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CN106997151B - 光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法 - Google Patents

光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法 Download PDF

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CN106997151B CN201610044316.XA CN201610044316A CN106997151B CN 106997151 B CN106997151 B CN 106997151B CN 201610044316 A CN201610044316 A CN 201610044316A CN 106997151 B CN106997151 B CN 106997151B
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Abstract

本发明公开了一种光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法，所述光斑布局结构包括多个测量光斑，所述多个测量光斑至少构成一组正交直线，所述正交直线上的测量光斑由中心向外发散布置，每条直线上的测量光斑数目至少为4个，所述测量光斑测量平面面形。本发明提供的技术方案采用至少包括一组正交直线的中心向外发散式光斑布局结构，既可以实时测量多个光斑读数，通过平面拟合得到基板面形进行实时调焦调平曝光，还可以通过工件台的扫描运动，读取有效光斑读数转换为基板的原始面形数据，对所述原始面形数据进行处理，获得工件台的曝光视场控制值，进行调焦调平曝光。

Description

光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法
技术领域
本发明涉及一种光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法，应用于光刻技术领域。
背景技术
投影光刻机是一种把掩模上的图案通过投影物镜投影到硅片表面的设备。在光刻机的曝光过程中，如果硅片相对于物镜焦平面离焦或倾斜使曝光视场内某些区域处于有效焦深之外，将严重影响光刻质量，因此，需要采用调焦调平系统进行精确控制。通常使用的调焦调平方法有两种，一种是在曝光的同时，使用特定布局的测量光斑实时测量工件台的高度和倾斜值，控制工件台进行调焦调平曝光；另一种是在曝光前，先通过多个光斑测量曝光视场中基板的面形，通过计算获得曝光运动控制值，然后再进行曝光操作。
采用第一种方法，特定布局的测量光斑往往是针对某一特定的光斑视场，不能适用于多种大小不同的曝光视场，而且在进行边缘曝光时，特定布局的测量光斑在边缘曝光视场中会出现无效的现象，这种方法也不适合做面形扫描运动，效率较低。
第二种方法采用排成一条直线的光斑布局，通过位于直线两端的光斑测量工件台的高度，控制工件台位于有效焦深范围内，通过中间的光斑扫描测量基板的面形，计算得到曝光控制值后进行曝光，在测量边缘视场时需要减速使两端的测量光斑停在基板范围内，防止光斑超出基板而失效。这种方法扫描速度慢，耗时较长，效率低。同时，这种方法无法进行实时调焦调平。
在曝光控制中，由于光斑超出基板会失效，所以无法使用多个光斑直接控制边缘视场曝光，一般采用参考场的方式，即用附近的内部曝光视场控制值直接代替边缘视场的控制值。这种处理方法不适用于焦深较小，且边缘面形与内部面形相差较大的情况，如基板边缘翘曲的情况，这种方法往往会在基板边缘出现离焦，而不能被采用。
光刻机应用在各种不同的场景中，需要使用不同的机型实现不同尺寸基板的曝光，曝光视场也会大小不同，因此，需要一种光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法，可以满足更多的光刻场景，而且能够同时应用于实时面形测量和扫描面形测量，使得其应用的光斑测量装置具有更好的通用性和适用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高扫描测量效率、适用于实时面形测量和扫描面形测量场景及多种不同大小曝光视场的光斑布局结构、面形测量方法及曝光视场控制值计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种光斑布局结构，包括多个测量光斑，所述多个测量光斑至少构成一组正交直线，所述正交直线上的测量光斑由中心向外发散布置，每条直线上的测量光斑数目至少为4个，所述测量光斑测量平面面形。
优选的，所述测量光斑构成/形、\形、十字形、米字形或者X字形，所述米字形由两组正交直线交叉组合形成。
优选的，所述测量光斑呈旋转的十字形结构排布。
优选的，所述旋转的十字形结构由十字形逆时针旋转18°～35°形成。
优选的，所述测量光斑以相等距离从中心向外发散布局。
一种面形测量方法，采用所述的光斑布局结构，包括：
步骤1，控制工件台进行曝光扫描运动，读取所述光斑布局结构中光斑的光斑读数，获得各个时刻各个光斑的高度值和水平位置；
步骤2，将各个所述光斑读数转换为工件台坐标系中的坐标值，所述坐标值为光斑扫描测量的原始面形数据。
优选的，根据所述测量光斑的有效性，指定为有效光斑，所述光斑读数选取于所述有效光斑。
优选的，所述测量光斑有效性的设定方法采用硬件配置或软件设定。
优选的，步骤1中，所述扫描运动的路径为保持所述工件台高度和倾斜不变，采用栅格线方式、绕圈方式或交叉线方式。
优选的，步骤2中，通过公式1和2将所述光斑读数的水平位置转换为工件台坐标系中的水平坐标值，
公式1：X[n][i]＝XWS[n]+Xspot[i]；
公式2：Y[n][i]＝YWS[n]+Yspot[i]；
其中，XWS[n]、YWS[n]分别为第n时刻工件台曝光视场的X向、Y向水平位置，Xspot[i]、Yspot[i]分别为第i个光斑相对于曝光视场中心的X向、Y向水平位置，X[n][i]、Y[n][i]分别为第n时刻第i光斑在工件台坐标系的水平位置。
优选的，步骤2中，通过公式3或4将所述光斑读数的高度值转换为工件台坐标系中的高度坐标值，
如果步骤1中工件台的倾斜值为零，转换关系式为：
公式3：Z[n][i]＝ZWS[n]+Z[n]spot[i]；
如果步骤1中工件台的倾斜值不为零，转换关系式为：
公式4：Z[n][i]＝ZWS[n]+Z[n]spot[i]+RxWS[n]×Yspot[i]-RyWS[n]×Xspot[i]；
其中，ZWS[n]为第n时刻工件台曝光视场的高度值，Z【n】spot[i]为第n时刻第i个光斑测量高度值，RxWS[n]、RyWS[n]分别为第n时刻工件台曝光视场的X向、Y向倾斜值，Xspot[i]、Yspot[i]分别为第i个光斑相对于曝光视场中心的X向、Y向水平位置，Z[n][i]为第n时刻第i光斑在工件台坐标系的高度测量值。
一种曝光视场控制值计算方法，采用所述的面形测量方法获得所述原始面形数据，通过如下步骤对所述原始面形数据进行处理，获得工件台的曝光视场控制值，包括：
步骤1，使用数学拟合模型对所述原始面形数据进行拟合，得到允许误差范围内的密集点面形数据；
步骤2，根据设定的阈值，对密集点面形数据进行平面拟合，如果曝光视场的有效密集点数量大于设定的阈值，直接使用所述密集点面形数据进行平面拟合，如果曝光视场的有效密集点数量小于设定的阈值，通过向内偏移曝光视场或扩大附近选区，再使用数学拟合模型对所述原始面形数据进行拟合，直到有效密集点数量达到设定的阈值，再使用所述密集点面形数据进行平面拟合。
优选的，在步骤1之前还包括：对所述原始面形数据进行预处理，所述预处理包括过滤跳变点。
优选的，步骤1中，所述数学拟合模型采用线性插值、多次曲面或泽尔尼克拟合模型。
优选的，步骤2中，所述平面拟合的公式为：
Z＝Z0-Ry×X+Rx×Y
其中，X，Y，Z为密集点面形数据，Z0为曝光视场面形的高度值，Rx为曝光视场面形的X向倾斜值，Ry为曝光视场面形的Y向倾斜值，Z0、Rx、Ry经过适当转换得到曝光视场的控制值。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案采用至少包括一组正交直线的光斑布局结构，既可以实时测量多个光斑读数，通过平面拟合得到基板面形的高度值和倾斜值，通过设定所述光斑布局结构中各个光斑的有效性，适用于多种大小不同的曝光视场，还可以通过工件台的扫描运动，读取有效光斑读数，将各个光斑读数转换为工件台坐标系中的坐标值，所述坐标值为光斑扫描测量的原始面形数据，对所述原始面形数据进行处理，获得工件台的曝光视场控制值，进行调焦调平曝光，在对边缘视场进行扫描时，无须考虑光斑的有效性，运动速度可以进一步提高，提高了扫描测量效率。因此，本发明的技术方案同时具有实时测量和扫描测量面形的功能，使得本技术方案具有更好的通用性和适用性。
附图说明
图1是本发明一实施例中所述米字形光斑布局的结构示意图；
图2是本发明一实施例中所述米字形光斑布局的结构示意图；
图3是本发明一实施例中所述面形测量方法的流程示意图；
图4是本发明一实施例中所述光斑测量系统测量面形数据的示意图；
图5是本发明一实施例中所述栅格线方式路径的示意图；
图6是本发明一实施例中所述绕圈方式路径的示意图；
图7是本发明一实施例中所述交叉线方式路径的示意图；
图8是本发明一实施例中所述光斑测量系统原始面形数据的三维效果图；
图9是本发明一实施例中所述原始面形数据经过处理的流程示意图；
图10是图8中所述原始面形数据经过处理后的三维效果图；
图11是本发明一实施例中所述标准十字形光斑布局的结构示意图；
图12是本发明一实施例中所述标准十字形光斑布局的结构示意图；
图13是本发明一实施例中所述X字形光斑布局的结构示意图；
图14是本发明一实施例中所述米X字形光斑布局的结构示意图；
图15是本发明一实施例中所述旋转十字形光斑布局的结构示意图；
图16是本发明一实施例中所述旋转十字形光斑布局的结构示意图。
图中所示：100、光斑；101、曝光视场；102、光斑投射器光照范围；103、光斑路径；111、第一曝光视场；112、第一曝光视场；113、第一曝光视场；200、基板；300、工件台；400、光斑投射器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
参照图1和图4，本发明的光斑布局结构，包括多个测量光斑，所述多个测量光斑至少构成一组正交直线，所述正交直线上的测量光斑由中心向外发散布置，每条直线上的测量光斑数目至少为4个，所述测量光斑测量平面面形。作为一种具体的应用，提出了一种光斑测量系统。
具体的，本发明光斑布局结构应用的光斑测量系统，包括光斑投射器400、光斑接收器及信号处理单元，所述光斑投射器400发射光束照射在基板200的曝光视场101中形成至少包括一组正交直线的中心向外发散式光斑布局结构并发生反射，每个直线方向上的光斑100数量至少为4个，所述光斑接收器接收反射光束并产生电信号，所述信号处理单元处理所述电信号并获得基板200面形的位置信息。
较佳的，所述光斑布局结构中的光斑100可进行有效性选择。通过设定所述光斑布局结构中光斑100的有效性来指定有效光斑。所述光斑100有效性的设定方法采用硬件配置或软件设定。所述光斑布局结构中的光斑100以相等距离从中心向外发散。
具体的，通过硬件的不同配置，所述光斑布局结构可以采用米字形光斑布局(如图1和图2所示)、标准十字形光斑布局(如图11和图12所示)、X字形光斑布局(如图13和图14所示)或旋转十字形光斑布局(如图15和图16所示)。即根据不同需要安装相应类形的光斑投射器400，适用于各种场景需求。需要说明的是，在图1-2、图5-8、图10-16中，标示出的长度尺寸仅作为示意，不作为对结构特征的具体限定。光斑投射器光照范围102覆盖所有的光斑100。
通过软件设定，指定某些光斑100的光斑读数为有效或无效，所述光斑布局结构采用的米字形光斑布局可以转换成标准十字形或X字形光斑布局。因此，所述米字形光斑布局具有很好的适用性。
优选的，所述光斑布局结构采用旋转十字形，所述旋转十字形的旋转角度为18°～35°。
需要说明的是，上述几种光斑布局结构仅为本发明光斑布局结构的几种优选实施方式，在此基础上，经过合理的变动可以得到更多的实施方式，其亦在本发明的构思范围之内。
较佳的，根据实际曝光视场101的尺寸大小，通过硬件配置或软件指定有效光斑，改变所述光斑布局结构中每个直线方向上测量光斑的数量，可以适用于多种大小不同的曝光视场101(如图2、12、14和16中，包括第一曝光视场111、第二曝光视场112和第三曝光视场113)。
相应的，本发明的面形测量方法，采用所述的光斑布局结构，包括：步骤1：控制工件台300进行曝光扫描运动，读取所述光斑布局结构中有效光斑的光斑读数，获得各个时刻各个光斑100的高度值和水平位置；步骤2，将各个光斑读数转换为工件台坐标系中的坐标值，所述坐标值为光斑扫描测量的原始面形数据。
作为一种实施例，采用本方法可在曝光过程中进行实时调焦调平。具体包括：在基板200的曝光视场101中形成至少包括一组正交直线的光斑布局结构，实时读取所述光斑布局结构中有效光斑的光斑读数，通过平面拟合得到基板200面形的高度值和倾斜值，根据所述高度值和倾斜值进行调焦调平曝光。
作为一种实施例，采用本方法通过多个光斑100测量基板200的原始面形数据，再对原始面形数据进行处理，获得曝光运动控制值，然后再进行调焦调平曝光。如图3所示，包括：
步骤1，参照图4，在基板200的曝光视场101中形成至少包括一组正交直线的光斑布局结构，保证工件台300的高度和倾斜值不变，使工件台300进行扫描运动，读取所述光斑布局结构中光斑的光斑读数，获得各个时刻各个光斑100的高度值和水平位置；其中，所述扫描运动的路径采用栅格线方式(参照图5所示)、绕圈方式(参照图6所示)、交叉线方式(参照图7所示)或其他方式，在基板200上形成光斑路径103。所述栅格线方式为工件台300以格栅线方向逐行向前行进，至扫描完成基板200上所有的曝光视场101。所述绕线方式为工件台300以绕圈方式向前行进，至扫描完成基板200上所有的曝光视场101。所述交叉线方式为工件台300按倾斜方向向前行进，至扫描完成基板200上所有的曝光视场101。
其中，根据所述测量光斑100的有效性，指定为有效光斑，所述光斑读数选取于所述有效光斑。所述光斑100有效性的设定方法采用硬件配置或软件设定。
步骤2，将各个所述光斑读数转换为工件台坐标系中的坐标值，所述坐标值为光斑100扫描测量的原始面形数据。图8所示为基板200的所述原始面形数据的三维效果图。
通过公式1和2将所述光斑读数的水平位置转换为工件台坐标系中的水平坐标值，
公式1：X[n][i]＝XWS[n]+Xspot[i]；
公式2：Y[n][i]＝YWS[n]+Yspot[i]；
其中，XWS[n]、YWS[n]分别为第n时刻工件台曝光视场的X向、Y向水平位置，Xspot[i]、Yspot[i]分别为第i个光斑相对于曝光视场中心的X向、Y向水平位置，X[n][i]、Y[n][i]分别为第n时刻第i光斑在工件台坐标系的水平位置。
通过公式3或4将所述光斑读数的高度值转换为工件台坐标系中的高度坐标值，如果步骤1中工件台300的倾斜值为零，转换关系式为：
公式3：Z[n][i]＝ZWS[n]+Z[n]spot[i]；
如果步骤1中工件台300的倾斜值不为零，转换关系式为：
公式4：Z[n][i]＝ZWS[n]+Z[n]spot[i]+RxWS[n]×Yspot[i]-RyWS[n]×Xspot[i]；
其中，ZWS[n]为第n时刻工件台曝光视场的高度值，Z【n】spot[i]为第n时刻第i个光斑测量高度值，RxWS[n]、RyWS[n]分别为第n时刻工件台曝光视场的X向、Y向倾斜值，Xspot[i]、Yspot[i]分别为第i个光斑相对于曝光视场中心的X向、Y向水平位置，Z[n][i]为第n时刻第i光斑在工件台坐标系的高度测量值。
采用这种方法测量面形，不需要考虑光斑100读数是否有效，可以从边缘视场以外向内进行扫描测量，扫描速度可以更快，在边缘视场附近扫描时速度不必减为零，测量效率更高，边缘适应性强。
步骤3，对所述原始面形数据进行处理，获得工件台300的曝光视场101控制值，根据所述曝光视场101控制值进行调焦调平曝光。
具体的，参照图9，通过如下方法对所述原始面形数据进行处理，获得工件台300的曝光视场101控制值，包括：
1、对所述原始面形数据进行预处理，所述预处理包括过滤跳变点等。
2、使用数学拟合模型对所述原始面形数据进行拟合，得到允许误差范围内的密集点面形数据；所谓允许误差是指通过该方式获得的面形，与实际密集采样获取的面形之间的偏差值在可以接受的范围之内。
其中，所述数学拟合模型采用线性插值、多次曲面或泽尔尼克拟合模型。
3、根据平面拟合设定的阈值，对密集点面形数据进行平面拟合。如果曝光视场101的有效密集点数量大于设定的阈值，通常为内部曝光视场或较靠近内部的边缘视场，直接使用所述密集点面形数据进行平面拟合。如果曝光视场101的有效密集点数量小于设定的阈值，通常为边缘视场，通过向内偏移曝光视场或扩大附近选区，再使用数学拟合模型对所述原始面形数据进行拟合，直到有效密集点数量达到设定的阈值，再使用所述密集点面形数据进行平面拟合。
所述平面拟合公式为：
Z＝Z0-Ry×X+Rx×Y
其中，X，Y，Z为密集点面形数据，Z0为曝光视场面形的高度值，Rx为曝光视场面形的X向倾斜值，Ry为曝光视场面形的Y向倾斜值，Z0、Rx、Ry经过适当转换得到曝光视场的控制值。
图10所示为所述原始面形数据经过上述方法处理后的三维效果图。
采用这种方法获得工件台300曝光视场101控制值，没有直接使用原始面形数据，而是使用基于原始面形数据利用数学拟合模型产生的更精细的面形，可以有效减小由于空间采样点分布不均匀导致的误差，使得计算控制值的偏差更小，同时使得面形扫描路径的选择更加自由，可以选择更高效的扫描路径。解决了可用焦深有限的情况下或边缘翘曲的情况下，边缘视场曝光离焦问题，减小了曝光视场101内的离焦量。增强了对基板200面形的适应性，提高了曝光效果的一致性和稳定性，改善工艺适应性。
本发明提供的技术方案采用至少包括一组正交直线的光斑布局结构，既可以实时测量多个光斑100读数，通过平面拟合得到基板200面形的高度值和倾斜值，进行实时调焦调平曝光，通过设定所述光斑布局结构中各个光斑100的有效性，适用于多种大小不同的曝光视场101，还可以通过工件台300的扫描运动，读取有效光斑读数，将各个光斑读数转换为工件台坐标系中的坐标值，所述坐标值为光斑100扫描测量的原始面形数据，对所述原始面形数据进行处理，获得工件台300的曝光视场101控制值，进行调焦调平曝光，在对边缘视场进行扫描时，无须考虑光斑100的有效性，运动速度可以进一步提高，提高了扫描测量效率。因此，本发明的技术方案同时具有实时测量和扫描测量面形的功能，使得本发明技术方案具有更好的通用性和适用性。

Claims (13)

1.一种曝光视场控制值计算方法，采用一种光斑布局结构，包括多个测量光斑，所述多个测量光斑至少构成一组正交直线，所述正交直线上的测量光斑由中心向外发散布置，每条直线上的测量光斑数目至少为4个，所述测量光斑测量平面面形；所述光斑布局结构中的光斑可进行有效性选择；通过设定所述光斑布局结构中光斑的有效性来指定有效光斑，其特征在于，通过如下步骤获得工件台的曝光视场控制值，包括：
步骤1，控制工件台进行曝光扫描运动，读取所述光斑布局结构中光斑的光斑读数，获得各个时刻各个光斑的高度值和水平位置；
步骤2，将各个所述光斑读数转换为工件台坐标系中的坐标值，所述坐标值为光斑扫描测量的原始面形数据；
步骤3，使用数学拟合模型对所述原始面形数据进行拟合，得到允许误差范围内的密集点面形数据；
步骤4，根据设定的阈值，对密集点面形数据进行平面拟合，如果曝光视场的有效密集点数量大于设定的阈值，直接使用所述密集点面形数据进行平面拟合，如果曝光视场的有效密集点数量小于设定的阈值，通过向内偏移曝光视场或扩大附近选区，再使用数学拟合模型对所述原始面形数据进行拟合，直到有效密集点数量达到设定的阈值，再使用所述密集点面形数据进行平面拟合。
2.根据权利要求1所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，所述测量光斑构成/形、\形、十字形、米字形或者X字形，所述米字形由两组正交直线交叉组合形成。
3.根据权利要求1所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，所述测量光斑呈旋转的十字形结构排布。
4.根据权利要求3所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，所述旋转的十字形结构由十字形逆时针旋转18°～35°形成。
5.根据权利要求1所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，所述测量光斑以相等距离从中心向外发散布局。
6.根据权利要求5所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，根据所述测量光斑的有效性，指定为有效光斑，所述光斑读数选取于所述有效光斑。
7.根据权利要求6所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，所述测量光斑有效性的设定方法采用硬件配置或软件设定。
8.根据权利要求5所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，步骤1中，所述扫描运动的路径为保持所述工件台高度和倾斜不变，采用栅格线方式、绕圈方式或交叉线方式。
9.根据权利要求5所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，步骤2中，通过公式1和2将所述光斑读数的水平位置转换为工件台坐标系中的水平坐标值，
公式1：X[n][i]＝XWS[n]+Xspot[i]；
公式2：Y[n][i]＝YWS[n]+Yspot[i]；
其中，XWS[n]、YWS[n]分别为第n时刻工件台曝光视场的X向、Y向水平位置，Xspot[i]、Yspot[i]分别为第i个光斑相对于曝光视场中心的X向、Y向水平位置，X[n][i]、Y[n][i]分别为第n时刻第i光斑在工件台坐标系的水平位置。
10.根据权利要求5所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，步骤2中，通过公式3或4将所述光斑读数的高度值转换为工件台坐标系中的高度坐标值，
如果步骤1中工件台的倾斜值为零，转换关系式为：
公式3：Z[n][i]＝ZWS[n]+Z[n]spot[i]；
如果步骤1中工件台的倾斜值不为零，转换关系式为：
公式4：Z[n][i]＝ZWS[n]+Z[n]spot[i]+RxWS[n]×Yspot[i]-RyWS[n]×Xspot[i]；
其中，ZWS[n]为第n时刻工件台曝光视场的高度值，Z【n】spot[i]为第n时刻第i个光斑测量高度值，RxWS[n]、RyWS[n]分别为第n时刻工件台曝光视场的X向、Y向倾斜值，Xspot[i]、Yspot[i]分别为第i个光斑相对于曝光视场中心的X向、Y向水平位置，Z[n][i]为第n时刻第i光斑在工件台坐标系的高度测量值。
11.根据权利要求1所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，在步骤1之前还包括：对所述原始面形数据进行预处理，所述预处理包括过滤跳变点。
12.根据权利要求1所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，步骤1中，所述数学拟合模型采用线性插值、多次曲面或泽尔尼克拟合模型。
13.根据权利要求1所述的曝光视场控制值计算方法，其特征在于，步骤2中，所述平面拟合的公式为：
Z＝Z0-Ry×X+Rx×Y
其中，X，Y，Z为密集点面形数据，Z0为曝光视场面形的高度值，Rx为曝光视场面形的X向倾斜值，Ry为曝光视场面形的Y向倾斜值，Z0、Rx、Ry经过适当转换得到曝光视场的控制值。
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