一种光学测量装置和方法与流程

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种光学测量装置和方法。

背景技术：

在半导体ic集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。光刻即在已经涂布光刻胶的基板上曝光显影形成线路，在已经进行过光刻的基板上再次进行光刻，则皆为套刻。在进行光刻时，影响光刻精度的因素主要有基板与掩膜版的位置偏差、光刻形成的线路的线宽和光刻胶自身的胶厚以及套刻偏差。

目前市场上的光学测量设备，其中包含有膜厚测量设备和位置以及套刻偏差集一体的测量设备。如中国专利cn104412062a(申请号：cn201380035853.2，公开日：2015年3月11日)描述了一种膜厚测定装置，基板载台放置待测基板，基板载台上方为龙门架，膜厚测定头安装在滑动件上在龙门架上运动，测量基板上的膜的厚度。上述装置中还包括位置调整单元也即位置和套刻偏差测量设备，目前位置和套刻偏差测量设备采用桥式或龙门结构，其运动方向各有测量干涉仪进行测量控制，非运动方向无测量干涉仪配置。其中的位置校正使用覆盖测量行程的大掩膜版进行校正。

现有的膜厚测量设备和位置以及套刻偏差集一体的测量设备具有以下问题：

1.对于桥式结构，基板载台运动时，会导致桥式框架变形，基板载台运动位置不同，变形大小不同，进而影响位于桥式结构上测量系统的位置变化；

2.基板在测试时，通过产线把已显影基板运送到测量设备处，由于厂务温度控制为23±1度，故在测量前，需放置基板等待较长时间使基板温度达到目标23±0.1度，这样增加了工艺时间，降低了生产效率。

技术实现要素：

本发明提供了一种光学测量装置和方法，设置了可以测量光学检测载台框架变形量的框架测量单元、以及根据光学检测载台框架变形量对基板载台位置进行校正的校正模块，用于解决上述问题。

为达到上述目的，本发明提出了一种光学测量装置，包括

一基板载台，用于放置基板；

一光学检测载台框架，从所述基板载台一侧延伸至相对的一侧，所述光学检测载台框架上承载有一光学检测滑块，可沿所述光学检测载台框架滑动；

一光学检测单元，固定在所述光学检测滑块上，随着所述光学检测滑块沿所述光学检测载台框架移动；

一基板载台位置测量模块，用于测量所述基板载台的位置；

一光学检测位置测量模块，用于测量所述光学检测单元的位置；

所述光学测量装置还包括用于检测所述光学检测载台框架变形量的框架测量单元以及根据所述光学检测载台框架变形量对所述基板载台位置和/或光学检测单元位置进行校正的校正模块。

优选的，所述光学检测载台框架为桥式，包括两个支撑立柱和固定在所述两个支撑立柱上的横梁，所述光学检测滑块在所述横梁上滑动。

优选的，所述框架测量单元包括两个与所述光学检测滑块滑动方向平行设置的第一干涉仪测量组件，两个所述第一干涉仪测量组件与所述两个支撑立柱一一对应，并发射测量光束至所述两个支撑立柱上。

优选的，所述基板载台位置测量模块包括两个与所述光学检测滑块滑动方向平行设置的第二干涉仪测量组件，两个所述第二干涉仪测量组件发射测量光束至所述基板载台。

优选的，两个所述第一干涉仪测量组件与两个所述第二干涉仪测量组件布置在同一水平面。

优选的，两个所述第一干涉仪测量组件中至少一个所述第一干涉仪测量组件为双轴干涉仪，双轴干涉仪发出的两轴测量光束沿与所述支撑立柱方向平行的方向平行分布。

优选的，所述框架测量单元还包括与所述光学检测滑块滑动方向垂直的方向平行设置的第三干涉仪测量组件，所述第三干涉仪测量组件沿所述光学检测滑块滑动方向发射测量光束至所述光学检测载台框架。

优选的，所述第三干涉仪测量组件为单轴干涉仪。

优选的，所述第三干涉仪测量组件为双轴干涉仪。

优选的，所述光学测量装置还包括用于测调所述光学检测单元与基板上表面距离的高度调整模块。

优选的，所述光学测量装置还包括一支撑底座，用于放置所述基板载台和光学检测载台框架。

优选的，所述支撑底座从下至上包括减震单元和大理石。

优选的，所述光学检测单元用于检测曝光后基板上图形的线宽、套刻偏差、标记位置偏差和/或光刻胶胶厚。

本发明还提供一种光学测量方法，将所述光学检测滑块沿所述光学检测载台框架运动的方向定义为x向，在水平面上垂直于x向的方向定义为y向，竖直方向定义为z向，建立xyz三维坐标系，其特征在于，具体包括以下步骤：

提供一带检测标记的基板放置在所述基板载台上；

控制所述基板载台沿y向运动yi，光学检测单元沿x向运动xi，使任一检测标记i位于所述光学检测单元下；

所述框架测量单元测量所述光学检测载台框架的变形量，所述校正模块根据所述光学检测载台框架的变形量对基板载台位置和/或光学检测单元位置校正，并根据校正后的基板载台位置和/或光学检测单元位置计算所述检测标记i的位置，实现所述光学检测单元与所述检测标记i的对准。

优选的，所述校正模块根据所述光学检测载台框架的变形量对基板载台位置校正，具体如下：

至少发射两束与y向平行的测量光束至所述光学检测载台框架的两个支撑立柱上，所述基板载台在y向上移动时，测量两个支撑立柱的y向变形量y1_ref、y2_ref，得到所述光学检测载台框架在y向上的变形量yi_ref＝(y1_ref+y2_ref)/2和绕z轴的旋转变形量rzi_ref＝(y1_ref-y2_ref)/ifdx_ref，，其中ifdx_ref为两个干涉仪测量组件在x向上的间距；

计算所述基板载台位置的校正量：delt_yi＝-(yi_ref+rzi_ref*xi)；

反馈所述校正量delt_yi给校正模块，使其对基板载台进行y向位置校正。

优选的，所述校正模块根据所述光学检测载台框架的变形量对光学检测单元位置校正，具体如下：

发射与x向平行的测量光束至所述光学检测载台框架，所述光学检测单元沿x向运动时，测量所述光学检测载台框架在x向上的变形量xi_ref和绕y轴的倾斜变形量ryi_ref；

同时沿z向发射两束与y向平行的测量光束至所述光学检测载台框架上，测量所述光学检测载台框架在绕x轴的倾斜变形量rxi_ref；

所述校正模块根据所述光学检测载台框架在x向上的变形量xi_ref、绕y轴的倾斜变形量ryi_ref以及绕x轴的倾斜变形量rxi_ref对所述光学检测单元进行x向位置校正。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种光学测量装置和方法，设置了可以测量光学检测载台框架变形量的框架测量单元、以及根据光学检测载台框架变形量对基板载台位置和/或光学检测单元位置进行校正的校正模块，用于解决框架变形对标记位置测量造成的误差问题。

附图说明

图1为本发明提供的测量装置结构示意图；

图2为图1的俯视图。

图中：1-支撑底座、

2-光学检测载台框架、

21、22-框架y向干涉仪测量系统、

3-光学检测滑块、

4-垂向运动机构控制单元、

5-光学检测模块、

51-模块x干涉仪控制测量系统、

52-滑块x干涉仪控制测量系统、

53-模块y干涉仪控制测量系统、

5a-位置粗测量传感器、

5b-第一位置精测和线宽测量传感器、

5c-第二位置精测和线宽测量传感器、

5d-胶厚测量传感器、

5e-第一高度测量传感器、

5f-第二高度测量传感器、

6-基板载台、

61-基板载台x干涉仪控制测量系统、

62-基板载台y干涉仪控制测量系统、

7-基准板、

71-线宽标定基准板、

72-x向基准板、

73-y向基准板、

74-胶厚标定基准板、

8-基板温度控制单元、

9-基板、

91-基板标记。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参照图1与图2，以水平向右为x向，垂直于纸面向里的方向为y向，竖直向上为z向，建立xyz三维坐标系。本发明提供的光学测量装置，该装置从下至上包括

一支撑底座1，用于承载整个光学测量装置，其从下至上包括与地面接触的地基、用于减缓地面振动对机器测量影响的减震单元、用于在其上设置x向、y向驱动机构的大理石台。

请参照图2，支撑底座1为一方形台面，其中央放置着一基板载台6，基板载台6上主要用于放置基板9，并且在基板9周围放置有多种用于给基板9校准的基准板7，基准板7包括用于给基板9在x向校准的x向基准板72、用于给基板9在y向校准的y向基准板73、线宽标定基准板71、用于校准光刻胶胶厚的胶厚标定基准板74，其中x向基准板72和y向基准板73相互垂直，线宽标定基准板71和胶厚标定基准板74分别位于y向基准板73的两端。

x向基准板72和y向基准板73上设计有周期分布的对准标记，用于周期性校正位置偏差；线宽标定基准板71用于标定第一位置精测和线宽测量传感器5b、第二位置精测和线宽测量传感器5c的特征尺寸测量偏差，保证特征尺寸测量准确度。

在支撑底座1上，在基板载台6上方设置了光学检测载台框架2，该光学检测载台框架2为一龙门架，其从基板载台6一侧沿z向向上延伸一定的高度后，沿x向延伸至基板载台6相对的一侧，然后沿z向向下延伸至支撑底座1上。

所述光学检测载台框架2为桥式，包括两个支撑立柱和固定在所述两个支撑立柱上的横梁。

在光学检测载台框架2上设置一个可沿光学检测载台框架2移动的光学检测滑块3，也就是说光学检测滑块3安装在光学检测载台框架2上并能够沿着x向移动，在光学检测滑块3下固定有光学检测单元，也即光学检测模块5，该光学检测模块5下方设置有标记位置测量模块、线宽测量模块和光刻胶胶厚测量模块，将上述测量模块结合在一个光学检测模块5上，当光学检测模块5在光学检测滑块3的带动下沿x向运动时，可选上述几种装置任意组合进行测量，也可各自单独测量。在测量基板9上的数据时，上述装置能够同时对应相同的位置，因此更利于分析，尤其有利于分析线路的特征尺寸(如线宽)和胶厚相关性。

在光学检测模块5上设置有一高度调整模块，也即安装在光学检测模块5一侧的垂向运动机构控制单元4，该模块能够控制光学检测模块5相对于光学检测滑块3在z向上的运动，这样也就调整了光学检测模块5相对于基板9的高度。

具体地，请继续参照图1，标记位置测量模块、线宽测量模块和光刻胶胶厚测量模块在光学检测模块5下表面设置为

位置粗测量传感器5a，用于测量基板9相对于基板载台6的偏差，保证基板9上的基板标记91位于第一位置精测和线宽测量传感器5b、第二位置精测和线宽测量传感器5c的视场内；

第一位置精测和线宽测量传感器5b，用于测量基板标记91位置偏差、光刻胶线路特征尺寸的线宽和套刻偏差；

第二位置精测和线宽测量传感器5c，用于测量基板标记91位置偏差、光刻胶线路特征尺寸的线宽和套刻偏差，其与第一位置精测和线宽测量传感器5b相互对称设置，且相对于第一位置精测和线宽测量传感器5b，第二位置精测和线宽测量传感器5c对准视场小，可测量更小光刻胶线路特征尺寸的线宽；

胶厚测量传感器5d，用于测量基板9上或基准板7上或硅片上光刻胶的胶厚，该传感器相对于位置粗测量传感器5a为对称设置。

第一高度测量传感器5e和第二高度测量传感器5f，二者皆用于测量基板9的上表面的高度，且这两者分别设置于第一位置精测和线宽测量传感器5b、第二位置精测和线宽测量传感器5c靠近基板9的一端，且相互对称。

光学测量装置还包括基板载台位置测量模块，用于测量所述基板载台6的位置，基于所述基板载台位置测量单元和所述光学检测位置测量单元的测量信息对所述标记位置测量模块测得的标记位置进行校正的校正模块。所述基板载台位置测量模块包括两个沿x方向设置的第二干涉仪测量组件，两个所述第二干涉仪测量组件发射测量光束至所述基板载台6。第二干涉仪测量组件包括：基板载台x干涉仪控制测量系统61，用于控制基板载台6在x向上的运动，并同时测量基板载台6的x位置，记作量x_ws和在xz平面上的旋转量rzx_ws；

基板载台y干涉仪控制测量系统62，用于控制基板载台6在y向的运动，并同时测量基板载台6旋转rzy_ws和倾斜rx_ws；

基板载台x干涉仪控制测量系统61和基板载台y干涉仪控制测量系统62分别设置在基板载台6的x向和y向上；

光学测量装置中还包括用于测量所述光学检测单元位置的光学检测位置测量模块，也就是用于测量光学检测模块5自身位置与偏差的装置，其连接在光学检测模块5和光学检测滑块3之间，分别为：

模块x干涉仪控制测量系统51，设置在光学检测模块5上，用于测量光学检测模块5在x向上的位移x_om并且控制光学检测模块5在x向的运动，模块x干涉仪控制测量系统51和滑块x干涉仪控制测量系统52相互连接，将两者测量得到的数据后进行参数处理，可得到光学检测模块5的倾斜量ry_om；

滑块x干涉仪控制测量系统52，设置在光学检测滑块3上，可测量光学检测模块5在xz平面上旋转量rzx_om；

模块y干涉仪控制测量系统53，设置在光学检测模块5上，用于测量光学检测模块5相对于光学检测载台框架2的y向位移量y_om和倾斜量rx_om，模块y干涉仪控制测量系统53选用可短距离且可高精度测量的测量传感器，如干涉仪测量系统、也可为激光三角尺和激光位移传感器等。

本发明中在基板载台6上还设置了基板温度控制单元8，这是一种恒温系统，其设置在基板9下方，当基板9上载到基板载台6上时，可快速使基板9温度达到目标温度，这样就减少了基板9在测试前等待其到达目标温度的时间，提高了生产效率。

此外，本发明提供的光学测量装置中，上述所有的检测数据的模块或者单元或者系统皆与一控制系统中的参数处理单元连接，参数处理单元处理检测的数据，处理完成后反馈至相应的位置调控系统中，如反馈至垂向运动机构控制单元4、模块x干涉仪控制系统51、滑块x干涉仪测量系统52、基板载台x干涉仪控制测量系统61、基准载台y干涉仪控制测量系统62，控制各自对应的部件作相应的移动。

本发明中，为了防止光学检测载台框架2在工作过程中产生了变形，使得光学检测滑块3在移动时，在x向、y向和z向上都有可能产生了移动偏差，因此为了将这些移动偏差得到补偿，则光学测量装置还包括位于光学检测载台框架2上的用于测量其变形量的框架测量单元，框架测量单元包括两个沿所述横梁方向设置的第一干涉仪测量组件，该第一干涉仪测量组件具体为关于基板载台6对称的框架y向干涉仪测量系统21、22，当基板载台6沿着y向运动时，框架y向干涉仪测量系统21、22可测量得到光学检测载台框架2的y向变形量yref和绕z轴的旋转变形量rzref，基板载台x干涉仪控制测量系统61和基准载台y干涉仪控制测量系统62根据上述数据校正对准时刻基板载台6位置。

上述两个所述第一干涉仪测量组件与两个所述第二干涉仪测量组件布置在同一水平面。

本发明还提供一种使用上述测量装置的测量方法，使用框架y向干涉仪测量系统21、22测量光学检测载台框架2的变形量，基板载台x干涉仪控制测量系统61和基准载台y干涉仪控制测量系统62根据其测量的基板载台6的位置和光学检测载台框架2的变形量实时校正基板载台6的位置，具体包括以下步骤：

步骤一：请参照图2，提供一带有基板标记91的基板9，放置在基板载台6上，基板载台6沿y向运动yi，光学检测模块5沿x向运动xi，使任一标记i位于光学检测单元下；

步骤二：框架y向干涉仪测量系统21、22得到光学检测载台框架2在y向上的变形量yi_ref和以z为旋转轴的旋转变形量rzi_ref，yi_ref＝(y1_ref+y2_ref)/2；rzi_ref＝(y1_ref-y2_ref)/ifdx_ref；其中ifdx_ref为框架y向干涉仪测量系统21、22在x向上的间距，y1_ref和y2_ref分别为框架y向干涉仪测量系统21、22测得的光学检测载台框架2在y向上的变形量数据；

步骤三：参数处理单元计算实际位置校正量：delt_yi＝-(yi_ref+rzi_ref×xi)；

步骤四：参数处理单元反馈实际位置校正量delt_yi给校正模块，校正模块传输数据给基板载台x干涉仪控制测量系统61和基准载台y干涉仪控制测量系统62，两者分别控制基板载台6在x向和y向上移动，使其对基板载台6进行位置校正，实现所述光学检测单元与检测标记i的对准；

对于测量基板9上的任意位置时，都进行步骤一至步骤四的补偿。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，框架y向干涉仪测量系统21、22中至少一个为双轴干涉仪或者单轴干涉仪，双轴干涉仪发出的两轴测量光束沿z向平行分布，用于测量所述光学检测载台框架绕x轴的倾斜变形量rxi_ref。框架测量单元还包括框架x向干涉仪测量系统(未图示)，其用于测量光学检测载台框架2在x向上的变形量xi_ref和绕y轴的倾斜变形量ryi_ref，模块x干涉仪控制测量系统51根据光学检测载台框架2在x向上的变形量xi_ref、绕y轴的倾斜变形量ryi_ref及绕x轴的倾斜变形量rxi_ref校正对准时刻光学检测模块5的位置，从而完成了校正功能。

本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。