CN101526750A - 用于光刻设备的对准***及应用其的光刻设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于光刻设备的对准***，用来依据晶片上的对准标记进行对准。对准标记是三周期相位光栅型标记，包含三组不同周期的光栅：第一光栅、第三光栅和第二光栅。成像模块的频谱面上设置有光学偏折结构，用于将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向，或者将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。本发明提出的用于光刻设备的对准***，利用光学偏折结构将Y(或X)方向的小周期衍射光束偏折到X(或Y)方向，从而可以实现两个方向的对准扫描，能量利用率得到提高，得到的对准信号没有出现明显的拐点。
Description
技术领域
本发明涉及一种对准***，且特别涉及一种用于光刻设备的对准***。
背景技术
现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。光刻装置中关键的步骤是将掩模与晶片对准。第一层掩模图案在晶片上曝光后从装置中移开，在晶片进行相关的工艺处理后，进行第二层掩模图案的曝光，但为确保第二层掩模图案和随后掩模图案的像相对于晶片上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和晶片进行精确对准。由光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在晶片中形成多层电路，为此，光刻装置中要求配置对准***，实现掩模和晶片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。
光刻装置的对准***，其主要功能是在套刻曝光前实现掩模-晶片对准，即测出晶片在机器坐标系中的坐标(XW，YW，ΦWZ)，及掩模在机器坐标系中的坐标(XR，YR，ΦRZ)，并计算得到掩模相对于晶片的位置，以满足套刻精度的要求。现有技术有两种对准方案。一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明在晶片上设置的周期性相位光栅结构的对准标记，由光刻装置的投影物镜所收集的晶片对准标记的衍射光或散射光照射在掩模对准标记上，该对准标记可以为振幅或相位光栅。在掩模标记后设置探测器，当在投影物镜下扫描晶片时，探测透过掩模标记的光强，探测器输出的最大值表示正确的对准位置。该对准位置为用于监测晶片台位置移动的激光干涉仪的位置测量提供了零基准。另一种是OA离轴对准技术，通过离轴对准***测量位于晶片上的多个对准标记以及晶片台上基准板的基准标记，实现晶片对准和晶片台对准；晶片台上基准板的基准标记与掩模对准标记对准，实现掩模对准；由此可以得到掩模和晶片的位置关系，实现掩模和晶片对准。
目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息。高级衍射光束以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光束后，采集正负一级衍射光束，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光束(包括高级)在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心位置。
一种现有技术的情况(参见中国发明专利，申请号：CN03164859.2，发明名称：用于光刻***的对准***和方法)，荷兰ASML公司所采用的一种4f***结构的ATHENA离轴对准***。该对准***在光源部分采用红光、绿光双光源照射；采用楔块列阵或楔板组来实现多级衍射光的分离。在像面分别相干成像。红光和绿光的对准信号通过一个偏振棱镜来分离。探测对准标记多级次衍射光相干成像后透过对应周期的参考光栅的透射光强，在对准标记扫描过程中得到正弦输出的对准信号。由不同频率的信号的位相信息获得对准标记的中心位置。该方案的优点是可以实现自动捕获以及较高的对准精度，但衍射光束中的高阶次信号较弱。而该方法又靠高阶次信号来实现较高的对准精度，实际中随着标记(特别是晶片标记)反射信号(特别是高阶次信号)功率过低，则实际无法利用高阶次信号，所以并不能可靠地提供对准精度。
另一种现有技术的情况(参见(2)中国发明专利，公开号：200710044152.1，发明名称：一种用于光刻设备的对准***)，该对准***采用具有粗细结合的三周期相位光栅，只利用这三个周期的一级衍射光束作为对准信号，可以实现大的捕获范围的同时获得高的对准精度。只使用各周期的一级衍射光，可以获取较强的信号强度，提高***信噪比。但对准***中对准标记在晶片和基准板上一字排开分布，都为单方向的对准标记。对应的参考标记分为八个分支，参见图7A，这样会带来很多不足：对准标记和对应参考标记占用空间比较大，这使得光源能量利用率低，并且光刻工艺和晶片变形等因素对对准精度的影响比较大；对准标记衍射光束的干涉像与参考标记进行扫描时，得到的对准扫描信号强度出现明显的拐点(参见图7B)，这种对准扫描信号不利于后期AGC增益等相关信号处理；由于参考标记中间分支在一个方向扫描时参考标记(参见图7A)G3-a和G3-b(或G6-a和G6-b)共同扫描一个标记光栅衍射光束的干涉像，这两个分支中间空白区域没有光可以进入参考标记后的传输光纤和光电探测器，使得对准扫描信号的强度和信噪比很低，并且会造成两个参考标记分支G3-a和G3-b(或G6-a和G6-b)相对于对准标记衍射光束的干涉像出现相位不匹配问题，不利于对准标记位置对准和信号处理；同一个方向的两个小周期参考标记在对准信号能量足够的情况下要求尽量做小，但同时带来参考标记后面传输光纤直径变小和空间与参考标记耦合困难。
发明内容
本发明提出一种用于光刻设备的对准***，能够解决上述问题。
为了达到上述目的，本发明提出一种用于光刻设备的对准***包括光源模块、照明模块、成像模块、信号探测模块和处理模块。光源模块用于提供该对准***的照明光束。照明模块用于传输照明光束，垂直照明晶片上的对准标记。成像模块采集对准标记的正负一级衍射光束并相干成像在参考标记位置。信号探测模块和处理模块通过探测和处理经过参考标记成像后的对准光强信号，得到对准标记的位置信息。对准标记是三周期相位光栅型标记，包含三组不同周期的光栅：第一光栅、第三光栅和第二光栅；成像模块的频谱面设置有光学偏折结构，该光学偏折结构将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向，或者将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。
为了达到上述目的，本发明提出一种光刻设备，包括照明***，用于传输曝光光束；掩模台，用于支承掩模版的掩模支架，掩模版上有掩模图案和具有周期结构的对准标记；投影光学***，用于将掩模版上的掩模图案投影到晶片上；晶片支架和晶片台，用于支承晶片，晶片台上有含有基准标记的基准板，晶片上具有周期性光学结构的对准标记；对准***，用于晶片对准和晶片台对准，其设置在的掩模台和的晶片台之间；同轴对准单元，用于掩模对准；反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和晶片台位置测量；伺服***和驱动***；以及由主控制***控制的掩模台和晶片台位移驱动的伺服***和驱动***。对准标记为三周期相位光栅型标记，包含三组不同周期的光栅：第一光栅、第三光栅和第二光栅；成像模块的频谱面设置有光学偏折结构，该光学偏折结构将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向，或者将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。
光源模块是激光器或者经过光电调制的激光单元。
激光器是气体激光器、或者是半导体激光器、或者是固体激光器、或者是光纤激光器。
激光单元包含射频相位调制器和光强幅度调制单元。
光源模块提供至少两个不同波长的照明光束。
或者，光源模块提供四个不同波长的照明光束，其中两个照明光束的波长在近红外或红外波段。
垂直照明到晶片上的对准标记的照明光束为S偏振光。
对准标记包括：
X方向对准标记，沿X方向依次包括：
X方向第一光栅，具有第一光栅周期；
X方向第三光栅，具有第三光栅周期，以及
X方向第二光栅，具有第二光栅周期，
其中，X方向第三光栅周期小于该X方向第一光栅周期和该X方向第二光栅周期，以及
Y方向对准标记，沿Y方向依次包括：
Y方向第一光栅，具有第一光栅周期；
Y方向第三光栅，具有第三光栅周期，以及
Y方向第二光栅，具有第二周期；
其中，Y方向第三光栅周期小于该Y方向第一光栅周期和该Y方向第二光栅周期，以及
Y方向对准标记的形状与X方向对准标记顺时针旋转90°后相同。
X方向对准标记或Y方向对准标记中的三组光栅的位置可以任意调换。
成像模块至少包括：前组透镜，分束器，空间滤波器，光学偏折结构，后组透镜，与所述对准标记布局形式相应的参考标记。
空间滤波器，具有多个滤波孔，仅允许让X方向对准标记的X方向第一光栅、X方向对准标记的X方向第二光栅、X方向对准标记的X方向第三光栅和Y方向对准标记的Y方向第一光栅、Y方向对准标记的Y方向第二光栅、Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束从相应的滤波孔通过；
空间滤波器位于所述前组透镜和所述后组透镜之间的频谱面。
光学偏折结构包括：两个反射镜和两个偏振组件。两个反射镜，位于Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束至偏振组件。两个偏振组件，位于X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射Y方向对准标记的Y方向第三光栅和透射X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束。
或者，两个反射镜，位于X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束至两个偏振组件。两个偏振组件位于Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射X方向对准标记的X方向第三光栅和透射Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束。
偏振组件包括：
半波片；以及
偏振棱镜，该偏振棱镜的光轴与该半波片的光轴之间的夹角为45°。
参考标记包含五组振幅型光栅：第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅、第四参考光栅、第五参考光栅。
参考标记沿X方向依次包括第一参考光栅、第五参考光栅和第三参考光栅；沿Y方向依次包括第四参考光栅、第五参考光栅、第二参考光栅；其中，第一参考光栅、第三参考光栅和第五参考光栅的光栅周期沿X方向，第二参考光栅和第四参考光栅的光栅周期沿Y方向。
或者，参考标记沿X方向依次包括第一参考光栅、第五参考光栅和第三参考光栅；沿Y方向依次包括第四参考光栅、第五参考光栅、第二参考光栅；其中，第一参考光栅和第三参考光栅的光栅周期沿X方向，第二参考光栅、第四参考光栅和第五参考光栅的光栅周期沿Y方向。
参考标记位于所述成像模块像面位置。
第五参考光栅周期小于第一参考光栅、第三参考光栅、第二参考光栅和第四参考光栅的周期。
X方向对准标记的X方向第一光栅干涉像与参考标记的第一参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第二光栅干涉像与参考标记的第三光栅相对应、Y方向对准标记的Y方向第一光栅干涉像与参考标记的第四光栅相对应、Y方向对准标记的Y方向第二光栅干涉像与参考标记的第二参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第三光栅干涉像与参考标记的第五参考光栅相对应。
或者，X方向对准标记的X方向第一光栅干涉像与参考标记的第一参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第二光栅干涉像与参考标记的第三光栅相对应、Y方向对准标记的Y方向第一光栅干涉像与参考标记的第四光栅相对应、Y方向对准标记的Y方向第二光栅干涉像与参考标记的第二参考光栅相对应，Y方向对准标记的Y方向第三光栅干涉像与参考标记的第五参考光栅相对应。
成像模块使组成对准标记第一光栅、第三光栅和第二光栅的正负一级衍射光束分别相干成像在位于像面的参考标记相应位置上，晶片台经驱动***驱动在X和Y上运动扫描得到第一光信号、第三光信号、第二光信号。
信号探测和处理模块处理第一光信号和第二光信号，根据第一光信号和第二光信号的位相信息得到对准标记的粗略中心位置；处理第三光信号，根据第三光信号的位相信息，并结合对准标记的粗略中心位置得到对准标记的精确中心位置。
本发明提出的一种用于光刻设备的对准***，采用在频谱面利用反射镜和偏振棱镜将Y(或X)方向的小周期衍射光束偏折到X(或Y)方向，从而可以实现两个方向的对准扫描，使对准信号强度和信噪比与现有技术中相比得到提高，能量利用率得到提高，得到的对准信号没有出现明显的拐点，有利于后期信号探测和AGC(Automatic Gain Control)增益等部分的信号处理，在一定程度上有效的解决了现有技术中出现的问题，提高了对准精度。
本发明针对现有技术中对准***中对应对准标记的参考标记设计的不足和难点，提供了一种能实现两个方向对准信号扫描功能的参考标记，与现有技术相比，本发明采用了参考标记的X方向第五光栅或Y方向第五光栅为一维条形光栅，形成新形式的参考标记，可以实现两个方向的对准扫描，使对准信号强度和信噪比与现有技术中相比得到提高，能量利用率得到提高。
附图说明
图1所示为采用本发明的对准***的光刻设备结构示意图；
图2所示为本发明中对准***原理结构示意图；
图3A和图3B所示为本发明中所用对准标记结构示意图；
图4所示为本发明中对准***空间滤波器结构示意图；
图5A所示为本发明第一实施方案所采用的光学偏折结构；
图5B所示为本发明第一实施方案在频谱面的偏振组件结构示意图；
图6所示为本发明第二实施方案在频谱面的光学偏折结构示意图；
图7A和图7B所示为现有技术中所用的参考标记示意图和对准信号扫描图；
图8A和图8B所示为本发明第一实施方案参考标记的结构示意图和对准信号扫描图；
图9所示为本发明第二实施方案参考标记的结构示意图；
图10是本发明对准过程中经过增益处理后的对准信号强度示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
图1所示为采用本发明的对准***的光刻设备结构示意图。
光刻设备100包括：用于提供曝光光束的照明***1；用于支承掩模版2的掩模台3，掩模版2上有掩模图案和具有周期性结构的对准标记RM；用于将掩模版2上的掩模图案投影到晶片6的投影光学***4；用于支承晶片6的晶片支架和晶片台7；放置在晶片台7上有刻有基准标记FM的基准板8；晶片6上有周期性光学结构的对准标记WM；用于掩模版2和晶片6对准的离轴对准***5；用于掩模台3和晶片台7位置测量的反射镜10、16和激光干涉仪11、15；以及由主控制***12控制的掩模台3和晶片台7位移的伺服***13和驱动***9、14。
照明***1包括一个光源、一个使照明均匀化的透镜***、一个反射镜、一个聚光镜(图中均未示出)。
照明***1均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上包含有掩模图案和周期性结构的标记RM，用于掩模对准。
掩模台3可以经驱动***14在垂直于照明***1光轴(与投影物镜的光轴AX重合)的X-Y平面内移动，并且在预定的扫描方向(平行于X轴方向)以特定的扫描速度移动。
掩模台3在X-Y平面内的位置通过位于掩模台3上的反射镜16由多普勒双频激光干涉仪15精密测得。掩模台3的位置信息由激光干涉仪15经伺服***13发送到主控制***12，主控制***12根据掩模台3的位置信息通过驱动***14驱动掩模台3。
投影光学***4(投影物镜)位于图1所示的掩模台3下方，其光轴AX平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光学***作为投影光学***，所以当照明***1发射的曝光光束照射掩模版2上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学***4在涂覆有光刻胶的晶片6上成缩小的图像。
晶片台7位于投影光学***4的下方，晶片台7上设置有一个晶片支架(图中未示出)，晶片6固定在晶片支架上。晶片台7经驱动***9驱动在扫描方向(X方向)和扫描方向的垂直方向(Y方向)上运动，使得将晶片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。
晶片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于晶片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，晶片台7的位置信息经伺服***13发送到主控制***12，主控制***12根据该位置信息(或速度信息)通过驱动***9控制晶片台7的运动。
晶片6上设有晶片对准标记WM，晶片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准***5分别通过晶片对准标记WM和基准标记FM实现晶片6对准和晶片台7对准。另外，一个同轴对准单元(图中未示出)将晶片台上基准板8的基准标记FM与掩模对准标记RM对准，实现掩模对准。对准***5的对准信息结合同轴对准单元的对准信息一起传输到主控制***12，经数据处理后，驱动***9驱动晶片台7移动实现掩模版2和晶片6的对准。
图2所示为本发明中对准***原理结构示意图。
图2为图1中对准***5的原理结构示意图。对准***5主要由光源模块、照明模块、成像模块、对准标记、信号探测和处理模块(图中未单独示出)等组成。
光源模块提供多个分立波长的激光照明光束，至少包含两个分立波长的激光光束(波长为λ1和λ2)。在其他实施例中，光源模块也可以采用四个分立波长的激光光束(λ1、λ2、λ3和λ4)，其中有两个波长在近红外或红外波段，例如：532nm、632.8nm、785nm和850nm。
光源模块是激光器或者经过光电调制的激光单元。
光源模块所使用的激光器是气体激光器、或者是半导体激光器、或者是固体激光器或者是光纤激光器。
光源模块包含有激光单元，主要包括光隔离器、射频相位调制器以及光强幅度调制器(图中未示出)。
光源模块提供多波长照明光束，可以抑制多工艺层产生的干涉相消效应的影响，提高工艺适应性。
照明模块用于传输光源模块的照明光束，垂直照明晶片上的对准标记，包括传输光纤和照明光学***。
垂直照明到晶片上的对准标记的照明光束为S偏振光。
成像模块用于采集晶片上的对准标记312(即图1中的晶片对准标记WM)正负一级衍射光束并相干成像在参考标记328、322的位置。成像模块主要包括：前组透镜311、分束器314、双向分束器318、λ2空间滤波器319、λ2光学偏折结构320、λ2后组透镜321和λ1空间滤波器325、λ1光学偏折结构326、λ1后组透镜327。
λ2光学偏折结构320和λ1光学偏折结构326位于成像模块的频谱面，将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向，或者将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。
λ2空间滤波器319位于前组透镜311和后组透镜321之间的频谱面。λ1空间滤波器325位于前组透镜311和后组透镜327之间的频谱面。
信号探测模块和处理模块通过探测和处理经过位于对准标记透镜组成像位置的参考标记成像后的对准光强信号，得到对准标记的位置信息。
信号探测模块包括CCD传输光纤316、CCD相机317、λ2参考标记322、λ2传输光纤323、λ2光电探测器324、λ1参考标记328、λ1传输光纤329和λ1光电探测器330。
信号处理模块主要包括光电信号转换和放大、模数转换和数字信号处理电路等。
对准***原理为：双波长照明光束301进入光束合束器302，经由单膜保偏光纤303传输到起偏器304、透镜305、照明孔径光阑306和透镜307，然后经平板309上的反射棱镜308垂直入射到消色差的λ/4波片310进入前组透镜311(4F透镜的前组)，光束经前组透镜311会聚照射到晶片对准标记312上并发生衍射，对准标记312各级次衍射光束沿原路返回并经平板309进入分束器314，分束器314将一小部分衍射光束经过镀膜反射面313反射到CCD光路经过CCD透镜315、CCD传输光纤316，成像于CCD 317上用于观测标记成像情况，另一部分衍射光束沿光路透射过去由分光棱镜318两种波长光束分开，分别进入不同的光路，经过相应的λ2空间滤波器319、λ1空间滤波器324，选择需要的衍射光级次(本发明需要的分别是各光栅的正负一级衍射光束)，并通过λ2光学偏折结构320、λ1光学偏折结构326，λ2后组透镜321、λ1后组透镜327，(4F透镜的后组)将正负一级衍射光束干涉像成在λ2参考标记321、λ1参考标记326上，工件台扫描过程中，对准标记正负一级衍射光束干涉像扫描λ2参考标记322、λ1参考标记328，λ2光电探测器324和λ1光电探测器330探测经λ2传输光纤329、λ1传输光纤323探测λ2参考标记321和λ1参考标记326透过的光信号，由光信号的位相信息得到对准标记的中心位置。经过增益处理的对准信号如图10。
该对准***的主要特征在于，通过在像面探测三周期对准标记的第一光栅、第二光栅和第三光栅的正负一级衍射光束相干成像后经参考标记调制的光强变化，由透射光信号的相位信息获得对准标记的中心位置。其中由对准标记的第一光栅和第二光栅的对准信号获得对准标记的粗略位置信息，由对准标记的第三光栅的对准信号得到对准标记的精确位置信息。
图3A和图3B所示为本发明中所用对准标记结构示意图。
对准标记是三周期相位光栅型划线槽标记，占空比为1∶1。对准标记包含三组不同周期的光栅：第一光栅、第二光栅和第三光栅。本发明所用的对准标记包括X方向对准标记和Y方向对准标记。
图3A是用于X方向对准的X方向对准标记200X。
X方向对准标记200X沿X方向依次包括三组不同周期的光栅：X方向第一光栅201、X方向第三光栅203和X方向第二光栅202。X方向第一光栅201的光栅周期为P1，X方向第二光栅202的光栅周期为P2，X方向第三光栅203的光栅周期为P3。
对用于同一方向对准的两组大周期光栅，X方向第一光栅201和X方向第二光栅202，选择不同的光栅周期可以提高对准标记的捕获范围，捕获范围表示为P1×P2/[2(P1-P2)]。光栅周期P1、P2相差不大，一般取P2＝(1±r％)P1，其中r取值在5到15之间。例如，X方向第一光栅201周期为13um，X方向第二光栅202周期为12um，则捕获范围为78um。
X方向第三光栅203的周期P3＜P1，且P3＜P2，用于精对准。例如，X方向第三光栅203的周期可以为2μm。三组光栅之间的周期取值要相互匹配，即要求在滤波面上的滤波孔只能够让各自光栅的正负一级衍射光束透过，其他级次衍射光束由于在滤波孔外而被挡住。
同样，如图3B所示，Y方向对准标记200Y沿Y方向依次包括第一光栅204、Y方向第三光栅206和Y方向第二光栅205，三组光栅周期分别与X方向对准标记200X的三组光栅周期相同。用于Y方向对准的Y方向对准标记200Y的形状与X方向对准标记顺时针旋转90°后相同。
另外，对准标记的三组光栅间的位置可以任意调换，即三组光栅中任何一组光栅的位置可以与其他光栅位置互换。
图3所示的对准标记是现有技术所用的对准标记，也为本发明所使用的对准标记。
图4所示为本发明中对准***空间滤波器结构示意图。
请结合参考图2和图4，在图2所示的对准***中所用λ2空间滤波器319、λ1空间滤波器325，分为垂直和水平两个方向排列的六个滤波孔，分别用于X、Y两个方向的对准标记第一光栅、第二光栅、第三光栅的正负一级衍射光束滤波，即让两个方向的对准标记第一光栅、第二光栅、第三光栅的正负一级衍射光束从相应的滤波孔通过，其他衍射级次被挡住。
由于对准标记中用于对准范围捕获的第一光栅、第二光栅两个大周期光栅的周期相差很小，其正负一级衍射光束在4F***频谱面(空间滤波器所在位置)上距离很近，所以也可以让第一光栅、第二光栅两个大周期光栅的正负一级衍射光束在同一滤波孔内通过。
图5A所示为本发明第一实施方案所采用的光学偏折结构，用于将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向。
请结合参考图4和图5A。光学偏折结构包括反射镜和偏振组件。反射镜702和701结构相同、作用相同，对应位于Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束至位于频谱面X方向的偏振组件703和704。
反射镜702和701可以镀高反射膜或全反射膜提高光能量的利用率。
偏振组件703和704结构相同，位于X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射Y方向对准标记的Y方向第三光栅和透射X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束。
图5B所示为本发明第一实施方案在频谱面的偏振组件703结构示意图。
偏振组件703包括偏振棱镜705和半波片706，经过反射镜702的Y方向正一级入射光束(S偏振态)707-1入射到偏振组件703，经过偏振棱镜705的分光面N反射后出射，Y方向正一级出射光束707-2仍然是S偏振态，被探测模块所接收。
X方向正一级入射光束(S偏振态)708-1垂直入射到半波片706，因为半波片706的光轴与偏振棱镜705呈45度胶合，这样经过半波片706后，X方向正一级入射光束(S偏振态)708-1的偏振态由S偏振态转变为P偏振态，X方向正一级入射光束708-1入射到分光面N并透射过705，X方向正一级出射光束708-2被探测模块接收。X方向正一级出射光束708-2的出射位置和方向和Y方向正一级出射光束707-2的出射位置和方向相同。经过信号探测和处理得到对准信号，这样可以实现两个方向上的对准扫描。
偏振组件703的使用使对准信号强度和信噪比与现有技术中相比得到提高，能量利用率得到提高。得到的对准扫描信号没有出现明显的拐点，有利于后期信号探测和AGC增益等部分的信号处理。在一定程度上有效的解决了现有技术中出现的问题，提高了对准精度。X、Y方向负一级入射光束入射和出射原理和过程与此相同。
图6是本发明第二实施方案在频谱面的光学偏折结构示意图，用于将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。
本发明第二实施方案所用在频谱面的反射镜与第一实施方案的反射镜相同，位置不同。
反射镜801和802位于X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于把X方向对准标记的X方向的第三光栅正负一级衍射光束反射至偏振组件803和804。反射镜801和802结构相同，可以镀高反射膜或全反射膜提高光能量的利用率。
本发明第二实施方案所用在频谱面的偏振组件803和804结构与第一实施方案在频谱面的偏振组件结构完全相同，位置不同。
偏振组件803与804都位于Y方向对准标记的Y向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射X方向对准标记的X方向第三光栅和透射Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束。
本发明第二实施方案的原理和过程与第一实施方案相同。这样可以实现两个方向上的对准扫描，使对准信号强度和信噪比与现有技术中相比得到提高，能量利用率得到提高，得到的对准扫描信号没有出现明显的拐点，有利于后期信号探测和AGC增益等部分的信号处理，在一定程度上有效的解决了现有技术中出现的问题，提高了对准精度。
图7A和图7B是现有技术中所用的参考标记示意图和对准信号扫描图。
请结合参考图2A、图2B、图7A和图7B。图7A所示的参考标记600包括八组振幅型光栅：AX第一参考光栅G1、AX第二参考光栅G2、AX第三参考光栅aG3-a、AX第三参考光栅bG3-b、AY第一参考光栅G4、AY第二参考光栅G5、AY第三参考光栅aG6-a和AY第三参考光栅bG6-b。
AX第一参考光栅G1、AX第二参考光栅G2分别对应于X方向对准标记200X的X方向第一光栅201、X方向第二光栅202的正负一级衍射光束像。
AX第三参考光栅aG3-a、AX第三参考光栅bG3-b对应于X方向对准标记200X的X方向第三光栅203的正负一级衍射光束像。
AY第一参考光栅G4、AY第二参考光栅G5分别对应于Y方向对准标记200Y的Y方向第一光栅204、Y方向第二光栅205的正负一级衍射光束像。
AY第三参考光栅aG6-a和AY第三参考光栅bG6-b对应于Y方向对准标记200Y的Y方向第三光栅206的正负一级衍射光束像。
八组振幅型光栅沿周期方向的长度可以略小于或者也可以大于对应的正负一级光栅像的长度。
八组振幅型光栅后分别设置有传输光纤束，包括F1、F2、F3-a、F3-b、F4、F5、F6-a和F6-b，分别对应G1传输光纤、G2传输光纤、G3-a传输光纤、G3-b传输光纤、G4传输光纤、G5传输光纤、G6-a传输光纤、G6-b传输光纤。
将参考标记200X和200Y的各组光栅的透射光传输到相应的光电探测器阵列，其中G3-a传输光纤和G3-b传输光纤得到的对准扫描信号光强合在一起作为一路信号，G6-a传输光纤和G6-b传输光纤得到的对准扫描信号光强合在一起作为一路信号。在X方向对准标记200X和Y方向对准标记200Y对准扫描过程中，得到对准标记X和Y方向的对准信号。
图7B为图7A中参考标记调制相应对准标记相干像光强得到的对准信号(图7B仅绘出了图7A中参考标记X方向AX方向第三参考光栅G3-a和AX方向第三参考光栅G3-b的合成对准扫描信号，本领域技术人员可知，由于Y方向对准标记200Y与X方向对准标记200X相同，因此在Y方向上的对准扫描信号相同)。
图中横坐标为扫描位置值，单位为um，纵坐标为信号扫描信号强度值，单位用a.u表示。为从图中可以看出在中间对准位置部分，对准扫描信号光强最大值为3.9×104(a.u)，对准扫描信号光强最小值为0.9×104(a.u)，即对准扫描信号的有效范围为0.9×104～3.9×104(a.u)，另外从图中可以看出对准信号在扫描过程中光强出现明显的拐点，出现这种情况不利于对准扫描信号的后期信号AGC增益等处理。
AGC为对准信号的自动增益控制，即根据预扫描对准扫描信号强度的变化率作为AGC增益因子，来调整相应探测通道的输出信号强度，使用于对准捕获和精对准的信号强度保持一致，并为一常数。这样做的目的就是为了使各探测通道输出的信号强度一致，便于利用信号相位进行粗对准和精对准。
AGC增益要求扫描信号从开始扫描到信号强度最大过程中信号强度变化率尽量一致，即扫描信号不能出现明显的拐点，以此保证根据预扫描得到的增益因子与相应各通道的输出信号强度保持协调。
图8A和图8B所示为本发明第一实施方案参考标记的结构示意图和对准信号扫描图。
请结合参考图5、图6和图8A～8B。图8A所示为参考标记900包含五组振幅型光栅：第一参考光栅901、第二参考光栅902、第三参考光栅903、第四参考光栅904和第五参考光栅905，及传输光纤906、传输光纤907、传输光纤908、传输光纤909、传输光纤910组成。第五参考光栅905的周期小于第一参考光栅901、第二参考光栅902、第三参考光栅903和第四参考光栅904的周期。
请结合参考图1、图2和图8。对准成像模块使组成对准标记的第一光栅、第三光栅和第二光栅的正负一级衍射光束分别相干成像在位于像面的参考标记相应位置，即X方向对准标记的X方向第一光栅干涉像与参考标记的第一参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第二光栅干涉像与参考标记的第三光栅相对应、Y方向对准标记的Y方向第一光栅干涉像与参考标记的第四光栅相对应、Y方向对准标记的Y方向第二光栅干涉像与参考标记的第二参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第三光栅或Y方向对准标记的Y方向第三光栅干涉像与参考标记的第五参考光栅相对应。
晶片台7经驱动***驱动在扫描方向(X方向或Y方向)和垂直于扫描方向(Y方向或X方向)上运动扫描得到第一光信号、第三光信号、第二光信号。
参考标记900第五参考光栅905对应X方向对准标记200X的X方向第三光栅203或Y方向对准标记200Y的Y方向第三光栅206的正负一级衍射光束干涉像。为了兼顾对准信号两个方向扫描，参考标记900中第五参考光栅905设计为周期沿X向排列的条形振幅光栅，这样可以最大限度利用光能量，实现两个方向的对准信号扫描。
图8B为参考标记900第五参考光栅905扫描得到的对准信号(图中仅绘出参考标记X方向对准扫描信号，本领域技术人员可知，由于Y方向对准标记200Y与X方向对准标记200X相同，Y方向相同)，图中横坐标为扫描位置值，单位为，纵坐标为信号扫描强度值，单位用au表示，从图中可以看出在中间对准位置部分，对准信号的有效范围为1.8×104-7.5×104，信号强度和范围比图7B中的扫描信号要大，信号的形状也更有利于信号后期增益处理。
图9所示为本发明第二实施方案参考标记的结构示意图。
图9为参考标记1000包含五组振幅型光栅：第一参考光栅1001，第二参考光栅1002，第三参考光栅1003，第四参考光栅1004和第五参考光栅1005，及传输光纤1006、传输光纤1007、传输光纤1008、传输光纤1009、传输光纤1010组成。第五参考光栅1005对应X方向对准标记200X的X方向第三光栅203或Y方向对准标记200Y的Y方向第三光栅206的正负一级衍射光束干涉像。为了兼顾对准信号两个方向扫描，参考标记1000中第五参考光栅1005设计为周期沿Y向排列的条形振幅光栅，这样可以最大限度利用光能量，实现两个方向的对准信号扫描。
本发明第二实施方案参考标记1000的第五参考光栅1005扫描得到的对准信号与参考标记900中第五参考光栅905的对准信号相同。
图8的参考标记900、图9的参考标记1000的结构最大限度的提高信号的强度和范围，并使扫描信号不出现拐点或小到不影响AGC增益调整的拐点。
图10是本发明对准过程中经过增益处理后的对准信号强度示意图。
请结合参考图2A、2B以及图10。第一光信号SP1为对准标记第一光栅正负一级衍射光束干涉像经过参考标记调制后的光强信号。第二光信号SP2为对准标记第二光栅正负一级衍射光束干涉像经过参考标记调制后的光强信号。第三光信号SP3为对准标记第三光栅正负一级衍射光束干涉像经过参考标记调制后的光强信号。由第一光信号SP1和第二光信号SP2的位相信息进行位置捕获，得到对准标记的粗略中心位置，在此基础上由第三光信号SP3的位相信息进行位置对准，得到对准标记的精确中心位置。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (28)
1、一种用于光刻设备的对准***，包括：
光源模块，用于提供该对准***的照明光束；
照明模块，用于传输照明光束，垂直照明晶片上的对准标记；
成像模块，采集对准标记的正负一级衍射光束并相干成像在参考标记位置；以及
信号探测模块和处理模块通过探测和处理经过参考标记成像后的对准光强信号，得到对准标记的位置信息，
其特征在于：所述对准标记是三周期相位光栅型标记，包含三组不同周期的光栅：第一光栅、第三光栅和第二光栅；以及
所述成像模块的频谱面设置有光学偏折结构，该光学偏折结构将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向，或者将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。
2、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述光源模块是激光器或者经过光电调制的激光单元。
3、根据权利要求2所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述激光器是气体激光器、或者是半导体激光器、或者是固体激光器、或者是光纤激光器。
4、根据权利2所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述激光单元包含射频相位调制器和光强幅度调制单元。
5、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述光源模块提供至少两个不同波长的照明光束。
6.根据权利要求5所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述光源模块提供四个不同波长的照明光束，其中两个照明光束的波长在近红外或红外波段。
7、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述垂直照明到晶片上的对准标记的照明光束为S偏振光。
8.根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述对准标记包括：
X方向对准标记，沿X方向依次包括：
X方向第一光栅，具有第一光栅周期；
X方向第三光栅，具有第三光栅周期，以及
X方向第二光栅，具有第二光栅周期，
其中，X方向第三光栅周期小于该X方向第一光栅周期和该X方向第二光栅周期，以及
Y方向对准标记，沿Y方向依次包括：
Y方向第一光栅，具有第一光栅周期；
Y方向第三光栅，具有第三光栅周期，以及
Y方向第二光栅，具有第二周期；
其中，Y方向第三光栅周期小于该Y方向第一光栅周期和该Y方向第二光栅周期，以及
Y方向对准标记的形状与X方向对准标记顺时针旋转90°后相同。
9、根据权利要求8所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述X方向对准标记或Y方向对准标记的三组光栅的位置可以任意调换。
10、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述成像模块至少还包括：前组透镜，分束器，空间滤波器，后组透镜，与所述对准标记布局形式相应的参考标记。
11、根据权利要求10所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述空间滤波器，具有多个滤波孔，仅允许让X方向对准标记的X方向第一光栅、X方向第二光栅、X方向第三光栅和Y方向对准标记的Y方向第一光栅、Y方向第二光栅、Y方向第三光栅的正负一级衍射光束从相应的滤波孔通过。
12、根据权利要求10所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述空间滤波器位于所述前组透镜和所述后组透镜之间的频谱面。
13、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述光学偏折结构包括：两个反射镜和两个偏振组件。
14、根据权利要求13所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述两个反射镜，位于Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束至偏振组件。
15、根据权利要求13所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述两个偏振组件，位于X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射Y方向对准标记的Y方向第三光栅和透射X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束。
16、根据权利要求13所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述两个反射镜，位于X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射X方向对准标记的X方向第三光栅正负一级衍射光束至两个偏振组件。
17、根据权利要求13所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述两个偏振组件，位于Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束通过的相应滤波孔位置，用于反射X方向对准标记的X方向第三光栅和透射Y方向对准标记的Y方向第三光栅正负一级衍射光束。
18、根据权利要求13所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述偏振组件包括：
半波片；以及
偏振棱镜，该偏振棱镜的光轴与该半波片的光轴之间的夹角为45°。
19、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述参考标记包含五组振幅型光栅：第一参考光栅、第二参考光栅、第三参考光栅、第四参考光栅、第五参考光栅。
20、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述参考标记沿X方向依次包括第一参考光栅、第五参考光栅和第三参考光栅；沿Y方向依次包括第四参考光栅、第五参考光栅、第二参考光栅，
其中第一参考光栅、第三参考光栅和第五参考光栅的光栅周期沿X方向，第二参考光栅和第四参考光栅的光栅周期沿Y方向。
21、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述参考标记沿X方向依次包括第一参考光栅、第五参考光栅和第三参考光栅；沿Y方向依次包括第四参考光栅、第五参考光栅、第二参考光栅，
其中第一参考光栅和第三参考光栅的光栅周期沿X方向，第二参考光栅、第四参考光栅和第五参考光栅的光栅周期沿Y方向。
22、据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述参考标记位于所述成像模块像面位置。
23、根据权利要求20或21所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述第五参考光栅周期小于第一参考光栅、第三参考光栅、第二参考光栅和第四参考光栅的周期。
24、根据权利要求20所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述X方向对准标记的X方向第一光栅干涉像与参考标记的第一参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第二光栅干涉像与参考标记的第三光栅相对应，Y方向对准标记的Y方向第一光栅干涉像与参考标记的第四光栅相对应，Y方向对准标记的Y方向第二光栅干涉像与参考标记的第二参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第三光栅干涉像与参考标记的第五参考光栅相对应。
25、根据权利要求21所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于，所述X方向对准标记的X方向第一光栅干涉像与参考标记的第一参考光栅相对应，X方向对准标记的X方向第二光栅干涉像与参考标记的第三光栅相对应，Y方向对准标记的Y方向第一光栅干涉像与参考标记的第四光栅相对应，Y方向对准标记的Y方向第二光栅干涉像与参考标记的第二参考光栅相对应，Y方向对准标记的Y方向第三光栅干涉像与参考标记的第五参考光栅相对应。
26、根据权利要求1所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述成像模块使组成对准标记第一光栅、第三光栅和第二光栅的正负一级衍射光束分别相干成像在位于像面的参考标记相应位置，晶片台经驱动***驱动在X和Y上运动扫描得到第一光信号、第三光信号、第二光信号。
27、根据权利要求26所述的一种用于光刻设备的对准***，其特征在于：所述信号探测和处理模块处理第一光信号和第二光信号，根据第一光信号和第二光信号的位相信息得到对准标记的粗略中心位置；处理第三光信号，根据第三光信号的位相信息，并结合对准标记的粗略中心位置得到对准标记的精确中心位置。
28、一种光刻设备，包括：
照明***，用于传输曝光光束；
掩模台，用于支承掩模版的掩模支架，掩模版上有掩模图案和具有周期结构的对准标记；
投影光学***，用于将掩模版上的掩模图案投影到晶片上；
晶片支架和晶片台，用于支承晶片，晶片台上有含有基准标记的基准板，晶片上具有周期性光学结构的对准标记；
如权利要求1所述的对准***，用于晶片对准和晶片台对准，其设置在所述的掩模台和所述的晶片台之间；
同轴对准单元，用于掩模对准；
反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和晶片台位置测量；
伺服***和驱动***；以及
由主控制***控制的掩模台和晶片台位移驱动的伺服***和驱动***；
其特征在于：
所述对准标记为三周期相位光栅型标记，包含三组不同周期的光栅：第一光栅、第三光栅和第二光栅；
所述对准***至少包括：用于提供并传输多波长照明光束的光源模块和照明模块；用于采集对准标记的正负一级衍射光束并相干成像的成像模块；用于探测和处理经过参考标记成像后的对准光强信号的探测模块和处理模块；所述成像模块的频谱面设置有光学偏折结构，该光学偏折结构将Y方向对准标记的Y方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到X方向，或者将X方向对准标记的X方向第三光栅的正负一级衍射光束偏折到Y方向。
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