CN106796404A - 制造光刻结构的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造光刻结构的光学系统(1)具有投射镜头系统(8)，其用于将制造结构的写入光束引导到基板平面(12)中的基板表面(10)的区域中的写入焦点(9)中。偏转装置(5)用于在基板表面(10)的区域中的写入场(13)内偏转写入光束的写入焦点(9)。预览镜头系统(14)，用于在基板表面(10)的区域中成像预览场(15)。预览场(15)的面积是写入场(13)的面积的至少10倍。投射镜头系统(8)和预览镜头系统(14)由共同框架(16)支撑。基板固定器(18)在平行于基板表面(10)的平面(x，y)中以两个平移自由度(x，y)可位移。此外，系统(1)具有控制单元(27)，控制单元包括存储器(28)，存储器中存储写入场(13)的位置相对于预览场(15)的位置的相对坐标。呈现出一种光学系统，其中以良好目标精度实现了在制造光刻结构时被处理的基板的定位。

Description

制造光刻结构的光学系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求德国专利申请DE 10 2014 220 168.3的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种制造光刻结构的光学系统。此外，本发明涉及一种在这样的光学系统中确定相对于预览场位置的写入场位置的相对坐标的方法，以及一种使用这样的光学系统制造光刻结构的方法。
背景技术
一开始提出类型的光学系统从US 2013/0 221 550 A1和US 2013/0 223 788 A1已知。DE 103 15 086 A1已经公开了一种用于在制造半导体时对准半导体晶片的方法和设备。本文中公开的光刻设备包括曝光单元、包括对准显微镜的第一光学测量装置，以及另一杂散辐照测量装置。在此光刻设备中，晶片固定器设置在定位装置上。
发明内容
本发明的目标是开发一种光学系统，使得可以尤其以良好目标精度实现基板的定位，基板在制造光刻结构时被处理。特别地，这应便于在相对于结构尺寸来说很大的基板面积上找到待制造的结构的尽可能精确的位置，因为写入场规律地仅提供整个基板面积的很小的部分，在该很小的部分上应以位置精度制造期望的结构。
根据本发明，通过包括权利要求1中指定的特征的光学系统实现此目标。
根据本发明认识到，如果采用存储的指定相对于预览场位置的写入场位置的相对坐标，则将待结构化的基板定位为使得在写入目标位置制造待制造的结构得到改善。这考虑到以下事实：写入场通常很小，而采用的预览场与之相比大的多。预览场进而通常仅覆盖整个基板表面的很小的部分，在该很小的部分上应以精确位置制造结构。那么，写入场可能针对制造结构的工艺优化，并且可能尤其具有很小的实施例。预览场的典型尺寸为10×10mm2。写入场的典型尺寸为400×400μm2。预览场可以比写入场大50倍、100倍或甚至更大倍数，例如1000倍或10000倍。整个基板表面具有20×20cm2的典型尺寸。此数值适用于矩形基板。典型圆形基板具有对应于矩形基板面积大约75％的面积。写入焦点具有大约1μm2的典型面积。
通过使用相对坐标，可以确保制造结构时的高吞吐量。可以制造微结构和/或纳米结构。在使用该光学系统进行光刻结构的制造期间，可以采用无掩模或基于掩模的光刻。预览光学单元可以5到100之间的范围内(例如在30到40之间的范围内)的放大倍数成像预览场。
为了捕获预览场的目的，光学系统可以包括数码照相机，其可以实施为CCD照相机。
可以采用单光子光刻或多光子光刻制造结构。
如权利要求2中所要求保护的工艺照相机(process camera)可以用来确定相对于预览场的位置的写入场的位置的相对坐标。工艺照相机可以包括芯片，用于写入场的空间解析捕获。在此，这可以是CCD芯片或CMOS照相机。可以通过写入场照明来照明写入场，写入场照明独立于写入光束。可以通过宽场照明来照明写入场。写入场照明的光源可以实现为LED。通过工艺照相机捕获用于照明写入场的独立光和写入光两者是有利的，因为这允许写入工艺的观察和/或对执行的结构形成得出结论，特别是关于执行的聚合作用。可以通过分束器，将写入光和/或用于照明写入场的独立光耦合到工艺照相机中，特别是通过部分透射式反射镜。
借助于权利要求3所要求保护的可位移性，一方面可以促进调整投射光学单元的焦平面，另一方面可以促进相对于预览光学单元调整焦平面。可以借助于适当的位移驱动器来进行位移。预览光学单元和/或投射光学单元可以具有在垂直于基板平面的方向上可位移的实施例。
可以借助于如权利要求4所要求保护的自动聚焦装置来确定投射光学单元和/或预览光学单元的理想的焦点位置。自动聚焦装置可以具有照明，照明独立于写入光或预览光。
发现如权利要求5和6中所要求保护的像侧数值孔径尤其一方面适用于投射光学单元的功能，另一方面适用于预览光学单元的功能。例如，预览光学单元的像侧数值孔径可以为0.05。
如权利要求7中所要求保护的光源可以为脉冲光源。写入光的光源可以为NIR激光器。写入光的光源可以为超短脉冲激光光源。与写入光的光源分开且可以同样地为光学系统的一部分的光源可以用于预览光学单元。在一方面的写入场与另一方面的预览场不重叠的情况下，通常采用独立于写入光的光源的预览光学单元的照明。
发现如权利要求8所要求保护的确定相对坐标的方法尤其有效率。最初，可以使用预览光学单元在预览场中记录测试物体，并且随后可以使用投射光学单元在写入场中记录所述测试物体。也可以将记录顺序反过来。
当确定相对坐标时，如权利要求9中所要求保护的精细定位提高精度。当最大化关联时，可以将测试物体旋转和/或压缩和/或位移。除精细定位之外，还可以检查两个光学单元之间的相互作用，并且如果需要，当以此方式最大化关联时，校正两个光学单元之间的相互作用。例如，可以检查两个光学单元的焦平面关于彼此的位置，并且如果需要，可对其校正。还可以监控两个光学单元的预定成像比例比。
如权利要求10中所要求保护的图像叠层记录提高甚至沿着垂直于基板平面的坐标确定相对坐标的精度。这在光刻结构的制造期间改善焦点的定位。
通过如权利要求11中所要求保护的多个粗位移，可以在迭代过程的范围内确定相对坐标。因此，以改善的精度确定坐标。
如权利要求12中所要求保护的用于制造光刻结构的方法利用借助于所解释的光学系统来确定相对坐标的优点。
当将预定结构写入到写入场中时，如权利要求13中所要求保护的在预览场中对准写入目标位置促进定位部件的最优化利用。
附图说明
在下面参考附图更详细地解释了本发明的示例性实施例。具体地：
图1示出了用于制造光刻结构的光学系统的原理性部件的示意侧视图；以及
图2同样示意性示出了光学系统的预览光学单元的预览场以及与其分隔的写入场的俯视图，写入场中设置光学系统的投射光学单元的写入焦点。
具体实施方式
其原理性部件如图1所示的光学系统1起到制造光刻结构的作用。在US 2013/0221 550 A1中以更详细的方式解释了可以用光学系统1进行的结构制造方法。在US 2013/0223 788 A1中描述了由于制造结构所出现的产品的细节。
包括用于产生写入光4的束的光源3的光刻系统2是光学系统1的一部分。在图1中，非常示意性地通过点线绘示了写入光4的束路径。光源3可以为具有780nm波长的脉冲NIR(近红外)激光器；其细节同样在US 2003/0 221 550 A1中指明。
用于写入光束的偏转装置5是光刻系统2的一部分。偏转装置5可以包括用于偏转写入光束的一个或多个可倾斜扫描反射镜。偏转装置5可以含有至少一个光学部件，该至少一个光学部件实施为微电子机械系统(MEMS)部件。
写入光4的束沿着其路径在光源3之后穿过两个输出耦合反射镜6和7，所述输出耦合反射镜连续设置在写入光4的束路径中。随后，写入光4穿过投射光学单元8，投射光学单元8为显微镜物镜形式或光刻镜头形式。投射光学单元8起到将制造结构的写入光束引导到在基板平面12中的基板11的基板表面10的区域中的写入焦点9(参见图2)中的作用。其中可以通过写入焦点9带来用于制造结构的基板材料的聚合作用的面积可以具有大约1至100μm2之间的横向范围，例如2与10μm2之间的横向范围。写入焦点9可以大致为圆形，但其也可以具有显著偏离1的x/y纵横比，并且可以例如具有大约1μm×10μm的横向范围。
通过相对于基板材料位移写入焦点9来制造结构。制造的结构呈现为多个或多重聚合的点区域或聚合的线的总和。此类型的典型结构可以例如具有大约5μm×200μm的横向范围。发生聚合作用的点区域为体积像素，即体素(voxel)。投射光学单元8具有大于0.5的像侧数值孔径，并且其在示例性实施例中大于1.0，并且，例如，在1.2至1.4的之间的范围中。
偏转装置5起到在基板表面10的区域中的基板平面12中的写入场13内偏转写入光束的写入焦点9的作用。可以借助于整个写入场13内的写入焦点9来制造结构。为此，可以在写入场13内移动(特别是扫描)写入焦点9。从而，制造的结构可以显著地大于写入焦点9的范围。
在写入焦点9中，可以通过单光子工艺或通过多光子工艺制造结构。
光学系统1还包含预览光学单元14，预览光学单元14用于在基板表面10的区域中的基板平面12中成像预览场15(再次参见图2)。预览场15具有一面积，其是写入场13的面积的至少10倍。预览场15可以大于写入场13的面积至少100倍。
在图1中，不按照比例重现场13、15。
为了阐述光学系统1的结构元件之间的位置关系的目的，在下面使用了笛卡尔xyz坐标系统。在根据图1的侧视图中，xy平面垂直于附图的平面，并且与基板平面12重合。z方向与之垂直，并且在图1中向上延伸。从而，可以通过x，y坐标指定场13、15的范围和写入焦点9的位置。
写入场13具有xy范围，xy范围的典型边缘长度在100μm至1mm之间的范围内，例如400μm×400μm的范围。写入光束的焦平面中的写入焦点9的焦点直径在0.25μm至50μm之间的范围内。写入焦点9的典型焦点直径为1μm。从而，沿着两个坐标x和y中的每一个，写入场13典型地大于写入焦点9的直径的100倍。
预览场15具有典型边缘长度在1mm与50mm之间的范围，例如10mm×10mm的典型xy范围。预览场15可以甚至更大，并且具有例如50mm×50mm的典型xy范围。预览场15小于整个基板表面10，整个基板表面10可例如具有20×20cm2的面积。基板11可以为矩形或圆形。圆形基板的面积典型地小于矩形基板的面积的0.75倍。
预览光学单元14放大预览场15，放大率在5与100之间的范围内，典型地在30与40之间。预览光学单元14的最接近于基板的部件与基板10之间的工作距离在1mm与30mm之间的范围内，并且典型地为10mm。
预览光学单元14具有小于0.1，并且可以为例如0.05的像侧数值孔径。
投射光学单元8和预览光学单元14由共同框架16承载，共同框架16在图1中示意性地以剖面形式指示。通过框架载体17，将投射光学单元8或预览光学单元14关于坐标x和y彼此刚性地连接。
基板11由基板固定器18承载。后者在xy平面中在两个平移自由度x和y上可位移。为此，基板固定器18连接到xy位移驱动器19。具有xy位移驱动器19的基板固定器18可以实施为xy台，xy台具有优于5μm的定位重现精度。
预览光学单元14包括CCD照相机20，用于检测预览场15。替代地，或附加地，预览光学单元14可以包括管，该管用于操作人员的视觉检查。通过预览光源21照明预览场15，预览光源21集成到预览光学单元14中，并且独立于写入光的光源3。预览光源21产生用于照明预览场15的预览光22。预览光22的束路径相同样在图1中通过点线非常示意性地指示。预览光源21可以为可见波长范围内的光源。替代地，原则上也可以使用写入光的光源3来产生用于照明预览场15的预览光。
预览光源可以带来宽场照明和/或结构化的照明。在此，可以采用散斑图(specklepattern)或条纹投射。
光学系统1还包括用于捕获写入场13的工艺照相机23。这采用写入场的分开的照明执行，其未在附图中以任何更多细节绘示。替代地，或附加地，在任意情况下，投射光学单元8中的写入光束的束路径可以用于捕获写入场13的一部分。将已经经历从写入场13回射到投射光学单元8的光(即写入光4)从半透明输出耦合反射镜7分离到工艺照相机23中。工艺照相机23包括CCD芯片24，用于捕获通过输出耦合反射镜7分离的光4a。在独立于写入光的光源的照明用于捕获写入场13的前提下，仍可以附加地通过工艺照相机23捕获写入光4。
此外，光学系统1包括自动聚焦装置25，用于确定投射光学单元8的焦平面和/或预览光学单元14的焦平面。在此，自动聚焦装置25捕获另一光束4b，另一光束4b由半透明输出耦合反射镜6分离。自动聚焦装置25可以包括专用照明，其未在附图中以任何更多细节绘示。
投射光学单元8为相对于预览光学单元14在z方向上(即垂直于基板平面12)可位移的。为此，投射光学单元8装备有z位移驱动器26。z位移驱动器26在图1中示意性地图示，并且设置在框架载体17与投射光学单元8之间。在投射光学单元8相对于预览光学单元14的此z位移的情况下，通过z导轨引导两个光学单元8、14关于彼此的相对移动。此z导轨为框架载体17的一部分。
可以在z位移驱动器26的帮助下调节投射光学单元8的焦平面和预览光学单元14的焦平面。
光学系统1还包括控制单元27。控制单元27包括存储器28，存储器28中存储相对于预览场15的位置的写入场13的位置的相对坐标(RKx、RKy)。
借助于光学系统1，可以通过光刻制造微结构和/或纳米结构。这可以无掩模方式(即在不将目标结构成像到基板表面10上的情况下)进行，但可替代地也可以基于掩模的方式进行。
为了确定相对于预览场15的位置的写入场13的位置的相对坐标RKx、RKy，执行以下步骤：
初始地，使用预览光学单元14记录测试物体(例如具有预定x/y纵横比的矩形结构)。通过CCD照相机20捕获测试物体在预览场15中的位置。随后，借助于xy位移驱动器19，将测试物体设置在预览场15中，使得测试物体具有预览场15中的限定位置。例如，可以选择此位置，使得测试物体上的标记变得位于预览场15的中央坐标xv，yv(参见图2)上。
与此同时，z位移驱动器26的调节的致动使得可以确保测试物体理想地位于预览光学单元14的像侧焦平面中。
随后，借助于xy位移驱动器19，将测试物体在基板固定器18上的预览场15与写入场13之间粗位移。在此粗位移期间，粗相对坐标RKx，粗、RKy，粗登记且存储在存储器28中。粗位移的目标是将测试物体移动到写入场13中。
随后，用投射光学单元8和工艺照相机23记录测试物体。随后，在写入场13中精细定位测试物体，直到测试物体具有写入场13中的限定位置。例如，此限定位置可以使得在写入场13中已经执行精细定位之后，测试物体的标记对应于写入场13的中央xs、ys(参见图2)。在精细定位期间的测试物体的粗相对坐标的改变也登记且存储在存储器28中。那么，可以从粗相对坐标和精细定位期间的登记的改变来登记相对于预览场15的位置的写入场13的位置的期望的相对坐标，并且所述期望的相对坐标可以存储在存储器28中。在根据图2的示例中，相对坐标RKx、RKy和场15和13的坐标xv、yv以及xs，ys产生以下关系：
RKx、RKy＝(xv-xs)、(yv-ys)
然后将产生的相对坐标RKx、RKy存储在控制单元27的存储器28中，并且当移动基板到写入目标位置时为随后调用可得，基板上应通过光刻制造结构。
一旦确定相对坐标RKx、RKy，相对于光学单元8的位置校准预览光学单元14。基板固定器18的由坐标(RKx，RKy)的位移将由基板固定器承载的物体从预览场15的中央转移到写入场13的中央。
如果预览场15的范围已知，也可以直接将预览场15中的用户选择的位置转换为写入场13中的中央。这是凭借控制单元27初始地将此选择的位置定于预览场15中央而实现，将此选择的位置定于预览场15中央是通过适当定位实现，适当定位是通过由xy位移驱动器19和对应的相对坐标的登记进行。随后，执行上面描述的转移位移。定于中央和转移位移也可以结合在一个步骤中。
替代地，也可以从写入场13中的测试物体的记录出发执行上面描述的确定方法，其中该情况下的测试物体初始地定位于写入场13中，并且随后有在预览场15内的对应的精细定位情况下的测试物体从写入场13到预览场15的粗位移。初始地，以类同于上面已经在从预览场15中的测试物体出发的确定方法的背景下解释的方式，进行粗相对坐标和由其产生的结果以及期望的相对坐标的精细定位的结果的登记。
取决于定位测试物体的顺序，因此初始场或者为预览场15，或者为写入场13，并且目标场或者为写入场13，或者为预览场15。
在精细定位期间，将测试物体的一方面在初始场中的位置和另一方面在目标场中的位置的关联最大化。通过旋转测试物体和/或压缩(compress)测试物体和/或移动测试物体执行此关联的最大化。
关于平行于z轴的轴进行该旋转，其可通过基板固定器18的附加的枢转电机29执行。作为可替代的方案，也可以通过为用户显示期间的各自的捕获光学单元的图像旋转来进行该旋转。将多个标记施加在测试物体的各x、y位置处，以捕获这样的旋转。在粗位移后，或在精细定位期间，旋转可以将这些测试标记与目标标记的关联性最大化。
在压缩期间，当一方面通过预览光学单元14且另一方面通过制造光学单元8记录时，通过z位移驱动器26改变投射光学单元8与预览光学单元14之间的成像比例比，直到预定比与测试物体上的测试标记的距离比相对应。
在上面已经参考图2解释了通过位移(即通过在自由度x和y上平移)最大化该关联。
在通过用各自的记录光学单元(即用投射光学单元8或预览光学单元14)在此记录光学单元在垂直于xy基板平面12的z位移方向上相对于测试物体的的不同z位移位置处记录测试物体的的各图像来记录测试物体期间，可以产生图像叠层。
除了沿着x坐标和沿着y坐标的相对坐标，在存在焦平面的一方面投射光学单元8的焦平面与另一方面预览光学单元14的焦平面之间的z偏移的前提下，还可以存储z方向上的相对坐标。
当确定相对坐标时，可能有测试物体在场13、15之间的多个粗位移。那么，可以在迭代过程的范围内确定相对坐标。
为了用光学系统1制造光刻结构，如上面所解释的，初始地相对于预览场15的位置确定写入场13的位置的相对坐标。随后在基板固定器18上提供基板11。那么，可以在xy位移驱动器19的帮助下，将整个基板11上的提供用于结构化的部分驱动到预览场15之下。那么，在预览场15中识别且由用户选择基板11上的写入目标位置。然后可以将此写入目标位置在预览场15中对准。随后，使用确定的相对坐标RKx、RKy，将写入目标位置从预览场15移动到写入场13中。基于此，使用写入光束将预定结构写入到写入场13中，其中借助于偏转装置5，根据写入场13中的预定结构的形式移动写入焦点9。
例如，具有大约15cm(6英寸)或大约20cm(8英寸)的直径的晶片可以用作基板11。也可以使用具有甚至更大直径的晶片。

Claims (13)

1.一种制造光刻结构的光学系统(1)，所述光学系统(1)包括：
--投射光学单元(8)，用于将制造结构的写入光束引导到基板平面(12)中的基板表面(10)的区域中的写入焦点(9)，
--偏转装置(5)，用于在所述基板表面(10)的所述区域中的写入场(13)内偏转所述写入光束的写入焦点(9)，
--预览光学单元(14)，用于将预览场(15)成像在所述基板表面(10)的所述区域中，其中所述预览场(15)的面积是所述写入场(13)的面积的至少10倍，
--其中所述投射光学单元(8)和所述预览光学单元(14)由共同框架(16)承载，
--基板固定器(18)，所述基板固定器(18)在平行于所述基板表面(10)的平面(xy)中是以两个平移自由度(x，y)可位移的，
--控制单元(27)，所述控制单元(27)包括存储器(28)，所述存储器(28)中存储所述写入场(13)的位置相对于所述预览场(15)的位置的相对坐标(RKx，RKy)。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于工艺照相机(23)，所述工艺照相机(23)用于使用所述投射光学单元(8)中的所述写入光束的束路径捕获所述写入场(13)。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述投射光学单元(8)相对于所述预览光学单元(14)在垂直于所述基板平面(12)的方向(z)上是可位移的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学系统，其特征在于自动聚焦装置(25)，所述自动聚焦装置(25)用于确定所述投射光学单元(8)和/或所述预览光学单元(14)的焦平面。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述投射光学单元(8)具有大于1.0的像侧数值孔径。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述预览光学单元(14)具有小于0.1的像侧数值孔径。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学系统，其特征在于光源(3)，所述光源(3)用于产生写入光(4)。
8.一种在根据权利要求1-7中任一项所述的光学系统(1)中确定写入场(13)的位置相对于预览场(15)的位置的相对坐标(RKx，RKy)的方法，所述方法包括以下步骤：
--使用两个光学单元(8，14)中的一个，在初始场(13，15)中记录测试物体，所述两个光学单元(8，14)来自以下光学组：预览光学单元(14)和投射光学单元(8)，并且初始场(13，15)即为两个场中的一个，所述两个场来自以下场组：预览场(15)和写入场(13)，
--在所述初始场(13，15)中定位所述测试物体，使得所述测试物体具有所述初始场(13，15)中的限定位置，
--通过所述基板固定器(18)执行所述测试物体在所述初始场(13，15)与目标场(15，13)之间的粗位移，所述目标场即为来自所述场组的所述两个场中的另一个，
--登记此粗位移的粗相对坐标(RKx，粗；RKy，粗)，
--使用来自所述光学组的所述两个光学单元(14，8)中的另一个记录所述测试物体，
--在所述目标场(15，13)中精细定位所述测试物体，使得所述测试物体具有所述目标场(15，13)中的限定位置，
--登记在所述精细定位期间所述粗相对坐标(RKx，粗；RKy，粗)的改变，并且从所述粗相对坐标(RKx，粗；RKy，粗)和所述登记的结果产生所述相对坐标(RKx，RKy)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述精细定位期间，将一方面所述测试物体在所述初始场(13，15)中的位置和另一方面所述测试物体在所述目标场(15，13)中的位置的关联最大化。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，使用所述记录光学单元(8，14)，在所述记录光学单元(14，8)在垂直于所述基板平面(12)的位移方向(z)上相对于所述测试物体的各位移位置，记录所述测试物体的各图像，从而记录所述测试物体，在所述记录所述测试物体期间，产生图像叠层。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，在所述确定期间，所述测试物体在所述场组的各场(13，15)之间的粗位移发生多次。
12.一种使用根据权利要求1-7中任一项所述的光学系统(1)制造光刻结构的方法，所述方法包括以下步骤：
--使用根据权利要求8-11中任一项所述的方法，确定所述写入场(13)的位置相对于所述预览场(15)的位置的相对坐标(RKx；RKy)，
--在所述基板固定器(18)上提供所述基板(11)，
--确定所述预览场(15)中的所述基板(11)上的写入目标位置，
--使用确定的相对坐标(RKx，RKy)，将所述写入目标位置从所述预览场(15)移动到所述写入场(13)中，
--使用所述写入光束，将预定结构写入到所述写入场(13)中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述写入目标位置从所述预览场(15)移动到所述写入场(13)中之前，在所述预览场(15)中对准所述写入目标位置。
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