CN111381460A - 一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统及其测量方法。该系统的特点在于将暗场莫尔条纹对准偏差检测功能和啁啾光栅间隙检测功能集成到一组探测单元中。所述兼顾对准和调焦调平的测量系统实现了垂向测量系统和水平向测量系统的一体化结构，减少了光刻机整机系统的空间需求，节约了光刻机的空间占用率。所述兼顾对准和调焦调平的测量系统的测量方法，实现对基片的调焦调平及对准，提高了光刻机工作效率。

Description

一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及光刻机领域，特别涉及一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统及其测量方法，以及以该测量系统及其测量方法为基础的光刻机。

背景技术

在半导体芯片的生产过程中，为了达到期望的精度指标，需要精确建立光刻机各个坐标系间的关系，使掩模、物镜、承片台等能够建立统一的位置关系。通常这些设备会配置一套或多套垂向检测系统，用于在实现掩模与基片对准前将被测基片进行调焦调平，一方面，确保基片处于掩模图形的成像焦面上；另一方面，以便基片曝光时，被测标记或特征处于基片对准系统的检测范围内，减少因离焦倾斜而引起的测量误差。现有设备中多是采用配置独立的垂向、水平向检测系统，在工作流程中，先进行垂向测量，将被测工件调焦调平后，再进行工件对准。如此顺序执行，势必占用一定的生产时间，对产率的提升产生影响；另外，特别的工艺情况下，需要进行逐场调焦调平，将会耗费更多时间。

本发明的兼顾对准和调焦调平的测量系统，及其测量方法。使用同一组检测系统即实现了光刻工艺中的水平向对准偏差测量，又实现了垂向的间隙值测量。通过暗场衍射成像技术，兼顾了基片与掩模间的纳米量级的在线对准检测和纳米量级的在线间隙检测。另外，针对近场光刻系统，比如SP光刻系统与纳米压印系统等，采用本发明可以大大的减少整机空间需求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供了一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统及其测量方法，用以解决现有光刻机中配置独立的垂向、水平向检测系统造成的光刻机空间占用率高的问题，本发明还提供了一种测量方法，用以解决现有光刻机先行垂向测量，将被测工件调焦调平后，再进行工件对准造成的生产时间长，光刻机产率低的问题。

为了解决该问题，本发明的方案如下：一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统，设置在掩模和照明光源之间，所述兼顾对准和调焦调平的测量系统其中一组6自由度镜头姿态调整机构和离轴探测成像光路包括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、镜头安装板、镜头夹持架、CCD、远心镜头、准直器套件、光纤头、激光光源、晶振。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掩模对准图形区和间隙测量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。

根据方案，所述的掩模板上设有啁啾光栅标定标记和周期光栅对准标记。所述的基片上设有周期光栅反射对准标记。所述激光光源模块发出激光光束，该光束经晶体振荡器消除相干性，接着该光束经过准直镜头准直，然后该光束经导光口而引入远心镜头，以一定的角度倾斜照射到掩模的对准标记和啁啾光栅区。光束经过对准标记光栅和啁啾光栅的衍射，最后照射到基片的对准标记区，经反射后，衍射光束按原路返回进入远心镜头，并被远心镜头的成像物镜将衍射图像成像到与远心镜头相连接的CCD相机像面处。

本发明所述一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统实现了垂向测量系统和水平向测量系统的一体化系统，减少了光刻机整机系统的空间需求。

本发明还提供了采用一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统对工件进行测量的方法，包括如下步骤：

步骤一：通过6自由度运动台调整远心镜头成像光路，使得掩模上的啁啾光栅标记和对准标记同时正好处于成像光路中心区域；

步骤二：调整CCD镜头进行聚焦，采集啁啾光栅的衍射图像，计算出待测基片与掩模下表面的垂向间隙值；同时，采集经掩模对准标记与基片对准标记衍射形成的莫尔条纹图形，计算出掩模与待测基片的水平向对准偏差值；

步骤三：将垂向间隙值反馈至基片控制系统，驱动工件台，完成待测基片的位置调整；

步骤四：将水平向对准偏差值反馈至基片控制系统，驱动工件台，完成待测基片的位置调整，实现掩模与基片的对准操作。

一种光刻机，包括掩模和工件台，所述光刻机还包括所述的兼顾调焦调平和精密对准的测量系统。

本发明的有益效果是：

1、提供了一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统及其测量方法，既实现了掩模与基片间纳米量级的在线对准偏差检测，又实现了掩模与基片间的纳米量级的在线间隙检测；

2、通过引入3组或3组以上的测量系统，可实现掩模与基片的调焦调平和精密对准；

3、该测量系统和检测方法不影响图形区的曝光，即减少了光刻机空间需求，也可实现曝光时实时检测掩模与基片的对准偏差和基片是否处于离焦等状态进行判断，确保实现期望的精度指标。

附图说明

图1为本发明的一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统的光刻装置整机结构图；其中，1是六自由度纳米运动台；2是承片台；3是待曝光硅片；4是曝光掩模；5是主机板；6是掩模夹持器件；7是基片上的对准标记；8是掩模上的间隙测量标记；9是掩模上的对准标记区；10是照明光源镜头；100\200是第一、第二X\Y轴位移台；101\201是第一、第二Tz轴旋转台；102\202是第一、第二倾斜转接板；103\203是第一、第二Z轴位移台；104\204是第一、第二Rx/Ry旋转台；105\205是第一、第二镜头夹持架；106\206是第一、第二远心镜头；107\207是第一、第二CCD相机；108\208是第一、第二晶体振荡器；109\209是第一、第二激光光源；

图2为本发明的一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统的光刻装置整机结构俯视图；其中，7-1是第一组对准标记；7-2是第二组对准标记；7-3是第三组对准标记；7-4是第四组对准标记；7-5是第五组对准标记；7-6是第六组对准标记；7-7是第七组对准标记；7-8是第八组对准标记；10-1是第一组对准测量模块；20-1是第二组对准测量模块；30-1是第三组对准测量模块；40-1是第四组对准测量模块；50-1是第五组对准测量模块；60-1是第六组对准测量模块；70-1是第七组对准测量模块；80-1是第八组对准测量模块；

图3为本发明的兼顾调焦调平和精密对准的测量系统结构图；其中，100是第一X\Y轴位移台；101是第一Tz轴旋转台；102是第一倾斜转接板；103是第一Z轴位移台；104是第一Rx/Ry旋转台；105是第一镜头夹持架；106是第一远心镜头；107是第一CCD相机；108是第一晶体振荡器；109是第一激光光源；

图4为本发明的掩模与基片间隙测量检测光路和对准偏差检测光路示意图；其中，3是硅片；4是掩模；8-1是第一组间隙测量标记；8-2是第二组间隙测量标记；8-3是第三组间隙测量标记；8-4是第四组间隙测量标记；9-1是第一组掩模对准标记；9-2是第二组掩模对准标记；9-3是第三组掩模对准标记；9-4是第四组掩模对准标记；9-5是第五组掩模对准标记；9-6是第六组掩模对准标记；9-7是第七组掩模对准标记；9-8是第八组掩模对准标记；28是掩模图形区；

图5为本发明的掩模间隙测量光栅标记示意图；其中，8-01是第一组掩模间隙测量标记，用于间隙测量；8-02是第二组掩模间隙测量标记，用于间隙测量；

图6为本发明的对准偏差光栅标记示意图。其中，7-01是基片Y方向莫尔条纹对准标记；9-01是掩模Y方向莫尔条纹对准标记；7-00是基片Y方向粗对准标记；9-00是掩模Y方向粗对准标记；7-03是基片X方向莫尔条纹对准标记；9-03是掩模X方向莫尔条纹对准标记；7-02是基片X方向粗对准标记；9-02是掩模X方向粗对准标记。

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，该测量系统包括六自由度纳米运动台1；承片台2，安装到六自由度纳米运动台1上；待曝光硅片3；曝光掩模4，由掩模夹持器件6固定；主基板5；掩模夹持器件6，固定到主基板5上；基片上的对准标记7；掩模上的间隙测量标记8；掩模上的对准标记区9；照明光源镜头10；第一、第二X\Y轴位移台100\200；第一、第二Tz轴旋转台101\201，分别安装在第一、第二X\Y轴位移台100\200上；第一、第二倾斜转接板102\202，分别安装在第一、第二Tz轴旋转台101\201上；第一、第二Z轴位移台103\203，与第一、第二Tz轴旋转台101\201和第一、第二Rx/Ry旋转台104\204分别相连，用于CCD相机的调焦；第一、第二Rx/Ry旋转台104\204；第一、第二镜头夹持架105\205，分别用于固定远心镜头106\206；第一、第二远心镜头106\206；第一、第二CCD相机107\207，用于图像采集；第一、第二晶体振荡器108\208，用于消除激光相干特性；第一、第二激光光源109\209。其中,掩模与基片的间隙值和对准偏差值都采用同一套检测系统，降低了光刻整机的空间占用率，实现了在线对准偏差检测与间隙值测量。

参照图2，一种基于本发明技术的光刻系统，包括8套相同的对准偏差检测模块10-1、20-1、30-1、40-1、50-1、60-1、70-1和80-1，分别安装在图形区的四个角上，这种布局方式更利于检测征途图像去的对准偏差。每一套对准偏差检测模块都具有远心镜头精确姿态调控功能。

参照图3，兼容调焦调平与对准的检测系统包括X/Y轴位移台100、Tz旋转轴台101、倾斜转接板102、Z轴位移台103、Rx/Ry旋转台104、镜头夹持架105、远心镜头106、CCD 107、晶体振荡器108和激光照明光源109。

参照图4，为本发明的掩模上的间隙测量标记与对准标记的一种可行的布置方式。对准标记布置在整个图形区的四个角上，4组标记用于测量X方向的对准偏差，另外4组用于测量Y方向的对准偏差。间隙测量标记布置在4组Y方向的对准标记旁边，设计合适的解耦算法，即可获得掩模与基片的Z间隙值、Rx和Ry方向的偏摆角。其中左图为间隙测量光路图，激光光源发出的光束，经过晶体振荡器先出相干性，然后，光束经镜组扩束准直模块后以与掩模法线方向成α角照射到间隙测量标记上，经过啁啾光栅的衍射，远心镜头捕获干涉图像并成像到CCD上。其设计特点是激光束照射角度与衍射成像角度一致。右图为对准测量光路图，激光光源发出的光束，经过晶体振荡器先出相干性，然后，光束经镜组扩束准直模块后以角度θ照射到掩模的对准标记上，经过掩模上的光栅衍射的光束照射到基片的对准图像上，再一次衍射后形成放大周期的莫尔条纹图像，该图像被远心镜头捕获并成像到CCD上。其特点是光束斜入射到掩模标记上，一方面，避免了与照明光源的空间位置干涉，实现了在线对准偏差检测功能，另一方面，只收集感兴趣的衍射级次光，增强了图像对比度。另外，将对准照射角度与间隙测量的照射角度设计为相同的角度，正好使测量系统兼顾对准与调焦调平功能。为了利用一套系统兼顾调焦调平与对准，此处的间隙测量光束入射角度与对转光束入射角度相等。其中，3是硅片；4是掩模；8-1是第一组间隙测量标记；8-2是第二组间隙测量标记；8-3是第三组间隙测量标记；8-4是第四组间隙测量标记；9-1是第一组掩模对准标记；9-2是第二组掩模对准标记；9-3是第三组掩模对准标记；9-4是第四组掩模对准标记；9-5是第五组掩模对准标记；9-6是第六组掩模对准标记；9-7是第七组掩模对准标记；9-8是第八组掩模对准标记；28是掩模图形区；

参照图5，为掩模上的间隙检测光栅标记，该检测光栅由两组相位反向的啁啾光栅组成。检测光栅在X方向的周期固定，而在Y方向的周期不固定。当单波长的激光束以设计的利特罗角照射到该检测标记时，远心镜头可采集干涉图形，包括左右两组干涉图形。当掩模与基片间隙值增大时，产生更高的条纹频率；反之，当掩模与基片间隙减小时，条纹周期差异变小。该检测对掩模与基片是否对准不敏感，不需要基片上有任何图形，还可以在基片第0层标记图形的曝光中使用。利用左右两组干涉条纹的空间相位信息，采用精确的相位解析方法，可以获得nm量级的间隙值。其中，8-01是第一组掩模间隙测量标记，用于间隙测量；8-02是第二组掩模间隙测量标记，用于间隙测量；

参考图6，左侧图为检测X方向的对准偏差标记，在该实施例中，实现了暗场环境下基片X方向莫尔条纹对准标记7-03和掩模X方向莫尔条纹对准标记9-03衍射产生的莫尔条纹。将基片X方向莫尔条纹对准标记7-03设计为图6所示的二维光栅，其为基片上的精对准标记，将掩模X方向莫尔条纹对准标记9-03设计为图6所示的一维光栅。掩模X方向莫尔条纹对准标记9-03是在X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有些许不同。基片X方向莫尔条纹对准标记7-03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Y方向上具有莫尔条纹周期的衍射光栅(基片Y方向莫尔条纹对准标记7-01和掩模Y方向莫尔条纹对准标记9-01)，用于扩展莫尔条纹的在X方向的检测范围。图6右侧为检测Y方向的对准偏差标记，实现了暗场环境下基片Y方向莫尔条纹对准标记7-01和掩模Y方向莫尔条纹对准标记9-01衍射产生的莫尔条纹，将一个设置为图6右侧所示的衍射光栅，并且将基片Y方向莫尔条纹对准标记7-01设置为如图6右侧所示的具有二维结构的衍射光栅。掩模Y方向莫尔条纹对准标记9-01是在Y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。基片Y方向莫尔条纹对准标记7-01是在Y方向和X方向上具有周期的衍射光栅。另外，掩模Y方向粗对准标记9-00和基片Y方向粗对准标记7-00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:

参考图1、图2、图3、图4和图5，该检测系统的操作流程如下：

步骤一：上电复位，通过6自由度运动台调整远心镜头姿态，使得准直的测量光束以利特罗角入射到掩模的间隙测量标记和对准标记的中心区域，确保CCD可同时采集间隙测量干涉图像与对准干涉图像；

步骤二：调整运动台的Z轴位置，使CCD镜头聚焦，采集啁啾光栅的衍射图像，基于空间相位解析方法，解析出条纹的频率分布及左右两组条纹的相位差异，从而计算出待测基片上表面与掩模下表面的垂向间隙值；同时，采集经掩模对准标记与基片对准标记衍射形成的莫尔条纹图形，基于类似的空间相位方法，解析出待测方向左右两组粗、精条纹的相位值，从而计算出掩模与待测基片的水平向对准偏差值。

步骤三：利用掩模上的4组间隙测量值，利用几何变化方法，即可得到基片与掩模的位置关系，包括垂向间隙值、Rx和Ry偏摆角等信息。建立以垂向间隙值、Rx与Ry偏摆角为反馈信号，以纳米运动为执行机构的基片调焦调平控制系统，实现掩模与基片的调焦调平操作。

步骤四：利用掩模与基片上的8组对准标记，计算掩模与基片的对准偏差值；建立以对准偏差为反馈信号的基片对准控制系统，通过纳米运动台调整基片水平方向的姿态，实现掩模与基片的对准操作。

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 (7)

1.一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统，设置在基片和掩模之上，其特征在于：所述兼顾对准和调焦调平的测量系统包括三组或三组以上的6自由度镜头姿态调整机构和离轴探测成像光路，所述离轴成像光路与掩模法线方向成利特罗角入射到掩模表面，所述的兼顾对准和调焦调平的测量系统其中一组6自由度镜头姿态调整机构和离轴探测成像光路包括X/Y轴位移台(100)、Tz轴旋转台(101)、倾斜转接板(102)、Z轴位移台(103)、Rx/Ry旋转台(104)、镜头夹持架(105)、远心镜头(106)、CCD(107)、晶体振荡器模块(108)和对准激光光源(109)，其中Tz轴旋转台(101)安装在X/Y轴位移台(100)上，倾斜转接板(102)安装在Tz轴旋转台(101)上，Z轴位移台(103)安装在倾斜转接板(102)上，Rx/Ry旋转台(104)安装在Z轴位移台(103)上，镜头安装板(105)安装在Rx/Ry旋转台(104)，远心镜头(106)与CCD(107)连接夹持在镜头夹持架(105)上，光源准直模块安装在远心镜头的照明光源导入口上。

2.根据权利要求1所述的一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统，其特征在于，所述离轴成像光路包括沿着光束传播方向依次设置激光光源模块、激光消相干模块、光源准直镜头、带导光装置的远心镜头和CCD相机，所述激光光源模块发出的光束经晶体振荡器消相干和准直镜准直后导入到远心镜头，然后以设计的间隙测量角度照射到掩模的啁啾光栅图形区，所述的远心镜头将啁啾光栅的衍射图形成像到CCD上，通过对衍射图像进行频率+相位解析，实现垂向的纳米量级的在线间隙测量。

3.根据权利要求2所述的一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统，其特征在于：所述离轴成像光路包括沿着光束传播方向依次设置激光光源模块、激光消相干模块、光源准直镜头、带光源导入接口的远心镜头和CCD相机，所述激光光源模块发出的光束经晶体振荡器消相干并经准直镜准直后倒入到远心镜头，然后以设计的对准测量角照射到掩模的对准图形区，对准测量角与间隙测量角度相等，光束经掩模上的周期光栅衍射后照射到基片的对准标记区，经过基片的与掩模光栅周期有一定差异的棋盘状光栅衍射后按原光路返回到远心镜头，远心镜头将对准图像成像到CCD相机上，通过解析对准莫尔条纹的相位信息，实现水平向的纳米量级的在线对准偏差检测。

4.根据权利要求2所述的一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统，其特征在于：所述掩模板上设有啁啾光栅标定标记和周期光栅对准标记。

5.根据权利要求2所述的一种兼顾调焦调平和精密对准的测量系统，其特征在于：所述基片上设有周期光栅反射对准标记。

6.一种兼顾调焦调平和精密对准的测量方法，采用权利要求2所述的兼顾对准和调焦调平的测量系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过6自由度运动台调整远心镜头成像光路，使得掩模上的啁啾光栅标记和对准标记同时正好处于成像光路中心区域；

步骤二：调整CCD镜头进行聚焦，采集啁啾光栅的衍射图像，计算出待测基片与掩模下表面的垂向间隙值；同时，采集经掩模对准标记与基片对准标记衍射形成的莫尔条纹图形，计算出掩模与待测基片的水平向对准偏差值；

步骤三：将垂向间隙值反馈至基片控制系统，驱动工件台，完成待测基片的位置调整；

步骤四：将水平向对准偏差值反馈至基片控制系统，驱动工件台，完成待测基片的位置调整，实现掩模与基片的对准操作。

7.一种光刻机，包括掩模和工件台，其特征在于：所述光刻机还包括权利要求1～5任一所述的兼顾对准和调焦调平的测量系统。

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