一種用於光刻裝置的對準方法及系統與流程

2023-06-19 07:20:01

本發明涉及集成電路裝備製造領域，尤其涉及一種用於光刻裝置的對準方法及系統。

背景技術：

光刻曝光系統的典型結構如圖1所示。目前光刻設備大多所採用的對準方式為光柵對準，光柵對準是指均勻照明光束照射在光柵對準標記上發生衍射，衍射後的出射光攜帶有關於對準標記結構的全部信息，高級衍射光以大角度從相位對準光柵上散開，通過空間濾波器濾掉零級光後，採集衍射光±1級衍射光，或者隨著CD要求的提高，同時採集多級衍射光（包括高級）在像平面幹涉成像，經光電探測器和信號處理，確定對準中心位置。

對於目前的矽片對準系統，參考光柵位於4f光學系統後焦面上，各參考光柵的周期與相應對準標記像的周期相等，通過探測各參考光柵後的光強並進行處理可得到對準標記相對參考光柵的位置信息。當矽片相對於參考光柵板移動掃描時，透過各參考光柵的光強發生周期性變化，當各參考光柵後的光強均為最大時，此時對準標記位置即對準位置。目前的矽片對準系統中，由於一種參考光柵只能針對一種特定的對準標記，兼容性不夠，而且，參考光柵必須與對準標記經過光學系統所成像嚴格一致，若對準標記變化，參考光柵必須相應變化。

另外，參考光柵及光電探測器的探測光纖束安裝調試困難，尤其更換參考光柵特別麻煩（需要換上特定的標記板）。參考光柵相對對準標記像的精度指標為橫向（X、Y向）2um、縱向（Z向）5um、傾斜（Rx、Ry）1.3mrad、旋轉（Rz）1mrad，因精度要求太高，給機械設計及安裝帶來很大難度。尤其Rz的調整通過莫爾條紋的方法來實現，當鎖緊參考光柵時，莫爾條紋很容易變形，導致需反覆鎖緊。因此，目前的矽片對準系統中，參考光柵及探測光纖束不僅製作成本高，且通用性低。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種無需使用參考光柵和探測光纖束的對準方法及系統。

為了實現上述發明目的，本發明公開一種用於光刻裝置的對準方法，其特徵在於，包括：步驟一、在矽片上設置對準標記；步驟二、通過照明光束照射所述對準標記，所述對準標記發生多級次衍射，各級次衍射光經過4F光學系統後在位於所述4F光學系統像面的探測器上成像；步驟三、所述對準標記處於靜態時，信號處理模塊分別選取所述各級次衍射光成像的特定位置處的像素點為該級次衍射光成像的參考點；步驟四、所述對準標記處於動態時，所述信號處理模塊監測得到所述各級次衍射光成像的參考點的光強隨所述對準標記運動而變化的光強曲線，當所述各級次衍射光成像的參考點的光強同時為峰值時，對準完成。

更進一步地，所述對準標記是劃線槽對準標記，所述劃線槽對準標記包括至少兩組不同周期的光柵。

更進一步地，所述劃線槽對準標記的各級次衍射光在所述探測器上成像得到條紋圖像，選取所述各級次衍射光的條紋圖像的中間條紋中最大光強值的位置為所述特定位置。

更進一步地，所述兩組不同周期的光柵分別為第一光柵和第二光柵，所述第一光柵位於x方向的劃線槽中，用於y方向對準，所述第二光柵位於y方向的劃線槽中，用於x方向對準，所述x方向與y方向正交。

更進一步地，所述照明光束照射一組所述光柵發生衍射產生的±1、±2、…、±7級次衍射光經過所述4F光學系統後成像；所述照明光束照射另一組所述光柵發生衍射產生的±1級衍射光經過所述4F光學系統後成像。

更進一步地，所述探測器為CCD陣列。

更進一步地，所述CCD陣列垂直於所述4F光學系統的光軸設置。

更進一步地，所述CCD陣列的像素尺寸小於所述各級次衍射光在所述4F光學系統上的成像的最小周期的1/5。

更進一步地，所述各級次衍射光中，同級次衍射光在所述4F光學系統像面上相干成像，不同級次衍射光在像面上分開成像。

本發明還公開一種實施上述用於光刻裝置的對準方法的對準系統，其特徵在於，包括：一光源及照明模塊，用於提供所述照明光束照射位於所述矽片上的所述對準標記；一光學成像模塊，所述光學成像模塊包括所述4F光學系統，所述光學成像模塊收集所述照明光束照射所述對準標記後產生的多級次衍射光，並將所述對準標記成像至所述4F光學系統像面；一探測器，位於所述4F光學系統像面，用於探測所述多級次衍射光；一信息處理模塊，用於對所述多級次衍射光進行信號處理以得到對準位置信息。

更進一步地，所述對準標記是劃線槽對準標記，所述劃線槽對準標記包括至少兩組不同周期的光柵。

更進一步地，所述兩組不同周期的光柵分別為第一光柵和第二光柵，所述第一光柵、第二光柵沿垂直於對準方向的方向排列，並且用於x方向對準的對準標記位於y方向的劃線槽中，用於y方向對準的對準標記位於x方向的劃線槽中。

更進一步地，所述4F光學系統按光線傳播的方向依次包括前組透鏡、折光單元和後組透鏡，所述折光單元用於使所述對準標記產生的同級次衍射光在所述4F光學系統像面上偏轉相同角度，不同級次衍射光偏轉不同角度。

更進一步地，所述折光單元是透射楔板組或反射稜鏡組。

更進一步地，所述探測器為CCD陣列。

更進一步地，所述CCD陣列垂直於所述4F光學系統光軸。

更進一步地，所述CCD陣列的像素尺寸小於所述多級次衍射光在所述4F光學系統上的成像的最小周期的1/5。

更進一步地，所光學成像模塊還包括一光闌，所述光闌用於使照射一組所述光柵產生的±1、±2、…、±7級次衍射光經過所述4F光學系統成像，使照射另一組不同周期的所述光柵產生的±1級衍射光經過所述4F光學系統成像。

與現有技術相比較，本發明對準方法及系統具有以下優勢：

1、通過監測各級衍射光成像中參考點的光強隨著矽片運動而變化，得到參考點光強均為最大時的位置即為對準位置，避免了使用參考光柵及探測光纖束，在更換對準標記時不涉及更換參考光柵，提高了對對準標記的兼容性；

2、採用的CCD陣列完全可以商業化直接購買，工期短，而且CCD陣列相對考光柵及探測光纖束系統來說價格較低，大大降低了成本；

3、採用的CCD陣列的陣列面較大，當對準標記變化時，一般不需要更換CCD陣列，若要更換，相對來說，更換CCD陣列也較簡單；

4、本發明基本不需要對CCD陣列面的X、Y位置進行限制，且可以依據參考點附近的像素點上的光強變化來進一步判斷參考點的光強變化，得到對準信息，在一定程度上可以降低CCD陣列面的Z、Rx、Ry、Rz的精度要求。

附圖說明

關於本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。

圖1是本發明涉及的對準系統與光刻裝置之間的總體布局結構示意圖；

圖2是光刻裝置的常用對準標記的示意圖；

圖3是4F光學系統的光路示意圖；

圖4是本發明涉及的標記光柵位置示意圖；

圖5是本發明的原理示意圖；

圖6是本發明中CCD陣列面上的條紋分布、光強分布以及參考點分布的示意圖；

圖7是圖6中參考點的光強隨晶片對準標記WM位置的變化曲線示意圖；

圖8是本發明中的Y7像的光強分布、數據採集像素點位置示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施例。

圖1為本發明涉及的對準系統與已有光刻裝置之間的總體布局、工作原理結構示意圖。如圖1所示，光刻裝置的構成包括：用於提供曝光光束的照明系統1、設有掩模圖案和具有周期性結構的掩模對準標記RM的掩模版2、用於支承掩模版2的掩模臺3、設有具有周期性光學結構的晶片對準標記WM的晶片6、用於支承晶片6的晶片臺7、以及用於將掩模版2上的掩模圖案投影到晶片6上的投影光學系統4。晶片臺7上有刻有基準標記FM的基準板8。此外，該光刻裝置還包括用於掩模版2和晶片6對準的離軸式對準系統5，用於測量掩模臺3和晶片臺7位置的反射鏡10、16和幹涉儀11、15，控制掩模臺3和晶片臺7位移的伺服系統13和驅動系統9、14以及控制伺服系統13和驅動系統9、14的主控制系統12，幹涉儀11、15可選用都卜勒雙頻雷射幹涉儀。

其中，照明系統1包括一個光源、一個使照明均勻化的透鏡系統、一個反射鏡、一個聚光鏡（圖中均未示出）。光源採用KrF準分子雷射器（波長248nm）、ArF準分子雷射器（波長193nm）、F2雷射器（波長157nm）、Kr2雷射器（波長146nm）、Ar2雷射器（波長126nm）、或者使用超高壓汞燈（g-線、i-線）等。照明系統1均勻照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上的掩模對準標記RM用於掩模對準。掩模臺3可以經驅動系統14在垂直於照明系統光軸（與投影物鏡的光軸AX重合）的X-Y平面內移動，並且在預定的掃描方向（平行於X軸方向）以特定的掃描速度移動。掩模臺3在移動平面內的位置通過位於掩模臺3上的反射鏡16由幹涉儀15精密測得。掩模臺3的位置信息由幹涉儀15經伺服系統13發送到主控制系統12，主控制系統12根據掩模臺3的位置信息通過驅動系統14驅動掩模臺3。

投影光學系統4（投影物鏡）位於圖 1所示的掩模臺3下方，其光軸AX平行於Z軸方向。採用雙遠心結構並具有預定的縮小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光學系統作為投影光學系統，當照明系統1發射的曝光光束照射掩模版2上的掩模圖案時，掩模圖案經過投影光學系統4在塗覆有光刻膠的晶片6上成縮小的圖像。

晶片臺7位於投影光學系統4的下方，晶片臺7上設置有一個晶片支架（圖中未示出），晶片6固定在支架上。晶片臺7經驅動系統9驅動可以在掃描方向（X方向）和垂直於掃描方向（Y方向）上運動，使得可以將晶片6的不同區域定位在曝光光場內，並進行步進掃描操作。晶片臺7在X-Y平面內的位置通過一個位於晶片臺上的反射鏡10由幹涉儀11精密測得，晶片臺7的位置信息經伺服系統13發送到主控制系統12，主控制系統12根據位置信息（或速度信息）通過驅動系統9控制晶片臺7的運動。

晶片6上設有具有周期性結構的晶片對準標記WM，晶片臺7上有包含基準標記FM的基準板8，對準系統5分別通過晶片對準標記WM和基準標記FM實現晶片6對準和晶片臺7對準。另外，一個同軸對準單元（圖中未示出）將晶片臺7上基準板8的基準標記FM與掩模對準標記RM對準，實現掩模對準。對準系統5的對準信息結合同軸對準單元的對準信息一起傳輸到主控制系統12，經數據處理後，驅動系統9驅動晶片臺7移動實現掩模版2和晶片6的對準。

本發明涉及的晶片對準標記WM是劃線槽對準標記，劃線槽對準標記包括至少兩組不同周期的光柵。圖2所示為以放大比例示出的四象限相位光柵，作為本發明涉及的晶片對準標記WM的實施例。四象限相位光柵包括四個子光柵p1a、p1b、p1c及p1d，其中子光柵p1b與子光柵p1d位於Y方向的劃線槽中，用於沿X方向的對準，子光柵p1a與子光柵p1c位於X方向的劃線槽中，用於沿Y方向的對準，所述X方向與Y方向正交。兩個子光柵p1b、p1c具有例如16um的光柵周期，子光柵p1a、p1d具有例如17.6um的光柵周期，每個子光柵具有例如200×200um的尺寸。

如圖3所示，L1、L2、L3構成4F光學系統的前組透鏡，L4、L5、L6構成4F光學系統的後組透鏡，對於目前的晶片對準系統，晶片對準標記WM位於4F光學系統的前焦面上，參考光柵位於4F光學系統後焦面上，各參考光柵子光柵的周期與相應晶片對準標記WM像的周期相等，通過探測參考光柵各子光柵後的光強並進行處理可得到標記光柵相對參考光柵的位置信息。當參考光柵各子光柵後的光強均為最大值時，此標記位置即為對準位置。

本發明對準方法採用CCD陣列替代對準系統5中的參考光柵及探測光纖束，其原理如下：

對佔空比1：1、周期為P的光柵，在如圖4的坐標系中，A點的坐標為（-P/4+δ）、B點的坐標為（P/4+δ）、C點的坐標為（3P/4+δ）。當平行光垂直入射後，其衍射的+n、-n級光仍為平行光，其+n級波前的初始相位為-2πnδ、-n級波前的初始相位為2πnδ，經過4F光學系統後，在成像面的光強分布為2+2cosi(4πnδ+4πny/P)，如圖5所示。

由該光強表達式可知，當δ一定時，光強與坐標y為正弦函數關係，即晶片對準標記WM靜止時，成像面的光強為正弦函數分布；當y一定時，光強與坐標δ也為正弦函數關係，即晶片對準標記WM運動時，像面任意固定點的光強隨晶片對準標記WM位置呈正弦函數變化。

實際對準時，先在晶片對準標記WM靜止時，針對各級次光，在像面選特定像素點；然後，監測這些特定像素點的光強隨晶片對準標記WM運動的變化，據此確定對準位置。

基於以上原理，本發明對準方法具體操作方式如下：

第一步：先經過粗對準，使晶片6處於粗對準位置，照明光束照射晶片對準標記WM後產生的多級衍射光在CCD陣列上相干形成條紋像，相干成像過程如下：位於4F光學系統頻譜面上的濾波光闌只讓晶片對準標記WM中子光柵p1b與p1c的±1、±2、…、±7級衍射光、子光柵p1a與p1d的±1級衍射光通過，之後折光單元L7將相同級次的正負衍射光偏轉相同的角度；由於不同級次的衍射光的偏轉角度不同，則各級次衍射光經4F光學系統的後透鏡組後，不同級次衍射光在後焦面上分開成像，並與其同級次衍射光幹涉成像，最終各級次衍射光在CCD陣列上形成光強正弦分布、相互錯開、周期不等的16組幹涉條紋，如圖6所示，其中Y1為Y向光柵+1與-1級次衍射光相干涉形成的幹涉條紋，……，Y88為Y向另一周期的光柵+1與-1級次衍射光幹涉形成的幹涉條紋，X1為X向光柵+1與-1級次光相干涉形成的幹涉條紋，……，X88為X向另一周期的光柵+1與-1級幹涉形成的幹涉條紋，其中所述CCD陣列垂直於所述4F光學系統光軸設置，且CCD陣列的像素尺寸小於所述多級次衍射光在4F光學系統上的成像的最小周期的1/5。

第二步：然後通過對CCD陣列上每個像素點的光強進行處理，識別出每個級次條紋像的中間那根條紋的光強最大處對應的像素點作為參考點，如圖6、8所示，Y1級次的最中間那根條紋的光強最大處對應的像素點為參考點A1、Y2級次像對應的參考點A2、Y3級次像對應的參考點A3…Y8級次像對應的參考點A8…X1級次像對應的參考點B1、X2級次像對應的參考點B2……。

第三步；當對準掃描時，監測參考點A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8隨晶片6位置變化導致的光強變化，每個參考點光強隨晶片對準標記WM位置的變化曲線也是正弦函數，且不同級次所成像的函數周期不同，如圖7所示，Sp1為參考點A1、B1點的光強信號曲線，Sp2為A2、B2點的光強信號曲線，Sp3為A3、B3點的光強信號曲線，當每個級次光強均最大時，此即最佳對準位置（包括X、Y向）。實際操作時，本發明也可同時監測A1、B1等像素附近的像素點的光強變化曲線，提高精度。

本發明採用CCD陣列替代參考光柵及探測光纖束，由於CCD面陣大，易於探測參考點A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8的光強變化，即使晶片對準標記WM變化時也無需更換CCD，對標記的兼容性好。

本發明採用的CCD陣列的裝調相對簡單，且不需要對CCD陣列面的X、Y位置進行限制，探測時也可依據參考點A1、B1附近的像素點上的光強變化實現對準，降低CCD陣列面的Z、Rx、Ry、Rz的測量精度要求。

本發明所採用的CCD陣列市面上的售價遠遠低於參考光柵以及探測光纖束的售價，大大降低了光刻裝置的成本，而且CCD陣列可以直接市面購得，而參考光柵及探測光纖束需加工生產，其加工周期約三個月左右，工期太長，耽誤裝置的生產，拖低生產效率。

本發明實施例還進一步提供一種用於光刻裝置的對準系統，包括：

一光源及照明模塊，用於提供照明光束照射位於晶片6上的晶片對準標記WM，所述晶片對準標記WM是劃線槽對準標記，劃線槽對準標記包括至少兩組不同周期的光柵，分別為第一光柵和第二光柵，所述第一光柵、第二光柵沿垂直於對準方向的方向排列，並且用於X方向對準的對準標記位於Y方向的劃線槽中，用於Y方向對準的對準標記位於X方向的劃線槽中；

一光學成像模塊，包括4F光學系統，光學成像模塊收集照明光束照射晶片對準標記WM後產生的多級次衍射光，並將晶片對準標記WM成像至所述4F光學系統像面,所述4F光學系統按光線傳播的方向依次包括前組透鏡、折光單元和後組透鏡，折光單元用於使晶片對準標記WM產生的同級次衍射光在所述4F光學系統像面上偏轉相同角度，不同級次衍射光偏轉不同角度，所述折光單元是透射楔板組或反射稜鏡組；所光學成像模塊還包括一光闌，所述光闌用於使照射一組所述光柵產生的±1、±2、…、±7級次衍射光經過所述4F光學系統成像，使照射另一組不同周期的所述光柵產生的±1級衍射光經過所述4F光學系統成像。

一探測器，位於4F光學系統像面，用於探測所述多級次衍射光，所述探測器為CCD陣列；

一信息處理模塊，用於對所述多級次衍射光進行信號處理以得到對準位置信息。

本說明書中所述的只是本發明的較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明的限制。凡本領域技術人員依本發明的構思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發明的範圍之內。