对准装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种对准装置及方法，装置包括：光源，提供照明光束，投射到对准标记上；对称设置的半反射面，用于反射和透射对准标记产生的各级次衍射光，使一部分衍射光发生偏转，偏转后传播方向与另一部分对应级次衍射光的传播方向相同或平行；汇聚透镜，将上述各级次衍射光干涉成像到其焦面；探测模块，探测各级次干涉图像的信号；运动台，实现对对准标记的扫描测量；控制模块，用于同步控制运动台和探测模块，并根据测得信号强度随运动台位置变化的关系计算对准位置。本发明通过对称设置的半反射面结构代替现有技术中的楔块阵列，降低了系统加工制造和装调的难度，消除了由楔块阵列加工制造误差引起的正负级次干涉条纹图像不一致和倍率差的问题。
【专利说明】对准装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光刻设备领域，特别涉及一种对准装置及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，光刻设备大多采用的是基于光栅衍射干涉的对准系统。该对准系统基本特 征为：照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，产生的各级衍射光携带有关于对准标 记的位置信息；不同级次的光束以不同的衍射角从对准标记光栅上衍射，通过对准系统收 集各级次的衍射光束，使两个对称的正负衍射级次(如± 1级、±2级…土η级）在对准系统 的像面重叠相干，形成各级干涉信号。当对标记光栅进行扫描时，利用光电探测器记录干涉 信号的强度变化，通过信号处理，确定对准中心位置。
[0003] 荷兰采用了一种离轴对准系统，该对准系统在对准光学系统光瞳面采用楔块列阵 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；该 对准系统使用楔块列阵时，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。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种对准装置及方法，以克服现有技术中对准系统加工制造和装调难 度大的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种对准装置，包括：光源，提供照明光束，投射 到对准标记上；对称设置的半反射面，用于反射和透射所述对准标记产生的各级次衍射光， 使一部分衍射光发生偏转，偏转后的传播方向与另一部分的对应级次衍射光的传播方向相 同或平行；汇聚透镜，将上述经过所述半反射面的各级次衍射光干涉成像到其焦面；探测 模块，探测各级次干涉图像的信号；运动台，用于承载对准标记，实现对对准标记的扫描测 量；以及控制模块，用于同步控制运动台和探测模块，并根据测得信号强度随运动台位置变 化的关系计算对准位置。
[0006] 作为优选，所述光源采用氦氖激光器。
[0007] 作为优选，所述光源采用两个不同波长的氦氖激光器，两个所述氦氖激光器发出 的光通过分束镜合成一束照明光后，再投射到所述对准标记上。
[0008] 作为优选，所述对称设置的半反射面相互平行并且相对于所述照明光束对称。
[0009] 作为优选，所述半反射面采用两个对称设置的半反射镜。
[0010] 作为优选，所述半反射面采用多组对称设置的半反射镜。
[0011] 作为优选，所述对称设置的半反射面为方形棱镜，所述方形棱镜与对准标记面平 行的两个面为全透面，其余四个面为半反射面。
[0012] 作为优选，所述对称设置的半反射面为方形棱镜，所述方形棱镜与所述照明光束 平行且相对的两个面为半反射面，其余四个面为全透面。
[0013] 作为优选，所述探测模块包括参考光栅和光电探测器，所述参考光栅位于汇聚透 镜的焦面，所述光电探测器位于参考光栅后，用于探测各级次干涉图像透过所述参考光栅 后的信号。
[0014] 作为优选，所述光电探测器采用光电二极管。
[0015] 作为优选，其中一个半反射面透射的各级次衍射光与相对的另一个半反射面反射 的对应级次衍射光的传播方向相同或平行，所述其中一个半反射面反射的各级次衍射光与 相对的另一个半反射面透射的对应级次衍射光的传播方向相同或平行。
[0016] 作为优选，所述对准标记为两个相互垂直的光栅标记。
[0017] 作为优选，所述对准标记为棋格状的二维对准标记。
[0018] 本发明还提供一种对准方法，应用于所述的对准装置中，包括：光源发出照明光束 投射到对准标记上；半反射面使对准标记上产生的一部分的各级次衍射光发生偏转，偏转 后的传播方向与另一部分的对应级次衍射光的传播方向相同或平行；汇聚透镜将由对应的 各级次衍射光组成的平行光束干涉成像到其焦面上；运动台控制对准标记移动，同时探测 模块采集各级次衍射光的干涉条纹能量的变化情况，并传递至控制模块；控制模块根据探 测模块记录的干涉条纹能量随运动台的变化关系计算对准位置。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过对称设置的半反射面结构代 替了现有技术中复杂的楔块阵列（或楔板组)，降低了系统加工制造和装调的难度，消除了 由于楔块阵列加工制造误差引起的正负级次干涉条纹图像不一致和倍率差的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明实施例1中对准装置的结构示意图；
[0021] 图2为本发明实施例2中对准装置的结构示意图；
[0022] 图3a?图3b分别为本发明实施例2中对准标记的结构示意图；
[0023] 图4为本发明实施例3中对准装置的结构示意图。
[0024] 图1中：101-光源、102-半反射面、103-汇聚透镜、104-参考光栅、105-光电探测 器、106-对准标记、107-运动台、108-控制模块、109-反射镜。
[0025] 图2?3中：201-光源、202-半反射面、2021-第一组半反射面、2022-第二组半反 射面、203-汇聚透镜、204-参考标记板、2041-光栅标记、205-光电探测器、206-对准标记、 207-运动台、208-控制模块、209-反射镜。
[0026] 图4中：3011和3012-HeNe激光器、302-半反射面、303-汇聚透镜、304-参考光 栅、305-光电探测器、306-对准标记、307-运动台、308-控制模块、309-反射镜、310-分束 镜。
【具体实施方式】
[0027] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精 准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0028] 实施例1
[0029] 本实施例的对准装置，如图1所示，包括：
[0030] 光源101，所述光源101采用氦氖激光器，为对准装置提供照明光束，光源发出的 光经反射镜109折转后正入射到对准标记106上，对准标记106产生各级次的衍射光，例 如，一个方向(左侧）上产生正级次衍射光，对称的另一方向(右侧）上产生负级次衍射光。
[0031] 对称设置在对准标记106上的两个半反射面102,两个半反射面102相互平行并且 相对于所述照明光束对称。每个反射面102均用于反射和透射所述对准标记106产生的衍 射光，使一部分的各级次衍射光发生偏转，偏转后的传播方向与另一部分对应级次衍射光 相同或平行。具体如图1所示，左侧半反射面102透射的各级次衍射光与右侧半反射面102 反射的对应级次衍射光传播方向相同或平行，左侧半反射面102反射的各级次衍射光与右 侧半反射面102透射的对应级次衍射光传播方向相同或平行，也就是说，各级次衍射光的 一部分透过对称的半反射面102,另一部分被这组半反射面102反射。在被图中左侧半反射 面102反射之后，左侧反射的-1级光的反射光与右侧透射的+1级光传播方向相同或平行； 左侧反射的-2级光的反射光与右侧透射的+2级光传播方向相同或平行；同理，在被图1中 右侧半反射面102反射后，右侧反射的+1级光的反射光与左侧投射-1级光传播方向相同 或平行；右侧反射的+2级光的反射光与左侧投射_2级光传播方向相同或平行，进一步的， 半反射面102采用半反射镜。优选的，所述半反射面202也可以采用方形棱镜，该方形棱镜 的多个面中，与照明光束平行且相对的两个面为半反射面，其余四个面为全透面。
[0032] 汇聚透镜103,将上述对应的各级次衍射光干涉成像到其焦面上；
[0033] 探测模块，包括参考光栅104和光电探测器105,所述参考光栅104位于所述汇聚 透镜103的焦面上，各级次衍射光被汇聚透镜103汇聚到参考光栅104上并形成干涉条纹， 所述光电探测器105在参考光栅104后，用于探测透过参考光栅104的干涉条纹能量。较 佳的，所述光电探测器105采用光电二极管。
[0034] 运动台107,用于承载对准标记106,实现对对准标记106的扫描测量；具体地，当 对准标记106随运动台107移动时，各光电探测器105将采集到透过参考光栅104的干涉 条纹能量的变化情况。
[0035] 以及
[0036] 控制模块108,用于同步控制运动台107和探测模块，并根据采集到的光能量随运 动台107位置变化的关系计算对准位置。
[0037] 需要说明的是，本实施例在图1中仅给出了测量对准标记106+/-1级到+/-2级衍 射光干涉条纹光能量的方案示意图，事实上，本实施例的方案可用于测量对准标记106任 意多级次的衍射光干涉条纹光能量，从而得到对准位置。不同的衍射级次形成的干涉条纹， 其透过参考光栅104的光强随对准标记106位置变化所形成的测量信号的周期不同。+/-1 级衍射光形成的测量信号其变化周期是对准标记106位置变化周期的2倍，+/-2级衍射光 形成的测量信号变化周期是对准标记106位置变化周期的4倍，依次类推。可见，高级次衍 射光形成的测量信号对应着更高的对准测量分辨率。由于对准标记106的周期性性质，低 级次衍射光形成的测量信号可获得更大的测量范围。组合使用高级次和低级次衍射光信 号，可在较大的对准范围内获得较好的对准精度。
[0038] 请继续参照图1，本实施例还提供一种对准方法，应用于上述的对准装置中，包 括：
[0039] 光源101发出的照明光束投射到对准标记106上；
[0040] 半反射面102使对准标记106产生的一部分的正负级衍射光发生偏转，偏转后的 传播方向与其对应的正负衍射级次相同或平行；
[0041] 汇聚透镜103将由对应的正负级次衍射光组成的平行光束汇聚成像到其焦面上；
[0042] 运动台107控制对准标记106移动，同时探测模块采集各级次衍射光的干涉条纹 能量的变化情况，并传递至控制模块108 ;
[0043] 控制模块108根据探测模块记录的干涉条纹能量随运动台107的变化关系计算对 准位置。
[0044] 本实施例通过对称设置的半反射面102结构代替了现有技术中复杂的楔块阵列 (或楔板组)，降低了系统加工制造和装调的难度，消除了由于楔块阵列加工制造误差引起 的正负级次干涉条纹图像不一致和倍率差的问题。
[0045] 实施例2
[0046] 本实施例与实施例1的区别点在于，半反射面、对准标记以及探测模块的结构不 同。
[0047] 请参照图2,本实施例的光源201仍采用高亮度的HeNe激光器。光源201发出的 光被反射镜209折转后入射到对准标记206上，对准标记206产生各级次的衍射光。
[0048] 本实施例米用的对准标记206有两种，一种为2个方向互相垂直的光栅标记，如图 3a所示；另一种则为采用棋格状的二维对准标记，如图3b所示。所述两种对准标记206均 实现了二维的对准功能。具体的，以图3a中所示的对准标记206为例，在对准过程中，可以 通过对两个方向的光栅标记进行顺序对准，来实现对对准标记206的测量，也可以使入射 光斑同时覆盖两个方向的光栅标记，从而实现两个方向的同步对准。请继续参照图2,受所 述对准标记206两个方向上的空间周期性影响，对准标记206将产生两个方向的衍射光。
[0049] 以图2中两个方向上的+/-1级光为例，其他高级次光的传播情况与此类似，不再 赘述。从对准标记206发出的衍射光被多组半反射面202反射和透射，与实施例1相同，所 述半反射面202可采用半反射镜。优选地，所述半反射面202也可以采用方形棱镜，该方形 棱镜的多个面中，与对准标记面平行的两个面为全透面，其余四个面为半反射面。具体地， 本实施例中的半反射面202包括：第一组半反射面2021和第二组半反射面2022。其中，第 一组半反射面2021将反射和透射两个方向衍射光中其中一个方向的衍射光，第二组半反 射面2022将反射和透射第二个方向的衍射光。被半反射面202反射的衍射光的传播方向 将与其对应的衍射级次对应，形成平行光束。如图2所示，仍然以被衍射的+/-1级光为例， 其将分别在两个方向上形成共4组平行光束，这些平行光束被汇聚透镜203接收并汇聚到 探测模块。
[0050] 本实施例中，探测模块包括参考标记板204和光电探测器205,所述参考标记板 204上与不同方向各级次衍射光对应位置处设有光栅标记2041，所述光电探测器205设置 于所述光栅标记2041后侧，用于探测各级次衍射光的干涉图像透过所述光栅标记2041的 信号。具体地，平行光束被汇聚透镜203接收并汇聚到参考标记板204的光栅标记2041处 并形成干涉条纹。透过光栅标记2041的光被光电探测器205接收，光电探测器205与运动 台207通过控制模块208进行同步。光电探测器205上测得的光能将随运动台207在X、Y 方向上的运动发生周期性的变化。通过计算光能量随运动台207位置的变化情况可确定对 准位置。
[0051] 实施例3
[0052] 本实施例与实施例1的区别点在于光源不同。
[0053] 请参照图4,由于不同材料的光学特性有很大差异，为了达到提高工艺适应性的目 的，本实施例采用一种双波长对准装置。即，采用两种不同波长的光源，如波长分别为532nm 和632. 8nm的HeNe激光器3011和3012。两个HeNe激光器3011和3012发出的光通过分 束镜310合成一束测量光，同样经反射镜309投射到对准标记306后发生衍射，根据光栅衍 射原理，不同波长的光衍射角不同，衍射角Θ与波长λ以及对准标记周期p的关系如下：
【权利要求】
1. 一种对准装置，包括： 光源，提供照明光束，投射到对准标记上； 对称设置的半反射面，用于反射和透射所述对准标记产生的各级次衍射光，使一部分 衍射光发生偏转，偏转后的传播方向与另一部分的对应级次衍射光的传播方向相同或平 行； 汇聚透镜，将上述经过所述半反射面的各级次衍射光干涉成像到其焦面； 探测模块，探测各级次干涉图像的信号； 运动台，用于承载对准标记，实现对对准标记的扫描测量； W及 控制模块，用于同步控制运动台和探测模块，并根据测得信号强度随运动台位置变化 的关系计算对准位置。
2. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述光源采用氮氛激光器。
3. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述光源采用两个不同波长的氮氛激 光器，两个所述氮氛激光器发出的光通过分束镜合成一束照明光后，再投射到所述对准标 记上。
4. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述对称设置的半反射面相互平行并 且相对于所述照明光束对称。
5. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述半反射面采用两个对称设置的半 反射镜。
6. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述半反射面采用多组对称设置的半 反射镜。
7. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述对称设置的半反射面为方形棱镜， 所述方形棱镜与对准标记面平行的两个面为全透面，其余四个面为半反射面。
8. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述对称设置的半反射面为方形棱镜， 所述方形棱镜与所述照明光束平行且相对的两个面为半反射面，其余四个面为全透面。
9. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述探测模块包括参考光栅和光电探 测器，所述参考光栅位于汇聚透镜的焦面，所述光电探测器位于参考光栅后，用于探测各级 次干涉图像透过所述参考光栅后的信号。
10. 如权利要求9所述的对准装置，其特征在于，所述光电探测器采用光电二极管。
11. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，其中一个半反射面透射的各级次衍射 光与相对的另一个半反射面反射的对应级次衍射光的传播方向相同或平行，所述其中一个 半反射面反射的各级次衍射光与相对的另一个半反射面透射的对应级次衍射光的传播方 向相同或平行。
12. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述对准标记为两个相互垂直的光栅 标记。
13. 如权利要求1所述的对准装置，其特征在于，所述对准标记为棋格状的二维对准标 记。
14. 一种对准方法，应用于如权利要求1?13中任一项所述的对准装置中，包括： 光源发出照明光束投射到对准标记上； 半反射面使对准标记上产生的一部分的各级次衍射光发生偏转，偏转后的传播方向与 另一部分的对应级次衍射光的传播方向相同或平行； 汇聚透镜将由对应的各级次衍射光组成的平行光束干涉成像到其焦面上； 运动台控制对准标记移动，同时探测模块采集各级次衍射光的干涉条纹能量的变化情 况，并传递至控制模块； 控制模块根据探测模块记录的干涉条纹能量随运动台的变化关系计算对准位置。
【文档编号】G03F7/20GK104460247SQ201310429067
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】陆海亮, 王帆 申请人:上海微电子装备有限公司