CN102314091A - 一种可调节对准系统照明光斑尺寸的光刻机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调节对准系统照明光斑尺寸的光刻机，其中，离轴对准系统中的照明系统具有可调节照明光斑尺寸的光束调制装置。光束调制装置对照明系统输出光线的光斑大小及形状进行调整。本发明光刻机对准系统的照明系统可以在照射不同对准标记时，根据需要调节光斑大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种光刻装置，特别是一种可调节对准系统照明光斑尺寸的光刻机。
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-晶片对准，即测出晶片在机器坐标系中的坐标(XW，YW，ΦWZ)，及掩模在机器坐标系中的坐标(XR，YR，ΦRZ)，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。
中国发明专利CN03164859.2公开了一种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；照射到标记上的光斑大小固定，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使用固定的光斑大小照射到光栅上，对于XY四象限标记，要求光斑大小要覆盖整个标记，这就需要较大的光斑，而对于划线槽中的X、Y标记则只需要较小的光斑即可，在这种情况下使用较大光斑会引入比较大的杂散光，降低信噪比，影响对准精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调节对准系统照明光斑尺寸的光刻机，使得在照射不同对准标记时，可根据需要调节光斑大小。
为了达到上述目的，本发明提供一种可调节对准系统照明光斑尺寸的光刻机，包括：照明系统，提供曝光光束；掩模支架和掩模台，用于支承掩模版；掩模版，具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硅片上；硅片，具有周期性光学结构的对准标记；硅片支架和硅片台，用于支承硅片，硅片台上有刻有基准标记的基准板；反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和硅片台位置的测量；伺服系统和驱动系统，由主控制系统控制掩模台和硅片台的位移；以及离轴对准系统，用于掩模和硅片的对准；其中，离轴对准系统中的照明系统具有可调节照明光斑尺寸的光束调制装置。
其中，所述离轴对准系统中的照明系统包括：激光光源，提供对准照明光源；光纤耦合器，将激光器发出的光耦合进入光纤；单模保偏光纤；光纤准直器，将点光源变为平行光束；以及光束调制装置，调节光纤准直器输出光线的光斑大小及形状。
其中，所述光束调制装置为可调焦望远系统所述可调焦望远系统包括前后两组透镜组，前组透镜组包括一汇聚透镜，后组透镜组包括三个由电机控制的镜片。
其中，所述光束调制装置为空间光调制器。
一种对准照明方法，包括：由一激光光源提供一照明光束，所述照明光束经过光束准直单元后形成平行光束，所述平行光束经光束调制装置输出，其中所述光束调制装置的输出光斑根据照明对象的需求调整光斑的大小及形状。
其中，所述光束准直单元包括光纤耦合器，将激光器发出的光耦合进入光纤；单模保偏光纤；光纤准直器，将点光源变为平行光束。
其中，所述光束调制装置为可调焦望远系统所述可调焦望远系统包括前后两组透镜组，前组透镜组包括一汇聚透镜，后组透镜组包括三个由电机控制的镜片。
其中，所述光束调制装置为空间光调制器。
附图说明
通过本发明实施例并结合附图的详细描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中：
图1是现有技术中光刻设备整体结构示意图；
图2是现有技术中对准系统结构示意图；
图3是本发明对准照明系统第一实施例结构示意图；
图4是本发明对准照明系统第一实施例的可调焦望远系统结构示意图；
图5(a)、(b)、(c)是现有技术的激光光斑在XY、X、Y向的三周期标记扫描示意图；
图6(a)、(b)、(c)是使用本发明可调节光斑尺寸的离轴对准照明系统后XY、X、Y向的三周期标记扫描示意图；
图7是本发明对准照明系统第二实施例结构示意图；
图8是空间光调制器多个独立可寻址像素示意图；
图9是空间光调制器通过计算机控制像素示意图；
图10(a)、(b)、(c)为本发明第二实施例激光光斑整形后在XY、X、Y向的标记扫描示意图。
具体实施方式
下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。
图1所示为现有技术中光刻设备的对准系统与光刻设备之间的总体布局、工作原理结构示意图。光刻设备的构成包括：用于提供曝光光束的照明系统1；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对准标记RM；用于将掩模版2上的掩模图案投影到硅片6的投影光学系统4；用于支承硅片6的硅片支架和硅片台7，硅片台7上有刻有基准标记FM的基准板8，硅片6上有周期性光学结构的对准标记；用于掩模和硅片对准的离轴对准系统5；用于掩模台3和硅片台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控制掩模台3和硅片台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)、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上包含有掩模图案和周期性结构的标记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，电路掩模图案经过投影光学系统在涂覆有光刻胶的硅片6上成缩小的图像。
硅片台7位于投影光学系统4的下方，硅片台7上设置有一个硅片支架(图中未示出)，硅片6固定在支架上。硅片台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，使得可以将硅片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。硅片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于硅片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，硅片台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控制硅片台7的运动。
硅片6上设有周期性结构的对准标记，硅片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准系统5分别通过硅片对准标记和基准标记FM实现硅片6对准和硅片台7对准。另外，一个同轴对准单元(图中未示出)将硅片台上基准板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驱动硅片台7移动实现掩模和硅片6的对准。
图2是现有技术中对准系统结构原理示意图。对准系统主要由光源模块、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两个波长的光源、快门、光隔离器和RF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211、分束器214、双向分束器218、λ2空间滤波器219、λ2透镜系统220和λ1空间滤波器224、λ1透镜系统225。探测模块包括CCD传输光纤216、CCD相机217、λ2参考标记321、λ2传输光纤222、λ2光电探测器223、λ1参考标记226、λ2传输光纤227和λ2光电探测器228。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。
对准系统原理为：光源模块输出的对准光束201(包含两种可选波长，也可同时应用)进入光束合束器202，经由单膜保偏光纤203传输到起偏器204、透镜205、照明孔径光阑206和透镜207，然后经平板209上的反射棱镜208垂直入射到消色差的λ/4波片210进入大数值孔径的物镜211(4F透镜的前组)，光束经大数值孔径的物镜211会聚照射到硅片对准标记212上并发生衍射，对准标记212各级次衍射光沿原路返回并经平板209进入分束器214，分束器214将一小部分衍射光经过镀膜反射面213反射到CCD光路经过CCD透镜215、CCD传输光纤216，成像于CCD 217上用于观测标记成像情况，另一部分衍射光沿光路透射过去由分光棱镜218两种波长光束分开，分别进入不同的光路，经过相应的λ2空间滤波器219、λ1空间滤波器224，选择需要的衍射光级次(本发明需要的分别是各光栅的±1级衍射光，并通过λ2透镜系统220、λ1透镜系统225，(4F透镜的后组)将相应衍射级次光干涉像成在λ2参考标记221、λ1参考标记226上，工件台扫描过程中，对准标记衍射级次干涉像扫描λ2参考标记221、λ1参考标记226，经λ2传输光纤222、λ1传输光纤227探测参考标记透过的光信号，由光信号的位相信息得到对准标记的中心位置。
图3是本发明对准照明系统第一实施例结构示意图。301为激光光源，提供对准照明光源。302为激光光源所发出的照明光束。303为光纤耦合器，将激光器发出的光束耦合进入光纤。304为单模保偏光纤。305为光纤准直器，将点光源变为平行光束。光纤耦合器303，单模保偏光纤304及光纤准直器305共同组成光束准直单元。所述光束准直单元可以由石英棒或蝇眼透镜或准直透镜等方式组成。306为可调焦望远系统，此望远系统由两个透镜组组成，每个透镜组由若干透镜组成，通过其中一个透镜组上的电机，调整这个透镜组中各透镜的位置，从而改变这个望远系统输出光线的光斑大小。307为对准标记。
图4是可调焦望远系统的结构示意图。其中由光纤准直器305(图上未示出)所出射的平行光束401经过透镜组402，折射为汇聚光束403，汇聚于404点，再经过透镜组405成为平行光束409，其中通过透镜组上的电机移动406，407，408三个透镜，使得透镜组的焦点始终位于404，而透镜组与404之间的距离发生变化，这就使得平行光束409形成的光斑大小产生变化，从而达到调节光斑大小的目的。
图5(a)、(b)、(c)为现有技术的激光光斑在XY、X、Y向的三周期标记扫描示意图。
图6(a)、(b)、(c)为使用本发明第一实施例对准照明系统调节对准照明光斑尺寸后XY、X、Y向的标记扫描示意图。从图5与图4的对比可以看出，本发明在扫描XY标记的时候，使用较大的光斑，而在扫描X、Y向标记的时候，通过在透镜组上的电机，调整各透镜的位置，减小光斑尺寸，使大部分能量都照射在标记上，大大提高了能量利用率。而图4中的对准照明光斑，在扫描X、Y向标记时，很大一部分能量照射在标记以外没有被利用，同时也引入了很多杂散光，降低了对准精度。
图7是本发明对准照明系统第二实施例的结构示意图。701为激光光源，提供对准照明光源。702为激光光源所发出的照明光束。703为光纤耦合器，用来将激光器发出的光耦合进入光纤。704为单模保偏光纤。705为光纤准直器，将点光源变为平行光束。706为空间光调制器(Spatial Light Modulator，简称SLM)，根据需要调整输出光线的大小、形状。707为对准标记.
空间光调制器，具有质量小，功耗低、无机械惰性等特点，目前广泛应用在成像显示、光束分束、激光束整形、相干波前调制和振幅调制等领域。电寻址液晶空间光调制器，利用外电压改变液晶分子指向达到控制液晶的双折射，从而实现对光波的调制作用。SLM的典型特征是它包括多个独立可寻址像素，每个像素由单个分立元件构成，能够用来调制入射其上的光波的振幅和相位，如图8所示。由于SLM可以方便的利用寻址电压进行控制，这使得SLM成为了一种对光波进行可编程的控制器件，可以方便实时地作为光源滤波器使用。
如图9所示，计算机将优化计算所得的光源调制信息装载到SLM的控制单元，该控制单元负责将振幅信息转化为对应的电压，并寻址加到对应的SLM每个像素S(x，y)上。
图10(a)、(b)、(c)为本发明第二实施例中激光光斑整形后在XY、X、Y向的标记扫描示意图。从图10与图5的对比可以看出，本发明在扫描XY标记时，编程控制SLM，其透过光斑为十字形光斑。而在扫描X、Y向标记的时候，编程控制SLM，其透过光斑为矩形光斑，这样就会减少照射到其它图形上的光，减小了杂散光，提高了对准精度。而图5中的对准照明光斑，会覆盖旁边的图形，引入较多的杂散光，影响对准精度。
本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种可调节对准系统照明光斑尺寸的光刻机，包括：照明系统，提供曝光光束；掩模支架和掩模台，用于支承掩模版；掩模版，具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硅片上；硅片，具有周期性光学结构的对准标记；硅片支架和硅片台，用于支承硅片，硅片台上有刻有基准标记的基准板；反射镜和激光干涉仪，用于掩模台和硅片台位置的测量；伺服系统和驱动系统，由主控制系统控制掩模台和硅片台的位移；以及离轴对准系统，用于掩模和硅片的对准；
其特征在于，离轴对准系统中的照明系统具有可调节照明光斑尺寸的光束调制装置。
2.如权利要求1所述的光刻机，其特征在于，所述离轴对准系统中的照明系统包括：激光光源，提供对准照明光源；光纤耦合器，将激光器发出的光耦合进入光纤；单模保偏光纤；光纤准直器，将点光源变为平行光束；以及光束调制装置，调节光纤准直器输出光线的光斑大小及形状。
3.如权利要求2所述的光刻机，其特征在于，所述光束调制装置为可调焦望远系统所述可调焦望远系统包括前后两组透镜组，前组透镜组包括一汇聚透镜，后组透镜组包括三个由电机控制的镜片。
4.如权利要求2所述的光刻机，其特征在于，所述光束调制装置为空间光调制器。
5.一种对准照明方法，包括：由一激光光源提供一照明光束，所述照明光束经过光束准直单元后形成平行光束，所述平行光束经光束调制装置输出，其特征在于所述光束调制装置的输出光斑根据照明对象的需求调整光斑的大小及形状。
6.一种如权利要求5所述的对准方法，其特征在于，所述光束准直单元包括光纤耦合器，将激光器发出的光耦合进入光纤；单模保偏光纤；光纤准直器，将点光源变为平行光束。
7.一种如权利要求5所述的对准方法，其特征在于，所述光束调制装置为可调焦望远系统所述可调焦望远系统包括前后两组透镜组，前组透镜组包括一汇聚透镜，后组透镜组包括三个由电机控制的镜片。
8.一种如权利要求5所述的对准方法，其特征在于，所述光束调制装置为空间光调制器。
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