CN117949801A - 标记检测系统及半导体设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种标记检测系统及半导体设备，用于检测待测标记的位置，标记检测系统包括包括照明单元、成像前组、剪切光栅、成像后组及探测单元，照明单元发射光束经待测标记形成衍射光束，衍射光束被成像前组会聚至剪切光栅产生横向剪切，衍射光束被横向剪切后经成像后组在探测单元上形成横向干涉图案，利用横向干涉图案获得待测标记的位置信息。本发明中，不仅可通过待测标记的透过率(反射率)差异或相位差异获得其位置信息，还对两者均具有较高的灵敏度，并且所获得的横向干涉图案还直接包括待测标记的差分干涉信息，有利于提高获得位置信息的处理效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种标记检测系统及半导体设备。
背景技术
在半导体工艺中，业内通常对基板上或掩模板上的标记进行检测以获取其位置信息。
以化学机械研磨工艺中的标记检测为例，基板上的标记在经过平面抛光后，标记与背景同为一种材料，不存在反射率的差异，仅存在高度上的差异，或者高度差较小的标记，若以现有利用反射率或透射率差异的标记检测方式，则其检测效果较差，甚至检测灵敏度低至难以分辨。
发明内容
本发明的目的在于提供一种标记检测系统及半导体设备，以提高标记检测系统对不同标记的检测效果。
为解决上述技术问题，本发明提供的标记检测系统，用于检测待测标记的位置，包括照明单元、成像前组、剪切光栅、成像后组及探测单元，所述照明单元发射的光束经所述待测标记形成衍射光束，所述衍射光束被所述成像前组会聚至所述剪切光栅产生横向剪切，所述衍射光束被横向剪切后经所述成像后组在所述探测单元上形成横向干涉图案，利用所述横向干涉图案获得所述待测标记的位置信息。
可选的，所述待测标记为衍射标记，所述照明单元发射的光束经所述待测标记透射或反射形成所述衍射光束。
可选的，所述待测标记对所述照明单元发射光束进行强度调制和/或相位调制以形成所述衍射光束。
可选的，所述剪切光栅为朗奇光栅。
可选的，所述探测单元获取±1级次及0级次的所述衍射光束所形成的所述横向干涉图案以获得所述待测标记的位置信息。
可选的，所述照明单元包括单色光源及照明镜组。
可选的，所述成像前组及所述成像后组构成4F系统，所述剪切光栅设于所述4F系统的瞳面上。
可选的，所述标记检测系统包括分束棱镜、第一成像支路及第二成像支路，所述衍射光束经所述分束棱镜分光后分别进入所述第一成像支路及所述第二成像支路，所述第一成像支路包括第一成像前组、第一剪切光栅、第一成像后组及第一探测单元，所述第二成像支路包括第二成像前组、第二剪切光栅、第二成像后组及第二探测单元，所述第一剪切光栅及所述第二剪切光栅均为一维光栅且两者的光栅方向正交。
可选的，所述剪切光栅为二维光栅，利用所述探测单元获取所述横向干涉图案的两个光栅方向的位置信息。
基于本发明的另一方面，还提供一种半导体设备，包括标记检测系统，利用所述标记检测系统检测待测标记的位置，所述标记检测系统包括照明单元、成像前组、剪切光栅、成像后组及探测单元，所述照明单元发射的光束经所述待测标记形成衍射光束，所述衍射光束被所述成像前组会聚至所述剪切光栅产生横向剪切，所述衍射光束被横向剪切后经所述成像后组在所述探测单元上形成横向干涉图案，利用所述横向干涉图案获得所述待测标记的位置信息。
综上所述，本发明提供的标记检测系统及半导体设备，通过照明单元发射的光束经待测标记衍射形成衍射光束，所形成的衍射光束携带待测标记的透过率(反射率)差异信息或相位差异信息，再利用剪切光栅对衍射光束再次衍射并产生横向剪切，衍射光束被横向剪切后经成像后组在探测单元上干涉形成横向干涉图案，也即横向干涉图案包括待测标记的由透过率差异信息或相位差异信息而成的差分干涉信息，通过获取该差分干涉信息即可获得待测标记的边缘突变信息，并进而获得待测标记的位置信息。相较于利用待测标记的透过率差异而直接成像获得位置信息的方法，本发明不仅可通过待测标记的透过率(反射率)差异或相位差异获得其位置信息，还对两者均具有较高的灵敏度，并且所获得的横向干涉图案还直接包括待测标记的差分干涉信息，有利于提高获得位置信息的处理效率。
附图说明
本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明构成任何限定。其中：
图1是实施例一提供的标记检测系统的结构图；
图2是实施例一提供的待测标记的剖视示意图；
图3是实施例一提供的一种待测标记的俯视示意图；
图4是实施例一提供的另一种待测标记的俯视示意图；
图5是实施例一提供的剪切光栅的示意图；
图6是实施例二提供的标记检测系统的结构图；
图7是实施例三提供的标记检测系统的结构图；
图8是实施例四提供的剪切光栅的示意图。
附图中：
10-照明单元；11-光源；12-照明镜组；20-待测标记；21-低区；22-高区；31-成像前组；32-成像后组；33-探测单元；40-剪切光栅；34-第一分束棱镜；35-第二分束棱镜；50-第一成像支路；51-第一成像前组；52-第一剪切光栅；53-第一成像后组；54-第一探测单元；60-第二成像支路；61-第二成像前组；62-第二剪切光栅；63-第二成像后组；64-第二探测单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
应当明白，当元件或层被称为"在…上"、"连接到"其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、连接其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为"直接在…上"、"直接连接到"其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。空间关系术语例如“在……之下”、“在下面”、“下面的”、“在……之上”、“在上面”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在……之下”、“在下面”、“下面的”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的"一"、"一个"和"所述/该"也意图包括复数形式，除非上下文清楚的指出另外的方式。还应明白术语“包括”用于确定可以特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语"和/或"包括相关所列项目的任何及所有组合。
实施例一
图1为实施例一提供的标记检测系统的结构图。
如图1所示，本实施例提供的标记检测系统，检测待测标记的位置，包括依次设置的照明单元10、成像前组31、剪切光栅40、成像后组32及探测单元33，照明单元10发射光束经待测标记20形成衍射光束，衍射光束被成像前组31会聚至剪切光栅40产生横向剪切，衍射光束被横向剪切后经成像后组32在探测单元33上形成横向干涉图案，利用横向干涉图案获得待测标记20的位置信息。
请继续参照图1，照明单元10可包括光源11及照明镜组12，利用照明镜组12将光源11发出的光整形为准直光束，以便形成远场衍射。其中，光源11优选为单色光源11，以提高光束的相干性，有利于所形成图案的质量。待测标记20可为设于基板、工件台或掩模板上的衍射标记，利用照明单元10的发射光束在待测标记20处衍射形成衍射光束，使得衍射光束携带待测标记20的信息，从而可在后续利用其所携带的信息获得待测标记20的位置。
图2为本实施例中待测标记20的示意图。请参照图2，可采用同种材料形成具有一定高度差的待测标记20，包括若干高区22及若干低区21周期性排列，其中，其低区21可类似于狭缝。穿过待测标记20的光束因待测标记20的不同区域的透过率差异较小难以形成振幅差异(明暗强度差异)，但穿过待测标记20的光束却可因待测标记20的不同区域的相位差异(厚度差异)而发生衍射，并利用所形成的衍射光束携带待测标记20的相位差异信息(相位调制)，即待测标记20所在区域的边缘突变信息。而且，待测标记20的图案尺寸还需满足衍射条件，以作为衍射标记，以图2中间隔设置的若干条状图案(低区)为标记为例，条状图案的尺寸及排布周期可为λ～1000*λ，λ为单色光源波长。当然，待测标记20的不同区域的透过率存在差异，穿过待测标记20的光束可因待测标记20的不同区域的透过率差异较小而发生衍射，利用所形成的衍射光束携带待测标记20的透过率差异信息(强度调制)也是可行的。
此外，在一些实施例中，如图3所示，待测标记20还可包括同一方向的至少两个间隔设置的不同区域(连续设置的高区22及低区21)；在另一些实施例中，如图4所示，待测标记20还可包括不同方向设置(例如正交设置)的不同区域。
请继续参照图1，待测标记20包括多个低区21(以下称为狭缝)，透射过待测标记20的每个狭缝的光束可包括沿光轴传播的0级次、与光轴呈第一夹角的±1级次及与光轴呈第二夹角的±2级次等的多级次的衍射光束，当然所形成的衍射光束还包括过狭缝后光束之间的干涉。本实施例中，选取通过中间位置(光轴)的狭缝的衍射光束加以说明，0级次的衍射光束经成像前组31会聚至剪切光栅40处再次发生衍射(横向剪切)形成(0，0)级次、(0，+1)级次及(0，-1)级次等级次的衍射光束，同理，+1级次的衍射光束在剪切光栅40后再次衍射形成(+1，0)级次、(+1，+1)级次及(+1，-1)级次等级次的衍射光束，-1级次的衍射光束在剪切光栅40后再次衍射形成(-1，0)级次、(-1，+1)级次及(-1，-1)级次等级次的衍射光束。，上述再次衍射所形成的衍射光束经成像后组32准直为平行光，并存在部分交叠而产生干涉，在探测单元33的探测面上形成横向干涉图案，该些再次衍射后的衍射光束在探测面上存在横向剪切位移。其中，成像前组31和成像后组32构成4F系统，待测标记20可位于4F系统的物面上，剪切光栅40位于4F系统的瞳面上，探测单元33的探测面可位于4F系统的像面上。
如图5所示，剪切光栅40可为朗奇光栅，其光栅的透光部分和遮光部分的宽度相等(占空比为50％)。该剪切光栅40可为一维光栅，其光缝的延伸方向(光栅方向)尽量与待测标记20的狭缝的延伸方向平行。剪切光栅40的光栅常数可与单色光源11的波长、待测标记20的狭缝宽度、成像前组31及成像后组32等相匹配，以提供合适的横向剪切量，以利于获得高质量的横向干涉图案。特别的，还可设置剪切光栅40的光栅常数与成像前组31(镜头)的NA值相匹配，以将高级次的衍射光束投射于剪切光栅40之外，即过滤掉较高级次的衍射光束，只允许低级次的衍射光束(包括再次衍射后的低级次衍射光束)通过，减少对成像系统的干扰，从而提高成像质量。本实施例中，单色光源11的波长可为λ(例如绿光，500nm～560nm)，光学系统(前述的4F系统)的数值孔径可为NA，则待测标记20的光栅常数d可大于或等于1.22*λ/NA，剪切光栅40的光栅常数可为d～2*d(d为待测标记20的光栅常数)，可使0级次及±1级次的衍射光束透过剪切光栅40，并避免其他级次的衍射光束进入成像系统引起干扰。
所形成的横向干涉图案可例如包括若干间隔分布的条状光斑，探测单元33可为线扫传感器，例如线阵CCD，以便于获取条状光斑的图形信息。
其中，以通过中间位置(光轴)狭缝的衍射光束为例，其所形成的横向干涉图案可包括两个成像波形，该两个成像波形由(0，0)级次、(0，+1)级次、(0，-1)级次、(+1，0)级次、(+1，+1)级次、(+1，-1)级次、(-1，0)级次、(-1，+1)级次、(-1，-1)级次的衍射光束干涉(差分干涉)而成，即类似于同源的多个衍射光束作差分运算而形成。换言之，该两个成像波形的形成与相应狭缝的边缘突变信号直接相关，通过对该两个成像波形分别进行检测定位再求取两者位置的平均值即可获得对应狭缝的位置信息。同理，对其他狭缝的成像波形进行类似操作即可获得待测标记20的所有狭缝的位置信息，从而实现了待测标记20的位置检测。
以本实施例中的待测标记20对照明单元10发射的光束进行相位调制为例，相较于利用待测标记20的透过率差异所得的检测信息，由狭缝所获得的横向干涉图案所包括狭缝的边缘突变信息为相位信息，不仅可实现较高灵敏度的检测，还可不用牺牲部分成像NA值提供照明以便于获取其透过率差异。而且，在本实施例的检测方法中，横向干涉图案直接包括狭缝的边缘突变信息，对其成像波形进行简单处理即可获得待测标记20的位置信息，具有较高的处理效率。应理解，若利用待测标记的透过率差异而直接成像，在获取其成像信息后，还需对成像信息进行求导，再获取其梯度特征信息后，再利用梯度特征信息获得狭缝的边缘突变信息。此外，在利用待测标记的透过率差异进行直接成像时，若待测标记的透过率差异较小，甚至难于获得其求导信息，若牺牲部分成像NA值以提供部分照明以增强对比度，又将影响成像系统的成像质量。
实施例二
图6为实施例二提供的标记检测系统的结构图。
如图6所示，实施例二提供的标记检测系统与实施例一的标记检测系统类似，其差异主要在于照明单元10发射的光束在待测标记20的表面反射形成携带其信息的衍射光束，并因此在照明单元10、待测标记20及成像前组31之间设置有第一分束棱镜34以实现反射式照明。
实施例三
图7为实施例三提供的标记检测系统的结构图。
如图7所示，实施例三提供的标记检测系统与实施例一及实施例二的标记检测系统类似，其采用反射式照明，并设置有第一成像支路50及第二成像支路60，分别对待测标记20两个方向的位置信息进行检测。在实际中，待测标记20可例如为如图5所示的标记，其包括沿两个正交方向设置的若干狭缝，从两个方向对待测标记20进行位置检测以提高位置检测的精度及可靠性。
具体的，实施例三提供的标记检测系统包括照明单元10、第一分束棱镜34、待测标记20、第二分束棱镜35、第一成像支路50及第二成像支路60。照明单元10发射的光束经第一分束棱镜34反射至待测标记20的表面，经待测标记20反射后携带其信息后，再穿过第一分束棱镜34，入射至第二分束棱镜35并分光进入第一成像支路50及第二成像支路60。第一成像支路50包括第一成像前组51、第一剪切光栅52、第一成像后组53及第一探测单元54，第二成像支路60包括第二成像前组61、第二剪切光栅62、第二成像后组63及第二探测单元64。其中，第一剪切光栅52及第二剪切光栅62均为一维光栅，其两者的光栅方向分别与待测标记20的两个狭缝方向中的一个相平行。此外，第一剪切光栅52及第二剪切光栅62的光栅常数还可根据待测标记20两个方向的狭缝的宽度分别进行设置。此外，在本实施例的其他示例中，还可采用透射式照明，即取消第一分束棱镜34，且照明光源11位于待测标记20的相对第二分束棱镜35的一侧。
实施四
实施例四提供的标记检测系统与实施例三的标记检测系统类似，其仅有一个成像支路，但其剪切光栅可为二维光栅，可将包括待测标记两个方向的信息衍射光束进行衍射及干涉，形成包括两个方向的位置信息的横向干涉图案，从而对待测标记两个方向的位置信息进行检测。
具体的，如图8所示，剪切光栅可为棋盘格光栅，棋盘格光栅在两个光栅方向上的图形间距可分别与待测标记两个方向的狭缝宽度相匹配。
当然，本实施例的标记检测系统还可为实施一所示的透射式照明或者如实施例二所示的反射式照明。
实施五
实施例五提供了一种半导体设备。实施例五提供的半导体设备包括如上述的标记检测系统，用于在半导体设备中检测标记的位置以实现相应部件定位及对准，以便执行相应的半导体工艺。该半导体设备可如为光刻设备、激光扫秒退火等。
综上所述，本发明提供的标记检测系统及半导体设备，通过照明单元发射的光束经待测标记衍射形成衍射光束，所形成的衍射光束携带待测标记的透过率(反射率)差异信息或相位差异信息，再利用剪切光栅对衍射光束再次衍射并产生横向剪切，衍射光束被横向剪切后经成像后组在探测单元上干涉形成横向干涉图案，也即横向干涉图案包括待测标记的由透过率差异信息或相位差异信息而成的差分干涉信息，通过获取该差分干涉信息即可获得待测标记的边缘突变信息，并进而获得待测标记的位置信息。相较于利用待测标记的透过率差异而直接成像获得位置信息的方法，本发明不仅可通过待测标记的透过率(反射率)差异或相位差异获得其位置信息，还对两者均具有较高的灵敏度，并且所获得的横向干涉图案还直接包括待测标记的差分干涉信息，有利于提高获得位置信息的处理效率。
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做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种标记检测系统，用于检测待测标记的位置，其特征在于，包括照明单元、成像前组、剪切光栅、成像后组及探测单元，所述照明单元发射的光束经所述待测标记形成衍射光束，所述衍射光束被所述成像前组会聚至所述剪切光栅产生横向剪切，所述衍射光束被横向剪切后经所述成像后组在所述探测单元上形成横向干涉图案，利用所述横向干涉图案获得所述待测标记的位置信息。
2.根据权利要求1所述的标记检测系统，其特征在于，所述待测标记为衍射标记，所述照明单元发射的光束经所述待测标记透射或反射形成所述衍射光束。
3.根据权利要求1所述的标记检测系统，其特征在于，所述待测标记对所述照明单元发射光束进行强度调制和/或相位调制以形成所述衍射光束。
4.根据权利要求1所述的标记检测系统，其特征在于，所述剪切光栅为朗奇光栅。
5.根据权利要求4所述的标记检测系统，其特征在于，所述探测单元获取±1级次及0级次的所述衍射光束所形成的所述横向干涉图案以获得所述待测标记的位置信息。
6.根据权利要求1所述的标记检测系统，其特征在于，所述照明单元包括单色光源及照明镜组。
7.根据权利要求1所述的标记检测系统，其特征在于，所述成像前组及所述成像后组构成4F系统，所述剪切光栅设于所述4F系统的瞳面上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的标记检测系统，其特征在于，所述标记检测系统包括分束棱镜、第一成像支路及第二成像支路，所述衍射光束经所述分束棱镜分光后分别进入所述第一成像支路及所述第二成像支路，所述第一成像支路包括第一成像前组、第一剪切光栅、第一成像后组及第一探测单元，所述第二成像支路包括第二成像前组、第二剪切光栅、第二成像后组及第二探测单元，所述第一剪切光栅及所述第二剪切光栅均为一维光栅且两者的光栅方向正交。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的标记检测系统，其特征在于，所述剪切光栅为二维光栅，利用所述探测单元获取所述横向干涉图案的两个光栅方向的位置信息。
10.一种半导体设备，其特征在于，包括标记检测系统，利用所述标记检测系统检测待测标记的位置，所述标记检测系统包括照明单元、成像前组、剪切光栅、成像后组及探测单元，所述照明单元发射的光束经所述待测标记形成衍射光束，所述衍射光束被所述成像前组会聚至所述剪切光栅产生横向剪切，所述衍射光束被横向剪切后经所述成像后组在所述探测单元上形成横向干涉图案，利用所述横向干涉图案获得所述待测标记的位置信息。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211351801.3A CN117949801A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 标记检测系统及半导体设备 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202211351801.3A CN117949801A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 标记检测系统及半导体设备 |
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| CN117949801A true CN117949801A (zh) | 2024-04-30 |
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Family Applications (1)
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2022
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