CN102207683A - 一种用于duv光刻装置的掩模对准面形探测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于DUV光刻装置的掩模对准面形探测装置，包括：面形探测标记，包含多个独立的探测标记；光学滤波器，包含多个光学滤波器单元，将DUV转化成可见光；面形的硅光电二极管，包括多个独立的单元；放大器，包括多路放大器单元；信号处理元件，具有多个信号处理单元；模数转换元件，具有多个模数转换单元对相应的信号处理单元输出的模拟信号进行模数转换；运算处理元件和上位机；其中，面形探测装置具有多个探测单元，每个探测单元都有相应的一个探测标记、一个光学滤波器单元、一个硅光电二极管单元，一个放大器单元、一个信号处理单元、一个模数转换单元。

Description

一种用于DUV光刻装置的掩模对准面形探测装置

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种用于DUV光刻装置掩模对准面形探测装置。

背景技术

光刻机属于芯片制造的工艺线上的一类关键设备，其原理就是利用投影镜头，通过照明光源照射掩模板，将掩模上的图案，曝光到硅片上的指定的位置。为了将掩模上的图案准确的曝光到指定位置，需要配备掩模对准系统。掩模对准系统，是在硅片面上，使用探测器去探测掩模板上掩模标记的成像，获取成像位置。掩模与硅片的位置关系是通过掩模对准和硅片对准来实现的。

现有的掩模对准的探测装置，其探测单元数与掩模标记的单元数目相当，探测标记尺寸与掩模标记成像的尺寸相当，所以在进行掩模标记的捕获过程中，即相当于点对点的探测，很难快速直接找到标记成像位置。一般采用的方法是在掩模台基准板上或掩模板上加入专用的捕获的标记，该标记尺寸比标准的掩模对准标记尺寸要大，即掩模台基准板或掩模板上需要专门留出一定的捕获标记布局区域。占用了一定的资源(对于掩模板)。

而在标记成像位置的捕获过程中，由于不是采用的面型探测装置，需要进行多次水平向和垂向扫描对准，以逐级进行标记的捕获。尤其是粗扫描，相比精扫描，其扫描长度长，相邻采样点时间间隔长，占用的系统的时间长。

该方法的缺点：

一是多次扫描占用的时间长，在一定程度上降低了生产效率；

二是由于光刻装置使用的DUV深紫外脉冲光源，光源已经消耗的脉冲数越多，光源剩余使用年限就越少，从这个角度上也浪费了资源。尤其在设备出厂前的测试过程中，设备的其它分系统由于不定期的进行装校，影响到工件台的位置经常进行重新标定，也直接引起对准系统标记成像位置重新标定，重新对标记进行捕获，花费的时间长和消耗的光脉冲多。间接的降低了光刻装置出厂后光源的使用寿命。

发明内容

采用面形探测装置可以有效的解决上述的缺点，据此，本发明提出了一种用于DUV光刻装置的掩模对准面形探测装置，以实现掩模对准的功能的基础上，快速实现掩模标记成像的捕获。

本发明提出的用于DUV光刻装置的掩模对准面形探测装置，包括探测部分和处理部分，其中探测部分包括：

面形探测标记，包含多个独立的探测标记；

光学滤波器，包含多个光学滤波器单元，将DUV转化成可见光；

面形的硅光电二极管，包括多个独立的单元，对转化后的可见光进行探测；

放大器，包括多路放大器单元，对面形的硅光电二极管的每个单元输出的信号进行放大；

处理部分包括：

信号处理元件，具有多个信号处理单元，对从信号输出线缆输出的放大器的信号进行处理；

模数转换元件，具有多个模数转换单元对相应的信号处理单元输出的模拟信号进行模数转换；

运算处理元件，控制模数转换元件并接收转换后的数字信号，对数字信号进行处理，直接换算出标记成像相对于面形探测装置探测区域表面中心的位置；

上位机，控制运算处理元件工作，并接收运算处理元件的处理结果；

其中，面形探测装置具有多个探测单元，每个探测单元都有相应的一个探测标记、一个光学滤波器单元、一个硅光电二极管单元，一个放大器单元、一个信号处理单元、一个模数转换单元。

其中，光学滤波器的各单元对内部各单元光路相互之间进行隔离。

其中，还包括设置于各硅光电二极管单元之间的隔离板，对各探测单元进行物理的隔离。

其中，面形探测标记上兼容现有掩模对准标记的形状。

其中，上述装置可被应用于光刻装置中。

其中，探测部分被设置于光刻装置的硅片台上。

其中，在进行对准捕获时，有两种对准捕获方法：一是静态对准捕获，二是动态对准捕获。

其中，在采用静态对准捕获时，工件台静止，光源发出激光脉冲，光束透过掩模标记和投影镜头成像于面形探测装置探测单元上，各探测单元同时对光脉冲进行采集、探测，通过设定阀值Iv，选取大于Iv的能量值为Imn进行数据处理，对应的探测单元的编号mn即为所捕获的成像位置。

其中，Iv为能量最大值Imax的1/2。

其中，在一次激光脉冲未捕获成功时，移动工件台，进行微量步进，重复一次静态对准捕获

其中，在静态对准捕获之后，采用动态对准捕获，确定最佳对准位置。

其中，在采用动态对准捕获时，在多个不同的高度上进行扫描，水平方向上的最大光强数据所对应的位置为最佳水平对准位置，对水平方向上的最大光强数据进行拟合处理，获取最佳垂向对准位置。

其中，采用抛物线拟合处理获取最佳垂向对准位置，抛物线的顶点所对应的位置即为最佳垂向对准位置。

面形探测器，用于光刻设备掩模标记成像的探测。通常情况下，一组标记认为是一个单元，面形探测器相对于标记的成像，可以认为是多个探测单元的组合，组合后相当于一个大面积的平面探测器，称为面形探测器。现有光刻机有“L”形状标记，叫做Hookmark标记，专门用于设备装配后的捕获，其特点是尺寸大，捕获范围大，占用了掩模上的一定区域，本发明提出的用于DUV光刻装置的掩模对准面形探测装置可以简化甚至省掉这种捕获标记的设计，直接用掩模对准标记进行捕获，可以使得掩模板节省出更多的空间放图案，采用该面形集成探测装置，可以使用很少的光脉冲资源，快速捕获到对准标记，降低了设备调试、设备实际使用过程中掩模标记搜索的时间，提高了生产效率，相对的提高了光源的使用寿命。该面形探测装置通过局部改进，可以兼容市场现有掩模对准标记(方形、条形)，兼容相应的对准方法。

本发明的掩模对准面形探测装置，既用于掩模对准，也用于对掩模标记成像的快速的捕获，其不同于现有技术的点对点的掩模对准探测，采用了一种面对点的探测，增大了静态情况下的可探测范围。由于面形探测装置其直接探测区域比较大的特点，使得设备初始安装后，在光刻机设备安装误差的允许范围内，可以直接进行标记成像的静态捕获。

附图说明

图1所示为根据本发明的掩模对准面形探测装置的结构示意图；

图2所示为根据本发明的面形探测装置的探测单元的分布；

图3所示为将根据本发明的面形探测装置应用于光刻装置上时的结构示意图；

图4所示为现有技术的掩模对准标记类型示意图；

图5所示为兼容掩模对准标记后的面形探测装置上的探测单元的形状示意图；

图6所示为静态对准捕获的示意图；

图7所示为动态对准捕获的扫描路径示意图；

图8所示为根据图7的扫描路径获取的信号示意图；

图9所示为根据图8的信号进行抛物线拟合得到的图形。

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。

图1所示为根据本发明的掩模对准面形探测装置的结构示意图。从图中可以看出，本发明的掩模对准面形探测装置包括面形探测标记1、基准板2、光学支架3、光学滤波器4、面形光电二极管5、隔离板6、印刷电路板7、放大器8、信号输出线缆9、信号处理单元10、模数转换单元11、运算处理单元12、上位机13。

面形探测标记1，包含多个独立的探测标记。基准板2对光学支架3、隔离板6、印刷电路板7起固定支撑作用。光学支架3对光学滤波器4起固定支撑作用，也起到对内部各单元光路相互之间的隔离。由于目前工程应用上比较多的是以硅光电探测器为主，而硅光电探测器在可见光的范围内探测效果最佳，采用光学滤波器4将DUV(深紫外光)转化成可见光。面形的硅光电二极管5包括多个独立的单元，对转化后的可见光进行探测。为了防止面形的硅光电二极管5的各探测单元之间相互干扰，在各探测单元之间采用隔离板6对各探测单元进行物理的隔离。印刷电路板7作为面形硅光电二极管5、信号输出线缆9、放大器8焊接的基板。放大器8与光电二极管5实现光电转换和信号放大的功用，每个硅光电二极管5的独立单元都与单独的一路放大器对应。信号输出线缆9将放大后的信号引出。信号处理单元10对放大器后的信号进行处理。模数转换单元11对信号处理单元10输出的模拟信号进行模数转换。即每一路的探测单元都有相应的一路光学滤波器4、一路光电二极管5、一路放大器8、一路信号处理单元10、一路模数转换单元11与之对应。运算处理单元12控制模数转换单元11并接收转换后的数字信号，对数字信号进行处理，可以直接换算出标记成像相对于面形探测装置探测区域表面中心的位置。上位机13控制运算处理单元工作，并接收运算处理单元12的标记成像相对于面形探测中心的位置结果。

图2所示为根据本发明的面形探测装置的探测单元的分布，将多个点探测单元进行平面矩阵组合，可进行面形探测。其单个探测单元的尺寸与标准的掩模标记单元的成像尺寸相当，由于各探测单元尺寸比较小，需要进行精密的装配，装配形成面形探测装置。图中x为相邻探测单元的间隙宽度，w为面形探测装置探测单元的有效探测面的边长。对各探测单元采用数字进行矩阵编号。

在使用面形探测装置时，将图1所示的面形探测装置的探测前端组件1至8安装到工件台上，即可进行掩模对准和标记成像的捕获。在光刻机的机械初始安装误差的范围内，可以容易保证，标记成像的位置在面形探测装置的探测范围内。即可快速捕获到标记成像。将根据本发明的面形探测装置应用于光刻装置上时的结构示意图如图3所示，DUV脉冲光源发出的光穿过掩模板19后经由投影镜头17成像至硅片台16上，其中掩模板19上的掩模对准标记18被成像于置于硅片台16上的面形集成探测器15上，面形集成探测器15输出的信号经由信号处理单元10、模数转换单元11、运算处理单元12、上位机13及位置探测单元14处理后即可获得对准标记的位置。其中面形集成探测器15上具有图1中所示的面形探测装置的探测前端组件1～8。

面形探测装置的各个探测单元，由于机械加工上的偏差即各探测单元使用电子器件性能上微小偏差，在相同的外部条件下，探测相同的信号，测得的数据也不一定一致。因此，在使用面形探测装置之前，需要对面形探测装置的各个探测单元进行校准，每一个独立的探测单元对应着独立的一组校准因子，确定校准因子的方法如下，采用相同的信号源，施加到各个探测单元上，分别设置两个不同的功率，分别记录各个测试单元测试数据。根据设置功率和测试数据可以分别建立每个探测单元的输入输出关系曲线(理想情况下为线性)。数学模型可以作为校准因子，应用校准因子，可以根据实际的测试数据推算出实际准确光功率数值，保证了各探测单元使用的一致性。。

基于面形对准探测装置的对准捕获方法，主要有两种：一是静态对准捕获方法，二是动态对准捕获方法。

图6所示为静态对准捕获的示意图。采用这种方法时，使工件台静止，只需要发送一个激光脉冲，光束透过掩模标记和投影镜头直接成像。所成的像直接由面形探测装置探测单元接收。成像为深紫外光，经过面形探测装置的光学滤波器组件后，直接转换成可见光，通过光电二极管组件，将可见光的强度信号转换成模拟的电信号。电信号经过信号处理单元处理，由模数转换单元对信号进行采集。运算处理单元获取各探测单元探测到的信号。各探测单元同时对光脉冲进行采集，可以获得各探测信号的采集数据。如果探测装置各探测单元的编号为mn，则探测的能量值为Imn。

数据处理选取的原则为，数据小的舍去。通过设定Iv阀值，Iv一般为能量最大值Imax的1/2，选取大于Iv的数据进行数据处理，并记录选取数据对应的编号mn。

确定标记成像的位置：

其中Imn＞Imax/2，m_(Imn)表示所探测到的能量大于阀值Imax/2的各探测单元Imn对应的行编号；

其中Imn＞Imax/2，n_(Imn)表示所探测到的能量大于阀值Imax/2的各探测单元Imn对应的列编号；

其中，m表示Imn对应探测单元行的编号，n为Imn对应探测单元列的编号。

即获得标记成像的位置。为解决静态探测存在探测盲区的问题，即经过探测未探测到标记所成像的位置，可以移动工件台，进行步进微小距离，按上述方法，再重复捕获一次对准位置。即通过发送两次激光脉冲，使用面形探测装置就可以捕获到标记成像的位置。

为进一步获取更为准确的成像位置，可以采用动态的对准捕获方法。

根据静态捕获获取的位置，可以调整面形探测装置探测区域的扫描中心，使用面形探测装置的中心区域的探测单元进行探测。

进行对准扫描，其扫描轨迹如图7所示，在三个不同的垂向高度31、32、33处进行扫描，相应的获取的信号如图8所示。根据掩模标记成像特征，即在对准位置处，能量越大越集中，离对准位置比较远的地方，能量比较分散。根据实际的扫描信号，其为梯形，可以根据信号特征，计算出水平向扫描的对准位置。根据图8中所示的在3个不同垂向位置处获取的光强数据，选取3个位置处获取的最大光强数据，采用抛物线拟合的方法，拟合出的图形如图9所示，计算垂向对准位置为拟合抛物线的顶点，该点即为垂向对准位置。通过上述过程可获得对准位置，从而完成动态的对准捕获。

该面形探测装置，可适应于条形和正方形掩模对准标记类型，如图4所示。另外通过对面形探测装置进行改进处理，可以兼容现有的掩模对准。即在面形探测装置探测区域边缘的探测单元区域上面，加入与掩模对准标记形状相当的探测标记就可以，兼容后的面形探测装置上的探测单元的形状如图5所示。这样即可以实现快速对标记捕获，又可以使用部分单元对对准位置进行精确测量。即保证了工作效率，又不降低对准精度。

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 (13)

1.一种用于DUV光刻装置的掩模对准面形探测装置，该装置包括探测部分和处理部分，其中探测部分包括：

面形探测标记，包含多个独立的探测标记；

光学滤波器，包含多个光学滤波器单元，将DUV转化成可见光；

面形的硅光电二极管，包括多个独立的单元，对转化后的可见光进行探测；

放大器，包括多路放大器单元，对面形的硅光电二极管的每个单元输出的信号进行放大；

处理部分包括：

信号处理元件，具有多个信号处理单元，对从信号输出线缆输出的放大器的信号进行处理；

模数转换元件，具有多个模数转换单元对相应的信号处理单元输出的模拟信号进行模数转换；

运算处理元件，控制模数转换元件并接收转换后的数字信号，对数字信号进行处理，直接换算出标记成像相对于面形探测装置探测区域表面中心的位置；

上位机，控制运算处理元件工作，并接收运算处理元件的处理结果；

其中，面形探测装置具有多个探测单元，每个探测单元都有相应的一个探测标记、一个光学滤波器单元、一个硅光电二极管单元，一个放大器单元、一个信号处理单元、一个模数转换单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，光学滤波器的各单元对内部各单元光路相互之间进行隔离。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，还包括设置于各硅光电二极管单元之间的隔离板，对各探测单元进行物理的隔离。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，面形探测标记上兼容现有掩模对准标记的形状。

5.一种光刻装置，其中具有根据权利要求1至4中任意一个所述的装置。

6.根据权利要求5所述的光刻装置，其中，探测部分被设置于光刻装置的硅片台上。

7.根据权利要求6所述的光刻装置，其中，在进行对准捕获时，有两种对准捕获方法：一是静态对准捕获，二是动态对准捕获。

8.根据权利要求7所述的光刻装置，其中，在采用静态对准捕获时，工件台静止，光源发出激光脉冲，光束透过掩模标记和投影镜头成像于面形探测装置探测单元上，各探测单元同时对光脉冲进行采集、探测，通过设定阀值Iv，选取大于Iv的能量值为Imn进行数据处理，对应的探测单元的编号mn即为所捕获的成像位置。

9.根据权利要求8所述的光刻装置，其中，Iv为能量最大值Imax的1/2。

10.根据权利要求8或9所述的光刻装置，其中，在一次激光脉冲未捕获成功时，移动工件台，进行微量步进，重复一次静态对准捕获。

11.根据权利要求10所述的光刻装置，其中，在静态对准捕获之后，采用动态对准捕获，确定最佳对准位置。

12.根据权利要求11所述的光刻装置，其中，在采用动态对准捕获时，在多个不同的高度上进行扫描，水平方向上的最大光强数据所对应的位置为最佳水平对准位置，对水平方向上的最大光强数据进行拟合处理，获取最佳垂向对准位置。

13.根据权利要求12所述的光刻装置，其中，采用抛物线拟合处理获取最佳垂向对准位置，抛物线的顶点所对应的位置即为最佳垂向对准位置。

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