CN102692827B - 一种用于光刻设备的对准装置 - Google Patents

Abstract

一种对准装置及使用对准装置的光刻设备。对准装置包括光源、目标光栅、4F光学系统、设置于4F光学系统两个透镜之间频谱面的衍射级次选择部件、设置有对准标记的硅片、光电探测器以及对准信号处理模块，其中，从光源发出的光照明目标光栅后发生衍射，产生衍射光束，衍射光束照射至4F光学系统，其中的衍射级次选择部件选择衍射级次，使得衍射光束产生的干涉条纹周期与对准标记中光栅周期的大小相对应，各级次衍射光束经过4F光学系统后，相干成像于硅片上的相应对准标记上，经过硅片台带动硅片运动，实现干涉像与对准标记扫描，光电探测器对扫描得到的光信号进行探测，并经过对准信号处理模块根据对准信号进行对准位置的计算。

Description

一种用于光刻设备的对准装置

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及用于光刻设备的对准装置及对准方法。

背景技术

现有技术中的光刻设备，主要用于集成电路IC或其他微型器件的制造。通过光刻设备，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准情况下依次曝光成像在涂覆有光刻胶的硅片上。目前的光刻设备大体上分为两类，一类是步进光刻设备，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相应掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻设备，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，完成硅片曝光。

光刻设备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设备中移走，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。由于光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在硅片中形成多层电路，为此，光刻设备中要求实现掩模和硅片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对对准精度的要求将变得更加严格。

现有技术有两种对准方案。一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明掩模上的对准标记通过物镜成像于硅片平面，移动硅片台，使硅片台上的参考标记扫描对准标记所成的像，同时采样所成像的光强，探测器输出的最大光强位置即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台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；硅片台上参考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，主流光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，衍射光携带有关于对准标记结构的全部信息。多级次衍射光以不同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±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)在参考面干涉成像，利用像与相应参考光栅在一定方向扫描，经光电探测器探测和信号处理，确定对准中心位置。

一种现有技术的情况(参见中国发明专利：CN1506768A，发明名称：用于光刻系统的对准系统和方法)，荷兰ASML公司所采用的一种4f光学系统结构(4f光学系统：符合严格傅里叶变换关系的光学系统，由两个傅里叶变换透镜组成。当平行光垂直照射物面，并发生衍射，在像面形成相干像。下称该光学系统为4f光学系统)的ATHENA离轴对准系统，该对准系统在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的重叠和相干成像，并在像面上将成像空间分开；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记像透过参考光栅的透射光强，得到正弦输出的对准信号。

该对准系统通过探测对准标记的(包括高级次衍射光在内)多级次衍射光以减小对准标记非对称变形导致的对准位置误差。具体采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的正、负级次光斑对应重叠、相干成像，同时各级衍射光光束通过楔块列阵或楔板组的偏折使得对准标记用于x方向对准的光栅各级光栅像在像面沿y方向排列成像；用于y方向对准的光栅各级光栅像在像面沿x方向排列成像，避免了对准标记各级光栅像扫描对应参考光栅时不同周期光栅像同时扫描一个参考光栅的情况，有效解决信号的串扰问题。但是，使用楔块列阵时，对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高；而楔板组的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实现起来工程难度较大，代价昂贵。

另一种现有技术的情况(参见中国发明专利申请：200710044152.1，发明名称：一种用于光刻设备的对准系统)，该对准系统采用具有粗细结合的三周期相位光栅，只利用这三个周期的一级衍射光作为对准信号，可以实现大的捕获范围的同时获得高的对准精度，只使用各周期的一级衍射光，可以获取较强的信号强度，提高系统信噪比，不需要借助楔板等调节装置来分开多路高级次衍射分量，简化光路设计和调试难度，但对准系统中对准标记在硅片和基准板上一字排开分布，降低了光源的利用率，并且这种排列方式在对准扫描中对准标记各组光栅像扫描对应参考光栅时，不同周期的光栅像同时扫描一个参考光栅的情况，会引起扫描信号的串扰问题，不利于光刻设备的对准。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种对准装置，包括光源、目标光栅、4F光学系统、设置于4F光学系统两个透镜之间频谱面的衍射级次选择部件、设置有对准标记的硅片、光电探测器以及对准信号处理模块，其中，从所述光源发出的光照明所述目标光栅后发生衍射，产生衍射光束，衍射光束照射至4F光学系统，其中的衍射级次选择部件选择衍射级次，使得衍射光束产生的干涉条纹周期与所述对准标记中光栅周期的大小相对应，各级次衍射光束经过所述4F光学系统后，相干成像于所述硅片上的相应对准标记上，经过硅片台带动所述硅片运动，实现干涉像与对准标记扫描，所述光电探测器对扫描得到的光信号进行探测，并经过所述对准信号处理模块根据对准信号进行对准位置的计算。

其中，所述衍射级次选择部件为旋转光阑及电机的组合，在旋转光阑上设置相应于选取的衍射级次的滤波孔，电机调整所述旋转光阑的角度，使相应衍射级次的衍射光束通过4F光学系统的频谱面而干涉成像。

其中，所述衍射级次选择部件为可控液晶阀，配合控制器，实现透过衍射光束的选择。

其中，照明所述目标光栅后产生1-7级衍射光束，衍射级次选择部件选择1、3、5、7级衍射光透过。

其中，所述光源为单色光，所述单色光对硅片和石英透过，对对准标记材料高反射或高吸收。

其中，所述目标光栅为振幅型光栅，从所述光源发出的光经传输光纤照射至所述目标光栅。

其中，所述传输光纤为保偏光纤。

其中，所述目标光栅为位相型光栅，从所述光源发出的光经反射棱镜反射至所述目标光栅。

其中，通过调节所述目标光栅占空比增强相应衍射级次。

其中，所述对准标记所用的材料为金属材料。

本发明还提出了一种光刻设备，其中使用了上述对准装置。

还可利用设置于基准板上的对准标记代替设置于硅片上的对准标记。

一种用于光刻设备的对准方法，在对准装置中，选择不同的衍射级次干涉像对相应的对准标记进行扫描，得到不同周期大小的对准信号，根据对准系统对准精度的需求，选择所需要周期的对准信号进行扫描，得到对准位置。

根据本发明的对准装置，采用标记分支光栅单独照明，提高对准装置能量利用率，并降低了图形层对测量的串扰影响，提高了对准精度。

附图说明

图1所示为使用根据本发明的对准系统的光刻设备的结构示意图；

图2所示为根据本发明第一实施例的对准装置结构原理示意图；

图3所示为根据本发明第一实施例的对准装置的目标光栅示意图；

图4所示为根据本发明的对准装置的旋转光阑结构示意图；

图5所示为本发明所用对准标记示意图；

图6所示为根据本发明第二实施例的对准装置结构原理示意图；

图7所示为本发明的对准装置采集的对准信号示意图。

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所示为使用根据本发明的对准系统的光刻设备的结构示意图。该光刻设备包括：用于提供曝光光束的照明系统1；用于支承掩模版2的掩模支架和掩模台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；用于将掩模版2上的掩模图案投影到硅片6的投影光学系统4；用于支承硅片6的硅片支架和硅片台7，硅片台7上有刻有基准标记FM的基准板8，硅片6上有周期性光学结构的对准标记；用于掩模和硅片对准的离轴对准系统5；用于掩模台3和硅片台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和硅片台7位移的伺服系统13和驱动系统9、14。

其中，照明系统1包括一个光源、一个使照明均匀化的透镜系统、一个反射镜、一个聚光镜(图中均未示出)。作为一个光源单元，采用KrF准分子激光器(波长248nm)、ArF准分子激光器(波长193nm)、F2激光器(波长157nm)、Kr2激光器(波长146nm)、Ar2激光器(波长126nm)、或者使用超高压汞灯(g-线、i-线)等。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在移动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，掩模图案经过投影光学系统在涂覆有光刻胶的硅片6上成缩小的图像。

硅片台7位于投影光学系统4的下方，硅片台7上设置有一个硅片支架(图中未示出)，硅片6固定在支架上。硅片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向(X方向)和垂直于扫描方向(Y方向)上运动，使得可以将硅片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。硅片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于硅片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，硅片台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根据位置信息(或速度信息)通过驱动系统9控制硅片台7的运动。

硅片6上设有周期性结构的对准标记，硅片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准系统5分别通过硅片对准标记WM和基准标记FM实现硅片6对准和硅片台7对准。另外，一个同轴对准单元(图中未示出)将硅片台上基准板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驱动硅片台7移动实现掩模和硅片6的对准。

图2所示为根据本发明第一实施例的对准装置5的结构原理示意图。光源201发出的光经过传输光纤202传输，照明目标光栅203后发生衍射，产生1-7级衍射光束，各级次衍射光束经过4F光学系统204，相干成像在硅片208上的相应对准标记207上，经过硅片台7带动硅片208运动，实现干涉像与对准标记207扫描，光电探测器209对扫描得到的光信号进行探测，并经过对准信号处理模块210根据对准信号进行对准位置的计算，在4F光学系统204频谱面上安装有旋转光阑205，旋转光阑205可由电机206带动，进行旋转动作，根据需要，由电机206调整旋转光阑205的角度，使相应衍射级次的衍射光束通过4F光学系统204的频谱面而干涉成像。

光源201一般为单色光，要求这种单色光的光属性是对硅片和石英透过，对对准标记材料(如铜等)高反射或高吸收，例如采用1550nm红外光等。

传输光纤202一般为保偏光纤，以适应对准标记信号对光偏振属性的要求，也可以是其他可以传输光的光纤。

可以利用目标光栅1、3、5、7级衍射光，也可以利用其他级次衍射光束。旋转光阑205的转动可以选择通过4F光学系统204频谱面的衍射光束，选择的根据是衍射光束产生的干涉条纹周期与对准标记207中光栅周期的大小相对应。

图3所示为根据本发明第一实施例的对准装置的目标光栅203示意图，该光栅由X向光栅301和Y向光栅302组成。目标光栅203可以是振幅型光栅(对应第一实施例)，也可以是位相型光栅(对应第二实施例)，光栅的占空比为1∶1，为了使相应衍射级次增强，光栅的占空比可以根据需要改变。

图4所示为根据本发明的对准装置的旋转光阑205的结构示意图，其上分别对应于一、三、五、七级衍射光设置的滤波孔，通过旋转运动，可以选择通过的衍射级次，旋转运动通过电机206实现。

其中，旋转光阑滤波孔的位置和数目可以根据需要改变。旋转光阑及电机的组合可由可控掖晶阀代替，配合控制器，放置在频谱面，实现透过衍射光束的选择，也可以由相同功能的其他器件代替。

图5所示为本发明所用对准标记207的示意图，对准标记207由三组不同周期的光栅501、光栅502和光栅503组成，对应光栅周期分别为P1、P2和P3。组成对准标记207的光栅周期分别于目标光栅203的各级次衍射光束经过4F光学系统成的干涉像周期相对应。

在图5中只示出了X向对准标记，Y向对准标记为X向对准标记旋转90度得到。

对准标记207可以由三组不同周期的光栅组成，根据需要，也可以是由其他数目的光栅组成。对准标记207的制作材料是对对准光源起高反射或高吸收的材料制作(例如铜等)。并制作在硅片208上和(或)基准板8上。

图6所示为根据本发明第二实施例的对准装置结构原理示意图，相对第一实施例，目标光栅203(振幅型光栅)由位相型目标光栅604代替，对准装置中增加了反射棱镜603，以改变由光源601发出的照明光束602的方向，照明对准标记604。其他的4F光学系统605、旋转光阑606、电机607、对准标记608、硅片609、光电探测器610以及对准信号处理模块611的结构均与第一实施例中相应部件的结构相同。其中，旋转光阑606以及电机607，可由可控掖晶阀代替，配合控制器，放置在频谱面，实现透过衍射光束的选择。

图7所示为本发明的对准装置采集的对准信号示意图(经过拟合处理)。其中SP1对应对准标记中周期为P1的对准信号，SP2对应对准标记中周期为P2的对准信号，SP3对应对准标记中周期为P3的对准信号，根据对准系统对准精度需要，选择不同的对准信号进行对准位置的计算。

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 (10)

1.一种对准装置，包括光源、目标光栅、4F光学系统、设置于4F光学系统两个透镜之间频谱面的衍射级次选择部件、光电探测器以及对准信号处理模块，其中，从所述光源发出的光照明所述目标光栅后发生衍射，产生衍射光束，衍射光束照射至4F光学系统，其中的衍射级次选择部件选择衍射级次，使得衍射光束产生的干涉条纹周期与对准标记中光栅周期的大小相对应，各级次衍射光束经过所述4F光学系统后，相干成像于硅片上的相应对准标记上，经过硅片台带动所述硅片运动，实现干涉像与所述对准标记扫描，所述光电探测器对扫描得到的光信号进行探测，并经过所述对准信号处理模块根据对准信号进行对准位置的计算，其中，所述衍射级次选择部件为旋转光阑及电机的组合，在旋转光阑上设置相应于选取的衍射级次的滤波孔，电机调整所述旋转光阑的角度，使相应衍射级次的衍射光束通过4F光学系统的频谱面而干涉成像。

2.根据权利要求1所述的对准装置，其中，照明所述目标光栅后产生1-7级衍射光束，衍射级次选择部件选择1、3、5、7级衍射光透过。

3.根据权利要求1-2中任意一个所述的对准装置，其中，所述光源为单色光，所述单色光对硅片和石英透过，对对准标记材料高反射或高吸收。

4.根据权利要求3所述的对准装置，其中，所述目标光栅为振幅型光栅，从所述光源发出的光经传输光纤照射至所述目标光栅。

5.根据权利要求4所述的对准装置，其中，所述传输光纤为保偏光纤。

6.根据权利要求3所述的对准装置，其中，所述目标光栅为位相型光栅，从所述光源发出的光经反射棱镜反射至所述目标光栅。

7.根据权利要求1所述的对准装置，其中，通过调节所述目标光栅占空比增强相应衍射级次。

8.根据权利要求1所述的对准装置，其中，所述对准标记所用的材料为金属材料。

9.一种光刻设备，其中使用了权利要求1-8中任意一个所述的对准装置。

10.根据权利要求9所述的光刻设备，其中，利用设置于基准板上的对准标记代替设置于硅片上的对准标记。