光刻设备的探测装置与探测方法

专利名称：光刻设备的探测装置与探测方法
技术领域：
本发明涉及光刻设备的探测装置，以及运用这种探测装置对光刻设备中掩 模对准图形的空间图像进行探测的方法。
背景技术：
在工业装置中，由于高精度和高产能的需要，分布着大量高速实时测量、 信号采样、数据采集、数据交换和通信传输等的探测装置和控制系统。这些系 统需要我们采用多种方式实现探测、信号釆样控制、数据采集控制、数据交换控制和数据传输通信等的控制。有该探测和控制需求的装置包括集成电路制 造光刻设备、平板显示面板光刻设备、MEMS/MOEMS光刻设备、先进封装光 刻设备、印刷电路板光刻设备、印刷电路板加工装置以及印刷电路板器件贴装 装置等。光刻设备是一种将所需图案应用于工件上的装置。通常是将所需图案应用 于工件上的目标部分上的装置。光刻设备可以用于例如集成电路(IC)的制造。 在这种情况下，掩模板可用于生产在IC一个单独层上形成的电路图案，该图案 可以通过投射系统传递到工件(如硅晶片)的目标部分，例如包括一部分，一 个或者多个管芯上。通常是通过成像到工件上提供的一层辐射^t感材料(抗蚀 剂)上来按比例复制所需图案。已知的光刻设备还包括扫描器，运用辐射光束 沿给定的方向("扫描"方向)扫描所属图案，并同时沿与该方向平行或者反平行 的方向同步扫描工件来辐照每一目标部分。还可以通过将图案压印在工件上而 将图案通过构图部件生成到工件上。利用位于工件高度处的多个探测装置来评估和优化图案性能。这些探测装 置可以包括空间图像探测装置(SIDU: Spatial Image Detecting Unit )、用于曝光 辐射剂量测量的能量探测装置(EDU: Energy Detecting Unit)和测量使用的集 成孩支透4竟干涉才笨观'J装置(IMIDU: Integrating Microbeam Interference DetectingUnit )。SIDU是一种在工件高度处测量空间图像位置的探测装置，该空间图像是 在掩模高度处投射标记图案形成的。位于工件高度处的投射图案可以是线条图 案，其线宽与曝光辐射的波长相当。当SIDU利用投图案来测量这些掩模图案， 该投射图案具有位于其下面的光电单元。可以使用探测装置的数据来测量六个 自由度上掩模相对于基底台的位置(三个平移自由度和三个旋转自由度)。此外， 可以测量所投射的掩模的放大倍率。由于探测装置能够测量图案位置和所有照 射设定3、透镜NA、所有掩冲莫，例如二元掩模(binary mask )、 PSM等的影响， 因此小线宽是经过优化的。还可以使用SIDU来测量工具的光学性能。可以使用 不同照射设定于不同投射图案的结合来测量多种性质，如光瞳形状、球差、慧 差、像散和场曲等。IMIDU是一种可以对达到高阶的透镜像差进行静态测量的干涉波前测量系 统。IMIDU能够通过用于系统初始化和^f交准的集成测量系统来实现。在以前的上述装置中，当光刻对准系统使用的光源是DUV (深紫外)光源， 则该辐射源以波长为248nm、 193nm的准分子激光光源为主，也有的使用157nm 和126nm的准分子激光光源。此外，还有使用EUV (极紫外)脉沖辐射源和X 射线脉冲辐射源的对准系统。如申请号CN200610019816.4、 CN200410100577.6、 CN200410074853.6、 CN200410047698.9的中国专利申请中所述的传感器不能提 供所需的大范围辐射波长转换，且所转换的辐射波谱较宽，其转换的线性度也 不够好；另外，对于被转换辐射是脉冲辐射时，所转换得到的辐射脉冲的宽度 可调整范围较窄，且所转换辐射脉沖的余辉较长，不利于脉沖辐射重复频率的 提高，影响了光刻设备性能与效率的提高。另外，在申请号为CN20070046955.0 的中国专利申请中所述的传感器由于是将调制用的探测图案板与光谱及光电转 换的元件集成在一起，因此，光谱及光电转换的元件在探测转换过程中生成的 热量会引起探测图案板在水平方向和垂直方向产生变形，以及使得它们自身的 性能漂移，从而影响了传感器探测信号的处理形成误差，从而影响整个传感器 的性能。发明内容本发明所解决的技术问题在于提供一种光刻设备的探测装置，以及运用这 种探测装置对光刻设备中掩模对准图形的空间图像的探测方法，以实现大范围 辐射波长和脉沖宽度的转换，提高辐射能量转换的线性度和空间图像的探测精 度，从而提高光刻设备的性能和效率。为解决上述技术问题，本发明提供了一种光刻设备的探测装置，置于光刻 设备中工件台基准板上的工件高度处，该光刻设备具有投影系统，用于将带图 案的辐射光束投射到工件目标部分以形成辐射空间图像，所述探测装置包括沿 光线传播方向和光电转换的次序依次排列的空间图像调制器、能量传输光纤、 光能量探测器和探测信号前置调理处理器，所述能量传输光纤连接空间图像调 制器和光能量探测器，其中空间图像调制器由调制辐射空间图像的探测图案透射板、第一光学元件和第一光学过滤薄膜构成；所述光能量探测器由量子转换 薄膜、第二光学元件、第二光学过滤薄膜、耦合量子转换薄膜释放光辐射的辐 射探测器构成；所述探测图案透射板，其正面分布有数个探测图案，用于调制 辐射空间图像，该辐射空间图像从所述探测图案正面入射，经过调制后从背面 射出；所述第一光学元件是透镜元件或棱镜，所述第二光学元件是微光学透镜， 所述量子转换薄膜沿光线传播方向，设置在微光学透镜之前或者微光学透镜和 光学过滤薄膜之间；所述探测装置还包括波尔元件，其分布在相邻元件间的边 缘部分。所述第一光学元件可选用凸面柱透镜、凸面球透镜、凸面三角棱镜、凹面 柱透镜、凹面球透镜、凹形槽透射板中的一种，且所述第一光学元件装配在探 测图案透射板的背面，或者与探测图案透射板一体成形，充当能量传输光纤的 入射耦合元件。所述探测图案透射板上的图案具有易于被探测的调制特性，包括单峰值特 性或多峰值特性、谷值特性、边缘特性、图案辨识特性、窗口特性中的一个或 多个特性及其组合。所述量子转换薄膜是单层的或多层的，每层量子转换薄膜上分布有量子点 或量子线栅或量子阱，这些量子薄膜层生长在透明基板上或者生长在辐射探测 器的入射探测面上；单层薄膜的厚度范围是20纳米 200微米。所述的量子点、量子线栅或量子阱所使用的转换材料是由元素周期表中III族和v族元素、n族和iv族元素或者n族和vi族元素生成的具有量子转化效应 的化合物包括它们形成的混合物，以及稀土离子掺杂金属氧化物的混合物。 耦合量子转换薄膜释放光辐射的辐射探测器是光敏感元件，可以是光电二极管、CMOS传感器阵列、CCD阵列特征识别器中的一种。采用上述光刻设备探测装置的探测方法，在辐射空间图像与探测装置的空 间位置产生相对位置移动的过程中，工件高度处的探测装置用其探测图案透射 板上的图案调制空间图像，该空间图像通过第一光学元件的调制和处理，并经 过光学过滤薄膜后，通过能量传输光纤传输照射到第二光学元件，再被投射到 量子转换薄膜上，经过量子转换后，形成新的光辐射，照射到辐射探测器上， 形成电信号，通过探测信号前置调理处理器，检测得到上述空间图像的偏振态 的变化，获得能够传输和处理的辐射空间图像的特征信息。本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果1. 本发明通过在光刻设备的探测装置中使用了能量光纤作为光能量传输途 径，消除了对光i普转换和光电转换生成热量和空间图像调制器的调制图形变化 之间的耦合，大幅提高探测装置的性能，从而提高光刻设备的性能；2. 本发明通过在光刻设备的探测装置中使用了量子薄膜转换方式，实现所 需的大范围辐射波长的转换；3. 提供探测装置转换得到的辐射波谱范围较窄，提高了辐射能量转换的线 性度和空间图像的探测精度的捕获能力；4. 采用量子薄膜转换方式，当被转换辐射是脉沖辐射时，所转换得到的辐 射脉冲的宽度可调整范围较宽，且所转换辐射脉冲的余辉较短，有利于脉冲辐 射重复频率的提高，从而提高了光刻设备性能与效率。


通过以下对本发明的具体实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发 明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1为应用本发明探测装置的光刻设备对准系统的结构示意图。 图2为本发明第一实施例的探测装置结构示意图。图3为本发明第三实施例的探测装置结构示意图。
具体实施方式
图1是应用本发明探测装置的光刻设备对准系统的结构示意图，图中4为 掩模，其上具有掩模图形(包括曝光掩模图形和掩模对准图形5), 9为被光刻 工件，掩模图形照射窗口 2及其控制板3用于形成窗口将辐射1透射到掩模对 准图形5上，以形成透射像；投影系统8用于将该透射像投射形成空间像，并 用工件台对准标记11探测该空间像；辐射空间图像探测装置12用于检测空间 像经过工件台对准标记11透射后的辐射信息；掩模台位置探测器7和工件台位 置探测器13分别^:测对准扫描过程中的掩才莫台6和工件台10的空间位置。下面结合附图对本发明的光刻设备的探测装置与探测方法作进一步的详细 描述，需要说明的是，图2、图3所示的探测装置结构中，点阴影区表示的是空 气。实施例1如图2所示，光刻设备中置于工件台基准板上工件高度处的辐射空间图像 探测装置包括沿光线传播方向和光电转换的次序依次排列的空间图像调制器、 能量传输光纤20、光能量探测器和探测信号前置调理处理器27,所述能量传输 光纤20连接空间图像调制器和光能量探测器，其中空间图像调制器由调制辐射 空间图像的探测图案透射板22、第一光学元件23和第一光学过滤薄膜25a构成； 光能量探测器由量子转换薄膜24、第二光学元件25b、第二光学过滤薄膜25c、 耦合量子转换薄膜24释放光辐射的辐射探测器26构成。所述探测图案透射板 22,其正面分布有数个探测图案21,用于调制辐射空间图像，该辐射空间图像 从所述探测图案21正面入射，经过调制后从背面射出；所述第一光学元件23 是透镜元件或棱镜，所述第二光学元件25b是微光学透镜，所述量子转换薄24 沿光线传播方向，设置在第二光学元件25b之前或者第二光学元件25b和第二 光学过滤薄膜25c之间；所述探测装置还包括波尔元件28,其分布在相邻元件 间的边缘部分。探测图案透射板22的正面分布有调制辐射空间图像的探测图案21,该辐射空间图像从探测图案21正面入射，经过调制后从背面射出。所述探测图案透射 板22上的图案21具有易于被探测的调制特性，这些特性包括单峰值特性或 多峰值特性、谷值特性、边缘特性、图案辨识特性、窗口特性等，经过系列探 测信号处理能够得到这些特性中的一个或若干个以及它们的组合。探测图案透射板22后面是第一光学元件23，它由透镜元件或棱镜构成，例 如可采用凸球面透镜、凸柱面透镜、凸面三角棱柱镜中的一种，该元件23可与 探测图案透射板22的背面装配在一起或者连为一体，充当能量传输光纤20的 入射耦合元件。位于第一光学元件23之后的是第一光学过滤薄膜25a,在第一光学过滤薄 膜之后和量子转换薄膜24之前的是能量传输光纤20，量子转换薄膜24可以是 单层的，也可以是多层的，每层量子转换薄膜分布着大量的量子点或量子线栅 或量子阱，这些量子薄膜层生长在透明基板(未图示)上，单层薄膜的厚度在 20纳米~200微米范围内。所述量子点、量子线栅和量子阱所使用的转换材料包括由元素周期表中m族和v族、n族和w族元素、n族和vi族元素构成的 的具有量子转化效应的化合物以及它们形成的混合物，典型的如由元素周期表中III族和V族构成的化合物砷化镓、砷化镓铝、磷化铟、磷化铟铝、氮化镓、 氮化镓铝、磷化镓、磷化镓铝、氮磷化镓、氮磷化镓铟和氮磷化镓铝，还有其 他一些稀土离子摻杂金属氧化物的混合物量子转换材料，如(Ce，Tb)MgAluO^。 在支撑量子转换薄膜24的透明基板后面分布着第二光学元件25b (可采用 微光学元件)，在一定距离之后是第二光学过滤薄膜25c。由第二光学过滤薄膜 25c过滤得到的辐射照射到辐射探测器26上，经连接线29将所形成的电信号输 出到探测信号前置调理处理器27，获得可以传输和处理的辐射空间图像的特征 信息。在本发明的其它实施例中，量子转换薄膜24和第二光学元件25b的位置也 可以互换。实施例2如图l和图2所示，本发明的探测装置探测方法如下在辐射空间图像与 探测装置12的空间位置产生相对位置移动的过程中，工件9高度处的探测装置12用其探测图案透射板22上的图案21调制空间图像，第一光学元件23将调制 过的空间图像投射到第一光学过滤薄膜25a,并通过能量光纤20传输照射到光 能量探测器的量子转换薄膜24上，经过量子转换后，形成新的光辐射，经过第 二光学元件25b的处理，透过第二光学过滤薄膜25c,照射到辐射探测器26上， 形成电信号，经连接线29将形成的电信号输出到探测信号前置调理处理器27, 检测得到上述空间图像的偏振态的变化，获得能够传输和处理的辐射空间图像 的特征信息。实施例3如图3所示，光刻设备中置于工件台基准板上工件高度处的辐射空间图像 探测装置包括沿光线传播方向排列的空间图像调制器、能量传输光纤30、光能 量探测器和探测信号前置调理处理器37，所述能量传输光纤30连接空间图像调 制器和光能量探测器，其中空间图像调制器由调制辐射空间图像的探测图案透 射板32、第一光学元件33和光学过滤薄膜35a构成，光能量探测器由第二光学 元件34、量子转换薄膜35b、耦合量子转换薄膜释放光辐射的辐射探测器36构 成，此外，还包括波尔元件38,其分布在相邻元件间的边缘部分。探测图案透射板32的正面分布有调制辐射空间图像的探测图案31,该辐射 空间图像从探测图案31正面入射，经过调制后从背面射出。所述探测图案透射 板32上的图案31具有易于被:探测的调制特性，这些特性包括单峰值特性或 多峰值特性、谷值特性、边缘特性、图案辨识特性、窗口特性等，经过系列探 测信号处理能够得到这些特性中的一个或若干个以及它们的组合。所述第一光学元件33可以是凸面柱透镜、凸面球透镜、凸面三角棱镜、凹 面柱透镜、凹面J求透镜、凹形槽透射板中的一种。所述凸面柱透镜、凸面球透 镜、凸面三角棱镜、凹面柱透镜、凹面球透镜、凹形槽透射板装配在探测图案 透射板32的背面，或者与探测图案透射板32—体成形，充当能量传输光纤30 的入射耦合元件。位于第一光学元件33之后的是光学过滤薄膜35a，在光学过滤薄膜35a之 后和在第二光学元件34之前的是能量传输光纤30，在第二光学元件34之后的 是量子转换薄膜35b，其生长在辐射探测器36的入射探测面上，该量子转换薄膜35b可以是单层的，也可以是多层的，每层量子转换薄膜分布着大量的量子 点或量子线栅或量子阱，这些量子薄膜层生长在透明基板(未图示)上，单层 薄膜的厚度在20纳米~ 200微米范围内。所述量子点、量子线栅和量子阱所使用的转换材料包括由元素周期表中m族和v族、n族和iv族元素、n族和vi 族元素构成的的具有量子转化效应的化合物以及它们形成的混合物，还有稀土 掺杂金属氧化物的混合物，典型的如由元素周期表中m族和V族构成的化合物 砷化镓、砷化镓铝、磷化铟、磷化铟铝、氮化镓、氮化镓铝、磷化镓、磷化镓 铝、氮磷化镓、氮磷化镓铟和氮磷化镓铝，还有其他一些掺杂金属氧化物的混合物量子转换材料，如(Ce，Tb)MgAluO^。辐射探测器36通过连接线39与探测信号前置调理处理器37相连，构成本 发明的探测器。实施例4如图1和图3所示，本发明的探测装置探测方法如下在辐射空间图像与 探测装置12的空间位置产生相对位置移动的过程中，工件9高度处的探测装置 12用其探测图案透射板32上的图案31调制空间图像，第一光学元件33将调制 过的空间图像经过光学过滤薄膜35a过滤后，将调制过的空间图像的能量信息， 通过能量传输光纤30传递至第二光学元件34，并投射到量子转换薄膜35b上， 经过量子转换后，形成新的光辐射，照射到辐射探测器36上，形成电信号，通 过探测信号前置调理处理器37,检测得到上述空间图像的偏振态的变化，获得 能够传输和处理的辐射空间图像的特征信息。以上介绍的仅仅是基于本发明的优选实施例，并不能以此来限定本发明的 范围。任何对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出 本发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1、一种光刻设备的探测装置，置于光刻设备中工件台基准板上的工件高度处，该光刻设备具有投影系统，用于将带图案的辐射光束投射到工件目标部分以形成辐射空间图像，其特征在于，所述探测装置包括沿光线传播方向和光电转换的次序依次排列的空间图像调制器、能量传输光纤、光能量探测器和探测信号前置调理处理器，所述能量传输光纤连接空间图像调制器和光能量探测器，其中空间图像调制器由调制辐射空间图像的探测图案透射板、第一光学元件和第一光学过滤薄膜构成；所述光能量探测器由量子转换薄膜、第二光学元件、第二光学过滤薄膜、耦合量子转换薄膜释放光辐射的辐射探测器构成；所述探测图案透射板，其正面分布有数个探测图案，用于调制辐射空间图像，该辐射空间图像从所述探测图案正面入射，经过调制后从背面射出；所述第一光学元件是透镜元件或棱镜，所述第二光学元件是微光学透镜，所述量子转换薄膜沿光线传播方向，设置在微光学透镜之前或者微光学透镜和光学过滤薄膜之间；所述探测装置还包括波尔元件，其分布在相邻元件间的边缘部分。
2、 如权利要求1所述的探测装置，其特征在于所述第一光学元件可选用 凸球面透镜、凸柱面透镜、凸面三角棱柱镜中的一种。
3、 如权利要求1所述的探测装置，其特征在于所述第一光学元件装配在 探测图案透射板的背面，或者与探测图案透射板一体成形，充当能量传输光纤 的入射耦合元件。
4、 采用如权利要求1所述的光刻设备探测装置的探测方法，其特征在于 在辐射空间图像与探测装置间产生相对位置移动的过程中，工件高度处的探测 装置用其探测图案透射板上的图案调制空间图像，第一光学元件将调制过的空 间图像投射到第一光学过滤薄膜上，并通过能量传输光纤传输照射到量子转换 薄膜上，经过量子转换后，形成新的光辐射，经过第二光学元件的处理，透过 第二光学过滤薄膜，照射到辐射探测器上，形成电信号，通过探测信号前置调 理处理器，检测得到上述空间图像的偏振态的变化，获得能够传输和处理的辐 射空间图像的特征信息。
5、 一种光刻设备的探测装置，置于光刻设备中工件台基准板上的工件高度处，该光刻设备具有投影系统，用于将带图案的辐射光束投射到工件目标部分 以形成辐射空间图像，其特征在于，所述探测装置包括沿光线传播方向和光电 转换的次序依次排列的空间图像调制器、能量传输光纤、光能量探测器和探测 信号前置调理处理器，所述能量传输光纤连接空间图像调制器和光能量探测器， 其中空间图像调制器由调制辐射空间图像的探测图案透射板、第 一光学元件和光学过滤薄膜构成；光能量探测器由第二光学元件、量子转换薄膜、耦合量子 转换薄膜释放光辐射的辐射探测器构成；所迷探测图案透射板，其正面分布有 数个探测图案，用于调制辐射空间图像，该辐射空间图像从所述探测图案正面 入射，经过调制后从背面射出；所述第一光学元件是透镜元件或棱镜，所述第 二光学元件是微光学透镜；所述量子转换薄膜生长在辐射探测器的入射探测面 上；所述探测装置还包括波尔元件，其分布在相邻元件间的边缘部分。
6、 如权利要求5所述的探测装置，其特征在于所述第一光学元件可选用 凸面柱透4竟、凸面球透镜、凸面三角棱4竟、凹面柱透4竟、凹面3求透4竟、凹形槽 透射板中的一种。
7、 如权利要求5所述的探测装置，其特征在于所迷第一光学元件装配在 探测图案透射板的背面，或者与探测图案透射板一体成形，充当能量传输光纤 的入射耦合元件。
8、 如权利要求1或5所述的探测装置，其特征在于所述探测图案透射板 上的图案具有易于被探测的调制特性，包括单峰值特性或多峰值特性、谷值特 性、边缘特性、图案辨识特性、窗口特性中的一个或多个特性及其组合。
9、 如权利要求1或5所述的探测装置，其特征在于所述量子转换薄膜是 单层的或多层的，每层量子转换薄膜上分布有量子点或量子线栅或量子阱，这 些量子薄膜层生长在透明基板上或者生长在辐射探测器的入射探测面上；单层 薄膜的厚度范围是20纳米~ 200微米。
10、 如权利要求9所述的探测装置，其特征在于所述的量子点、量子线 栅或量子阱所使用的转换材料是由元素周期表中m族和V族元素、II族和IV族元素或者n族和vi族元素生成的具有量子转化效应的化合物包括它们形成的混 合物，以及稀土离子掺杂金属氧化物的混合物。
11、 如权利要求1或5所述的探测装置，其特征在于耦合量子转换薄膜释放光辐射的辐射探测器是光敏感元件，可以是光电二极管、CMOS传感器阵 列、CCD阵列特征识别器中的一种。
12、釆用如权利要求5所述的光刻设备探测装置的探测方法，其特征在于 在辐射空间图像与探测装置的空间位置产生相对位置移动的过程中，工件高度 处的探测装置用其探测图案透射板上的图案调制空间图像，该空间图像通过第 一光学元件的调制和处理，并经过光学过滤薄膜后，通过能量传输光纤传输照 射到第二光学元件，再被投射到量子转换薄膜上，经过量子转换后，形成新的 光辐射，照射到辐射探测器上，形成电信号，通过探测信号前置调理处理器， 检测得到上述空间图像的偏振态的变化，获得能够传输和处理的辐射空间图像 的特征信息。
全文摘要
本发明公开了光刻设备的探测装置与探测方法，所述探测装置位于光刻设备中的工件高度处，其具有空间图像调制器、光能量传输光纤、光能量探测器和探测信号前置调理处理器，其中空间图像调制器由调制辐射空间图像的探测图案板、光学处理元件和光学过滤薄膜构成；空间图像探测器由量子转换薄膜、微光学处理元件、光学过滤薄膜、耦合量子转换薄膜释放光辐射的辐射探测器构成。本发明还提供了采用上述光刻设备探测装置的探测方法。通过本发明的探测装置及方法可实现大范围辐射波长和脉冲宽度的转换，提高辐射能量转换的线性度和空间图像的探测精度，从而提高光刻设备的性能和效率。
文档编号G03F7/20GK101216678SQ20071017357
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者严天宏, 畅 周, 宋海军, 李焕炀, 陈勇辉 申请人:上海微电子装备有限公司