CN106610571B - 一种用于光刻装置的对准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻装置的对准方法，其特征在于，包括：步骤一、在硅片上设置对准标记；步骤二、通过照明光束照射所述对准标记，所述对准标记发生多级次衍射，各级次衍射光经过4F光学系统后在位于所述4F光学系统像面的探测器上成像；步骤三、所述对准标记处于静态时，信号处理模块分别选取所述各级次衍射光成像的特定位置处的像素点为该级次衍射光成像的参考点；步骤四、所述对准标记处于动态时，所述信号处理模块监测得到所述各级次衍射光成像的参考点的光强随所述对准标记运动而变化的光强曲线，当所述各级次衍射光成像的参考点的光强同时为峰值时，对准完成。本发明还公开了一种实施上述用于光刻装置的对准方法的对准系统。

Description

一种用于光刻装置的对准方法及系统

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻装置的对准方法及系统。

背景技术

光刻曝光系统的典型结构如图1所示。目前光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准，光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息，高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光（包括高级）在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心位置。

对于目前的硅片对准系统，参考光栅位于4f光学系统后焦面上，各参考光栅的周期与相应对准标记像的周期相等，通过探测各参考光栅后的光强并进行处理可得到对准标记相对参考光栅的位置信息。当硅片相对于参考光栅板移动扫描时，透过各参考光栅的光强发生周期性变化，当各参考光栅后的光强均为最大时，此时对准标记位置即对准位置。目前的硅片对准系统中，由于一种参考光栅只能针对一种特定的对准标记，兼容性不够，而且，参考光栅必须与对准标记经过光学系统所成像严格一致，若对准标记变化，参考光栅必须相应变化。

另外，参考光栅及光电探测器的探测光纤束安装调试困难，尤其更换参考光栅特别麻烦（需要换上特定的标记板）。参考光栅相对对准标记像的精度指标为横向（X、Y向）2um、纵向（Z向）5um、倾斜（Rx、Ry）1.3mrad、旋转（Rz）1mrad，因精度要求太高，给机械设计及安装带来很大难度。尤其Rz的调整通过莫尔条纹的方法来实现，当锁紧参考光栅时，莫尔条纹很容易变形，导致需反复锁紧。因此，目前的硅片对准系统中，参考光栅及探测光纤束不仅制作成本高，且通用性低。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种无需使用参考光栅和探测光纤束的对准方法及系统。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻装置的对准方法，其特征在于，包括：步骤一、在硅片上设置对准标记；步骤二、通过照明光束照射所述对准标记，所述对准标记发生多级次衍射，各级次衍射光经过4F光学系统后在位于所述4F光学系统像面的探测器上成像；步骤三、所述对准标记处于静态时，信号处理模块分别选取所述各级次衍射光成像的特定位置处的像素点为该级次衍射光成像的参考点；步骤四、所述对准标记处于动态时，所述信号处理模块监测得到所述各级次衍射光成像的参考点的光强随所述对准标记运动而变化的光强曲线，当所述各级次衍射光成像的参考点的光强同时为峰值时，对准完成。

更进一步地，所述对准标记是划线槽对准标记，所述划线槽对准标记包括至少两组不同周期的光栅。

更进一步地，所述划线槽对准标记的各级次衍射光在所述探测器上成像得到条纹图像，选取所述各级次衍射光的条纹图像的中间条纹中最大光强值的位置为所述特定位置。

更进一步地，所述两组不同周期的光栅分别为第一光栅和第二光栅，所述第一光栅位于x方向的划线槽中，用于y方向对准，所述第二光栅位于y方向的划线槽中，用于x方向对准，所述x方向与y方向正交。

更进一步地，所述照明光束照射一组所述光栅发生衍射产生的±1、±2、…、±7级次衍射光经过所述4F光学系统后成像；所述照明光束照射另一组所述光栅发生衍射产生的±1级衍射光经过所述4F光学系统后成像。

更进一步地，所述探测器为CCD阵列。

更进一步地，所述CCD阵列垂直于所述4F光学系统的光轴设置。

更进一步地，所述CCD阵列的像素尺寸小于所述各级次衍射光在所述4F光学系统上的成像的最小周期的1/5。

更进一步地，所述各级次衍射光中，同级次衍射光在所述4F光学系统像面上相干成像，不同级次衍射光在像面上分开成像。

本发明还公开一种实施上述用于光刻装置的对准方法的对准系统，其特征在于，包括：一光源及照明模块，用于提供所述照明光束照射位于所述硅片上的所述对准标记；一光学成像模块，所述光学成像模块包括所述4F光学系统，所述光学成像模块收集所述照明光束照射所述对准标记后产生的多级次衍射光，并将所述对准标记成像至所述4F光学系统像面；一探测器，位于所述4F光学系统像面，用于探测所述多级次衍射光；一信息处理模块，用于对所述多级次衍射光进行信号处理以得到对准位置信息。

更进一步地，所述对准标记是划线槽对准标记，所述划线槽对准标记包括至少两组不同周期的光栅。

更进一步地，所述两组不同周期的光栅分别为第一光栅和第二光栅，所述第一光栅、第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中。

更进一步地，所述4F光学系统按光线传播的方向依次包括前组透镜、折光单元和后组透镜，所述折光单元用于使所述对准标记产生的同级次衍射光在所述4F光学系统像面上偏转相同角度，不同级次衍射光偏转不同角度。

更进一步地，所述折光单元是透射楔板组或反射棱镜组。

更进一步地，所述探测器为CCD阵列。

更进一步地，所述CCD阵列垂直于所述4F光学系统光轴。

更进一步地，所述CCD阵列的像素尺寸小于所述多级次衍射光在所述4F光学系统上的成像的最小周期的1/5。

更进一步地，所光学成像模块还包括一光阑，所述光阑用于使照射一组所述光栅产生的±1、±2、…、±7级次衍射光经过所述4F光学系统成像，使照射另一组不同周期的所述光栅产生的±1级衍射光经过所述4F光学系统成像。

与现有技术相比较，本发明对准方法及系统具有以下优势：

1、通过监测各级衍射光成像中参考点的光强随着硅片运动而变化，得到参考点光强均为最大时的位置即为对准位置，避免了使用参考光栅及探测光纤束，在更换对准标记时不涉及更换参考光栅，提高了对对准标记的兼容性；

2、采用的CCD阵列完全可以商业化直接购买，工期短，而且CCD阵列相对考光栅及探测光纤束系统来说价格较低，大大降低了成本；

3、采用的CCD阵列的阵列面较大，当对准标记变化时，一般不需要更换CCD阵列，若要更换，相对来说，更换CCD阵列也较简单；

4、本发明基本不需要对CCD阵列面的X、Y位置进行限制，且可以依据参考点附近的像素点上的光强变化来进一步判断参考点的光强变化，得到对准信息，在一定程度上可以降低CCD阵列面的Z、Rx、Ry、Rz的精度要求。

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是本发明涉及的对准系统与光刻装置之间的总体布局结构示意图；

图2是光刻装置的常用对准标记的示意图；

图3是4F光学系统的光路示意图；

图4是本发明涉及的标记光栅位置示意图；

图5是本发明的原理示意图；

图6是本发明中CCD阵列面上的条纹分布、光强分布以及参考点分布的示意图；

图7是图6中参考点的光强随晶片对准标记WM位置的变化曲线示意图；

图8是本发明中的Y7像的光强分布、数据采集像素点位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1为本发明涉及的对准系统与已有光刻装置之间的总体布局、工作原理结构示意图。如图1所示，光刻装置的构成包括：用于提供曝光光束的照明系统1、设有掩模图案和具有周期性结构的掩模对准标记RM的掩模版2、用于支承掩模版2的掩模台3、设有具有周期性光学结构的晶片对准标记WM的晶片6、用于支承晶片6的晶片台7、以及用于将掩模版2上的掩模图案投影到晶片6上的投影光学系统4。晶片台7上有刻有基准标记FM的基准板8。此外，该光刻装置还包括用于掩模版2和晶片6对准的离轴式对准系统5，用于测量掩模台3和晶片台7位置的反射镜10、16和干涉仪11、15，控制掩模台3和晶片台7位移的伺服系统13和驱动系统9、14以及控制伺服系统13和驱动系统9、14的主控制系统12，干涉仪11、15可选用多普勒双频激光干涉仪。

其中，照明系统1包括一个光源、一个使照明均匀化的透镜系统、一个反射镜、一个聚光镜（图中均未示出）。光源采用KrF准分子激光器（波长248nm）、ArF准分子激光器（波长193nm）、F2激光器（波长157nm）、Kr2激光器（波长146nm）、Ar2激光器（波长126nm）、或者使用超高压汞灯（g-线、i-线）等。照明系统1均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上的掩模对准标记RM用于掩模对准。掩模台3可以经驱动系统14在垂直于照明系统光轴（与投影物镜的光轴AX重合）的X-Y平面内移动，并且在预定的扫描方向（平行于X轴方向）以特定的扫描速度移动。掩模台3在移动平面内的位置通过位于掩模台3上的反射镜16由干涉仪15精密测得。掩模台3的位置信息由干涉仪15经伺服系统13发送到主控制系统12，主控制系统12根据掩模台3的位置信息通过驱动系统14驱动掩模台3。

投影光学系统4（投影物镜）位于图 1所示的掩模台3下方，其光轴AX平行于Z轴方向。采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光学系统作为投影光学系统，当照明系统1发射的曝光光束照射掩模版2上的掩模图案时，掩模图案经过投影光学系统4在涂覆有光刻胶的晶片6上成缩小的图像。

晶片台7位于投影光学系统4的下方，晶片台7上设置有一个晶片支架（图中未示出），晶片6固定在支架上。晶片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向（X方向）和垂直于扫描方向（Y方向）上运动，使得可以将晶片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。晶片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于晶片台上的反射镜10由干涉仪11精密测得，晶片台7的位置信息经伺服系统13发送到主控制系统12，主控制系统12根据位置信息（或速度信息）通过驱动系统9控制晶片台7的运动。

晶片6上设有具有周期性结构的晶片对准标记WM，晶片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准系统5分别通过晶片对准标记WM和基准标记FM实现晶片6对准和晶片台7对准。另外，一个同轴对准单元（图中未示出）将晶片台7上基准板8的基准标记FM与掩模对准标记RM对准，实现掩模对准。对准系统5的对准信息结合同轴对准单元的对准信息一起传输到主控制系统12，经数据处理后，驱动系统9驱动晶片台7移动实现掩模版2和晶片6的对准。

本发明涉及的晶片对准标记WM是划线槽对准标记，划线槽对准标记包括至少两组不同周期的光栅。图2所示为以放大比例示出的四象限相位光栅，作为本发明涉及的晶片对准标记WM的实施例。四象限相位光栅包括四个子光栅p1a、p1b、p1c及p1d，其中子光栅p1b与子光栅p1d位于Y方向的划线槽中，用于沿X方向的对准，子光栅p1a与子光栅p1c位于X方向的划线槽中，用于沿Y方向的对准，所述X方向与Y方向正交。两个子光栅p1b、p1c具有例如16um的光栅周期，子光栅p1a、p1d具有例如17.6um的光栅周期，每个子光栅具有例如200×200um的尺寸。

如图3所示，L1、L2、L3构成4F光学系统的前组透镜，L4、L5、L6构成4F光学系统的后组透镜，对于目前的晶片对准系统，晶片对准标记WM位于4F光学系统的前焦面上，参考光栅位于4F光学系统后焦面上，各参考光栅子光栅的周期与相应晶片对准标记WM像的周期相等，通过探测参考光栅各子光栅后的光强并进行处理可得到标记光栅相对参考光栅的位置信息。当参考光栅各子光栅后的光强均为最大值时，此标记位置即为对准位置。

本发明对准方法采用CCD阵列替代对准系统5中的参考光栅及探测光纤束，其原理如下：

对占空比1：1、周期为P的光栅，在如图4的坐标系中，A点的坐标为（-P/4+δ）、B点的坐标为（P/4+δ）、C点的坐标为（3P/4+δ）。当平行光垂直入射后，其衍射的+n、-n级光仍为平行光，其+n级波前的初始相位为-2πnδ、-n级波前的初始相位为2πnδ，经过4F光学系统后，在成像面的光强分布为2+2cosi(4πnδ+4πny/P)，如图5所示。

由该光强表达式可知，当δ一定时，光强与坐标y为正弦函数关系，即晶片对准标记WM静止时，成像面的光强为正弦函数分布；当y一定时，光强与坐标δ也为正弦函数关系，即晶片对准标记WM运动时，像面任意固定点的光强随晶片对准标记WM位置呈正弦函数变化。

实际对准时，先在晶片对准标记WM静止时，针对各级次光，在像面选特定像素点；然后，监测这些特定像素点的光强随晶片对准标记WM运动的变化，据此确定对准位置。

基于以上原理，本发明对准方法具体操作方式如下：

第一步：先经过粗对准，使晶片6处于粗对准位置，照明光束照射晶片对准标记WM后产生的多级衍射光在CCD阵列上相干形成条纹像，相干成像过程如下：位于4F光学系统频谱面上的滤波光阑只让晶片对准标记WM中子光栅p1b与p1c的±1、±2、…、±7级衍射光、子光栅p1a与p1d的±1级衍射光通过，之后折光单元L7将相同级次的正负衍射光偏转相同的角度；由于不同级次的衍射光的偏转角度不同，则各级次衍射光经4F光学系统的后透镜组后，不同级次衍射光在后焦面上分开成像，并与其同级次衍射光干涉成像，最终各级次衍射光在CCD阵列上形成光强正弦分布、相互错开、周期不等的16组干涉条纹，如图6所示，其中Y1为Y向光栅+1与-1级次衍射光相干涉形成的干涉条纹，……，Y88为Y向另一周期的光栅+1与-1级次衍射光干涉形成的干涉条纹，X1为X向光栅+1与-1级次光相干涉形成的干涉条纹，……，X88为X向另一周期的光栅+1与-1级干涉形成的干涉条纹，其中所述CCD阵列垂直于所述4F光学系统光轴设置，且CCD阵列的像素尺寸小于所述多级次衍射光在4F光学系统上的成像的最小周期的1/5。

第二步：然后通过对CCD阵列上每个像素点的光强进行处理，识别出每个级次条纹像的中间那根条纹的光强最大处对应的像素点作为参考点，如图6、8所示，Y1级次的最中间那根条纹的光强最大处对应的像素点为参考点A1、Y2级次像对应的参考点A2、Y3级次像对应的参考点A3…Y8级次像对应的参考点A8…X1级次像对应的参考点B1、X2级次像对应的参考点B2……。

第三步；当对准扫描时，监测参考点A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8随晶片6位置变化导致的光强变化，每个参考点光强随晶片对准标记WM位置的变化曲线也是正弦函数，且不同级次所成像的函数周期不同，如图7所示，S_p1为参考点A1、B1点的光强信号曲线，S_p2为A2、B2点的光强信号曲线，S_p3为A3、B3点的光强信号曲线，当每个级次光强均最大时，此即最佳对准位置（包括X、Y向）。实际操作时，本发明也可同时监测A1、B1等像素附近的像素点的光强变化曲线，提高精度。

本发明采用CCD阵列替代参考光栅及探测光纤束，由于CCD面阵大，易于探测参考点A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8的光强变化，即使晶片对准标记WM变化时也无需更换CCD，对标记的兼容性好。

本发明采用的CCD阵列的装调相对简单，且不需要对CCD阵列面的X、Y位置进行限制，探测时也可依据参考点A1、B1附近的像素点上的光强变化实现对准，降低CCD阵列面的Z、Rx、Ry、Rz的测量精度要求。

本发明所采用的CCD阵列市面上的售价远远低于参考光栅以及探测光纤束的售价，大大降低了光刻装置的成本，而且CCD阵列可以直接市面购得，而参考光栅及探测光纤束需加工生产，其加工周期约三个月左右，工期太长，耽误装置的生产，拖低生产效率。

本发明实施例还进一步提供一种用于光刻装置的对准系统，包括：

一光源及照明模块，用于提供照明光束照射位于晶片6上的晶片对准标记WM，所述晶片对准标记WM是划线槽对准标记，划线槽对准标记包括至少两组不同周期的光栅，分别为第一光栅和第二光栅，所述第一光栅、第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于X方向对准的对准标记位于Y方向的划线槽中，用于Y方向对准的对准标记位于X方向的划线槽中；

一光学成像模块，包括4F光学系统，光学成像模块收集照明光束照射晶片对准标记WM后产生的多级次衍射光，并将晶片对准标记WM成像至所述4F光学系统像面,所述4F光学系统按光线传播的方向依次包括前组透镜、折光单元和后组透镜，折光单元用于使晶片对准标记WM产生的同级次衍射光在所述4F光学系统像面上偏转相同角度，不同级次衍射光偏转不同角度，所述折光单元是透射楔板组或反射棱镜组；所光学成像模块还包括一光阑，所述光阑用于使照射一组所述光栅产生的±1、±2、…、±7级次衍射光经过所述4F光学系统成像，使照射另一组不同周期的所述光栅产生的±1级衍射光经过所述4F光学系统成像。

一探测器，位于4F光学系统像面，用于探测所述多级次衍射光，所述探测器为CCD阵列；

一信息处理模块，用于对所述多级次衍射光进行信号处理以得到对准位置信息。

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 (13)

1.一种用于光刻装置的对准方法，其特征在于，包括：

步骤一、在硅片上设置对准标记，所述对准标记是划线槽对准标记，所述划线槽对准标记包括至少两组不同周期的光栅；

步骤二、通过照明光束照射所述对准标记，所述对准标记发生多级次衍射，各级次衍射光经过4F光学系统后在位于所述4F光学系统像面的CCD阵列上成像，所述照明光束照射一组所述光栅发生衍射产生的±1、±2、…、±7级次衍射光经过所述4F光学系统后成像；所述照明光束照射另一组所述光栅发生衍射产生的±1级衍射光经过所述4F光学系统后成像；

步骤三、所述对准标记处于静态时，信号处理模块分别选取所述各级次衍射光成像的特定位置处的像素点为该级次衍射光成像的参考点；

步骤四、所述对准标记处于动态时，所述信号处理模块监测得到所述各级次衍射光成像的参考点的光强随所述对准标记运动而变化的光强曲线，当所述各级次衍射光成像的参考点的光强同时为峰值时，对准完成。

2.如权利要求1所述的对准方法，其特征在于，所述划线槽对准标记的各级次衍射光在所述CCD阵列上成像得到条纹图像，选取所述各级次衍射光的条纹图像的中间条纹中最大光强值的位置为所述特定位置。

3.如权利要求1所述的对准方法，其特征在于，所述两组不同周期的光栅分别为第一光栅和第二光栅，所述第一光栅位于x方向的划线槽中，用于y方向对准，所述第二光栅位于y方向的划线槽中，用于x方向对准，所述x方向与y方向正交。

4.如权利要求1所述的对准方法，其特征在于，所述CCD阵列垂直于所述4F光学系统的光轴设置。

5.如权利要求1所述的对准方法，其特征在于，所述CCD阵列的像素尺寸小于所述各级次衍射光在所述4F光学系统上的成像的最小周期的1/5。

6.如权利要求1所述的对准方法，其特征在于，所述各级次衍射光中，同级次衍射光在所述4F光学系统像面上相干成像，不同级次衍射光在像面上分开成像。

7.一种实施如权利要求1所述用于光刻装置的对准方法的对准系统，其特征在于，包括：

一光源及照明模块，用于提供所述照明光束照射位于所述硅片上的所述对准标记，所述对准标记是划线槽对准标记，所述划线槽对准标记包括至少两组不同周期的光栅；

一光学成像模块，所述光学成像模块包括所述4F光学系统，所述光学成像模块收集所述照明光束照射所述对准标记后产生的多级次衍射光，并将所述对准标记成像至所述4F光学系统像面；

一探测器，位于所述4F光学系统像面，用于探测所述多级次衍射光，所述探测器为CCD阵列；

一信息处理模块，用于对所述多级次衍射光进行信号处理以得到对准位置信息。

8.如权利要求7所述的对准系统，其特征在于，所述两组不同周期的光栅分别为第一光栅和第二光栅，所述第一光栅、第二光栅沿垂直于对准方向的方向排列，并且用于x方向对准的对准标记位于y方向的划线槽中，用于y方向对准的对准标记位于x方向的划线槽中。

9.如权利要求7所述的对准系统，其特征在于，所述4F光学系统按光线传播的方向依次包括前组透镜、折光单元和后组透镜，所述折光单元用于使所述对准标记产生的同级次衍射光在所述4F光学系统像面上偏转相同角度，不同级次衍射光偏转不同角度。

10.如权利要求9所述的对准系统，其特征在于，所述折光单元是透射楔板组或反射棱镜组。

11.如权利要求10所述的对准系统，其特征在于，所述CCD阵列垂直于所述4F光学系统光轴。

12.如权利要求10所述的对准系统，其特征在于，所述CCD阵列的像素尺寸小于所述多级次衍射光在所述4F光学系统上的成像的最小周期的1/5。

13.如权利要求10所述的对准系统，其特征在于，所述 光学成像模块还包括一光阑，所述光阑用于使照射一组所述光栅产生的±1、±2、…、±7级次衍射光经过所述4F光学系统成像，使照射另一组不同周期的所述光栅产生的±1级衍射光经过所述4F光学系统成像。