CN106814547A - 一种测校装置及测校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测校装置及测校方法，该测校装置包括：照明组件，包括光源、照明镜头和空间光调制器，所述照明组件用于形成不同模式的照明光束；投影照明系统，用于将所述照明光束投射到工件的对准标记上；调焦调平功能系统，用于测量工件的离焦倾斜量并反馈至曝光系统的工件台；对准功能系统，用于对测量工件的水平位置偏移量并反馈至曝光系统的工件台；所述调焦调平功能系统与所述对准功能系统共用部分光路。本发明可以节省光刻机的调焦调平流程的时间，提高对准精度，并且对准过程和调焦调平过程之间的相互校准，可以提高整个的调焦调平和对准的测量精度，最终提高光刻机的曝光精度，提高曝光工艺的产率。

Description

一种测校装置及测校方法

技术领域

本发明涉及曝光领域，特别涉及一种测校装置及测校方法。

背景技术

投影光刻机或称投影光刻设备，是将掩模上的图案通过投影物镜投影到工件表面的装置。在投影光刻设备中，必须有自动调焦调平装置和对准装置指引工件台将工件表面精确地移动到指定的曝光位置。目前实现调焦调平的传感器主要是基于光电式三角测量的调焦调平传感器，实现水平位置对准的装置主要是基于机器视觉的机器视觉对准传感器。

基于CCD图像传感器的光电探测方案比较成熟，是基于光电式三角测量的调焦调平技术方案中的一种，其依据标记光斑投影在被测物面上的位置与其被反射后成在探测器(CCD等光电式探测器，后文统称为CCD)上像的位置对应关系，计算出被测物面的离焦量，像在CCD上的位置数据是通过图像处理的方式获得；而基于机器视觉的对准传感器是依靠对被测工件面上的对准标记与基准板上的对准标记成像，经图像处理后得到被测工件与基准板的水平位置关系。两种传感器均是通过将标记成像到CCD上后，经各自图像处理的方式得到对应的位置关系。

现在光刻机中典型的调焦调平测量模块和对准测量模块是两个相互独立的模块：调焦调平测量模块仅对被测工件进行离焦量和倾斜量的检测，而对准测量模块仅对被测工件的水平位置的偏移量进行测量，两者在使用的时候相互之间几乎没有联系。此外，调焦调平传感器在进行精测前，被测工件离焦量有可能超出了传感器的精测量程，也就是说，在进行精测前需要一个粗测的过程，这样就增加了调焦调平的测量时间，影响整机的产率；另外对准传感器对准测量的时候，只要对准标记的成像分辨率在对准镜头的某个焦深范围内高于某个值，就认为测量值是满足要求的，然而实际的对准镜头一般的焦深范围有正负十几、二十几微米，也就是说有可能在离焦十几到二十几微米就进行对准，而非在最佳焦面进行对焦的，这样不利于提高对准的精度，最终会影响掩模与工件的对准精度，最后影响曝光的质量。

发明内容

本发明提供一种测校装置及测校方法，以提高调焦调平和对准的测量精度，提高光刻机的曝光精度，提高曝光工艺的产率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测校装置，包括：照明组件，包括光源、照明镜头和空间光调制器，所述照明组件用于形成不同模式的照明光束；

投影照明系统，用于将所述照明光束投射到工件的对准标记上；调焦调平功能系统，用于测量工件的离焦倾斜量并反馈至曝光系统的工件台；对准功能系统，用于对测量工件的水平位置偏移量并反馈至曝光系统的工件台；所述调焦调平功能系统与所述对准功能系统共用部分光路。

作为优选，所述光源包括光纤和LED、卤素灯或氙光灯。

作为优选，所述空间光调制器为可变光阑。

作为优选，所述空间光调制器采用可动机械光阑。

作为优选，所述可动机械光阑包括用于对准的第一光阑和带有标记狭缝的第二光阑以及用于驱动所述第一、第二光阑进行照明模式切换的电机。

作为优选，所述投影照明系统包括转向组件和透镜组，照明光束经所述转向组件和透镜组投射到工件的对准标记上。

作为优选，所述调焦调平功能系统和对准功能系统包括转向组件、透镜组、分束器件、孔径光阑和探测器，其中，所述转向组件、透镜组和分束器件设置有一组，为所述调焦调平功能系统和对准功能系统的共用部分；所述孔径光阑和探测器设置有两组；工件上的反射光经所述转向组件和透镜组投射到分束器件，由分束器件将反射光分为两束，经各自的孔径光阑后分别投射到探测器上。

作为优选，所述探测器采用面阵CCD。

本发明还提供一种测校方法，采用如上所述的测校装置，包括：空间光调制器切换至调焦调平通光模式；调焦调平功能系统判断工件台上的工件是否存在离焦倾斜现象；若工件存在离焦倾斜，所述调焦调平功能系统测出离焦倾斜量并传递至工件台，工件台调节所述工件至最佳曝光面，空间光调制器切换为对准照明模式；若工件不存在离焦倾斜，空间光调制器切换为对准照明模式；接着，对准功能系统判断工件的对准标记是否存在水平位置偏移；若对准标记存在水平位置偏移，则对准功能系统测出水平位置偏移量并传递至工件台，工件台对所述工件进行校准，完成测校；若对准标记未水平位置偏移，则直接完成测校。

作为优选，在调焦调平功能系统判断工件台上的工件是否存在离焦倾斜现象步骤中：当工件存在Δz的离焦量时，则子光斑的像位置的偏移量分别为Δy1、Δy2、Δy3，那么离焦量Δz可表示为：

其中，θ为照明光束投射到所述对准标记上的入射角度，β为调焦调平功能系统的放大系数。

作为优选，当工件倾斜时，通过对对准标记上的多个点离焦量，计算出对准标记的倾斜量。

作为优选，子光斑的对应被测面上点离焦量为Δz1、Δz2、Δz3…，对应的表达式为：

作为优选，在所述对准功能系统判断工件的对准标记是否存在水平位置偏移步骤中：设对准标记处于理论水平位置时中心坐标为(x₀，y₀)，对应的像中心坐标为(xi₀，yi₀)；当对准标记相对于理论水平位置有偏移时，设偏离后的标记中心坐标为(x₁，y₁)，则对应的像中心位置坐标为(xi₁，yi₁)，则对准标记的水平位置偏移量Δx、Δy为：Δx＝(xi₁-xi₀)/M；Δy＝(yi₁-yi₀)/M/cosθ；其中，θ为照明光束投射到所述对准标记上的入射角度，M为对准功能系统的放大系数。

作为优选，对准照明模式的空间光调制器上的通光孔为圆孔、方孔或者环形孔。

作为优选，调焦调平通光模式的空间光调制器上的通光孔为狭缝。

作为优选，所述圆孔、方孔或者环形孔的孔径大于所述狭缝的孔径。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：由于在对准过程前有一个对焦过程，也就是当工件不在对准镜头的焦深范围之内的情况下，需要通过工件台将被测工件调节到对准镜头的焦深范围之内，最后在对准镜头拍摄到的对准标记图形认为是最清晰，也就是处于“最佳焦面”的时候，才进行对准过程，而这一过程其实就是调焦调平功能系统进行精测之前的粗测过程。因此，本发明可以省去粗测流程，为整个工艺流程节省时间；对于调焦调平功能系统来说，对被测工件进行调焦调平的过程就是将被测工件的离焦量和倾斜量进行精确的测绘，并将精确的离焦和倾斜量反馈给工件台，然后工件台将被测工件调节到曝光物镜的最佳曝光面，其实就是将被测工件调节到最佳焦面，为对准功能系统提供一个最佳焦面进行对准，可以提高对准的精度。因此，本发明可以节省光刻机的调焦调平流程的时间，提高对准精度。本发明充分利用空间光调制器的高灵活性和可操作性强的特点，针对对准过程和调焦调平过程的不同工作模式，对应地改变照明模式，分别完成各自的工作流程，将对准功能系统和调焦调平功能系统集成在一起，可以节省制造成本、节约机构空间，此外，调焦调平过程与对准过程相对认证，可以提高调焦调平和对准的测量精度，最终有助于提高物镜曝光质量，提高产品良率。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中一种测校装置的结构示意图；

图2为图1的A部放大图；

图3a～图3b为可变光阑切换照明模式对应的对准照明模式与调焦调平通光模式的示意图；

图4a～图4b为可动机械光阑切换照明模式对应的对准照明模式与调焦调平通光模式的示意图；

图5为本发明一具体实施方式中一种测量方法流程图；

图6a～6b为本发明一具体实施方式中硅片上FLS投影光斑形状和对应探测器采集到的信号示意图；

图7a～7b为本发明一具体实施方式中硅片离焦现象和对应探测器采集到的信号示意图；

图8a～8b为本发明一具体实施方式中硅片上对准标记照明和对应探测器采集到的图像示意图；

图9a～9b为本发明一具体实施方式中硅片上对准标记有水平偏移时的照明和对应探测器采集到的图像示意图。

图中所示：000-掩模、001-曝光物镜、002-对准标记、003-工件台；

1-光源、2-照明镜头、3-空间光调制器、31-可变光阑、32-可动机械光阑、321-第一光阑、322-第二光阑、323-电机、4-第一转向组件、5-第一透镜组、6-第二转向组件、7-第三转向组件、8-第二透镜组、9-分束器件、10-第一孔径光阑、11-第三透镜组、12-第一探测器、13-第二孔径光阑、14-第四透镜组、15-第二探测器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1～2所示，本发明提供一种集调焦调平和对准于一体的测校装置，其包括：照明组件、投影照明系统、调焦调平功能系统(FLS)和对准功能系统(MVS)。

具体地，所述照明组件包括光源1、照明镜头2和空间光调制器3(SLM)，光源1采用带宽较宽的白光光源，如：LED、卤素灯、氙光灯等，进一步的，所述光源1还包括与所述LED、卤素灯或氙光灯相匹配的光纤。

如图3a～3b、4a～4b所示，所述空间光调制器3采用可变光阑31或者可动机械光阑32，具有灵活性好、可操作性高的特点。进一步的，所述可动机械光阑32包括用于对准的第一光阑321和带有标记狭缝的第二光阑322以及驱动所述第一、第二光阑321、322进行照明模式切换的电机323；若空间光调制器3采用可变光阑31时，则可以采用软件控制实现可变光阑31的改变进行照明模式切换。

具体地，本发明中的照明模式有两种，一种是如图3a、4a所示的对准照明模式，此时空间光调制器3的通光孔为圆孔、方孔或环形孔，另一种是如图3b和4b所示的调焦调平通光模式，此时空间光调制器3的通光孔为狭缝，当然，透过狭缝的光斑投影到工件台003的工件上后避开对准标记002。所述圆孔、方孔或者环形孔的孔径大于所述狭缝的孔径，使得在对准照明模式中，照明光束经投影照明光路后给予对准标记002照明，并能够覆盖整个投影照明光路的物方视场。

所述投影照明系统包括第一转向组件4、第一透镜组5和第二转向组件6，照明光束经所述第一转向组件4、第一透镜组5和第二转向组件6投射到工件的对准标记002上。需要说明的是，对于所述调焦调平功能系统而言，所述投影照明系统为光斑投影支路，而对所述对准功能系统而言，所述投影照明系统为照明光路，两光路的目的均是将照明光束投射到所述对准标记002上。

继续参照图1，所述调焦调平功能系统和对准功能系统均包括：第三转向组件7、第二透镜组8、分束器件9、孔径光阑和探测器。具体地，所述第三转向组件7、第二透镜组8和分束器件9为所述调焦调平功能系统和对准功能系统的共用部分，均设置为一组；所述孔径光阑和探测器设置有两组，分别为第一孔径光阑10、第二孔径光阑13和第一探测器12、第二探测器15。进一步的，第一孔径光阑10与第一探测器12之间设置有第三透镜组11，第一孔径光阑10、第三透镜组11和第一探测器12为所述调焦调平功能系统的一部分；所述第二孔径光阑13与第二探测器15之间设置有第四透镜组14，且所述第二孔径光阑13、第四透镜组14和第二探测器15为所述对准功能系统的一部分。

照明光束经工件反射形成反射光，所述反射光经所述第三转向组件7和第二透镜组8投射到分束器件9，由分束器件9将反射光分为两束，一束经第一孔径光阑10入射到第一探测器12上，另一束经第二孔径光阑13后投射到第二探测器15上。

较佳的，所述第一、第二、第三转向组件4、6、7均采用反射镜或者反射棱镜，所述第一、第二探测器12、15采用面阵CCD。

如图5所示，本发明还提供一种测校方法，采用如上所述的测校装置，其包括：调焦调平过程和对准过程，由于本发明采用三角测量方式，对于对准过程而言，对准标记002的水平位置偏移有两种情况，一种情况是对准标记002水平位置没有偏移，但是工件的离焦会使第二探测器15检测到的对准标记002有“水平位置”偏移现象，这种情况属于对准标记002的“伪水平偏移”现象，必须将其排除；另一种情况是对准标记002确实有水平位置偏移现象，第二探测器15将水平位置偏移量测出后反馈给工件台003，然后工件台003进行校准。因此，为了排除对准标记002的“伪水平偏移”现象，本发明首先执行调焦调平过程，待工件台003至最佳曝光面后再执行对准过程。

调焦调平过程：SLM切换为图3b、4b所示的投影狭缝即调焦调平通光模式，最后以入射角θ投影到被测面即工件上，透过狭缝的光斑投影到被测面的图形如图6a所示，因为垂直光轴的光斑斜入射到被测面上的光斑会有弥散，靠近中心的光斑弥散会小一些，远离中心的光斑弥散量会大一些，被反射的光斑经第三转向组件7、第二透镜组8、分束器件9、第一孔径光阑10和第四透镜组11收集，以一定放大倍率β成像到第一探测器12，经图像处理后得到信号曲线如图6b所示。

具体地，当被测工件有Δz的离焦的时候，如图7a所示，那么对应第一探测器12探测到的光斑信号曲线如图7b中的实线信号曲线所示，那么光斑在第一探测器12上的像位置的偏移量，通过相关算法后得到各子光斑的偏移量分别为Δy1、Δy2、Δy3，那么离焦量Δz可表示为：

若被测工件有倾斜，那么三个狭缝对应的子光斑对应被测面上点离焦量分别为Δz1、Δz2、Δz3，对应的表达式为：

因此，可以通过对工件上的多点的离焦量Δz1、Δz2、Δz3…可以计算出倾斜量Rx、Ry值，完成调焦调平的工作流程。

接着，执行对准工作过程：SLM 3的切换至如图3a、4a所示的对准照明模式，光源1发出的光束经照明镜头2准直后，照明光束透过SLM 3的通光孔经由第一转向组件4、第一透镜组5、第二转向组件6以入射角θ照射在对准标记002所在区域。

如图8a所示，照明光束经工件表面和对准标记002反射后，被由第三转向组件7、第二透镜组8、分束器件9、第二孔径光阑13，第四透镜组14收集后，以一定倍率M放大后成像到第二探测器15上，所述第二探测器15采集到的对准标记002的图像如图8b所示。

当对准标记002处于理论的水平位置时，按照图1中的坐标系，设对准标记002处于理论水平位置时，其中心坐标为(x₀，y₀)(仅对水平位置坐标进行设置，后文相同)，则对准标记002在第二探测器15上对应的像中心坐标为(xi₀，yi₀)，需要说明的是，像位置中心的坐标需要通过一定的图像处理算法获得，此为现有技术不予赘述；当对准标记002相对于理论水平位置(x₀，y₀)有偏离的时候，如图9a所示，虚线标记表示原对准标记002的位置，实线标记是偏离后的对准标记，设偏离后的对准标记的中心坐标为(x₁，y₁)，而对应在第二探测器15上的成像如图9b所示，虚线的像表示原对准标记002的图像，实线的像表示偏离后的对准标记002的成像，对应的像中心位置坐标为(xi₁，yi₁)，设像的位置偏离量分别为Δh_x、Δh_y，对应对准标记002的偏离量Δx、Δy，那么根据成像结构特点，Δh_x、Δh_y与对应对准标记002的偏离量Δx、Δy关系式为：

Δx＝x₁-x₀＝Δh_x/M＝(xi₁-xi₀)/M (2-1)

Δy＝y₁-y₀＝Δh_y/M/cosθ＝(yi₁-yi₀)/M/cosθ (2-2)

简化后的计算式即为：

Δx＝(xi₁-xi₀)/M (3-1)

Δy＝(yi₁-yi₀)/M/cosθ (3-2)

式中，M和θ分别是对准功能系统的放大倍率和照明的入射角，由于是三角倾斜入射，所以投影方向的水平位置与对应的像面位置存在(2-2)或者(3-2)公式所示的三角余弦关系。

结合上述可知，本发明的所述测校方法，包括以下步骤：

首先，空间光调制器切换至调焦调平通光模式；

调焦调平功能系统判断工件台003上的工件是否存在离焦倾斜现象；

若工件存在离焦倾斜，所述调焦调平功能系统测出离焦倾斜量并传递至工件台003，工件台003调节所述工件至最佳曝光面，空间光调制器3切换为对准照明模式；若工件不存在离焦倾斜，空间光调制器3切换为对准照明模式；

接着，对准功能系统判断工件的对准标记002是否存在水平位置偏移；

若对准标记002存在水平位置偏移，则对准功能系统测出水平位置偏移量并传递至工件台003，工件台003对所述工件进行校准，完成测校；若对准标记未水平位置偏移，则直接完成测校。

接着，执行曝光动作，曝光流程为当被曝光的工件处于曝光物镜001的最佳焦面时，掩模000上的图形经曝光光照明后经曝光物镜001成像到工件台003的被曝光面上，对对应位置的光刻胶进行曝光，然后再经其他一系列的流程后完成光刻流程，由于光刻流程不是本发明重点内容，且为现有技术，此处不再详细叙述。

综上所示，本发明充分利用空间光调制器的高灵活性和可操作性强的特点，针对对准过程和调焦调平过程的不同工作模式，对应地改变照明模式，分别完成各自的工作流程，将对准功能系统和调焦调平功能系统集成在一起，可以节省制造成本、节约机构空间，此外，调焦调平过程与对准过程相对认证，可以提高调焦调平和对准的测量精度，最终有助于提高物镜曝光质量，提高产品良率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种测校装置，其特征在于，包括：

照明组件，包括光源、照明镜头和空间光调制器，所述照明组件用于形成不同模式的照明光束；

投影照明系统，用于将所述照明光束投射到工件的对准标记上；

调焦调平功能系统，用于测量工件的离焦倾斜量并反馈至曝光系统的工件台；

对准功能系统，用于对测量工件的水平位置偏移量并反馈至曝光系统的工件台；

所述调焦调平功能系统与所述对准功能系统共用部分光路。

2.如权利要求1所述的一种测校装置，其特征在于，所述光源包括光纤和LED、卤素灯或氙光灯。

3.如权利要求1所述的一种测校装置，其特征在于，所述空间光调制器为可变光阑。

4.如权利要求1所述的一种测校装置，其特征在于，所述空间光调制器采用可动机械光阑。

5.如权利要求4所述的一种测校装置，其特征在于，所述可动机械光阑包括用于对准的第一光阑和带有标记狭缝的第二光阑以及用于驱动所述第一、第二光阑进行照明模式切换的电机。

6.如权利要求1所述的一种测校装置，其特征在于，所述投影照明系统包括转向组件和透镜组，照明光束经所述转向组件和透镜组投射到工件的对准标记上。

7.如权利要求1所述的一种测校装置，其特征在于，所述调焦调平功能系统和对准功能系统包括转向组件、透镜组、分束器件、孔径光阑和探测器，其中，所述转向组件、透镜组和分束器件设置有一组，为所述调焦调平功能系统和对准功能系统的共用部分；所述孔径光阑和探测器设置有两组；工件上的反射光经所述转向组件和透镜组投射到分束器件，由分束器件将反射光分为两束，经各自的孔径光阑后分别投射到探测器上。

8.如权利要求7所述的一种测校装置，其特征在于，所述探测器采用面阵CCD。

9.一种测校方法，采用如权利要求1-8任意一项所述的测校装置，其特征在于，包括：

空间光调制器切换至调焦调平通光模式；

调焦调平功能系统判断工件台上的工件是否存在离焦倾斜现象；

若工件存在离焦倾斜，所述调焦调平功能系统测出离焦倾斜量并传递至工件台，工件台调节所述工件至最佳曝光面，空间光调制器切换为对准照明模式；

若工件不存在离焦倾斜，空间光调制器切换为对准照明模式；

接着，对准功能系统判断工件的对准标记是否存在水平位置偏移；

若对准标记存在水平位置偏移，则对准功能系统测出水平位置偏移量并传递至工件台，工件台对所述工件进行校准，完成测校；

若对准标记未水平位置偏移，则直接完成测校。

10.如权利要求9所述的一种测校方法，其特征在于，在调焦调平功能系统判断工件台上的工件是否存在离焦倾斜现象步骤中：

当工件存在Δz的离焦量时，则子光斑的像位置的偏移量分别为Δy1、Δy2、Δy3，那么离焦量Δz表示为：

$\mathrm{\Δ}z=\frac{1}{3}\×(\frac{\mathrm{\Δ}y1}{2\×\mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\θ}}+\frac{\mathrm{\Δ}y2}{2\×\mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\θ}}+\frac{\mathrm{\Δ}y3}{2\×\mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\θ}})$

其中，θ为照明光束投射到所述对准标记上的入射角度，β为调焦调平功能系统的放大系数。

11.如权利要求10所述的一种测校方法，其特征在于，当工件倾斜时，通过对对准标记上的多个点离焦量，计算出对准标记的倾斜量。

12.如权利要求11所述的一种测校方法，其特征在于，子光斑的对应被测面上点离焦量为Δz1、Δz2、Δz3…，对应的表达式为：

$\mathrm{\Δ}z1=\frac{\mathrm{\Δ}y1}{2\×\mathrm{\β}\×sin\mathrm{\θ}};\mathrm{\Δ}z2=\frac{\mathrm{\Δ}y2}{2\×\mathrm{\β}\×\sin \mathrm{\θ}};\mathrm{\Δ}z3=\frac{\mathrm{\Δ}y3}{2\×\mathrm{\β}\×sin\mathrm{\θ}};....$

13.如权利要求9所述的一种测校方法，其特征在于，在所述对准功能系统判断工件的对准标记是否存在水平位置偏移步骤中：

设对准标记处于理论水平位置时中心坐标为(x₀，y₀)，对应的像中心坐标为(xi₀，yi₀)；

当对准标记相对于理论水平位置有偏移时，设偏离后的标记中心坐标为(x₁，y₁)，则对应的像中心位置坐标为(xi₁，yi₁)，则对准标记的水平位置偏移量Δx、Δy为：

Δx＝(xi₁-xi₀)/M；

Δy＝(yi₁-yi₀)/M/cosθ；

其中，θ为照明光束投射到所述对准标记上的入射角度，M为对准功能系统的放大系数。

14.如权利要求9所述的一种测校方法，其特征在于，对准照明模式的空间光调制器上的通光孔为圆孔、方孔或者环形孔。

15.如权利要求14所述的一种测校方法，其特征在于，调焦调平通光模式的空间光调制器上的通光孔为狭缝。

16.如权利要求15所述的一种测校方法，其特征在于，所述圆孔、方孔或者环形孔的孔径大于所述狭缝的孔径。