CN103154819A - 微光刻投射曝光设备和微光刻成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种微光刻投射曝光设备(10)，用于将提供图像的基板(20)的掩模结构(22)成像在待结构化的基板(30)上，该投射曝光设备包括测量装置(40)，该测量装置构造为确定布置在一个基板(20；30)的表面上的测量结构(32)在关于基板表面的至少一个横向方向上相对于彼此的相对位置，以及因此同时测量多个测量结构(32)，该多个测量结构布置为关于彼此横向偏移。

Description

微光刻投射曝光设备和微光刻成像方法
相关申请的交叉引用
本发明要求在2010年9月28日申请的德国专利申请案第102010041556.1号的优先权。以引用方式将该专利申请的全部内容并入本申请。
技术领域
本发明涉及一种微光刻投射曝光设备，用于将掩模母版形式的提供图像的基板成像在待结构化的基板上，特别是晶片上。本发明还涉及将提供图像的基板的掩模结构微光刻地成像在待结构化的基板上的方法。
背景技术
当生产微芯片时，半导体晶片通常会在多个连续曝光步骤中得到光刻曝光，以成像期望的结构。在每个曝光步骤后，执行程序上的处理步骤，例如通过蚀刻工艺和材料沉积，以根据成像的结构将晶片结构化。在每个曝光步骤中，必须确保在横向(lateral)方向上关于先前的曝光调整曝光。换句话说，应该能够制造由曝光所产生的、相对于先前曝光的结构在横向上很准确的结构，选择性，考虑在设计上提供的位置偏差。单独曝光层(level)的横向调整通常称为“覆盖(overlay)”。
对于横向调整，通常在晶片和晶片台上测量先前曝光步骤中印刻的参考结构或调整标记(亦称为对准标记(alignment mark))的横向位置。为了该目的，通过测量光学系统可相继接近及测量调整标记。所以为了使晶片吞吐量不受测量限制，在许多现代化光刻设备中，测量在测量台上进行，将该测量台布置为与曝光台邻近。与晶片测量并行地，在曝光台上曝光已测量的晶片。那么，测量时间被限制为曝光晶片所需的时间，如此晶片吞吐量不会有任何损失。这所必需的测量时间只能通过测量台的高速度与高加速度来实现。那么，这会导致测量台至曝光台的不期望的振动转移，且这导致光刻图像关于期望位置的位置误差。在仅具有一个晶片台的光刻成像曝光设备中，测量时间会线性地影响晶片吞吐量，且这就是为什么在该情况下，为了在测量晶片时实现晶片台的高加速度与速度，使用相对高的技术复杂度。
此外，通常，在投射曝光设备中，测量待曝光的掩模母版上的调整标记的横向位置。这能够以与晶片测量相同的方式，通过相继采样调整标志的扫描处理而得到执行。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于解决上述问题的设备和方法，并且，特别的是，可在更短时间内以合理复杂度进行晶片或掩模母版上的横向位置测量。
根据本发明，例如，通过用于将提供图像的结构的掩模结构成像在待结构化的基板上的微光刻投射曝光设备，可实现上述目的。根据本发明的投射曝光设备包括测量装置，该测量装置构造为确定布置在一个基板的表面上的测量结构在关于基板表面的至少一个横向方向上相对于彼此的相对位置，并且由此同时测量关于彼此横向偏移的多个测量结构。本文中，关于基板表面的横向方向由平行于基板表面的向量刻画。
换句话说，关于布置在基板上的测量结构的横向相对位置，根据本发明的测量装置构造为测量掩模母版形式的提供图像的基板，或测量待结构化的基板，例如，以晶片形式或以用于LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)显示器的基板形式。该测量并行进行，即同时测量多个测量结构。因此，测量装置构造为同时测量在基板表面的至少一个二维部分上分布的测量结构。
根据实施例，因此可测量测量结构的横向位置从其期望位置的偏离。根据本发明的变型，同时测量的两个测量结构彼此相隔至少1mm，特别是至少10mm、至少50mm，或至少100mm，且特别是在整个基板表面上于两个横向坐标方向上偏移。通过将根据本发明确定的测量结构关于彼此的横向相对位置与期望值相比较，可在晶片上确定包括测量结构的先前曝光层的图像的失真。
通过根据本发明的在晶片表面上的多个测量结构关于彼此的同时测量，减少了用于确定未决(pending)晶片曝光相对于已位于晶片上的结构的横向调整所需的测量数据的测量时间。因此减少了对于用于测量的测量台的速度和加速度的需求，由此，可避免转移到曝光台的可能振动。此外，同时测量使得能够在现有时间窗口内对晶片进行更紧密网格的测量，如此可提高在单独曝光层之间的覆盖质量。
根据本发明的实施例，测量装置构造为同时测量分布在整个基板表面上的测量结构的横向相对位置。整个基板表面被理解为表示基板面向测量装置一侧的表面。换句话说，测量装置包括覆盖整个基板表面的检测区域，用于测量横向相对位置。根据替代实施例，测量装置构造为至少逐部分地测量基板表面，且具有评估装置，该评估装置构造为组合单独基板部分的测量。由于逐部分的测量，所以测量装置所需的安装空间及测量装置本身的复杂度可减少。
根据本发明的实施例，测量结构布置在测量的基板对象的相同结构层(structural level)上。例如，该结构层可具有小于100nm，特别是小于50nm或小于10nm的厚度(即基板高度方向上的范围)。根据变型，待结构化的基板(例如，晶片)为测量的对象，且在此基板的相同曝光层上布置测量结构。换句话说，在基板的相同先前曝光期间，已经印刻了使用测量装置测量它们的相对位置的测量结构。因此，它们布置在基板的相同结构层上。这与用于执行覆盖测量的测量结构不同，这些结构布置在不同的曝光层上。
在根据本发明的实施例中，测量装置构造为同时测量至少三个测量结构各自的横向相对位置，可特别为至少四个、至少五个、或至少六个测量结构。
根据本发明的进一步实施例，测量装置构造为在待结构化的基板上，以及因此例如在半导体晶片或用于LCD显示器的基板上进行横向位置测量。
根据本发明的进一步实施例，用于测量结构的横向位置测量的测量装置构造为干涉测量装置。换句话说，测量装置构造为干涉地叠加两光束，用于测量结构的横向位置测量，及从产生的干涉图确定期望的测量。
根据本发明的进一步实施例，测量装置包括至少两个反射元件，其用来将测量光反射回到测量结构上，该测量光通过测量结构上的衍射而分成两个测量光束。特别地，两测量光束可由衍射为正和负衍射级的测量光形成。根据一个实施例，测量装置包括四个反射元件，具体而言，每一个横向测量方向分别使用两个反射元件。反射镜或猫眼反射器(cats’eyes reflector)可用作反射元件。优选地，将反射元件置于布置在测量位置中的基板的相对侧上，且根据一个实施例，反射元件具有至少300mm x至少50mm的尺寸。
根据本发明的实施例，测量装置包括分束器，用于在测量光照射待测量的基板前，将测量光分成具有不同传播方向的两个测量光束。根据实施例，分束器包括衍射光栅。衍射光栅可为二维光栅形式，例如，具有棋盘型图案。根据另外的变型，衍射光栅是由一维线光栅形式的单独光栅段组成，在关于彼此转动90°的取向上设置线光栅，且以棋盘图案的形式交替布置具有不同取向的光栅段。
根据进一步实施例，测量装置包括测量光源，用于产生横向位置测量的测量光，且测量光的波长大于分束器的光栅周期。因此确保了在测量光与分束器光栅的交互作用下，以不同于零衍射级的衍射级传导光部分。根据一个实施例，分束器包括与基板上的光栅结构相配的光栅。
根据进一步实施例，测量装置构造为以相对于待测量的基板表面的斜角将测量光照射在分束器上，或者，对于其中没有分束器的实施例，照射在基板表面上。换句话说，测量光的传播方向偏离表面法线。该偏离特别是至少0.1°，优选至少为0.5°。
根据进一步实施例，测量装置构造为以不同角度将测量光的两个测量光束引导至布置于测量位置的基板上。
根据本发明的进一步实施例，测量装置构造为相干叠加利用两个测量光束产生的测量结构的图像。叠加产生干涉图，评估该干涉图，以确定测量结构的横向相对位置。
根据本发明的进一步实施例，测量装置构造为从横向位置测量确定基板表面上的失真，且投射曝光设备还包括曝光控制装置，当曝光基板时，该曝光控制装置将局部成像比例动态地适配于失真。换句话说，当曝光基板时，根据本发明的测量允许动态调适比例操纵器。特别地，这里，失真被认为是在较早的光学成像过程中被写入基板表面上的结构的比例的、场与场之间的变化(field to field variation)。
根据进一步实施例，测量装置进一步构造为在基板表面的多个点上同时进行形貌测量。换句话说，可在基板表面的多个位置处并行地进行形状测量与高度变化测量。优选地，测量装置构造为以优于10nm的精度进行形貌测量。
根据进一步实施例，测量装置构造为同时进行测量结构的横向相对位置测量与形貌测量。
根据进一步实施例，测量装置构造为用第一波长的测量光进行横向位置测量，并用第二波长的测量光进行形貌测量。第一波长不同于第二波长，使得由单独波长的光产生的干涉图的分开检测成为可能。优选地，测量波长相差至少100nm。例如，诸如1064nm的激光波长连同532nm的倍频(frequency-doubled)波长可用作波长。根据本发明的进一步实施例，用于形貌测量的测量光在偏振上不同于用于横向位置测量的测量光。
根据本发明的进一步实施例，测量装置包括衍射光栅，该衍射光栅用作分束器，用于将第一波长的测量光分成两个测量光束，该衍射光栅构造为使第二波长测量光的至少90％通过衍射光栅而不被衍射。因此，通过将用于形貌测量的测量光衍射为不同于零衍射级的衍射级，避免了产生干扰光。这也可通过将第二波长选择为大于衍射光栅的周期、或通过使用特别适于抑制较高衍射级的光栅分布来实现。
根据进一步实施例，衍射光栅关于第二波长测量光的传播方向倾斜。如此，确保了由第二波长测量光在分束器上产生的后向反射(back reflex)不会对测量造成负面影响。此外，特别地，用于形貌测量的测量光的传播方向关于待测量的基板的表面法线倾斜。而且，如果衍射光栅相对于待测量的基板的表面倾斜，则是有利的。所有的这些措施防止干扰反射到达用于测量的检测器。此外，衍射光栅的后侧可具有涂层，以进一步削弱干扰反射。
根据进一步实施例，测量装置构造为在小于10秒内进行对整个基板表面的测量。在此，根据本发明，测量装置可构造为以优于1nm的精度来确定测量结构关于彼此的横向相对位置。
此外，根据本发明的进一步方面，例如，使用将提供的图像基板的掩模结构微光刻地成像在待结构化的基板上的方法，可以达成上述目的。根据该方法，通过同时测量多个测量结构关于彼此的横向偏移，在关于基板表面的至少一个横向方向上，确定在一个基板的表面上布置的测量结构关于彼此的相对位置。此外，利用微光刻投射曝光设备，将掩模结构成像在待结构化的基板上，在曝光期间，基于横向位置测量而局部改变成像参数。成像参数的这种局部变化例如可为掩模结构成像至待结构化的基板上的成像比例的场到场之间的变化。
根据本发明方法的进一步实施例，成像比例在基板曝光期间局部变化。这基于横向位置测量而执行。根据本发明的变型，布置在基板上的测量结构包括不同周期的衍射光栅。优选地，该衍射光栅构造为将利用分束器产生的上述测量光束反射入它们自身。根据实施例，不同周期的光栅部分可分别布置在彼此正交的两个光栅取向上。
根据进一步实施例，测量待结构化的基板，且整个测量结构形成具有多个网格的网状结构，该多个网格围绕可通过提供图像的基板的成像而分别结构化的产品区域。这些产品区域亦常称为“裸片(die)”。
此外，根据本发明的进一步方面，提供用于测量基板的方法，其中通过布置为关于彼此横向偏移的多个测量结构的多个同时干涉测量，在关于基板表面的至少一个横向方向上，确定布置在基板的表面上的测量结构关于彼此的相对位置。
根据本发明上述任一方面的方法的实施例，两个同时测量的结构彼此相隔至少1mm，特别是至少10mm、至少50mm、或至少100mm。根据进一步实施例，同时测量至少三个测量结构，特别是至少四个、至少五个、或至少六个测量结构的各自横向相对位置。
根据上述任一方面的方法的进一步实施例，测量结构布置在测量的基板对象的相同结构层上。
关于根据上述本发明的投射曝光设备的实施例的详述特征可在提及的实施例中相应应用于根据本发明的方法。相反地，关于根据本发明方法的上述实施例的详述特征可相应应用于根据本发明的投射曝光设备。
附图说明
参考所附简图，在根据本发明的示例实施例的以下详细描述中，示出了本发明的上述和进一步的有利特征。以下所示为：
图1示出了的微光刻投射曝光设备的截面图，该设备具有用于确定晶片的表面的失真和晶片的形貌的测量装置的根据本发明的实施例；
图2为根据图1的测量装置的反射镜元件与待测量的晶片的截面图；
图3为根据图2的布置的顶视图；
图4为根据本发明的用于根据图1的投射曝光设备中的测量装置的进一步实施例；
图5为根据本发明的用于根据图1的投射曝光设备中的测量装置的进一步实施例的截面图；
图6为根据图5的测量装置的功能原理的示图；
图7为在根据图5的测量装置的衍射光学元件与待测量晶片之间的光路的示图；
图8为根据图5的测量装置的根据本发明的变型的示图；
图9为在根据图5的测量装置的衍射元件上的衍射图案布置的根据本发明的两个不同实施例的顶视图；
图10为在利用根据图5的测量装置而测量的晶片表面上的测量结构布置上的顶视图；
图11为根据本发明的用于根据图1的投射曝光设备中的测量装置的进一步实施例的截面图；
图12为在根据图11的测量装置的衍射光学元件与待测量晶片之间的光路的示图；
图13为根据本发明的用于根据图11的测量装置中的衍射光学元件的变型的示图；及
图14为根据本发明的用于根据图11的测量装置中的衍射光学元件的进一步变型的示图。
具体实施方式
在下面描述的示例实施例中，功能上或结构上彼此类似的元件设置为尽可能具有相同或类似的参考号码。因此，为了了解特定示例实施例的单独元件的特征，应参考其它示例实施例的描述，或参考本发明的全面描述。
为了便于描述投射曝光设备，在图中详述了笛卡尔xyz坐标系统，由此可采集图中所示组件的各自相对位置。在图1中，x方向向右延伸，y方向垂直于附图的平面并延伸进入该平面，而z方向向上延伸。
在图1中，示出了根据本发明的实施例中的微光刻投射曝光设备。投射曝光设备10包括：照明系统12，用于使用曝光辐射15照明掩模20形式的提供图像的基板；以及投射物镜18。投射物镜18用来将掩模结构22从掩模平面成像在晶片30形式的待结构化的基板上。除了硅晶片、用于LCD显示器的基板以外，例如透明的所谓“平板(flat plane)”亦可用作待结构化的基板。
照明系统12包括用于产生曝光辐射15的曝光辐射源14。依赖于投射曝光设备10的实施例，曝光辐射15的波长可在紫外线(UV)波长范围内，例如248nm或193nm，或者亦可在极紫外线(EUV)波长范围内，例如，约13.5nm或约6.8nm。依赖于曝光波长，将照明系统12和投射物镜18的光学元件设计为透镜及/或反射镜。
通过曝光辐射源14产生的曝光辐射15通过光束传播光学系统16，然后通过照明装置(illuminator)17照射在掩模20上。掩模20由掩模台24保持，该掩模台关于投射曝光设备10的框架19是可移动安装的。晶片30布置在曝光台33上，该曝光台可用作晶片移动(shifting)装置。
曝光台33包括：晶片载具(holder)34，用于例如通过负压力从晶片30下侧固定晶片30；及移动台36，利用移动台，晶片30可相对于投射物镜18的光轴横向移动，即在根据来自图1的坐标系统的x和y方向上移动。此外，移动台36确保在光轴方向上移动晶片30，因此在根据来自图1的坐标系统的z方向上移动。当曝光晶片30时，这种在z方向上的移动类型特别是用来将晶片的表面31保持在曝光辐射15的焦点上。
通常，晶片30的表面31被逐部分地(section by section)，即逐场地(fieldby field)曝光。因此，晶片30与掩模20两者沿着x轴在相反方向上移动，使得可扫描晶片表面31上的狭缝形曝光区域。这发生多次，使得掩模20能以彼此相邻的多个场的形式成像在晶片表面31上。
测量装置40被集成在投射曝光设备10中，该测量装置构造为一方面关于晶片失真(distortion)、以及另一方面关于形貌变化来测量晶片30的整个表面。晶片30的失真被认为是指布置在晶片表面31上的测量结构在关于晶片表面31的横向方向上(即在X-Y平面中)相对于彼此的相对位置的偏差。在图1中，测量结构具有参考号码32，且已在先前的晶片工艺步骤中被施加至晶片30。测量结构32为光栅结构形式，如下面将更详细描述的。
在投射曝光设备10的实施例中，晶片30布置在测量装置40下方的曝光台33上，用于测量。为了该目的，曝光台33移动至图1中示出的关于投射物镜18的光轴横向的位置。在替代实施例中，投射曝光设备10包括分离的测量台38，在测量期间通过测量装置40将晶片30布置在测量台上，同时，已测量过的晶片30位于曝光台33上，且被并行曝光
将测量装置40设计成二维测量光学测量装置，即，与晶片表面31的逐点取样相比较，在测量期间可在表面31上的多个位置处同时确定晶片30的失真与表面形貌的相应测量两者。
测量装置40包括两个测量光源41和43，用于产生不同波长的测量光。第一测量光源41产生用于表面形貌测量的具有波长λ2的第一测量光42，该表面形貌测量以下亦称为形状测量(form measurement)。第二测量光源43产生具有波长λ1的第二测量光44，其用来测量测量结构的横向位置，并因此用于失真测量。测量结构的位置亦可称为测量结构的“布置”。两个测量光源41和43的测量光经由各自的光纤45照射在分束器48上。可见或近红外线范围内的波长可用于测量光42，如下面将更详细解释的。因此，例如氦氖激光器、激光二极管、固态激光器与LED(Light Emitting Diode，发光二极管)可用作测量光源。
应该根据光刻胶对哪种光波长不敏感来选择测量光波长，该光刻胶用于使用曝光辐射源15在晶片30上的曝光。优选地，测量波长应低于光刻胶的曝光临界值。根据一个实施例，选择测量波长使得因此产生的光子能量低于硅的带隙(band gap)。因此，在测量期间的晶片加热可减至最少。用于形状测量的测量光42被分束器48偏转至晶片表面31的方向上。在照到晶片表面31之前，测量光通过斐索(Fizeau)准直仪50。
斐索准直仪50包括斐索(Fizeau)表面52，其上，测量光42的部分会作为参考光被反射回去，然而，测量光42的未反射部分在晶片表面31上被反射，然后在通过目镜形式的准直透镜58之后，在CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)相机形式的局部解析检测器60的检测表面61上与参考光干涉。根据一个实施例，将斐索准直仪50设计为焦距(focal width)与直径比f/d＜1的大开口准直仪，由此可节省在投射曝光设备10中的安装空间。
在检测表面61上的干涉图由检测器60检测。通过评估装置62，从检测的干涉图来确定由测量光照射的晶片表面21的部分的表面轮廓。换句话说，至少逐部分地确定晶片30的表面形貌。根据一个实施例，为了同时测量整个晶片表面31的表面形貌，测量装置40的检测区域要够大。
此外，用于位置测量的测量光44被分束器48偏转至晶片表面31的方向上。测量光44的传播方向因此关于测量光42的传播方向略微倾斜。在本示例实施例中，测量光42沿着斐索准直仪的光轴51传播，而测量光44的传播方向关于光轴51倾斜，使得在通过斐索准直仪50时，在斐索表面52上产生的测量光44的后向反射(back reflex)会被布置在准直透镜58前方的孔径56阻挡，使得所述后向反射不能对位置测量形成干扰，且当同时进行形状测量时，亦不能干扰形状测量。
在通过斐索准直仪50之后，测量光44照射晶片表面31，且由布置在这里的光栅结构形式的测量结构32以负第一或正第一衍射级反射至倾斜地布置在晶片30上方的平面反射镜54上。该光束分布在图2中清楚地示出。一般来说，测量光44在测量结构32上反射为不同于零的两个衍射级，在该情况下，两个衍射级分别为负第一衍射级与正第一衍射级。
负第一衍射级的光形成第一测量光束44a，且正第一衍射级的光形成第二测量光束44b。在平面镜54上的反射之后，第一测量光束44a的光传播回到测量结构32。在此，在测量结构32上以负第一衍射级反射的第一测量光束44a的光在入射测量光44的光束路径中传回到分束器48，并照射检测表面61。第二测量光束44b的光在第二平面反射镜54上的反射之后，在测量结构32上的衍射之后，亦会以正第一衍射级传播通过分束器48，且在检测表面31上与第一测量光束44a的光干涉。
在检测表面61上的像为在两个反射镜54上的像的相干(coherent)叠加，且如此形成干涉图。干涉图包括测量光束44a和44b的两个路径的相对相位，以及因此的测量结构32的位置信息。参考图2，在检测表面61上的第一测量光束44a的光的相位由
Figure BDA00002979308100101
表示，且在检测表面61上的第二测量光束44b的光的相位由表示。在测量结构32移动Δx的情况下，产生下列相位差：
Figure BDA00002979308100103
p为测量结构32的光栅周期。在测量结构32移动周期p的情况下，如此产生四倍于测量光44的波长的峰值相位偏差
Figure BDA00002979308100104
可从干涉图读出相位差
Figure BDA00002979308100105
该干涉图由两个反射镜54上的像的相干叠加产生，并且，由此，可确定各个测量结构在x坐标方向上的位置与其期望位置的偏差。
图3以顶视图显示根据图1的晶片30与平面反射镜54的布置。在图1中以参考号码54表示的反射镜在根据图3的指示中对应于反射镜54a。这些反射镜用于测量结构关于x坐标的横向位置确定。为了该目的，线光栅32a(其光栅线在y方向延伸)用作测量结构。为了晶片30的整个表面的测量，以网状类型(web-type)布置将线光栅32a安置在晶片表面31上。为了测量测量结构在y方向上的位置，相应的光栅结构32b布置在晶片表面31上，其光栅线在x方向上延伸。
光栅结构32b将入射测量光44衍射到反射镜54b上，该反射镜关于晶片30倾斜地在+/-y方向上布置在晶片上方。在衍射结构32a和32b的交叉点33处，可确定两个坐标方向x和y上的位置。整体上，线光栅32a和32b在晶片表面31上形成网状结构，将网格内的各个表面区域设为曝光场68，其上分别成像掩模20。曝光场68常称为“裸片(die)”。根据一个实施例，平面反射镜54a和54b具有至少300mm的横向范围(expansion)及至少50mm的垂直范围。
如上所述，在图1中示出的实施例中，用于形状测量的测量光42与用于位置测量的测量光44具有不同波长。因此，例如，测量光44的波长λ1可在532nm与633nm之间，且测量光42的波长λ2可在700nm与1064nm之间。斐索准直仪50和准直透镜58形式的目镜应该是校正过颜色的。用于两个测量的类似波长便于颜色校正。为了同时执行形状测量与位置测量，进行波长选择性测量。这可例如通过局部解析检测器40波长选择性测量在检测表面61产生的强度分布来发生。替代地，颜色分束器亦可设置在测量装置40的检测模块中，如下面参考图4所说明。
此外，不同偏振可代替不同波长用于不同测量。在替代实施例中，相同波长的测量光用于形状测量与位置测量，且相继执行两个测量过程。
进行形状与位置测量之后，确定的测量被存储在图1所示的记录装置64中。然后，晶片30移动至投射物镜18下方。为了该目的，依赖于实施例，执行将晶片30从测量台38重新装载到曝光台33上；或者仍然将晶片30保留在曝光台33上，曝光台移至投射物镜18下方。对于立刻接着的晶片30的曝光，通过记录装置64将形状与位置测量两者传达给控制装置66。在晶片30的曝光期间，控制装置66一方面通过形状测量来控制曝光辐射15的焦点位置(z)，另一方面通过位置测量来控制x、y位置，以及选择性地控制成像比例。为了在曝光期间控制成像比例，将曝光成像比例动态适配于测量结构32的局部测量失真。
测量装置40产生可用的测量数据，利用该测量数据可校正晶片表面上的高频失真。高频失真被认为是指具有高于传统比例误差(conventional scaleerror)的频率的失真。传统比例误差与沿着扫描狭缝(scanner slot)的坐标的一次方成比例。因此，利用测量装置40提供的测量数据，可校正与沿着扫描狭缝的坐标的三或更高次方成比例的失真。
图4显示根据本发明的测量装置40的进一步实施例。图4的测量装置40在两个方面不同于根据图1的测量装置40。第一方面在于猫眼反射器阵列154代替平面反射镜，用来反射衍射的测量光44。猫眼反射器可将入射平面波正好反射回其本身。在此，猫眼反射器的调整不重要。使用猫眼反射器阵列154使得针对晶片30上的任意光栅周期能够实现传回自身的反射，而不必重新调整反射器。
根据图4的实施例不同于根据图1的实施例的第二方面在于准直透镜58后面的测量辐射42和44的光束路径中使用了颜色分束器170。颜色分束器170构造为使得具有波长λ1的测量光44通过分束器，然而，具有波长λ2的测量光42在分束器上被反射。因此可分开形状测量与位置测量的测量光部分。为每一个测量光部分提供特定检测器60。根据该实施例，使用波长非选择性检测器，可同时进行形状测量与位置测量。
图5显示根据本发明的用于根据图1的投射曝光设备10中的测量装置40的进一步实施例。在示出的实施例中，仅测量装置40被构造为用于位置测量与失真测量。根据图5的测量装置40与根据图1的测量装置的不同之处不仅在于根据图5的测量装置40不具有用于形貌测量的测量光束路径，而且在于其不具有平面反射镜54。事实上，在根据图5的测量装置40中，在斐索准直仪50与晶片30之间布置有衍射光学元件70。
衍射光学元件70包括光栅结构72，用于将入射测量光44分别分成两个测量光束74a和74b。图6详细显示了用于光栅结构72的光束路径。图6详细显示了衍射光学元件70与晶片30的布置。在此，光栅结构72由字母“A”表示。通过光栅A上负第一与正第一衍射级的衍射，执行将入射测量光44分成测量光束74a和74b。然后，通过正第一与负第一衍射级的衍射，测量光束74a和74b在晶片30表面上的测量结构32上被反射回其自身。有利的是，将光栅结构72设计成具有至少300mm的直径，以能够测量晶片30的整个表面。
此外，将测量结构32设计成光栅结构，且在图6中被表示为光栅“B”，光栅32反射位于位置1处的测量光束74a，且光栅32反射位于位置2处的测量光束74b，且这是为何对应的光栅会表示为“B_pos1”与“B_pos2”的原因。反射回来的测量光束74a和74b在其通过光栅结构72时，在光栅结构72上衍射为负第一与正第一衍射级，并且因此被引导回至入射测量光44的光束路径中。由两个测量光束74a和74b产生的像以类似根据图1的测量装置40的情况，在检测表面61上相干叠加。在晶片30在x方向上移动量Δx的情况下，下列相位差会产生：
p表示测量结构32的光栅周期。与用根据图2的布置产生的相位差相比，根据图6，在相同的移动Δx的情况下，只产生一半的相位差。
从测量的相位差计算的位置对应于光栅B_pos1和B_pos2的位置的重心(centre ofgravity)移动。图7显示用于多个测量通道的、根据图5的衍射光学元件70与晶片30，该多个测量通道分别由光栅结构72与两个相关的测量结构32形成。在衍射光学元件上的光栅结构72的布置情况下，重要的是要确保不会有干扰光44s抵达检测器60，干扰光44s例如由测量光74a或74b在测量结构32上的衍射所导致的反射产生。因此，光栅结构72布置在晶片30上，使得干扰光44s不会照射衍射光学元件70的光栅结构72，而事实上在元件70的光栅结构72之间的区域上被反射。因此，干扰光不能射入另一测量通道，其会导致错误测量。
此外，可在充当分束器的衍射光学元件70上布置不同光栅。相应调适的光栅应被分配给晶片30上的光栅。此外，在衍射光学元件70上可设置特定光栅，其检测测量台38的位置。这种光栅适配于测量台38上的光栅结构。
图8示出了用于根据图1的投射曝光设备10中的测量装置40的进一步实施例。该实施例与根据图5的实施例的不同之处仅在于测量辐射44未被垂直地照射，而是相对于衍射光学元件70的法线成一角度α。然后，在负或正第一衍射级产生的测量光束74a和74b以不同角度照射晶片表面。为了保证测量光束的相应后向反射(back-reflection)，晶片30上的测量结构32具有不同周期，B_pos1光栅的周期为v-Δv，且光栅B_pos2的周期为v+Δv，其中：
v＝＝2·v光栅A且Δv＝＝2·1/λ·sin(α)，    (3)
v光栅A是指光栅结构72的周期。根据一个实施例，角度α为至少0.1°。
通过根据图8的布置中的非对称光束路径，可与衍射光学元件70上的光栅结构72的布置无关地防止干扰光44s射入相邻测量通道。测量结构32因此能布置在晶片表面31上的任何位置。此外，可将光栅结构72设计成遍及整个元件。在根据图8的实施例的情况下，从位置测量的角度来看，可任意选择曝光场68与“裸片”的大小与位置。
图9(a)和(b)显示用于衍射光学元件70上的光栅结构72的整个布置(亦称为全表面或全部(all-over)布置)的两个不同变型。在变型(a)中，光栅结构72由光栅段(grating section)在x和y方向上交替排列的棋盘型布置组成。因此可在晶片30上测量被分别照射的光栅对B_pos1和B_pos2的重心坐标的x或y坐标。光栅对B_pos1和B_pos2的光栅排列(alignment)限定测量x分量还是测量y分量。在变型(b)中，光栅结构72有二维长斜方形(rhomboid)光栅形状，由其亦可进行关于x或y分量的位置测量。
图10显示用在根据图8的实施例中的、晶片30上的测量结构32的可能布置。在此，用于测量相应重心的x坐标的测量结构B_pos1与B_pos2由32a和32b指示。用于测量相应重心在y方向上的坐标的光栅结构由132a和132b指示。如从图10可看出，光栅结构32a和32b位于交替布置的水平带上，然而，光栅结构132a和132b布置在垂直带上，使得产生了整个网状结构，该网状结构的网格围绕曝光场68。
图11显示用于根据图1的投射曝光设备10中的测量装置40的进一步实施例。类似根据图5的实施例，该实施例包括衍射光学元件70。然而，根据图11的衍射光学元件70关于晶片30倾斜。这使得可利用从图1已知的测量光源41的测量光42来同时执行形状测量。衍射光学元件70的倾斜导致测量光42不会垂直照射衍射光学元件70，且因此不会有干扰后向反射通过孔径56到达检测器60。选择光栅结构72的周期使得波长λ2的测量光42通过光栅结构72而未被衍射，而波长λ1的测量光44被衍射为负和正第一衍射级。
图12显示在根据图11的衍射光学元件70与晶片30区域中的、用于失真与位置测量的测量光44及用于形状和形貌测量的测量光42二者的光路。在此，在图12中，将用于位置与形状测量的光束描绘为邻近彼此。然而，测量方法使得能够在所有位置处进行形状的全部测量，且与此同时，进行对提供的所有位置光栅(positioning grating)的位置测量。不需要在空间上分成用于位置或形状测量的区域。入射测量光由44e和42e指示。此外，在图中，粗线显示用于位置测量的使用光路包括入射测量光44e、测量光束44a和44b、以及返回的使用光束44n。对于形状测量，使用光路包括入射测量光42e，其通过衍射光学元件70而没有转向，且在晶片表面31上反射之后，光束42n返回干涉仪。
此外，在图12中，使用细线描绘干扰光路。通过使用光在光栅72、32a和32b的一个上的衍射产生干扰光路。在图12中，描绘了几个干扰光路，其由光栅72、32a和32b的一个上的零、负第一、及正第一衍射级产生。例如，当入射测量光44e以零衍射级通过光栅72、在晶片表面31上反射、且随后以零、正第一或负第一衍射级通过光栅结构72时，干扰光路因此产生。产生的干扰光束在图12由b、c与d指示。
在位置通道(positioning channel)中的干扰光的进一步示例涉及测量光束44a的光，其在光栅32a上反射时，不以负第一衍射级反射回来，而是以零衍射级传至衍射光学元件70，然后在光栅72上以正第一衍射级衍射，且传回到测量装置40的光学系统中。产生的干扰光由a指示。干扰光路可以类似方式在形状通道(form channel)中产生，例如，当入射测量光42e在光栅72上衍射为不同于零的衍射级，然后落到衍射光栅32a与32b的一个上时。
如上面已经描述的，衍射光学元件70以图12所示的角度β相对于晶片30倾斜。此外，用于位置测量的入射测量光44e的入射角相对于晶片表面31的法线倾斜角度α。确定倾斜角α与β的大小，使尽可能少的干扰光传到检测器60。通过聪明地选择角度α与β，用孔径56可至少在显著程度上阻挡干扰光。
下表1包括所有光束的列表，这些光束可在考虑光栅72、32a、与32b上的负第一、零、与正第一衍射级的位置测量期间产生。为了指出单独光束的方向，在表1中指定了相应方向向量的各自x分量。对于测量光44e的入射方向，应用了5的x分量。单独的列首先标出了衍射光学元件70上的入射测量光44e的衍射级，第二列为在晶片30上的光栅结构32a上的衍射级，第三列为光到达测量装置40的光学系统中的返回路径上的光栅结构72上的衍射级。在第四列中，指定了光束在第二次通过衍射光学元件70之后的相应光束的方向向量的x分量。
表1
位于表1右手侧的五至八列给出了其中相应光路在光栅结构32b上方导向晶片30的情况的类似信息。根据表1，将对于光栅72的值500、对于光栅32a的值1010、以及对于光栅32b的值990应用为光栅周期。该值指出了任意单位的光栅条纹密度，并对应于第一级衍射的光波的传播方向的x分量的变化。例如，可将每毫米线条数选作单位。在图12中描绘的光束a、b、c、d、e与y在表1中被标出。如从表中可看出，没有干扰光向量具有由“y”表示的使用光44n的方向。
表2显示类似表1的、用于形状测量通道的信息。在此，入射测量光42e的x分量为零。从表中可获悉两个干扰光42s的反射，即干扰反射f和h具有使用的反射z的传播方向。所有其它的干扰光束42s指向不同于使用的反射z的方向。下面描述了亦用来抑制残存的干扰反射h和f的措施。
Figure BDA00002979308100181
表2
可以根据下面列出的标准，确定角度α与β的大小。因为干扰光束a、c和e以角度α返回测量装置40的光学系统，所以角度α必须大于晶片30成像至检测器60上的成像的数值孔径NA：
sin(α)＞NA    (4)
对于在检测器60上成像晶片30的横向分辨率，下式可应用于分辨率R：
R＝λ/NA，    (5)
λ为讨论的测量光的波长。分辨率R＝0.25mm，λ＝633nm导致NA＝0.0025。那么，对于入射角α，这给出了＞0.14°的值。
因为干扰光j必须以角度2β返回，所以应用下式：
sin(2β)＞NA    (6)
因此，对于倾斜角β，给出了＞0.07°的值。在具有300mm直径的晶片的情况下，在衍射光学元件70与晶片30之间仅存在0.37mm的距离变化。将入射角α及倾斜角β设计为彼此垂直亦是有利的。较高的横向分辨率需要较大的入射角α与较大的倾斜角β。
图13与14显示根据图11的衍射光学元件的光栅结构72的两个不同实施例。在根据图13的实施例中，光栅结构72称为零级光栅，且被针对形状测量的测量光42的波长λ2而设计。使用零级光栅，可以抑制除了零级以外的所有衍射级。用于位置测量的测量光44的波长λ1必须小于λ2，使得可产生正/负第一衍射级。光栅72的周期p必须在波长λ2与λ1的值之间。如图13所示，对于在700与1064nm之间的λ2波长，以及对于在532至632nm之间的λ1波长而言是有利的。针对λ2使用例如1064nm，针对λ1使用倍频波长532nm可以是有利的。
光栅结构72的高度h具有下列尺寸：
h＝0.5xλ2/(n-1)＝λ2，其中n＝1.5。    (7)
作为对用零级光栅的方法的替代，可如下进行。
在根据图14的衍射光学元件的实施例中，光栅结构72构造为具有优化的光栅分布，用于减小具有用于形状测量的波长λ2的测量光42的较高衍射级的效率。然而，基于电磁效应，相应的衍射效率不可能完全减小到零。在少于5λ的光栅周期的情况下，可预期百分比(percentage)范围内的效率。这导致仅大约10nm的波前干扰。如图14所示，在该实施例中，可选择例如1266nm用于λ1，以及例如693nm用于λ2。
作为用于在形状测量期间利用较高衍射级抑制干扰的进一步替代，可使用具有上游腔(upstream cavity)的白光干涉测量法。
上面描述了针对测量晶片30的示例的根据本发明用于形状与位置测量的测量装置40。根据本发明的进一步实施例，根据本发明用于形状与位置测量的测量装置40用于掩模母版或掩模20上。
参考数字列表
10 投射曝光设备
12 照明系统
14 曝光辐射源
15 曝光辐射
16 光束传播光学系统
17 照明装置
18 投射物镜
19 框架
20 掩模
22 掩模结构
24 掩模台
30 晶片
31 晶片表面
32 测量结构
32a 线光栅
32b 线光栅
33 曝光台
34 晶片载具
36 移动台
38 测量台
40 测量装置
41 第一测量光源
42 第一测量光
42n 使用光
42s 干扰光
43 第二测量光源
44 第二测量光
44a 第一测量光束
44b 第二测量光束
44e 入射测量光
44n 使用光
44s 干扰光
46 干涉仪
48 分束器
50 斐索(Fizeau)准直仪
51 光轴
52 斐索(Fizeau)表面
54 平面反射镜
54a 平面反射镜
54b 平面反射镜
56 孔径
58 准直透镜
60 局部解析检测器
61 检测表面
62 评估装置
64 记录装置
66 控制装置
68 曝光场
70 衍射光学元件
72 光栅结构
74a、74b 测量光束
132a 光栅结构
132b 光栅结构
154 猫眼反射器布置
170 颜色分束器

Claims (20)

1.一种用于将提供图像的基板的掩模结构成像在待结构化的基板上的微光刻投射曝光设备，包括测量装置，该测量装置构造为确定布置在所述基板之一的表面上的测量结构在关于所述基板表面的至少一个横向方向上相对于彼此的相对位置，以及由此同时测量关于彼此横向偏移地布置的多个测量结构。
2.根据权利要求1的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为同时测量整个基板表面上分布的测量结构的横向相对位置。
3.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为在所述待结构化的基板上进行横向位置测量。
4.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，用于所述测量结构的横向位置测量的所述测量装置构造为干涉测量装置。
5.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置包括至少两个反射元件，该至少两个反射元件用于将测量光反射回到所述测量结构上，该测量光通过在所述测量结构上的衍射而分成两个测量光束。
6.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置包括分束器，用于在测量光照射到待测量的所述基板前，将测量光分成具有不同传播方向的两个测量光束。
7.根据权利要求6的投射曝光设备，其中，所述分束器包括衍射光栅。
8.根据权利要求6或7的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为以关于待测量的基板表面的一角度，将所述测量光照射到所述分束器(70)上。
9.根据权利要求6至8中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为相干地叠加所述测量结构的、利用所述两个测量光束产生的图像。
10.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为从所述横向位置测量来确定所述基板表面上的失真，且所述投射曝光设备还包括曝光控制装置，该曝光控制装置构造为在曝光所述基板时，将局部成像比例动态地适配于所述失真。
11.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置还构造为同时在所述基板表面的多点处进行形貌测量。
12.根据权利要求11的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为使用第一波长的测量光进行横向位置测量，以及使用第二波长的测量光进行所述形貌测量。
13.根据权利要求12的投射曝光设备，其中，所述测量装置包括用作分束器的衍射光栅，所述分束器用于将所述第一波长的测量光分成两个测量光束，所述衍射光栅构造为使所述第二波长的测量光的至少90％通过所述衍射光栅而不被衍射。
14.根据权利要求13的投射曝光设备，其中，所述衍射光栅相对于所述第二波长的测量光的传播方向倾斜。
15.根据前述权利要求中任一项的投射曝光设备，其中，所述测量装置构造为在少于10秒内进行整个基板表面的测量。
16.一种用于将提供图像的基板的掩模结构微光刻地成像在待结构化的基板上的方法，包括下列步骤：
-通过同时测量多个测量结构关于彼此的横向偏移，确定布置在所述基板之一的表面上的测量结构在关于所述基板表面的至少一个横向方向上相对于彼此的相对位置；以及
-利用微光刻投射曝光设备，将所述掩模结构成像在所述待结构化的基板上，在曝光期间，基于横向位置测量而局部改变成像参数。
17.根据权利要求16的方法，其中，在所述基板的曝光期间，局部改变成像比例。
18.根据权利要求16或17的方法，其中，布置在所述基板上的所述测量结构包括不同周期的衍射光栅。
19.根据权利要求16至18中任一项的方法，其中，所述待结构化的基板被测量，且整个所述测量结构形成具有多个网格的网状结构，对于所述提供图像的基板的各自一次曝光，该多个网格围绕可结构化的产品区域。
20.一种用于测量基板的方法，其中，利用关于彼此横向偏移的多个测量结构的同时干涉测量，确定布置在所述基板的表面上的测量结构在关于所述基板表面的至少一个横向方向上相对于彼此的相对位置。
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