用于光刻装置的对准系统、光刻装置及其对准方法

专利名称：用于光刻装置的对准系统、光刻装置及其对准方法
技术领域：
本发明涉及一种对准系统，且特别涉及一种用于光刻装置的对准系统，同 时涉及应用该对准系统的光刻装置及其对准方法。
背景技术：
现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。通
过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光
刻胶的晶片上，例如半导体晶片或LCD液晶面板。
光刻装置大体上分为两类， 一类是步进光刻装置，掩^^莫图案一次曝光成像 在晶片的一个曝光区域，随后晶片相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到 掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在晶片的另一曝光区域，重
复这一过程直到晶片上所有曝光区域都拥有掩模图案的^f象。另一类是步进扫描 光刻装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的 扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与晶片同时相对于投影系统和投 影光束移动。
光刻装置中关键的步骤是将掩模与晶片对准。第一层掩模图案在晶片上曝 光后从装置中移开，在晶片进行相关的工艺处理后，进行第二层掩模图案的曝 光，但为确保第二层掩模图案和随后掩模图案的像相对于晶片上已曝光掩模图 案像的精确定位，需要将掩模和晶片进行精确对准。由于光刻技术制造的IC器 件需要多次曝光，在晶片中形成多层电路，为此，光刻装置中要求配置对准系 统，实现掩模和晶片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对套刻精度的要求 以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。
光刻装置的对准系统，其主要功能是在套刻曝光前实现掩模-晶片对准， 即测出晶片在机器坐标系中的坐标(Xw， Yw， (Dwz)，及掩模在机器坐标系中 的坐杯(Xr, Yr, Orz),并计算得到掩模相对于晶片的位置，以满足套刻精度的要求。
现有技术有两种对准方案。 一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明在 晶片上设置的周期性相位光栅结构的对准标记，由光刻装置的投影物镜所收集 的晶片对准标记的衍射光或散射光照射在掩模对准标记上，该对准标记可以为 振幅或相位光栅。在掩模标记后设置探测器，当在投影物镜下扫描晶片时，探 测透过掩模标记的光强，探测器输出的最大值表示正确的对准位置。另一种是 OA离轴对准技术，通过离轴对准系统测量位于晶片上的多个对准标记以及晶片 台上基准板的基准标记，实现晶片对准和晶片台对准；晶片台上基准板的基准 标记与掩模对准标记对准，实现掩模对准；由此可以得到掩模和晶片的位置关
系，实现掩^t莫和晶片对准。
目前，光刻装置的对准系统大多所采用相位光栅对准技术。相位光栅对准 技术是指照明光束照射在相位光栅型对准标记上发生书f射和反射，通过探测携 带有对准标记的全部或局部位置信息的衍射和反射光获得对准标记的中心位
置。多级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光 后，采集衍射光士l级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光 (包括高级次)在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心 位置。
一种现有技术的情况，(参见KazuYa Ota, Nobutaka Magome， Kenji Nishi， New alignment sensor for wafer stepper, SP正，Vol. 1463, 1991， p304-314),,>开了 一种激光分步对准(LSA)系统。如图10 (a)所示，在该对准系统中He-Ne激 光器经光学系统L1产生一个长条形照明光斑，再经分束器BS，光学系统L2和 反射镜M明晶片上LSA对准标记上。参见图10 (b)所示，LSA对准标记是一 个排列成行和列的7x7方形结构光栅阵列，每一列形成一个列光栅，光栅线宽 为4um，周期为8um，占空比为1: 1,列光栅的宽度为4um; 7个列光栅的间 隔为20um。当晶片台沿X(或Y)方向扫描时，长条形照明光斑扫描LSA对准 标记，依次照明标记的每个列光栅，照明光斑在列光栅上发生反射和衍射。衍 射光沿原入射光的光路返回，经分束器BS反射进入成像光路L3和L4，由空间 滤波器遮挡零级衍射光，只收集±143级衍射光，以减少随机散射光的干扰，得 到高信噪比的信号。光电探测器探测±143级衍射光光强，光强与扫描光斑在列光栅标记上的位置相关，探测器接收到的光强信号经信号处理电路转换到数字 信号后会得到一个单峰值信号，当列光栅标记刚好被扫描光斑照明时，即扫描
光斑的x方向中心和列光栅标记在x方向的中心重合时，此时接收到的光强为 最大，由此可以确定该列光栅标记的中心位置。通过扫描多个列光栅标记，可
以得到如图10 (c)所示的类高斯型轮廓的多峰值对准光信号，测量多个J^值位 置求平均值的方法减小单个LSA列光栅标记导致的对准偏差。在该对准系统中， X、 Y方向的LSA对准标记彼此独立，X和Y方向各有一套独立的照明光束和 探测系统。因此，晶片台步进扫描时，光电探测器在4笨测X、 Y方向对准标记 的位置时是由彼此独立的X、 Y方向分开的两束扫描光斑来独立完成的，分别 得到X和Y方向的对准信号，信号的峰值位置即为对准标记中心位置。
但是，LSA对准系统仅适用于晶片表面不太粗糙，且对准标记不存在非对 称性变形的工艺情况。LSA在金属层之前都可以获得较高精度和高产率的对准 性能，对于金属层，由于表面非常粗糙，有许多金属颗粒(大约1^im左右)，由 此产生的杂散光进入到LSA对准系统的光电探测器，导致对准信号信噪比下降。 同时，金属'賊射导致的LSA标记非对称变形使得对准信号也发生非对称变形， 导致对准位置偏差。另外，LSA对准系统是根据衍射光强的幅值信号判断对准 位置，对于浅沟槽标记，由于光栅标记衍射效率的降低，会使得对准信号强度 降低，导致对准信号信噪比下降。

发明内容
本发明提出 一种应用于光刻装置的对准系统和应用于该对准系统的对准标 记，能够解决上述问题。
为了达到上述目的，本发明提出一种用于光刻设备的对准系统，该系统至 少包括光源模块，用于提供该对准系统的照明光束；照明模块，用于传输照 明光束，垂直照明晶片上的对准标记；成像才莫块，采集对准标记的正、负一级 衍射光束；探测模块，在晶片台或对准标记扫描过程中探测对准标记的正、负 一级衍射光的光强，得到对准光信号；信号处理和定位模块，设置成与探测模 块相连接，处理对准光信号并根据对准光信号的幅值信息得到对准标记的中心 位置。
9上述对准标记是包括N个列光栅或行光栅的阵列结构，上述列光栅或行光 栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化。上述照明光束依次照明对准 标记的N个列光栅或行光才册。
所述照明光束至少包括两个分立波长的激光照明光束。所述照明光束包括 四个分立波长的激光照明光束，并且其中至少有两个波长在近红外或红外波段。 照射到晶片上的照明光束为圆偏振光。照明光束为沿垂直于对准方向或者沿垂 直于晶片台扫描方向的方向延伸的长条形光斑。长条形照明光斑是随着晶片台 的不同移动方向交替产生的，在X方向对准时只在晶片上形成沿Y方向延伸的 长条形照明光斑，在Y方向对准时只在晶片上形成沿X方向延伸的长条形照明 光斑。上述长条形照明光斑是通过快门控制，交替选择包含不同整形器的两路 照明光路来产生。或者，长条形照明光斑是通过使用两个交替被驱动的，并且 具有不同形状的快门的激光光源来实现，或者是Y吏用具有可变快门的单个激光 光源来实现。或者，长条形照明光斑是通过使用形状可变的可变照明光阑来实 现，所述可变照明光阑包括可编程的液晶光阀。
所述成傳J漠块通过包括空间滤波器，所述空间滤波器位于上述成像模块的 中间像面或频镨面位置，该空间滤波器上设置有多个滤波孔，佳:得只有对应于 对准标记多个波长的正、负一级的书f射光能够通过。
所述成^^莫块还包括多色光分离系统，用以分离对准标记不同波长衍射光。 多色光分离系统为基于色散元件或者二向色性元件或者衍射光学元件的分光系 统。
所述对准标记由N个列光栅或行光栅构成，上述N是等于或大于7的奇数。
对准标记的列光栅或行光栅以固定的距离等间隔排列。或者，对准标记的列光
栅或行光栅不等间隔排列，其中至少一个列光4册与其边上的列光4册的间隔和其
他列光栅之间的间隔不相同；或者其中至少一个行光栅与其边上的行光栅的间 隔和其他行光4册之间的间隔不相同。
所述对准标记的列光栅或行光栅在其光栅周期内进行周期性细分， 一个光 栅周期内形成一个子光栅。子光栅是变线宽或者变占空比的周期光栅。子光栅 的线宽或占空比在列光栅或行光栅的光栅周期内从一端正弦地变化到另 一端， 使得列光栅或行光栅一个光栅周期内的局部相位从一端正弦地变化到另 一端。所述对准标记放置在晶片划线槽中。
所述探测模块中包括光电探测器，上述光电探测器探测对准标记的正、负 一级衍射光光强。
所述对准光信号为多峰值信号。多峰值信号的每个峰值信号具有类高斯型 的轮廓。所述信号处理和定位模块处理对准光信号，根据多峰值对准光信号中 每个峰值信号的幅值信息分别获得对应的列光栅或行光栅的中心位置，通过平 均化处理，最终得到整个对准标记的对准中心位置。
本发明还提出一种对准标记结构，上述对准标记是包括N个列光4册或行光 栅的阵列结构，上述列光栅或行光栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律 变化。对准标记的列光栅或行光栅以固定的距离等间隔排列。或者，对准标记 的列光栅或行光栅不等间隔排列，其中至少一个列光栅与其边上的列光栅的间 隔和其他列光栅之间的间隔不相同；或者其中至少一个行光栅与其边上的行光 栅的间隔和其他行光栅之间的间隔不相同。所述对准标记由N个列光栅或行光 栅构成，上述N是等于或大于7的奇数。对准标记的列光栅或行光栅在其光栅 周期内进行周期性细分， 一个光4册周期内形成一个子光4册。子光栅是变线宽或 者变占空比的周期光栅。子光栅的线宽或占空比在列光栅或行光栅的光栅周期 内从一端正弦地变化到另 一端，使得列光栅或行光栅一个光栅周期内的局部相 位从一端正弦地变化到另 一端。所述对准标记放置在晶片划线槽中。
本发明还提出一种晶片对准方法，该方法包括以下步骤在晶片上形成包 含N个列光栅或行光4册的阵列结构的对准标记，上述对准标记的列光栅或行光 栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化；经照明模块传输光源模块发 出的激光照明光束，并照射在晶片上的对准标记；通过成傳J漠块采集对准标记 的反射光和衍射光，并经过空间滤波器选择对准标记的正、负一级衍射光；通 过探测模块的光电探测器探测对准标记的正、负一级衍射光的光强，在晶片台 或对准标记扫描过程中得到多峰值信号特征的对准光信号；经信号处理和定位 模块处理对准光信号，根据多峰值对准光信号中每个峰值信号的幅值信息分别 获得对应的列光4册或行光栅的中心位置，通过平均化处理，最终得到整个对准 标记的对准中心位置。
本发明还提出一种包括上述的对准系统的光刻装置，其构成包括照明系统，用于传输曝光光束；掩模台，用于支承掩模版的掩模支架，掩模版上有掩 模图案和具有周期性结构的对准标记；投影光学系统，用于将掩模版上的掩模 图案投影到晶片上；晶片支架和晶片台，用于支承晶片，晶片台上有含有基准 标记的基准板，晶片上具有周期性光学结构的对准标记；对准系统，用于晶片 对准和晶片台对准，其设置在所述的掩模台和所述的晶片台之间；同轴对准单 元，用于掩模对准；反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和晶片台位置检测，以 及由主控制系统控制的掩;^莫台和晶片台位移驱动的伺^I良系统和驱动系统。所述 对准系统，至少包括对准标记；光源模块，提供用于对准系统的照明光束； 照明模块，传输照明光束照明晶片上的对准标记；成像模块，采集对准标记的 反射光和衍射光，并通过空间滤波器选择对准标记的正、负一级衍射光；探测 模块，探测对准标记的正、负一级衍射光的光强，在晶片台或对准标记扫描过 程中得到多峰值信号特征的对准光信号；信号处理和定位模块，设置成与探测 模块相连接，处理对准光信号，根据多峰值对准光信号中每个峰值信号的幅值 信息分别获得对应的列光栅或行光栅的中心位置，通过平均化处理，最终得到 整个对准标记的对准中心位置。所述对准标记是包含N个列光栅或行光栅的阵 列，所述列光4册或4亍光4册的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化。
本发明提出的对准系统中，对准标记为包括多个列光^1"或行光栅的相位光 栅阵列，每一个列光栅或行光栅是线宽(或占空比)呈正弦规律变化的相位光 栅。对准标记的列光栅或行光栅只产生零级和士l级衍射光，没有高级次衍射光， 则对准标记衍射光的能量全部集中在零级和士l级，因此只探测士l级衍射光就可 以确保获得足够的对准信号强度。通过选择合适的列光栅或行光栅的光栅周期， 并结合空间滤波，可以消除金属层金属颗粒引起的特定空间频率的杂散光影响， 提高对准信号的信噪比。
对准标记的列光4册或行光4册的线宽(或占空比)成正弦变化，则整个列光 栅或行光栅由一些尺寸呈正弦变化的细分结构的线条构成，可以抑制化学机械 抛光(CMP)和金属溅射引起的对准标记非对称变形，提高工艺适应性。
通过扫描对准标记的多个列光栅或行光栅，得到多峰值对准光信号，通过 测量多个峰值位置及平均化处理的方法可以减小因个别列光栅或行光栅工艺处 理引起的对准位置偏差，提高对准精度。
12照明光束方面，对准系统使用至少包括两个独立波长的多波长激光对准光
源，可以抑制多工艺层产生的相消干涉效应的影响，提高工艺适应性；同时对 于浅沟槽标记，通过采用多波长激光对准光源，可以确保在某个波长下获得相 对其他波长较高的对准标记衍射效率，提高对准信号的信噪比；使用近红外和 远红外波长的光源照明，可以有效解决低k值的介质材料在可见光谱范围的吸 收问题，并可用于多晶硅工艺层的标记探测，同时兼容双掩模工艺中的对准需 求，从而提高对准信号强度。


图l是本发明光刻装置的对准系统与光刻装置之间的总体布局、工作原理 结构示意图2 (a)、 2 (b)、 2 (c)是本发明第一实施例的晶片对准标记示意图； 图3是本发明第二实施例的对准系统结构示意图4是本发明第二实施例的对准系统的空间滤波器结构以及衍射光斑在上 面的分布情况；
图5是图2所示的对准标记结构500在晶片上的位置布设情况； 图6是本发明基于第 一 实施例的晶片对准标记的对准信号示意图； 图7是本发明第三实施例的晶片对准标记示意图； 图8是本发明基于第三实施例的晶片对准标记的对准信号示意图； 图9本发明第四实施例的对准系统结构示意图10(a)、 10(b)、 lO(c)是现有技术的LSA对准系统、对准标记结构和对准 信号示意图。
具体实施例方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。 图l是本发明光刻装置的对准系统与光刻装置之间的总体布局、工作原理 结构示意图。
本实施例中光刻装置的构成包括用于提供曝光光束的照明系统l;用于支 承掩模版2的掩模支架和掩模台3，掩模版2上有掩模图案和具有周期性结构的掩模对准标记RM;用于将掩模版2上的掩模图案投影到晶片6的投影光学系统 4;用于支承晶片6的晶片支架和晶片台7，晶片台7上有刻有基准标记FM的 基准板8，晶片6上有周期性光学结构的对准标记500;用于掩模和晶片对准的 离轴式对准系统5;用于掩模台3和晶片台7位置测量的反射镜10、 16和激光 干涉仪11、 15，以及由主控制系统12控制的掩模台3和晶片台7位移的伺服系 统13和驱动系统9、 14。
其中，照明系统1包括一个光源、 一个使照明均匀化的透镜系统、 一个反 射镜、 一个聚光镜(图中均未示出)。作为一个光源单元，采用KrF准分子激光 器(波长248nm )、 ArF准分子激光器(波长193nm )、 Kr2激光器(波长146nm )、 Ar2激光器(波长126nm)、或者使用超高压汞灯(g-线、i-线)等。照明系统l 均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上包含有掩模图案和周期 性结构的掩模对准标记RM，用于掩模对准。
掩模台3可以经驱动系统14在垂直于照明系统光轴(与投影物镜的光轴 AX重合)的X-Y平面内移动，并且在预定的扫描方向(平行于X轴方向)以 特定的扫描速度移动。掩模台3在移动平面内的位置通过位于掩模台3上的反 射镜16由多普勒双频激光干涉仪15精密测得。掩^=莫台3的位置信息由激光干 涉仪15经伺服系统13发送到主控制系统12，主控制系统12才艮据掩模台3的位 置信息通过驱动系统14驱动掩模台3。
投影光学系统4 (投影物镜)位于图1所示的掩模台3下方，其光轴AX 平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折 射式或折反射式光学系统作为投影光学系统，所以当照明系统1发射的啄光光 束照射掩模版2上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学系统在涂覆有光 刻胶的晶片6上成缩小的图像。
晶片台7位于投影光学系统4的下方，晶片台7上设置有一个晶片支架(图 中未示出)，晶片6固定在支架上。晶片台7经驱动系统9驱动可以在扫描方向 (X方向)和垂直于扫描方向(Y方向)上运动，4吏得可以将晶片6的不同区 域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。晶片台7在X-Y平面内的位置通 过一个位于晶片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，晶片 台7的位置信息经伺服系统13发送到主控制系统12,主控制系统12根据位置
14信息(或速度信息)通过驱动系统9控制晶片台7的运动。
晶片6上i殳有周期性结构的对准标记500,晶片台7上有包含基准标记FM 的基准板8，对准系统5分别通过晶片对准标记500和基准标记FM实现晶片6 对准和晶片台7对准。另外， 一个同轴对准模块(图中未示出)将晶片台上基 准板8的基准标记FM与掩模对准标记RM对准，实现掩才莫对准。对准系统5 的对准信息结合同轴对准模块的对准信息一起传输到主控制系统12，经数据处 理后，驱动系统9驱动晶片台7移动实现掩模和晶片6的对准。
图2 (a)、 2 (b)、 2 (c)是本发明第一实施例的晶片对准标记示意图2 (a)给出了用于水平方向(X方向)对准的对准标记5001,对准标记 5001是由多个(N个)完全相同的列光栅5001x沿X方向排列的相位光栅阵列， 考虑到本发明的对准系统是根据多峰值对准光信号中每个峰值信号的幅值信息 分别获得对应的列光^i"(或行光栅)的中心位置，通过平均化处理，最终得到 整个对准标记的对准中心位置。因此，N可以为任意奇数。综合考虑其对准扫 描效率和重复精度，N的优选方案是大于等于7的奇数。为了便于说明，本发 明中取N-9。 N个列光栅5001x以固定的距离S等间隔排列，例如取S-20um。
列光栅5001x是正弦编码的相位光^f册，图2 (b )给出了列光4册5001x的局 部放大结构。如图中所示，列光栅5001x的光栅周期为P,例如P40um，在光 栅周期P内又进行周期性细分，形成周期性子光栅，该子光栅为变占空比的相 位光栅，子光栅周期为q，周期数为m，例如m-15。在列光栅5001x的光栅周 期P内，子: U册的线条5001bm的线宽bm从一端正弦地变化到另一端，即占空 比tm ( : =6W )从一端正弦地变化到另一端，从而使得列光栅5001x的光栅 周期P产生正弦变化的局部位相，即列光4册5001x—个光4册周期P内的局部位 相从一端正弦地变化到另一端。由于每一个列光栅5001x都是线宽(或占空比) 呈正弦规律变化的相位光栅。对准标记5001的每个列光栅只产生零级和士l级衍 射光，没有高级次衍射光，衍射光的能量全部集中在零级和士l级，因此只探测士l 级衍射光就可以确保获得足够的对准信号强度。
图2 ( c)是用于垂直方向(Y方向)对准的对准标记5002,对准标记5002 的结构和对准标记5001相同，是由多个(N个)完全相同的行光栅5002y沿Y 方向排列组成，N可以为任意奇数。综合考虑其对准扫描效率和重复精度，N的优选方案是大于等于7的奇数。为了便于说明，本发明中取N-9。每个行光 栅5002y的间隔距离S相等，例如取S=20um。
同样，在行光栅5002y的光栅周期P内，子光栅线条的线宽从一端正弦地 变化到另一端，同时占空比也从一端正弦地变化到另一端，从而使得行光4册 5002y的光4册周期P产生正弦变化的局部位相，即行光栅5002y —个光4册周期P 内的局部位相从一端正弦地变化到另一端。同样，对准标记5002的每个行光栅-只产生零级和士l级书f射光。
对准标记为包括多个列光栅或行光栅的相位光4册阵列，每一个列光4册或行 光栅是线宽(或占空比)呈正弦规律变化的相位光栅。对准标记的列光栅或行 光栅只产生零级和士l级衍射光，没有高级次衍射光，则对准标记衍射光的能量 全部集中在零级和士l级，因此只探测士i级衍射光就可以确保获得足够的对准信
号强度。
通过选择合适的列光栅或行光栅的光栅周期，并结合空间滤波，可以消除 金属层金属颗粒引起的特定空间频率的杂散光影响，提高对准信号的信噪比。 对准标记的列光栅或行光栅的线宽(或占空比)成正弦变化，则整个列光栅或 行光栅由一些尺寸呈正弦变化的细分结构的线条构成，可以抑制CMP (化学机 械抛光)和金属溅射引起的对准标记非对称变形，提高工艺适应性。通过扫描 对准标记的多个列光栅或行光栅，得到多峰值对准光信号，通过测量多个峰值 位置及平均化处理的方法可以减小因个别列光栅或行光栅因晶片工艺处理引起 的对准位置偏差，提高对准精度。
图3是本发明第二实施例的对准系统结构示意参见图3,对准系统5的光源模块中光源501发出的激光束经照明模块的照 明光学系统502、分束器503、物镜504和反射镜505形成照明光束，入射到对 准标记500上。对准标记500的零级反射光、±1级衍射光和散射光依次经反射 镜505、物镜504和分束器503反射进入成像模块的成像光路。
成像才莫块中的透镇;506和透镜508形成准直光路，发散的对准标记500的 衍射光经过位于中间像面(或频谱面)位置的空间滤波器507后零级光和杂散 光被遮挡，只有±1级衍射光透过空间滤波器507, ±1级衍射光再经透镜508入 射到探测模块的光电探测器509上。晶片台扫描过程中，照明光斑扫描对准标记500，产生连续的扫描对准光信 号，经信号处理和定位^t块(图3中未示出)处理对准光信号并—艮据对准光信 号的幅值信息确定对准标记的中心位置。
通常，对准系统是通过光电探测器探测光强来获得对准光信号，而对准位 置的判定可以根据对准光信号的位相信息来确定，也可以根据对准光信号的幅 值信息来确定。本发明是根据对准光信号的幅值信息来确定对准标记中心位置。
图4是本发明第二实施例的对准系统的空间滤波器结构以及衍射光斑在上 面的分布情况；
空间滤波器507的结构如图4所示，在不透光的挡板507e特定位置设置有 4个透光的滤波孔507a、 507b、 507c和507d分别对应于对准标记500 (包括对 准标记5001和5Q02 )的±1级4汙射光斑5001x(+l)、 5001x (-1)、 5002y(-l)和5002y (+1)，使得只有士l级衍射光能够透过空间滤波器507，零级光斑5001x(0)和 5002y(0)净皮挡板507e遮挡。
图5给出了图2所示的对准标记结构500在晶片上的位置布设情况；
请结合参考图5和图2，在晶片上曝光场EF之间为划线槽，在相互垂直的 划线槽中布设有对准标记5001和5002。对准标记5001用于X方向的对准，位 于X向的划线槽中；对准标记5002用于Y方向的对准，位于Y向的划线槽中。 对准标记5002和5001位于划线槽的中间区域，为防止来自IC产品结构的信号 串扰，对准标记5002和5001的宽度小于划线槽宽度，例如为72|im或36|am。
在进行X方向对准时，随着晶片台7沿X方向的扫描运动，'长条形照明光 斑580沿X方向照明并扫描对准标记5001的每一个列光4册，随着晶片台的移动， 得到的对准光信号强度逐步增大，当照明光斑580正好位于每一个列光栅的中 心位置时，光信号强度达到最大峰值。照明光斑580依次扫描对准标记5001的 多个列光栅，得到如图6所示的X方向的对准光信号。在进行Y方向对准时， 随着晶片台7沿Y方向的扫描运动，长条形照明光斑581沿Y方向扫描对准标 记5002，同样得到如图6所示的Y方向的对准光信号。
图6是本发明基于第一实施例的晶片对准标记的对准信号示意图，以X方 向的对准信号为例(Y方向的对准信号相同)，当长条形照明光斑580沿X方向 扫描对准标记5001时，随着扫描光斑在列光栅5001x上的扫描移动，得到的光
17信号(光强)逐步增大。当照明光斑正好位于列光栅5001x的中心位置时，光 信号强度达到最大峰值，通过依次扫描对准标记5001的所有列光栅，可以得到 一系列峰值信号为类高斯型轮廓的多峰值信号。
由第一实施例的对准标记5001和5002的结构可以知道，这些信号的各个 峰值之间的间距相等，通过信号处理可以分别得到每一个信号峰值对应的位置 坐标。通过平均化处理(例如，测量多个峰值位置求平均值)的方法可以减小 晶片工艺处理引起的对准偏差，提高对准精度，最终可以得到对准标记X方向 的中心位置。
激光照明光束经照明光学系统502和物镜504在晶片上所形成的照明光斑 为沿垂直于对准方向(或者沿垂直于晶片台扫描方向)的方向延伸的长条形光 斑。如图5中的长条形照明光斑580和581所示。长条形照明光斑580和581 不是同时而是随着晶片台的不同移动方向交替产生的，在X方向对准时只在晶 片上形成长条形照明光斑580，在Y方向对准时只在晶片上形成长条形照明光 斑581。
要控制长条形照明光斑580和581的产生， 一种方法是将照明光路设计成 各有一个快门控制的两路光路(图3中未显示)， 一路通过整形器(如折射棱镜) 将照明光斑整形成长条形光斑580,另一路通过另一个垂直放置的整形器(如折 射棱镜)将照明光斑整形成长条形光斑581,通过两个快门控制交替在晶片上产 生相互垂直的长条形照明光斑580和581。另外一种方法，可以通过4吏用两个交 替被驱动的，并且具有不同形状的快门的激光光源来实现，其中一个激光光源 的快门具有一个方向的狭缝(如X方向)，用来产生长条形照明光斑580;另一 个激光光源的快门具有另一个垂直方向的狭缝(如Y方向)，用来产生长条形照 明光斑581。另外，还可以使用具有可变快门的单个激光光源来实现，或者是形 状可变的可变照明光阑(例如，可编程的液晶光阀)来实现，其中一个快门或 光阑具有一个方向的狭缝(如X方向)，另 一个激光光源的快门或照明光阑具有 另一个垂直方向的狭缝(如Y方向)。另外还包括其他类似的实施方法。
图7是本发明第三实施例的晶片对准标记示意图中仅给出了 X方向的对准标记5003 (Y方向的对准标记与之特征结构相 似)，对准标记5003与对准标记5001相似，包括多个(N个)列光栅，N可以为任意奇数。综合考虑其对准扫描效率和重复精度，N的优选方案是大于等于7 的奇数。为了便于说明，本发明中取N-9。不同的是对准标记5001的各个列光 栅的间隔距离相等，而对准标记5003的N个列光栅不等间隔排列，其中至少有 一个列光4册与其边上的列光4册的间隔为S2，而其它列光4册之间的间隔为Sl，并 且S2不等于S1。
如本专业领域的技术人员可以知道，该对准标记5003可以产生如图8所示 的信号，图8是本发明基于第三实施例的晶片对准标记的对准信号示意图。与 图6所示的对准信号的区别在于，图8也是峰值信号为类高斯型轮廓的多峰值 对准光信号。由第三实施例的对准标记5003的结构可以知道，其中至少有两个 峰值的间隔不同于其他峰值的间隔，因此该对准标记5003也可以用于对准过程 中的粗对准(或对准标记捕获)。
图9本发明第四实施例的对准系统结构示意如图9所示，对准系统5的光源模块提供包含多个分立波长的激光照明光 束，至少包含两个分立波长的激光照明光束，例如，633nm和785nm;或者采 用四个分立的波长的激光照明光束，并且其中至少有两个波长在近红外或红外 波段，例如，532nm、 633歸、785nm和850謹。多波长(人l、 U、入3和人4) 线偏振的照明光束经单4莫保偏光纤511传输，然后经光纤耦合器512耦合进入 合束器513，再通过传输光纤514输出到对准系统5的照明模块。
上述的对准系统5使用至少包括两个独立波长的多波长激光对准光源，可 以抑制多工艺层产生的相消干涉效应的影响，提高工艺适应性；同时对于浅沟 槽标记，通过采用多波长激光对准光源，可以确保在某个波长下获得相对其他 波长较高的对准标记4汙射效率，提高对准信号的信噪比；使用近红外和远红外 波长的光源照明，可以有效解决低k值的介质材料在可见光语范围的吸收问题， 并可用于多晶硅工艺层的标记探测，同时兼容双掩模工艺中的对准需求，从而 提高对准信号强度。
照明模块包括传输光纤514和照明光学系统，多波长照明光束经过透镜515， 再经平板516上的反射棱镜516a垂直入射到消色差的A/4波片517。当对准标 记及其子结构的光栅周期较小(例如，对准标记5001中列光栅5001x的子光栅 周期q)，与照明波长量^M目当时，光栅衍射效率与照明光束的偏振特性相关，
19因此利用消色差的X/4波片517，使线偏振光经消色差的X74波片517后，经物 镜518入射到晶片上的照明光斑为圆偏振光，圆偏振光包含两个方向垂直的线 偏振光，确保总有一偏振方向可以产生高效率的衍射光。多波长照明光束经照 明光学系统和物镜518在晶片上所形成的照明光斑为长条形，如图5中的照明 光斑580和581所示。
成像模块包括物镜518、 X/4波片517、平板516、空间滤波器519、多色光 分离系统520、透镜521等。多波长照明光束经物镜518垂直入射到晶片对准标 记上，发生反射或衍射。物镜518是对准成像光路中关键元件，该透镜要求有 适当的数值孔径NA,只收集不同色光的对准标记500 (列光栅或行光栅)的零 级和士l级衍射光。多波长照明光束照明晶片对准标记500，发生反射和衍射， 在物镜518的频镨面上产生一系列衍射光斑，分别对应对准标记500的列光棚-或行光栅的不同色光的零级和土l级衍射光。
多波长衍射光首先经过一个位于中间像面(或频语面)位置附近的空间滤 波器519,在空间滤波器519上特定位置处设置有一系列滤波孔(图9中未示出)， 分别对应于多波长的各个波长的士l级衍射光斑位置。空间滤波器519使得只有 对准标记500 (列光4册或行光栅)多波长的士l级衍射光可以通过，零级光和杂 散光被滤掉，同时消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰影响。透过空 间滤波器519的多波长±1级衍射光再经过一个多色光分离系统520,多色光分 离系统520用于分离不同波长的衍射光。
图9中仅给出了其中一种波长X1的光路(其它波长X2、 X3和X4的光路相 似)，波长为XI的对准标记500 (列光栅或行光栅)的±1级衍射光经过透镜521 入射到探测模块的光电探测器522上。
探测模块的光电探测器522位于像面位置，探测士l级衍射光的光强，对准 标记(晶片台)扫描过程中，照明光斑依次扫描对准标记500的列光^t或行光 栅，产生连续的扫描对准信号，经信号处理和定位模块(图9中未示出)处理， 根据多峰值对准光信号中每个峰值信号的幅值信息分别获得对应的列光栅或行 光栅的中心位置，通过平均化处理，最终得到整个对准标记的对准中心位置。
本发明所述的对准系统使用多波长的照明光束同时照明对准标记时，不同 波长的衍射光相互重叠，因此不同波长的对准信号必须分开探测，需要使用多色光分离系统分离不同波长的光信号。
本发明中，多色光分离系统520可以采用不同的原理和器件来实现，可以 为基于色散元件的分光系统包括棱镜(考纽棱镜、立特鲁棱镜等)、闪耀光栅 和阶梯光栅；也可以是基于二向色性元件的分光系统，例如干涉滤光片，也可 以是基于DOE衍射光学元件(例如CSG-色分离光栅)的分光系统。
优先采用一种透射型多闪耀光栅作为多色光分离系统，所述透射型多闪耀 光栅包括折线型闪耀光栅和分区域型闪耀光栅，以及折线型-分区域组合多闪耀 光栅，其具体形式或结构参见中国发明专利(1)"一种光刻装置的对准系统以 及该对准系统的级结合系统"，公开号CN1949087; (2)"用于光刻装置的对准 系统及其级结合光栅系统"，公开号CN1936711。
本发明所述的另一个实施例是图1-图9及其

所述的一种使用上述 对准系统进行晶片对准的对准方法。
本发明所述的又一个实施例是采用上述对准系统的光刻装置，参见图1-9 及其

。
本发明所述的对准系统同时还可以实现对光刻装置的相关参数的测量，基 于对对准标记的位置信息探测来确定离焦、能量、剂量、线宽、接触孔尺寸或 关键尺寸中的至少一个。
本发明所述的装置和方法具体应用于但不局限于集成电路IC的制造，该装 置还可以用于其他方面的制造，包括微机电系统(MEMS)器件、微光机电系 统(MOEMS)器件、集成光学系统、液晶显示板LCD、薄膜磁头等。并且，在 上述其它应用领域中，本发明所述的"晶片"可以由更通用的术语"基底，，代替。本 发明中所涉及到的"光源"和"光束"包括所有类型的电磁插射，例如KrF准分子 激光器(波长248nm)、ArF准分子激光器(波长193nm )、Kjy激光器(波长146nm)、 Ar2激光器(波长126nm)、超高压汞灯(g-线、i线)、远紫外光源(5-20nm的 波长范围)、或者离子束和电子束等。
虽然本发明已以一些实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各 种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种用于光刻设备的对准系统，包括光源模块，用于提供该对准系统的照明光束；照明模块，用于传输照明光束，垂直照明晶片上的对准标记；成像模块，采集对准标记的正、负一级衍射光束；探测模块，在晶片台或对准标记扫描过程中探测对准标记的正、负一级衍射光的光强，得到对准光信号；信号处理和定位模块，设置成与探测模块相连接，处理对准光信号并根据对准光信号的幅值信息得到对准标记的中心位置；其特征在于所述对准标记是包括多个列光栅或行光栅的阵列结构，所述列光栅或行光栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化，所述照明光束依次照明对准标记的多个列光栅或行光栅。
2. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述照 明光束至少包括两个分立波长的激光照明光束。
3. 根据权利要求l所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述照 明光束包括四个分立波长的激光照明光束，并且其中至少有两个波长在近红外 或红外波段。
4. 根据权利要求l所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述的 照射到晶片上的照明光束为圆偏振光。
5. 根据权利要求l所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述照 明光束为沿垂直于对准方向或者沿垂直于晶片台扫描方向的方向延伸的长条形 光斑。
6. 根据权利要求5所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述长 条形照明光斑是随着晶片台的不同移动方向交替产生的，在X方向对准时只在 晶片上形成沿Y方向延伸的长条形照明光斑，在Y方向对准时只在晶片上形成 沿X方向延伸的长条形照明光斑。
7. 根据权利要求5所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，上述长 条形照明光斑是通过快门控制，交替选择包含不同整形器的两路照明光路来产生。
8. 根据权利要求5所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述长 条形照明光斑是通过使用两个交替被驱动的，并且具有不同形状的快门的激光 光源来实现，或者是4吏用具有可变快门的单个激光光源来实现。
9. 根据权利要求5所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述长 条形照明光斑是通过使用形状可变的可变照明光阑来实现，所述可变照明光阑 包括可编程的液晶光阀。
10. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述成 il^莫块包括空间滤波器，所述空间滤波器位于上述成^f^t块的中间4象面或频谱 面位置，该空间滤波器上设置有多个滤波孔，使得只有对应于对准标记多个波 长的正、负 一级的书亍射光能够通过。
11. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述成 #^莫块还包括多色光分离系统，用以分离对准标记不同波长衍射光。
12. 根据权利要求11所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述 多色光分离系统为基于色散元件或者二向色性元件或者书1"射光学元件的分光系 统。
13. 根据权利要求l所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对 准标记由N个列光栅或行光栅构成，上述N是等于或大于7的奇数。
14. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对 准标记的列光栅或行光栅以固定的距离等间隔排列。
15. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对 准标记的列光栅或行光栅不等间隔排列，其中至少一个列光栅与其边上的列光 栅的间隔和其他列光栅之间的间隔不相同；或者其中至少一个行光栅与其边上 的行光栅的间隔和其他行光4册之间的间隔不相同。
16. 根据权利要求l所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对 准标记的列光栅或行光栅在其光栅周期内进行周期性细分， 一个光栅周期内形 成一个子光4册。
17. 根据权利要求16所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述 子光栅是变线宽或者变占空比的周期光栅。
18. 根据权利要求16所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述 子光栅的线宽或占空比在列光栅或行光栅的光栅周期内从一端正弦地变化到另 一端，使搏列光栅或行光栅一个光栅周期内的局部相位从一端正弦地变化到另 一端。
19. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对 准标记i文置在晶片划线槽中。
20. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述探 测模块中包括光电探测器，上述光电探测器探测对准标记的正、负一级衍射光 光强。
21. 根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对 准光信号为多峰值信号。
22. 根据权利要求21所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述 多峰值信号的每个峰值信号具有类高斯型的轮廓。
23. 如权利要求l所述的用于光刻装置的对准系统，其特征在于所述信 号处理和定位模块处理对准光信号，根据多峰值对准光信号中每个峰值信号的 幅值信息分别获得对应的列光栅或行光栅的中心位置，通过平均化处理，最终 得到整个对准标记的对准中心位置。
24. —种对准标记结构，其特征在于，所述对准标记是包括多个列光栅或行 光栅的阵列结构，所述列光栅或行光栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规 律变化。
25. 根据权利要求24所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记的列光 栅或行光栅以固定的距离等间隔排列。
26. 根据权利要求24所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记的列光 栅或行光栅不等间隔排列，其中至少一个列光栅与其边上的列光栅的间隔和其 他列光栅之间的间隔不相同；或者其中至少一个行光栅与其边上的行光栅的间 隔和其他行光栅之间的间隔不相同。
27. 根据权利要求24所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记由N个 列光栅或4亍光栅构成，上述N是等于或大于7的奇数。
28. 根据权利要求24所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记的列光栅或行光栅在其光栅周期内进行周期性细分， 一个光4册周期内形成一个子光栅。
29、 根据权利要求28所述的对准标记，其特征在于，所迷子光栅是变线宽 或者变占空比的周期光才册。
30、 根椐权利要求28所述的对准标记，其特征在于，所述子光栅的线宽或 占空比在列光栅或行光4册的光栅周期内从一端正弦地变化到另 一端，使得列光 栅或行光斥册一个光4册周期内的局部相位/人一端正弦地变化到另 一端。
31、 根据权利要求24所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记放置在 晶片划线槽中。
32、 一种使用如权利要求1所述的对准系统进行晶片对准的对准方法，其 特征在于，该方法包括以下步骤在晶片上形成包含多个列光栅或行光栅的阵列结构的对准标记，所述对准 标记的列光4册或行光4册的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化；经照明模块传输光源模块发出的激光照明光束，并照射在晶片上的对准标记；通过成#^莫块采集对准标记的反射光和4汙射光，并经过空间滤波器选择对 准标记的正、负一级衍射光；通过探测模块的光电探测器探测对准标记的正、负一级衍射光的光强，在 晶片台或对准标记扫描过程中得到多峰值信号特征的对准光信号；经信号处理和定位模块处理对准光信号，根据多峰值对准光信号中每个峰 值信号的幅值信息分别获得对应的列光栅或行光栅的中心位置，通过平均化处 理，最终得到整个对准标记的对准中心位置。
33、 —种包括如权利要求1所述的对准系统的光刻装置，其构成包括 照明系统，用于传输曝光光束；掩模台，用于支承掩模版的掩模支架，掩模版上有掩模图案和具有周期性 结构的对准标记;投影光学系统，用于将掩模版上的掩模图案投影到晶片上；晶片支架和晶片台，用于支承晶片，晶片台上有含有基准标记的基准板， 晶片上具有周期性光学结构的对准标记；对准系统，用于晶片对准和晶片台对准，其设置在所述的掩模台和所述的晶片台之间；同轴对准单元，用于掩模对准；反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和晶片台位置检测，以及 由主控制系统控制的掩模台和晶片台位移驱动的伺服系统和驱动系统； 其特征在于所述对准系统，至少包括对准标记；光源模块，提供用于对准系统的照明光束；照明模块，传输照 明光束照明晶片上的对准标记；成#^莫块，采集对准标记的正、负一级々'f射光; 探测模块，探测对准标记的正、负一级衍射光的光强，在晶片台或对准标记扫 描过程中得到多峰值信号特征的对准光信号；信号处理和定位模块，设置成与 探测模块相连接，处理对准光信号，根据多峰值对准光信号中每个峰值信号的 幅值信息分别获得对应的列光栅或行光栅的中心位置，通过平均化处理，最终 得到整个对准标记的对准中心位置。所述对准标记是包含多个列光栅或行光栅 的阵列，所述列光栅或行光栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化。
全文摘要
本发明提出一种用于光刻设备的对准系统，用于根据晶片上的对准标记对准晶片，包括光源模块、照明模块、成像模块、探测模块和信号处理和定位模块。上述对准标记是包括多个列光栅或行光栅的阵列结构，上述列光栅或行光栅的线宽或占空比在光栅周期内呈正弦规律变化，上述照明光束依次照明对准标记的N个列光栅或行光栅。本发明的对准系统能够消除对准位置偏差，提高对准精度。
文档编号G03F7/20GK101551593SQ200910049989
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者徐荣伟 申请人:上海微电子装备有限公司