專利名稱：用于投影掃描光刻機的對準方法及微器件制造方法
技術領域：
本發明涉及光刻機技術，特別涉及掃描投影光刻機的對準技術。
背景技術：
應用步進掃描投影光刻機來完成微細加工的圖形轉移任務，基本上會涉及 工件裝載、工件待加工區域與掩膜版對準、工件曝光和工件卸載等基本步驟， 其中尤其涉及到工件需要進行多層加工工藝的情況下，工件待加工區域與掩模 版的精確對準是確保在線寬不斷縮小情況下工件被正確加工的前提，當圖形被 準確的投影到工件待加工區域或新一層圖形準確的套準投影在先前已形成圖形 的工件待加工區域上時，對當前層的適宜曝光，可以實現圖形從掩膜版到基底 (即待加工工件)的準確轉移或層間套刻要求。
早期的光刻投影設備多采用同軸對準方法，專利US.4，251,160介紹了一種 同軸對準裝置，來實現掩膜片標記與基底標記的對準，其實現結構包括對準用 光源、掩膜片及掩膜標記、對準光路(借助于投影物鏡光路)和基底及基底標 記。然而，隨著加工最小線寬不斷縮小，被迫采用更短的曝光波長，由于物鏡 必須根據曝光波長而并非對準波長進行優化設計，對準信號的強度勢必受到影 響。而且由于引入CMP工藝使得基底標記不對稱，從而使同軸對準方法不再可 靠。此外，各種工藝步驟使對準標記發生變化，包括引入不對稱性和基底光柵 標記的槽有效深度的變化。其它加工方法或步驟經常引入不同類型的誤差。例 如，銅-鑲嵌過程會在集成電路表面的隨機分布中引入對準誤差。隨著光刻技 術構造的結構的尺寸減小和復雜性提高，不斷要求提高對準精度。不提高對準 精度，就不能實現分辨率的提高。此外，微器件復雜性的提高更需要技術來控 制并將制造過程中由于對準誤差而必須丟棄的基底數量降至最低。
另外，如何實現較大的捕獲范圍保證包含對準中心也是應該關注的問題， 因為技術條件和工作順序的限制，基底上片的預對準精度還不容易達到很高的
程度，所以對完成預對準以后放在基底臺的基底進行對準的前提條件是對準裝 置可以保證找到對準標記中心所在的區域，并獲取包含中心區域信息的信號， 通過對這種類型信號的處理最終獲得對準中心位置，這也就是所謂的捕獲范圍
問題。文獻1 (Anew interferometric alignment technique, D.C.Flanders and Henry I. Smith, Appl. Phys. Lett.， vol.31,no.7，p.426,1977 )介紹了 一種用于X射線投影 光刻機利用被具有周期p的基底標記與具有周期p+Ap的掩膜版標記之間的空間 調制得到的正級次光組干涉形成的相位信號與負級次光組干涉形成的相位信號 之間相位零相交位置作為精對準的位置，同時，這樣可以獲得P-[p(p+Ap)]/Ap=p2/Ap的標記中心位置的捕獲范圍，即可以確保在P范圍內有一個 對準點。
更進一步,文獻2 (Automatic Alignment System for Optical Projection Printing, Gijs Bouwhuis and Stefan Wittekoek, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL.ED-26, NO.4, April 1979 )提出了 一種用于步進投影光刻機的一種 利用周期為p的基底相位光柵與周期為p'-Rxp/2 (其中R為光學倍率)的掩膜 版相位光柵相對進行掃描運動獲得一個與基底位置相一致的二次型相位信號， 可以利用最大光強值來確定對準位置，前提是預對準精度達到p/4,在預對準精 度允許范圍內的信號峰值就是所求的對準位置，文中提到雖然可以用增加觀察 光路的方法來實現這樣的預對準精度，但更好的方法是加入另外一個周期為 p+Ap (Ap p)的光柵，通過設計保證這兩個周期的光柵存在零相交位置，這樣 這兩個光柵形成的信號的零相交位置將以P = [p(p+Ap)]/Ap-p2/Ap為周期重復出 現，所以如果在小于P的范圍內將可以保證只有一個唯一的零相交位置，這個 位置就可以作為精確的對準位置。但隨著特征線寬(Critical Dimension, CD)尺 寸的減小，對套刻精度提高的要求也使得單純用這種方式無法滿足更高對準精 度的要求。因為如果減小p,則P也將減小，對預對準的要求相應必須提高；而 如果增大p,則P雖可以增大，但如果只利用一級光無法更好的實現更高精度的 對準。
離軸對準系統的引入已經有一段時間。比如，專利US.4，937,618介紹了一 種離軸對準技術，其中使用了兩路離軸對準單元，結合一路同軸對準單元來完 成掩膜版標記和基底標記的對準，在兩路離軸對準單元中，每一路都可以提供
高、低兩種放大倍數底探測方式，分別用于精對準和粗對準，其探測信號經過
一個參考標記比較后引入CCD (電耦合器件)和檢測電路以及顯示器，通過檢 測電路對圖像信號進行逐行積分，獲得若干連續楨的整幅圖像后通過與預設的 代表標記中心的闊值電平值VI和一個低電平值V2估支比4交，可以找到超過V2 的值，作為標記圖像，而超過V1的值作為標記中心，x向和y向可以同時探測。 顯然，通過預設閾值電平值來檢測對準中心，其精度除了容易受CCD象素大小 和系統放大倍率(放大倍率過大則不易保證成像質量)影響，還受信號上疊加 的平均噪聲的影響，所以實際對準精度和重復性較差。
專利US.5,243,195介紹了一種離軸對準技術，也是結合同軸對準裝置來實 現掩膜版標記和基底標記的對準。通過用一個分化板將標記x向和y向部分分 別成像在各自的CCD傳感器上，然后結合對圖像信號的分析得到對準位置，然 而，標記變形和不同覆蓋層材料反射率的變化使得圖像對比度和強度變化很大， 從而影響得到較好的結果。
專利US.6,297，876B1介紹了一種離軸對準方法，也是結合同軸對準裝置來 實現掩膜版標記和基底標記的對準。通過采集一個標記的7個階次的衍射光， 經過具有楔板調節裝置的空間分離裝置使這7個階次的正負分量在像面相干疊 加，然后對這7個階次的光信號進行擬和，找到7個階次都最大的一點，作為 標記的中心位置。該方案的優點是可以實現自動捕獲以及較高的對準精度，但 缺點是需要特殊的楔板調節裝置和復雜的裝調，另外，衍射光中的高階次信號 較弱，而該方法卻又靠高階次信號來實現較高的對準精度，實際中隨著標記(特 別是硅片標記)反射信號(特別是高階次信號)功率過低，則實際無法利用高 階次信號，所以并不能可靠的提供最高對準精度。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于投影掃描光刻機的對準方法，以及一種微 器件制造方法。以實現較大的捕獲范圍和較高的對準精度，而相應的光刻裝置 具有豐支高的套刻精度和產率。
為了達到上述的目的，本發明提供一種用于投影掃描光刻機的對準方法， 使用對準輻射源照射對準標記得到對準標記信號，使用透鏡組聚焦該對準標記
信號，使用對準標記信號檢測器收集被聚焦的該對準標記信號，使用位移測量 系統收集掃描過程中的位移信號，使用收集到的該對準標記信號和該位移信號 確定該對準標記的位置。
上述用于投影掃描光刻機的對準方法，包括如下步驟
(1) 形成該對準標記；
(2) 使用該對準輻射源照射該對準標記，得到該對準標記信號； (3 )使用該透鏡組聚焦該對準標記信號；
(4) 移動基底臺及基底；
(5) 使用該對準標記信號檢測器收集該對準標記信號；
(6) 使用該位移測量系統收集該位移信號；
(7) 使用收集到的該對準標記信號和該位移信號確定該對準標記的位置。 該對準標記包含光4冊，該對準標記包含的該光柵至少有三個不同的周期相位。
該對準標記可以位于基底臺上，也可以位于基底上。 該對準標記信號為該校準光束照射該對準標記后發出的一級衍射信號。 該透鏡組可以是單獨設計的采用雙遠心結構的4f透鏡組，也可以是光刻機 的投影物鏡。
該透鏡組包括前組透4竟和后組透4竟，該對準標記位于該前組透4竟的與該透
鏡組不同側的焦平面上。
該用于投影掃描光刻機的對準方法使用統一的工作時序控制，同步采集該
對準標記信號和該位移信號。
該對準標記可以沿著待對準區域的分劃邊界間隙成等長線條排列。
可以分別收集該不同周期相位的光4冊產生的對準標記信號。
該透鏡組中可以加入空間濾波器。該空間濾波器僅允許三個周期相位的光
柵的一級衍射信號通過。該空間濾波器可以是僅允許該對準標記的光柵的一級
衍射信號通過的孔徑光闌。
該對準標記信號檢測器可以包括對準輻射源光纖、分光裝置、前組透鏡、
空間濾波器、后組透鏡、全反射器件、光電信號傳感器和與該對準標記布局形
式相應的參考光柵。該對準輻射源連接到該對準輻射源光纖，該對準輻射源光
纖連接到該分光裝置的一個輸入端，該分光裝置的一個輸出端和另一個輸入端 同時指向該對準標記，該分光裝置的另一個輸出端指向該前組透鏡，該空間濾 波器位于該前組透鏡和該后組透鏡之間，該全反射器件位于該前組透鏡和該后 組透鏡的中心光路上，該參考光柵分別位于該對準標記的光柵通過透鏡組成4象 位置，該光電信號傳感器分別位于該參考光柵后。該參考光柵分支的周期分別 與對應該對準標記分支所成像的周期相同。該全反射器件可以是全反射棱鏡。
該對準標記信號檢測器也可以包括對準輻射源光纖、分光裝置、前組透鏡、 空間濾波器、后組透鏡、全反射器件、探測光纖、光電信號傳感器和與該對準 標記布局形式相應的參考光柵。該對準輻射源連4妾到該對準輻射源光纖，該對 準輻射源光纖連接到該分光裝置的一個輸入端，該分光裝置的一個輸出端和另 一個輸入端同時指向該對準標記，該分光裝置的另 一個輸出端指向該前組透鏡， 該空間濾波器位于該前組透鏡和該后組透鏡之間，該全反射器件位于該前組透 鏡和該后組透鏡的中心光^各上，該參考光柵分別位于該對準標記的光4冊通過透 鏡組成像位置，該探測光纖的一端分別位于該參考光柵后，該探測光纖的另一 端連接到該光電信號傳感器。該參考光柵分支的周期分別與對應該對準標記分 支所成像的周期相同。該全反射器件可以是全反射棱鏡。
該位移信號可以由位于基底臺平面呈正交分布且均對準該基底臺的兩部激 光干涉儀輸出。
該使用該對準標記信號4企測器收集該對準標記信號，包括如下步驟
(1) 將該對準標記放置于捕獲范圍內；
(2) 將該對準標記定位到該透#:組的前組透#:的焦點上。
該將對準標記放置于捕獲范圍內的方法可以是通過操作員人工借助CCD實 時成^f象方法將該對準標記定位在該透4t組前組透lfe的焦點附近。
該將該對準標記定位到該透鏡組的前組透鏡的焦點上的方法可以是通過對 其中兩個周期相位光柵的該對準標記信號的比較，在移動中獲得兩個該對準標 記信號之和最大的位置，即兩個對準標記信號均處于峰值狀態的位置，以該兩 個對準標記信號之和最大的位置作為對準位置。
該將該對準標記定位到該透鏡組的前組透4竟的焦點上的方法也可以包括以 下步驟
(1) 通過對其中兩個周期相位光柵的該對準標記信號的比較，在移動中獲 得兩個該對準標記信號之和最大的位置，即兩個該對準標記信號均處于峰值狀 態的位置，以該兩個對準標記信號之和最大的位置作為粗對準位置。
(2) 在該粗對準位置附近，在移動中獲得離該粗對準位置最近的一個相位 周期最小的光柵的對準標記信號最大的位置，即該相位周期最小的光柵的對準 標記信號處于峰值狀態的位置，以該離該粗對準位置最近的一個相位周期最小 的光柵的對準標記信號最大的位置作為精確對準位置。
本發明還提供一種微器件制造方法，包括如下步驟
(1) 完成基底臺和基底相對于投影物鏡的調焦調平；
(2) 完成同軸對準單元的粗略對準，建立掩膜版標記與該基底臺標記的粗 略坐標關系；
(3) 執行本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法，對該基底臺標記進行
測量；
(4) 執行本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法，對該基底標記進行測
量；
(5 )利用對該基底臺標記進行測量的結果和對該基底標記進行測量的結果 得到該基底臺標記和該基底標i己之間的坐標關系；
(6) 利用該基底臺標記與該基底標記之間的坐標關系和該掩膜版標記與該 基底臺標記的粗略坐標關系，建立該掩膜版標記與該基底標記的粗對應關系， 再次執行高對準精度的同軸對準；
(7) 可重復執行(3)， (4), (5);并結合(6)的結果得到整機的精確坐 標關系。
本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法在基底標記或基底臺基準標記使 用三周期相位光柵，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和較強的信號強度，提高系統信噪比， 筒化光路設計和調試難度，簡化硬件實現和縮小信號處理時間開銷，提高對準 效率。
圖1為使用本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法示意圖2為一維x向三周期標記示意圖3為一維y向三周期標記示意圖4為成正交布置的兩組光柵的三周期標記示意圖5為三周期光柵空間衍射示意圖6為本發明的三周期對準系統的一種實現方案示意圖7為4f系統結構示意圖8為三周期對準工作原理及光路結構示意圖9為空間濾波器工作原理示意圖IO為空間濾波器結構示意圖11為參考光柵結構示意圖12為探測光纖布置截面結構示意圖13為一維三周期標記在基底上的分布示意圖14為二維三周期標記在基底上的分布示意圖15為理想三周期對準信號；
圖16為實際三周期對準信號。
附圖中1、基底臺標記；2、掩膜版標記；3、基底臺標記；4、掩膜版；5、 基底標記；6、掩膜臺；7、基底；9、基底臺；100、對準裝置；101、對準標記 信號；102、傳輸光纖；103、傳輸光纖；104、全反射棱鏡；105、空間濾波器； 106、參考光柵；107、探測光纖；110、分束器；200、信號處理器；201、光 電轉換和放大器；201a、光電轉換器件；202、模數轉換器；203、擬和信號處 理器；204、位置數據處理器；205、位置數據轉換與采樣器；206、基底臺運動 控制器；207、工作時序控制器；300、對準輻射源；303、透鏡；302、孔徑光 闌；301、透鏡；IFx、 x向基底臺位移測量裝置激光干涉儀；IFy、 y向基底臺位 移測量裝置激光干涉儀；PL、投影物鏡；Ll、前組透鏡；L2、后組透鏡；IB、 校準光束；Pl、標記平面；P2、成像平面；RG、參考光柵；FB、探測光纖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的
具體實施方式
作進一步的說明。
附圖1示出了現有技術使用的對準方法以及本發明的用于投影掃描光刻機
的對準方法的一種實施方案，其中光刻機的主要結構包括掩膜臺6、掩膜版4、 投影物鏡PL、基底臺9。基底臺標記1和基底標記5可以為圖2、圖3或者圖4 的形式。(周期關系)基底標記5在基底7上的分布可以為圖13或者圖14的形 式，其中，圖13為4組一維三周期標記的組合。
現有技術使用的對準方法中，利用較低能量的曝光輻射源或其它非曝光波 長輻射源照射掩膜臺6承載的掩膜版4上的掩膜版標記2,通過投影物鏡PL將 掩膜版標記2的縮小像投射到基底臺9上的作為基準標記集合的基底臺標記3 上，利用基底臺標記3透射到其下的傳感器進行光電信號轉換，通過一系列的 掃描釆集信號，結合由x向基底臺位移測量裝置激光干涉儀IFx和y向基底臺位 移測量裝置激光干涉儀IFy測得的空間位置信號進行擬和處理，建立掩膜版與基 底臺的坐標轉換關系。
本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法，由對準輻射源300提供具有合 適波長的照明光源通過傳輸光纖103照射基底臺標記1，由對準裝置100收集標 記上反射的對準標記信號101。當基底臺標記1的排列為圖4的形式時，進行x 向測量的具有三個周期x向的一級衍射光信號共有三路，進行y向測量的具有y 向的一級衍射光信號共有三路， 一共六路信號經過對準裝置100收集，通過傳 輸光纖102引到較遠處的對準信號處理單元200內完成光電轉換和信號放大調 理和模數轉換后存放在指定的存儲器地址內。同時，可以由x向基底臺位移測 量裝置激光干涉儀IFx和y向基底臺位移測量裝置激光干涉儀IFy同時獲取相應 的運動位置信息。將測得數值進行擬和處理，可以找到基底臺標記1在基底臺 坐標系下相應的對準點坐標值(A,力)。
同理，對準裝置100可以對基底標記5進行測量，得到基底標記5在基底 臺坐標系下相應的坐標值O;,A)。
由"，力)和05，;0可以建立基底臺坐標系原點與基底坐標系原點之間的轉 換關系，進而建立兩坐標系之間的轉換關系。
圖2示出了一種用于x向對準的三周期標記結構。圖2包括p0x、 plx、 p2x
三個的光柵分支，其周期分別是p0、 pl、 p2。其中p2x分支、plx分支標記中
點相對于pOx分支中點成中心對稱分布，即整個標記的形心與pOx分支形心重
合。
附圖3示出了一種用于y向對準的三周期標記結構。圖3包括p0y、 ply、 p2y三個的光柵分支，其周期分別是p0、 pl、 p2。其中p2y分支、ply分支標記 中點相對于pOy分支中點成中心對稱分布，即整個標記的形心與pOy分支形心 重合。
圖4示出了 一種同時用于x向和y向對準的三周期標記結構。x向標記包括 pOx、 plx、 p2x三個的光柵分支，其周期分別是p0、 pl、 p2, p0x包括p0x—a和 pOx—b兩光柵分支。其中p2x分支、plx分支標記中點相對于pOx分支中點成中 心對稱分布，pOx—a分支、pOxJ)分支標記中點相對于pOx分支中點成中心對稱 分布，即整個x向標記的形心與pOx分支形心重合。y向標記包括pOy、 ply、 p2y三個的光柵分支，其周期分別是p0、 pl、 p2, pOx包括pOy—a和pOy—b兩光 柵分支。其中p2y分支、ply分支標記中點相對于p0y分支中點成中心對稱分布， pOy—a分支、pOy—b分支標記中點相對于pOy分支中點成中心對稱分布，即整個 y向標記的形心與pOy分支形心重合。x向標記與y向標記正交于各自的形心， 且兩標記重合部分無光柵。這種標記的作用是支持對角線掃描，即如果沿著與x 向或y向坐標軸成45度的方向進4亍掃描，則可以同時獲4尋x向和y向標記中心 位置。
三個光柵周期的基本關系為p0〈pl〈p2(式l)
圖5示出了使用本發明的方法對三周期標記進行一維掃描時的情況。當校 準光束IB垂直或近似垂直才更射到一維三周期標記的表面時，在標記的三個不同 周期光柵處發生衍射，根據衍射角公式<formula>formula see original document page 15</formula>
(其中，p代表光柵的節距，"代表衍射子光束與光柵法線的夾角，/l代表 入射光波長，"代表衍射級次)發生衍射后入射光束在每一光柵處變成正負級次 對稱分布多個子光束，在自由空間中將沿著各自的波面傳播。本發明僅需要利 用每一光柵的一級衍射光進行對準。實際上，衍射發生時，還會在每處產生除 一級衍射光之外的高級次衍射光，這里并不需要這些衍射分量，而是在設計中 盡量避免某個分支高級次衍射光對其它分支一級衍射光的干擾。另一方面，衍 射光束的零級子光束也是不需要的衍射分量，要在設計中避免其對三個分支一
級衍射光造成影響。
在一個方向上的掃描可以得到三個不同周期的信號&。 、 &、 Sp2 ,p0<pl<p2， p0、 pl、 p2分別為、。、、,、&2的周期。利用這三個不同周期的信號，我們可 以實現本發明所需要達到的目的，即在實現較大捕獲范圍的同時獲得很高的對 準精度，其基本原理如下
(1 )利用兩個較大周期獲得較大捕獲范圍。
對準標記的兩個較大周期和之間存在著固定的微小周期差，可以表示為
△p = p2-pl (式3)
由單獨的分支pl所能提供的最大捕獲范圍是lpl或表示為土i戶l，這是因為
周期為pl的分支的正負一級光在像面上相干后的干涉條紋的周期為丄/71,而捕
2
獲范圍即允許期望位置誤差落在信號的某個確定周期內；而相應的周期為p2的 分支所能提供的最大捕獲范圍是i^2。兩單獨分支所能提供的最大捕獲范圍是
|/ 2，其捕獲范圍并不是很大，在預對準偏差大于丄p2的情況下無法確定標記中
心位置確切的位于哪一個信號周期。而如果我們同時使用兩個周期的光柵，則
可以把捕獲范圍擴大到P'，其中 1
<formula>formula see original document page 16</formula> (式4)<formula>formula see original document page 16</formula>即如果標記中心與期望位置的誤差小于P'或在士丄P'內，則按照指定的期望
<formula>formula see original document page 16</formula>
位置為中心進行掃描時，可以得到標記中心的粗對準位置。 (2)利用第三周期獲得極高對準精度。
進一步的，由位相光柵衍射千涉原理可以推出對準精度表達式 ^上x竺(式5)
其中，S為對準精度，p為物方標記光柵周期，n為衍射級數，AO為信號枱r 測電路相位分辨率。
本發明通過引入一個與/ 1、 / 2相比較小的光柵周期p0來實現提高對準精 度的目的，對準的精度有了進一步提高。
(3 )結合兩個較大周期獲得的粗對準位置與第三周期獲得的精細對準信
號。
理想情況下，粗對準位置是^和&的相位重合點C-和C^ (此處兩信號相 位相同)，另外，通過對標記三個分支的合理設計布局，可以保證精對準信號&。 也在Cp。處出現一個相位重合點，而三者的相位重合點即可認為是理想情況下的
對準點；實際情況下，然而器件制造過程中，標記和參考光柵都不可能做到精 確的對稱，而且基底標記在工藝過程中，會出現各種變形情況，所以，實際上 并不存在三個周期信號絕對精確的相位重合點。而且，對于三個不同的周期， 工藝引起變形的情況也不同，在當前工藝條件下，較大周期易受工藝引起變形 的影響，而工藝加工對較小周期影響也較小。真實情況是，三個信號&。、 spl、 &2任何時候彼此之間都會存在一些偏差，在這種情況下所能達到的最好結果是 找到一個位置，使得在捕獲范圍內，首先以、。&2其中一個信號為基準找到兩 者相位偏差最小點；以該點為基準點，找Sp。與^信號的相位偏差最小點，即可 以作為精確對準位置。只需要周期； 0足夠大，比如/ 0>(^2-/ 1),實際上是可以 保證在&。與&,信號相位最臨近點(以峰值為同相位)附近，只存在一個峰值點。
圖7是4f系統的結構示意圖。在標記平面Pl上的標記位于4f系統的前組 透鏡L1的前焦面且位于光軸的近軸區，從標記上任一分支衍射的某個級次的正 負兩束光經過前組透鏡L1后變成兩路準直光束；經過4f系統的后組透鏡L2匯 聚后，這兩路準直光束被聚焦到后組透鏡L2的后焦面上，由于正負級次之間存 在穩定的相位差，頻率相同且在參考光柵面上投影分量相互平行，滿足相干條 件，兩路子光束在此處相千成像。實際上，在標記上各分支上的衍射分量中會 有多個級次的子光束可以進入該4f系統的入射光瞳，本發明僅使用其中的一級 衍射光束，所以需要在前組透鏡L1的后焦面處設置一個孔徑光闌裝置，使得可 以選擇性的透過我們需要級次的子光束。
圖9是作為空間濾波器的孔徑光闌裝置的工作原理圖。空間濾波器105位 于L1的后焦面，孔徑光闌的透光處，分別對應三光柵的一級衍射光光路，并且 最小周期光柵的 一級衍射光與其他周期光柵的高級衍射光之間有足夠的位置偏 移。
圖IO是本發明使用的一種空間濾波器的結構示意圖。對應于圖4所示的成 正交布置的兩組光柵的三周期標記，它包括x向的空間濾波器結構和y向的空
間濾波器結構。僅可以通過x向的三周期標記和y向的三周期標記的一級衍射光。
為了更形象的說明工作原理，圖8采用了夸張的方式來繪制了三個周期上 衍射和成像過程。實際上，入射激光是一束光，其顏色是單色光。由于fl遠大 于標記尺寸，可以認為標記的各個周期都位于光學4f系統的主光軸上前組透鏡 Ll的前焦點處，所以經過前組透鏡L1后，三個周期的一級衍射光都是近似平 行于主光軸的光線，圖8中為了區分的原因，故意畫的略有偏斜。由圖8可知， 入射光束IB通過全反射棱鏡104偏轉后垂直投射到基底表面的標記上，該入射 激光束足夠覆蓋標記的三個周期，所以，當標記發生衍射時，分支會產生各級 衍射光。由于周期p(XpKp2，同級次衍射光線中，分支pOx處子光束衍射角最 大，其次是分支plx處子光束，而分支p2x處子光束衍射角最小。當我們只對 三個周期的一級衍射光感興趣時，可以只在圖5b中示出各一級衍射子光束示意 性的光線追跡。由于有全反射棱鏡104和孔徑光闌105的遮擋作用，零級衍射 分量不會對各一級衍射子光束造成干擾。分支pOx光柵處衍射的一級光bO+l和 bO-l經前組透鏡L1后成一對平4于與主光軸的準直光束bO+r、 bO-l',并通過光 闌105的通光孔后經后組透鏡L2的匯聚在后組透鏡L2的后焦面處2個子光束 bO+l"和bO-l"發生干涉，在像面P2靠近主光軸處形成p0x的像p0x'。同理，plx 處衍射子光束經過該4f系統可以成像在plx'處，p2x處衍射子光束經過該4f系 統可以成像在p2x'處。同時，在像面P2上與主光軸中心對稱的放置著一個參考 光柵，包含與pOx周期對應的RGOx,與plx周期對應的RGlx, p2x周期對應 的RG2x等各段，其具體結構樣式可以參見圖11;在每個參考光柵的每一段后 面都放置著對應的探測光纖，可以收集通過參考光柵后的光強信號，其布置方 式可參見圖12。而這些探測光纖將相應的光強信號引導至光電轉換器件，對光 強信號進行轉換和處理。由于基底標記的圖像是與光柵結構形式一致的連續光 斑條紋，當標記相對于對準光學系統移動時，這些條紋相對于參考光4冊也會移 動，即成像條紋與參考光柵的重合程度發生連續的變化，結果是在光電探測器 上的信號光強也隨著這種移動發生連續變化，由于條紋間距是周期性變化，這 種光強信號的變化也是周期性的。根據傅立葉光學，在探測器上形成的是一種 正弦形式的信號，如果保持標記與對準系統的相互精確的勻速運動，則可以獲
得一個恒定周期的正弦信號。對應于每一段(標記像-參考光柵)，都會有一個 與光柵周期成正比的恒定周期的正弦信號。
下面示例說明本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法使用的一種具體實 現方法，其目的是更好地解釋本發明的運用，而不應當理解為對本發明的限制。
圖6為本發明的三周期對準系統的一種實現方案的示意圖。對準輻射源300 發出的輻射源經透鏡303、孔徑光闌302和透鏡301和傳輸光纖103 (傳光保偏 光纖)經全反射棱鏡104偏轉，經前組透鏡Ll垂直照射到位于基底臺9的基底 臺標記1或位于基底7的基底標記5上，在三周期標記上發生衍射的各,期的1 級衍射子光束發射到前組透鏡L1后被偏轉成與光軸近似平行的準直光束，另外 各周期光柵的0級衍射光返回原入射光方向。各準直光束中其實包含一些被視 為可能干擾參考光柵面成像的衍射級次和雜散光分量，所以在前組透鏡L1的后 焦面(同時也是后組透鏡L2的前焦面)設置了一個僅能夠選擇性的透過三個周 期的1級衍射光分量的空間濾波器105。這些光束由后組透鏡L2聚焦于放置在 后組透鏡L2后焦面的參考光柵106上形成干涉像，在進行基底臺標記1或基底 標記5的對準掃描時，所成的像相對于參考光柵106勻速移動，進而在置于參 考光柵后的探測光纖107接收面上形成連續變化的正弦光強信號，由傳輸光纖 102傳送到信號處理單元200的光電轉換和放大器201的光電轉換器件201a后 變為電信號。經由工作時序控制器207的統一觸發，可以保證對該對準電信號 的采集與經位置數據轉換和采樣器205所采集的位移凄史值同步。同時，光電轉 換和放大器201處理后的信號還要經模數轉換器202轉換成數字信號，送至擬 和信號處理器203;而203同時接收來自位置數據處理器204的位置數據，其來 自于位置數據轉換與采樣器205,該數據同時提供給基底臺運動控制器206，由 基底臺運動控制器206控制基底臺按照所要求的速度和方向進行標記掃描。結 合來自于模數轉換器202和位置數據處理器204的同步采樣數據，可以由擬和 信號處理器203經擬和處理，確定本次掃描的對準位置。
實際才喿作中，可以取入射波長為633nm,選擇p0=1.8um, pl=16um, p2=17.6um時，"0 = 20.58929。 ( "0為p0的一級書亍射光書f射角)；cd = 2.267356。 (cd為pl的一級書f射光書亍射角)；=2.061139° ( a2為p2的一級衍射光衍射 角)；相應的pbl6um時，8級衍射光的衍射角為18.45139。， 9級書亍射光的衍射 角度為20.85858°; p2 = 17.6um所對應的8級衍射光、9級衍射光的衍射角分別 是16.72194°和18.88642°,由此可知，這樣的周期配合是可以滿足三個分支彼此 互不影響，而實現這種匹配關系的光學系統的NA約為0.35，是可以實現的。 實際上，當三個分支反射功率基本相當時，由于高級次衍射光的功率遠遠低于1 級衍射光，甚至可以忽略其對1級衍射分量的影響。三個分支的0級衍射光被 空間濾波器105阻擋，不能進入后續光路，繼而也不會參與后組透鏡L2后焦面 的成像。
當我們利用某種方式將標記進行粗略定位，可以在空間濾波器105后設置 一個分光裝置，分出一部分信號，利用另外一個透鏡組將之成像在視頻成像裝 置上，操作員以此為輔助來將標記定位在對準系統的視場中心附近，然后開始 標記掃描運動，這樣就可以更容易的獲得分別與對準標記的3個光^f冊周期相應 的信號SpO、 Spl、 Sp2。實際上，如果基底或基底臺預對準精度足夠的話，不借 助其它輔助裝置也能夠直接獲得3個周期掃描信號。可以參見圖15所示的理想 三周期對準信號，對應于一個方向的掃描而言，可以獲得3個不同周期的信號。 實際上的信號如圖16所示，首先以&、 &2其中一個信號為基準找到兩者相位 偏差最小點，如^的C;,點和^的Cp2點，其最小偏差為A(C^-Cp,);以C^,點為 基準點，找^與&信號的相位偏差最小點，比如圖16所示的Cp。點，。。即可 以作為精確對準位置。
權利要求
1、一種用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于使用對準輻射源照射對準標記得到對準標記信號，使用透鏡組聚焦所述對準標記信號，使用對準標記信號檢測器收集被聚焦的所述對準標記信號，使用位移測量系統收集掃描過程中的位移信號，使用收集到的所述對準標記信號和所述位移信號確定所述對準標記的位置。
2、 根據權利要求1所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 包括如下步驟(1) 形成所述對準標記；(2) 使用所述對準輻射源照射所述對準標記，得到所述對準標記信號； (3 )使用所述透鏡組聚焦所述對準標記信號；(4)移動基底臺及基底；(5 )使用所述對準標記信號^r測器收集所述對準標記信號； (6)使用所述位移測量系統收集所述位移信號；(7 )使用收集到的所述對準標記信號和所述位移信號確定所述對準標記的位置。
3、 根據權利要求2所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述對準標記包含光柵，所述對準標記包含的所述光柵至少有三個不同的周期 相位。
4、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述對準標記可以位于基底臺上，也可以位于基底上。
5、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述對準標記信號為所述才交準光束照射所述對準標記后發出的一級4汙射信號。
6、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述透鏡組可以是單獨設計的采用雙遠心結構的4f透鏡組，也可以是光刻機的 投影物鏡。
7、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述透鏡組包括前組透鏡和后組透鏡，所述對準標記位于所述前組透鏡的與所述透鏡組不同側的焦平面上。
8、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述用于投影掃描光刻機的對準方法使用統一的工作時序控制，同步采集所述 對準標記信號和所述位移信號。
9、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述對準標記可以沿著待對準區域的分劃邊界間隙成等長線條排列。
10、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 可以分別收集所述不同周期相位的光柵產生的對準標記信號。
11、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所迷透鏡組中可以加入空間濾波器。
12、 根據權利要求11所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述空間濾波器僅允許三個周期相位的光柵的一級衍射信號通過。
13、 根據權利要求12所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述空間濾波器可以是僅允許所述對準標記的光柵的一級衍射信號通過的孔徑 光闌。
14、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述對準標記信號^r測器可以包括對準輻射源光纖；分光裝置；前組透4竟；空間濾波器；后組透鏡；全反射器件；光電信號傳感器；和與所述對準標記布局形式相應的參考光柵；所述對準輻射源連接到所述對準輻射源光纖；所述對準輻射源光纖連接到 所述分光裝置的一個輸入端；所述分光裝置的 一個輸出端和另 一個輸入端同時 指向所述對準標記；所述分光裝置的另一個輸出端指向所述前組透鏡；所述空 間濾波器位于所述前組透鏡和所述后組透鏡之間；所述全反射器件位于所述前 組透鏡和所述后組透鏡的中心光路上；所述參考光柵分別位于所述對準標記的 光柵通過透鏡組成像位置；所述光電信號傳感器分別位于所述參考光柵后。
15、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述對準標記信號檢測器可以包括對準輻射源光纖；分光裝置；前組透鏡；空間濾波器；后組透鏡；全反射器件；探測光纖；光電信號傳感器；和與所述對準標記布局形式相應的參考光才冊；所述對準輻射源連接到所述對準輻射源光纖；所述對準輻射源光纖連接到 所述分光裝置的一個輸入端；所述分光裝置的一個輸出端和另一個輸入端同時 指向所述對準標記；所述分光裝置的另一個輸出端指向所述前組透鏡；所述空 間濾波器位于所述前組透鏡和所述后組透鏡之間；所述全反射器件位于所述前 組透鏡和所述后組透鏡的中心光路上；所述參考光柵分別位于所述對準標記的 光柵通過透鏡組成像位置；所述探測光纖的一端分別位于所述參考光柵后，所 述探測光纖的另一端連接到所述光電信號傳感器。
16、 根據權利要求14或15所述的用于光刻設備的對準系統，其特征在于
17、 根據權利要求14或15所述的用于光刻設備的對準系統，其特征在于 所述全反射器件可以是全反射棱鏡。
18、 根據權利要求3所述的用于光刻設備的對準系統，其特征在于所述 位移信號可以由位于基底臺平面呈正交分布且均對準所述基底臺的兩部激光干 涉儀輸出。
19、 根據權利要求3所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述使用所述對準標記信號4企測器收集所述對準標記信號，包括如下步驟 (1) 將所述對準標記放置于捕獲范圍內；(2) 將所述對準標記定位到所述透#;組的前組透#:的焦點上。
20、 根據權利要求19所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述將所述對準標記放置于捕獲范圍內的方法可以是通過操作員人工借助CCD 實時成^f象方法將所述對準標記定位在所述透4竟組前組透^:的焦點附近。
21、 根據權利要求19所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于-.所述將所述對準標記定位到所述透鏡組的前組透鏡的焦點上的方法可以是通過 對其中兩個周期相位光柵的所述對準標記信號的比較，在移動中獲得兩個所述對準標記信號之和最大的位置，即兩個對準標記信號均處于峰值狀態的位置， 以所述兩個對準標記信號之和最大的位置作為對準位置。
22、 根據權利要求19所述的用于投影掃描光刻機的對準方法，其特征在于 所述將所述對準標記定位到所述透鏡組的前組透鏡的焦點上的方法可以包括以 下步驟(1) 通過對其中兩個周期相位光柵的所述對準標記信號的比較，在移動中 獲得兩個所述對準標記信號之和最大的位置，即兩個所述對準標記信號均處于 峰值狀態的位置，以所述兩個對準標記信號之和最大的位置作為粗對準位置。(2) 在所述粗對準位置附近，在移動中獲得離所述粗對準位置最近的一個 相位周期最小的光^f冊的對準標記信號最大的位置，即所述相位周期最小的光片冊 的對準標記信號處于峰值狀態的位置，以所述離所述粗對準位置最近的一個相 位周期最小的光柵的對準標記信號最大的位置作為精確對準位置。
23、 一種使用權利要求1所述的對準方法的微器件制造方法，其特征在于 包括如下步驟(1)完成基底臺和基底相對于投影物鏡的調焦調平；(2 )完成同軸對準單元的粗略對準，建立掩膜版標記與所述基底臺標記的 粗略坐標關系；(3) 執行本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法，對所述基底臺標記進 行測量；(4) 執行本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法，對所述基底標記進行測量； (5 )利用對所述基底臺標記進行測量的結果和對所述基底標記進行測量的 結果得到所述基底臺標記和所述基底標記之間的坐標關系；(6 )利用所述基底臺標記與所述基底標記之間的坐標關系和所述掩膜版標 記與所述基底臺標記的粗略坐標關系，建立所述掩膜版標記與所述基底標記的 粗對應關系，再次執行高對準精度的同軸對準；(7)可重復執行(3), (4)， (5);并結合(6)的結果得到整機的精確坐 標關系。
全文摘要
本發明公開了一種用于掃描投影光刻機的利用三個基本光柵周期的相位光柵探測的對準方法，以及使用該方法的微器件制造方法。本發明的用于投影掃描光刻機的對準方法在基底標記或基底臺基準標記使用三周期相位光柵，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和較強的信號強度，提高系統信噪比，簡化光路設計和調試難度，簡化硬件實現和縮小信號處理時間開銷，提高對準效率。
文檔編號H01L21/027GK101114134SQ20071004415
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月24日 優先權日2007年7月24日
發明者暢 周, 徐榮偉, 李運鋒, 陳勇輝, 韋學志 申請人:上海微電子裝備有限公司