CN114628300A - 一种宽光谱自参考干涉对准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱自参考干涉对准系统，包括：宽光谱光源，用以提供照明光束；透镜系统，用以收集照射在对准标记后形成的衍射光斑，并将衍射光斑传递至自参考干涉光学模块；自参考干涉光学模块，对所述衍射光斑进行分光及像旋转处理，以使对应的正、负级次衍射光斑像重叠；信号探测模块，用于探测所述重叠后的正、负级次衍射光斑的光谱信息；信号分析模块，用于通过解出光谱信号的相位来获取对准位置的信息。与现有的自参考干涉对准系统相比，本发明可以降低对对准系统于光源稳定性的要求以及信号探测部分的探测频率的要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种宽光谱自参考干涉对准系统。
背景技术
随着社会信息化水平的不断提高，集成电路有了蓬勃的发展，并逐渐成为现代日常生活不可缺少的一部分。光刻技术是生产集成电路不可缺少的关键技术，集成电路想要进一步缩小体积和获取更高的集成度，就得依赖于光刻技术的不断进步。光刻技术通过对硅片涂覆光刻胶，然后通过曝光、显影、烘干及腐蚀等多个步骤留下该层的线路，然后通过多层的组合形成最终的集成电路。其中，曝光显影后留在光刻胶上图形(当前层)与衬底上的图形(参考层)的相对位置称为套刻精度。通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，如果套刻精度超出要求的范围，则会对集成电路功能造成极大的影响。形成套刻误差的因素是多样的，而投影曝光时掩模版与硅片之间的对准程度将很大的影响最终的套刻精度。因此掩模版与需要曝光的硅片之间的对准技术将很大程度影响最终集成电路的质量。
掩模版与需要曝光的硅片之间的对准可以采用同轴对准+离轴对准结合的对准方式。用工件台上的基准对准标记作为参考，分别将掩模版上的标记与工件台上的基准标记对准，以及将硅片上的标记与工件台上的基准标记对准，两者结合完成了掩模版与硅片之间的对准。将掩模版上的标记与工件台上的基准标记对准过程称为同轴对准过程，将硅片上的标记与工件台上的基准标记对准称为离轴对准过程。同轴对准过程与离轴对准过程结合，间接实现硅片对准标记与掩模对准标记之间对准，并且可以建立二者之间的位置坐标关系。
自参考干涉对准系统是一种离轴对准系统，如图1所示。该对准系统通过转像装置，实现对准标记衍射信号的分光，然后将分光后的两个衍射信号相对180°的旋转重叠干涉，然后利用光强信号探测器，在光瞳面处探测干涉后的对准信号，通过信号分析器确定标记的对准位置。该对准系统要求对准标记是180°旋转对称。转像装置是该对准系统最核心的装置，用以标记像的分裂、旋转和叠加。在该自参考对准系统中，转像装置是通过自参考干涉仪实现的。
由于自参考干涉对准系统使用光强探测来获取对准信息，所以光源稳定性将直接影响对准信息的获取，要保证高精度的对准，需要极强的光源稳定性。同时，自参考干涉对准系统无法在单一位置处获取对准位置信息，需要连续扫描获取光强之后获得对准位置信息，对光强探测仪器的探测频率有较高的要求。
发明内容
本发明提出了一种宽光谱自参考干涉对准系统，用以降低对准系统对于光源稳定性以及光强探测频率的要求。该发明在光源方面用宽光谱光源代替激光光源，在信号探测方面用光谱仪代替光功率计；通过探测光谱特征，替代光强变化来表征对准位置；通过对光谱信息解相位，获得对准信息。
为了实现上述目的，本发明一种宽光谱自参考干涉对准系统，包括：宽光谱光源，提供照明光束；第一透镜系统，所述照明光束经所述第一透镜系统后形成投影光束照射至对准标记上形成正、负衍射级次的衍射光班，并将衍射光斑反馈至自参考干涉光学模块；自参考干涉光学模块，对所述衍射光斑进行分光及像旋转处理，以使对应的正、负级次衍射光斑像重叠；信号探测模块，用于探测所述重叠后的正、负级次衍射光斑的光谱信息；其特征在于，使用宽光谱光源提供照明光束，使用光谱仪探测对准系统的光谱信息，通过对光谱信息进行解相位的方式获取对准位置的信息。
进一步地，使用具有连续波长(如400nm～900nm)的宽光谱光源提供照明光束。
进一步地，第一透镜系统是消色差透镜系统，保证投影光束照射至对准标记上形成的不同级次的衍射光斑不会出现明显的色散。
进一步地，所述信号探测模块探测的是所述重叠后的正、负级次衍射光斑的光谱信息，得到的是光谱仪接受的各级次光斑不同波长的强度信号。
进一步地，宽光谱自参考干涉对准系统包括信号处理模块，对所述信号探测模块输出的探测信号进行处理以获取对准信息。
进一步地，所述宽光谱自参考干涉对准系统可以通过单个位置的光谱信息采集与处理，得到对准位置的信息；相比于传统的自参考干涉对准系统，降低了对于信号采集次数；相比于传统的自参考干涉对准系统，降低了对于光源稳定性的要求。
进一步地，所述宽光谱自参考干涉对准系统进行对准的过程为：宽光谱光源发出含有多波长的光束照射到对准标记上，对准标记上的反射光经过透镜系统收集会形成多个正、负衍射级次的衍射光斑。衍射光斑通过自参考干涉光学模块对多级的衍射光斑进行分光，然后相对180°旋转后使得分光后的两个信号相应的正、负级次光斑相互叠加。再使用光谱仪收集各级次的衍射光斑的光谱信号。通过对光谱信号的解相位来获取对准位置信息。
本发明的原理在于：宽光谱光源在照射对准标记上，反射光经过透镜系统收集会形成多个正、负衍射级次的衍射光斑。通过自参考干涉光学模块对多级的衍射光斑进行分光，然后相对180°旋转后使得分光后的两个信号相应的正、负级次光斑相互叠加。用光谱仪收集各级次的衍射光斑的光谱信号。通过对光谱信号的解相位来获取对准位置信息。
本发明与现有技术相比，其优点在于：使用光谱解相位的方法来获取对准位置信息，光源光强的变化对于相位信息的获取影响很小，与现有的自参考干涉对准方法相比，对于光源稳定性的要求更低；使用光谱解相位的方法，在单个位置处采集的光谱就能获得该位置的对准信息，与现有的自参考干涉对准方法相比，不需要通过对准系统的连续移动来获取对准信息，降低了信号采集系统的频率要求。
附图说明
图1为现有的一种自参考干涉对准系统的结构示意图；
图2为本发明一种宽光谱自参考干涉对准系统的结构示意图；
图3为本发明宽光谱自参考干涉对准系统的一种具体实施例，其中，301为宽光谱光源，302为第一偏振片，303为偏振分光棱镜，304为1/4波片，305为第一透镜系统，306为对准标记，307为运动台，308为半波片，309为自参考干涉系统，310为第二偏振片，311为第二透镜系统，312为第三透镜系统，313为光阑，314为光谱仪，315为光谱信号分析系统；
图4为一种自参考干涉系统的原理图，其中，41为偏振分光棱镜，411为分光面，42为第一旋转棱镜，43为第二旋转棱镜；
图5为表示第n级光斑经过自参考系统的说明图；
图6为本发明实施例中宽光谱光源的光谱特征示意图；
图7为本发明实施例中光谱仪采集的光谱信号示意图；
图8为本发明实施例采集的光谱信号经过快速傅里叶变换后的示意图；
图9为取快速傅里叶变换信号正频部分逆变换后的信号及解出的相位示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为现有的一种自参考干涉对准系统的结构示意图。现有的自参考干涉对准系统的过程为：由激光光源发射单波长的激光光束，激光光束经过光束整形后照射到具有周期性结构的对准标记上形成衍射信号，被透镜所收集后形成多个正、负衍射级次的衍射光斑；之后光束传播至自参考干涉装置，经过自参考干涉装置进行分光、分光后光斑相对180°旋转后使得两个信号相应的正、负级次光斑相互叠加；然后在光瞳面收集不同级次的光强信息，随着标记与对准系统的相对移动来获取对准信息。
图2为本发明宽光谱自参考干涉对准系统的结构示意图，与现有的自参考干涉对准系统相比，本发明的区别在于用宽光谱光源代替激光光源，用光谱仪而不是光强探测器收集对准信号。
下面结合具体实施例来说明具体的对准过程。图3为本发明宽光谱自参考干涉对准系统的一种具体实施例，可以具体的描述本发明宽光谱自参考干涉对准系统的光传播过程。由宽光谱光源301发射宽光谱照明光，照明光经过第一偏振片302变为S偏振光，经过偏振分光棱镜303与原方向成90°角传播。照明光经过1/4波片304与第一透镜系统305后照射在硅片对准标记306上，其中1/4波片的光轴与照明光的偏振方向成45°角，硅片放置在运动台307上。照明光照射在反射式对准标记上形成的信号可以表示为：
Uob(x0,y0)＝R(x0,y0)·Uill(x0,y0), (1)
其中，R(x0,y0)为对准标记306的反射光场信息，Uill(x0,y0)为照明光场的信息，Uob(x0,y0)则为反射标记反射的光场信号。对准系统的反射标记位于第一透镜系统305的焦距处。反射光场经第一透镜系统305收集后，再次通过1/4波片304，变为P偏振光并透射过偏振分光棱镜303。透射光经过半波片308后变为圆偏振光，传播至自参考干涉系统309。
自参考干涉系统309的原理图如图4所示。自参考干涉系统309包括偏振分光棱镜41，分光面411，第一旋转棱镜42和第二旋转棱镜43，光照射至偏振分光棱镜41的分光面411上分为P偏振光B1和S偏振光B2。B1传播到第一旋转棱镜42中，经过第一旋转棱镜42后偏振光B1的像与偏振方向顺时针旋转90°，变为S偏振光后返回到偏振分光棱镜41的分光面411上，在分光面上反射后出射。B2传播到第二旋转棱镜43中，经过第二旋转棱镜43后偏振光B2的像与偏振方向逆时针旋转90°，变为P偏振光后返回到偏振分光棱镜41的分光面411上，在分光面上透射后出射。图5展示了第n级次的光斑经过自参考干涉系统后的示意图，分光后的两束光的像与偏振方向分别进行正负90°的旋转，经过自参考干涉系统后，出射的光斑的正负n级次的光斑叠加。
自参考干涉系统309出射的光经过第二偏振片310后再经过第二透镜系统311与第三透镜系统312，其中第二偏振片310的光轴与自参考干涉系统309出射的P偏振光与S偏振光分别成45°角。第一透镜系统305，第二透镜系统311与第三透镜系统312组成消色差的6f系统，光谱仪314设置在第三透镜系统312的焦面上，光阑313用来获得需要级次的光斑。
在第三透镜系统312焦面的光场Upup(u,v)可以表示为：
其中，
为反射标记反射信号的傅里叶变换，Vill(fx,fy)为照明光场信息Uill(x0,y0)的傅里叶变换，R(fx,fy)为对准标记306的反射光场信息R(x0,y0)的傅里叶变换。光源发射的照明信号经过光束整形后近似为强度为A(λ)的平面波，当收集信号的面选在透镜系统的焦面上时，光场信号Uf可以表示为：
其中，
为反射信号的傅里叶变换。当照明光与对准标记相对移动时，相当于焦距处的光场施加一个相位变化：
当标记采用旋转对称的图形时，
也为旋转对称信号，所以光束经过自参考干涉系统的分光相对旋转180°后叠加后，得到的光场可以表示为：
可以得到光强随标记与对准系统相对位置的变化：
由式(6)可以看出，当对准标记使用的带有周期结构的中心对称图形时，在透镜系统的频谱面形成的是分离的多级次光斑。对于同一级次的光斑，不同波长的信号变化周期是不同的，图5显示了本发明中光谱仪314接受的光谱信号图。光谱信号可以近似表示为：
其中，I0(λ)其中代表背景光强，V(λ)代表随波长变化的光谱信号对比度，
表示由对准标记与对准位置偏差L所引入的相位。通过光谱信号分析系统315可以解出光谱相位
再根据：
其中，k＝1/λ代表波数，Δk为范围(一般为光谱信号的波长测量范围)内波数k的增量，
为波数k所对映的解包裹相位取值
的增量，可以得到对准标记与对准位置偏差L。
下面提供了一种利用傅里叶变换提取光谱信号相位的方法。首先对光谱信号做快速傅里叶变换，变换后的信号如图6所示。如图6中框所示选取快速傅里叶变换后的正频率部分做逆傅里叶变换，结果如图7所示，其中虚线表示逆变换后的结果，再对虚线上的点进行解相位与相位解包裹，就可以得到图7实线所示的包络。将图7中实线的斜率代入式(9)中，就可以解出对准标记与对准位置偏差L，得到对准信息。
本发明与现有的自参考干涉对准系统相比，不同在于：使用宽光谱光源代替激光光源，使得光源有一段连续的波长信号；采集各级次的光谱信号而不是单一的光强信息，通过对光谱信号解相位的方式来获取对准位置信息而不是通过光强随对准位置变化来获取对准位置信息；只需要获取一个位置的光谱信号就可以得到对准位置信息，而不是通过连续的移动对准系统与标记的相对位置来获取对准信息。
本发明与现有技术相比，其优点在于：使用光谱解相位的方法来获取对准位置信息，光源光强的变化对于相位信息的获取影响很小，与现有的自参考干涉对准方法相比，对于光源稳定性的要求更低；使用光谱解相位的方法，在单个位置处采集的光谱就能获得该位置的对准信息，与现有的自参考干涉对准方法相比，不需要通过对准系统的连续移动来获取对准信息，降低了信号探测系统的频率要求。
Claims (7)
1.一种宽光谱自参考干涉对准系统，包括：
宽光谱光源(301)，提供照明光束；
第一透镜系统(305)，所述照明光束经所述第一透镜系统(305)后形成投影光束照射至对准标记(306)上形成正、负衍射级次的衍射光班，并将衍射光斑反馈至自参考干涉系统(309)；
自参考干涉系统(309)，对所述衍射光斑进行分光及像旋转处理，以使对应的正、负级次衍射光斑像重叠；
信号探测模块，用于探测所述重叠后的正、负级次衍射光斑的光谱信息；
信号分析模块，用于通过解出光谱信号的相位来获取对准位置的信息；
其特征在于，使用宽光谱光源提供照明光束，使用光谱仪探测对准系统的光谱信息，通过对光谱信息进行解相位的方式获取对准位置的信息。
2.如权利要求1所述的宽光谱自参考干涉对准系统，其特征在于，使用具有连续波长的宽光谱光源(301)提供照明光束。
3.如权利要求1所述的宽光谱自参考干涉对准系统，其特征在于，第一透镜系统(305)应是消色差透镜系统，保证投影光束照射至对准标记(306)上形成的不同级次的衍射光斑不会出现明显的色散。
4.如权利要求1所述的宽光谱自参考干涉对准系统，其特征在于，所述信号探测模块探测的是所述重叠后的正、负级次衍射光斑的光谱信息，得到的是光谱仪接受的各级次光斑不同波长的强度信号。
5.如权利要求1所述的宽光谱自参考干涉对准系统，其特征在于，还包括信号分析模块，对所述信号探测模块输出的探测信号进行处理以获取对准信息。
6.如权利要求1所述的宽光谱自参考干涉对准系统，其特征在于，所述宽光谱自参考干涉对准系统可以通过单个位置的光谱信息采集与处理，得到对准位置的信息；相比于传统的自参考干涉对准系统，降低了对于信号采集次数；相比于传统的自参考干涉对准系统，降低了对于光源稳定性的要求。
7.一种宽光谱自参考干涉对准系统，其特征在于：由宽光谱光源(301)发射宽光谱照明光，照明光经过第一偏振片(302)变为S偏振光，经过偏振分光棱镜(303)与原方向成90°角传播；照明光经过1/4波片(304)与第一透镜系统(305)后照射在硅片对准标记(306)上，其中1/4波片(304)的光轴与照明光的偏振方向成45°角，硅片放置在运动台(307)上，照明光照射在反射式对准标记上形成的信号可以表示为：
Uob(x0,y0)＝R(x0,y0)·Uill(x0,y0), (1)
其中，R(x0,y0)为对准标记(306)的反射光场信息，Uill(x0,y0)为照明光场的信息，Uob(x0,y0)则为反射标记反射的光场信号，对准系统的反射标记位于第一透镜系统(305)的焦距处，反射光场经第一透镜系统(305)收集后，再次通过1/4波片(304)，变为P偏振光并透射过偏振分光棱镜(303)，透射光经过半波片(308)后变为圆偏振光，传播至自参考干涉系统(309)；
自参考干涉系统(309)包括包括偏振分光棱镜(41)，分光面(411)，第一旋转棱镜(42)和第二旋转棱镜(43)，光照射至偏振分光棱镜(41)的分光面(411)上分为P偏振光B1和S偏振光B2，B1传播到第一旋转棱镜(42)中，经过第一旋转棱镜(42)后偏振光B1的像与偏振方向顺时针旋转90°，变为S偏振光后返回到偏振分光棱镜(41)的分光面(411)上，在分光面上反射后出射，B2传播到第二旋转棱镜(43)中，经过第二旋转棱镜(43)后偏振光B2的像与偏振方向逆时针旋转90°，变为P偏振光后返回到偏振分光棱镜(41)的分光面(411)上，在分光面上透射后出射，分光后的两束光的像与偏振方向分别进行正负90°的旋转，经过自参考干涉系统后，出射的光斑的正负n级次的光斑叠加；
自参考干涉系统(309)出射的光经过第二偏振片(310)后再经过第二透镜系统(311)与第三透镜系统(312)，其中第二偏振片(310)的光轴与自参考干涉系统(309)出射的P偏振光与S偏振光分别成45°角，第一透镜系统(305)，第二透镜系统(310)与第三透镜系统(312)组成消色差的6f系统，光谱仪(314)设置在第三透镜系统(312)的焦面上，光阑(313)用来获得需要级次的光斑；
在第三透镜系统(312)焦面的光场Upup(u,v)可以表示为：
其中，
为反射标记反射信号的傅里叶变换，Vill(fx,fy)为照明光场信息Uill(x0,y0)的傅里叶变换，R(fx,fy)为对准标记(306)的反射光场信息R(x0,y0)的傅里叶变换；光源发射的照明信号经过光束整形后近似为强度为A(λ)的平面波，当收集信号的面选在透镜系统的焦面上时，光场信号Uf可以表示为：
其中，
为反射信号的傅里叶变换，当照明光与对准标记相对移动时，相当于焦距处的光场施加一个相位变化：
当标记采用旋转对称的图形时，
也为旋转对称信号，所以光束经过自参考干涉系统的分光相对旋转180°后叠加后，得到的光场可以表示为：
可以得到光强随标记与对准系统相对位置的变化：
由式(6)可以看出，当对准标记使用的带有周期结构的中心对称图形时，在透镜系统的频谱面形成的是分离的多级次光斑，对于同一级次的光斑，不同波长的信号变化周期是不同的，光谱仪(314)接受的光谱信号可以近似表示为：
其中，I0(λ)其中代表背景光强，V(λ)代表随波长变化的光谱信号对比度，
表示由对准标记与对准位置偏差L所引入的相位，通过光谱信号分析系统(315)可以解出光谱相位
再根据
其中，k＝1/λ代表波数，Δk为光谱信号的波长测量范围内波数k的增量，
为波数k所对映的解包裹相位取值
的增量，可以得到对准标记与对准位置偏差L。
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| CN (1) | CN114628300B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1936711A (zh) * | 2006-10-18 | 2007-03-28 | 上海微电子装备有限公司 | 用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统 |
| CN104345577A (zh) * | 2013-08-09 | 2015-02-11 | 上海微电子装备有限公司 | 对准装置 |
-
2022
- 2022-03-16 CN CN202210259708.3A patent/CN114628300B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1936711A (zh) * | 2006-10-18 | 2007-03-28 | 上海微电子装备有限公司 | 用于光刻装置的对准系统及其级结合光栅系统 |
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| CN114628300B (zh) | 2023-09-19 |
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