CN102566296A - 一种光刻曝光系统集成装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种光刻曝光系统的光学集成装配方法，包括下述步骤：第一步，利用点能量传感器和投影物镜对准掩模标定投影物镜最佳像面的中心和方向；第二步，测量曝光系统的远心，根据远心值计算照明模块相对于所述投影物镜的倾斜；第三步，测量所述投影物镜对准掩模中心小孔和照明对准工装中心小孔的位置偏差，计算所述照明模块相对于所述投影物镜的偏心；第四步，测量所述投影物镜对准掩模多个辅助小孔和照明对准工装多个辅助小孔的位置偏差，计算所述照明模块相对于所述投影物镜的旋转；第五步，测量所述照明对准工装中心小孔的半影宽度以计算所述照明模块相对于所述投影物镜的Z向调整量；第六步，根据以上测量结果，确定所述照明模块所需的机械调整量；第七步，对所述照明模块进行机械调整，重复第二步～第六步，直到达到集成需求为止。

Description

一种光刻曝光系统集成装配方法

技术领域

本发明涉及一种光刻曝光系统的光学集成方法，特别涉及一种利用光学方法将光刻曝光系统的投影物镜和照明模块进行高精度集成和对准的方法。

背景技术

光刻是半导体制造中一道重要工艺，曝光系统是扫描光刻机的重要组成部分，其主要功能是在所需分辨率和焦深范围内将掩模空间像投影到硅片上。根据光学系统的不同功能，可将曝光系统分为照明模块和投影物镜。照明模块的主要功能是为掩模版提供均匀且远心的照明，并且能够提供不同的照明模式。投影物镜的主要功能是将被照明的掩模图形完美的成像到硅片上。

虽然一般情况下这两个子系统在功能是相互独立的，但是在目标实现上它们又是密切联系的，因为只有得到好的像质才能在硅片面上实现最终的目标分辨率，而像质的好坏与照明质量密切相关。

光刻中要求照明模块产生的照明场大小准确、远心性好、均匀性误差尽量小，使整个照明光束能够均匀地照射在掩膜版上，并均匀地投影到硅片上。照明的均匀性会影响整个曝光场的线宽均匀性。目前常用的步进扫描光刻系统具有矩形照明场，掩膜台和工件台沿着全曝光区域扫描矩形照明场，然后步进到下一个曝光区，再沿着该曝光区域扫描矩形照明场，依此进行下去。在开始和结束扫描的过程中需要控制照明视场大小。照明模块还要求提供远心的照明视场，照明的非远心性会导致光刻线条的套刻精度变低。

如图1所示为典型的光刻曝光系统的组成结构，整个曝光系统可以分为四个主要的模块，照明模块用于提供均匀的照明视场；掩模用于提供待刻蚀的光刻图案；投影物镜，用于将掩模上的图案成像在硅片上，硅片用于接收刻蚀的图案。在照明模块和投影物镜独立开发完成后，需要将整个曝光系统集成，集成的目标是使照明模块的最佳照明面与投影物镜的最佳物面重合。图2为最佳照明面和投影物镜最佳物面之间的位置关系示意。理想情况下，两个面应该完全重合。而在实际情况下，两个面具有六个自由度的位置偏差，分别为ΔX，ΔY，ΔZ，ΔRx，ΔRy和ΔRz。其中，ΔX，ΔY和ΔRz会引起照明视场与物镜最佳物面水平偏心，会引起扫描方向的照明非均匀性。ΔZ会引起照明轮廓的边缘弥散斑变大，也会引起照明非均匀性。ΔRx，ΔRy会导致照明的非远心，从而使套刻精度变差。

因此，有必要提供一种光学的集成装调方法，能够快速的测试照明模块相对于投影光学系统的装调误差，并根据该误差，对照明模块进行机械调整，最终实现照明模块和投影光学系统的高精度集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻曝光系统光学集成装调方法。相对于机械集成，其测试和调整直接针对光学性能指标，能使曝光系统达到更高的装调精度。

本发明一种光刻曝光系统的光学集成装配方法，包括下述步骤：

第一步，利用点能量传感器和投影物镜对准掩模标定投影物镜最佳像面的中心和方向；

第二步，测量曝光系统的远心，根据远心值计算照明模块相对于所述投影物镜的倾斜；

第三步，测量所述投影物镜对准掩模中心小孔和照明对准工装中心小孔的位置偏差，计算所述照明模块相对于所述投影物镜的偏心；

第四步，测量所述投影物镜对准掩模多个辅助小孔和照明对准工装多个辅助小孔的位置偏差，计算所述照明模块相对于所述投影物镜的旋转；

第五步，测量所述照明对准工装中心小孔的半影宽度以计算所述照明模块相对于所述投影物镜的Z向调整量；

第六步，根据以上测量结果，确定所述照明模块所需的机械调整量；

第七步，对所述照明模块进行机械调整，重复第二步～第六步，直到达到集成需求为止。

其中，所述照明对准工装上的中心小孔和辅助小孔的尺寸大于所述投影物镜对准掩模上的中心小孔和辅助小孔尺寸。

其中，所述照明对准工装的中心小孔为圆孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心圆孔的中心为照明光轴的基准，四个辅助方孔的方向对应照明视场的X和Y方向。

其中，所述投影物镜对准掩模的中心小孔为方孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心方孔的中心为物镜光轴的基准，四个辅助方孔定义了物镜视场的X和Y方向。

其中，所述照明对准工装和投影物镜对准掩模上的辅助小孔相对于中心小孔成中心对称地分布于两侧，坐标分别为(x，y)，(x，-y)，(-x，y)，(-x，-y)。

一种光刻曝光系统的光学集成装配系统，包括：

支撑投影物镜的机械支撑装置；

照明对准工装，具有中心小孔和多个辅助小孔，被安装于待装配的光刻曝光系统的照明模块的顶端，作为照明视场的基准；

物镜对准掩模，被设置于投影物镜的最佳物面，具有与所述照明对准工装相对应的中心小孔和多个辅助小孔，这些小孔与所述照明对准工装上的小孔结合作为对准基准；

用于确定最佳像面的点能量传感器；

测量装置，用于测量曝光系统的远心、所述物镜对准掩模和所述照明对准工装中心小孔的位置偏差、所述物镜对准掩模和所述照明对准工装多个辅助小孔的位置偏差、以及所述照明对准工装中心小孔的半影宽度；

计算装置，用于根据测量装置的测量结果计算所述照明模块相对于所述投影物镜的倾斜、所述照明模块相对于所述投影物镜的偏心、所述照明模块相对于所述投影物镜的旋转、所述照明模块相对于所述投影物镜的Z向调整量，以及根据上述计算结果确定所述照明模块所需的机械调整量；

调整所述照明模块位置的机械调整装置，其可以根据计算装置的计算结果调节所述照明模块6个自由度的空间位置。

其中，所述照明对准工装上的中心小孔和辅助小孔的尺寸大于物镜对准掩模上的中心小孔和辅助小孔尺寸。

其中，所述照明对准工装的中心小孔为圆孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心圆孔的中心为照明光轴的基准，四个辅助方孔的方向对应照明视场的X和Y方向。

其中，所述物镜对准掩模的中心小孔为方形挡光孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心方孔的中心为物镜光轴的基准，四个辅助方孔定义了物镜视场的X和Y方向。

其中，利用镀铬膜的方法制作挡光孔。

其中，所述照明对准工装和物镜对准掩模上的辅助小孔相对于中心小孔成中心对称地分布于两侧，坐标分别为(x，y)，(x，-y)，(-x，y)，(-x，-y)。

本发明提供的装配方法，其中所涉及的照明测试无需测试整个照明视场，只需测试工装有效区域的照明视场，能够快速的测试照明模块相对于投影物镜的位置偏差，缩短了光刻曝光系统集成调试的时间。

附图说明

图1为典型的光刻曝光系统的组成结构；

图2为最佳照明面和物镜的最佳物面在空间上具有六个自由度的装调误差；

图3为本发明实施例一的结构示意图；

图4为物镜对准掩模5的结构示意图；

图5为照明对准工装7的结构示意图；

图6为远心测试原理示意；

图7为照明模块相对于物镜的偏心ΔX，ΔY测试原理示意；

图8为照明模块相对于物镜的旋转ΔRz测试原理示意；

图9为整个曝光系统的光学集成流程。

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3所示为根据本发明的曝光系统的集成装配的示意图。其中，1为投影物镜的机械支撑装置；2为投影物镜；3为投影物镜的最佳像面；4为投影物镜的最佳物面；5为物镜对准掩模；6为照明模块最佳照明面；7为照明对准工装；8为照明模块；9为照明模块机械调整装置。

图4所示为物镜对准掩模5的结构示意图。在掩模的中心具有一方形的挡光孔，挡光孔可以利用镀铬膜的方法制作。在掩模上，以掩模中心方形小孔为对称中心成中心对称的两侧，坐标分别为(x，y)，(x，-y)，(-x，y)，(-x，-y)的位置各设置一个辅助的方形孔。该掩模中心小孔的中心是物镜光轴的基准，而四个辅助小孔是物镜最佳物面X和Y方向的基准。由于掩模放置在物镜的最佳物面，可以通过测量它的像来确定最佳像面，例如利用点能量传感器来确定最佳像面。测量中心小孔的像，其几何中心即为物镜光轴。而两边四个小孔的位置定义了物镜最佳物面的X和Y方向。物镜对准掩模5将和照明对准工装7配合完成照明模块到投影物镜的X，Y，Z以及Rz方向的调整。

物镜对准掩模5还有一个重要的功能就是可以利用中心的方孔测量曝光系统的远心，从而确定顶部的照明模块相对于物镜的倾斜Rx和Ry。

如图5所示，照明对准工装7是由中间的一个小的圆孔和四个辅助的对称分布的方孔组成，以中心圆孔的中心为坐标原点，四个小孔的中心坐标分别为(x，y)，(x，-y)，(-x，y)，(-x，-y)，对应于物镜对准掩模5的位置，照明对准工装7上的五个小孔的尺寸均大于物镜对准掩模5上对应的五个小孔的尺寸。该工装7安装在照明模块的顶端，是照明视场的基准。

投影物镜2根据整机坐标系定义固定在投影物镜的机械支撑装置1上，并调节投影物镜使其在整机定义的名义位置上。安装物镜对准掩模5到投影物镜的最佳物面4，物镜对准掩模5为投影物镜最佳物面的基准。接下来，将照明对准工装7安装至照明模块8上，照明对准工装7为照明模块最佳照明面6的基准。将整个照明模块8安装至照明模块机械调整装置9，照明模块机械调整装置9具有机械调整装置，可以调节照明模块8的六个自由度的空间位置。

在曝光系统集成装配的机械安装完成后，再进行光学调整，光学调整可以分为以下步骤：

第一步：利用点能量传感器和物镜对准掩模5标定物镜中心位置和视场的X，Y方向，后面的照明视场的调整以该标定的坐标系为基准。通过测量掩模标记在工件台上的位置，进行标定。并通过Z向扫描标记的空间像，获得最佳像面位置。

第二步：使照明模块8照明物镜对准掩模5，由于照明对准工装7上的小孔大于物镜对准掩模5上的小孔，因此，物镜对准掩模5上的五个挡光小孔均可得到照明。利用点能量传感器在硅片面上的不同高度进行扫描，测量曝光系统的远心。如图6所示，远心测试的原理是利用点能量传感器在视场的不同高度(Z方向)进行扫描，寻找挡光孔的像的光强能量为入射光光强能量的50％的位置，并将这些位置做线性拟合，拟合出的直线和光轴的夹角即为远心TeleX和TeleY。通过远心值TeleX和TeleY就可以计算出照明模块相对于P0所做的倾斜调整Rx和Ry。

第三步：用点能量传感器在最佳像面进行扫描，测量掩模中心孔的像M0和照明对准工装中心小孔的像T0，利用图像处理方法计算出这两个小孔的中心位置坐标(XM0，YM0)，和(XT0，YT0)，计算两个坐标的差异量，就可以确定照明模块相对于物镜光轴的偏心(ΔX0，ΔY0)。这是因为，照明对准工装7是照明模块光轴的基准，而物镜对准掩模5是物镜最佳物面的基准。该测试等效于照明模块光轴相对于物镜光轴的偏移程度，可以确定照明模块相对于物镜所需的X和Y向调整量，也就是偏心的数值。

第四步：测试照明对准工装四个小孔(T1，T2，T3，T4)的位置，得到四个小孔的坐标位置分别为(XT1，YT1)，(XT2，YT2)，(XT3，YT3)(XT4，YT4)；同时，测试物镜对准掩模四个小孔(M1，M2，M3，M4)的位置，得到四个小孔的位置坐标分别为(XM1，YM1)，(XM2，YM2)，(XM3，YM3)(XM4，YM4)。分别计算对应的小孔的中心位置坐标的差异量(ΔX1，ΔY1)，(ΔX2，ΔY2)，(ΔX3，ΔY3)，(ΔX4，ΔY4)可以计算照明模块相对于物镜的旋转偏移程度。这是因为，TM对准工装的四个小孔是照明模块照明视场方向X和Y坐标的基准，而物镜对准掩模的四个小孔是物镜X和Y坐标的基准。该测试等效于照明视场相对于物镜最佳物面的旋转程度，可以确定照明模块相对于物镜所需的Rz向调整量。

第五步：利用点能量传感器扫描测量照明对准工装7的半影，来计算照明模块相对于物镜最佳物面的离焦量，从而计算照明模块相对于物镜的轴向差异Z。

Z向测量的原理是：通过点能量传感器测量TM对准工装小圆孔的像，此时点能量传感器的扫描平面为物镜的最佳像面。因此调整的目的实际上是调整TM对准工装上的小孔，使其在物镜的最佳像面上。如果这个小孔不在最佳焦面上，则它必然有离焦，而离焦会导致边缘的半影，因此测量TM小孔的边缘半影可以得到照明模块在Z向的调整量。

Z向调整大小的计算可以通过半影计算得到。假设照明模式为传统照明，照明数值孔径为NA，假设测量到的半影宽度为Δd，而Z向离焦为Δz则有如下的几何关系：

${\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\Δz}}\right)={\sin }^{-1}(\frac{1}{4}*\mathrm{NA})$

点能量传感器测量得到半影Δd的值，就可以计算照明模块相对于物镜所需要的调整量Δz。

第六步：根据得到的照明模块相对于P0的六个自由度调整量(X，Y，Z，Rx，Ry，Rz)，通过转换矩阵，计算照明模块所需的机械调整量(H1，H2，H3，V1，V2，V3)。

第七步：重复上述步骤进行循环收敛，直到所有的照明指标都能满足需求为止。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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 (12)

1.一种光刻曝光系统的光学集成装配方法，包括下述步骤：

第一步，利用点能量传感器和投影物镜对准掩模标定投影物镜最佳像面的中心和方向；

第二步，测量曝光系统的远心，根据远心值计算照明模块相对于所述投影物镜的倾斜；

第三步，测量所述投影物镜对准掩模中心小孔和照明对准工装中心小孔的位置偏差，计算所述照明模块相对于所述投影物镜的偏心；

第四步，测量所述投影物镜对准掩模多个辅助小孔和照明对准工装多个辅助小孔的位置偏差，计算所述照明模块相对于所述投影物镜的旋转；

第五步，测量所述照明对准工装中心小孔的半影宽度以计算所述照明模块相对于所述投影物镜的Z向调整量；

第六步，根据以上测量结果，确定所述照明模块所需的机械调整量；

第七步，对所述照明模块进行机械调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第七步中，对所述照明模块进行机械调整，可以通过重复第二步～第六步，直到达到集成需求为止。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照明对准工装上的中心小孔和辅助小孔的尺寸大于所述投影物镜对准掩模上的中心小孔和辅助小孔尺寸。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述照明对准工装的中心小孔为圆孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心圆孔的中心为照明光轴的基准，四个辅助方孔的方向对应照明视场的X和Y方向。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述投影物镜对准掩模的中心小孔为方孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心方孔的中心为物镜光轴的基准，四个辅助方孔定义了物镜视场的X和Y方向。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述照明对准工装和投影物镜对准掩模上的辅助小孔相对于中心小孔成中心对称地分布于两侧，坐标分别为(x，y)，(x，-y)，(-x，y)，(-x，-y)。

7.一种实现权利要求1所述的方法的装配系统，包括：

支撑投影物镜的机械支撑装置；

照明对准工装，具有中心小孔和多个辅助小孔，被安装于待装配的光刻曝光系统的照明模块的顶端，作为照明视场的基准；

物镜对准掩模，被设置于投影物镜的最佳物面，具有与所述照明对准工装相对应的中心小孔和多个辅助小孔，这些小孔与所述照明对准工装上的小孔结合作为对准基准；

用于确定最佳像面的点能量传感器；

测量装置，用于测量曝光系统的远心、所述物镜对准掩模和所述照明对准工装中心小孔的位置偏差、所述物镜对准掩模和所述照明对准工装多个辅助小孔的位置偏差、以及所述照明对准工装中心小孔的半影宽度；

计算装置，用于根据测量装置的测量结果计算所述照明模块相对于所述投影物镜的倾斜、所述照明模块相对于所述投影物镜的偏心、所述照明模块相对于所述投影物镜的旋转、所述照明模块相对于所述投影物镜的Z向调整量，以及根据上述计算结果确定所述照明模块所需的机械调整量；

调整所述照明模块位置的机械调整装置，其可以根据计算装置的计算结果调节所述照明模块6个自由度的空间位置。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述照明对准工装上的中心小孔和辅助小孔的尺寸大于物镜对准掩模上的中心小孔和辅助小孔尺寸。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述照明对准工装的中心小孔为圆孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心圆孔的中心为照明光轴的基准，四个辅助方孔的方向对应照明视场的X和Y方向。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述物镜对准掩模的中心小孔为方形挡光孔，具有四个方形辅助小孔，其中中心方孔的中心为物镜光轴的基准，四个辅助方孔定义了物镜视场的X和Y方向。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，利用镀铬膜的方法制作挡光孔。

12.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所述照明对准工装和物镜对准掩模上的辅助小孔相对于中心小孔成中心对称地分布于两侧，坐标分别为(x，y)，(x，-y)，(-x，y)，(-x，-y)。

Images