CN103163747B - 基于区域照明的小光斑离轴对准系统 - Google Patents

Abstract

一种新的小光斑离轴对准系统，采用区域照明的技术思路，其中照明光束的光轴与成像模块的光轴不在同一直线上，从而实现各标记分支的±1级干涉成像在不同的位置，即各自对应的参考子光栅上。

Description

基于区域照明的小光斑离轴对准系统

技术领域

本发明涉及光刻领域，特别涉及一种基于区域照明的小光斑离轴对准系统。

背景技术

在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置，即套刻精度。通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，对于100纳米的光刻机而言，套刻精度指标要求小于35nm。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一，而掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。当特征尺寸CD要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对准精度的要求变得更加严格，如90nm的CD尺寸要求10nm或更小的对准精度。

掩模与硅片之间的对准可采用掩模（同轴）对准＋硅片（离轴）对准的方式，即以工件台运动台基准板标记为桥梁，建立掩模标记和硅片标记之间的位置关系。对准的基本过程为：首先通过掩模对准系统，实现掩模标记与运动台基准板标记之间的对准，然后利用硅片对准系统，完成硅片标记与工件台运动台基准板标记之间的对准，进而间接实现硅片标记与掩模标记之间对准。

中国专利CN03164859.2和美国专利US.6,297,876 B1公布了一种硅片（离轴）对准系统。该对准系统采用包含两个不同线宽子光栅的对准标记（如8.0微米和8.8微米），通过探测两个子光栅的±1级光干涉像透过对应参考子光栅的光强信号，确定标记的粗对准位置。同时，对于8.0微米子光栅的高级光，采用楔板组分离技术，使得高级次光发生折转，成像在参考光栅不同的位置，亦即对应的参考子光栅上面，如图1所示。进而利用高级光信号，确定标记在粗对准基础上的精对准位置。在该技术方案中，照明光斑是完全覆盖标记的各个分支的，如图2所示（通常为700微米左右）。4个标记分支的±1级光无需偏折，就能够成像在参考光栅中心的各自对应的参考子光栅上。然而，照明光斑越大，越容易引入更多的噪声，影响对准的重复精度。如采用小光斑照明技术（照明光斑直径为60微米左右，如图3所示），对标记离焦和倾斜的敏感度可降低5倍，探测动态范围能提高10倍，标记的对准重复精度理论可达1.5nm，如ASML公司65nm技术节点的光刻机即采用了该离轴对准技术。关于小光斑对准系统，可参考文献《Advances in Phase-Grating-Based Wafer Alignment Systems》（Proc.of SPIE,2005,Vol.5752:948-960）。

采用小光斑照明时，由于照明光斑不能完全覆盖所有的标记分支，一次对准只能扫描一个分支，需要通过多次扫描来实现标记的粗对准和精对准。例如，如第一次扫描8.8-x向标记分支，获得8.8-x向的1级光信号；第二次扫描8.0-x向标记分支，获得8.0-的1级和高级光信号；然后利用两次获得的1级光信号，获得到粗对准位置；进而利用8.0-x向高级光信号确定精对准位置。具体的信号处理原理和对准位置计算方法，可参考在先专利CN200810033263.7、CN200710045495.X、CN200710044153.6、CN200710044152.1、CN200810035115.9、CN200810040234.3、CN200910052799.8、CN200910047030.7、CN200910194853.2、200910055927.4，这里作为在先技术引入。

同样，当采用小光斑照明时，由于照明光斑不能完全覆盖所有的标记分支，照射任一个标记分支都将成像在参考光栅中心位置(专利CN03164859.2和美国专利US.6,297,876 B1的技术方案中，照明光轴与成像光轴是重合的，如图3所示)，即8.0-x-1、8.0-y-1、8.8-x-1和8.8-y-1都成像在同一个位置。此时，参考光栅中心位置处的参考子光栅必须兼容上述4种成像。ASML采用了如图4所示的解决办法，参考光栅设计为菱形，菱形的对角线长为8.4微米，即8.0微米与8.8微米的折中考虑。采用该方法，无论是X方向对准扫描或是Y方向对准扫描，无论是8.0微米或8.8微米的标记分支的±1光干涉成像，该参考子光栅上均可兼容。采用图4所示的方法，虽然实现了4种标记分支成像的兼容，但降低了透过参考光栅的信号的对比度（相比条纹状参考子光栅，参见专利CN03164859.2和美国专利US.6,297,876 B1）。同时，参考光栅本质是对成像进行信号调制，要求参考光栅的周期与投影在其上的标记的干涉成像的周期一致，才能保证调制后获得良好的对准信号。采用图4方案，参考光栅的周期与标记所成像的周期显然是不一致的（8.0标记分支±1成像周期为8.0微米，8.8标记分支±1级光成像周期为8.8微米，而参考光栅为8.4微米），这将导致信号的变形，影响信号的精度，带来对准误差。

在本发明中，将采用一种新的方案，用于小光斑离轴对准系统。该对准方案采用区域照明的方法，即照明光束的光轴与成像模块的光轴不重合，标记的不同分支有各自独立的照明光轴，从而实现各标记分支的±1级干涉成像到各自对应的参考子光栅上，而不是均成像在参考光栅的中心。在本发明中，“照明光束的光轴”是指对准扫描时的照明光斑中心。照明光束的光轴与成像光轴的不重合，从而使得所照区域的标记成像不在参考光栅中心，而成像在对应的参考子光栅上。

在本发明中，所用的术语“对应参考子光栅”或“对应的参考子光栅”约定为：与被照明标记分支所成像的方向、周期均一致的参考子光栅，例如8.8-x的±1级光成像的周期为8.8微米、方向为X向，那么它所对应的参考子光栅即为R8.8-x-1st。

发明内容

本发明提出了一种用于光刻设备的对准系统，包括：提供对准照明光束的光源与照明模块；对对准标记进行成像的成像模块；参考光栅；采集透过参考光栅的光强信号并进行处理的信号采集处理模块；设置于硅片上的对准标记；承载硅片的运动台；采集承载硅片的工件台的位置信息，并与对准操作与管理模块进行同步谈判，规划运动轨迹，控制运动台的运动的位置采集与运动控制模块；和接收信号采集处理模块和位置采集与运动控制模块的信号的对准操作与管理模块，其中，所述的照明光束的光轴与成像模块的光轴不在一条直线上。

其中，所述的照明光束的尺寸小于对准标记分支的尺寸。

其中，所述的照明光束为一束或多束。

其中，所述的照明模块包括光束调节装置，用以调整光束的大小和光束的数量。

其中，所述的光束调节装置位于准直透镜与对准标记之间或准直透镜之后，准直透镜位于成像模块与对准标记之间。

其中，所述的光束调节装置为空间光调制器或空间滤波器。

其中，所述准直透镜为成像模块的前组透镜。

其中，照明光束的光轴与成像模块的光轴之间的距离等于对应参考子光栅中心到参考光栅中心的距离。

本发明给出了一种新的小光斑离轴对准系统，该对准方案采用区域照明的技术思路，通过光束调节装置实现各标记分支采用独立照明光斑，该照明光斑的中心与成像模块的光轴不重合，从而实现各标记分支±1级干涉成像在不同的位置，即各自对应的参考子光栅上。

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所示为现有技术的对准方案结构图；

图2所示为现有技术所用的照明光斑；

图3所示为采用小光斑技术时的照明光斑；

图4所示为针对小光斑照明，现有技术采用的解决方案；

图5本发明所用的对准系统结构框图；

图6所示为根据本发明的小光斑离轴对准的照明示意图；

图7所示为照明光斑对比图；

图8所示为双光斑偏轴对准照明示意图；

图9所示为四光斑偏轴对准照明示意图；

图10所示为光束调节装置位置1示意图；

图11所示为光束调节装置位置2示意图；

图12所示为空间滤波器结构示意图；

图13所示为空间光调制器多个独立可寻址像素示意图；

图14所示为空间光调制器计算机控制像素示意图。

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。

图5所示为根据本发明的对准系统的结构框图，该对准系统包括：光源与照明模块1、成像模块2、参考光栅3、信号采集与处理模块4、对准标记5、运动台7、位置采集与运动控制模块8以及对准操作与管理模块9。其中，对准标记5设置于硅片6上，光源与照明模块1提供照明光束照射到对准标记5上，形成携带标记信息的衍射光，衍射光通过成像模块成像到参考光栅3的表面上。位置采集与运动控制模块8采集承载硅片6的运动台7的位置信息，对这些位置信息进行处理后，传输到对准操作与管理模块9，并采用同步控制的方法，与对准操作与管理模块9进行同步谈判，规划运动轨迹，控制运动台7的运动。运动台7的运动使得对准标记5所成的像扫描参考光栅3并产生光强信号。信号采集与处理模块4采集光强信号，并对这些光强信息进行处理后，传输到对准操作与管理模块9。对准操作与管理模块9综合来自多个参考光栅的子光栅的光强信号和用以对准的位置信息，计算求取硅片6上的对准标记5的对准位置。

图6所示为根据本发明的小光斑离轴对准系统的结构示意图。照明光束的光轴a2（简称照明光轴，下同）与成像模块的光轴a1（简称成像光轴，下同）不在同一条直线上，照明光斑的尺寸小于标记分支的尺寸，照明光轴与成像光轴的距离等于对应参考子光栅与光栅中心的距离（参考光栅的中心位于成像光轴上）。采用上述方案，能够保证标记分支的±1级干涉成像在对应的参考子光栅上。具体地，图6中对准照明光束照射在标记分支8.0-y上，由于照射光斑的光轴偏离成像模块的光轴，标记分支8.0-y的±1级衍射光将会偏离参考光栅的中心位置成像在对应参考子光栅R8.0-y-1st上（工程实际中，应成像在以成像光轴为中心的180度对称位置，图中直接成像在同侧位置，仅为方便图示，但不影响本发明的有效性）。可以形象地理解为图7所示的大照明光斑（见专利CN03164859.2和美国专利US.6,297,876 B1所示的大光斑离轴对准系统），除了D1区域外，其余区域D的光束全部被遮挡，而D1区域照射的标记分支8.0-y的±1级光干涉成像在对应参考子光栅R8.0-y-1st上。

为了提高扫描效率，在做水平向对准扫描时（如X向扫描），可以同时采用双光束小光斑照明。如图8所示，两个照明光束有各自的照明光轴。此时，可一次性获得8.0-1和8.8-1级光信号。该方式即保留了小光斑照明技术引入噪声小，对准精度高的优点，又保证了对准的效率。进一步地，对角线扫描时，可以采用4光斑照明光束，如图9所示，以获得8.0-x-1、8.8-x-1、8.0-y-1和8.8-y-1级光信号。

光束大小和数量的调整通过照明模块内的光束调节装置实现。光束调节装置200可位于照明光束的准直透镜与标记之间（如图10所示），也可位于准直透镜之后（如图11所示）。在本发明中，照明光束的准直透镜与成像模块的前组透镜共用。

光束调节装置200可以采用空间滤波器、空间光调制器（Spatial Light Modulator, 简称SLM）或其它光学器件。对于空间滤波器，加工完成后，即变成了固定装置，调节的灵活性有限，如图12所示。可优选地采用空间光调制器，能够更灵活地控制光束的大小和数量。

空间光调制器，具有质量小，功耗低、无机械惰性等特点，目前广泛应用在成像显示、光束分束、激光束整形、相干波前调制和振幅调制等领域。电寻址液晶空间光调制器，利用外电压改变液晶分子指向达到控制液晶的双折射，从而实现对光波的调制作用。SLM的典型特征是它包括多个独立可寻址像素，每个像素由单个分立元件构成，能够用来调制入射其上的光波的振幅和相位，如图13所示。由于SLM可以方便的利用寻址电压进行控制，这使得SLM成为了一种对光波进行可编程的控制器件，可以方便实时地作为光源滤波器使用。例如，德国Holoeye公司生产的空间光调制器，透过率可达70%以上，单个像元尺寸在10微米以下，已满足光束调节的需要。

如图14所示，计算机将优化计算所得的光源调制信息装载到SLM的控制单元，该控制单元负责将振幅信息转化为对应的电压，并寻址加到对应的SLM每个像素S(x, y)上。

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 (7)

1.一种用于光刻设备的对准系统，包括：

提供对准照明光束的光源与照明模块；

对对准标记进行成像的成像模块；

参考光栅；

采集透过参考光栅的光强信号并进行处理的信号采集处理模块；

设置于硅片上的对准标记；

承载硅片的运动台；

采集承载硅片的工件台的位置信息，并与对准操作与管理模块进行同步谈判，规划运动轨迹，控制运动台的运动的位置采集与运动控制模块；

和接收信号采集处理模块和位置采集与运动控制模块的信号的对准操作与管理模块，其特征在于：

所述的照明光束的光轴与成像模块的光轴不在一条直线上，所述的照明光束的尺寸小于对准标记分支的尺寸。

2.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于：所述的照明光束为一束或多束。

3.根据权利要求2所述的对准系统，其特征在于：所述的照明模块包括光束调节装置，用以调整光束的大小和光束的数量。

4.根据权利要求3所述的对准系统，其特征在于：所述的光束调节装置位于准直透镜与对准标记之间或准直透镜之后，准直透镜位于成像模块与对准标记之间。

5.根据权利要求4所述的对准系统，其特征在于：所述的光束调节装置为空间光调制器或空间滤波器。

6.根据权利要求5所述的对准系统，其特征在于：所述准直透镜为成像模块的前组透镜。

7.根据权利要求1-6中任意一个所述的对准系统，其特征在于：照明光束的光轴与成像模块的光轴之间的距离等于对应参考子光栅中心到参考光栅中心的距离。