CN116819884B - 掩模倾斜角度测量装置及曝光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光刻技术领域，公开了一种掩模倾斜角度测量装置及曝光设备，该掩模倾斜角度测量装置包括：光束输出部，用于输出光束；全息掩模，设置在所述光束输出部输出的光束的光路上，所述全息掩模上设有至少两个对称的斜坡；波前探测器，设置在经过所述全息掩模后的光束的光路上，用于测量经过两个所述斜坡的光束的波前；其中，所述斜坡的参数满足以预设倾斜角度经过两个所述斜坡的光束的波前差大于所述波前探测器的测量精度。本发明使用斜坡这一简单的结构，不需要进行套刻和大量复杂的采集计算，通过对波前的观察就能实现对全息掩模角度的测量，因此本发明具有精度高、成本低、操作简单的优点。

Description

掩模倾斜角度测量装置及曝光设备

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，具体涉及一种掩模倾斜角度测量装置及曝光设备。

背景技术

将掩模上的图形通过投影物镜成像在硅片上的光学投影曝光技术是目前集成电路生产制造中应用最广的一种光刻技术。然而，市场对集成电路特征尺寸的要求日渐增长，对光刻分辨力的要求也越发严苛，这为投影光刻这一传统技术带来了诸多挑战。在这种技术需求下，基于新方法和工艺的新型光刻技术相继出现，如极紫外光刻、X射线光刻、激光全息光刻、纳米压印光刻等等。激光全息光刻是一种很有潜力的光刻技术，它的基本原理是衍射成像，光束照射全息掩模，在按一定规律排列的微型结构上发生衍射，这些衍射最终在硅片上叠加，得到想要的图形。与传统投影光刻技术相比，激光全息光刻技术不需要外形巨大、结构复杂和工艺要求严苛的投影物镜系统，将对光学系统的复杂度和高精度要求转化成了对掩模微型结构分布方式的庞大计算量要求，这在计算机快速发展的前提下不再是一个难题，这是这一技术最重要的优势。

由于使用衍射成像，全息光刻对照射到掩模上的光的波前有较为严格的要求，反应到具体情景中的一个重要指标就是光入射掩模的角度要求尽可能垂直。因此，要有对全息掩模调平的手段。目前，观察照明光是否垂直入射掩模的一个方法是观察掩模的反射光斑。当照明光严格垂直入射时，反射光会原路返回，通过观察较远处光阑或针孔上的反射光斑是否与通光孔重合，就能判断照明光是否垂直入射掩模。然而，这种方法通过目测实现，精度有限。除此之外，掩模版反射率本身较低，反射光还需要重新通过一次光学系统，如果激光能量不够高，很难直接观察到反射光斑，如果能量过强，又可能出现损伤光路中元器件的问题。而在传统光刻中掩模调平中，则是通过检测掩模不同区域的离焦量进行的，这一方案需要使用硅片进行套刻，对套刻图像进行采集并加以计算得到掩模的倾斜情况。这种方法需要对硅片进行多次曝光，还需要使用高分辨率的图像采集系统观察曝光的结果以及复杂的算法对大量数据进行计算，是一种非即时，成本高，耗时长的方法。且全息光刻的离焦曝光情况与传统光刻并不相同。

因此，目前亟需一种操作简单、低成本、高精度的调平方式以实现对全息掩模的调平。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种掩模倾斜角度测量装置及曝光设备，可以克服现有技术在对全息掩模调平时倾斜角度测量精度低、成本高且操作不方便的技术问题。

本发明第一方面提供一种掩模倾斜角度测量装置，应用于全息掩模倾斜角度测量，包括：光束输出部，用于输出光束；全息掩模，设置在所述光束输出部输出的光束的光路上，所述全息掩模上设有至少两个对称的斜坡；波前探测器，设置在经过所述全息掩模后的光束的光路上，用于测量经过两个所述斜坡的光束的波前；其中，所述斜坡的参数满足以预设倾斜角度经过两个所述斜坡的光束的波前差大于所述波前探测器的测量精度。

可选地，所述光束输出部包括激光器和照明光路，所述激光器用于产生光束，所述照明光路用于对所述激光器产生的光束的波前和半径进行调节并将调节后的光束输出至所述全息掩模。

可选地，两个对称的所述斜坡均设置在所述全息掩模的图形区外围的同侧；或两个对称的所述斜坡分别设置在所述全息掩模的图形区外围的两侧。

可选地，所述斜坡设有两对，一对所述斜坡相对于第一方向对称设置，另一对所述斜坡相对于第二方向对称设置，所述第一方向垂直于所述第二方向。

可选地，所述斜坡和所述全息掩模为一体式结构。

可选地，所述斜坡为下凹式斜坡或上凸式斜坡。

可选地，所述斜坡为弧线形斜坡或直线形斜坡。

可选地，所述直线形斜坡的参数满足：

其中，表示均方根，D为所述全息掩模和所述波前探测器的距离，d为所述全息掩模的厚度，/>为光束入射点到所述斜坡的起点的长度在平行于所述全息掩模方向上的投影距离，/>为光束垂直入射到所述斜坡时的入射角，/>和/>分别为光束垂直入射时在两个对称的所述斜坡的其中一个斜坡的斜坡面发生折射的折射角以及在空气面发生折射的出射角，/>和/>分别为光束垂直入射时在两个对称的所述斜坡的另一个斜坡的斜坡面发生折射的折射角以及在空气面发生折射的出射角，/>为预设倾斜角度，/>为所述波前探测器的测量精度。

可选地，所述直线形斜坡的倾斜角为5°至85°，所述直线形斜坡的长度为0.1mm至10mm。

本发明第二方面提供一种曝光设备，应用于芯片制备工艺，包括第一方面任一项所述的掩模倾斜角度测量装置。

本发明的掩模倾斜角度测量装置及曝光设备，至少具有如下有益效果：

本发明的掩模倾斜角度测量装置及曝光设备，通过在全息掩模上添加两个对称的斜坡，使得光束在经过这两个对称的斜坡时，会在两个斜坡处产生不同的光程差，进而产生两个波前，倾斜角度越大，波前的差值越大，在全息掩模后放置波前探测器测量这两个波前，就能实现对全息掩模的倾斜角度的实时检测，从而对其进行调整。本发明使用斜坡这一简单的结构，不需要进行套刻和大量复杂的采集计算，通过对波前的观察就能实现对全息掩模角度的测量，因此本发明具有精度高、成本低、操作简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的斜坡的结构示意图；

图3为本发明实施例的又一斜坡的结构示意图；

图4为本发明实施例的另一斜坡的结构示意图；

图5为本发明实施例的再一斜坡的结构示意图；

图6为本发明实施例的另一斜坡的结构示意图；

图7为本发明实施例的斜坡对的分布示意图；

图8为本发明实施例的又一斜坡对的分布示意图；

图9为本发明实施例的另一斜坡对的分布示意图；

图10为本发明实施例的光束垂直全息掩模入射的光路示意图；

图11为本发明实施例的从斜坡的不同位置入射光线的光程分布示意图；

图12为本发明实施例的全息掩模倾斜角度和波前差的关系示意图；

附图标记说明：

1-激光器；2-照明光路；3-全息掩模；4-波前探测器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“左”、“右”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等词汇仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

目前，在应用全息光刻技术将全息掩模上的图形投影在硅片上时，对照射到掩模上的光的波前有较为严格的要求，一个重要指标就是光入射全息掩模的角度要求尽可能垂直。但是目前缺少观测全息掩模的角度是否满足要求的方案，因而不方便对全息掩模进行调平。

基于此，本发明实施例提出一种掩模倾斜角度测量装置，应用于全息掩模倾斜角度测量。如图1所示，本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置包括：光束输出部，用于输出光束；全息掩模3，设置在光束输出部输出的光束的光路上，全息掩模3上设有至少两个对称的斜坡；波前探测器4，设置在经过全息掩模3后的光束的光路上，用于测量经过两个斜坡的光束的波前；其中，斜坡的参数满足以预设倾斜角度经过两个斜坡的光束的波前差大于波前探测器4的测量精度。

具体地，光束输出部的功能是输出照射到全息掩模3的光束，该光束为平行光，输出光束的波段不做限制，例如为可见光或不可见光如紫外光等。产生该光束的光源可为激光光源、LED灯、金属卤化物灯等。

具体地，斜坡的材料和全息掩模3的材料相同，具有相同的折射率。两个斜坡的结构相同且相互对称，即两个斜坡形成一个斜坡对。

具体地，斜坡对的位置不影响检测结果，但为了方便设置，斜坡对放置于全息掩模3的图形区外围，以便于在照射全息掩模3时进行调平，无需进行移动位置。

斜坡的参数包括斜坡的倾斜角度和斜坡的长度，当光束以预设倾斜角度经过两个斜坡时，出射后的光束的波前差和两个斜坡的倾斜角度及斜坡的长度相关，其倾斜角度越大，斜坡的长度越大，则波前差越大，为了避免光束以预设倾斜角度入射时，波前探测器4无法检测到波前差，需要选用的斜坡的倾斜角度及斜坡的长度能够满足在以预设倾斜角度入射时，出射光波前差大于波前探测器4的测量精度。

应当理解的，预设倾斜角度为入射的光束和垂直全息掩模3的方向的夹角，预设倾斜角度可以理解为全息掩模3对角度的要求。预设倾斜角度和波前探测器4的测量精度可以根据具体工艺要求进行选取，示例性地，预设倾斜角度取0.01°，波前探测器4的测量精度取10nm。当然，预设倾斜角度也可以为0.02°、0.03°、0.05°等，波前探测器4的测量精度也可以为5nm、15nm、20nm等。

全息掩模3上具有图形区，在进行光刻时，光束垂直照射到全息掩模3上后将图形区中的图像投影到硅片上，从而完成对硅片表面的光刻胶层的曝光工艺。在本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置，光束输出部输出的光束经过全息掩模3后，入射到波前探测器4中，由波前探测器4实现对波前的检测。当全息掩模3出现倾斜，光束未能垂直入射时，通过两个斜坡的光程会出现差异，因此经过两个斜坡的光的波前不一致，通过对比这两处波前的差值，调节全息掩模3姿态使其尽可能相等，即当检测到存在波前差时，通过调节工具调节全息掩模3的角度，直至波前差消失或小于设定值，就能实现对掩模一个方向的倾斜角度的检测。

本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置及曝光设备，通过在全息掩模3上添加两个对称的斜坡，使得光束在经过这两个对称的斜坡时，角度的倾斜会在两个斜坡处产生不同的光程差，进而产生两个波前，倾斜角度越大，波前的差值越大，在全息掩模3后放置波前探测器4测量这两个波前，就能实现对全息掩模3的倾斜角度的实时检测，从而对其进行调整。本发明使用斜坡这一简单的结构，不需要进行套刻和大量复杂的采集计算，通过对波前的观察就能实现对全息掩模3角度的测量，因此本发明具有精度高、成本低、操作简单的优点。

在一实施例中，光束输出部包括激光器1和照明光路2，激光器1用于产生光束，照明光路2用于对激光器1产生的光束的波前和半径进行调节并将调节后的光束输出至全息掩模3。

具体地，激光器1可以采用气体激光器1、液体激光器1、固定激光器1、半导体激光器1、化学激光器1等。

照明光路2包括各种元件如透镜、反射镜和光栅等，用于对束波前和光束半径进行调整，使其满足全息掩模3的入射光要求。

光束由激光器1发出，经过照明光路2进行对波前和光束半径的调节，照射到全息掩模3上。

在一实施例中，斜坡为下凹式斜坡或上凸式斜坡。

下凹式斜坡或上凸式斜坡的原理均为在全息掩模3倾斜时两个斜坡的入射角不同进而导致光程差。斜坡的形成方式为：通过直接在全息掩模3上通过向下进行干法或者湿法刻蚀形成下凹式斜坡，形成的下凹式斜坡如图2和图4所示，或者，在全息掩模3上通过干法或者湿法刻蚀形成两个具有斜面的凸台从而形成上凸式斜坡，形成的斜坡如图3、图5和图6所示。

一个斜坡对中两个斜坡的距离不影响检测结果，因此可以间隔设置这两个斜坡，也可以将两个斜坡相互连接设置。

在一实施例中，如图6所示，斜坡为弧线形斜坡。

具体地，弧线形斜坡的斜面为上凸弧线或下凹弧线，其均能改变进入的光束的光程差。当两个斜坡相互对称时，能够形成两个波前，因此也能依据波前差对入射角度进行检测。

在一实施例中，如图2、图3、图4和图5所示，斜坡为直线形斜坡。

直线形斜坡具有固定的倾斜角，方便加工，且经过斜面的光程差和波前方便计算，便于确定斜坡的倾斜角度、长度等参数。

在一实施例中，两个对称的斜坡均设置在全息掩模3的图形区外围的同侧；或两个对称的斜坡分别设置在全息掩模3的图形区外围的两侧。

具体地，如图7和图8所示，两个对称的斜坡为分体式，分别对称设置在全息掩模3的图形区外围的同侧或分别设置在全息掩模3的图形区外围的两侧。或者，如图9所示，两个对称的斜坡为一体式，设置在全息掩模3的图形区外围的同侧。

在一实施例中，斜坡设有两对，一对斜坡相对于第一方向对称设置，另一对斜坡相对于第二方向对称设置，第一方向垂直于第二方向。

具体地，第一方向为左右方向，即横向，第二方向为上下方向，即竖向，每一对斜坡分别能检测一个方向是否垂直，通过在第一方向和第一方向上均设置斜坡对，能够实现两个方向的角度检测并调节，进而调平全息掩模3。

可以理解的，一对斜坡对产生的波前差可能会产生检测误差，因此可以在第一方向或第二方向上均设置两组、三组、四组等多组斜坡对，以减小误差。

在一实施例中，斜坡和全息掩模3为一体式结构。

具体地，可以采用一体成型工艺加工生成斜坡和全息掩模3，在生成全息掩模3的同时，通过干法或者湿法刻蚀形成出对称的两个斜坡。一体式结构的斜坡和全息掩模3，可以方便安装，便于测量。在其他实施例中，斜坡和全息掩模3也可采用分体式结构，通过卡扣或螺栓等连接部件实现斜坡和全息掩模3的安装和连接。

在一实施例中，当斜坡为直线形斜坡时，斜坡的参数满足：

其中，表示均方根，D为全息掩模和波前探测器的距离，d为全息掩模的厚度，为光束入射点到斜坡的起点的长度在平行于全息掩模方向上的投影距离，/>为光束垂直入射到斜坡时的入射角，/>和/>分别为光束垂直入射时在两个对称的斜坡的其中一个斜坡的斜坡面发生折射的折射角以及在空气面发生折射的出射角，/>和/>分别为光束垂直入射时在两个对称的斜坡的另一个斜坡的斜坡面发生折射的折射角以及在空气面发生折射的出射角，/>为预设倾斜角度，/>为波前探测器的测量精度。

具体地，预设倾斜角度和波前探测器4的测量精度可以根据具体工艺要求进行选取，示例性地，预设倾斜角度取0.01°，波前探测器4的测量精度取10nm。当然，预设倾斜角度也可以为0.02°、0.03°、0.05°等，波前探测器4的测量精度也可以为5nm、15nm、20nm等。当预设倾斜角度和波前探测器4的测量精度取不同值时，斜坡的参数可以适应性改变。

下面，以直线形斜坡为例对本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置的工作原理进行说明。

如图10所示，在厚度为的全息掩模3上加工出两个对称的斜坡，全息掩模3和波前探测器4的距离为D，设斜坡长度为/>，倾斜角度为/>，当光束垂直入射到斜坡处，此时入射角为/>，全息掩模3的基底的折射率为/>，在空气中的折射率设为1，光在两种介质传播，在斜坡面上发生折射，折射公式为：

光束通过全息掩模3，在全息掩模3与空气面上再次发生折射，出射角为，此时折射公式为：

计算从斜坡处入射的光线走过的光程，为：

当入射光束和全息掩模3存在一个倾斜角度时，则从斜坡/>处入射的光束走过的光程为：

其中：

对于对称的另一处斜坡，对式（4）、式（5）和式（6）其中的取为/>，两处斜坡在有入射光倾斜角时产生了不同的光程，因此会具有不同的波前。

考虑到波前探测器4的精度一般在级，全息掩模3对角度要求一般在/>，即预设倾斜角度取0.01°，因此对斜坡参数有如下要求：

其中：

表示均方根，且要满足

示例性地，取

经过实验仿真，当全息掩模3倾斜角度极小时，例如全息掩模3的倾斜角度时，从两斜坡的不同位置入射的光线光程分布如图11所示，两斜坡产生的波前之差与掩模倾斜角度之间的关系如图12所示。经过计算，倾斜0.0001°情形下两斜坡的波前的均方根分别为299.0884mm和299.0901mm，差值达到微米级别，波前探测器4的精度一般在十纳米数量级，这一差值能轻易地被波前探测器4分辨，由此可知本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置具有相当高的掩模调平精度。

在一实施例中，斜坡采用直线形斜坡，斜坡的倾斜角为5°至85°，直线形斜坡的长度为0.1mm至10mm。示例性地，斜坡的倾斜角为80°，斜坡的长度为0.15mm，或者，斜坡的倾斜角为5°，斜坡的长度为10mm，或者，斜坡的倾斜角为85°，斜坡的长度为0.10mm。

经过实验仿真，斜坡的倾斜角为5°至85°，直线形斜坡的长度为0.1mm至10mm时，波前探测器4能够准确分辨光束经过两个斜坡的波前差，从而实现倾斜角度识别。

本发明实施例的掩模倾斜角度测量装置采用一对对称的斜坡，由此使得照明光在不垂直通过全息掩模3时会产生一对不同的波前，通过检测波前就能实现对掩模倾斜角度的检测及掩模的调平，实现了对掩模倾斜角度的极高精度测量，该掩模倾斜角度测量装置结构简单，加工成本低；该掩模倾斜角度测量装置通过实时观测两区域波前的变化进行，不需要曝光之后进行检测，不需要任何算法，实时检测，成本低廉，效率高，效果好，具有极高的科研和商用价值。

本发明实施例还提供一种曝光设备，应用于芯片制备工艺，通过该曝光设备对硅片进行曝光工艺，该曝光设备包括上述实施例中的掩模倾斜角度测量装置。

该曝光设备的具体实施方式和有益效果可以参见上述实施例的掩模倾斜角度测量装置，在此不再进行赘述。

以上虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种掩模倾斜角度测量装置，应用于全息掩模倾斜角度测量，其特征在于，包括：

光束输出部，用于输出光束；

全息掩模，设置在所述光束输出部输出的光束的光路上，所述全息掩模上设有至少两个对称的斜坡；

波前探测器，设置在经过所述全息掩模后的光束的光路上，用于测量经过两个所述斜坡的光束的波前；

其中，所述斜坡的参数满足以预设倾斜角度经过两个所述斜坡的光束的波前差大于所述波前探测器的测量精度。

2.根据权利要求1所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述光束输出部包括激光器和照明光路，所述激光器用于产生光束，所述照明光路用于对所述激光器产生的光束的波前和半径进行调节并将调节后的光束输出至所述全息掩模。

3.根据权利要求1所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，

两个对称的所述斜坡均设置在所述全息掩模的图形区外围的同侧；或两个对称的所述斜坡分别设置在所述全息掩模的图形区外围的两侧。

4.根据权利要求1所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述斜坡设有两对，一对所述斜坡相对于第一方向对称设置，另一对所述斜坡相对于第二方向对称设置，所述第一方向垂直于所述第二方向。

5.根据权利要求1所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述斜坡和所述全息掩模为一体式结构。

6.根据权利要求1所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述斜坡为下凹式斜坡或上凸式斜坡。

7.根据权利要求1所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述斜坡为弧线形斜坡或直线形斜坡。

8.根据权利要求7所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述直线形斜坡的参数满足：

其中，表示均方根，D为所述全息掩模和所述波前探测器的距离，d为所述全息掩模的厚度，/>为光束入射点到所述斜坡的起点的长度在平行于所述全息掩模方向上的投影距离，/>为光束垂直入射到所述斜坡时的入射角，/>和/>分别为光束垂直入射时在两个对称的所述斜坡的其中一个斜坡的斜坡面发生折射的折射角以及在空气面发生折射的出射角，/>和/>分别为光束垂直入射时在两个对称的所述斜坡的另一个斜坡的斜坡面发生折射的折射角以及在空气面发生折射的出射角，/>为预设倾斜角度，/>为所述波前探测器的测量精度，/>为所述全息掩模的基底的折射率。

9.根据权利要求8所述的掩模倾斜角度测量装置，其特征在于，所述直线形斜坡的倾斜角为5°至85°，所述直线形斜坡的长度为0.1mm至10mm。

10.一种曝光设备，应用于芯片制备工艺，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的掩模倾斜角度测量装置。