投影光刻机的离轴对准装置及对准调节方法
投影光刻机的离轴对准装置及对准调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于加工半导体设备领域，具体涉及一种通过莫尔条纹来进行离轴对准装 置和对准调节方法，将其用于投影光刻机中硅片的精确定位。
【背景技术】
[0002] 集成电路芯片生产过程中，为了实现光刻机期望的精度指标，需要精确建立光刻 机各个坐标系间的关系。如图1所示，投影式光刻机包括了提供曝光光束的照明系统11、用 于支承掩模版12的掩模台13、掩模版12上有掩模图案和用于掩膜对准标记RM、用于将掩 模版13上的掩模图案投影到硅片15上的投影光学系统16、用于支承硅片15的工件台17、 工件台17上有刻有基准标记FM的基准板14、硅片15上有硅片对准标记WM和用于掩模版 12和硅片15对准的离轴对准系统18。
[0003] 硅片15与掩模版12的位置关系是通过基准板14上的基准对准标记FM作为过渡 参考间接获取，即先分别确立硅片15和掩模版12在工件台17坐标系下的位置，然后间接 获得硅片15和掩模版12之间相对位置关系。其中，硅片15在工件台17坐标系下位置的 确立，更为复杂，需要通过离轴对准系统的参考标记板上的标记间接建立，进一步增加了误 差降低了对准度。目前的离轴对准系统仅能通过物镜放大位置偏差，即不够精确，也会因标 记旋转、倍率漂移等引入对准误差，影响对准精度和重复性。
[0004] 莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。有 人提出借助两组莫尔条纹来进行硅片与掩膜的位置对准，具体为光束先后经过两层光栅， 每层分别并排设置两个光栅常数相近的光栅，光栅常数分别为Pi和p 2，并且两层光栅的对 应关系为，Pi对应p2, p2对应Pi，这样光经过两层光栅，产生"拍"现象，形成莫尔条纹，莫尔 条纹相对于光栅有放大作用，且相位可以和光栅的相对位移建立关系，从而确定对准位置。
[0005] 两层光栅的间距要求很小，因此仅能用于接触式或接近式光刻机、纳米压印、扫描 探针或原子力光刻等。对于应用广泛的投影式光刻机，由于工件台频繁、大范围水平运动， 硅片表面不平整度，不同工艺胶厚不同，产率要求等因素的制约，参考标记与硅片的间距不 可能太小，因此目前投影式光刻机中还未能引入该方法进行精确对准。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是投影式光刻机的离轴对准系统复杂，影响因素众 多，对准精度和准确度有待提高，为了克服以上不足，提供了一种投影光刻机的离轴对准装 置及对准调节方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述投影光刻机的离轴对准装置， 包括照明装置、设置在待对准部件上的精对准标记、倍率为Mi的第一投影系统、设置在参考 标记板上的参考标记、倍率为M 2的第二投影系统、探测器和信号处理系统；
[0008] 所述精对准标记包括并排设置的第一反射光栅和第二反射光栅，所述第一反射光 栅的光栅常数为Pi，所述第二反射光栅的光栅常数为P 2 ;
[0009] 所述参考标记包括并排设置的第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅 的光栅常数为P 3，所述第二透射光栅的光栅常数为P4;
[0010] 所述照明装置提供照明光，所述照明光入射到精对准标记上，所述第一投影系统 收集第一反射光栅衍射光并将其投射到第一透射光栅上，所述第一投影系统收集第二反射 光栅衍射光并将其投射到第二透射光栅上，经过第一反射光栅和第一透射光栅干涉形成第 一莫尔条纹，经过第二反射光栅和第二透射光栅干涉形成第二莫尔条纹，所述第二投影系 统收集两组莫尔条纹并将其投射到探测器，所述信号处理系统从探测器获取莫尔条纹的信 息并进行信号处理。
[0011] 所述第一反射光栅和第二反射光栅可以是反射光栅，反射光栅是指使光反射，又 能使光色散的光栅，具体是在光学玻璃或熔融石英的镜面上，镀上一层金属膜，并在镜面金 属膜上刻一系列平行等宽、等距的刻线的光栅，也就是说通过金属膜反射光。所述第一反射 光栅和第二反射光栅也可以是透射光栅，透射光栅是在透明玻璃上刻制很多条相互平行、 等距、等宽的狭缝，它可以透过入射光，入射光透过透射光栅经硅片或者基准板反射，同样 可以实现入射光的反射和衍射。
[0012] 所述第一反射光栅和第二反射光栅可以为一维线性光栅或带有精细结构线性光 栅。
[0013] 优选地是，Pi 关 P2,0 < iPiXMfPj 彡 0? 2P3,0 < hXMfPj 彡 0? 2P4 且 (PiXMfPP X (PsXMfPj < 0。
[0014] 优选地是，PA = P4且己111 = P3,所述第一莫尔条纹和第二莫尔条纹的周期相同。 这样可以获得周期相同的并排的两组莫尔条纹，便于判断位置偏差。
[0015] 优选地是，所述第一反射光栅和第二反射光栅为统一的线性光栅，？1=匕且
[0016] 优选地是，0? SPWP'PWP/l. 2卩具。
[0017] 优选地是，所述第一透射光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记， P3=P4且。通过一个参考标记可以完成X和Y两向的对准，克服了相应技术中每 套探测系统只能进行一个方向对准的弊端。
[0018] 优选地是，所述第一投影系统仅收集第一反射光栅和第二反射光栅的-1级和+1 级衍射光。
[0019] 优选地是，所述待对准部件为硅片或工件台基准板。也就是说该离轴对准系统可 以分别用于硅片的离轴对准和工件台的离轴对准。
[0020] 优选地是，的取值为1~20, M2的取值为1~20。采用放大倍率第一投影系放 大了衍射条纹，并且可以使匕和匕相应放大，降低了制作难度；第二投影系统可以控制面阵 探测器上成像条纹的数目，提高对莫尔条纹的分辨能力。
[0021] 优选地是，所述照明装置包括光源和准直装置，所述光源为多波长光源或者宽波 段光源。
[0022] 所述多波长光源是指由多个波长的激光合并的光束。
[0023] 所述宽波段光源是指波长为一个范围，比如自然光，其波长范围大约在450~ 750nm〇
[0024] 优选地是，所述光源为多波长光源时，所述照明装置还包括设置在光源和准直装 置之间的光源选通装置，所述光源选通装置用于选取特定一个以上光源通过。不同反射面 对不同波长光的反射率有所不同，因此宽波段光源或者多波长光源较目前单一波长的激光 光源相比，适应性更强。
[0025] 优选地是，所述第一投影系统和精对准标记之间还包括反射镜，所述照明光水平 射入所述反射镜后被反射，反射光束垂直入射到精对准标记上，所述反射镜还同时遮挡精 对准标记反射的0级光。
[0026] 优选地是，还包括偏转元件和其上的通孔，所述照明光经过所述通孔后垂直射入 所述精对准标记，产生的所述第一反射光栅衍射光和第二反射光栅衍射光被所述偏转元件 反射到所述第一投影系统进行收集。
[0027] 优选地是，在所述待对准部件上还设置有与所述精对准标记并排放置的对准粗捕 获标记，所述参考标记板上还设置有与所述参考标记并排放置的参考粗捕获标记，所述参 考粗捕获标记和对准粗捕获标记用于粗对准。
[0028] 优选地是，所述对准粗捕获标记采用粗光栅、十字或者方块图形，参考粗捕获标记 采用通光孔或其他与对准粗捕获标记对应的图形。
[0029] 优选地是，所述精对准标记和参考标记所在平面为相互平行、垂直或成一夹角。
[0030] 优选地是，所述第一透射光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记， P3= P 4且所述精对准标记包括X向和Y向标记，所述对准粗捕获标记包括X向 和Y向标记，所述参考粗捕获标记包括X向和Y向标记。
[0031] 莫尔条纹的形成过程如下：照明光经反射镜正入射到精对准标记的第一反射光 栅上，+1、-1级衍射光以出射角
进入第一投影系统，0级光被遮挡，高 级次的衍射光未纳入第一投影系统；经过第一投影系统的+1、-1级衍射光以e 2(sin 0 2 =sin 0/MO的入射角辐射到参考标记的第一透射光栅上，0 < iPiXMfP」彡0. 2P3， 因此+1级入射光的-1级衍射光和-1级入射光的+1级衍射光会以一个很小的 角度
出射，出射光束在交会处产生干涉，其光场分布为
其中Ai和A2分别为两束光波的振幅， △ s为精对准标记相对参考标记的偏移量，面阵探测器采集的莫尔条纹的光强分布按式 (I)分布：
[0033] 由此推出莫尔条纹的周期的计算式（II):
[0035] 按以上过程类推另一组莫尔条纹的周期计算公式为：
[0037] 可见莫尔条纹周期不受照明光波长影响。且由于？1乂111与己相差较小，所以莫尔 条纹周期相对于Pi 有较大的放大效果。另外，由于03非常小，因此面阵探测器的 NA可以很小，相当于1个低通滤波器，起到滤除杂散光的作用。
[0038] 两组莫尔条纹的对准原理如下：精对准标记和参考标记的相对移动会引起两组莫 尔条纹分别产生相位9i和奶，特别是当（PiXMrPjx^XMrPj <〇,两组莫尔条纹会 彼此反方向运动，产生正负相位，根据光强分布式（I)，相位
两组莫尔条纹的相位差A(p更为明显。由两组莫尔条纹的相位差Acp可计算出精对准标记 相对参考标记之间的偏移量A s，具体关系如式（III)
[0041] 本发明还提供了上述投影光刻机的离轴对准装置用于离轴对准的方法，包括以下 步骤：
[0042] S11获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹；
[0043] S15获取两组莫尔条纹的相位差；
[0044] S16计算偏移量：根据两组莫尔条纹的相位差计算精对准标记相对参考标记之间 的偏移量A s ;
[0045] S17位置调整：将偏移量As反馈到控制系统，驱动工件台，完成离轴对准。
[0046] 所述图像预处理一般是指暗电流校正、非均匀性校正、坏像素插值等。
[0047] 优选地是，还包括S11与S15之间的倍率误差调整，具体包括：
[0048] S13计算两组莫尔条纹实际周期；
[0049] S14倍率误差调整：根据实际周期分别对两组莫尔条纹进行数据处理，从而调整 倍率误差。
[0050] 倍率漂移时，通过式（II)可知莫尔条纹的周期会发生变化，而周期变化会直接影 响相位差，从而导致对准误差，因此倍率误差调整可大大降低因倍率漂移导致的对准误差。
[0051] 优选地是，所述S15中可通过拟合或快速傅里叶变换两种方法提取莫尔条纹的相 位。
[0052] 优选地是，在所述SI 1前还包括粗对准步骤：
[0053] S31获取对准图像：探测器探测对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像；
[0054] S33计算中心偏差：识别对准粗捕获标记和参考粗捕获标记的中心偏差；
[0055] S34中心粗对准：将中心偏差反馈控制系统，用于驱动工件台运动到对准捕获范 围内。
[0056]优选地是，在所述粗对准前还包括对精对准标记旋转进行校正的步骤：
[0057] S21将精对准标记移动到对准范围内；
[0058] S22获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹；
[0059] S24计算旋转角：通过两组莫尔条纹的夹角计算精对准标记相对参考标记的旋转 角；
[0060] S25角度调整：将旋转角反馈控制系统，驱动工件台，完成角度调整。
[0061] 优选地是，在所述探测器捕获后，由图像处理系统对捕获的信息进行预处理，所述 预处理包括暗电流校正、非均匀性校正和/或坏像素插值。
[0062] 本发明提供的技术方案通过引入投影系统，扩大了精对准标记和参考标记之间的 距离，使得先进的莫尔条纹对准技术得以在投影式光刻机中应用；兼容了多波长和宽波段 光源，提高了工艺适应性；通过透镜系统仅采集+1、_1级衍射光，增强测量的信噪比提高了 探测灵敏度；引入标记旋转校正和倍率误差调整，大大降低了因标记旋转和倍率漂移造成 的对准误差，提高了对准精度。
【附图说明】
[0063] 图1是现有技术中投影式光刻机的结构示意图；
[0064] 图2是实施例1所述投影光刻机的离轴对准装置的结构示意图；
[0065] 图3是实施例1所述精对准标记与参考标记的示意图；
[0066] 图4是本发明所述离轴对准方法一【具体实施方式】的流程图；
[0067] 图5是精对准标记相对参考标记旋转角a与条纹夹角0 i和0 2示意图；
[0068] 图6是实施例1中两组莫尔条纹夹角P i和P 2与相应标记的旋转角a关系图；
[0069] 图7是实施例1中倍率变化与两组莫尔条纹周期变化的关系图；
[0070] 图8是实施例1中校正前与校正后倍率变化引入对准误差的关系图；
[0071] 图9是实施例1中两组莫尔条纹的相位奶和92示意图；
[0072] 图10是实施例2所述投影光刻机的离轴对准装置的结构示意图；
[0073] 图11是实施例3所述精对准标记与参考标记的示意图；
[0074] 图12是实施例4所述精对准标记与参考标记的示意图。
[0075] 图中所示：
[0076]1卜照明系统，12-掩模版，13-掩模台，14-基准板，15-娃片，16-投影光学系统， 17-工件台，18-离轴对准系统；
[0077]2_照明装置；31-反射镜，32-偏转兀件，321-通孔；4_精对准标记，41-第一反射 光栅，42-第二反射光栅,43-对准粗捕获标记；5-第一投影系统；6-参考标记，61-第一透 射光栅，62-第二透射光栅，63-参考粗捕获标记，64-方格型光栅；7-第二投影系统；8-面 阵探测器；9-图像处理系统；100-标记旋转校正，101-粗对准，102-精对准。
【具体实施方式】
[0078] 下面结合附图对本发明作详细描述：
[0079] 实施例1
[0080] 如图2所示，本发明所述投影光刻机的离轴对准装置，包括照明装置2、反射镜31、 设置在硅片15上的精对准标记4、倍率为M1=l的第一投影系统5、设置在参考标记板上的 参考标记6、倍率为M2=l的第二投影系统7、面阵探测器8和图像处理系统9,所述精对准标 记4、第一投影系统5、参考标记6、第二投影系统7和面阵探测器8从下到上设置在一条中 轴线上。
[0081] 所述照明装置2包括光源和准直装置，所述光源为自然光。
[0082] 如图3所示，所述精对准标记4包括并排设置的第一反射光栅41、第二反射光栅 42和对准粗捕获标记43,本例为粗光栅，所述第一反射光栅41的光栅常数为P 1=l. 05 y m， 所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=l y m ;所述第一反射光栅41和第二反射光栅42均 为一维线性反射光栅。
[0083] 如图3所示，所述参考标记6包括并排设置的第一透射光栅61、第二透射光栅62 和与对准粗捕获标记43对应的参考粗捕获标记63,本 例为长方形通光孔。所述对准粗捕获 标记43可采用粗光栅、十字或者方块图形，参考粗捕获标记63采用通光孔或其他与对准粗 捕获标记对应的图形。所述第一透射光栅61的光栅常数为P 3=l y m，所述第二透射光栅62 的光栅常数为P4=l. 05 y m;所述第一透射光栅61和第二透射光栅62均为一维线性透射光 栅。
[0084] 所述面阵探测器8为(XD，用于收集从参考标记6透过的衍射光干涉形成的莫尔条 纹的图像。
[0085] 如图2所示，所述离轴对准装置的两组莫尔条纹成像过程如下：所述照明装置2提 供照明光，所述照明光经反射镜31光路由水平方向改为坚直方向，照明光垂直入射到精对 准标记4上，并以出射角0i出射，所述第一投影系统5采集第一反射光栅41的+1、-1级 衍射光，并以入射角e2进入第一透射光栅61上，0级衍射光被反射镜31遮挡。类似的所 述第一投影系统5同时采集第二反射光栅42衍射光并将其投射到第二透射光栅62上，第 一透射光栅61以角度0 3出射的光在交汇处干涉形成周期为Pim^lO. 5 y m的第一莫尔条 纹，类似的第二莫尔条纹的周期Pim2=10. 5 y m，所述第二投影系统7采集并排的两组莫尔条 纹并将其投射到面阵探测器8表面，所述图像处理系统9从面阵探测器8获取莫尔条纹的 图像并进行信号处理。优选地，所述第一莫尔条纹和第二莫尔条纹的周期相同，可以减少探 测器漂移引入的误差。
[0086] 如图4所示，上述投影光刻机的离轴对准装置用于离轴对准的方法，先后包括标 记旋转校正100、粗对准101和精对准102。
[0087] 所述标记旋转校正100包括以下步骤：
[0088] S21将精对准标记4移动到对准范围内；
[0089] S22获取对准图像：面阵探测器8捕获两组莫尔条纹；
[0090] S23图像预处理：图像处理系统9对捕获的两组莫尔条纹进行预处理；
[0091] S24计算旋转角：如图5所示，两组莫尔条纹的条纹夹角^和，其中
且PfPp P2=P3，因此，标记相对参考标记 6的旋转角a的数值可通过式（IV)获得
[0093] 如图6所示，两组莫尔条纹夹角Pi和P2与相应标记的旋转角a关系图，当旋转 角a为lmrad时，莫尔条纹夹角^和均大于20mrad，也就是莫尔条纹会产生明显的 相对倾斜，利用其放大作用，可以测量出精确的旋转角a ;
[0094] S25角度调整：将计算出的旋转角a反馈控制系统，驱动工件台，完成角度调整。
[0095] 如图4所示，所述粗对准101包括以下步骤：
[0096] S31获取对准图像：面阵探测器探测对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像；
[0097] S32由图像处理系统对捕获的对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像进行预处 理，所述预处理包括暗电流校正、非均匀性校正和坏像素插值；
[0098] S33计算中心偏差：识别对准粗捕获标记和参考粗捕获标记的中心偏差；
[0099] S34中心粗对准：将中心偏差反馈控制系统，用于驱动工件台运动到对准捕获范 围内。
[0100] 如图4所示，所述精对准102包括以下步骤：
[0101] S11获取对准图像：面阵探测器8捕获两组莫尔条纹；
[0102] S12由图像处理系统对捕获的两组莫尔条纹进行预处理，所述预处理包括暗电流 校正、非均匀性校正和坏像素插值等；
[0103] S13计算两组莫尔条纹实际周期：分别对两组莫尔条纹的光强曲线进行拟合，计 算获得实际周期；
[0104] 当倍率发生变化时，莫尔条纹的实际周期分别为Pim/和Pim2'，
实际倍率与理论倍率的比值，如图7所示，假设第一投影系统5的倍率M1=7,那么其漂移 0. 05%，也就是m=l. 05或0. 95时，则两组莫尔条纹周期将分别增大和减小1%，这样势必影响 相位差的准确提取，如图8所示，当m漂移1%。时，对准误差将达到0. 55nm;
[0106] S14倍率误差调整：根据实际周期分别对两组莫尔条纹进行插值处理，从而调整 倍率误差；
[0107] 如图8所示，插值处理后，当m漂移1%。时，对准误差仅为0. 023nm;
[0108]S15如图9所示，获取两组莫尔条纹的相位差9i和牝；
[0109] S16计算偏移量：根据两组莫尔条纹的相位差计算精对准标记相对参考标记之间 的偏移量A s，
[0110] S17位直调整：将偏移量A s反馈到控制系统，驱动工件台，完成尚轴对准。
[0111] 实施例2
[0112] 如图10所示，与实施例1的区别在于：
[0113] 所述投影光刻机的离轴对准装置，包括照明装置2、偏转元件32、设置在基准板14 上的精对准标记4、第一投影系统5、设置在参考标记板19上的参考标记6、第二投影系统 7、面阵探测器8和图像处理系统9。
[0114] 所述照明装置2包括光源、光源选通装置和准直装置，所述光源为多个波长的激 光，光源选通装置选择在基准板14上反射率高的几组波长为A 1、A 2和A 3的激光通过合 并，再经准直装置准直后发出。
[0115] 精对准标记4设置在基准板14上，所述第一反射光栅41的光栅常数为P1=8 y m， 所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=8. 5 y m ;所述第一反射光栅41和第二反射光栅42 均为一维线性透射光栅，光通过透射光栅在基准板14上反射后再次通过透射光栅传出，完 成光在光栅上的反射。所述第一透射光栅61的光栅常数为P 3=9i!m，所述第二透射光栅62 的光栅常数为P4=7. 7 ii m。
[0116] 所述面阵探测器8为CMOS。
[0117] 所述离轴对准装置的两组莫尔条纹成像过程中，所述照明装置2提供的照明光首 先从偏转元件32的通孔321垂直射入所述精对准标记4上，产生第一反射光栅衍射光和第 二反射光栅衍射光，其中0级衍射光再次经通孔321返回，所述+1、-1级衍射光经偏转元件 32反射后光路发生转折投射到与精对准标记4垂直设置第一投影系统5,后续过程可参考 实施例1。通过偏转元件32将光路转折，可减小高度方向所占用的空间，使对准装置布局更 加灵活。所述偏转元件32可采用中心透光的反射镜或者由光阑与分束镜组合构成。需要 指出的是精对准标记4和参考标记6可如图10所示垂直设置，也可以呈其他角度的夹角， 由偏转元件32对光路的转折角度决定。
[0118] 优选地，所述精对准标记和参考标记所在平面可以为相互平行、垂直或成一夹角。
[0119] 实施例3
[0120] 如图11所示，与实施例1的区别在于：所述第一反射光栅41的光栅常数为 P1=l U m，所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=l y m，也就是
[0121 ] 所述第一透射光栅61的光栅常数为P3=0. 8 y m，所述第二透射光栅62的光栅常数 为 P4=l. 2 u m
[0122] 这种设置方式简化了硅片15上的精对准标记4。
[0123] 实施例4
[0124] 如图12所示，与实施例1的区别在于：
[0125] 硅片的X向和Y向分别设置精对准标记4,所述第一反射光栅41的光栅常数为 Pi=0. 95 y m，所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=l. 05 y m。
[0126] 参考标记6中所述第一透射光栅61和第二透射光栅62均为方格型光栅64,所述 方格型光栅64由交叉垂 直设置的X向线性光栅和Y向线性光栅组成，所述第一透射光栅61 的X向线性光栅和Y向线性光栅的光栅常数P 3=l ii m，所述第二透射光栅62的X向线性光 栅和Y向线性光栅的光栅常数匕=1 y m，因此总的来说参考标记6为统一的多个方格型二维 记。
[0127] 所述X向线性光栅和Y向线性光栅分别并排设有参考粗捕获标记63。
[0128] 对准时，X向精对准标记4与参考标记6中X向线性光栅对准，然后Y向精对准标 记4与参考标记6中Y向线性光栅对准，最终实现一套探测系统的两向对准。
【主权项】
1. 一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，包括照明装置、设置在待对准部件上 的精对准标记、倍率为M1的第一投影系统、设置在参考标记板上的参考标记、倍率为M2的第 二投影系统、探测器和信号处理系统； 所述精对准标记包括并排设置的第一反射光栅和第二反射光栅，所述第一反射光栅的 光栅常数为P1，所述第二反射光栅的光栅常数为P2 ; 所述参考标记包括并排设置的第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅的光 栅常数为P3,所述第二透射光栅的光栅常数为P4 ; 所述照明装置提供照明光，所述照明光入射到精对准标记上，所述第一投影系统收集 第一反射光栅衍射光并将其投射到第一透射光栅上，所述第一投影系统收集第二反射光栅 衍射光并将其投射到第二透射光栅上，经过第一反射光栅和第一透射光栅干涉形成第一莫 尔条纹，经过第二反射光栅和第二透射光栅干涉形成第二莫尔条纹，所述第二投影系统收 集两组莫尔条纹并将其投射到探测器，所述信号处理系统从探测器获取莫尔条纹的信息并 进行信号处理。2. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，P1尹P2,0 <IP1XM1-P3I彡 0.2P3,0<IP2XM1-P4I彡 0.2P4 且（P1XM1-P3)X(P2XM1-P4) <0。3. 根据权利要求2所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，P1M1 =P4且P2M1 =P3，所述第一莫尔条纹和第二莫尔条纹的周期相同。4. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第一反射 光栅和第二反射光栅为统一的线性光栅，P1=P2且P^PWP3t55. 根据权利要求4所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于， O-Spwpzp1Mzp^up1Miq6. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第一透射 光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记，P3=P4且PWP^P1Mlt57. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第 一投影系统仅收集第一反射光栅和第二反射光栅的-1级和+1级衍射光。8. 根据权利要求7所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述待对准部 件为硅片或工件台基准板。9. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述照 明装置包括光源和准直装置，所述光源为多波长光源或者宽波段光源。10. 根据权利要求9所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述光源为多 波长光源时，所述照明装置还包括设置在光源和准直装置之间的光源选通装置，所述光源 选通装置用于选取一个以上光源通过。11. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第 一投影系统和精对准标记之间还包括反射镜，所述照明光水平射入所述反射镜后被反射， 反射光束垂直入射到精对准标记上，所述反射镜还同时遮挡精对准标记反射的〇级光。12. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，还包括 偏转元件和其上的通孔，所述照明光经过所述通孔后垂直射入所述精对准标记，产生的所 述第一反射光栅衍射光和第二反射光栅衍射光被所述偏转元件反射到所述第一投影系统 进行收集。13. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，在所述 待对准部件上还设置有与所述精对准标记并排放置的对准粗捕获标记，所述参考标记板上 还设置有与所述参考标记并排放置的参考粗捕获标记，所述参考粗捕获标记和对准粗捕获 标记用于粗对准。14. 根据权利要求13所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述对准粗 捕获标记采用粗光栅、十字或者方块图形，参考粗捕获标记采用通光孔或其他与对准粗捕 获标记对应的图形。15. 根据权利要求13所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第一透 射光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记，P3=P4且PWP^P1M1，所述精对准标 记包括X向和Y向标记,所述对准粗捕获标记包括X向和Y向标记,所述参考粗捕获标记包 括X向和Y向标记。16. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述精 对准标记和参考标记所在平面为相互平行、垂直或成一夹角。17. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，M1的取值为 1~20,M2的取值为1~20。18. 权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置用于离轴对准的方法，其特征在 于，所述对准包括以下步骤： Sll获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹； S15获取两组莫尔条纹的相位差； S16计算偏移量：根据两组莫尔条纹的相位差计算精对准标记相对参考标记之间的偏 移量As; S17位置调整：将偏移量As反馈到控制系统，驱动工件台，完成离轴对准。19. 根据权利要求18所述方法，其特征在于，所述对准还包括SI1与S15之间的倍率误 差调整，具体包括： S13计算两组莫尔条纹实际周期； S14倍率误差调整：根据实际周期分别对两组莫尔条纹进行数据处理，从而调整倍率 误差。20. 根据权利要求18或19所述方法，其特征在于，所述S15中可通过拟合或快速傅里 叶变换两种方法提取莫尔条纹的相位。21. 根据权利要求18所述方法，其特征在于，在所述Sll前还包括粗对准步骤： S31获取对准图像：探测器探测对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像； S33计算中心偏差：识别对准粗捕获标记和参考粗捕获标记的中心偏差； S34中心粗对准：将中心偏差反馈控制系统，用于驱动工件台运动到对准捕获范围内。22. 根据权利要求21所述方法，其特征在于，在所述粗对准前还包括对精对准标记旋 转进行校正的步骤： S21将精对准标记移动到对准范围内； S22获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹； S24计算旋转角：通过两组莫尔条纹的夹角计算精对准标记相对参考标记的旋转角； S25角度调整：将旋转角反馈控制系统，驱动工件台，完成角度调整。
【专利摘要】本发明属于加工半导体设备领域，具体涉及一种通过莫尔条纹来进行离轴对准装置和对准调节方法，将其用于投影光刻机中硅片的精确定位。所述装置，包括照明装置、设置在待对准部件上的对准标记、第一投影系统、设置在参考标记板上的参考标记、第二投影系统、面阵探测器和图像处理系统。所述方法包括粗对准和精对准。本发明提供的技术方案通过引入投影系统，使得先进的莫尔条纹对准技术得以在投影式光刻机中应用；兼容了多波长和宽波段光源，提高了工艺适应性；通过透镜系统仅采集+1、-1级衍射光，增强测量的信噪比提高了探测灵敏度；引入标记旋转校正和倍率误差调整，大大降低了因标记旋转和倍率漂移造成的对准误差。
【IPC分类】G03F7/20, G03F9/00
【公开号】CN104898376
【申请号】CN201410073758
【发明人】周钰颖, 陆海亮, 王帆
【申请人】上海微电子装备有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月3日
【技术领域】
[0001] 本发明属于加工半导体设备领域，具体涉及一种通过莫尔条纹来进行离轴对准装 置和对准调节方法，将其用于投影光刻机中硅片的精确定位。
【背景技术】
[0002] 集成电路芯片生产过程中，为了实现光刻机期望的精度指标，需要精确建立光刻 机各个坐标系间的关系。如图1所示，投影式光刻机包括了提供曝光光束的照明系统11、用 于支承掩模版12的掩模台13、掩模版12上有掩模图案和用于掩膜对准标记RM、用于将掩 模版13上的掩模图案投影到硅片15上的投影光学系统16、用于支承硅片15的工件台17、 工件台17上有刻有基准标记FM的基准板14、硅片15上有硅片对准标记WM和用于掩模版 12和硅片15对准的离轴对准系统18。
[0003] 硅片15与掩模版12的位置关系是通过基准板14上的基准对准标记FM作为过渡 参考间接获取，即先分别确立硅片15和掩模版12在工件台17坐标系下的位置，然后间接 获得硅片15和掩模版12之间相对位置关系。其中，硅片15在工件台17坐标系下位置的 确立，更为复杂，需要通过离轴对准系统的参考标记板上的标记间接建立，进一步增加了误 差降低了对准度。目前的离轴对准系统仅能通过物镜放大位置偏差，即不够精确，也会因标 记旋转、倍率漂移等引入对准误差，影响对准精度和重复性。
[0004] 莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。有 人提出借助两组莫尔条纹来进行硅片与掩膜的位置对准，具体为光束先后经过两层光栅， 每层分别并排设置两个光栅常数相近的光栅，光栅常数分别为Pi和p 2，并且两层光栅的对 应关系为，Pi对应p2, p2对应Pi，这样光经过两层光栅，产生"拍"现象，形成莫尔条纹，莫尔 条纹相对于光栅有放大作用，且相位可以和光栅的相对位移建立关系，从而确定对准位置。
[0005] 两层光栅的间距要求很小，因此仅能用于接触式或接近式光刻机、纳米压印、扫描 探针或原子力光刻等。对于应用广泛的投影式光刻机，由于工件台频繁、大范围水平运动， 硅片表面不平整度，不同工艺胶厚不同，产率要求等因素的制约，参考标记与硅片的间距不 可能太小，因此目前投影式光刻机中还未能引入该方法进行精确对准。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是投影式光刻机的离轴对准系统复杂，影响因素众 多，对准精度和准确度有待提高，为了克服以上不足，提供了一种投影光刻机的离轴对准装 置及对准调节方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述投影光刻机的离轴对准装置， 包括照明装置、设置在待对准部件上的精对准标记、倍率为Mi的第一投影系统、设置在参考 标记板上的参考标记、倍率为M 2的第二投影系统、探测器和信号处理系统；
[0008] 所述精对准标记包括并排设置的第一反射光栅和第二反射光栅，所述第一反射光 栅的光栅常数为Pi，所述第二反射光栅的光栅常数为P 2 ;
[0009] 所述参考标记包括并排设置的第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅 的光栅常数为P 3，所述第二透射光栅的光栅常数为P4;
[0010] 所述照明装置提供照明光，所述照明光入射到精对准标记上，所述第一投影系统 收集第一反射光栅衍射光并将其投射到第一透射光栅上，所述第一投影系统收集第二反射 光栅衍射光并将其投射到第二透射光栅上，经过第一反射光栅和第一透射光栅干涉形成第 一莫尔条纹，经过第二反射光栅和第二透射光栅干涉形成第二莫尔条纹，所述第二投影系 统收集两组莫尔条纹并将其投射到探测器，所述信号处理系统从探测器获取莫尔条纹的信 息并进行信号处理。
[0011] 所述第一反射光栅和第二反射光栅可以是反射光栅，反射光栅是指使光反射，又 能使光色散的光栅，具体是在光学玻璃或熔融石英的镜面上，镀上一层金属膜，并在镜面金 属膜上刻一系列平行等宽、等距的刻线的光栅，也就是说通过金属膜反射光。所述第一反射 光栅和第二反射光栅也可以是透射光栅，透射光栅是在透明玻璃上刻制很多条相互平行、 等距、等宽的狭缝，它可以透过入射光，入射光透过透射光栅经硅片或者基准板反射，同样 可以实现入射光的反射和衍射。
[0012] 所述第一反射光栅和第二反射光栅可以为一维线性光栅或带有精细结构线性光 栅。
[0013] 优选地是，Pi 关 P2,0 < iPiXMfPj 彡 0? 2P3,0 < hXMfPj 彡 0? 2P4 且 (PiXMfPP X (PsXMfPj < 0。
[0014] 优选地是，PA = P4且己111 = P3,所述第一莫尔条纹和第二莫尔条纹的周期相同。 这样可以获得周期相同的并排的两组莫尔条纹，便于判断位置偏差。
[0015] 优选地是，所述第一反射光栅和第二反射光栅为统一的线性光栅，？1=匕且
[0016] 优选地是，0? SPWP'PWP/l. 2卩具。
[0017] 优选地是，所述第一透射光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记， P3=P4且。通过一个参考标记可以完成X和Y两向的对准，克服了相应技术中每 套探测系统只能进行一个方向对准的弊端。
[0018] 优选地是，所述第一投影系统仅收集第一反射光栅和第二反射光栅的-1级和+1 级衍射光。
[0019] 优选地是，所述待对准部件为硅片或工件台基准板。也就是说该离轴对准系统可 以分别用于硅片的离轴对准和工件台的离轴对准。
[0020] 优选地是，的取值为1~20, M2的取值为1~20。采用放大倍率第一投影系放 大了衍射条纹，并且可以使匕和匕相应放大，降低了制作难度；第二投影系统可以控制面阵 探测器上成像条纹的数目，提高对莫尔条纹的分辨能力。
[0021] 优选地是，所述照明装置包括光源和准直装置，所述光源为多波长光源或者宽波 段光源。
[0022] 所述多波长光源是指由多个波长的激光合并的光束。
[0023] 所述宽波段光源是指波长为一个范围，比如自然光，其波长范围大约在450~ 750nm〇
[0024] 优选地是，所述光源为多波长光源时，所述照明装置还包括设置在光源和准直装 置之间的光源选通装置，所述光源选通装置用于选取特定一个以上光源通过。不同反射面 对不同波长光的反射率有所不同，因此宽波段光源或者多波长光源较目前单一波长的激光 光源相比，适应性更强。
[0025] 优选地是，所述第一投影系统和精对准标记之间还包括反射镜，所述照明光水平 射入所述反射镜后被反射，反射光束垂直入射到精对准标记上，所述反射镜还同时遮挡精 对准标记反射的0级光。
[0026] 优选地是，还包括偏转元件和其上的通孔，所述照明光经过所述通孔后垂直射入 所述精对准标记，产生的所述第一反射光栅衍射光和第二反射光栅衍射光被所述偏转元件 反射到所述第一投影系统进行收集。
[0027] 优选地是，在所述待对准部件上还设置有与所述精对准标记并排放置的对准粗捕 获标记，所述参考标记板上还设置有与所述参考标记并排放置的参考粗捕获标记，所述参 考粗捕获标记和对准粗捕获标记用于粗对准。
[0028] 优选地是，所述对准粗捕获标记采用粗光栅、十字或者方块图形，参考粗捕获标记 采用通光孔或其他与对准粗捕获标记对应的图形。
[0029] 优选地是，所述精对准标记和参考标记所在平面为相互平行、垂直或成一夹角。
[0030] 优选地是，所述第一透射光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记， P3= P 4且所述精对准标记包括X向和Y向标记，所述对准粗捕获标记包括X向 和Y向标记，所述参考粗捕获标记包括X向和Y向标记。
[0031] 莫尔条纹的形成过程如下：照明光经反射镜正入射到精对准标记的第一反射光 栅上，+1、-1级衍射光以出射角
进入第一投影系统，0级光被遮挡，高 级次的衍射光未纳入第一投影系统；经过第一投影系统的+1、-1级衍射光以e 2(sin 0 2 =sin 0/MO的入射角辐射到参考标记的第一透射光栅上，0 < iPiXMfP」彡0. 2P3， 因此+1级入射光的-1级衍射光和-1级入射光的+1级衍射光会以一个很小的 角度
出射，出射光束在交会处产生干涉，其光场分布为
其中Ai和A2分别为两束光波的振幅， △ s为精对准标记相对参考标记的偏移量，面阵探测器采集的莫尔条纹的光强分布按式 (I)分布：
[0033] 由此推出莫尔条纹的周期的计算式（II):
[0035] 按以上过程类推另一组莫尔条纹的周期计算公式为：
[0037] 可见莫尔条纹周期不受照明光波长影响。且由于？1乂111与己相差较小，所以莫尔 条纹周期相对于Pi 有较大的放大效果。另外，由于03非常小，因此面阵探测器的 NA可以很小，相当于1个低通滤波器，起到滤除杂散光的作用。
[0038] 两组莫尔条纹的对准原理如下：精对准标记和参考标记的相对移动会引起两组莫 尔条纹分别产生相位9i和奶，特别是当（PiXMrPjx^XMrPj <〇,两组莫尔条纹会 彼此反方向运动，产生正负相位，根据光强分布式（I)，相位
两组莫尔条纹的相位差A(p更为明显。由两组莫尔条纹的相位差Acp可计算出精对准标记 相对参考标记之间的偏移量A s，具体关系如式（III)
[0041] 本发明还提供了上述投影光刻机的离轴对准装置用于离轴对准的方法，包括以下 步骤：
[0042] S11获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹；
[0043] S15获取两组莫尔条纹的相位差；
[0044] S16计算偏移量：根据两组莫尔条纹的相位差计算精对准标记相对参考标记之间 的偏移量A s ;
[0045] S17位置调整：将偏移量As反馈到控制系统，驱动工件台，完成离轴对准。
[0046] 所述图像预处理一般是指暗电流校正、非均匀性校正、坏像素插值等。
[0047] 优选地是，还包括S11与S15之间的倍率误差调整，具体包括：
[0048] S13计算两组莫尔条纹实际周期；
[0049] S14倍率误差调整：根据实际周期分别对两组莫尔条纹进行数据处理，从而调整 倍率误差。
[0050] 倍率漂移时，通过式（II)可知莫尔条纹的周期会发生变化，而周期变化会直接影 响相位差，从而导致对准误差，因此倍率误差调整可大大降低因倍率漂移导致的对准误差。
[0051] 优选地是，所述S15中可通过拟合或快速傅里叶变换两种方法提取莫尔条纹的相 位。
[0052] 优选地是，在所述SI 1前还包括粗对准步骤：
[0053] S31获取对准图像：探测器探测对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像；
[0054] S33计算中心偏差：识别对准粗捕获标记和参考粗捕获标记的中心偏差；
[0055] S34中心粗对准：将中心偏差反馈控制系统，用于驱动工件台运动到对准捕获范 围内。
[0056]优选地是，在所述粗对准前还包括对精对准标记旋转进行校正的步骤：
[0057] S21将精对准标记移动到对准范围内；
[0058] S22获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹；
[0059] S24计算旋转角：通过两组莫尔条纹的夹角计算精对准标记相对参考标记的旋转 角；
[0060] S25角度调整：将旋转角反馈控制系统，驱动工件台，完成角度调整。
[0061] 优选地是，在所述探测器捕获后，由图像处理系统对捕获的信息进行预处理，所述 预处理包括暗电流校正、非均匀性校正和/或坏像素插值。
[0062] 本发明提供的技术方案通过引入投影系统，扩大了精对准标记和参考标记之间的 距离，使得先进的莫尔条纹对准技术得以在投影式光刻机中应用；兼容了多波长和宽波段 光源，提高了工艺适应性；通过透镜系统仅采集+1、_1级衍射光，增强测量的信噪比提高了 探测灵敏度；引入标记旋转校正和倍率误差调整，大大降低了因标记旋转和倍率漂移造成 的对准误差，提高了对准精度。
【附图说明】
[0063] 图1是现有技术中投影式光刻机的结构示意图；
[0064] 图2是实施例1所述投影光刻机的离轴对准装置的结构示意图；
[0065] 图3是实施例1所述精对准标记与参考标记的示意图；
[0066] 图4是本发明所述离轴对准方法一【具体实施方式】的流程图；
[0067] 图5是精对准标记相对参考标记旋转角a与条纹夹角0 i和0 2示意图；
[0068] 图6是实施例1中两组莫尔条纹夹角P i和P 2与相应标记的旋转角a关系图；
[0069] 图7是实施例1中倍率变化与两组莫尔条纹周期变化的关系图；
[0070] 图8是实施例1中校正前与校正后倍率变化引入对准误差的关系图；
[0071] 图9是实施例1中两组莫尔条纹的相位奶和92示意图；
[0072] 图10是实施例2所述投影光刻机的离轴对准装置的结构示意图；
[0073] 图11是实施例3所述精对准标记与参考标记的示意图；
[0074] 图12是实施例4所述精对准标记与参考标记的示意图。
[0075] 图中所示：
[0076]1卜照明系统，12-掩模版，13-掩模台，14-基准板，15-娃片，16-投影光学系统， 17-工件台，18-离轴对准系统；
[0077]2_照明装置；31-反射镜，32-偏转兀件，321-通孔；4_精对准标记，41-第一反射 光栅，42-第二反射光栅,43-对准粗捕获标记；5-第一投影系统；6-参考标记，61-第一透 射光栅，62-第二透射光栅，63-参考粗捕获标记，64-方格型光栅；7-第二投影系统；8-面 阵探测器；9-图像处理系统；100-标记旋转校正，101-粗对准，102-精对准。
【具体实施方式】
[0078] 下面结合附图对本发明作详细描述：
[0079] 实施例1
[0080] 如图2所示，本发明所述投影光刻机的离轴对准装置，包括照明装置2、反射镜31、 设置在硅片15上的精对准标记4、倍率为M1=l的第一投影系统5、设置在参考标记板上的 参考标记6、倍率为M2=l的第二投影系统7、面阵探测器8和图像处理系统9,所述精对准标 记4、第一投影系统5、参考标记6、第二投影系统7和面阵探测器8从下到上设置在一条中 轴线上。
[0081] 所述照明装置2包括光源和准直装置，所述光源为自然光。
[0082] 如图3所示，所述精对准标记4包括并排设置的第一反射光栅41、第二反射光栅 42和对准粗捕获标记43,本例为粗光栅，所述第一反射光栅41的光栅常数为P 1=l. 05 y m， 所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=l y m ;所述第一反射光栅41和第二反射光栅42均 为一维线性反射光栅。
[0083] 如图3所示，所述参考标记6包括并排设置的第一透射光栅61、第二透射光栅62 和与对准粗捕获标记43对应的参考粗捕获标记63,本 例为长方形通光孔。所述对准粗捕获 标记43可采用粗光栅、十字或者方块图形，参考粗捕获标记63采用通光孔或其他与对准粗 捕获标记对应的图形。所述第一透射光栅61的光栅常数为P 3=l y m，所述第二透射光栅62 的光栅常数为P4=l. 05 y m;所述第一透射光栅61和第二透射光栅62均为一维线性透射光 栅。
[0084] 所述面阵探测器8为(XD，用于收集从参考标记6透过的衍射光干涉形成的莫尔条 纹的图像。
[0085] 如图2所示，所述离轴对准装置的两组莫尔条纹成像过程如下：所述照明装置2提 供照明光，所述照明光经反射镜31光路由水平方向改为坚直方向，照明光垂直入射到精对 准标记4上，并以出射角0i出射，所述第一投影系统5采集第一反射光栅41的+1、-1级 衍射光，并以入射角e2进入第一透射光栅61上，0级衍射光被反射镜31遮挡。类似的所 述第一投影系统5同时采集第二反射光栅42衍射光并将其投射到第二透射光栅62上，第 一透射光栅61以角度0 3出射的光在交汇处干涉形成周期为Pim^lO. 5 y m的第一莫尔条 纹，类似的第二莫尔条纹的周期Pim2=10. 5 y m，所述第二投影系统7采集并排的两组莫尔条 纹并将其投射到面阵探测器8表面，所述图像处理系统9从面阵探测器8获取莫尔条纹的 图像并进行信号处理。优选地，所述第一莫尔条纹和第二莫尔条纹的周期相同，可以减少探 测器漂移引入的误差。
[0086] 如图4所示，上述投影光刻机的离轴对准装置用于离轴对准的方法，先后包括标 记旋转校正100、粗对准101和精对准102。
[0087] 所述标记旋转校正100包括以下步骤：
[0088] S21将精对准标记4移动到对准范围内；
[0089] S22获取对准图像：面阵探测器8捕获两组莫尔条纹；
[0090] S23图像预处理：图像处理系统9对捕获的两组莫尔条纹进行预处理；
[0091] S24计算旋转角：如图5所示，两组莫尔条纹的条纹夹角^和，其中
且PfPp P2=P3，因此，标记相对参考标记 6的旋转角a的数值可通过式（IV)获得
[0093] 如图6所示，两组莫尔条纹夹角Pi和P2与相应标记的旋转角a关系图，当旋转 角a为lmrad时，莫尔条纹夹角^和均大于20mrad，也就是莫尔条纹会产生明显的 相对倾斜，利用其放大作用，可以测量出精确的旋转角a ;
[0094] S25角度调整：将计算出的旋转角a反馈控制系统，驱动工件台，完成角度调整。
[0095] 如图4所示，所述粗对准101包括以下步骤：
[0096] S31获取对准图像：面阵探测器探测对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像；
[0097] S32由图像处理系统对捕获的对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像进行预处 理，所述预处理包括暗电流校正、非均匀性校正和坏像素插值；
[0098] S33计算中心偏差：识别对准粗捕获标记和参考粗捕获标记的中心偏差；
[0099] S34中心粗对准：将中心偏差反馈控制系统，用于驱动工件台运动到对准捕获范 围内。
[0100] 如图4所示，所述精对准102包括以下步骤：
[0101] S11获取对准图像：面阵探测器8捕获两组莫尔条纹；
[0102] S12由图像处理系统对捕获的两组莫尔条纹进行预处理，所述预处理包括暗电流 校正、非均匀性校正和坏像素插值等；
[0103] S13计算两组莫尔条纹实际周期：分别对两组莫尔条纹的光强曲线进行拟合，计 算获得实际周期；
[0104] 当倍率发生变化时，莫尔条纹的实际周期分别为Pim/和Pim2'，
实际倍率与理论倍率的比值，如图7所示，假设第一投影系统5的倍率M1=7,那么其漂移 0. 05%，也就是m=l. 05或0. 95时，则两组莫尔条纹周期将分别增大和减小1%，这样势必影响 相位差的准确提取，如图8所示，当m漂移1%。时，对准误差将达到0. 55nm;
[0106] S14倍率误差调整：根据实际周期分别对两组莫尔条纹进行插值处理，从而调整 倍率误差；
[0107] 如图8所示，插值处理后，当m漂移1%。时，对准误差仅为0. 023nm;
[0108]S15如图9所示，获取两组莫尔条纹的相位差9i和牝；
[0109] S16计算偏移量：根据两组莫尔条纹的相位差计算精对准标记相对参考标记之间 的偏移量A s，
[0110] S17位直调整：将偏移量A s反馈到控制系统，驱动工件台，完成尚轴对准。
[0111] 实施例2
[0112] 如图10所示，与实施例1的区别在于：
[0113] 所述投影光刻机的离轴对准装置，包括照明装置2、偏转元件32、设置在基准板14 上的精对准标记4、第一投影系统5、设置在参考标记板19上的参考标记6、第二投影系统 7、面阵探测器8和图像处理系统9。
[0114] 所述照明装置2包括光源、光源选通装置和准直装置，所述光源为多个波长的激 光，光源选通装置选择在基准板14上反射率高的几组波长为A 1、A 2和A 3的激光通过合 并，再经准直装置准直后发出。
[0115] 精对准标记4设置在基准板14上，所述第一反射光栅41的光栅常数为P1=8 y m， 所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=8. 5 y m ;所述第一反射光栅41和第二反射光栅42 均为一维线性透射光栅，光通过透射光栅在基准板14上反射后再次通过透射光栅传出，完 成光在光栅上的反射。所述第一透射光栅61的光栅常数为P 3=9i!m，所述第二透射光栅62 的光栅常数为P4=7. 7 ii m。
[0116] 所述面阵探测器8为CMOS。
[0117] 所述离轴对准装置的两组莫尔条纹成像过程中，所述照明装置2提供的照明光首 先从偏转元件32的通孔321垂直射入所述精对准标记4上，产生第一反射光栅衍射光和第 二反射光栅衍射光，其中0级衍射光再次经通孔321返回，所述+1、-1级衍射光经偏转元件 32反射后光路发生转折投射到与精对准标记4垂直设置第一投影系统5,后续过程可参考 实施例1。通过偏转元件32将光路转折，可减小高度方向所占用的空间，使对准装置布局更 加灵活。所述偏转元件32可采用中心透光的反射镜或者由光阑与分束镜组合构成。需要 指出的是精对准标记4和参考标记6可如图10所示垂直设置，也可以呈其他角度的夹角， 由偏转元件32对光路的转折角度决定。
[0118] 优选地，所述精对准标记和参考标记所在平面可以为相互平行、垂直或成一夹角。
[0119] 实施例3
[0120] 如图11所示，与实施例1的区别在于：所述第一反射光栅41的光栅常数为 P1=l U m，所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=l y m，也就是
[0121 ] 所述第一透射光栅61的光栅常数为P3=0. 8 y m，所述第二透射光栅62的光栅常数 为 P4=l. 2 u m
[0122] 这种设置方式简化了硅片15上的精对准标记4。
[0123] 实施例4
[0124] 如图12所示，与实施例1的区别在于：
[0125] 硅片的X向和Y向分别设置精对准标记4,所述第一反射光栅41的光栅常数为 Pi=0. 95 y m，所述第二反射光栅42的光栅常数为P2=l. 05 y m。
[0126] 参考标记6中所述第一透射光栅61和第二透射光栅62均为方格型光栅64,所述 方格型光栅64由交叉垂 直设置的X向线性光栅和Y向线性光栅组成，所述第一透射光栅61 的X向线性光栅和Y向线性光栅的光栅常数P 3=l ii m，所述第二透射光栅62的X向线性光 栅和Y向线性光栅的光栅常数匕=1 y m，因此总的来说参考标记6为统一的多个方格型二维 记。
[0127] 所述X向线性光栅和Y向线性光栅分别并排设有参考粗捕获标记63。
[0128] 对准时，X向精对准标记4与参考标记6中X向线性光栅对准，然后Y向精对准标 记4与参考标记6中Y向线性光栅对准，最终实现一套探测系统的两向对准。
【主权项】
1. 一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，包括照明装置、设置在待对准部件上 的精对准标记、倍率为M1的第一投影系统、设置在参考标记板上的参考标记、倍率为M2的第 二投影系统、探测器和信号处理系统； 所述精对准标记包括并排设置的第一反射光栅和第二反射光栅，所述第一反射光栅的 光栅常数为P1，所述第二反射光栅的光栅常数为P2 ; 所述参考标记包括并排设置的第一透射光栅和第二透射光栅，所述第一透射光栅的光 栅常数为P3,所述第二透射光栅的光栅常数为P4 ; 所述照明装置提供照明光，所述照明光入射到精对准标记上，所述第一投影系统收集 第一反射光栅衍射光并将其投射到第一透射光栅上，所述第一投影系统收集第二反射光栅 衍射光并将其投射到第二透射光栅上，经过第一反射光栅和第一透射光栅干涉形成第一莫 尔条纹，经过第二反射光栅和第二透射光栅干涉形成第二莫尔条纹，所述第二投影系统收 集两组莫尔条纹并将其投射到探测器，所述信号处理系统从探测器获取莫尔条纹的信息并 进行信号处理。2. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，P1尹P2,0 <IP1XM1-P3I彡 0.2P3,0<IP2XM1-P4I彡 0.2P4 且（P1XM1-P3)X(P2XM1-P4) <0。3. 根据权利要求2所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，P1M1 =P4且P2M1 =P3，所述第一莫尔条纹和第二莫尔条纹的周期相同。4. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第一反射 光栅和第二反射光栅为统一的线性光栅，P1=P2且P^PWP3t55. 根据权利要求4所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于， O-Spwpzp1Mzp^up1Miq6. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第一透射 光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记，P3=P4且PWP^P1Mlt57. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第 一投影系统仅收集第一反射光栅和第二反射光栅的-1级和+1级衍射光。8. 根据权利要求7所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述待对准部 件为硅片或工件台基准板。9. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述照 明装置包括光源和准直装置，所述光源为多波长光源或者宽波段光源。10. 根据权利要求9所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述光源为多 波长光源时，所述照明装置还包括设置在光源和准直装置之间的光源选通装置，所述光源 选通装置用于选取一个以上光源通过。11. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第 一投影系统和精对准标记之间还包括反射镜，所述照明光水平射入所述反射镜后被反射， 反射光束垂直入射到精对准标记上，所述反射镜还同时遮挡精对准标记反射的〇级光。12. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，还包括 偏转元件和其上的通孔，所述照明光经过所述通孔后垂直射入所述精对准标记，产生的所 述第一反射光栅衍射光和第二反射光栅衍射光被所述偏转元件反射到所述第一投影系统 进行收集。13. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，在所述 待对准部件上还设置有与所述精对准标记并排放置的对准粗捕获标记，所述参考标记板上 还设置有与所述参考标记并排放置的参考粗捕获标记，所述参考粗捕获标记和对准粗捕获 标记用于粗对准。14. 根据权利要求13所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述对准粗 捕获标记采用粗光栅、十字或者方块图形，参考粗捕获标记采用通光孔或其他与对准粗捕 获标记对应的图形。15. 根据权利要求13所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述第一透 射光栅和第二透射光栅为统一的多个方格型二维标记，P3=P4且PWP^P1M1，所述精对准标 记包括X向和Y向标记,所述对准粗捕获标记包括X向和Y向标记,所述参考粗捕获标记包 括X向和Y向标记。16. 根据权利要求1-6任一所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，所述精 对准标记和参考标记所在平面为相互平行、垂直或成一夹角。17. 根据权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置，其特征在于，M1的取值为 1~20,M2的取值为1~20。18. 权利要求1所述一种投影光刻机的离轴对准装置用于离轴对准的方法，其特征在 于，所述对准包括以下步骤： Sll获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹； S15获取两组莫尔条纹的相位差； S16计算偏移量：根据两组莫尔条纹的相位差计算精对准标记相对参考标记之间的偏 移量As; S17位置调整：将偏移量As反馈到控制系统，驱动工件台，完成离轴对准。19. 根据权利要求18所述方法，其特征在于，所述对准还包括SI1与S15之间的倍率误 差调整，具体包括： S13计算两组莫尔条纹实际周期； S14倍率误差调整：根据实际周期分别对两组莫尔条纹进行数据处理，从而调整倍率 误差。20. 根据权利要求18或19所述方法，其特征在于，所述S15中可通过拟合或快速傅里 叶变换两种方法提取莫尔条纹的相位。21. 根据权利要求18所述方法，其特征在于，在所述Sll前还包括粗对准步骤： S31获取对准图像：探测器探测对准粗捕获标记像和参考粗捕获标记像； S33计算中心偏差：识别对准粗捕获标记和参考粗捕获标记的中心偏差； S34中心粗对准：将中心偏差反馈控制系统，用于驱动工件台运动到对准捕获范围内。22. 根据权利要求21所述方法，其特征在于，在所述粗对准前还包括对精对准标记旋 转进行校正的步骤： S21将精对准标记移动到对准范围内； S22获取对准图像：探测器捕获两组莫尔条纹； S24计算旋转角：通过两组莫尔条纹的夹角计算精对准标记相对参考标记的旋转角； S25角度调整：将旋转角反馈控制系统，驱动工件台，完成角度调整。
【专利摘要】本发明属于加工半导体设备领域，具体涉及一种通过莫尔条纹来进行离轴对准装置和对准调节方法，将其用于投影光刻机中硅片的精确定位。所述装置，包括照明装置、设置在待对准部件上的对准标记、第一投影系统、设置在参考标记板上的参考标记、第二投影系统、面阵探测器和图像处理系统。所述方法包括粗对准和精对准。本发明提供的技术方案通过引入投影系统，使得先进的莫尔条纹对准技术得以在投影式光刻机中应用；兼容了多波长和宽波段光源，提高了工艺适应性；通过透镜系统仅采集+1、-1级衍射光，增强测量的信噪比提高了探测灵敏度；引入标记旋转校正和倍率误差调整，大大降低了因标记旋转和倍率漂移造成的对准误差。
【IPC分类】G03F7/20, G03F9/00
【公开号】CN104898376
【申请号】CN201410073758
【发明人】周钰颖, 陆海亮, 王帆
【申请人】上海微电子装备有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月3日
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