CN102890422B - 用于掩模对准的探测器系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于掩模对准的探测器系统，包括：透射光栅及探测器单元，掩模对准标记的光学成像经过该透射光栅后由该探测器单元接收，该探测器单元包括至少两个探测器，该探测器在垂直方向上呈递增或递减位置分步，在水平方向上呈直线分布。以及提出一种用于掩模对准的探测方法。本发明的用于掩模对准的探测器系统及方法简化了对准扫描方式，提高对准效率并进一步提高设备产率。

Description

用于掩模对准的探测器系统及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路制造装备技术领域，尤其涉及一种用于掩模对准的探测器系统及探测方法。

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。

专利CN200510112114.6公开了一种同轴对准信号采集及处理控制方法及关键子系统，文中提到对准扫描所采用的工件台运动轨迹，为多个不同水平面运动构成二维运动轨迹。CN200910045415.X、CN200810036910.X、CN200810036911.4等公开了用于实现第一物件(位于掩模或掩模基准版上的透射式标记)相对于第二物件(位于工件台基准板上的参考标记)的位置关系的对准系统或对准标记。文中所提到的对准系统为获取垂向对准位置，必须采取包括个多个不同水平面运动构成二维运动轨迹。该扫描方式下，工件台在每个水平向的扫描涉及到工件台的加速、匀速、减速过程，不同的水平面之间通过工件台在垂向进行步进控制来实现，而工件台由一个水平面步进到另一个水平面，又会涉及到工件台的重新调平调焦，以进行下一次的水平向的扫描。该多个不同水平面的二维扫描运动，消耗设备时间较长，在一定程度上降低了设备产率。

现有技术中急需要一种新的掩模对准装置或掩模对准方法，以简化对准扫描方式，提高对准效率并进一步提高设备产率。

发明内容

为克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供一种用于掩模对准的探测器系统及探测方法。

为了实现上述发明目的，本发明一种用于掩模对准的探测器系统，包括：透射光栅及探测器单元，掩模对准标记的光学成像经过该透射光栅后由该探测器单元接收，其特征在于，该探测器单元包括至少两个探测器，该探测器在垂直方向上呈递增或递减位置分步，在水平方向上呈直线分布。

更进一步地，该探测器系统还包括一光学组件，该掩模对准标记的光学成像经该透射光栅后经该光学组件后透过。该探测器系统还包括一信号放大单元，该信号放大单元用于将该探测器接收的信号放大。该探测器探测表面之间的垂向距离为Δz，其中Δz的取值范围为1um～10mm。

本发明同时公开一种光刻设备，包括：掩模台、投影物镜、工件台，其特征在于，该光刻设备还包括上文所述的用于掩模对准的探测器系统。

本发明同时公开一种用于掩模对准的探测方法，包括：将掩模对准标记的光学成像经过透射光栅后由探测器单元接收，其特征在于，该探测器单元包括至少两个探测器，该探测器在垂直方向上呈递增或递减位置分步，在水平方向上呈直线分布。

更进一步地，该探测器系统还包括一光学组件，该掩模对准标记的光学成像该透射光栅后经该光学组件后透过。该探测器系统还包括一信号放大单元，该信号放大单元用于将该探测器接收的信号放大。该探测器探测表面之间的垂向距离为Δz，其中Δz的取值范围为1um～10mm。该掩模对准标记数量大于或等于一。

本发明同时公开一种用于掩模对准方法，包括：

步骤一、对各探测器进行校准以确定各探测器的校准系数；

步骤二、水平向扫描光栅以获取初始光强数据及初始位置数据；

步骤三、利用该校准系数对该初始光强数据进行校准以获得校准后光强数据；

步骤四、根据各探测器的相对位置和坐标系方向对位置数据进行变换以或得变换后位置数据；

步骤五、对该校准后光强数据和变换后位置数据进行拟合处理以获得数学模型；

步骤六、根据该数学模型计算光强极值，该光强极值对应的位置数据即为对准位置。

更进一步地，该步骤一中的对各探测器进行校准采用归一化校准。该归一化校准具体包括：各探测器探测的最大光强值为：Im1，Im2，……，ImN，加入校准参数C1，C2，……，CN，根据Im1*C1＝Im2*C2＝……＝ImN*CN计算校准参数C1，C2，……，CN，其中N≥3。

该步骤四包括：以第i个子探测器探测到的对准位置为整个系统的对准位置，则第j组垂向位置向第i组垂向位置变换关系为z±Δzij，定义Δzij为第i子探测器表面与第j子探测器表面的垂向位置差值，即zi-zj，符号的正负由子探测器相对位置和Z坐标系的方向确定；第j组水平向位置向第i组水平向位置变换关系为x±Δxij，Δxij为第i子探测器中心与第j子探测器中心的水平向位置差值，即xi-xj，符号的正负由子探测器相对位置和X坐标系的方向确定；其中Δz为各探测器探测表面之间垂向距离，Δx为各探测器中心距离。

与现有技术相比较，本发明提供一种用于掩模对准的探测器系统及探测方法。该探测器包括多个结构相似的子探测器，多个子探测器在空间上阶梯分布，子探测器的探测表面在垂直方向上位置不同，但位置确定，该组子探测器沿同一水平方向分布。由于各子探测器在加工制造过程由于器件差异，会产生探测同一光强，探测的光强数据不一的现象，采用通过探测光强最大值，加入校准参数的校准方法，使得各子探测器采集数据经过校准后的数据具有同一衡量标准尺度。基于该掩模对准阶梯空间探测器的探测装置，提出了一种垂向对准的扫描方式，即只通过水平向的扫描，就可以同时获取水平向和垂向对准位置。采用该扫描运动方式，简化原有垂向对准扫描方式，由于只涉及到一次水平向对准扫描，并且一次对准扫描只涉及到一次加速和减速运动，可以在一定程度上提高工件台扫描速度，在一定程度上提高设备产率。

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是本发明所涉及的用于掩模对准的探测器系统的结构示意图；

图2是采用该探测器系统的光刻装置的结构示意图；

图3是光栅标记的结构示意图；

图4是光栅标记通过投影物镜的光学成像的结构示意图；

图5是采用该探测器系统的垂向位置扫描方式之一；

图6是采用该探测器系统的垂向位置扫描方式之二；

图7是采用图6所示的垂向位置扫描方式时，探测器所探测信号的示意图；

图8是采用该探测器系统的数据处理示意图；

图9是采用多组光栅标记的结构示意图；

图10是对图9所示的多组光栅标记垂向位置扫描方式时，探测器所探测信号的示意图；

图11是针对第一组目标标记的数据处理示意图；

图12是针对第二组目标标记的数据处理示意图。

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。

本发明提出的掩模对准阶梯空间探测器，其内部结构如图1所示，主要包括透射光栅1、光学组件2、光电传感器3、放大板4、线缆5、信号接口板6。其主要功能为接收光刻设备掩模对准标记经过投影物镜的投影光学成像。掩模对准标记如图3中所示，投影光学成像如图4中所示。

光学成像透过透射光栅1，通过光学组件2，到达光电传感器3表面，由光电传感器3接收，并转换为电信号，该电信号比较微弱，由放大板4将信号放大，该信号通过线缆5传送到信号接口板6统一输出，由信号接口板6输出信号可由采集环节进行数据采集。该探测器包含多个(大于等于2)子探测器，图1中选用5个子探测器，后面光刻装置具体实施中也采用具有5个子探测器的阶梯空间探测器，各子探测器内部具有相同的结构，并且子传感器为空间立体分布，其空间立体分布为各子探测器垂向安装位置不同，即各子探测器探测表面之间垂向距离为Δz(Δz1，Δz2，Δz3，Δz4)，Δz之间可以相同，也可以根据实际设备需要配置为不同，Δz数量级为1um～10mm，各子探测器水平方向上具有一定距离，即各子探测器中心距离为Δx(Δx1，Δx2，Δx3，Δx4)，Δx之间可以相同，也可以根据实际设备需要配置为不同。当掩模对准标记成像中心点与带有透射光栅的子探测器的探测表面完全重合时，该子探测器输出的信号为最大点。探测器的输出信号大小，反映了掩模对准标记成像与子探测器的重合程度，即对准关系，通过对数据计算处理，可以确定这种对准关系。

配置有阶梯空间探测器的光刻装置如图2所示，该光刻装置有光刻设备光源，掩模台、掩模对准标记，掩模台位置测量装置、投影镜头、工件台、工件台位置测量装置、掩模对准阶梯空间探测器，光电信号采集环节，对准信号处理器、上位机组成。各部分主要功能可参考图2说明。配置有阶梯空间探测器的光刻装置，由于该阶梯空间探测器有多个子探测器，所以每个子探测器都具有各自对准位置，而整个阶梯空间探测器的对准位置可以定义为任意子探测器的对准位置，也可以从各子探测器的对准位置进行转换。图2为采用掩模对准阶梯空间探测器的光刻装置，8光刻设备光源，为曝光提供光源，同时也为掩模对准光源，该光源可以为DUV或UV光源，9为掩模台，用于支撑掩模，10为掩模对准标记，可以制作在掩模台上，也可以制作在掩模板上，其可以为一组目标标记，也可以在扫描方向上布置多组目标标记，11为掩模台位置测量装置，获取位置数据，12为投影镜头，用于曝光成像，也用于掩模台对准标记成像，13为工件台，用于支撑硅片，14为工件台位置测量装置，获取位置数据，15为掩模对准阶梯空间探测器，其光栅线条尺寸与掩模板上和掩模台的掩模对准标记光栅线条尺寸关系与投影镜头倍率一致，掩模对准阶梯空间探测器用于探测掩模对准标记或掩模台对准标记成像，获取光电探测信号，16为光电信号采集环节，获取光电采集数据，17为对准信号处理器，接收掩模台位置数据，接收工件台位置数据，接收阶梯空间探测器光电探测转换数据，并计算对准位置，将对准位置返回给上位机，18为上位机，可控制光源、工件台、掩模台的运动，获取对准位置。

图3为掩模对准标记，其在掩模台或掩模板上，为通用的光栅线条形式，实际使用的掩模对准标记，可以为基本光栅线条的组合，图中定义为一组目标标记3个光栅线条。

图4为图3形式的掩模对准标记成像，其掩模对准标记的3个光栅线条，被光源照射后，经过投影物镜投影后，产生3个空间像，每个空间像的中心就是光能量最大点。采用光电探测器有效探测光敏平面与3个空间像的中心重合时，即可获取光能量最大值对应的光电信号，此时工件台的位置即为与该探测传感器对应的对准位置，采用图1的阶梯空间探测器，由于其有多个子探测器，每个探测器都会有自己的相对对准位置，但相对对准位置之间是固定数值，所以，可取其中之一作为整个装置的掩模对准位置。

图5为采用非阶梯掩模对准探测器获取垂向对准位置所采用的垂向扫描方式。从轨迹上看，其分解为多个子轨迹，由多个水平向扫描，再加上多个垂向位置步进组成，而每个水平向的扫描又包括加速、匀速、减速三个运动过程，而垂向位置步进又是耗时较长的一个运动环节，当涉及多个垂向位置步进运动，耗时较长，影响设备产率。

图6为采用阶梯掩模对准探测器获取垂向对准位置所采用的扫描方式，从轨迹上看，其只用一次水平向扫描，就可以根据多个子探测器探测的光强及掩模台、工件台位置确定垂向对准位置，并且扫描速度可以进行调整，以解决扫描长度变大的问题。

图7为采用阶梯掩模对准探测器，按着图6的扫描方式扫描，对应的工件台位置与各子传感器探测的光电信号强度关系曲线。A1，A2，A3，A4，A5为相应的子探测器水平方向的对准位置。

图8为采用阶梯掩模对准探测器，获取的光强数据及位置数据变化处理方法，采用处理变化后的数据，即可计算出水平向和垂向对准位置。

由于各子探测器在加工制造过程由于器件差异，会产生探测同一光强，探测的光强数据不一的现象，即衡量光强的标准尺度不统一，需要对光强数据进行校准。其方法为，采用阶梯空间探测器，用各子探测器探测同一最大值，如果各子探测器(假设5个子探测器)探测到的最大值为Im1，Im2，Im3，Im4，Im5。加入校准参数c1，c2，c3，c4，c5，使得

Im1*c1＝Im2*c2＝Im3*c3＝Im4*c4＝Im5*c5

根据上述关系确定c1，c2，c3，c4，c5具体数值，在实际使用中，各子探测器直接采集的光强数据乘相对应的校准参数。即可实现各子探测器校准后的数据具有同一衡量标准尺度。

为提高设备效率，改变图5所描述的垂向位置对准扫描方式，通过采用这种阶梯空间探测器的光刻装置，可采用图6的垂向位置对准水平向扫描方式。

图7为采用阶梯掩模对准探测器光刻装置，按着图6的扫描方式扫描，得到对应的工件台x向位置与各子传感器探测的光强关系曲线，此处光强为已经校准后的光强数据。A1，A2，A3，A4，A5为相应的子探测器水平方向的对准位置。各子探测器在该扫描过程中对应的最大光强为I1，I2，I3，I4，I5。

为计算垂向对准位置，对数据变换处理方法如下：

(1)首先获取水平向扫描的工件台垂向位置数据、水平向位置数据、各子探测器采集数据校准后的光强数据。由于只在同一水平面扫描，在一次扫描过程中垂向位置数据为一常数。如果设备配置的传感器为x向传感器，即扫描方向与x向相同，则只记录x向位置数据，如果设备配置的传感器为y向传感器，即扫描方向与y向相同，则只记录y向位置数据。

(2)定义对准位置与子传感器对准位置对应关系，假设将第i组子传感器的对准位置定义为整个阶梯空间探测器对准位置，即光刻设备的对准位置。

(3)根据阶梯传感器各子传感器的位置关系，对垂向位置和水平向位置进行变换。

建立xzI坐标系，z为垂向位置，x为水平向位置，I为光强数据。定义Δzij为第i子探测器表面与第j子探测器表面的垂向位置差值，即zi-zj。Δxij为第i子探测器中心与第j子探测器中心的水平向位置差值，即xi-xj。

第j组垂向位置向第i组垂向位置变换关系为z±Δzij，符号的正负由子探测器相对位置和Z坐标系的方向确定；

第j组水平向位置向第i组水平向位置变换关系为x±Δxij，符号的正负由子探测器相对位置和X坐标系的方向确定；

如图1采取5个子探测器，以第1子探测器探测的对准位置作为系统对准位置，各位置数据变换如下：

由于采用第1子探测器探测到的对准位置为阶梯探测器探测的对准位置，所以第1子探测器探测光强及对应X、Z数据直接移入到XZI坐标系中；

由于采用第2子探测器与第1子探测器水平向相差ΔX，垂向相差为ΔZ，所以对第2子探测器探测光强对应X进行X+ΔX1，对应得Z1进行Z-ΔZ1，其中正负号由子探测器相对位置和坐标系方向定义确定；

同理，第3子探测器位置变换为X+ΔX1+ΔX2，Z-ΔZ1-ΔZ2；

第4子探测器位置变换为X+ΔX1+ΔX2+ΔX3，Z-ΔZ1-ΔZ2-ΔZ3；

第5子探测器位置变换为X+ΔX1+ΔX2+ΔX3+ΔX4，Z-ΔZ1-ΔZ2-ΔZ3-ΔZ4。

各光强数据与原位置数据关系重新对应，对应到变换后的数据。

根据光强数据与位置数据计算光强最大值，光强最大值对应的水平向位置数据和垂向位置数据即为对准位置。

即采用阶梯空间探测器，仅通过简化的水平方向扫描，就可以计算出垂向对准位置，简化了工件台的运动轨迹，在一定程度上，降低工件台运动调整时间，提高设备效率。

以上即为本发明的第一种实施方式。

采用阶梯空间探测器的光刻设备，其掩模基准板或掩模板上目标标记在扫描方向上可以不局限于1组目标标记，在扫描方向上可以为2组目标标记、3组目标标记或更多组目标标记。

图9为光刻设备上可配备多组目标标记，即目标标记可以为2组，3组或更多组目标标记；

图10针对图9中的多组目标标记，如采用两组目标标记，光刻设备上，使用阶梯空间探测器进行水平向扫描，各探测器探测信号，针对每组目标标记，可计算出2组相应的对准位置；

图11为针对两组目标中第一组目标标记m1，对准数据变换处理，根据变化处理后的数据，可计算出m1目标标记的对准位置；

图12为针对两组目标中第二组目标标记m2，对准数据变换处理，根据变化处理后的数据，可计算出m2目标标记的对准位置。

设备在工作过程中，仅通过进行水平方向的扫描，扫描长度要使得探测器的探测范围覆盖目标标记的成像长度范围，即可获取探测器探测多组目标标记的光强值。

在此仅以2组目标标记为例对其应用进行说明，对于多组目标标记应用与此类似。

光刻设备采用2组目标标记，目标标记通过投影镜头会形成2组空间像，使用阶梯空间探测器进行对准扫描探测，要求扫描长度要使得探测器的探测范围覆盖目标标记的成像长度范围，通过执行水平方向扫描，各探测器探测的光强如图10所示，子探测器1会依次探测到2组目标标记空间像的强度，子探测器2、3、4、5同样依次探测到2组目标标记空间像的强度。

针对2组目标标记的第一组目标标记，从图10中提取与第一组目标标记对应的主要光强数据，去除旁瓣数据，设定第1子探测器探测到的位置为阶梯探测器探测的对准位置，并根据阶梯探测器各子探测器的位置关系，对相应的位置数据进行变化。具体步骤如下：

建立XZI坐标系，将各子探测器探测的主要光强数据直接加入到XZI坐标系，光强对应的位置采用下面的方法进行变换；

由于采用第1子探测器探测到的对准位置为阶梯探测器探测的对准位置，所以第1子探测器探测光强及对应X1、Z1数据直接移入到XZI坐标系中；

由于采用第2子探测器与第1子探测器水平向相差ΔX1，垂向相差为ΔZ1，所以对第2子探测器探测光强对应X1进行X1+ΔX1，对应得Z1进行Z1-ΔZ1，其中正负号由子探测器相对位置和坐标系方向定义确定；

同理，第3子探测器位置变换为X1+ΔX1+ΔX2，Z1-ΔZ1-ΔZ2；

第4子探测器位置变换为X1+ΔX1+ΔX2+ΔX3，Z1-ΔZ1-ΔZ2-ΔZ3；

第5子探测器位置变换为X1+ΔX1+ΔX2+ΔX3+ΔX4，Z1-ΔZ1-ΔZ2-ΔZ3-ΔZ4；

通过位置变换后，得到XZI坐标系下的位置光强数据，根据光强位置数据可拟合成曲面数学模型，根据曲面数学模型求取极值，极值对应的位置数据即为目标标记m1对应的对准位置数据。

针对2组目标标记的第二组目标标记，采取上述同样的方法，可计算目标标记m2对应的对准位置数据。

针对多组目标标记的应用，方法相同。

此实施例的优点是，通过一次水平向扫描，可同时获取多组目标标记的对准位置。该扫描方式特点是只涉及到一次运动台的加速运动和一次运动台的减速运动。而采用非阶梯传感器的其它传感器，对准1组目标标记，为实现同样效果，运动台需要进行5次水平向加速运动和5次水平向减速运动，如果对准2组目标标记，为实现同样效果，运动台需要进行10水平向加速运动和10次水平向减速运动。即简化了对准扫描方式，简化运动台对准扫描运动。

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)

1.一种光刻设备，包括：掩模台、投影物镜、工件台，其特征在于，还包括一种用于掩模对准的探测器系统；所述用于掩模对准的探测器系统包括：透射光栅及探测器单元，掩模对准标记的光学成像经过所述透射光栅后由所述探测器单元接收，其特征在于，所述探测器单元包括至少两个探测器，所述探测器在垂直方向上呈递增或递减位置分布，在水平方向上呈直线分布；所述探测器探测表面之间的垂向距离为Δz。

2.根据权利要求1所述的光刻设备，其特征在于，所述探测器系统还包括一光学组件，所述掩模对准标记的光学成像经所述透射光栅并经所述光学组件后透过。

3.根据权利要求1所述的光刻设备，其特征在于，所述探测器系统还包括一信号放大单元，所述信号放大单元用于将所述探测器接收的信号放大。

4.根据权利要求1所述的光刻设备，其特征在于，所述Δz的取值范围为1um~10mm。

5.一种用于掩模对准的探测方法，包括：将掩模对准标记的光学成像经过透射光栅后由探测器单元接收，其特征在于，所述探测器单元包括至少两个探测器，所述探测器在垂直方向上呈递增或递减位置分布，在水平方向上呈直线分布，所述探测器探测表面之间的垂向距离为Δz。

6.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，所述探测器系统还包括一光学组件，所述掩模对准标记的光学成像经所述透射光栅并经所述光学组件后透过。

7.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，所述探测器系统还包括一信号放大单元，所述信号放大单元用于将所述探测器接收的信号放大。

8.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，所述Δz的取值范围为1um~10mm。

9.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，所述掩模对准标记数量大于或等于一组。

10.一种用于掩模对准方法，包括：

步骤一、对各探测器进行校准以确定各探测器的校准系数；

步骤二、水平向扫描光栅以获取初始光强数据及初始位置数据；

步骤三、利用所述校准系数对所述初始光强数据进行校准以获得校准后光强数据；

步骤四、根据各探测器的相对位置和坐标系方向对位置数据进行变换以获得变换后位置数据；

步骤五、对所述校准后光强数据和变换后位置数据进行拟合处理以获得数学模型；

步骤六、根据所述数学模型计算光强极值，所述光强极值对应的位置数据即为对准位置；

所述步骤四包括：以第i个子探测器探测到的对准位置为整个系统的对准位置，则第j组垂向位置向第i组垂向位置变换关系为z±Δzij，定义Δzij为第i子探测器表面与第j子探测器表面的垂向位置差值，即zi-zj，符号的正负由子探测器相对位置和Z坐标系的方向确定；第j组水平向位置向第i组水平向位置变换关系为x±Δxij，Δxij为第i子探测器中心与第j子探测器中心的水平向位置差值，即xi-xj，符号的正负由子探测器相对位置和X坐标系的方向确定；其中Δz为各探测器探测表面之间垂向距离，Δx为各探测器中心距离。

11.根据权利要求10所述的掩模对准方法，其特征在于，所述步骤一中的对各探测器进行校准采用归一化校准。

12.根据权利要求11所述的掩模对准方法，其特征在于，所述归一化校准具体包括：各探测器探测的最大光强值为：Im1，Im2,……，ImN，加入校准参数C1，C2，……，CN，根据Im1*C1=Im2*C2=……=ImN*CN计算校准参数C1，C2，……，CN，其中N≧3。