CN105372943B - 一种用于光刻设备的对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的对准装置，其特征在于，包括：一光源，用于提供一用于对准的照明光束；光学***，用于使所述照明光束倾斜入射至对准标记；探测器，用于探测所述对准标记产生的衍射光束的干涉信号；处理单元，用于根据所述干涉信号的强度随运动台位置变化的关系计算对准位置。

Description

一种用于光刻设备的对准装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种用于光刻设备的对准装置。

背景技术

目前，光刻设备大多采用基于光栅衍射干涉的对准***。该类对准***基本特征为：包含单波长或多波长的照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，产生的各级衍射光携带有关于对准标记的位置信息；不同级次的光束以不同的衍射角从相位对准光栅上散开，通过对准***收集各级次的衍射光束，使两个对称的正负衍射级次(如±1级、±2级、±3级等)在对准***的像面或瞳面重叠相干，形成各级干涉信号。当对对准标记进行扫描时，利用光电探测器记录干涉信号的强度变化，通过信号处理，确定对准中心位置。

现有技术中具有代表性的是荷兰ASML公司采用的一种离轴对准***，该对准***在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的重叠和相干成像，并在像面上将成像空间分开；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记像透过参考光栅的透射光强，得到正弦输出的对准信号。该对准***存在的缺陷：首先，由于该***采用偏振分束棱镜的分光***只能分离两个波长的色光，对两个波长以上的对准信号则无法完成；其次，该方案仅能使用固定光栅常数的标记进行对准，无法兼容不同周期的标记；最后，该对准***使用楔块列阵时，对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高，而楔板组的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实施工程难度较大，成本高。

因此，如何提供一种既能够兼容不同光栅常数标记和多种波长对准，且光路结构简单、避免使用复杂光学元件、容易实现的离轴对准***及对准方法是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种既能够兼容不同光栅常数标记和多种波长对准，且光路结构简单、避免使用复杂光学元件、容易实现的离轴对准装置。

本发明一种用于光刻设备的对准装置，其特征在于，包括：一光源，用于提供一用于对准的照明光束；光学***，用于使所述照明光束倾斜入射至对准标记；探测器，用于探测所述对准标记产生的衍射光束的干涉信号；处理单元，用于根据所述干涉信号的强度随运动台位置变化的关系计算对准位置。

更进一步地，所述光学***还用于收集所述对准标记产生的衍射光束。

更进一步地，所述照明光束是宽波段光、多波长光的组合、单色光或窄带光，所述光学***包括：第一光学元件，用于将所述照明光束在所述对准装置的瞳面形成科勒照明；第二光学元件，用于将经过所述第一光学元件的照明光束导向所述对准标记；第三光学元件，用于将经过所述第二光学元件的照明光束会聚至所述对准标记后形成所述衍射光束，所述衍射光束被所述第三光学元件接收，返回所述第二光学元件并经其导向探测器探测。

更进一步地，所述照明光束是激光，所述光学***包括：第二光学元件，用于将照明光束导向所述对准标记；第三光学元件，用于将经过所述第二光学元件的照明光束会聚至所述对准标记后形成所述衍射光束，所述衍射光束被所述第三光学元件接收，返回所述第二光学元件并经其导向探测器探测。

更进一步地，所述第二光学元件包括反射区域和透光区域，所述反射区域和透光区域用于仅将分布在所述瞳面的非中心区域的照明光束导向所述对准标记，返回所述第二光学元件的衍射光束中仅1级光或者1级和高级光被所述第二光学元件导向探测器探测。

更进一步地，所述第二光学元件为一反射镜或一分束镜。

更进一步地，经过第一光学元件的照明光束被所述第二光学元件的反射区域反射后到达所述第三光学元件；经所述第三光学元件返回所述第二光学元件的衍射光束中仅1级光或者1级和高级光被所述第二光学元件的透光区域透射至所述探测器，其余衍射光被阻挡。

更进一步地，经过第一光学元件的照明光束被所述第二光学元件的透光区域透射后到达所述第三光学元件；经所述第三光学元件返回所述第二光学元件的衍射光束中仅1级光或者1级和高级光被所述第二光学元件的反射区域反射至所述探测器，其余衍射光被阻挡。

更进一步地，所述反射区域与透光区域位于一直线上，所述反射区域位于所述透光区域的两侧，或者所述透光区域位于中心位置，所述反射区域分布于所述透光区域的***。

更进一步地，所述反射区域与透光区域位于一直线上，所述透光区域位于所述反射区域的两侧，或者所述反射区域位于中心位置，所述透光区域分布于所述反射区域的***。

更进一步地，所述第二光学元件还包括一不反射不透光区域。

更进一步地，所述光源包括光源选通装置。

更进一步地，所述透光区域的尺寸由所述对准标记的最大光栅常数p_max和所述照明光束的最短波长λ_min以及衍射光束中需要探测的最小衍射级次N_min决定，所述透光区域可通过的光束的夹角小于

更进一步地，所述照明光束是激光，所述光学***包括分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜组成，所述照明光束经所述分光棱镜分为透射光和反射光，分别由第一反射镜和第二反射镜反射并最终斜入射至对准标记。

更进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜的角度可调，从而改变所述照明光束相对对准标记的入射角。

与现有技术相比较，本发明提供的技术方案采用倾斜式入射对准光束，以全新的结构和形式来进行对准，不需要正负级次光干涉无需楔板等复杂元件，结构简单易于实现，避免了过严的加工和装调精度要求；标记兼容性好，可测量各方向(如0°，90°，±45°及其他方向)的光栅标记，亦可兼容不同周期的标记；同时，通过宽波段光源等和科勒照明组合使用，可以提高工艺适应性；采用具备反射区域和透光区域的光学元件，可以避免0级光夹杂在回收的探测光当中，提高对准精度。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是光刻设备结构示意图；

图2是本发明涉及的对准装置的第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明涉及的对准装置的第二实施方式的结构示意图；

图4是本发明涉及的对准装置的光学元件的结构示意图；

图5是入射角不同情况下的衍射光的示意图；

图6是本发明涉及的对准装置的第三实施方式的结构示意图；

图7是本发明涉及的对准装置的对准标记示意图；

图8是适用于多方向标记测量的光学元件的结构示意图；

图9是适用于多波长多级次测量的光学元件的结构示意图；

图10是多衍射级次测量示意图；

图11是多波长测量示意图；

图12是不同光栅常数对准标记测量示意图；

图13是本发明在瞳面形成科勒照明的示意图；

图14是本发明在瞳面形成科勒照明的示意图；

图15本发明涉及的对准装置的激光光源条件下的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

在投影式光刻领域，硅片对准多采用离轴对准的方式，硅片与掩模的位置关系通过工件台基准板上的对准标记作为过渡参考间接获取，即先分别确立硅片和掩模在工件台坐标系下的位置，然后间接获得硅片、掩模之间相对位置关系。其中，硅片在工件台坐标系下的位置确立，即硅片对准，更为复杂，需要通过参考标记来建立。因此，将硅片对准标记(及工件台对准标记)与参考标记进行对准成为问题的关键。

投影式光刻设备如图1所示，包括：用于提供曝光光束的照明***；用于支承掩模版的掩模台，掩模版上有掩模图案和用于对准的标记RM；用于将掩模版上的掩模图案投影到硅片上的投影光学***；用于支承硅片的工件台，工件台上有刻有基准标记FM的基准板，硅片上有用于对准的周期性标记；用于掩模和硅片对准的离轴对准***。掩模台和工件台都由高精度伺服***驱动。

本发明涉及一种对准装置，包括一光源，用于提供一用于对准的照明光束；光学***，用于使所述照明光束倾斜入射至对准标记，收集所述对准标记产生的衍射光束；探测器，用于探测所述衍射光束的干涉信号；处理单元，用于根据所述干涉信号的强度随运动台位置变化的关系计算对准位置。

图2是本发明涉及的对准装置的第一实施方式的结构示意图。光源1，提供照明光，照明光为单色光或窄带光、宽波段光。光学***10，使照明光斜入射投影在标记上，其中斜入射照明光至少包括两个不同入射角度。探测器5，接收标记的衍射光。处理器6，从探测器获取衍射光的干涉信号，并进行处理。对准标记9，采用光栅标记。光源1发出的光经过光学***10后产生可斜入射光21和22(21和22代表两个不同角度的斜入射照明光)，并且21和22相干，光斜入射照明对准标记9，经对准标记9衍射后的同方向的衍射光发生干涉。探测器5负责接收标记的衍射光，并将衍射光干涉光强信号传输给处理器6。当对准标记9随载体沿光栅周期方向移动时，探测器5接收到的干涉光强信号呈现余弦形式的变化，根据光强信号变化，可计算得到对准位置。

图3是本发明涉及的对准装置的第二实施方式的结构示意图。如图3所示，该对准装置包括：照明单元1，提供照明光，照明光为宽波段、白光、单色光或窄带光；光学单元2，用于在瞳面(光学单元4的后焦面)形成科勒照明，即光源成像在样品面上，而在瞳面上，光源的一点发出的光照明整个瞳面，如图13所示，01为一个点光源，41代表***的瞳面，光源发出的相同方向的光都会聚在瞳面上的同一点，如图14所示，02、03、04、05分别代表4个不同位置的点光源，即光源上一点发出的光对应整个瞳面，瞳面上一点对应光源各点发出的同一个方向的光。科勒照明可以保证同一点光源发出的经对准标记的衍射光具有相干性，能得到干涉信号。光学元件3，用于将照明光导向测量样品面，可以是中心透过的反射镜(如图4所示)或分束镜。光学单元4，用于将照明光会聚到测量样品上，可采用物镜，也就是说，照明光束倾斜入射至对准标记。探测器5，用于测量光信号，可放置于光学单元4的后焦面，可使用光电二极管。信号处理***6，从探测器获取强度信号，并进行信号处理。工件台7，用于承载硅片，并可6自由度精确定位。标记载体8，可以为硅片、或基准版，其上有对准标记。对准标记9，可为一维线性光栅，或带有精细结构线性光栅。

照明单元1出射端发出的光经过光学单元2在瞳面形成科勒照明。照明光对应光学元件3反射区域(图4中A区域)的光由光学元件3反射，经过光学单元4斜入射会聚到对准标记9上，其他光线透过光学元件3(图4中A区域)，因而无法照射到对准标记上，其他光线为不需要的背景光，将其排除以避免其干扰衍射光的探测。可选地，经标记9衍射的光被光学单元4接收，其中标记0级衍射光(反射光)和高级次衍射光将被光学元件3(图4中B和C区域)阻挡，C区域为不反射不透光区，±1级衍射光或者更高级次衍射光通过光学元件3(图4中A区域)到达探测器5，由探测器5探测得到的干涉光强信号传输到处理单元6进行处理。

照明光束经标记衍射后，光波表达式如下

其中，R_θ.m表示入射角为θ时，第m级衍射光的振幅与入射光振幅的比值；λ为入射光波长；p为对准标记光栅常数；Δs为标记相对对准位置的偏移量。

衍射光104a和114a分别为各自入射光103和113的+1级和-1级衍射光，则当入射角正弦值时，ξ＝0，104a和114a重合，且垂直于硅片面，由光学单元4收集，探测器5探测这两束光的干涉强度为

运动台沿标记光栅方向运动，标记的偏移量Δs发生变化，探测器5探测到的光强信号随Δs周期性变化。运动台每移动的距离，测量信号变化一个周期。

入射光线103和113与光轴夹角不相等时，如图5所示，当满足等式时，104a和114a平行，则在探测面上可探测到两光束的干涉信号，如下所示：

探测器5探测到的光强信号是探测区域接收到的不同入射角度光的±1级衍射光干涉信号之和，可表示为

其中，DC为本底，I_A为光强随标记偏移量Δs变化的幅值。

探测器探测到的光强随标记位置变化周期性变化，处理器6接收探测器5的测量信号，结合工件台位置测量***反馈的工件台位置信息，可计算得到对准位置。

图6是本发明所涉及的对准装置的第三实施方式。与第二实施方式不同的是，照明光束对应光学元件31不透光区(图4中E和G区域,E为反射区域，G为不反射不透光区，)域的光束被光学元件31(如图4所示)遮挡，因而无法照射到对准标记上，该光束为不需要的背景光，将其排除以避免其干扰衍射光的探测；可选地，透光区域的光线透过光学元件31(图4中F区域)经光学单元4会聚到对准标记上，标记的衍射光被光学单元4收集，其中±1级衍射光或者更高级次衍射光由光学元件31(图4中E区域)反射到达探测器5，探测器5测量干涉信号。其探测到的干涉光强同式(7)所示。可选地，光学元件31也可以仅包括不透光区，使得不透光区域以外的光束毫无阻碍地经光学单元4会聚到对准标记上。可选地，光学元件31的反射区也可以为中心圆形区域，透光区为围绕反射区的环状区域。

图7是本发明涉及的对准装置的对准标记示意图，如图7所示，5A为0度标记，5B为90度标记，5C为45度标记，5D为-45度标记。图7中的对准标记是任意方向的对准标记，为了适应该对准标记，本发明提供一种适用于多方向标记测量的光学元件。如图8所示，照明单元1出射端发出的光经过光学单元2在瞳面形成科勒照明，其中对应图8中6B区域(反射区)的光由光学元件3反射，经过光学单元4会聚到对准标记9上，其他光线无法照射到对准标记上。经标记9衍射的光被光学单元4接收，其中标记0级衍射光(反射光)和高级次衍射光将被光学元件3(6B和6C区域)阻挡，±1级衍射光通过光学元件3图8中6A区域到达探测器5，由5探测得到的光强信号传输到处理单元6进行处理。

探测器5测量到的光强信号为

其中，γ为标记方向角(标记光栅方向与运动台扫描方向的夹角)。

本发明还提供第四实施方式，在第二实施方式的基础上扩展光源波长，优化光学元件3，增大反射区域环带宽度，增大了照明光入射角度范围，可兼容多波长或宽波段测量，提高工艺适应性，还可兼容不同光栅常数的标记，同时可测量高级次光的干涉信号。

照明单元1，提供照明光，可以是宽波段光(如450～750nm)，也可以是多个波长的光，如波长分别为λ1，λ2，λ3的激光。1中还可以包括光源选通装置，可选择不同光源照明。硅片不同工艺层对不同波长光的反射率有所不同，通过选取反射率较高的光源照明，以提高信号的对比度，达到增强工艺适应性的目的。

照明单元1出射端发出的光经过光学单元2和3在瞳面形成科勒照明，其中瞳面位置上对应图9中7B区域(反射区)的光由光学元件3反射，经过光学单元4会聚到对准标记9上，对应中心7A区域(透光区，该区域的尺寸由对准标记的最大光栅常数p_max和照明光束的最短波长λ_min以及需要探测的最小衍射级次N_min决定，透光区域可通过的光束的夹角小于)的光线将透过光学元件3，无法照射到对准标记上。经标记9衍射的光被光学单元4接收，其中标记0级衍射光(反射光)将被光学元件3(图10中B区域)阻挡，其他可通过7A区域的衍射级次光到达探测器5，由5探测得到的光强信号传输到处理单元6进行处理。

同一波长不同级次的光能到达探测器级次m需要入射角θ满足光栅衍射方程其中衍射角α在探测器收集角度范围内。

如图10所示，对于同一波长不同角度的入射光183的-1级衍射光183a和193的-2级衍射光193c在探测器5接收范围内，193的-1级衍射光193a无法被探测器接收。同样，法线另一侧相应入射光283和293的+1级衍射光283a和+2级衍射光293c与183a和183c发生干涉，产生干涉信号。

当更多衍射级次的光满足其衍射角在探测器5收集范围内时，探测器5探测到的光强信号为各级衍射光的干涉信号。高级次衍射光形成的测量信号对应着更高的对准测量分辨率。由于对准标记的周期性性质，低级次衍射光形成的测量信号可获得更大的测量范围。组合使用高级次和低级次衍射光信号，可在较大的对准范围内获得较好的对准精度。

光线的衍射角由衍射级次、波长和光栅常数决定，对于不同波长的照明光，需要采用不同的入射角θ照明标记，当入射角θ满足条件，保证sinα在探测器接收范围内时，可被探测到，对于相同衍射级次的衍射光，短波长入射光的入射角小，长波长的入射角大，如图11所示，其中入射光153为蓝光，163为绿光，173为红光，他们的入射角大小为a1<a2<a3，153a、163a和173a为相应的衍射光，153b、163b和173b为相应的反射光。衍射光153a、163a和173a能分别与另一侧的同波长的入射光的衍射光发生干涉，从而被探测器探测。

各波长光的干涉信号如下：

多波长或宽波段光的测量信号为各波长干涉信号的强度之和。

衍射光方向满足衍射方程标记光栅常数改变，探测器5能接收到的衍射光的入射角发生变化，同波长同级次的衍射光，当标记光栅常数增大时，入射角减小；反之，入射角增大。如图12所示，左侧为大周期标记的对准测量示意图，右侧为小周期标记的对准测量示意图。该方案增大环形照明区域，包含了不同入射角，可兼容不同光栅常数的标记。

本发明还涉及一种对准装置，如图2所示，包括一激光源，用于提供一用于对准的照明光束；光学***，用于使所述照明光束倾斜入射至对准标记，收集所述对准标记产生的衍射光束；探测器，用于探测所述衍射光束的干涉信号；处理单元，用于根据所述干涉信号的强度随运动台位置变化的关系计算对准位置。也就是说，当光源为激光器时，不需要对瞳面采用科勒照明，图3中激光器发出的经过扩束的光线进入的光学元件3，到达光学单元4；图6中激光光束经过扩束的通过光学元件31两侧，到达光学单元4。

可选地，激光光源条件下也可以采用其他方式入射。如图15所示，当光源1采用激光光源时，光学***可采用分光棱镜11、反射镜12和13组成。光源1发出的激光束经分束镜11分为两束光，再分别由反射镜12和13反射并斜入射至标记9，衍射光由探测器5接收，并将光强信号反馈给处理器6。可以通过调整反射镜12和13的角度改变光的入射角，以适应不同光栅常数的对准标记或采用不同对准波长。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于光刻设备的对准装置，其特征在于，包括：

一光源，用于提供一用于对准的照明光束；

光学***，用于使所述照明光束倾斜入射的入射光射至对准标记，包括第二光学元件，用于将照明光束导向所述对准标记；第三光学元件，用于将经过所述第二光学元件的照明光束会聚至所述对准标记后形成衍射光束，所述衍射光束被所述第三光学元件接收，返回所述第二光学元件并经其导向探测器探测；

所述第二光学元件包括反射区域和透光区域，所述反射区域和透光区域用于仅将分布在瞳面的非中心区域的照明光束导向所述对准标记，返回所述第二光学元件的衍射光束中仅1级光或者1级和高级光被所述第二光学元件导向探测器探测；

探测器，用于探测所述对准标记产生的衍射光束的干涉信号；

处理单元，用于根据所述干涉信号的强度随运动台位置变化的关系计算对准位置；

所述入射光包括第一入射光和第二入射光，所述第一入射光与所述第二入射光的入射倾角不同，所述第一入射光与所述第二入射光为相干。

2.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述光学***还用于收集所述对准标记产生的衍射光束。

3.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述照明光束是宽波段光、多波长光的组合、单色光或窄带光，所述光学***包括：

第一光学元件，用于将所述照明光束在所述对准装置的瞳面形成科勒照明；

所述第二光学元件，用于将经过所述第一光学元件的照明光束导向所述对准标记；

所述第三光学元件，用于将经过所述第二光学元件的照明光束会聚至所述对准标记后形成所述衍射光束，所述衍射光束被所述第三光学元件接收，返回所述第二光学元件并经其导向探测器探测。

4.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述照明光束是激光，所述光学***包括：

所述第二光学元件，用于将照明光束导向所述对准标记；

所述第三光学元件，用于将经过所述第二光学元件的照明光束会聚至所述对准标记后形成所述衍射光束，所述衍射光束被所述第三光学元件接收，返回所述第二光学元件并经其导向探测器探测。

5.如权利要求3或4所述的对准装置，其特征在于，所述第二光学元件为一反射镜或一分束镜。

6.如权利要求3或4所述的对准装置，其特征在于，经过第一光学元件的照明光束被所述第二光学元件的反射区域反射后到达所述第三光学元件；经所述第三光学元件返回所述第二光学元件的衍射光束中仅1级光或者1级和高级光被所述第二光学元件的透光区域透射至所述探测器，其余衍射光被阻挡。

7.如权利要求3或4所述的对准装置，其特征在于，经过第一光学元件的照明光束被所述第二光学元件的透光区域透射后到达所述第三光学元件；经所述第三光学元件返回所述第二光学元件的衍射光束中仅1级光或者1级和高级光被所述第二光学元件的反射区域反射至所述探测器，其余衍射光被阻挡。

8.如权利要求3或4所述的对准装置，其特征在于，所述反射区域与透光区域位于一直线上，所述反射区域位于所述透光区域的两侧，或者所述透光区域位于中心位置，所述反射区域分布于所述透光区域的***。

9.如权利要求3或4所述的对准装置，其特征在于，所述反射区域与透光区域位于一直线上，所述透光区域位于所述反射区域的两侧，或者所述反射区域位于中心位置，所述透光区域分布于所述反射区域的***。

10.如权利要求3或4所述的对准装置，其特征在于，所述第二光学元件还包括一不反射不透光区域。

11.如权利要求3所述的对准装置，其特征在于，所述光源包括光源选通装置。

12.如权利要求8所述的对准装置，其特征在于，所述透光区域的尺寸由所述对准标记的最大光栅常数p_max和所述照明光束的最短波长λ_min以及衍射光束中需要探测的最小衍射级次N_min决定，所述透光区域可通过的光束的夹角小于

13.如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述照明光束是激光，所述光学***包括分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜组成，所述照明光束经所述分光棱镜分为透射光和反射光，分别由第一反射镜和第二反射镜反射并最终斜入射至对准标记。

14.如权利要求13所述的对准装置，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜的角度可调，从而改变所述照明光束相对对准标记的入射角。