CN107290942A - 对准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种对准装置，包括：照明单元、光学单元、探测单元及处理单元；其中，照明单元提供垂直照射对准标记的光源；光学单元将对准标记产生的正级次与负级次的衍射光平行并汇聚到其焦面上；探测单元设置在所述光学单元的焦面，使正、负级次衍射光在探测面上成像；处理单元根据正、负级次衍射光的成像信息得到正负级次衍射光的干涉光强信号，根据所述干涉光强信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息，从而无需使用楔板或复杂棱镜，结构简单，并且对准标记离焦和倾斜不会影响测量精度，实现了高精度测量；可兼容多种测量波长，并且对准标记兼容性好，可测量多方向的光栅型对准标记，亦可兼容不同周期的对准标记，提高了工艺适应性。

Description

对准装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种对准装置。
背景技术
光刻机是集成电路加工过程中最为关键的设备。对准是光刻机的主要工艺流程之一，通过掩模、掩膜台、硅片、工件台上的特殊标记确定他们之间的相对位置关系，使掩模图形能够精确的成像于硅片上，实现套刻精度。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一。对准可分为掩模对准和硅片对准，掩模对准实现掩模与工件台的相对位置关系，硅片对准实现硅片与工件台的相对位置关系。掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。
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。
现有技术中具有代表性的是荷兰ASML公司采用的一种离轴对准系统，该对准系统在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的重叠和相干成像，并在像面上将成像空间分开；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记像透过参考光栅的透射光强，得到正弦输出的对准信号。该对准系统存在的缺陷：首先，由于该系统采用偏振分束棱镜的分光系统只能分离两个波长的色光，对两个波长以上的对准信号则无法完成；其次，该方案仅能使用固定光栅常数的标记进行对准，无法兼容不同周期的标记；最后，该对准系统使用楔块列阵时，对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高，而楔板组的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实施工程难度较大，成本高。
因此，如何提供一种既能够兼容不同光栅常数标记和多种波长对准，且光路结构简单、避免使用复杂光学元件、容易实现的离轴对准系统及对准方法是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对准装置，能够兼容不同光栅常数标记和多种波长对准，且光路结构简单、避免使用复杂光学元件、容易实现。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种对准装置，用于光刻系统，包括照明单元、光学单元、探测单元及处理单元；其中，
所述照明单元，用于提供垂直照射对准标记的光源；
所述光学单元，用于将对所述准标记产生的正级次与负级次的衍射光平行并汇聚到其焦面上；
所述探测单元，设置在所述光学单元的焦面，使正、负级次衍射光在探测面上成像；
所述处理单元，根据正、负级次衍射光的成像信息得到正负级次衍射光的干涉光强信号，根据所述干涉光强信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息。
可选的，所述光源为单波段光源。
可选的，所述光学单元包括：第一光学元件，用于将所述对准标记产生的正级次/负级次衍射光偏转后与负级次/正级次衍射光平行；第二光学元件，用于将正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上。
可选的，所述光源为宽波段光源。
可选的，所述光学单元包括：第一光学元件，用于将所述对准标记产生的衍射光束分离为多个不同波长的光束，并分别将不同波长的正级次/负级次衍射光偏转后与同一波长的负级次/正级次衍射光平行；第二光学元件，用于将不同波长的正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上。
可选的，所述第一光学元件设置于正/负级次衍射光的方向上，并垂直设置于所述对准标记平面之上。
可选的，所述第一光学元件为一多面反射镜或一柱面反射镜。
可选的，所述第二光学元件为一汇聚透镜。
可选的，所述探测单元包含多个探测器，每个探测器用于探测同一波长下某一级次的衍射光的干涉信号。
可选的，所述探测单元包含多个探测器，每个探测器用于探测同一级次下某一波长的衍射光的干涉信号。
可选的，所述探测单元包含一个探测器，用于探测不同级次的衍射光的干涉信号。
可选的，所述探测单元包含一个探测器，用于探测不同波长的不同级次衍射光的干涉信号。
可选的，所述照明单元还包括一反射镜，用于使光束垂直照射至对准标记。
可选的，还包括运动台，用于承载所述对准标记，并带动所述对准标记沿光栅周期方向移动。
与现有技术相比，本发明所提供的对准装置具有以下有益效果：
1、通过采用照明单元垂直照明对准标记，采用光学单元使正负级次衍射光平行并汇聚到其焦面上，从而干涉产生对准信号，采用探测单元使正负级次衍射光在探测面上成像，采用处理单元根据所述干涉强度信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息，从而无需使用楔板或复杂棱镜，结构简单，并且对准标记离焦和倾斜不会影响测量精度，实现了高精度测量。
2、可兼容多种测量波长，并且对准标记兼容性好，可测量多方向的光栅型对准标记，亦可兼容不同周期的对准标记，提高了工艺适应性。
附图说明
图1为本发明一实施例所提供的对准装置的结构示意图。
图2a与2b为本发明一实施例所提供的第一光学元件的结构示意图。
图3为本发明一实施例所提供的对准装置的结构示意图。
图4为本发明一实施例所提供的对准装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。
本发明的核心思想是：通过采用照明单元垂直照明对准标记，采用光学单元使正负级次衍射光平行并汇聚到其焦面上，从而干涉产生对准信号，采用探测单元使正负级次衍射光在探测面上成像，采用处理单元根据所述干涉强度信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息，从而无需使用楔板或复杂棱镜，结构简单，并且对准标记离焦和倾斜不会影响测量精度，实现了高精度测量。
请参考图1，其为本发明一实施例所提供的对准装置的结构示意图。如图1所示，所述对准装置10用于光刻系统中硅片与工件台的对准，分别通过测量硅片与工件台中对准标记的中心位置将硅片与工件台对准，其包括照明单元11、光学单元12、探测单元13及处理单元14；其中，所述照明单元11，用于提供垂直照射对准标记20的光源；所述光学单元12，用于将所述对准标记20产生的正级次与负级次的衍射光平行并汇聚到其焦面上；所述探测单元13，设置在所述光学单元12的焦面，使正、负级次衍射光在探测面上成像，用于探测所述衍射光的干涉信号；所述处理单元15，根据正、负级次衍射光的成像信息得到正负级次衍射光的干涉光强信号，根据所述干涉强度信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息。
所述光学单元12包括第一光学元件121与第二光学元件122，第一光学元件121用于将所述对准标记20产生的正级次衍射光偏转后与负级次衍射光平行，或者将对准标记20产生的负级次衍射光偏转后与正级次衍射光平行，第二光学元件122用于将正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上。
本发明通过采用照明单元垂直照明对准标记，采用光学单元使正负级次衍射光平行并汇聚到其焦面上，从而干涉产生对准信号，采用探测单元使正负级次衍射光在探测面上成像，采用处理单元根据所述干涉强度信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息，从而无需使用楔板或复杂棱镜，其结构简单。
当对准标记20发生离焦和倾斜时，衍射光线方向发生变化，在探测单元体现为两个光斑不完全重合，非重叠部分不干涉，仅贡献不随对准标记移动的本底量，而干涉产生的信号形式、周期均不变，因此，本实施例提供的对准装置不受离焦和倾斜的影响。
所述第一光学元件121设置于正/负级次衍射光的方向上，并垂直设置于所述对准标记20平面之上。本实施例中，所述第一光学元件121为一多面反射镜或一柱面反射镜，其结构示意图如图2a与2b所示。如图2a所示，所述第一光学元件121为一多面反射镜，由121a、121b、121c和121d四个面组成，可以反射0°、45°、90°和135°对准标记的正级次或负级次的衍射光，从而可以兼容上述四个方向的对准标记。在其他实施例中，所述多面反射镜121也可以由不止四个面构成，根据需要反射的对准标记的光栅方向来决定。如图2b所示，所述第一光学元件122为一柱形反射镜，包括一反射面121e，该反射面121e可以反射任意角度的对准标记的正级次/负级次的衍射光，从而兼容任意方向的对准标记。
请继续参考图1，所述第二光学元件122为一汇聚透镜，将照射至所述第二光学元件122的正负级次的衍射光汇聚到其后焦面上。所述照明单元11还包括一反射镜111，用于使照明单元11发出的光束垂直照射至对准标记20。可以理解的是，反射镜并不是必须的，也可以直接将照明单元11垂直设置于所述对准标记20平面之上，根据对准装置的实际情况来确定是否使用反射镜。
所述对准装置10还包括运动台15，用于承载设置有所述对准标记20的硅片(图1中未示出)，并带动所述对准标记20沿光栅周期方向移动。需要说明的是，本实施例中所述对准标记20为光栅型对准标记。
可选的，所述照明单元11提供一单波段光源，第一光学元件121将该波段下所述对准标记20产生的正级次/负级次衍射光偏转后与负级次/正级次衍射光平行，之后第二光学元件122将正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上，并通过所述探测单元13进行探测。可选的，所述探测单元13包含一个探测器，通过同一个探测器探测多级次衍射光在其探测面的不同位置上的成像信息。可选的，所述探测单元13包含多个探测器，分别用不同的探测器探测不同级次衍射光的正、负级次衍射光的成像信息。
可选的，所述照明单元11提供一多波段光源，第一光学元件121将所述对准标记20产色的衍射光分离为多个不同波长的光束，并分别将不同波长的正的正级次/负级次衍射光偏转后与同一波长的负级次/正级次衍射光平行，之后第二光学元件122将不同波长的正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上，并通过所述探测单元13进行探测。可选的，所述探测单元13包含一个探测器，所述探测器的感光面需要覆盖不同波长的光斑会聚位置，通过同一个探测器探测不同波长的多级次衍射光在其探测面的不同位置上的成像信息。可选的，所述探测单元13包含多个探测器，分别用不同的探测器探测不同波长的、多级次衍射光的正、负级次衍射光的成像信息。
所述探测单元13可以包含有一个或多个探测器，用于探测所述衍射光的干涉信号。在图1中，所述探测单元13为一探测器，用于探测多波长不同级次的衍射光的干涉信号。所述探测单元13的感光面需要覆盖不同波长的光斑会聚位置，由于光强信号仅与对准标记位置、对准标记光栅常数有关，而与波长无关，故本实施例既可以根据工艺情况挑选工艺适应性好的波长进行对准，也可以同时使用多波长进行对准。当测量不同级次对准信号时，需要对采集到的不同频率的正弦信号进行提取，从而得到各级次的对准位置。级次越高，对准精度越高，但对准范围越小，因此本实施例提供的对准装置可以同时实现较大的对准范围和高精度测量。
所述探测单元13也可以包含多个探测器，每个探测器用于探测同一波长某一级次的衍射光的干涉信号，或者每个探测器用于探测同一级次某一波长的衍射光的干涉信号，如图3与图4所示。在图3中，所述探测单元包含探测器131与探测器132，所述探测器131用于探测某一波长λ1下+1级与-1级衍射光的干涉信号，所述探测器132用于探测某一波长λ1下+2级与-2级衍射光的干涉信号，同时也可以增加多个探测器，例如n个，第n个探测器用于探测某一波长λ1下+n级与-n级衍射光的干涉信号，即所有的探测器探测同一波长λ1下不同级次的衍射光的干涉信号。在图4中，所述探测单元包含探测器231与探测器232，所述探测器231用于探测同一级次(例如+1级与-1级)下波长λ1的衍射光的干涉信号，所述探测器232用于探测同一级次(例如+1级与-1级)下波长λ2的衍射光的干涉信号，同时也可以增加多个探测器，例如n个，第n个探测器用于探测同一级次(例如+1级与-1级)下波长λn的衍射光的干涉信号，即所有的探测器探测同一级次(例如+1级与-1级)下不同波长的衍射光的干涉信号。与图1所示的一个探测器的情况相比，设置多个探测器探测同一波长不同级次或同一级次不同波长的衍射光的干涉信号，虽然探测器的数量增大，但是探测器的难度降低，探测器的成本也会随着降低。
需要说明的是，在图3与图4所示的情况下，也可以仅设置一个探测器，用于探测衍射光的干涉信号。例如，在图3中，仅设置一个探测器131，用于探测某一波长λ1下+1级与-1级衍射光的干涉信号，在图4中，仅设置一个探测器231，用于探测同一级次(例如+1级与-1级)下波长λ1的衍射光的干涉信号，最终通过处理单元根据所述干涉信号的强度随运动台位置变化的关系计算对准标记的中心位置。此种方案不但降低探测器的数量而且不会增加探测器的探测量，但是对准精度下降。具体使用哪一种探测器，需根据实际情况来选择。
综上所述，本发明提供的对准装置，通过采用照明单元垂直照明对准标记，采用光学单元使正负级次衍射光平行并汇聚到其焦面上，从而干涉产生对准信号，采用探测单元使正负级次衍射光在探测面上成像，采用处理单元根据所述干涉强度信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息，从而无需使用楔板或复杂棱镜，结构简单，并且对准标记离焦和倾斜不会影响测量精度，实现了高精度测量；可兼容多种测量波长，并且对准标记兼容性好，可测量多方向的光栅型对准标记，亦可兼容不同周期的对准标记，提高了工艺适应性。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种对准装置，用于光刻系统，其特征在于，包括照明单元、光学单元、探测单元及处理单元；其中，
所述照明单元，用于提供垂直照射对准标记的光源；
所述光学单元，用于将所述对准标记产生的正级次与负级次的衍射光平行并汇聚到其焦面上；
所述探测单元，设置在所述光学单元的焦面，使正、负级次衍射光在探测面上成像；
所述处理单元，根据正、负级次衍射光的成像信息得到正负级次衍射光的干涉光强信号，根据所述干涉光强信号随运动台位置变化的关系计算对准位置信息。
2.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述光源为单波段光源。
3.如权利要求2所述的对准装置，其特征在于，所述光学单元包括：
第一光学元件，用于将所述对准标记产生的正级次/负级次衍射光偏转后与负级次/正级次衍射光平行；
第二光学元件，用于将正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上。
4.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述光源为宽波段光源。
5.如权利要求4所述的对准装置，其特征在于，所述光学单元包括：
第一光学元件，用于将所述对准标记产生的衍射光束分离为多个不同波长的光束，并分别将不同波长的正级次/负级次衍射光偏转后与同一波长的负级次/正级次衍射光平行；
第二光学元件，用于将不同波长的正、负级次的衍射光汇聚到后焦面上。
6.如权利要求3或5所述的对准装置，其特征在于，所述第一光学元件设置于正/负级次衍射光的方向上，并垂直设置于所述对准标记平面之上。
7.如权利要求6所述的对准装置，其特征在于，所述第一光学元件为一多面反射镜或一柱面反射镜。
8.如权利要求3或5所述的对准装置，其特征在于，所述第二光学元件为一汇聚透镜。
9.如权利要求3所述的对准装置，其特征在于，所述探测单元包含多个探测器，每个探测器用于探测同一波长下某一级次的衍射光的干涉信号。
10.如权利要求5所述的对准装置，其特征在于，所述探测单元包含多个探测器，每个探测器用于探测同一级次下某一波长的衍射光的干涉信号。
11.如权利要求3所述的对准装置，其特征在于，所述探测单元包含一个探测器，用于探测不同级次的衍射光的干涉信号。
12.如权利要求5所述的对准装置，其特征在于，所述探测单元包含一个探测器，用于探测不同波长的不同级次衍射光的干涉信号。
13.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述照明单元还包括一反射镜，用于使光束垂直照射至对准标记。
14.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，还包括运动台，用于承载所述对准标记，并带动所述对准标记沿光栅周期方向移动。
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