專利名稱：用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)及其級結(jié)合光柵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與集成電路IC或其它微型器件制造領(lǐng)域的光刻裝置有關(guān)，涉及一種用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)及其級結(jié)合光柵系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光刻裝置主要用于集成電路IC或其他微型器件的制造。通過光刻裝置，具有不同掩模圖案的多層掩模在精確對準(zhǔn)下依次成像在涂覆有光刻膠的晶片上，例如半導(dǎo)體晶片或LCD板。
由光刻技術(shù)制造的IC器件需要多次曝光在晶片中形成多層電路，為此，光刻裝置中要求配置對準(zhǔn)系統(tǒng)，實現(xiàn)掩模和晶片的精確對準(zhǔn)。當(dāng)特征尺寸“CD”要求更小時，對套刻精度“Overlay”的要求以及由此產(chǎn)生的對對準(zhǔn)精度的要求變得更加嚴(yán)格。
對準(zhǔn)系統(tǒng)的主要功能是在套刻曝光前實現(xiàn)掩模-晶片對準(zhǔn)，即測出晶片在機(jī)器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(XW，YW，ФWZ)，及掩模在機(jī)器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(XR，YR，ФRZ)，并計算得到掩模相對于晶片的位置，以滿足套刻精度的要求。一般有兩種對準(zhǔn)方案，一種是透過鏡頭的TTL同軸對準(zhǔn)技術(shù)，另一種是0A離軸對準(zhǔn)技術(shù)。
目前，光刻設(shè)備所采用的對準(zhǔn)方式大多為光柵對準(zhǔn)。光柵對準(zhǔn)是指均勻照明光束照射在光柵對準(zhǔn)標(biāo)記上發(fā)生衍射，衍射后的出射光攜帶有關(guān)于對準(zhǔn)標(biāo)記結(jié)構(gòu)的全部信息。高級衍射光以大角度從相位對準(zhǔn)光柵上散開，通過空間濾波器濾掉零級光后，采集衍射光±1級衍射光，或者隨著CD要求的提高，同時采集多級衍射光(包括高級)在像平面干涉成像，經(jīng)光電探測器和信號處理，確定對準(zhǔn)中心位置。
一種現(xiàn)有技術(shù)，參見中國發(fā)明專利，申請?zhí)朇N03164859.2，發(fā)明名稱“用于光刻系統(tǒng)的對準(zhǔn)系統(tǒng)和方法”，該發(fā)明專利中所述的對準(zhǔn)系統(tǒng)在光源部分采用紅光、綠光雙光源照射；并采用楔塊列陣或揳板組合來實現(xiàn)多級衍射光的重疊和相干；紅光和綠光的對準(zhǔn)信號通過一個偏振分束棱鏡來分離；通過探測對準(zhǔn)標(biāo)記像與參考光柵形成的莫爾條紋的透過光強，得到正弦輸出的對準(zhǔn)信號。這種類型的對準(zhǔn)系統(tǒng)通過雙波長照明的確可以抑制干涉相消和對準(zhǔn)標(biāo)記非對稱變形的影響。但是，由于只使用了兩種可見波長的激光光源，而低k值的介質(zhì)材料在可見光譜范圍的吸收會導(dǎo)致對準(zhǔn)信號強度的衰減，從而影響對準(zhǔn)精度。另外，采用楔塊列陣或揳板組合來實現(xiàn)多級衍射光的重疊、相干。對折射正、負(fù)相同級次的兩楔塊的面型和楔角一致性要求很高；而揳板組合的加工制造、裝配和調(diào)整的要求也很高，具體實現(xiàn)起來工程難度較大，代價昂貴。此外，基于偏振分束棱鏡的分光系統(tǒng)只能分離兩種波長的色光，對多于兩種波長以上的對準(zhǔn)信號則無能為力。
另一種已有的技術(shù)，(參見“An automatic mask alignment technique usingmoiréinterference”，Yoshiyuki Uchida，Shuzo Hattori，Tsutomu Nomura，J.Vac.Scl.Technol.B5(1)，1987，p244-247)，日本精工電子研究中心提出了一種用于接近式X-射線光刻和投影光刻的對準(zhǔn)方法，該方法利用差動光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行對準(zhǔn)位置探測，將晶片對準(zhǔn)光柵標(biāo)記成像在掩模對準(zhǔn)光柵標(biāo)記上，利用兩對光柵副產(chǎn)生兩組相位差為180度基本莫爾信號，以兩者之差的差動莫爾信號作為對準(zhǔn)信號，通過檢測差動莫爾信號的最大斜率位置，得到對準(zhǔn)中心位置。盡管該方法的探測靈敏度較高，但是捕獲范圍較小，只有一個光柵周期。并且，在用于投影光刻的TTL同軸對準(zhǔn)中，由于只探測±1級衍射光形成的干涉條紋與掩模對準(zhǔn)標(biāo)記的差動莫爾信號，因此對準(zhǔn)精度不高。
又一種在先技術(shù)(參見①“ 壓印光刻中高精度對準(zhǔn)方法的研究”，王艷蓉，崔東印，丁玉成等，西安交通大學(xué)學(xué)報，Vol.39，No.7，2005，p719-721；②“基于差動莫爾信號的超高精度對正系統(tǒng)”，王莉，盧秉恒，丁玉成等，機(jī)械工程學(xué)報，Vol.41，No.4，2005，p75-78)，提出了一種改進(jìn)方法以提高捕獲范圍。該方法使用周期分別為50μm和10.5μm的粗、精兩組斜紋光柵副結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)光柵，驅(qū)動環(huán)節(jié)采用宏微兩級，相對于粗精兩組光柵檢測分別進(jìn)行驅(qū)動。盡管該技術(shù)采用了粗、精兩組對準(zhǔn)標(biāo)記，提高了對準(zhǔn)捕獲范圍，但是，一方面，兩級驅(qū)動增加了驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜性，也增加了影響對準(zhǔn)精度的不穩(wěn)定因素；另一方面該技術(shù)僅適用于接近式光刻，如果用于投影光刻則仍然存在上述的對準(zhǔn)精度不高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)及其級結(jié)合光柵系統(tǒng)，以提供較高的對準(zhǔn)精度和穩(wěn)定性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，包括光源模塊、照明模塊、成像模塊探測模塊；所述的光源模塊，提供用于對準(zhǔn)系統(tǒng)的照明光源；所述的照明模塊，傳輸照明光源的光束，垂直照明晶片上周期性光學(xué)結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)標(biāo)記；其實質(zhì)性特點在于，所述的成像模塊，采用顯微物鏡收集對準(zhǔn)標(biāo)記的多級次衍射光，并采用多色光分離系統(tǒng)實現(xiàn)多波長衍射光的分離，然后利用級結(jié)合光柵系統(tǒng)使對準(zhǔn)標(biāo)記衍射頻譜的正、負(fù)級次的頻譜光斑對應(yīng)重疊相干；所述的探測模塊，采用差動莫爾信號探測方法，通過測量多個波長、多個級次頻譜光斑對應(yīng)位置處的光強或位相的變化，得到對準(zhǔn)標(biāo)記的位置信息。
該對準(zhǔn)系統(tǒng)的主要特征是，通過在光瞳面探測對準(zhǔn)標(biāo)記的衍射頻譜的+1-+n級與-1--n級相同級次的正、負(fù)級頻譜光斑對應(yīng)重疊相干的各級干涉信號強度變化，得到對準(zhǔn)標(biāo)記的位置信息。
所述的照明光源為多波長空間相干光源，至少有四個波長，例如532nm，633nm，785nm，850nm，并且其中至少有兩個光源波長在紅外波段。由于對準(zhǔn)系統(tǒng)使用多波長照明光源，一方面，可以抑制干涉相消效應(yīng)的影響，提高了工藝適應(yīng)性；另一方面，使用近紅外和遠(yuǎn)紅外波長的光源照明，可以有效解決低k值的介質(zhì)材料在可見光譜范圍的吸收問題，并可用于多晶硅工藝層的標(biāo)記探測，從而提高對準(zhǔn)信號強度。
優(yōu)先使用高亮度的激光光源，為提高信噪比，對激光光源進(jìn)行位相調(diào)制，并在后面對探測到的對準(zhǔn)信號進(jìn)行解調(diào)。所使用的激光光源可以是半導(dǎo)體激光器，或者光纖激光器等。
當(dāng)對準(zhǔn)標(biāo)記尺寸較小時，光柵衍射效率與照明光源的偏振特性相關(guān)，利用λ/4波片使線偏振光經(jīng)λ/4波片后入射到晶片上的照明光束為圓偏振光，以確保總有一偏振方向可以產(chǎn)生高效率的衍射光。
晶片對準(zhǔn)標(biāo)記為以十字劃線為中心沿水平和垂直方向?qū)ΨQ分布的4個子光柵組成的二維位相光柵結(jié)構(gòu)；并且，同一方向?qū)ΨQ分布的兩個子光柵的基本光柵周期不同。
成像光路包括大數(shù)值孔徑和長工作距的顯微物鏡，消色差的λ/4波片，空間濾波器，多色光分離系統(tǒng)，級結(jié)合光柵系統(tǒng)等。所述的顯微物鏡的出射光瞳處設(shè)置有空間濾波器。
多色光分離系統(tǒng)為基于色散元件包括棱鏡(例如考紐棱鏡，立特魯棱鏡等)、閃耀光柵和階梯光柵，或者干涉截止濾光片，或者衍射光學(xué)元件(例如CSG-色分離光柵)，或者上述元件組合的分光系統(tǒng)。
優(yōu)先采用基于反射或透射式多閃耀光柵的多色光分離系統(tǒng)，多閃耀光柵包括折線型多閃耀光柵、分區(qū)域型多閃耀光柵和折線型-分區(qū)域組合多閃耀光柵。采用多閃耀光柵的好處在于，閃耀角按所需分離的波長個數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了不同色光衍射效率和對應(yīng)的信號強度，有利于提高對準(zhǔn)精度。
所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)包括光柵、反射鏡和棱鏡，它能夠?qū)崿F(xiàn)對準(zhǔn)標(biāo)記多級次衍射頻譜的正、負(fù)級次頻譜光斑的重疊相干功能。
所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)可以由光柵和反射鏡兩部分組成。為保證穩(wěn)定性，反射鏡和光柵膠合在一整塊玻璃基板上。
所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)也可以由兩組位相光柵和反射鏡組成，兩組光柵的周期可以相同或不同。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)使多級次衍射光斑分布的橫向尺寸放大了一定倍數(shù)。
級結(jié)合光柵系統(tǒng)還可以由雙楔形棱鏡和位相光柵組成，并且在光路中包含轉(zhuǎn)像棱鏡(例如Dove道威棱鏡)和光程差補償平板。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)中的光柵可以為反射式或透射式，振幅型或位相型光柵。
所述的探測模塊，包括粗對準(zhǔn)(捕獲)光路和精對準(zhǔn)光路兩個光路。一路光束將對準(zhǔn)標(biāo)記和分劃線成像在CCD照相機(jī)上，進(jìn)行粗對準(zhǔn)；另一路光束將級結(jié)合光柵系統(tǒng)的出射光瞳面成像在參考板上，使用差動莫爾信號探測方法進(jìn)行精對準(zhǔn)。
在精對準(zhǔn)光路的中間像位置設(shè)置有空間濾波器，以消除晶片上鄰近標(biāo)記或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的雜散光串?dāng)_。
在級結(jié)合光柵系統(tǒng)出射光瞳處設(shè)置有空間光調(diào)制器，可以選擇特定級次的衍射光進(jìn)行探測。
所述的精對準(zhǔn)光路中在參考板上用于水平或垂直方向?qū)?zhǔn)的參考標(biāo)記各有兩組，相應(yīng)的有兩組探測器或探測器列陣。
所述探測模塊的差動莫爾信號的探測方法是利用對準(zhǔn)標(biāo)記兩種不同周期的對準(zhǔn)標(biāo)記提高對準(zhǔn)捕獲范圍；探測對準(zhǔn)標(biāo)記的多級次衍射光；對應(yīng)于每一級次衍射光產(chǎn)生兩組位相差為180度的莫爾信號，以差動莫爾信號作為該級次的對準(zhǔn)信號。
一種用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其實質(zhì)性特點在于，其構(gòu)成包括光柵、反射鏡和棱鏡；該級結(jié)合光柵系統(tǒng)能夠使對準(zhǔn)標(biāo)記衍射頻譜的+1-+n級和-1--n級相同級次的正、負(fù)級衍射光斑對應(yīng)重疊相干。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)可以由反射鏡和光柵兩部分組成。為保證穩(wěn)定性，反射鏡和光柵膠合在一整塊玻璃基板上。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)也可以由兩組位相光柵和反射鏡組成，兩組光柵的周期可以相同或不同。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)使多級衍射光斑分布的橫向尺寸放大了一定倍數(shù)。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)還可以由雙楔形棱鏡和位相光柵組成，并且光路中包含轉(zhuǎn)像棱鏡(例如Dove道威棱鏡)和光程差補償平板。
上述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)的中的光柵可以為反射式或透射式，振幅型或位相型光柵。
由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明采用至少有四個波長的多波長空間相干光源，并且其中至少有兩個波長在紅外波段。一方面，采用多波長光源照明，可以抑制干涉相消效應(yīng)的影響，提高了工藝適應(yīng)性；另一方面，采用紅外波段的光源可以有效解決低k值的介質(zhì)材料在可見光譜范圍的吸收問題，并可用于多晶硅工藝層的標(biāo)記探測，提高了對準(zhǔn)信號強度。
2、本發(fā)明同時在顯微物鏡的出射光瞳面和多級次衍射光重疊相干成像的中間像位置設(shè)置空間濾波器，即采用瞳面和像面雙濾波技術(shù)，有效地消除了晶片上鄰近的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)散射光對對準(zhǔn)信號的串?dāng)_影響，提高了對準(zhǔn)精度。
3、本發(fā)明采用透射式多閃耀光柵為基礎(chǔ)的多色光分離系統(tǒng)，包括折線型多閃耀光柵、分區(qū)域型多閃耀光柵和折線型-分區(qū)域組合多閃耀光柵，多閃耀光柵可以同時對多個波長進(jìn)行閃耀，因而提高了不同色光衍射效率和對應(yīng)的信號強度，有利于提高對準(zhǔn)精度。
4、本發(fā)明利用一種基于級結(jié)合光柵系統(tǒng)的多級次衍射光斑重疊干涉結(jié)構(gòu)，采用衍射的方法實現(xiàn)對準(zhǔn)標(biāo)記的多級衍射光的同級次正、負(fù)級衍射光斑對應(yīng)重疊相干功能。該級結(jié)合光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，并且光學(xué)元件的加工制造、裝配和調(diào)整難度不大，工程上具有可實施性。同時，該級結(jié)合光柵系統(tǒng)還可起到擴(kuò)束作用，方便多探測器的探測。
5、本發(fā)明由于采用基于差動莫爾信號的多級次衍射光信號探測方法，在提高對準(zhǔn)捕獲范圍、探測靈敏度和對準(zhǔn)信號強度，提高對對準(zhǔn)標(biāo)記非對稱變形的工藝適應(yīng)性的同時，進(jìn)一步提高了對準(zhǔn)精度。


通過以下實施例并結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解其發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1為本發(fā)明光刻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明晶片對準(zhǔn)標(biāo)記示意圖；圖3為本發(fā)明對準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)為本發(fā)明基于多閃耀光柵的多色光分離系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(b)為本發(fā)明基于干涉截止濾光片的多色光分離系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4(c)為本發(fā)明基于干涉截止濾光片和多閃耀光柵組合的多色光分離系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實現(xiàn)單色光多級衍射光斑重疊相干的光路圖；圖6(a)為本發(fā)明基于級結(jié)合光柵的單色多級次衍射光斑重疊干涉的原理圖；圖6(b)為本發(fā)明另一種級結(jié)合光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(c)為本發(fā)明又一種級結(jié)合光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為一種利用差動光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行對準(zhǔn)位置探測的在先技術(shù)示意圖；圖8為本發(fā)明探測光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明另一種探測光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明參考板上參考標(biāo)記的布置情況示意圖；圖11為本發(fā)明干涉條紋和參考標(biāo)記的相對位置布設(shè)情況示意圖；圖12為本發(fā)明另外一種干涉條紋和參考標(biāo)記的位置布設(shè)情況示意圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明具體實施方案的光刻裝置結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可見，其構(gòu)成包括用于提供曝光光束的照明系統(tǒng)1；用于支承掩模版2的掩模支架和掩模臺3，掩模版2上有掩模圖案和具有周期性結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)標(biāo)記RM；用于將掩模版2上的掩模圖案投影到晶片6的投影光學(xué)系統(tǒng)4；用于支承晶片6的晶片支架和晶片臺7，晶片臺7上有刻有基準(zhǔn)標(biāo)記FM的基準(zhǔn)板8，晶片6上有周期性光學(xué)結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)標(biāo)記WM；用于掩模和晶片對準(zhǔn)的具有多色光分離系統(tǒng)和級結(jié)合光柵系統(tǒng)的對準(zhǔn)系統(tǒng)5；用于掩模臺3和晶片臺7位置測量的反射鏡10、16和激光干涉儀11、15，以及由主控制系統(tǒng)12控制的掩模臺3和晶片臺7位移的伺服系統(tǒng)13和驅(qū)動系統(tǒng)9、14。
照明系統(tǒng)1包括一個光源，一個使照明均勻化的透鏡系統(tǒng)，一個反射鏡以及一個聚光鏡(圖中未示出)。作為一個光源單元，采用KrF準(zhǔn)分子激光器(波長248nm)、ArF準(zhǔn)分子激光器(波長193nm)、F2激光器(波長157nm)、Kr2激光器(波長146nm)、Ar2激光器(波長126nm)、或者使用超高壓汞燈(g-線、i-線)等。照明系統(tǒng)1均勻照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版上包含電路的掩模圖案和周期性結(jié)構(gòu)的標(biāo)記RM，用于掩模對準(zhǔn)。
掩模臺3可以經(jīng)驅(qū)動系統(tǒng)14在垂直于照明系統(tǒng)光軸(與投影物鏡的光軸AX重合)的X-Y平面內(nèi)移動，并且在預(yù)定的掃描方向(平行于X軸方向)以特定的掃描速度移動。掩模臺在移動平面內(nèi)的位置通過位于掩模臺上的反射鏡16由多普勒雙頻激光干涉儀15精密測得。掩模臺的位置信息由激光干涉儀15經(jīng)伺服系統(tǒng)13發(fā)送到主控制系統(tǒng)12，主控制系統(tǒng)12根據(jù)掩模臺3的位置信息通過驅(qū)動系統(tǒng)14驅(qū)動掩模臺3。
投影光學(xué)系統(tǒng)4(投影物鏡)位于圖1所示掩模臺3的下方，其光軸AX平行于Z軸方向。由于采用雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)并具有預(yù)定的縮小比例如1/5或1/4的折射光學(xué)系統(tǒng)作為投影光學(xué)系統(tǒng)，所以，當(dāng)照明系統(tǒng)發(fā)射的曝光光束照射掩模版上的掩模圖案時，電路掩模圖案經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)在涂覆有光刻膠的晶片6上成縮小的圖像。
晶片臺7位于投影光學(xué)系統(tǒng)4的下方，晶片臺7上設(shè)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(jīng)驅(qū)動系統(tǒng)9驅(qū)動可以在掃描方向(X方向)和垂直于掃描方向(Y方向)上運動，使得可以將晶片6的不同區(qū)域定位在曝光光場內(nèi)，并進(jìn)行步進(jìn)掃描操作。晶片臺7在X-Y平面內(nèi)的位置通過一個位于晶片臺上的反射鏡10由多普勒雙頻激光干涉儀11精密測得，晶片臺7的位置信息經(jīng)伺服系統(tǒng)13發(fā)送到主控制系統(tǒng)12，主控制系統(tǒng)12根據(jù)位置信息(或速度信息)通過驅(qū)動系統(tǒng)9控制晶片臺7的運動。
晶片6上有周期性結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)標(biāo)記WM，晶片臺7上有包含基準(zhǔn)標(biāo)記FM的基準(zhǔn)板8，對準(zhǔn)系統(tǒng)5分別通過晶片對準(zhǔn)標(biāo)記WM和基準(zhǔn)標(biāo)記FM實現(xiàn)晶片對準(zhǔn)和晶片臺對準(zhǔn)。對準(zhǔn)系統(tǒng)5的對準(zhǔn)信息傳輸?shù)街骺刂葡到y(tǒng)12，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動系統(tǒng)9驅(qū)動晶片臺7移動實現(xiàn)掩模和晶片的對準(zhǔn)。
圖2為本發(fā)明的晶片對準(zhǔn)標(biāo)記示意圖。晶片對準(zhǔn)標(biāo)記WM為二維位相光柵結(jié)構(gòu)，由4個子光柵Pa、Pb、Pc和Pd以及中心十字劃線組成，并且Pa與Pc，Pb與Pd以十字劃線為中心沿水平和垂直方向?qū)ΨQ分布，其中Pa和Pc用于x方向?qū)?zhǔn)，Pb和Pd用于y方向?qū)?zhǔn)。子光柵Pb和Pc的光柵周期相同，即Pb＝Pc＝P11；子光柵Pa和Pd的光柵周期相同，即Pa＝Pd＝P22。通過選擇不同的子光柵周期，可以提高對準(zhǔn)系統(tǒng)的捕獲范圍，捕獲范圍可表示為P11P22/[2(P22-P11)]。子光柵基本光柵周期的線空比為1∶1，為了增強高階衍射光強度，通常在基本光柵周期內(nèi)進(jìn)行細(xì)分，具有細(xì)分結(jié)構(gòu)的該形式的對準(zhǔn)標(biāo)記也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。整個晶片對準(zhǔn)標(biāo)記WM的尺寸較小，適合于較窄的劃線槽，例如為40μm×40μm。
圖3為本發(fā)明的對準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該對準(zhǔn)系統(tǒng)主要由光源模塊1、照明模塊2、成像模塊3和探測模塊4等組成。該對準(zhǔn)系統(tǒng)的主要特征是，通過在光瞳面探測對準(zhǔn)標(biāo)記的頻譜的+1-+n級與-1--n級同級次正、負(fù)級頻譜光斑重疊相干的各級次干涉信號強度變化，得到對準(zhǔn)標(biāo)記的位置信息；探測光路則采用基于差動莫爾信號的多級衍射光信號探測的方法。該對準(zhǔn)系統(tǒng)具有較強的工藝適應(yīng)性、靈敏度和高信噪比的對準(zhǔn)信號，對準(zhǔn)精度可以達(dá)到7-9nm的量級，完全滿足100nm以下線寬的對準(zhǔn)要求。
對準(zhǔn)系統(tǒng)采用多波長空間相干光源照明，至少有四個波長(例如532nm，633nm，785nm，850nm)，并且其中至少有兩個波長在紅外波段。多波長光源λ1、λ2、λ3和λ4經(jīng)單模保偏光纖501傳輸，然后經(jīng)光纖耦合器502耦合進(jìn)入多路合束器503，再通過單模保偏光纖504輸出到對準(zhǔn)系統(tǒng)的照明光路。
對準(zhǔn)系統(tǒng)使用多波長光源照明，可以抑制干涉相消效應(yīng)的影響，提高工藝適應(yīng)性；使用近紅外和遠(yuǎn)紅外波長的光源照明，可以有效解決低k值的介質(zhì)材料在可見光譜范圍的吸收問題，并可用于多晶硅工藝層的標(biāo)記探測，從而提高對準(zhǔn)信號強度。
優(yōu)先使用高亮度的激光光源，光源模塊1中包含有激光模塊(圖中未示出)，為提高信噪比，在激光模塊中對激光光源進(jìn)行位相調(diào)制，并在后面對探測到的對準(zhǔn)信號進(jìn)行解調(diào)。所使用的激光光源可以是半導(dǎo)體激光器，或者光纖激光器等。
在照明光路中，多波長照明光束依次經(jīng)過起偏器505、透鏡506、照明孔徑光闌507和透鏡508，然后通過位于平板509上的小反射鏡509a反射進(jìn)入成像光路，另外，可以用偏振分束器代替平板509。從孔徑光闌507到顯微物鏡511形成柯勒照明系統(tǒng)，透鏡506為聚光鏡。
成像光路包括大數(shù)值孔徑和長工作距的顯微物鏡511，消色差的λ/4波片510，空間濾波器512，多色光分離系統(tǒng)513，多級衍射光斑重疊相干光路514、515、516和517。照明光束經(jīng)顯微物鏡511垂直入射到晶片光柵對準(zhǔn)標(biāo)記WM上，發(fā)生反射或衍射。顯微物鏡511是對準(zhǔn)成像光路中關(guān)鍵元件，該透鏡必須有足夠大的數(shù)值孔徑(例如NA＝0.8)以收集來自晶片對準(zhǔn)標(biāo)記上不同色光的多級次衍射光。當(dāng)NA＝0.8時，如果使用波長850nm的照明光源，則可以探測節(jié)距為1.1μm較小的光柵對準(zhǔn)標(biāo)記。另外，為保證晶片與對準(zhǔn)系統(tǒng)間有合適的距離，優(yōu)選長工作距的顯微物鏡。
當(dāng)對準(zhǔn)標(biāo)記光柵節(jié)距或細(xì)分結(jié)構(gòu)尺寸較小，與照明波長量級相當(dāng)時，光柵衍射效率與照明光源的偏振特性相關(guān)，因此利用消色差的λ/4波片510，使線偏振光經(jīng)消色差的λ/4波片510后，入射到晶片上的光斑為圓偏振光，圓偏振光包含兩個方向垂直的線偏振光，確?？傆幸黄穹较蚩梢援a(chǎn)生高效率的衍射光。
在顯微物鏡511的出射光瞳處設(shè)置有空間濾波器512，以消除晶片上鄰近標(biāo)記或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的雜散光串?dāng)_影響。
多色光光源照明晶片對準(zhǔn)標(biāo)記WM，如果對準(zhǔn)標(biāo)記為二維結(jié)構(gòu)，則在晶片上平行和垂直于晶片臺移動方向都會發(fā)生衍射，在光瞳面509上產(chǎn)生相互垂直的多級次衍射光斑。零級反射光經(jīng)小反射鏡509a反射被遮擋，其余多級次衍射光±1-±n級經(jīng)顯微物鏡511準(zhǔn)直后進(jìn)入多色光分離系統(tǒng)513，分離不同波長的衍射光。
多色光分離系統(tǒng)513為基于色散元件包括棱鏡(例如考紐棱鏡、立特魯棱鏡等)、閃耀光柵和階梯光柵，或者干涉截止濾光片，或者衍射光學(xué)元件(例如CSG-色分離光柵)等的分光系統(tǒng)。優(yōu)先采用透射型多閃耀光柵，包括折線型和分區(qū)域型閃耀光柵，以及折線型-分區(qū)域組合多閃耀光柵。
多級衍射光斑重疊相干光路514、515、516和517主要是基于級結(jié)合光柵系統(tǒng)，通過衍射的方法實現(xiàn)對準(zhǔn)標(biāo)記的多級衍射光斑正、負(fù)級次的重疊和干涉功能。
探測光路518、519、520和521主要包括粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)光路(參見圖7)，分別用于捕獲(粗對準(zhǔn))和精對準(zhǔn)。多級次衍射光斑正、負(fù)級次重疊相干，干涉條紋成像在位于光瞳面的參考標(biāo)記板上，通過測量在參考標(biāo)記上透射或反射的各波長多級次衍射光對應(yīng)位置處光強或位相的變化，以差動莫爾信號作為對準(zhǔn)信號，可以得到對準(zhǔn)標(biāo)記中心位置。
圖4給出了多色光分離系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用多光源(例如532nm，633nm，785nm，850nm)同時照明對準(zhǔn)標(biāo)記時，不同波長的多級衍射光相互重疊，因此，不同波長的信號必須分開探測，需要使用多色光分離系統(tǒng)分離不同波長的光。本發(fā)明采用以色散元件為主的分光系統(tǒng)，包括棱鏡(考紐棱鏡，立特魯棱鏡等)、閃耀光柵和階梯光柵，或者干涉截止濾光片；也可以采用衍射光學(xué)元件(例如CSG-色分離光柵)等。
優(yōu)先采用多閃耀光柵為基礎(chǔ)的多色光分離系統(tǒng)。通常，閃耀光柵按中心波長優(yōu)化，則在邊緣波長(例如532nm，850nm)處的光柵效率降低，即使使用高能量的激光，這種能量的衰減也是很明顯的。這時可以采用多閃耀光柵，一種為折線型多閃耀光柵，用兩個不同閃耀角的小平面代替普通閃耀光柵的槽面，工作時兩個不同閃耀角的小平面同時工作，從而在能量-波長曲線上出現(xiàn)兩個最大值，分別對應(yīng)于兩個閃耀波長，使曲線在兩端下降緩慢，可覆蓋較大的波長范圍。由于折線型多閃耀光柵的刻劃需使用特殊刻制刀，在每條刻線上刻劃出兩個折線型槽面，因此只適合于線槽密度較小，每條線槽工作面較寬的紅外光柵。另一種為分區(qū)域多閃耀光柵，是把一塊閃耀光柵的工作槽面分成兩個或多個區(qū)域(由所需分離的波長數(shù)目決定)分別刻劃，各分區(qū)域的線槽密度相同，但閃耀角不同。其實質(zhì)是多塊普通閃耀光柵的拼合，刻劃時不會有太大困難，可以刻劃較高線槽密度的光柵。
圖4(a)采用一個透射式的多閃耀光柵101來分離不同的色光。該多閃耀光柵101是基于折線型結(jié)構(gòu)和分區(qū)域結(jié)構(gòu)的組合。多閃耀光柵101可以由兩個分區(qū)域閃耀光柵101a和101b組成，光柵周期分別為d1和d2，其中一塊為折線型的紅外光柵101a，閃耀角分別為β11和β12使兩個紅外波長λ1，λ2(例如785nm、850nm)發(fā)生閃耀；另一塊為普通閃耀光柵101b，閃耀角β2按兩個波長λ3，λ4(例如532nm、633nm)的中心波長(λ3+λ4)/2(例如582.5nm)優(yōu)化，則在邊緣波長λ3，λ4(例如532nm、633nm)處光柵效率的降低程度是可以接受的。另外，多閃耀光柵101還可以由三個分區(qū)域閃耀光柵101a′、101b′和101c′組成，光柵周期分別為d1、d2和d3。101a′是折線型多閃耀光柵，閃耀角分別為β11和β12使兩個紅外波長λ1，λ2發(fā)生閃耀；101b′和101c′是普通閃耀光柵，閃耀角分別按波長λ3，λ4優(yōu)化。分離的多色光信號λ1，λ2，λ3和λ4經(jīng)過一個透鏡或透鏡列陣(圖中未示出)入射到多級衍射光斑重疊相干光路。
圖4(b)給出了另外一種基于干涉截止濾光片的多色光分離系統(tǒng)。多色光λ1，λ2，λ3和λ4入射到第一分束器102上，透射光束t經(jīng)過長波通濾光片104后，只有波長為λ1，λ2的光透過。然后經(jīng)過第二分束器105分束，反射光束tr經(jīng)直角棱鏡107反射，光束trr經(jīng)過短波通濾光片108，則出射光束為λ2；透射光束tt直接透過長波通濾光片106，則出射光束為λ1。
第一分束器102的反射光束r經(jīng)過短波通濾光片103，只有波長為λ3，λ4的光透過。然后經(jīng)第三分束器109分束，反射光束rr通過短波通濾光片110，則出射光束為λ4；透射光束rt經(jīng)直角棱鏡111反射，光束rtr經(jīng)過長波通濾光片112，則出射光束為λ3。由此，實現(xiàn)四種波長衍射光的分離。
圖4(c)給出了又一種基于干涉截止濾光片和多閃耀光柵組合的多色光分離系統(tǒng)。多色光λ1，λ2，λ3和λ4入射到分光器113上，透射光束t直接透過長波通濾光片116，只有波長為λ1，λ2的色光透過；波長為λ1，λ2的光入射到第一閃耀光柵117，經(jīng)光柵衍射分光，波長為λ1，λ2的光束以不同的衍射角出射，入射到探測系統(tǒng)。反射光束r經(jīng)直角棱鏡114反射，反射光束rr透過短波通濾光片115后，只有波長為λ3，λ4的光透過；波長為λ3，λ4的光入射到第二閃耀光柵118，同樣經(jīng)光柵衍射分光，波長為λ3，λ4的光束以不同的衍射角出射，入射到探測系統(tǒng)。第一閃耀光柵117和第二閃耀光柵118可以是折線型多閃耀光柵119a(光柵周期為d1，閃耀角為β11和β12)，或者是分區(qū)域多閃耀光柵119b(光柵周期分別為d21和d22，對應(yīng)閃耀角為β21和β22)，或者是普通閃耀光柵119c(光柵周期為d3，閃耀角為β3，第一閃耀光柵117以λ1，λ2的中心波長進(jìn)行優(yōu)化；第二閃耀光柵118以λ3，λ4的中心波長進(jìn)行優(yōu)化)。
圖5給出了單色光多級次衍射光斑重疊相干的光路圖。如圖所示，對準(zhǔn)標(biāo)記的衍射光在入射面上頻譜光斑分布201，圖中用填充的實心圓表示+1-+n級衍射光斑，用空心圓表示-1--n級衍射光斑。衍射光經(jīng)分束器202分成兩束，透射光束經(jīng)過第一空間濾波器203入射到第一級結(jié)合光柵系統(tǒng)204。第一空間濾波器203的通光孔徑沿x方向，遮擋y方向的衍射光，使x方向的衍射光透過。x方向的衍射光進(jìn)入到第一級結(jié)合光柵系統(tǒng)204，使x方向的對應(yīng)+1-+n級和-1--n級衍射光斑相互重疊相干。
對準(zhǔn)標(biāo)記衍射光201經(jīng)分束器202的反射光束分別經(jīng)過第二空間濾波器205進(jìn)入到第二級結(jié)合光柵系統(tǒng)206。第二空間濾波器205的通光孔徑沿y方向，使x方向的衍射光斑被遮擋，y方向的衍射光斑透過。第二級結(jié)合光柵系統(tǒng)206與第一級結(jié)合光柵系統(tǒng)204結(jié)構(gòu)相同，第二級結(jié)合光柵系統(tǒng)206使y方向的對應(yīng)+1-+n級和-1--n級衍射光斑相互重疊相干。
圖6(a)為本發(fā)明基于級結(jié)合光柵系統(tǒng)的單色多級次衍射光斑重疊、干涉的原理圖。以其中一個方向(x或y方向)為例，單波長的多級衍射光斑301入射到級結(jié)合光柵系統(tǒng)上，級結(jié)合光柵系統(tǒng)由兩部分組成反射鏡302和光柵303，并且兩者相互垂直。多級次衍射光斑301的+1-+n級和-1--n級光斑以零級光斑所在的光軸方向為對稱軸對稱入射，對稱軸經(jīng)過反射鏡302和光柵303的垂直交點O。+1-+n級衍射光以入射角(π/2-α)入射到反射鏡302上，在反射鏡302上(AD范圍內(nèi))經(jīng)過反射，以α角入射到光柵303上(BC范圍內(nèi))；-1--n級衍射光直接以入射角α入射到光柵303上(BC范圍內(nèi))。則+1-+n級和-1--n級衍射光在光柵303表面法線的兩側(cè)以相同的入射角α入射，α為光柵303的±1級衍射角，d為光柵303的光柵周期，則根據(jù)光柵衍射公式，dsinα＝λ+1-+n級和-1--n級衍射光在光柵303上的1級衍射光沿垂直于光柵303表面的方向出射，使得入射的多級衍射光斑301同級次的正、負(fù)級衍射光斑重疊相干。重疊相干的多級衍射光斑的分布與原始入射光斑分布情況相比，橫向尺寸放大了K倍，如圖所示，K＝H/h＝BO/AE＝1/cosα＞1因此，該級結(jié)合光柵系統(tǒng)除了可以使正、負(fù)級衍射光斑重疊相干，還同時兼有光斑的擴(kuò)束功能，方便多探測器的探測。
另外，由圖中可見，由于+n級和-n級衍射光經(jīng)過的光程不同，因此在兩相干光之間會引入一定的光程差OPD+n，-n，OPD+n，-n＝L·cotα其中，L為+n級和-n級光斑間的距離，因此隨著衍射級次的增加，光斑間距的增大，光程差也會增大。對于相干長度較短的半導(dǎo)體光源，要求進(jìn)行光程差補償，可以在-1--n級衍射光的光路中放置一些不同厚度的平板，用于補償光程差。
為增加穩(wěn)定性，反射鏡302和光柵303膠合在一整塊玻璃基板上。光柵303可以為振幅型或位相型光柵，優(yōu)先選用衍射效率高的位相光柵；光柵303可以為反射式或透射式光柵。
另外，圖6(b)給出了另外一種基于級結(jié)合光柵系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)x和y方向的衍射光斑的重疊相干功能。該級結(jié)合光柵系統(tǒng)由位相光柵305，306和反射鏡307組成，位相光柵305和306分別用于衍射x和y方向的衍射光斑，反射鏡307用于反射x和y方向的光斑到位相光柵305和306的表面，在垂直于兩個位相光柵305和306表面的方向，x和y方向的同級次的正、負(fù)級衍射光斑重疊相干。兩個光柵的周期可以相同或不同，從而x和y方向衍射光的入射角αx和αy也相應(yīng)可以相同或不同。
圖6(c)給出了又一種級結(jié)合光柵系統(tǒng)的多級次衍射光斑重疊相干的光路。多級次衍射光斑308的-1--n級級衍射光經(jīng)過一個轉(zhuǎn)像棱鏡310(例如Dove道威棱鏡)發(fā)生倒轉(zhuǎn)，然后經(jīng)雙楔形棱鏡312的下半部分折射，以折射角α′入射到位相光柵313上；+1-+n級衍射光經(jīng)過一個光程差補償平板309，再經(jīng)雙楔形棱鏡312的上半部分折射，同樣以折射角α′入射到位相光柵313上；α′為位相光柵313的±1級衍射角，兩束入射光在位相光柵313上發(fā)生衍射，1級衍射光垂直于光柵313表面透射，使得入射的多級衍射光斑308相同級次正、負(fù)級光斑重疊相干。雙楔形棱鏡312楔角β的選擇滿足α′＝(n-1)β；光柵313的光柵周期d′滿足光柵衍射公式，d′sinα′＝d′sin[(n-1)β]＝λ圖7所示為一種接近式光刻中利用差動光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行對準(zhǔn)位置探測的在先技術(shù)。如圖所示，光柵A、B為同位相的掩模對準(zhǔn)標(biāo)記；光柵C、D為晶片對準(zhǔn)標(biāo)記，C、D兩部分位相有180度的相移。光柵A、B、C和D的光柵周期均為p，光柵A、C與光柵B、D分別形成兩對光柵副，光柵C相對于光柵A向左錯開+p/4，光柵D相對于光柵B向右錯開-p/4。光柵A、B和光柵C、D的間隔為塔爾博特距離，激光束垂直照射在光柵A、B上，光柵A、B的塔爾博特像分別成在光柵C、D上，當(dāng)光柵C、D相對于光柵A、B作同向平行移動時，則產(chǎn)生兩組空間位相差為180度周期相同的莫爾信號I1和I2，如圖7(b)所示。在位移周期p(即圖中的E-F范圍)內(nèi)，曲線I1和I2在交點G的信號強度相等，信號強度之差為零，定義該G點為對準(zhǔn)點。圖7(c)為差動莫爾信號I1-I2，以差動莫爾信號為對準(zhǔn)信號進(jìn)行閉環(huán)控制晶片臺運動。差動莫爾信號的強度為基本莫爾信號I1和I2的兩倍，在對準(zhǔn)點G位置的斜率最大，點G附近的線性區(qū)域內(nèi)，距離G點越近，信號曲線的斜率越大，微小位移引起的信號變化值也就越大，提高了位移檢測的分辨率。但是，由圖7(c)可以看到，為避免產(chǎn)生周期性對準(zhǔn)誤差，預(yù)對準(zhǔn)范圍必須為±p/2(即E-F范圍)，因此對準(zhǔn)捕獲范圍較小，對于周期較小的對準(zhǔn)標(biāo)記，預(yù)對準(zhǔn)要求嚴(yán)格。該技術(shù)在用于投影光刻的TTL同軸對準(zhǔn)中，由于只探測±1級衍射光形成的干涉條紋與掩模對準(zhǔn)標(biāo)記的差動莫爾信號，因此對準(zhǔn)精度不高。
與在先技術(shù)不同，本發(fā)明利用對準(zhǔn)標(biāo)記兩種不同周期的光柵標(biāo)記提高了對準(zhǔn)捕獲范圍；并且對多級次衍射光進(jìn)行同時探測；每一級次采用差動信號探測，以差動信號為該級次的對準(zhǔn)信號，提高了對準(zhǔn)位置檢測的靈敏度和對準(zhǔn)信號強度。
圖8給出了本發(fā)明探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖所見，入射光束經(jīng)分束器401分束，一部分用于捕獲(粗對準(zhǔn))，反射光經(jīng)過一個孔徑光闌413，然后透過一個刻有分劃線的分劃板414，再經(jīng)會聚透鏡415耦合進(jìn)入光纖416，出射光經(jīng)投影透鏡417成像在CCD相機(jī)418上。另一部分用于精對準(zhǔn)，透鏡402、404將級結(jié)合光柵系統(tǒng)的出射光瞳面成像在設(shè)置有參考標(biāo)記410a和410b的參考板409上，由光纖列陣411和探測器412(或探測器列陣)接收和探測參考板409上兩組透射或反射的光強或位相信號，根據(jù)差動莫爾信號得到對準(zhǔn)標(biāo)記的位置信息。
在中間像位置設(shè)置有空間濾波器403以消除晶片上鄰近標(biāo)記或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的雜散光串?dāng)_；在透鏡404的出射光瞳面處設(shè)置有空間光調(diào)制器405，對多級次重疊相干的干涉條紋進(jìn)行選擇性透射?？臻g光調(diào)制器405可以是可編程的LCD液晶板，根據(jù)液晶光閥原理，通過編程控制，可以在液晶板405上形成任意的透光和不透光區(qū)域，選擇特定級次的衍射光進(jìn)行探測。
空間光調(diào)制器405出射的多級次衍射光干涉條紋經(jīng)過一個分束器406分成兩束為407和408，分別入射到參考板409的參考標(biāo)記410a和410b上。參考標(biāo)記410a和410b為一系列周期不等的對應(yīng)于不同級次的振幅型光柵結(jié)構(gòu)，通過合理布置參考光柵位置，使得相同級次的兩組干涉條紋經(jīng)過對應(yīng)級次的參考光柵后產(chǎn)生兩組位相差為180度的莫爾信號，再經(jīng)光電探測器412a、412b探測和電路差動放大輸出，得到正弦型的差動莫爾信號，作為該級次的對準(zhǔn)信號。
圖9給出了另外一種探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如果采用坐標(biāo)反演干涉儀作為多級次衍射光斑重疊干涉系統(tǒng)(坐標(biāo)反演干涉儀的特點是使對準(zhǔn)標(biāo)記的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)分別發(fā)生反演的兩組頻譜重疊，使同級次正、負(fù)級的頻譜光斑對應(yīng)重疊相干)，則入射光束419的多級次衍射光斑干涉場分布如圖9(a)所示，同一衍射級次的正、負(fù)級光斑重疊相干，同時在x方向和y方向形成兩組相同的干涉條紋。
如圖9(b)所示，透鏡420、422將圖9(a)所示的多級次衍射光斑干涉場成像在設(shè)置有參考標(biāo)記427a和427b的參考板426上，421為空間濾波器，由空間光調(diào)制器423出射的多級次衍射光干涉條紋，+x和-x(或+y和-y)方向的光束424、425分別入射到參考板426的參考標(biāo)記427a和427b上。以±1級衍射光形成的1級干涉條紋為例，假設(shè)1級干涉條紋和對應(yīng)參考標(biāo)記427a、427b的周期均為P1，則1級干涉條紋入射到參考光柵上，得到兩組周期為P1的位相差為180度的莫爾信號。光纖列陣428和探測器429(或探測器列陣)接收和探測參考板426上透射或反射的兩組位相相反的莫爾信號，以兩者之差的差動莫爾信號作為對準(zhǔn)信號，確定對準(zhǔn)標(biāo)記的位置信息。
圖10所示為參考板上的參考標(biāo)記的布置情況。430a′-434a和430b′-434b為用于y方向?qū)?zhǔn)的兩組參考標(biāo)記，430c′-434c和430d′-434d為用于x方向?qū)?zhǔn)的兩組參考標(biāo)記。430a′、430b′、430c′和430d′為對應(yīng)于對準(zhǔn)標(biāo)記子光柵Pa、Pd的1級參考標(biāo)記；430a、430b、430c和430d為對應(yīng)于對準(zhǔn)標(biāo)記子光柵Pb、Pc的1級參考標(biāo)記；431a、431b、431c和431d為對應(yīng)于對準(zhǔn)標(biāo)記子光柵Pb、Pc的2級參考標(biāo)記；432a、432b、432c和432d為對應(yīng)于對準(zhǔn)標(biāo)記子光柵Pb、Pc的3級參考標(biāo)記；433a、433b、433c和433d為對應(yīng)于對準(zhǔn)標(biāo)記子光柵Pb、Pc的4級參考標(biāo)記；依此類推，434a、434b、434c和434d為對應(yīng)于對準(zhǔn)標(biāo)記子光柵Pb、Pc的n級參考標(biāo)記。
為提高對準(zhǔn)捕獲范圍，對準(zhǔn)過程中首先利用對準(zhǔn)標(biāo)記兩種不同周期的子光柵Pb、Pc(周期為P11)和Pa、Pd(周期為P22)，使兩種子光柵±1級衍射光的干涉條紋P1和P1′分別與兩種子光柵的1級參考標(biāo)記430a-430d和430a′-430d′進(jìn)行對準(zhǔn)(簡稱為1級對準(zhǔn))，產(chǎn)生兩組周期為P1和P1′的基本莫爾信號，差動莫爾信號為周期P＝P1P1′/(P1′-P1)的拍頻信號，將對準(zhǔn)捕獲范圍提高為±P/2。子光柵Pb、Pc的1級對準(zhǔn)誤差小于±P1/4，落在2級對準(zhǔn)的捕獲范圍內(nèi)(因為±P2/2＝±P1/4)，于是可以同時進(jìn)行2級對準(zhǔn)，同理可以進(jìn)行3級、4級......n級對準(zhǔn)，n的取值必須滿足對準(zhǔn)精度的要求。由此，實現(xiàn)了晶片對準(zhǔn)標(biāo)記與參考標(biāo)記的多級次對準(zhǔn)。每一級次的干涉條紋分別與用于x(或y)方向?qū)?zhǔn)的兩個相同的參考標(biāo)記疊加，產(chǎn)生兩組基本莫爾信號，由基本莫爾信號得到差動莫爾信號，作為該級次的對準(zhǔn)信號。在多級次衍射光的對準(zhǔn)信號同時達(dá)到最大斜率(過零點)或最大幅值位置時，則實現(xiàn)了晶片對準(zhǔn)標(biāo)記與參考標(biāo)記的對準(zhǔn)。
圖11給出了干涉條紋和參考標(biāo)記的相對位置情況。如圖11(a)所示，以±1級衍射光斑重疊相干的干涉條紋為例，1級干涉條紋435和436在參考板426(參見圖9(b))上的條紋周期為P1；參考板426上有兩組振幅型光柵結(jié)構(gòu)的參考標(biāo)記427a和427b，其中，1級參考標(biāo)記430c和430d的光柵周期為P1；干涉條紋435相對于參考標(biāo)記430c向左移動+P1/4，干涉條紋436相對于參考標(biāo)記431d向右移動-P1/4。在晶片臺掃描過程中，干涉條紋435和436以一定的速度在參考標(biāo)記430c和430d上移動，透射或反射的光強信號，即莫爾信號I1和I2為位相差為180度的正弦曲線，如圖11(b)所示。
圖11(b)中，兩組基本莫爾信號I1和I2周期為P1；基本莫爾信號I1和I2的交點B為對準(zhǔn)位置。圖11(c)為差動莫爾信號曲線I1-I2，兩組莫爾信號I1和I2中有相同的噪聲信號成分，通過差動相減可以得到有效控制，提高信噪比。與基本莫爾信號相比，差動莫爾信號強度增強了1倍；在對準(zhǔn)點B位置，差動莫爾信號的斜率最大；在對準(zhǔn)點B附近的線性區(qū)域內(nèi)，距離對準(zhǔn)點B越近信號曲線的斜率越大，微小位移引起的信號幅值變化也就越大，因而提高了位移檢測的靈敏度。為提高對準(zhǔn)精度，同時探測高階衍射光的對準(zhǔn)信號，在多級次衍射光的對準(zhǔn)信號同時達(dá)到最大斜率(過零點)位置時，則實現(xiàn)了晶片對準(zhǔn)標(biāo)記與參考標(biāo)記的對準(zhǔn)。
圖12所示為另外一種干涉條紋和參考標(biāo)記的相對位置情況。以1級干涉條紋為例，如圖12(a)所示，1級干涉條紋435和436在參考板426上的條紋周期為P1；1級參考標(biāo)記430c、430d的光柵周期也為P1；干涉條紋435與參考標(biāo)記430c對準(zhǔn)，干涉條紋436相對于參考標(biāo)記430d向右錯開-P1/2。圖12(b)為相應(yīng)的兩組基本莫爾信號I1和I2，周期為P1；兩組基本莫爾信號位相差為180度；在對準(zhǔn)位置B點，莫爾信號I1達(dá)到最大幅值，莫爾信號I2達(dá)到最小幅值。圖12(c)為差動莫爾信號I1-I2，在對準(zhǔn)點B為中心的±P1/2(圖中A-C)范圍內(nèi)，在對準(zhǔn)點B位置，差動莫爾信號強度達(dá)到了最大值，比基本莫爾信號強度I1，I2增強了1倍，因此通過檢測最大對準(zhǔn)信號幅值可以得到對準(zhǔn)中心位置。同時探測高階衍射光的對準(zhǔn)信號，在多級次衍射光的對準(zhǔn)信號同時達(dá)到最大幅值時，則實現(xiàn)了晶片對準(zhǔn)標(biāo)記與參考標(biāo)記的對準(zhǔn)。
本發(fā)明用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)及其級結(jié)合光柵系統(tǒng)具體用于但不局限于集成電路IC的制造，該裝置還可以用于其它方面的制造，包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件、微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)器件、集成光學(xué)系統(tǒng)、液晶顯示板LCD、薄模磁頭等。并且，在這些其他應(yīng)用領(lǐng)域中，本說明書中的術(shù)語“晶片”可以由更普通的術(shù)語“基底”代替。本發(fā)明中的術(shù)語“光源”和“光束”包括所有類型的電磁輻射，例如KrF準(zhǔn)分子激光器(波長248nm)、ArF準(zhǔn)分子激光器(波長193nm)、F2激光器(波長157nm)、Kr2激光器(波長146nm)、Ar2激光器(波長126nm)、超高壓汞燈(g-線、i-線)、遠(yuǎn)紫外光源(5-20nm的波長范圍)、或者離子束和電子束等。
權(quán)利要求
1.用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，包括光源模塊、照明模塊、成像模塊、探測模塊；所述的光源模塊，提供用于對準(zhǔn)系統(tǒng)的照明光源；所述的照明模塊，傳輸照明光源的光束，垂直照明晶片上周期性光學(xué)結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)標(biāo)記；其特征在于，所述的成像模塊，采用顯微物鏡收集對準(zhǔn)標(biāo)記的多級次衍射光，并采用多色光分離系統(tǒng)實現(xiàn)多波長衍射光的分離，然后利用級結(jié)合光柵系統(tǒng)使對準(zhǔn)標(biāo)記衍射頻譜的正、負(fù)級次的頻譜光斑對應(yīng)重疊相干；所述的探測模塊，采用差動莫爾信號探測方法，通過測量多個波長、多個級次頻譜光斑對應(yīng)位置處的光強或位相的變化，得到對準(zhǔn)標(biāo)記的位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的照明光源為多波長光源，至少有四個波長，并且其中至少有兩個光源波長在紅外波段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的照明光源可以是半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的入射到晶片上的照明光束為圓偏振光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的晶片對準(zhǔn)標(biāo)記為以十字劃線為中心沿水平和垂直方向?qū)ΨQ分布的四個子光柵所組成的二維位相光柵結(jié)構(gòu)；并且，同一方向?qū)ΨQ分布的兩個子光柵的基本光柵周期不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的顯微物鏡優(yōu)先采用大數(shù)值孔徑和長工作距的顯微物鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的顯微物鏡的出射光瞳處設(shè)置有空間濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的多色光分離系統(tǒng)為基于色散元件，或者干涉截止濾光片，或者衍射光學(xué)元件的分光系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的色散元件包括棱鏡、閃耀光柵和階梯光柵，或者上述元件組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的閃耀光柵是反射或透射式的多閃耀光柵，包括折線型多閃耀光柵、分區(qū)域型多閃耀光柵和折線型-分區(qū)域組合多閃耀光柵。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對準(zhǔn)標(biāo)記多級次衍射頻譜的正、負(fù)級次頻譜光斑的對應(yīng)重疊相干功能。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)包括至少一組光柵和反射鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光柵和反射鏡膠合在一整塊玻璃基板上。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)可以由兩組位相光柵和反射鏡組成，兩組位相光柵的周期可以相同或不同。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或12或14所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)使多級次衍射光斑分布的橫向尺寸放大了一定倍數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)可以由位相光柵和雙楔形棱鏡組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)光路中包含轉(zhuǎn)像棱鏡和光程差補償平板。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或11到14中任一項或16所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)中的光柵可以為反射式或透射式，振幅型或位相型光柵。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的探測模塊包括兩路光束，其中，一路光束將對準(zhǔn)標(biāo)記和分劃線成像在CCD照相機(jī)上，進(jìn)行粗對準(zhǔn)；另一路光束將級結(jié)合光柵系統(tǒng)的出射光瞳面成像在參考板上，進(jìn)行精對準(zhǔn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的精對準(zhǔn)光路的中間像位置設(shè)置有空間濾波器。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的精對準(zhǔn)光路在級結(jié)合光柵系統(tǒng)出射光瞳處設(shè)置有空間光調(diào)制器。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的參考板上用于水平或垂直方向?qū)?zhǔn)的參考標(biāo)記各有兩組。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的精對準(zhǔn)光路中包含有兩組探測器或探測器列陣。
24.根據(jù)權(quán)利要求1或19所述的用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述探測模塊的差動莫爾信號的探測方法是，利用具有兩種不同周期的對準(zhǔn)標(biāo)記提高對準(zhǔn)捕獲范圍；探測對準(zhǔn)標(biāo)記的多級次衍射光；對應(yīng)于每一級次衍射光產(chǎn)生兩組位相差為180度的莫爾信號，并以差動莫爾信號作為該級次的對準(zhǔn)信號。
25.用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，其構(gòu)成包括光柵、反射鏡和棱鏡；該級結(jié)合光柵系統(tǒng)使對準(zhǔn)標(biāo)記衍射頻譜的+1-+n級和-1--n級相同級次的正、負(fù)級衍射光斑對應(yīng)重疊相干。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)包括反射鏡和光柵。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述級結(jié)合光柵系統(tǒng)的反射鏡和光柵膠合在一整塊玻璃基板上。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)可以由兩組位相光柵和反射鏡組成，兩組位相光柵的周期可以相同或不同。
29.根據(jù)權(quán)利要求25或26或28所述的用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)使多級衍射光斑分布的橫向尺寸放大了一定倍數(shù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)可以由雙楔形棱鏡和位相光柵組成，并且其光路中包含轉(zhuǎn)像棱鏡和光程差補償平板。
31.根據(jù)權(quán)利要求25或26或28或30所述的用于光刻裝置對準(zhǔn)系統(tǒng)的級結(jié)合光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述的級結(jié)合光柵系統(tǒng)中的光柵可以為反射式或透射式，振幅型或位相型光柵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于光刻裝置的對準(zhǔn)系統(tǒng)及其級結(jié)合光柵系統(tǒng)，該對準(zhǔn)系統(tǒng)包括提供照明光源的光源模塊；傳輸照明光源的光束，垂直照明晶片上周期性光學(xué)結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)標(biāo)記的照明模塊；采用顯微物鏡收集對準(zhǔn)標(biāo)記的多級次衍射光，采用多色光分離系統(tǒng)實現(xiàn)多波長衍射光的分離，并利用級結(jié)合光柵系統(tǒng)使對準(zhǔn)標(biāo)記衍射頻譜的正、負(fù)級次的頻譜光斑對應(yīng)重疊相干的成像模塊；采用差動莫爾信號探測方法，測量多個波長、多個級次頻譜光斑對應(yīng)位置處光強或位相的變化，得到對準(zhǔn)標(biāo)記位置信息的探測模塊。級結(jié)合光柵系統(tǒng)包括光柵、反射鏡和棱鏡，使對準(zhǔn)標(biāo)記衍射頻譜的+1－+n級和－1－－n級相同級次的正、負(fù)級衍射光斑對應(yīng)重疊相干。以提供較高的對準(zhǔn)精度和穩(wěn)定性。
文檔編號H01L21/027GK1936711SQ200610117228
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者徐榮偉, 李鐵軍 申請人:上海微電子裝備有限公司