一种对准系统及光刻机的制作方法

1.本发明涉及光刻技术，尤其涉及一种对准系统及光刻机。


背景技术：

2.光刻投影装置可以用于例如集成电路(ic)的制造。光刻过程中一关键步骤是将基底与光刻的装置对准，以便掩膜图案的投射图像在基底的正确位置上。由于光刻技术的半导体和其它器件需要多次曝光，以在器件中形成多层，并且这些层正确地排列非常重要。当成像更小特征时，对重叠的要求以及因此导致的对于对准操作的准确度的要求变得更严格。
3.现有的对准系统中，通常利用自参考棱镜产生衍射光栅两个相对旋转180度的图像，并使之相干叠加，对准位置由叠加之后的信号获得。但是自参考棱镜的加工制造难度大，且自参考棱镜对集成度的要求高，增加了对准系统的成本。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种对准系统及光刻机，以实现降低了对准系统中光学器件的制造和集成难度，降低了成本。
5.第一方面，本发明实施例提供一种对准系统，包括：
6.对准光束产生单元，用于产生对准光束；
7.物镜；所述对准光束经过所述物镜后入射至对准标记上并产生一次衍射光；
8.衍射光回射单元，位于所述物镜远离所述对准标记一侧，且设置于至少一路所述一次衍射光的出射光路上，用于将入射至所述衍射光回射单元的所述一次衍射光反射至所述对准标记上并产生二次衍射光；
9.干涉信息探测单元，设置于所述一次衍射光以及所述二次衍射光的出射光路上，用于探测所述一次衍射光与所述二次衍射光的干涉光强度。
10.可选地，所述衍射光回射单元包括四分之一波片和反射镜，所述四分之一波片位于所述反射镜与所述物镜之间。
11.可选地，所述对准系统包括一个所述衍射光回射单元，所述衍射光回射单元位于所述物镜的光轴一侧。
12.可选地，所述对准系统包括两个所述干涉信息探测单元，分别为第一干涉信息探测单元和第二干涉信息探测单元；所述第一干涉信息探测单元的入射端位于所述物镜的光轴上，所述第二干涉信息探测单元与所述衍射光回射单元位于所述物镜的光轴的相对两侧。
13.可选地，所述第一干涉信息探测单元包括第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一探测器和第二探测器，所述第一二分之一波片位于所述第一偏振分光棱镜的入光面，所述第一探测器和所述第二探测器分别位于所述第一偏振分光棱镜的两个出光面。
14.可选地，所述第二干涉信息探测单元包括第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜、
第三探测器和第四探测器，所述第二二分之一波片位于所述第二偏振分光棱镜的入光面，所述第三探测器和所述第四探测器分别位于所述第二偏振分光棱镜的两个出光面。
15.可选地，所述第一干涉信息探测单元位于0级一次衍射光以及-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光的传播路径上；
16.所述第二干涉信息探测单元位于 1级一次衍射光以及-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光的传播路径上。
17.可选地，所述对准光束产生单元包括多个激光器和光合成器，任意两个所述激光器发射的激光光束的波长不同，所述光合成器位于所述多个激光器的出射光路上，用于将所述多个激光器出射的激光光束合并为一束；
18.所述干涉信息探测单元还包括光分路器和探测器，所述光分路器位于所述探测器的接收光路上，用于将一束入射光按照波长分为多路光并分别出射至所述探测器的多个通道中。
19.可选地，还包括对准光束偏转单元，所述对准光束偏转单元位于所述对准光束产生单元的出射光路上，用于对所述对准光束产生单元产生的对准光束进行偏转，以使对准光束经过所述物镜后入射至所述对准标记上。
20.第二方面，本发明实施例提供一种光刻机，包括第一方面所述的对准系统。
21.本发明实施例提供的对准系统中，衍射光回射单元设置于至少一路一次衍射光的出射光路上，并将入射其中的一次衍射光反射至对准标记产生二次衍射光，通过探测一次衍射光与二次衍射光的干涉光强度，实现对准位置探测。由于本发明实施例通过对对准标记产生的正级次衍射光、0级衍射光或者负级次衍射光分别进行操作，而非现有技术中通过自参考棱镜对衍射图像进行整体180
°
的相对偏转，从而可以无需设置自参考棱镜，以实现降低了对准系统中光学器件的制造和集成难度，降低了成本。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种对准系统的结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的另一种对准系统的结构示意图；
24.图3为本发明实施例提供的一种对准标记的结构示意图；
25.图4为图3中所示对准标记的衍射效率随着对准标记的深度的变化曲线图；
26.图5为10nm标记深度下图1中所示对准系统中0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度随着扫描位置的变化曲线图；
27.图6为10nm标记深度下图1中所示对准系统中 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光的光强度随着扫描位置的变化曲线图；
28.图7为10nm标记深度下采用自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光强度随着扫描位置的变化曲线图；
29.图8为对图5-图7进行归一化处理后的变化曲线图；
30.图9为150nm标记深度下多种对准系统的探测器随着扫描位置的变化曲线图；
31.图10为对图9进行归一化处理后的变化曲线图；
32.图11为衍射效率0.004下重复性精度随着调制深度的变化曲线图；
33.图12为衍射效率0.3548下重复性精度随着调制深度的变化曲线图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
35.图1为本发明实施例提供的一种对准系统的结构示意图，参考图1，对准系统包括对准光束产生单元1、物镜2、衍射光回射单元4和干涉信息探测单元5。对准光束产生单元1用于产生对准光束。对准光束经过物镜2后入射至对准标记3上并产生一次衍射光。示例性地，对准标记3包括衍射光栅，衍射光栅具有周期性结构。入射至对准标记3上的对准光束发生第一次衍射，并产生一次衍射光。衍射光回射单元4位于物镜2远离对准标记3一侧，且设置于至少一路一次衍射光的出射光路上，用于将入射至衍射光回射单元4的一次衍射光反射至对准标记3上并产生二次衍射光。也就是说，衍射光回射单元4将一次衍射光反射至对准标记3上发生第二次衍射，并产生二次衍射光。干涉信息探测单元5设置于一次衍射光以及二次衍射光的出射光路上，用于探测一次衍射光与二次衍射光的干涉光强度。
36.本发明实施例提供的对准系统中，衍射光回射单元设置于至少一路一次衍射光的出射光路上，并将入射其中的一次衍射光反射至对准标记产生二次衍射光，通过探测一次衍射光与二次衍射光的干涉光强度实现对准位置探测。由于本发明实施例通过对对准标记产生的正级次衍射光、0级衍射光或者负级次衍射光分别进行操作，而非现有技术中通过自参考棱镜对衍射图像进行整体180
°
的相对偏转，从而可以无需设置自参考棱镜，以实现降低了对准系统中光学器件的制造和集成难度，降低了成本。
37.可选地，参考图1，对准系统还可以包括对准光束偏转单元6，对准光束偏转单元6位于对准光束产生单元1的出射光路上，用于对对准光束产生单元1产生的对准光束进行偏转，以使对准光束经过物镜2后入射至对准标记3上。
38.可选地，对准光束偏转单元6可以位于物镜2远离对准标记3一侧，且位于物镜2的光轴上。对准光束偏转单元6例如可以为分光棱镜或者偏振分光棱镜。
39.可选地，参考图1，衍射光回射单元4包括四分之一波片42和反射镜41，四分之一波片42位于反射镜41与物镜2之间。
40.示例性地，参考图1，p偏振的线偏振光入射至四分之一波片42以及反射镜41，被反射镜41反射并再次经过四分之一波片42后变为s偏振的线偏振光。其中，p偏振的线偏振光指的是偏振方向在入射面内且偏振方向与光线的传播方向垂直的线偏振光；s偏振的线偏振光指的是偏振方向垂直于入射面的线偏振光。如果图1中对准光束产生单元1产生的对准光束为s偏振的线偏振光，s偏振的线偏振光入射至四分之一波片42以及反射镜41，被反射镜41反射并再次经过四分之一波片42后变为p偏振的线偏振光。
41.示例性地，四分之一波片42的快轴与p偏振的线偏振光偏振方向的夹角为45
°
，四分之一波片42的快轴与s偏振的线偏振光偏振方向的夹角为45
°
。
42.可选地，参考图1，对准系统包括一个衍射光回射单元4，衍射光回射单元4位于物镜2的光轴一侧。干涉信息探测单元5探测一次衍射光与二次衍射光形成的干涉光的强度。
43.示例性地，参考图1，衍射光回射单元4位于物镜2的光轴一侧，衍射光回射单元4位于负级一次衍射光的出射光路上。负级一次衍射光指的是一次衍射光中的负级次衍射光，例如-1级一次衍射光。在其他实施方式中，衍射光回射单元4还可以位于正级一次衍射光的
出射光路上。正级一次衍射光指的是一次衍射光中的正级次衍射光，例如 1级一次衍射光。
44.可选地，参考图1，对准系统包括两个干涉信息探测单元5，分别为第一干涉信息探测单元51和第二干涉信息探测单元52。第一干涉信息探测单元51的入射端位于物镜2的光轴上，第二干涉信息探测单元52与衍射光回射单元4位于物镜2的光轴的相对两侧。
45.可选地，参考图1，衍射光回射单元4包括四分之一波片42和反射镜41，四分之一波片42位于反射镜41与物镜2之间。第一干涉信息探测单元51包括第一二分之一波片511、第一偏振分光棱镜512、第一探测器513和第二探测器514，第一二分之一波片511位于第一偏振分光棱镜512的入光面，第一探测器513和第二探测器514分别位于第一偏振分光棱镜512的两个出光面。第二干涉信息探测单元52包括第二二分之一波片521、第二偏振分光棱镜522、第三探测器523和第四探测器524，第二二分之一波片521位于第二偏振分光棱镜522的入光面，第三探测器523和第四探测器524分别位于第二偏振分光棱镜522的两个出光面。本发明实施例中，使用4个探测器501(包括第一探测器513、第二探测器514、第三探测器523和第四探测器524)，从而可以根据具体的工艺膜层以及对准标记3的衍射效率来决定使用哪一个探测器501探测到的光信号实现对准。另外，使用4个探测器501还有利于后续拟合过程中的信号处理，例如通过对两个探测器501的光信号做差值可以获取噪声信息，进一步地可以据此减少噪声信息甚至消除噪声信息。
46.示例性地，第一二分之一波片511的快轴与p偏振的线偏振光偏振方向的夹角为22.5
°
，第一二分之一波片511的快轴与s偏振的线偏振光偏振方向的夹角为22.5
°
。第二二分之一波片521的快轴与p偏振的线偏振光偏振方向的夹角为22.5
°
，第二二分之一波片521的快轴与s偏振的线偏振光偏振方向的夹角为22.5
°
。
47.为了便于理解，本发明实施例以
±
1级衍射以及0级衍射光为例对图1所示的对准系统的工作原理做简要的介绍，但并不以此为限，根据物镜数值孔径的大小，高级次衍射也有可能被捕获。
48.示例性地，参考图1，对准光束产生单元1产生的对准光束为p偏振的线偏振光。p偏振的线偏振光经过物镜2后入射至对准标记3上并产生一次衍射光。一次衍射光中的-1级一次衍射光经过物镜2后入射至衍射光回射单元4，由衍射光回射单元4出射的光变为s偏振的线偏振光，s偏振的线偏振光入射至对准标记3产生二次衍射光。此时，0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光沿相同的光路传播，并被第一干涉信息探测单元51接收。具体地，0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光经过物镜2后，这两路光的偏振方向被第一二分之一波片511偏转45
°
，然后经过第一偏振分光棱镜512后，相同偏振态的光将发生干涉，并被第一探测器513和第二探测器514分别接收。 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光沿相同的光路传播，并被第二干涉信息探测单元52接收。具体地， 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光经过物镜2后，这两路光的偏振方向被第二二分之一波片521偏转45
°
，然后经过第二偏振分光棱镜522后，相同偏振态的光将发生干涉，并被第三探测器523和第四探测器524分别接收。需要说明的是，对准光束产生单元1产生的对准光束也可以为s偏振的线偏振光，本发明实施例对此不作限定。
49.对准标记3的衍射级次光场可以表示为：
50.51.其中，n为衍射级次，p为衍射光栅的周期，x为工件台扫描位置，在此我们先假设振幅为1。以下计算我们以 /-1衍射级次以及0级衍射级次的相干为例。
[0052]-1级一次衍射光经过物镜2、四分之一波片42、反射镜41，四分之一波片42，物镜2之后的光场为：
[0053][0054]
其中，j为各光学器件的琼斯矩阵，e
in
为入射光场，e-1
为-1级一次衍射光的光场，为了简化，这里将入射光场定义为(0；1)。上式中并没有把 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光产生之间的光程考虑进去，在下面的公式中，我们添加一个φ相位。
[0055]
1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光沿相同的光路传播，经第二二分之一波片521和第二偏振分光棱镜522之后的相干光场为：
[0056][0057]
所以，第四探测器524接收到的光强为：
[0058][0059]
第三探测器523接收到的光强：
[0060][0061]
类似地，0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光沿相同的光路传播，经第一二分之一波片511和第一偏振分光棱镜512之后的相干光场为：
[0062][0063]
其中φ为0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光之间相位差。
[0064]
所以，第二探测器514接收到的光强为：
[0065][0066]
第一探测器513接收到的光强为：
[0067][0068]
综上可以看出光强度随着工件台的扫描位置而改变，并且信号为一余弦波，但是上述公式中的φ是一个随着入射波长、对准标记3的光栅周期和衍射级次变化的值，这就要求我们在探测器501初始设置中通过测量来确定各入射波长、对准标记3的光栅周期和衍射级次之间的差值，并作为写入机器常数作为一个矫正值。
[0069]
图2为本发明实施例提供的另一种对准系统的结构示意图，参考图2，对准光束产生单元1包括多个激光器101和光合成器15，任意两个激光器101发射激光光束的波长不同，光合成器15位于多个激光器101的出射光路上，用于将多个激光器101出射的激光光束合并为一束。干涉信息探测单元5还包括光分路器502和探测器501，光分路器502位于探测器501的接收光路上，用于将一束入射光按照波长分为多路光并分别出射至探测器501的多个不同探测通道中。
[0070]
示例性地，对准光束产生单元1包括第一激光器11、第二激光器12、第三激光器13和第四激光器14。第一激光器11出射的激光光束为第一波长的p偏振的线偏振光，第二激光器12出射的激光光束为第二波长的s偏振的线偏振光，第三激光器13出射的激光光束为第三波长的p偏振的线偏振光，第四激光器14出射的激光光束为第四波长的s偏振的线偏振光。第一干涉信息探测单元51包括第一光分路器515和第二光分路器516，第一光分路器515位于第一偏振分光棱镜512与第一探测器513之间。第二光分路器516位于第一偏振分光棱镜512与第二探测器514之间。第二干涉信息探测单元52包括第三光分路器525和第四光分路器526，第三光分路器525位于第二偏振分光棱镜522与第三探测器523之间。第四光分路器526位于第二偏振分光棱镜522与第四探测器524之间。本发明实施例中，第一探测器513、第二探测器514、第三探测器523和第四探测器524可以为四通道探测器，分别探测四个波长的光信号。
[0071]
本发明实施例还提供一种光刻机，包括上述实施例中的对准系统。光刻机还可以包括曝光系统、掩膜台系统、照明系统等，在此不再一一赘述。由于本发明实施例提供的光刻机包括上述实施例中的对准系统，因此降低了光刻机的制作成本。
[0072]
本发明实施例还给出上述实施例中的对准系统的各项性能评估。图3为本发明实施例提供的一种对准标记的结构示意图，图4为图3中所示对准标记的衍射效率随着对准标记的深度的变化曲线图，参考图3和图4，采取简单的硅/空气对准标记，并且取对准标记3的周期p＝16μm，工件台的扫描长度为40μm。对于0级衍射光，对准标记3的标记深度h＝10nm时的衍射效率为0.3528；对准标记3的标记深度h＝150nm时的衍射效率为0.0123。对于1级衍射光( 1级衍射光或者-1级衍射光)，对准标记3的标记深度h＝10nm时的衍射效率为0.002；对准标记3的标记深度h＝150nm时的衍射效率为0.1353。
[0073]
图5为10nm标记深度下图1中所示对准系统中0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度随着扫描位置的变化曲线图，图6为10nm标记深度下图1中所示对准系统中 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光的光强度随着扫描位置的变化曲线图，图7为10nm标记深度下采用自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光强度随着扫描位置的变化曲线图，参考图5-图7，10nm标记深度下对准标记3的衍射效率较低。0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度较大。 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光的光强度有所减弱，比0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度下降了两个数量级。自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光强度比0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度下降了两个数量级。
[0074]
图8为对图5-图7进行归一化处理后的变化曲线图，参考图8，“0级1次和-1x-1”代
表图1中所示对准系统中0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光。“ 1级1次和-1x0”代表图1中所示对准系统中 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光，“参考光”代表采用自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光。由图8可见，采用自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光的对比度为100％， 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光的对比度为93％，0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的对比度大约为1％。
[0075]
图9为150nm标记深度下，多种对准系统的探测器随着扫描位置的变化曲线图，参考图9，与图8中相同标记的含义在此不再赘述。150nm标记深度下对准标记3的衍射效率较高。0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度最高。 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光的光强度次之，光强度约为自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光强度的三分之一。0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的光强度，约为自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光强度的十分之一。
[0076]
图10为对图9进行归一化处理后的变化曲线图，参考图10，与图8中相同标记的含义在此不再赘述。采用自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光的对比度为100％，0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光的对比度为99％， 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光的对比度为33％。
[0077]
图11为衍射效率0.004下，重复性精度随着调制深度的变化曲线图，图12为衍射效率0.3548下，重复性精度随着调制深度的变化曲线图，参考图11和图12，调制深度和光强度(即对准标记3的衍射效率)直接影响对准的重复性精度。从图11和图12中可以看出，即使在调制深度为0.01的情况下，只要有足够的光强度(衍射效率大于0.1)，重复性精度影响可以控制在0.4nm以下，这种工况对应于0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光。对应于 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光，较高的调制深度和较低的光强度，以及较高的光强度和较低的调制深度，其重复性精度影响均小于0.2nm。对应于-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光与 1级一次衍射光激发的 1级二次衍射光形成干涉光，调制深度为1时，随着光强度变弱，重复性精度将会大于0.8nm。
[0078]
对于0级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的-1级二次衍射光形成干涉光，对准标记3的标记深度h＝10nm时的重复性精度为2.5nm；对准标记3的标记深度h＝150nm时的重复性精度为0.019nm。对于 1级一次衍射光与-1级一次衍射光激发的0级二次衍射光形成干涉光，对准标记3的标记深度h＝10nm时的重复性精度为0.025nm；对准标记3的标记深度h＝150nm时的重复性精度为0.083nm。对于自参考棱镜的对准系统中探测器探测到的光，对准标记3的标记深度h＝10nm时的重复性精度为0.02nm；对准标记3的标记深度h＝150nm时的重复性精度为0.018nm。
[0079]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。