CN101221371B - 图形定位精度检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图形定位精度检测装置及其检测方法，所述装置包括沿探测光路依次排列的相移模块、透射聚焦光学模块、掩模台、分光棱镜、准直模块、45度设置的分光镜、位于分光镜第一出射面上的对准传感器；照明光源模块，其出射光通过分光棱镜照射到掩模版的上表面；激光光源模块，其出射光通过分光模块分为参考光和透射光，所述参考光经参考光单模光纤入射至所述分光棱镜，所述透射光经透射光单模光纤经过相移模块和透射聚焦光学模块聚焦到掩模版的图形上；所述分光镜的第二出射面上设有成像模块和图像传感器；与上述各部件相连的主控机，利用本发明的装置可准确测得图形位置的变化，并可减小光学检测元件的尺寸，而且检测精度高且操作方便。

Description

图形定位精度检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种图形定位装置及其使用方法，特别涉及用于光刻机的掩模版图形定位精度检测装置及其检测方法。

背景技术

在半导体光刻领域，半导体元件生产一般都需要进行多层曝光来实现，不同层都需要各自的掩模版，而不同层掩模版之间要求有严格的套刻精度，它是限制产品性能的一个重要因素，为了提高产品的良率，需要对掩模版上的图形定位精度进行精确测量。

目前的掩模图形定位精度都是通过精确定位图像边缘的方法计算图像中心的位置，原理是通过光学显微镜和电子显微镜将光斑聚焦到一个很小的点，然后通过边缘检测方法得到一个边的位置，再通过相同的方法得到另外一个边的位置，通过计算得到中心的位置，LEICA公司的IPRO图形定位检测装置就是通过光学显微镜的方法进行测量的(SPIE Vol.4562，p.237-246(2002))，该测量系统光路分为成像光路(imaging optic)，激光自动对焦光路(laser autofocus)，图像对准光路(alignment imaging optic)和透视照明光路。

上述装置的缺点是：(1)由于需要对细小的线条进行分辨和成像，需要使用较短的波长和较大的数值孔径(NA)，LEICA的波长为360-410nm，数值孔径最大为0.9，这给光学加工和制造带来较大的困难；(2)当测量小线条，选择使用大数值孔径时的工作距离特别短，只有250um，这样当掩模版上有保护膜时就无法进行测量；(3)为了使自动对焦系统，对准系统和成像系统合并到一个系统中并且不相互影响，该系统需要采用三种波段的波长，成像系统为360-410nm，自动对焦系统为903nm，对准系统为440-770nm，这增加了光学镀膜的难度；(4)由于定位信息是由图像传感器定位误差和掩模板版测量系统定位共同确定的，图像传感器上的图像定位误差将很大程度上影响最终的误差结果；(5)图像传感器成像光路误差也将会导致定位误差。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种通过光学干涉精确测量图形标记的位置变化，同时将对准光路，照明光路和位置探测光路集成到同一个光路中的图形定位精度检测装置及其检测方法，以提高掩模图像位置检测精度，从而满足更高的套刻要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种图形定位检测装置，用于测量图形标记的位置变化，所述装置包括沿探测光路依次排列的相移模块、透射聚焦光学模块、掩模台、分光棱镜、准直模块、45度设置的分光镜以及位于所述分光镜第一出射面上的对准传感器，所述掩模台用于承载具有所述图形标记的掩模版；所述装置还包括：照明光源模块，其出射光经过一照明聚焦模块后，通过所述分光棱镜照射到掩模版的上表面；激光光源模块，其出射光通过一分光模块分为一束参考光和一束透射光，所述参考光通过一参考光单模光纤入射至所述分光棱镜，所述透射光通过一透射光单模光纤经过所述相移模块和所述透射聚焦光学模块聚焦到所述掩模版的图形上；所述分光镜的第二出射面上还设有一成像模块和一图像传感器；所述装置还包括与上述各部件相连的主控机。

在上述的图形定位检测装置中，所述透射聚焦光学模块固定在所述相移模块上，该相移模块可以垂向移动。

在上述的图形定位检测装置中，所述透射光和参考光是来自所述激光光源模块同一出射光的相干光。

在上述的图形定位检测装置中，所述参考光和透射光通过所述分光棱镜进行合并。

在上述的图形定位检测装置中，所述掩模台可在X、Y、Z方向精确移动。

在上述的图形定位检测装置中，所述主控机控制激光光源模块产生激光和调节光强、控制照明光源模块开关和光强、控制相移模块移动、控制掩模台移动以及控制传感器的图像信息分析。

采用本发明的图形定位检测装置的检测方法，是通过所述透射光和参考光进行干涉的方法，测量透射光的波前变化，从而计算出图形的位置，所述方法包括下列步骤：

(1)主控机控制照明光源模块打开并调节光强，让照明光照射到掩模版上的图形；

(2)通过图像传感器接收所述图形的图像信息；

(3)通过图像传感器作图像分析找到需要进行精确定位的图形，并由主控机控制对图形进行粗定位；

(4)关闭照明光源模块，开启激光光源模块；

(5)通过对准传感器分析图形表面的离焦和偏离；

(6)控制图形的移动位置，使之达到最佳的焦面和倾斜位置；

(7)主控机根据对准传感器记录的图形位置计算得到该图形的精确位置信息。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、简化定位测量系统的光学结构，增加系统的可靠性和稳定性；

2、不需要使用较短的波长和较大的数值孔径，就可以实现精确的定位测量；

3、可以有较大的工作距离，当掩模版上有保护膜时也能进行高精度测量；

4、照明和对准都使用可见波段进行测量，简化系统的镀膜设计，降低成本；

5、通过图像传感器接收到透视图形的波前信息而不是图像位置信息进行定位计算，可以有效消除图像传感器上的图像定位误差的影响；

6、透射光和参考光采用相同的光路，有效的消除准直系统对定位误差的影响。

附图说明

通过以下对本发明实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。

图1为本发明图形定位精度检测装置光路结构示意图。

具体实施方式

本发明的图形定位精度检测装置是利用光纤作为传输光路，利用照明光学系统进行图形搜索，并采用共路干涉方法，通过透视图形波前信息得到图像的定位信息，其具体结构及工作方式如下：

请参阅图1，首先通过主控机18打开照明光源模块14，它出射的波段为400～600nm，经过照明聚焦模块13聚焦后，将照明光通过分光棱镜12照明到掩模版16上表面上，从掩模版16上表面反射的光经过分光棱镜12和准直模块11后经过分光镜10折射到成像模块7后达到图像传感器(CCD)6，图像传感器6的捕捉范围较大，和图像传感器6相连的主控机18分析图像传感器6捕捉到的信息，可以实现图形位置的粗略测量，主控机18控制移动掩模台15，粗略找到掩模版16所有需要进行定位的图形后，将照明光源模块14关闭。

其次，通过主控机18开启激光光源模块1并合理调节光强，该光源为650nm激光器，激光光源模块1出射的激光通过分光模块2将激光分为两束，一束参考光进入参考光单模光纤4中，另一束透射光被耦合到透射光单模光纤5中，经过相移模块3和透射聚焦光学模块17聚焦在掩模版16表面的图形上，透射光照在掩模版16上的斑点不能太大，因为一次只能测量一个图形的位置，当照射到其它位置的时候会引起不同图形之间的串扰，引起图形定位误差，为了有效控制照射斑点的大小，透射聚焦光学模块17被固定在垂向可以精确移动的相移模块3上，相移模块3可以实现透射聚焦斑点大小的精确可调，以实现不同透射区域的控制，经过掩模版16衍射的透射波前和参考光纤出射的波前经过分光棱镜12后，通过准直模块11照射到对准传感器9上，同时从掩模版图形出射的透射波前和参考波前进行干涉，主控机18可以通过波前分析得到图形的精确水平位置和垂向位置信息，通过对准传感器分析得到图形表面的离焦和偏离。图像传感器6得到的是干涉强度的条纹信息，通过相移条纹分析方法就能还原图形的波前分析位置信息，主控机18对图像传感器6和对准传感器9接收到的信息进行分析得到图形的精确水平位置和垂向位置信息，并判断图形定位精度是否达到要求。由于光纤衍射的光强不均匀，相移条纹分析方法还可以最大程度消除图像传感器6因光强不均匀性而导致的波前分析误差，另外相移条纹分析方法还可以有效减小图像传感器6背景噪声，固有电子和光子噪声等影响。

再次，具体相移条纹分析方法可以采用三步，四步，七步或更多步相移，下面以四步相移为例分析波前信息的分析过程：主控机18让相移模块3在四个高度进行步进，每步的移动大小为四分之一波长，通过图像传感器6采集到四幅干涉图像，利用这四个图像传感器6采集的图像就可以计算波前，参考波面与被检波面相干，干涉场的光强分布可以表示为：

I(x，y，t)＝I_d(x，y)+I_a(x，y)cos[φ(x，y)-δ(t)]

式中，I_d(x，y)为干涉场的直流光强分布；

I_a(x，y)为干涉场的交流光强分布；

φ(x，y)为被检波面与参考波面的相位差分布，即相移干涉的测量对象；

δ(t)为两干涉光路中的可变相位。

通过上面的方法改变相位δ(t)，测量四幅相位变化的干涉图中的光强分布I(x，y，t)，并对φ(x，y)进行精确求解。

上式可改写为：

I(x，y，δ_i)＝a₀(x，y)+a₁(x，y)cosδ_i+a₂(x，y)sinδ_i

式中，a₀(x，y)＝I_d(x，y)

a₁(x，y)＝I_a(x，y)cos[φ(x，y)]

a₂(x，y)＝-I_a(x，y)sin[φ(x，y)]

被测相位φ(x，y)可以通过a₂(x，y)与a₁(x，y)的比值求得：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_2(x,y)}{a_1(x,y)}\right)$

对于本发明的四步相移：δ₁＝0，δ₂＝π/2，δ₃＝π，δ₄＝3π/2，代入以上公式得到：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right)$

上式中I₁、I₂、I₃、I₄分别为四幅图像中的光强值，这样通过每个象素位置的四个光强值得到波前每个点的相位值，最好通过拟和得到整个波前的相位值。

得到波前信息以后就可以通过波前的倾斜和离焦信息得到图形的垂向位置和水平位置偏离信息。当掩模图形沿水平方向进行平移时，参考波面和被测波面将发生倾斜。

从参考光单模光纤4出射的光束数值孔径为0.2，对准光学系统的焦距为15mm，当水平位置发生1nm的偏差时，两个波面相减后的最大偏差来自波前交叉区域的两个边缘位置为0.4nm。它引入的波前相位变化为：

θ＝(0.4/λ)*360＝(0.4/650)*360°＝0.22°

由于图像传感器6的光强I变化和波前相位偏差的关系如下：

I＝A×(1+cos(θ))+C

上式中：

A代表干涉的深度或有效干涉强度；

C代表非相干的光强度背景，约为A的五分之一；

图像传感器6上的最大光强为A+C＝1.2A；如果采用12位图像传感器，光强的分辨率为1/4096；所以它能分辨的最小光强变化为1.2A/4096，为了提高分辨率先给两个波面一个固定的90°位相差，这样得到光强变化如下：

ΔI＝|A×(cos(90°)-cos(90.22°))|＝A/260；

这样的光强变化将可以有效的被图像传感器6分辨出来，从上式可以反推出最小分辨的横向位移为：

ΔX＝1nm*(1.2A/4096)/(A/260)＝0.08nm；

当掩模图形发生离焦时，对应的参考波面和透视波面反射焦面偏离，通过判断两个波面的离焦量就可以实现纳米级的垂向位置分辨率。

主控机18控制掩模图形的移动位置，并不断修正，使之达到最佳的焦面和倾斜位置。

以上介绍的仅仅是基于本发明的一个个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置及方法作本技术领域内熟知的步骤的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (7)

1.一种图形定位检测装置，用于测量图形的位置变化，其特征在于，所述装置包括沿探测光路依次排列的相移模块、透射聚焦光学模块、掩模台、分光棱镜、准直模块、45度设置的分光镜以及位于所述分光镜第一出射面上的对准传感器，所述掩模台用于承载具有所述图形的掩模版；所述装置还包括：照明光源模块，其出射光经过一照明聚焦模块后，通过所述分光棱镜照射到掩模版的上表面；激光光源模块，其出射光通过一分光模块分为一束参考光和一束透射光，所述参考光通过一参考光单模光纤入射至所述分光棱镜，所述透射光通过一透射光单模光纤经过所述相移模块和所述透射聚焦光学模块聚焦到所述掩模版的图形上；所述分光镜的第二出射面上还设有一成像模块和一图像传感器；所述装置还包括与上述各部件相连的主控机。

2.如权利要求1所述的图形定位检测装置，其特征在于：所述透射聚焦光学模块固定在所述相移模块上，该相移模块可以垂向移动。

3.如权利要求1所述的图形定位检测装置，其特征在于：所述透射光和参考光是来自所述激光光源模块同一出射光的相干光。

4.如权利要求1所述的图形定位检测装置，其特征在于：所述参考光和透射光通过所述分光棱镜进行合并。

5.如权利要求1所述的图形定位检测装置，其特征在于：所述掩模台可在X、Y、Z方向精确移动。

6.如权利要求1所述的图形定位检测装置，其特征在于：所述主控机控制激光光源模块产生激光和调节光强、控制照明光源模块开关和光强、控制相移模块移动、控制掩模台移动以及控制传感器的图像信息分析。

7.采用如权利要求1所述的图形定位检测装置的检测方法，其特征在于，通过所述透射光和参考光进行干涉的方法，测量透射光的波前变化，从而计算出图形的位置，所述方法包括下列步骤：

(1)主控机控制照明光源模块打开并调节光强，让照明光照射到掩模版上的图形；

(2)通过图像传感器接收所述图形的图像信息；

(3)通过图像传感器作图像分析找到需要进行精确定位的图形，并由主控机控制对图形进行粗定位；

(4)关闭照明光源模块，开启激光光源模块；

(5)通过对准传感器分析图形表面的离焦和偏离；

(6)控制图形的移动位置，使之达到最佳的焦面和倾斜位置；

(7)主控机根据对准传感器记录的图形位置计算得到该图形的精确位置信息。

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