对准标记的成像和测量装置、光刻装置制造方法
【专利摘要】一种对准标记的成像和测量装置、曝光装置，对准标记的成像和测量装置包括：相干光源，用于产生照射光；偏振分束器，将相干光源发射的照射光反射形成水平线偏振光；1/4波片，将入射的水平线偏振光转化为圆偏振光；第一凸镜单元，将圆偏振光聚焦在对准标记表面，圆偏振光在对准标记表面发生反射和衍射，形成零阶光和衍射光，零阶光和衍射光通过第一凸镜单元、1/4波片、偏振分束器传输；第二凸镜单元，将透过偏振分束器的零阶光和衍射光聚焦于成像单元上；相移单元，将透过第二凸镜单元的零阶光的相位转变为与透过第二凸镜单元的衍射光同相位；滤光单元，衰减透过相移单元的零阶光的强度。对准标记的成像和测量装置的对准的精度和效率高。
【专利说明】对准标记的成像和测量装置、光刻装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种对准标记的成像、测量装置和光刻装置。
【背景技术】
[0002]光刻是集成电路制作的主要工艺，光刻工艺的任务是实现掩膜版上的图形向硅片上的光刻胶层的转移。
[0003]现有的光刻工艺一般是通过光刻装置进行，参考图1，现有的光刻装置一般包括:晶圆载物台101，用于装载晶圆106 ;掩膜版载物台107，位于晶圆载物台101上方，用于装载掩膜版108 ;光源109，位于掩膜版载物台107上方，用于提供曝光光线；光学投影单元104，位于掩膜版载物台107和晶圆载物台101之间，用于将透过掩膜版108的光投射到晶圆106上。
[0004]现有技术对晶圆106的曝光时，首先需要将晶圆上的区域划分为一个一个的曝光区，然后对每一个曝光区依次进行曝光。为了能实现对晶圆的准确曝光，在对晶圆进行曝光之前获得晶圆106 (或者晶圆上的曝光区)相对于掩膜版108的精确位置信息是非常重要的，现有光刻装置通过对准(al i gnment)这一步骤建立晶圆载物台、晶圆和掩膜版之间的位置关系。该对准包括晶圆载物台对准、掩膜版对准和晶圆对准，其中，晶圆载物台对准可以获得晶圆载物台在坐标系内的位置信息，掩膜版对准可以获得掩膜版相对于晶圆载物台的位置信息、晶圆对准可以获得晶圆相对于晶圆载物台的位置信息，通过晶圆载物台对准、掩膜版对准和晶圆对准后可以建立晶圆相对于掩膜版和晶圆载物台的位置信息。
[0005]在进行晶圆对准时，首先需要在晶圆上形成对准标记，然后对准标记检测系统检测晶圆上的对准标记，当在对准标记检测系统的图形传感器上获得对准标记时，即完成晶圆的对准过程。
[0006]现有在晶圆上形成的对准标记一般为具有凸起和凹槽的周期性图形，参考图2为一种对准标记的结构示意图，对准标记201位于半导体衬底200上，对准标记201包括若干分立的凸起21和位于相邻凸起21之间的凹槽22。在检测对准标记时，首先对对准标记进行照明，照明光在对准标记处发生衍射，衍射光成像在对准标记检测系统的图形传感器上，然后对图形传感器上接受的图像进行处理，实现对准标记的识别。
[0007]但是现有技术在检测对准标记时，会经常遇到检测不到对准标记或对准失败的问题，晶圆对准的效率较低。
【发明内容】
[0008]本发明解决的问题是怎样提高晶圆对准的效率。
[0009]为解决上述问题，本发明提供一种对准标记的成像和测量装置，包括:从下到上依次分布的第一凸镜单元、1/4波片、偏振分束器、第二凸镜单元、相移单元、滤光单元、成像单兀，以及位于偏振分束器一侧的相干光源，其中:相干光源，用于产生照射光；偏振分束器，将相干光源发射的照射光反射形成水平线偏振光；1/4波片，用于将入射的水平线偏振光转化为圆偏振光；第一凸镜单元，用于将圆偏振光聚焦在对准标记表面，圆偏振光在对准标记表面发生反射和衍射，形成零阶光和衍射光，零阶光和衍射光通过第一凸镜单元和1/4波片后转化为垂直偏振的零阶光和衍射光，垂直偏振的零阶光和衍射光透过偏振分束器；第二凸镜单元，用于将透过偏振分束器的零阶光和衍射光聚焦于成像单元上；相移单元，用于将透过第二凸镜单元的零阶光的相位转变为与透过第二凸镜单元的衍射光同相位；滤光单元，用于衰减透过相移单元的零阶光的强度。
[0010]可选的，所述相干光源为环状的激光光源。
[0011]可选的，所述激光光源产生波长532纳米连续激光。
[0012]可选的，所述相移单元为正负90°相移单元。
[0013]可选的，所述相移单元包括相移区和透光区，衍射光从相移单元的透光区通过，零阶光从相移单元的相移区通过，零阶光通过相移区后其相位与衍射光的相位相同。
[0014]可选的，经过滤光单元衰减后的零阶光的强度与衍射光的强度相等。
[0015]可选的，所述滤光单元包括滤光区和透光区，衍射光从滤光单元的透光区通过，零阶光从滤光单元的滤光区通过，零阶光通过滤光区后其强度被衰减。
[0016]可选的，所述滤光区对零阶光的强度的衰减幅度为10%?99%。
[0017]可选的，所述相干光源产生的照射光的入射方向与偏振分束器的夹角为45°。
[0018]可选的，所述偏振分束器的另一侧还具有光垃圾箱，且光垃圾箱与所述相干光源正对，所述光垃圾箱用于吸收部分透过偏振分束器后的照射光。
[0019]本发明还提供了一种具有上述对准标记的成像和测量装置的光刻装置。
[0020]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0021]本发明的对准标记的成像和测量装置包括相移单元和滤光单元，相移单元用于将透过第二凸镜单元的零阶光的相位转变为与透过第二凸镜单元的衍射光同相位，滤光单元用于衰减透过相移单元的零阶光的强度，使得衰减后的零阶光的光强与衍射光的光强相等或接近，最后将相位转化和强度衰减后的零阶光与衍射光叠加同时成像在成像单元上。由于对准标记产生的衍射光的强度要远小于零阶光的强度，而衍射光在反映对准标记的台阶形貌又占据着主导作用，如果将两者直接叠加，衍射光在整个光强中的比重会非常小，会使得形成的图像的对比度下降，因此本发明的对准标记的成像和测量装置，通过相移单元与滤光单元的结合，在对零阶光的相位转化为与衍射光同相位后，还需要对零阶光的光强进行衰减，使得衰减后的零阶光的光强与衍射光的光强相等或接近，衰减后的零阶光与衍射光在成像单元上叠加时，既使得光强整体上增强，又增加了对准标记图像的对比度，从而能快速和准确的识别对准标记，提高了晶圆对准的精度和效率。
[0022]另外，本发明光源采用的相干光源，相干光源产生的照射光相比于非相干光源产生的照射光具有更窄的带宽，采用相干光源产生的照射光对对准标记进行照射时，对准标记产生的不同衍射级的衍射光和零阶光之间的相对相位稳定，这样可以很容易通过相移单元对他们的相对相位进行调制，使得不同衍射级的衍射光和零阶光的相位相同，从而将相位的变化通过干涉转变为人眼可观测的光强度变化，使得成像在成像单元上对准标记的图像的对比度增加，有利于对对准标记的识别。
[0023]进一步，相干光源产生的照射光为环状，环状的照射光在照射对准标记时，对准标记反射产生的零阶光也为环状，因此后续对零阶光的调制(相位转换或光强衰减)时，只需针对光路上的环状区域进行处理，而不会对光路上的对准标记产生的高阶的衍射光产生影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为现有技术的光刻装置的结构示意图；
[0025]图2为现有技术的对准标记的结构示意图；
[0026]图3为本发明实施例对准标记的成像和测量装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]现有的光刻装置的对准标记检测系统对晶圆上的对准标记的检测，通常是通过接收对准标记的衍射光，衍射光成像在对准标记检测系统的图形传感器上，然后对图形传感器上接受的图像进行处理，实现对准标记的识别。由此可见，对准标记的衍射光的强度对对准标记的识别是非常重要的。但是，随着器件尺寸的不断减小，对准标记的厚度越来越薄，对准标记本身也变得越来越透明，使得对准标记的凸起和凹槽的对比度以及对准标记与周围的介质层之间的对比度越来越小，在对对准标记进行照明时，对准标记衍射效率和衍射光的光强也不断减小，因而图形传感器上形成的图像的对比度下降，使得对准标记难以识另IJ，造成晶圆对准的失败，晶圆对准的效率较低。
[0028]本发明提供了一种对准标记的成像和测量装置，将对准标记的反射光和衍射光同时用于成像，在成像单元上成像之前，对反射光进行相位的转化和强度的衰减，相位转化后的反射光的相位与衍射光的相位相同、强度衰减后的反射光的强度与衍射光的强度相等或相近，将相位转化和强度衰减后的反射光与衍射光同时成像在成像单元，从而增加了对准标记形成的图像的对比度，易于对准标记的识别，提高了晶圆对准的成功率和精度。
[0029]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施作做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0030]图3为本发明实施例对准标记的成像和测量装置的结构示意图。
[0031]参考图3，所述对准标记的成像和测量装置包括:从下到上依次分布的第一凸镜单元304、1/4波片303、偏振分束器302、第二凸镜单元306、相移单元307、滤光单元308、成像单元309，以及位于偏振分束器302 —侧的相干光源301，其中:
[0032]相干光源301，用于产生照射光；
[0033]偏振分束器302，将相干光源301发射的照射光反射形成水平线偏振光32 ；
[0034]1/4波片303，用于将入射的水平线偏振光32转化为圆偏振光32 ；
[0035]第一凸镜单兀304,用于将圆偏振光聚焦在对准标记305表面，圆偏振光在对准标记305表面发生反射和衍射，形成零阶光34和衍射光(或高阶衍射光)35，零阶光34和衍射光35通过第一凸镜单兀304和1/4波片303后转化为垂直偏振的零阶光和衍射光,垂直偏振的零阶光和衍射光透过偏振分束器302 ；
[0036]第二凸镜单兀306,用于将透过偏振分束器302的零阶光34和衍射光35聚焦于成像单元309上；
[0037]相移单元307，用于将透过第二凸镜单元306的零阶光34的相位转变为与透过第二凸镜单元306的衍射光35同相位；
[0038]滤光单元308，用于衰减透过相移单元307的零阶光35的强度。
[0039]具体的，所述相干光源301为环状的激光光源。所述相干光源301包括光源、阻挡板30，阻挡板30上具有环形的开口或透光区域，光源产生的光通过阻挡板30上的开口或透光区域后形成环状的照射光31。本实施例中，所述激光光源产生波长为532纳米的连续激光。在本发明的其他实施例中，所述激光光源还可以产生波长为其他数值的激光。
[0040]本发明实施例采用相干光源301，相干光源301产生的照射光相比于非相干光源产生的照射光具有更窄的带宽，采用相干光源301产生的照射光对对准标记进行照射时，对准标记产生的不同衍射级的衍射光和零阶光之间的相对相位稳定，这样可以很容易通过相移单元307对他们的相对相位进行调制，使得不同衍射级的衍射光和零阶光的相位相同，从而将相位的变化通过干涉转变为人眼可观测的光强度变化，使得成像在成像单元上对准标记的图像的对比度增加，有利于对对准标记的识别。
[0041]本发明实施例中的相干光源301产生的照射光31为环状，环状的照射光在照射对准标记时，对准标记反射产生的零阶光也为环状，因此后续对零阶光的调制(相位转换或光强衰减)时，只需针对光路上的环状区域进行处理，而不会对光路上的对准标记产生的高阶的衍射光产生影响。
[0042]相干光源301产生的照射光为线偏振光，所述线偏振光具有水平偏振态和垂直偏振态。所述相干光源301产生的照射光的入射方向与偏振分束器302的夹角为45°。
[0043]偏振分束器302用于将不同振动方向的光分离，相干光源301产生的照射光31在照射在偏振分束器302时,偏振分束器302将照射光中水平偏振态和垂直偏振态分尚，其中水平偏振态的光被偏振分束器302反射，形成水平线偏振光32 (光的振动方向与入射面垂直的线偏振光)，而垂直偏振态的光则透过偏振分束器302,形成垂直线偏振光(光的振动方向与入射面平行的线偏振光)。
[0044]所述偏振分束器302的另一侧还具有光垃圾箱(图中未示出)，且光垃圾箱与所述相干光源301正对，所述光垃圾箱用于吸收部分透过偏振分束器后的照射光(照射光在照射在偏振分束器302时，透过偏振分束器302的垂直线偏振光),从而防止垂直线偏振光在光刻装置的其他部分产生反射或衍射，从而对对准标记的成像和测量装置的光路产生影响。
[0045]本发明实施例中，采用水平线偏振光32对晶圆上的对准标记305进行照明，水平线偏振光32经过1/4波片303后，水平线偏振光32会转变为圆偏振光33，圆偏振光33为左旋圆偏振光，圆偏振光33经过第一凸镜单元304聚焦在对准标记305上，在对准标记305处发生反射形成零阶光34(零阶光34与相应入射的圆偏振光33在光轴AB两边对称分布)，并在对准标记305处发生衍射形成衍射光(或高阶衍射光)35，零级光34和衍射光35为右旋的圆偏振光，零级光34和衍射光35经过1/4波片303后，由右旋的圆偏振光变为垂直的线偏振光，垂直线偏振的零级光34和衍射光35在经过偏振分束器302时，能全部的透过偏振分束器302传输，而不会在偏振分束器302上产生反射，从而使得零级光34和衍射光35的光强不会产生损耗，后续再成像单元上成像时，增加了对准标记图像的对比度。
[0046]1/4波片303采用方解石或石英制成。
[0047]所述第二凸镜单元306有凸透镜和/或其他的光学元件组成，第二凸镜单元306用于将经过1/4波片303后形成的圆偏振光33聚焦在对准标记305处。
[0048]所述第二凸镜单元306有凸透镜和/或其他的光学元件组成，第二凸镜单元306用于将透过偏振分束器302后零阶光34和衍射光35聚焦于成像单元309上。
[0049]所述第二凸镜单元306和成像单元309之间的光路上还具有相移单元307和滤光单元308。
[0050]所述相移单元307用于将透过第二凸镜单元306的零阶光34的相位转变为与透过第二凸镜单元306的衍射光35同相位。对准标记305处形成的零阶光34和衍射光35的相位是不相同的，通过相移单元307将零阶光34的相位转变为与衍射光35同相位，在成像单元成像时，可以实现衍射光与零阶光光强叠加，从而增强了光强的大小，提高图像的对t 匕 。
[0051]所述相移单元307包括相移区36和透光区37，衍射光35从相移单元307的透光区307通过，零阶光34从相移单元307的相移区36通过，零阶光34通过相移区36后其相位与衍射光35的相位相同，从而使得衍射光35和零阶光34通过相移单元307后的相位保持一致。
[0052]所述相移区306的形状和大小与经过第二凸镜单元306汇聚后的零阶光在相移单元307上投射区域的形状和大小一致，本实施例中，所述相移区36的形状为圆环，环状的零阶光34通过环状的相移区36后的相位转化为与衍射光35的相位相同。衍射光35直接通过透过区37传输，透过区37不会对衍射光35的强度和相位产生影响。所述相移区36对零阶光34的相位大小的调节是可调的，其调节范围为正90°?负90°。
[0053]本实施例中，所述相移单元307为正负90°相移单元，实现对零阶光34的相位进行正90°或负90°的相移调节。
[0054]所述滤光单元308，用于衰减透过相移单元307的零阶光34的强度，使得衰减后的零阶光的光强与衍射光的光强相等或接近。由于对准标记305产生的衍射光35的强度要远小于零阶光34的强度，而衍射光35在反映对准标记的台阶形貌又占据着主导作用，如果将两者直接叠加，衍射光35在整个光强中的比重会非常小，会使得形成的图像的对比度下降，因此本发明实施例的对准标记的成像和测量装置，通过相移单元307与滤光单元308的结合，在对零阶光34的相位转化为与衍射光35同相位后，还需要对零阶光34的光强进行衰减，使得衰减后的零阶光的光强与衍射光35的光强相等或接近，衰减后的零阶光与衍射光35在成像单元上叠加时，既使得光强整体上增强，又增加了对准标记图像的对比度，从而能快速和准确的识别对准标记，提高了晶圆对准的精度和效率。
[0055]所述滤光单元308包括滤光区39和透光区38，衍射光35从滤光单元308的透光区38通过，零阶光34从滤光单元308的滤光区39通过，零阶光34通过滤光区39后其强度被衰减。衍射光35在从滤光单元308的透光区38通过后，其强度和相位不会发生变化。所述滤光区39的形状和大小与经过第二凸镜单元306汇聚后的零阶光在滤光单元308上投射区域的形状和大小一致，本实施例中，所述滤光区39的形状为圆环，环状的零阶光34通过环状的滤光区39后其强度被衰减。
[0056]所述滤光区39对零阶光34的衰减的幅度是可调的，所述滤光区39对零阶光的强度的衰减幅度为10%?99%。
[0057]本实施例中，先对零阶光34进行相位的转换，然后再对相位转换后的零阶光进行强度的衰减，防止先进行强度的衰减后带来的相位不能准确转换的问题。
[0058]所述成像单元309至少由电荷稱合元件(Charge-coupled Device, CO))或者CMOS传感器构成，成像单元309用于将光学信号转换为电信号，并对电信号进行放大和模数转换等处理，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
[0059]上述对准标记的成像和测量装置中光路传输的具体的过程为:首先相干光源301打开，产生照射光31 ;照射光31在照射在偏振分束器302时,水平偏振态的光被偏振分束器302反射，形成水平线偏振光32 ;水平线偏振光32经过1/4波片303后，水平线偏振光32会转变为圆偏振光33，圆偏振光33为左旋圆偏振光，圆偏振光33经过第一凸镜单元304聚焦在对准标记305上，在对准标记305处发生反射形成零阶光34，并在对准标记305处发生衍射形成衍射光(或高阶衍射光)35，零级光34和衍射光35为右旋的圆偏振光；零级光34和衍射光35经过第一透镜单元304形成平行的零级光34和衍射光35 ;平行的零级光34和衍射光35在经过1/4波片303后，由右旋的圆偏振光变为垂直的线偏振光；垂直线偏振的零级光34和衍射光35透过偏振分束器302传输；第二透镜单元306汇聚透过偏振分束器302的零级光34和衍射光35 ;相移单元307将经过第二透镜单元306后的零阶光34的相位转换为与衍射光相同；滤光单元308对经过相移单元307后的零阶光34进行强度的衰减；最后，衍射光35和相位转换与强度衰减后的零阶光聚焦在成像单元309处。
[0060]在本发明的另一实施例中，所述第二凸镜单元、相移单元和滤光单元还可以为其他的排布方式，从下到上的排布为:偏振分束器、相移单元、滤光单元、第二凸镜单元、成像单元，即所述相移单元和滤光单元位于偏振分束器和成像单元之间，从而在对零阶光的相位转换和强度衰减后，通过第二凸镜单元聚焦在成像单元上，在这种排布方式中，相移单元的相移区的形状和大小以及滤光单元的滤光区的形状和大小均是与相干光源发出的照射光的形状和大小相同，从而使得相移单元和滤光单元的制作和位置的调节都非常简便。相移单元和滤光单元功能以及相关光路的具体描述请参照前述实施例。
[0061]本发明实施例还提供了一种具有上述对准标记的成像和测量装置的光刻装置，在进行光刻的曝光工艺时，采用上述对准标记的成像和测量装置检测晶圆上的对准标记，实现晶圆的对准。
[0062]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种对准标记的成像和测量装置，其特征在于，包括:从下到上依次分布的第一凸镜单元、1/4波片、偏振分束器、第二凸镜单元、相移单元、滤光单元、成像单元，以及位于偏振分束器一侧的相干光源，其中:相干光源，用于产生照射光；偏振分束器，将相干光源发射的照射光反射形成水平线偏振光；1/4波片，用于将入射的水平线偏振光转化为圆偏振光; 第一凸镜单元，用于将圆偏振光聚焦在对准标记表面，圆偏振光在对准标记表面发生反射和衍射，形成零阶光和衍射光，零阶光和衍射光通过第一凸镜单元和1/4波片后转化为垂直偏振的零阶光和衍射光，垂直偏振的零阶光和衍射光透过偏振分束器； 第二凸镜单元，用于将透过偏振分束器的零阶光和衍射光聚焦于成像单元上； 相移单元，用于将透过第二凸镜单元的零阶光的相位转变为与透过第二凸镜单元的衍射光同相位； 滤光单元，用于衰减透过相移单元的零阶光的强度。
2.如权利要求1所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述相干光源为环状的激光光源。
3.如权利要求2所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述激光光源产生波长532纳米连续激光。
4.如权利要求1所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述相移单元为正负90。相移单元。
5.如权利要求4所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述相移单元包括相移区和透光区，衍射光从相移单元的透光区通过，零阶光从相移单元的相移区通过，零阶光通过相移区后其相位与衍射光的相位相同。
6.如权利要求1所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，经过滤光单元衰减后的零阶光的强度与衍射光的强度相等。
7.如权利要求1所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述滤光单元包括滤光区和透光区，衍射光从滤光单元的透光区通过，零阶光从滤光单元的滤光区通过，零阶光通过滤光区后其强度被衰减。
8.如权利要求7所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述滤光区对零阶光的强度的衰减幅度为10%?99%。
9.如权利要求1所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述相干光源产生的照射光的入射方向与偏振分束器的夹角为45°。
10.如权利要求1所述的对准标记的成像和测量装置，其特征在于，所述偏振分束器的另一侧还具有光垃圾箱，且光垃圾箱与所述相干光源正对，所述光垃圾箱用于吸收部分透过偏振分束器后的照射光。
11.一种具有权利要求1?权利要求10任一项所述的对准标记的成像和测量装置的光刻装置。
【文档编号】G03F9/00GK104345571SQ201310315310
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】刘洋, 蔡博修 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司