一种对准系统及对准方法与流程

本发明半导体集成电路制造领域，且特别涉及一种对准系统及对准方法。

背景技术：

在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。每一次曝光之前均需要进行硅片面进行调平，并与投影曝光镜头焦面之间进行调焦，除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置和曝光效果。

通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，对于100纳米的光刻机而言，套刻精度指标要求小于35nm。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一，而掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。当特征尺寸CD要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对准精度的要求变得更加严格，如90nm的CD尺寸要求10nm或更小的对准精度。同时，硅片上表面对投影物镜焦面的调平及调焦要求也会更高。因此，在提高各测量模块的精度外，统一并建立稳定的垂向测量基准也是非常重要的。

专利CN102455247提出了一种投影物镜最佳焦面检测的装置及方法，利用工件台上的光电探测装置对掩模版上的光栅标记成像，通过判断光栅标记的清晰程度来确定透镜物镜的最佳焦面位置。此方法的垂向测量基准仍为光电传感器的探测面，而光电传感器探测面仍然会受到温度、振动等影响产生垂向偏移，从而降低投影物镜焦面探测的准确性。

技术实现要素：

本发明提出一种对准系统及对准方法，旨在为调焦调平、对准、焦面探测建立统一的测量基准，提高垂向、水平向测量分系统对温度变化等情况的适应能力。

为了达到上述目的，本发明提出一种对准系统，包括：

掩模版，提供投影曝光图案和对准标记；

投影物镜焦面测量标记，设置于所述掩模版上；

投影物镜，对掩模版上的曝光图案、标记成像到硅片方像方焦面；

工件台，承载有同轴镜头、基准板和硅片，并提供水平向和垂向的运动，其中所述同轴镜头对所述对准标记、投影物镜焦面测量标记和调焦标记进行成像，所述基准板承载有调焦标记和参考标记，提供水平向和垂向测量基准，所述硅片承载有硅片对准标记；

调焦调平系统，对硅片表面调平，控制硅片上表面与硅片焦面重合；

离轴对准系统，对硅片图案对准。

进一步的，所述投影物镜焦面测量标记为一维或二维光栅标记，其特征尺寸满足如下关系：

p≤1.22·λ·M/NA，λ为同轴成像系统的主波长，M为投影物镜的放大倍率，NA为同轴成像系统的数值孔径。

进一步的，所述调焦标记为相移标记，所述相移标记的结构为在所述基准板的玻璃基底上设置一层不透光的标记和厚度为a、折射率为n的相移层，定义玻璃基底其他透过部分的相位为零，所述相移层与玻璃基底的相位差为π/2，可知，相位差与相移层的厚度的关系为：

π/2＝2·π·a·(n-1)/λ。

进一步的，所述调焦标记为共焦标记，所述共焦标记为一维或二维光栅标记，其特征尺寸应满足如下关系：

p2≤1.22·λ/NA+Δx，λ为同轴成像系统的主波长，NA为同轴成像系统的数值孔径，Δx为附加的微小偏移量。

为了达到上述目的，本发明还提出一种对准方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一，工件台带动同轴镜头到投影物镜的成像视场范围内，通过同轴镜头探测投影物镜焦面测量标记和调焦标记，垂向运动工件台搜索最佳成像焦面，并记录工件台垂向位置；

步骤二，工件台带动基准板到调焦调平系统测量视场范围内，调焦调平系统对基准板表面进行测量，探测调焦标记，并以此为基准矫正调焦调平系统内部误差；

步骤三，调焦调平系统对硅片上表面进行测量、调平、并使硅片上表面与上述最佳成像焦面重合；

步骤四，离轴对准系统对基准板上的参考标记成像，建立水平向测量基准，并对硅片对准标记成像，建立硅片与基准板之间的位置关系；

步骤五，同轴对准系统对基准板参考标记和掩模版对准标记成像，建立掩模与基准板之间的位置关系，至此建立掩模图案与硅片图案的位置关系，对准完成。

进一步的，所述调焦标记为相移标记，在步骤一之前还包括机器常数记录步骤，即同轴镜头对基准板上的相移标记和参考标记成像，记录两标记在同轴坐标系下的位置并作为机器常数。

进一步的，所述步骤一中，同轴镜头探测投影物镜焦面测量标记和相移标记，并对投影物镜焦面测量标记和相移标记成像。

进一步的，还包括步骤六，在一测校周期后，同轴镜头对相移标记和参考标记成像，分析参考标记的水平向偏移量并根据此值补偿水平向漂移，分析相移标记水平向偏移量，除去同轴对准系统水平偏移的部分，剩下的相移标记水平向偏移量与同轴对准系统相对于基准板的垂向漂移相关，将垂向偏移距离及方向补偿至垂向控制机器常数。

进一步的，所述调焦标记为共焦标记，所述步骤一中，将投影物镜焦面测量标记和共焦标记精确对位，同轴镜头探测透过共焦标记的能量值。

本发明提出的对准系统及对准方法，采用具有一定相位差的相移标记以成像的方式检测同轴对准传感器的离焦或使用共焦能量探测的方式测量投影物镜的焦面，并以此建立统一的垂向测量基准，测量结果不受温度变化的影响；使用基准板上的对准参考标记，建立对准水平向测量基准，提高对准系统的测量稳定性。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的对准系统结构示意图。

图2a-图2c所示为本发明较佳实施例的投影物镜焦面测量掩模标记结构示意图。

图3a和图3b所示为本发明较佳实施例的相移标记结构示意图。

图4所示为本发明较佳实施例的相移标记测量离焦原理光路图

图5a和图5b所示为本发明较佳实施例的基准板相移标记、参考标记布局示意图。

图6所示为本发明较佳实施例的相移标记垂向测量与水平位移关系示意图。

图7所示为本发明较佳实施例的对准方法流程图。

图8所示为本发明又一较佳实施例的对准系统结构示意图。

图9a-图9c所示为本发明又一较佳实施例的投影物镜焦面测量标记结构示意图。

图10a-图10e所示为本发明较佳实施例的基准板焦面测量标记结构示意图。

图11所示为本发明较佳实施例的共焦能量法测量离焦原理光路图。

图12所示为本发明较佳实施例的焦面垂向离焦与探测能量关系示意图。

图13所示为本发明较佳实施例的掩模、基准焦面测量错位光栅能量极值位置拟合。

图14a和图14b所示为本发明较佳实施例的基准板焦面测量标记、参考标记布局示意图。

图15所示为本发明又一较佳实施例的对准方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，本发明提出一种对准系统，包括：

掩模版001，提供投影曝光图案、对准标记、并设置有投影物镜焦面测量标记002；

投影物镜焦面测量标记002，为投影物镜焦面测量提供敏感性较好的标记样式；

投影物镜003，对掩模版上曝光图案、对准标记成像到硅片方像方焦面；

工件台005，用于同轴镜头006、基准板007、硅片008的承载及水平向、垂向运动；

同轴镜头006，对对准标记、投影物镜焦面测量标记002、相移标记007a、b进行成像，具有掩模对准和测量投影物镜最佳焦面的功能；

基准板007，承载相移标记007a、b和参考标记007c，并提供垂向、水平向测量基准；

相移标记007a、b，同轴对其成像，其成像位置偏移与垂向离焦量相关，如图6所示；

参考标记007c，离轴、同轴镜头对其成像可建立水平向测量基准，抑制温度漂移；

硅片008，承载硅片对准标记、所述硅片008提供投影曝光图案复制；

调焦调平系统009，对硅片表面调平，控制硅片上表面与硅片焦面重合；

离轴对准系统010，对硅片图案对准。

根据本发明较佳实施例，所述投影物镜焦面测量标记002为一维或二维光栅标记，如图2a-图2c所示，其特征尺寸应满足如下关系：

p≤1.22·λ·M/NA，λ为同轴成像系统的主波长，M为投影物镜的放大倍率，NA为同轴成像系统的数值孔径。

利用相移标记测量对准传感器的离焦的原理：

相移标记的结构如图3a和图3b所示，在基准板007玻璃基底上做一层不透光的标记007a和厚度为a、折射率为n的相移层007b，定义玻璃基底其他透过部分的相位为零，相移层007b与玻璃基底的相位差为π/2，可知，相位差与相移层007b的厚度的关系为：

π/2＝2·π·a·(n-1)/λ。

如图4相移标记离焦原理光路图所示，焦距分别为f₁、f₂的透镜组成的成像系统，该成像系统的点扩散函数为h(x',f₂·x/f₁)，相移标记上的不同点x₁、x₂经过该系统在像面上相干叠加，成像面上的光强分布为:

其中Δz为光学系统的离焦量。

类似的系统离焦量与相移标记成像位置变化如图6调焦标记位移与离焦示意图所示。

相移标记与参考标记布局如图5a和图5b所示，其中图5b的标记布局可同 时测量多个点的离焦位置信息，相移标记的排布形式并不局限于此两种，相移标记和参考标记007C在基准板007上的相对位置不做限制；

请参考图7，图7所示为本发明较佳实施例的对准方法流程图。本发明提出一种对准方法，包括下列步骤：

步骤S110：同轴镜头006对基准板上的相移标记007a、b和参考标记007c成像，记录两标记在同轴坐标系下的位置并作为机器常数，工件台005带动同轴镜头006到投影物镜003的成像视场范围内，通过同轴镜头006对投影物镜焦面测量标记002和相移标记007a、b成像，垂向运动工件台005搜索最佳成像焦面，并记录工件台垂向位置；

步骤S120：工件台005带动基准板007到调焦调平系统009测量视场范围内，调焦调平系统009对基准板007表面进行测量，探测相移标记007a、b，以此为基准矫正调焦调平系统009内部误差；

步骤S130：调焦调平系统009对硅片008上表面进行测量、调平、并使硅片上表面与投影物镜最佳焦面004重合；

步骤S140：离轴对准系统010对基准板007上的参考标记007c成像，建立水平向测量基准，并对硅片对准标记成像，建立硅片008与基准板007之间的位置关系；

步骤S150：同轴对准系统(即同轴镜头006)对基准板参考标记和掩模版对准标记成像，建立掩模与基准板之间的位置关系，至此建立掩模图案与硅片图案的位置关系，对准完成。

根据本发明较佳实施例，在一测校周期后，同轴镜头006对基准板007上的相移标记007a、b和参考标记007c成像，分析参考标记007c的水平向偏移量并根据此值补偿水平向漂移，分析相移标记007a、b水平向偏移量，除去同轴对准系统006水平偏移的部分(同轴对准系统水平向随温度、振动的偏移量由测量得到)，剩下的相移标记007a、b水平向偏移量与同轴对准系统006相对于基准板007的垂向漂移相关，将垂向偏移距离及方向补偿垂向控制机器常数。因同轴对准系统的水平向和垂向随温度、振动的偏移量可测可补偿，垂向、水平向测量基准统一，可解决由于环境不稳定性带来的垂向、水平向测量误差。

请参考图8，图8所示为本发明又一较佳实施例的对准系统结构示意图。本发明还提出一种对准系统，包括：

掩模版101，提供投影曝光图案、对准标记、投影物镜焦面测量标记102；

投影物镜焦面测量标记102，为投影物镜焦面测量提供敏感性较好的标记样式；

投影物镜103，对掩模版上图形、标记成像到硅片方像方焦面；

工件台105，用于同轴镜头106、基准板107、硅片108的承载及水平向、垂向运动；

同轴镜头106，对对准标记、投影物镜焦面测量标记102、共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c和参考标记107d进行成像，具有掩模对准和测量投影物镜最佳焦面的功能；

基准板107，承载共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c和参考标记107d，提供垂向、水平向测量基准；

共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c，共焦能量探测法基准光阑，其大小影响垂向探测的灵敏度，经过其探测到的相对能量与离焦量相关，如图12所示；

参考标记107d，离轴、同轴镜头对其成像可建立水平向测量基准，抑制温度漂移；

硅片108，承载硅片对准标记、并提供投影曝光图案复制

调焦调平系统109，对硅片表面调平，控制硅片上表面与硅片焦面重合；

离轴对准系统110，对硅片图案对准。

根据本发明较佳实施例，所述投影物镜焦面测量标记102为一维或二维光栅标记，如图9a-图9c所示，其特征尺寸应满足如下关系：

p1≤1.22·λ·M/NA，λ为同轴成像系统的主波长，M为投影物镜的放大倍率，NA为同轴成像系统的数值孔径；

所述共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c为一维或二维光栅标记，如图10a、图10c和图10e所示的标记107a1、107b1、107c结构，其特征尺寸应满足如下关系：

p2≤1.22·λ/NA+Δx，λ为同轴成像系统的主波长，NA为同轴成像系统的数值孔径，Δx为附加的微小偏移量。一条光栅标记可分成错位p3的四部分，如图10b和图10d所示的标记107a2、107b2结构。

共焦标记与参考标记布局如图14a和图14b所示，标记的排布形式并不局 限于此两种，共焦标记和参考标记107d在基准板107上的相对位置不做限制。

请参考图15，图15所示为本发明又一较佳实施例的对准方法流程图。本发明还提出一种对准方法，包括下列步骤：

步骤S210：工件台105带动同轴镜头106到投影物镜103的成像视场范围内，将投影物镜焦面测量标记102a、102b、102c和共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c精确对位(投影物镜焦面测量标记102a与共焦标记107a1、107a2对应使用，投影物镜焦面测量标记102b与共焦标记107a2对应使用，投影物镜焦面测量标记102c与共焦标记107c对应使用)，同轴镜头106探测透过共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c的能量值，垂向运动工件台105搜索能量最大的位置即为最佳成像焦面，并记录工件台垂向位置；

步骤S220：工件台105带动基准板107到调焦调平系统109测量视场范围内，调焦调平系统109对基准板107表面进行测量，以此表面为基准矫正调焦调平系统109内部误差；

步骤S230：调焦调平系统109对硅片108上表面进行测量、调平、并使硅片上表面与投影物镜焦面104重合；

步骤S240：离轴对准系统110对基准板107上的参考标记107d成像，建立水平向测量基准，并对硅片对准标记成像，建立硅片与基准板之间的位置关系；

步骤S250：同轴对准系统106对基准板参考标记107d和掩模版对准标记成像，建立掩模与基准板之间的位置关系，至此建立掩模图案与硅片图案的位置关系，对准完成。

根据本发明较佳实施例，使用同轴镜头106探测投影物镜最佳焦面时，同轴镜头106仅作为一个能量探测器，垂向的测量基准为基准板107上的焦面测量标记107a/b/c，因此同轴镜头106本身的长期漂移不会影响垂向测量结果；同理位移基准板107上的参考标记107d为水平向测量基准，垂向、水平向测量基准统一，可解决由于环境不稳定性带来的垂向、水平向测量误差。

利用共焦能量探测法测量对准传感器的离焦的原理：

如图11所示，掩模版上的投影物镜焦面测量光栅标记102具有P1/2的透光区域，透射光经过投影物镜103将光栅标记102成像到基准板107上表面附近，共焦标记107a1、107a2、107b1、107b2、107c与光栅标记102精确对位，由于P2与P1的尺寸不同，两者有微小的差别Δx，这样在一系列光栅中总能找 到一个水平对准的点，及能量最大点，如图13所示；同理，一条光栅分成错位的四部分，如标记107a2、107b2所示，也是为了平均水平向对位误差或标记的加工误差对测量结果的影响。

同轴镜头106作为能量探测器探测透过基准板投影物镜焦面测量标记后的能量，离焦量Δz与探测到的能量大小成反比，如图12所示。

垂向运动工件台105，用同轴镜头106获取不同垂向位置对应的能量值，最大能量对应的垂向位置即为投影物镜的最佳焦面位置。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。