TWI627513B - 用於感測或判定一工件之對準及高度之器件及方法、對準感測器及電子束微影之裝置 - Google Patents

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Abstract

一實施例係關於一種感測一工件之對準及高度之器件。該器件可包含一對準感測器及一高度感測器兩者。該對準感測器產生照亮該工件之一對準標記以便產生一第一反射束之一第一照明束，且使用該第一反射束來判定該工件之對準。該高度感測器產生依一斜角導引至該工件之一表面以便形成一第二照明點之一第二照明束，且使該第二照明點成像以判定該工件之高度。本發明亦揭示其他實施例、態樣及特徵。

Description

用於感測或判定一工件之對準及高度之器件及方法、對準感測器及電子束微影之裝置 [政府授權]
本發明依據由DARPA授予之第HR0011-07-9-007號協議獲得政府支援。政府享有本發明之某些權利。
[相關申請案之交叉參考]
本申請案主張發明者Mark McCord及Joe Di Regolo於2013年10月8日申請之臨時美國專利申請案第61/888,385號之權利，該案之全文以引用的方式併入本文中。
本文揭示係關於用於對準及高度感測之裝置及方法。
一習知微影程序包含：圖案化地暴露一光阻劑以允許選擇性地移除該光阻劑之部分，藉此暴露用於選擇性處理(諸如蝕刻、材料沈積、離子植入等等)之下伏區域。通常，微影程序利用紫外光選擇地性暴露來光阻劑。
另外，帶電粒子束(例如電子束)已用於高解析度微影光阻暴露。基於電子束之微影系統之使用允許依相對較低功率及相對較高速率相對準確地控制電子束。電子束微影系統可包含電子束直寫(EBDW)微影系統及電子束投射微影系統。
一實施例係關於一種感測一工件之對準及高度之器件。該器件 可包含一對準感測器及一高度感測器。該對準感測器產生照亮該工件之一對準標記以便產生一第一反射束之一第一照明束，且使用該第一反射束來判定該工件之對準。該高度感測器產生依一斜角導引至該工件之一表面以便產生一第二反射束之一第二照明束，且偵測該第二反射束以判定該工件之高度。
另一實施例係關於一種用於判定一工件之一對準及高度之方法。產生一第一照明束。該第一照明束經塑形以在該工件上形成一第一照明點。該第一照明點可有利地具有一形狀，其包括平行於該工件之一矩形對準標記之一長邊的照明之一長軸及平行於該矩形對準標記之一短邊的照明之一短軸。從該第一照明點獲得一第一反射束，且該第一反射束用於判定該對準。產生一第二照明束且依一斜角將該第二照明束導引至該工件之一表面，使得一第二照明點形成於該工件之該表面上。該第二照明點經成像以便判定該表面之一高度。
另一實施例係關於一種用於電子束微影之裝置。該裝置包含在至少一維度上依一節距間隔之複數個電子束微影柱。該裝置進一步包含用於判定該複數個電子束微影柱之一對準之複數個對準感測器。該複數個對準感測器之各對準感測器產生照亮一晶圓上之一對準標記以便產生一第一反射束之一第一照明束，且使用該第一反射束來判定該晶圓之該對準。該裝置進一步包含可在該一維度上移動之複數個置物台，該複數個感測器安裝於該複數個置物台上，其中該複數個置物台在該一維度上依該節距間隔。
另一實施例係關於一種對準感測器。一照明系統產生一塑形照明束且聚焦該塑形照明束以在工件之一對準標記上形成一照明點，其中該照明點具有一形狀，該形狀包括平行於該對準標記之一矩形之長邊的照明之一長軸及平行於該對準標記之該矩形之短邊的照明之一短軸。一偵測系統從該照明點偵測一反射束以判定該工件之一對準。
另一實施例係關於一種用於感測一工件之一高度之方法。產生一照明束且依一斜角將該照明束導引至該工件之一表面，使得一照明點形成於該工件之該表面上。從該照明點偵測一反射束以便獲得一成像點。產生該成像點之一微分信號，且將一臨限值應用於該微分信號以建構一點輪廓。判定該點輪廓之一中心位置，且該中心位置用於判定該工件之該高度。
本發明亦揭示其他實施例、態樣及特徵。
110‧‧‧對準感測器
111‧‧‧照明束
112‧‧‧照明源
114‧‧‧照明透鏡/照明光學器件
116‧‧‧照明孔隙
118‧‧‧分光鏡
120‧‧‧物鏡
121‧‧‧反射束
122‧‧‧第一聚焦透鏡
124‧‧‧參考光柵
125‧‧‧繞射束
126‧‧‧第二聚焦透鏡
128‧‧‧偵測器
150‧‧‧工件
152‧‧‧對準標記
200‧‧‧高度感測器
202‧‧‧照明源
204‧‧‧照明透鏡
206‧‧‧偵測透鏡
208‧‧‧偵測器
210‧‧‧表面
302‧‧‧點/不對稱點影像
304‧‧‧點中心
306‧‧‧點輪廓
308‧‧‧正中心
400‧‧‧組合對準及高度感測器
502‧‧‧度量框架
504‧‧‧微影柱
506‧‧‧可移動置物台
508‧‧‧感測器
510‧‧‧照明束
512‧‧‧成角反射器
圖1A係展示根據本發明之一實施例之一對準感測器之一照明束的一光線圖。
圖1B係展示根據本發明之一實施例之對準感測器之一反射束的一光線圖。
圖1C係展示根據本發明之一實施例之對準感測器之照明束及反射束的一光線圖。
圖2係根據本發明之一實施例之一高度感測器之一光線圖。
圖3描繪根據本發明之一實施例之一不對稱點影像、一習知判定之點中心及一正確判定之點中心。
圖4描繪根據本發明之一實施例之一組合對準及高度感測器。
圖5係根據本發明之一實施例之利用組合對準及高度感測器之微影柱之一配置之一示意圖。
通常，在製造及其他程序中高度地期望或需要準確及精確地對準一工件。在一例示性應用中，該工件可為其上製造積體電路之一半導體晶圓。在本文中，對準感測器可為可使用成像、繞射或光干涉來判定晶圓上之一標記之相對位置的一光學感測器。
圖1A係展示根據本發明之一實施例之在一工件150上之一對準標 記152上形成一照明點之一對準感測器110之一照明束的一光線圖。如圖中所展示，對準感測器110之照明路徑可包含一照明源112、一(或若干)照明透鏡114、一照明孔隙116、一分光鏡118及一物鏡120。
可使用照明源112、一(或若干)照明透鏡114及照明孔隙116來產生一照明束111。照明束111可藉由分光鏡118而反射或部分反射朝向物鏡120。物鏡120聚焦照明束111以在工件150之表面上形成一光點影像。
在一例示性實施方案中，對準標記152可為矩形輪廓形狀，其具有小於被製造之一半導體晶圓上之晶粒之間之劃線之寬度的一較短邊。對準標記152可位於水平劃線及垂直劃線兩者上。對於一水平劃線上之一對準標記，標記152之矩形輪廓之較短邊係在垂直維度上。對於一垂直劃線上之一對準標記，標記152之矩形輪廓之較短邊係在水平維度上。
由照明源112產生之照明可為白光、來自一雷射或二極體之單色光、或一多頻譜照明。雖然習知對準感測器使用一圓形對稱照明點，但根據本發明之一實施例，本文所揭示之對準感測器可使用一橢圓形或矩形照明點以便提供一改良信雜比。橢圓或矩形之較小尺寸係在相同於對準標記152之矩形輪廓之較短邊的維度上。此一橢圓形或矩形照明點可用於最大化標記上之照明(以便最大化信號強度)，同時最小化標記外之照明(其將促成雜訊)。
在一實施例中，可使用照明光學器件中之一柱面透鏡114來產生橢圓形或矩形照明點。在另一實施例中，可使用一影像平面處之一塑形照明孔隙116來產生橢圓形或矩形照明點。在另一實施例中，可使用一塑形照明源112來產生橢圓形或矩形照明點。
當在積體電路晶粒之間之水平劃線及垂直劃線兩者上實施對準標記152時，可採用使點軸旋轉90度之一機構。例如，若照明光學器 件中之一柱面透鏡114用於產生橢圓形或矩形照明點，則可使該柱面透鏡旋轉90度。若一塑形照明孔隙116用於產生橢圓形或矩形照明點，則可使塑形照明孔隙116旋轉90度。若一塑形照明源112用於產生橢圓形或矩形照明點，則可使塑形照明源112旋轉90度。替代地，並非使點軸旋轉90度，而是可使用具有一交叉圖案或一L形圖案之一固定照明點。另一實施例並非使點軸旋轉，而是可在兩個定向上具有電交換(光源)或機械交換(透鏡、孔隙或光源)之兩個塑形透鏡、孔隙或光源。
圖1B係展示根據本發明之一實施例之對準感測器110之一反射束的一光線圖。如圖中所描繪，反射束121由從工件150上之對準標記152反射或繞射之光形成。
反射束121可由物鏡120聚焦且被透射或部分透射穿過分光鏡118。一第一聚焦透鏡122將透射穿過分光鏡118之反射束121聚焦至一參考光柵124上。
參考光柵124繞射光以便形成一繞射束125。由一第二聚焦透鏡126將繞射束125聚焦至一偵測器128上。對準標記及參考光柵經協調使得來自偵測器128之信號指示照明束相對於照明標記之對準。
圖1C係展示根據本發明之一實施例之對準感測器110之照明束111及反射束121的一光線圖。如圖中所展示，分光鏡118允許照明束及反射束兩者之光路徑穿過物鏡120。
根據本發明之一實施例，可依至少三種方式實現改良效能。首先，對準感測器110可提供足以一次性照亮整個對準標記152之一照明點。此有利地促進平均化由線邊緣粗糙度所致之誤差及標記製造中之隨機放置誤差。其次，可在晶圓上沿水平方向或垂直方向掃描照明點。當置物台僅沿一方向移動時，此允許讀取放置於水平劃線或垂直劃線中之對準標記。再者，若局部光功率密度係一限制，則可藉由增 強光功率而改良對準感測器110之效能。此減少短雜訊效應及偵測器電子雜訊之相關影響。
在一些應用中，對準標記152並非被靜態地照亮，而是可由相對於工件150移動之一照明點掃描。該相對移動可歸因於晶圓置物台相對於對準感測器110之移動。
對於一圓形照明點，對準標記152應被平行於其長軸而掃描以最大化用於最佳標記偵測準確度之信號收集時間。然而，對於經不對稱地塑形以匹配對準標記152之形狀及尺寸的一照明點，可沿具有等效或接近等效準確度之方向而掃描標記。
在另一實施例中，對準標記152之反射束121並非如圖1A至圖1C中所展示般繞射穿過一參考光柵，而是可將對準標記152成像於二維偵測器(例如一2D CCD陣列)上。
圖2係根據本發明之一實施例之一高度感測器200之一光線圖。高度感測器200可用於判定工件150相對於高度感測器200之距離(若高度感測器200垂直地位於工件150上方，則距離沿垂直方向)。
如圖中所描繪，高度感測器200可包含一照明源202、一照明透鏡204、一偵測透鏡206及一偵測器208。照明源202產生由照明透鏡204聚焦至工件150之表面210之一點上之一入射光束。該入射光束可依一掠射或傾斜(非法線方向)入射角照射表面210，且依一對應反射角從表面210反射。由偵測透鏡206將反射光聚焦至偵測器208上。
根據本發明之一實施例，偵測器208可為沿兩個維度進行位置感測之二維(2D)偵測器。例如，偵測器208可為一2D電荷耦合器件(CCD)成像感測器。可利用2D偵測器之一開窗能力以便藉由忽略窗外之偵測器像素而提供一較高圖框速率，其中基於與點302之位置、尺寸及形狀有關之已知資訊而設定窗口。
在一習知裝置中，若存在形成於晶圓上之既有圖案，則此一2D 偵測器易於讀取錯誤。此歸因於既有圖案使反射束之強度及對稱性失真。歸因於由既有圖案引起之晶圓反射率變動或繞射效應之誤差引起晶圓高度讀取之一明顯移位。
本發明提供一解決方案，即使晶圓上存在一既有圖案，該解決方案亦提供一準確晶圓高度讀取。作為一實例，考量圖3之左邊上所展示之不對稱點影像302，其可藉由高度感測器200而形成於工件150之表面210上。如上文所討論，不對稱點影像302可歸因於一晶圓圖案效應。
圖3之中間展示一不對稱點影像302之一點中心304之一習知判定。因為點302之不對稱強度，所以點中心304從點之正中心偏移。在此情況中，由於點302之左側上之強度較高，所以點中心304從正中心向左移位。
根據本發明之一實施例，圖3之右側上繪示用於判定點302之正中心308之一方法。在此方法中，邊緣偵測可用於判定一點輪廓306。若偵測器信號係類比的，則邊緣偵測可涉及將一微分形成電路應用於偵測器信號以便產生一微分信號。若偵測器信號係數位的，則邊緣偵測可涉及數位地產生微分信號。微分信號指示「邊緣」，其係點輪廓306之潛在位置。其他運算法亦可用於估算點之真實位置(即，不存在圖案雜訊時之點之位置)。一臨限值可應用於微分信號以便建構點輪廓306。點302之真實尺寸及形狀之知識可用於建構點輪廓306。可藉由定位點輪廓306之一中心308而判定點302之一正中心。
接著，可從中心308之位置判定工件之高度。例如，中心308距離照明透鏡204越近，則工件之高度越高。另一方面，中心308距離偵測透鏡206越近，則工件之高度越低。
在一替代實施例中，一維(1D)偵測器可用於偵測器208，例如一1D CCD或CMOS成像感測器。雖然可由一2D偵測器執行更準確高度 感測，但使用一1D偵測器有利地提供一較高圖框速率且使用較少系統頻寬。對於一1D偵測器，微分信號指示邊緣點(其係點302之端點(極端)之潛在位置)，且臨限值應用可用於從邊緣點選擇點302之端點(即，1D中之點之「輪廓」)。接著，可將點302之正中心308判定為位於端點之間之一中點處。
在另一可行偵測器組態中，可由一偵測系統監測沿感測器之移動軸間隔之照明影像平面處之兩個孔隙。該偵測系統可實施為(例如)兩個位置感測偵測器、或兩個雙單元偵測器、或一CCD或CMOS成像感測器。可將該兩個孔隙之間隔設定為足夠遠以減少由改變橫跨間隔孔隙之能量展佈所致之任何下伏圖案相依之繞射。例如，一下伏圖案可為位於一光阻層下方之一圖案化層。若高度感測器200之光學組態係遠心的，則當晶圓位置改變或傾斜時，間隔及放大率應保持恆定。
高度感測器200之照明分枝及或投射分枝中之一偏光濾波器可經提供以減少下伏圖案(例如位於一光阻表面下方之圖案化層)之效應。該偏光濾波器藉由增加光阻表面處之「S」偏振之反射率而完成此功能。另外，相對於晶圓之入射角亦可經減小以改良光阻表面之反射率以便減少下伏圖案之效應。
圖4描繪根據本發明之一實施例之一組合對準及高度感測器400。組合感測器400可經操作以同時判定對準及高度兩者。
如圖中所展示，組合感測器400包含對準感測器100及高度感測器200兩者之組件。為最小化空間、成本且最大化準確度，高度感測器200之光學器件及對準感測器100之光學器件可共用相同光軸。圖2中描繪高度感測器200之光軸，且圖1B中描繪對準感測器之光軸。可根據光學及機械設計而共用或不共用光學組件。
在組合對準及高度感測器400之一實施例中，可將一或多個濾波器新增至對準感測器100及/或高度感測器200之光學器件。該等濾波 器可有利地用於防止來自高度感測器之光使對準信號降級且亦防止來自對準感測器之光使高度感測器讀取降級。
圖5係根據本發明之一實施例之利用多個感測器508之微影柱504之一配置之一示意圖。如圖中所描繪，各種組件可安裝於一度量框架502上。度量框架502可用於維持組件之位置及對準。
在一實施例中，多個感測器508可用於對準，因此，各感測器508可包含上文所描述之對準感測器100之組件。如圖中所描繪，來自感測器508之各者之一照明束510(在頁面中)可藉由一成角反射器512而90度偏轉(以便垂直於頁面)至一半導體晶圓(其上製造電路)上之一對準標記上。
多個感測器508可安裝於一可移動置物台506上。各置物台506可在一維度上移動以便調整一感測器508之一位置。特別言之，感測器508可經移動以便調整感測器508之間之節距(沿圖5之垂直方向)。在一實施方案中，感測器508之間之節距可匹配被製造之一矽晶圓上之晶粒(或「溝道」)節距。當節距匹配時，所有感測器508可同時讀取對準標記。此有利地減少總量測時間。
因為必須精確地獲知所有軸中之對準感測器之位置，所以電容或干涉感測器可用於準確地量測各感測器508之位置。感測器位置量測可根據需要包含x軸、y軸及z軸上之量測及末端及傾斜之量測。
雖然圖5展示一第一維度上之感測器508之一線性陣列(其匹配該第一維度上之微影柱504之節距)，但本發明之另一實施例可具有一第二(垂直)維度上之感測器508之一第二線性陣列(其匹配該第二維度上之微影柱504之節距)。

Claims (28)

  1. 一種感測一工件之對準及高度之器件，該器件包括：一對準感測器，其產生一第一照明束，該第一照明束形成具有照明之一長軸及照明之一短軸的一第一照明點，該第一照明點照亮該工件上之一對準標記以便產生一第一反射束，且使用一偵測器偵測該第一反射束，該偵測器產生指示該第一照明束相對於該對準標記之對準的一信號，其中該對準感測器包含用於可控制地旋轉該第一照明點90度之一機構；及一高度感測器，其產生一第二照明束，該第二照明束依一斜角導引至該工件之一表面以便形成一第二照明點，且使用定位該第二照明點之一中心的一偵測器以判定該工件之該高度。
  2. 如請求項1之器件，其中該對準感測器及該高度感測器具有一相同光軸。
  3. 如請求項1之器件，其中該對準感測器繞射來自該工件之該第一反射束以形成一繞射束，且偵測該繞射束以判定該工件之該對準。
  4. 如請求項1之器件，其中該工件上之該對準標記包括一長邊及一短邊，且其中該第一照明點係使用該機構而旋轉使得照明之該長軸平行於該對準標記之該長邊及照明之該短軸平行於該對準標記之該短邊。
  5. 如請求項4之器件，其中該第一照明點之形狀係由一橢圓形及一矩形組成之一群組之形狀之一者。
  6. 如請求項4之器件，其中該第一照明點之形狀係由一交叉形及一L形組成之一群組之形狀之一者。
  7. 如請求項4之器件，其中該對準感測器包括一柱面透鏡，該柱面 透鏡塑形該第一照明束，以便形成該第一照明點之形狀，且其中該機構旋轉該柱面透鏡。
  8. 如請求項4之器件，其中該對準感測器包括一影像平面中之一照明孔隙，該照明孔隙塑形該第一照明束，以便形成該第一照明點之形狀，且其中該機構旋轉該照明孔隙。
  9. 如請求項4之器件，其中該對準感測器包括一照明源，該照明源經塑形以便形成該第一照明點之形狀，且其中該機構旋轉該照明源。
  10. 如請求項1之器件，其中該高度感測器產生該第二照明點之一微分信號。
  11. 如請求項10之器件，其中該高度感測器將一臨限值應用於該微分信號以建構一點輪廓且找到該點輪廓之一中心以判定該第二照明點之一中心。
  12. 如請求項1之器件，其進一步包括：一偏光濾波器，其使該第二照明束偏振。
  13. 一種判定一工件之一對準及高度之方法，該方法包括：使用一第一照明源產生一第一照明束；使用一照明透鏡塑形該第一照明束以在該工件上形成一第一照明點，該第一照明點具有一形狀，該形狀包括照明之一長軸及照明之一短軸；藉由旋轉一光學器件以旋轉該第一照明點，使得照明之該長軸平行於該工件之一矩形對準標記之一長邊及照明之該短軸平行於該矩形對準標記之一短邊；使用一物鏡從該第一照明點獲得一第一反射束；使用該第一反射束來判定該對準，其藉由使用一光柵繞射該第一反射束以產生一繞射束並使用一第一偵測器偵測該繞射束 以便判定該對準；使用一第二照明源產生一第二照明束，該第二照明束依一斜角導引至該工件之一表面，使得一第二照明點形成於該工件之該表面上；及使用一第二偵測器使該第二照明點成像以便判定該表面之一高度。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括：產生該第二照明點之一微分信號；將一臨限值應用於該微分信號以建構一點輪廓；及定位該點輪廓之一中心以判定該第二照明點之一中心。
  15. 一種用於電子束微影之裝置，該裝置包括：複數個電子束微影柱，其等在一維度上依一節距間隔；複數個對準感測器，其等用於判定該複數個電子束微影柱之一對準，其中該複數個對準感測器之各對準感測器產生一第一照明束，該第一照明束照亮一晶圓上之一對準標記以便產生一第一反射束，且使用該第一反射束來判定該晶圓之該對準；及複數個置物台，其等可在該一維度上移動，該複數個感測器安裝於該複數個置物台上，其中該複數個置物台在該一維度上依該節距間隔；其中該第一照明束在該晶圓上形成一第一照明點，該第一照明點具有一形狀，該形狀包括平行於該對準標記之矩形之長邊的該照明之一長軸及平行於該對準標記之矩形之短邊的照明之一短軸，及其中該複數個對準感測器之每一對準感測器包含用於可控制地旋轉該第一照明點90度之一機構。
  16. 如請求項15之裝置，其中該第一照明點之該形狀係由一橢圓形 及一矩形組成之一群組之形狀之一者。
  17. 如請求項15之裝置，其中該第一照明點之該形狀係由一交叉形及一L形組成之一群組之形狀之一者。
  18. 一種對準感測器，其包括：一照明系統，其產生一塑形照明束且聚焦該塑形照明束以在一工件之一對準標記上形成一照明點，其中該照明點具有一形狀，該形狀包括平行於該對準標記之一矩形之長邊的照明之一長軸及平行於該對準標記之該矩形之短邊的照明之一短軸；及一偵測系統，其偵測該照明點並產生一信號，該信號指示該照明點相對於該對準標記之一對準，其中該對準感測器包含用於可控制地旋轉該照明點90度之一機構。
  19. 如請求項18之對準感測器，其中該照明點之該形狀係由一橢圓形及一矩形組成之一群組之形狀之一者。
  20. 如請求項18之對準感測器，其中該照明點之該形狀係由一交叉形及一L形組成之一群組之形狀之一者。
  21. 如請求項18之對準感測器，其中使用一柱面透鏡來產生該塑形照明束。
  22. 如請求項18之對準感測器，其中使用一影像平面中之一塑形照明孔隙來產生該塑形照明束。
  23. 如請求項18之對準感測器，其中使用一塑形照明源來產生該塑形照明束。
  24. 如請求項18之對準感測器，其中該偵測系統繞射來自該照明點之一反射束以產生一繞射束，且偵測該繞射束以判定該工件之一對準。
  25. 如請求項18之對準感測器，其中該偵測系統形成來自該反射束之該對準標記之一個二維影像。
  26. 一種感測一工件之一高度之方法，該方法包括：產生一照明束，該照明束依一斜角導引至該工件之一表面，使得具有照明之一長軸及照明之一短軸的一照明點形成於該工件之該表面上；可控制地旋轉該照明點90度並從該照明點偵測一反射束以便獲得一成像點；建構該照明點之一點輪廓；判定該點輪廓之一中心位置；及使用該中心位置來判定該工件之該高度。
  27. 如請求項26之方法，其進一步包括：產生該照明點之一微分信號。
  28. 如請求項27之方法，其進一步包括：將一臨限值應用於該微分信號。
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