CN101149564B - 一种对准标记和对其成像的光学系统以及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对准标记，其中，所述的对准标记为多周期光栅结构，包含多组不同周期的光栅。本发明还提供一种用于对所述的对准标记成像的光学系统，对准标记通过该光学系统相干成像，其至少包括两个相干成像系统，第一相干成像系统包括前组透镜、第一空间滤波器和第一后组透镜；第二相干成像系统包括前组透镜、第二空间滤波器和第二后组透镜。本发明还提供一种采用所述的光学系统对对准标记成像的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供和传输激光照明光束，并照射至对准标记；采集对准标记的衍射光和反射光，其中的衍射光分别经过光学系统的第一相干成像系统和第二相干成像系统相干成像。本发明能够有效提高对准标记位置探测精度。

Description

一种对准标记和对其成像的光学系统以及成像方法

技术领域

本发明与集成电路IC或其它微型器件制造领域的光刻装置有关，涉及一种对准标记、一种用于对该对准标记成像的光学系统以及成像方法。

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板。光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，掩模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像。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一晶片对准，即测出晶片在机器坐标系中的坐标(X_W，Y_W，Φ_WZ)，及掩模在机器坐标系中的坐标(X_R，Y_R，ΦR_Z)，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。该对准位置为用于监测晶片台位置移动的激光干涉仪的位置测量提供了零基准。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，实现掩模和晶片对准。

目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息。高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±1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)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(参见中国发明专利，申请号：CN03164859.2，发明名称：用于光刻系统的对准系统和方法)，荷兰ASML公司所采用的一种4f系统结构的离轴对准系统，该对准系统在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板组来实现多级衍射光的分离，在像面分别相干成像；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；探测对准标记多级次衍射光相干成像后透过对应周期的参考光栅的透射光强，在对准标记扫描过程中得到正弦输出的对准信号，由不同频率的信号的位相信息获得对准标记的中心位置。

这种类型的对准系统通过探测标记的高级次衍射光以减小对准标记非对称变形的影响，通过双波长照明也可以部分抑制相消干涉导致的信号衷减影响。但是，由于只使用了两种可见波长的激光光源，事实上要完全消除相消干涉导致的信号衰减问题至少需要采用4-5个照明波长，并且低k值的介质材料在可见光谱范围的吸收会导致对准信号强度的衰减，从而影响对准精度。另外，采用楔块列阵或楔板组合来实现多级衍射光的分离和相干成像。对折

射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高；而楔板组的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实现起来工程难度较大，代价昂贵。

另一种现有技术的情况(参见中国发明专利，申请号：CN03133004.5，发明名称：光刻装置和器件制造方法)，荷兰ASML公司所采用的另外一种离轴对准系统，该对准系统通过一个旋转自参考干涉仪产生两个旋转±90度(相对旋转180度)重叠的对准标记像，在光瞳面探测重叠的正、负衍射级的干涉信号，标记扫描时，不同衍射级次的干涉信号强度以不同的频率变化，根据各衍射级次干涉信号的位相变化得到对准位置信息。该对准系统采用了多主截面、空间复合棱镜结构的旋转自参考干涉仪，棱镜的加工和装调公差要求很高，棱镜组胶合难度较大。该系统采用以中心波长优化的单个闪耀光栅进行多色光的分离，会导致边缘波长其他色光衍射效率的降低，从而导致对准信号强度的衰减，影响对准精度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中光刻装置的对准系统所存在的不足，提供一种对准标记结构、一种用于对该对准标记成像的光学系统以及成像方法，能够提高对准标记位置探测精度。

为了达到上述的目的，本发明提供一种对准标记，其中，所述的对准标记为对称结构，包含多组不同周期的光栅；所述多周期光栅，中间的一组光栅周期最小，排列在两边的若干组光栅周期依次增大；或者中间的一组光栅周期最大，排列在两边的若干组光栅周期依次减小。

所述的多周期光栅中周期最小的一组光栅的占空比为1∶1。

所述的多周期光栅中线宽较大的光栅可以进行细分。

所述的细分方式可以是沿光栅周期方向细分，也可以是垂直于光栅周期方向细分。

所述的多周期光栅中任何一组光栅可以进行细分。

本发明还提供一种用于对所述对准标记成像的光学系统，其中，对准标记通过该光学系统相干成像，所述光学系统至少包括两个相干成像系统，第一相干成像系统包括前组透镜、第一空间滤波器和第一后组透镜；第二相干成像系统包括前组透镜、第二空间滤波器和第二后组透镜；所述的第一相干成像系统对组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅相干成像；所述第二相干成像系统对所述多周期光栅中的周期最小的一组光栅相干成像。

所述的第一相干成像系统的前组透镜和第二相干成像系统的前组透镜是同一个前组透镜。

所述的对准标记位于前组透镜的焦面位置。

所述的第一空间滤波器位于第一相干成像系统的中间像面位置，使得组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的±1级衍射光可以通过。

所述的第一空间滤波器还可以使得组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的其他特定级次衍射光通过。

所述的第二空间滤波器位于第二相干成像系统的中间像面位置，使得组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅的±1级衍射光可以通过。

所述的光学系统还可以包含一个分束器，使得组成对准标记的多周期光栅中一部分光栅的衍射光完全反射，另一部分光栅的衍射光完全透过。

本发明还提供一种采用所述的光学系统对对准标记成像的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供和传输激光照明光束，并照射至对准标记；采集对准标记的反射光和衍射光，其中的衍射光分别经过光学系统的第一相干成像系统和第二相干成像系统相干成像。

所述的第一相干成像系统对组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅相干成像。

所述的第二相干成像系统对组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅相干成像。

所述第一相干成像系统的中间像位置设置有第一空间滤波器，使得组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的±1级衍射光可以通过。

所述的第一空间滤波器，还可以使多周期光栅中多组光栅的其他特定级次衍射光通过。

所述的第二相干成像系统的中间像位置设置有第二空间滤波器，使组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅的±1级衍射光可以通过。

所述的光学系统还可以包含一个分束器，使得组成对准标记的多周期光栅中一部分光栅的衍射光完全反射，另一部分光栅的衍射光完全透过。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、本发明使用基于两个相干成像系统的光学系统对多周期光栅型对准标记成像，通过在两个相干成像系统的中间像面设置不同的空间滤波器，对组成对准标记的多周期光栅中多组光栅和其中周期最小的一组光栅分别实现相干成像，使得同一对准标记的衍射光可以同时用于对准标记的精对准和粗对准位置探测。

2、本发明采用多周期光栅结构的对准标记，其中，周期最小的一组光栅的衍射光经第二相干成像系统相干成像，用于标记精对准位置探测，由于精对准光栅采用了较小的线宽，有利于提高对准精度，同时具有较强的工艺适应性，可以减小标记非对称变形对对准精度的影响；组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的衍射光经第一相干成像系统相干成像，用于标记粗对准位置探测，可以增加对准标记捕获范围。

3、由于本发明使用四个分立波长的多波长照明光束，并且其中至少有两个波长在近红外或红外波段。使用多波长照明光束，一方面可以抑制多干涉相消效应的影响，提高了工艺适应性；另一方面，采用近红外和红外波段的照明光束可以有效解决低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，提高对准信号强度。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1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；

图2是图1中晶片对准标记的示意图；

图3是本发明对准标记的细分结构的示意图；

图4是本发明对准系统第一实施例的系统结构示意图；

图5是本发明对准系统第一实施例的第一探测光路中的第一参考光栅示意图；

图6是本发明对准系统第一实施例的第一光信号示意图；

图7是本发明对准系统第一实施例的第二探测光路中的第二参考光栅示意图；

图8是本发明对准系统第一实施例的第二光信号示意图；

图9是本发明对准系统第一实施例的光学原理示意图；

图10是本发明对准系统第二实施例的光学原理示意图。

具体实施方式

图1为本发明光刻装置的对准系统以及该对准系统与已有光刻装置之间的总体布局、工作原理结构示意图。如图1所示，光刻装置的构成包括：用于提供曝光光束的照明系统1、设有掩模图案和具有周期性结构的对准标记RM掩模版2、用于支承掩模版2的掩模台3、设有周期性光学结构的对准标记WM的晶片6、用于支承晶片6的晶片台7、以及用于将掩模版2上的掩模图案投影到晶片6的投影光学系统4。晶片台7上有刻有基准标记FM的基准板8。此外，该光刻装置还包括用于掩模和晶片对准的离轴式对准系统5，用于测量掩模台3和晶片台7位置的反射镜10、16和干涉仪11、15，控制掩模台3和晶片台7位移的伺服系统13和驱动系统9、14以及控制伺服系统13和驱动系统9、14的主控制系统12。

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)、F₂激光器(波长157nm)、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1均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上的掩模对准标记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。掩模台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根据掩模台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发射的曝光光束照射掩模版2上的掩模图案时，掩模图案经过投影光学系统4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，使得可以将晶片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上设有周期性结构的对准标记WM，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WM和基准标记FM实现晶片6对准和晶片台7对准。另外，一个同轴对准单元(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，实现掩模对准。对准系统5的对准信息结合同轴对准单元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移动实现掩模版2和晶片6的对准。

图2为图1中晶片对准标记的示意图。如图所示，晶片6的对准标记WM为多周期相位光栅结构(图中仅给出了x方向的对准标记，y方向的对准标记相类似)，整个对准标记结构对称，包含多组不同周期的光栅，中间的一组光栅周期最小，排列在两边的若干组光栅周期依次增大。例如，对准标记由三种不同周期的光栅构成，中间一组的光栅周期为P₁，排列在两边的光栅周期依次分别为P₂和P₃，且P₁＜P₂＜P₃，则整个对准标记的光栅分布情况是P₃、P₂、P₁、P₂、P₃。例如，光栅P₁的周期可以为2μm，占空比为1∶1；光栅P₂的周期为3μm，光栅P₃的周期约为5μm。通过优化光栅P₁的周期数，光栅P₂和P₃的周期、占空比、周期数以及各组光栅间的间隔，可以使得对准信号更利于多周期光栅对准标记的位置检测。另外，多周期光栅的结构也可以令中间的一组光栅周期最大，排列在两边的若干组光栅周期依次减小。例如，中间一组的光栅周期为P₃，两边的光栅周期依次分别为P₂和P₁，且P₃＞P₂＞P₁，则整个对准标记的光栅分布情况是P₁、P₂、P₃、P₂、P₁。进一步，多周期光栅标记还可以包含有第四种周期或更多其他周期的光栅。

针对CMP和金属溅射(Al-PVD)导致的对准标记非对称变形，可以对对准标记中线宽较大的光栅P₃进行细分，以增强工艺适应性。如图3所示，光栅P₃的线条细分方式可以有两种，一种是沿光栅周期方向细分，另一种是垂直于光栅周期方向细分，细分光栅结构周期小于对准物镜的分辨率，因此细分光栅结构产生的衍射光不能进入物镜。根据工艺要求，多周期光栅中任何一组光栅可以进行细分。具有细分结构的该形式的对准标记也在本发明的保护范围内。整个晶片对准标记WM的尺寸较小，适合于较窄的划线槽，例如为40μm×160μm。

图4为本发明对准系统5第一实施例的系统结构示意图，该对准系统5主要由光源模块、照明模块、成像模块、探测模块、信号处理和定位模块(图中没有示出)等组成。光源模块主要包括提供近红外或红外波段在内的多个分立波长的光源、快门、光隔离器和RF相位调制器(图中没有示出)。照明模块包括传输光纤和照明光学系统。成像模块主要包括：大数值孔径的物镜(511)、分束器(509、530、513)、空间滤波器(512、514、520)、多色光分离系统(515、521)和成像光学系统(532、516、522)。探测模块包括参考光栅(517、523)和光电探测器(519、525)。信号处理和定位模块主要包括光电信号转换和放大、模数转换和数字信号处理电路等。

该对准系统5的主要特征是，采用相位探测和幅值探测相结合的方法，对准标记为多周期的相位光栅结构。粗对准采用幅值探测技术，基于多周期光栅标记成像，同时探测组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的±1级衍射光(或其他特定级次衍射光)相干成像后经多周期参考光栅后透射的光强，由透过的光强信号的幅值信息获得整个对准标记的粗略中心位置；可以通过优化对准标记相关结构参数来产生较好的对准信号以提高粗对准精度。精对准采用相位探测技术，只探测周期最小的一组光栅P₁的±1级衍射光相干成像后透过单周期参考光栅的光强，由透射光强的相位信息得到精确对准位置。由于精对准标记线宽较小，一方面提高了对准精度，另一方面具有较强的工艺适应性，可以减小对准标记非对称变形对对准精度的影响；组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的衍射光用于粗对准，可以增加标记捕获范围。精对准和粗对准信号经一次扫描同时获得，硬件上精对准和粗对准的探测模块分开，照明和成像模块共用。

该对准系统5能够产生具有较强工艺适应性、高灵敏度和高信噪比的对准信号，对准系统5重复性精度可以达到3～5nm左右，完全满足线宽90nm以及90nm以下的对准要求。

参见图4，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源，至少包含两个分立波长的激光光源，例如，632.8nm和785nm；优先采用四个分立的波长的激光光源，并且其中至少有两个波长在近红外或红外波段，例如：532nm、632.8nm、785nm和850nm。多波长(λ₁、λ₂、λ₃和λ₄)照明光束经单模保偏光纤501传输，然后经光纤耦合器502耦合进入合束器503，再通过单模保偏光纤504输出到对准系统5的照明模块。

光源模块中包含有激光单元(图中未示出)，为提高信噪比，在激光单元中采用相位调制器对激光束进行相位调制，并在信号处理和定位模块对探测到的对准信号进行解调。所使用的激光光源可以是气体激光器、固体激光器、半导体激光器，或者光纤激光器等。

上述的对准系统5使用多波长照明光束，可以抑制多工艺层产生的干涉相消效应的影响，提高工艺适应性；使用近红外和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，从而提高对准信号强度。

如图4所示，照明模块包括传输光纤和照明光学系统，多波长照明光束依次经过起偏器505、透镜506、照明孔径光阑507和透镜508，然后经偏振分束器509的偏振分束面509a垂直入射到成像模块。从孔径光阑507到物镜511形成柯勒照明系统。另外，照明模块中还包含平顶高斯光束(Flat-topGaussian beam)整形器(图中未示出)，用于将高斯光束整形成平顶高斯光束。

成像模块包括第一成像光路(即粗对准光路)、第二成像光路(即精对准光路)和第三成像光路(即CCD成像光路)。其中，第一成像光路对组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅成像，第二成像光路对组成对准标记的多周期光栅中的周期最小的一组光栅成像。第一成像光路和第二成像光路分别将对准标记成像在第一和第二参考光栅上，用于粗对准和精对准，其中第一参考光栅为振幅型多周期光栅结构，第二参考光栅为振幅型单周期光栅结构。第三成像光路将对准标记和分划线直接成像在CCD相机光敏面上，一方面用于手动对准和视频监测，另一方面也可以进行图像处理和模式识别。

探测模块包括第一探测光路(即粗对准探测光路)、第二探测光路(即精对准探测光路)和第三探测光路(即CCD图像探测光路)，分别对应于第一成像光路、第二成像光路和第三成像光路；还包括第一参考光栅和第二参考光栅。

在晶片台7扫描过程中，第一成像光路对组成对准标记的多周期光栅中多组光栅相干成像，第一探测光路探测多周期光栅像经多周期的第一参考光栅调制后的透射光强总和，得到第一光信号。第二成像光路对组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅相干成像，由第二探测光路探测单周期光栅像经单周期的第二参考光栅调制后的透射光强，得到第二光信号。第三探测光路采用CCD相机探测对准标记和分划线的像，一方面用于手动对准和视频监测，另一方面也可以进行图像处理和模式识别，用于辅助自动对准。

照明光束经物镜511垂直入射到晶片6的光栅型对准标记WM上，发生反射和衍射。物镜511是对准成像模块中关键元件，该透镜必须有足够大的数值孔径(例如NA＝0.8)以收集来自晶片对准标记WM上不同色光的多级次衍射光。当NA＝0.8时，如果使用波长850nm的照明光源，则可以探测到周期为1.1μm的光栅对准标记的±1级衍射光。另外，为保证晶片6与对准系统5间有合适的距离，优选长工作距的物镜。

当对准标记光栅周期较小，与照明波长量级相当(一般指小于5λ)时，光栅衍射效率与照明光束的偏振特性相关，因此利用消色差的λ/4波片510，使线偏振光经消色差的λ/4波片510后，入射到晶片6上的光斑为圆偏振光，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。

多波长照明光束照明晶片对准标记WM，发生反射和衍射，在物镜511的频谱面上产生一系列衍射光斑，分别对应对准标记WM不同周期的光栅部分。对准标记WM多周期光栅的衍射光经物镜511准直后进入分束器530，经分束面530a分成两路，一路进入第三成像光路，另一路进入第一和第二成像光路。

第三成像光路，即CCD成像光路中，包括多波长衍射光和零级反射光在内的一部分光束经过一个刻有分划线的平板531，然后经透镜532和传输光纤533将对准标记和分划线一起成像在CCD相机534上，一方面用于手动对准和视频监测，另一方面也可以进行图像处理和模式识别，用于辅助自动对准。另外，CCD成像光路也可以位于粗对准光路中，这时候成像光束中不包含零级光，可以是单色光成像或者多色光成像。

第一和第二成像光路是自动对准光路，第一成像光路是粗对准光路，产生第一光信号(即粗对准信号)；第二成像光路是精对准光路，产生第二光信号(即精对准信号)。进入自动对准光路的多波长衍射光首先经过一个空间滤波器512，将多波长衍射光的零级光滤掉，然后经分束器513的分束面513a分成两部分，分别进入第一成像光路和第二成像光路。

经分束面513a分束的其中一部分多波长衍射光进入到第一成像光路(即粗对准光路)，首先经过第一空间滤波器514，一方面使得组成多周期光栅标记的多组光栅(例如光栅P₁、P₂和P₃)的±1级衍射光(或其他特定级次衍射光)可以通过，零级光、其它级次衍射光和杂散光被滤掉，另一方面消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰影响。透过的多波长的多组光栅的±1级衍射光(或其他特定级次衍射光)经过一个多色光分离系统515，使得不同颜色的衍射光分离，图4中仅给出了其中一种波长λ₁的光路，波长为λ₁的多周期标记衍射光经过透镜516，不同周期光栅的±1级衍射光对应相干成像，使得多周期光栅成像在位于第一成像光路像面位置的第一参考光栅517上。

参见图5，第一参考光栅517和对准标记WM相似，是多周期的振幅光栅结构(图中仅给出了x方向的参考光栅，y方向的参考光栅相似)。当晶片台7扫描过程中，多周期光栅的像扫描经过第一参考光栅517，通过光纤518，采用光电探测器519探测多周期光栅像经第一参考光栅517调制后的透射光强，通过对多周期标记的结构进行优化，可以得到如图6所示的第一光信号(即粗对准信号)，在标记的中心位置处，粗对准信号有一个主峰，并且主峰与次峰的幅值有明显差异，使得主峰的中心位置相对容易检测，通过探测整个粗对准信号的幅值可以得到一个粗略的标记对准中心位置X₀₁，粗对准的误差小于精对准信号的1/2周期。粗对准的捕获范围同对准标记WM沿周期方向的长度相关，通过增加对准标记WM的周期数，可以增大粗对准的捕获范围。

经分束器513的分束面513a分束的另一部分多波长衍射光进入第二成像光路(即精对准光路)，首先经过第二空间滤波器520，使得只有周期最小的一组光栅(即光栅P₁)的±1级衍射光通过，光栅P₁的零级光和高级次衍射光以及光栅P₂和P₃的所有级次衍射光都被滤掉，同时消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰影响。透过的光栅P₁的多波长±1级衍射光经过一个多色光分离系统521，使得不同颜色的衍射光分离，图4中仅给出了其中一种波长λ₁的光路，光栅P₁的±1级衍射光经透镜522相干成像在位于第二成像光路像面位置的第二参考光栅523上。

参见图7，第二参考光栅523和对准标记WM的光栅P₁相似，是单周期且占空比等于1∶1的振幅型光栅。在晶片台7扫描过程中，光栅P₁的像扫描经过第二参考光栅523，通过光纤524，采用光电探测器525探测单周期光栅像经第二参考光栅523调制后的透射光强，可以得到如图8所示的第二光信号(即精对准信号)，该信号为具有多峰值特性的正弦周期信号。由于精对准的捕获范围为±1/2倍的精对准信号周期，因此根据粗对准信号的对准中心位置X₀₁，可以在精对准信号中在以粗对准位置X₀₁为中心的±1/2周期范围内得到唯一的一个峰值位置，该位置即为精对准的对准中心位置X₀₂。

在第一成像光路和第二成像光路中对准标记的中间像面(频谱面)位置分别设置空间滤波器514和520，不仅使±1级衍射光(或其他特定级次衍射光)可以通过，另一方面消除晶片上邻近标记或产品结构的杂散光串扰影响。对于金属溅射导致的晶片表面粗糙，通过优化光路中的空间滤波器514和520，使得只有特定空间频率的光可以通过，可以抑制金属颗粒引起的噪声，提高信噪比。

图9是本发明所述的对准系统第一实施例的光学原理示意图(以多波长照明光束中的单色波长λ₁光路为例)，该光学系统结构上包含两个相干成像系统(图9中用本专业领域人员所熟悉的4f系统结构来表示)。光源540发出的照明光束经反射镜541和相干成像系统的前组透镜542(即图4中的物镜511)垂直入射到位于前组透镜542前焦面的对准标记543上，对准标记543为多周期光栅结构(参见图2)，例如：中间的光栅周期为P₁，两边的光栅周期依次分别为P₂和P₃，并且P₁＜P₂＜P₃。组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅的±1级衍射光经过前组透镜542后，再经分束器544分成两部分，一部分进入粗对准光路，另一部分进入精对准光路。由前组透镜542、第一空间滤波器545和第一后组透镜546构成第一相干成像系统(粗对准的相干成像系统)；前组透镜542、第二空间滤波器548和第二后组透镜549构成第二相干成像系统(精对准的相干成像系统)。

在第一相干成像系统的中间像面(即频谱面)上设置有第一空间滤波器545，使得组成多周期光栅标记的多组光栅(例如光栅P₁、P₂和P₃)的±1级衍射光(或其他特定级次衍射光)可以通过；在第二相干成像系统的中间像面(即频谱面)上设置有第二空间滤波器548，使得只有周期最小的一组光栅(例如光栅P₁)的±1级衍射光可以通过。

同时，在两个相干成像系统的像面上分别设置不同的参考光栅，在第一相干成像系统的像面上设置有振幅型多周期光栅组成的第一参考光栅547(参见图5)；在第二相干成像系统的像面上设置有振幅型单周期光栅的第二参考光栅550(参见图7)。在晶片台7扫描过程中，多周期光栅标记的光栅P₁、P₂和P₃的±1级(或其它特定级次)衍射光通过第一相干成像系统的第一空间滤波器545，经第一后组透镜546在像面相干成像，多周期光栅像透过第一参考光栅547后，形成第一光信号。周期最小的一组光栅P₁的±1级衍射光通过第二相干成像系统的第二空间滤波器548，经第二后组透镜549在像面相干成像，单周期光栅像透过第二参考光栅550后，形成第二光信号。根据第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息确定对准标记的中心位置。

图10是本发明对准系统第二实施例的光学原理示意图，同样以多波长照明光束中的单色波长λ₁光路为例，该光学系统结构上也是包含两个相干成像系统(图10中用4f系统结构来表示)。

光源560发出的照明光束经反射镜561和相干成像系统的前组透镜562(即图4中的物镜511)垂直入射到位于前组透镜562前焦面的对准标记563上，对准标记563为多周期光栅结构(参见图2)。组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅的±1级衍射光经过前组透镜562后，再经分束器564分成两部分，一部分进入粗对准光路，另一部分进入精对准光路。分束器564的分束面564a采用特殊的镀膜设计或加工方法，使得入射到分束面中间部分的低频光栅(例如光栅P₂和P₃)的衍射光完全反射，进入粗对准光路；入射到分束面边缘部分的高频光栅(例如光栅P₁)的衍射光完全透过，进入精对准光路。通过这种分束方式可以增加两个相干成像光路的正、负级次衍射光相干成像的对比度，提高对准信号的信噪比。反之，也可以使低频光栅的衍射光完全透过，高频光栅的衍射光完全反射。

由前组透镜562、第一空间滤波器565和第一后组透镜566构成第一相干成像系统(粗对准的相干成像系统)；前组透镜562、第二空间滤波器568和第二后组透镜物镜569构成第二相干成像系统(精对准的相干成像系统)。第一相干成像系统的中间像面(即频谱面)上设置有第一空间滤波器565，使得组成多周期光栅标记的多组光栅(例如光栅P₂和P₃)的±1级衍射光(或其他特定级次衍射光)可以通过；第二相干成像系统的中间像面(即频谱面)上设置有第二空间滤波器568，使得只有周期最小的一组光栅(例如光栅P₁)的±1级衍射光可以通过。同时，在第一相干成像系统的像面上设置有由振幅型多周期光栅组成的第一参考光栅567(参见图10)；在第二相干成像系统的像面上设置有振幅型单周期光栅的第二参考光栅570(参见图7和图10)。与图9中的第一参考光栅547(即图5中第一实施例的第一参考光栅517)相比，图10中的第一参考光栅567的中间部分(对应于对准标记563的光栅P₁的部分)为不透光区域，左右两边的光栅结构与多周光栅标记563光栅P₂、P₃结构相似。

在晶片台7扫描过程中，多周期光栅对准标记563的光栅P₂和P₃的±1级(或其它特定级次)衍射光通过第一相干成像系统的第一空间滤波器565后，在像面相干成像，多周期光栅像透过第一参考光栅567后，形成第一光信号。周期最小的一组光栅P₁的±1级衍射光通过第二相干成像系统的第二空间滤波器568，在像面相干成像，单周期光栅像透过第二参考光栅570后，形成第二光信号。根据第一光信号的幅值信息和第二光信号的位相信息可以确定对准标记的中心位置。

本发明所述的对准系统可以采用两个分立波长的激光照明光源(例如：632.8nm，785nm)，这时候可以利用一个偏振分束器和λ/4波片组合的分光系统来实现两个波长光束的分离。当采用四个分立波长的照明光源(例如：532nm，632.8nm，785nm，850nm)同时照明对准标记时，不同波长的衍射光相互重叠，因此，不同波长的信号必须分开探测。基于偏振分束棱镜只能分离两种波长的色光，对多于两种波长以上的对准信号则无能为力，因此需要使用另外的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515和521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，所述的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。通常的闪耀光栅结构参数是按中心波长优化，在边缘波长(例如532nm，850nm)处的光栅衍射效率降低，即使使用高能量的激光，这种能量的衰减也是很明显的。这时可以采用多闪耀光栅，一种为折线型多闪耀光栅，用两个不同闪耀角的小平面代替普通闪耀光栅的槽面，工作时两个不同闪耀角的小平面同时工作，从而在能量-波长曲线上出现两个最大值，分别对应于两个闪耀波长，使曲线在两端下降缓慢，可覆盖较大的波长范围。由于折线型多闪耀光栅的刻划需使用特殊刻制刀，在每条刻线上刻划出两个折线型槽面，因此只适合于线槽密度较小，每条线槽工作面较宽的红外光栅。另一种为分区域多闪耀光栅，是把一块闪耀光栅的工作槽面分成两个或多个区域(由所需分离的波长数目决定)分别刻划，各分区域的线槽密度相同，闪耀角不同。其实质是多块普通闪耀光栅的拼合，刻划时不会有太大困难，可以刻划较高线槽密度的光栅。

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。

本发明对上述实施例进行了描述。本发明不仅限于上述实施例，还包括在从属权力要求中所述的本发明实施例的组合和非本质性的改动。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辐射，例如：KrF准分子激光器(波长248nm)、ArF准分子激光器(波长193nm)、F2激光器(波长157nm)、Kr2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。

Claims (19)

1.一种用于对对准标记成像的光学系统，其特征在于，对准标记通过该光学系统相干成像，所述光学系统至少包括两个相干成像系统，第一相干成像系统包括前组透镜、第一空间滤波器和第一后组透镜；第二相干成像系统包括前组透镜、第二空间滤波器和第二后组透镜；所述的第一相干成像系统对组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅相干成像；所述第二相干成像系统对所述多周期光栅中的周期最小的一组光栅相干成像。

2.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第一相干成像系统的前组透镜和第二相干成像系统的前组透镜是同一个前组透镜。

3.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的对准标记位于前组透镜的焦面位置。

4.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第一空间滤波器位于第一相干成像系统的中间像面位置，使得组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的±1级衍射光通过。

5.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第一空间滤波器使组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的其他特定级次衍射光通过。

6.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第二空间滤波器位于第二相干成像系统的中间像面位置，使得组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅的±1级衍射光通过。

7.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的光学系统还包含一个分束器，使得组成对准标记的多周期光栅中一部分光栅的衍射光完全反射，另一部分光栅的衍射光完全透过。

8.一种采用如权利要求1所述的光学系统对对准标记的成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

提供和传输激光照明光束，并照射至对准标记；

采集对准标记的反射光和衍射光，其中的衍射光分别经过光学系统的第一相干成像系统和第二相干成像系统相干成像。

9.如权利要求8所述的一种成像方法，其特征在于，所述的第一相干成像系统对组成对准标记的多周期光栅中的多组光栅相干成像。

10.如权利要求8所述的一种成像方法，其特征在于，所述的第二相干成像系统对组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅相干成像。

11.如权利要求8所述的一种成像方法，其特征在于，所述的第一相干成像系统的中间像位置设置有第一空间滤波器，使得组成对准标记的多周期光栅中多组光栅的±1级衍射光通过。

12.如权利要求8所述的一种成像方法，其特征在于，所述的第一空间滤波器，使多周期光栅中多组光栅的其他特定级次衍射光通过。

13.如权利要求8所述的一种成像方法，其特征在于，所述的第二相干成像系统的中间像位置设置有第二空间滤波器，使组成对准标记的多周期光栅中周期最小的一组光栅的±1级衍射光通过。

14.如权利要求8所述的一种成像方法，其特征在于，所述的光学系统还包含一个分束器，使得组成对准标记的多周期光栅中一部分光栅的衍射光完全反射，另一部分光栅的衍射光完全透过。

15.一种在如权利要求1所述光学系统中使用的对准标记，其特征在于：所述的对准标记为对称结构，包含多组不同周期的光栅；所述多周期光栅，中间的一组光栅周期最小，排列在两边的若干组光栅周期依次增大；或者中间的一组光栅周期最大，排列在两边的若干组光栅周期依次减小。

16.如权利要求15所述的一种对准标记，其特征在于：所述的多周期光栅中周期最小的一组光栅的占空比为1∶1。

17.如权利要求15所述的一种对准标记，其特征在于：所述的多周期光栅中线宽较大的光栅具有细分结构。

18.如权利要求17所述的一种对准标记，其特征在于：所述的细分方式是沿光栅周期方向细分，或垂直于光栅周期方向细分。

19.如权利要求17所述的一种对准标记，其特征在于：所述的多周期光栅中任何一组光栅具有细分结构。

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