专利名称：多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种用于半导体制造的光刻设备，尤其涉及一种多平台光 刻机硅片水平控制和自动对焦系统。此外，本发明还涉及一种实现多平台 光刻机硅片水平控制和自动对焦的方法。
背景技术：
随着半导体技术的发展和加工制造技术的进步，半导体器件的关键尺寸(CD Critical Demotion)越来越小，加工制造的难度也越来越大。在 现有的半导体制造工艺中，半导体器件主要通过光刻将设计图形转移到各 种生长在硅片表面的薄膜上,然后通过各种刻蚀手段形成图形。在这当中， 光刻技术直接决定着实际制造中半导体器件所能达到的最小关键尺寸。而 在光刻工艺中，对焦深度(DOFD印th of Focus)的大小直接决定了工艺 所能实现的最小关键尺寸大小。而在0.18um以下的光刻工艺中，对焦深 度的大小可以和硅片表面的起伏相比拟甚至更小。因此在实际曝光中，必 须严格保持硅片在曝光光路的焦平面上，否则一旦发生偏移，就会极大地 损失对焦深度并造成图形畸变。因此如何保证探测的精确性将极大地影响 到实际硅片控制系统所能达到的精度。现在一般通过探测出硅片水平面和 曝光光路光轴之间的夹角，然后通过实时反馈系统调整硅片的控制台来调 整硅片的位置，具体的结构如图1所示在曝光前依靠宽频白光光源或可 见激光作为探测光束3掠入射到硅片2表面，然后通过探测器7收集反射
光强度，通过探测硅片平台1不同的位置时反射光的强度变化来判断硅片是否处于水平状态，调整完以后开始正常曝光，曝光光束6通过掩模板5 和透镜6入射到硅片2表面进行曝光。这种技术简单易行，但是存在以下 几个问题1，用于探测硅片水平位置的光源和曝光光源非共轴，制约了 水平控制的精度。2，由于使用的光源波长较长，对焦深度较大，往往容 易受到衬底图案的干扰，无法探测到硅片真正的表面，影响探测精度。尤 其在0. 18um工艺代以下的时候，硅片表面透光层的厚度就可以和对焦深 度的大小相比拟甚至更小，这个问题将变得更加严重。 发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种多平台光刻机硅片水平控制和 自动对焦系统，该系统能提高硅片水平控制系统的探测精度，从而提高工 艺水平和降低工艺成本，还能提高光刻机的生产速度。为此，本发明还提 供一种实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦的方法。为解决上述技术问题，本发明提供一种多平台光刻机硅片水平控制和 自动对焦系统，包括用于放置硅片并步进调节水平、垂直位置的至少一 个曝光平台和至少一个校准平台；位于曝光平台和校准平台之前的主透 镜；位于主透镜之前的用于对探测光束和反射光束进行空间调制的校准 板；位于校准板之前或之后的用于对反射光束进行分光的分束板；用于将 在硅片表面反射所形成的像进行收集放大的投影透镜和焦平面空间像收 集探测器阵列;用于对接收焦平面空间像收集探测器阵列所放大的像进行 处理和位置计算并将其反馈至校准平台和曝光平台的反馈控制系统；探测光束与曝光光束同光路直接通过主透镜照射到硅片表面并通过 收集原光路返回的反射光进行探测，然后由反馈控制系统对硅片位置进行 控制调节。所述的校准板是用来对入射光和反射光进行空间调制的带测试图形 的遮光板或者遮光的光圈、狭缝。所述校准板上的测试图形为单个图形或由多个图形组成的一组图形, 该测试图形和掩膜板上的图形相同，或者是一组套刻的标记，或者是其他 测试图形，可以进行静态的比对和动态的比对。如果校准板上的测试图形为3个以上，通过一次测量就能定出整个平 面的位置；如果校准板上的测试图形小于3个，通过至少三次分离测量， 然后组合起来定出整个平面的位置。所述的校准板为一块或二块。所述的探测光束直接通过主透镜沿主光轴垂直入射。 所述的探测光束是400 700nm的可见光，或汞灯的g线、i线，或248nm、 193nm、 157nm的真空紫外光。本发明还提供一种实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦的方法，包括如下步骤步骤l,进行系统校准，使校准平台与曝光平台同步；步骤2，校准平台步进扫描，探测光束通过校准板上特定的测试图形调制，然后通过主透镜入射到硅片表面，经硅片表面反射后沿原光路通过 校准板返回，再通过分束板被引出后，通过投影透镜成像在焦平面空间像收集探测器阵列上，通过像的对比度变化，计算出硅片位置；步骤3，判断水平位置和对焦是否最佳，如果是最佳，通过反馈控制
系统将校准平台数据传送至曝光平台，硅片传送至曝光平台，然后曝光开 始；如果不是最佳，通过反馈控制系统将测量结果反馈给硅片平台，调整硅片位置，再返回到步骤2。步骤2中可以使用一块或二块校准板对接收到的光束进行空间调制。步骤2中通过对校准板进行动态图形的比对来确定硅片和主光轴的 准直性，分束板以固定基准频率w振动，探测到的反射光的强度会以2w 振动，通过比对收集到的曲线，处理后对硅片位置进行判定。和现有技术相比，本发明具有以下有益效果本发明通过提高硅片水 平控制系统的探测精度并对硅片平台进行反馈控制，可以大大提高硅片平 台的控制精度，降低了 0. 18um及以下光刻技术中水平控制精度不足引起 的工艺对焦深度的降低，而这正是制约目前O. 18um及以下工艺量产的一 个大问题。此外，本发明能实现自动对焦，从而提高硅片水平控制系统的 精度加大光刻工艺窗口，大大降低光刻技术对光刻设备的要求，降低设备 成本，提高制造工艺。同时由于引入了多平台系统，可以在曝光的同时进 行校准，大大提高了生产速度。
图1是现有的硅片载物台控制系统的示意图；图2是本发明多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系统实施例之 一的示意图；图3是本发明多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系统实施例之 二的示意图；图4是本发明实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。 本发明采用光学共焦探测方法进行探测，然后通过反馈控制系统，利 用探测的结果对硅片位置进行反馈控制。所述的光学共焦探测方法是利用 校准板对探测光束进行空间调制以后入射到硅片表面，其在硅片表面的反 射光束将通过原光路返回，同样经过校准板调制以后成像，然后对所成的 像进行探测。利用光学中常用的共焦探测方法，利用光路可逆原理，当硅 片正好位于成像光路的焦平面上时，入射光与反射光同光路，曝光光束在 硅片表面反射以后的反射光原路返回。基于这个原理，通过探测反射光和 入射光的方向、强度等区别就可以精确计算出硅片的实际位置。实际曝光 时，先用这种技术探测像的质量然后反馈调整控制台进行自动对焦达到最 佳状态，然后再对硅片进行曝光。
本发明系统中用来探测和成像的光都是利用曝光本身所使用的超短脉冲激光，其波长可以是汞灯的g线，i线，或248nm， 193nm， 157nm等 其他可以用来进行曝光的波长。这种控制系统由于探测光波长可以和曝光 激光波长相同或更小， 一般是157， 193或者248nm，大大小于目前使用 的白光光源和可见激光光源，其对焦深度很小，可以精确探测出硅片的表 面，保证了水平控制的精度。另一个好处是由于在曝光前，可以利用此 技术进行自动对焦，大大增加了工艺窗口，可以对现有的光刻设备适用的 工艺代进行延伸，大大降低半导体制造中光刻工艺对设备的依赖程度，大 幅度降低0. 13um以下半导体工艺的研发和生产成本。
根据使用的校准板的数量不同，可以有不同的具体实施方式
，如图2， 图3所示。如图2所示，只使用一块校准板。此时包含三个过程系统校准，硅 片测量调整和切换平台。具体流程如图4所示步骤l，进行系统校准，使校准平台与曝光平台同步； 步骤2,校准平台步进，通过像的对比度变化，计算出硅片位置； 步骤3，判断水平位置和对焦是否最佳，如果是最佳，校准平台数据 传送曝光平台，硅片传送至曝光平台，然后曝光开始；如果不是最佳，将 测量结果反馈给硅片平台，调整硅片位置，再返回到步骤2。首先，要进行系统校准，其目的有两个，第一是将掩膜板和校准板进 行基准校准，这是为了保证探测的准确性。第二是将校准平台和曝光平台 的坐标系进行校准，保证在硅片切换平台后，在校准平台上取得的位置数 据可以反馈给曝光平台使用，保证切换平台以后硅片位置的准确性。如图2所示，校准完成后，探测光束16通过校准板上特定的测试图 形调制，然后通过主透镜13入射到硅片12表面，然后经硅片12表面反 射后沿原光路通过校准板14上的测试图形返回，通过分束板15被引出后， 通过投影透镜17成像在焦平面空间像收集探测器阵列18上。当探测光束 16与硅片12表面垂直且对焦良好的情况下，反射光绝大部分可以通过原 光路返回穿过校准板14，此时反射光所成的像对比度最好而且强度最强; 如果硅片12位置没有调整好，则所成的像强度和对比度都会变差甚至消 失。因此当硅片校准平台11在X， Y， Z方向步进扫描时，通过分析像的 强度和对比度可以将硅片12的位置调整到最佳。
如图3所示，使用二块校准板，分束板放置在校准板14A的前方。因 为共焦探测中穿过校准板的透射光和原路返回进入探测光路中的反射光 与背景光强相比要弱很多，为了提高测量精度，可以在探测光路中增加一 块校准板对接收到的光进行空间调制来降低背景光的通过，提高信躁比。 校准板可以是一块实际的带图形的遮光板，也可以是一个遮光的光圈，狭 缝等结构。其主要作用是对反射光进行调制，用来限制光的收集，使得只 有那些沿原光路返回的光才能最终被收集探测。除了硅片12测量调整与 图2所示的方法不同以外，其他调整步骤和方法与图2所示的方法相同。校准完成后，探测光束16通过校准板14A上特定的测试图形调制， 然后通过主透镜13入射到硅片12表面，经硅片12表面反射后沿原光路 通过校准板14A上的测试图形返回，通过分束片15被引出后，此时校准 板14B对反射光进行空间调制，使得只有通过原光路返回的反射光才能进 入后续的光路，而绝大部分背景光将被滤掉。然后反射光通过投影透镜 17成像在焦平面空间像收集探测器阵列18上。当探测光束16与硅片12 表面垂直且对焦良好的情况下，反射光绝大部分可以通过原光路返回穿过 校准板14A和校准板14B,此时反射光所成的像对比度最好而且强度最强； 如果硅片12位置没有调整好，则所成的像强度和对比度都会变差甚至消 失。因此当硅片校准平台11步进扫描时，通过分析像的强度和对比度可 以将硅片12的位置调整到最佳。因为共焦探测中穿过校准板的透射光和原路返回进入探测光路中的 反射光与背景光强相比要弱很多，为了提高测量精度，不光可以通过直接 比对固定静态图形来确定硅片和主光轴的准直性，还可以进行动态的图形 的比对。分光片可以以固定基准频率W振动，然后根据反射定律探测反射 光的强度应该以2W振动，通过比对收集到的曲线，进行处理可以进行硅 片位置的判定。
权利要求
1、一种多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系统，其特征在于，包括用于放置硅片并步进调节水平、垂直位置的至少一个曝光平台和至少一个校准平台；位于曝光平台和校准平台之前的主透镜；位于主透镜之前的用于对探测光束和反射光束进行空间调制的校准板；位于校准板之前或之后的用于对反射光束进行分光的分束板；用于将在硅片表面反射所形成的像进行收集放大的投影透镜和焦平面空间像收集探测器阵列；用于对接收焦平面空间像收集探测器阵列所放大的像进行处理和位置计算并将其反馈至校准平台和曝光平台的反馈控制系统；探测光束与曝光光束同光路直接通过主透镜照射到硅片表面并通过收集原光路返回的反射光进行探测，然后由反馈控制系统对硅片位置进行控制调节。
2、 根据权利要求1所述的多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系 统，其特征在于，所述的校准板是用来对入射光和反射光进行空间调制的 带测试图形的遮光板或者遮光的光圈、狭缝。
3、 根据权利要求2所述的多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系 统，其特征在于，所述校准板上的测试图形为单个图形或由多个图形组成 的一组图形，该测试图形和掩膜板上的图形相同，或者是一组套刻的标记， 或者是其他测试图形，可以进行静态的比对和动态的比对。
4、 根据权利要求3所述的多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系 统，其特征在于，如果所述校准板上的测试图形为3个以上，通过一次测 量就能定出整个平面的位置；如果所述校准板上的测试图形小于3个，通过至少三次分离测量，然后组合起来定出整个平面的位置。
5、 根据权利要求1所述的多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系 统，其特征在于，所迷的桉准板为一块或二块。
6、 根据权利要求1所述的多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系 统，其特征在于，所述的探测光束直接通过主透镜沿主光轴垂直入射。
7、 根据权利要求6所述的多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系 统，其特征在于，所述的探测光束是400 700nm的可见光，或汞灯的g 线、i线，或248nm、 193nm、 157nm的真空紫外光。
8、 一种实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦的方法，其特征 在于，包括如下步骤步骤l，进行系统校准，使校准平台与曝光平台同步； 步骤2，校准平台步进扫描，探测光束通过校准板上特定的测试图形 调制，然后通过主透镜入射到硅片表面，经硅片表面反射后沿原光路通过 校准板返回，再通过分束板被引出后，通过投影透镜成像在焦平面空间像 收集探测器阵列上，通过像的对比度变化，计算出硅片位置；步骤3，判断水平位置和对焦是否最佳，如果是最佳，通过反馈控制 系统将校准平台数据传送至曝光平台，硅片传送至曝光平台，然后曝光开 始；如果不是最佳，通过反馈控制系统将测量结果反馈给硅片平台，调整 硅片位置，再返回到步骤2。
9、 根据权利要求8所述的实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对 焦的方法，其特征在于，步骤2中可以使用一块或二块校准板对接收到的 光束进行空间调制。 10、根据权利要求8所述的实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对 焦的方法，其特征在于，步骤2中通过对校准板进行动态图形的比对来确 定硅片和主光轴的准直性，分束板以固定基准频率w振动，探测到的反射 光的强度会以2w振动，通过比对收集到的曲线，处理后对硅片位置进行判定。
全文摘要
本发明公开了一种多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系统。该系统包括至少一个曝光平台、至少一个校准平台、主透镜、校准板、分束板、投影透镜、焦平面空间像收集探测器阵列和反馈控制系统。探测光束与曝光光束同光路直接通过主透镜照射到硅片表面并通过收集原光路返回的反射光进行探测，然后由反馈控制系统对硅片位置进行调节。本发明还公开了利用上述多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦系统实现多平台光刻机硅片水平控制和自动对焦的方法。本发明能提高硅片水平控制系统的探测精度，从而提高光刻机对硅片水平位置的控制精度，可以提高工艺水平和降低工艺成本，还能提高光刻机的生产速度。
文档编号G03F9/00GK101126908SQ20061003011
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月16日 优先权日2006年8月16日
发明者强 伍, 雷 王 申请人:上海华虹Nec电子有限公司