CN102096325B - 光强衰减装置及其衰减方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于光刻机的对准系统的自动光强衰减装置，包括控制器，滤光片，电机，光电传感器，其特征在于，所述电机驱动所述滤光片旋转，用以调整入射光的衰减值，所述光电传感器用于向控制器反馈所述滤光片的旋转角度。本发明采用圆形可变中性密度滤光片，其在可见光区到近红外光区内，通过吸收和反射使透过光密度线性衰减。通过控制器控制电机从而控制滤光片的旋转，由此很方便地实现光强的自动无级衰减。
Description
技术领域
本发明涉及光强衰减装置，尤其涉及用于光刻设备的光强衰减装置。
背景技术
现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其他微型器件的制造。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硅片上，例如半导体硅片或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硅片的一个曝光区域，随后硅片相对于掩模移动，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硅片的另一曝光区域，重复这一过程直到硅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，掩模与硅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硅片对准。第一层掩模图案在硅片上曝光后从装置中移开，在硅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硅片上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和硅片进行精确对准。由光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在硅片中形成多层电路，为此，光刻装置中要求配置对准系统，实现掩模和硅片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，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-硅片对准，即测出硅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硅片的位置，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，激光照明在硅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硅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硅片时，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硅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硅片上的多个对准标记以及硅片台上基准板的基准标记，实现硅片对准和硅片台对准；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硅片的位置关系，实现掩模和硅片对准。
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。
实际工艺过程中，对准标记衍射光功率可能会由于一些实际原因变弱(例如，激光器老化，特定工艺使用低反射率的光刻胶，或者对准标记槽深变化)，导致无法正确判断对准位置。因而在实际工作之前必须确定，究竟光功率降低到何种情况时，由此得到的对准位置不能再被采用，对准重复精度变差，影响分系统的可靠性。基于上述问题，有必要对对准系统作一个动态范围不低于1000倍(输入光强信号衰减)的测试来测试系统运行性能，测试对准重复精度，验证分系统的动态性能，保证分系统的可靠性.
目前公开文献1(The Newport RESOURNCE 2008/2009)的P824页中的NSFW-1可以对光强控制实现八档倍率衰减，避免了手动操作，仍然存在不能精确控制的缺点，不能读取此时的衰减轮当前位置。
公开文献2(2009 Edmund Optics and optical Instruments Catalog)中的P116页CIRCULAR VARIABLE DENSITY FILTERS固定起来即为衰减轮，该产品可以对光强实现不同倍率衰减，但是需要手动操作使其转动，既操作麻烦又没有较高的精度，不适用于精密对准系统与庞大的光刻装置中。
针对以上问题，本发明提出了一种适用于对准系统的自动光强衰减装置。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于对准系统的可进行光强自动无级衰减的装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于光刻机的对准系统的自动光强衰减装置，包括控制器，滤光片，电机，光电传感器，其特征在于，所述电机驱动所述滤光片旋转，用以调整入射光的衰减值，所述光电传感器用于向控制器反馈所述滤光片的旋转角度。
较佳地，所述滤光片为可变中性密度滤光片，以在可见光区到近红外光区内，通过吸收和反射使透过所述滤光片的光的光密度线性衰减。
较佳地，所述滤光片的旋转角度与所述光密度相对应。
较佳地，所述滤光片为圆形，其中包括衰减区域以及未衰减区域，并且其中所述未衰减区域设有位于所述未衰减区域中心的通孔，所述通孔的中心位于对准系统的光源模块的光轴上并且其不被所述电机的外壳遮挡所，所述由此成为零基准位。
如较佳地，所述光电传感器为绝对式光电编码器或增量绝对式编码器。
本发明采用圆形可变中性密度滤光片，其在可见光区到近红外光区内，通过吸收和反射使透过光密度线性衰减。通过控制器控制电机从而控制滤光片的旋转，由此很方便地实现光强的自动无级衰减。
附图说明
参考下文较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点，其中：
图1是本发明第一实施例所用的对准系统的光刻设备结构示意图；
图2是本发明第一实施例的对准系统结构示意图；
图3是相应经过增益后的扫描信号测量结果示意图；
图4是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置结构示意图；
图5是本发明第一实施例所用的可变中性密度滤光片结构示意图；
图6是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置旋转角度与OD衰减曲线；
图7是第一实施例所用的光电传感器的4位二进制码盘；
图8是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置旋转角度与衰减倍率曲线；
图9是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置控制方法。
具体实施方式
参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。
图1是本发明第一实施例所用的对准系统的光刻设备结构示意图。光刻设备100包括用于提供曝光光束的照明系统1以及用于支承掩模版2的掩模台3。掩模版2上有掩模图案和具有周期性结构的对准标记RM。光刻设备100还包括用于将掩模版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、以及放置在晶片台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WM。光刻设备100还包括用于掩模版2和晶片6对准的离轴对准系统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。
照明系统1包括光源、使照明均匀化的透镜系统、反射镜以及聚光镜(图中均未示出)。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1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X-Y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4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固定在晶片支架上。晶片台7经驱动系统9驱动在扫描方向(X方向)和扫描方向的垂直方向(Y方向)上运动，使得将晶片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根据该位置信息(或速度信息)通过驱动系统9控制晶片台7的运动。
晶片6上设有晶片对准标记WM，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WM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移动实现掩模版2和晶片6的对准。
图2是本发明第一实施例的对准系统结构示意图，该对准系统主要由光源模块、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。所述光源模块生成光束(本实施例中为光束701)。所述光源模块主要包括提供两个波长的光源λ1和λ2、快门、光隔离器和RF相位调制器(图中均未示)。根据本发明的自动光强衰减装置(下文将详述)位于所述光源模块中。具体地，所述自动光强衰减装置位于所述光源模块的最后一级，即光源所生成的光最终经所述自动光强衰减装置调节而形成出射的光束。
所述照明模块包括传输光纤和照明光学系统(图中未示)。所述成像模块主要包括大数值孔径的物镜711、分束器714、双向分束器718、空间滤波偏折器719、724和透镜系统711、720、725。所述探测模块包括参考光栅721、726、传输光纤716、722、727、CCD相机717和光电探测器723、728。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。
对准系统中，光源模块输出的光束701(包含两种可选波长，也可同时应用)进入光束合束器702，经由单膜保偏光纤703传输到起偏器704、透镜705、照明孔径光阑706和透镜707，然后经平板709上的反射棱镜708垂直入射到消色差的λ/4波片710进入大数值孔径的物镜711(4F透镜的前组)，光束经大数值孔径的物镜711会聚照射到硅片标记712上并发生衍射，标记712各级次衍射光沿原路返回并经平板709进入分束器714，分束器714将一小部分衍射光经过镀膜反射面713反射到CCD光路经过透镜715、传输光纤716，成像于CCD717上用于观测标记成像情况，另一部分衍射光沿光路透射过去由分光棱镜718两种波长光束分开，分别进入不同的光路，经过相应的空间滤波偏折器719、724选择需要的衍射光级次(本发明需要的分别是各光栅的±1级衍射光，并通过透镜系统720、725(4F透镜的后组)将相应衍射级次光干涉像成在参考光栅721、726上，标记衍射级次干涉像经由参考光栅721、726扫描得到的信号经传输光纤722、727输送到光电探测器723、728进行信号探测。
图3是相应经过增益后的扫描信号测量结果示意图。其中扫描探测信号SP2、SP3用于位置粗对准，即对准位置捕获，扫描探测信号SP1用于位置精确对准。
图4是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置结构示意图。现参考图4详述根据本发明的自动光强衰减装置的实施例。如图4所示，自动光强衰减装500包括控制器5、滤光片501、电机502、电机驱动器504和光电传感器503。滤光片501包括圆形可变中性密度滤光片，与电机502轴式固定或套式固定。圆形可变中性密度滤光片在可见光区到近红外光区内，通过吸收和反射使透过光密度线性衰减。光密度在360°内线性变化，通过旋转滤光片，可以很方便地调整衰减值，从而实现入射光的不同倍率衰减。
电机502可以是步进电机，或者是伺服电机，用于使滤光片501旋转。控制器5发出电脉冲给电机驱动器504，504驱动电机502旋转，再驱动滤光片501旋转相同角度。电脉冲的数量决定了电机旋转的角度。
光电传感器503是光电编码器，可以是绝对式光电编码器或是增量绝对式编码器，用于反馈滤光片旋转的位置和角度。光电编码器包括光栅码盘和光电检测装置。光电传感器的光栅码盘与电机主轴直接联接；或者是光电传感器与电机的外壳固定，电动机旋转时，光电传感器与电动机同速旋转。光栅码盘可以是4位二进制码盘或N位二进制码盘。光电检测装置透过检查光栅码盘而的测得所述滤光片的旋转位置和角度，并将所述旋转位置和角度反馈至所述控制器。
图5是本发明第一实施例所用的可变中性密度滤光片结构示意图。阴影部分为300度的衰减区域，空白部分为60度的未衰减区域，未衰减区域上开有一个通孔，该通孔位于空白部分的中心位置且不被与滤光片固定的电机外壳遮挡，该通孔是零基准位，照明光束通过该通孔对光没有任何衰减。该通孔的中心位于对准系统的光源模块的光轴上，即该通孔为通光孔。
图6是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置旋转角度与OD衰减曲线。表1给出了光密度OD(Optical Density)与透过率的部分对应值。不同可变中性密度滤光片的旋转角度与光密度(旋转角度与透过率)的关系可由滤光片厂家得知或者用光功率计实验测试所得。本发明第一实施例所用的可变中性密度滤光片的旋转角度与光密度的关系为：OD＝A+B·α，A为初始OD值，B为衰减系数，A＝0.04，B＝0.01，α：旋转角度。
| NO | 光密度 | 透过率 |
| 1 | 0.0 | 100％ |
| 2 | 0.05 | 89.1％ |
| 3 | 0.2 | 63.1％ |
| 4 | 0.4 | 39.8％ |
| 5 | 0.7 | 19.95％ |
| 6 | 1.0 | 10％ |
| 7 | 1.3 | 5.01％ |
| 8 | 1.6 | 2.51％ |
| 9 | 2.0 | 1％ |
| 10 | 2.3 | 0.5％ |
| 11 | 2.6 | 0.25％ |
| 12 | 3.0 | 0.1％ |
| … | … | … |
表1
图7是第一实施例所用的光电传感器的4位二进制光栅码盘。该光电传感器为绝对式光电编码器，对于一个具有N位二进制分辨率的光电编码器，其码盘具有N道码盘。二进制的位数决定了光电编码器的分辨率，二进制位数越高，分辨率越高，最小分辨角度由表2可以得到电机旋转的角度，即滤光片旋转的角度。本发明也可以使用分辨角度高于4位二进制码盘的多位二进制码盘，如8位、16位等。
| 角度 | 对应位置 | 输出编码 | 对应十进制 |
| 0 | a | 0000 | 0 |
| α | B | 0001 | 1 |
| 2α | c | 0010 | 2 |
| 3α | d | 0010 | 3 |
| 4α | e | 0100 | 4 |
| 5α | f | 0101 | 5 |
| 6α | g | 0110 | 6 |
| 7α | h | 0111 | 7 |
| 8α | i | 1000 | 8 |
| 9α | j | 1001 | 9 |
| 10α | k | 1010 | 10 |
| 11α | l | 1011 | 11 |
| 12α | m | 1100 | 12 |
| 13α | n | 1101 | 13 |
| 14α | o | 1110 | 14 |
| 15α | p | 1111 | 15 |
表2
图8是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置旋转角度与衰减倍率曲线。光强透过率与光密度的关系为：T＝10-OD，光强值T0作为衰减基准，则衰减倍率 本实施例取OD＝0即光强未衰减时的透过率作为衰减基准。
图9是本发明第一实施例所用的自动光强衰减装置控制方法。首先在控制器设定目标衰减倍率，然后控制器查找自动光强衰减装置的零基准位，待查找到并作为电机旋转角的零点标定，同时记录此时的光强值，并把此位置作为基准衰减位置，接着控制器开始下发脉冲指令(按目标衰减倍率得到的旋转角度)给电机，同时光电传感器反馈当前的位置(即实际旋转角度)，并根据旋转角度与衰减倍率曲线关系查找当前衰减倍率是否达到目标衰减倍率，若未达到可继续执行脉冲指令直至达到目标衰减倍率。
本发明的上述实施例具有如下优点。
(1)本发明采用圆形可变中性密度滤光片，其在可见光区到近红外光区内，通过吸收和反射使透过光密度线性衰减。通过控制器控制电机从而控制滤光片的旋转，由此很方便地实现光强的自动无级衰减；
(2)本发明的光密度在360°内线性变化，通过旋转滤光片，可以很方便地调整衰减值，从而实现入射光的不同倍率衰减。从而建了立旋转角度与衰减倍率的关系，并可实现精确控制光强衰减。
(3)本发明的自动光强衰减装置还包括光电传感器，可实时反馈衰减当前位置。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
Claims (2)
1.一种用于光刻机的对准系统的自动光强衰减装置，包括控制器，滤光片，电机，光电传感器，其特征在于，所述电机驱动所述滤光片旋转，用以调整入射光的衰减值，所述光电传感器用于向控制器反馈所述滤光片的旋转角度；
所述滤光片为可变中性密度滤光片，以在可见光区到近红外光区内，通过吸收和反射使透过所述滤光片的光的光密度线性衰减；
所述滤光片的旋转角度与所述光密度相对应；
所述滤光片为圆形，其中包括衰减区域以及未衰减区域，并且其中所述未衰减区域设有位于所述未衰减区域中心的通孔，所述通孔的中心位于对准系统的光源模块的光轴上并且其不被所述电机的外壳所遮挡，所述通孔由此成为零基准位；
所述光电传感器为绝对式光电编码器或增量绝对式编码器。
2.一种自动光强衰减方法，其特征在于，包括：设定目标衰减倍率，查找自动光强衰减装置的零基准位；将查找到零基准位作为电机旋转角的零点标定，同时记录此时的光强值，并把此位置作为基准衰减位置；将由预定目标衰减倍率得到的旋转角度下发给电机，同时光电传感器反馈当前的位置；根据旋转角度与衰减倍率曲线关系查找当前衰减倍率是否达到目标衰减倍率，若未达到可继续执行脉冲指令直至达到目标衰减倍率。
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