CN103869628B - 一种用于光刻设备的自参考干涉对准信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于光刻设备的自参考干涉对准信号处理系统，包括：激光光源模块，用于提供照明光束；光学模块，用于将来自标记衍射的光束进行光学处理，形成衍射光学信号；电子采集模块，用于将所述光学信号进行处理，获得光强信号；软件模块，用于对所述光强信号进行处理，并结合工件台位置数据，获得对准位置，消除光学噪声；其特征在于，所述电子采集模块中或者所述软件模块还包括一归一化处理单元。本发明综合利用两个光学通道中的光强信号，通过对对准信号进行归一化，提高对准信号的质量。消除或降低了照明光源的光强波动对信号的影响，提高了对准信号的质量。

Description

一种用于光刻设备的自参考干涉对准信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的自参考干涉对准信号处理系统。

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，如图1所示。对准的基本过程为：首先通过同轴对准系统9（即掩模对准系统），实现掩模标记3与位于运动台5上的基准板标记7之间的对准，然后利用离轴对准系统10（硅片对准系统），完成硅片对准标记6与工件台基准板标记7之间的对准（通过两次对准实现），进而间接实现硅片对准标记6与掩模对准标记3之间对准，建立二者之间的位置坐标关系。

专利EP1148390、US007564534和CN03133004.5给出了一种自参考干涉对准系统，如图2所示。该对准系统通过像旋转装置22，实现对准标记衍射波面的分裂，以及分裂后两波面相对180°的旋转重叠干涉，然后利用光强信号探测器27，在光瞳面处探测干涉后的对准信号，通过信号分析器28确定标记24的对准位置。该对准系统要求对准标记是180°旋转对称。像旋转装置22是该对准系统最核心的装置，用于标记像的分裂与旋转。在该技术方案中，由于照射到标记上的光强的波动（随时间的能量变化，主要由激光器输出光强的波动、相位调制和光强调制导致的能量波动、以及光路的稳定性、环境波动导致），该波动将直接影响信号的质量，导致对准误差。通常1%的波动可导致0.5nm的对准误差。在本发明中，这种照射到标记上的光强波动称之为光学噪声。

专利CN201210091145.8给出了一种消除光强波动的方法。如图3所示，图中各器件作用可参考该专利的原文，这里作为公知技术引入。该方案增加一额外光学通道用以探测零级光信号（图3中的通道B），零级光信号的波动反映了照射到标记上的光强波动。然后再利用探测到的零级光信号，通过归一化的方法，消除对准信号（通道A_1和A_2中信号）中光强波动导致的光学噪声。采用上述方案，虽然可以有效的消除照射到标记上的光强波动引入的光学噪声，但需要额外设计一个光路，增加了光学系统的复杂度和成本。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种新的消除自参考干涉对准系统光强波动的处理系统，以消除照射到标记上的光强波动引入的光学噪声，提高信号的质量，降低对准误差，同时降低光学系统的复杂度和成本。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种用于光刻设备的自参考干涉对准信号处理系统，包括：激光光源模块，用于提供照明光束；光学模块，用于将来自标记衍射的光束进行光学处理，形成衍射光学信号；电子采集模块，用于将所述光学信号进行处理，获得光强信号；软件模块，用于对所述光强信号进行处理，并结合工件台位置数据，获得对准位置，消除光学噪声；所述电子采集模块中或者所述软件模块还包括一归一化处理单元。

优选的，所述归一化处理单元的处理公式为：

式中，为归一化后的对准信号，为只包含高级光通道的光强信号，为包含零级光和高级光通道的光强信号；

；

；

其中，为对准匀速号扫描速度，为扫描时间，为标记初始位置，为标记的周期，为衍射的级次，N为进入光学通道的总衍射级次，可通过照明波长、光学系统的数值孔径和光阑调整。为反射光（零级光）光强，和为零级光在两个支路上的光强比例系数，且，；为第m级衍射光的光强，和为第m级衍射光A_1通道和A_2通道的光强比例系数，且和。

优选的，所述归一化处理单元包括加法运算电路和除法运算电路。

优选的，所述加法运算电路采用反向加法运算电路、同向加法运算电路；所述除法运算电路采用指数运算电路或减法运算电路和对数运算电路的串联实现。

优选的，所述归一化处理单元中，和通道的增益系数、相位延迟一致。

本发明综合利用两个光学通道中的光强信号，通过对对准信号进行归一化，提高对准信号的质量。消除或降低了照明光源的光强波动对信号的影响，提高了对准信号的质量。

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为光刻机掩模硅片对准流程示意图；

图2为现有光刻机自参考干涉对准系统结构示意图；

图3为现有自参考干涉对准信号处理系统结构示意图；

图4为本发明自参考干涉对准信号处理系统结构示意图；

图5为本发明第一实施例中电子采集模块中的信号归一化单元电路连接图；

图6为本发明信号归一化单元电路图；

图7为本发明信号归一化单元中加法电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图4所示，图4为本发明自参考干涉对准信号处理系统结构示意图，包括激光光源模块400、光学模块300、电子采集模块500、软件模块600。其中，激光光源模块400用于提供所需的照明光束。光学模块300用于将来自标记衍射的光束进行光学处理，形成光学信号。电子采集模块500用于处理光学信号，获得光强信号，该信号亦称之为原始光强信号。软件模块600用于处理光强信号，并结合工件台位置数据，经拟合处理，获得光强信号的一系列峰值位置，然后进一步确定标记的位置，该位置即为对准位置。本发明的实现需要同步采集工件台的位置数据，在图3中未示出，但不影响对本发明的理解和实现，具体可以参考在先专利CN200810033263.7、CN200710045495.X、CN200710044153.6、CN200710044152.1、CN200810035115.9、CN200810040234.3、CN200910052799.8、CN200910047030.7、CN200910194853.2、CN200910055927.4。

激光光源模块400包括第一激光器控制机箱402、第二激光器控制机箱403和多波长复用器401。其中第一激光器控制机箱402提供2个可见波长的激光光束，如532nm和633nm的激光光束，第二激光器控制机箱403提供2个红外波长的激光光束，如780nm和850nm的激光光束。其中，可见光照明光束需进行相位调制，以抑制寄生干涉，而两个红外光照明光束不进行相位调制。每一波长的激光光束均通过与其匹配的一根单模保偏光纤传输到多波长复用器401。多波长复用器401将4束不同波长的激光光束合为一束同轴的激光光束，然后通过光纤传输到光学模块。该同轴程度将影响对准精度。合束后激光光束被传输到光学模块300。

光学模块300包括照明光路、光学通道和多波长分路单元。照明光路包括照明单元306、第一偏振分束器304、1/4波带片305和前组透镜311。照明光路用于将照明光束导入到硅片标记、工件台标记或工件台基准板标记上。光学通道包括前组透镜311、1/4波带片305、第一偏振分束器304、第一1/2波带片302、自参考干涉仪301、第二1/2波带片308、第二偏振分束器309、A_1通道汇聚透镜312、A_2通道汇聚透镜313。不同波长混合在一起的衍射光经过光学通道后进入多波长分路单元，经多波长分路单元分离为不同波长的衍射光。多波长分路单元包括输入光纤、多波长分路器307和输出光纤，用于将光学信号导入电子采集模块500。

合束后的激光光束依次通过照明光路各组件后，垂直照射到标记上，产生衍射光束（也可称之为衍射波面），该衍射波面携带了标记的位置信息。衍射波面入射到光学通道中，依次通过前组透镜311、1/4波带片305和第一偏振分束器304，进入自参考干涉仪。在自参考干涉仪中，衍射波面将被分成等光强的两个波面（波面1和波面2），入射波面1逆时针旋转90度，而入射波面2顺时针旋转90度，二者相对旋转180度，重叠后发生干涉并射出。第二偏振分束器将重叠后的衍射波面进行偏振分束，分别分束到A_1和A-2光路中。在A_1和A-2通道中，一个通道包含零级光和各高级次光，另外一个通道只包含各高级次光。零级光分配在A_1通道或A_2通道，通过设计第二偏振分束器与衍射光的偏振特性可确定。不失一般性，这里设计为零级光分配在A_2通道中。A_1通道汇聚透镜和A_2通道汇聚透镜用于将该通道光束汇聚到多波长分路单元的输入光纤中。多波长分路器将输入的多波长混合光束进行单色分束，并通过输出光纤传输到电子采集模块。由于为4波长照明光束，一束输入光纤将对应四束输出光纤。输出光纤中的A_1通道和A_2通道各波长的光学信号将分别被传输到电子采集模块各个电学通道中。此外，光学模块中的1/4波带片305和各1/2波带片302、308用于调整光束的偏振态。

对准信号的归一化将利用通道A_1和A_2中的信号完成。在A_1通道和A_2通道中，获得光强信号分别为：

公式一

公式二

其中，为对准匀速号扫描速度，为扫描时间，为标记初始位置，为标记的周期，为衍射的级次，N为进入光学通道的总衍射级次，可通过照明波长、光学系统的数值孔径和光阑调整。为反射光（零级光）光强，和为零级光在两个支路上的光强比例系数，且，。为第m级衍射光的光强，和为第m级衍射光A_1通道和A_2通道的光强比例系数，且和。对准信号可通过A_1通道和A_2通道的光强信号归一化获得，归一化公式为：

公式三

考虑各非零级衍射光在A_1通道或A_2通道光强分配基本相等，即，以及。则：

公式四

式中即为输入光学模块的光强。当输入光强波动时，各非零级衍射光与同比例波动，二者相除即可消除波动引入的光学噪声。对准扫描时，对准信号的变化将由标记位置确定（确定了标记的位置），而不再受波动的影响。具体的实现可采用下述实施例给出的方案。

实施例1，在电子采集模块中实现光强信号的归一化，以消除照射到标记上光强波动引入的光学噪声。在电子采集模块中，增加如图5所示的信号归一化单元。对每一种波长两个通道信号，经光电转换器件转换为电信号后，然后通过信号归一化单元，实现公式四所述的归一化运算。在电路设计中，容易实现上述运算。如图6所示，通过一个加法电路和一个除法电路即可实现。加法电路可采用反向加法运算电路（图7所示）、同向加法运算电路。除法电路稍微复杂，但依然很容易实现，例如通过指数运算电路、减法运算电路和对数运算电路的串联实现。通过上述的信号归一化单元后，两个通道的信号合成为一个通道，同时消除了光强波动引入的光学噪声。

实施例2，在软件模块中实现光强信号的归一化，以消除照射到标记上光强波动引入的光学噪声。在软件模块中增加信号归一化单元，通过数字处理的方式，实现光强信号的归一化。首先在电子采集模块中，对两个通道的信号进行AD转换和采样，并输入到软件模块中。在软件模块中，很容易通过程序方式实现上述公式四所述的运算，获得归一化后的对准信号。

在实施例2中，通过编程的方式，实现归一化的方法更为灵活，但要求两通道中光强信号的增益系数、相位延迟都必须严格一致，否则难以有效的进行归一化。增益系数和相位延迟由前端的电子采集模块决定。故优选地，采用实施例1所述的方法，在电子采集模块实现光强信号的归一化处理。

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 (4)

1.一种用于光刻设备的自参考干涉对准信号处理系统，包括：

激光光源模块，用于提供照明光束；

光学模块，用于将来自标记衍射的光束进行光学处理，形成衍射光学信号；

电子采集模块，用于将所述光学信号进行处理，获得光强信号；

软件模块，用于对所述光强信号进行处理，并结合工件台位置数据，获得对准位置，消除光学噪声；

其特征在于，所述电子采集模块中或者所述软件模块还包括一归一化处理单元，所述归一化处理单元的处理公式为：

式中，为归一化后的对准信号，为只包含高级光通道的光强信号，为包含零级光和高级光通道的光强信号；

；

；

其中，为对准匀速扫描速度，为扫描时间，为标记初始位置，为标记的周期，为衍射的级次，N为进入光学通道的总衍射级次，可通过照明波长、光学系统的数值孔径和光阑调整；为反射光中零级光光强，和为零级光在两个支路上的光强比例系数，且，；为第m级衍射光的光强，和为第m级衍射光A_1通道和A_2通道的光强比例系数，且和。

2.如权利要求1所述的自参考干涉对准信号处理系统，其特征在于，所述归一化处理单元设置在所述电子采集模块中，包括加法运算电路和除法运算电路。

3.如权利要求2所述的自参考干涉对准信号处理系统，其特征在于，所述加法运算电路采用反向加法运算电路、同向加法运算电路；所述除法运算电路采用指数运算电路或减法运算电路和对数运算电路的串联实现。

4.如权利要求1所述的自参考干涉对准信号处理系统，其特征在于，所述归一化处理单元中，和通道的增益系数、相位延迟一致。