CN1288506C - 光刻设备和装置的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来测量光刻投射装置的投射系统中光学元件位置的位移测量系统。该位移测量系统利用干涉测量原理，包括使用安装在光学元件上的第一衍射光栅和安装在基准框架上的第二衍射光栅。

Description

光刻设备和装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种光刻(lithographic)投射装置，包括：
用来提供投射辐射束的辐射系统；
用来支撑图案化装置的支承结构，其中该图案化装置用以根据所需图案来对投射光束形成图案；
用来固定一基片的基片台；和
用来将形成图案的射束投射在基片目标部分上的投射系统，包括至少一个光学元件；和
用来测量所述至少一个光学元件位置的位移测量系统。
背景技术
此处使用的术语“图案化装置”应当广义地理解为涉及能够使入射辐射束具有图案横截面的装置，其中的图案横截面相当于在基片目标部分要产生的图案；术语“光阀”也用于本文中。一般地，所述图案相当于在目标部分中产生设备内的图案特定功能层，例如集成电路或其它设备(见下文)。这类图案化装置的例子包括：
掩模。掩模的概念在光刻中是公知的，它包括例如双掩模型、交替相移掩模型、衰减相移掩模型，及各种混合掩模型。根据掩模上的图案，在辐射束中这类掩模的设置引起撞击在掩模上的辐射选择性透射(在透射性掩模的情形下)或反射(在反射性掩模的情形下)。在掩模的情形中，支承结构一般是一个掩模台，它确保掩模能够被固定在入射辐射束中的所需位置处，并且确保掩模能够按所需相对于光束移动。
可编程镜列。这类设备的一个实例是带有粘弹性控制层的可寻址矩阵面和反射面。这类装置的基本原理是(例如)反射面的寻址区域反射作为衍射光的入射光，而未寻址区域反射作为非衍射光的入射光。利用合适的滤光器，所述的该非衍射光能够被从反射束中滤除，只留下衍射光；这样，根据可寻址矩阵面的寻址图案，该射束就被形成图案。可编程镜列的一个可选择实例采用微镜的矩阵排列，其中的每一个微镜都能通过施加适当的局部电场或使用压电致动装置而分别沿轴倾斜。再次，这些反射镜是可寻址矩阵，从而寻址镜将沿不同于非寻址镜的方向反射入射辐射束；这样，反射的射束就被根据可寻址镜列的寻址图案来形成图案。所需的寻址矩阵可以使用合适的电子装置来完成。在上述的两种情况中，图案化装置可以包括一个或多个可编程镜列。有关此处提到的镜列的更多信息可以从例如美国专利US5296891和US55231932及PCT专利申请WO98/38597和WO98/33096中获得，这些文献在此包含引作参考。在可编程镜列的情形中，所述支承结构可以具体化为例如随需要被固定或可移动的框架或台。
可编程LCD阵列。在美国专利US5229872中给出这类构造的一个例子，在此包含引作参考。同上，所述支承结构可以具体化为如随需要被固定或可移动的框架或台。
为了简化的目的，本申请文中其他一定的位置具体涉及包括掩模和掩模台的实例；但是，在这些例子中所讨论的一般原理应当被理解为在如上所述图案化装置的更较宽范围内。
光刻投射装置可以用在例如集成电路(ICs)的制造中。在这种情况中，图案化装置可生成相当于IC单层的电路图案，此电路图案可成像在已经涂有辐射敏感材料(抗蚀剂)层的基片(硅片)的目标部分(例如，包括一个或多个模具)上。一般地，单个晶片将包含相邻目标部分的整个网络(network)，其中这些相邻的目标部分由投射系统一次一个的连续辐射。在当前的装置中，通过采用掩模台上的掩模来形成图案，就可以区别出两种不同类型的机器。在一种类型的光刻投影装置中，通过将整个掩模图案一次性暴露在该目标部分上，来照射每个目标部分；这类装置通常被称作圆片分档器。在一种可选择的装置——通常被称作连续扫描装置——中，通过在投射光束下以给定参考方向(“扫描”方向)渐进地扫描掩模图案，并同时沿平行于或反平行于该给定参考方向同步地扫描基片台，来照射每个目标部分；由于一般地，投射系统具有放大系数M(一般＜1)，因此基片台被扫描处的速度是掩模台被扫描处速度的M倍。从例如在此包含引作参考的US6046792可以收集到有关此处描述的光刻装置的更多信息。
在采用光刻投射装置的制作方法中，图案(例如，在掩模中)被成像在至少部分覆盖有辐射敏感材料(抗蚀剂)层的基片上。在此成像步骤之前，基片可以经受各种工艺，例如涂底漆、涂覆抗示剂及软烤。在曝光后，基片可以经受其它的工艺，例如后曝光后烘烤(PEB)、显影、硬烤和成像形体的测量/检查。这组工艺被用作摹制设备单层例如IC单个层的基础。然后，这种图案层可以经受各种处理，像蚀刻、离子注入(掺杂)、喷镀金属、氧化、化学机械抛光等，所有的这些都是用来完成一个单层。如果需要若干层，那么每一新层都得重复该整个过程或者其变型。最终，一组设备就设在基片(晶片)上。然后，通过一种诸如切割或切片的操作技术将这些设备彼此分开，由此单个的设备就可安装在由销等连接的载体上。从例如在此引作参考的书本“微片制作：半导体加工的实用导引”，第三版，Peter van ant，McGraw Hill出版社，1997，ISBN0-07-067250-4，可以获得有关这种加工的进一步信息。
为了简化的目的，在下文中投射系统被称作“透镜”；但是，该术语应当被宽泛理解为包含各种类型的投射系统，例如包括折射光学、反射光学和反折射系统。辐射系统包括依照用来指引、成形或控制透射辐射束的任一设计类型进行操作的部件，这些部件也可以共同地或单个地称作“透镜”。此外，光刻装置可以是具有两个或多个基片台(和/或两个或多个掩模台)的类型。在这种“多级”设备中，可以平行地使用另外的工作台，或者在一个或多个工作台被用于曝光的同时在一个或多个工作台上进行预备的工序。例如，在US5969441和WO98/40791中描述了双级光刻装置，在此包含引作参考。
对于用于集成电路和液晶显示平板及其它类型设备的缩微光刻，其中一个最复杂的要求就是投射系统PL中光学元件的定位。例如，用在传统光刻投射装置内的透镜需要被设置成六个自由度(DOF)内低于10nm的精度。EUV光刻装置必须在投射系统中使用镜列，这是因为还未知任何适合形成EUV折射光学元件的材料并且其必须被保持真空以避免射束的污染和衰减。在EUV系统所用的波长处，需要低于0.1nm的定位精度。
当前，透镜和镜列通过使用一个粗定位致动器在跨越整个工作范围上以微米级予以定位，并用一个精定位致动器串联在该粗定位致动器上。后者用来将粗定位模块的残留误差修正到末位几纳米或视情况修正其尾数，但其仅仅可调节非常有限的移动范围。通常这类致动器包括压电致动器或音圈型电磁致动器。虽然在精模块中的定位通常是在六个自由度内完成，但对于多于两个的自由度却很少需要大范围的移动，从而就大大简化粗模块的设计。
使用已知的位置检测器像干涉仪，很容易就能获得粗定位所需的微米精度。这些检测器可以是单轴设备，每一个测量一个自由度。然而，这些设备是昂贵的、笨重的，不能够进行重复的测量，并且仅能测量位移而不是绝对位置的变化。
另一方面，在所有的六个自由度内，精确定位致动器处光学元件的位置测量需精确到10nm。在当前的需要下，使用电容传感器。
随着更精分辨率的需求，光刻投射辐射的波长已经减至约5至20nm波长的EUV范围。因此，所需的位置精度就变得更加精确。已经发现，因为不能够区分出电容传感器的旋转和位移，所以使用电容传感器就不能获得位置测量所需的精度。此外，电容传感器在整个工作范围内并不是热稳定的。
发明内容
因此，在EUV光刻投射装置中，就需要一种具有比以前所用电容传感器更高分辨率的位移测量系统，它不仅紧凑而且能够用于测量所有六个自由度内光学元件的位置。这些传感器还需要对温度波动不敏感。
本发明的一个目的是提供一种用在光刻投射装置中改进的位移测量系统，特别是一种解决或改善了现有系统所遇到问题的系统。
依照本发明，在如开始段落所述的光刻装置内来获得上述和其它的目标，其特征在于所述的位移测量系统包括安装在至少一个光学元件上的第一衍射光栅，和安装在基准框架上的相联第二衍射光栅，其中所述第一和第二衍射光栅中的一个被设置接收来自另一衍射光栅的衍射光。
这样，利用能获得等于0.1nm精度的干涉测量原理，就可以在一个自由度内可靠地测量出第一衍射光栅安装在其上的光学元件的位置。当该第一衍射光栅相对于第二衍射光栅移动时，由设置用于接收来自另一衍射光栅衍射光的光栅产生光波中的相位差。这些产生的相位差与该衍射光栅相对于另一衍射光栅的位移成比例，由此在使用单场扫描的干涉测量原理下，所测结果可用于精确地测量出光学元件的位置。
本发明的位移测量系统基于SPIES，A.在“用于高分辨率范围的线性和角编码器”书中所描述的原理，精密工程和毫微米技术的进展，Braunschweig，1997，在此包含引作参考。类似的编码器可用于商业，例如德国Traunreut，Johannes Heidenhain Gmbh博士的干涉线性编码器LIP382。
本发明的位移测量系统除良好精度外，该系统还可被制得紧凑，并通过仔细选择各个部件的材料而保持真空和温度稳定。
在一个优选实施例中，每个衍射光栅都具有相联的、带有基准标记的光栅模式，用来确定可移动目标的基准位置。这样，就可以测量出可移动目标的绝对位置。
在一个优选实施例中，该位移测量系统还包括一用来产生源光的光源，所述位移测量系统被设置使得所述光被所述第一和第二衍射光栅的一个衍射，并由此产生第一衍射光信号，该第一衍射光信号被所述第一和第二衍射光栅中的另一个衍射，并由此产生第二衍射光信号，该第二衍射光信号被所述第一和第二衍射光栅中的所述一个衍射，从而产生第三衍射光信号。优选的是，所述第一和第二衍射光栅中的之一是透明衍射光栅，而所述第一和第二衍射光栅中的所述另一个是反射衍射光栅。这样，该位移测量装置就能够保持很小，并且光源和任何光传感器都能够彼此紧邻所述第一和第二衍射光栅的一个来定位。
优选地，该位移测量系统包括至少两个第一衍射光栅和至少两个第二衍射光栅，成对相连的第一和第二衍射光栅被大体正交地安装。这样，就可以在两个自由度内测量光学元件的位置。很显然，通过为每一自由度提供一对第一和第二衍射光栅，就可以在所有六个自由度内测量光学元件的位置。
依照本发明的另一方面，提供一种设备的制作方法，包括步骤：
提供至少部分被辐射敏感材料层覆盖的一基片；
使用一辐射系统来提供投射辐射束；
使用图案化装置来使投射束在其横截面内具有一图案；
使用至少一个光学元件将形成图案的辐射束投射在辐射敏感材料层的一目标部分上；和
测量所述至少一个光学元件的位置；
其特征在于：提供安装在所述至少一个光学元件上的第一衍射光栅和安装在基准框架上的第二衍射光栅；衍射光被所述第一和第二衍射光栅的一个与所述第一和第二衍射光栅的另一个衍射。
尽管在本文中具体涉及依照本发明的装置在ICs制作中的使用，但是应当清楚地理解，这种装置具有许多其它可能的应用。例如，它可以用于集成光学系统、磁畴存储器的引导和探测、液晶显示板、薄膜磁头等。普通技术人员将会理解，在这类可选择应用的范围内，文中任一使用的术语“分划板”、“晶片”或“模具”都可考虑用更一般术语“掩模”、“基片”和“目标部分”的替代。
在本文中，术语“辐射”和“束”被用于包含所有类型的电磁辐射，包括紫外线辐射(例如，具有365、248、193、157或126nm的波长)和远紫外线(EUV)辐射，例如具有5-20nm范围内的，特别是在13nm附近波长)，及粒子束，像离子束或电子束。
附图说明
现在，参看所附的示意图、通过仅为实例的方式来描述本发明的实施例，其中：
图1描绘一个依照本发明一个实施例的光刻投射装置；
图2说明光学元件、基准框架和本发明位移测量系统的并置结构；
图3描绘一种本发明的位移测量系统。
在附图中，相应的参考符号表示对应的部件。
具体实施方式
图1示意性描绘一个依照本发明特定实施例的光刻投射装置。该装置包括：
辐射系统Ex、IL，用来提供投射的辐射(例如EUV辐射)束PB，在此具体情况中该系统也包括辐射源LA；
第一目标台(掩模台)MT，设置有固定掩模MA(例如分划板)的掩模固定器，并连接在用来相对于部件PL精确定位掩模的第一定位装置上：
第二目标台(基片台)WT，设置有固定基片W(例如涂覆抗蚀剂的硅片)的基片固定器，并连接在用有关部件PL精确定位基片的第二定位装置PW上；
投射系统PL(例如镜列组)，用来将掩模MA的辐射部分成像在基片W的目标部分C(例如包括一个或多个模具)上。
如此处所说明的，该装置为反射型(即带有反射掩模)。可是通常情况下，它也可已是例如透射型(带有透射掩模)。可替代地，该装置也可采用另一类图案化装置，例如上述类型的可编程镜列。
辐射源LA(例如激光产生源或发出等离子源)产生辐射束。该辐射束或者直接，或者在经过横向调节装置例如光束扩展器Ex后被引入照明系统(照明器)IL。照明器IL可以包括调整装置AM，用来设置辐射束中强度分布的外部和/或内部辐射范围(通常分别指σ-外和σ-内)。另外，它一般还包括各种其它的部件，像积分器IN和聚光镜CO。这样，打在掩模MA上的辐射束PB就具有横截面内理想的均匀性和强度分布。
对于图1，应当注意，辐射源LA可位于该光刻投射装置的外壳内(例如经常是在辐射源LA是水银灯的情况下)，但是该辐射源LA也可远离该光刻投射装置，其产生的辐射束被引入该装置内(例如在适当的引导镜的辅助下)；该后者的情况经常是辐射源LA是准分子激光器的情形。当前的发明和权利要求包含这两种情况。
辐射束PB随后相交固定在掩模台MT上的掩模MA。辐射束PB在被掩模MA有选择地反射后，经过投射系统PL后聚焦在基片W目标部分C上。在第二定位装置(和干涉测量装置IF)的辅助下，基片台WT就能够被精确地移动，例如以辐射束PB光程中的不同目标部分C。类似地，第一定位装置可根据辐射束PB的光程来精确定位掩模MA；例如，在掩模MA从掩模库机械收回后，或者在扫描期间。一般地，在大行程模块(粗定位)和小行程模块(精定位)的辅助下可以实现目标台MT、WT的移动，这在图1中并未清楚的描绘。但是，在圆片分档器(与步进扫描装置相反)的情况中，掩模台MT可以仅仅与短冲击致动器相连，或被固定。
所述的装置可用在两种不同的模式中：
1.在步进模式中，掩模台基本上保持固定，整个掩模图像一下子(即一次“闪蒸”)被投射在目标部分C。接着基片台WT沿x和/y方向移动，使得其他目标部分C被辐射束PB照射。
2.在扫描模式中，基本上是相同的情况，除了给定目标部分C不是一次“闪蒸”的曝光。作为替代，掩模台MT沿给定的方向(所谓的“扫描方向”，例如，y方向)以速度v移动，使得促使投射束PB扫描整个掩模图像；同时，基片台WT同步地以V＝Mv的速度沿相同或相反方向移动，其中M是透镜PL的放大率(通常，M＝1/4或1/5)。这样，就可以曝光相对大的目标部分C，而不折衷分辨率。
在采用157nm波长辐射的光刻装置中，投射系统PL具有需相对于基准框架30精确定位的一个或多个光学元件(透镜)。随着EUV技术的出现，就必须专门使用镜列替代透镜来聚焦投射系统PL中的射束PB。因此，不仅因为使用更短的辐射波长，投射系统PL内的EUV光学元件需要更高的定位精度，而且因为在反射模式而不是折射模式下使用，该EUV光学元件也需要较高的两个定位精度的因数中的一个。由于提高的分辨率，相应需要更高的精度。因此，尽管并不是专门的，但对于本发明所涉及的EUV型光刻装置，这就是主要的。
投射系统PL中的光学元件经常需要用六个自由度来定位。在EUV装置投射系统PL中的光学元件的情形下，定位精度具有0.1nm级。一般的EUV装置包括投射系统PL中的六个镜，其每一个都用相对于框架30的六个自由度来定位，该框架30用作基准框架。
图2示出了借助致动器40，相对基准框架30的光学元件20的连接(这种设置披露在例如欧洲专利申请号01310781.8中，在此包含引作参考)。同时，图中也说明了位移测量系统50。该位移测量系统50的一部分安装在基准框架30上，而位移测量系统50的另一部分安装在光学元件20上，在当前的实施例中基准框架30是一个投射目标盒30。在该位移测量系统50的两部分之间不存在物理接触。
现在参看图2和3将更加详细地描述该位移测量系统50。该位移测量系统包括安装在光学元件20上的第一衍射光栅51。这可以通过在光学元件20表面上蚀刻衍射图案或通过将衍射光栅分子粘合在反射镜表面来实现。在后者的情况下，衍射光栅可由一种低热膨胀材料像Zerodur(RTM)或ULE(RTM)制得，衍射图可以是铬线。512nm的光栅周期是合适的，同时该衍射光栅是反射衍射光栅。
该位移测量系统50的第二个主要部件是固定在投射目标盒30上的第二衍射光栅52。在图示的实施例中，该第二衍射光栅是具有512nm的光栅周期的透射衍射光栅，即与第一衍射光栅相同但该周期可以更大。优选的是，该第二衍射光栅也是由一种低热膨胀材料像Zerodur(RTM)或ULE(RTM)制得。
这些衍射光栅也可以与光刻投射装置中的分划板相同的方式来制作。虽然第二衍射光栅52的位置被相对于基准框架(即透射目标盒30)固定，但第二衍射光栅52的长度可以短于第一衍射光栅51的长度。事实上，所选第一衍射光栅51与光学元件20所需的移动量相配。在EUV系统中，其大约是1mm。
尽管该位移测量系统50被描述成带有安装在光学元件20上的第一衍射光栅51和安装在投射目标盒30上的相联第二衍射光栅52，但这为非必要情形，该第一衍射光栅51也可安装在投射目标盒30上，而该第二衍射光栅52安装在光学元件20上。然而，所示的实施例是优选的，这是因为此处描述的位移测量系统50其光学部件的额外重量被投射目标盒承担而不通过致动器40被传递。因此，光学元件20的惯性并不会因使用位移测量系统50而显著地增长。
固定连接在该投射目标盒30和该第二衍射光栅52上的其它部件有光源53和包括三个光传感器(二极管)54a、54b和54c的感应系统54。光源53可以远离该位移测量系统以避免局部加热。光可以借助于光纤被传递到位移测量系统。在第二衍射光栅52和光源53及感应系统54之间设置有透镜55，被固定在相对于投射目标盒30的适当位置处，用来将来自光源53的光聚焦到第二衍射光栅52并将来自第二衍射光栅52的衍射光聚焦到传感器54a、54b和54c。
本发明位移测量装置、也可称做干涉线性编码器的功能原则在SPIES，A.的“用于高分辨率范围的线性和角编码器”，精密工程和毫微米技术的进展，Braunschweig，1997中予以详细描述。
光源53提供准直光束，该光束垂直于测量方向并指向第二衍射光栅52，在该第二衍射光栅52处光束被衍射成三阶。零阶被隐藏，并且仅仅第+/-1阶光束作为第一衍射信号传到第一衍射光栅51。在该第一衍射光栅51处，以Littrow排列衍射该第一衍射光信号并被反射形成第二衍射光信号。该第二衍射光信号在第二衍射光栅52上发生干涉，并随着它穿过该第二衍射光栅52被衍射形成第三衍射光信号。该第三衍射光信号被透镜55聚焦到感应系统的三个光探测器54a、54b、54c。
由每个光探测器54a、54b、54c接收的信号都120°相移于由其它两个光探测器54a、54b、54c接收的光信号。如果第一衍射光栅51相对于第二衍射光栅52没有相对移动，则这些传感器的输出就恒定。
来自感应系统的电信号被电子电路转换成正交信号。如第一衍射光栅51相对于第二衍射光栅52有偏移，则传感器54a、54b、54c的输出振荡。当一个衍射光栅相对于另一个移动时，电路输出的正弦和余弦信号就具有四倍于衍射光栅的周期(因为在透明光栅的设置中是双程，所以仅是单程时，电信号具有的周期是光栅周期的两倍)。因此，电子的插入例如214的因子，很容易引起低于0.1nm的测量阶。
第一衍射光栅51可以具有一条或多条邻近该第一衍射光栅51的基准标记和邻近第二衍射光栅52的对应标记，以便光学元件20的绝对位置能够被另一个光探测器(未示出)检测。这些基准标记可被用来产生分离的基准信号。
正如将要理解的，通过使用与其它对衍射光栅正交排列的更多对相联第一衍射光栅51和第二衍射光栅52，光学元件20在不止一个自由度内的位置测量成为可能。两正交对的衍射光栅可以设置在单个外壳上。
同样，应当理解，其它的光学几何也可用在该位移测量系统中。例如，来自光源53的准直光束可以以一个倾斜的角度指向第二衍射光栅52，位于第一衍射光栅51和第二衍射光栅52之间的一棱镜可被用来将第一和第二衍射光信号分别反射至第一和第二衍射光栅。并且，该第二衍射光栅52也可以是反射衍射光栅，许多其它与上述相同原理的不同几何也是可用的。
尽管上面已经描述了本发明的具体实施例，但是应当理解，本发明也可用其他的方式实施而不是如所述的。本说明无意限制本发明。

Claims (10)

1.一种光刻投射装置，包括：
一辐射系统，用来提供投射辐射束；
一支承结构，用来支撑图案化装置，该图案化装置用以根据所需图案来对投射光束形成图案；
一基片台，用来固定基片；
一至少包括一个光学元件的投射系统，用来将形成图案的光束投射在基片的目标部分上；以及
一位移测量系统，用来测量所述至少一个光学元件的位置；
其特征在于：所述位移测量系统包括安装在所述至少一个光学元件上的第一衍射光栅和安装在基准框架上相联的第二衍射光栅，其中所述第一和第二衍射光栅中的一个被设置用来接收来自另一个衍射光栅的衍射光。
2.依照权利要求1的装置，其中每个衍射光栅都具有一个或多个相联基准标记，用来确定所述光学元件的基准位置。
3.依照权利要求1的装置，其中设置所述位移测量系统使得来自一光源的光被所述第一和第二衍射光栅中的一个衍射，并由此产生第一衍射光信号，该第一衍射光信号被所述第一和第二衍射光栅中的另一个衍射，并由此产生第二衍射光信号，该第二衍射光信号被所述第一和第二衍射光栅中的所述一个衍射，从而产生第三衍射光信号。
4.依照权利要求3的装置，其中所述第一和第二衍射光栅中的所述一个是透射衍射光栅，而所述第一和第二衍射光栅中的所述另一个是反射衍射光栅。
5.依照权利要求4的装置，其中所述反射衍射光栅被安装在所述光学元件上。
6.依照权利要求3、4或5的装置，其中所述位移测量系统还包括一用来接收所述第三衍射光信号的感应系统。
7.依照权利要求6的装置，其中所述感应系统包括三个光传感器，其每个光传感器都用来接收与所述三个光传感器的感光性所接收信号有120°相移的光信号。
8.依照权利要求6的装置，其中所述位移测量系统包括一处理器，用来通过内插将来自所述感应系统的信号转换成所述光学元件关于基准框架的位置信息。
9.依照权利要求1、2、3、4或5的装置，其中所述位移测量系统包括至少两个第一衍射光栅和至少两个第二衍射光栅，成对相连的第一和第二衍射光栅被正交地安装。
10.一种设备的制造方法，包括步骤：
提供一至少部分被辐射敏感材料层覆盖的基片；
使用一辐射系统来提供投射辐射束；
使用图案化装置来使投射束在其横截面内具有一图案；
使用至少一个光学元件将形成图案的辐射束投射在辐射敏感材料层的一目标部分上；和
测量所述至少一个光学元件的位置；
提供一测量系统，用来测量所述至少一个光学元件的位置
其特征在于：
所述测量系统包括安装在所述至少一个光学元件上的第一衍射光栅和安装在基准框架上的第二衍射光栅；由所述第一和第二衍射光栅的一个衍射的光被所述第一和第二衍射光栅的另一个衍射。
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