光強衰減裝置及其衰減方法

專利名稱：光強衰減裝置及其衰減方法
技術領域：
本發明涉及光強衰減裝置，尤其涉及用于光刻設備的光強衰減裝置。
背景技術：
現有技術中的光刻裝置，主要用于集成電路IC或其他微型器件的制造。通過光刻 裝置，具有不同掩模圖案的多層掩模在精確對準下依次成像在涂覆有光刻膠的硅片上，例 如半導體硅片或LCD板。光刻裝置大體上分為兩類，一類是步進光刻裝置，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掩模圖案的像。另一類是步進掃描光刻裝置，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。光刻裝置中關鍵的步驟是將掩模與硅片對準。第一層掩模圖案在硅片上曝光后 從裝置中移開，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，光刻裝置中要求配置對準系統，實現掩模和硅片的精確對準。當特征尺寸要求更小時， 對套刻精度的要求以及由此產生的對對準精度的要求變得更加嚴格。光刻裝置的對準系統，其主要功能是在套刻曝光前實現掩模-硅片對準，即測出 硅片在機器坐標系中的坐標(XW，YW，OWZ)，及掩模在機器坐標系中的坐標0(R，YR，ΦRZ), 并計算得到掩模相對于硅片的位置，以滿足套刻精度的要求。現有技術有兩種對準方案。 一種是透過鏡頭的TTL對準技術，激光照明在硅片上設置的周期性相位光柵結構的對準標 記，由光刻裝置的投影物鏡所收集的硅片對準標記的衍射光或散射光照射在掩模對準標記 上，該對準標記可以為振幅或相位光柵。在掩模標記后設置探測器，當在投影物鏡下掃描硅 片時，探測透過掩模標記的光強，探測器輸出的最大值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；臺上基準板的基準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，光刻設備大多所采用的對準方式為光柵對準。光柵對準是指均勻照明光束 照射在光柵對準標記上發生衍射，衍射后的出射光攜帶有關于對準標記結構的全部信息。 高級衍射光以大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，采集衍射光 士 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)在像平面干涉成 像，經光電探測器和信號處理，確定對準中心位置。實際工藝過程中，對準標記衍射光功率可能會由于一些實際原因變弱(例如，激 光器老化，特定工藝使用低反射率的光刻膠，或者對準標記槽深變化)，導致無法正確判斷
3對準位置。因而在實際工作之前必須確定，究竟光功率降低到何種情況時，由此得到的對準 位置不能再被采用，對準重復精度變差，影響分系統的可靠性。基于上述問題，有必要對對 準系統作一個動態范圍不低于1000倍(輸入光強信號衰減)的測試來測試系統運行性能， 測試對準重復精度，驗證分系統的動態性能，保證分系統的可靠性.目前公開文獻 1 (The Newport RESOURNCE 2008/2009)的 P8M 頁中的 NSFW-1 可 以對光強控制實現八檔倍率衰減，避免了手動操作，仍然存在不能精確控制的缺點，不能讀 取此時的衰減輪當前位置。^JfilK 2 (2009 Edmund Optics and optical Instruments Catalog)中的 Pl 16 頁CIRCULAR VARIABLE DENSITY FILTERS固定起來即為衰減輪，該產品可以對光強實現不 同倍率衰減，但是需要手動操作使其轉動，既操作麻煩又沒有較高的精度，不適用于精密對 準系統與龐大的光刻裝置中。針對以上問題，本發明提出了一種適用于對準系統的自動光強衰減裝置。

發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種適用于對準 系統的可進行光強自動無級衰減的裝置。為實現上述目的，本發明提供了一種用于光刻機的對準系統的自動光強衰減裝 置，包括控制器，濾光片，電機，光電傳感器，其特征在于，所述電機驅動所述濾光片旋轉，用 以調整入射光的衰減值，所述光電傳感器用于向控制器反饋所述濾光片的旋轉角度。較佳地，所述濾光片為可變中性密度濾光片，以在可見光區到近紅外光區內，通過 吸收和反射使透過所述濾光片的光的光密度線性衰減。較佳地，所述濾光片的旋轉角度與所述光密度相對應。較佳地，所述濾光片為圓形，其中包括衰減區域以及未衰減區域，并且其中所述未 衰減區域設有位于所述未衰減區域中心的通孔，所述通孔的中心位于對準系統的光源模塊 的光軸上并且其不被所述電機的外殼遮擋所，所述由此成為零基準位。如較佳地，所述光電傳感器為絕對式光電編碼器或增量絕對式編碼器。本發明采用圓形可變中性密度濾光片，其在可見光區到近紅外光區內，通過吸收 和反射使透過光密度線性衰減。通過控制器控制電機從而控制濾光片的旋轉，由此很方便 地實現光強的自動無級衰減。


參考下文較佳實施例的描述以及附圖，可最佳地理解本發明及其目的與優點，其 中圖1是本發明第一實施例所用的對準系統的光刻設備結構示意圖；圖2是本發明第一實施例的對準系統結構示意圖；圖3是相應經過增益后的掃描信號測量結果示意圖；圖4是本發明第一實施例所用的自動光強衰減裝置結構示意圖；圖5是本發明第一實施例所用的可變中性密度濾光片結構示意圖；圖6是本發明第一實施例所用的自動光強衰減裝置旋轉角度與OD衰減曲線；
圖7是第一實施例所用的光電傳感器的4位二進制碼盤；圖8是本發明第一實施例所用的自動光強衰減裝置旋轉角度與衰減倍率曲線；圖9是本發明第一實施例所用的自動光強衰減裝置控制方法。
具體實施例方式參見本發明實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發明。然而，本發明可以以許多 不同的形式實現，并且不應解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是為 了達成充分及完整公開，并且使本技術領域的技術人員完全了解本發明的范圍。圖1是本發明第一實施例所用的對準系統的光刻設備結構示意圖。光刻設備100 包括用于提供曝光光束的照明系統1以及用于支承掩模版2的掩模臺3。掩模版2上有掩 模圖案和具有周期性結構的對準標記冊。光刻設備100還包括用于將掩模版2上的掩模圖 案投影到晶片6的投影光學系統4、用于支承晶片6的晶片支架和晶片臺7、以及放置在晶 片臺7上有刻有基準標記FM的基準板8。晶片6上有周期性光學結構的對準標記WM。光 刻設備100還包括用于掩模版2和晶片6對準的離軸對準系統5、用于掩模臺3和晶片臺7 位置測量的反射鏡10、16和激光干涉儀11、15、以及由主控制系統12控制的掩模臺3和晶 片臺7位移的伺服系統13和驅動系統9、14。照明系統1包括光源、使照明均勻化的透鏡系統、反射鏡以及聚光鏡(圖中均未示 出)。照明系統1均勻照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上包含有掩模圖案 和周期性結構的標記冊，用于掩模對準。掩模臺3可以經驅動系統14在垂直于照明系統1光軸(與投影物鏡的光軸AX重 合)的X-Y平面內移動，并且在預定的掃描方向(平行于X軸方向)以特定的掃描速度移動。掩模臺3在X-Y平面內的位置通過位于掩模臺3上的反射鏡16由多普勒雙頻激 光干涉儀15精密測得。掩模臺3的位置信息由激光干涉儀15經伺服系統13發送到主控 制系統12，主控制系統12根據掩模臺3的位置信息通過驅動系統14驅動掩模臺3。投影光學系統4 (投影物鏡)位于圖1所示的掩模臺3下方，其光軸AX平行于Z 軸方向。由于采用雙遠心結構并具有預定的縮小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光 學系統作為投影光學系統，所以當照明系統1發射的曝光光束照射掩模版2上的掩模圖案 時，電路掩模圖案經過投影光學系統4在涂覆有光刻膠的晶片6上成縮小的圖像。晶片臺7位于投影光學系統4的下方，晶片臺7上設置有一個晶片支架(圖中未 示出)，晶片6固定在晶片支架上。晶片臺7經驅動系統9驅動在掃描方向(X方向)和掃 描方向的垂直方向(Y方向)上運動，使得將晶片6的不同區域定位在曝光光場內，并進行 步進掃描操作。晶片臺7在X-Y平面內的位置通過一個位于晶片臺上的反射鏡10由多普勒雙頻 激光干涉儀11精密測得，晶片臺7的位置信息經伺服系統13發送到主控制系統12，主控制 系統12根據該位置信息(或速度信息)通過驅動系統9控制晶片臺7的運動。晶片6上設有晶片對準標記WM，晶片臺7上有包含基準標記FM的基準板8，對準 系統5分別通過晶片對準標記WM和基準標記FM實現晶片6對準和晶片臺7對準。另外， 一個同軸對準單元(圖中未示出)將晶片臺上基準板8的基準標記FM與掩模對準標記RM對準，實現掩模對準。對準系統5的對準信息結合同軸對準單元的對準信息一起傳輸到主 控制系統12，經數據處理后，驅動系統9驅動晶片臺7移動實現掩模版2和晶片6的對準。圖2是本發明第一實施例的對準系統結構示意圖，該對準系統主要由光源模塊、 照明模塊、成像模塊、探測模塊、信號處理和定位模塊(圖中沒有示出)等組成。所述光源 模塊生成光束(本實施例中為光束701)。所述光源模塊主要包括提供兩個波長的光源A1 和λ 2、快門、光隔離器和RF相位調制器(圖中均未示)。根據本發明的自動光強衰減裝置 (下文將詳述)位于所述光源模塊中。具體地，所述自動光強衰減裝置位于所述光源模塊的 最后一級，即光源所生成的光最終經所述自動光強衰減裝置調節而形成出射的光束。所述照明模塊包括傳輸光纖和照明光學系統(圖中未示)。所述成像模塊主要包 括大數值孔徑的物鏡711、分束器714、雙向分束器718、空間濾波偏折器719、7Μ和透鏡系 統711、720、725。所述探測模塊包括參考光柵721、726、傳輸光纖716、722、727、CCD相機 717和光電探測器723、728。信號處理和定位模塊主要包括光電信號轉換和放大、模數轉換 和數字信號處理電路等。對準系統中，光源模塊輸出的光束701(包含兩種可選波長，也可同時應用)進入 光束合束器702，經由單膜保偏光纖703傳輸到起偏器704、透鏡705、照明孔徑光闌706和 透鏡707，然后經平板709上的反射棱鏡708垂直入射到消色差的λ /4波片710進入大數 值孔徑的物鏡711 (4F透鏡的前組)，光束經大數值孔徑的物鏡711會聚照射到硅片標記 712上并發生衍射，標記712各級次衍射光沿原路返回并經平板709進入分束器714，分束 器714將一小部分衍射光經過鍍膜反射面713反射到CXD光路經過透鏡715、傳輸光纖716， 成像于(XD717上用于觀測標記成像情況，另一部分衍射光沿光路透射過去由分光棱鏡718 兩種波長光束分開，分別進入不同的光路，經過相應的空間濾波偏折器719、7Μ選擇需要 的衍射光級次(本發明需要的分別是各光柵的士 1級衍射光，并通過透鏡系統720、725(4F 透鏡的后組)將相應衍射級次光干涉像成在參考光柵721、7沈上，標記衍射級次干涉像經 由參考光柵721、7沈掃描得到的信號經傳輸光纖722、727輸送到光電探測器723、7觀進行 信號探測。圖3是相應經過增益后的掃描信號測量結果示意圖。其中掃描探測信號SP2、SP3 用于位置粗對準，即對準位置捕獲，掃描探測信號SPl用于位置精確對準。圖4是本發明第一實施例所用的自動光強衰減裝置結構示意圖。現參考圖4詳述 根據本發明的自動光強衰減裝置的實施例。如圖4所示，自動光強衰減裝500包括控制器 5、濾光片501、電機502、電機驅動器504和光電傳感器503。濾光片501包括圓形可變中性 密度濾光片，與電機502軸式固定或套式固定。圓形可變中性密度濾光片在可見光區到近 紅外光區內，通過吸收和反射使透過光密度線性衰減。光密度在360°內線性變化，通過旋 轉濾光片，可以很方便地調整衰減值，從而實現入射光的不同倍率衰減。電機502可以是步進電機，或者是伺服電機，用于使濾光片501旋轉。控制器5發 出電脈沖給電機驅動器504，504驅動電機502旋轉，再驅動濾光片501旋轉相同角度。電 脈沖的數量決定了電機旋轉的角度。光電傳感器503是光電編碼器，可以是絕對式光電編碼器或是增量絕對式編碼 器，用于反饋濾光片旋轉的位置和角度。光電編碼器包括光柵碼盤和光電檢測裝置。光電 傳感器的光柵碼盤與電機主軸直接聯接；或者是光電傳感器與電機的外殼固定，電動機旋轉時，光電傳感器與電動機同速旋轉。光柵碼盤可以是4位二進制碼盤或N位二進制碼盤。 光電檢測裝置透過檢查光柵碼盤而的測得所述濾光片的旋轉位置和角度，并將所述旋轉位 置和角度反饋至所述控制器。圖5是本發明第一實施例所用的可變中性密度濾光片結構示意圖。陰影部分為 300度的衰減區域，空白部分為60度的未衰減區域，未衰減區域上開有一個通孔，該通孔位 于空白部分的中心位置且不被與濾光片固定的電機外殼遮擋，該通孔是零基準位，照明光 束通過該通孔對光沒有任何衰減。該通孔的中心位于對準系統的光源模塊的光軸上，即該 通孔為通光孔。圖6是本發明第一實施例所用的自動光強衰減裝置旋轉角度與OD衰減曲線。表1 給出了光密度OD (Optical Density)與透過率的部分對應值。不同可變中性密度濾光片的 旋轉角度與光密度(旋轉角度與透過率)的關系可由濾光片廠家得知或者用光功率計實驗 測試所得。本發明第一實施例所用的可變中性密度濾光片的旋轉角度與光密度的關系為 OD = A+B · α，A為初始OD值，B為衰減系數，A = 0. 04，B = 0. 01，α 旋轉角度。
權利要求
1.一種用于光刻機的對準系統的自動光強衰減裝置，包括控制器，濾光片，電機，光電 傳感器，其特征在于，所述電機驅動所述濾光片旋轉，用以調整入射光的衰減值，所述光電 傳感器用于向控制器反饋所述濾光片的旋轉角度。
2.如權利要求1所述的自動光強衰減裝置，其特征在于，所述濾光片為可變中性密度 濾光片，以在可見光區到近紅外光區內，通過吸收和反射使透過所述濾光片的光的光密度 線性衰減。
3.如權利要求2所述的自動光強衰減裝置，其特征在于，所述濾光片的旋轉角度與所 述光密度相對應。
4.如權利要求3所述的自動光強衰減裝置，其特征在于，所述濾光片為圓形，其中包 括衰減區域以及未衰減區域，并且其中所述未衰減區域設有位于所述未衰減區域中心的通 孔，所述通孔的中心位于對準系統的光源模塊的光軸上并且其不被所述電機的外殼遮擋 所，所述由此成為零基準位。
5.如權利要求1所述的自動光強衰減裝置，其特征在于，所述光電傳感器為絕對式光 電編碼器或增量絕對式編碼器。
6.一種自動光強衰減方法，其特征在于，包括設定目標衰減倍率，查找自動光強衰減 裝置的零基準位；將查找到零基準位作為電機旋轉角的零點標定，同時記錄此時的光強值， 并把此位置作為基準衰減位置；將由預定目標衰減倍率得到的旋轉角度下發給電機，同時 光電傳感器反饋當前的位置；根據旋轉角度與衰減倍率曲線關系查找當前衰減倍率是否達 到目標衰減倍率，若未達到可繼續執行脈沖指令直至達到目標衰減倍率。
全文摘要
一種用于光刻機的對準系統的自動光強衰減裝置，包括控制器，濾光片，電機，光電傳感器，其特征在于，所述電機驅動所述濾光片旋轉，用以調整入射光的衰減值，所述光電傳感器用于向控制器反饋所述濾光片的旋轉角度。本發明采用圓形可變中性密度濾光片，其在可見光區到近紅外光區內，通過吸收和反射使透過光密度線性衰減。通過控制器控制電機從而控制濾光片的旋轉，由此很方便地實現光強的自動無級衰減。
文檔編號G03F7/20GK102096325SQ20091020026
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者徐榮偉, 戈亞萍 申請人:上海微電子裝備有限公司, 上海微高精密機械工程有限公司