CN105388706B

CN105388706B - 自参考干涉对准系统

Info

Publication number: CN105388706B
Application number: CN201410455898.1A
Authority: CN
Inventors: 李运锋
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: CN105388706A

Abstract

本发明提出了一种自参考干涉对准系统，采用与垂直于水平线的法线之间存在预定夹角的类锥形光束照射至对准标记上，从而扩展衍射光斑的尺寸，降低自参考干涉仪的制造难度，提高方案的工程可实现性。同时，本发明通过标记与扫描方向之间倾斜布置，实现一次扫描同时获得X向和Y向的对准位置，进而提高对准的效率。

Description

自参考干涉对准系统

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及光刻领域中自参考干涉对准系统。

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(即掩模对准系统)，实现掩模标记与工件台基准板标记之间的对准，然后利用离轴对准系统(硅片对准系统)，完成硅片对准标记与工件台基准板标记之间的对准(通过两次对准实现)，进而间接实现硅片对准标记与掩模对准标记之间对准，建立二者之间的位置坐标关系。

专利EP1148390、US7564534和CN1296774给出了一种自参考干涉对准系统，如图1所示。该对准系统通过激光器发射出光线，通过PBS分束镜(偏振分束镜)1将光线垂直投射至硅片3或者工件台4基准板的标记2上，再通过PBS分束镜1将衍射光斑投射至像旋转装置上，由所述像旋转装置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，在光瞳面处探测干涉后的对准信号，通过信号分析器确定标记2的对准位置，若存在偏差，则可以通过位置传感器改变工件台4的位置。该对准系统要求对准标记是180°旋转对称。像旋转装置是该对准系统最核心的装置，用以标记像的分裂与旋转。在该发明中，通过自参考干涉仪实现该功能。但由于照明光斑很小，约为40-60微米，导致各级衍射光斑进入自参考干涉仪时尺寸很小，直径约为100-300微米。此时，为保证正负级次光斑相互旋转180度后能够重合，干涉仪两棱镜之间加工、装配与胶合的精度要求极高，制造难度很大，成本高。一个可选择的方案是通过增大照明光斑，实现衍射光斑的增大，从而降低自参考干涉仪的制造难度。但是，增大照明光斑必然引入更多的光学噪声，尤其是线槽标记对准时，不利于重复精度的提高。另外一种可选择的方案是增加光程，光程越长，衍射光斑就扩散的越大，可以通过增加标记到自参考干涉仪之间的光程实现。但是，光程的增加将导致光学结构的不紧凑，以及光学结构的不稳定性。同时，增加光程也将引入更多的光学噪声。

发明内容

自参考干涉对准系统本发明的目的在于提供一种，采用锥形照明的方式，用于扩展衍射光斑的尺寸，从而降低自参考干涉仪的制造难度，提高方案的工程可实现性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种自参考干涉对准系统，包括：

光源，提供照明光束；

透镜，所述照明光束经所述透镜后形成投影光束照射至对准标记上形成正、负衍射级次的衍射光班，并将衍射光斑反馈至自参考干涉光学模块；

自参考干涉光学模块，对所述衍射光斑进行像旋转处理，以使对应的正、负级次衍射光斑像重叠；

信号探测模块，用于探测所述重叠后的正、负级次衍射光斑像；

其特征在于，所述透镜形成的投影光束为锥形光束或圆台形光束，以扩展衍射光斑尺寸。

进一步的，所述对准标记与扫描方向之间存在预定倾角。

进一步的，所述系统还包括一偏振分束器，所述照明光束依次通过所述偏振分束器和透镜照射至所述对准标记上，所述衍射光斑依次通过所述透镜和偏振分束器反馈至所述自参考干涉光学模块。

进一步的，所述自参考干涉光学模块包括一像旋转装置，所述像旋转装置采用两个屋脊棱镜组合而成。

进一步的，还包括信号处理模块，对所述信号探测模块输出的探测信号进行处理以获取对准信息。

进一步的，所述对准标记包括第一对准标记和第二对准标记，所述第一对准标记和第二对准标记相互垂直排列。

进一步的，所述第一对准标记与扫描方向之间的预定倾角为45度，所述第二对准标记与扫描方向之间的预定倾角为135度。

进一步的，所述第一对准标记具有第一光栅周期，所述第二对准标记具有第二光栅周期，所述第一光栅周期与第二光栅周期相同或不同。

进一步的，所述对准标记包括多个第一对准标记及多个第二对准标记，所述第一对准标记与第二对准标记沿所述扫描方向间隔排布。

进一步的，第一对准标记和第二对准标记具有不同的光栅周期或相同的光栅周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：采用锥形光束或圆台形光束照射对准标记上，从而扩展衍射光斑的尺寸，降低自参考干涉仪的制造难度，提高方案的工程可实现性。同时，本发明通过标记与扫描方向之间倾斜布置，实现一次扫描同时获得X向和Y向的对准位置，进而提高对准的效率。

附图说明

图1为现有技术中自参考干涉对准系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一中自参考干涉对准系统的结构示意图；

图3垂直照明与锥形照明衍射光分布示意图；

图4为垂直照明与本发明实施例一中锥形照明的光路对比图；

图5为本发明实施例一中不同级衍射光斑的示意图；

图6为本发明实施例一中第一光栅周期和第二光栅周期相同的对准标记示意图；

图7为本发明对准标记在划线槽中分布示意图；

图8为本发明实施例一中第一对准标记和第二对准标记坐标转换示意图；

图9为本发明实施例二中第一光栅周期和第二光栅周期不同的对准标记示意图；

图10为本发明实施例三中多组对准标记的结构示意图。

具体实施方式

其，进行更详细的描述自参考干涉对准系统下面将结合示意图对本发明的应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的，中表示了本发明的优选实施例下列描述应当被理解为对于本，因此。而仍然实现本发明的有利效果，本发明。而并不作为对本发明的限制，领域技术人员的广泛知道

不详细描述公，在下列描述中。不描述实际实施例的全部特征，为了清楚应当认为在。而混乱因为它们会使本发明由于不必要的细节，知的功能和结构，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，任何实际实施例的开发中另。由一个实施例改变为另一个实施例，例如按照有关系统或有关商业的限制但是对于本领域技术人，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，外。员来说仅仅是常规工作

根据下面说明和。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明附图均采用非常简，需说明的是。本发明的优点和特征将更清楚，权利要求书明晰地辅助说明本发明实施例、仅用以方便，化的形式且均使用非精准的比例。的目的

实施例一

请参考图2，在本实施例中，提出了一种涉对准系统自参考干，包括：光源、透镜50、自参考干涉对准光学模块、信号探测模块和对准标记20，其中，光源用于提供照明光束，所述照明光束经所述透镜50后形成锥形光束或圆台形光束的投影光束照射至对准标记20上形成正、负衍射级次的衍射光班，并将衍射光斑反馈至自参考干涉光学模块中，自参考干涉光学模块对所述衍射光斑进行像旋转处理，以使对应的正、负级次衍射光斑像重叠，信号探测模块用于探测所述重叠后的正、负级次衍射光斑像。

具体的，所述光源为激光器，其发出照明光束为平行光束，经透镜50后形成椎形或圆台形的投影光束(椎形或圆台形光束统称为类椎形光束)，以保证所述投影光束与垂直于水平面(对准标记所在平面)的法线之间存在预定夹角照射至对准标记20，如图2和图3中光束箭头所示，具体的，在本实施例中，采用的是一透镜50，激光器发出的光束平行照射到透镜50上，通过所述透镜50聚合，以预定夹角照射至所述对准标记20上，即以类锥形照明方式照射至对准标记20上，进而保证衍射后的光斑直径变大。

在本实施例中，所述自参考干涉对准光学模块包括一像旋转装置，所述像旋转装置采用两个屋脊棱镜组合而成；所述信号处理模块包括依次相连的光强信号探测器、信号分析器以及位置传感器，所述光强信号探测器与所述像旋转装置相连，所述位置传感器与工件台40相连；其中，硅片30放置在所述工件台40上，所述对准标记20包括硅片对准标记和工件台对准标记，分别位于所述硅片30上和工件台40上；优选的，所述自参考干涉对准系统还包括一偏振分束器10，所述照明光束依次通过所述偏振分束器10和透镜50以所述预定夹角照射至所述对准标记20上，所述衍射光斑依次通过所述透镜50和偏振分束器10反馈至所述像旋转装置，为了简化附图，图2和图3中省略了其它光学组件，例如波片等，但不影响对本方案的理解。

采用此种类锥形光束照射方式，一方面能够避免照射光束和衍射光斑光路路径重合，另一方面还能够使各级衍射光斑经过透镜50准直后，入射到像旋转装置，透镜50能够将衍射光斑放大，使得在像旋转装置内，正负级次光斑相互旋转180度后能够更容易重合(例如正1级次与负1级次衍射光斑重合、例如正3级次与负3级次衍射光斑重合、例如正5级次与负5级次衍射光斑重合，....，例如正i级次与负i级次衍射光斑重合，i为奇数，偶级次衍射光能量为0，可以忽略)，从而降低像旋转装置的加工与装调难度。

图3给出了光栅衍射的示意图。由光栅衍射公式，即：

sinα_i＝iλ/P-sinβ 公式一

式中，α_i为第i级衍射光的衍射角，β为入射角，i为衍射级次，λ为照明光束的波长，P为对准标记的光栅周期。图3中仅示出了部分衍射级次。在图3的左图中，入射光为斜入射到标记，其衍射光按照公式一所示的衍射角度发生衍射；在中间图中，入射光垂直入射，此时入射角为零，衍射光束向入射光束靠拢；在右图中，采用本发明的类锥形照明，由于入射光束依不同角度入射到标记上(即照明锥面内的各入射光束在一定的角度范围照射到标记上)，那么对应的各衍射光束的衍射角也必然在一定角度范围，衍射光束将形成一个扇面射出。一个扇面所形成的衍射光斑，将大于垂直照明模式下的形成的衍射光斑。也就扩展各级衍射光的衍射波面，即实现增大衍射光斑的目的。

图4示出了实际工程中的，采用类锥形照明(右图)与垂直照明(左图)的对比图。显然，类锥形照明下，衍射光斑的尺寸变得更大，从而更容易在像旋转装置里重合。

在实际工程中，不会无限制的扩大类锥形照明光束的入射锥角，其应根据实际需要进行选择。具体地，如透镜50的焦距为f，锥形照明光束的入射锥角为γ，则通过透镜50后第i级光的衍射光斑的波面直径约为d_i＝f×γ+o，其中d_i为第i级衍射光斑的波面直径(如图5中所示的-2级衍射光斑的直径d_-2)，o为照明光斑直径(即为透镜50的焦面处光斑直径，也即照射到对准标记上的光斑直径)。以透镜50焦距为6mm，照明光斑直径为40微米，入射锥角为5mrad为例，则通过透镜50后，衍射光斑直径将增大至70微米。

此外，入射锥角γ的设计需要考虑各级衍射光之间的串扰，设计范围以相邻两级衍射光经过透镜后，不相互重叠为原则。具体地，在通过透镜50后，两相邻衍射光斑的波面半径之和需要小于两相邻衍射光斑之间的距离D_i，j即，

(d_i+d_j)/2＜D_i，j 公式二

式中，d_i、d_j分别为第i、j级衍射光通过透镜50后光斑的波面直径，D_i，j为第i、j级衍射光通过透镜50后的光斑中心之间的距离(例如，如图5所示，(d_-1+d_-2)＜D_-1，-2)。在实际工程中，由于偶级次衍射光(不包括0级)经常能量为0，设计时，这些级次也可以不用考虑(如-1级次衍射光的相邻衍射光-2级次可以不考虑，直接考虑-1和-3级次之间的距离)。由衍射原理，两衍射光斑之间的距离D_i，j为：

公式三

式中i、j为衍射级次，λ为照明光束的波长，P为对准标记20的光栅周期。

请参考图6，在本实施例中，为了提高对准效率，所述对准标记20与扫描方向之间存在预定倾角。扫描方向如图6中箭头所示，光斑(图6中圆形图案所示)沿着扫描方向进行扫描。本实施例中对准标记20采用的斜标记布局形式(相对于光斑的扫描方向)，所述对准标记20包括两种对准标记，分别为第一对准标记和第二对准标记，第一对准标记和第二对准标记分支相互垂直。对准标记20对中各标记与划线槽(对准标记20在划线槽中的布置如图7所示，图7中显示一个晶粒die内的划线槽布置方案)成一定角度放置，优选的设置为45度，即第一对准标记与扫描方向之间的预定倾角为45度，第二对准标记与扫描方向之间的预定倾角为135度。在本实施例中，所述第一对准标记的光栅周期P1可以和第二对准标记的光栅周期P2相等，例如均为8微米的周期。

请参考图8，对准光斑沿着划线槽方向进行扫描，一次扫描实现两个标记分支(即第一对准标记和第二对准标记)的扫描。标记的扫描方向为一坐标系(X，Y)，此方向通常与位置测量坐标系一致，称之为测量坐标系。标记两个分支方向构成一个新的坐标系(Xnew，Ynew)，称之为标记坐标系。那么，由坐标变换可知，在新坐标系下的位置数据为：

Xnew，i＝Xi cosθ+Yi sinθ

Ynew，i＝Yi cosθ-Xi sinθ 公式四

式中，Xi，Yi为测量坐标系下第i个位置数据，Xnew，i和Ynew，i为转换到标记坐标系下的第i个位置数据，θ为两坐标系的夹角。

对准扫描时，线条方向与Ynew轴垂直的标记分支决定了Ynew轴向的对准位置，线条方向与Xnew轴垂直的标记分支决定了Xnew轴向的对准位置。具体地，在图8中，左边的标记分支(光栅周期为P1的第一对准标记)决定Ynew轴向的对准位置，右边的标记分支(光栅周期为P2的第二对准标记)决定Xnew轴向的对准位置。实际操作中，利用左边标记分支的光强I_P1，i和标记坐标系下的Ynew向位置数据，组成采样数据对(I_P1，i，Ynew，i)，经过信号拟合处理，可得标记的Ynew向对准位置。同理利用右边的标记分支，可获得标记的Xnew向对准位置。该对准位置即为图8中的A(x1，y1)点。

采用公式四的坐标逆变换，将标记坐标系下的对准位置转换为原测量坐标系的坐标A(xa，ya)，即为，

xa＝x1cos(-θ)+y1sin(-θ)

ya＝y1cos(-θ)-x1sin(-θ) 公式五

具体的信号处理操作，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、CN200910055927.4，具体操作方法在此不作赘述。

实施例二

在本实施例中，提出的自参考干涉对准系统包括的装置均与实施例一相同，不同的是，如图9所示，对准标记20包括所述第一对准标记的光栅周期P1和第二对准标记的光栅周期P2，第一对准标记的光栅周期P1和第二对准标记的光栅周期P2不等，例如第一对准标记的光栅周期P1为8微米的周期，第二对准标记的光栅周期P2为8.8微米的周期。采用此种方式能够更加容易区分是否对准。

其具体的对准操作方式以及信号处理操作均与实施例一相同，在此不再赘述，具体请参考实施例一。

实施例三

为了扩大捕获范围，可以采用更多的标记分支，如图10所示。其中，所述对准标记20包括多组，分为第一组对准标记和第二组对准标记，所述第一组对准标记包括多个第一对准标记，第二组对准标记包括多个第二对准标记，所述第一组对准标记与第二组对准标记沿所述扫描方向间隔排布，第一对准标记与扫描方向之间的预定倾角为45度，所述第二对准标记与扫描方向之间的预定倾角为135度，所述第一组对准标记与第二组对准标记具有同的光栅周期或者不同的光栅周期。具体的，在本实施例中，同一方向上的两个标记分支具备不同的周期，相互配合，可以实现扩大捕获范围的效果。在其他实施例中，第一组对准标记与第二组对准标记也可以具有同的光栅周期。如图10中，光栅周期为P1和P3两个对准标记分支具备相同方向，然而二者周期略微不同，即P1和P3不同，则该方向上的捕获范围Capture range为：

公式六

P2和P4也不同，同理，在另外一个方向的对准标记分支所确定的捕获范围Capturerange为：

公式七

关于捕获范围的思想和方法，具体可参考在先专利CN200710045495.X、CN200710045496.4、CN200710044153.6、CN200710044152.1。需要说明的是，图10中4个对准标记分支可以任意的排列。

综上，在本发明实施例提供的自参考干涉对准系统中，采用与垂直于水平线的法线之间存在预定夹角的聚合光束照射至对准标记上，从而扩展衍射光斑的尺寸，降低自参考干涉仪的制造难度，提高方案的工程可实现性。同时，本发明通过标记与扫描方向之间倾斜布置，实现一次扫描同时获得X向和Y向的对准位置，进而提高对准的效率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自参考干涉对准系统，包括：

光源，提供照明光束；

其特征在于，所述透镜形成的投影光束为锥形光束或圆台形光束，以扩展衍射光斑尺寸；

两相邻衍射光斑的波面半径之和小于两相邻衍射光斑之间的距离D_i，j；

其中，(d_i+d_j)/2<D_i,j；D_i,j满足其中，d_i、d_j分别为第i、j级衍射光通过透镜后光斑的波面直径，D_i,j为第i、j级衍射光通过透镜后的光斑中心之间的距离；i、j为衍射级次，λ为照明光束的波长，P为对准标记的光栅周期，θ_i和θ_j为第i、j级次光散射角。

2.如权利要求1所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述对准标记与扫描方向之间存在预定倾角。

3.如权利要求1所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述系统还包括一偏振分束器，所述照明光束依次通过所述偏振分束器和透镜照射至所述对准标记上，所述衍射光斑依次通过所述透镜和偏振分束器反馈至所述自参考干涉光学模块。

4.如权利要求1所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述自参考干涉光学模块包括一像旋转装置，所述像旋转装置采用两个屋脊棱镜组合而成。

5.如权利要求1所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，还包括信号处理模块，对所述信号探测模块输出的探测信号进行处理以获取对准信息。

6.如权利要求2所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述对准标记包括第一对准标记和第二对准标记，所述第一对准标记和第二对准标记相互垂直排列。

7.如权利要求6所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述第一对准标记与扫描方向之间的预定倾角为45度，所述第二对准标记与扫描方向之间的预定倾角为135度。

8.如权利要求6所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述第一对准标记具有第一光栅周期，所述第二对准标记具有第二光栅周期，所述第一光栅周期与第二光栅周期相同或不同。

9.如权利要求6所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述对准标记包括多个第一对准标记及多个第二对准标记，所述第一对准标记与第二对准标记沿所述扫描方向间隔排布。

10.如权利要求9所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，所述第一对准标记与扫描方向之间的预定倾角为45度，所述第二对准标记与扫描方向之间的预定倾角为135度。

11.如权利要求9所述的自参考干涉对准系统，其特征在于，第一对准标记和第二对准标记具有不同的光栅周期或相同的光栅周期。