CN102981380A - 用于光刻设备的预对准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的预对准装置，包括：照明光源，用于提供一准直光束；分光光学单元，用于将该光束形成两束准直光；光栅单元，该光栅单元经该两束准直光照射后形成两组莫尔条纹；光学探测矩阵，用于探测该莫尔条纹；该光栅单元包括两组圆形光栅，每组圆形光栅均包括第一圆形光栅及第二圆形光栅。本发明同时公开一种用于光刻设备的预对准方法。

Description

用于光刻设备的预对准装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路装置制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的预对准装置及方法。

背景技术

光刻机是一种应用于集成电路制造的装备，该装备的用途包括但不限于：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。

光刻机的掩模预对准是将掩模在一定对准精度范围内与光刻物镜光轴进行预对准，包括水平位移方向和水平旋转方向的对准，以使掩模的精对准标记位于精对准系统的捕获范围内。掩模预对准的精度影响精对准的效率，而掩模预对准的效率影响着掩模的上片速度，所以，掩模预对准影响着光刻机的曝光生产效率，提高预对准的效率和精度是提高光刻机生产效率的重要一环。

如图1所示，专利CN101403865提供了一种掩模预对准装置，该装置的技术特点是具有左右对称的两路对准光路，使用两个四象限探测器101分别采集掩模上的两个预对准标记，利用每个象限之间能量差值关系表征掩模的位置信息。这种装置是光刻机系统中常用的预对准方法，无论是用于掩模预对准还是硅片预对准。但是这种预对准装置的对准精度受限于照明的能量均匀性和稳定性的精度等因素。

有鉴于此，现有技术中亟需要一种新的预对准装置，该对准装置不因照明光束的能量均匀性而受限，且同时能达到稳定的预对准精度。

发明内容

为了克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供一种用于光刻设备的预对准装置及方法，能克服因照明光束的能量均匀性所导致的预对准精度下降，且所获得的预对准精度能保持稳定状态。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻设备的预对准装置，包括：照明光源，用于提供一准直光束；分光光学单元，用于将该光束形成两束准直光；光栅单元，该光栅单元经该两束准直光照射后形成两组莫尔条纹；光学探测矩阵，用于探测该莫尔条纹；该光栅单元包括两组圆形光栅，每组圆形光栅均包括第一圆形光栅及第二圆形光栅。

更进一步地，该照明光源是激光光源或白光。该照明光源的光斑大于该圆形光栅的最大直径。该分光光学单元包括一分光元件及一反射元件。该每组圆形光栅的第一第二圆形光栅的占空比相等，其占空比取值范围为0.4～0.7。该每组圆形光栅的第一圆形光栅位于一分化板上，该每组圆形光栅的第二圆形光栅位于掩模板上。该每组圆形光栅的第一圆形光栅位于一掩模板上，该每组圆形光栅的第二圆形光栅位于分化板上。该分化板与该掩模板之间的距离t满足公式：

其中P为光栅周期，i＝1，2，3，4……为费涅尔焦面序数；λ为准直光波长。该掩模板与分化板之间还包括一成像系统。该成像系统满足放大倍率β＝P2/P1，其中P1是该组每组圆形光栅的第一圆形光栅的周期，P2是该组每组圆形光栅的第二圆形光栅的周期。该光学探测矩阵是CCD探测器。

本发明同时公开一种用于光刻设备的预对准方法，包括：将来自同一照明光源的两束准直光照射每组圆形光栅的第一圆形光栅。该每组圆形光栅的第一圆形光栅所成的像分别与每组圆形光栅的第二圆形光栅叠加以形成两组莫尔条纹。接收该两组莫尔条纹，根据该莫尔条纹的斜率以获得该圆形光栅的圆心坐标；根据该圆心坐标调整掩模板。

更进一步地，该每组圆形光栅的第一第二圆形光栅的周期相等。该斜率的计算公式为：

其中p每组圆形光栅的第一圆形光栅和第二圆形光栅的周期，k是该莫尔条纹的亮条纹，s是每组圆形光栅的第二圆形光栅的圆心距离。该斜率的计算公式进一步变换为：其中s²＝a²+b²，(a，b)是每组圆形光栅的第二圆形光栅的圆心坐标。该根据该圆心坐标调整掩模板具体包括：步骤a.将该圆心坐标转换为机器坐标系goe；步骤b.在该机器坐标系goe下，调整掩模板。该步骤b进一步包括：步骤b1：以该圆形光栅为中心旋转掩模板，旋转角度θ为：

其中，θ＜0时逆时针旋转，θ＞0时顺时针旋转；步骤b2：e轴方向移动量t_e为：t_e＝a₁-a₃，其中t_e＞0时沿e轴正向移动，t_e＜0时沿e轴负向移动；步骤b3：g轴方向移动量t_g为：t_g＝b₁-b₃，其中t_g＞0时沿g轴负向移动，t_g＜0时沿g轴正向移动。

与现有技术相比较，本发明所公开的用于光刻设备的预对准装置及方法，利用圆形光栅产生莫尔条纹，利用拟合方法利用莫尔条纹的斜率信息获得圆形标记中心坐标位置。该装置及方法能克服因照明光束的能量均匀性所导致的预对准精度下降，且所获得的预对准精度能保持稳定状态。

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是现有技术中的掩模预对准装置的结构示意图；

图2是本发明所示出的掩模预对准装置的第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明所示出的圆形光栅莫尔条纹的结构示意图；

图4是本发明所示出的圆形光栅的交点轨迹图；

图5是对准精度与条纹斜率的关系图；

图6是将圆形光栅的圆心坐标变换为机器坐标的坐标变换图；

图7是掩模预对准装置的掩模预对准调整原理图；

图8是本发明所示出的掩模预对准装置的第二实施方式的结构示意图；

图9是第二实施方式中圆形光栅成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的用于光刻设备的预对准装置及方法。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X轴或X向”一词主要指于水平向平行的坐标轴或方向；“Y轴或Y向”一词主要指与水平向平行同时与X轴垂直的坐标轴或方向。

图2是本发明所示出的掩模预对准装置的第一实施方式的结构示意图。该装置至少包括一照明光源，用于提供一准直光束；分光光学单元，用于将所述光束形成两束准直光；光栅单元，所述光栅单元经所述两束准直光照射后形成两组莫尔条纹；探测单元，用于探测所述莫尔条纹；该光栅单元包括两组圆形光栅图形，每组圆形光栅图形均包括第一圆形光栅图形及第二圆形光栅图形。

如图2中所示，照明光源1辐射出的准直光经分光元件2形成两束准直光，其中一束直接投射到圆形光栅5上，另外一束光经过反射元件3后准直投射到圆形光栅6上。该照明光源可以是单色激光和白光。照明光源的光斑需大于圆形光栅最外端圆直径。准直光照射两个光栅后，在光栅后面的费涅尔焦面处将会重现光栅图形，在此焦面处放置掩模板7，重现的光栅图形与掩模板7上的圆形光栅8和圆形光栅9将形成两组莫尔条纹。两组莫尔条纹分别被CCD10和11接收，送入信号处理系统，根据信号处理结果调整掩模板7的e、g及Φ方向。其中，在此处我们将e方向定于为与水平向平行的方向，将g方向定义为与水平向平行且与e方向垂直的方向，Φ方向为两个圆心连线与e方向的夹角。其中，两个圆心连线指圆形光栅5圆心与圆形光栅8圆心的连线。

在该预对准装置中，圆形光栅5和圆形光栅8的光栅周期和占空比必需相等，其占空比为0.4～0.7之间的任意值。圆形光栅6和圆形光栅9的光栅周期和占空比必需相等，其占空比为0.4～0.7之间的任意值。圆形光栅5可位于分化板4上，其费尼尔焦面像与掩模板上的圆形光栅8重叠形成莫尔条纹，其中费涅尔焦面取大空间费涅尔焦面(i≥1)。

在光刻设备中，掩模版的上片下片多采用机械手操作。因此为了便于机械手操作，分化板4和掩模板间的距离应使用大空间费涅尔公式，空间距离t为：

$t=i\frac{P^2}{\mathrm{\λ}}$

P为光栅周期，i＝1，2，3，4……为费涅尔焦面序数；λ为准直光波长。

在费涅尔焦面处，圆形光栅5焦面像和圆形光栅8形成的莫尔条纹如图3所示。图3是本发明所示出的圆形光栅莫尔条纹的结构示意图。本发明中所使用的圆形光栅结构均类似，因此此处以其中任何一组莫尔条纹为例，并以圆形光栅焦点像的圆心建立局部坐标系xoy，并使此坐标系的圆心在掩模预对准机器坐标系eog的o点。在不改变莫尔条纹物理现象的情况下，假定两圆簇中心只在x方向上有偏离。并且由于圆光栅具有中心对称的特性，为便于描述将截取圆的上半部分进行分析，如图4所示。

图4是本发明所示出的圆形光栅的交点轨迹图。在坐标系xoy平面内，给圆形光栅焦面像的圆光栅进行编号，按由内及外的顺序为M＝1、2、3……。给圆形光栅8进行编号，同样按由内及外的顺序为N＝1、2、3……。则在图4中，k0所描述的点(M，N)为(2，2)、(3、3)、(4，4)、(5，5)……；可知k0是由一系列k＝M-N＝0所组成的点的集合，而由于这些点相交使得其周围透光面积最大而形成条纹的亮带。k1所描述的点为(2，3)(3，4)(4，5)(5，6)……；同理可得k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8是由一系列k＝M-N＝-1、-2、-3、-4、1、2、3、4所组成的点的集合；推而广之，可以判定任何一个交点总有一个k值与之对应，而所有这些k值相等的点的集合将形成条纹的亮带。

假定圆形光栅焦面像和圆形光栅8光栅周期相等且为P，圆心距离为S；从而圆形光栅焦面像的圆簇方程可表示为：

x₁ ²+y₁ ²＝(1+M)²P²；y＞0

圆形光栅8的圆簇可表示为：

(x₂-s)²+y₂ ²＝(1+N)²P²；y＞0

上面两式中要使得两个圆簇有交点，必须使得x₁＝x₂＝x、y₁＝y₂＝y。令k＝M-N，重组得：

${(x-s)}^2+y^2=x^2+y^2+P^2{k}^2-2\mathrm{Pk}\sqrt{x^2+y^2}$

令t＝(pk)²，经简化得：

${\mathrm{ty}}^2=(s^2-4){(x-\frac{s}{2})}^2+\frac{t^2-t{s}^2}{4}$

当t＝0时，即k＝0，M＝N＝1、2、3……，由上式知x＝s/2，代入圆形光栅焦面像的圆簇方程式可得：

$y=\sqrt{{(1+M)}^2{P}^2-s^2/4};$ M≥s/2P-1

由此可知k＝0时的亮条纹是由x＝s/2和上式表示。

当t≠0时：

$y^2=\frac{s^2-4}{p^2{k}^2}{(x-\frac{s}{2})}^2+\frac{{p^{2}k}^2-s^2}{4}$

由P、s为常数，k＝0、±1、±2…，从上式可以得到：条纹为在k取不同值下的直线簇。该直线簇关于x轴对称，此对称轴经过圆心。该直线簇关于x＝s/2对称，当且仅当s＝0时，此对称轴经过圆心。

该直线簇的斜率为： ${\mathrm{\δ}}_n=\±\frac{\sqrt{s^2-4}}{\mathrm{Pk}}.$

该直线簇的反向延长线在直线x＝s/2上的截距为： ${\mathrm{\μ}}_n=\±\frac{\sqrt{P^2{k}^2-s^2}}{2}.$

同时，由于x＝s/2为k＝0时的亮条纹，所以直线簇在x＝s/2上不可有交点，则：

P²k²-s²＜0

上式导出|k |＜s/p，可见当s增加一个周期，在y＞0范围内，k增加两条，在整个圆簇区域内k增加4条。

由直线簇的斜率公式得到圆心距与斜率的关系为：

$s=\sqrt{P^2{k}^2{{\mathrm{\δ}}_n}^2+4};$

则对准精度与条纹斜率之间的关系为：

$\mathrm{\Δs}=\frac{{\mathrm{\δ}}_n}{\sqrt{P^2{k}^2{{\mathrm{\δ}}_n}^2+4}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_n.$

以P＝6um，s＝4P为例，对准精度与条纹斜率之间的关系图如图5所示。图5中斜率偏移值是为理论坐标值与实际探测值之间的差值，与探测器接收光信号时拟和出的光强曲线有关，从图中可以看出正负k值得到对准精度的偏移值大小相等方向相反，在实际处理中可以采取迭代拟和的方式步步逼近真实值，从而减小误差。

掩模预对准时，当圆形光栅8圆心坐标c8(a，b)未位于机器坐标系goe的坐标轴上，如图6所示。此时需要对上述公式进行坐标旋转，旋转关系为：

$\left(\begin{array}{c}g\\ e\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right),\mathrm{\φ}=\arctan \frac{b}{a}$

又有s²＝a²+b²；则在机器坐标系goe中，直线簇的斜率表达式为：

$g_n=\frac{\mathrm{Pka}\±b\sqrt{(a^2+b^2)-4}}{-\mathrm{Pkb}\±a\sqrt{(a^2+b^2)-4}}e$

式中分子分母中±为同时取+(直线簇中关于对称轴x＝s/2对称，远离圆形光栅焦点像一侧的直线簇)和同时取-(反之)。对称轴x＝s/2在机器坐标系goe中的直线表达式为：

$g=-\cot \left(\frac{b}{a}\right)(e-\frac{a}{2})+\frac{b}{2}$

上面两式中P已知，k＝0、±1、±2…。根据不同直线簇斜率可捏合出圆形光栅8圆心坐标c8在机器坐标系goe中a，b的精确位置。

在掩模预对准过程中。圆心距s(s²＝a²+b²)每减少一个周期，整个局部坐标系区域内亮条纹直线簇将减少4条，并且始终都有一条亮条纹，当且仅当a＝b＝0时，莫尔条纹消失，此时CCD观察到的图像与圆形光栅5相同。整个机械手调整原理如图7所示。

图7是掩模预对准装置的掩模预对准调整原理图。图7中eog坐标系为机器坐标系，其中已知的坐标点包括圆形光栅5焦点像圆心c5(a₁，b₁)和圆形光栅6焦点像圆心c6(a₂，b₂)。圆心c5与c6间的距离d2为已知，且d1＝d2。根据直线簇图形和直线簇斜率公式得出圆形光栅8的圆心坐标c8(a₃，b₃)和圆形光栅9的圆心坐标c9(a₄，b₄)。由于c6与c5间的距离为定值d2，所以c6和c9组成的局部坐标系需要e轴坐标平移d1值。以旋转中心在c8位置处为例，可按如下步骤完成光学预对准：

首先，以c8为中心旋转掩模板，旋转角度θ为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{b_2-b_4}{a_2-a_4};$ θ＜0时逆时针旋转，θ＞0时顺时针旋转。

然后，e轴方向移动量t_e为：

t_e＝a₁-a₃；t_e＞0时沿e轴正向移动，t_e＜0时沿e轴负向移动。

最后，g轴方向移动量t_g为：

t_g＝b₁-b₃；t_g＞0时沿g轴负向移动，t_g＜0时沿g轴正向移动。

本发明还提供在同一发明构思下的第二实施方式的说明。图8是本发明所示出的掩模预对准装置的第二实施方式的结构示意图。如图8中所示，照明光源101辐射出的准直光经分光元件202形成两束准直光，其中一束直接投射到掩模板204的圆形光栅205上，另外一束光经过反射元件3后准直投射到圆形光栅206上。圆形光栅被照明光源照射后作为物光源分别被成像系统207和208成像在分化板211上，并与圆形光栅209和圆形光栅210形成两组莫尔条纹。两组莫尔条纹分别被CCD12和13接收，送入信号处理系统，根据信号处理结果调整掩模板204的e、g及Φ方向。

此实施例不需要预留费涅尔焦面空间，被照射的圆形光栅205作为物光源被成像系统207成像。

在本实施方式中，圆形光栅5和圆形光栅8的光栅周期和占空比必需相等，其占空比为0.4～0.7之间的任意值。圆形光栅5可位于掩模板上，经过成像系统后，其标记像与分化板上的圆形光栅8重叠形成莫尔条纹，成像系统的放大倍率要求满足β＝P2/P1。

图9是第二实施方式中圆形光栅成像示意图。如图9所示，此圆形光栅205周期P1不需要同圆形光栅209周期P2相等，只要满足P1＝P2/β即可。

在信息处理过程中，计算方法同实施例1相同，但由于P1倍放大了β倍，因此光学预对准的步骤和移动量为：

首先，以c8为中心旋转掩模板，旋转角度θ不变为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{b_2-b_4}{a_2-a_4};$ θ＜0时逆时针旋转，θ＞0时顺时针旋转。

其次，e轴方向移动量t_e缩小β倍为：

t_e＝a₁-a₃/β；t_e＞0时沿e轴正向移动，t_e＜0时沿e轴负向移动。

最后，g轴方向移动量t_g缩小β倍为：

t_g＝b₁-b₃/β；t_g＞0时沿g轴负向移动，t_g＜0时沿g轴正向移动。

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 (17)

1.一种用于光刻设备的预对准装置，包括：

照明光源，用于提供一准直光束；

分光光学单元，用于将所述光束形成两束准直光；

光栅单元，所述光栅单元经所述两束准直光照射后形成两组莫尔条纹；

光学探测矩阵，用于探测所述莫尔条纹；

其特征在于，所述光栅单元包括两组圆形光栅，每组圆形光栅均包括第一圆形光栅及第二圆形光栅。

2.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述照明光源是激光光源或白光。

3.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述照明光源的光斑大于所述圆形光栅的最大直径。

4.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述分光光学单元包括一分光元件及一反射元件。

5.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述每组圆形光栅的第一第二圆形光栅的占空比相等，其占空比取值范围为0.4～0.7。

6.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述每组圆形光栅的第一圆形光栅位于一分化板上，所述每组圆形光栅的第二圆形光栅位于掩模板上。

7.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述每组圆形光栅的第一圆形光栅位于一掩模板上，所述每组圆形光栅的第二圆形光栅位于分化板上。

8.如权利要求6所述的预对准装置，其特征在于，所述分化板与所述掩模板之间的距离t满足公式：其中P为光栅周期，i＝1，2，3，4……为费涅尔焦面序数；λ为准直光波长。

9.如权利要求7所述的预对准装置，其特征在于，所述掩模板与分化板之间还包括一成像系统。

10.如权利要求9所述的预对准装置，其特征在于，所述成像系统满足放大倍率β＝P2/P1，其中P1是该组每组圆形光栅的第一圆形光栅的周期，P2是该组每组圆形光栅的第二圆形光栅的周期。

11.如权利要求1所述的预对准装置，其特征在于，所述光学探测矩阵是CCD探测器。

12.一种用于光刻设备的预对准方法，其特征在于，包括：

将来自同一照明光源的两束准直光照射每组圆形光栅的第一圆形光栅；

所述每组圆形光栅的第一圆形光栅所成的像分别与该组圆形光栅的第二圆形光栅叠加以形成两组莫尔条纹；

接收所述两组莫尔条纹，根据所述莫尔条纹的斜率以获得所述圆形光栅的圆心坐标；

根据所述圆心坐标调整掩模板。

13.如权利要求12所述的预对准方法，其特征在于，所述每组圆形光栅的第一第二圆形光栅的周期相等。

14.如权利要求12所述的预对准方法，其特征在于，所述斜率的计算公式为：

其中p是每组圆形光栅的第一圆形光栅和第二圆形光栅的周期，k是所述莫尔条纹的亮条纹，s是所述每组圆形光栅的第二圆形光栅的圆心距离。

15.如权利要求12所述的预对准方法，其特征在于，所述斜率的计算公式进一步变换为：

其中s²＝a²+b²，(a，b)是每组圆形光栅的第二圆形光栅的圆心坐标。

16.如权利要求12所述的预对准方法，其特征在于，所述根据所述圆心坐标调整掩模板具体包括：步骤a.将所述圆心坐标转换为机器坐标系goe；

步骤b.在所述机器坐标系goe下，调整掩模板。

17.如权利要求16所述的预对准方法，其特征在于，所述步骤b进一步包括：

步骤b1：以所述圆形光栅为中心旋转掩模板，旋转角度θ为：

其中，θ＜0时逆时针旋转，θ＞0时顺时针旋转；

步骤b2：e轴方向移动量t_e为：t_e＝a₁-a₃，其中t_e＞0时沿e轴正向移动，t_e＜0时沿e轴负向移动；

步骤b3：g轴方向移动量t_g为：t_g＝b₁-b₃，其中t_g＞0时沿g轴负向移动，t_g＜0时沿g轴正向移动。

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