一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置

本发明属于光刻，主要涉及一种用于硅片与工件台之间的基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置。

背景技术：

1、半导体产业作为一种高附加价值的关键性技术产业，对整个国民经济的快速发展具有极其重要的意义。半导体产业的发展需要依靠先进的集成电路芯片制造技术，即微电子技术。集成电路芯片的制造过程极其复杂，工艺要求严苛，其难点和关键点在于将掩膜上的电路图案刻印在硅衬底的光感材料上，而这一过程需要通过光刻来实现。集成电路芯片的制作一般需要25-40次重复套刻曝光，在每一层电路图案曝光之前，其相应的掩膜需要与上一次光刻曝光的电路图案建立准确的相对位置关系，并同时保证每一层与前后两层电路图案的相对位置精度，这一指标被称为套刻精度。套刻精度能够衡量光刻系统对多层电路图案进行重复曝光的准确程度，而在套刻曝光过程中，工件台的重复定位精度以及掩膜与硅片之间的对准偏差会极大地影响光刻系统的套刻精度。光刻对准测量装置作为光刻系统的核心功能模块之一，其对硅片表面内多个对准标记的平面位置进行测量，进而得到硅片整体的旋转、平移和倾斜等情况。利用所获取的掩膜和硅片之间的空间位置测量数据，来精确控制工件台的扫描运动，以确保光刻图案与硅片上已刻图案之间的精准套刻。光刻对准测量装置的测量精度约为光刻系统套刻精度的1/5～1/3，故高精度的光刻对准测量装置对提高光刻系统的套刻精度，进而提升光刻系统的性能具有极其重要的作用。

2、主流光刻系统的对准测量方式主要为同轴对准与离轴对准。同轴对准测量方式是在套刻曝光前实现掩模和工件台之间的对准，离轴对准测量方式是在套刻曝光前实现硅片和工件台之间的对准，通过两者所建立的空间位置关系来实现掩模与硅片之间的间接对准，从而满足光刻系统的套刻精度要求。传统的基于光栅衍射光束干涉的对准测量方法采用复杂的光束偏转光路和多个参考光栅标记实现多级次衍射光束的干涉对准信号的分立探测，再分别提取其干涉对准信号中所携带的对准测量相位信息，这将导致对准测量装置的对准精度受到各级次衍射光束的探测光路稳定性和一致性的影响。同时，复杂的光束偏转光路极易引入系统误差，这对整个装置的光路结构的装调提出了极为苛刻的要求。

3、因此，需要本领域技术人员迫切解决的技术问题是：如何能够在保证实现多级次衍射光束偏折的前提下有效地提升对准测量装置探测信号的稳定性，以及对多个级次对准测量信号进行同步探测，以保证对准测量装置探测信号的一致性，从而提高装置的对准性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置。本发明利用数字微镜阵列替代传统对准测量中的光楔阵列或光楔板来实现对测量光栅标记多级次衍射光束进行偏折，从而提升系统探测信号的稳定性；且在系统中引入多通道光电探测模块，用于对透过参考光栅标记的多级次衍射光束的干涉对准信号进行同步探测与处理。本发明克服了传统对准测量中复杂光束偏折光路影响探测信号稳定性和一致性的挑战。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提出的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述装置包括：第一激光器、第一调制系统、第一准直系统、第一微棱镜、偏振分光棱镜、第一透镜、测量光栅标记、第一空间滤波器、第一数字微镜阵列、第二透镜、第一参考光栅标记、第一光纤束、第一多通道光电探测模块、第二激光器、第二调制系统、第二准直系统、第二微棱镜、相位延迟系统、第三透镜、图像采集系统、第二空间滤波器、第二数字微镜阵列、第四透镜、第二参考光栅标记、第二光纤束、第二多通道光电探测模块。

4、上述各元器件的连接关系为：所有光学元件的光学面中心与入射激光和由测量光栅标记表面产生的多级次衍射光束信号的中心光束形成的光轴重合，所有透镜均垂直于光轴；其中：第一激光器出射端依次放置第一调制系统、第一准直系统；第一准直系统出射的光束经过第一微棱镜、偏振分光棱镜、第一透镜后，对测量光栅标记表面进行照明，由测量光栅标记表面产生的多级次衍射光束经过第一透镜、偏振分光棱镜、第一空间滤波器、第一数字微镜阵列、第二透镜后，在第一参考光栅标记表面形成多级次衍射光束的干涉信号；透过第一参考光栅标记的信号经过第一光纤束后，由第一多通道光电探测模块进行同步探测与处理；第二激光器出射端依次放置第二调制系统、第二准直系统；第二准直系统出射的光束经过第二微棱镜、偏振分光棱镜、相位延迟系统、第一透镜后，对测量光栅标记表面进行照明，由测量光栅标记表面产生的多级次衍射光束经过第一透镜、偏振分光棱镜、相位延迟系统、第二空间滤波器、第二数字微镜阵列、第四透镜后，在第二参考光栅标记表面形成多级次衍射光束的干涉信号；透过第二参考光栅标记的信号经过第二光纤束后，由第二多通道光电探测模块进行同步探测与处理；透过相位延迟系统的激光光束经过第三透镜后，被图像采集系统收集。

5、进一步地，所述的第一调制系统和第二调制系统可以是相位调制器或振幅调制器，或相位调制器、振幅调制器组成的联用系统。

6、进一步地，所述的第一空间滤波器和第二空间滤波器的作用是对由测量光栅标记表面产生的杂散光束进行滤除，且只允许特定级次衍射光束通过，可以是空间光调制器或由多个可调狭缝构成的狭缝阵列。

7、进一步地，所述的第一数字微镜阵列和第二数字微镜阵列的作用是通过控制多个数字式微反射镜单元分别对特定级次衍射光束进行不同角度偏折。

8、进一步地，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜可以是单个透镜或由多个不同类型透镜构成。

9、进一步地，所述的测量光栅标记位于第一透镜的焦平面上，且第一微棱镜和第二微棱镜分别固定在第一空间滤波器和第二空间滤波器上。

10、进一步地，所述的第一参考光栅标记和第二参考光栅标记是由多个透射式振幅型光栅构成，各个透射式振幅型光栅的光栅周期与测量光栅标记的周期及其产生的衍射光束所对应的级次有关。

11、进一步地，所述的相位延迟系统的作用是使激光光束只在线偏振光和圆偏振光两种类型光束之间发生改变，且只允许一部分光束透过相位延迟系统，并经过第三透镜后，被图像采集系统收集。

12、进一步地，所述的第一多通道光电探测模块和第二多通道光电探测模块中的探测部分可以是光电倍增管探测阵列或雪崩光电二极管探测阵列，或光电倍增管探测阵列、雪崩光电二极管探测阵列组成的联用系统。

13、本发明的有益效果在于，通过将传统对准测量方法中利用光楔列阵或光楔板实现多级次衍射光束偏折的方式替换为利用数字微镜阵列实现多级次衍射光束偏折的方式，提升了系统探测信号的稳定性。此外，通过在对准测量系统中引入多通道光电探测模块，用于对透过参考光栅标记的多级次衍射光束的干涉对准信号进行同步探测与处理，从而保证了对准测量信号的一致性，提高了系统的对准性能。

技术特征：

1.一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述装置包括：第一激光器、第一调制系统、第一准直系统、第一微棱镜、偏振分光棱镜、第一透镜、测量光栅标记、第一空间滤波器、第一数字微镜阵列、第二透镜、第一参考光栅标记、第一光纤束、第一多通道光电探测模块、第二激光器、第二调制系统、第二准直系统、第二微棱镜、相位延迟系统、第三透镜、图像采集系统、第二空间滤波器、第二数字微镜阵列、第四透镜、第二参考光栅标记、第二光纤束、第二多通道光电探测模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的第一调制系统和第二调制系统可以是相位调制器或振幅调制器，或相位调制器、振幅调制器组成的联用系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的第一空间滤波器和第二空间滤波器的作用是对由测量光栅标记表面产生的杂散光束进行滤除，且只允许特定级次衍射光束通过，可以是空间光调制器或由多个可调狭缝构成的狭缝阵列。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的第一数字微镜阵列和第二数字微镜阵列的作用是通过控制多个数字式微反射镜单元分别对特定级次衍射光束进行不同角度偏折。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜可以是单个透镜或由多个不同类型透镜构成。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的测量光栅标记位于第一透镜的焦平面上，且第一微棱镜和第二微棱镜分别固定在第一空间滤波器和第二空间滤波器上。

7.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的第一参考光栅标记和第二参考光栅标记是由多个透射式振幅型光栅构成，各个透射式振幅型光栅的光栅周期与测量光栅标记的周期及其产生的衍射光束所对应的级次有关。

8.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的相位延迟系统的作用是使激光光束只在线偏振光和圆偏振光两种类型光束之间发生改变，且只允许一部分光束透过相位延迟系统，并经过第三透镜后，被图像采集系统收集。

9.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，其特征在于所述的第一多通道光电探测模块和第二多通道光电探测模块中的探测部分可以是光电倍增管探测阵列或雪崩光电二极管探测阵列，或光电倍增管探测阵列、雪崩光电二极管探测阵列组成的联用系统。

技术总结
本发明涉及一种用于光刻系统的基于数字微镜阵列的光栅对准测量装置，属于光刻技术领域；本发明采用双波长激光光束进行照明，利用调制系统对照明光束进行调制，使用空间滤波器允许光栅对准标记的特定级次衍射光束透过，并利用数字微镜阵列对透过空间滤波器的衍射光束进行偏折，最后利用多通道光电探测模块对透过参考光栅标记的干涉信号进行同步探测与处理，实现了数字微镜阵列替代传统对准测量中的光楔阵列或光楔板来对多级次衍射光束进行偏折，提高了系统的工艺适用性。本发明结合数字微镜阵列、多通道光电探测模块和空间滤波技术，解决了复杂光束偏转光路影响探测信号稳定性和一致性的问题，从而提高了系统的对准性能。

技术研发人员：王伟波,黄康胜,宋培宇,谭久彬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11