CN103197518B - 一种对准装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种对准装置，包括：光源；用于承载硅片的工件台，可6自由度精确定位；具有硅片对准光栅的硅片；反射镜，使所述光源发出的光入射到所述硅片对准光栅上并遮挡由所述硅片对准光栅衍射的0级光；投影系统，可收集由硅片对准光栅衍射的非0级光，并投射到参考光栅上；其上具有参考光栅的参考标记板，所述参考光栅对经由所述投影系统的非0级光进行再次衍射；用于收集由参考光栅透过的衍射光所形成的干涉条纹的图像的面阵探测器；图像抓取和信号处理系统，从探测器获取干涉条纹图像并对其进行信号处理。

Description

一种对准装置和方法

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及用于投影式光刻机的对准装置及对准方法。

背景技术

目前，光刻设备的对准系统多采用两种方式，一种是基于光栅衍射的扫描探测方式，一种是基于成像的静态探测方式。两种方式各有优劣，光栅衍射方式分辨率较高，特别是利用较高级次的衍射光进行探测，但由于是扫描探测，对工件台的运动控制精度提出了很高的要求，且衍射高级次光的能量较低，探测上有一定难度。成像探测方式原理、结构较为简单，但其精度依赖于面阵探测器的分辨率。

现有采用光栅衍射、扫描探测方式进行硅片对准，其基本原理是入射光辐射到硅片对准光栅上发生衍射，通过4f光学系统将衍射光收集，利用楔板组将不用衍射级次的光进行分离，并令+/-n级次光相干形成干涉条纹，干涉条纹的相位反映了硅片对准光栅的位置，令干涉条纹与同周期的固定参考光栅进行相位比较，从而确定对准光栅的位置。由于该系统为了能利用分立两个波长的色光进行探测，引入了偏振分束棱镜，为了分离不同衍射级次的光，引入了楔板组，且对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高，所以其结构较为复杂，加工、装调难度较大；其次该系统的多级衍射光在像面干涉，在对准标记反射率不均匀时，标记旋转、倍率误差等因素导致的对准误差较大；最后由于是在工件台运动中探测，对工件台的运动性能提出了比较高的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种对准装置，该对准装置包括：

光源；

用于承载硅片的工件台，可6自由度精确定位；

具有硅片对准光栅的硅片；

反射镜，使所述光源发出的光入射到所述硅片对准光栅上并遮挡由所述硅片对准光栅衍射的0级光；

投影系统，可收集由所述硅片对准光栅衍射的非0级光，并投射到参考光栅上；

参考标记板，具有所述参考光栅，所述参考光栅对经由所述投影系统的非0级光进行再次衍射；

面阵探测器，用于收集由所述参考光栅再次衍射的非0级光所形成的干涉条纹的图像；

图像抓取和信号处理系统，从所述面阵探测器获取干涉条纹图像并对其进行信号处理。

其中，硅片对准光栅和参考光栅均包括周期分别为p1和p2的两个子光栅，且p1<p2。

其中，硅片对准光栅为周期为p2的光栅，参考光栅包括周期分别为p1和p3的两个子光栅，且p1<p2<p3。

其中，硅片对准光栅包括粗光栅和周期分别为p1、p3的子光栅，且p1<p3，粗光栅的周期等于p1p3/2|p1-p3|；参考光栅为田字格的二维光栅，所述二维光栅在X方向、Y方向的周期均为p2，且 p1<p2<p3。

其中，在所述田字格二维光栅外围的X、Y方向上各有一个用于捕获的方孔。

其中，所述面阵探测器为CCD或者CMOS。

其中，所述光源具有多个可发出不同波长光的激光束和选通装置，可选择不同波长的光进行照明。

其中，所述对准装置还包括一镜头，设置于所述参考标记板与所述面阵探测器之间，用于对干涉条纹进行放大，以控制在面阵探测器上成像的干涉条纹的数目。

本发明还提出了一种对准方法，从光源入射到硅片对准光栅上产生的非0级衍射光以θ₁的出射角进入投影系统，0级衍射光被反射镜遮挡无法入射至所述投影系统；经过所述投影系统的非0级衍射光仍以θ₁的入射角辐射到参考光栅上，非0级衍射光经由所述参考光栅再次衍射后以θ₂角度出射，出射光束在交会处产生干涉，形成干涉条纹，经镜头成像到面阵探测器表面，所述面阵探测器采集条纹图像，干涉条纹的周期由下式确定：

P_im = p1*p2/2|p1-p2|                                                        (1)；

根据干涉条纹间的相位信息确定硅片对准光栅的对准位置，若未对准，则硅片台带动硅片运动，运动位移与干涉条纹之间相对相位变化的关系为：

                                                     (2)。

本发明的对准装置，入射光可以从两层光栅之间引入，不需要先经过参考光栅，减小了光强损失；导入入射光的反射镜同时还可以直接阻挡硅片对准光栅0级反射光的通过，可以提高探测灵敏度；为减小光源对于对准性能的影响，采用多种波段的光源照明，提高了工艺适应性；干涉条纹形成过程中，工件台不运动，采用面阵探测器一次性采集所有干涉条纹的图像，因而降低了对工件台性能的要求；以及，当参考光栅采用田字格二维光栅时，一套对准装置就可以进行X、Y两个方向的对准。

附图说明

图1所示为投影式光刻设备的结构示意图；

图2所示为根据本发明的对准装置的第一实施方式的结构示意图；

图3所示为根据本发明的第一实施方式的对准装置所采用的硅片对准光栅和参考光栅的子光栅的结构示意图； 

图4所示为根据本发明的第一实施方式的对准装置所采用的硅片对准光栅和参考光栅的结构示意图及对准原理图；

图5所示为根据本发明的第一实施方式的对准捕获原理；

图6所示为根据本发明的第一实施方式的对准的过程；

图7所示为根据本发明的第二实施方式的对准装置所采用的硅片对准光栅和参考光栅的结构示意图；

图8所示为根据本发明的第三实施方式的对准装置所采用的硅片对准光栅和参考光栅的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

在投影式光刻领域，硅片对准多采用离轴对准的方式，硅片与掩模的位置关系通过工件台基准板上的对准标记作为过渡参考间接获取，即先分别确定硅片和掩模在工件台坐标系下的位置，然后间接获得硅片、掩模之间相对位置关系。其中，硅片在工件台坐标系下的位置的确定，即硅片对准，更为复杂，需要通过参考标记来建立。因此，将硅片对准标记（即工件台对准标记）与参考标记进行对准成为问题的关键。

第一实施方式

图1所示为投影式光刻设备的结构示意图。图中示出了硅片对准系统在光刻设备中所处的位置。该光刻设备包括：用于提供曝光光束的照明系统；用于支承掩模版的掩模台，掩模版上有掩模图案和用于对准的标记RM；用于将掩模版上的掩模图案投影到硅片上的投影光学系统；用于支承硅片的工件台，工件台上有刻有基准标记FM的基准板，硅片上有用于对准的周期性标记（即下述的硅片对准光栅）；用于掩模和硅片对准的离轴对准系统。掩模台和工件台都由高精度伺服系统驱动。

图2所示为根据本发明的对准装置的一个实施方式。该对准装置包括：

工件台1，用于承载硅片，并可6自由度精确定位。

硅片2，具有硅片对准光栅3，可为一维线性光栅，或带有精细结构线性光栅。

投影系统4，采用物镜，收集由硅片对准光栅衍射的+1，-1级光，并投射到参考光栅上，物镜NA（数值孔径）的选取使得只有+1、0、-1级衍射光被镜头收集，高级次的衍射光不会被收集。

参考标记板5，具有参考光栅，所述参考光栅为一维线性光栅，标记板5位置固定。

面阵探测器9，通常为CCD或者CMOS，用于收集由参考光栅透过的衍射光所形成干涉条纹的图像。

光源选通装置6，多个激光束提供空间相干的准直激光束，如λ1，λ2，λ3，通过光源选通装置6选择不同光源照明。硅片的不同工艺层对不同波长光的反射率有所不同，通过选取反射率较高的光源照明，以提高干涉条纹图像的对比度，达到增强工艺适应性的目的。

镜头7，用于将形成的干涉条纹以一定倍率，例如10x，成像于面阵探测器9表面。可以控制在面阵探测器9上成像的干涉条纹的数目，提高对干涉条纹的分辨能力。

反射镜8，反射来通过光源选通装置6的激光束，例如λ1，λ2，或λ3，使其约垂直入射到硅片对准光栅3上，同时遮挡经硅片对准光栅3衍射后反射回来的0级光。

图像抓取和信号处理系统10，从探测器获取干涉条纹图像，并进行信号处理。

图3所示为硅片对准光栅和参考光栅的子光栅的结构示意图。硅片对准光栅和参考光栅均具有周期分别为p1和p2的两个子光栅。周期p1和p2相差不大，例如可以是1um和1.05um。

对准所用干涉条纹的形成过程为：在图2中，激光束入射到硅片对准光栅p1上，+1、-1级衍射光以出射角为θ₁，进入物镜4，0级光被遮挡，高级次的衍射光不能进入物镜4；物镜4的倍率为1，经过物镜4的+1、-1级衍射光仍以θ₁的入射角辐射到参考标记板5的参考光栅上，硅片对准光栅3和参考光栅周期略有不同，于是+1级入射光的-1级衍射光，-1级入射光的+1级衍射光会以一个很小的角度θ₂出射，出射光束在交会处产生干涉，形成干涉条纹，-1级入射光的+1级衍射光，+1级入射光的-1级衍射光亦会以一个很小的角度θ₂出射，出射光束在交会处产生干涉，形成干涉条纹，经镜头7成像到面阵探测器9表面，面阵探测器9采集干涉条纹的图像。干涉条纹的周期由下式确定：

P_im = p1*p2/2|p1-p2|                                                        (1)

可以看到，干涉条纹不受照明光波长影响（即不受激光束λ1，λ2，或λ3值的影响）。且由于p1与p2相差较小（P1/＜P2），所以干涉条纹相对于p1和p2有较大的放大效果。于本实施例中，2/3＜P1/P2＜1，例如，p1和p2分别取为1um和1.05um，则干涉条纹周期为10.5um。

另外，可以看到θ₂非常小，例如小于1度，因此镜头7的NA可以很小，它相当于1个低通滤波器，起到滤除杂散光的作用。

以及，在上述干涉条纹形成过程中，工件台不运动，由面阵探测器一次采集所有干涉条纹的图像，因而可降低对工件台性能的要求。

图4所示为硅片对准光栅和参考光栅的结构及对准原理示意图。在硅片对准光栅中子光栅p1与p2并排设置，在参考光栅中p1和p2以与硅片对准光栅中相反的方式并排设置，在精确对准时，参考光栅位于硅片对准光栅的正上方，从而，硅片对准光栅中的子光栅p1的正上方为参考光栅的子光栅p2，硅片对准光栅中的子光栅p2的正上方为参考光栅的子光栅p1。如上文所述，激光束经过对准光栅及参考光栅两次衍射后产生两组周期相同的干涉条纹，如图4最右图所示，周期由式（1）确定。并且硅片对准光栅与参考光栅的相对移动会引起干涉条纹彼此反方向运动。且运动位移与干涉条纹之间相对相位变化的关系为：

                                                     (2)

在图2中，这两组干涉条纹都成像到探测器上，图像由FG（Frame Grabber）抓取，存储在计算机中，在后续处理单元（PU，Processing Unit）中，可以应用各种信号处理算法提取两组干涉条纹之间的相位信息，以确定硅片对准光栅的对准位置。例如可以定义两组光栅（即硅片对准光栅与参考光栅）相位差为0的位置为对准位置。

图5所示为对准捕获的原理示意图。在硅片上捕获所用的捕获光栅与对准光栅并排放置，在参考标记板上，捕获所用的捕获光栅与参考光栅并排放置，对准时成像在同一CCD上，从而形成了图6所示的CCD面的图像，最上一层的条纹图案用于捕获，下两层的干涉条纹图案比较相位偏差用于对准。捕获光栅是周期与干涉条纹周期P_im相等的n条粗光栅（图5中显示为4条），参考标记板上的对应区域为透明方形通孔，它们在探测器上成像如图5最右图所示。可以通过粗光栅所成条纹图像的中心位置x1与方孔成像的中心位置x2对比，确定硅片粗对准的位置。

图6所示为对准（即精对准）过程的示意图。在粗对准位置确定后，将干涉条纹对齐，并将其与粗光栅位置对齐，此位置即为硅片对准位置。

对准的过程由图5和图6所显示的两个步骤构成，首先根据粗光栅和方孔在探测器上所成图像确定其中心位置，再将两者的中心位置对齐以确定粗对准位置；然后根据图4所示对准光栅在探测器上形成的干涉条纹，将两组干涉条纹对齐并与粗光栅的位置对齐，确定精确对准位置。

第二实施方式

在第一实施方式中，硅片对准光栅和参考光栅设计成采用互补的子光栅p1和p2，其好处是：当它们相对移动时，所形成的干涉条纹会相对运动，提高了探测灵敏度。图7所示为根据本发明的第二实施方式所用的硅片对准光栅和参考光栅的结构示意图。在本实施方式中，硅片对准光栅为统一的周期为p2的线性光栅，参考光栅具有周期分别为p1和p3的两个子光栅，p1、p3与p2略有不同，且p1<p2<p3，于本实施例中，2/3＜P1/P2＜1，2/3＜P2/P3＜1，例如，p1、p2、p3分别为0.95um、1um、1.05um。同样，激光束经过（p2、p1）及（p2、p3）衍射后，形成两组干涉条纹，条纹周期为P_im = p1*p2/2(p2-p1)和P_im’ = p3*p2/2(p3-p2)，选择合适p1、p3，使两干涉条纹周期相等或接近。在硅片对准光栅相对参考光栅移动时，面阵探测器表面的两组干涉条纹也会相对移动，以两组干涉条纹相位差为0的位置为对准位置，通过粗对准将上下两层光栅的位置对到精对准范围内，对应的干涉条纹相位差进入半个条纹周期的范围，然后通过干涉条纹相位的提取比较确定精对准位置。这种光栅结构布置的好处是简化了硅片上的对准标记。本实施方式中的粗对准过程与第一实施方式中的相同，也是采用图5所示的方法实现的，具体内容参见第一实施方式。

第三实施方式

第一实施方式和第二实施方式的每套探测系统只能进行一个方向的对准（X方向或者Y方向），所以对准系统中必须至少包含2个探测系统，分别进行2个方向的对准。图8所示为根据本发明的第三实施方式所用的硅片对准光栅和参考光栅的结构示意图。本实施方式可以进行X、Y两个方向对准。在硅片对准光栅中，粗光栅和对准光栅p1，p3并排放置，p1和p3相差很小的周期，例如0.95um和1.05um，粗光栅的周期等于p1p3/2|p1-p3|。参考光栅为类似田字格的二维光栅，X方向、Y方向的周期均为p2，p2的周期在p1与p3之间，例如1um；在田字格光栅外围，X、Y方向上各有一个用于粗对准的方孔。对准时，以X方向为例，先从面阵探测器上分别确定硅片粗光栅和参考光栅的方孔在X方向的中心位置，将其对齐，以此为粗对准位置；然后将p1、p2形成的干涉条纹以及p3、p2形成的干涉条纹依次与粗光栅对齐。干涉条纹周期为P_im = p1*p2/2(p2-p1)和P_im’ = p3*p2/2(p3-p2)，选择合适p1、p3，使两干涉条纹周期相等或接近。由于干涉条纹与粗光栅像的周期相同，细微移动工件台，将干涉条纹对齐，即条纹相位差为0，以此位置为精对准位置。本实施方式中的粗对准过程与第一实施方式中的相同，也是采用图5所示的方法实现的，具体内容参见第一实施方式。在X向对准后，进行Y向对准，对准方法同X向相同。

由于本实施方式可用于X、Y两个方向上的对准，因此一套探测系统即可分别完成X、Y方向对准，简化了对准系统的结构。

此处须特别说明的是，在本发明的其他实施例中，可根据实际设计需要选取物镜NA及孔径光阑使得更高级次的衍射光被镜头收集，例如使+3、-3级衍射光被镜头收集，或+5、-5级衍射光被镜头收集，或+7、-7级衍射光被镜头收集，其对准原理与上述实施例相同，在此不再以图示方式进行详细阐述。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，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 (6)

1. 一种对准装置，包括：

光源；

用于承载硅片的工件台，可6自由度精确定位；

具有硅片对准光栅的硅片；

反射镜，使所述光源发出的光入射到所述硅片对准光栅上并遮挡由所述硅片对准光栅衍射的0级光；

投影系统，可收集由所述硅片对准光栅衍射的非0级光，并投射到一参考光栅上；

参考标记板，具有所述参考光栅，所述参考光栅对经由所述投影系统的非0级光进行再次衍射；

面阵探测器，用于收集经由所述参考光栅再次衍射的非0级光所形成的干涉条纹的图像；

图像抓取和信号处理系统，从所述面阵探测器获取所述干涉条纹图像并对其进行信号处理；

其中，所述硅片对准光栅和所述参考光栅均包括周期分别为p1和p2的两个子光栅，且p1<p2，所述硅片对准光栅的两个子光栅并排设置，所述参考光栅的两个子光栅以与硅片对准光栅中相反的方式并排设置；或者

所述硅片对准光栅为周期为p2光栅，参考光栅包括周期分别为p1和p3的两个子光栅，且p1<p2<p3，所述参考光栅的两个子光栅并排设置；或者

所述硅片对准光栅包括粗光栅和周期分别为p1、p3的子光栅，p1<p3，所述硅片对准光栅的两个子光栅并排设置，所述粗光栅的周期等于p1p3/2|p1-p3|；所述参考光栅为田字格的二维光栅，所述二维光栅在X方向、Y方向的周期均为p2，且p1<p2<p3。

2.根据权利要求1所述的对准装置，其中，在所述田字格光栅外围的X、Y方向上均设置有一个用于粗对准的方孔。

3.根据前述任一权利要求所述的对准装置，其中，所述面阵探测器为CCD或者CMOS。

4.根据权利要求1所述的对准装置，其中，所述光源具有多个可发出不同波长光的激光束和选通装置，可选择不同波长的光进行照明。

5.根据权利要求1所述的对准装置，还包括一镜头，设置于所述参考标记板与所述面阵探测器之间，用于对所述干涉条纹进行放大，以控制在所述面阵探测器上的干涉条纹的数目。

6.一种用于权利要求1-5中任意一个对准装置的对准方法，从光源入射到硅片对准光栅上产生的非0级衍射光以θ₁的出射角进入投影系统，0级衍射光被反射镜遮挡无法入射至所述投影系统；经过所述投影系统的非0级衍射光仍以θ₁的入射角辐射到参考光栅上，非0级衍射光经由所述参考光栅再次衍射后以θ₂角度出射，出射光束在交会处产生干涉，形成干涉条纹，经镜头成像到面阵探测器表面，所述面阵探测器采集干涉条纹图像，干涉条纹的周期由下式确定：

P_im = p1*p2/2|p1-p2|                                                        (1)；

根据干涉条纹间的相位信息确定硅片对准光栅的对准位置，若未对准，则硅片台带动硅片运动，运动位移与干涉条纹之间相对相位变化的关系为：

                                                     (2)。