CN104133350B - 用于光刻设备的对准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的对准系统，其特征在于，包括：光源模块，所述光源模块用于提供照明光束；照明模块，所述照明光束经所述照明模块并经过一数字微镜器件，所述数字微镜器件用于形成与所述对准标记匹配的参考光栅；成像模块，经过数字微镜器件的光束经过成像模块和参考光栅后入射到对准标记面，所述参考光栅受所述对准标记调制后光束发生干涉形成莫尔条纹，所述成像模块收集携带莫尔条纹的光强信号的干涉光；探测模块，探测所述莫尔条纹的光强信号并根据所述光强信号确定对准位置信息。

Description

用于光刻设备的对准系统和方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的对准系统和方法。

背景技术

目前光学光刻技术已达到22nm工艺节点，这对套刻精度提出了更高的要求，而作为投影光刻机核心部件之一的硅片及掩模对准分系统，其对准精度是影响套刻精度的关键因素，而对准速度、效率以及对准技术的灵活性亦将直接影响光刻机的另一关键指标——产率。

所谓对准，是指建立掩模与硅片之间精确的相对位置关系。对准技术，一般包括照明系统、成像系统、标记、信号探测和处理等四个部分。通过已公开的相关专利及科技文献可知，光刻对准技术已从早期的明、暗场对准（GCA）发展到最新的同轴、离轴搭配，粗、精对准混合的高精度光栅衍射对准技术。如ASML公司采用TIS对准（同轴对准）+ATHENA对准（离轴）间接实现掩模与硅片的对准，而Nikon公司则根据工艺侧重点的不同，开发出FIA、LSA以及LIA等混合型光栅对准技术。这类对准技术的共性在于均采用位相光栅标记以取代早期的光度式对准标记以提高信噪比，并根据需要优化选择明场、暗场或相衬技术以提高对准技术的工艺适应性。

不过，用于对准系统的光栅标记有很多类型，如XPA、SPM等，不同的光刻机制造商、不同产品型号、不同的对准系统、采用不同的对准标记，无法相互兼容，且一旦安装完毕，如参考光栅，即使存在安装或制造误差，亦无法更改，缺乏必要的灵活性与兼容性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种实时可重构式离轴光栅对准系统和方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻设备的对准系统，其特征在于，包括：光源模块，所述光源模块用于提供照明光束；照明模块，所述照明光束经所述照明模块并经过一数字微镜器件，所述数字微镜器件用于形成与所述对准标记匹配的参考光栅；成像模块，经过数字微镜器件的光束经过成像模块和参考光栅后入射到对准标记面，所述参考光栅受所述对准标记调制后光束发生干涉形成莫尔条纹，所述成像模块收集携带莫尔条纹的光强信号的干涉光；探测模块，探测所述莫尔条纹的光强信号并根据所述光强信号确定对准位置信息。

更进一步地，所述光源模块包括第一光源模块和第二光源模块，所述第一光源模块用于提供第一波长光束，所述第二光源模块用于提供不同于第一波长的第二波长光束，两种波长光束均通过各自的照明模块和数字微镜器件后一同进入共同的成像模块，每个数字微镜器件分别形成各自的参考光栅，每个波长的光束形成各自的莫尔条纹后被成像模块收集再分别进入各自的探测模块。

更进一步地，所述照明模块沿光束传播的方向依次包括扩束准直元件、反射镜。

更进一步地，所述成像模块沿光束传播的方向依次包括偏振分光棱镜和一投影物镜。

更进一步地，所述激光光源为635nm红色激光光源和532nm绿色激光光源。

更进一步地，所述反射镜为20度入射角控制反射镜。

本发明同时公开一种采用上述的用于光刻设备的对准系统的对准方法，其特征在于，将所述参考光栅的位相沿所述对准标记的光栅栅距方向进行平移调制，形成所述莫尔条纹后，根据所述平移信息和光强信号进行最小二乘法拟合以确定对准位置信息 。

与现有技术相比较，本发明提供了一种具有实时可重构性的光刻投影装置的对准系统，可根据不同对准场景、对准方案以及对准光栅标记的需求，实时在线重构与之匹配的参考光栅，将传统对准过程中的机械物理扫描动作，转化为对应参考光栅标记的实时重构过程，以通过莫尔条纹等光强信号检测实现对应目标对准位置的测量，进而提高了对准系统的柔性、通用性以及对准效率，有助于提高光刻投影装置的产率。

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是本发明所示出的含有的数字微镜器件的光刻投影系统的结构示意图；

图2是本发明所示出的X方向数字微镜器件产生的参考光栅图案与目标光栅扫描过程示意图；

图3是本发明所示出的基于双波长对准的数字微镜器件光栅对准系统示意图；

图4是双波长对准不同象限内光栅标记的扫描示意图。

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光栅对准系统和方法。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向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。

由于现有技术中，用于对准系统的光栅标记有很多类型，如XPA、SPM等，不同的光刻机制造商、不同产品型号、不同的对准系统、采用不同的对准标记，无法相互兼容，且一旦安装完毕，如参考光栅，即使存在安装或制造误差，亦无法更改，缺乏必要的灵活性与兼容性。对此，本发明提供一种具有实时可重构性的光刻投影装置的对准系统，可根据不同对准场景、对准方案以及对准光栅标记的需求，实时在线重构与之匹配的参考光栅，将传统对准过程中的机械物理扫描动作，转化为对应参考光栅标记的实时重构过程，以通过莫尔条纹等光强信号检测实现对应目标对准位置的测量，进而提高了对准系统的柔性、通用性以及对准效率，有助于提高光刻投影装置的产率。

以下将结合图1至图4将介绍本发明所提供的具有数字微镜器件（DMD）的光刻投影系统的具体实施方式。

图1 概略示意本发明基于DMD的实时可重构式光栅离轴对准系统在整个光刻投影装置中的布局。如图1中所示，1为照明光学系统，2为掩模台，3为掩模版，4为物镜，5为硅片，6为工件台，7为工件台基准板，8为光栅对准标记。基于DMD的光栅对准系统为离轴式对准结构，主要包括投影透镜9，反射镜10，分光棱镜11，会聚透镜12， 莫尔条纹检测器13，DMD芯片及其驱动电路板14，激光器15，扩束准直光路16，20度角入射角控制反射镜17，参考光栅实时重构单元18。

图1中14所示数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device, DMD），是一种全数字化、反衍混合型二维空间光调制器（SLM）。该DMD具有高分辨率（每个微镜表示一个像素，单个微镜尺寸为10.8µm×10.8µm），快速响应速度（刷新频率可以达到9700~40000 frame/s），高对比度（对比度可达2000:1以上），高填充比（90%以上），以及较宽的光波长适应性（400nm~700nm之间光反射率超过95%以上）。

根据DMD的反衍混合特性和夫琅和费衍射定律可知，当DMD的所有微镜均处于开态时，它相当于一闪耀光栅，而闪耀光栅是一种相位光栅，可对入射光的相位产生锯齿形调制，故可通过控制DMD中指定微镜的开关，在空间形成载有特定位相信息的参考光栅。

图2为X方向DMD产生的参考光栅图案与目标光栅扫描过程示意图。如图2中示，20为固定的光栅对准标记，21为由DMD实时重构产生的相移参考光栅。

会聚如图1中所示，波长为635nm（红光）或532nm（绿光）单色激光器15经过匀光、扩束准直光路16，并通过反射镜17形成与DMD芯片的微镜阵列平面法线成20度角的入射光并均匀照亮整个DMD芯片的微镜阵列；参考光栅实时重构控制单元18基于二进制脉宽调制技术（PWM）对不携带任何信息的入射光束进行DMD的位相调制，并通过精缩光路即投影透镜9在光栅对准标记8所在的参考面上投射出携带有位相信息的参考光栅。

根据干涉原理，参考光栅受参考面上的光栅对准标记的调制可形成用于精确测量的莫尔条纹信号。以X向扫描为例，莫尔条纹检测器13探测所得到的光强信号可以用一下模型进行拟合：

（1）

由于方程（1）中存在A、B、DC三个未知量，因此需要采用相移技术。

传统的离轴对准技术，采用由干涉仪控制的工件台带动硅片面或工件台基准板上的反射光栅在对准期望位置附近沿栅距方向做精密的可控扫描运动，记录N次测量的位置数据和光强数据，并通过最小二乘法求解Fit参数A、B和DC。

不过，这种以工件台机械扫描运动为基础的相移技术，对工件台的定位精度、稳定性、运动速度、加速度有着较为严苛的要求。为此，本发明提出通过DMD的实时调制，控制参考光栅的位相在参考位置附近沿光栅栅距方向移动相对位移和光强数据 ，进而可通过最小二乘法求解Fit参数A、B和DC，并最终获得对应的对准位置，避免了对准过程中的频繁工件台运动，有望提高产率，并降低对信号同步采集的要求。

本发明所公开的具有数字微镜器件的对准系统的对准流程如下：

首先，根据硅片5（或工件台基准板8）上的对准标记位置，计算离轴对准时的工件台期望位置；

（2）

其中,

：为硅片的旋转膨胀矩阵（或基准板的旋转倍率矩阵）；

：为硅片标记名义位置（或工件台基准板上的标记名义位置）；

：为硅片（或工件台基准板的平移量）；

：为工件台旋转矩阵；

：为OA光轴的位置；

：对准清零误差。

第二步、将工件台移至对准期望位置；

第三步、由DMD构建与对准光栅标记匹配的参考光栅；

第四步、硅片（或工件台基准板上）的光栅标记位置保持不变，通过

DMD对参考光栅的位相进行x向平移调制，获取相对参考位置信息和光强数据,通过最小二乘法拟合获取最终的标记对准位置的X分量；

第五步、在DMD中心参考位置附近，通过DMD对参考光栅的位相进行Y向平移调制，获取相对参考位置信息和光强数据,通过最小二乘法拟合获取对准位置的分量；最后、获取最终的标记对准位置。

为了提高上述对准系统的工艺适应性，可在对准光路中同时引入分别由635nm红光与532nm绿光照明的DMD光栅调制系统，并与光栅标记23内的对应象限光栅同时产生相应波长的莫尔条纹信号。图3是本发明所示出的基于双波长对准的数字微镜器件光栅对准系统的结构示意图。如图3中所示，该双波长对准系统包括：光栅对准标记23，投影物镜24，偏振分光棱镜25，红光反射镜26、27，红光会聚透镜28，红光莫尔条纹检测器29，红光DMD芯片及其驱动电路板30，红光20度入射角控制反射镜31，红光扩束准直光路32，635nm激光器33；绿光反射镜34、35，绿光会聚透镜24、绿光莫尔条纹检测器36，绿光DMD芯片及其驱动电路板37，绿光20度入射角控制反射镜38，绿光扩束准直光路39，532nm激光器40。

图4为双波长对准不同象限内对准光栅标记的扫描示意图。图中40为X方向绿光，41为X方向红光，42Y方向绿光，43为Y向红光。

具体的对准流程如下：

（1）根据方程（2）计算硅片或基准板上对应光栅标记的对准期望位置；

（2）将工件台移至目标期望位置；

（3）由不同波长的DMD分别构建与目标光栅匹配的参考光栅；

（4）由获取的红光波长及绿光波长对应的X向对准位置，计算最终的光栅对准位置X分量；

（5）由获取的红光波长及绿光波长对应的Y向对准位置，计算最终的光栅对准位置Y分量；

(6)获取标记的最终对准位置。

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 (6)

1.一种用于光刻设备的对准系统，其特征在于，包括：

光源模块，所述光源模块用于提供照明光束；

照明模块，所述照明光束经所述照明模块并经过一数字微镜器件，所述数字微镜器件用于形成与所述对准标记匹配的参考光栅；

成像模块，经过数字微镜器件的光束经过成像模块和参考光栅后入射到对准标记面，所述参考光栅受所述对准标记调制后光束发生干涉形成莫尔条纹，所述成像模块收集携带莫尔条纹的光强信号的干涉光；

探测模块，探测所述莫尔条纹的光强信号并根据所述光强信号确定对准位置信息；

其中，

所述光源模块包括第一光源模块和第二光源模块，所述第一光源模块用于提供第一波长光束，所述第二光源模块用于提供不同于第一波长的第二波长光束，两种波长光束均通过各自的照明模块和数字微镜器件后一同进入共同的成像模块，每个数字微镜器件分别形成各自的参考光栅，每个波长的光束形成各自的莫尔条纹后被成像模块收集再分别进入各自的探测模块。

2.如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述照明模块沿光束传播的方向依次包括扩束准直元件、反射镜。

3.如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述成像模块沿光束传播的方向依次包括偏振分光棱镜和一投影物镜。

4.如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述光源模块为635nm红色激光光源和532nm绿色激光光源。

5.如权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述反射镜为20度入射角控制反射镜。

6.一种采用权利要求1至5任一项所述的用于光刻设备的对准系统的对准方法，其特征在于，将所述参考光栅的位相沿所述对准标记的光栅栅距方向进行平移调制，形成所述莫尔条纹后，根据所述平移信息和光强信号进行最小二乘法拟合以确定对准位置信息。