CN111505914B - 光学对准装置及光刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学对准装置和光刻系统，可以兼容窄标记的对准扫描，能够有效提高标记的扫描信号能量，抑制标记与标记、标记与光刻线条之间的光串扰，提高对准精度。进一步地，所述成像单元中的光束调制元件包括多个一一对应地设置在所述光束限制元件的除通过所述衍射光栅的±1级衍射光束以外的通光区域位置上的子部件，可以消除零级光和杂散光的干扰，进一步提高标记的扫描信号能量，提高对准精度。

Description

光学对准装置及光刻系统

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别涉及一种光学对准装置及光刻系统。

背景技术

在半导体集成电路(IC)制造过程中，芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行对准(即精确定位)，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置，即套刻精度(overlay)。对准是通过掩膜版(用于携带掩膜图形)、硅片、工件台(用于承载硅片)上的特殊标记确定它们之间的相对位置关系，使掩膜图形能够精确地成像于硅片上，实现套刻精度。对准可分为掩膜对准和硅片对准，掩膜对准实现掩膜版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。在硅片对准扫描过程中，光束照射到硅片上的对准标记上，形成携带标记信息的多级衍射光束，再通过成像模块接收各级所述衍射光束并成像到参考光栅表面上，参考光栅后方的光电探测器检测光强信号，并结合工件台和硅片的当前位置信息，进行一系列的数字信号处理，求出硅片的对准位置。由于掩膜版与硅片之间的对准精度是影响光刻统一的套刻精度的关键因素，因此现有很多硅片对准技术均着重于提高对准精度，例如美国专利US7880880B2公布的一种硅片(离轴)对准系统，其可以利用两组光栅的二次衍射进行对准标记的粗对准和精对准，由此来提高对准精度。

但是，随着套刻精度的不断提高，光刻工艺的不断进步，对准标记的宽度也变得越来越窄，这影响了对准精度的提高。如图1所示，一种单方向的光栅型对准标记(即一种窄标记)101，在其沿标记扫描方向的长度L(即对准标记的长度L)与照明光斑的直径D相当大的情况下，其沿垂直于标记扫描方向的宽度W(即对准标记的宽度W)远小于照明光斑的直径D，比如W是D的1/15、1/8等。在将该窄标记用于硅片对准系统中时，该窄标记与其他对准标记或非对准标记以及该窄标记与光刻线条等之间很容易发生光串扰，由此会导致造成该窄标记对应的扫描信号的能量降低，影响对准精度。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种光学对准装置，能够有效抑制标记与标记、标记与光刻线条之间的光串扰，提高对准标记对应的扫描信号能量，进而提高对准精度。

本发明的另一目的在于提供一种光刻系统，能够利用本发明的光学对准装置，提高光刻系统的套刻精度和光刻效果。

为实现上述目的，本发明提供一种光学对准装置，包括沿光路依次设置的光源照明单元、对准标记单元、成像单元以及参考标记单元，其中，所述对准标记单元包括至少一个对准标记，所述参考标记单元包括至少一个对应所述对准标记的参考光栅，所述光源照明单元用于发射照明光束并传输到所述对准标记上，所述成像单元用于将所述对准标记成像在所述参考光栅上；其中，所述成像单元包括沿光路依次设置的用于限制所述对准标记的成像范围的光束限制元件和用于调制所述光束限制元件输出的光束的方向的光束调制元件，所述光束限制元件中对应所述对准标记的通光区域分别沿所述对准标记的宽度方向和长度方向延伸的长度之间的比值不小于所述对准标记的长宽比，所述光束调制元件中对应所述对准标记的有效光束调制区域分别沿所述对准标记的宽度方向和长度方向延伸的长度之间的比值不小于所述对准标记的长宽比，所述参考光栅的宽度不大于所述对准标记的宽度。

可选地，所述对准标记的宽度为40μm以下。

可选地，所述对准标记为衍射光栅。

可选地，所述光束调制元件为光阑，所述光阑具有多个用作所述通光区域的通光孔。

可选地，所述光阑上的所有通光孔沿所述对准标记的长度方向排列成一维结构，或者，所述光阑上的所有通光孔沿所述对准标记的长度方向和宽度方向排列成二维的十字结构。

可选地，当所述光阑上的所有通光孔排列成一维结构时，所述参考标记单元包括至少一个长度沿所述对准标记的长度方向延伸的参考光栅，且当所述参考标记单元包括多个所述参考光栅，所有的所述参考光栅沿所述对准标记的长度方向排列呈一维结构；当所述光阑上的所有通光孔排列成二维的十字结构时，所述参考标记单元包括多个长度沿所述对准标记的长度方向延伸的参考光栅以及多个长度沿所述对准标记的宽度方向延伸的参考光栅，所述参考标记单元中的所有参考光栅沿所述对准标记的长度方向和宽度方向排列成二维的十字结构。

可选地，所述光束调制元件包括多个子部件，所有子部件的有效光束调制区域一一对应地设置在所述光束限制元件的除通过所述衍射光栅的±1级衍射光束以外的通光区域位置上。

可选地，所述子部件为具有所述有效光束调制区域的楔形块或全反射镜或半反射镜。

可选地，所述通光区域和所述有效光束调制区域沿所述对准标记的宽度方向延伸的长度均大于所述对准标记的宽度方向上的衍射光束的光斑在第一极小处的直径。

可选地，所述通光区域和所述有效光束调制区域沿所述对准标记的长度方向延伸的长度为所述对准标记的长度方向上的衍射光束的光斑在第一极小处的直径。

可选地，所述光源照明单元包括用于发射所述照明光束的光源以及用于将所述照明光束反射到所述对准标记上的反光镜。

可选地，所述成像单元还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在所述光束限制元件和所述对准标记之间的光路上，所述第二透镜设置在所述光束调制元件和所述参考标记单元之间的光路上。

可选地，所述光学对准装置还包括信号探测与处理单元，所述信号探测与处理单元用于探测所述参考光栅输出的光信号，并根据所述光信号确定所述对准标记的位置信息。

基于同一发明构思，本发明还提供一种光刻系统，包括用于承载掩膜版的掩膜台、用于承载硅片的工件台以及如本发明所述的光学对准装置。

可选地，所述光学对准装置的对准标记设置在所述掩膜版上或所述硅片上或所述工件台上。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的光学对准装置，可以兼容窄标记的对准扫描，能够有效提高标记的扫描信号能量，抑制标记与标记、标记与光刻线条之间的光串扰，提高对准精度。进一步地，所述成像单元中的光束调制元件包括多个一一对应地设置在所述光束限制元件的除通过所述衍射光栅的±1级衍射光束以外的通光区域位置上的子部件，可以消除零级光和杂散光的干扰，进一步提高标记的扫描信号能量，提高对准精度。

本发明的光刻系统，由于采用了本发明的光学对准装置来实现掩膜对准和/或硅片对准，因此能够提高对准效果，进而提高光刻的套刻精度和光刻效果。

附图说明

图1是一种窄标记和照明光斑之间的关系示意图。

图2是本发明一实施例的光学对准装置的结构示意图。

图3是本发明一实施例的光阑结构示意图。

图4A是本发明一实施例的光束调制器尺寸示意图。

图4B是本发明一实施例的光束调制器的结构示意图。

图5是本发明一实施例的参考光栅的结构示意图。

图6是本发明一实施例的窄标记宽度方向上的衍射光斑第一、二极小处的直径s1、s2和s3示意图。

图7是本发明一实施例的窄标记长度方向上的一级衍射光斑的左右第一极小处的直径s4示意图。

图8是本发明一实施例的包含相邻的窄标记和宽标记的对准标记单元的结构示意图。

图9A是在L1/L2和L3/L4等于1.34情况下，图8所示的对准标记单元经过成像单元后的成像情况。

图9B是图9A所示的成像情况对应的能量分布曲线。

图10A是在L1/L2和L3/L4等于4情况下，图8所示的对准标记单元经过成像单元后的成像情况。

图10B是图10A所示的成像情况对应的能量分布曲线。

图11A是本发明一实施例中参考光栅宽度大于窄标记宽度时的窄标记与参考光栅的扫描示意图。

图11B是本发明另一实施例中参考光栅宽度小于等于窄标记宽度时的窄标记与参考光栅的扫描示意图。

图12是本发明另一实施例的光阑的结构示意图。

图13是本发明又一实施例的光阑的结构示意图。

图14是与图13所示的光阑匹配的参考光栅的结构示意图。

其中，附图标记如下：

100-照明光斑；101、20-窄标记(即宽度不大于40μm的对准标记)；1-光源照明单元；10-反光镜；2-对准标记单元；21-宽标记；20a、20b-窄标记对应的图像；21a、21b-宽标记对应的图像；3-成像单元；31-第一透镜；32-光阑(即光束限制元件)；320-光阑的通光孔；33a、33b-光束调制器(即光束调制元件)；330-光束调制器的有效光束调制区域；34-第二透镜；4-参考标记单元；41a、41b、42-参考光栅；5-非对准标记；6-光刻线条；q(+1)、q(-1)-一级衍射光束；q(+2)、q(-2)-二级衍射光束；L-窄标记101的长度；W-窄标记101的宽度；L1-窄标记宽度方向的衍射光对应的通光孔的长度(即通光区域沿对准标记宽度方向延伸的长度)；L2-窄标记长度方向的衍射光束对应的通光孔的长度(即通光区域沿对准标记长度方向延伸的长度)；L3-窄标记宽度方向的衍射光束对应的光束调制器的有效光束调制区域的长度(即有效光束调制区域沿对准标记宽度方向延伸的长度)；L4-窄标记长度方向的衍射光束对应的光束调制器的有效调制区域的长度(即有效光束调制区域沿对准标记长度方向延伸的长度)；W1-参考光栅的宽度；S-参考光栅的长度；s1、s2、s3分别是窄标记宽度方向的衍射光斑的第一、二、三极小处的直径；s4-窄标记长度方向的一级衍射光斑左右第一极小处的直径。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常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。另外，本文的用语中，“对准标记的长度”均是指该对准标记(即一衍射光栅)沿扫描方向(即图9A中的Y方向)延伸的长度，“对准标记的宽度”均是指该对准标记(即一衍射光栅)沿与扫描方向正交的方向(即非扫描方向，如图9A中的X方向)延伸的长度，“照明光束的光斑的宽度”均是指照明光束传输到对准标记上形成的光斑沿对准标记的宽度方向延伸的长度，当照明光斑为圆光斑时，“照明光斑的宽度”为圆光斑的直径，当照明光斑为长轴沿对准标记的长度方向延伸的长椭圆光斑时，“照明光斑的宽度”为长椭圆的短轴，“通光区域(通光孔)的长度”均是指通光区域(通光孔)沿对准标记的宽度方向延伸的长度，“通光区域(通光孔)的宽度”均是指通光区域(通光孔)沿对准标记的长度方向延伸的长度，“有效光束调制区域的长度”均是指有效光束调制区域沿对准标记的宽度方向延伸的长度，“有效光束调制区域的长度”均是指有效光束调制区域沿对准标记的长度方向延伸的长度，“参考光栅的长度”是指参考光栅沿对准标记图像的长度方向延伸的长度，“参考光栅的宽度”是指参考光栅沿对准标记图像的宽度方向延伸的长度。

实施例一

请参考图2，本发明一实施例提供一种光学对准装置，包括沿光路依次设置的光源照明单元1、对准标记单元2、成像单元3、参考标记单元4以及信号检测与处理单元(未图示)。其中，所述对准标记单元2至少包括一个用于光学对准的窄标记20，所述参考标记单元4包括至少一个对应该窄标记20的参考光栅(如图2中的41a、41b)，所述光源照明单元1用于发射照明光束并传输到所述窄标记20上，所述成像单元3用于将所述窄标记20成像在各个所述参考光栅上。

本实施例中，所述对准标记单元2仅仅包含一个窄标记20(即图1中的101所示)，窄标记20的宽度(即图1中的101的宽度W)通常远小于所述光源照明单元1照射到所述窄标记20上的照明光束形成的照明光斑(即图1中的100)的宽度，例如窄标记20的宽度为40μm以下，例如为40μm、38μm等。当所述照明光斑为圆光斑时，窄标记20的宽度为所述圆光斑的直径的1/8、1/15等。此外，本实施例中，窄标记20是一个如图1所示的一维的衍射光栅。在本发明的其他实施例中，对准标记单元2还可以包含其他光栅形式的对准标记，例如，如图8所示，对准标记单元2可以包含并排且具有一定间隔的窄标记20和宽标记21；再例如，对准标记单元2中包含的各个对准标记均是衍射光栅，这些衍射光栅能沿X方向和Y方向排列成二维的“十”字结构、“品”字结构、“∟”结构等等，且当对准标记单元2中包含多个衍射光栅(即多个对准标记)时，这些衍射光栅的光栅周期可以完全相同，也可以不完全相同，此时光束限制元件的通光区域的排列、光束调制元件的有效光束调制区域的排列以及参考光栅的排列均需要与这些衍射光栅的排列相匹配，由此才能使得相应级次的衍射光束从光束限制元件的通光区域通过，并汇聚成像在相应的参考光栅上。此外，对准标记单元中的各个衍射光栅(即各个对准标记)整体上的形状不仅仅限定于长度相等的条纹所构成的矩形，还可以是长度不完全相等的条纹所构成的椭圆形、菱形等结构。其中，对准标记单元2中包含窄标记20在内的多个对准标记时，能够先利用窄标记20以外的对准标记来实现粗对准，再利用窄标记20实现精对准，由此，可以减小了单一对准标记的非对称变形问题而导致的对准位置误差，从而提高对准精度。此外，需要说明的是，上述的对准标记均是衍射光栅形式，能够使得均匀的照明光束在照射到对准标记上后发生衍射，衍射后出射的各级衍射光束均能够携带有关于该对准标记结构的全部信息，高级次的衍射光束能以大角度从对准标记上以一维方式或二维方式散开，之后在滤掉零级衍射光束和非衍射的杂散光后，采集衍射光±1级以上的衍射光束并成像，对准标记图像经参考光栅后的干涉条纹的光信号(即对准标记扫描信号)能量经光电探测器和信号处理后能用于确定对准标记的中心位置。但本发明的技术方案并不仅仅限定于此，在信号检测与处理单元能力允许的情况下，对准标记还可以包括衍射光栅以外的形式，例如为透射光栅，只要照明光束照射在该对准标记上并能够产生能够携带有关于该对准标记结构的全部信息的光束，并且该光束能够被成像单元接收以将对准标记成像在参考光栅上即可。

光源照明单元1包括用于产生和发射照明光束的光源(未图示)以及用于将所述照明光束反射到所述窄标记20上的反光镜10。本实施例中，光源是能够产生单波长(如450nm～780nm)的激光光束的激光器，反光镜10能反射光源产生的激光光束，以使其垂直照射到对准标记单元2的相应的对准标记上，即也能垂直照射到窄标记20上，同时遮挡被各个对准标记反射回来的光，以提高后续在参考光栅处形成的干涉条纹图像的对比度，进而提高对准精度，本实施例中，所述反光镜10还能将窄标记20的0级衍射光束反射出去，防止其到达光束限制元件32处。在本发明的其他实施例中，为了满足对准标记单元2中的不同对准标记对不同波长的照明光束的需求，光源还可以是能够产生多个波长的激光光束的复合激光器件，此时，所述光源照明单元1还包括光源选通装置(未图示)和准直光路装置(未图示)，所述光源选通装置可控制光源输出不同波长的激光光束的开关，以发射出所需波长的照明光束，所述准直光路装置除了包含所述反光镜10以外，还可以包含分光镜和/或用于将多个激光光束合二为一的合束器等，由此，通过选取对准标记反射率较高的照明光束照射到对准标记上，以兼容各种对准标记所需，并提高参考光栅处形成的干涉条纹图像的对比度，达到增强工艺适应性的目的。

成像单元3包括按照光路依次设置的第一透镜31、光束限制元件32、光束调制元件(如图2中33a、33b所示)以及第二透镜34。其中，第一透镜31设置在所述光束限制元件32和窄标记20之间的光路上，用于收集对准标记单元2中的窄标记20产生的±1级以上的衍射光，并使其平行于其光轴射出，如图2中的q(+1)、q(-1)、q(+2)、q(-2)所示，此时，窄标记20设置在第一透镜31的焦面上。第一透镜31和反光镜10以及光束限制元件32的配合可以防止窄标记20的0级衍射光束以及杂散光到达信号检测与处理单元，进而避免对检测信号有干扰，尤其是反光镜10能将第一透镜31射出的窄标记20的0级衍射光束直接反射出去，防止窄标记20的0级衍射光束到达光束限制元件32。

光学限制元件32用于限制窄标记20的成像范围，其各个通光区域320的位置、形状以及尺寸的设置需要与从第一透镜31上射出的光束相匹配。光学限制元件32可以是具有相应的通光区域(即图3中的320)的光阑(以下记作光阑32)，其中，光阑32可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏，本实施例中，光阑32为具有多个通光孔320的屏，这些通光孔320与窄标记20的±1级以上(包括±1级)的衍射光束一一对应设置，以允许通过窄标记20的±1级以上(包括±1级)的衍射光束，且由于窄标记20为一衍射光栅，其各级衍射光束沿窄标记20的长度方向(即图1中L方向)排列在一条直线上，因此光阑32的对应所述窄标记20的±1级以上的衍射光束的通光孔320沿所述窄标记20的长度方向排列在同一直线上而构成一维结构。反光镜10、光阑32以及光束调制元件的相互配合，可以消除窄标记20的零级衍射光和其他杂散光的干扰，提高信号检测与处理单元探测到的对准标记的扫描信号能量(即参考光栅输出的光束的能量)，进而提高对准精度。用于通过所述窄标记20的±1级以上的衍射光束的每个通光孔320的形状是直角矩形(如图3所示)或者圆角矩形，且各个所述通光孔320的大小相同，每个所述通光孔320沿窄标记20的宽度方向(即图1中W方向)延伸的边长的长度(即窄标记20的宽度方向的衍射光对应的通光孔的长度，也就是矩形的长边长度)为L1，沿窄标记20的长度方向(即图1中L方向)延伸的边长的长度(即窄标记长度方向的衍射光对应的通光孔的长度，也就是矩形的短边长度)为L2。需要说明的是，根据光学对准的需要，光阑32可以是能够旋转的光阑，其旋转可以由电机驱动，该电机调整光阑32的角度，使得相应级次的衍射光束通过光束调制元件和第二透镜后能够成像在参考标记单元的相应参考光栅上。

请参考图2、图4A和图4B，光束调制元件(即33a、33b)用于改变光阑32射出的光的方向，以在参考标记单元4所在的平面中，进一步分开不同的光束。所述光束调制元件可以包括多个子部件，所有子部件的有效光束调制区域一一对应地设置在所述光束限制元件(即光阑32)的除通过所述衍射光栅(即窄标记20)的±1级衍射光束以外的通光区域(即通光孔320)位置上，形成阵列结构。本实施例中，所述子部件为设置在光阑32相应的通光孔320出光面位置上的楔形块(如图4B所示)，楔形块的数量对应于光学对准所使用的窄标记20的衍射光束的数量，这些楔形块可以固定设置在同一个板上，相邻楔形块之间的区域可以通光且不会改变光的传播方向。例如当使用窄标记20产生的±1级衍射光q(+1)、q(-1)和±2级衍射光q(+2)、q(-2)时，可以在光阑32射出±2级衍射光q(+2)、q(-2)的位置上分别设置一个楔形块，即图2中的33a、33b所示，以使得±2级衍射光q(+2)、q(-2)偏转并经第二透镜34汇聚到参考标记单元4中的参考光栅41a上，楔形块33a、33b之间的区域允许±1级衍射光q(+1)、q(-1)沿原始方向通过，并经第二透镜34汇聚到参考标记单元4中的位于成像光路的光轴上的参考光栅41b上。楔形块33a、33b可以具有相同的楔角，且楔角相向设置。其中，由于通过楔形块的不同光束，可以有不同角度偏转，因此光束形成的像到达参考标记单元所在平面内的不同位置的参考光栅。这些位置Xn由Xn＝f₂*γ_n给出，其中γ_n是子光束被楔形块偏转的角度，f₂是第二透镜34的焦距，由此，可以这些位置处安装相应的参考光栅，如图2的41a、41b所示。其中，请参考图4A和图4B，每个楔形块33a(33b)沿窄标记20的宽度方向(即图1中W方向)延伸的边长的长度(窄标记20宽度方向的衍射光对应的有效光束限制区域的长度)为L3，沿窄标记20的长度方向(即图1中L方向)延伸的边长的长度(窄标记长度方向的衍射光对应的有效光束限制区域的长度)为L4。

需要说明的是，本发明的技术方案中，光束调制元件的结构并不仅仅限楔形块的组合，还可以是其他任意能将光束的传播方向进行改变的光学元件，例如，包括设置在光阑32的出光面上并按照光阑32的出射光束排列的多个半反射镜(可以反射和透射)和/或全反射镜，这些半反射镜和/或全反射镜集成在同一个板上，形成镜面阵列结构。这种镜面阵列结构相比楔形块阵列结构，能降低系统加工制造和装调的难度，消除了由楔形块阵列加工制造误差引起的正负级次干涉条纹图像不一致和倍率差的问题。

第二透镜34设置在所述光束调制元件和所述参考标记单元4之间的光路上，用于将光束调制元件输出的光束汇聚到参考光栅上，并可以进一步阻挡不携带对准标记位置信息的杂散光和衍射光到达参考光栅。需要说明的是，上述的第一透镜31、第二透镜34并不仅仅限定于一片镜片，可以分别是多个镜片沿光路布设的镜片组结构。

本实施例中，由于选用图2中所示的光阑32，该光阑32上的用于通过所述窄标记20的±1级以上的衍射光束的所有通光孔320沿窄标记20的长度方向排列在一条直线上，进而形成一维结构，因此，所述参考标记单元4中用于接收所述窄标记20的像的参考光栅的形状和排列方式需要与光阑32的通光孔320的形状和排列方式相适配，参考光栅的数量与要探测的第二透镜34所成的窄标记像的数量相适配，例如，当对准标记单元2仅有一个窄标记20，且仅需探测第二透镜34所成的其中一个位置上的窄标记像时，参考标记单元4可以仅含有一个长度沿所述窄标记20的长度方向延伸的参考光栅；当对准标记单元2仅有一个窄标记20，且需要探测第二透镜34所成的多个位置上的窄标记像时，参考标记单元4需要包含数量不少于所要探测的窄标记像的数量的参考光栅，且各个参考光栅长度沿所述窄标记20的长度方向延伸，并一一对应地设置在各个要探测的窄标记像的位置上，如图2中的41a、41b所示。当窄标记20为一衍射光栅，且光阑32的用于通过所述窄标记20的±1级以上的衍射光束的所有通光孔320沿所述窄标记20的长度方向排列在同一直线上而构成一维结构时，参考标记单元4中的这些用于接收窄标记20所成的像的参考光栅41a、41b也沿所述窄标记20的长度方向排列在同一直线上，呈一维结构。参考光栅41a、41b可以将成像单元3所成的标记图像进一步处理成相应的干涉条纹图像。此外，每个参考光栅的光栅周期都应选用适合其接收的衍射光束的级数，级数越大，则参考光栅的光栅周期越小，由此，可以实现越小的对准误差，提高对准精度。

需要说明的是，当对准标记单元2中包含窄标记20以及多个其他对准标记，这些其他对准标记也均是衍射光栅(也就是说，一个衍射光栅就是一个用于光学对准的标记)，放置方向与窄标记20相同，且对准标记单元2中的所有对准标记沿窄标记20的长度方向排列在同一条直线上时，光阑32上的用于通过窄标记20以及其他的±1级以上的衍射光束的所有通光孔320沿窄标记20的长度方向排列在一条直线上，进而形成一维结构，参考标记单元4中的用于接收窄标记200以及多个其他对准标记所成的像的参考光栅也沿所述窄标记20的长度方向排列在同一直线上，呈一维结构。

信号检测与处理单元可以包括设置在每个参考光栅后面的光探测器(未图示)以及连连接所有光探测器的信号处理器(未图示)，所述光电探测器用于探测透过参考光栅的干涉条纹的能量(即参考光栅输出的光信号)，较佳的，所述光电探测器采用光电二极管；信号处理器可以根据光电探测器探测到的光信号并结合一些移动信息(例如工件台的移动行程等)，计算出窄标记的位置信息以及对准位置等。

请参考图2，上述的光学对准系统用于光学对准步骤包括：光源发出的照明光束通过反光镜10垂直照射在窄标记20上；该照明光束被窄标记20衍射成许多级次衍射光束(图2仅示意出±1级和±2级的4条衍射光束)；这些衍射光束被第一透镜31收集后，照射在光阑32上，且0级衍射光束被反光镜10反射出去而未到达光阑32；光阑32对应窄标记20的±1级以上的衍射光束位置的通光孔320允许这些级的衍射光束通过，通光孔320以外的光阑32区域遮挡到窄标记20的零级衍射光束和非衍射级次位置的杂散光；通过光阑32的相应级(如±2级)的衍射光束经过光束调制元件调制后，再经过第二透镜成像在相应的参考光栅(如图2的41a所示)处，而没有经过光束调制元件调制的相应级(±1级)的衍射光束的方向不会被调制，成像位置在成像光路的光轴上的参考光栅(如图2的41b所示)处；参考光栅将接收到的标记图像进一步处理成相应的干涉条纹，每个参考光栅后方的光电探测器探测透过该参考光栅的干涉条纹的能量(即参考光栅输出的光信号)，连接该光电探测器的信号处理器可以根据探测到的光信号能量并结合一些移动信息，计算出对准标记的位置信息以及对准位置等。在此过程中，可以通过使用步进扫描的方式移动参考标记单元4，使得第二透镜34的成像扫描参考光栅，即使得光电探测器通过扫描方式得到对准标记的扫描信号能量，信号处理器可以根据探测到的扫描信号能量并结合一些移动信息，计算出对准标记的位置信息以及对准位置等。

针对窄标记20，当其用于光学对准时，往往会出现该窄标记与相邻的其他对准标记或非对准标记之间以及该窄标记与相邻的光刻线条之间的光串扰问题，由此会导致造成该窄标记对应的扫描信号的能量降低，进而影响对准精度。为了解决该问题，需要使得窄标记20的各级次衍射光束对应的光阑32的通光孔320和光束调制元件的有效光束调制区域330的尺寸设计能够匹配窄标记20各级次衍射光束对应的衍射光斑在频域的尺寸。比如，设计让85％、90％、95％、99％的衍射光束的能量被光阑32的通光孔320和光束调制元件的有效光束调制区域330通过，且通过的能量越高，信号检测与处理单元得到的对准标记的扫描信号的强度越高，并且光串扰情况会相应减小。

因此，请参考图3和图4A～4B，光阑32中用于通过窄标记20的±1级以上的衍射光束的通光孔320(以下简称光阑32的通光孔320)的L1和光束调制元件的用于调制窄标记20的±2级以上的衍射光束的有效光束调制区域330(以下简称光束调制元件的有效光束调制区域330)的L3的长度应匹配窄标记20宽度方向(即图1中的W方向)的衍射光束(即衍射光斑)的尺寸。其中，窄标记20宽度方向(即图1中的W方向)在频域的衍射光束的强度分布近似为单缝衍射情况，即：I＝(sin(πα)/(πα))²，α＝W*sin(θ)/λ，其中，W为窄标记20的宽度，λ为光波长，θ为衍射角度。光阑32的通光孔320的L1和光束调制元件的有效光束调制区域330的L3尺寸应为：l＝f₁*tan(θ)，其中，f₁为第一透镜31的焦距，θ为衍射角度。

若L1和L3的尺寸为-0.5<α<0.5对应的衍射光束(即衍射光斑)的直径，则，该衍射光束被光阑32和光束调制元件透过的能量约为78％。如图6所示，若L1、L3等于窄标记20宽度方向的衍射光斑的第一极小处的直径s1，即s1≈f1*λ/W，-1<α<1，那么该衍射光束被光阑32和光束调制元件透过的能量约为90％；若L1、L3的尺寸等于窄标记的宽度方向的衍射光斑的第二极小处的直径s2，即-2<α<2，那么该衍射光束被光阑32和光束调制元件透过的能量约为95％；若L1、L3的尺寸等于窄标记20宽度方向的衍射光斑的第三极小处的直径s3，即-3<α<3，，那么该衍射光束被光阑32和光束调制元件透过的能量约为96％。

为了进一步使第二透镜34所成的窄标记图像的宽度方向的边缘锐利，信号检测与处理单元得到的扫描信号能量更强，并且串扰较小，应尽量让相应级次的衍射光束的旁瓣光也能通过光阑32和光束调制元件，因此，优选地，L1、L3大于s1，例如为s2或s3，或介于s1与s2之间，或介于s2与s3之间，甚至大于s3。

请参考图3和图4A～4B，光阑32的通光孔320的L2和光束调制元件的有效光束调制区域330的L4的长度也应匹配窄标记20长度方向(即图1中的L方向)的衍射光束(即衍射光斑)的尺寸。其中，窄标记20的长度方向在频域的衍射强度分布为多缝衍射情况，即：

I＝(sin(πα)/(πα))²*(sin(Nπβ)/(sinπβ))²，α＝a*sin(θ)/λ，β＝b*sin(θ)/λ，a*b＝L,

其中，L为窄标记20的长度，λ为光波长，θ为衍射角度，a为窄标记20的线宽，b为窄标记20的光栅周期。

请参考图7，图7所示为在窄标记20的长度方向的频域衍射光斑分布情况。L2和L4的长度应设计图7所示的s4的长度，s4≈f*λ/L。

由此可以得到，光阑32的通光孔320的边长L1、L2和光束调制元件的有效光束调制区域330的边长L3和L4与窄标记20的长度L、宽度W之间的关系，应满足：L1/L2≥L/W，L3/L4≥L/W。也就是说，所述光束限制元件(即光阑32)中用于通过窄标记20的±1级以上的衍射光束的通光区域(即通光孔320)分别沿所述窄标记20的宽度方向(即图1中的W方向)和长度方向(即图1中L方向)延伸的长度之间的比值L1/L2不小于所述窄标记20的长宽比L/W，所述光束调制元件(即图2中的33a、33b)中用于调制窄标记20的±2级以上的衍射光束的有效光束调制区域(即图4A中的330)沿所述窄标记20的宽度方向(即图1中的W方向)和长度方向(即图1中L方向)延伸的长度之间的比值L3/L4不小于所述窄标记的长宽比L/W。

也就是说，本实施例的光学对准系统，充分分析了窄标记频域衍射光斑的能量分布特点，并根据窄标记的宽度方向和长度方向的频域的衍射光斑的尺寸，给出了窄标记20的±1级以上的衍射光束对应的光阑的通光孔和光束调制元件的有效光束调制区域的设计和尺寸特点。比如，当窄标记20的长度L为144μm，宽度W为38μm时，窄标记20的长宽比L/W约为3.8，则光阑32用于通过窄标记20的±1级以上的衍射光束的通光孔320的边长比L1/L2的值应至少大于3.8，光束调制元件用于调制窄标记20的±2级以上的衍射光束的有效光束调制区域330的边长比L3/L4的值也应至少大于3.8。由此，才能消除光串扰问题，提高扫描信号能量，进而提高对准精度。

为了更好的说明本实施例中光阑32的通光孔320和光束调制元件的有效光束调制区域330的尺寸的设计带来的效果，图8至图10B示出了光阑32的通光孔320和光束调制元件的有效光束调制区域330的尺寸不匹配窄标记20的衍射光斑在频域的尺寸和匹配窄标记20的衍射光斑在频域的尺寸的情况。具体地，图8示出了一种包含相邻的窄标记20和宽标记21的对准标记单元2的结构示意图；图9A示出了在L1/L2和L3/L4等于1.34情况下，图8所示的对准标记单元经过成像单元后的成像情况；图9B示出了图9A所示的成像情况下得到的一沿非扫描方向截线上的扫描信号能量分布曲线；图10A示出了在L1/L2和L3/L4等于4情况下，图8所示的对准标记单元经过成像单元后的成像情况；图10B示出了图10A所示的成像情况下得到的一沿非扫描方向截线上的扫描信号能量分布曲线。当窄标记20的长度L为144μm，宽度W为38μm时，窄标记20的长宽比L/W约为3.8时，在L1/L2和L3/L4选择等于1.34情况下，从图9A所示的成像情况可以看出，窄标记20对应的图像20a的能量下降明显，并且有部分能量已进入宽标记21对应的图像21a中，从图9B中可以看出，扫描信号能量分布也没有明显分界，这就说明，当L1/L2和L3/L4小于窄标记20的长宽比时，光学对准的过程中会发生窄标记20与宽标记21之间的光串扰问题。当宽标记21替换为图11A中的光刻线条5时，如果光阑32的通光孔320和光束调制元件的有效光束调制区域330的尺寸不匹配窄标记20的衍射光斑在频域的尺寸，也会发生窄标记和相邻的光刻线条之间的光串扰问题。而当窄标记20的长度L为144μm，宽度W为38μm时，窄标记20的长宽比L/W约为3.8时，在L1/L2和L3/L4选择等于4情况下，从图10A中可以看出窄标记20对应的图像20b的能量未明显下降，其清晰度与宽标记21对应的图像21b相当，且两图像20b、21b之间的边界分割明显，图10B中扫描信号也有明显分界，这说明当L1/L2和L3/L4大于窄标记20的长宽比L/W时，可以消除光学对准的过程中的窄标记20与宽标记21之间的光串扰问题。同理，当L1/L2和L3/L4大于窄标记20的长宽比L/W时，也可以消除窄标记和相邻的光刻线条之间的光串扰问题。

此外，为了得到上述的扫描信号，需要第二透镜34所成的窄标记像和接收所述窄标记像的参考光栅之间能够产生相对移动，因此，请参考图5，参考光栅41a和41b的宽度W1与窄标记20的宽度W之间应满足如下关系：W1≤W。请参考图11A所示，当W1≥W时，照明光束照射在窄标记20右侧相邻的光刻线条6和/或窄标记20左侧相邻的非对准标记5上后产生的衍射光束会进入参考光栅41a或41b，进而导致产生光刻线条6和/或非对准标记5的扫描信号，这些扫描信号会造成信号干扰，影响对准精度。而当W1≤W时，请参考图11B所示，即使照明光束照射在窄标记20右侧的光刻线条6和/或窄标记20左侧的非对准标记5上后产生衍射光束，这些衍射光束也不会进入参考光栅41a或41b，因此也就不会产生光刻线条6或非对准标记5的扫描信号，由此，抑制了窄标记与相邻的光刻线条之间、窄标记与相邻的其他对准标记、非对准标记之间的光串扰。

综上所述，本实施例的光学对准装置，通过对光束限制元件的通光区域、光束调制元件的有效光束调制区域和参考光栅进行匹配对准标记的长宽比的特殊尺寸比例设计，可以兼容窄标记的对准扫描，并能够有效提高扫描信号能量，抑制标记与标记、标记与光刻图像的光串扰，进而提高对准精度。即要求所述光束限制元件的通光区域分别沿所述对准标记的宽度方向和长度方向延伸的长度之间的比值不小于所述对准标记的长宽比，所述光束调制元件的有效光束调制区域分别沿所述对准标记的宽度方向和长度方向延伸的长度之间的比值不小于所述对准标记的长宽比，所述参考光栅的宽度不大于所述对准标记的宽度。

实施例二

请参考图12，本发明的另一实施例提供一种光学对准装置，与图2至图11B所示的实施例一中的光学对准装置相比，将光束限制元件的用于通过窄标记20的±1级以上的衍射光束的各个通光区域(即通光孔320)由矩形替代为长椭圆形，其中每个所述通光区域(即通光孔320)的L1为长椭圆形的长轴的长度，L2为长椭圆形的短轴的长度。这种长椭圆形的通光区域也能实现与实施例一中的矩形的通光区域的相同技术效果。

此外，由于本实施例的光学对准装置的其他结构均可与图2至图11B所示的实施例一中的光学对准装置中的相应结构完全相同，因此，本实施例对这些结构不再赘述。

本实施例的光学对准装置，能够有效提高扫描信号能量，抑制标记与标记、标记与光刻线条之间的光串扰。

需要说明的是，本发明的技术方案中不限定光束限制元件的用于通过窄标记20的±1级以上的衍射光束的各个通光区域仅仅为矩形或长椭圆形，还可以是其他形状，例如，在本发明的其他实施例中，光束限制元件的用于通过窄标记20的±1级以上的衍射光束的各个通光区域还可以是菱形，其中每个所述通光区域(即通光孔320)的L1为菱形的长对角线的长度，L2为菱形的短对角线的长度。这种菱形的通光区域也能实现与实施例一中的矩形的通光区域的相同技术效果。

实施例三

请参考图13和图14，本发明的又一实施例提供一种光学对准装置，与图2至图11B所示的实施例一中的光学对准装置相比，对准标记单元2中包含4个以上的衍射光栅型的窄标记，这些窄标记沿图9的X方向和Y方向排列成二维的十字结构，此时，为了能够通过这些窄标记的±1级以上的衍射光束以及接收到这些窄标记所成的像，光束限制元件中用于通过这些窄标记的±1级以上的衍射光束的通光区域的排列以及参考标记单元4中的参考光栅排列需要与对准标记单元2中所有窄标记的排列结构相匹配，具体地，光束限制元件的各个通光区域(即通光孔320)的排列由一维替代为二维的十字结构，参考标记单元4中的参考光栅的排列由一维替代为二维的十字结构，以满足具有二维十字结构排列的光栅型对准标记的对准需求。即，如图13所示，当光束限制元件为光阑32时，光阑32上的所有通光孔320沿一个衍射光栅(即窄标记)的长度方向和宽度方向排列成二维的十字结构。本实施例中，所述十字结构的中心具有4个长椭圆形的小通光孔，这些小通光孔可以用于通过相应的窄标记的±1级的衍射光束，所述十字结构中的其他位置的通光孔为矩形的大通光孔，可以用于通过相应的窄标记的更高级次的衍射光束。这种十字结构的光束限制元件32既能够实现所有窄标记的相应衍射光束的通光需求，还能有利于降低光束限制元件32的制作难度。由于参考标记单元4中的参考光栅用于接收相应的窄标记像，因此其排列需与光阑32上的通光孔320的排列相一致，请参考图14，所述参考标记单元4包括多个长度沿某个窄标记(即某个衍射光栅)的长度方向延伸的参考光栅(即用于接收一个方向上的窄标记的像)以及多个长度沿所述窄标记的宽度方向延伸的参考光栅(即用于接收另一个方向上的窄标记的像)，所述参考标记单元4中的所有参考光栅42沿所述窄标记的长度方向和宽度方向排列成二维的十字结构。所述参考标记单元4的十字结构的中心的参考光栅42可以通过错位放置的方式设置，以能够接收相应位置的窄标记像。

此外，由于本实施例的光学对准装置的其他结构均可与图2至图11B所示的实施例一中的光学对准装置中的相应结构完全相同，因此，本实施例对这些结构不再赘述。

本实施例的光学对准装置，能够满足4个以上的对准标记排列呈二维的十字结构的对准需求，且能够有效提高对准标记的扫描信号能量，抑制对准标记与相邻标记、对准标记与相邻的光刻线条之间的光串扰，提高对准精度。

需要说明的是，本发明的技术方案中，对准标记单元中的对准标记的数量不限，且这些对准标记可以全部由窄标记组成，也可以由至少一个窄标记和至少一个宽标记组成，且对准标记单元中的多个对准标记排列的二维结构也不仅仅限于十字结构，还可以其他结构，例如“品”字结构、“∟”结构等等，此时，为了能够通过这些对准标记的±1级以上的衍射光束以及接收到这些对准标记所成的像，光束限制元件中用于通过这些对准标记的±1级以上的衍射光束的通光区域的排列以及参考标记单元4中的参考光栅排列需要与对准标记单元2中这些对准标记的排列结构相匹配。且为了能够兼容窄标记的对准扫描，并能够有效提高窄标记的扫描信号能量，抑制窄标记与其他标记、窄标记与光刻线条之间的光串扰，还要求：光束限制元件中用于通过窄标记的±1级以上的衍射光束的通光区域的L1/L2不小于该窄标记的长宽比L/W，光束调制元件中用于调制窄标记的±2级以上的衍射光束的有效光束调制区域的L3/L4不小于该窄标记的长宽比L/W，且参考光栅的宽度不小于所述窄标记的宽度W。

实施例四

本实施例提供一种光刻系统，包括用于承载掩膜版的掩膜台、用于承载硅片的工件台以及本发明所述的光学对准装置。所述光学对准装置的对准标记可以设置在所述掩膜版或工件台上，以实现掩膜版的对准，还可以设置在所述硅片或所述工件台上，以用于硅片的对准。

本发明的光刻系统，由于采用了本发明的光学对准装置来实现掩膜对准和/或硅片对准，因此能够提高对准效果，进而提高光刻的套刻精度和光刻效果。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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种光学对准装置，包括沿光路依次设置的光源照明单元、对准标记单元、成像单元以及参考标记单元，其中，所述对准标记单元包括至少一个对准标记，所述参考标记单元包括至少一个对应所述对准标记的参考光栅，所述光源照明单元用于发射照明光束并传输到所述对准标记上，所述成像单元用于将所述对准标记成像在所述参考光栅上；其特征在于，所述成像单元包括沿光路依次设置的用于限制所述对准标记的成像范围的光束限制元件和用于调制所述光束限制元件输出的光束的方向的光束调制元件，所述光束限制元件中对应所述对准标记的通光区域分别沿所述对准标记的宽度方向和长度方向延伸的长度之间的比值不小于所述对准标记的长宽比，所述光束调制元件中对应所述对准标记的有效光束调制区域分别沿所述对准标记的宽度方向和长度方向延伸的长度之间的比值不小于所述对准标记的长宽比，所述参考光栅的宽度不大于所述对准标记的宽度，所述对准标记的宽度不大于40μm且小于所述光源照明单元照射到所述对准标记上的照明光束形成的照明光斑的宽度。

2.如权利要求1所述的光学对准装置，其特征在于，所述对准标记为衍射光栅。

3.如权利要求1所述的光学对准装置，其特征在于，所述光束调制元件为光阑，所述光阑具有多个用作所述通光区域的通光孔。

4.如权利要求3所述的光学对准装置，其特征在于，所述光阑上的所有通光孔沿所述对准标记的长度方向排列成一维结构，或者，所述光阑上的所有通光孔沿所述对准标记的长度方向和宽度方向排列成二维的十字结构。

5.如权利要求4所述的光学对准装置，其特征在于，当所述光阑上的所有通光孔排列成一维结构时，所述参考标记单元包括至少一个长度沿所述对准标记的长度方向延伸的参考光栅，且当所述参考标记单元包括多个所述参考光栅，所有的所述参考光栅沿所述对准标记的长度方向排列呈一维结构；当所述光阑上的所有通光孔排列成二维的十字结构时，所述参考标记单元包括多个长度沿所述对准标记的长度方向延伸的参考光栅以及多个长度沿所述对准标记的宽度方向延伸的参考光栅，所述参考标记单元中的所有参考光栅沿所述对准标记的长度方向和宽度方向排列成二维的十字结构。

6.如权利要求2所述的光学对准装置，其特征在于，所述光束调制元件包括多个子部件，所有子部件的有效光束调制区域一一对应地设置在所述光束限制元件的除通过所述衍射光栅的±1级衍射光束以外的通光区域位置上。

7.如权利要求6所述的光学对准装置，其特征在于，所述子部件为具有所述有效光束调制区域的楔形块或全反射镜或半反射镜。

8.如权利要求6所述的光学对准装置，其特征在于，所述通光区域和所述有效光束调制区域沿所述对准标记的宽度方向延伸的长度均大于所述对准标记的宽度方向上的衍射光束的光斑在第一极小处的直径。

9.如权利要求8所述的光学对准装置，其特征在于，所述通光区域和所述有效光束调制区域沿所述对准标记的长度方向延伸的长度为所述对准标记的长度方向上的衍射光束的光斑在第一极小处的直径。

10.如权利要求1所述的光学对准装置，其特征在于，所述光源照明单元包括用于发射所述照明光束的光源以及用于将所述照明光束反射到所述对准标记上的反光镜。

11.如权利要求1所述的光学对准装置，其特征在于，所述成像单元还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在所述光束限制元件和所述对准标记之间的光路上，所述第二透镜设置在所述光束调制元件和所述参考标记单元之间的光路上。

12.如权利要求1所述的光学对准装置，其特征在于，所述光学对准装置还包括信号探测与处理单元，所述信号探测与处理单元用于探测所述参考光栅输出的光信号，并根据所述光信号确定所述对准标记的位置信息。

13.一种光刻系统，其特征在于，包括用于承载掩膜版的掩膜台、用于承载硅片的工件台以及如权利要求1至12中任一项所述的光学对准装置。

14.如权利要求13所述的光刻系统，其特征在于，所述光学对准装置的对准标记设置在所述掩膜版上或所述硅片上或所述工件台上。

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