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CN107966880B - 一种用于光刻机的垂向控制方法 - Google Patents

一种用于光刻机的垂向控制方法 Download PDF

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CN107966880B CN201710154051.3A CN201710154051A CN107966880B CN 107966880 B CN107966880 B CN 107966880B CN 201710154051 A CN201710154051 A CN 201710154051A CN 107966880 B CN107966880 B CN 107966880B
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Abstract

本发明提供一种用于光刻机的垂向控制方法，包括以下步骤：步骤1、扫描曝光前，控制垂向测量传感器测量物料，获得所述物料的整体面形数据；步骤2、根据所述物料的整体面形数据执行全局调平；步骤3、扫描曝光每个曝光场时，采用垂向测量传感器实时测量所述物料的局部面形，根据所述物料的局部面形中Z向高度值、绕X向倾斜值及绕Y向倾斜值配置垂向控制模式，并根据所述垂向控制模式控制对应的垂向执行器垂向运动对所述物料的局部面形进行实时补偿，使每个曝光场的物料上表面与该曝光场的参考焦面重合；其中，所述垂向执行器包括掩模台、物料台及投影物镜，所述全局调平目标面为投影物镜的最佳焦面。

Description

一种用于光刻机的垂向控制方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种用于光刻机的垂向控制方法。
背景技术
在现有的光刻系统中，一般使用光刻机进行光刻，光刻系统从上至下分别为照明系统、用于放置掩模的掩模机构、物镜组以及用于放置物料(也即基板)的工作台机构，在光刻时，照明光依次穿过掩模机构、物镜组而照射至物料上。
在光刻系统中，物料起伏，可分为整体面形和局部面形。整体面形描述的是基板上表面整体变化趋势，对应着基板面形中的低频分量；局部面形描述的是在曝光静态视场范围内，基板上表面不规则的高低起伏，对应着基板面形中的高频分量。
为了适应基板表面的面形，在光刻时，通常使用垂向控制方法来提高光刻精度。传统的垂向控制方法，首先XYZ三维坐标系，然后采用三点全局调平方法，即在物料上选取三个点，此三个点可组成一个等边三角形，如图1中的A、B、C点。测量A、B、C三点的Z向位置，并进行拟合得到物料的Z以及Rx、Ry，之后根据Z、Rx、Ry对物料进行调整。在曝光场扫描曝光过程中，不再对单个曝光场进行调整。
当物料尺寸较小，且物镜焦深较大时，采用该方法，能基本满足光刻机曝光的需求。但是，物料(如玻璃基板)向着大尺寸方向发展，已经是个趋势，仍采用传统的垂向控制方法，难以满足光刻机垂向指标需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种用于光刻机的垂向控制方法，能根据不同的工况配置适应的垂向控制模式，增加了垂向控制的灵活性，同时保证了光刻机垂向控制的精度。
本发明提供一种用于光刻机的垂向控制方法，包括以下步骤：
步骤1、扫描曝光前，控制垂向测量传感器测量物料，获得所述物料的整体面形数据；
步骤2、根据所述物料的整体面形数据执行全局调平；
步骤3、扫描曝光每个曝光场时，采用垂向测量传感器实时测量所述物料的局部面形，根据所述物料的局部面形中Z向高度值、绕X向倾斜值及绕Y向倾斜值配置垂向控制模式，并根据所述垂向控制模式控制对应的垂向执行器垂向运动对所述物料的局部面形进行实时补偿，使每个曝光场的物料上表面与该曝光场的参考焦面重合；
其中，所述垂向执行器包括掩模台、物料台及投影物镜，所述全局调平目标面为投影物镜的最佳焦面。
进一步地，所述步骤2包括，在曝光前控制所述物料台承载物料执行整体全局调平，具体为：
将所述物料的整体面形数据进行平面拟合，拟合得到所述物料的全局平面面形，将所述物料的全局平面面形与全局调平目标面之间的差值作为所述全局调平垂向控制参数，曝光前根据所述全局调平垂向控制参数控制所述物料台垂向运动进行整体全局调平。
进一步地，所述步骤2包括，扫描曝光每个曝光场前，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形，控制所述物料台承载物料按照每个曝光场的局部楔形进行逐场全局调平。
进一步地，所述步骤2包括，扫描曝光每个曝光场前，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形，再将所述局部楔形中的Z向高度值除以投影物镜的倍率的平方、将所述局部楔形中的Rx、Ry向倾斜值除以投影物镜的倍率，使得所述局部楔形从像方转换到物方，控制所述掩模台按照转换到物方后的局部楔形进行逐场全局调平。
进一步地，所述垂向控制方法还包括扫描曝光每个曝光场时，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹，对所述物料的局部面形进行补偿。
进一步地，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形具体为，
将所述物料的整体面形数据进行曲面拟合，拟合得到所述物料的曲面面形，基于所述物料的曲面面形，在每个曝光场中心做一阶泰勒展开，得到每个曝光场的局部楔形。
进一步地，扫描曝光每个曝光场前，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形，控制所述物料台承载物料按照每个曝光场的局部楔形进行逐场全局调平具体为，
将所述物料的整体面形数据进行曲面拟合，拟合得到所述物料的曲面面形，基于所述物料的曲面面形做线性插值得到覆盖所述物料上表面的插值点，将覆盖整个物料上表面的插值点拆分到各曝光场；各曝光场内，将从曝光场曝光起点滑动到曝光终点的静态视场内的插值点进行平面拟合，拟合得到所述静态视场滑动过程中所述曝光场的垂向拟合值，基于所述曝光场的垂向拟合值做正交多项式拟合，得到所述物料台在所述曝光场内Z、Rx和Ry向的正交多项式轨迹，控制所述物料台按照所述正交多项式轨迹运动进行逐场全局调平。
进一步地，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形具体为，
将所述物料的整体面形数据进行平面拟合，拟合得到所述物料的全局平面面形，计算所述物料的全局平面面形与全局调平目标面之间的差值，将所述物料的整体面形数据减去所述物料的全局平面面形与全局调平目标面之间的差值得到点集φ'，之后将点集φ'拆分到各曝光场，对曝光场内的数据进行平面拟合，得到所述曝光场的局部楔形。
进一步地，所述光刻机中投影物镜的数量为n且n>1时，所述全局调平目标面为各投影物镜的最佳焦面的平均值。
进一步地，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹，对所述物料的局部面形进行补偿具体为，
将点集φ'去除所述曝光场的局部楔形后，将从曝光场曝光起点滑动到曝光终点的静态视场内的数据进行平面拟合，拟合得到所述静态视场滑动过程中所述曝光场的垂向拟合值，基于所述曝光场的垂向拟合值做正交多项式拟合，得到所述投影物镜在所述曝光场内Z、Rx和Ry向的正交多项式轨迹，控制所述投影物镜的参考焦面按照所述正交多项式轨迹运动以补偿所述静态视场范围内物料的局部面形。
进一步地，所述正交多项式包括Legendre多项式、Chebyshev多项式或Gram-Schmit正交化方法得到的基函数。
进一步地，所述垂向控制模式包括配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值进行补偿，具体为：
在每个曝光场曝光起点所述掩模台的Z向调整量为1/N2*(FLS.Z1-BF_Die.Z)，其中FLS.Z1为垂向测量传感器在曝光场曝光起点测得的面形数据中的Z向高度值，所述BF_Die.Z为曝光场的最佳焦面的Z向设定值，N为所述投影物镜的倍率；
扫描过程中所述掩模台的Z向调整量为1/N2*(FLS.Zi-FLS.Zi-1)，其中FLS.Zi为垂向测量传感器当前采样周期测得的面形数据中的Z向高度值，FLS.Zi-1为垂向测量传感器上一采样周期测得的面形数据中的Z向高度值。
进一步地，其特征在于，所述垂向控制模式包括配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值进行补偿，具体为：
在每个曝光场曝光起点所述掩模台的Rx向调整量为1/N*(FLS.Rx1-BF_Die.Rx)，其中FLS.Rx1为垂向测量传感器在曝光场曝光起点测得的面形数据中的Rx向倾斜值，所述BF_Die.Rx为曝光场的最佳焦面的Rx向设定值，N为所述投影物镜的倍率；
扫描过程中所述掩模台的Rx向调整量为1/N*(FLS.Rxi-FLS.Rxi-1)，其中FLS.Rxi为垂向测量传感器当前采样周期测得的面形数据中的Rx向倾斜值，FLS.Rxi-1为垂向测量传感器上一采样周期测得的面形数据中的Rx向倾斜值。
进一步地，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Ry向倾斜值进行补偿的方法与配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值进行补偿的方法一致。
进一步地，扫描每个曝光场时，所述掩模台的实际垂向运动值由沿标定的参考物面运动时的垂向设定值与补偿所述物料的局部面形时的调整量叠加得到。
进一步地，扫描每个曝光场时，所述掩模台的实际垂向运动值由沿标定的参考物面运动时的垂向设定值与滤波后的补偿所述物料的局部面形时的调整量叠加得到。
进一步地，所述垂向控制模式包括配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值进行补偿，具体为，
扫描过程中所述物料台的Z向调整量为(FLS.Zi-BF_Die.Z)，其中FLS.Zi垂向测量传感器当前采样周期测得的面形数据中的Z向高度值，所述BF_Die.Z为曝光场的最佳焦面的Z向设定值。
进一步地，配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx、Ry向倾斜值进行补偿的方法与配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值进行补偿的方法一致。
进一步地，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹具体为，通过控制所述投影物镜中的透镜垂向运动，使得所述投影物镜的参考焦面按照所述正交多项式轨迹运动。
进一步地，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹具体为，通过控制所述投影物镜中的可动镜组水平向相对运动，使得所述投影物镜的参考焦面按照所述正交多项式轨迹运动。
进一步地，所述垂向执行器至少包括Z、Rx及Ry向自由度，步骤4中所述垂向控制模式包括：
配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台沿标定的最佳参考物面运动；
或配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台的Z向自由度沿标定的最佳参考物面运动，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；
或配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台的Z向自由度沿标定的最佳参考物面运动，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Ry向倾斜值进行补偿；
或配置所述物料台沿全局调平后的全局调平目标面运动；同时配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；
配置所述投影物镜垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出可由掩模台垂向调整的方案，掩模台的质量比物料台质量小，掩模台带宽可以做的比工件台高，通过掩模台的垂向运动，可以补偿物料面形高频成分，解决了大尺寸物料扫描曝光的垂向控制问题；
2、本发明还提出了掩模台、投影物镜以及物料台的组合垂向控制方案，进行联合垂直调整，增加了垂向控制方法的手段；
3、本发明提出了垂向控制模式配置表，可灵活地选择垂向控制方案，提供垂向控制精度。
附图说明
图1为现有技术中垂向控制方法选取点示意图；
图2为本发明实施例一提供的多掩模台垂向控制光刻装置结构示意图；
图3为本发明实施例一中垂向控制光刻装置中数据通道连接图；
图4为本发明实施例一中垂向测量传感器布局示意图；
图5为本发明实施例一中第一种投影物镜参考焦面的调整方式示意图；
图6为本发明实施例一中第二种投影物镜参考焦面的调整方式示意图；
图7为本发明实施例一中全局调平原理图；
图8为本发明实施例一中全局调平目标面；
图9为本发明实施例一中垂向控制方法流程图；
图10为本发明实施例一中静态视场示意图；
图11为本发明实施例三中使用掩模台补偿物料局部面形的垂向控制结构示意图；
图12为本发明实施例四中使用物料台补偿物料局部面形的垂向控制结构示意图；
图13为本发明实施例三的垂向控制方法流程图。
图中：1-照明系统、2-掩模板、3-掩模台、3a-掩模台垂向执行器、3b-掩模台减震器、4-投影物镜、41-透镜、42-参考焦面、5-垂向测量传感器、6-物料、7-物料台、7a-物料台垂向执行器、7b-物料台减震器、8-大理石台、9-整机框架。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供一种用于光刻机的垂向控制方法，包括以下步骤：
步骤1、扫描曝光前，控制垂向测量传感器测量物料，获得所述物料的整体面形数据；
步骤2、根据所述物料的整体面形数据执行全局调平；
步骤3、扫描曝光每个曝光场时，采用垂向测量传感器实时测量所述物料的局部面形，根据所述物料的局部面形中Z向高度值、绕X向倾斜值及绕Y向倾斜值配置垂向控制模式，并根据所述垂向控制模式控制对应的垂向执行器垂向运动对所述物料的局部面形进行实时补偿，使每个曝光场的物料上表面与该曝光场的参考焦面重合；
其中，所述垂向执行器包括掩模台、物料台及投影物镜，所述全局调平目标面为投影物镜的最佳焦面。
所述垂向执行器至少包括Z、Rx及Ry向自由度，步骤4中所述垂向控制模式包括：
第一模式：配置所述投影物镜垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；
第二模式：配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述物料台沿全局调平后的全局调平目标面运动。
第三模式：配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台沿标定的最佳参考物面运动；
第四模式：配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台的Z向自由度沿标定的最佳参考物面运动，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；
第五模式：配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台的Z向自由度沿标定的最佳参考物面运动，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Ry向倾斜值进行补偿。
本发明所述垂向控制模式并不限定于上述五种模式，显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
实施例一
请参照图2，本实施例提供的一种用于光刻机的垂向控制方法基于图2中所示的光刻机进行操作，该光刻机从上至下分别为：
照明系统1，用于提供照明光；
掩模台3，掩模台3上放置着掩模板2，在掩模台3远离掩模板2的一面，也就是掩模台3的底面分别设置有掩模台垂向执行器3a和掩模台减震器3b，每个掩模台3还设置有一个掩模台分析系统和掩模台光栅尺，掩模台分析系统与掩模台光栅尺、上位机皆数据连接，并通过分析处理相关数据从而控制掩模台垂向执行器3a和掩模台减震器3b的工作。由于本实施例为多掩模台，每个掩模台3之间是相互独立地、每个掩模台3上各自放置一个掩模板2，每个掩模板2与下方的物料6上的一个曝光区域对应，形成一个曝光场；
投影物镜4，每个掩模板2对应设置一个对应的投影物镜4，每个投影物镜4之间也是相互独立的，且每个投影物镜的位置皆对应放置在每个掩模板2下方，每个投影物镜至少对应一个曝光场，当投影物镜4和物料6相对静止时，此时一个投影物镜4各自对应不同的曝光场。在每个投影物镜的侧面设置若干个垂向测量传感器5，所述垂向测量传感器5用于测量物料6表面的面形起伏，所述垂向测量传感器5通过线缆与掩模台3和物料台7连接，用于垂向测量传感器5与掩模台3和物料台7之间的时钟同步和原始面形测量数据传输，并通过网络(如以太网)与上位机连接，用于物料6面形测量数据传输。垂向测量传感器5由两类测量传感器组成，第Ⅰ类部署在投影物镜4两侧，测量投影物镜4下方物料6的面形，记为FLS_P；第Ⅱ类分散部署在主基板上，测量物料6面形，记为FLS_G，各垂向测量传感器5之间通过外同步总线同步，在对准的过程中，同时用FLS_P和FLS_G测量物料6面形，执行测量流程，得到覆盖物料6上表面的测量点，投影物镜4中也设置了投影物镜分析系统，与上位机以及各个垂向测量传感器5皆连接，其可接收垂向测量传感器5内测量的数据，并传输至上位机，上位机通过分析处理后，反馈至投影物镜分析系统，由投影物镜分析系统控制投影物镜4内每个镜片的运动；
物料台7，其上放置有物料6，本实施例为基板，基板面积较大，划分为若干个区域，每个区域使用掩模板2光刻，在物料台7下底面设置物料台垂向执行器7a以及物料台减震器7b，在物料台7内还设置由物料台分析系统，物料台分析系统与上位机数据连接，并控制物料台垂向执行器7a和物料台减震器7b的工作，掩模台3、投影物镜4和物料台7垂向可同步运动、联合调整，以使扫描曝光狭缝区域物料6垂向与最佳焦面重合；
大理石台8，其用于承载物料台7，并设置有导轨，大理石台8可带动物料台7在平行于大理石台8的台面上作水平运动；
整机框架9，从上至下具有两个平台，照明系统1和掩模台3皆放置在上方的平台，投影物镜4从上方的平台上穿过该平台延伸至平台下，整机框架9具有上下两个平台，位于下方的平台上放置大理石台8，大理石台8的移动范围在投影物镜4的视场范围内；
上位机，其分别与每个掩模台3、投影物镜4、垂向测量传感器5、物料台7分别信号连接。
在上位机中设置了垂向控制模式配置表，而该表反应在数据结构中则如图3所示。上位机可先将垂向控制模式配置成第一模式，请参照图9，采用第一模式的垂向控制方法包括以下步骤：
步骤一：以水平面作为XY平面，垂直于XY平面的轴作为Z轴，建立XYZ三维坐标系。在进行掩模板2和物料6的同轴对准和离轴对准过程中，用垂向测量传感器5测量物料6的上表面面形，即由垂向测量传感器5测量物料上表面每个面形测量点的实际坐标得到物料6的面形数据。实际测量中，物料台7会设置一个参考物面，请参照图7，在后续的拟合过程中，垂向测量传感器5测量得到的实际的测量点的高度值是相对于参考物面高度值。
步骤二：在物料6开始扫描曝光前，作全局调平，一般全局调平设有两种，一种为整体全局调平，另一种为逐场全局调平，在扫描曝光前既可仅作整体全局调平，又可仅作逐场全局调平，还可两者皆作。
整体全局调平的目的是使物料6上表面整体上与全局调平目标面基本重合，请参照图8，具体确定全局调平目标面为：
BF_i为各投影物镜4的参考最佳焦面，如式(1)所示，全局调平目标面GLC由各投影物镜4的参考最佳焦面的平均值确定，n为投影物镜4内物镜的个数：
整体全局调平时，在物料6上选取测量点(x,y,z)，用全部面形测量点(xi,yi,zi)(i＝1,2,3……)代入平面拟合模型拟合得到物料6整体楔形，平面拟合模型如式(2)所示：
z＝wz-wwy·x+wwx·y…………………………………………………………(2)
wz为拟合的物料6的表面高度，(wwx,wwy)为拟合的物料6的倾斜。
如图7所示，图中z1、z2、z3为三个面形测量点测得的实际高度值，将全部面形测量点位置(xi,yi,zi)代入式(2)中，可解得图7中物料6的拟合物料面高度和倾斜，再由全局调平目标面与所述物料的整体楔形之间的差值确定物料台7全局调平调整量。
逐场全局调平发生在每个曝光场扫描曝光前，既可由物料台7完成也可由掩模台3完成，若由物料台7完成，通过调整曝光场物料面高度和倾斜，使曝光场物料上表面与投影物镜最佳焦面重合，以补偿曝光场局部楔形；若由掩模台3完成，通过调整参考物面高度和倾斜，使物镜最佳焦面与曝光场上表面整体重合，以补偿曝光场局部楔形。
本实施例选用掩模台3进行逐场全局调平。记全部面形测量点为点集面形测量点通过去除物料6整体楔形后的点集记为将点集φ'内的点拆分到各曝光场，用平面拟合模型式(2)z＝wz-wwy·x+wwx·y拟合计算曝光场的局部楔形，记为wzDie，wwxDie和wwyDie，将曝光场的局部楔形数据中的wzDie除以物镜倍率N的平方也就是N2，即可从像方转换到物方，得到掩模台3逐场全局调平的Z向调整量，将曝光场的局部楔形数据中的wwxDie和wwyDie除以物镜倍率N，即可从像方转换到物方，得到掩模台3逐场全局调平的Rx、Ry向调整量。
步骤三：在各曝光场扫描曝光时，照明系统1发射照明光束到掩模板2，透射到掩模板2，经投影物镜4照射到物料6上。在扫描过程中，由上位机控制投影物镜分析系统，从而控制投影物镜4走正交多项式轨迹，补偿曝光狭缝区域内物料6的局部面形，使曝光区域垂向在投影物镜4焦深范围之内。
投影物镜4的正交多项式轨迹计算方法如下：
将点集φ'内的点去除曝光场局部楔形后，可得点集用曝光时的静态视场表示，该静态视场即为曝光时从狭缝透过的照明光投射到物料6上形成的曝光狭缝，请参照图10，在曝光视场中掩模板2与物料6同时移动，造成静态视场滑动，从曝光场曝光起点滑动到曝光终点，用静态视场内的点基于平面拟合模型式(2)z＝wz-wwy·x+wwx·y拟合，可得静态视场滑动过程中的一系列垂向拟合值，记拟合值集为M为曝光场内拟合点个数。基于拟合值集内，垂向各轴拟合值做勒让德多项式拟合，可得投影物镜4在曝光场内垂向运动轨迹ZPO(x)、以X轴为旋转轴的旋转运动轨迹RxPO(x)和以Y轴为旋转轴的旋转运动轨迹RyPO(x)的正交多项式轨迹，用以补偿静态视场范围内物料局部面形，如式(3)所示：
式中Li(x)、Li’(x)、Li”(x)分别为投影物镜4在曝光场内垂向运动轨迹ZPO(x)、以X轴为旋转轴的旋转运动轨迹RxPO(x)和以Y轴为旋转轴的旋转运动轨迹RyPO(x)各自对应的勒让德多项式基函数，ki、ki’、ki”为正交多项式系数、m为正交多项式的阶数。
上述垂向各轴拟合值不限于勒让德正交多项式拟合，也可使用Chebyshev(切比雪夫)多项式或Gram-Schmit正交化方法得到的基函数拟合。
控制所述投影物镜走上述正交多项式轨迹包括两种方法，第一种方式是控制投影物镜4中透镜41垂向运动以实现投影物镜4的参考焦面42的垂向运动，如图5所示。第二种方式是控制投影物镜4中可动镜片组43中镜片水平向相对运动以垂向调整投影物镜的参考焦面42，如图6所示。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，掩模台进行逐场全局调平时局部楔形的计算方法不同，具体为，根据垂向测量传感器测得的物料6的面形数据拟合得到所述物料6的曲面面形，基于所述物料6的曲面面形，在每个曝光场中心做一阶泰勒展开，得到每个曝光场的局部楔形(Zi_wedge,Rxi_wedge,Ryi_wedge)，再将所述局部楔形中的Zi_wedge除以物镜倍率N的平方，即可从像方转换到物方得到掩模台3逐场全局调平的Z向调整量，将局部一阶楔形中的(Rxi_wedge,Ryi_wedge)除以物镜倍率N，即可从像方转换到物方，得到掩模台3逐场全局调平的Rx、Ry向调整量，扫描曝光过程中，所述掩模台3按照每个曝光场的垂向调整量进行逐场全局调平。
实施例三
请参照图13，本实施例与实施例一的区别在于垂向控制方法的步骤二中，配置物料台7运动做逐场全局调平。根据所有面形测量点拟合采用通用曲面拟合算法得到物料6曲面面形z＝f(x,y)，基于拟合的曲面面形做线性插值，得到覆盖物料6上表面的插值点。将覆盖整个物料6上表面的插值点拆分到各曝光场。曝光场内，物料台7在水平向某个位置(xi,yi)垂向设定值由静态视场内线性插值点代入平面拟合模型做平面拟合得到，如图10所示。对多掩模台光刻机，多个曝光场同时扫描曝光，可用多个曝光场静态视场内线性插值点同时做平面拟合得到物料台7垂向设定值。接着，对物料台7各垂向设定值做勒让德多项式拟合，可得物料台7的垂向运动轨迹ZPS(x)、以X轴为旋转轴的旋转运动轨迹RxPS(x)和以Y轴为旋转轴的旋转运动轨迹RyPS(x)的勒让德正交多项式轨迹，如式(6)所示：
式中Li(x)、Li’(x)、Li”(x)分别为物料台7在曝光场内垂向运动轨迹ZPS(x)、以X轴为旋转轴的旋转运动轨迹RxPS(x)和以Y轴为旋转轴的旋转运动轨迹RyPS(x)各自对应的勒让德多项式基函数。
上述垂向各轴拟合值不限于勒让德正交多项式拟合，也可使用Chebyshev(切比雪夫)多项式或Gram-Schmit正交化方法得到的基函数拟合。
在步骤三中，曝光时，上位机根据曝光环境选择由物料台7或掩模台作实时补偿，若由物料台7作补偿，那么计算出物料台7实时垂向调整模型，计算物料台7的垂向设定值，然后在扫描曝光过程中，由上位机控制物料台分析系统，从而控制物料台垂向执行器7a实时垂向调整物料台7，从而由物料台7实时垂向补偿物料6的面形；若上位机选择掩模台3实时补偿，则计算出掩模台3实时垂向调整模型，计算掩模台3的垂向设定值，然后在扫描曝光过程中，由上位机实时控制掩模台分析系统，从而控制掩模台垂向执行器3a实时垂向调整掩模台3，从而由掩模台3实时垂向补偿物料6的面形。
本实施例中上位机中将垂向控制模式配置成第二模式，请参照图11，在物料6被扫描曝光过程中，若上位机选择垂向高度或倾斜配置成由掩模台3补偿，对每个曝光场，由于扫描过程中最佳焦面位置是实时改变的，通过垂向实时调整掩模台3垂向改变物面，以使最佳焦面与曝光狭缝(也就是静态视场)内物料面重合。
配置所述掩模台垂向运动对曝光区域物料面的Z向面形进行补偿时，在每个曝光场曝光起点所述掩模台的Z向调整量为1/N2*(FLS.Z1-BF_Die.Z)，其中FLS.Z1为垂向测量传感器测得的曝光场曝光起点的Z向面形数据，所述BF_Die.Z为每个曝光场的Z向焦面设定值，由投影物镜参考焦面、用户自定义离焦量及热效应补偿量等因素决定，N为所述投影物镜的倍率；扫描过程中所述掩模台的Z向调整量为1/N2*(FLS.Zi-FLS.Zi-1)，其中FLS.Zi为垂向测量传感器当前采样周期测得的Z向面形数据，FLS.Zi-1为垂向测量传感器上一采样周期测得的Z向面形数据。
配置所述掩模台垂向运动对曝光区域物料面的Rx向面形进行补偿，具体为：
在每个曝光场曝光起点所述掩模台的Rx向调整量为1/N*(FLS.Rx1-BF_Die.Rx)，其中FLS.Rx1为垂向测量传感器测得的曝光场曝光起点的Rx向面形数据，所述BF_Die.Rx为每个曝光场的Rx向焦面设定值，N为所述投影物镜的倍率；扫描过程中所述掩模台的Rx向调整量为1/N*(FLS.Rxi-FLS.Rxi-1)，其中FLS.Rxi为垂向测量传感器当前采样周期测得的Rx向面形数据，FLS.Rxi-1为垂向测量传感器上一采样周期测得的Rx向面形数据。
配置所述掩模台垂向运动对曝光区域物料面的Ry向面形进行补偿的方法与配置所述掩模台垂向运动对曝光区域物料面的Rx向面形进行补偿的方法一致，在此不再赘述。
为了保证掩模台3垂向能完全跟上垂向设定值，还需要考虑到掩模台3垂向带宽。为此，需要给掩模台3垂向设定值加滤波，用滤波后的设定值作为给掩模台3垂向设定值。
请继续参照图11，当设定由掩模台3实时垂向调整来补偿物料6面形时，其实时数据控制结构为，上位机计算出掩模台3的实时垂向调整量，并发送至掩模台垂向执行器3a，由其垂向实时调整掩模台3的垂向位置，然后由掩模台光栅尺实时测量调整后掩模台3的位置数据反馈至上位机中，向上位机中的两种数据反馈，一种为未经过硅片面形滤波处理和投影物镜4处理的由相邻两个垂向测量传感器5测量得到的测量值的差值，另一种为上述数据经过硅片面形滤波和投影物镜4处理后的数据，这样通过实时垂向调整掩模台3的位置，并通过掩模台光栅尺实时测量其调整前后的位置数据反馈至上位机中，从而可以实时精准地控制掩模台3的垂向调整量。
掩模台3不补偿物料6局部面形时，曝光场内扫描曝光时，各物镜的参考最佳焦面是固定的。此时，设定一个参考物面，掩模台3在垂向上沿参考物面运动。当需由掩模台3垂向调整补偿时，掩模台3垂向设定值由沿参考物面运动时的垂向设定值与掩模台3垂向调整量叠加得到，如式(7)所示：
VerRS_set＝VerRS_ref+ΔVer………………………………………(7)
式中，VerRS_ref为掩模台3沿参考物面走时的垂向设定值；ΔVer为掩模台3垂向设定值调整量，VerRS_set为掩模台3垂向实时调整时的垂向设定值。
实施例四
本实施例与实施例三的区别在于，上位机中将控制模式配置成第三模式，第三模式与第二模式的区别在于：
在步骤三中，当在物料6被扫描曝光时，配置物料台7作实时垂向运动，以补偿物料6的局部面形。对每个曝光场，最佳焦面位置(高度或倾斜)是固定的，通过调整物料台7垂向以使曝光狭缝区域物料面与最佳焦面重合。
当设定由物料台7实时垂向调整来补偿物料6面形时，用(FLS.Zi-BF_Die.Z)反映垂向测量传感器5当前采样周期测得的Z向面形数据与每个曝光场的Z向焦面设定值之间的差值。当配置物料台7进行曝光时的局部面性补偿时，需要把该垂向高度调整量叠加到物料台7正交多项式轨迹在该水平位置(xi,yi)的垂向高度上，作为物料台7垂向高度设定值。
配置所述物料台垂向运动对曝光区域物料面的Rx、Ry向面形进行补偿的方法与配置所述物料台垂向运动对曝光区域物料面的Z向面形进行补偿的方法一致，在此不再赘述。同样，为了保证物料台7垂向能完全跟上垂向设定值，需要给物料台7垂向设定值加滤波，用滤波后的设定值作为给物料台7垂向设定值。
因此请参照图12，当设定由物料台7实时垂向调整来补偿物料6面形时，其实时数据控制结构为，垂向测量传感器5测量得到的数据由上位机经过硅片面形滤波处理后，结合物料台光栅尺测量得到的实时物料台7的位置数据，由物料台分析系统处理得到物料台7的实时垂向调整方案，并将该方案发送至物料台垂向执行器7a，由物料台垂向执行器7a实时垂向调整物料台7，接着由物料台光栅尺实时测量物料台7的实时位置数据并反馈至上位机中，并同时向上位机中两种数据反馈，一种由垂向测量传感器5实时测得的物料6上的测量点相关位置数据，另一种是上述数据经过上位机中硅片面形滤波处理后输出的数据。经过该数据控制结构形成的数据回路，从而可以实时测量物料6面形、物料台7位置并实时调整物料台7的垂向位置。
采用掩模台3垂向实时调整算法，扫描曝光时，最佳焦面位置(高度或倾斜)是实时改变的，通过调整掩模台3垂向，以使最佳焦面与静态视场区域物料6上表面重合。采用物料台7垂向实时调整算法，扫描曝光时，对每个曝光场，最佳焦面位置(高度或倾斜)是固定的。实时调整物料台7垂向，以使静态视场区域物料6上表面与最佳焦面重合。
对于大尺寸的物料，不管是从设计，还是从制造，都很难将工件台垂向带宽做得足够高，以补偿物料的面形。掩模台3质量较小，相对而言，能具有较高的垂向带宽。因此，由物料台7补偿物料6面形的低频量，由掩模台3补偿物料面形的高频量，能兼顾工程实现难度和物料面形补偿的目的。
实施例五
本实施例与实施例三的区别在于，物料台进行逐场全局调平时局部楔形的计算方法不同，具体为，根据垂向测量传感器测得的物料6的面形数据拟合得到所述物料6的曲面面形，基于所述物料6的曲面面形，在每个曝光场中心做泰勒展开，得到每个曝光场的局部一阶楔形，扫描曝光过程中，所述物料台6按照每个曝光场的局部一阶楔形进行逐场全局调平。
综上所述，本发明中对于曝光时物料的局部面形中垂向Z、Rx和Ry轴三个自由度的的补偿可采用灵活、可配置的方式，具体采用哪种配置方案，可依据物料台、掩模台的带宽等实际性能，灵活配置。
本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述光刻机由上至下包括照明系统、多掩模台、多投影物镜及一物料台，每个掩模台对应设置一个投影物镜；
所述垂向控制方法包括以下步骤：
步骤1、扫描曝光前，控制垂向测量传感器测量物料，获得所述物料的整体面形数据；
步骤2、根据所述物料的整体面形数据执行全局调平；
步骤3、扫描曝光每个曝光场时，采用垂向测量传感器实时测量所述物料的局部面形，根据所述物料的局部面形中Z向高度值、绕X向倾斜值及绕Y向倾斜值配置垂向控制模式，并根据所述垂向控制模式控制对应的垂向执行器垂向运动对所述物料的局部面形进行实时补偿，使每个曝光场的物料上表面与该曝光场的参考焦面重合；
其中，所述垂向执行器包括掩模台、物料台及投影物镜，所述全局调平目标面为投影物镜的最佳焦面；
所述配置的垂向控制模式为以下模式之一：
(1)配置所述物料台做整体全局调平及由各个掩模台做逐场全局调平，控制各个投影物镜垂向运动对所述物料的局部面形进行实时补偿；
(2)配置所述物料台做逐场全局调平，各个掩模台垂向运动对所述物料的局部面形进行补偿。
2.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述步骤2包括，在曝光前控制所述物料台承载物料执行整体全局调平，具体为：
将所述物料的整体面形数据进行平面拟合，拟合得到所述物料的全局平面面形，将所述物料的全局平面面形与全局调平目标面之间的差值作为所述全局调平垂向控制参数，曝光前根据所述全局调平垂向控制参数控制所述物料台垂向运动进行整体全局调平。
3.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述步骤2包括，扫描曝光每个曝光场前，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形，控制所述物料台承载物料按照每个曝光场的局部楔形进行逐场全局调平。
4.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述步骤2包括，扫描曝光每个曝光场前，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形，再将所述局部楔形中的Z向高度值除以投影物镜的倍率的平方、将所述局部楔形中的Rx、Ry向倾斜值除以投影物镜的倍率，使得所述局部楔形从像方转换到物方，控制所述掩模台按照转换到物方后的局部楔形进行逐场全局调平。
5.如权利要求4所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述垂向控制方法还包括扫描曝光每个曝光场时，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹，对所述物料的局部面形进行补偿。
6.如权利要求3或4所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形具体为，
将所述物料的整体面形数据进行曲面拟合，拟合得到所述物料的曲面面形，基于所述物料的曲面面形，在每个曝光场中心做一阶泰勒展开，得到每个曝光场的局部楔形。
7.如权利要求3所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，扫描曝光每个曝光场前，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形，控制所述物料台承载物料按照每个曝光场的局部楔形进行逐场全局调平具体为，
将所述物料的整体面形数据进行曲面拟合，拟合得到所述物料的曲面面形，基于所述物料的曲面面形做线性插值得到覆盖所述物料上表面的插值点，将覆盖整个物料上表面的插值点拆分到各曝光场；各曝光场内，将从曝光场曝光起点滑动到曝光终点的静态视场内的插值点进行平面拟合，拟合得到所述静态视场滑动过程中所述曝光场的垂向拟合值，基于所述曝光场的垂向拟合值做正交多项式拟合，得到所述物料台在所述曝光场内Z、Rx和Ry向的正交多项式轨迹，控制所述物料台按照所述正交多项式轨迹运动进行逐场全局调平。
8.如权利要求5所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，根据所述物料的整体面形数据拟合得到每个曝光场的局部楔形具体为，
将所述物料的整体面形数据进行平面拟合，拟合得到所述物料的全局平面面形，计算所述物料的全局平面面形与全局调平目标面之间的差值，将所述物料的整体面形数据减去所述物料的全局平面面形与全局调平目标面之间的差值得到点集φ'，之后将点集φ'拆分到各曝光场，对曝光场内的数据进行平面拟合，得到所述曝光场的局部楔形。
9.如权利要求2或8所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述光刻机中投影物镜的数量为n且n>1时，所述全局调平目标面为各投影物镜的最佳焦面的平均值。
10.如权利要求8所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹，对所述物料的局部面形进行补偿具体为，
将点集φ'去除所述曝光场的局部楔形后，将从曝光场曝光起点滑动到曝光终点的静态视场内的数据进行平面拟合，拟合得到所述静态视场滑动过程中所述曝光场的垂向拟合值，基于所述曝光场的垂向拟合值做正交多项式拟合，得到所述投影物镜在所述曝光场内Z、Rx和Ry向的正交多项式轨迹，控制所述投影物镜的参考焦面按照所述正交多项式轨迹运动以补偿所述静态视场范围内物料的局部面形。
11.如权利要求7或10所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述正交多项式包括Legendre多项式、Chebyshev多项式或Gram-Schmit正交化方法得到的基函数。
12.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述垂向控制模式包括配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值进行补偿，具体为：
在每个曝光场曝光起点所述掩模台的Z向调整量为1/N2*(FLS.Z1-BF_Die.Z)，其中FLS.Z1为垂向测量传感器在曝光场曝光起点测得的面形数据中的Z向高度值，所述BF_Die.Z为曝光场的最佳焦面的Z向设定值，N为所述投影物镜的倍率；
扫描过程中所述掩模台的Z向调整量为1/N2*(FLS.Zi-FLS.Zi-1)，其中FLS.Zi为垂向测量传感器当前采样周期测得的面形数据中的Z向高度值，FLS.Zi-1为垂向测量传感器上一采样周期测得的面形数据中的Z向高度值。
13.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，其特征在于，所述垂向控制模式包括配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值进行补偿，具体为：
在每个曝光场曝光起点所述掩模台的Rx向调整量为1/N*(FLS.Rx1-BF_Die.Rx)，其中FLS.Rx1为垂向测量传感器在曝光场曝光起点测得的面形数据中的Rx向倾斜值，所述BF_Die.Rx为曝光场的最佳焦面的Rx向设定值，N为所述投影物镜的倍率；
扫描过程中所述掩模台的Rx向调整量为1/N*(FLS.Rxi-FLS.Rxi-1)，其中FLS.Rxi为垂向测量传感器当前采样周期测得的面形数据中的Rx向倾斜值，FLS.Rxi-1为垂向测量传感器上一采样周期测得的面形数据中的Rx向倾斜值。
14.如权利要求13所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Ry向倾斜值进行补偿的方法与配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值进行补偿的方法一致。
15.如权利要求12或13所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，扫描每个曝光场时，所述掩模台的实际垂向运动值由沿标定的参考物面运动时的垂向设定值与补偿所述物料的局部面形时的调整量叠加得到。
16.如权利要求12或13所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，扫描每个曝光场时，所述掩模台的实际垂向运动值由沿标定的参考物面运动时的垂向设定值与滤波后的补偿所述物料的局部面形时的调整量叠加得到。
17.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述垂向控制模式包括配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值进行补偿，具体为，
扫描过程中所述物料台的Z向调整量为(FLS.Zi-BF_Die.Z)，其中FLS.Zi垂向测量传感器当前采样周期测得的面形数据中的Z向高度值，所述BF_Die.Z为曝光场的最佳焦面的Z向设定值。
18.如权利要求17所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx、Ry向倾斜值进行补偿的方法与配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值进行补偿的方法一致。
19.如权利要求5所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹具体为，通过控制所述投影物镜中的透镜垂向运动，使得所述投影物镜的参考焦面按照所述正交多项式轨迹运动。
20.如权利要求5所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，控制所述投影物镜走正交多项式轨迹具体为，通过控制所述投影物镜中的可动镜组水平向相对运动，使得所述投影物镜的参考焦面按照所述正交多项式轨迹运动。
21.如权利要求1所述的用于光刻机的垂向控制方法，其特征在于，所述垂向执行器至少包括Z、Rx及Ry向自由度，所述垂向控制模式包括：
配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台的Z向自由度沿标定的最佳参考物面运动，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；
或配置所述物料台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；同时配置所述掩模台的Z向自由度沿标定的最佳参考物面运动，配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Ry向倾斜值进行补偿；
或配置所述物料台沿全局调平后的全局调平目标面运动；同时配置所述掩模台垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿；
或配置所述投影物镜垂向运动对所述物料的局部面形中Z向高度值、Rx向倾斜值及Ry向倾斜值进行补偿。
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