CN102375352A - 一种环境补偿对准系统 - Google Patents

Abstract

一种用于光刻设备的对准系统，该对准系统包括光源与照明模块、对准标记、成像模块、参考光栅、信号采集处理模块、工件台、运动台、位置采集与运动控制模块、环境测量模块、对准操作与管理模块。利用环境测量模块实时测量对准光束传播环境的参数，利用该参数补偿对准时由于环境波动导致的对准误差，提高了对准精度和测量稳定性。

Description

一种环境补偿对准系统

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装置，尤其涉及一种用于光刻装置的环境补偿对准系统。

背景技术

光刻设备通常是指制造集成电路和/或其他微型设备的主要设备。通过光刻设备，具有不同掩模(不同文献也翻译为掩膜，下文同)图形的曝光至基底上，如半导体晶片或LCD板。光刻设备的范围包括但不限于：集成电路制造光刻装置、平板显示面板光刻装置、MEMS/MOEMS光刻装置、先进封装光刻装置、印刷电路板光刻装置、印刷电路板加工装置以及印刷电路板器件贴装装置等。

在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置，即套刻精度。通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，对于100纳米的光刻机而言，套刻精度指标要求小于35纳米。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一，而掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。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准精度的要求变得更加严格，如90纳米的CD尺寸要求10纳米或更小的对准精度。

掩模与硅片之间的对准可采用掩模对准加硅片对准的方式，即以工件台基准板标记为桥梁，建立掩模标记和硅片标记之间的位置关系。对准的基本过程为：首先通过掩模对准系统，实现掩模标记与工件台基准板标记之间的对准，然后利用硅片对准系统，完成硅片标记与工件台基准板标记之间的对准，进而间接实现硅片标记与掩模标记之间对准。

专利US6297876B1、CN03164858.4、CN03164859.2、CN200510030577.8等介绍了一类基于光栅衍射的硅片(离轴)对准系统。这类对准系统采用包含两个不同周期子光栅的对准标记(如16微米和17.6微米)，通过探测两个子光栅的±1级光干涉像透过参考光栅的光强信号，经信号的拟合，确定标记的粗对准位置；同时通过探测16微米周期子光栅的高级衍射光干涉成像(如±5级光)，并经信号的拟合，在粗对准(测量)基础上确定精对准(测量)。专利CN200710045495X、CN2007100454964、CN200710044153.6、CN200710044152.1、CN200810040234.3公布了一种改进的光栅衍射的硅片(离轴)对准系统，在确定粗对准基础上，这种对准系统不利用高级衍射光信号，而是利用精细子光栅±1级光干涉像信号，经信号拟合，确定精对准位置。

但是，在采用上述发明所给的对准系统中，由于对准时衍射光束传播路径中的环境并非恒定不变的，如成像模块内部环境的波动、成像模块与对准标记之间环境变量存在波动(如温度、压力和湿度等)，这些环境变量的波动导致空气的折射率发生变化，在该环境中传播的对准光束的波长将发生变化，其波矢量(单位长度内的相位变化量)也将随之发生变化，最终导致各级光干涉成像在参考光栅上的位置发生偏移。而对准的位置是由干涉成像与参考光栅之间的相对位置确定，这将引入对准误差。通常，在30秒内，温度波动7.3mk、压力波动2.5Pa将引入0.5纳米的对准误差。因此，有必要提供一种具有高对准精度和高测量稳定性的对准系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的对准系统，该系统能有效解决现有技术中环境造成的对准误差的问题。

一种用于光刻设备的对准系统，该系统包括：提供对准照明光束的光源与照明模块；对对准标记进行成像的成像模块；参考光栅；采集透过参考光栅的光强信号并进行处理的信号采集处理模块；对准标记；承载硅片的工件台；运动台；采集承载硅片的工件台的位置信息，并与对准操作与管理模块进行同步谈判，规划运动轨迹，控制运动台的运动的位置采集与运动控制模块；和接收信号采集处理模块和位置采集与运动控制模块的信号的对准操作与管理模块，其特征在于：

还包括环境测量模块，所述的环境测量模块用于测量和采集对准衍射光束传播路线所处的环境变量，并将采集到的环境变量信息传输到对准操作与管理模块；所述的对准操作与管理模块利用光强数据、工件台位置数据和环境变量信息确定对准位置。

所述的环境测量模块测量成像模块内部的环境变量变化，或测量成像模块与对准标记之间的环境变量变化，或二者均测量。

所述的环境变量为影响对准衍射光束传播介质的折射率的环境变量中的一个或多个。

所述的环境变量为温度、压力和湿度。

所述的对准操作与管理模块利用每一通道的光强数据和共用的工件台位置数据，经数据拟合，确定每一通道对准信号的一系列峰值。

所述的对准操作与管理模块利用环境变量信息修正每一通道对准信号的一系列峰值。

所述的修正方法采用环境变量-峰值位置偏移数学模型进行修正。

所述的环境变量-峰值位置偏移数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\φ}=f(\mathrm{\λ},L,P,T,...,h,P_0,T_0,...,h_0)\\ {\mathrm{\ΔX}}_i=S_i\mathrm{\Δ\φ}\\ X_{\mathrm{peak},i}^{\′}=X_{\mathrm{peak},i}+{\mathrm{\ΔX}}_i\end{array}\right.$

式中，f(·)为相位偏移函数，Δφ为相位偏移，λ为对准照明波长，L为对准衍射光束传播光程差，P，T，...，h为压力、温度、…、湿度等各环境变量实测值，P₀，T₀，...，h₀为工作环境的参考值。S_i为第i通道对准信号的周期，ΔX_i为该信号峰值的位置偏差，X_peak，i为拟合获得的第i通道对准信号的一系列峰值位置，X′_peak，i为修正后的第i通道对准信号的峰值位置。

所述的相位偏移函数为Gladstone-Dale近似公式：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}(1+2.9155*{10}^{-8}(\frac{P}{T}-\frac{P_0}{T_0}))$

式中，Δφ为相位偏移，λ为对准照明波长，L为对准衍射光束传播光程差，P，T为压力和温度的实测值，P₀，T₀为压力和温度的参考值。

所述的各环境变量实测值为对准扫描时的每一环境变量一系列测量值的平均值，或者为对准扫描中间时刻的实测值。

所述的修正方法采用环境变量-峰值位置偏移表进行修正。

所述的环境变量-峰值位置偏移表通过实验数据或历史数据建立。

所述的修正方法通过查表或插值的方法进行。

所述的修正方法为：

$X_{\mathrm{peak},i}^{\′}=X_{\mathrm{peak},i}+\mathrm{\Δ}{\hat{X}}_i$

式中，

为通过查表或插值获得环境变量变化量对应的第i通道对准信号的峰值位置偏差，X_peak，i为拟合获得的第i通道对准信号的一系列峰值位置，X′_peak，i为修正后的第i通道对准信号的峰值位置。

本发明的对准系统在已有技术的基础上，增加了环境测量模块，利用该环境测量模块实时测量对准光束传播环境的参数，并通过建立环境变量与对准信号峰值位置偏差之间的关系，确定对准时环境波动导致的信号峰值位置偏差，然后修正对准位置。该对准系统可以有效地补偿对准时环境变量的变化导致的对准误差，从而提高了对准精度和测量稳定性。

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，附图为：

图1所示为根据本发明的对准系统的结构示意图；

图2所示为峰值位置偏移计算示意图；

图3所示为折射率与峰值位置偏移的关系表。

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对准系统的结构示意图。该对准系统包括：光源与照明模块1；成像模块2；参考光栅3；信号采集处理模块4；对准标记5，包括基准板标记和位于硅片6上的硅片标记；工件台7；运动台8；位置采集与运动控制模块9；对准操作与管理模块10；环境测量模块11。光源与照明模块1提供照明光束照射到对准标记5上，形成携带标记信息的衍射光，衍射光通过成像模块2成像到参考光栅3表面上。信号采集处理模块4采集对准标记所成的像透过参考光栅3的光强信号，并经处理后将光强数据传输到对准操作与管理模块10。位置采集与运动控制模块9采集承载硅片的工件台7的位置信息，并与对准操作与管理模块10进行同步谈判，规划运动轨迹，控制运动台8的运动。同时，位置采集与运动控制模块9将采集到的工件台7的位置数据传输到对准操作与管理模块10。环境测量模块11用于测量和采集对准衍射光束传播路线所处的环境变量信息，并将采集到的环境变量信息传输到对准操作与管理模块10。对准操作与管理模块10利用光强数据、工件台位置和环境变量信息确定对准位置。

光源与照明模块1包含一个或多个分立波长的照明光束，例如，633纳米和532纳米。

对准标记5包括基准板标记和硅片标记。基准板标记位于工件台的基准板上，硅片标记位于硅片上。在硅片光刻生产中，首先利用基准板标记进行对准，通过该对准，可以获得基准板标记的对准位置；然后再利用硅片标记进行对准，可获得硅片标记的对准位置，最后即可获得硅片标记与基准板标记之间的位置关系。基准板标记对准与硅片标记对准为类似的过程，故在本发明下文描述中，不再区分基准板标记或硅片标记，统一为对准标记。

成像模块2由前组透镜和后组透镜共同组成4f成像系统，并由位于前组透镜与后组透镜之间的光阑滤除不需要的级次的衍射光，保留所需级次的衍射光。

位置采集与运动控制模块9包括位置数据采集单元和运动控制单元，位置数据采集单元用于采集工件台7的位置信息，并将工件台7的位置数据实时地提供给运动控制单元和对准操作与管理模块，运动控制单元在对准操作与管理模块管理下控制运动台的运动。

信号采集处理模块4包括光电探测器和信号采集与处理单元，光电探测器将光信号转换为电信号，信号采集与处理单元将获得的电信号进行增益放大、离散采样等处理，并将处理后的光强数据传输到对准操作与管理模块10。

环境测量模块11测量和采集对准衍射光束传播路径中的环境变量如温度、压力、湿度等一切引起传播介质的折射率发生变化的环境变量。对准衍射光束的传播路径主要包括两部分：成像模块2内部的衍射光束传播，传播介质主要为空气和成像模块中元件的制造材质，如硅酸盐等；成像模块2与对准标记5之间的衍射光束传播的传播介质为空气。在附图1中，虽然仅示出了环境测量模块11测量成像模块与对准标记之间的环境变量，但应理解为环境测量模块11既可测量成像模块内部的环境变量，也可测量成像模块与对准标记之间的环境变量，或者二者全部进行测量。环境变量可以理解为温度、压力、湿度等一切引起传播介质折射率发生变化的环境变量，也可以直接理解为传播介质的折射率。环境测量模块11可以测量和采集其中的一个环境变量，如仅测量和采集温度，也可采集多个环境变量。这些环境变量可采用高速、高精度的传感器或测量仪器进行实时测量，采集到的数据将被传输到对准操作与管理模块10，用于对准位置求解过程的修正。

对准操作与管理模块10首先利用每一通道的光强数据和工件台7的位置数据进行拟合，确定各子光栅的各级衍射光信号的相位或一系列波峰位置。每一通道的光强数据对应一个对准信号，确定对准信号的相位，进而可确定一系列的波峰位置。这里，工件台位置数据为各个通道对准信号共用。其次，对准操作与管理模块10利用环境测量模块11传输过来的环境变量，修正各通道对准信号(各子光栅的各级衍射光信号)拟合获得的相位或一系列波峰值。最后，对准操作与管理模块10利用修正后的各通道对准信号(各子光栅的各级衍射光信号)的相位或一系列波峰位置，确定标记的粗对准位置和精对准位置。

对准操作与管理模块10中光强数据和工件台位置数据的拟合、确定粗对准位置和精对准位置的原理和方法，以及本发明各功能模块更详细的说明，在已有专利CN200510030807.0、CN200810033263.7、CN200810035115.9、CN200810040234.3、CN200910052799.8、CN200910047030.7、CN200910194853.2、200910055927.4、US6297876B1、CN03164858.4、CN03164859.2、CN200710045495.X、CN200710044153.6、CN200710044152.1和文献《用于光刻装置的多光栅标记对准系统》(微纳电子技术，2009，46(8)：494-497)等中已详细给出，这里不做进一步的描述，而是作为公知技术引入。

在本发明中，利用环境变量修正对准信号的相位或峰值的方法可以采用环境变量-峰值位置数学模型方法或环境变量-峰值位置表方法。在下面的内容中，将给出这两种方法的实施例。但是，本发明并不限于这两种方法，如采用神经网络、模糊预测等数据驱动方法，均可实现利用环境变量修正对准信号的相位或峰值。

第一实施例：

本发明的一个实施例给出了利用环境变量-峰值位置数学模型修正对准信号的一系列峰值(对于对准信号相位的修正，方法是相同的，因为相位最终可转换为峰值)的方法。该方法首先建立对准信号峰值的位置偏移与环境变量之间的数学模型，然后利用实测的环境变量输入到模型中，计算获得各通道对准信号的峰值位置偏移量，然后利用各自通道的峰值位置偏移量修正各自的峰值位置。

各通道对准信号的峰值位置偏移量的计算如图2所示，具体计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\φ}=f(\mathrm{\λ},L,P,T,...,h,P_0,T_0,...,h_0)\\ {\mathrm{\ΔX}}_i=S_i\mathrm{\Δ\φ}\\ X_{\mathrm{peak},i}^{\′}=X_{\mathrm{peak},i}+{\mathrm{\ΔX}}_i\end{array}\right.$ 公式一

式中，f(·)为相位偏移函数，Δφ为相位偏移，λ为对准照明波长，L为对准衍射光束传播光程差，P，T，...，h为压力、温度、…、湿度等各环境变量实测值，P₀，T₀，...，h₀为工作环境的参考值。S_i为第i通道对准信号的周期，ΔX_i为该信号峰值的位置偏差，X_peak，i为拟合获得的第i通道对准信号的一系列峰值位置，X′_peak，i为修正后的第i通道对准信号的峰值位置。工作环境的参考值可为光刻设备对准系统设计的工作环境，如压力为1标准大气压、温度为293K、相对湿度45％RH等。函数f(·)表征了在特定的照明波长和光程差下，环境变量与相位偏移之间的关系，并最终转换为各通道对准信号的峰值位置偏移量，用以修正对应通道的一系列峰值位置X_peak，i。具体拟合方法可参考专利CN200510030577.8、CN200510030807.0和文献《用于光刻装置的多光栅标记对准系统》(微纳电子技术，2009，46(8)：494-497)等。

获得修正过的各通道对准信号的一系列峰值位置后，再利用在先专利CN200810033263.7、CN200710045495.X、CN200710044153.6、CN200710044152.1、CN200810035115.9、CN200810040234.3、CN200910052799.8、CN200910047030.7、CN200910194853.2、200910055927.4给出的捕获原理可确定粗对准位置，并在该粗对准位置的基础上，确定精对准位置。例如采用修正后的8.0-1级光波峰位置与修正后的8.8-1级光波峰位置重合点为粗对准位置；最接近粗对准位置的修正后的8.0-3级光峰值位置为精对准位置。

从对准扫描起始时间到扫描结束时间，环境测量模块11对每一个环境变量均可采集到一系列的值，如温度T₁，T₂，…，T_n。此时，可采用T₁到T_n之间的平均值代入公式一中，也可以采用中间时刻的值(如T_n/2)，或者采用其它方法。

相位偏移函数f(·)可通过实验得出，也可以通过光学原理推导出，或者二者结合得出。所述的二者结合即首先利用光学原理得出基本的模型，然后由实验数据对基本模型进行修正。在一种实施方式中，采用格莱斯顿-戴尔(即Gladstone-Dale)近似公式确定温度和压力变化与相位偏差之间的关系。

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}(1+2.9155*{10}^{-8}(\frac{P}{T}-\frac{P_0}{T_0}))$ 公式二

式中，P，T为压力和温度环境参数变量实测值，P₀，T₀为压力和温度参考值，Δφ为相位偏移，λ为对准照明波长，L为对准衍射光束传播光程差。

以16微米周期子光栅的±5级光干涉成像为例，则该通道对准信号的峰值位置偏移量为：

${\mathrm{\ΔX}}_{8.0-5}=\frac{8}{5}\mathrm{\Δ\φ}$ 公式三

第二实施例：

本发明的另一个实施例给出了利用环境变量-峰值位置偏移表修正对准信号的一系列峰值的方法。环境变量-峰值位置偏移表可通过实验数据或历史数据建立。对于不同的环境变量对应不同的环境变量-峰值位置偏移表。在利用实测环境变量数据，通过查表或插值获得各通道对准信号的峰值位置偏移。附图3给出了空气折射率变化与各通道对准信号的峰值位置偏移表。表中的峰值位置偏差采用空气折射率等于1为计算基准，即当前折射率下的波峰位置与空气折射率为1时的波峰位置之间的偏差。当然，也可采用其它折射率作为计算位置偏差的基准。修正公式为：

$X_{\mathrm{peak},i}^{\′}=X_{\mathrm{peak},i}+\mathrm{\Δ}{\hat{X}}_i$ 公式四

式中，

为通过查表或插值获得环境变量变化量对应的第i通道对准信号的峰值位置偏差，X_peak，i为拟合获得的第i通道对准信号的一系列峰值位置，X′_peak，i为修正后的第i通道对准信号的峰值位置。关于X_peak，i的拟合、修正峰值后粗对准位置和精对准位置的求解可参考本发明实施例一。

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 (14)

1.一种用于光刻设备的对准系统，包括：

提供对准照明光束的光源与照明模块；对对准标记进行成像的成像模块；参考光栅；采集透过参考光栅的光强信号并进行处理的信号采集处理模块；对准标记；承载硅片的工件台；运动台；采集承载硅片的工件台的位置信息，并与对准操作与管理模块进行同步谈判，规划运动轨迹，控制运动台的运动的位置采集与运动控制模块；和接收信号采集处理模块和位置采集与运动控制模块的信号的对准操作与管理模块，其特征在于：

还包括环境测量模块，所述的环境测量模块用于测量和采集对准衍射光束传播路线所处的环境变量，并将采集到的环境变量信息传输到对准操作与管理模块；所述的对准操作与管理模块利用光强数据、工件台位置数据和环境变量信息确定对准位置。

2.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于：所述的环境测量模块测量成像模块内部的环境变量变化，或测量成像模块与对准标记之间的环境变量变化，或二者均测量。

3.根据权利要求2所述的对准系统，其特征在于：所述的环境变量为影响对准衍射光束传播介质的折射率的环境变量中的一个或多个。

4.根据权利要求3所述的对准系统，其特征在于：所述的环境变量为温度、压力和湿度。

5.根据权利要求1-4中任意一个所述的对准系统，其特征在于：所述的对准操作与管理模块利用每一通道的光强数据和共用的工件台位置数据，经数据拟合，确定每一通道对准信号的一系列峰值。

6.根据权利要求5所述的对准系统，其特征在于：所述的对准操作与管理模块利用环境变量信息修正每一通道对准信号的一系列峰值。

7.根据权利要求6所述的对准系统，其特征在于：所述的修正方法采用环境变量-峰值位置偏移数学模型进行修正。

8.根据权利要求7所述的对准系统，其特征在于：所述的环境变量-峰值位置偏移数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\φ}=f(\mathrm{\λ},L,P,T,...,h,P_0,T_0,...,h_0)\\ {\mathrm{\ΔX}}_i=S_i\mathrm{\Δ\φ}\\ X_{\mathrm{peak},i}^{\′}=X_{\mathrm{peak},i}+{\mathrm{\ΔX}}_i\end{array}\right.$

式中，f(·)为相位偏移函数，Δφ为相位偏移，λ为对准照明波长，L为对准衍射光束传播光程差，P，T，...，h为压力、温度、…、湿度等各环境变量实测值，P₀，T₀，...，h₀为工作环境的参考值。S_i为第i通道对准信号的周期，ΔX_i为该信号峰值的位置偏差，X_peak，i为拟合获得的第i通道对准信号的一系列峰值位置，X′_peak，i为修正后的第i通道对准信号的峰值位置。

9.根据权利要求8所述的对准系统，其特征在于：所述的相位偏移函数为Gladstone-Dale近似公式：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}(1+2.9155*{10}^{-8}(\frac{P}{T}-\frac{P_0}{T_0}))$

式中，Δφ为相位偏移，λ为对准照明波长，L为对准衍射光束传播光程差，P，T为压力和温度的实测值，P₀，T₀为压力和温度的参考值。

10.根据权利要求7所述的对准系统，其特征在于：所述的各环境变量实测值为对准扫描时的每一环境变量一系列测量值的平均值，或者为对准扫描中间时刻的实测值。

11.根据权利要求6所述的对准系统，其特征在于：所述的修正方法采用环境变量-峰值位置偏移表进行修正。

12.根据权利要求11所述的对准系统，其特征在于：所述的环境变量-峰值位置偏移表通过实验数据或历史数据建立。

13.根据权利要求11所述的对准系统，其特征在于：所述的修正方法通过查表或插值的方法进行。

14.根据权利要求13所述的对准系统，其特征在于：所述的修正方法为：

$X_{\mathrm{peak},i}^{\′}=X_{\mathrm{peak},i}+\mathrm{\Δ}{\hat{X}}_i$

式中，

为通过查表或插值获得环境变量变化量对应的第i通道对准信号的峰值位置偏差，X_peak，i为拟合获得的第i通道对准信号的一系列峰值位置，X′_peak，i为修正后的第i通道对准信号的峰值位置。

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