一种步进式光刻机、其工作方法及图形对准装置与流程

1.本发明涉及光刻技术领域，尤其涉及光刻图形的套刻对准和定位技术领域。


背景技术：

2.微电子学和光电子学的发展引起了集成电路芯片、集成光学芯片的高速发展。这些产业成为现代计算机、显示屏乃至整个信息产业核心器件和芯片的基础。当前，现代芯片工业的技术节点已经达到了5纳米甚至更小。
3.制造芯片这样的微纳米器件离不开光刻技术。光刻技术包括普通光学光刻技术，深紫外/极紫外光刻技术，电子束光刻技术、离子束光刻技术等。借助这些关键光刻技术才能制造出精细的光刻图形以至包罗万象的微纳米器件结构，例如集成电路芯片和光电集成芯片。
4.现有的光学光刻系统，包括深紫外光学光刻机和极紫外光学光刻机已经广泛地应用于工业型芯片制造和mems制造等领域。由于晶圆越来越大，目前12英寸直径的晶圆已经普及，正在朝着更大尺寸的晶圆发展。任何系统都无法一次性将整个晶圆曝光。一般的做法是依次曝光晶圆上的一个一个晶片区域(die)。一个晶片区域曝光完毕后，晶圆通过晶圆工作台的移动，移动到近邻的下一个晶片区域并进行套刻对准，而后曝光。这里对准是指本次曝光的图形必须同晶片区域上的已经有的图形垂直对准(即套刻对准)以后才能进行本次的光刻曝光。其对准的精度即套刻精度至少不能亚于晶片区域上电路图形的最小尺寸数倍。该尺寸目前在5－10纳米左右。用于制作掩模板的多束电子束光刻机比如奥地利高科技公司ims公司mbmw-101系列，可以用于5纳米节点掩模板制作，其套刻对准精度在5纳米以下。荷兰极紫外光学光刻机asml公司的光刻机系列twinscan3400b和4300c用于5纳米技术节点，其套刻精度分别为2.5纳米和1.5纳米。下一步芯片结构尺寸就要进入3纳米数量级。所以面对晶片区域曝光的光刻机的套刻对准定位精度必须要求在1纳米或者1纳米以下。面对这么高要求的晶片区域的套刻精度，目前没有相关的定位技术，所以新技术必须发明出来。
5.对晶圆工作台定位精度极高的要求难以实现还来源于光刻工艺的一个特点，也是一个巨大的缺点，即是晶圆在曝光前涂布了一层光敏层在晶圆上。在光刻技术中，光刻图形将通过曝光被转移到光敏层，然后光敏层上的光刻图形通过刻蚀工艺转移至晶圆。需要注意的是晶圆上的光敏层作为覆盖晶圆的上表面，这个上表面由于“怕光”使得电子束或光子束无法在曝光前通过辐照(即是曝光)来作表面观察，更无法穿透光敏层获得光敏层下面的晶圆的图形。所以即将曝光的图形无法同光敏层下面晶片区域图形形成套刻对准，即光刻机只能“盲人操作”，移动晶圆工作台然后光束“盲人操作”曝光。导致晶圆曝光的定位不准确，套刻误差较大。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种光刻图形对准装置，所述装置位于一光
刻机机体内，包括：
7.一晶圆工作台，用于承载待处理晶圆，所述晶圆包括若干晶片区域和晶片区域外围的场外区域，所述晶圆表面设置光敏层，所述光敏层设有三维标记，所述三维标记具有与所述光敏层的上表面不在同一水平面的区域；
8.纳米针尖传感装置，包括一针尖传感头，所述针尖传感头位于所述光敏层的上方，用于在扫描区域内移动扫描并确定该扫描区域内三维标记的坐标；
9.曝光束发生装置，用于提供晶片区域曝光所需的曝光束，并在所述光敏层上形成投影曝光区；
10.位移驱动装置，用于根据所述针尖传感头测得的三维标记坐标调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与待曝光晶片区域对准。
11.可选的，所述装置还包括一计算机控制系统，所述计算机控制系统用于接收纳米针尖传感装置测得的三维标记坐标并与该三维标记的基准坐标进行比较，得到两个坐标的差值，所述计算机控制系统用于将该差值传递至所述位移驱动装置，并控制所述曝光束发生装置和/或所述晶圆工作台相互移动以补偿所述差值。
12.可选的，所述基准坐标为所述三维标记预设的位置坐标，当所述三维标记位于该预设位置时，待曝光晶片区域与所述投影曝光区对准，所述基准坐标预先存储于所述计算机控制系统内。
13.可选的，所述基准坐标为所述纳米针尖传感装置对所述三维标记在该晶片区域曝光前测得的坐标与为实现下一片需要曝光的晶片区域与投影曝光区对准理论上晶圆要移动的距离合并后在所述扫描区域内对应的坐标，理论上晶圆在横向和纵向要移动的距离预先存储于所述计算机控制系统内。
14.可选的，所述光敏层上的三维标记包括设置在光敏层下方的底层对准标记在光敏层上对应形成的三维标记和/或由曝光束在光敏层表面曝光后形成的辐照诱导光敏层改性(iirc)形成的三维立体图案。
15.可选的，所述底层对准标记在光敏层上对应形成的三维标记位于所述晶片区域内或者相邻晶片区域之间的场外区域内。
16.可选的，所述底层对准标记包括在晶圆第一次曝光前制作到晶圆衬底表面上的标记和/或在后续曝光工序中设置在所述光敏层下方的标记。
17.可选的，所述三维标记的高度大于所述光敏层的表面粗糙度。
18.可选的，所述三维标记的坐标包括晶圆的横向位置坐标、纵向位置坐标以及周向位置坐标。三维标记的周向位置坐标指三维标记在圆周方向的坐标，即三维标记的图形在圆周方向上的角度坐标。
19.可选的，所述光敏层上设置两个或两个以上三维标记。
20.可选的，所述三维标记具有一定的图形特征，所述图形特征包括至少一个点状特征，所述点状特征与所述光敏层的上表面位于不同的水平面内。
21.可选的，所述图形特征还包括与所述点状特征相连的棱线特征，所述棱线特征与所述光敏层的上表面不完全位于同一平面内。
22.可选的，所述三维标记为凸出于或凹陷于所述光敏层上表面的立体结构。
23.可选的，所述立体结构为锥形结构、多边棱形结构、金字塔形结构中的至少一种。
24.可选的，每个晶片区域对应至少一个三维标记，所述三维标记位于所述晶片区域内或该晶片区域周围的场外区域内，所述三维标记的基准坐标预先存储于计算机控制系统内。
25.可选的，部分晶片区域未设置对应的三维标记，该晶片区域根据针尖传感头测得的前一个完成曝光的晶片区域内的立体图案三维标记实现与所述投影曝光区对准。
26.可选的，未设置对应三维标记的晶片区域与设置有对应三维标记的晶片区域间隔设置。
27.可选的，所述曝光束发生装置上设置定位标记发生装置，所述定位标记发生装置在晶片区域曝光的同时在晶圆区域外围形成一立体定位标记，针尖传感头根据该立体定位标记对待曝光晶片区域的位置进行定位校准。
28.可选的，所述三维标记的高度小于等于50微米。
29.可选的，所述针尖传感头为主动式原子力针尖传感头、激光反射式原子力针尖传感头、隧道电子探针传感头或纳米级表面功函数测量传感头中的一种或多种的组合。
30.可选的，所述针尖传感头在大气或真空环境下测量晶圆表面结构，或在浸液环境下将针尖传感头浸入液体中测量晶圆表面结构。
31.可选的，对于浸液式光刻，所述三维标记为浸液环境中的三维标记，或者晶片区域同曝光束之外没有浸液环境中相邻晶片区域对应的三维标记。
32.可选的，所述针尖传感头所测的三维标记的表面结构数据是所述三维标记表面结构同所述针尖传感头的针尖结构的数学卷积，所述针尖传感头在对三维标记进行测量前进行所述针尖结构的测量和校准。
33.可选的，所述纳米针尖传感装置还包括微悬臂，所述微悬臂一端固定，一端设置所述针尖传感头。
34.可选的，所述纳米针尖传感装置包括一个或一个以上的针尖传感头，所述针尖传感头通过所述微悬臂固定在所述曝光束发生装置的一侧或两侧。
35.可选的，所述曝光束发生装置包括设置在所述晶圆上方的投影物镜组，所述一个或一个以上的针尖传感头通过微悬臂固定在所述投影物镜组的一侧或两侧。
36.可选的，所述晶圆工作台包括移动部分和固定部分，所述针尖传感头通过所述微悬臂与所述固定部分相连接。
37.可选的，所述纳米针尖传感装置包括两个或两个以上的针尖传感头，其中一个或一个以上的所述针尖传感头固定在所述晶圆工作台的固定部分上，一个或一个以上的所述针尖传感头固定在所述曝光束发生装置的侧边。
38.可选的，所述纳米针尖传感装置包括两个或两个以上的针尖传感头，若干所述针尖传感头通过一连接件固定在所述曝光束发生装置的一侧或两侧，若干所述针尖传感头之间的相对距离固定。
39.可选的，所述纳米针尖传感装置包括三个或者三个以上的针尖传感头，所述针尖传感头通过连接件固定在晶圆工作台的固定部分上和/或通过连接件固定在曝光束发生装置上，所述针尖传感头位于不同直线上，以确定晶圆同曝光束之间是否垂直。
40.可选的，每个所述针尖传感头测试其位置对应的晶圆表面或者光敏层表面到曝光束发生装置的距离，根据测得的距离相同与否判断晶圆与曝光束是否垂直，并通过计算机
控制系统驱动所述晶圆工作台调节至所述晶圆同曝光束垂直。
41.可选的，所述纳米针尖传感装置包括多个通过连接件固定的针尖传感头，所述多个针尖传感头根据所述晶片区域的分布横向设为一排，形成一横向针尖传感头阵列。
42.可选的，所述横向针尖传感头阵列一端设置纵向分布的至少一针尖传感头，形成一l形针尖传感头阵列。
43.可选的，所述横向针尖传感头阵列两端分别设置纵向分布的针尖传感头，形成一u形针尖传感头阵列。
44.可选的，所述相邻两针尖传感头之间的距离大于等于一个晶片区域的横向宽度。
45.可选的，所述位移驱动装置包括晶片区域切换驱动装置和纳米位移驱动装置。
46.可选的，所述晶片区域切换驱动装置与所述晶圆工作台的移动部分相连，用于带动待曝光晶片区域依次暴露于所述投影曝光区下方。
47.可选的，所述晶圆工作台的移动部分还包括精密移动装置，所述纳米位移驱动装置为所述精密移动装置。
48.可选的，所述纳米位移驱动装置与所述曝光束发生装置和/或所述晶圆工作台的精密移动装置相连，用于控制所述曝光束发生装置和/或所述晶圆工作台在横向和/或纵向和/或周向移动。
49.可选的，所述纳米位移驱动装置驱动所述曝光束发生装置和/或所述精密移动装置移动的工作原理为压电原理、音圈驱动原理或者电磁驱动原理中的至少一种。
50.可选的，所述曝光束发生装置发出的曝光束为光束、电子束、离子束或原子束的至少一种。
51.可选的，所述曝光束发生装置为光束发生装置，所述光束发生装置包括光源、光闸、光束偏转片/反射镜,掩模板和投影物镜组，所述纳米位移驱动装置与所述光束偏转片/反射镜,所述掩模板和所述投影物镜组的至少之一相连，以调整所述光束发生装置的投影曝光区位置。
52.可选的，所述至少一针尖传感头固定在所述投影物镜组的至少一侧。
53.可选的，所述光束为平行光束或者高斯型光束。
54.可选的，所述光束的整形、聚焦系统可以由光学透镜组成，也可以由光学反射镜组成。
55.可选的，所述晶圆包括完整晶圆、部分晶圆，或者需要光刻曝光处理的非晶圆物质。
56.进一步的，本发明还公开了一种步进式光刻机，用于对晶圆内多个晶片区域实现重复曝光，所述光刻机内设置如上文所述的光刻图形对准装置。
57.进一步的，本发明还公开了一种步进式光刻机的工作方法，所述方法包括：
58.准备步骤，在晶圆上设置至少一底层对准标记，并在所述待处理晶圆上涂覆光敏层，所述底层对准标记在所述光敏层上对应形成三维标记；
59.对准步骤，将准备步骤中设有三维标记的晶圆置于上文所述的光刻机内，所述光刻机内靠近晶圆设置一投影物镜组，所述投影物镜组在晶圆上对应一投影曝光区，驱动所述晶圆工作台将待曝光的第一晶片区域置于所述投影物镜组下方；利用所述针尖传感头在一定扫描区域内对光敏层进行扫描，获得第一三维标记的位置坐标，将所述第一三维标记
的位置坐标与该第一三维标记的基准坐标比较，获得两个位置坐标的差值；所述位移驱动装置根据两个位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第一晶片区域对准；
60.曝光步骤，所述光束发生装置发出曝光束到所述晶圆的第一晶片区域，实现所述第一晶片区域的曝光。
61.可选的，完成第一晶片区域的曝光后，将所述第二晶片区域置于所述投影物镜组的下方，所述针尖传感头扫描所述第一三维标记移动后的位置坐标并与该第一三维标记移动后的基准坐标进行比较得到两个位置坐标的偏差，所述位移驱动装置根据所述位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第二晶片区域对准，并实现所述第二晶片区域的曝光。
62.可选的，所述第一三维标记移动后的基准坐标为第一晶片区域曝光时所述第一三维标记的位置坐标与为实现下一片需要曝光的晶片区域与投影曝光区对准，晶圆理论上横向和纵向要移动的距离合并后在所述扫描区域内对应的坐标。
63.可选的，所述投影物镜组两侧分别设置至少一所述针尖传感头，或者所述投影物镜组一侧设置一针尖传感头，且所述针尖传感头的扫描宽度大于一待曝光晶片区域的宽度。
64.可选的，完成第一晶片区域的曝光后，将所述第二晶片区域置于所述投影物镜组的下方，所述针尖传感头扫描第二三维标记位置坐标并与该第二三维标记的基准坐标进行比较得到两个位置坐标的偏差，所述位移驱动装置根据所述位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第二晶片区域对准，并实现所述第二晶片区域的曝光，所述第二个三维标记的基准坐标预先存储于所述计算机控制系统内。
65.可选的，所述第一三维标记靠近所述第一晶片区域设置，和/或所述第二三维标记靠近所述第二晶片区域设置。
66.可选的，完成第一晶片区域的曝光后，将所述第二晶片区域置于所述投影物镜组的下方，所述针尖传感头扫描所述第一晶片区域曝光后光敏层上形成的立体图案的图形和坐标并与该立体图案预设的图形和坐标进行比较得到两个立体图案位置的差值，所述位移驱动装置根据所述位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第二晶片区域对准，并实现所述第二晶片区域的曝光。
67.可选的，所述纳米针尖传感装置固定在所述投影物镜组的一侧或两侧，并与所述投影物镜组之间的位置相对固定。
68.本发明的光刻图形对准装置可以针对的光刻技术是深紫外和极紫外光刻机等，例如是紫外步进式重复曝光光刻机(stepper)。其特点是光束通过掩模板形成曝光图形，辐照到涂附光敏层的晶圆上。每次对准和曝光一个晶片区域，通过晶圆工作台的移动去对准和曝光另一个晶片区域，最后把晶圆上的晶片区域全部曝光完毕。当然本发明同样可以适用于电子束/光子束直写的光刻机。
69.本发明在晶圆表面设置三维标记，通过对晶圆的一次测量，即可把这些三维标记同各个晶片区域的坐标关系固定下来，以至于以后只要测量这些三维标记即可定位晶片区域的准确坐标位置。如果晶圆在比较长的时间段内通过精确的温度控制没有由于热胀冷缩
等原因产生形变，这些坐标间的定位可以容易地精确到单纳米级。
70.第一次测量这些三维标记以及晶片区域的位置，即是测定了晶圆相对于晶圆工作台的相对偏差，尤其是晶圆工作台移动时晶圆是否需要转动来调整晶圆工作台移动同晶圆上晶片区域阵列的平行度。
71.不同于电子束可以通过扫描电子显微镜来观察和测量晶圆表面的图形，光子束光刻机(深紫外光刻机和极紫外光刻机)由于所用曝光的光子波长不允许其对晶圆图形的测量达到纳米级的分辨率，所以光子束无法参与单纳米及其以下尺寸精度的对准定位。而利用本发明的技术方案可以使得光子束光刻机的定位准确度到纳米及亚纳米级别。
72.三维标记离正要曝光的晶片区域越近，则用于晶片区域的对准精度越高。三维标记设定在晶片区域之间或者晶片区域内部，这个对于步进式重复曝光光刻机就属于这种类型。假如设置在晶片区域内部的三维标记能做到小至几个纳米到几百个纳米，由于其占用的面积很小就会非常实用，则即使在晶片区域内制作三维标记也不会影响到晶片区域成品率问题。
73.本发明采用能够感知三维纳米级结构的测量技术，比如使用针尖传感头传感技术实现亚纳米级的三维形貌测量技术(亚纳米级的原子力三维形貌测量技术)，则纳米级的三维标记可以通过针尖传感头传感技术测量而起到纳米级坐标作用。在光敏层和晶圆表面的三维标记可以用来作为对准标记，比如测量三维标记的峰值位置或者凹处位置，就可以确定一个精准的对准坐标。晶圆表面的凹凸结构一般都会引起覆盖其上面的光敏层表面跟随形成凹凸结构，即定位能够垂直穿透，这样覆盖光敏层的表面由于其凹凸结构和位置就可以被测量到。本发明采用的针尖传感头传感技术可以使得光学测量达到亚纳米级的测量。
74.本发明除了可以采用上文描述的三维标记对晶圆进行定位，还可以根据辐照诱导光敏层改性的特点进行晶片区域曝光的定位，辐照诱导光敏层改性(iirc:irradiation induced resist change)指的是在光子束或者电子束或者其他粒子束辐照曝光的位置，光敏层的化学和/或物理特性产生了变化。化学变化包括光子束/电子束引起光敏层表面化学反应，导致被辐照的光敏层部分从不溶解的状态变化为显影时溶解(正胶)，或者溶解状态通过曝光反应成不能溶解(负胶)。光子束/电子束曝光也会引起的光敏层的物理变化，包括光敏层表面微小的几何尺寸的变化，比如在亚纳米量级或纳米量级上膨胀或者萎缩形成凹凸结构。当光子束/电子束曝光将曝光图形信息转移到光敏层上时，光敏层上的凹凸结构变化也就产生了。这种变形可以通过针尖传感头(高度敏感传感头)在亚纳米尺度上探测而感知。
75.本发明的优点在于：
76.1、为光刻机提供一种全新的能以亚纳米级精度测量晶片区域图形实际位置的技术；
77.2、提供多种纠正曝光光子束/电子束坐标位置相对于晶片区域/写场坐标位置之间纳米级移动的方法和装置；
78.3、提供一种晶片区域超高套刻对准精度的(极)紫外光学光刻机；
79.4、提供光刻机中以闭环控制原理的晶片区域/写场的组合式横向和纵向对准拼接误差矫正然后曝光的方法和装置。
附图说明
80.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将本发明技术方案描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图示出的发明构思获得其他的实施方式均属于本发明保护的范围。
81.图1示出本发明一种光刻图形的对准装置示意图。
82.图2示出一种具体实施方式的光刻机结构示意图。
83.图3示出三维标记在晶圆上的位置示意图。
84.图4a为表面凸出三维标记示意图；图4b为表面凹陷三维标记示意图；图4c为表面凹凸型三维标记示意图，图4d为一种三维标记的立体结构示意图。
85.图5a为辐照诱导光敏层膨胀结构示意图；图5b为辐照诱导光敏层收缩结构示意图。
86.图6示出本发明另一实施例的光刻机结构示意图。
87.图7示出本发明另一实施例的光刻机结构示意图。
88.图8示出本发明一种实施例的多个针尖传感头及晶片区域对应关系的示意图。
89.图9示出了本发明另一种实施例的针尖传感头及晶片区域对应关系的示意图。
90.图10示出了本发明另一种实施例的针尖传感头及晶片区域对应关系的示意图。
具体实施方式：
91.下文将结合附图对本发明的发明构思和技术方案进行详细说明。
92.在步进式重复曝光光刻机领域，一个晶片区域曝光完毕后，晶圆通过晶圆工作台的移动，移动到下一片晶片区域进行套刻对准，而后曝光。目前光刻机的对准主要通过晶圆工作台的精确定位来实现晶圆上的晶片区域同光束投影曝光区的对准。这种对准会带来晶圆工作台移动引起的定位误差。而且不能及时矫正光束偏移带来的对准误差。整个定位过程属于定位前没有坐标测量，定位后也没有坐标测量的开环控制状态。没有实时测量对准误差以及利用对准误差的反馈信息。这个误差一般在几个纳米甚至至几十个纳米。
93.激光晶圆工作台的精度可以通过激光干涉的光波长的高次方处理获得几个纳米的精度。晶圆工作台的驱动装置可以是压电驱动模式甚至是音圈驱动模式等模式。其移动定位精度可以到亚纳米级甚至皮米级。问题是激光干涉测量出来的位置是光程的距离，并不一定是实际晶圆工作台真正需要移动的距离。只要晶圆工作台或者光束周围有一点点微小的温度变化，空气浓度和气压的变化都会引起光程差和实际距离的不一致，从而使得激光测得的距离并非晶圆工作台需要移动的实际距离。而且激光晶圆工作台的多次移动会积累每次移动的误差，从而放大误差。本发明人研究发现：要测量单纳米以及亚纳米的精度，即使使用最精确的激光干涉矫正机制也是非常困难的，即使矫正成功也是偶然的。
94.此外，研究发现，某些深紫外和极紫外光学光刻机，其晶圆同曝光光束之间有激光干涉定位机制，即形成晶圆一边同产生曝光光束相连的光刻机部分,这一边通过激光干涉形成相互定位。这是一种闭环控制系统。在晶片区域上，晶片区域的中间地带设置了光栅结构。激光从曝光光束相连的光刻机部件发射到晶片区域间中间地带的光栅结构上，然后返回到曝光光束相连的光刻机部件方，同发射激光形成干涉，或者同曝光光束一边的光栅形
成双光栅干涉。干涉条纹的移动即对应晶片区域同曝光光束间的相对移动。以此方法实现的定位精度在20纳米甚至几个纳米数量级都是可行的。但一旦进入一纳米，甚至亚纳米级定位时，其干涉条纹的漂移和抖动将极大地影响实际定位的确定。
95.为此，本发明公开了一种能准确对晶圆进行定位，并根据定位结果实现待曝光晶片区域和投影曝光区对准的技术方案。该技术方案可以发现晶片区域的定位误差，而后解决、消除定位误差问题，以实现亚纳米级的对准和套刻。
96.本发明的实施例给出了一种光学光刻机亚纳米级套刻对准的装置和方法，以及在光刻机系统上的应用场景。本发明把晶圆工作台作为光刻机晶圆上的晶片区域同投影曝光区套刻对准的粗定位。而细致的套刻对准定位是在测量了定位误差以后，实施误差的补偿以后进行。在本发明，这个细微的误差补偿可以用亚纳米级位移驱动装置实现，本发明即是解决驱动物件的亚纳米级位移以及对准方法而达到晶圆上的晶片区域同投影曝光区达到亚纳米级套刻对准精度的巨大改进。所述晶圆包括若干晶片区域120和晶片区域周围的场外区域122，晶圆上设置至少一底层对准标记，所述晶圆表面设置光敏层130，所述底层对准标记在光敏层上形成对应的三维标记，所述三维标记具有与所述光敏层的上表面不在同一水平面的区域。本发明所述的三维标记包括预先设置在晶圆上的底层对准标记在光敏层上形成的三维标记，也包括根据辐照诱导光敏层改性的特点在光敏层上形成的立体图案三维标记。
97.图1示出本发明一种光刻图形对准装置的示意图，所述对准装置位于一光刻机机体内，所述光刻机机体内包括：一晶圆工作台100，用于承载待处理晶圆110，本发明涉及的光刻机为步进式光刻机，通过逐步移动晶圆工作台实现对晶圆不同晶片区域依次曝光的目的。晶圆工作台上方设置一纳米针尖传感装置90，该纳米针尖传感装置包括至少一个针尖传感头91，所述针尖传感头位于所述光敏层的上方，通过在一定扫描区域内移动扫描并确定该区域内三维标记和/或晶片区域上形成的立体图案三维标记的坐标。
98.晶圆的上方设置曝光束发生装置300，曝光束发生装置用于提供晶片区域曝光所需的曝光束，所述曝光束在晶圆上形成投影曝光区；除此之外，本发明的对准装置还包括位移驱动装置400，用于根据所述纳米针尖传感装置测得的三维标记坐标调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与待曝光晶片区域对准。
99.图1所示的光刻图形对准装置还包括一计算机控制系统200，计算机控制系统200用于接收纳米针尖传感装置测得的三维标记坐标并将该三维标记坐标与一基准坐标进行比较，得到两个坐标在横向、纵向或周向上的位移差，两个坐标在周向上的位移差指三维标记在圆周方向的位移差。所述计算机控制系统用于将该位移差传递至所述位移驱动装置400，所述位移驱动装置400使得所述曝光束发生装置和/或所述晶圆工作台进行相应移动以减少同一晶片区域前后两次曝光的误差。
100.本发明所述的基准坐标为各个三维标记预先存储在计算机控制系统中的在一定扫描区域内的坐标，或者为所述纳米针尖传感装置对所述三维标记在该晶片区域曝光前测得的坐标与为实现下一片需要曝光的晶片区域与投影曝光区对准理论上横向和纵向要移动的距离合并后在所述扫描区域内对应的坐标，理论上横向和纵向要移动的距离预先存储于所述计算机控制系统内，如果所述三维标记为由于辐照诱导光敏层变性(iirc)而产生的光敏层表面立体图案，所述三维标记的基准坐标为已经曝光的晶片区域的立体图案预先存
储在计算机控制系统内在扫描区域内的图形和坐标等参数。
101.本发明所述的曝光束发生装置发出的曝光束为光束、电子束、离子束或原子束的至少一种，本发明主要以光学光刻机为例进行介绍。
102.图2示出一种具体实施方式的光刻机结构示意图，具体为一种亚纳米级步进式重复曝光光学光刻机原理图。其光学光刻机系统主要由以下部分组成：
103.光束发生装置，包括光源10、光闸20、光束整形系统30、光束偏转片或反射镜40、整形透镜组50、掩模板工件台60及投影物镜组70。光刻机计算机控制系统200可以控制光闸20，并决定光源的曝光时间。
104.晶圆工作台100，用于承载待处理晶圆110，晶圆包括若干晶片区域120，晶圆上设置若干三维标记(后文详细描述)。晶圆工作台100包括移动部分和固定部分，其中移动部分包括晶片区域切换驱动装置105和精密移动装置106，晶片区域切换驱动装置的固定部分104位于晶片区域切换驱动装置105下方，用于承载晶片区域切换驱动装置105并驱动晶圆步进式移动以将不同晶片区域依次暴露于光束发生装置下方。计算机控制系统200与控制晶圆工作台精确移动的晶片区域切换驱动装置105相连，用于驱动晶圆步进式移动以实现所有晶片区域的曝光。晶片区域切换驱动装置具有较大位移范围，晶片区域切换驱动装置为通常微米级别以上的移动距离，目前部分较为精密的晶片区域切换驱动装置的移动可以控制在10纳米以至于到2.5纳米的定位精度。精密移动装置106位于固定装置107的上方，固定装置107置于晶片区域切换驱动装置105的上方，精密移动装置106可以对晶圆在横向、纵向或周向的位置进行亚纳米级别的微调，精密移动装置的设置可以降低晶圆定位对晶圆工作台移动的精确度的依赖，从而允许使用一台移动定位精度较低的晶圆工作台。例如，一台定位精度要求为1纳米的晶圆工作台就可以用一台定位精度1000纳米的晶圆工作台来取代，大大降低了晶圆工作台成本。
105.纳米针尖传感装置90，包括针尖传感头91和92和连接针尖传感头的微悬臂91a和92a，针尖传感头位于所述晶圆的光敏层上方，用于在一定扫描区域内扫描并确定该区域内三维标图记的坐标，并将获得的信号传输到计算机控制系统200内与基准坐标进行比对。纳米针尖传感装置可以固定在靠近晶圆，但不影响曝光束定位的部件上，本实施例中，针尖传感头91和92固定在投影物镜组70的镜头侧边。针尖传感头随着光子束一起移动，当然针尖传感头也随着光子束一起漂移。这样的好处是针尖传感头的微悬臂可以制作得非常短，从而提高针尖传感头表面三维测量的分辨率。
106.在图2所示的光刻机结构示意图中，固定在光束投影物镜组70边上的针尖传感头91和92分别置于光束投影物镜组的两边，即每边一个或者一排，形成能够覆盖到晶片区域的投影曝光区两边区域进行测量的情况。即每个或每排针尖传感头对应投影曝光区晶片区域的两边，可以测量晶片区域两边的晶片区域间场外三维标记。每一个或者每一排的针尖传感头都是固定在光束投影物镜组上面，以至于它们相互间的距离是固定的。故相互间的坐标也是固定的。晶片区域两边设置针尖传感头，其好处是大大减小每个针尖传感头的扫描范围，即只需扫描各自晶片区域中间地带，而无需跨越整个晶片区域从一头的晶片区域间中间地带扫描到晶片区域另一边的晶片区域间中间地带。从而大大提高了针尖传感头扫描的线性度和定位精度。
107.位移驱动装置400包括驱动晶片区域步进式切换的晶片区域切换驱动装置105和
纳米位移驱动装置420。纳米位移驱动装置420与计算机控制系统200相连，根据纳米针尖传感装置90测得的底层对准标记的坐标，控制光束发生装置和/或所述晶圆工作台位置微调，实现待曝光晶片区域与光束发生系统发出的曝光束套刻对准并完成曝光。本实施例中，纳米位移驱动装置420可以选择性的驱动反射镜40、整形透镜组50、掩膜板60、投影物镜组70或晶圆工作台100的至少之一移动，实现投影曝光区和待曝光晶片区域的微调对准。
108.本实施例中，在掩模板工件台60上安装纳米位移驱动装置61以实现横向移动掩模板，或者在光学投影物镜组70周围安装能推动横向移动透镜镜头的纳米位移驱动装置71，或者横向移动光子束/电子束或者偏转装置40的纳米位移驱动装置41。上述纳米位移驱动装置任意选择之一即可实现对投影曝光区的位置微调，可选地，也可以在上述部件上设置一个以上的纳米位移驱动装置。
109.为了实现在晶圆上设置三维标记，从而用晶圆上的三维标记来实现晶圆的待曝光晶片区域与投影曝光区的对准，需要在晶圆上设置合适的三维标记。如下将进行详细说明。
110.图3为预先设置的三维标记在晶圆上的位置示意图。晶圆110包括曝光形成立体图案的晶片区域120和设置在晶片区域外围的场外区域122。三维标记可以设置在晶片区域内，该三维标记称为场内三维标记1201，也可以设置在场外区域内，此三维标记称为场外三维标记1221，场外三维标记可以设置在相邻晶片区域之间的中间地带或设在晶圆边缘区域内。场外三维标记的好处是即使对这些标记进行一些破坏性处理也不会影响晶片区域成品率。这些标记可以被光子束/电子束曝光用作对准坐标标记，可以用光子束/电子束反复“观察”之，即曝光。
111.场内三维标记1201包括在晶片区域内第一道加工工序前就预先设置的纳米级三维标记，也可以是晶圆上涂有光敏层在光束曝光后在晶片区域表面的光敏层产生的立体图案三维标记。场内三维标记1201可以做到小至几个纳米到几百个纳米，由于其占用的面积很小，因此，即使在晶片区域内制作标记也不会影响到晶片区域成品率问题。
112.通过对晶圆的一次测量，即可把这些三维标记同各个晶片区域的坐标关系固定下来，以后只要测量这些三维标记即可定位晶片区域的准确坐标位置。假设晶圆在比较长的时间段内通过精确的温度控制没有由于热胀冷缩等原因产生形变，这些坐标间的定位可以容易地精确到单纳米级或亚纳米级。
113.第一次测量这些三维标记以及晶片区域的位置，即是测定了晶圆相对于晶圆工作台的相对偏差，尤其是晶圆工作台移动时晶圆是否需要转动来调整晶圆工作台同晶圆上晶片区域阵列的平行度。计算机控制系统200通过晶片区域的场外三维标记和场内三维标记控制着光刻机每一个部件并通过预设的控制方法以实现晶片区域的亚纳米级纵向套刻对准并曝光。
114.三维标记离正要曝光的晶片区域越近，则用于晶片区域的对准精度越高。晶片区域之间的三维标记1221设定在晶片区域之间。这种三维标记的设置适用于步进式重复曝光光刻机。然而对于非掩模板类型的直写的光子束/电子束光刻机，曝光的写场间实际上有很多情况是不允许留出空间的。光栅或者菲涅尔透镜就是例子。
115.本发明利用能够感知三维纳米级结构的测量技术，如使用针尖传感头传感技术可以实现亚纳米级的三维形貌测量技术(亚纳米级的原子力三维形貌测量技术)，本发明在晶圆上设置三维标记，该三维标记通过针尖传感头传感技术测量实现坐标定位。光敏层和晶
圆表面的三维标记可以用来作为对准标记，比如测量三维标记的峰值位置或者凹处位置，就可以确定一个精准的对准坐标。晶圆表面的凹凸结构一般都会引起覆盖其上面的光敏层表面跟随形成凹凸结构，即定位能够垂直穿透，这样覆盖光敏层的表面由于其凹凸结构就可以被测量到。
116.本发明所述的晶圆包括若干晶片区域，所述晶片区域内部或所述晶片区域周围设置至少一底层对准标记，所述晶圆表面设置光敏层，所述底层对准标记在所述光敏层上形成对应的三维标记，所述三维标记具有与所述光敏层的上表面不在同一水平面的区域。
117.图4a、图4b和图4c分别示出在晶圆上设置三维标记的具体实施方式。
118.图4a示出一种凸形三维标记示意图，首先，在晶圆上通过沉积等方法设置一个以上的底层对准标记凸起45a(hamw)，就是这种预置的纳米级底层对准标记，然后在晶圆上方设置光敏层，由于光敏层具有一定的流动性，且质地较软，该底层对准标记凸起45a(hamw)会在光敏层上表面形成一对应的凸起结构46a(hamr)，该凸起结构即为本发明所述的三维标记。若光敏层厚度在10纳米至100纳米之间，在晶圆底层对准标记45a(hamw)上面的光敏层表面层也会跟随变成一个三维标记。这个三维标记的高度相应地可以在几个纳米到几十个纳米，通常小于100纳米，准确地给出了其在光敏层表面作为三维标记的位置。这个位置在垂直方向上完全等同于垂直下方的晶圆底层对准标记的位置。以这种方法，我们可以准确地确定晶圆图形的横向坐标，重要的是这个横向坐标可以设置在晶片区域(写场)内。设置了这些三维标记能够决定对准的精确度，以至于对准不依赖于晶圆工作台移动的精确度。从而允许使用一台移动定位精度低的晶圆工作台。例如，一台定位精度要求为1纳米的晶圆工作台就可以用一台定位精度1000纳米的晶圆工作台来取代，大大降低了晶圆工作台成本。
119.本发明所述的三维标记与光敏层至少有部分区域位于不同的水平面上，例如在本实施例中，该三维标记46a具有凸出于所述光敏层的尖状凸起，当设有该三维标记的晶圆置于本发明的光刻机内时，纳米针尖传感装置的针尖传感头在一定扫描区域内扫描，由于针尖传感头的尖端原子与晶圆表面原子间存在极弱的排斥力，微悬臂将对应于针尖传感头与晶圆表面原子间作用力的等位面而在垂直于晶圆表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得晶圆表面形貌的信息。本发明中，利用三维标记具有尖状凸起，该尖状凸起到针尖传感头的距离与光敏层上表面到针尖传感头的距离不同，实现针尖传感头扫描时对三维标记的定位。为了准确识别三维标记的坐标，本发明设置的三维标记的高度大于所述光敏层的表面粗糙度，一种可选的高度为小于等于50微米。
120.图4b示出晶圆表面的三维标记为凹陷部的结构示意图，为实现图4a所示的三维凸起结构需要在晶圆上附加材料。相比之下，晶圆通过刻蚀形成反向的三维“突出”结构45b，即凹陷结构，其优势为无需在晶圆上沉积附加材料，而是“挖”走了现有晶圆的材料，比制造三维凸出结构容易。根据上文描述，光敏层上对应形成凹陷的三维标记46b，由于针尖传感头原子力显微镜能够测量整个三维结构，即使三维结构的坑在其尖尖处有几个纳米大小，但结构所有的三维形貌信息可以将定位提高到单纳米量级水平。
121.图4c为通过刻蚀技术刻蚀出的晶圆表面的纳米级凹凸型三维标记结构示意图。其优势为无需增加其他材料沉积在晶圆上，也可以获得三维凸出结构作为纳米级三维标记，
该实施例中晶圆上的底层对准标记45c包括一个以上的点状结构，对应光敏层上的三维标记46c也具有一个以上的点状结构，使得针尖传感头实现更为精确的定位。
122.为了实现一个三维标记即可准确定位晶圆坐标，本发明描述的三维标记可选的具有一定的图形特征，所述图形特征除了包括至少一个点状特征44，还包括与所述点状特征相连的棱线特征43，所述点状特征和棱线特征与所述光敏层的上表面不完全位于同一平面内。图4d示出一种立体棱形结构示意图，该棱形结构通过增加若干条与光敏层位于不同水平面内的棱线特征43，增大了三维标记的可探测面积，提高了三维标记的定位准确性。
123.上述实施例在晶圆表面预置突出或凹陷的纳米三维结构，比如一个微型圆锥体，一个微型金字塔或者一个微型针尖传感头等。其直径尺度在几个纳米至几十个纳米，通常小于100纳米。这些微型结构可以通过等离子体刻蚀技术或者电子束诱导沉积技术(ebid)实现。
124.本发明在晶圆上可以设置多个三维标记，一种可选方式为，每个晶片区域对应设置至少一个三维标记，该三维标记可以为设置在晶片区域内部的场内三维标记，也可以为设置在晶片区域周围的场外三维标记，该晶片区域周围包括两横向相邻或两纵向相邻的晶片区域之间的场外区域，或者晶圆的边缘与晶片区域对应的场外区域等，可选的，每个晶片区域对应的三维标记坐标与其晶片区域的相对位置固定。上文描述的图4a-4d示出的三维标记为在晶圆上设置绝对位置的三维标记，除此之外，还可以通过光敏层的特性，根据曝光后的特定光敏层形状，利用针尖传感头传感技术对晶圆进行定位。通过相对标记的位置定位提高晶片区域的套刻精度。
125.上文所述底层对准标记包括在晶圆第一次曝光前即制作到晶圆表面上的标记，也包括在后续曝光工序中设置在所述光敏层下方的标记，考虑到三维标记在图形转移过程中可能发生的损耗导致三维标记的点状特征和棱线特征减弱，当进行一定步骤的工序后，可以重新制作底层对准标记，以提高后续光敏层表面三维标记定位的准确度。
126.图5a示出一种辐照诱导光敏层改性(iirc:irradiation induced resist change)图案示意图，辐照诱导光敏层改性指的是在光子束或者电子束或者其他粒子束辐照曝光的位置，光敏层的化学和/或物理特性产生了变化。化学变化包括光子束/电子束引起光敏层表面化学反应，导致被辐照的光敏层部分从不溶解的状态变化为显影时溶解(正胶)，或者溶解状态通过曝光反应成不能溶解(负胶)。光子束/电子束曝光也会引起的光敏层的物理变化，包括光敏层表面微小的几何尺寸的变化，当光子束/电子束曝光将曝光图形信息转移到光敏层上时，光敏层上的凹凸结构变化也就产生了。比如曝光区域在亚纳米量级或纳米量级上膨胀，相对于未曝光区域48a，形成凸出区域47a，参见图5a；或者曝光区域萎缩形成凹陷结构，参见附图5b，形成凹陷区域47b和未曝光区域48b，针尖传感头传感技术可以通过测量凸出区域47a和凹陷区域47b实现对某一晶片区域的定位。这种变形可以通过针尖传感头(高度敏感传感头)在亚纳米尺度上探测而感知。
127.为了保证利用图5a和图5b所示的iirc标记定位的准确度，可以在晶圆边缘设置若干个三维标记，如设置三个及以上的三维标记，并通过此三维标记确定整个晶圆的位置。然后通过针尖传感头测量和定位晶圆的绝对位置。这里可以使用多个针尖传感头的组合，比如可以用一个线性的多个针尖传感头阵列来传递这些位于晶圆边缘的绝对的三维标记的坐标到晶圆的中间。线性针尖传感头阵列大大扩大了针尖传感头无误差地测量晶圆的范
围。一维线性针尖传感头阵列上针尖传感头之间的相互距离是固定的。针尖传感头的移动通过线阵列两端的压电位移或音圈驱动系统将线阵列统一移动。所以针尖传感头之间的相对坐标位置不变。
128.除了可以利用晶片区域自身曝光产生的立体图案三维标记对后一片晶片区域的曝光进行对准外，还可以在所述曝光束发生装置上设置定位标记发生装置(图中未示出)，所述定位标记发生装置在晶片区域曝光的同时在晶圆区域外围形成一立体定位标记，针尖传感头根据该立体定位标记对待曝光晶片区域的位置进行定位校准。例如，在光学光刻机系统中，可以在掩膜板的正常图形外围设置一个及以上的定位标记发生装置，对一片待曝光晶片区域曝光时，晶片区域边缘同时曝光一立体定位标记，该立体定位标记可选地位于两片晶片区域之间，以减少针尖传感头的扫描区域，提高定位的效率。在进行下一片晶片区域的曝光时，计算机控制系统200根据针尖传感头扫描到的前一片晶片区域对应的立体定位标记的坐标，利用纳米位移驱动装置将待曝光晶片区域和投影曝光区进行对准。
129.图6示出本发明另一实施例的光刻机结构示意图，在该实施例中，纳米针尖传感装置设置在晶圆工作台100上，晶圆工作台100包括移动部分和固定部分，所述针尖传感头93和94分别通过所述微悬臂93a和94a与所述固定部分相连接。
130.本实施例的对准方法为首先测得晶片区域间设置的三维标记，和/或者测得晶片区域在曝光前的晶片区域内图形结构和坐标位置。然后曝光，晶片区域切换驱动装置105驱动晶圆工作台110横向移动，腾出投影曝光区给下一个晶片区域用于曝光，同时移动也带来写场移动误差。通过针尖传感头测得晶圆工作台移动后带来的晶片区域外和/或晶片区域内表面上的三维标记新的坐标值，即可同原来三维标记的坐标值作对比而给出晶片区域移动误差xy坐标(以及xy平面角度)应该的移动量。这个量可以给晶圆工作台作为重新定位，也可以给影响光子束的物件如掩模板或投影物镜组以移动数个纳米。本实施例中，由于针尖传感头传感技术设置在晶圆工作台上，因此可以方便地测量晶圆边缘区域的三维标记，由于晶圆边缘区域的三维标记之间的距离较大，只需要通过数个三维标记即可确定整个晶圆的准确位置。
131.该方法和装置的问题是晶圆工作台尺寸大，一般要200毫米以上。这样连接针尖传感头同固定针尖传感头基座的微悬臂就会很长。很长的微悬臂可能会降低针尖传感头表面三维测量的分辨率，因此可以对本实施例进行改进。
132.图7示出本发明另一实施例的光刻机结构示意图，在该实施例中，纳米针尖传感装置结合了图2和图6中固定位置的特点。一组针尖传感头93和94固定在晶圆工作台上，另一组针尖传感头91和92则固定在光子束一边，如投影物镜组两侧。这样的好处是能够准确测量待曝光晶片区域对应的场外三维标记的坐标，同时能只需要通过数个三维标记即可确定整个晶圆的准确位置。
133.图8示出本发明一种实施例的多个针尖传感头及晶片区域对应关系的示意图，通过多个针尖传感头测量和确定每个晶片区域的坐标位置。该实施例中，所述多个针尖传感头91，92，
……
9n通过连接件140固定连接，并根据所述晶片区域的分布横向设为一排，形成一横向针尖传感头阵列。根据前文描述，在准备步骤中，待处理晶圆上设置至少一底层对准标记，且所述底层对准标记在所述光敏层上对应形成三维标记；对晶圆进行曝光时，将准备步骤中设有三维标记的晶圆置于上文所述的光刻机内，所述光刻机内靠近晶圆设置一投影
物镜组70，所述投影物镜组在晶圆上对应一投影曝光区，驱动所述晶圆工作台的晶片区域切换驱动装置105将待曝光的第一晶片区域置于所述投影物镜组下方；利用针尖传感头91-9n中的至少一个在一定扫描区域内对光敏层进行扫描，获得第一三维标记的位置坐标，例如为三维标记1221，将所述第一三维标记的位置坐标与该第一三维标记的基准坐标比较，获得两个位置坐标的差值；所述位移驱动装置根据两个位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第一晶片区域对准，所述光束发生装置发出曝光光束到所述晶圆的第一晶片区域，实现所述第一晶片区域的曝光。该第一三维标记的基准坐标预先存储于所述计算机控制系统，当所述三维标记位于基准坐标处时，所述第一晶片区域与投影曝光区对准。
134.完成第一晶片区域的曝光后，将所述第二晶片区域置于所述投影物镜组的下方，此时，可以有多种对准标记实现对所述第一晶片区域与投影曝光区的对准。一种方式为：所述针尖传感头扫描所述第一三维标记移动后的位置坐标并与该第一三维标记移动后的基准坐标进行比较得到两个位置坐标的偏差，所述第一三维标记移动后的基准坐标为第一晶片区域曝光时所述第一三维标记的位置坐标与为实现下一片需要曝光的晶片区域与投影曝光区对准，晶圆理论上横向和纵向要移动的距离合并后在所述扫描区域内对应的坐标。晶圆理论上横向和纵向要移动的距离根据曝光产生的晶片区域的大小以及相邻两晶片区域之间的距离等参数预先确定并存储于计算机系统内。在前一步晶片区域曝光时实现准确定位的一三维标记移动一步或几步后的定位可以根据移动的晶片区域的数量准确确定其基准坐标。利用该同一三维标记进行对准时，需要考虑针尖传感头的数量和扫描区域的范围，由于需要对同一三维标记进行跟踪扫描，可选的设置两个针尖传感头分别在两侧对晶片区域曝光前的三维标记和晶圆移动后的同一三维标记进行坐标测量，另一种可选方式为，选择一个扫描范围较大的针尖传感头，实现对同一三维标记的跟踪扫描。
135.另一种对准方式为：完成第一晶片区域的曝光后，将所述第二晶片区域置于所述投影物镜组的下方，所述针尖传感头扫描第二三维标记位置坐标并与该第二三维标记的基准坐标进行比较得到两个位置坐标的偏差，所述位移驱动装置根据所述位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第二晶片区域对准，并实现所述第二晶片区域的曝光，所述第二个三维标记的基准坐标预先存储于所述计算机控制系统内。为了保准对准的精确度，可选的，所述第一三维标记靠近所述第一晶片区域设置，所述第二三维标记靠近所述第二晶片区域设置。
136.第三种对准方式为：完成第一晶片区域的曝光后，将所述第二晶片区域置于所述投影物镜组的下方，所述针尖传感头扫描所述第一晶片区域曝光后光敏层上形成的立体图案的图形和坐标并与该立体图案预先存储在计算机控制系统内的基准图形和坐标进行比较得到两个立体图案位置的差值，所述位移驱动装置根据所述位置坐标的差值调整所述曝光束发生装置和所述晶圆工作台的相对位置，使得所述投影曝光区与所述第二晶片区域对准，并实现所述第二晶片区域的曝光。
137.上述三种对准方式可以根据晶片区域附近是否设置底层对准标记产生的三维标记进行选择一种，也可以选择两种或两种以上的对准方式，以提高对准精度。在对某一晶片区域进行对准时，可以同时扫描一个以上的三维标记坐标并与其所对应的基准坐标进行差值比对，以提高对准的精度。
138.第三晶片区域及后续晶片区域依次暴露于投影物镜组下方，根据上文所述的对准方法实现曝光。
139.可选的，所述纳米针尖传感装置固定在所述投影物镜组的一侧或两侧，并与所述投影物镜组之间的位置相对固定。利用该同一三维标记进行对准时，需要考虑针尖传感头的数量和扫描区域的范围，由于需要对同一三维标记进行跟踪扫描，可选的设置两个针尖传感头分别在两侧对晶片区域曝光前的三维标记和晶圆移动后的同一三维标记进行坐标测量，另一种可选方式为，选择一个扫描范围较大的针尖传感头，实现对同一三维标记的跟踪扫描。当设置两个或两个以上的针尖传感头时，相邻两针尖传感头之间的距离等于一个晶片区域的横向宽度与两个晶片区域之间的场外区域宽度之和，可选的，相邻两针尖传感头之间的距离为上述两个距离之和的倍数。如此设计可以保证晶片区域依次曝光时，针尖传感头可以在较小的范围内扫描以实现对三维标记的精确定位。多个针尖传感头彼此之间位置通过连接件相对固定，以实现晶圆上某一三维标记坐标定位向横向针尖传感头阵列上其他晶片区域位置的传递。此时任何一个针尖传感头测得的晶圆坐标的精确定位都可以传输到其他针尖传感头测量的坐标定位，传输时没有误差。
140.针尖传感头之间的间距可以大于或者等于晶片区域加晶片区域间距离的尺寸，以至于一个针尖传感头测量晶圆边缘或者靠近晶圆边缘的三维标记坐标位置，另一个针尖传感头测量晶片区域间中间地带的三维标记，以及再一个针尖传感头测量另一个晶片区域的晶片区域间中间地带，并依此类推。
141.具体地，第一个针尖传感头测量晶圆边缘的三维标记的位置，横向针尖传感头阵列把这个位置绝对值传递到第二个针尖传感头，起到了第二个针尖传感头的位置无需在晶圆上设置三维标记也能确定绝对坐标的作用。第一个针尖传感头的坐标还可以通过第n个针尖传感头传递坐标到晶圆的更里面，一直传递到最后一个针尖传感头。而最后一个针尖传感头一般可以传递测量到晶圆另一端边缘上的三维标记。针尖传感头无法移动到的晶片区域可以通过横向写场拼接的方法传递数个晶片区域的曝光坐标定位，由于传递数量有限而避免过高的定位坐标误差积累，从而形成晶圆上所有晶片区域都能套刻定位精确地对准曝光的场景。
142.利用针尖传感头阵列实现晶圆边缘上的纳米级三维标记，或者晶圆中间的纳米级三维标记坐标同光束相对位置的定位，为保证晶圆相对于光束的定位，需使用至少三个三维标记。三个三维标记在晶圆上的分布越开，越能准确地定位晶圆。图9为多针尖传感头l型针尖传感头阵列。该阵列能够用相距非常大的晶圆边缘的三维标记作为晶圆的准确坐标来定位。
143.图9示出本发明一种实施例的多个针尖传感头及晶片区域对应关系的示意图，本实施例中，多个针尖传感头通过连接件150连接为l型阵列排布，在图8所示实施例的公开的横向针尖传感头阵列基础上增加了能够测量边缘区域其他排三维标记的至少一个针尖传感头101，该l形阵列能够用相距非常大的晶圆边缘的三维标记作为晶圆的准确坐标来定位。
144.针尖传感头阵列实现晶圆边缘两端的纳米级三维标记同光束相对位置的定位是最准确的定位方法之一。图10示出本发明一种实施例的多个针尖传感头及晶片区域对应关系的示意图，本实施例中，多个针尖传感头通过连接件160连接为u型阵列，在图8所示实施
例的公开的横向针尖传感头阵列基础上两端分别增加了能够测量边缘区域其他排三维标记的至少一个针尖传感头111。由此可以通过设置在晶圆两端边缘的各三个以上距离拉开的纳米级三维标记来确定晶圆相对于曝光光束的准确坐标位置。该阵列能够用相距非常大的晶圆两端的三维标记作为晶圆的准确坐标来定位。u型的两臂可以不一样长。其针尖传感头线性阵列可以固定在光束投影物镜组上，也可以固定在晶圆工作台上。
145.所述针尖传感头可以在大气或真空环境下测量晶圆表面结构，也可以在浸液环境下将针尖传感头浸入液体中测量晶圆表面结构。对于浸液式光刻，针尖传感头测量的所述三维标记可以为浸液环境中的三维标记，也可以为晶片区域同曝光束之外没有浸液环境中相邻晶片区域对应的三维标记作为三维标记。
146.所述针尖传感头探测的三维标记的表面结构数据是所述三维标记表面结构同所述针尖传感头的针尖结构的数学卷积，因此针尖传感头的形状可能会对其探测的三维标记的表面结构数据造成影响，因此所述针尖传感头在对三维标记进行测量前需要对所述针尖结构进行测量和校准，以提高测量的准确性。
147.前文描述的情况主要包括对晶圆在横向、纵向或周向进行位置调节以实现与投影曝光区的对准，在某些情况下，晶圆可能与曝光束垂直度发生偏差，例如原本应该水平设置的晶圆发生一定角度的倾斜，为了检测此种情况，可以设置三个或三个以上的针尖传感头，且设置三个或者三个以上的针尖传感头位于不同的直线上，当三个或三个以上的针尖传感头分别测量各自扫描区域内的三维标记时，可以根据识别到的三维标记的高度差判断该三维标记所在的晶圆区域是否发生倾斜，导致其与针尖传感头之间的距离发生了变化。并根据测得的高度差并通过计算机控制系统驱动所述晶圆工作台调节至所述晶圆同曝光束垂直。
148.利用本发明所述对准装置实现的亚纳米级高精度光刻晶片区域套刻对准方法，包含有以下前期准备步骤：
149.准备步骤1:光束定位准备。将针尖传感头固定在曝光束发生装置的投影物镜组侧边位置，因此针尖传感头同曝光束的相对位置是固定的。如此，针尖传感头的坐标系即是曝光束投影曝光区经过固定平移的坐标系。首先对涂有光敏层的晶圆(可以是一片带有测试结构的晶圆)对准。使用结构足够精细的掩模板作为校准掩模板。让光束通过掩模板曝光，掩模板图形即转移到晶圆表面的光敏层上并在光敏层形成晶片区域图形区，由于辐照诱导光敏层变性(iirc)而产生光敏层表面立体图案。这个立体图案即是光束在晶圆表面的投影坐标位置。用针尖传感头测量晶片区域外的三维标记和晶片区域内的iirc立体图案三维标记即确定了光束投影曝光区位置同针尖传感头的坐标相对固定的坐标位置。
150.针尖传感头同投影物镜组(即光束投影图形)的坐标一起连动。当使用针尖传感头测量晶片区域的定位时，就如同曝光束的眼睛，去寻找晶片区域的确切位置。
151.准备步骤2:晶圆准备，在晶圆涂布光敏层前或者后，用针尖传感头测量各个晶片区域的三维标记坐标位置，以确定各个场外三维标记坐标的相互位置。
152.准备步骤3:找出第一次晶圆上各个晶片区域曝光的投影曝光区坐标位置。
153.方法一：在晶圆没有经过光刻曝光之前，晶圆上没有任何图形，所以不存在本次投影曝光区同上一次已经曝光在晶圆上留下图形的对准问题。可以简单地按照光束投影曝光形成第一个晶片区域图形区，然后晶圆工作台移动到下一个晶片区域曝光图形，直至晶圆
上所有图形都完成曝光。通过针尖传感头测量每个晶片区域的场外三维标记坐标以及测量晶片区域投影曝光区光敏层变化(iirc)获得的场内立体图案三维标记坐标，即可把晶片区域场外三维标记坐标同晶片区域投影曝光区的位置坐标联系起来。以后只要测量晶片区域场外三维标记坐标即可确定投影曝光区应该的位置。
154.方法二：在晶圆第一次曝光后，将在光敏层上的曝光图形转移到晶圆上后，比如通过等离子刻蚀方法实现，直接测量和记录晶片区域场外三维标记的坐标同晶片区域立体图案三维标记坐标位置，以至于将来只要测定晶片区域场外三维标记坐标即可推算出晶片区域投影曝光区位置。测量可以通过针尖传感头，或者通过光刻机以外的其他测量仪器。
155.准备步骤1，准备步骤2和准备步骤3是一次性的。在开始时测量晶圆一次以后，即可使用场外三维标记来确定晶片区域的坐标位置了。
156.晶片区域坐标参照点。通过上述准备步骤，晶片区域坐标建立了同每个晶片区域的场外三维标记坐标的关联。确定场外三维标记坐标，即可确定晶片区域位置坐标。
157.准备步骤4:如果测得的晶圆上的各个晶片区域排列阵列同承载晶圆的晶圆工作台有角度上的偏差，则需要校准该晶圆同晶圆工作台水平两维移动方向即周向上的角度误差。在完成上述准备步骤后，开始进入晶片区域套刻对准步骤：
158.对准步骤1:第一晶片区域套刻对准工序开始。将涂有光敏层120的晶圆110放在晶圆工作台100上，通过固定在光束投影物镜组70上的针尖传感头测量晶片区域场外三维标记，利用准备步骤3获得的场外三维标记坐标同晶片区域图形区固定的坐标关系，即可确定光束是否正对晶片区域图形区的位置。由此可以获得光束投影曝光区同晶片区域图形区位置的坐标偏差，即(δx1，δy1)。
159.对准步骤2:利用与掩膜板固定的纳米位移驱动装置61，把对准步骤1获得的坐标(δx1，δy1)给掩膜板作误差量相应的相向补偿移动。以使得投影曝光区同晶片区域的图形区位置对准。
160.对准步骤3:对处于投影曝光区内的第一晶片区域实施曝光。
161.对准步骤4:启用针尖传感头测量已经曝光的晶片区域场外三维标记坐标和场内iirc立体图案三维标记的位置；这等于重新测量了晶片区域坐标位置和光束投影曝光区位置，即时校准了晶片区域位置和光束投影曝光区位置。这样即使光刻机中部分部件随着时间有微小的漂移，通过本步骤可以加以矫正。
162.对准步骤5:进行第二晶片区域的曝光前准备。移动晶圆工作台100带动晶圆110横向移动，从而使刚被曝光的第一晶片区域区移出投影曝光区成为带有立体图案的晶片区域,为随后晶圆的第二晶片区域进入投影曝光区腾出空间。晶圆工作台的移动会带来晶片区域定位误差；
163.对准步骤6:启动针尖传感头测量和识别出第二晶片区域对应的场外三维标记坐标，与上述移出投影曝光区的第一晶片区域相关的场外三维标记坐标和/或场内iirc的立体图案三维标记坐标进行比较，得出第二晶片区域需要移动的偏差(δx2，δy2)；
164.对准步骤7:利用与掩膜板固定的纳米位移驱动装置61，根据对准步骤6获得的坐标(δx2，δy2)驱动掩膜板作误差量相应的相向补偿移动。以至于光束投影曝光区同晶片区域的光敏层下面的图形区位置对准。
165.对准步骤8:对处于投影曝光区内的第二晶片区域实施曝光。
166.对准步骤9:启用针尖传感头测量已经曝光的晶片区域场外三维标记坐标或/和场内iirc立体图案三维标记的位置；
167.对准步骤10:进行第三晶片区域的曝光前准备。晶圆工作台100带动晶圆110横向移动，从而使刚被曝光的第二晶片区域区移出投影曝光区成为带有立体图案的晶片区域,为随后晶圆的第三晶片区域进入投影曝光区而腾出空间；晶圆工作台的移动会带来晶片区域定位误差。
168.对准步骤11:启动针尖传感头测量和识别出第三晶片区域相关联的场外三维标记坐标和测量上述移出投影曝光区的第二晶片区域场内iirc的立体图案三维标记，与上述移出投影曝光区的第一晶片区域相关的场外三维标记坐标和/或场内iirc的立体图案三维标记坐标进行比较，得出第二晶片区域需要移动的偏差(δx3，δy3)；
169.对准步骤12:利用与掩膜板固定的纳米位移驱动装置61，根据对准步骤11获得的坐标(δx3，δy3)驱动掩膜板作误差量相应的相向补偿移动。以至于光束投影曝光区同晶片区域的图形位置对准。
170.对准步骤13:周而复始，完成整个晶圆全部晶片区域的曝光、移动和套刻动作。
171.本实施例描述的用于对准的三维标记不仅可以选用正要等待曝光的晶片区域与邻近的晶片区域间中间地带的场外三维标记，而且也可以选用前一个曝光晶片区域表面(已涂有光敏层)的iirc立体图案三维标记作为下一个晶片区域曝光的坐标参照系。由于使用iirc无需晶片区域间设置三维标记，可以大大减少晶片区域间三维标记的设置。然而以iirc立体图案三维标记作为上一个已曝光晶片区域的坐标系会导致针尖传感头测量每个曝光晶片区域带来的误差的积累。所以一般情况下将设有对应三维标记的晶片区域和未设置对应场外三维标记的晶片区域间隔设置，通过使用数个iirc图形作为投影曝光区对准定位的参照点，省掉数个晶片区域间的场外三维标记，同时保证积累的总误差在可以允许的范围内。
172.本发明图8-图10示出的实施例中，具有多个针尖传感头的线性阵列同晶片区域场外三维标记连同晶片区域场内iirc三维标记结合，可以更加少量的设置场外三维标记的数量。具体地，横向针尖传感头阵列直接将第一个针尖传感头同固定在针尖传感头线性阵列上的其他针尖传感头的移动误差绑定到第一个针尖传感头的位置，跨越了中间多个晶片区域由于没有使用邻近的晶片区域间中间地带的三维标记来确认晶片区域定位可能带来的误差积累。
173.在另外的实施例中可以仅在晶圆的边缘设置纳米级三维标记，然后用多个针尖传感头线性阵列将在晶圆里面的坐标位置通过线性传感头阵列直接连接到晶圆边缘认定的晶片区域三维标记坐标位置上，消除了中间多个晶片区域前后曝光，参照前一个晶片区域曝光带来的误差积累。
174.通过上文的描述，本发明为了提高晶圆在步进式曝光时的套刻精度，主要是通过以下技术方案实现的：
175.一、亚纳米精度测量晶片区域/写场实际坐标位置的技术。
176.采用针尖传感头传感技术，其中包括针尖传感头原子力显微技术。原子力显微技术是针尖传感头传感技术中的一种。能够测量晶圆亚纳米级精度的表面三维形貌，以及表面功函数纳米级分布等。
177.二、物件的亚纳米级位移驱动技术。
178.第一种技术是移动亚纳米级步长的压电陶瓷技术。利用压电原理可以产生亚纳米级的移动。但是一般的压电移动都是非线性的，而且有磁滞回线。
179.第二种技术是电磁驱动技术。音圈电机(voice coil motor)是一种特殊形式的直接驱动电机。具有结构简单体积小、高速、高加速、响应快等特性。其定位精度能达到1/30纳米量级。其工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧。这两种技术都可以用在本发明中。
180.三、物件的亚纳米位移驱动加定位技术。
181.有了上面的测量和驱动技术就可以实现亚纳米级定位。这个定位就是要使晶圆的晶片区域/写场相对于光子束/电子束作纳米级的定位位移调整，以消除晶圆工作台移动或光子束/电子束移动带来的相对坐标偏移。由此即可提供多种相对于光子束/电子束位置有偏差的晶圆晶片区域/写场位置误差的纠正方法和装置，以实现亚纳米级的晶片区域/写场的横向拼接和纵向套刻对准。对物件的位移驱动和定位的实施举例：
182.a.在光子束/电子束光刻机中，可以使用亚纳米级定位的晶圆工作台，或者在现有晶圆工作台上再设置一个更精确的皮米级的小型晶圆工作台用来做精确定位，即比现有的晶圆工作台的移动步长更小。(小型晶圆工作台移动速度可以慢一些)。
183.b.在使用掩模板的光子束/电子束光刻机中，可以设置驱动掩模板工件台纳米级移动的驱动装置，可以设置驱动光子束/电子束投影物镜组的纳米级移动，就足以实现晶片区域/写场的对准误差的矫正。
184.c.在光子束/电子束直写的光刻机中，可以设置驱动光子束/电子束投影物镜组位移，让镜头移动数个以及数十个纳米，就足以实现其相对于写场/晶片区域的对准定位误差的矫正。
185.d.在光子束/电子束直写的或用掩模板的光刻机中，可以设置驱动光子束/电子束本身或者偏转装置实现光子束和电子束的位移和坐标矫正。
186.四、提供一种光刻机中闭环控制式的测量和晶片区域的对准然后曝光的装置和方法。
187.本发明公开的光刻机对准系统拥有晶片区域套刻对准的测量－移动－再测量的闭环控制特点，其超高精度光刻系统晶片区域具体套刻对准的方法为：
188.方法一：通过场外三维标记1221作为晶片区域对准定位的参照点，如晶片区域间或者晶圆边缘的三维突出(凹入)标记的坐标位置，即用针尖传感头测出晶片区域图形的位置(晶圆上各个晶片区域图形同晶圆上三维突出(凹入)标记的坐标位置及其相对坐标位置是事先确定的，不受晶圆工作台移动和光束偏移而变化)。然后通过晶圆工作台100移动将已曝光的晶片区域移出投影曝光区，继续测量晶片区域中间或晶圆边缘的三维突出(凹入)标记的新坐标，并与先前在投影曝光区前一个已经曝光的晶片区域的坐标比较形成的坐标差，得出下一个要曝光的晶片区域的坐标偏移差值。用这个坐标差可以驱动曝光束发生装置例如掩模板进行纳米级水平移动进行补偿，还可以设置驱动光子束/电子束投影物镜组的纳米级水平移动，还可以设置驱动光子束/电子束本身或者偏转镜的纳米级水平移动，还可以设置驱动晶圆工作台或者安装在晶圆工作台上步长更小的压电晶圆工作台，就足以实
现晶片区域/写场的对准误差的矫正。
189.方法二:通过首个晶片区域曝光以后的辐照诱导光敏层改性(iirc)形成的立体图案，如图5a和5b作为下一个晶片区域对准的位置坐标。在此方法中，待曝光的晶片区域可以不设置对应的三维标记，即晶片区域内或者晶片区域周围不设置三维标记，针尖传感头在一定扫描区域内扫描时，根据前一片已经完成曝光的晶片区域上形成的立体图案三维标记，确定晶片区域的边界，进而确定下一片待曝光晶片区域是否需要进行纳米级位移微调以及调整的偏差。
190.方法三：本方法结合上述方法一和方法二进行设定。考虑到方法一最佳实施方式是在每个晶片区域都对应设置三维标记，由于一个晶圆上有众多晶片区域，因此就需要相当多的底层对准标记事先制作在晶圆上。而方法二中采用上一片晶片区域的曝光立体图案三维标记进行定位可能存在积累误差的问题，所以本方法对方法一和方法二进行组合，将设置对应的三维标记的晶片区域和未设置三维标记的晶片区域间隔设置，即用晶片区域对应的三维标记作为绝对参照点，实现第一个晶片区域的曝光套刻对准，然后用晶片区域曝光的辐照诱导光敏层改性(iirc)作为横向晶片区域的对准坐标，将对准传递到下一个晶片区域的对准和曝光，在传递数个晶片区域的曝光以后，再获得晶片区域对应的三维标记作为绝对套刻对准标记，重新开始下一批晶片区域的绝对曝光对准。这样就在保证了所有晶片区域套刻精度的同时，大大减少了晶圆上底层对准标记的设置量。
191.本发明适用于深紫外和极紫外光学光刻机，解决了曝光前不能用光子束直接面对涂有光敏层的晶圆进行对准测量，只能通过晶圆工作台的移动来定位晶片区域的技术难题。本发明公开的技术方案不会产生积累性误差。因此避免了晶圆工作台每次都要返回原点并以原点为绝对参照点再移动到指定位置，这会大大提高了工作速度。此外，本发明还解决了即使晶圆工作台定位准确，由于光子束的投影物镜组以及掩模板的漂移(通过热胀冷缩等各种因素)，光子束会产生漂移而导致其最终光子束同晶圆的对准复杂化的技术问题。
192.以上做法都是基于晶圆与曝光束之间相对位置的闭环控制原理来进行晶片区域套刻对准。这个对准机制精度高于一个精确的晶圆工作台。因为即使晶圆工作台暂时定位精确，光束在晶圆上的漂移是晶圆工作台难以补偿的，也是在晶圆和光束间对准的激光干涉仪难以补偿的。
193.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。