，捕获范围是探测器直径的1/5。预对准精度达到10um左右，预对准精度主要受到以下因素的影响：照明标记的均匀性，照明光源能量，照明能量的稳定性，四象限探测器的重复性，工作环境振动等，如更能严格控制以上几个因素，预对准精度能达到5um。但是如果再想使用这种装置和方法，很难达到高精度的预对准效果。

中国专利公开文献CN101403865A中公开了一种光刻机掩模预对准系统，该系统也使用了两组完全相同的光学系统对预对准标记进行成像，每组光学系统中都包括一个四象限光电传感器。该预对准系统对光束的准直性要求较高，光束发散角较大时成像的弥散斑较大，进而影响对准精度。由于采用了两组完全相同的光学系统，对这两个光学系统中的各个元件的重复性要求都很高，光路调整的难度也较大。

发明内容

本发明的目的在于提高预对准精度。本发明采用了下述预对准装置和方法：

一种用于光刻机的掩模预对准装置，包括：

第一光源和第二光源；

分别对第一光源和第二光源发出的第一光束和第二光束进行准直的第一准直单元和第二准直单元；

位于掩模板上的第一预对准标记和第二预对准标记；

双远心成像系统；

图像传感器和信号处理系统；

其中，经第一准直单元准直的第一光束穿过第一预对准标记后由半透半反棱镜反射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上；

经第二准直单元准直的第二光束穿过第二预对准标记后由反射棱镜反射后透过半透半反棱镜入射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上，所述第二光束穿过第二预对准标记后得到的光束与第一光束穿过第一预对准标记后得到的光束平行；

信号处理系统对图像传感器上所成的像进行处理，并将处理结果反馈至掩模运动系统，由掩模运动系统控制掩模运动，并重复上述成像、处理、反馈和运动过程，直至实现预对准。

其中，该装置还具有补偿单元，补偿单元将穿过第二预对准标记的光在一平面上成等大的像，光束从该平面到达双远心成像系统的光程和第一光束穿过第一预对准标记后到达双远心成像系统的光程相等。

其中两个预对准标记形状相同。

其中预对准标记优选易加工结构简单的形状，例如小圆孔。

其中第一光束和第二光束穿过第一预对准标记和第二预对准标记后出射的光束均以45度角分别入射到半透半反棱镜和反射棱镜的反射面上。

其中双远心成像系统的放大倍率M满足C≤M×X，其中，X是对准精度，C是图像传感器像素尺寸。

其中图像传感器满足B＝M×S，其中，B是传感器尺寸，S是所需的标记捕获范围，M是所述双远心成像系统的放大倍率。

其中从两个光源发出的光经第一准直单元和第二准直单元准直后相互平行。

一种掩模预对准方法，采用了上述掩模预对准装置，在经第一准直单元准直的第一光束穿过第一预对准标记后由半透半反棱镜反射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上，同时，经第二准直单元准直的第二光束穿过第二预对准标记后由反射棱镜反射后透过半透半反棱镜入射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上的情况下，进行下述步骤：

(a)利用信息处理系统对图像传感器的每一象素进行坐标值定义；

(b)利用信息处理系统识别第一预对准标记和第二预对准标记在图像传感器上所成的像，确定其坐标值，计算两个像之间的距离；

(c)根据两个像之间的距离确定掩模的旋转角度，将计算值反馈给掩模运动系统，利用该运动系统旋转掩模；

(d)重复步骤(b)、(c)，直至两个像之间的距离小于预定值，此时两个像在图像传感器上基本重合；

(e)利用信息处理系统确定基本重合的像的坐标值，计算该坐标到坐标原点的距离；

(f)根据步骤(e)中的距离确定掩模的平移值，将该值反馈给掩模运动系统，利用该运动系统平移掩模；

(g)重复步骤(e)、(f)，直至重合的像的坐标值为(0，0)。

与现有技术相比，本发明只使用一个探测器就可以探测掩模上不同位置处的两个标记，有利于降低成本和提高信息处理速度。同时由于信号处理系统是基于识别最高强度点而识别出标记的坐标，因此本发明对照明的能量、稳定性和均匀性均无特殊要求。此外，预对准标记只需要做成小圆孔等简单形状，比传统的十字或米字标记制作简单。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中：

图1是本发明实施例中用于光刻机预对准的结构示意图；

图2是本发明实施例中在预对准之前，预对准标记成像于图像传感器上的情况；

图3为本发明实施例中完成掩模旋转角度对准后，预对准标记成像于图像传感器上的情况；

图4为本发明实施例中高对准精度的条件下的放大成像系统；

图5为本发明实施例中用于大标记捕获范围的缩小成像系统。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

如图1所示，该预对准装置结构包括光源1，准直透镜2，半透半反棱镜3，反射棱镜4，补偿透镜5，具有放大倍率M的双远心成像系统6，图像传感器7以及信号处理系统8。

被预对准的掩模9上具有相同的预对准标记10、13。准直透镜2将光源1发出的光准直照射到掩模9的标记10上，标记10可以做成像圆形透光孔之类的简单形状，直径范围可以为0.5至2mm。准直光束透过标记10的出射光束11以45度入射角入射到半透半反棱镜3的半透半反面12，被反射进入到成像系统6。同样，准直光束透过标记13的出射光束14也以45度入射角入射到反射棱镜4上，通过反射棱镜4的反射，垂直入射到半透半反棱镜3，从半透半反棱镜3透射出来后进入到成像系统。由于标记10和标记13相对于成像系统的物距不一样，这样标记10和13的成像光斑大小就不一样，所以在标记13的对准光路里增加了补偿透镜5，使标记13在平面15处先第一次成等大的像，确保从平面15处出射的光到达成像系统6的光程与从标记10处出射的光到达成像系统6的光程相等，使得标记10和13在图像传感器7上所成像的光斑大小相等。成像系统6将11和14两路光束成像为位于图像传感器7上的小光斑。信号处理系统8根据图像传感器7的信息计算当前掩模上的预对准标记在图像传感器7上所成的像强度最大的点的XY向坐标，根据上述坐标计算掩模的旋转角度值和平移量，反馈给掩模运动系统对掩模进行旋转和位置移动，完成预对准过程。其中坐标原点可以根据对准的需要进行设定。

由于两路预对准光路共用一个成像系统，所以图像传感器上代表两个标记的光斑的位置信息直接反映了掩模相对于光刻投影物镜光轴的位置。如图2所示，在图像传感器7上，代表两标记10和13的光斑点16和17的坐标分别是(X1，Y1)和(X2，Y2)，该坐标系是以图像传感器的像素尺寸为最小步长，以投影物镜光轴为中心原点的坐标系。信号处理系统将图像传感器的每个像素都标记好所代表的坐标点，光斑点所处的像素点由于具有高强度而被信号处理系统迅速识别出来，从而确定了光斑点所处的坐标点位置。光斑点的X和Y向坐标分别代表了该标记距离最佳位置的XY向偏离量，除以成像系统的放大率M就是实际的偏离量。两光斑点的距离

代表了掩模相对于投影物镜的旋转角度，乘以一系数C就是实际的旋转角度。

预对准的过程是：先将两个标记10、13成像于图像传感器7上，信息处理系统识别两光斑点的坐标，计算两光斑点之间的距离L，将其反馈给掩模运动系统，使掩模旋转相应的角度，然后再次对标记成像，计算光斑之间的距离L，再反馈、旋转，直到L小于容许量，则认为旋转角度已对准好。此时，两光斑点16和17在传感器7上所成的像基本重合，如图3所示，信息处理系统此时只能识别出一个光斑点的坐标(X1，Y1)，将其反馈到掩模运动系统使其进行XY向的反向运动，移动量分别为|X1/M|，|Y1/M|，当坐标点变为(0，0)时，则认为完成了掩模XY向的对准。

上述预对准的装置和方法的捕获标记范围和对准精度主要受图像传感器尺寸，像素大小，成像系统放大倍率影响，因此，应用到不同的光刻机上可以用不同的配置搭配方法。其中，图像传感器尺寸为

B＝M×S    (1)

其中，M为成像系统的放大倍率，S为标记捕获范围。

放大倍率M应满足下述关系式

C≤M×X    (2)

其中，X是对准精度(单位：微米)，C是图像传感器的像素尺寸(单位：微米)。当M值大于1时，有利于提高对准精度；当M值小于1时，有利于增大捕获范围。

当应用到曝光线条比较细的光刻机，如100nm级别的，其预对准精度可能需要1um到2um左右，但标记捕获范围需要比较小，300um左右，可以使用放大倍率的成像系统和像素较小的图像传感器实现高预对准精度。如图4所示，在选用2倍放大率的成像系统时，可以将标记的移动量放大2倍，假设标记移动量为Δh＝1um，代表标记的光斑点则相应移动2Δh＝2um，配合选用1um像素的图像传感器，其对准精度可以达到1um。但是，为了提高对准精度不能一味提高成像系统的放大倍率，因为这样会相应增加图像传感器的尺寸，从而使得信号处理速度变慢，进而影响预对准的调整过程。

当应用到曝光线条比较宽的光刻机，如2um级别的，其预对准精度只需要10um到5um左右，但标记捕获范围需要比较大，600um左右，可以使用缩小倍率的成像系统和较小的图像传感器实现大的标记捕获范围。如图5所示，选用1/2倍放大率的成像系统，根据公式(1)，此时B＝0.5S，从而用300um大的传感器就可以实现600um的标记捕获范围。假设标记移动5um，则代表标记的光斑点移动了2.5um，配合选用1um像素的图像传感器，则其对准精度可以达到5um。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于光刻机的掩模预对准装置，包括：

第一光源和第二光源；

分别对第一光源和第二光源发出的第一光束和第二光束进行准直的第一准直单元和第二准直单元；

位于掩模板上的第一预对准标记和第二预对准标记；

双远心成像系统；

图像传感器和信号处理系统；

其中，经第一准直单元准直的第一光束穿过第一预对准标记后由半透半反棱镜反射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上；

经第二准直单元准直的第二光束穿过第二预对准标记后由反射棱镜反射后透过半透半反棱镜入射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上；

信号处理系统对图像传感器上所成的像进行处理，并将处理结果反馈至掩模运动系统，由掩模运动系统控制掩模运动，并重复上述成像、处理、反馈和运动过程，直至实现预对准。

2.如权利要求1所述的掩模预对准装置，其特征在于该装置还具有补偿单元，补偿单元将穿过第二预对准标记的光在一平面上成等大的像，光束从该平面到达双远心成像系统的光程和第一光束穿过第一预对准标记后到达双远心成像系统的光程相等。

3.如权利要求2所述的掩模预对准装置，其特征在于两个预对准标记形状相同。

4.如权利要求3所述的掩模预对准装置，其特征在于预对准标记是小圆孔。

5.如权利要求2所述的掩模预对准装置，其特征在于第一光束和第二光束穿过第一预对准标记和第二预对准标记后出射的光束均以45度角分别入射到半透半反棱镜的半透半反面和反射棱镜的反射面上。

6.如权利要求1所述的掩模预对准装置，其特征在于双远心成像系统的放大倍率M满足C≤M×X，其中，X是对准精度，C是图像传感器像素尺寸。

7.如权利要求1所述的掩模预对准装置，其特征在于图像传感器满足B＝M×S，其中，B是传感器尺寸，S是所需的标记捕获范围，M是所述双远心成像系统的放大倍率。

8.如权利要求1所述的掩模预对准装置，其特征在于从两个光源发出的光经第一准直单元和第二准直单元准直后相互平行。

9.一种掩模预对准方法，采用了权利要求1～8之一所述的掩模预对准装置，在经第一准直单元准直的第一光束穿过第一预对准标记后由半透半反棱镜反射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上，同时，经第二准直单元准直的第二光束穿过第二预对准标记后由反射棱镜反射后透过半透半反棱镜入射至双远心成像系统，并经由双远心成像系统成像于图像传感器上的情况下，进行下述步骤：

(a)利用信息处理系统对图像传感器的每一象素进行坐标值定义；

(b)利用信息处理系统识别第一预对准标记和第二预对准标记在图像传感器上所成的像，确定其坐标值，计算两个像之间的距离；

(c)根据两个像之间的距离确定掩模的旋转角度，将计算值反馈给掩模运动系统，利用该运动系统旋转掩模；

(d)重复步骤(b)、(c)，直至两个像之间的距离小于预定值，此时两个像在图像传感器上基本重合；

(e)利用信息处理系统确定基本重合的像的坐标值，计算该坐标到坐标原点的距离；

(f)根据步骤(e)中的距离确定掩模的平移值，将该值反馈给掩模运动系统，利用该运动系统平移掩模；

(g)重复步骤(e)、(f)，直至重合的像的坐标值为(0，0)。

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