[發明專利]一種測量系統及使用該測量系統的光刻設備

有效

• 申請號: 201010606302.5
• 申請日: 2010-12-22
• 公開（公告）號: CN102540778A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 王帆;馬明英
• 申請（專利權）人: 上海微電子裝備有限公司
• 主分類號: G03F9/00
• 分類號: G03F9/00;G03F7/20;G01J9/02
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 王光輝

技術領域

本發明涉及光刻領域，尤其涉及光刻設備中硅片對準和調焦調平的測量系統。

背景技術

在現有技術中，將形成于各種掩模上的圖樣，用曝光光線照明，中間經由成像光學系統將前述圖樣復制到涂布有光刻膠的晶片、玻璃基板等基板上的曝光裝置是公知的。目前的光刻設備主要分為兩類，一類是步進光刻設備，掩模圖案一次曝光成像在硅片的一個曝光區域，隨后硅片相對于掩模移動，將下一個曝光區域移動到掩模圖案和投影物鏡下方，再一次將掩模圖案曝光在硅片的另一曝光區域，重復這一過程直到硅片上所有曝光區域都擁有相應掩模圖案的像。另一類是步進掃描光刻設備，在上述過程中，掩模圖案不是一次曝光成像，而是通過投影光場的掃描移動成像。在掩模圖案成像過程中，掩模與硅片同時相對于投影系統和投影光束移動，完成硅片曝光。

光刻設備中關鍵的步驟是將掩模與硅片對準以及將硅片調焦調平。第一層掩模圖案在硅片上曝光后從設備中移走，在硅片進行相關的工藝處理后，進行第二層掩模圖案的曝光，但為確保第二層掩模圖案和隨后掩模圖案的像相對于硅片上已曝光掩模圖案像的精確定位，需要將掩模和硅片進行精確對準。由于光刻技術制造的IC器件需要多次曝光在硅片中形成多層電路，為此，光刻設備中要求實現掩模和硅片的精確對準。由于硅片表面具有起伏，在投影光刻機中需要調焦調平系統測量硅片上表面的高度信息。調焦調平測量系統是光刻機的重要分系統之一，它負責測量硅片的表面位置信息，以便和夾持硅片的工件臺系統一起使硅片的被曝光區域一直處于光刻機物鏡系統的焦深之內，而使掩模板上的圖形理想地轉移到硅片上。隨著投影光刻機的分辨率不斷提高焦深不斷減小，對對準精度以及調焦調平系統的要求也變得更加嚴格。

現有技術有兩種對準方案。一種是透過鏡頭的TTL對準技術，激光照明掩模上的對準標記通過物鏡成像于硅片平面，移動硅片臺，使硅片臺上的參考標記掃描對準標記所成的像，同時采樣所成像的光強，探測器輸出的最大光強位置即表示正確的對準位置，該對準位置為用于監測硅片臺位置移動的激光干涉儀的位置測量提供了零基準。另一種是OA離軸對準技術，通過離軸對準系統測量位于硅片臺上的多個對準標記以及硅片臺上基準板的基準標記，實現硅片對準和硅片臺對準；硅片臺上參考標記與掩模對準標記對準，實現掩模對準；由此可以得到掩模和硅片的位置關系，實現掩模和硅片對準。

目前，主流光刻設備大多所采用的對準方式為光柵對準。光柵對準是指照明光束照射在光柵型對準標記上發生衍射，衍射光攜帶有關于對準標記結構的全部信息。多級次衍射光以不同角度從相位對準光柵上散開，通過空間濾波器濾掉零級光后，采集±1級衍射光，或者隨著CD要求的提高，同時采集多級衍射光(包括高級)在參考面干涉成像，利用像與相應參考光柵在一定方向掃描，經光電探測器探測和信號處理，確定對準中心位置。

一種現有技術的情況(中國發明專利CN1506768A，發明名稱：用于光刻系統的對準系統和方法)，采用的一種4f系統結構的離軸對準系統，該對準系統在光源部分采用紅光、綠光雙光源照射；并采用楔塊列陣或楔板組來實現對準標記多級衍射光的重疊和相干成像，并在像面上將成像空間分開；紅光和綠光的對準信號通過一個偏振分束棱鏡來分離；通過探測對準標記像透過參考光柵的透射光強，得到正弦輸出的對準信號。

該對準系統通過探測對準標記的(包括高級次衍射光在內)多級次衍射光以減小對準標記非對稱變形導致的對準位置誤差。具體采用楔塊列陣或楔板組來實現對準標記多級衍射光的正、負級次光斑對應重疊、相干成像，同時各級衍射光光束通過楔塊列陣或楔板組的偏折使得對準標記用于x方向對準的光柵各級光柵像在像面沿y方向排列成像；用于y方向對準的光柵各級光柵像在像面沿x方向排列成像，避免了對準標記各級光柵像掃描對應參考光柵時不同周期光柵像同時掃描一個參考光柵的情況，有效解決信號的串擾問題。

另一種現有技術的情況(中國發明專利申請：200710044152.1，發明名稱：一種用于光刻設備的對準系統)，該對準系統采用具有粗細結合的三周期相位光柵，只利用這三個周期的一級衍射光作為對準信號，可以實現大的捕獲范圍的同時獲得高的對準精度，只使用各周期的一級衍射光，可以獲取較強的信號強度，提高系統信噪比，不需要借助楔板等調節裝置來分開多路高級次衍射分量，簡化光路設計和調試難度。

現有目前高精度的投影光刻機調焦系統均采用了三角法的測量原理測量硅片表面相對于最佳焦面的高度信息，并采用多個光斑測量硅片表面的方法測量硅片相對于最佳焦面的傾斜信息。