CN111352318A

CN111352318A - 一种基于暗场莫尔条纹的对准检测与控制的超分辨光刻装置

Info

Publication number: CN111352318A
Application number: CN202010355153.3A
Authority: CN
Inventors: 罗先刚; 刘明刚; 蒲明博; 马晓亮; 高平; 李雄
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2040-04-29
Also published as: WO2021219007A1; CN111352318B

Abstract

本发明公开了一种基于暗场莫尔条纹对准检测与控制的超分辨光刻装置，该装置包括精密的环控系统、主动隔振平台、支撑框架、光源、对准检测系统、掩模形变校正系统、光刻镜头模块、承片台及控制系统。该装置通过暗场莫尔条纹衍射成像技术，实现了纳米量级的在线对准检测，通过控制纳米运动台和掩模形变校正系统消除掩模与基片的对准偏差，实现多层图形套刻曝光；通过白光间隙测量模块、精密位移台、纳米位移台、掩模形变模块进行反馈控制，实现了超分辨多层图形套刻曝光光刻功能。

Description

一种基于暗场莫尔条纹的对准检测与控制的超分辨光刻装置

技术领域

本发明是一种基于暗场莫尔条纹对准检测与控制的超分辨光刻装置，属于超分辨光刻装置的改进和创新技术领域。

背景技术

随着半导体IC产业的高速发展，IC集成电路不断向小型化以及存储密度越来越高的方向发展，迫切需要提高光刻工艺。光刻工艺的分辨率和曝光效率决定了生产集成电路芯片的分辨率和生产效率。光刻工艺是通过曝光操作将掩模板上的图案转移到基片表面的光刻胶上，接着通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到基片上。由于光学波动性所产生的衍射和干涉等效应，传统光学光刻的路线受到“衍射受限”的限制，很难实现亚波长的特征尺寸，因此，科学家提出了诸如沉浸光刻、极紫外光刻、X射线光刻、电子束曝光光刻、离子束光刻、纳米压印等光刻技术。但是，这些光刻技术存在着，诸如设备昂贵、过程复杂或者产能低等限制。

2004年，罗先刚研究员首次报道表面等离子体共振干涉光刻技术，提出SP光刻的加工方法，以突破衍射受限，提高光刻分辨力。当前，研究人员已经利用SP光刻方法实现了超分辨率的单层器件制造。因为SP光刻工作距短的限制，投影光刻的对准方法无法顺利的应用于SP光刻。另外，由于掩模与基片的工具距小，掩模与基片之间的微接触状态存在力的作用，在如此小的间隙下，精确检测和控制掩模图形与基片上已有图形的对准偏差，保证光刻效果的稳定可靠成为了新的技术难题，限制了SP光刻应用场景。

根据光栅的衍射理论，当入射光以利特罗角入射到重叠光栅的上表面时，经过重叠光栅的两次衍射后，形成放大的莫尔条纹图像，且该图像原路返回，0级衍射光不会返回，增加了衍射图形的对比度。

本发明的一种基于暗场莫尔条纹对准偏差检测与控制的超分辨光刻装置。该装置通过暗场衍射条纹成像技术，实现纳米量级的在线对准检测和控制,克服SP光刻的多层图形曝光工艺难题；通过激光干涉仪、精密位移台、纳米位移台、掩模形变控制字模块和间隙检测模块进行反馈控制，实现了精密套刻对准和步进光刻功能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提出一种基于暗场莫尔条纹对准偏差检测与控制的超分辨光刻装置。该装置通过暗场莫尔条纹衍射成像技术，实现了纳米量级的在线对准偏差检测。通过激光干涉仪、精密位移台、纳米位移台、对准检测模块、掩模形变校正模块和间隙检测模块进行反馈控制，实现了多层图形超精密套刻对准和步进光刻功能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于暗场莫尔条纹的对准检测与控制的超分辨光刻装置，该装置包括主动隔振平台、大理石台面、支撑框架、粗行程运动台、超分辨光刻掩模、掩模形变校正模块、白光干涉间隙测量模块、主基板、X/Y轴位移台、曝光照明光源、环境控制系统和主控系统；其中：

所述的对准检测系统包括8套相同的对准偏差检测模块，X/Y轴位移台安装在主基板上，每一间隙检测模块包括X/Y轴位移台、Tz轴旋转台、倾斜转接板、Z轴位移台、Rx/Ry旋转台、镜头夹持架、远心镜头、CCD相机、光纤准直单元、柔性光纤、快门和对准光源，其中Tz轴旋转台安装在X/Y轴位移台上，倾斜转接板安装在Tz轴旋转台上，Z轴位移台安装在倾斜转接板上，Rx/Ry旋转台安装在Z轴位移台上，镜头安装板安装在Tz轴旋转台上，镜头夹持架安装在Rx/Ry旋转台上，远心镜头与CCD相机连接夹持在镜头夹持架上，光源准直模块安装在远心镜头的照明光源导入口上；

所述的对准光源安装在支撑框架上，支撑框架安装在主动隔振平台上的大理石台面上，主动隔振平台安装在减振地基上，整个装置被环境控制系统包围，控制系统安装在环境控制系统外面的地基上；

所述的白光间隙测量模块，包括3组相同的白光干涉间隙测量模块，白光干涉间隙检测模块安装在主基板上，所述的白光干涉间隙测量模块包括光谱仪，光纤耦合单元、光纤、光源模块，安装在主基板的中心沉槽上；

所述的超分辨光刻掩模上加工有掩模对准标记区，所述基片对准标记区上加工有光刻图形区、掩模对准图形区和掩模对准标记区；

所述的承片台模块，包括粗行程运动台、六自由度纳米运动台、承片台、基片，粗行程运动台安装在大理石台面上，六轴纳米位移台安装在粗行程运动台上，承片台安装在六自由度纳米运动台上，基片吸附在承片台上。

进一步地，当在对第一层图形区执行套刻曝光时，当所述超分辨光刻掩模与所述基片处于微接触状态，掩模形变校正系统通过掩模形变校正模块控制所述图案区的变形量，以校正对准检测系统检测到的形成在所述超分辨光刻掩模上的标记的位置与形成在第一层对准标记区中的标记的位置之间的差异。

本发明的原理在于：本发明是一种基于暗场莫尔条纹偏差检测与控制的超分辨光刻装置，属于超分辨光刻装置的改进和创新。该装置的特点在于包括精密的环控系统、主动隔振平台、支撑框架、光源、间隙检测系统、对准检测系统、光刻镜头模块、承片台模块、掩模形变校正模块和整机控制系统。该装置通过暗场光栅衍射成像技术，实现了纳米量级的在线对准偏差检测；通过精密位移台、纳米位移台、对准检测模块和间隙检测模块进行反馈控制，实现了超精密套刻对准和步进光刻功能。

1、该装置采用精密环控系统，保证了良好的外部光刻环境，降低曝光时引入缺陷。

2、该装置采用大理石支撑框架和主动隔振平台，隔离外界环境的振动和噪声，保证对准偏差检测、控制和光刻的稳定性和可靠性。

3、该装置的对准检测模块，包括X轴和Y轴位移台、倾斜转接板、Z轴位移台、Rx/Ry旋转台、Tz轴旋转台、镜头夹持架、CCD相机、远心镜头、准直器套件、光纤头和光纤耦合照明光源。通过调节X轴位移台、Y轴位移台、Z轴位移台、Rx/Ry旋转台、Tz轴旋转台，可以调节远心镜头与对准图形区的位置和角度关系；通过调节X轴位移台和Z轴位移台，可以对远心镜头进行调焦；通过调节准直器旋转台，可以调节入射激光的入射角度，满足与远心镜头的角度关系。

4、该装置的光刻镜头模块上安装有超分辨光刻掩模，超分辨光刻掩模上加工有对准图形和白光检测窗口，用来进行超精密对准和间隙检测。

5、该装置的承片台模块，包括长行程宏动位移台、六轴纳米位移台、承片台、基片，通过间隙检测系统提供反馈数据，调节六轴纳米位移台实现调平调焦功能；基于暗场莫尔条纹的检测数据，调节六轴纳米位移台与掩模形变校正机构实现超精密对准和步进功能。

本发明的有益效果是：

(1)该装置采用暗场莫尔条文偏差检测技术，实现了超分辨光刻模式下纳米量级的在线对准偏差检测；

(2)通过引入8组暗场莫尔条纹成像系统，实现了掩模对准标记相对于基片对准标记的偏差测量与辨识；

(3)该装置利用六轴纳米位移台对基片的位姿调控消除刚体类对准偏差，通过多组掩模形变控制模块消除形变类对准偏差；

(4)该装置通过纳米位移台、对准偏差控制模块、调焦调平模块反馈控制，实现了超分辨光刻场景下的多层图形的精密套刻和步进光刻对准功能。

附图说明

图1为本发明的一种基于暗场莫尔条纹对准偏差检测与控制的超分辨光刻装置的整体结构图；其中，1是主动隔振平台；2是大理石台面；3是支撑框架；4是粗行程运动台；5是六自由度纳米运动台；6是承片台；7是基片；8是超分辨光刻掩模；9是基片对准标记区；10是掩模形变校正模块；11是白光干涉间隙测量模块；12是主基板；13是X/Y轴位移台；14是Tz轴旋转台；15是倾斜转接板；16是Z轴位移台；17是Rx/Ry旋转台；18是镜头夹持架；19是远心镜头；20是CCD相机；21是光纤准直单元；22是柔性光纤；23是快门；24是对准光源；25是曝光照明光源；26是环境控制系统；27是主控系统；29是白光干涉间隙测量窗口；30是掩模对准标记区；

图2为本发明的一种基于暗场对准偏差检测与控制的超分辨光刻装置的对准检测机构结构俯视图；其中，30-1是掩模第一组对准标记区；30-2是掩模第二组对准标记区；30-3是掩模第三组对准标记区；30-4是掩模第四组对准标记区；30-5是掩模第五组对准标记区；30-6是掩模第六组对准标记区；30-7是掩模第七组对准标记区；30-8是掩模第八组对准标记区；29-1是第一组白光干涉间隙测量窗口；29-2是第二组白光干涉间隙测量窗口；29-3是第三组白光干涉间隙测量窗口；20-1是第一套对准偏差检测系统；20-2是第二套对准偏差检测系统；20-3是第三套对准偏差检测系统；20-4是第四套对准偏差检测系统；20-5是第五套对准偏差检测系统；20-6是第六套对准偏差检测系统；20-7是第七套对准偏差检测系统；20-8是第八套对准偏差检测系统；

图3为本发明的暗场对准偏差检测模块结构图；其中，13是X/Y轴位移台；14是Tz轴旋转台；15是倾斜转接板；16是Z轴位移台；17是Rx/Ry旋转台；18是镜头夹持架；19是远心镜头；20是CCD相机；21是光纤准直单元；22是柔性光纤；23是快门；24是对准光源；

图4为本发明的掩模形变校正模块结构图；其中，10-1是第一组压力控制模块；10-2是第二组压力控制模块；10-3是第三组压力控制模块；10-4是第四组压力控制模块；10-5是第五组压力控制模块；10-6是第六组压力控制模块；10-7是第七组压力控制模块；10-8是第八组压力控制模块；

图5为本发明掩模图形区分布及对准检测光路示意图；其中，7是基片；8是超分辨光刻掩模；28是光刻图形区；29是白光干涉间隙测量窗口；30是掩模对准标记区；

图6为本发明的X\Y方向粗、精对准标记设计示意图；其中，9-11是基片X方向粗对准光栅；9-12是基片X方向衍射光栅；9-13基片Y方向粗对准光栅；9-14是基片Y方向衍射光栅；30-11是掩模X方向粗对准光栅；30-12是掩模X方向衍射光栅；30-13是掩模Y方向粗对准光栅；30-14是掩模Y方向衍射光栅；

图7为本发明的逐场对准标记分布示意图；其中，9是基片对准标记区；

图8为超分辨曝光流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和装置等的优点更加清楚，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

参照图1，该装置主要由主动隔振平台1、大理石台面2、支撑框架3、粗行程运动台4、六自由度纳米运动台5、承片台6、基片7、超分辨光刻掩模8、基片对准标记区9、掩模形变校正模块10、白光间隙检测模块11、主基板12、对准偏差检测模块(包括X/Y轴位移台13，Tz轴旋转台14，倾斜转接板15，Z轴位移台16，Rx/Ry旋转台17，镜头夹持架18，远心镜头19，CCD相机20，光纤准直单元21，柔性光纤22，快门23，对准光源24)、曝光照明光源25、环境控制系统26、主控系统27、白光干涉间隙测量窗口29和掩模对准标记区30等多个部分组成。主控系统27用于超分辨光刻系统装置的自动化控制操作。其中环境控制系统26提供温度为22±0.1°、湿度为55±5％、洁净度为100级的光刻环境；主动隔振平台1隔离外界的噪声和干扰，确保平台间隙检测、对准和超分辨光刻功能的稳定性。

参照图2，该装置的对准偏差检测模块包含8套相同的对准偏差检测模块，其中，20-1是第一套对准偏差检测系统；20-2是第二套对准偏差检测系统；20-3是第三套对准偏差检测系统；20-4是第四套对准偏差检测系统；20-5是第五套对准偏差检测系统；20-6是第六套对准偏差检测系统；20-7是第七套对准偏差检测系统；20-8是第八套对准偏差检测系统；分别安装在主基板的四个角上。每个检测模块的Y轴位移台安装在X轴位移台上，X轴位移台安装在主基板12上。其中，掩模上布置有3组白光干涉间隙测量窗口29和8组掩模对准标记区30。

参照图3，该装置X/Y方向对准偏差检测模块包括X/Y轴位移台13、Tz轴旋转台14、倾斜转接板15、Z轴位移台16、Rx/Ry旋转台17、镜头夹持架18、远心镜头19、CCD相机20、光纤准直单元21、柔性光纤22、快门23、对准光源24。

参照图4，掩模形变校正模块10包括用于对掩模进行形变控制的8组压力控制模块，分别为：第一组压力控制模块10-1、第二组压力控制模块10-2、第三组压力控制模块10-3、第四组压力控制模块10-4、第五组压力控制模块10-5、第六组压力控制模块10-6、第七组压力控制模块10-7和第八组压力控制模块10-8，分别对称安装在掩模的四条边上，以柔性树脂材料与掩模保持面接触。每组压力控制模块单独实现力反馈闭环控制。其中，8组压力控制装置分别装在主基板上。在8组对准偏差检测模块获取到对准偏差数据后，分析掩模形变类型，如果是非刚体形变，比如比例放大缩小形变、梯形形变或者正交形变，则主控系统控制分别控制不同的压力控制装置，消除掩模形变引入的对准偏差。注意，这里的压力控制装置数量不限于8组。

参考图5，该装置光刻镜头模块上安装的超分辨光刻掩模8加工有光刻图形区28、白光干涉间隙测量窗口29和掩模对准标记区30。对准光准以设计的利特罗角θ入射到掩模对准标记区30，掩模与基片对标标记衍射后，以相同的θ角出射，并被远心镜头相连接的CCD采集。

参照图6，右侧为检测X方向的对准偏差标记，在该实施例中，实现了暗场环境下作为检测标记的第二衍射光栅9-14和作为检测标记的第一衍射光栅30-14衍射产生的莫尔条纹，将一个设置为图6所示的第一衍射光栅30-14，并且将另一个设置为如图6所示的具有二维结构的第二衍射光栅9-14。第一衍射光栅30-14是在方向上具有周期的衍射光栅，该周期是与第二衍射光栅中的周期不同的周期。第二衍射光栅9-14是在X方向和Y方向上具有周期的衍射光栅。同时，在掩模与基片上分别布置X方向上具有莫尔条纹周期的第三衍射光栅30-13和第四衍射光栅9-13，扩展莫尔条纹的在X方向的检测范围。图6左侧为检测Y方向的对准偏差标记，实现了暗场环境下作为检测标记的第五衍射光栅30-12和作为检测标记的第六衍射光栅9-12衍射产生的莫尔条纹，将一个设置为图6右侧所示的第五衍射光栅30-12，并且将另一个设置为如图6右侧所示的具有二维结构的第六衍射光栅9-12。第五衍射光栅30-12是在Y方向上具有周期的衍射光栅，该周期是与第六衍射光栅中的周期不同的周期。第六衍射光栅9-12是在Y方向和X方向上具有周期的衍射光栅。另外，粗对准光栅30-11和基片光栅9-11用于Y方向的粗对准，拓展莫尔条纹的检测范围。注意，第一方向和第二方向不限于彼此垂直布置。本实施例中，莫尔条纹的放大倍数：

图7为该实施例中，实现步进逐场对准曝光完成的基片效果示意图。基片上布置有多组基片对准标记区9，用于实现逐场对准。

接下来描述该超分辨光刻装置的曝光方法，图8是操作流程图。

首先，复位该装置的所有模块，装载带图形的超分辨光刻掩模8(步骤101)。为曝光操作做准备。

第二步，控制承片台6进入基片装载位，加载待曝光基片7，并设置好具体曝光参数(步骤102)。

第三步，移动承片台6使基片进入到曝光位置；开启间隙检测系统，检测不同三点的超分辨光刻掩模8与基片7之间的绝对间隙，建立以间隙值为反馈的闭环控制系统，通过纳米位移台实现基片的调焦调平操作(步骤103)。

第四步：开启对准偏差检测模块(包括第一套对准偏差检测系统20-1；是第二套对准偏差检测系统20-2；是第三套对准偏差检测系统20-3；是第四套对准偏差检测系统20-4；是第五套对准偏差检测系统20-5；是第六套对准偏差检测系统20-6；是第七套对准偏差检测系统20-7；是第八套对准偏差检测系统20-8)，获取曝光场图形区外4个角的对准偏差数据，并根据测量数据进行对准偏差分类(步骤104)。判断掩模与待曝光的基片之间是否存在刚体类型对准(步骤105)，如果有，则直接通过控制纳米位移台移动基片位置消除刚体类对准误差(步骤106)。接着，判断掩模与待曝光基片之间是否存在形变类误差(步骤107)，如有，则通过基于力反馈的掩模形变校正单元的组合控制，校正掩模产生的形变误差(步骤108)。

第五步，开启照明光源，实现对基片的超分辨曝光操作(步骤109)。

第七步，分离基片，通过承片台系统，将下一曝光区域移动到超分辨光刻器件的正下方，重复步骤三到步骤六的操作，直到所有场完成曝光操作(步骤110)。

最后一步，分离基片，承片台移动到取片位置，完成基片曝光操作(步骤111)

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种基于暗场莫尔条纹的对准检测与控制的超分辨光刻装置，其特征在于：该装置包括主动隔振平台(1)、大理石台面(2)、支撑框架(3)、粗行程运动台(4)、六自由度纳米运动台(5)、承片台(6)、基片(7)、超分辨光刻掩模(8)、基片对准标记区(9)、掩模形变校正模块(10)、白光干涉间隙测量模块(11)、主基板(12)、X/Y轴位移台(13)、曝光照明光源(25)、环境控制系统(26)、主控系统(27)、白光干涉间隙测量窗口(29)和掩模对准标记区(30)；其中：

所述的对准检测系统包括8套相同的对准偏差检测模块，X/Y轴位移台(13)安装在主基板(12)上，每一套间隙检测模块包括X/Y轴位移台(13)、Tz轴旋转台(14)、倾斜转接板(15)、Z轴位移台(16)、Rx/Ry旋转台(17)、镜头夹持架(18)、远心镜头(19)、CCD相机(20)、光纤准直单元(21)、柔性光纤(22)、快门(23)和对准光源(24)，其中Tz轴旋转台(14)安装在X/Y轴位移台(13)上，倾斜转接板(15)安装在Tz轴旋转台(14)上，Z轴位移台(16)安装在倾斜转接板(15)上，Rx/Ry旋转台(17)安装在Z轴位移台(16)上，镜头夹持架(18)安装在Rx/Ry旋转台(17)上，远心镜头(19)与CCD相机(20)连接夹持在镜头夹持架(18)上，光源准直模块安装在远心镜头的照明光源导入口上；

所述的对准光源(24)安装在支撑框架(3)上，支撑框架(3)安装在主动隔振平台(1)上的大理石台面上，主动隔振平台(1)安装在减振地基上，整个装置被环境控制系统(26)包围，主控系统(27)安装在环境控制系统(26)外面的地基上；

所述的白光干涉间隙测量模块(11)，包括3组相同的白光间隙测量模块，白光间隙检测模块安装在主基板(12)上，所述的白光干涉间隙测量模块(11)包括光谱仪，光纤耦合单元、光纤、光源模块，安装在主基板(12)的中心沉槽上；

所述的基片(7)上加工有基片对准标记区(9)，所述超分辨光刻掩模(8)上加工有光刻图形区(28)、白光干涉间隙测量窗口(29)和掩模对准标记区(30)；

所述的承片台模块，包括粗行程运动台(4)、六自由度纳米运动台(5)、承片台(6)和基片(7)，粗行程运动台(4)安装在大理石台面(2)上，六自由度纳米运动台(5)安装在粗行程运动台(4)上，承片台(6)安装在六自由度纳米运动台(5)上，基片(7)吸附在承片台(6)上。

2.根据权利要求1所述的基于暗场莫尔条纹的对准检测与控制的超分辨光刻装置，其特征在于：当在对第一层图形区执行套刻曝光时，所述超分辨光刻掩模(8)与所述基片处于微接触状态，掩模形变校正系统通过掩模形变校正模块(10)控制所述图案区的变形量，以校正对准检测系统检测到的形成在所述超分辨光刻掩模上的标记的位置与形成在第一层对准标记区中的标记的位置之间的形变类差异；当在对第一层图形区执行套刻曝光时，所述超分辨光刻掩模(8)与所述基片处于微接触状态，对准控制系统通过六自由度运动平台控制基片做精密运动，以校正对准检测系统检测到的形成在所述超分辨光刻掩模上的标记的位置与形成在第一层对准标记区中的标记的位置之间的刚体类差异。