一種用於光刻設備的近場對準裝置和對準方法

2023-08-04 05:03:51

專利名稱：一種用於光刻設備的近場對準裝置和對準方法
技術領域：
本發明涉及光刻領域，尤其涉及用於光刻設備的近場對準裝置和對準方法。
背景技術：
現有技術中的光刻設備，主要用於集成電路IC或其他微型器件的製造。通過光刻設備，具有不同掩模圖案的多層掩模在精確對準情況下依次曝光成像在塗覆有光刻膠的矽片上。目前的光刻設備大體上分為兩類，一類是步進光刻設備，掩模圖案一次曝光成像在矽片的一個曝光區域，隨後矽片相對於掩模移動，將下一個曝光區域移動到掩模圖案和投影物鏡下方，再一次將掩模圖案曝光在矽片的另一曝光區域，重複這一過程直到矽片上所有曝光區域都擁有相應掩模圖案的像。另一類是步進掃描光刻設備，在上述過程中，掩模圖案不是一次曝光成像，而是通過投影光場的掃描移動成像。在掩模圖案成像過程中，掩模與矽片同時相對於投影系統和投影光束移動，完成矽片曝光。 光刻設備中關鍵的步驟是將掩模與矽片對準。第一層掩模圖案在矽片上曝光後從設備中移走，在矽片進行相關的工藝處理後，進行第二層掩模圖案的曝光，但為確保第二層掩模圖案和隨後掩模圖案的像相對於矽片上已曝光掩模圖案像的精確定位，需要將掩模和矽片進行精確對準。由於光刻技術製造的IC器件需要多次曝光在矽片中形成多層電路，為此，光刻設備中要求實現掩模和矽片的精確對準。當特徵尺寸要求更小時，對對準精度的要求將變得更加嚴格。現有技術有兩種對準方案。一種是透過鏡頭的TTL對準技術，雷射照明掩模上的對準標記通過物鏡成像於矽片平面，移動矽片臺，使矽片臺上的參考標記掃描對準標記所成的像，同時採樣所成像的光強，探測器輸出的最大光強位置即表示正確的對準位置，該對準位置為用於監測矽片臺位置移動的雷射幹涉儀的位置測量提供了零基準。另一種是OA離軸對準技術，通過離軸對準系統測量位於矽片臺上的多個對準標記以及矽片臺上基準板的基準標記，實現矽片對準和矽片臺對準；矽片臺上參考標記與掩模對準標記對準，實現掩模對準；由此可以得到掩模和矽片的位置關係，實現掩模和矽片對準。目前，主流光刻設備大多所採用的對準方式為光柵對準。光柵對準是指照明光束照射在光柵型對準標記上發生衍射，衍射光攜帶有關於對準標記結構的全部信息。多級次衍射光以不同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±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)在參考面幹涉成像，利用像與相應參考光柵在一定方向掃描，經光電探測器探測和信號處理，確定對準中心位置。在荷蘭ASML公司的發明名稱為「用於光刻系統的對準系統和方法」的中國發明專利CN1506768A中，採用了一種4f系統結構的ATHENA離軸對準系統，該對準系統在光源部分採用紅光、綠光雙光源照射；並採用楔塊列陣或楔板組來實現對準標記多級衍射光的重疊和相干成像，並在像面上將成像空間分開；紅光和綠光的對準信號通過一個偏振分束稜鏡來分離；通過探測對準標記像透過參考光柵的透射光強，得到正弦輸出的對準信號。該對準系統中，對準精度主要取決於對準標記，即光柵的周期大小，周期越小，理論上對準精度越高，光柵的周期遠大於對準所用照明光源波長時，衍射方程所需要的對準標記，即asin0 =ηλ，其中a為光柵周期，Θ為光柵衍射角度，η為光柵衍射級次，λ為照明光源波長，遵從標量衍射理論，但當光柵周期與對準所用照明光源波長相當時(彡5λ)，由於受矢量衍射理論的影響，光柵衍射的能量主要集中在O級，而O級衍射光不能用於幹涉成像，進而不能用於對準。而當光柵周期進一步減小時，標量衍射理論也不成立，因為此時已經涉及到光波近場理論，所以上述專利中的方法已經不能用於對準
發明內容
為了解決上述問題，本發明提出了一種對準裝置，包括照明光源、工件臺、探針陣列、傳輸光纖、光電探測器、對準信號處理模塊，及Z向控制單元；從所述照明光源發出的光束，從所述工件臺背面，以大於臨界角的角度照射置於所述工件臺上的基準板或矽片上的對準標記，在所述對準標記正面形成近場信息，所述探針陣列將收集到的所述對準標記的近場信息以光強的方式耦合進所述傳輸光纖，所述傳輸光纖將光強信號傳輸給光電探測器，所述光電探測器將光強信號轉換為電信號並進行放大，最後傳輸給對準信號處理模塊進行信號處理和對準位置的計算；利用所述Z向控制單元調整探針陣列和矽片表面的距離，使所述距離處於近場區域。其中，所述傳輸光纖與所述探針陣列被形成為一體。其中，利用鏡架實現各組件的固定和定位。其中，所述探針陣列和矽片表面之間的距離處於近場區域中，即在對準光源的一個波長範圍內。其中，所述照明光源為對矽片和石英透過的單色光或窄帶光。其中，所述對準標記被形成於工件臺基準板上或矽片上。其中，所述對準標記的線寬小於照明光波長。其中，所述探針陣列為一維陣列。其中，所述探針陣列的探針數量與對準標記的線條數量對應。其中，所述探針陣列為二維陣列。其中，所述探針陣列的探針行或列的數量與對準標記的線條數量相對應。其中，為了提高測量效率，探針表面除尖端一定區域通光口徑外，其他部分可以鍍Al膜或其他金屬膜。其中，所述探針陣列通過化學腐蝕法或光刻方法製得。其中，所述近場信息為符合所述對準標記表面形貌分布的光強信息。其中，所述Z向控制單元包括石英共振器、Z向控制器以及頻率發生器和電流測量裝置；所述頻率發生器向所述石英共振器提供固定頻率，所述石英共振器隨著所述探針陣列的位置變化，其切變力隨之變化，發生振幅改變，形成探測電流，並發送至所述電流測量裝置，所述電流測量裝置根據所述探測電流，確定所述探針陣列和所述和矽片表面的距離，並控制所述Z向控制器調節所述距離。本發明還提出了前述對準裝置進行對準的方法，包括以下步驟步驟一、將矽片輸送至工件臺的相應位置；步驟二、將矽片進行預對準，使其進入對準標記捕獲範圍；
步驟三、利用Z向控制器根據石英共振器反饋的信號，調整探針陣列與矽片標記面之間的間距，使探針陣列進入近場探測區域；步驟四、通過工件臺的運動，利用對準裝置對對準標記進行水平向掃描；步驟五、根據掃描得到的強度與位置關係的掃描信號，計算對準位置；步驟六、根據計算得到的對準位置，將工件臺移動到相應位置，完成對準。本發明的對準裝置，利用近場理論進行位置對準，照明光源利用對矽片透過的光，探測近場信號的裝置由探針陣列組成，由於突破了衍射極限，利用近場對準，可以將對準標記線條寬度大大縮小，進而大大提高了對準精度。同時，將探針製作成陣列形式，有效的提高了能量利用率。


圖I所示為根據本發明的第一實施例的用於光刻設備的對準裝置的結構示意圖；圖2所示為根據本發明的對準裝置所用探針陣列和對準標記結構示意圖；圖3所示為根據本發明的對準裝置所用探針陣列俯視結構示意圖；圖4所示為根據本發明的對準裝置所用另一種探針陣列俯視結構示意圖；圖5所示為根據本發明對準裝置所用對準標記俯視結構示意圖；圖6所示為根據本發明的第二實施例的用於光刻設備的對準裝置的結構示意圖；圖7所示為根據本發明的對準裝置產生的對準信號示意圖。
具體實施例方式下面，結合附圖詳細描述根據本發明的優選實施例。為了便於描述和突出顯示本發明，附圖中省略了現有技術中已有的相關部件，並將省略對這些公知部件的描述。圖I所示為根據本發明第一實施例的用於光刻設備的對準裝置的結構示意圖。照明光源101發出的光束102從背面照明矽片104上的對準標記105，矽片104利用工件臺103承載，探針陣列106將收集到的對準標記105近場信息以光強的方式耦合進傳輸光纖107，所屬近場信息為所述光束102照射所述對準標記105後,在對準標記105正面空間形成的光強信號，記載有對準標記105的分布特徵。傳輸光纖107將光強信號傳輸給光電倍增管108，將光強信號轉換為電信號並進行放大，最後傳輸給對準信號處理模塊110進行信號處理和對準位置的計算。鏡架109實現上述組件的固定和定位，石英共振器111配合Z向控制器113完成對準裝置Z向控制，頻率發生器和電流測量裝置112產生固定頻率提供給石英共振器111，當探針陣列106和矽片104表面的距離發生改變時，其切變力隨之變化，進而調製石英共振器111的振幅，產生電流變化，通過電流測量可以確定兩者之間的距離，進行通過Z向控制器113調整探針陣列106和矽片104表面的距離，使進入近場區域，以便測量，一般可以控制在0-50nm之間。照明光源101 —般為單色光,這種光屬性是對娃片和石英透過,例如米用1550nm紅外光等；也可以是窄帶光，屬性與上述單色光相同。對準標記可以製作於矽片上，同樣可以製作於工件臺基準板上或其他載體上，以完成娃片對準。所述近場區域通常是光漸逝波傳播區域，一般指距離矽片表面一個波長內的區域。圖2所示為根據本發明的對準裝置所用探針陣列和對準標記結構示意圖。照明光束201以大於臨界角的α角從背面入射到矽片202，矽片202上分布有按照一定周期排列的對準標記203，照明光束201在矽片202上表面(對準標記203區域)產生的漸逝波被探針陣列探針206探測，通過探針陣列204將探測到的能量205進行傳輸。為了提高測量效率，探針206表面除尖端一定區域通光口徑外，其他部分可以鍍Al膜。探針陣列的排列方式和數量可以根據對準標記的特徵確定。對準標記的線寬和周期大小根據對準精度需要設定，一般線寬小於照明光波長，對準標記也可以不按照周期進行排列，根據對準需要，可以按照其他方式排列。只列出了一個方向的探針陣列和對準標記，另一個方向與此排列方向垂直。圖3所示為根據本發明的對準裝置所用的探針陣列俯視結構示意圖。探針為一維方向排列，探針數量與對準標記線條數量相對應，也可以不對應。探針間距與對準標記線條間距對應,也可以不對應。圖4所示為根據本發明的對準裝置所用的另一種探針陣列俯視結構示意圖，探針為兩維方向排列，探針間距與對準標記線條間距對應，也可以不對應。探針行(列)數量與對準標記線條數量相對應，也可以不對應。圖5所示為根據本發明的對準裝置所用的對準標記俯視結構示意圖。圖6所示為根據本發明第二實施例的用於光刻設備的對準裝置的結構示意圖。其結構與圖I中的結構基本相同，照明光源601發出的光束602從背面照明矽片604上的對準標記605，矽片604利用工件臺603承載，探針陣列606將收集到的對準標記605近場信息以光強的方式耦合進傳輸光纖607，傳輸光纖607將光強信號傳輸給光電倍增管608，將光強信號轉換為電信號並進行放大，最後傳輸給放大和對準信號處理模塊610進行信號處理和對準位置的計算。鏡架609實現上述組件的固定和定位，石英共振器611配合Z向控制器613完成對準裝置Z向控制，頻率發生器和電流測量裝置612產生固定頻率提供給石英共振器611，當探針陣列606和矽片604表面的距離發生改變時，其切變力隨之變化，進而調製石英共振器611的振幅，通過電流測量可以確定兩者之間的距離，進行通過Z向控制器613調整探針陣列606和矽片604表面的距離，使進入近場區域，以便測量，一般可以控制在0-50nm之間。其中傳輸光纖607與探針陣列606被形成為一體。圖7所示為根據本發明的對準裝置產生的對準信號示意圖。利用光強分支的強度信息對比進行位置捕獲，利用捕獲到的光強分支信息進行位置對準，其中PO點即光強最大的分支(光強最大位置)為對準位置。可以採用化學腐蝕法或光刻方法來實現上述探針陣列的製作。根據圖8所示的流程，利用上述對準裝置的對準方法如下步驟一、將矽片輸送至工件臺的相應位置；步驟二、將矽片進行預對準，使其進入對準標記捕獲範圍；步驟三、利用Z向控制器根據石英共振器反饋的信號，調整探針陣列與矽片標記面之間的間距，使探針陣列進入近場探測區域；、
步驟四、通過工件臺的運動，利用對準裝置對對準標記進行水平向掃描；步驟五、根據掃描得到的強度與位置關係的掃描信號，計算對準位置；
步驟六、根據計算得到的對準位置，將工件臺移動到相應位置，完成對準。本說明書中所述的只是本發明的幾種較佳具體實施例，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。
權利要求
1.一種對準裝置，包括照明光源、工件臺、探針陣列、傳輸光纖、光電探測器、對準信號處理模塊，及Z向控制單元；從所述照明光源發出的光束，從所述工件臺背面，以大於臨界角的角度照射置於所述工件臺上的基準板或矽片上的對準標記，在所述對準標記正面形成近場信息，所述探針陣列將收集到的所述對準標記的近場信息以光強的方式耦合進所述傳輸光纖，所述傳輸光纖將光強信號傳輸給光電探測器，所述光電探測器將光強信號轉換為電信號並進行放大，最後傳輸給對準信號處理模塊進行信號處理和對準位置的計算；利用所述Z向控制單元調整探針陣列和矽片表面的距離，使所述距離處於近場區域。
2.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述傳輸光纖與所述探針陣列被形成為一體。
3.根據權利要求I或2所述的對準裝置，其中，利用鏡架實現各組件的固定和定位。
4.根據權利要求3所述的對準裝置，其中，所述探針陣列和矽片表面之間的距離處於近場區域中，即在對準光源的一個波長範圍內。
5.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述照明光源為對矽片和石英透過的單色光或窄帶光。
6.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述對準標記被形成於工件臺基準板上或矽片上。
7.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述對準標記的線寬小於照明光波長。
8.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述探針陣列為一維陣列。
9.根據權利要求8所述的對準裝置，其中，所述探針陣列的探針數量與對準標記的線條數量對應。
10.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述探針陣列為二維陣列。
11.根據權利要求10所述的對準裝置，其中，所述探針陣列的探針行或列的數量與對準標記的線條數量相對應。
12.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，探針表面除尖端一定區域通光口徑外，其他部分鍍覆金屬膜。
13.根據權利要求8-12中任意一個所述的對準裝置，其中，所述探針陣列通過化學腐蝕法或光刻方法製得。
14.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述近場信息為符合所述對準標記表面形貌分布的光強信息。
15.根據權利要求I所述的對準裝置，其中，所述Z向控制單元包括石英共振器、Z向控制器以及頻率發生器和電流測量裝置；所述頻率發生器向所述石英共振器提供固定頻率，所述石英共振器隨著所述探針陣列的位置變化，其切變力隨之變化，發生振幅改變，形成探測電流，並發送至所述電流測量裝置，所述電流測量裝置根據所述探測電流，確定所述探針陣列和所述和矽片表面的距離，並控制所述Z向控制器調節所述距離。
16.一種利用權利要求1-15中任意一個所述的對準裝置進行對準的方法，包括以下步驟 步驟一、將矽片輸送至工件臺的相應位置； 步驟二、將矽片進行預對準，使其進入對準標記捕獲範圍； 步驟三、利用Z向控制器根據石英共振器反饋的信號，調整探針陣列與矽片標記面之間的間距，使探針陣列進入近場探測區域； 步驟四、通過工件臺的運動， 利用對準裝置對對準標記進行水平向掃描； 步驟五、根據掃描得到的強度與位置關係的掃描信號，計算對準位置； 步驟六、根據計算得到的對準位置，將工件臺移動到相應位置，完成對準。
全文摘要
一種對準裝置，包括照明光源、工件臺、探針陣列、傳輸光纖、光電探測器、對準信號處理模塊、石英共振器、Z向控制器以及頻率發生器和電流測量裝置；從照明光源發出的光束從背面以大於臨界角的角度照明置於工件臺上的基準板或矽片上的對準標記，探針陣列將收集到的對準標記的近場信息以光強的方式耦合進傳輸光纖，傳輸光纖將光強信號傳輸給光電探測器，光電探測器將光強信號轉換為電信號並進行放大，最後傳輸給對準信號處理模塊進行信號處理和對準位置的計算；利用電流測量裝置確定探針陣列和矽片表面的距離；利用頻率發生器向石英共振器提供固定頻率；利用石英共振器配合Z向控制器調整探針陣列和矽片表面的距離，使距離處於近場區域。
文檔編號G03F9/00GK102736452SQ20111008620
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者宋海軍, 徐榮偉, 杜聚有 申請人:上海微電子裝備有限公司, 上海微高精密機械工程有限公司