CN105988309B - 一种用于光刻设备的对准装置及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的对准装置，包括对准光源，用于向对准标记的表面提供照明光束；第一投影系统，所述照明光束投射于所述对准标记后经所述对准标记反射形成衍射光，所述第一投影系统用于会聚所述衍射光；参考光栅，所述衍射光经所述第一投影系统会聚后透过所述参考光栅后形成干涉条纹；第二投影系统，用于将所述干涉条纹投影至一探测器，并阻挡不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光到达所述探测器；信号处理系统，用于根据所述探测器获得的干涉条纹图像进行信号处理以获得一对准位置。

Description

一种用于光刻设备的对准装置及对准方法

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装置及对准方法。

背景技术

目前，光刻设备大多采用基于光栅衍射干涉的对准系统。该类对准系统基本特征为：包含单波长或多波长的照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，产生的各级衍射光携带有关于对准标记的位置信息；不同级次的光束以不同的衍射角从相位对准光栅上散开，通过对准系统收集各级次的衍射光束，使两个对称的正负衍射级次（如±1级、±2级、±3级等）在对准系统的像面或瞳面重叠相干，形成各级干涉信号。当对对准标记进行扫描时，利用光电探测器记录干涉信号的强度变化，通过信号处理，确定对准中心位置。

现有技术中,专利US5414514提出了一种用于接触、接近式光刻机，如x-射线光刻机，的对准方法，其核心思想是mask上并排设置对准光栅p1和p2，其正下方substrate上对应位置的对准光栅为p2和p1，p1、p2相差很小的周期，光束经过两层光栅，产生“拍”现象，形成莫尔条纹，莫尔条纹相对于光栅有放大作用，且相位可以和光栅的相对位移建立关系，从而确定对准位置。

专利CN132658.1提出了一种可用于投影式光刻机的对准装置，通过在硅片对准标记和参考标记见增加一个投影系统，增大对准系统的工作距，使其可以适用于现代投影光刻机。该方案采用+1,-1和-1,+1级光干涉形成莫尔条纹进行对准，为了满足IC制造对硅片对准越来越高的需求，需要能测量高级次光以提高硅片对准的分辨率和适用不同工艺的能力。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种精度更高，工艺适应性更强的对准装置及对准方法。

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装置，包括对准光源，用于向对准标记的表面提供照明光束；第一投影系统，所述照明光束投射于所述对准标记后经所述对准标记反射形成衍射光，所述第一投影系统用于会聚所述衍射光；参考光栅，所述衍射光经所述第一投影系统会聚后透过所述参考光栅后形成干涉条纹；第二投影系统，用于将所述干涉条纹投影至一探测器，并阻挡不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光到达所述探测器；信号处理系统，用于根据所述探测器获得的干涉条纹图像进行信号处理以获得一对准位置。

更进一步地，所述不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光为-1,0级和+1,0级衍射光以及更大角度的衍射光。

更进一步地，所述参考光栅包括周期为和的光栅，所述第二投影系统的数值孔径可调，所述第二投影系统的数值孔径小于，其中为照明光束中的最短波长。

更进一步地，所述对准标记包括周期为P1和P2的光栅，所述参考光栅包括周期为和的光栅，且P 1≠P 2或≠，（P2’- P1×M) ×(P1’- P2×M) < 0，其中M为所述第一投影系统的倍率。

更进一步地，所述对准标记包括周期为P1和P2的光栅，所述第二投影系统包括一可变孔径光阑，所述第二投影系统的数值孔径NA满足：

其中为照明光束中的最短波长，M为所述第一投影系统的倍率。

更进一步地，所述对准标记和参考光栅所在的平面相互垂直或成一定夹角，所述对准装置在对准光源和对准标记之间还包括一光路转折元件，用于将对准标记的衍射光反射至所述第一投影系统。

更进一步地，所述光路转折元件为中心透光的反射镜或者光阑与分束镜组合。

更进一步地，所述对准标记包括周期为P2的光栅，所述参考光栅包括周期为P1和P3的光栅，且P1<M×P2< P3，其中M为所述第一投影系统的倍率。

更进一步地，所述对准标记包括周期为P1和P3的光栅，所述参考光栅为周期为P2的方格形二维标记，且满足M×P1<P2<M×P3。

更进一步地，所述参考标记分为两块方向相互垂直的光栅标记，分别位于不同的标记板上，两块标记板之间设有第三投影系统。

本发明还公开一种用于光刻设备的对准方法，其特征在于，包括：

步骤一、将照明光束照射于对准标记后经所述对准标记反射形成衍射光；

步骤二、所述衍射光被第一投影系统会聚至参考标记表面形成干涉条纹；

步骤三、第二投影系统将干涉条纹投影至探测器，并阻挡不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光到达所述探测器；

步骤四、根据所述探测器获得的干涉条纹图像进行信号处理以获得对准位置。

更进一步地，所述不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光为-1,0级和+1,0级衍射光以及更大角度的衍射光。

本发明使高级次的衍射光信号可以被探测到，增加了可用信号，同时可获得更高的对准分辨率，也有益于工艺适应性的提高；并且具备同时利用不同级次进行对准的的能力，可兼有较大捕获范围和更高测量分辨率的优点。

本发明兼容其他周期的对准标记和高级次增强型对准标记，还可以提高工艺适应性。

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本发明所涉及的光刻设备的结构示意图；

图2是本发明所提供的对准装置的第一实施方式；

图3是莫尔条纹生成示意图；

图4是本发明所提供的对准装置的兼容P/n周期标记示意图；

图5是投影系统7孔径调节示意图；

图6是本发明所提供的对准装置的第二实施方式；

图7是本发明所提供的对准装置的第三实施方式；

图8是本发明所提供的对准装置的第四实施方式；

图9是本发明所提供的对准装置的第五实施方式。

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。

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，即先分别确立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确立，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（及工件台对准标记）与参考标记进行对准成为问题的关键。

图1示意性显示了所述投影式光刻设备的结构，以及硅片对准系统在其中所处的位置。该光刻设备包括：用于提供曝光光束的照明系统100；用于支承掩模版200的掩模台300，掩模版200上有掩模图案和用于对准的标记RM；用于将掩模版200上的掩模图案投影到硅片700上的投影光学系统400；用于支承硅片700的工件台600，工件台600上有刻有基准标记FM的基准板，硅片700上有用于对准的周期性标记800；用于掩模200和硅片对准的离轴对准系统500。掩模台300和工件台600都由高精度伺服系统驱动。

图2示意性显示了本发明一个具体实施方案。该对准装置包括：工件台1、标记载体2、标记载体3、投影系统4、参考标记板5、照明装置6、投影系统7、反射镜8、面阵探测器9、图像抓取和信号处理系统10。

工件台1，用于承载硅片，并可6自由度精确定位。

标记载体2，可以为硅片、或基准版，其上有对准标记。

对准标记3，可为一维线性光栅，或带有精细结构线性光栅（为方便描述，以下层光栅表示硅片对准光栅）。

投影系统4，采用物镜，收集硅片对准光栅的衍射光，并投射到参考光栅上。投影系统倍率可选取任意固定值M，投影系统NA要求能收集到±n级的衍射光，n>1。

参考标记板5，其上参考标记为一维线性光栅（为方便描述，以参考光栅表示标记板上的参考标记），标记板位置固定在投影系统4的像面上。

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。

照明装置6，提供照明光，包括光源及准直光路。照明光可以是宽波段光（如450~750nm），也可以是多个波长的光，如波长分别为λ1，λ2，λ3的激光。6中还可以包括光源选通装置，可选择不同光源照明。硅片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。

投影系统7，用于将形成的干涉条纹以一定倍率M2，投影到探测器表面。M2可以控制在探测器上成像条纹的数目，提高对条纹的分辨能力。通过投影系统7的NA选择，遮挡-1,0级和+1,0级衍射光以及更大角度的衍射光达到探测器面，要求投影系统7的NA小于，其中为照明波长或波段中最短波长，和分别为参考光栅周期。由于一般情况下，+n,-n级衍射光相较于+1,0级光弱十几倍，甚至几千倍，若不遮挡+1，0级和-1,0级衍射光，探测到的图像中无法分辨+n,-n级和-n,+n级衍射光分量。

反射镜8，反射来自辐射源6的光束，使其正入射（垂直入射）到下层光栅上，同时遮挡反射回来的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。

精对准标记包括两个线性光栅，下层光栅周期分别为P1和P2，对应的上层参考光栅周期分别为P2’和P1’， P2’位于P1经投影系统4的成像位置，优选地，P 1≠P 2或≠，P1×M和P2’周期相差不大，它们的光栅常数满足如下关系：(P2’×0.8) < (P1×M) < (P2’×1.2)，同样，P1’位于P2经投影系统4的成像位置，P2×M和P1’周期相差不大，它们的光栅常数满足关系：(P1’×0.8) < (P2×M) < (P1’×1.2)，且(P2’- P1×M) ×(P1’- P2×M)< 0，使得上下层光栅相对移动时，两组干涉条纹彼此反方向运动，增大测量了灵敏度。上下两层光栅的光栅常数可根据上述表达式选择，例如，M=1时，可以选取P1=2um、P2=2.05um和P2’=2.05um、P1’=2um；也可以选取P1=8um、P2=8.5um和P2’=9um、P1’=7.7um。当P1’=P1×M，P2’=P2×M时，生成的两组莫尔条纹周期相同，否则，两组条纹的周期不相同。

以P1和P2’为例，对准所用莫尔条纹的形成过程为：在图2中，光源正入射到下层光栅P1上，各级衍射光以出射角为 (，n为衍射级次，当照明包括多个波长时，为一个角度范围)，进入物镜4，0级光被遮挡，其它级次衍射光以（）的入射角辐射到参考光栅P2’上， P2’与P1×M略有不同，于是+n级入射光的-n级衍射光，-n级入射光的+n级衍射光会以一个很小的角度(，当照明包括多个波长时，为一个角度范围)出射，出射光束在交会处产生干涉，其光场分布为，其中，为第+n,-n级衍射光的振幅，Δs为下层光栅相对上层光栅的偏移量。干涉形成莫尔条纹。经投影系统7滤除-1,0级和+1,0级以及其他大角度的衍射光，仅+n级入射光的-n级衍射光，-n级入射光的+n级衍射光范围内的光线被会聚成像到探测器9表面，其采集到的光强分布为

(1)

干涉莫尔条纹的周期由下式确定：

(2)

同样，可得到光经过下层光栅p2和上层光栅p1’产生的另一组莫尔条纹的光强分布如下，

(3)

该组莫尔条纹的周期为：

(4)

可以看到，莫尔条纹不受照明光波长影响，可适用于多波长和宽波段对准。

由于投影系统7限制了不携带标记相对于参考光栅位置信息的光线到达探测器面，提高了测量信号的信噪比，有利于提高对准精度。

图3是显示了对准光栅的结构及对准原理，下层光栅P1与P2并排设置，参考光栅P2’与P1’并排设置，参考光栅P1’和P2’分布位于下层光栅P2和P1经投影系统4的成像位置上。如上文所述，它们经过两次衍射后产生两组周期相同的干涉条纹，如图3最右图所示，周期由式（2）（4）确定。并且上下层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：

(5)

其中，为两组条纹的第m级谐波的位相差，和分别为两组条纹的第m级谐波的位相（如图3所示），可通过曲线拟合或者傅里叶变换的方法，提取出莫尔条纹图像特定频率下的相位值。根据两条纹的光强分布式(1)和(3)，可知。由式（5）可知，当相位差提取精度一定时，测量分辨率随m的增大而提高，即通过测量两组条纹中+n,-n级衍射光和-n,+n级衍射光的干涉形成的谐波的相位差，相较于测量+1,-1级和-1,+1级衍射光干涉形成的条纹的相位差，可提高测量分辨率n倍，对准性能提高。

具备同时利用不同级次进行对准的的能力，可兼有较大捕获范围和更高测量分辨率的优点。

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，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，以确定上下层光栅的对准位置，并将该对准位置传输给控制系统进行处理，用于曝光时驱动工件台运动到正确位置。

通常CMP（化学机械研磨）等IC制造工艺会给对准标记造成一些的损伤，对准过程中，部分损伤对低级次光的影响较大，使得使用低级次对准时产生偏差，通过引入高级次光进行对准，可根据工艺情况选择合适测量级次或测量级次组合进行对准，增强工艺适应性，提高对准精度。

探测器可+n,-n级衍射光和-n,+n级衍射光之间的光线，因此，该方案使用固定光栅常数的参考标记和，可以兼容衍射级次增强型标记（某一特定级次的衍射光效率较高，如3级增强标记、5级增强标记），可以兼容周期为和（m为整数）对准标记。如图4所示，对准标记3其中一个光栅的周期为，衍射角度为，经投影系统4（假设倍率为1）收集后会聚到参考光栅5上，发生二次衍射，凡是衍射角小于+1,-n+1级光角度的光线均可以被投影系统7收集并会聚在探测器9上，形成莫尔条纹，例如m=3时，+1,-3级衍射光和-1,+3级衍射光与光轴夹角很小，均可以通过投影系统7在探测器面干涉形成莫尔条纹。该方案能兼容更小周期的对准标记，可以增强对准的工艺适应性。

本实施例在实施例1的基础上进行改进，在投影系统7中加入一个可控制的孔径光阑，如图5所示，可根据控制信号缩小和增大中心通光区域A。该方案用户可根据对准标记的光栅常数设置投影系统7的NA，，其中为照明波长或波段中最短波长，和分别为对准标记光栅常数，M为投影系统4的倍率。

该方案使对准装置更适用于不同光栅常数的对准标记。可根据对准标记的光栅常数选择最合适的收集角度，以便在遮挡不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的光情况下，尽可能多的收集不同级次的衍射光以提高对准的精度和工艺适应性。

本实施例结构示意图如图6所示，在实施例1的基础上进行改进，利用元件11将光路转折，可减小高度方向所占用的空间，使对准装置布局更加灵活。元件11可以采用中心透光的反射镜，或者由光阑与分束镜组合构成，能使从照明装置6中出射的照明光投射在下层光栅3上，并将由下层光栅3反射的±1级衍射光反射至投影系统4。在该实施例中，参考标记板5可垂直于标记载体2，两者也可以成一定夹角，由元件8对光路的转折角度决定。

图7给出的另一下层光栅结构，为统一的周期为p2的线性光栅，参考光栅分为p1和p3，p1、p3与p2×M略有不同，且满足p1<p2×M <p3，各光栅常数间关系满足如下公式更好0.8×(p2×M )<p1<p2×M <p3<1.2×(p2×M )。同样在上下层光栅相对移动时，探测器表面的两组干涉条纹也会相对移动，也可以确定对准位置。这种光栅结构布置的好处是简化了硅片上的对准标记。

上述方案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显示了一种可以进行X、Y两个方向对准的标记布置。在硅片上，对准光栅p1，p3并排放置，p1和p3相差很小的周期，例如1.95um和2.05um。参考标记为类似田字格的二维标记，X方向、Y方向的周期均为p2，p2的周期在p1×M与p3×M之间，例如2um（M=1时）。通过计算p1、p2以及p3、p2形成的两组莫尔条纹的相位差，可以获得到对准位置。

由于该方案参考标记可用于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。

本实施例在实施例1的基础上增加了投影系统11和参考光栅12，使该方案能使用一个探测器实现单周期对准光栅标记对准。

以X方向光栅标记对准为例，如图9（a）所示，光源正入射到下层光栅3上，各级衍射光以出射角为 ，进入物镜4，0级光被遮挡，其它级次衍射光以 的入射角辐射到参考光栅5（X方向参考光栅）上， P2’与P1×M略有不同，于是+n级入射光的-n级衍射光，-n级入射光的+n级衍射光会以一个很小的角度 出射。投影系统11收集从参考光栅5出射的光线，并会聚到参考光栅12（Y方向参考光栅）上，各方向光线经参考光栅12发生衍射。投影系统7的NA限制了收集光的角度，仅允许角度小于+1,0级光角度的光线通过，因此，Y方向的衍射光均被遮挡，仅X方向-n,+n级至+n,-n级范围内的衍射光被会聚到探测器9感光面，干涉形成莫尔条纹。探测器采集到的两组莫尔条纹强度分布同实施例1公式（1）和（3）描述，由两组条纹的相位差可计算得到精对准位置。

Y方向对准同X方向相似，如图9（b）所示，投影系统4收集对准标记的衍射光，并会聚到X方向参考光栅5上，光线经参考光栅5在X方向发生衍射，X、Y方向的衍射光经投影系统11收集会聚到Y方向参考光栅12上，发生衍射，其中Y方向+n级入射光的-n级衍射光，-n级入射光的+n级衍射光会以一个很小的角度 出射。投影系统7的NA限制了X方向的衍射光，仅有Y方向-n,+n级至+n,-n级范围内的衍射光被会聚到探测器9感光面，干涉形成莫尔条纹。

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 (8)

1.一种用于光刻设备的对准装置，其特征在于，包括：

对准光源，用于向对准标记的表面提供照明光束；

第一投影系统，所述照明光束投射于所述对准标记后经所述对准标记反射形成衍射光，所述第一投影系统用于会聚所述衍射光；

参考光栅，所述衍射光经所述第一投影系统会聚后透过所述参考光栅后形成干涉条纹；

第二投影系统，用于将所述干涉条纹投影至一探测器，并阻挡不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光到达所述探测器；所述不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光为-1,0级和+1,0级衍射光以及出射角度比-1,0级和+1,0级衍射光出射角度更大的衍射光；

信号处理系统，用于根据所述探测器获得的干涉条纹图像进行信号处理以获得一对准位置；

所述对准标记和参考光栅所在的平面相互垂直或成一定夹角，所述对准装置在对准光源和对准标记之间还包括一光路转折元件，用于将对准标记的衍射光反射至所述第一投影系统；

所述光路转折元件为中心透光的反射镜或者光阑与分束镜组合。

2.如权利要求1所述的用于光刻设备的对准装置，其特征在于，所述参考光栅包括周期为P₁'和P₂'的光栅，所述第二投影系统的数值孔径可调，所述第二投影系统的数值孔径小于其中λ为照明光束中的最短波长。

3.如权利要求1所述的用于光刻设备的对准装置，其特征在于，所述对准标记包括周期为P1和P2的光栅，所述参考光栅包括周期为P₁'和P₂'的光栅，且P1≠P2或P₁'≠P₂'，(P₂'-P1×M)×(P₁'-P2×M)<0，其中M为所述第一投影系统的倍率。

4.如权利要求1所述的用于光刻设备的对准装置，其特征在于，所述对准标记包括周期为P1和P2的光栅，所述第二投影系统包括一可变孔径光阑，所述第二投影系统的数值孔径NA满足：

其中λ为照明光束中的最短波长，M为所述第一投影系统的倍率。

5.如权利要求1所述的用于光刻设备的对准装置，其特征在于，所述对准标记包括周期为P2的光栅，所述参考光栅包括周期为P1和P3的光栅，且P1<M×P2<P3，其中M为所述第一投影系统的倍率。

6.如权利要求1所述的用于光刻设备的对准装置，其特征在于，所述对准标记包括周期为P1和P3的光栅，所述参考光栅为周期为P2的方格形二维标记，且满足M×P1<P2<M×P3，其中M为所述第一投影系统的倍率。

7.如权利要求1所述的用于光刻设备的对准装置，其特征在于，所述参考光栅分为两块方向相互垂直的光栅标记，分别位于不同的标记板上，两块标记板之间设有第三投影系统。

8.一种采用如权利要求1-7任一对准装置的对准方法，其特征在于，包括：

步骤一、将照明光束照射于对准标记后经所述对准标记反射形成衍射光；

步骤二、所述衍射光被第一投影系统会聚至参考光栅表面形成干涉条纹；

步骤三、第二投影系统将干涉条纹投影至探测器，并阻挡不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光到达所述探测器；

步骤四、根据所述探测器获得的干涉条纹图像进行信号处理以获得对准位置；

所述不携带对准标记和参考光栅相对位置信息的衍射光为-1,0级和+1,0级衍射光以及出射角度比-1,0级和+1,0级衍射光出射角度更大的衍射光。