CN102880018A

CN102880018A - 用于对准系统的参考光栅空间像调整装置及调整方法

Info

Publication number: CN102880018A
Application number: CN2011101930042A
Authority: CN
Inventors: 唐文力; 王海江
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: CN102880018B

Abstract

本发明公开一种用于对准系统的参考光栅空间像调整装置，沿光线传播的方向依次包括：光源，用于提供照明光束；偏转平板，用于改变照明光束的倾斜角度；曝光对象，所述曝光对象含有至少一个对准标记；光学元件单元，用于将所述对准标记的衍射光束干涉成像在参考光栅上；还包括：偏转平板控制设备，用于控制所述偏转平板的角度；参考光栅Z向驱动装置，用于控制所述参考光栅Z向位移。本发明同时公开一种用于对准系统的参考光栅空间像调整方法。

Description

用于对准系统的参考光栅空间像调整装置及调整方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路制造装备的技术领域，尤其涉及一种用于对准系统的参考光栅空间像调整装置及调整方法。

背景技术

光刻设备是一种应用于集成电路制造的装备，利用该装备包括但不限于：集成电路制造光刻装置、液晶面板光刻装置、光掩模刻印装置、MEMS(微电子机械系统)/MOMS(微光机系统)光刻装置、先进封装光刻装置、印刷电路板光刻装置及印刷电路板加工装置等。

利用光刻设备实现曝光的过程中，掩模版与曝光对象(例如硅片、印刷电路板等)的位置必须对准，通常掩模版上方与曝光对象上方均配置一定的位置对准装置，用于建立掩模版与曝光对象之间精确的相对位置关系。

随着芯片的集成度的提高，对位置对准装置的精度要求也越来越高。因此现有技术中的对准系统又可分为掩模对准和硅片对准。硅片对准系统在光刻设备中完成工件台基准板与硅片间的相对位置对准，利用工件台基准板或者硅片位相光栅的干涉像(空间像)与参考光栅(振幅型光栅)扫描得到其相对位置。在硅片对准系统中容易出现的误差有离焦量和倾斜量。硅片对准系统工作过程中的离焦量和倾斜量如果单独出现，不会影响硅片对准系统的对准精度，如果两者同时存在，将会产生对准误差，特别对于双波长工作的硅片对准系统。双波长工作的硅片对准系统的详细介绍请参见CN1506768A。因此将参考光栅相对标记干涉像(空间像)精确地调整到最佳焦面尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于对准系统的参考光栅空间像调整装置及调整方法，能在同时具有离焦量和倾斜量的情况下，将参考光栅相对标记干涉像精确地调整到最佳焦面。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于对准系统的参考光栅空间像调整装置，沿光线传播的方向依次包括：光源，用于提供照明光束；偏转平板，用于改变照明光束的倾斜角度；曝光对象，该曝光对象含有至少一个对准标记；光学元件单元，用于将该对准标记的衍射光束干涉成像在参考光栅上；还包括：偏转平板控制设备，用于控制该偏转平板的角度；参考光栅Z向驱动装置，用于控制该参考光栅Z向位移。

更进一步地，该光学元件按光线传播的方向依次包括：第一透镜组、反射棱镜、第二透镜组及光纤，该参考光栅放置于该第二透镜组与该光纤之间。该参考光栅空间像调整装置还包括光电探测及放大处理单元及信号处理单元，该光电探测及放大处理单元用于探测光信号并转化为电信号，该信号处理单元用于处理该电信号。参考光栅空间像调整装置还包括一反射镜。参考光栅空间像调整装置还包括光电探测及放大滤波单元。参考光栅空间像调整装置电光调制装置及电光调制控制器，该电光调制装置用于调节该照明光束的光强。

更进一步地，该光源是一激光光源。该参考光栅Z向驱动装置包括位置传感器和电机。该偏转平板控制设备是一电机。该光电探测及放大处理单元包括光电探测和前置放大模块、多路开关及锁相放大模块。

本发明同时公开一种使用上述装置调整参考光栅空间像的方法，包括：利用该偏转平板控制设备至少一次改变照明光束以获得倾斜量，利用该参考光栅Z向驱动装置至少一次改变该参考光栅的Z向位移以获得离焦量，测量至少四条通过参考光栅扫描后的光强曲线，根据该光强曲线计算该参考光栅的最佳焦平面。

与现有技术相比较，本发明所公开的使用上述装置调整参考光栅空间像的装置与方法，通过控制参考光栅Z向位移，并根据所获得的扫描信号可以定位最佳参考光栅位置，实现了将参考光栅精密地调整在硅片对准系统的空间像焦面位置。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的参考光栅空间像调整装置的光学原理图；

图2是参考光栅焦面调整的光学原理图；

图3是偏转平板调整光束偏移的光学原理图；

图4是参考光栅不同x₀位置对应的参考光栅扫描信号；

图5是本发明所涉及的参考光栅空间像调整装置的第一实施方式；

图6是第一实施方式的光路图；

图7是本发明所涉及的参考光栅空间像调整装置的第二实施方式。

主要符号说明：

1-对准标记；

2-硅片对准系统前组透镜

3-照明光束

4-偏转平板

5-反射棱镜

6-光阑

7-硅片对准系统后组透镜

8-参考光栅

9-对准标记干涉像

101-硅片

102-第一透镜组

103-棱镜

104-第二透镜组

105-参考光栅

106-反射镜

107-偏转平板

108-参考光栅Z向驱动装置

109-对准标记干涉像

110-光电探测及放大处理单元

111-光阑

112-电光调制控制器

113-偏转平板控制装置

114-电光调制装置

115-信号处理主控制器

117-激光光源

118-光电探测及放大滤波单元

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明的主要发明构思为根据硅片对准系统的工作原理特征，提供一种参考光栅与空间像装调理论，并根据该理论提供一种参考光栅的调整装置及方法，可以将参考光栅精密地调整在硅片对准系统的空间像焦面位置。同时针对在该硅片对准系统实际工程实践过程中容易受到工艺缺陷限制的特点，提供了克服工艺缺陷限制的技术方案。

图1是本发明所涉及的参考光栅空间像调整装置的光学原理图，图2是参考光栅焦面调整的光学原理图，图3是偏转平板调整光束偏移的光学原理图。以下将详细阐述本发明的光学原理，并请同时参考图1至图3。

如图1中所示，照明光束3经过偏转平板4后，其位置发生改变，照明光束3经过硅片对准系统前组透镜2后，照明光束的位置改变转换为角度改变，然后照射到对准标记1上。这种照明光束相对对准标记的角度改变可以认为是对准标记1相对照明光束的倾斜，经过对准系统后，对准标记1衍射光束干涉成像在参考光栅8面上，照明光束的倾斜会导致对准标记1衍射光束干涉像在Z向发生倾斜。假设照明光束倾斜角度为Rx，则对准标记1衍射光束干涉像沿Z向倾斜角度同样为Rx，此处假设对准系统放大倍率为1。

调整原理根据光学成像系统的离焦倾斜性Δx＝Rx×Δz，其中Δx是像的移动量，Rx为照明光束相对对准标记的倾斜量，Δz为参考光栅离焦量。照明光束倾斜角度与对准系统前组透镜焦距有关，假设对准系统前组透镜焦距为f，则需要偏转平板4实现的光束偏移量为D＝f×Rx。光束偏移量D与偏转平板4偏转角度的关系如图3所示，为：

D = d \times \sin θ \times (1 - \frac{\cos θ}{\sqrt{n^{2} - \sin^{2} θ}})

其中d为偏转平板厚度，n为偏转平板折射率，θ为偏转平板偏转的角度。

对准标记衍射光束干涉像为正玄信号，参考光栅为振幅型光栅，则干涉像经过参考光栅扫描后的信号为：

S = S_{0} \times [1 - \frac{2}{π} \times \sin (\frac{2 πx}{p})

其中S₀为干涉像信号强度，x为参考光栅相对干涉像位置，p为干涉像和参考光栅周期。

参考光栅相对干涉像位置x，如果考虑到照明光束的倾斜角度(由于偏转平板偏转角度随时间改变，所以倾斜角度随时间改变)和参考光栅相对对准系统光轴的倾斜，为：

x＝x₀+R×Δz+Rx×Δz×cos(wt)

其中x₀为参考光栅初始位置，R为参考光栅相对对准标记干涉像的夹角，Δz为参考光栅的离焦量，Rx为照明光束相对对准标记的倾斜量，w为偏转平板的转动频率，t为时间。则干涉像经过参考光栅扫描后的信号强度为：

S (t) = S_{0} \times {1 - \frac{2}{π} \times \sin [\frac{2 \times π < x_{0} + R \times Δz + Rx \times Δz \times \cos (wt) >}{p}]}

考虑到偏转平板在偏转过程中引入的衍射光束光强的变化I_m，则：

S (t) = S_{0} \times {1 - \frac{2}{π} \times \sin [\frac{2 \times π < x_{0} + R \times Δz + Rx \times Δz \times \cos (wt) >}{p}]} \times [1 + I_{m} \times \cos (wt + δ)]

其中δ为偏转平板引入的衍射光束位相变化量。

则在一个扫描周期内的信号强度A为：

A = \frac{w}{π} \times {&Integral;}_{0}^{\frac{2 π}{ω}} S (t) \times \cos (ωt) dt,

进行公式变换后为：

A = - \frac{4}{π} \times S_{0} \times \cos {\frac{2 \times π \times [x_{0} + R \times Δz]}{p}} \times J_{1} (\frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p})

+ I_{m} \times \cos (δ) \times {1 - \frac{2}{π} \times \sin [\frac{2 \times π \times (x_{0} + R \times Δz)}{p}] \times [J_{0} (\frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p})] - J_{2} (\frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p})}

+ I_{m} \times \sin (δ) \times {\frac{2}{π^{2}} \times \cos [\frac{2 \times π \times (x_{0} + R \times Δz)}{p}] \times \frac{\sin (\frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p}) - \frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p} \cos (\frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p})}{{(\frac{2 \times π \times Rx \times Δz}{p})}^{2}}}

参考光栅不同x0位置对应的参考光栅扫描信号如图4所示。从图4中可以看出，参考光栅在Z向(光轴方向)扫描过程中，初始位置不同，得到的扫描信号不同，不同初始位置扫描信号交点即为参考光栅最佳位置，为实现参考光栅精密调整提供了理论依据。

图5是本发明所涉及的参考光栅空间像调整装置的第一实施方式。该参考光栅空间像调整装置由以下几部分组成：用于提供照明光束光源，用于改变照明光束的倾斜角度的偏转平板，含有至少一个对准标记的曝光对象，用于将对准标记的衍射光束干涉成像在参考光栅上，偏转平板控制设备和参考光栅Z向驱动装置。为了计算方便，还可以在本实施例中增加一光电探测和放大单元用来探测光信号并将其转化为电信号。还可以增加一信号处理单元，对电信号进行分析处理和计算，并根据该分析处理计算的结果控制偏转平板控制设备和参考光栅Z向驱动装置。

如图5中所示，本实施例中的光源采用了激光光源117，激光光源117发出的照明光束经过一偏转平板107。该偏转平板107受到偏转平板控制器113的控制，使其左右摆动。后照明光束的出射角度发生偏转。当偏转平板垂直于入射光线时，光束透过偏转平板而不发生偏转。此时偏转平板107处于零位。当偏转平板偏离零位一个角度φ时，照明光束也偏离原来的光路一定距离。因此，随着偏转平板的左右转动，照明光束也会左右摆动。

如图6中所示，图6是本发明的第一种实施方式的详细光路说明图。光束b₁，b₂是透射光束受偏转平板影响偏离原来位置的两束光。由b₁产生的衍射光b_1，+1，b_1，-1(图中未示出)在焦平面109上所成像p₁’与p重合，由b₂产生的衍射光b_2，+1，b_2，-1(图中未示出)在焦平面109上所成像p₂’与p重合。因此，如果参考光栅105置于焦平面109上，则透过参考光栅的光强不会随着偏转平板的左右摆动而发生变化，因而透过的光强信号是一个直流信号。如果参考光栅105不处在焦平面109上，而是偏离焦平面ΔZ一个位置的109’上，则透过参考光栅的光强信号会随着偏转平板的左右摆动而变化，因而存在一个交流信号值。理想情况下，透过参考光栅的光强信号随着参考光栅位置的变化关系如下：

F (t) = - 2 A_{0}^{2} \cos (ωt) \frac{4}{π} \sin [\frac{π}{8} (x_{0} + α_{r} (z - z_{0}))] J_{1} [\frac{π}{8} α_{m} (z - z_{0})]

其中z₀表示焦点位置，z表示参考光栅位置，ω表示偏转平板摆动角频率，ω，x₀，α_r，α_m分别是常数。当参考光栅位于焦点位置时，即z＝z₀时，贝赛儿函数

因此交流信号成分F(t)＝0。而当参考光栅偏离焦点位置一个小量Δz时，F(t)≠0。因此利用这样的原理可以将参考光栅调整到焦点位置处。

利用该变化关系和前文所述的一个扫描周期内的信号强度A的计算公式即可对测量信号进行整理和拟合，并计算出对应得参考光栅Z向位置。

在本实施方式中，采用了偏置平板107来改变照明光束角度，进而改变对准标记101的倾斜量，也可以通过其它方式实现，比如直接旋转对准标记101。本实施方式中，还可以利用偏转平板107进行单个方向的倾斜，也可以在XY轴的45度方向上倾斜，以同时实现照明光束相对对准标记101两个方向的倾斜。

参考光栅Z向驱动装置108用以控制参考光栅105，使参考光栅105沿Z向位移。为了式技术效果最佳，因此参考光栅Z向驱动装置108最好具备微距离步进式位移的功能。在本实施方式中，该参考光栅Z向驱动装置108包括一个位置传感器和一个电机(图中未示出)。位置传感器用于测量参考光栅105的位置。

光电探测及放大处理单元110包括光电探测和前置放大模块、多路开关及锁相放大模块(图中未示出)。

本发明还公开该参考光栅空间像调整装置的装调工作过程。

首先是调整阶段，其目的是为了使各个部件都各就各位。在楔板组安装前，利用显微镜调整参考光栅的XY位置。根据Rz标记，利用显微镜观测摩尔条纹，调整参考光栅Rz；根据清晰度方法，利用显微镜调整参考光栅Z向大概位置(调整到±100um范围内)。

然后，开启偏转平板107和参考光栅的Z向驱动装置108，利用光电探测及放大处理单元110内的锁相放大器测量探测光纤所有通道输出信号强度并将结果反馈到信号处理主控制器115。经信号处理主控制器115计算处理之后根据计算结果按照一定的步长(如步长为1um)改变参考光栅8在X向位置，进行重复测试。信号处理主控制器115对测量信号进行整理和拟合，找出四条曲线交点(所有X通道)，并计算出各自对应的参考光栅Z向位置；利用同样的方法，改变参考光栅8在Y向的位置(步长为1um)，进行重复测试。

获得上述测试结果后，对测量信号进行整理和拟合，找出四条曲线交点(所有Y通道)，并计算出各自对应的参考光栅Z向位置；信号处理主控制器115将所有通道的最佳焦平面取平均值。信号处理主控制器115根据计算结果控制参考光栅的Z向驱动装置108进行操作，将参考光栅105调整到计算得到的最佳焦平面位置并进行固定。

实际中，由于偏转平板107的左右摆动过程中，不同的入射角度反射率不同，另外偏转平板内部不同位置的透光能力不同，及偏转平板内部的结构缺陷等原因，导致偏转平板对于入射光束b的透射率随着摆动角度的变化而变化，因而导致最终透过参考光栅的光强信号与理想情况有一个偏离。实际中透过参考光栅的光强信号随着参考光栅位置的变化关系如下：

F (t) = - 2 A_{0}^{2} \cos (ωt) \frac{4}{π} \sin [\frac{π}{8} (x_{0} + α_{r} (z - z_{0}))] J_{1} [\frac{π}{8} α_{m} (z - z_{0})] +

上述关系式中的第二项即为干扰项。由于该干扰项的存在，实际调焦过程中找到的焦平面位置与实际焦平面位置之间会有一个偏移。

本发明针对实施例一装调过程中出现的干扰项导致影响装调精度提出一种改进形式的装调装置，装调装置结构如图7所示。图7是本发明所涉及的参考光栅空间像调整装置的第二实施方式。

该硅片对准系统的参考光栅与空间像调整装置包含对准标记101，硅片对准系统前组透镜102，偏转平板107，反射棱镜103，硅片对准系统后组透镜104，参考光105，对准标记干涉像109，光电探测及放大处理单元110、参考光栅Z向驱动装置108、电光调制控制器112、偏转平板控制装置113、电光调制装置114、信号处理主控制器115、反射镜116、激光光源117、光电探测及放大滤波单元118组成。

如图7中所示，反射镜116为一个部分反射的反射镜。照射到反射镜上的光束部分经反射后到达光电探测及放大滤波单元118，部分透射后成为照明光束，经过硅片对准系统照射到对准标记101上。光电探测及放大滤波单元118将接收到的光强信号转换为电信号，并传送到信号处理主控制器115。信号处理主控制器115将该电信号进行AD转换，并进行相应的计算，并根据计算结果输出控制信号控制电光调制控制器112调整电光调制装置114的调制深度，输出合适大小的光强。

第二实施方式所公开的硅片对准系统的参考光栅与空间像调整装置的装调工作过程如下：

首先，是调整阶段，其目的是为了使各个部件都各就各位。在楔板组安装前，利用显微镜调整参考光栅的XY位置。根据Rz标记，利用显微镜观测摩尔条纹，调整参考光栅Rz。根据清晰度方法，利用显微镜调整参考光栅Z向大概位置(调整到±100um范围内)；

然后是，光强调校过程：在该阶段通过校准建立电光调制装置114的调制深度与偏转平板偏离零位一定角度φ之间的关系并存储在信号处理主控制器115中。

在光强调校阶段，光强调校装置的具体操作过程如下：

第一步，偏转平板控制装置113控制偏转平板偏离零位一定角度φ₁，同时将该角度值发送给信号处理主控制器115，信号处理主控制器115将该角度值存储在内部存储器中。信号处理主控制器115输出一个光强调制深度控制信号C₁以调整光强调制装置114的调制深度，输出一定光强。从光强调制装置114输出的光束透过偏转平板照射到光电探测及放大滤波单1元18的光强传感器上。

第二步，光电探测及放大滤波单元118的光强传感器将接受到的光强信号转换为电信号，并将该电信号传送给信号处理主控制器115。

第三步，信号处理主控制器115将接受到的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号发送到内部存储器中。

第四步，信号处理主控制器115根据接受到的光强信息输出控制信号控制电光调制控制器112的输出，调整电光调制装置114的调制深度控制信号C₁，从而调整输出光强大小。

第五步，重复执行二～四步，直到信号处理主控制器15接收到的光强信号达到某个预定阈值N₀的某个领域内(N₀+ΔN，N₀-ΔN)。

第六步，信号处理主控制器15将此时的光强调制深度控制信号C₁及此时对应的偏转平板角度φ₁存储到内部存储器中；

第七步，偏转平板控制装置13控制偏转平板分别偏离一定角度φ₂、φ₃、…、φ_n，并分别重复二～六步。角度值φ₁、φ₂、…、φ_n，覆盖了偏转平板振动的一个周期。

完成以上步骤后，光强调校已完成。

接下来是数据获得阶段。开启偏转平板107和参考光栅的Z向驱动装置108，信号处理主控制器115接收由偏转平板控制装置113发送过来偏转平板偏离零位一定角度φ值的大小。根据在前一阶段建立的电光调制装置114的调制深度与偏转平板偏离零位一定角度φ之间的关系从信号处理主控制器115的存储器中选择合适的调制深度值，调整光强调制装置114的调制深度，输出合适大小的光强。同时利用光电探测及放大处理单元110内的锁相放大器测量探测光纤所有通道输出信号强度并将结果反馈到信号处理主控制器115；

然后是信号处理计算。经信号处理主控制器115计算处理之后根据计算结果按照一定的步长(如步长为1um)改变参考光栅105在X向位置，进行重复测试。信号处理主控制器115对测量信号进行整理和拟合，找出四条曲线交点(所有X通道)，并计算出各自对应的参考光栅Z向位置。利用同样的方法，改变参考光栅105在Y向的位置(步长为1um)，进行重复测试.对测量信号进行整理和拟合，找出四条曲线交点(所有Y通道)，并计算出各自对应的参考光栅Z向位置.信号处理主控制器115将所有通道的最佳焦平面取平均值。信号处理主控制器15根据计算结果控制参考光栅的Z向驱动装置108进行操作，将参考光栅105调整到计算得到的最佳焦平面位置并进行固定。

采用了上述的电光调制装置的参考光栅空间像调整装置，由于透过偏转平板的光强信号保持恒定，消除了由于偏转平板偏离带来的干扰项，因而提高了参考光栅空间像的装调精度。

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

1.一种用于对准系统的参考光栅空间像调整装置，包括：

光源，用于提供照明光束；

偏转平板，用于改变照明光束的倾斜角度；

曝光对象，所述曝光对象含有至少一个对准标记；

光学元件单元，用于将所述对准标记的衍射光束干涉成像在参考光栅上；

偏转平板控制设备，用于控制所述偏转平板的角度；

参考光栅Z向驱动装置，用于控制所述参考光栅Z向位移。

2.如权利要求1所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，所述光学元件按光线传播的方向依次包括：第一透镜组、反射棱镜、第二透镜组及光纤，所述参考光栅放置于所述第二透镜组与所述光纤之间。

3.如权利要求1所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，还包括光电探测及放大处理单元及信号处理单元，所述光电探测及放大处理单元用于探测光信号并转化为电信号，所述信号处理单元用于处理所述电信号。

4.如权利要求3所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，还包括一反射镜。

5.如权利要求4所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，还包括光电探测及放大滤波单元。

6.如权利要求5所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，还包括电光调制装置及电光调制控制器，所述电光调制装置用于调节所述照明光束的光强。

7.如权利要求1所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，所述光源是一激光光源。

8.如权利要求1所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，所述参考光栅Z向驱动装置包括位置传感器和电机。

9.如权利要求1所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，所述偏转平板控制设备是一电机。

10.如权利要求3所述的参考光栅空间像调整装置，其特征在于，所述光电探测及放大处理单元包括光电探测和前置放大模块、多路开关及锁相放大模块。

11.一种使用权利要求1至10任一项装置调整参考光栅空间像的方法，其特征在于，利用所述偏转平板控制设备至少一次改变照明光束以获得倾斜量，利用所述参考光栅Z向驱动装置至少一次改变所述参考光栅的Z向位移以获得离焦量，测量至少四条通过参考光栅扫描后的光强曲线，根据所述光强曲线计算所述参考光栅的最佳焦平面。