CN108333880B - 光刻曝光装置及其焦面测量装置和方法 - Google Patents

光刻曝光装置及其焦面测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光刻曝光装置及其焦面测量装置和方法，该焦面测量装置包括：光源、光信号探测器和测量光栅，其中，所述测量光栅位于光刻曝光装置的基底表面，所述光源发出照明光束投射到基底表面的测量光栅上，并发生衍射，所述光信号探测器接收基底表面的衍射光。本发明通过向基底上的测量光栅投射光束，并获取经衍射后的衍射光的能量，然后分析能量与高度的关系，从而获得最佳像面的方法，操作方便，测量速度快且不会引入人为因素、精度高。

Description

光刻曝光装置及其焦面测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光刻机领域，特别涉及一种光刻曝光装置及其焦面测量装置和方法。
背景技术
当前的光刻机一般采用投影曝光的形式，掩模版位于投影物镜的物面，放置在掩模台上；涂胶硅片放置在工件台上，上表面位于投影物镜的像面。硅片上表面的位置由调平调焦传感器控制。另外，存在掩模对准传感器和硅片对准传感器，用来确定掩模版和硅片的相对位置。对准传感器可采用光栅对准形式，也可采用CCD图像匹配的形式。对于光栅对准的形式，现有技术中提出一种用硅片对准传感器测量曝光线条变化趋势，从而获得最佳焦面位置的方法。而对于使用CCD图像匹配对准方式的光刻机，一般使用FEM(场发射电子显微镜)曝光的方式，即在不同高度将线条曝光至硅片，经显影后，利用显微镜或CD-SEM(扫描电子显微镜)直接观察曝光线条，从而确定最佳曝光的位置。但该方法存在速度慢、精度低、容易引入人为因素的缺点。
发明内容
本发明提供一种光刻曝光装置及其焦面测量装置和方法，以解决现有技术中光刻机曝光装置的焦面测量速度慢、精度低、容易引入人为因素的缺点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光刻曝光装置的焦面测量装置，包括：光源、光信号探测器和测量光栅，其中，所述测量光栅位于光刻曝光装置的基底表面，所述光源发出照明光束投射到基底表面的测量光栅上，并发生衍射，所述光信号探测器接收基底表面的衍射光。
作为优选，所述光源采用卤素灯或者直接采用光刻曝光装置中的高度传感器的光源。
作为优选，通过对所述基底表面的光刻胶进行曝光显影形成所述测量光栅。
作为优选，所述测量光栅设置有多组，每组测量光栅均包括水平向光栅标记和垂向光栅标记。
作为优选，所述水平向光栅标记和垂向光栅标记的尺寸均大于照明光束在基底表面形成的投射光斑大小。
作为优选，所述照明光束投射到所述水平向光栅标记时，所述水平向光栅标记与照明光束在水平面的投影垂直。
作为优选，所述照明光束投射到所述垂向光栅标记时，所述垂向光栅标记与照明光束在水平面的投影垂直。
作为优选，不同组测量光栅的光栅线宽不同。
作为优选，所述光信号探测器采用光电探测器、CCD或者直接采用光刻曝光装置中的能量探测器。
作为优选，所述光信号探测器与基底中心轴的夹角为α-θ，其中，α为照明光束投射到基底表面时的入射角度；θ＝arc sin(mλ/4CD)，m为光信号探测器探测的光的级次、λ为入射到基底表面的光的波长、4CD为测量光栅的周期。
本发明还提供一种光刻曝光装置，包括所述的焦面测量装置。
作为优选，所述光刻曝光装置还包括：照明单元，用于提供均匀分布的照明光源；掩模运动台，用于承载掩模版；投影装置，用于将掩模版上的图形投射到基底表面；以及工件运动台，用于承载所述基底。
作为优选，所述掩模版上阵列排布有光栅标记。
作为优选，所述照明单元采用汞灯或激光器。
作为优选，所述光刻曝光装置还包括：标记对准传感器、像传感器以及运动台位置测量传感器。
作为优选，所述光刻曝光装置还包括高度传感器和能量探测器。
本发明还提供一种光刻曝光装置的焦面测量方法，包括：步骤1：提供基底，在基底表面形成测量光栅，所述测量光栅包括水平向光栅标记和垂向光栅标记；步骤2：向所述基底表面的测量光栅投射照明光束，获取基底表面衍射光的光强信息；步骤3：根据衍射光光强计算光刻曝光装置的焦面位置。
作为优选，所述步骤1包括：将排布有光栅标记阵列的掩模版上片至掩模运动台，同时将涂覆有光刻胶的基底上片至工件运动台；垂向移动掩模运动台至多个不同高度，同时水平向移动工件运动台，并执行曝光，从而将光栅标记阵列中的一组光栅标记投射到基底的不同位置上；对曝光后的基底放入显影机中显影，从而在基底上形成测量光栅。
作为优选，所述步骤2包括：将带有测量光栅的基底上片至工件运动台，并使垂向光栅标记的方向与照明光束在水平面的投影垂直；调整工件运动台，获取照明光束与基底上所有垂向光栅标记形成的m级衍射光光强并记录；调整基底，使水平向光栅标记的方向与照明光束在水平面的投影垂直；调整工件运动台，获取照明光束与基底上所有水平向光栅标记形成的m级衍射光光强并记录；其中，m为1、2或3。
作为优选，所述步骤3包括：获取测量光栅在不同曝光高度下m级衍射光的光强变化趋势曲线；对该光强变化趋势曲线进行数据处理，获取曲线的顶点即光刻曝光装置的焦面位置。
作为优选，对该光强变化趋势曲线进行数据处理步骤包括：首先，剔除掉光强变化趋势曲线中焦深以外的点；接着，利用最小二乘法对光强变化趋势曲线进行二次拟合，求取曲线的顶点。
作为优选，根据衍射光光强与光栅占空比之间的关系以及获取测量光栅在不同曝光高度下m级衍射光的光强变化趋势曲线。
作为优选，还包括：调整掩模运动台，将光栅标记中的另一组光栅标记投射到基底的不同位置上形成新的测量标记；重复步骤2-3，获取光刻曝光装置的焦面位置的数据组；根据光刻曝光装置的焦面位置的数据组和光栅标记阵列中各光栅标记的位置，计算光刻曝光装置的像面参数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的结构简单，无增添过多设备便可以对光刻曝光装置进行焦面测量，成本低；
2.本发明通过向基底上的测量光栅投射光束，并获取经衍射后的衍射光的能量，然后分析能量与高度的关系，从而获得最佳像面的方法，操作方便，测量速度快且不会引入人为因素、精度高
附图说明
图1为本发明实施例1中光刻曝光装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中光刻曝光装置的焦面测量装置的结构原理图；
图3为本发明实施例1中基底表面高度测量原理图；
图4为本发明实施例1中投射光斑的示意图；
图5为本发明实施例1中投射光斑与测量光栅的大小比对示意图；
图6为本发明实施例1中光刻曝光装置的焦面测量装置的测量原理图；
图7为本发明实施例1中能量探测器的结构示意图；
图8为本发明实施例1中掩模版的结构示意图；
图9为本发明实施例1中垂向光栅标记工作时基底放置示意图；
图10为本发明实施例1中水平向光栅标记工作时基底放置示意图；
图11为本发明实施例1中光栅线宽与焦深关系的示意图；
图12为本发明实施例1中1级衍射光光强与光栅占空比的关系示意图；
图13为本发明实施例1中1级衍射光光强与离焦量的关系示意图；
图14为本发明实施例2中光刻曝光装置的焦面测量装置的测量原理图；
图15为本发明实施例2中2级衍射光光强与光栅占空比的关系示意图；
图16为本发明实施例2中2级衍射光光强与离焦量的关系示意图。
图中所示：101-照明单元、102-掩模运动台、103-投影装置、104-工件运动台、105-像传感器、106-运动台位置测量传感器、107-标记对准传感器、108-高度传感器、109-能量探测器、200-基底、300-掩模版、310-光栅标记阵列、401-光源、402-光信号探测器、403-测量光栅、4031-水平向光栅标记、4032-垂向光栅标记、LS-投射光斑。
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。
实施例1
如图1所示，本发明还提供一种光刻曝光装置，包括：
照明单元101，用于提供曝光时使用的均匀分布的光源；该照明单元101通常包括照明光源和照明调节组件，该照明光源为汞灯或激光器，照明光源发出的光束经照明调节组件后形成具有一定大小和特征的均匀的照明光源；
掩模运动台102，用于承载掩模版300；
投影装置103，用于将掩模版300上的图形投射到基底200表面，本发明优选光学投影成像物镜；
工件运动台104，用于承载所述基底200，可以实现6自由度运动；
运动台位置测量传感器106，与所述工件运动台104连接，用于测量工件运动台104在6自由度方向的位置；
标记对准传感器107，用于测量基底200表面的对准标记的位置，实现对基底200的对准；
像传感器105，设置在工件运动台104上，用于测量掩模版300上的标记位置，实现掩模版300的对准；
高度传感器108，设置在基底200上方，用于测量基底200上表面的高度；
以及
能量探测器109，用于测量打在其感光面的光强。
进一步的，所述高度传感器108采用三角测量原理测量基底200上表面的高度。即如图3所示发出一束光，倾斜入射到所述基底200表面，并由基底200反射，在光的反射光路上探测光信号，从而将基底200上表面的高度信息转换为探测信号，通过对探测器(Sensor)探测到的信号分析得到高度的信息。所述探测器也可以由光电探测器或者CCD。
进一步的，所述光刻曝光装置还包括焦面测量装置，如图2和图6所示，所述焦面曝光装置包括：光源401、光信号探测器402和测量光栅403，其中，所述测量光栅403位于所述基底200表面，所述光源401发出照明光束投射到基底200表面的测量光栅403上，并发生衍射，所述光信号探测器402接收基底200表面的衍射光。
具体地，所述光源401可以采用卤素灯也可以直接采用所述高度传感器108的光源，即直接利用光刻曝光装置中现有的高度传感器108的光源作为所述焦面测量装置的光源。进一步的，所述光信号探测器402可以采用光电探测器、CCD或者直接采用光刻曝光装置中现有的能量探测器109，如此可以降低生产成本。本实施例中，高度传感器108的光源作为光源401，发出一束照明光束，该照明光束在水平面即光刻曝光装置的水平向坐标系(即图1中的XY坐标系)中的投影与X轴夹角为δ，在基底上形成一方形的投射光斑(LS)，如图4所示，能量探测器109测量高度传感器108打在测量光栅403上的衍射光，通常为1级、2级或3级衍射光。
进一步的，所述能量探测器109的安装位置由投射在基底200表面照明光束的入射角度和测量光栅403的周期确定。较佳的，如图5所示，本实施例中的测量光栅403的占空比为0.5，假设光刻曝光装置的极限线宽大小为CD，则测量光栅403的线宽为1.5CD～2CD，则光栅周期T为4CD。如图6所示，高度传感器108发出的照明光束以α的入射角度照射在测量光栅403上，根据光栅方程，其1级衍射光θ1的角度为：θ1＝arc sin(λ/4CD)，λ为照明光束的波长，则能量探测器109的安装位置对应α-θ1的位置，如图7所示。
进一步的，所述基底200表面的测量光栅403设置有多组，且如图5所示，每组所述测量光栅403均包括：水平向光栅标记4031和垂向光栅标记4032。且当所述照明光束投射到所述水平向光栅标记4031时，所述水平向光栅标记4031与照明光束在水平面的投影垂直；当所述照明光束投射到所述垂向光栅标记4032时，所述垂向光栅标记4032与照明光束在水平面的投影垂直。进一步的，如图5所示，所述水平向光栅标记4031和垂向光栅标记4032的尺寸均大于照明光束在基底200表面形成的投射光斑LS大小，即可以确保照明光束全部发生衍射。
继续参照图1-7，本发明还提供一种光刻曝光装置的焦面测量方法，具体包括：
步骤1：提供基底200，在基底200表面形成所述测量光栅403；具体地，所述测量光栅403由光刻投影曝光装置通过对基底200曝光显影获得。具体地，所述步骤1包括：
提供掩模版300，如图8所示，所述掩模版300上排布有光栅标记阵列310。
接着，将排布有光栅标记阵列310的掩模版300上片至掩模运动台102，同时将涂覆有光刻胶的基底200上片至工件运动台104；
接着，垂向移动掩模运动台102至多个不同高度，同时水平向移动工件运动台104，并执行曝光，从而将光栅标记阵列310中的一组光栅标记投射到基底200的不同位置上；进一步的，本步骤中的曝光剂量大于基底200的正常曝光剂量，如图11所示，根据泊松曲线可知，在所述基底200上的形成的测量光栅403的光栅周期固定，但是光栅线宽不同，测量光栅403的线宽会随着离焦量的增加而变窄。
接着，将曝光后的基底200放入显影机中显影，从而形成所述测量光栅403。
步骤2：向所述基底200表面的测量光栅403投射照明光束，获取基底200表面衍射光的光强信息。具体地，如9所示，将带有测量光栅403的基底200上片至工件运动台104，并使垂向光栅标记4032的方向与照明光束在水平面的投影垂直；具体可以直接将显影好的基底200以δ的角度再次上载到所述工件运动台104上。
调整，获取照明光束与基底200上所有垂向光栅标记4032形成的1级衍射光光强并记录；对所有垂向光栅标记4032，移动工件运动台104使垂向光栅标记4032位于照明光束的投射光斑处，如图9所示。Z向移动工件运动台104使垂向光栅标记4032位于高度传感器108的零位，并利用能量探测器109获取照明光束的衍射光的光强并记录；
将基底200以δ+90°的角度上载至工件运动台104中，即使水平向光栅标记4031的方向与照明光束在水平面的投影垂直，如图10所示。利用能量探测器109获取所有水平向光栅标记4031对照明光束的1级衍射光的光强并记录。
步骤3：根据衍射光光强计算光刻曝光装置的焦面位置。具体包括：
首先，根据光栅衍射的原理，获取如图12所示的1级衍射光光强与光栅占空比的关系曲线，结合光栅线宽根据焦深的变化趋势，得到测量光栅403在不同曝光高度下对应的1级光的光强变化趋势曲线。
如图13所示，图13的中间部分为焦深范围内的曝光高度，两侧能量为0的位置为焦深范围外的曝光。针对该光强变化趋势曲线，可以通过数据处理的方式，得到中间部分曲线的顶点，即对应最佳焦点位置。具体地，数据处理步骤包括：首先，剔除掉光强变化趋势曲线中焦深以外的点；接着，利用最小二乘法对光强变化趋势曲线进行二次拟合，求取曲线的顶点，即可得到该测量光栅403所处视场位置的最佳像点即焦面。
进一步的，由于所述测量光栅403包括水平向光栅标记4031和垂向光栅标记403，因此可以分别得到两组最佳像点。
作为优选，所述光刻曝光装置的焦面测量方法还进一步包括：
调整掩模运动台102，将光栅标记阵列310中的另一组光栅标记投射到另一基底200的不同位置上形成新的测量光栅403；
重复步骤2-3，获取光刻曝光装置的焦面位置的数据组；
根据光刻曝光装置的焦面位置的数据组和光栅标记阵列310中各光栅标记的位置，计算光刻曝光装置的像面参数，如像面倾斜、场曲、像散等。
实施例2
本实施例与实施例1的区别点在于，将能量探测器109放在与2级衍射光对应的位置。2级衍射光的出射角度为：θ2＝arc sin(2λ/4CD)，则能量探测器109的安装位置对应α-θ2角度的位置，如图14所示。
进一步的，根据光栅衍射原理，2级衍射光光强与占空比存在如图15所示的线关系，结合光栅线宽根据焦深的变化趋势，得到测量光栅403在不同曝光高度下对应的2级光的光强变化趋势曲线。如图16所示。通过数据处理，同样可得中间部分曲线的顶点，即对应最佳焦点位置。
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 (19)

1.一种光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，包括：光源、光信号探测器和测量光栅，其中，所述测量光栅位于光刻曝光装置的基底表面，所述光源发出照明光束投射到基底表面的测量光栅上，并发生衍射，所述光信号探测器接收基底表面的衍射光；所述光信号探测器的安装位置由投射在所述基底表面照明光束的入射角度和所述测量光栅的周期确定；
所述焦面测量装置用于根据测量根据衍射光光强与光栅占空比之间的关系以及获取测量光栅在不同曝光高度下m级衍射光的光强变化趋势曲线技术曝光装置的焦面位置；并根据光刻曝光装置的焦面位置的数据组和光栅标记阵列中各光栅标记的位置，计算光刻曝光装置的像面参数。
2.如权利要求1所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述光源采用卤素灯或者直接采用光刻曝光装置中的高度传感器的光源。
3.如权利要求1所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，通过对所述基底表面的光刻胶进行曝光显影形成所述测量光栅。
4.如权利要求1所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述测量光栅设置有多组，每组测量光栅均包括水平向光栅标记和垂向光栅标记。
5.如权利要求4所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述水平向光栅标记和垂向光栅标记的尺寸均大于照明光束在基底表面形成的投射光斑大小。
6.如权利要求4所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述照明光束投射到所述水平向光栅标记时，所述水平向光栅标记与照明光束在水平面的投影垂直。
7.如权利要求4所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述照明光束投射到所述垂向光栅标记时，所述垂向光栅标记与照明光束在水平面的投影垂直。
8.如权利要求4所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，不同组测量光栅的光栅周期相同、光栅线宽不同。
9.如权利要求1所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述光信号探测器采用能量探测器。
10.如权利要求9所述的光刻曝光装置的焦面测量装置，其特征在于，所述光信号探测器与基底中心轴的夹角为α-θ，其中，α为照明光束投射到基底表面时的入射角度；θ＝arcsin(mλ/4CD)，m为光信号探测器探测的光的级次、λ为入射到基底表面的光的波长、4CD为测量光栅的周期。
11.一种光刻曝光装置，其特征在于，包括：如权利要求1～10任意一项所述的焦面测量装置。
12.如权利要求11所述的光刻曝光装置，其特征在于，所述光刻曝光装置还包括：
照明单元，用于提供均匀分布的照明光源；
掩模运动台，用于承载掩模版；
投影装置，用于将掩模版上的图形投射到基底表面；
以及
工件运动台，用于承载所述基底。
13.如权利要求12所述的光刻曝光装置，其特征在于，所述掩模版上排布有光栅标记阵列。
14.如权利要求12所述的光刻曝光装置，其特征在于，所述照明单元采用汞灯或激光器。
15.如权利要求12所述的光刻曝光装置，其特征在于，所述光刻曝光装置还包括：标记对准传感器、像传感器以及运动台位置测量传感器。
16.一种光刻曝光装置的焦面测量方法，其特征在于，包括：
步骤1：提供基底，在基底表面形成测量光栅，所述测量光栅包括水平向光栅标记和垂向光栅标记，其中，形成测量光栅的方法包括，将排布有光栅标记阵列的掩模版上片至掩模运动台，同时将涂覆有光刻胶的基底上片至工件运动台；垂向移动掩模运动台至多个不同高度，同时水平向移动工件运动台，并执行曝光，从而将光栅标记阵列中的一组光栅标记投射到基底的不同位置上；对曝光后的基底放入显影机中显影，从而在基底上形成测量光栅；
步骤2：向所述基底表面的测量光栅投射照明光束，获取基底表面衍射光的光强信息；
步骤3：根据衍射光光强与光栅占空比之间的关系以及获取测量光栅在不同曝光高度下m级衍射光的光强变化趋势曲线技术曝光装置的焦面位置；
根据光刻曝光装置的焦面位置的数据组和光栅标记阵列中各光栅标记的位置，计算光刻曝光装置的像面参数；
其中获取光强信息的探测器与基底中心轴的夹角为α-θ，其中，α为照明光束投射到基底表面时的入射角度；θ＝arc sin(mλ/4CD)，m为光信号探测器探测的光的级次、λ为入射到基底表面的光的波长、4CD为测量光栅的周期。
17.如权利要求16所述的光刻曝光装置的焦面测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：
将带有测量光栅的基底上片至工件运动台，并使垂向光栅标记的方向与照明光束在水平面的投影垂直；
调整工件运动台，获取照明光束与基底上所有垂向光栅标记形成的m级衍射光光强并记录；
调整基底，使水平向光栅标记的方向与照明光束在水平面的投影垂直；
调整工件运动台，获取照明光束与基底上所有水平向光栅标记形成的m级衍射光光强并记录；其中，m为1、2或3。
18.如权利要求17所述的光刻曝光装置的焦面测量方法，其特征在于，所述步骤3包括：
获取测量光栅在不同曝光高度下m级衍射光的光强变化趋势曲线；
对该光强变化趋势曲线进行数据处理，获取曲线的顶点即光刻曝光装置的焦面位置。
19.如权利要求18所述的光刻曝光装置的焦面测量方法，其特征在于，对该光强变化趋势曲线进行数据处理步骤包括：首先，剔除掉光强变化趋势曲线中焦深以外的点；接着，利用最小二乘法对光强变化趋势曲线进行二次拟合，求取曲线的顶点。
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