水平传感器、光刻设备以及器件制作方法

专利名称：水平传感器、光刻设备以及器件制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光刻设备。更为特别地，本发明涉及用于光刻设备中用来确定衬底表面高度的水平传感器。
本发明进一步涉及光刻投影设备和器件制作方法。
背景技术：
光刻设备是一种把预期图形应用到衬底目标区域的机器。光刻设备可以用于制作例如集成电路(IC)。在这种示例中，可以使用备选地称为掩模或分划板的构图装置，以产生将在IC单个层上形成的电路图形。这个图形可以被传递到衬底(例如硅晶片)的目标区域(例如包括一个芯片或多个芯片的局部)。该图形的传递通常是通过成像到设于衬底上的辐射敏感材料(刻蚀剂)层上。通常，单个衬底会包括连续图形化的相邻目标区域的网络。已知的光刻设备包括所谓的步进机(stepper)，其中通过将整个图形曝光到目标区域一次以辐射各个目标区域，以及所谓的扫描器(scanner)，其中通过投影束沿特定方向(“扫描”方向)扫描图形，同时平行或反平行于这个方向同步扫描衬底，从而辐射各个目标区域。有可能通过压印将图形压印到衬底上，从而将图形从构图装置转移到衬底上。
尽管在本说明书中会具体地参考在集成电路(IC)制作中光刻设备的使用，但应该了解到，这里描述的光刻设备可以具有其它用途，例如集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和检测图形、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等的制作。技术人员将了解到，在这些备选应用的情况中，使用术语“晶片”或“芯片”可以分别看作与更普通的术语“衬底”或“目标区域”同义。这里所指的衬底在曝光之前或曝光之后可以在例如涂胶显影(例如，通常把抗蚀剂层涂敷到衬底上并对曝光后的抗蚀剂进行显影的一种工具)或一个测量或检查工具内进行处理。在本发明可应用的场合中，这里所公开的内容可应用于这些以及其它衬底处理工具。此外，例如，为了创建一个多层IC，可以不止一次地处理衬底，因此这里使用的衬底这个术语也可指已经包括多个已处理过的层的衬底。
尽管上面具体地参考本发明实施例在光学光刻情形中的使用，但将会了解到，本发明可以用于例如压印光刻的其它用途，且在情况允许的场合中，本发明不限于光学光刻。在压印光刻中，构图装置中的形貌定义了在衬底上产生的图形。构图装置中的形貌被印刷到涂敷在衬底上的刻蚀剂层上，通过对该刻蚀剂施加电磁辐射、热、压力或其组合而使其固化。在该刻蚀剂固化之后，从刻蚀剂移出构图装置，从而在刻蚀剂中形成图形。
这里使用的术语“辐射”及“射束”包括所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如，波长为365、248、193、157、或126nm)与超紫外(EUV)辐射(例如，波长范围为5至20nm)，以及例如离子束或电子束的粒子束。
这里使用的术语“透镜”在情况允许的情形中指各种类型的光学元件的任意一个组合，包括折射、反射、磁学、电磁学、以及静电光学元件。
应该准确地知道衬底和用于将预期图形施加到衬底上的投影系统的相对位置。该投影系统将辐射束聚焦到衬底上，其中构图装置为该辐射束提供了图形。为了获得最佳结果，对衬底表面执行第一高度测量，产生高度数据。该高度数据可包括关于衬底表面形貌的信息。对于使用具有两个或多个衬底平台(双工作台)的光刻设备的情形，可在第二位置(曝光位置)执行曝光的同时在第一位置(测量位置)执行高度测量。这种情况下，在第一位置获得的高度数据可被存储在高度地图中，稍后在曝光期间用于第二位置。该高度地图包括代表衬底上不同位置处衬底表面相对于参考水平的高度的一组数据。然而，也可以动态地(例如在曝光时)执行高度测量，例如在使用单个工作台机器时可以在曝光期间实时地使用。
该高度数据用于在曝光时，考虑衬底的局部和整体形状，尽可能精确地定位衬底相对于投影系统的位置。基于该高度数据，可以调整每个目标区域甚至是目标区域的不同部分中衬底相对于投影系统的相对位置。
已知好几种水平传感器可用于获得这种高度数据。例如，通过以一个角度将辐射束投影到高度待测量的衬底上的位置而光学测量衬底高度的水平传感器是已知的。水平传感器包括分别检测反射束的传感器阵列。反射束将碰撞一个或多个传感器，其取决于在反射位置的衬底表面的高度。因此，可以确定在反射位置的衬底的高度。
投影透镜和衬底之间的间距相当小。为了获得更大的数值孔径，在未来的系统中该间距将变得更小。因此，辐射束和反射束可用的间距变得更小，所以定位水平传感器可用的位置更少。
此外，光学水平传感器在某些情况下不容易和浸渍技术相兼容，其中在浸渍技术中部分衬底被浸渍。在使用浸渍技术的光刻机中，投影透镜和衬底之间的部分间距填充了诸如水的液体。提供了将液体保持在适当位置的诸如密封器的装置。由置于密封器外部的光学水平传感器发射的辐射束应被引导穿过密封器以到达衬底表面。执行该任务稍微有点困难。
同样，从衬底顶面反射的辐射束可能和工艺相关。工艺关联性可能是由例如下述情况引起的，水平传感器发射的辐射束不仅被衬底顶面反射，而且还被置于该顶层下的子层反射，这会干扰测量。这种干扰与工艺相关，即其取决于先前对该衬底所进行的、确定子层形貌的工艺。也可由金属表面的反射所致的相移引起工艺关联性。
辐射束可被许多(子)层反射，并组合形成单个反射束。该反射束可以看作是在衬底表面之下或之上某个位置反射一次的单光束。
其它水平传感器是已知的，例如电容性或电感性水平传感器。然而，将会了解到，这些水平传感器也存在工艺关联性，因为衬底的电磁特性依赖于之前对该衬底所执行的工艺。
根据另一种类型的水平传感器，使用气流确定衬底高度。这种水平传感器称为空气压力计(air gauge)，并包括一空气出口，气流通过该出口流出。该出口置于衬底附近，并垂直地指向衬底表面。由此将空气导向衬底表面。衬底的高度差异引起空气压力计出口和衬底之间距离的差异。空气压力计因此将感受到和衬底表面的高度起伏相对应的气流阻抗的起伏。测量得到该气流的阻抗，由此得出高度信息。可在衬底上不同位置进行该操作以绘制高度地图。
然而，该空气压力计为相对慢的水平传感器，这可能会降低系统的生产能力。此外，出口和衬底表面之间的距离必须较小，以执行精确测量。这需要精确的控制机制。同样，空气压力计不能用于单工作台浸渍光刻设备。

发明内容
需要提供能克服一个或多个上述缺点的水平传感器。通常，本发明的目标是提供改善的水平传感器。
根据本发明的一个方面，提供了其中信号为压力波的水平传感器。使用压力波是可以用于所有环境下(例如使用浸渍技术的光刻机)的快速方法。
使用压力波测量衬底的高度地图是传统水平传感器的有用备选。
压力波受工艺关联性的影响最小，特别是用在(低压)空气中时。
在一个实施例中，本发明在和频率大于约20kHz的超声压力波组合使用时是有利的。这些压力波具有可优选用于确定衬底高度地图的性能。由于压力波大的传播速度以及相对小的波长，有可能实现快速和精确的测量。在使用浸渍技术的光刻投影设备中尤其存在超声压力波的这些正面性能。


现在将仅以示例的方式参考所附示意性附图描述本发明的实施例，附图中相应的附图标记表示相应的部分，其中图1描述了根据本发明一个实施例的光刻设备。
图2描述了根据本发明第一实施例的水平传感器；图3描述了根据本发明第一实施例的备选的水平传感器；图4a和4b描述了根据本发明第一实施例发射和接收的压力波的图示；图5描述了根据本发明第一实施例的另一个备选的水平传感器；图6描述了根据本发明实施例的可能结构的俯视图；图7描述了根据本发明第二实施例的水平传感器；图8描述了根据本发明第二实施例的水平传感器的可能结构；图9描述了根据本发明第二实施例的备选的水平传感器；图10a和10b描述了根据本发明第二实施例的另一个备选水平传感器的侧视图和仰视图；
图11描述了本发明第二实施例的另一个备选；以及图12a和12b描述了本发明第二实施例的又一个备选。
具体实施例方式
图1示意性地描述了根据本发明一个实施例的光刻设备。该设备包括照明系统(照明器)IL，用于调整辐射束(例如UV辐射、EUV辐射、或其它辐射)B；支持结构(例如掩模平台)MT，用于支持构图装置(例如掩模)MA，并连接到第一定位工具PM以根据特定参数精确地定位构图装置；衬底平台(例如晶片平台)WT，用于支持衬底(例如涂敷了刻蚀剂的晶片)W，并连接到第二定位工具PW以根据特定参数精确地定位衬底；以及投影系统(例如反射投影透镜系统)PS，用于把由构图装置MA赋予辐射束B的图形成像到衬底W的目标区域C(例如包括一个或多个芯片)。
照明系统也可包括各种类型的光学元件，例如用于导向、定形、或控制辐射束的折射、反射、磁性、电磁、静电或者其它类型的光学元件或其任意组合。
支持结构支撑构图装置，即承受构图装置的重量。支持结构支撑构图装置的方式取决于构图装置的取向、光刻设备的设计、以及诸如例如构图装置是否保持在真空环境中的其它条件。该支持结构可以使用机械夹具、真空夹具、静电夹具、或者其它夹具技术以支撑构图装置。支持结构可以是例如固定的或可移动的框架或平台。支持结构可以保证构图装置例如相对投影系统位于预期位置。可以认为，这里使用的术语“光刻版”或“掩模”与更为普通的术语“构图装置”同义。
这里使用的术语“构图装置”应广泛地理解成是指，给辐射束截面赋予一个图形以在衬底目标区域创建图形的任何装置。应该注意的是，赋予辐射束的图形可能不会与衬底目标区域的预期图形精确对应，例如如果该图形包括相移特征或所谓的辅助特征。通常赋予给辐射束的图形对应于诸如集成电路的器件内、在目标区域创建的特定功能层。
构图装置可以是透射的或是反射的。构图装置的示例包括掩模、可编程反射镜阵列、及可编程LCD面板。在光刻中掩模是众所周知的，它包括诸如二进制、交变相移、衰减相移、以及各种混合掩模类型的掩模类型。一个可编程反射镜阵列的示例采用小型反射镜的矩阵排列，可分别倾斜各个反射镜，从而把入射辐射束反射到不同方向。倾斜的反射镜将图形赋予被反射镜矩阵反射的辐射束。
这里使用的术语“投影系统”应广泛地理解成包括各种类型的投影系统，包括适合于例如采用曝光辐射、其它使用浸渍液体或使用真空的折射光学系统、反射光学系统、反射折射光学系统、磁光学系统、电磁光学系统、和静电光学系统。可以认为，这里使用的术语“投影透镜”与更为普通的术语“投影系统”同义。
如这里所描述的，该设备为透射类型(例如采用透射掩模)。备选地，该设备可以为反射类型(例如采用可编程反射镜阵列或采用反射掩模)。
光刻设备可以为具有两个衬底平台(双工作台)类型或更多个衬底平台(和/或两个或更多个掩模平台)的类型。在这些“多工作台”机器中，可以并行地使用附加的平台，当一个或多个平台用于曝光时，可以在其它一个或多个平台上进行准备步骤。
光刻设备也可以是这样的类型其中衬底的至少一部分被具有相对较高的折射率例如水的液体覆盖，以填充投影系统与衬底之间的间隙。浸渍液体也可用于光刻设备中的其它间隙，例如掩模与投影系统之间。这里所使用的术语“浸渍”不是旨在建议诸如衬底的结构必须浸没在液体中，而是指在曝光时该液体位于投影系统和衬底之间。
参考图1，照明器IL从辐射源SO接收辐射束。该辐射源和光刻设备可以是分离的实体，例如当辐射源为受激准分子激光器时。在这种情况下，并不把辐射源看作光刻设备的一部分，借助包括适合的导向反射镜和/或光束扩展器或其它射束输送系统的射束输送系统BD，辐射束由辐射源SO传输到照明器IL。在其它情况下，该辐射源是光刻设备的主要部分，例如当该辐射源为汞灯时。可将辐射源SO、照明器IL、以及射束传输系统BD(如果使用到)一起称为辐射系统。
照明器IL可以包括用于调整辐射束角度强度分布的调整器AD。一般而言，至少可以调整照明器一光瞳面内的外部和/或内部径向范围(通常分别称为σ-外部及σ-内部)的强度分布。此外，照明器IL通常包括诸如积分器IN和聚光器CO的各种其它元件。照明器可用于调整辐射束使其截面具有预期的均匀性和强度分布。
辐射束B入射到固定在支持结构(例如掩模平台MT)的构图装置(例如掩模MA)上，构图装置对辐射束构图。辐射束B穿过掩模MA之后，辐射束B穿过投影系统PS，该投影系统PS把射束聚焦到衬底W的目标区域C。借助第二定位工具PW及位置传感器IF(例如干涉测量装置、线性编码器、或电容性传感器)，可以精确地移动衬底平台WT，例如，以定位辐射束B路径内的不同目标区域C。类似地，可以使用第一定位工具PM和其它位置传感器(未在图1中明确地示出)，例如从掩模库机械检索后或在扫描时，精确地定位掩模MA相对于辐射束B路径的位置。通常，可以借助形成第一定位工具PM一部分的长冲程模块(粗略定位)和短冲程模块(精细定位)，实现掩模平台MT的移动。类似地，可以借助形成第二定位工具PW一部分的长冲程模块和短冲程模块，实现衬底平台WT的移动。对于(与扫描器相反的)步进机，掩模平台MT可以仅连接到短冲程致动器，或者可以固定。可以使用掩模对准标记M1、M2及衬底对准标记P1、P2来对准掩模MA及衬底W。尽管衬底对准标记如图所示地占据目标区域，但这些标记可以位于目标区域(已知的划片线对准标记)之间的间隙。类似地，对于在掩模MA上提供不止一个管芯的情形，对准标记可位于这些管芯之间。
所描述的设备可以用于下述模式中的至少一种1.在分步模式中，掩模平台MT和衬底平台WT基本上保持静止，而赋予到辐射束的整个图形一次投影到目标区域C(即单次静态曝光)。随后沿X和/或Y方向平移衬底平台WT，以曝光不同的目标区域C。在分步模式中，曝光区域的最大尺寸限制了单次静态曝光中被成像的目标区域C的尺寸。
2.在扫描模式中，掩模平台MT和衬底平台WT被同步扫描，同时赋予到投影束的图形被投影到目标区域C(即单次动态曝光)。由投影系统PS的(缩小)放大及图像反转特性确定衬底平台WT相对掩模平台MT的速度和方向。在扫描模式中，曝光区域的最大尺寸限制了单次动态曝光中目标区域(沿非扫描方向)的宽度，而扫描动作的长度确定了目标区域(沿扫描方向)的高度。
3.在其它模式中，支撑可编程构图装置的掩模平台MT基本上保持静止。移动或扫描衬底平台WT，同时赋予到投影束的图形被投影到目标区域C。在该模式下，通常使用脉冲辐射源，且在每次移动衬底平台WT之后或者在扫描中的连续辐射脉冲之间更新可编程构图装置。该工作模式可以容易地应用于使用诸如上面提及可编程反射镜阵列的可编程构图装置的无掩模光刻。
可以采用上述模式的组合和/或变形，也可以采用与上述模式完全不同的模式。
必须精确地了解衬底W和投影系统PS的相对位置。投影系统PS将图形化的辐射束B聚焦到衬底W上。为了获得最佳的结果，对衬底表面执行第一高度测量，产生衬底W表面的高度数据。该高度数据可包括关于衬底W表面形貌的信息。该信息可用于在曝光时，考虑衬底W的局部和整体形状而尽可能精确地定位衬底W和投影系统PS的相对位置。
已知存在许多种水平传感器，但所有这些传感器都存在上面所述的某些缺点。根据本发明，基于声学原理，使用压力波确定高度数据而引入了一种新型水平传感器。
应该注意，基于声学原理构造高度测量装置的思想可用于其它技术领域，例如地质学领域以及用于进行人体扫描的医疗和生物领域。然而，认为传统上和这种声学技术相关联的分辨率和精度使其不适用于光刻机。
例如，使用基于MEMS技术的超声转换器允许发射压力波具有相对高的频率。目前可以获得空气中10MHz或更高的频率。更高的频率降低了对环境条件的灵敏度并提供了较小的盲区。
实施例1根据本发明第一实施例，可以使用压力波或压力脉冲作为例如超声或使用其它压力波测量衬底W的高度结构。可将压力波导向衬底，使得该压力波基本上不垂直于衬底W的表面。图2示出了该测量系统的示意性视图。
图2示出了置于衬底W上的投影系统PS。此外还提供了声音发射器10和接收器11。发射器10可布置成产生诸如超声信号的压力波100，该超声信号可被接收器11检测。发射器10和接收器11均可布置成和处理器20通信。处理器20可布置成控制发射器10并接收来自接收器11的信号(代表接收器11检测到的信号)。处理器20进一步布置成和存储装置21及时钟22通信。
根据本实施例，处理器20可触发发射器10以产生压力波100。从图2可以看出，压力波100可被衬底W的表面以及投影系统PS的下表面反射，其中该下表面面对衬底W(或者未布置衬底W时的衬底平台WT)。通过改变压力波朝衬底W发射的角度即可改变反射的数目，只要压力波100被衬底W的表面反射至少一次。
根据优选实施例，该压力波还至少被投影系统PS反射一次，由此产生关于衬底W和投影系统PS之间距离的方向信息，其中该信息用于聚焦投影束PB。
如果压力波被衬底W反射(仅反射一次)，可以获得衬底相对于所使用的水平传感器的高度信息。然后该信息应被转变为关于投影系统PS和衬底W之间距离的信息。因此，投影系统PS相对于衬底W的相对位置应该已知。
可由接收器11检测压力波100。处理器20可接收来自接收器11、表示检测信号的信号。
处理器20可以测量发射器10发射信号的时间t0和接收器11接收信号的时间t1。处理器20可使用时钟22确定时间t0和t1。将会了解到，Δt＝t1-t0是对投影系统PS和衬底W之间距离Δz的测量。一旦确定了传播时间Δt，可以计算传播距离，这是因为压力波的传播速度是已知的。利用基本的角度测定法并结合压力波100相对于衬底W表面发射的角度，可以计算距离Δz。处理器20可以将所确定的Δz值存储于存储装置21内。
应当理解的是，衬底W表面和投影系统PS之间的反射数目会影响测量的灵敏度。反射越多，压力波100传播的距离越大，则Δt将越大。其结果为可以以更高的精度测量Δt，而且Δt对Δz变化的关联性更强。
根据如图3所示的一个备选，用转换器12替代发射器并用反射镜13替代接收器11，可以使测量灵敏度翻倍。在本发明的一个实施例中，反射镜13应该为能够反射压力波100的“声音反射镜”或超声反射镜。在使用超声的情况下，反射镜13应该为超声反射镜。转换器12可布置成产生并检测压力波。
可由转换器12发射压力波100，并由反射镜13反射压力波100。压力波100传播回到检测压力波100的转换器12。处理器20再次确定Δt。将会了解到，根据本备选实施例的压力波100传播的距离为图2所描述备选实施例的两倍。传播时间Δt翻倍，且由于Δz变化引起的Δt的变化也是图2所示实施例的两倍。其结果为灵敏度翻倍。
前面已经提到，发射器10或转换器12可以发射超声压力波100。发射器10或转换器12可在t0开始发射，接收器11或转换器12应确定压力波100达到的时间t1。因此，例如如图4a所示，发射了足够多的小峰，在图4b中用虚线表示的小峰前沿用于确定到达的时间。图4a和4b均示出了信号强度A(纵轴)和时间t(横轴)之间关系的图示。接收器11或转换器12检测信号，该信号相对于所发射的信号发生变形，如图4b所示。所检测到的信号可包括由形成于衬底W表面下方的不同层反射(不需要的)引起的各种干扰和回声。然而，检测信号的前沿可为传播时间以及Δz的正确测量，这是因为相关的压力波100沿最短路径传播。因此，该方法不存在这些误差。
图4a示出了由发射器10、转换器12、或其它装置发射的三角形峰。然而，将会了解到，可以发射具有不同形状的峰，例如矩形脉冲。将会了解到，执行本发明优选使用脉冲。备选地，例如通过使用干涉技术，连续波信号可用于相移检测。
所发射的压力波100应该是高度准直的射束，从而防止部分压力波100沿捷径到达接收器，并在被衬底W和/或投影系统PS反射次数比预期数目少的情形下到达接收器。这导致错误的测量。
根据另一个实施例，这里所描述的水平传感器可用于这种类型的光刻设备中，其中衬底W至少部分被具有较高折射率的液体覆盖以填充投影系统PS和衬底W之间的间隔。
图5描述了这种实施例，其中在衬底W和投影系统PS之间提供诸如水的液体。该液体可贮存于密封器16内。该技术通常称为浸渍技术。在EP 1420298A2、EP 1429188、和EP 1420300A2中可以找到关于浸渍的更多细节。
发射器10和接收器11均可设有探针14、15，这些探针将所产生的压力波100引导穿过密封器16进入液体。本领域技术人员将了解到压力波可以有利地和浸渍技术相结合，这是因为和空气相比，该液体将以相对小的损耗和相对高的速度传输压力波100。这提高了精确度，因为其允许测量位置的数目增大或者每个位置的测量数目增大。
发射器10、转换器12、或其它装置可产生超声，即频率大于20kHz，例如20MHz。已知的是，由于不需要的反射，将超声从超声源引导到空气中是相当困难的，而将超声从超声源引导到液体中则相对容易。这是将本发明和浸渍相结合的另一个优点。
当前的装置在空气中的重复性(4西格玛或4-σ)的典型数目为单次测量波长的0.4％。由于衰减小，在水中可以使用比空气中更高的频率(更短的波长)。在空气中，9MHz是可行的，在音速为345m/s时其波长为38μm。然而在水中，可以使用260MHz，在音速为1480m/s时其波长为5.7μm。
由此在空气中得到4-σ重复性为0.15μm，在水中的4-σ重复性为23nm，这两个值都是针对单次测量而言。通过对一次以上的测量进行平均，可以以平方根关系改善重复性。通过对500次以上的测量求平均，水中的4-σ重复性可降低到约1nm。在空气中，需要对约23000次测量求平均。
在双向路径设置中，发射器也可用作接收器。于是每秒的测量数目受路径长度(应该短)、空载时间、和其它因素限制。然而，在本实施例中，发射器和接收器可以被分离开，测量频率的选择不受这些考虑因素限制。
包括发射器10和接收器11的单个配对提供了关于跨过衬底W表面的单条线的高度信息，如图6中的虚线所示。图6阐述了根据本发明的测量系统的俯视图。圆圈表示投影系统PS。所确定的Δz是对沿衬底W相对于投影系统PS之间的线的平均距离的测量，而非点测量。然而，将会了解到，为了将辐射束B以精确的方向投影到衬底W的目标区域C，应该提高分辨率。因此，优选地应已知单个点处的Δz，而不是沿一条线的Δz。期望具有高分辨率，例如为目标区域C提供不止一个Δz。
在图6所示的一个实施例中，可提供多个发射器10和接收器11。图6描述了沿x方向跨过衬底W表面沿多条线进行测量的5个发射器10和接收器11，以及沿y方向跨过衬底W表面沿多条线进行测量的5个发射器10和接收器11。x和y方向如图6所示。尽管没有示出，但将会了解到，所有接收器10和发射器11排列成和处理器20通信，这和前述备选相似。
每个配对提供了沿着位于它们之间的虚线的高度信息，如图6所示。测量的结果为，产生Δz的10个不同值，其中沿x方向有5个值Δz(xi)，沿y方向有5个值Δz(yj)。
在图6的示例中，产生10个不同的Δz值，其包括衬底W表面的交叠区域的高度信息。应处理这些信息以重构局部高度信息。在一个实施例中，衬底W表面的模型包括Fourier分量或Zernike多项式。Zernike多项式被特别地设计成是针对圆盘型表面，例如图6中所描述的投影系统PS下的圆形区域。Zernike一阶项描述了整体表面弯曲，而高阶项提供了更详细的信息。确定了Δz的多个不同值后，可以计算Zernike更高阶以提供关于衬底W表面的更详细信息。
这些数学方法被用于X线断层摄影术，其中使用许多技术从多次扫描(超声扫描、CT扫描)中重构对象。这些技术例如用于医疗成像领域。
还可以提供更多或者更少的发射器10和接收器11的配对。还可以在每个方向只提供单个发射器10和接收器11的配对，并使用该单个配对沿相对于衬底W的不同线执行许多测量以提高分辨率。通过在连续的测量之间相对地移动衬底W和/或发射器10/接收器11，可以实现这一点。
此外，可以使用包括发射器10和接收器11的单个配对，并通过相对地旋转发射器10/接收器11和衬底W，使用该配对沿两个方向进行测量。实际上，可以使用所有类型的组合。
根据本实施例使用的发射器10优选地发射压力波100的“准直”束。如前所述，应使用准直束以防止其部分采取捷径到达接收器。同样地，尤其是在使用多个发射器10和接收器11的图6所示实施例中，射束不应散开而使所发射的射束到达不同于预期接收器11的非预期接收器11。然而，通过使发射器10按时间上连续的点进行发射，而非所有发射器同时发射，可以避免这个问题。这种情况下，可以防止或者最小化不同的发射器10和接收器11配对之间的不需要的干涉。
在备选实施例中，如果控制发射器使其时间上连续地进行发射，则可以发射不是严格准直的压力波，甚至故意使其发散，使压力波到达不止一个接收器11。这可以提供同一时间沿多个线的Δz的额外信息。
前面所描述的测量系统可用于单工作台机器，但也可以有利地用于所谓的“多工作台”机器。对于使用多个工作台机器的情形，可在没有投影系统PS的测量点执行这些测量。这种情况下，可用反射表面替代投影系统PS(取代投影系统PS)。于是可以用反射表面反射所发射的压力波100。为了使用在曝光位置得到的测量数据，应该精确地了解反射表面和衬底平台WT的相对位置。然而，将会了解到，本发明可以用于单工作台机器，特别是用于使用浸渍技术的机器。
实施例2根据本发明的第二实施例，使用压力波300确定高度地图，其中压力波300被导向基本上垂直于衬底W的表面，这样使得压力波300在一个已知的位置被衬底W反射。图7示出了根据本实施例的水平传感器30。因此，不是提供沿一条线的高度信息，而是获得单个点处的高度信息。
在本发明的一个实施例中，水平传感器30可置于衬底W上，并可包括称为转换器的单个装置中所包含的发射器和接收器。水平传感器30可排列成发射压力波300，例如具有频率大于20kHz的超声压力波。水平传感器30可排列成和处理器20通信。该处理器可排列成和存储装置21及时钟22通信。
处理器20排列成控制水平传感器30以在时间t0发射超声压力波300，可由该处理器使用时钟22测量该时间。水平传感器30发射的压力波在衬底W表面的x、y位置被衬底W反射，并被水平传感器30检测。所检测到的压力波被传达至处理器20，该处理器使用时钟22测量反射压力波的到达时间t1。该处理器可以计算压力波300的传播时间ΔtΔt＝t1-t0。由此，处理器可计算衬底W相对于水平传感器30的高度Δz。该高度Δz和关于衬底W上反射位置x、y的信息一起存储于存储装置21内。可从第二定位工具PW和/或位置传感器IF(例如干涉装置、线性编码器、电容性传感器、或其它传感器)(未在图7中示出)确定位置x、y。
可对衬底W上的多个位置进行该测量过程。所有测量得到的数据一起可以形成衬底W的高度数据，该高度数据可用于尽可能精确地定位在曝光时衬底W相对于投影系统PS的位置。如果使用双工作台机器，其中在第一位置执行该测量同时在第二位置执行曝光，在第一位置获得的高度数据可存储成高度地图，以供稍后曝光时用于第二位置。在备选实施例中，也可以测量曝光时衬底W的高度，对信息进行实施处理并使用所确定的高度信息直接控制曝光。水平传感器30可定位在毗邻投影系统PS，使其测量接着被投影系统PS曝光的衬底W的高度。
图8示出了包括超声转换器40的水平传感器30的另一个实施例，该转换器能发射超声压力波300并检测反射的超声压力波300。还在图9中单独示出了转换器40。
图8所描述的超声转换器40可包括硅衬底层41，在该硅衬底层上形成了氮化物侧壁42。氮化物侧壁42支撑隔膜43。在硅衬底层41、氮化物侧壁42、和隔膜43之间形成了真空腔44。这些元件的组合也称为微机电系统传感器(MEMS传感器)。
隔膜43为电容性结构，对其施加适当电压时可发射超声波。这在下述参考中得到进一步解释“Curved Micromachined UltrasonicTransducers”，K.A.Wong、S.Panda、及I.Ladabaum，Sensant Corp.14470 Doolittle Drive，San Leandro，CA，U.S.A.94577(http//www.sensant.com/diagImag_recPubs.htm)。
可在下述参考中找到更多信息X.C.Jin，I.Ladabaum，F.L.Degertekin，S.Calmes，和B.T.Khuri-Yakub，“Fabrication and Characterization of surfaceMicromachined Capacitive Ultrasonic Immersion transducers”，IEEE JMEMS.，vol.8，no.1，pp.100-114，1999年3月；E.Cianci，V.Foglietti，D.Memmi，G.Caliano，A.Caronti和M.Pappalardo，“Fabrication of Capacitive UltrasonicTransducers by a Low Temperature and Fully Surface-Micromachined Process”，Precision Engineering，vol.26，no.4，pp.347-354，2002；以及S.Panda，C.Daft，P.Wagner，I.Ladabaum，“MicrofabricatedUltrasonic Transducer(cMUT)ProbesImaging Advantages OverPZT Probes”，AIUM presentation，2003年5月。
硅衬底层41和隔膜43可用作其间施加直流偏压的电极，该偏压建立一电场，在隔膜内形成张力。也可以对隔膜43和硅衬底层41施加交流电压，利用隔膜43振动，产生超声压力波。当然，所描述的水平传感器40还可用于产生具有较低频率的压力波。
超声转换器40和传统压电传感器相比具有诸多优点，使其适用于光刻测量。在施加100V直流偏压并在该直流偏压上叠加频率为2MHz的10V交流电压时，可得到110dB的动态范围，其中该动态范围定义为最强可测量信号幅值和噪音基底的幅值之间的比值。这一点远优于传统的压电转换器。
可以获得200kHz到5MHz之间的频率，这提供了定时性能方面的优点。可以使用其它频率。根据本实施例的水平传感器30还可降低死区。死区指待测量对象(衬底W)表面和水平传感器30之间的最小需要距离。如果水平传感器30设置成太靠近衬底W表面，则反射波在其仍在发射时可能达到转换器40。发射信号的前沿可能在后沿离开转换器40之前到达转换器40。发生这种情况时，发射信号不会被转换器检测到，这是因为转换器仍然处于发射模式。反射信号甚至会被正在发射的转换器反射并再次被衬底W反射。当水平传感器30置于死区内时，这些现象会导致测量误差。超声转换器40所产生的超声束几乎是沿一个方向的。在多个MEMS传感器相邻放置的应用中，这尤为有利。
根据本发明的备选实施例，可以不通过测量传播时间Δt确定水平传感器30和衬底W之间的距离，而可以使用相移算法进行确定以测量该距离。相移算法的原理类似于干涉仪采用的原理。部分发射波前被分离开，其它部分发射波前被导向衬底W表面。最后部分发射波前会被衬底反射，并被引导成与分离的波前形成干涉图形。执行相移算法测量距离的技术对本领域技术人员而言是已知的。
对于发射2MHz超声信号的情形，使用相移算法可在单次测量中获得0.5μm的测量精度。
图10a和10b描述了本发明第二实施例的又一个备选。图10a示出了沿图10b所描述的Xa线的水平传感器30的侧视图。图10b示出了水平传感器30的仰视图。
这些图中所示的水平传感器30可包括如图8所示的一组超声转换器40。所有转换器40可连接到处理器20。该水平传感器30可置于衬底W表面上以执行如前所述的高度测量。
由于图10a和10b所示的水平传感器30可包括一组超声转换器40，所以各种操作方式是可能的。
根据本发明的第一备选实施例，每个转换器40可用于发射压力波300并在衬底W反射之后检测同一个压力波300。例如通过测量传播时间或通过确定相移，可以计算出反射位置的衬底W高度。可由处理器20控制所有转换器40同时发射，或者为了防止不需要的干涉而在时间上连续地发射。也可以使用其它配置。
根据第二可替换实施例，部分转换器40可用于发射压力波300，而其余转换器40可用于检测压力波300。在本发明的一个实施例中，第一转换器40可用于发射压力波300，而围绕第一转换器40的六个转换器可用于检测反射的压力波300。这种情况下，所发射的射束无需具有严格的单向性。通过比较作为接收器的不同转换器40接收到的不同信号，可以获得关于衬底W精确形貌的附加信息。例如，通过比较在不同转换器的检测信号的强度。将会了解到，可以使用许多其它备选配置。图10a和10b所描述的水平传感器可用于所有这些备选，这是因为可由处理器20容易控制其操作方式，并可使用传统的编程技术容易改变该操作方式。
可以采用相对简单和廉价的方法制作图10a和10b所示的实施例，这是因为可以使用光刻技术在半导体衬底上制作转换器40，从经济规模上受益。要求高性能的大批量应用的这些转换器组的制作相对简单和廉价。
图10a和10b所示实施例进一步包括多组转换器，其中每组可以包括至少一个转换器40。许多组置成相互毗邻，例如两行或四行。这允许一次测量衬底表面的更大部分。水平传感器30可然后使用所有组扫描衬底W的表面。通过相对于衬底移动水平传感器30可完成这一点，使得可以测量衬底W的表面。在单工作台机器中，水平传感器可设置成毗邻透镜，因此可在曝光时执行高度测量且可基于实时测量的信息调整衬底的位置。
根据图11示意性描述的本发明又一个实施例，水平传感器30还包括连接到处理器20的激光源50。激光源50可产生激光脉冲，该激光脉冲被导向待测量的衬底W的位置。由于该激光脉冲，衬底W将发射超声压力波。材料中由于该激光脉冲而发生的快速局部加热可感应该超声压力波。这一原理在如下参考中得到进一步解释“Concept fora Micro Autonomous Ultrasound Instrument(MAUI)”，William C.Wilson，Gary M.Atkinson，NDT.net，Aug.2004，vol.9，No.08(来自“the e-Journal of non destructive Testing”http//www.ndt.net/article/v09n08/wilson2/wilson2.htm)。
图12a和12b示出了本发明的另一个实施例。根据图12a所示的实施例，可由第一转换器40以相对于衬底W表面形成严格定义的角度发射超声压力波。所产生的压力波被衬底W反射，并导向至超声反射镜60。根据图12b所示意性描述的备选实施例，也可以使用第二转换器40代替超声反射镜60。第二转换器可排列成在其被压力波触发时开始发射。因此，第一转换器40所产生的压力波一到达第二转换器40，第二转换器立即发射压力波。
在图12a和12b所示的这两个实施例中，第一转换器40至少被布置成在其接收到超声反射镜60或第二转换器40反射的压力波时发射压力波。在这两种情况下都形成机电振荡器。振荡频率可以是对衬底W高度的度量。这是有利的备选实施例，因为频率是可以容易精确测量的变量。
当然，也可以使用布置成发射基本上垂直于衬底W表面的单个转换器40形成这种机电振荡器。
尽管上面已经描述了本发明的具体实施例，但将会了解到，可以以不同于所描述的方式实现本发明。例如，本发明可包括含有一个或多个描述上述方法的机器可读取指令的计算机程序，或者包括其中存储了这种计算机程序的数据存储介质(例如半导体存储器、磁盘或光盘)。
上面这些描述是阐述性的，而非限制性的。因此，对本领域技术人员来讲显而易见的是，在不背离附属权利要求书限定范围的情况下可对本发明进行修改。
权利要求
1.一种用于光刻设备中确定衬底表面高度的水平传感器，该水平传感器包括发射器，排列成发射信号，该信号被引导至衬底表面上的预定位置，使得该信号至少被衬底部分反射以形成反射信号；接收器，排列成接收至少部分反射信号；以及处理器，基于发射信号和接收信号而确定衬底表面相对于水平传感器的高度。
2.根据权利要求1的水平传感器，其中该信号为压力波。
3.根据权利要求1的水平传感器，其中该信号为超声压力波。
4.根据权利要求1的水平传感器，其中该水平传感器进一步包括时钟，该处理器被布置成和时钟通信以确定发射器发射信号的第一时间t0和接收器接收反射信号的第二时间t1，其中该处理器基于第一时间t0和第二时间t1之差计算高度。
5.根据权利要求1的水平传感器，其中该水平传感器被布置成由部分发射信号和至少部分反射信号产生干涉图形，并基于所产生的干涉图形使用相移确定该高度。
6.根据权利要求1的水平传感器，其中该光刻设备包括投影系统和超声反射镜，其中在使用时，该水平传感器被布置成发射信号，使得在信号被接收器接收之前，该信号被投影系统和超声反射镜之一至少反射一次。
7.根据权利要求1的水平传感器，其中该水平传感器包括多个发射器和多个相应的接收器。
8.根据权利要求7的水平传感器，其中该处理器基于由多个发射器和接收器进行的测量，使用Zernike多项式确定不同的高度。
9.根据权利要求1的水平传感器，其中由第一转换器和第二转换器形成该发射器和接收器，该第一和第二转换器被布置成接收反射信号并在接收到反射信号时发射第二信号，使得形成机电振荡器，其振荡频率取决于衬底高度，该处理器被布置成基于机电振荡器的测量频率而计算衬底表面高度。
10.根据权利要求2的水平传感器，其中该水平传感器进一步包括用于将发射压力波从发射器导向衬底W并从衬底W导向接收器的探针。
11.根据权利要求1的水平传感器，其中该发射器为激光源，该激光源布置成发射被导向衬底的激光脉冲，衬底在接收到该激光脉冲时发射出被接收器接收的压力波。
12.根据权利要求1的水平传感器，其中该水平传感器包括含有发射器和接收器的转换器。
13.根据权利要求1的水平传感器，其中该发射器为微机电系统传感器。
14.根据权利要求11的水平传感器，其中该水平传感器包括多个微机电系统传感器，其中每个微机电系统传感器为接收器和发射器中的至少一种。
15.一种光刻设备，包括布置成调整辐射束的照明系统；构造成支持构图装置的支撑，该构图装置能够给辐射束赋予图形化截面以形成图形化的辐射束；构造成支撑衬底的衬底平台；设置成将图形化辐射束投影到衬底目标区域的投影系统；以及确定衬底表面高度的水平传感器，该水平传感器包括(i)发射器，布置成发射被导向衬底表面预定位置的信号，使得该信号被衬底至少部分反射以形成反射信号；(ii)接收器，布置成接收至少部分反射信号；以及(iii)处理器，基于发射信号和接收信号而确定衬底表面相对于水平传感器的高度。
16.根据权利要求15的光刻设备，其中该信号为压力波。
17.根据权利要求16的光刻设备，其中该信号为超声压力波。
18.一种布置成将来自构图装置的图形投影到衬底上的光刻投影设备，其中该光刻投影设备包括水平传感器，该水平传感器包括发射器，布置成发射被导向衬底表面预定位置的信号，使得该信号被衬底至少部分反射以形成反射信号；接收器，布置成接收至少部分反射信号；以及处理器，基于发射信号和接收信号而确定衬底表面相对于水平传感器的高度。
19.一种使用包括发射器和接收器的水平传感器确定衬底表面高度的方法，该方法包括发射被导向衬底表面预定位置的信号，使得该信号被衬底至少部分反射以形成反射信号；接收至少部分反射信号；以及基于发射信号和接收信号而计算衬底表面相对于水平传感器的高度
20.根据权利要求19的方法，其中发射该信号包括发射压力波。
全文摘要
本发明涉及用于光刻设备中确定衬底表面高度的水平传感器。该水平传感器包括发射器和接收器，其中该发射器布置成发射被导向衬底表面预定位置的信号，使得该信号被衬底至少部分反射以形成反射信号。接收器布置成接收至少部分反射信号，水平传感器布置成基于发射信号和接收信号而确定衬底表面相对于水平传感器的表面高度。该信号包括压力波。
文档编号H01L21/027GK1797213SQ200510134128
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月26日 优先权日2004年12月27日
发明者A·J·A·布鲁恩斯马, F·斯塔尔斯, R·J·凡威杰克, S·尼蒂阿洛夫 申请人:Asml荷兰有限公司