专利名称：一种用于光刻设备的近场对准装置和对准方法
技术领域：
本发明涉及光刻领域，尤其涉及用于光刻设备的近场对准装置和对准方法。
背景技术：
现有技术中的光刻设备，主要用于集成电路IC或其他微型器件的制造。通过光刻设备，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准情况下依次曝光成像在涂覆有光刻胶的硅片上。目前的光刻设备大体上分为两类，一类是步进光刻设备，掩模图案一次曝光成像在硅片的一个曝光区域，随后硅片相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在硅片的另一曝光区域，重复这一过程直到硅片上所有曝光区域都拥有相应掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻设备，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，掩模与硅片同时相对于投影系统和投影光束移动，完成硅片曝光。 光刻设备中关键的步骤是将掩模与硅片对准。第一层掩模图案在硅片上曝光后从设备中移走，在硅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硅片上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和硅片进行精确对准。由于光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在硅片中形成多层电路，为此，光刻设备中要求实现掩模和硅片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对对准精度的要求将变得更加严格。现有技术有两种对准方案。一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明掩模上的对准标记通过物镜成像于硅片平面，移动硅片台，使硅片台上的参考标记扫描对准标记所成的像，同时采样所成像的光强，探测器输出的最大光强位置即表示正确的对准位置，该对准位置为用于监测硅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硅片台上的多个对准标记以及硅片台上基准板的基准标记，实现硅片对准和硅片台对准；硅片台上参考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硅片的位置关系，实现掩模和硅片对准。目前，主流光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，衍射光携带有关于对准标记结构的全部信息。多级次衍射光以不同角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集±1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)在参考面干涉成像，利用像与相应参考光栅在一定方向扫描，经光电探测器探测和信号处理，确定对准中心位置。在荷兰ASML公司的发明名称为“用于光刻系统的对准系统和方法”的中国发明专利CN1506768A中，采用了一种4f系统结构的ATHENA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对准标记多级衍射光的重叠和相干成像，并在像面上将成像空间分开；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记像透过参考光栅的透射光强，得到正弦输出的对准信号。该对准系统中，对准精度主要取决于对准标记，即光栅的周期大小，周期越小，理论上对准精度越高，光栅的周期远大于对准所用照明光源波长时，衍射方程所需要的对准标记，即asin0 =ηλ，其中a为光栅周期，Θ为光栅衍射角度，η为光栅衍射级次，λ为照明光源波长，遵从标量衍射理论，但当光栅周期与对准所用照明光源波长相当时(彡5λ)，由于受矢量衍射理论的影响，光栅衍射的能量主要集中在O级，而O级衍射光不能用于干涉成像，进而不能用于对准。而当光栅周期进一步减小时，标量衍射理论也不成立，因为此时已经涉及到光波近场理论，所以上述专利中的方法已经不能用于对准
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种对准装置，包括照明光源、工件台、探针阵列、传输光纤、光电探测器、对准信号处理模块，及Z向控制单元；从所述照明光源发出的光束，从所述工件台背面，以大于临界角的角度照射置于所述工件台上的基准板或硅片上的对准标记，在所述对准标记正面形成近场信息，所述探针阵列将收集到的所述对准标记的近场信息以光强的方式耦合进所述传输光纤，所述传输光纤将光强信号传输给光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电信号并进行放大，最后传输给对准信号处理模块进行信号处理和对准位置的计算；利用所述Z向控制单元调整探针阵列和硅片表面的距离，使所述距离处于近场区域。其中，所述传输光纤与所述探针阵列被形成为一体。其中，利用镜架实现各组件的固定和定位。其中，所述探针阵列和硅片表面之间的距离处于近场区域中，即在对准光源的一个波长范围内。其中，所述照明光源为对硅片和石英透过的单色光或窄带光。其中，所述对准标记被形成于工件台基准板上或硅片上。其中，所述对准标记的线宽小于照明光波长。其中，所述探针阵列为一维阵列。其中，所述探针阵列的探针数量与对准标记的线条数量对应。其中，所述探针阵列为二维阵列。其中，所述探针阵列的探针行或列的数量与对准标记的线条数量相对应。其中，为了提高测量效率，探针表面除尖端一定区域通光口径外，其他部分可以镀Al膜或其他金属膜。其中，所述探针阵列通过化学腐蚀法或光刻方法制得。其中，所述近场信息为符合所述对准标记表面形貌分布的光强信息。其中，所述Z向控制单元包括石英共振器、Z向控制器以及频率发生器和电流测量装置；所述频率发生器向所述石英共振器提供固定频率，所述石英共振器随着所述探针阵列的位置变化，其切变力随之变化，发生振幅改变，形成探测电流，并发送至所述电流测量装置，所述电流测量装置根据所述探测电流，确定所述探针阵列和所述和硅片表面的距离，并控制所述Z向控制器调节所述距离。本发明还提出了前述对准装置进行对准的方法，包括以下步骤步骤一、将硅片输送至工件台的相应位置；步骤二、将硅片进行预对准，使其进入对准标记捕获范围；
步骤三、利用Z向控制器根据石英共振器反馈的信号，调整探针阵列与硅片标记面之间的间距，使探针阵列进入近场探测区域；步骤四、通过工件台的运动，利用对准装置对对准标记进行水平向扫描；步骤五、根据扫描得到的强度与位置关系的扫描信号，计算对准位置；步骤六、根据计算得到的对准位置，将工件台移动到相应位置，完成对准。本发明的对准装置，利用近场理论进行位置对准，照明光源利用对硅片透过的光，探测近场信号的装置由探针阵列组成，由于突破了衍射极限，利用近场对准，可以将对准标记线条宽度大大缩小，进而大大提高了对准精度。同时，将探针制作成阵列形式，有效的提高了能量利用率。
图I所示为根据本发明的第一实施例的用于光刻设备的对准装置的结构示意图；图2所示为根据本发明的对准装置所用探针阵列和对准标记结构示意图；图3所示为根据本发明的对准装置所用探针阵列俯视结构示意图；图4所示为根据本发明的对准装置所用另一种探针阵列俯视结构示意图；图5所示为根据本发明对准装置所用对准标记俯视结构示意图；图6所示为根据本发明的第二实施例的用于光刻设备的对准装置的结构示意图；图7所示为根据本发明的对准装置产生的对准信号示意图。
具体实施例方式下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。图I所示为根据本发明第一实施例的用于光刻设备的对准装置的结构示意图。照明光源101发出的光束102从背面照明硅片104上的对准标记105，硅片104利用工件台103承载，探针阵列106将收集到的对准标记105近场信息以光强的方式耦合进传输光纤107，所属近场信息为所述光束102照射所述对准标记105后,在对准标记105正面空间形成的光强信号，记载有对准标记105的分布特征。传输光纤107将光强信号传输给光电倍增管108，将光强信号转换为电信号并进行放大，最后传输给对准信号处理模块110进行信号处理和对准位置的计算。镜架109实现上述组件的固定和定位，石英共振器111配合Z向控制器113完成对准装置Z向控制，频率发生器和电流测量装置112产生固定频率提供给石英共振器111，当探针阵列106和硅片104表面的距离发生改变时，其切变力随之变化，进而调制石英共振器111的振幅，产生电流变化，通过电流测量可以确定两者之间的距离，进行通过Z向控制器113调整探针阵列106和硅片104表面的距离，使进入近场区域，以便测量，一般可以控制在0-50nm之间。照明光源101 —般为单色光,这种光属性是对娃片和石英透过,例如米用1550nm红外光等；也可以是窄带光，属性与上述单色光相同。对准标记可以制作于硅片上，同样可以制作于工件台基准板上或其他载体上，以完成娃片对准。所述近场区域通常是光渐逝波传播区域，一般指距离硅片表面一个波长内的区域。图2所示为根据本发明的对准装置所用探针阵列和对准标记结构示意图。照明光束201以大于临界角的α角从背面入射到硅片202，硅片202上分布有按照一定周期排列的对准标记203，照明光束201在硅片202上表面(对准标记203区域)产生的渐逝波被探针阵列探针206探测，通过探针阵列204将探测到的能量205进行传输。为了提高测量效率，探针206表面除尖端一定区域通光口径外，其他部分可以镀Al膜。探针阵列的排列方式和数量可以根据对准标记的特征确定。对准标记的线宽和周期大小根据对准精度需要设定，一般线宽小于照明光波长，对准标记也可以不按照周期进行排列，根据对准需要，可以按照其他方式排列。只列出了一个方向的探针阵列和对准标记，另一个方向与此排列方向垂直。图3所示为根据本发明的对准装置所用的探针阵列俯视结构示意图。探针为一维方向排列，探针数量与对准标记线条数量相对应，也可以不对应。探针间距与对准标记线条间距对应,也可以不对应。图4所示为根据本发明的对准装置所用的另一种探针阵列俯视结构示意图，探针为两维方向排列，探针间距与对准标记线条间距对应，也可以不对应。探针行(列)数量与对准标记线条数量相对应，也可以不对应。图5所示为根据本发明的对准装置所用的对准标记俯视结构示意图。图6所示为根据本发明第二实施例的用于光刻设备的对准装置的结构示意图。其结构与图I中的结构基本相同，照明光源601发出的光束602从背面照明硅片604上的对准标记605，硅片604利用工件台603承载，探针阵列606将收集到的对准标记605近场信息以光强的方式耦合进传输光纤607，传输光纤607将光强信号传输给光电倍增管608，将光强信号转换为电信号并进行放大，最后传输给放大和对准信号处理模块610进行信号处理和对准位置的计算。镜架609实现上述组件的固定和定位，石英共振器611配合Z向控制器613完成对准装置Z向控制，频率发生器和电流测量装置612产生固定频率提供给石英共振器611，当探针阵列606和硅片604表面的距离发生改变时，其切变力随之变化，进而调制石英共振器611的振幅，通过电流测量可以确定两者之间的距离，进行通过Z向控制器613调整探针阵列606和硅片604表面的距离，使进入近场区域，以便测量，一般可以控制在0-50nm之间。其中传输光纤607与探针阵列606被形成为一体。图7所示为根据本发明的对准装置产生的对准信号示意图。利用光强分支的强度信息对比进行位置捕获，利用捕获到的光强分支信息进行位置对准，其中PO点即光强最大的分支(光强最大位置)为对准位置。可以采用化学腐蚀法或光刻方法来实现上述探针阵列的制作。根据图8所示的流程，利用上述对准装置的对准方法如下步骤一、将硅片输送至工件台的相应位置；步骤二、将硅片进行预对准，使其进入对准标记捕获范围；步骤三、利用Z向控制器根据石英共振器反馈的信号，调整探针阵列与硅片标记面之间的间距，使探针阵列进入近场探测区域；、
步骤四、通过工件台的运动，利用对准装置对对准标记进行水平向扫描；步骤五、根据扫描得到的强度与位置关系的扫描信号，计算对准位置；
步骤六、根据计算得到的对准位置，将工件台移动到相应位置，完成对准。本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、 推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种对准装置，包括照明光源、工件台、探针阵列、传输光纤、光电探测器、对准信号处理模块，及Z向控制单元；从所述照明光源发出的光束，从所述工件台背面，以大于临界角的角度照射置于所述工件台上的基准板或硅片上的对准标记，在所述对准标记正面形成近场信息，所述探针阵列将收集到的所述对准标记的近场信息以光强的方式耦合进所述传输光纤，所述传输光纤将光强信号传输给光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电信号并进行放大，最后传输给对准信号处理模块进行信号处理和对准位置的计算；利用所述Z向控制单元调整探针阵列和硅片表面的距离，使所述距离处于近场区域。
2.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述传输光纤与所述探针阵列被形成为一体。
3.根据权利要求I或2所述的对准装置，其中，利用镜架实现各组件的固定和定位。
4.根据权利要求3所述的对准装置，其中，所述探针阵列和硅片表面之间的距离处于近场区域中，即在对准光源的一个波长范围内。
5.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述照明光源为对硅片和石英透过的单色光或窄带光。
6.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述对准标记被形成于工件台基准板上或硅片上。
7.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述对准标记的线宽小于照明光波长。
8.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述探针阵列为一维阵列。
9.根据权利要求8所述的对准装置，其中，所述探针阵列的探针数量与对准标记的线条数量对应。
10.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述探针阵列为二维阵列。
11.根据权利要求10所述的对准装置，其中，所述探针阵列的探针行或列的数量与对准标记的线条数量相对应。
12.根据权利要求I所述的对准装置，其中，探针表面除尖端一定区域通光口径外，其他部分镀覆金属膜。
13.根据权利要求8-12中任意一个所述的对准装置，其中，所述探针阵列通过化学腐蚀法或光刻方法制得。
14.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述近场信息为符合所述对准标记表面形貌分布的光强信息。
15.根据权利要求I所述的对准装置，其中，所述Z向控制单元包括石英共振器、Z向控制器以及频率发生器和电流测量装置；所述频率发生器向所述石英共振器提供固定频率，所述石英共振器随着所述探针阵列的位置变化，其切变力随之变化，发生振幅改变，形成探测电流，并发送至所述电流测量装置，所述电流测量装置根据所述探测电流，确定所述探针阵列和所述和硅片表面的距离，并控制所述Z向控制器调节所述距离。
16.一种利用权利要求1-15中任意一个所述的对准装置进行对准的方法，包括以下步骤 步骤一、将硅片输送至工件台的相应位置； 步骤二、将硅片进行预对准，使其进入对准标记捕获范围； 步骤三、利用Z向控制器根据石英共振器反馈的信号，调整探针阵列与硅片标记面之间的间距，使探针阵列进入近场探测区域； 步骤四、通过工件台的运动， 利用对准装置对对准标记进行水平向扫描； 步骤五、根据扫描得到的强度与位置关系的扫描信号，计算对准位置； 步骤六、根据计算得到的对准位置，将工件台移动到相应位置，完成对准。
全文摘要
一种对准装置，包括照明光源、工件台、探针阵列、传输光纤、光电探测器、对准信号处理模块、石英共振器、Z向控制器以及频率发生器和电流测量装置；从照明光源发出的光束从背面以大于临界角的角度照明置于工件台上的基准板或硅片上的对准标记，探针阵列将收集到的对准标记的近场信息以光强的方式耦合进传输光纤，传输光纤将光强信号传输给光电探测器，光电探测器将光强信号转换为电信号并进行放大，最后传输给对准信号处理模块进行信号处理和对准位置的计算；利用电流测量装置确定探针阵列和硅片表面的距离；利用频率发生器向石英共振器提供固定频率；利用石英共振器配合Z向控制器调整探针阵列和硅片表面的距离，使距离处于近场区域。
文档编号G03F9/00GK102736452SQ20111008620
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者宋海军, 徐荣伟, 杜聚有 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