一种用于光刻设备的对准系统及对准方法

专利名称：一种用于光刻设备的对准系统及对准方法
技术领域：
本发明涉及光刻设备的对准系统及对准方法，特别是涉及光刻设备光栅衍 射型标记^t准方法。背景技木现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶片上，例如半导体晶片或LCD板。光刻装置大体上分为两类， 一类是 步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在晶片的一个曝光区域，随后晶片相对 于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩 图案曝光在晶片的另 一曝光区域，重复这一过程直到晶片上所有曝光区域都 拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻装置，在上述过程中，掩模图案不 是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中， 掩模与晶片同时相对于投影系统和投影光束移动。光刻装置中关键的步骤是将掩模与晶片对准。第一层掩模图案在晶片上曝 光后从装置中移开，在晶片进行相关的工艺处理后，进行第二层掩模图案的曝 光，但为确保第二层掩模图案和随后掩模图案的像相对于晶片上已曝光掩模图 案像的精确定位，需要将掩模和晶片进行精确对准。由光刻技术制造的IC器件 需要多次曝光在晶片中形成多层电路，为此，光刻装置中要求配置对准系统， 实现掩模和晶片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对套刻精度的要求以及 由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。光刻装置的对准系统，其主要功能是在套刻曝光前实现掩模-晶片对准， 即测出晶片在机器坐标系中的坐标(XW， YW， OWZ)，及掩模在机器坐标系 中的坐标(XR， YR, ORZ)，并计算得到掩模相对于晶片的位置，以满足套刻 精度的要求。现有技术有两种对准方案 一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明在晶片上设置的周期性相位光栅结构的对准标记，由光刻装置的投影物 镜所收集的晶片对准标记的衍射光或散射光照射在掩^=莫对准标记上，该对准标 记可以为振幅或相位光栅。在掩模标记后设置探测器，当在投影物镜下扫描晶 片时，探测透过掩模标记的光强，探测器输出的最大值表示正确的对准位置。 该对准位置为用于监测晶片台位置移动的激光干涉仪的位置测量提供了零基准。另一种是OA离轴对准技术，通过离轴对准系统测量位于晶片上的多个对 准标记以及晶片台上基准板的基准标记，实现晶片对准和晶片台对准；晶片台 上基准板的基准标记与掩模对准标记对准，实现掩模对准；由此可以得到掩模 和晶片的位置关系，实现4^才莫和晶片对准。目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指均匀照 明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记 结构的全部信息。高级衍射光以大角度从相位对准光^t上散开，通过空间滤波 器滤掉零级光后，采集衍射光土l级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采 集多级衍射光(包括高级)在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确 定对准中心位置。一种现有技术的情况(参见中国发明专利，申请号CN03164859.2，发明 名称用于光刻系统的对准系统和方法)，荷兰ASML公司所釆用的一种4f系 统结构的离轴对准系统，该对准系统在光源部分采用红光、绿光双光源照射； 并采用楔块列阵或楔板组来实现多级衍射光的重叠和相干；红光和绿光的对准 信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记^Jt过参考标记的透射 光强，得到正弦输出的对准信号。采用楔块列阵或楔板组合来实现多级衍射光 的重叠、相干。对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高； 而楔板组的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实现起来工程难度较大， 代价昂贵。另一种现有技术的情况(参见(2)中国发明专利，公开号200710044152.1， 发明名称 一种用于光刻设备的对准系统)，该对准系统采用具有粗细结合的三 周期相位光4册，只利用这三个周期的±1级衍射光相干傳_作为对准信号，可以实 现大的捕获范围的同时获得高的对准精度，只使用各周期的土l级衍射光，可以 获取较强的信号强度，提高系统信噪比，不需要借助楔板等调节装置来分开多路高级次衍射分量，简化光路设计和调试难度，但对准系统中对准标记在硅片 和基准板上一字排开分布，都为单方向的对准标记，对应的参考标记分为八个分支，参见图6a，这样会带来很多不足对准标记和对应参考标记占用空间比 较大，这使得光源能量利用率低，并且光刻工艺和硅片变形等因素对对准精度 的影响比较大；对准标记衍射光束的相干像与参考标记进行扫描时，得到的对 准扫描信号强度出现明显的拐点(参见图6b)，这种对准扫描信号不利于后期 AGC增益等相关的信号处理；由于参考标记中间分支在一个方向扫描时参考标 记(参见图6a) G3-a和G3-b两个分支(或G6-a和G6-b)共同扫描一个标记光 栅衍射光束的相干像，这两个分支中间空白部分没有光能进入参考标记后的探 测光纤和光电探测器，使得对准扫描信号的强度和信噪比很低，并且会造成两 个参考标记分支G3-a和G3-b (或G6-a和G6-b)相对于对准标记衍射光束的相 干像出现相位不匹配问题，不利于对准标记位置对准和信号处理；同一个方向 的两个小周期参考标记在对准信号能量足够的情况下要求尽量做小，但同时带 来参考标记后面探测光纤直径变小和空间与参考标记耦合困难。发明内容本发明的目的在于提供一种用于光刻设备的对准系统及对准方法，以实现 提高对准信号信噪比和强度，提高对准精度的目的。为了达到上述的目的，本发明提供一种用于光刻设备的对准系统，包括对 准辐射源模块、照明模块、对准光学模块、和信号探测模块。该对准辐射源模 块提供用于对准系统的辐射源；该照明模块传输对准该辐射源模块的照明光束， 准直照明硅片或基准板上的三周期对准标记；该对准光学模块采集对准标记相 应的衍射级次光束并相干成像在参考标记位置；该信号探测模块探测和处理经 过参考标记调制的对准光强信号，得到对准标记中心位置信息。该信号探测模块包括振幅型参考标记、光电探测器和信号处理部分。该信 号探测模块通过对对准标记衍射光束的相干成像与相应振幅型参考标记的扫 描，探测和处理经过参考标记调制的对准光强信号，对准光强信号由紧密连接 振幅型参考标记和光电探测器的传输光纤进行传输，利用经过参考标记调制的 光强信号的相位信息得到对准标记中心位置信息。该振幅型参考标记可以是沿X方向依次排列X向第一光栅、x向第三光栅、 X向第二光栅；沿与该X方向垂直的Y方向依次排列Y向第一光栅、Y向第三 光栅、Y向第二光栅，其中该X向第三光栅与该Y向第三光栅为同一光栅，即 共用参考光栅，可以实现两个方向位置扫描，物理上两个方向公用；该振幅型 参考标记还可以是不同方向上存在共用参考光栅的其他排列方式；该参考标记 的光栅沿垂直于对准方向的方向排列。该X向第一光栅、X向第三光栅、X向第二光对册、Y向第一光栅、Y向第 三光栅、Y向第二光栅在该对准标记中有相应的光栅通过光路分别相对应。该参考标记光栅分别与所对应的对准标记光栅千涉像进行扫描得到X方向 第一光信号、X方向第二光信号、X方向第三光信号、Y方向第一光信号、Y方 向第二光信号、Y方向第三光信号。该参考标记光栅沿周期方向的长度可以等于对应的± 1级光栅像的长度，该 参考标记光栅沿周期方向的长度可以大于对应的± 1级光栅像的长度，该参考标 记光栅沿周期方向的长度还可以小于对应的± 1级光栅像的长度。该共用参考光栅可以由不同方向的条形幅型光栅和与条形振幅光栅周期相 同的菱形阵列光栅组成；可以由不同方向的条形振幅光栅和与条形振幅光栅周 期相同的方形阵列光4册组成；可以由不同方向的条形振幅光4册和与条形振幅光 栅相同周期的其他形状阵列光栅组成；可以全部为菱形阵列光栅或者其他形状 阵列光栅组成。该共用参考光栅的条形振幅光栅、菱形阵列光栅、方形阵列光栅、其他形 状阵列光栅的周期数目可以根据信号增益调整或对准信号强度需要增加或减 少。该菱形阵列光栅中菱形的大小可以根据信号增益调整或对准信号强度需要 增大或减小。该参考标记的分支结构相对位置可以根据需要互换或移动。 该对准辐射源模块可以是通过光电调制的激光器，可以包括激光单元。该激光单元包含相位调制器和强度调制器单元。该激光器可以是气体激光器、固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。该照明光束至少包含两个分立波长的激光照明光束。该至少包含两个分立波长的激光照明光束可以采用四个分立波长，并且其中至少有两个波长在近红 外或红外波段。该对准光学^t块包括对准光学系统和分光装置。该分光装置利用光的偏振 性质分开两种不同波长的对准光束。本发明还提供一种使用该系统的用于光刻设备的对准方法，包括以下步骤 经照明^:莫块传输对准辐射源照射到对准标记上发生;^射，利用对准标记衍射光 束(± 1级或高级次)经过对准光学模块相干成像，并利用信号探测模块相应的 振幅型参考标记对对准标记相干像进行信号强度扫描得到对准光强信号，其中 参考标记沿X方向排列的X向第一光栅、X向第二光栅和X向第三光栅与X方 向对准标记相应光栅相干像扫描得到X方向对准光强信号，参考标记沿Y方向 排列的Y向第一光4册、Y向第二光^f册和Y向第三光^^与Y方向对准标记相应光 栅相干像扫描得到Y方向对准光强信号；得到的对准光强信号经过精密连接在 振幅型参考标记后面的传输光纤将对准扫描信号传输到与传输光纤连接的光电 探测器进行探测；利用光电探测器探测得到对准扫描信号的相位信息进行位置 探测和对准，利用对两个较大周期的光栅探测得到的扫描信号位相信息获得一 个捕获范围，利用对较小周期光栅探测得到的扫描信号位相信息在该捕获范围 内进行对准。该振幅型参考标记可以是沿X方向依次排列X向第一光栅、X向第三光栅、 X向第二光栅；沿与该X方向垂直的Y方向依次排列Y向第一光栅、Y向第三 光栅、Y向第二光栅，其中该X向第三光栅与该Y向第三光栅为同一光栅，即 共用参考光栅，可以实现两个方向位置扫描，物理上两个方向公用；该振幅型的光栅沿垂直于对准方向的方向排列。该X向第一光栅、X向第三光栅、X向第二光栅、Y向第一光栅、Y向第 三光栅、Y向第二光栅在该对准标记中有相应的光栅通过光路分别相对应。该参考标记光栅分别与所对应的对准标记光栅干涉像进行扫描得到X方向 第一光信号、X方向第二光信号、X方向第三光信号、Y方向第一光信号、Y方 向第二光信号、Y方向第三光信号。该参考标记光栅沿周期方向的长度可以等于对应的± 1级光栅像的长度，该参考标记光栅沿周期方向的长度可以大于对应的± 1级光栅像的长度，该参考标 记光栅沿周期方向的长度还可以小于对应的± 1级光4册^象的长度。同的菱形阵列光栅组成；可以由不同方向的条形振幅光栅和与条形振幅光栅周 期相同的方形阵列光栅组成；可以由不同方向的条形振幅光栅和与条形振幅光 栅相同周期的其他形状阵列光^f册组成；可以全部为菱形阵列光^i^或者其他形状 阵列光栅组成。该共用参考光栅的条形振幅光栅、菱形阵列光栅、方形阵列光栅、其他开!7状阵列光栅的周期数目可以根据信号增益调整或对准信号强度需要增加或减 少。该菱形阵列光栅中菱形的大小可以根据信号增益调整或对准信号强度需要 增大或减小。该参考标记的分支结构相对位置可以根据需要互换或移动。本发明的用于光刻设备的对准系统及对准方法采用了参考标记中间分支为 条形光栅和与条形光栅周期相同的菱形或其他形状的阵列组合，形成新形式的 参考标记，可以实现两个方向的对准信号扫描，使对准信号信噪比和强度与现 有技术中相比得到提高，能量利用率得到提高，得到的对准扫描信号没有出现明显的拐点，有利于后期信号探测和AGC增益等部分的处理，在一定程度上有 效的解决了现有技术中出现的问题，提高了对准精度。


图1是本发明光刻设备所用的对准系统与光刻设备之间的总体布局、工作 原理结构示意图；图2a和图2b是现有技术中所用对准标记结构示意图；图3是本发明实施方案对准系统原理结构示意图；图4是本发明实施方案对准系统空间滤波器结构示意图；图5是本发明实施方案对准过程中，经过增益处理后的对准信号示意图；图6a和图6b是现有技术中所用参考标记结构示意图和对准信号强度图；图7a和图7b是本发明第一实施方案参考标记结构示意图和对准信号强度图；图8是本发明第二实施方案参考标记结构示意图；图9a和图9b是条形参考标记结构和对准信号强度图。附图中1、照明系统；2、掩模版；3、掩模台；4、投影光学系统；5、离 轴对准系统；6、硅片；7、硅片台；8、基准板；9、驱动系统；10、反射镜； 11、激光干涉仪；12、主控制系统；13、伺服系统；14、驱动系统；15、激光 干涉仪；16、反射镜；200X、 X方向对准标记；201、 X方向第一光栅；202、 X 方向第二光栅；203、 X方向第三光栅；200Y、 Y方向对准标记；204、 Y方向 第一光栅；205、 Y方向第二光栅；206、 Y方向第三光栅；301、对准光束； 302、光束合束器；303、保偏光纤；304、起偏器；305、透镜；306、照明孔径 光阑；307、透镜；308、反射棱镜；309、平板；310、 X/4波片；311、物镜； 312、对准标记；313、反射面；314、分束器；315、 CCD透镜；316、 CCD传 输光纤；317、 CCD; 318、分光棱镜；319、 X2空间滤波器；320、入2透镜系统； 321、 参考标记；322、 传输光纤；323、 光电探测器；324、 XI空间滤 波器；325、 XI透镜系统；326、 XI参考标记；327、人l传输光纤；328、 XI光 电探测器；600、 A参考标记；Gl、 AX第一光栅；G3、 AX第二光栅；G3-a、 AX第三光栅a; G3-b、 AX第三光栅b; G4、 AY第一光栅；G5、 AY第二光栅； G6-a、 AY第三光栅a; G6-b、 AY第三光栅b; Fl、 Gl传输光纤；F2、 G2传输 光纤；F3-a、 G3-a传输光纤；F3-b、 G3-b传输光纤；F4、 G4传输光纤；F5、 G5传输光纤；F6-a、 G6-a传输光纤；F6-b、 G6-b传输光纤；700、 B参考标记； 701、 BX第一光栅；703、 BX第二光栅；702、 B第三光栅；704、 BY第一光栅； 705BY第二光栅；706、 BX传输光纤a; 707、 BX传输光纤b; 708、 B传输光 纤；709、 BY传输光纤a; 710、 BY传输光纤b; 800、 C参考标记；801、 CX 第一光栅；803、 CX第二光栅；802、 C第三光栅；804、 CY第一光栅；805、 CY第二光栅；806、 CX传输光纤a; 807、 CX传输光纤b; 808、 C传输光纤； 809、 CY传输光纤a; 810、 CY传输光纤b。
具体实施方式
下面结合附图与实施例进一步说明本发明。图1示出了本发明所用光刻设备的对准系统与光刻设备之间的总体布局、工作原理结构示意图。光刻设备的构成包括用于提供曝光光束的照明系统1; 用于支承掩模版2的掩4莫支架和掩模台3,掩模版2上有掩沖莫图案和具有周期性 结构的对准标记RM;用于将掩模版2上的掩模图案投影到硅片6的投影光学系 统4;用于支承硅片6的硅片支架和硅片台7,硅片台7上有刻有基准标记FM 的基准板8，硅片6上有周期性光学结构的对准标记；用于掩模和硅片对准的离 轴对准系统5;用于掩模台3和硅片台7位置测量的反射镜10、 16和激光干涉 仪11、 15，以及由主控制系统12控制的掩模台3和硅片台7位移的伺服系统 13和驱动系统9、 14。其中，照明系统1包括一个光源、 一个使照明均匀化的透镜系统、 一个反 射镜、 一个聚光镜(图中均未示出)。作为一个光源单元，采用KrF准分子激光 器(波长248nm )、 ArF准分子激光器(波长193nm )、 F2激光器(波长157nm )、 Kr2激光器(波长146nm )、 Ar2激光器(波长126nm )、或者使用超高压汞灯(g-线、i-线)等。照明系统1均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2 上包含有掩模图案和周期性结构的标记RM，用于掩模对准。掩模台3可以经驱 动系统14在垂直于照明系统光轴(与投影物镜的光轴AX重合)的X-Y平面内 移动，并且在预定的扫描方向(平行于X轴方向)以特定的扫描速度移动。掩 模台3在移动平面内的位置通过位于掩模台3上的反射镜16由多普勒双频激光 干涉仪15精密测得。掩模台3的位置信息由激光干涉仪15经伺服系统13发送 到主控制系统12，主控制系统12根据掩模台3的位置信息通过驱动系统14驱 动掩模台3。投影光学系统4 (投影物镜)位于图1所示的掩模台3下方，其光轴AX 平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折 射式或折反射式光学系统作为投影光学系统，所以当照明系统1发射的曝光光 束照射掩模版2上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学系统在涂覆有光 刻胶的硅片6上成缩小的图像。硅片台7位于投影光学系统4的下方，硅片台7上设置有一个硅片支架(图 中未示出)，硅片6固定在支架上。硅片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向 (X方向)和垂直于扫描方向(Y方向)上运动，使得可以将硅片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。硅片台7在X-Y平面内的位置通 过一个位于硅片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，硅片 台7的位置信息经伺服系统13发送到主控制系统12，主控制系统12根据位置 信息(或速度信息)通过驱动系统9控制硅片台7的运动。硅片6上设有周期性结构的对准标记，硅片台7上有包含基准标记FM的 基准板8，对准系统5分别通过硅片对准标记和基准标记FM实现硅片6对准和 硅片台7对准。另外， 一个同轴对准单元(图中未示出)将硅片台上基准板8 的基准标记FM与掩才莫对准标记RM对准，实现掩4莫对准。对准系统5的对准 信息结合同轴对准单元的对准信息一起传输到主控制系统12,经数据处理后， 驱动系统9驱动硅片台7移动实现掩模和硅片6的对准。图2为现有技术中所用对准标记的结构示意图。对准标记是划线槽(Scribe Lane)对准标记，占空比为1:1的相位光栅结构，其中图2a是用于X方向对准 的对准标记200X。 X方向对准标记200X包含三组不同周期的光栅X方向第 一光栅201、 X方向第二光栅202和X方向第三光栅203,其中X方向第一光栅 201的光栅周期为Pl， X方向第二光栅202的光栅周期为P2, X方向第三光栅 203的光栅周期为P3。 X方向对准标记200X的三组光栅沿垂直于对准方向的方 向排列。另外，三组光栅间的位置可以任意调换，即三组光栅中任何一组光栅 的位置可以与其他光栅位置互换。对用于同一方向对准的两组大周期光栅X 方向第一光栅201和X方向第二光栅202,选择不同的光^t周期可以提高对准 标记的捕获范围，捕获范围表示为PlxP2/[2(Pl-P2)]。光栅周期P1、 P2相差不 大， 一般取P2-(1 ±r%)Pl,其中r取值在5到15之间。例如，X方向第一光栅 201周期为13um， X方向第二光栅202周期为12um,则捕获范围为78um。 X 方向第三光栅203的周期P3〈P1，且P3〈P2，用于精对准。例如，X方向第三光 栅203的周期可以为2|im。三组光栅之间的周期取值要相互匹配，即要求在滤 波面上的滤波孔只能够让各自光栅的± 1级衍射光透过，其他级次衍射光由于在 滤波孔外而被挡住。同样，如图2b所示，用于Y方向对准的对准标记200Y包括Y方向第一光 栅204、 Y方向第二光栅205和Y方向第三光栅206,三组光栅周期分别与X 方向对准标记200X的三组光4册周期相同。图3为本发明实施方案对准系统原理结构示意图，该对准系统主要由光源 模块、照明模块、成#^莫块、探测模块、信号处理和定位模块(图中没有示出) 等组成。光源模块主要包括提供两个波长的光源、快门、光隔离器和RF调制器 (图中没有示出)。照明模块包括传输光纤和照明光学系统。成像模块主要包括 大数值孔径的物镜311、分束器314、双向分束器318、 X2空间滤波器319、 透镜系统320和XI空间滤波器324、 XI透镜系统325。探测模块包括CCD传输 光纤316、 CCD相机317、 X2参考标记321、 传输光纤322、 光电探测器 323、 XI参考标记326、 X2传输光纤327和W光电探测器328。信号处理和定 位模块主要包括光电信号转换和放大、模数转换和数字信号处理电路等。对准系统原理为光源模块输出的对准光束301 (包含两种可选波长，也可 同时应用)进入光束合束器302，经由单膜保偏光纤303传输到起偏器304、透 镜305、照明孔径光阑306和透镜307,然后经平板309上的反射棱镜308垂直 入射到消色差的A/4波片310进入大数值孔径的物镜311 (4F透镜的前组)，光 束经大数值孔径的物镜311会聚照射到硅片对准标记312上并发生衍射，对准一小部分衍射光经过镀膜反射面313反射到CCD光路经过CCD透镜315、CCD 传输光纤316,成像于CCD 317上用于观测标记成像情况，另一部分衍射光沿 光路透射过去由分光棱镜318两种波长光束分开，分别进入不同的光路，经过 相应的？i2空间滤波器319、人l空间滤波器324，选择需要的衍射光级次(本发 明需要的分别是各光栅的± 1级衍射光，并通过透镜系统320、 XI透镜系统 325， ( 4F透镜的后组)将相应衍射级次光干涉像成在参考标记321 、人l参考 标记326上，工件台扫描过程中，对准标记衍射级次干涉像扫描12参考标记321 、 Xl参考标记326,经X2传输光纤322、 XI传输光纤327探测参考标记透过的光 信号，由光信号的位相信息得到对准标记的中心位置，经过增益处理的对准信 号如图5。图4为本发明所用空间滤波器319、 XI空间滤波器324的结构示意图， 分为垂直和水平两个方向排列的六个滤波孔，分别用于两个方向的对准标记第 一光栅、第二光栅、第三光栅± 1级衍射光滤波，即让两个方向的对准标记第一 光栅、第二光栅、第三光栅± 1级衍射光从相应的滤波孔通过，其他衍射级次净皮挡住，由于对准标记中用于对准范围捕获的第一光栅、第二光栅两个大周期光栅的周期相差很小，其± 1级衍射光束在4F系统频谱面(空间滤波器所在位置) 上距离很近，所以也可以让第一光栅、第二光栅两个大周期光栅的土l级衍射光 束在同一滤波孔内通过。该对准系统的主要特点是，通过在像面探测对准标记的第一光栅、第二光 栅和第三光栅的± 1级衍射光相干成像后经参考标记调制的光强变化，由透射光 信号的相位信息获得对准标记的中心位置。其中由对准标记的第一光栅和第二 光栅的对准信号获得对准标记的粗略位置信息，由对准标记的第三光栅的对准 信号得到对准标记的精确位置信息。图5是本发明实施方案对准过程中，经过增益处理后的对准信号强度示意 图，第一光信号SP1为对准标记第一光栅相干像经过参考标记调制后的光强信 号；第二光信号SP2为对准标记第二光栅相干像经过参考标记调制后的光强信 号；第三光信号SP3为对准标记第三光栅相干像经过参考标记调制后的光强信 号；由第一光信号SP1和第二光信号SP2的位相信息进行位置捕获，在此基础 上由第三光信号SP3的位相信息进行位置对准。图6是现有技术中所用参考标记结构示意图和对准信号扫描图，图6a中的 A参考标记600包括八组振幅型光栅AX第一光栅G1、 AX第二光栅G2、 AX 第三光栅aG3-a、 AX第三光栅bG3-b、 AY第一光栅G4、 AY第二光栅G5、 AY 第三光栅aG6-a和AY第三光栅bG6-b， AX第 一光栅Gl 、 AX第二光栅G2分 别对应于X方向对准标记200X的X方向第一光4册201、 X方向第二光栅202 的衍射± 1级光栅像，AX第三光栅aG3-a、 AX第三光栅bG3-b对应于X方向 对准标记200X的X方向第三光栅203的衍射± 1级光栅像，AY第一光栅G4、 AY第二光栅G5分别对应于Y方向对准标记200Y的Y方向第一光栅204、 Y 方向第二光栅205的衍射± 1级光栅像,AY第三光栅aG6-a和AY第三光栅bG6誦b 对应于Y方向对准标记200Y的Y方向第三光栅206的衍射± 1级光栅像。八组 振幅型光栅沿周期方向的长度可以略小于或者也可以大于对应的± 1级光栅像 的长度。八组振幅型光栅后分别设置有传输光纤束，包括F1、 F2、 F3-a、 F3-b、 F4、 F5、 F6-a和F6-b，分别对应Gl传输光纤、G2传输光纤、G3-a传输光纤、 G3-b传输光纤、G4传输光纤、G5传输光纤、G6-a传输光纤、G6-b传输光纤；将参考标记的各组光栅的透射光传输到相应的光电探测器阵列，其中G3-a传输 光纤和G3-b传输光纤得到的对准扫描信号光强合在一起作为一路信号，G6-a 传输光纤和G6-b传输光纤得到的对准扫描信号光强合在一起作为一路信号。在 X方向对准标记200X和Y方向对准标记200Y对准扫描过程中，得到对准标记 x和y方向的对准信号。图6b为相应参考标记调制相应对准标记相干像光强得到的对准信号(只画 出了 A参考标记X方向AX方向第三光栅G3-a和AX方向第三光栅G3-b的合 成对准扫描信号，Y方向相同)，图中横坐标为扫描位置值，单位为jLim,纵坐 标为信号扫描信号强度值，单位用随机量表示，为从图中可以看出在中间对准 位置部分，对准扫描信号光强最大值为3.9x104 (a.u)，对准扫描信号光强最小 值为0.9x104 (a.u)，即对准扫描信号的有效范围为0.9x104-3.9x104 (a.u)，另 外从图中可以看出对准信号在扫描过程中光强出现明显的拐点，出现这种情况 不利于对准扫描信号的后期信号AGC增益等处理。AGC (Automatic Gain Control)为对准信号的自动增益控制，即根据预扫描 对准扫描信号强度的变化率作为AGC增益因子，来调整相应探测通道的输出信 号强度，使用于对准捕获和精对准的信号强度保持一致，并为一常数，这样做 的目的就是为了使各探测通道输出的信号强度一致，便于利用信号相位进行粗 对准和精对准。AGC增益要求扫描信号从开始扫描到信号强度最大过程中信号强度变化率 尽量一致，即扫描信号不能出现明显的怪点，以此保证根据预扫描得到的增益 因子与相应各通道的输出信号强度保持协调。图7是本发明第一实施方案B参考标记700的结构示意图和对准信号扫描 图；图7a为B参考标记700,由BX第一光栅701， BX笫二光栅703, B第三 光栅702, BY第 一光对册704和BY第二光4册705 ， BX传输光纤a 706、 BX传输 光纤b 707、 B传输光纤708、 BY传输光纤a 709、 BY传输光纤b710组成，B 参考标记700第三光栅702对应X方向对准标记200X中X方向第三光栅203 或Y方向对准标记200Y中Y方向第三光栅206的± 1级衍射光相干像，为了兼 顾对准信号两个方向扫描，B参考标记700中B第三光栅702两个方向重叠部 分(即现有技术中空白的部分)设计为菱形阵列形式，周期与相邻条形光栅相同，这样做的目的是为了最大限度的利用了光能量，可实现两个方向的对准信 号扫描。图7b为相应参考标记B第三光栅702对准信号扫描得到的对准信号(只画 出参考标记X方向对准扫描信号，Y方向相同)，图中横坐标为扫描位置值，单 位为Hm，纵坐标为信号扫描信号强度值，单位用随机量表示，从图中可以看出 在中间对准位置部分，对准扫描信号光强最大值为7x104，对准扫描信号光强最 小值为2.1x104,即对准扫描信号的有效范围为2.1x104-7x104，另外从图中可 以看出对准信号在扫描过程中光强没有出现明显的拐点，与图6b中比较可以看 出对准扫描信号形状明显好于图6b，有利于对准扫描信号的后期增益等处理， 在扫描中心的信号强度和范围明显比图6b中要大，便于参考标记后的光电探测 器进行信号探测。图8是本发明第二实施方案参考标记C800的结构示意图；由CX第一光栅 801， CX第二光栅803， C第三光栅802， CY第一光栅804和CY第二光栅805, CX传输光纤a806、 CX传输光纤b807、 C传输光纤808、 CY传输光纤a809、 CY传输光纤b810组成，与图7第一实施方案B参考标记700相比，C第三光 栅802中间两个方向重叠部分(即现有技术中空白的部分)设计为方形阵列形 式，周期与相邻条形光4t相同。图9a为传统条形参考标记，图9b为图9a的对准信号扫描结果，图中橫坐 标为扫描位置值，单位为iiim,纵坐标为信号扫描信号强度值，单位用随机量表 示，中间对准位置对准扫描信号的有效范围为1.8x104-7.5x104。信号强度和范 围比图7中的扫描信号要大，信号的形状也更有利于信号后期增益处理，但其 明显的缺点是不能实现两个方向的扫描。图7、图8中的B参考标记700、 C参考标记800的结构是结合了条形光栅 和菱形(方形)阵列光栅的特点，最大限度的提高信号的强度和范围，并使扫 描信号不出现拐点或小的不影响AGC增益调整的拐点。虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不 背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换 均属于本发明的保护范围。18
权利要求
1、一种用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对准系统包括对准辐射源模块；照明模块；对准光学模块；和信号探测模块；所述对准辐射源模块提供用于对准系统的辐射源；所述照明模块传输对准所述辐射源模块的照明光束，准直照明硅片或基准板上的三周期对准标记；所述对准光学模块采集对准标记相应的衍射级次光束并相干成像在参考标记位置；所述信号探测模块探测和处理经过参考标记调制的对准光强信号，得到对准标记中心位置信息。
2、 根据权利要求l所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述信 号探测模块包括振幅型参考标记； 光电探测器；和 信号处理部分；所述信号探测模块通过对对准标记衍射光束的相干成像与相应振幅型参考 标记的扫描，探测和处理经过参考标记调制的对准光强信号，对准光强信号由 紧密连接振幅型参考标记和光电探测器的传输光纤进行传输，利用经过参考标 记调制的光强信号的相位信息得到对准标记中心位置信息。
3、 根据权利要求2所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述振 幅型参考标记可以是沿X方向依次排列X向第一光栅、X向第三光栅、X向第 二光栅；沿与所述X方向垂直的Y方向依次排列Y向第一光栅、Y向第三光栅、 Y向第二光栅，其中所述X向第三光栅与所述Y向第三光栅为同一光栅，即共 用参考光栅，可以实现两个方向位置扫描，物理上两个方向共用；所述振幅型记的光栅沿垂直于对准方向的方向排列；所述X向第一光栅、X向第三光栅、X向第二光栅、Y向第一光栅、Y向第三光栅、Y向第二光栅在所述对准标记中有相应的光栅通过光路分别相对应； 所述参考标记光4册分别与所对应的对准标记光4册干涉像进行扫描得到X方 向第一光信号、X方向第二光信号、X方向第三光信号、Y方向第一光信号、Y 方向第二光信号、Y方向第三光信号。
4、 根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述参 考标记光栅沿周期方向的长度可以等于对应的± 1级光栅像的长度，所述参考标 记光栅沿周期方向的长度可以大于对应的± 1级光栅像的长度，所述参考标记光 栅沿周期方向的长度还可以小于对应的± 1级光栅像的长度。
5、 根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述共 用参考光栅.由不同方向的条形幅型光栅和与条形振幅光栅周期相同的菱形阵列阵列光栅组成；或者由不同方向的条形振幅光栅和与条形振幅光栅相同周期的 其他形状阵列光栅组成；也可以全部为菱形阵列光栅或者其他形状阵列光栅组成o
6、 根据权利要求5所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述共 用参考光栅的条形振幅光栅、菱形阵列光槺、方形阵列光才册、其他形状阵列光 栅的周期数目根据信号增益调整或对准信号强度需要增加或减少。
7、 根据权利要求5所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述菱 形阵列光栅中菱形的大小根据信号增益调整或对准信号强度需要增大或减小。
8、 根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述参 考标记的分支结构相对位置可以根据需要互换或移动。
9、 根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述对 准辐射源模块是通过光电调制的激光器，或者包括激光单元。
10、 根据权利要求9所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 激光单元包含相位调制器和强度调制器单元。
11、 根据权利要求9所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 激光器是气体激光器、固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
12、 根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 照明光束至少包含两个分立波长的激光照明光束。
13、 根据权利要求12所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 至少包含两个分立波长的激光照明光束可以采用四个分立波长，并且其中至少 有两个波长在近红外或红外波段。
14、 根据权利要求3所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 对准光学模块包括对准光学系统和分光装置。
15、 根据权利要求14所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 分光装置利用光的偏振性质分开两种不同波长的对准光束。
16、 一种使用权利要求1所述系统的对准方法，其特征在于，包括以下步 骤经照明模块传输对准辐射源照射到对准标记上发生衍射，利用对准标记衍 射光束(±1级或高级次)经过对准光学模块相干成像，并利用信号探测模块相 应的振幅型参考标记对对准标记相干像进行信号强度扫描得到对准光强信号， 其中参考标记沿X方向排列的X向第一光斥册、X向第二光才册和X向第三光4册与 X方向对准标记相应光栅相干像扫描得到X方向对准光强信号，参考标记沿Y 方向排列的Y向第一光栅、Y向第二光栅和Y向第三光栅与Y方向对准标记相 应光栅相干像扫描得到Y方向对准光强信号；得到的对准光强信号经过连接在 振幅型参考标记后面的传输光纤将对准扫描信号传输到与传输光纤连接的光电 探测器进行探测；利用光电探测器探测得到对准扫描信号的相位信息进行位置 探测和对准，利用对两个较大周期的光栅探测得到的扫描信号位相信息获得一 个捕获范围，利用对较小周期光栅探测得到的扫描信号位相信息在所述捕获范 围内进行对准。
17、 根据权利要求16所述的对准方法，其特征在于所述振幅型参考标记 可以是沿X方向依次排列X向第一光栅、X向第三光栅、X向第二光栅；沿与 所述X方向垂直的Y方向依次排列Y向第一光栅、Y向第三光栅、Y向第二光 栅，其中所述X向第三光栅与所述Y向第三光栅为同一光栅，即共用参考光栅， 可以实现两个方向位置扫描，物理上两个方向公用；所述振幅型参考标记还可 以是不同方向上存在共用参考光栅的其他排列方式；所述参考标记的光栅沿垂 直于对准方向的方向排列；所述X向第一光斥册、X向第三光栅、X向第二光栅、Y向第一光4册、Y向 第三光栅、Y向第二光栅在所述对准标记中有相应的光栅通过光路分别相对应；所迷参考标记光栅分别与所对应的对准标记光栅干涉4象进行扫描得到X方 向第一光信号、X方向第二光信号、X方向第三光信号、Y方向第一光信号、Y 方向第二光信号、Y方向第三光信号。
18、 根据权利要求17所述的对准方法，其特征在于所述参考标记光栅沿 周期方向的长度可以等于对应的± 1级光栅像的长度，所述参考标记光栅沿周期 方向的长度可以大于对应的± 1级光栅像的长度，所述参考标记光栅沿周期方向 的长度还可以小于对应的±1级光栅像的长度。
19、 根据权利要求17所述的对准方法，其特征在于所述共用参考光栅由 不同方向的条形幅型光栅和与条形振幅光栅周期相同的菱形阵列光栅组成；或 者由不同方向的条形振幅光栅和与条形振幅光栅周期相同的方形阵列光栅组列光栅组成；也可以全部为菱形阵列光栅或者其他形状阵列光栅组成。
20、 根据权利要求19所述的对准方法，其特征在于所述共用参考光栅的条形振幅光栅、菱形阵列光栅、方形阵列光栅、其他形状阵列光栅的周期数目 根据信号增益调整或对准信号强度需要增加或减少。
21、 根据权利要求19所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 菱形阵列光栅中菱形的大小根据信号增益调整或对准信号强度需要增大或减 小。
22、 根据权利要求17所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于所述 参考标记的分支结构相对位置根据需要互换或移动。
全文摘要
本发明公开了一种用于光刻设备的对准系统及对准方法，采用了参考标记中间分支为条形光栅和与条形光栅周期相同的菱形或其他形状的阵列组合，形成新形式的参考标记，可以实现两个方向的对准信号扫描，使对准信号信噪比和强度与现有技术中相比得到提高，能量利用率得到提高，得到的对准扫描信号没有出现明显的拐点，有利于后期信号探测和AGC增益等部分的处理，在一定程度上有效的解决了现有技术中出现的问题，提高了对准精度。
文档编号G03F9/00GK101329514SQ20081004115
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者宋海军, 徐荣伟, 戈亚萍, 李运锋, 杜聚有, 韦学志 申请人:上海微电子装备有限公司;上海微高精密机械工程有限公司