一種硅片調焦調平測量裝置的制作方法

專利名稱：一種硅片調焦調平測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于投影光刻的裝置，尤其涉及一種硅片調焦調平 測量裝置。
背景技術：
在投影光刻裝置中，通常使用硅片調焦調平測量裝置實現對硅片表面 特定區域高度和傾斜度的測量。該測量裝置要求的精度較高，且不能損傷 硅片。所以，硅片調焦調平測量必須是非接觸式測量，常用的非接觸式調
焦調平測量方法有三種光學測量法、電容測量法、氣壓測量法。
在現今的掃描投影光刻裝置中，多使用光學測量法實現硅片調焦調平 測量。光學調焦調平測量裝置的技術多種多樣，典型例見美國專利 U. S. 4， 558， 949 (Horizontal position detecting device,申請于1982 年9月17日)。該專利公開了一種調焦調平測量裝置，該裝置共有兩套獨 立的測量系統，分別用于硅片特定區域高度和傾斜度的測量。在高度測量 系統中，使用投影狹縫和探測狹縫實現對硅片高度的探測，同時使用掃描 反射鏡實現對被測信號的調制。在傾斜測量系統中，投影分支在硅片表面 形成一個較大的測量光斑，經硅片反射后，該光斑成像在一個四象限探測 器上，根據探測器上每個象限探測的光強，實現對硅片表面特定區域傾斜 度的測量。為了滿足掃描投影光刻機的要求，該裝置的技術的得到進一步 的發展(SPIE， 1996, 2726: 767—779)。改進后的技術在之前的高度測量系統 中使用狹縫陣列，在硅片表面形成多個測量點，從而實現硅片的調焦調平 測量。該技術實現的精度較高，但同時也存在以下幾點不足
(1)單點無法同時進行高度和傾斜度的測量。專利US4， 558，949中 使用獨立的兩套測量系統分別實現硅片表面的高度和傾斜測量。而在其后 續的方案中(SPIE， 1996， 2726: 76廠779),使用多點測量同時實現高度和傾
斜度的測量，但這種方式對單點的有效性比較依賴，當當前曝光視場為硅 片表面的邊緣場時，往往只能實現硅片表面的高度測量，而不能實現對硅 片表面傾斜的測量。
(2) 單個測量光斑內硅片表面形貌及反射率的局部均勻性區分度不 高，硅片調焦調平測量裝置的單點測量的工藝適應性較差，使得整個裝置 的測量誤差受到 一定程度影響。
(3) 測量范圍受掃描反射鏡的振幅影響比較大。實現更大的測量范 圍需要更大振幅的掃描反射鏡，從而使得測量系統的機械結構更大龐大。
該裝置用于測量硅片表面特定區域相對于投影物鏡最佳焦平面的高 度和傾斜度

發明內容
本發明的目的在于提供一種新的批量硅片曝光的方法，其可以有效提 高光刻機產率。
為了達到上述的目的，本發明提供一種硅片調焦調平測量裝置，其測 量光路分布于投影物鏡光軸的兩側，其包括照明單元、投影單元、成像單 元及探測單元；照明單元包括光源、透鏡組及光纖組成；投影單元包括反 射鏡組、狹縫及透鏡組；成像單元包括反射鏡組、透鏡組及平行偏轉補償 板；其中，探測單元由探測柵盤、掃描柵盤及象限探測器組成；所述照明 單元的光源通過投影單元在硅片表面形成一個測量光斑，該測量光斑通過 成像單元成像；探測柵盤將測量光斑進一步細分成若干個獨立的小測量光 斑；探測柵盤和掃描4冊盤之間相互運動，對細分后的小測量光斑入射到象 限探測器的光強進行調制。
所述的測量光斑為橢圓形。
探測柵盤至少包括有一個透光區與至少一個不透光區。 所述象限探測器的象限數與探測柵盤上的透光區的數目相等。 探測柵盤還包括一個圓形不透光區，其為探測柵盤圓心一定直徑的同 心圓區i或。
探測柵盤還包括均勻分布的扇形透光區和扇形不透光區，且扇形透光
區和扇形不透光區的圓心與探測柵盤的圓心重合。
掃描柵盤至少包括有一個透光區與至少一個不透光區。 掃描柵盤還包括一個圓形不透光區，其為掃描柵盤圓心一定直徑的同
心圓區i或。
掃描柵盤還包括均勻分布的扇形透光區和扇形不透光區，且扇形透光 區和扇形不透光區的圓心與掃描柵盤的圓心重合。
所述裝置還設置一個電機，該電機驅動掃描柵盤繞其圓心來回旋轉。 掃描柵盤來回旋轉的幅度為其扇形透光區弧度的一半。 當掃描柵盤停止旋轉，回到其零位時，掃描柵盤上每個扇形透光區與 探測柵盤上的對應的扇形透光區重合。
掃描4冊盤高速地來回旋轉，對透過4笨測4冊盤的測量光斑進行調制，測 量光斑透過掃描柵盤之后，入射到象限探測器上對應的象限內。
本發明還提供一種硅片調焦調平測量裝置，其測量光路分布于投影物 鏡光軸的兩側，由照明單元、投影單元、成像單元及探測單元組成；照明 單元由光源、透鏡組及光纖組成；投影單元由反射鏡組、狹縫及透鏡組組 成；成像單元由反射鏡組、透鏡組及平行偏轉補償板組成；其中，探測單 元由探測柵盤陣列、掃描柵盤陣列及象限探測器陣列組成；每個探測柵盤 將對應的測量光斑進一步細分成若干個獨立的小測量光斑；探測柵盤陣列 和掃描柵盤陣列之間相互運動，對細分后的小測量光斑入射到象限探測器 的光強進行調制。
每個探測柵盤上至少有一個以上的扇形透光區與同樣數目的扇形不 透光區。
探測柵盤陣列中的每個探測柵盤中心一定直徑的同心圓區域為不透 光區，其他區域的透光區與不透光區均勻分布，呈扇形狀，且扇形的圓心 與探測柵盤的圓心重合。
每個掃描柵盤上至少有一個以上的扇形透光區與同樣數目的扇形不 透光區。
掃描柵盤陣列中的每個掃描柵盤中心一定直徑的同心圓區域為不透 光區，其他區域的透光區與不透光區均勻分布，呈扇形狀，且扇形的圓心與掃描柵盤的圓心重合。
掃描柵盤由均電機驅動，高速地繞其圓心來回旋轉，其來回旋轉的幅
度為扇形透光區弧度的一半；當掃描柵盤停止旋轉，回到其零位時，掃描 柵盤上每個扇形透光區與探測柵盤上的對應的扇形透光區重合，即通過探 測柵盤的光能夠全部通過掃描柵盤。
象限探測器陣列中的每個象限探測器的象限數與單個探測柵盤上的 扇形透光區的數目相等，且探測器上某個特定象限與探測柵盤上的某個特 定的扇形透光區一一對應，即經過探測柵盤上某個扇形透光區的測量光斑 最終均入射到象限探測器對應的象限上。
掃描柵盤陣列中的每個柵盤均高速地來回旋轉，對透過探測柵盤的測 量光斑進行調制，測量光斑透過掃描柵盤之后，入射到象限探測器上對應 的象限內。
. 所述測量光斑為橢圓形。
與現有技術相比，本裝置的主要優點為
(1) 單點能夠同時進行硅片表面的高度和傾斜度的同時測量，并在一 個測量光斑內將測量區域進行進一步細分，從而減少硅片表面形貌及反射 率局部非均勻性對測量結果的影響。
(2) 該裝置的測量范圍只與內部某個特定器件的內部結構有關，即在 不改變測量裝置的尺寸的情況，對某個器件內部的結構作適當的調整即可 實現測量范圍的變化。


通過本發明實施例并結合其附圖的描述，可以進一步理解本發明的目 的、具體結構特征和優點。
其中，附圖為
圖1是投影曝光裝置結構平面示意圖。
圖2是該裝置總體結構圖。
圖3是單個測量光斑的形狀示意圖。
圖4是探測柵盤的光柵結構示意圖。
圖5是掃描柵盤的光柵結構示意及運動示意圖。
圖6是象限探測器的結構示意圖。
圖7是硅片位置偏差探測信號探測示意圖。
圖8是象限探測器輸出信號處理總流程示意圖。
圖9是陣列測量的測量光斑分布示意圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制 本發明的保護范圍。 實施例1:
圖1是光學曝光系統平面原理示意圖。在照明系統100的照射下，光 源通過投影物鏡310將掩模220上的圖像投影曝光到硅片420上。掩模 220由掩模臺210,硅片420由工件臺410支承。在投影物鏡310和硅片 420之間設有一個硅片調焦調平測量裝置500,該裝置500與投影物鏡支 承300進行剛性連接，在本發明其他實施例中，裝置500也可以與投影物 鏡310剛性連接；裝置500用于測量硅片420表面的位置信息，并將測量 結果送往硅片表面位置控制系統560，系統560先對測量結果進行信號處 理和調焦調平量的計算，然后驅動調焦調平執行器430對工件臺410的位 置進行調整，完成硅片420的調焦調平。
下面結合其它附圖，對本發明作進一步的描述。
圖2為本硅片調焦調平測量裝置500的總體結構圖，硅片調焦調平測 量裝置500包括照明單元、投影單元、成像單元及探測單元。其中，照明 單元包括光源501、透鏡組502及光纖503,光源501的出射光經透鏡組 502聚光之后，由光纖503傳送至投影單元，為整個測量裝置500提供照 明光源。
投影單元包括至少由反射鏡511和反射鏡514組成的反射鏡組、狹縫 512及透鏡組513，通過狹縫512的光源經過透鏡513和反射鏡514之后， 在硅片表面當前曝光區域320內形成一個橢圓的測量光斑580。當前曝光 區域320和測量光斑580如圖3所示。測量光斑580經硅片420反射后進 入成像單元。
成像單元包括至少由反射鏡521和反射鏡525組成的反射鏡組、透鏡 組522、平行偏轉補償板523及其驅動電機524組成。經過成像單元之后， 測量光斑580的《象為 一個圓形的光斑。
探測單元包括探測柵盤530、掃描柵盤540及象限探測器550。
圖4為探測柵盤530的光柵結構示意圖，探測柵盤530中心一定直徑 的同心圓區域E為不透光區，其他區域的透光區與不透光區均勻分布，呈 扇形狀，且扇形的圓心與整個探測柵盤530的圓心重合。以4個扇形透光 區為例，探測柵盤530有4個扇形透光區，A區、B區、C區與D區，每 兩個相鄰的扇形透光區之間有一個同樣大小的扇形不透光區。
圖5為掃描柵盤540的光柵結構示意圖及運動示意圖。掃描柵盤540 與探測柵盤530的光柵結構完全一樣。掃描柵盤540由電機驅動，高速地 繞其圓心來回旋轉，其來回旋轉的幅度為扇形透光區弧度的一半，即 22.5。。當掃描柵盤540停止旋轉，回到其零位時，掃描柵盤540上每個 扇形透光區與探測柵盤530上的對應的扇形透光區重合，即通過探測柵盤 530的光能夠全部通過掃描柵盤540。
圖6為象限探測器550的結構示意圖，象限探測器550的象限數與探 測柵盤530上的扇形透光區的數目相等，且象限探測器550上某個特定象 限與探測柵盤530上的某個特定的扇形透光區——對應，即經過探測柵盤 530上某個扇形透光區的測量光最終均入射到象限探測器550固定的象限 上。經過探測柵盤530 A區的光，最終會對應入射到象限探測器550的A 區上；經過探測柵盤530B區的光，最終會對應入射到象限探測器550的 B區上；經過探測柵盤530 C區的光，始終入射到象限探測器550的C區 上；經過探測柵盤530D區的光，始終入射到象限探測器550的D區上。
圖7是硅片位置偏差探測信號探測示意圖(測量硅片420表面的位置 信息)，圖8 (a)為掃描柵盤540在零位時的位置，圖8 (b)為掃描柵 盤540在其1/4個掃描周期時的位置，圖8 (c)為掃描柵盤540在其1/2 個掃描周期時的位置，圖8(d)為掃描柵盤540在其3/4個掃描周期時的 位置。當硅片420表面的高度及傾斜度不變時，隨著掃描柵盤540的旋轉， 測量光斑580經過掃描柵盤540各個區域的光能量周期性地變化，探測信
號得到高頻調制。當硅片420表面的位置變化使得經過探測柵盤530之后 的測量光斑580存在Ah的位置偏移時，隨著掃描柵盤540的旋轉，象限 探測器550各區探測到的光能量均呈現周期性的變化，且各個區在同時刻 探測的信號存在一定的關系。
圖8為象限探測器550輸出信號處理總流程示意圖。獲得信噪比較高 的信號，象限探測器550的輸出信號須先經過放大、濾波等信號預處理(步 驟561),然后進行信號的特征分析，信號解調及相位探測(步驟562), 進而對信號進行線性化處理，獲得測量硅片420表面的高度及傾斜度與經 過解調及相位探測后的信號的線性關系(步驟563 )。硅片調焦調平測量 裝置500服務于投影光刻裝置，所以測量結果還需要進行一序列的坐標系 轉換(步驟564)，供投影光刻裝置中硅片調焦調平測量裝置500的用戶 使用。
測量光斑580經過4笨測柵盤530后，^皮細分成4個獨立的小的扇形光 斑。由于采用了光斑細分技術，細分后的光斑的表面形貌和反射率的局部 非均勻性較小，從而減少硅片表面形貌及反射率局部非均勻性對測量結果 的影響。探測柵盤530中心的不透光區E區能夠4艮好地避免A區、B區、 C區和D區之間的光強串擾。在本發明較佳實施例中，硅片420可位于裝 置500的固定范圍內，以實現4個透光區之間的完全串擾的最佳效果。所 以，探測柵盤530中心的不透光區E區決定了整個裝置的測量范圍。如果 要減小裝置500測量的范圍，只需增大探測柵盤530中心的不透光區E 區即可實現。如果要增大裝置500的測量范圍，則需減小探測柵盤530中 心的不透光區E區，同時減少掃描4冊盤540來回S走轉的幅度。
實施例2:
該實施例與前述的實施1基本原理結構完全一樣，不同的是，在探測 單元中的探測柵盤530采用探測柵盤陣列，掃描柵盤540采用掃描柵盤陣 列，象限探測器550采用象限探測器陣列。其中每個探測柵盤，掃描柵盤 及象限探測器的原理及結構與實施例1完全一樣。
由于使用了多點測量，這要求在投影單元中使用狹縫陣列，在硅片表 面上形成多個測量光斑。
圖9為多點測量的測量光斑分布示意圖，本實施例以2—個橢圓測量
光斑(580-l、 580-2..... 580-21)為例，其中7個測量光斑(580-l、 580-2.....
580-7)位于當前曝光^見場320內，其他14個測量光斑(580-8、 580-2、…、 580-21)位于當前曝光視場320之外，用于對當前曝光視場臨場的高度及 傾凍牛的預測。
以上描迷的僅僅是基于本發明的幾個較佳實施例，并不能以此來限定 本發明的范圍。任何對本發明的方法作本技術領域內熟知步驟的替換、組 合、分立，以及對本發明實施步驟作本技術領域內熟知的等同改變或替換 均不超出本發明的揭露以及保護范圍。
權利要求
1、一種硅片調焦調平測量裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的兩側，其包括照明單元、投影單元、成像單元及探測單元；照明單元包括光源、透鏡組及光纖組成；投影單元包括反射鏡組、狹縫及透鏡組；成像單元包括反射鏡組、透鏡組及平行偏轉補償板；其特征在于探測單元由探測柵盤、掃描柵盤及象限探測器組成；所述照明單元的光源通過投影單元在硅片表面形成一個測量光斑，該測量光斑通過成像單元成像；探測柵盤將測量光斑進一步細分成若干個獨立的小測量光斑；探測柵盤和掃描柵盤之間相互運動，對細分后的小測量光斑入射到象限探測器的光強進行調制。
2、 根據權利要求1所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于所 述的測量光斑為橢圓形。
3、 如權利要求1所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于探測 柵盤至少包括有一個透光區與至少一個不透光區。
4、 如權利要求3所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于所述 象限探測器的象限數與探測柵盤上的透光區的數目相等。
5、 如權利要求3所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于探測 柵盤還包括 一 個圓形不透光區，其為探測柵盤圓心 一 定直徑的同心圓區 域。
6、 如權利要求4所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于探測 柵盤還包括均勻分布的扇形透光區和扇形不透光區，且扇形透光區和扇形 不透光區的圓心與探測柵盤的圓心重合。
7、 如權利要求1所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃描 柵盤至少包括有一個透光區與至少一個不透光區。
8、 如權利要求7所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃描 柵盤還包括一個圓形不透光區，其為掃描柵盤圓心一定直徑的同心圓區 域。
9、 如權利要求8所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃描 柵盤還包括均勻分布的扇形透光區和扇形不透光區，且扇形透光區和扇形 不透光區的圓心與掃描柵盤的圓心重合。
10、 如權利要求1至9任一項所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征 在于所述裝置還設置一個電機，該，機驅動掃描柵盤繞其圓心來回旋轉。
11、 如權利要求10所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃 描柵盤來回旋轉的幅度為其扇形透光區弧度的一半。
12、 如權利要求11所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于當 掃描柵盤停止旋轉，回到其零位時，掃描柵盤上每個扇形透光區與探測柵 盤上的對應的扇形透光區重合。
13、 如權利要求10所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃 描柵盤高速地來回旋轉，對透過探測4冊盤的測量光斑進4于調制，測量光斑 透過掃描柵盤之后，入射到象限探測器上對應的象限內。
14、 一種硅片調焦調平測量裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的兩側， 由照明單元、投影單元、成像單元及探測單元組成；照明單元由光源、透 鏡組及光纖組成；投影單元由反射鏡組、狹縫及透鏡組組成；成像單元由 反射鏡組、透鏡組及平行偏轉補償板組成；其特征在于探測單元由探測柵盤陣列、掃描柵盤陣列及象限探測器 陣列組成；每個探測柵盤將對應的測量光斑進一步細分成若干個獨立的小 測量光斑；探測柵盤陣列和掃描柵盤陣列之間相互運動，對細分后的小測 量光斑入射到象限探測器的光強進行調制。
15、 如權利要求14所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于每 個探測柵盤上至少有一個以上的扇形透光區與同樣數目的扇形不透光區。
16、 如權利要求15所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于探 測柵盤陣列中的每個探測柵盤中心一定直徑的同心圓區域為不透光區，其 他區域的透光區與不透光區均勻分布，呈扇形狀，且扇形的圓心與探測柵 盤的圓心重合。
17、 如權利要求14所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于每 個掃描柵盤上至少有一個以上的扇形透光區與同樣數目的扇形不透光區。
18、 如權利要求17所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃 描柵盤陣列中的每個掃描柵盤中心一定直徑的同心圓區域為不透光區，其 他區域的透光區與不透光區均勻分布，呈扇形狀，且扇形的圓心與掃描柵 盤的圓心重合。
19、 如權利要求14至18任一項所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特 征在于掃描柵盤由均電機驅動，高速地繞其圓心來回旋轉，其來回旋轉 的幅度為扇形透光區弧度的一半；當掃描柵盤停止旋轉，回到其零位時， 掃描柵盤上每個扇形透光區與探測柵盤上的對應的扇形透光區重合，即通 過探測柵盤的光能夠全部通過掃描柵盤。
20、 如權利要求19所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于象 限探測器陣列中的每個象限探測器的象限數與單個探測柵盤上的扇形透 光區的數目相等，且探測器上某個特定象限與探測柵盤上的某個特定的扇 形透光區一一對應，即經過探測柵盤上某個扇形透光區的測量光斑最終均 入射到象限探測器對應的象限上。
21、 如權利要求20所述的一種硅片調焦調平測量裝置，其特征在于掃 描柵盤陣列中的每個柵盤均高速地來回旋轉，對透過探測柵盤的測量光斑 進行調制，測量光斑透過掃描柵盤之后，入射到象限探測器上對應的象限 內。
22、 根據權利要求21所述的一種硅片調焦調平測量裝置，所述測量光斑 為橢圓形。
全文摘要
本發明提供一種硅片調焦調平測量裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的兩側，其包括照明單元、投影單元、成像單元及探測單元；照明單元包括光源、透鏡組及光纖組成；投影單元包括反射鏡組、狹縫及透鏡組；成像單元包括反射鏡組、透鏡組及平行偏轉補償板；其中，探測單元由探測柵盤、掃描柵盤及象限探測器組成；所述照明單元的光源通過投影單元在硅片表面形成一個測量光斑，該測量光斑通過成像單元成像；探測柵盤將測量光斑進一步細分成若干個獨立的小測量光斑；探測柵盤和掃描柵盤之間相互運動，對細分后的小測量光斑入射到象限探測器的光強進行調制。本發明可以減少硅片表面形貌及反射率局部非均勻性對測量結果的影響。
文檔編號G03F7/20GK101344734SQ20071017357
公開日2009年1月14日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者廖飛紅, 李志丹, 李志科, 潘煉東, 程吉水, 陳飛彪 申請人:上海微電子裝備有限公司