CN112987504A - 焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，属于光学技术领域。本发明提出了一个理论模型，该模型描述了聚焦校准信号的振幅，该信号是在基准光栅后面使用相敏检测测量的，作为对准光栅标记z位置的函数。本发明的焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，该方法的优点是可以通过对准测量系统自身测量性能对光栅标记z向位置进行精确确定，改变了以往需要通过光刻系统其他传感器进行z方向校准的情况。该方法对于对准测量系统焦点校准精度较高，可以达到亚纳米级别，并给出了算法支持，使得调节更加精准。

Description

焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法

技术领域

本发明涉及焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，属于光学技术领域。

背景技术

集成电路的工艺节点已经发展到10nm及更小。集成电路制造的需求是推动光刻技术发展的巨大动力。由于采用了复杂的图案，特别是在采用多种图案技术和先进材料的情况下，对覆层的要求越来越高。这就迫切需要超高精度光刻对准。

光刻设备的关键子系统是光刻对准测量系统，它通过测量对准标记的准确位置来保证多层光刻中各层的位置精度。其测量性能将直接决定光刻工艺节点的特性。随着特征线宽小于10nm的光刻设备技术节点的逐步发展，对准测量精度要求达到亚纳米级。此外，许多其他测量性能指标也提出了更严格的要求。

光栅对准系统已被证明非常适合光刻曝光对准，因为它们能够实现高精度和非常大的动态范围。根据被测物体的不同特性，对准测量方法也不同，许多研究中已经解释了其工作原理。对准精度受各种因素的影响，如光学系统误差和光电器件的固有噪声。影响对准精度的一个重要因素是散焦引起的对准误差。对准传感器的一个特点是聚焦深度小。根据照明波长和数值孔径，聚焦深度可以小到几微米。由于晶圆厚度和局部对准标记高度的变化可能相当大，对准的测量性能可能会受到影响。

在光刻设备中抑制这种误差的一种潜在方法是在基于标记图像分析和处理的对准系统中自动检测具有更好对比度的图案图像。然而，在某些工艺条件下，特别是对于对比度较低的对准标记，基于显微成像原理的对准测量方法不能保证测量精度。

在另一对准方法中，对准系统的散焦可由光刻设备中的其它传感器测量。有时，对准测量系统使用投影物镜作为测量光路的一部分。投影透镜系统包括用于计算成像质量参数的特殊传感器，例如最佳焦距、图像倾斜和视场曲率。但是，对于双工件台光刻设备，上述方法也有一定的局限性。离轴校准测量工位不能重复使用投影物镜的传感器进行焦点校准。

发明内容

本发明的目的是提出焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，以解决现有技术中存在的问题。

焦点校准系统，包括反射装置、频谱面、参考光栅、对准光栅、频谱面、第一透镜和第二透镜，第一透镜、频谱面和第二透镜的中心点均位于同一中轴线上，且第一透镜、频谱面和第二透镜均相互平行，频谱面位于第一透镜和第二透镜间，参考光栅相对频谱面位于第二透镜的另一侧，对准光栅相对频谱面位于第一透镜的另一面，反射装置位于频谱面的下侧，其特征在于，反射装置为可改变入射光反射角度的光束扫描模块。

进一步的，光束扫描模块包括可旋转角度的扫描反射镜、扫描透镜和反射镜，扫描透镜位于扫描反射镜和反射镜间，其中，

扫描反射、用于接收入射光束，并将反射出的扫描光束反射至扫描透镜；

扫描透镜，用于折射扫描光束至反射镜的反射面；

反射面，用于将扫描光束反射至对准光栅。

进一步的，频谱面上设有相对于中轴线对称的多个小孔。

进一步的，频谱面上设有相对于中轴线对称的多个小孔。第一透镜和第二透镜的焦距相同。

基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，基于上述的焦点校准系统，焦点校准方法包括以下步骤：

步骤一、入射光束由光束扫描模块经过第一透镜后，以一定角度照射在对准光栅标记上，角度与扫描模块的扫描角度有关。由对准光栅反射出的光束经过第一透镜、频谱面和第二透镜后，形成干涉图像，干涉图像也做扫描运动，即垂直于光轴方向的正弦运动，干涉图像的位置为：

x(t)＝x₀+α_s(z-z₀)cos(ωt) (9)

其中，x₀是对准光栅标记相对于参考光栅标记的位置偏移，α_s是光束扫描模块的调制角，ω是扫描检流计的旋转频率，z₀是对准光栅标记的理想焦点位置，z是对准光栅标记在z方向上的实际位置；

步骤二、入射光束照射光栅标记形成正、负n阶衍射光束，正、负n阶衍射光束的场分布为：

其中，A_n为第n衍射级次对应的衍射效率，该函数为光栅位置x和时间t的函数。

为第n衍射级次的初始相位，e^ik[x-x(t)]代表第n衍射级次随着光束在x方向扫描引入的相位变化。除了标记位置x(t)的相位因子外，每个光束还具有与时间和位置相关的振幅和相位；

步骤三、假设只有±n阶光束和衍射光束通过焦点校准系统的频谱面光阑，两光束在像面上形成的干涉场的强度分布表示为：

由于照明光束的扫描，干涉图像的位置将在相对于位置x₀的光束扫描旋转频率处被调制，振幅等于α_s(z-z₀)，测量信号是通过参考标记缝隙测量的积分强度，由参考光栅传输的随时间变化的强度表示为：

对于一般对称光栅标记，

同样，光栅标记的对称性也推断出A_-n＝A_+n，因此，上述公式可以表示为：

步骤四、采用锁相放大原理对信号S(t)进行解调，得到信号中频率为ω分量表示为：

将等式(13)代入等式(14)，计算作为z位置函数的解调信号的焦点校准函数：

其中J₁(u)是一阶贝塞尔函数。

本发明的有以下优点：本发明的焦点校准系统及基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，该方法的优点是可以通过对准测量系统自身测量性能对光栅标记z向位置进行精确确定，改变了以往需要通过光刻系统其他传感器进行z方向校准的情况。该方法对于对准测量系统焦点校准精度较高，可以达到亚纳米级别。

附图说明

图1为对准系统的聚焦/倾斜依赖性效果的示意图，其中，图1(a)为对准测量系统基本原理示意图；图1(b)为对准测量系统在光栅标记倾斜和离焦状态下的示意图；

图2为本发明的焦点校准系统的示意图，其中，图2(a)为带有光束扫描模块的光栅标记对准测量系统示意图；图2(b)为在光束扫描下探测面的干涉光场示意图；图2(c)为光束扫描模块；

图3为不同x₀值处扫描角α_s＝20mrad，P_g＝16μm的焦点校准函数；

图4为不同αs值处扫描角x0＝2μm，Pg＝16μm的焦点校准函数；

图5为不同x₀值处扫描角α_s＝20mrad，α_r＝8mrad，P_g＝16μm的焦点校准函数；

图6为不同x₀值处扫描角α_s＝20mrad，α_r＝8mrad，P_g＝16μm的焦点校准函数关于x₀的偏微分函数。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

相位光栅对准系统可视为双透镜4f系统，参考光栅直接位于图像平面的后面，如图1所示。

图1(a)说明了散焦的效果。当光束照亮对准光栅对准标记时，它会产生+n阶和-n阶反射，从而在对象平面中产生干涉图案。干涉图样投影在像面上，导致透射强度的正弦变化。这种正弦变化的相位与光栅对准标记的位置呈线性关系。

后续分析基于以下事实：周期为P_g的对准光栅的位置x₀与2个衍射级n和-n之间的相位差成线性比例：

然而，如果在测量系统下方以特定倾斜或焦点偏移扫描对准光栅标记，则可以获得偏移的对准位置。单个透镜焦点上的对准光栅标记产生无限远的图像，频谱面上的波前是平坦的。在图1(b)中，当对准光栅标记获得散焦Δf时，图像将在距离f²/Δf处接近透镜。因此，波前变成具有曲率半径f²/Δf的球面。

对于偏离焦点的标记，这不会导致位置的改变，因为每个阶n的相位变化对于负阶和正阶是相同的。

式中，ξ是频谱平面中的坐标，该坐标与空间频率k有关，使用以下关系式：

那么，式(2)中的相移可以表示为：

因为标记倾斜角度θ，所以空间频率Δk上的偏移可以表示为：Δk＝4π·θ/λ.

当标记根据以下条件倾斜时，将发生散焦引起的相移：

+n阶和–n阶现在得到的相移是不对称的，反对称分量导致位置偏移

因此，对准误差与离焦(Δf)和倾斜角(θ)成正比，这导致系统中的对准位置偏移。

拟议系统的示意图如图2所示。为了抑制光栅对准系统中光栅标记倾斜和离焦对对准位置的影响，本发明提出了一种基于光束扫描角调制的焦点校准方法。

对准测量系统可视为4f光学系统。衍射光束通过频谱平面的光阑后，光栅标记的±n级衍射光束进入后续光路，在成像平面上形成干涉像。在对准测量系统的基础上，将光束扫描模块插入照明源和耦合棱镜之间的照明光束中，如图2(a)所示。它相对于光轴稍微倾斜，导致照明光束平行位移

在第一透镜之前，照明光束是球面波。在第一透镜之后，平行位移被转换成准直光束的角锥形运动，其围绕第一透镜的焦点和对准光栅标记表面转动。来自光栅标记的衍射级将经历相同的角运动。对于x对准光栅标记，这将导致基准光栅处干涉图像的x-z平面中的纯角度调制(见图2(b))。

需要注意的是，为了便于分析，我们假设4f光学对准测量系统中的第一透镜和第二透镜的焦距相同。因此，系统物侧光栅标记的离焦与像侧干涉图像的离焦相等。类似地，物侧对准光栅标记的倾斜角度等于像侧干涉图像的倾斜角度；光束扫描引入的光束角度在物侧和像侧相同。如果第一透镜和第二透镜的焦距不同，则上述参数只需乘以与第一透镜和第二透镜的焦距相关的固定比例因子即可。

在图2(b)中，干涉图像的角运动围绕测量系统中的参考光栅旋转。在理想情况下，干涉图像与第二透镜的焦点(图2(b)中的R_ideal位置)重合，该焦点与参考光栅的位置重合；因此，透射强度不受角度调制的影响。然而，如果干涉图像不完全位于焦平面内(例如，R_ideal位置)，则角运动将导致参考光栅表面上干涉图像的x位置的周期性调制。航空干涉图像的大小是d_r，焦点大小L由d_r/tan(α_s)给出。对于物体侧的小幅度散焦(即Δf<<p/α_s，其中p为光栅周期，α_s为角度调制的幅度)，位置调制的幅度等于α_sΔf,，并且也存在一些离焦Δ。因此，由于衍射光束的角度调制，直接在基准光栅后面收集的对准信号既具有与规则对准信号相对应的直流分量，又具有交流分量。

图2(c)是光束扫描模块的示意图，主要包括扫描反射镜和扫描透镜。扫描透镜的前焦面与扫描反射镜的旋转轴(中点)重合，而扫描透镜的后焦面与第一透镜的前焦面重合，第一透镜是照明光束扫描系统的中继成像面。扫描反射镜的摆角与其控制信号呈线性关系。当扫描反射镜偏转角度为θ的一半时，入射光束偏转θ。经过扫描透镜后，光束会聚在焦平面上。平行光束在扫描透镜后焦平面的横向偏移量约为f_s·θ，其中f_s是扫描透镜的焦距。

光束经反射镜反射后进入光学测量系统，如图2(a)所示。第一透镜的前焦平面和扫描透镜的后焦平面位于同一位置。因此，光束在通过第一透镜后以α_s角平行出射，并照亮测量的对准光栅标记。α_s的值可以描述为：

扫描反射镜以均匀的角速度偏转，这取决于输入信号。因此，出射光束也被扫描并以均匀的角速度进入后续测量系统；其扫描角速度是扫描反射镜转角速度的两倍。要在焦平面上以恒定速度扫描光斑，光斑的线性扫描速度应与光束偏转角速度线性相关，

v_s＝f_s·w_s, (8)

其中v_s是扫描透镜焦平面上光斑的扫描速度，w_s是光束扫描的角速度。

本发明提出了焦点校准系统的一实施例，包括反射装置、频谱面、参考光栅、对准光栅、频谱面、第一透镜和第二透镜，所述第一透镜、频谱面和第二透镜的中心点均位于同一中轴线上，且所述第一透镜、频谱面和第二透镜均相互平行，所述频谱面位于所述所述第一透镜和第二透镜间，所述参考光栅相对所述频谱面位于所述第二透镜的另一侧，所述对准光栅相对所述频谱面位于所述第一透镜的另一面，所述反射装置位于所述频谱面的下侧，其特征在于，所述反射装置为可改变入射光反射角度的光束扫描模块。

进一步的，所述光束扫描模块包括可旋转角度的扫描反射镜、扫描透镜和反射镜，所述扫描透镜位于所述扫描反射镜和反射镜间，其中，

所述扫描反射镜、用于接收入射光束，并将反射出的扫描光束反射至所述扫描透镜；

所述扫描透镜，用于折射所述扫描光束至所述反射镜的反射面；

所述反射面，用于将所述扫描光束反射至所述对准光栅。

进一步的，所述频谱面上设有相对于中轴线对称的多个小孔。

进一步的，所述频谱面上设有相对于中轴线对称的多个小孔。所述第一透镜和第二透镜的焦距相同。

为了抑制光栅对准系统中光栅标记倾斜和离焦对对准位置的影响，本发明还提出了基于光束扫描角度调制的焦点校准方法的一实施例，基于上述的焦点校准系统，所述焦点校准方法包括以下步骤：

步骤一、入射光束由光束扫描模块经过第一透镜后，以一定角度照射在对准光栅标记上，角度与扫描模块的扫描角度有关。由对准光栅反射出的光束经过第一透镜、频谱面和第二透镜后，形成干涉图像，所述干涉图像也作扫描运动，即垂直于光轴方向的正弦运动，所述干涉图像的位置为：

x(t)＝x₀+α_s(z-z₀)cos(ωt) (9)

其中，x₀是对准光栅标记相对于参考光栅标记的位置偏移，α_s是光束扫描模块的扫描角，ω是光束扫描频率，z₀是对准光栅标记的理想焦点位置，z是对准光栅标记在z方向上的实际位置；

步骤二、入射光束照射光栅标记形成正、负n阶衍射光束，所述正、负n阶衍射光束的场分布为：

其中，A_n为第n衍射级次对应的衍射效率，该函数为光栅位置x和时间t的函数。

为第n衍射级次的初始相位，e^ik[x-x(t)]代表第n衍射级次随着光束在x方向扫描引入的相位变化。除了标记位置x(t)的相位因子外，每个光束还具有与时间和位置相关的振幅和相位；

步骤三、假设只有±n阶光束和衍射光束通过焦点校准系统的频谱面光阑，两光束在像面上形成的干涉场的强度分布表示为：

由于照明光束的扫描，干涉图像的位置将在相对于位置x₀的光束扫描旋转频率处被调制，振幅等于α_s(z-z₀)，测量信号是通过参考标记缝隙测量的积分强度，由参考光栅传输的随时间变化的强度表示为：

对于一般对称光栅标记，光栅标记的对称性也推断出A_-n＝A_+n，因此，上述公式可以表示为：

步骤四、采用锁相放大器对信号S(t)进行解调，得到信号中频率为ω分量表示为：

将等式(13)代入等式(14)，计算作为z位置函数的解调信号的焦点校准函数：

其中J₁(u)是一阶贝塞尔函数，从而可以得到被测光栅标记合适的z向位置。

这是一个频率为ω、振幅与z有关的周期函数，它提供了由于均匀光束的扫描角调制而产生的信号变化。当(z-z0)<<P_g/α_s时，一阶贝塞尔函数可以近似和简化。因此，焦点校准函数的振幅与α_s(z-z₀)/p成正比，这可以从图2(b)中容易地导出。

当扫描角α_s＝20mrad，P_g＝16μm，z₀＝0时，优化扫描参数可以改变聚焦标定函数曲线，有效地提高聚焦标定的精度。图3显示了在0、1、1.5和2μm处标记对准偏移x₀时，焦点校准功能产生的模拟位置误差。

如图3所示，不管x₀的值如何，焦点位置z₀对应于焦点校准函数(F_f)的值等于0的点。我们主要利用焦点定标函数的零点位置来确定焦点位置z₀，因此需要得到焦点定标函数的z相关曲线。

该函数曲线是从不同z位置处的光栅对准测量中获得的，并且使用公式(13)–(15)的计算获得不同z位置处焦点校准函数的离散值。然后通过拟合得到焦点校准函数曲线。

需要注意的是，随着z位置的变化，函数的值呈现振荡变化；因此，将出现多个零值位置。因此，在本研究中使用焦点定标方法时，应选择适当的z方向量测范围，以尽量减少多个零点位置对焦点定标的干扰。当x₀等于0时，相应的焦点校准函数为常数且等于0；当x₀增大时，焦距附近的焦点校准函数的斜率显著增大。显然，当焦点附近的焦点校准函数曲线的斜率较大时，焦点获取的灵敏度将增加。因此，通过适当地调整光栅标记对准偏移x₀，可以提高焦点获取精度

同样，在本研究中，扫描角度α_s也会影响焦点获取的准确性。对于标记对准偏移x₀＝2μm，P_g＝16μm，z₀＝0，图4显示了在5、10、15和20mrad处标记对准偏移α_s的聚焦校准功能产生的模拟位置误差。

从图4的结果可以看出，当α_s增大时，焦点附近的焦点校准函数的斜率显著增大，焦点获取的灵敏度也会增大，这与前面分析中调整x₀的效果类似。

对于少量离焦Δf，交流信号相对于直流信号的振幅通常为2α_sΔf/P_g。选择α_s的标准是，可以以足够的精度测量光栅标记z方向调整范围内交流振幅的变化。根据实验装置所使用的硬件，在后续的实验和分析中，选择扫描角幅度为α_s＝20mrad。

如上所述，在焦点测量期间，对准光栅标记应通过z扫描。然而，在实际测量中，由于光学元件的胶合公差，该z轴可能与光轴不同。为了更准确地分析聚焦数据，可能的方向差异通过误差角α_r包含在聚焦模型中。通过用x₀+α_r(z-z₀)替换等式(15)中的x₀，可以很容易地解决光轴和机械z轴的失准角α_r。因此，焦点校准功能变为：

对于扫描角α_s＝20mrad，α_r＝8mrad，P_g＝16μm，z₀＝0，对于图6中的标记对准偏移x₀的几个值，绘制了等式(16)中的焦点校准函数。

注意，函数的包络线呈现更严重的振荡和进一步增加的过零次数，这可能影响焦点位置的判断。此外，当存在特定的测量误差时，焦点校准函数的更复杂包络可能会降低通过拟合确定z₀的精度。

此外，考虑由α_r参数引入的对准偏移误差Δx₀。对公式(16)求关于x₀的偏导数如下所示。

因此，由α_r参数引入的对准偏移误差Δx₀可以表示为：

对于扫描角α_s＝20mrad、α_r＝8mrad、P_g＝16μm和z₀＝0，对于图6中标记对准偏移x0的几个值，绘制了公式(18)中作为函数的表达式

对于图6中x₀＝0的情况，

的函数曲线围绕焦点线性地表现。对于范围z＝-50μm至+50μm，

假设ΔF_f(z)为0.005，根据式(18)，相应的Δx₀约为8.3nm。这种误差也可能影响对中系统的测量性能，在对中测量过程中需要进行修正。

Claims (5)

1.焦点校准系统，包括反射装置、频谱面、参考光栅、对准光栅、频谱面、第一透镜和第二透镜，所述第一透镜、频谱面和第二透镜的中心点均位于同一中轴线上，且所述第一透镜、频谱面和第二透镜均相互平行，所述频谱面位于所述第一透镜和第二透镜间，所述参考光栅相对所述频谱面位于所述第二透镜的另一侧，所述对准光栅相对所述频谱面位于所述第一透镜的另一面，所述反射装置位于所述频谱面的下侧，其特征在于，所述反射装置为可改变入射光反射角度的光束扫描模块。

2.根据权利要求1所述的焦点校准系统，其特征在于，所述光束扫描模块包括可旋转角度的扫描反射镜、扫描透镜和反射镜，所述扫描透镜位于所述扫描反射镜和反射镜间，其中，

所述扫描反射镜、用于接收入射光束，并将反射出的扫描光束反射至所述扫描透镜；

所述扫描透镜，用于折射所述扫描光束至所述反射镜的反射面；

所述反射面，用于将所述扫描光束反射至所述对准光栅。

3.根据权利要求1所述的焦点校准系统，其特征在于，所述频谱面上设有相对于中轴线对称的多个小孔。

4.根据权利要求1所述的焦点校准系统，其特征在于，所述频谱面上设有相对于中轴线对称的多个小孔，所述第一透镜和第二透镜的焦距相同。

5.基于光束扫描角度调制的焦点校准方法，基于权利要求1-4任一项所述的焦点校准系统，其特征在于，所述焦点校准方法包括以下步骤：

步骤一、入射光束由光束扫描模块经过第一透镜后，以一定角度照射在对准光栅标记上，角度与扫描模块的扫描角度有关，由对准光栅衍射出的光束经过第一透镜、频谱面和第二透镜后，形成干涉图像，所述干涉图像也作扫描运动，即垂直于光轴方向的正弦运动，所述干涉图像的位置为：

x(t)＝x₀+α_s(z-z₀)cos(ωt) (9)

其中，x₀是对准光栅标记相对于参考光栅标记的位置偏移，α_s是光束扫描模块的扫描角，ω是照明光束扫描的扫描频率，z₀是对准光栅标记的理想焦点位置，z是对准光栅标记在z方向上的实际位置；

步骤二、入射光束照射光栅标记形成正、负n阶衍射光束，所述正、负n阶衍射光束的场分布为：

其中，A_n为第n衍射级次对应的衍射效率，该函数为光栅位置x和时间t的函数，

为第n衍射级次的初始相位，e^ik[x-x(t)]代表第n衍射级次随着光束在x方向扫描引入的相位变化，除了标记位置x(t)的相位因子外，每个光束还具有与时间和位置相关的振幅和相位；

步骤三、假设只有±n阶光束和衍射光束通过焦点校准系统的频谱面光阑，两光束在像面上形成的干涉场的强度分布表示为：

由于照明光束的扫描，干涉图像的位置将在相对于位置x₀的光束扫描旋转频率处被调制，振幅等于α_s(z-z₀)，测量信号是通过参考标记缝隙测量的积分强度，由参考光栅传输的随时间变化的强度表示为：

对于一般对称光栅标记，光栅标记的对称性也推断出A_-n＝A_+n，因此，上述公式表示为：

步骤四、采用锁相放大原理对信号S(t)进行解调，得到信号中频率为ω分量表示为：

将等式(13)代入等式(14)，计算作为z位置函数的解调信号的焦点校准函数：

其中J₁(u)是一阶贝塞尔函数。

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