專利名稱：多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體制造的光刻設(shè)備，尤其涉及一種多平臺光 刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)多平臺 光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和加工制造技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵尺寸(CD Critical Demotion)越來越小，加工制造的難度也越來越大。在 現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝中，半導(dǎo)體器件主要通過光刻將設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到各 種生長在硅片表面的薄膜上,然后通過各種刻蝕手段形成圖形。在這當(dāng)中， 光刻技術(shù)直接決定著實(shí)際制造中半導(dǎo)體器件所能達(dá)到的最小關(guān)鍵尺寸。而 在光刻工藝中，對焦深度(DOFD印th of Focus)的大小直接決定了工藝 所能實(shí)現(xiàn)的最小關(guān)鍵尺寸大小。而在0.18um以下的光刻工藝中，對焦深 度的大小可以和硅片表面的起伏相比擬甚至更小。因此在實(shí)際曝光中，必 須嚴(yán)格保持硅片在曝光光路的焦平面上，否則一旦發(fā)生偏移，就會極大地 損失對焦深度并造成圖形畸變。因此如何保證探測的精確性將極大地影響 到實(shí)際硅片控制系統(tǒng)所能達(dá)到的精度?，F(xiàn)在一般通過探測出硅片水平面和 曝光光路光軸之間的夾角，然后通過實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)調(diào)整硅片的控制臺來調(diào) 整硅片的位置，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示在曝光前依靠寬頻白光光源或可 見激光作為探測光束3掠入射到硅片2表面，然后通過探測器7收集反射
光強(qiáng)度，通過探測硅片平臺1不同的位置時(shí)反射光的強(qiáng)度變化來判斷硅片是否處于水平狀態(tài)，調(diào)整完以后開始正常曝光，曝光光束6通過掩模板5 和透鏡6入射到硅片2表面進(jìn)行曝光。這種技術(shù)簡單易行，但是存在以下 幾個(gè)問題1，用于探測硅片水平位置的光源和曝光光源非共軸，制約了 水平控制的精度。2，由于使用的光源波長較長，對焦深度較大，往往容 易受到襯底圖案的干擾，無法探測到硅片真正的表面，影響探測精度。尤 其在0. 18um工藝代以下的時(shí)候，硅片表面透光層的厚度就可以和對焦深 度的大小相比擬甚至更小，這個(gè)問題將變得更加嚴(yán)重。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和 自動對焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提高硅片水平控制系統(tǒng)的探測精度，從而提高工 藝水平和降低工藝成本，還能提高光刻機(jī)的生產(chǎn)速度。為此，本發(fā)明還提 供一種實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和 自動對焦系統(tǒng)，包括用于放置硅片并步進(jìn)調(diào)節(jié)水平、垂直位置的至少一 個(gè)曝光平臺和至少一個(gè)校準(zhǔn)平臺；位于曝光平臺和校準(zhǔn)平臺之前的主透 鏡；位于主透鏡之前的用于對探測光束和反射光束進(jìn)行空間調(diào)制的校準(zhǔn) 板；位于校準(zhǔn)板之前或之后的用于對反射光束進(jìn)行分光的分束板；用于將 在硅片表面反射所形成的像進(jìn)行收集放大的投影透鏡和焦平面空間像收 集探測器陣列;用于對接收焦平面空間像收集探測器陣列所放大的像進(jìn)行 處理和位置計(jì)算并將其反饋至校準(zhǔn)平臺和曝光平臺的反饋控制系統(tǒng)；探測光束與曝光光束同光路直接通過主透鏡照射到硅片表面并通過 收集原光路返回的反射光進(jìn)行探測，然后由反饋控制系統(tǒng)對硅片位置進(jìn)行 控制調(diào)節(jié)。所述的校準(zhǔn)板是用來對入射光和反射光進(jìn)行空間調(diào)制的帶測試圖形 的遮光板或者遮光的光圈、狹縫。所述校準(zhǔn)板上的測試圖形為單個(gè)圖形或由多個(gè)圖形組成的一組圖形, 該測試圖形和掩膜板上的圖形相同，或者是一組套刻的標(biāo)記，或者是其他 測試圖形，可以進(jìn)行靜態(tài)的比對和動態(tài)的比對。如果校準(zhǔn)板上的測試圖形為3個(gè)以上，通過一次測量就能定出整個(gè)平 面的位置；如果校準(zhǔn)板上的測試圖形小于3個(gè)，通過至少三次分離測量， 然后組合起來定出整個(gè)平面的位置。所述的校準(zhǔn)板為一塊或二塊。所述的探測光束直接通過主透鏡沿主光軸垂直入射。 所述的探測光束是400 700nm的可見光，或汞燈的g線、i線，或248nm、 193nm、 157nm的真空紫外光。本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦的方法，包括如下步驟步驟l,進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，使校準(zhǔn)平臺與曝光平臺同步；步驟2，校準(zhǔn)平臺步進(jìn)掃描，探測光束通過校準(zhǔn)板上特定的測試圖形調(diào)制，然后通過主透鏡入射到硅片表面，經(jīng)硅片表面反射后沿原光路通過 校準(zhǔn)板返回，再通過分束板被引出后，通過投影透鏡成像在焦平面空間像收集探測器陣列上，通過像的對比度變化，計(jì)算出硅片位置；步驟3，判斷水平位置和對焦是否最佳，如果是最佳，通過反饋控制
系統(tǒng)將校準(zhǔn)平臺數(shù)據(jù)傳送至曝光平臺，硅片傳送至曝光平臺，然后曝光開 始；如果不是最佳，通過反饋控制系統(tǒng)將測量結(jié)果反饋給硅片平臺，調(diào)整硅片位置，再返回到步驟2。步驟2中可以使用一塊或二塊校準(zhǔn)板對接收到的光束進(jìn)行空間調(diào)制。步驟2中通過對校準(zhǔn)板進(jìn)行動態(tài)圖形的比對來確定硅片和主光軸的 準(zhǔn)直性，分束板以固定基準(zhǔn)頻率w振動，探測到的反射光的強(qiáng)度會以2w 振動，通過比對收集到的曲線，處理后對硅片位置進(jìn)行判定。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明通過提高硅片水 平控制系統(tǒng)的探測精度并對硅片平臺進(jìn)行反饋控制，可以大大提高硅片平 臺的控制精度，降低了 0. 18um及以下光刻技術(shù)中水平控制精度不足引起 的工藝對焦深度的降低，而這正是制約目前O. 18um及以下工藝量產(chǎn)的一 個(gè)大問題。此外，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)自動對焦，從而提高硅片水平控制系統(tǒng)的 精度加大光刻工藝窗口，大大降低光刻技術(shù)對光刻設(shè)備的要求，降低設(shè)備 成本，提高制造工藝。同時(shí)由于引入了多平臺系統(tǒng)，可以在曝光的同時(shí)進(jìn) 行校準(zhǔn)，大大提高了生產(chǎn)速度。


圖1是現(xiàn)有的硅片載物臺控制系統(tǒng)的示意圖；圖2是本發(fā)明多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)實(shí)施例之 一的示意圖；圖3是本發(fā)明多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)實(shí)施例之 二的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 本發(fā)明采用光學(xué)共焦探測方法進(jìn)行探測，然后通過反饋控制系統(tǒng)，利 用探測的結(jié)果對硅片位置進(jìn)行反饋控制。所述的光學(xué)共焦探測方法是利用 校準(zhǔn)板對探測光束進(jìn)行空間調(diào)制以后入射到硅片表面，其在硅片表面的反 射光束將通過原光路返回，同樣經(jīng)過校準(zhǔn)板調(diào)制以后成像，然后對所成的 像進(jìn)行探測。利用光學(xué)中常用的共焦探測方法，利用光路可逆原理，當(dāng)硅 片正好位于成像光路的焦平面上時(shí)，入射光與反射光同光路，曝光光束在 硅片表面反射以后的反射光原路返回?；谶@個(gè)原理，通過探測反射光和 入射光的方向、強(qiáng)度等區(qū)別就可以精確計(jì)算出硅片的實(shí)際位置。實(shí)際曝光 時(shí)，先用這種技術(shù)探測像的質(zhì)量然后反饋調(diào)整控制臺進(jìn)行自動對焦達(dá)到最 佳狀態(tài)，然后再對硅片進(jìn)行曝光。
本發(fā)明系統(tǒng)中用來探測和成像的光都是利用曝光本身所使用的超短脈沖激光，其波長可以是汞燈的g線，i線，或248nm， 193nm， 157nm等 其他可以用來進(jìn)行曝光的波長。這種控制系統(tǒng)由于探測光波長可以和曝光 激光波長相同或更小， 一般是157， 193或者248nm，大大小于目前使用 的白光光源和可見激光光源，其對焦深度很小，可以精確探測出硅片的表 面，保證了水平控制的精度。另一個(gè)好處是由于在曝光前，可以利用此 技術(shù)進(jìn)行自動對焦，大大增加了工藝窗口，可以對現(xiàn)有的光刻設(shè)備適用的 工藝代進(jìn)行延伸，大大降低半導(dǎo)體制造中光刻工藝對設(shè)備的依賴程度，大 幅度降低0. 13um以下半導(dǎo)體工藝的研發(fā)和生產(chǎn)成本。
根據(jù)使用的校準(zhǔn)板的數(shù)量不同，可以有不同的具體實(shí)施方式
，如圖2， 圖3所示。如圖2所示，只使用一塊校準(zhǔn)板。此時(shí)包含三個(gè)過程系統(tǒng)校準(zhǔn)，硅 片測量調(diào)整和切換平臺。具體流程如圖4所示步驟l，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，使校準(zhǔn)平臺與曝光平臺同步； 步驟2,校準(zhǔn)平臺步進(jìn)，通過像的對比度變化，計(jì)算出硅片位置； 步驟3，判斷水平位置和對焦是否最佳，如果是最佳，校準(zhǔn)平臺數(shù)據(jù) 傳送曝光平臺，硅片傳送至曝光平臺，然后曝光開始；如果不是最佳，將 測量結(jié)果反饋給硅片平臺，調(diào)整硅片位置，再返回到步驟2。首先，要進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，其目的有兩個(gè)，第一是將掩膜板和校準(zhǔn)板進(jìn) 行基準(zhǔn)校準(zhǔn)，這是為了保證探測的準(zhǔn)確性。第二是將校準(zhǔn)平臺和曝光平臺 的坐標(biāo)系進(jìn)行校準(zhǔn)，保證在硅片切換平臺后，在校準(zhǔn)平臺上取得的位置數(shù) 據(jù)可以反饋給曝光平臺使用，保證切換平臺以后硅片位置的準(zhǔn)確性。如圖2所示，校準(zhǔn)完成后，探測光束16通過校準(zhǔn)板上特定的測試圖 形調(diào)制，然后通過主透鏡13入射到硅片12表面，然后經(jīng)硅片12表面反 射后沿原光路通過校準(zhǔn)板14上的測試圖形返回，通過分束板15被引出后， 通過投影透鏡17成像在焦平面空間像收集探測器陣列18上。當(dāng)探測光束 16與硅片12表面垂直且對焦良好的情況下，反射光絕大部分可以通過原 光路返回穿過校準(zhǔn)板14，此時(shí)反射光所成的像對比度最好而且強(qiáng)度最強(qiáng); 如果硅片12位置沒有調(diào)整好，則所成的像強(qiáng)度和對比度都會變差甚至消 失。因此當(dāng)硅片校準(zhǔn)平臺11在X， Y， Z方向步進(jìn)掃描時(shí)，通過分析像的 強(qiáng)度和對比度可以將硅片12的位置調(diào)整到最佳。
如圖3所示，使用二塊校準(zhǔn)板，分束板放置在校準(zhǔn)板14A的前方。因 為共焦探測中穿過校準(zhǔn)板的透射光和原路返回進(jìn)入探測光路中的反射光 與背景光強(qiáng)相比要弱很多，為了提高測量精度，可以在探測光路中增加一 塊校準(zhǔn)板對接收到的光進(jìn)行空間調(diào)制來降低背景光的通過，提高信躁比。 校準(zhǔn)板可以是一塊實(shí)際的帶圖形的遮光板，也可以是一個(gè)遮光的光圈，狹 縫等結(jié)構(gòu)。其主要作用是對反射光進(jìn)行調(diào)制，用來限制光的收集，使得只 有那些沿原光路返回的光才能最終被收集探測。除了硅片12測量調(diào)整與 圖2所示的方法不同以外，其他調(diào)整步驟和方法與圖2所示的方法相同。校準(zhǔn)完成后，探測光束16通過校準(zhǔn)板14A上特定的測試圖形調(diào)制， 然后通過主透鏡13入射到硅片12表面，經(jīng)硅片12表面反射后沿原光路 通過校準(zhǔn)板14A上的測試圖形返回，通過分束片15被引出后，此時(shí)校準(zhǔn) 板14B對反射光進(jìn)行空間調(diào)制，使得只有通過原光路返回的反射光才能進(jìn) 入后續(xù)的光路，而絕大部分背景光將被濾掉。然后反射光通過投影透鏡 17成像在焦平面空間像收集探測器陣列18上。當(dāng)探測光束16與硅片12 表面垂直且對焦良好的情況下，反射光絕大部分可以通過原光路返回穿過 校準(zhǔn)板14A和校準(zhǔn)板14B,此時(shí)反射光所成的像對比度最好而且強(qiáng)度最強(qiáng)； 如果硅片12位置沒有調(diào)整好，則所成的像強(qiáng)度和對比度都會變差甚至消 失。因此當(dāng)硅片校準(zhǔn)平臺11步進(jìn)掃描時(shí)，通過分析像的強(qiáng)度和對比度可 以將硅片12的位置調(diào)整到最佳。因?yàn)楣步固綔y中穿過校準(zhǔn)板的透射光和原路返回進(jìn)入探測光路中的 反射光與背景光強(qiáng)相比要弱很多，為了提高測量精度，不光可以通過直接 比對固定靜態(tài)圖形來確定硅片和主光軸的準(zhǔn)直性，還可以進(jìn)行動態(tài)的圖形 的比對。分光片可以以固定基準(zhǔn)頻率W振動，然后根據(jù)反射定律探測反射 光的強(qiáng)度應(yīng)該以2W振動，通過比對收集到的曲線，進(jìn)行處理可以進(jìn)行硅 片位置的判定。
權(quán)利要求
1、一種多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)，其特征在于，包括用于放置硅片并步進(jìn)調(diào)節(jié)水平、垂直位置的至少一個(gè)曝光平臺和至少一個(gè)校準(zhǔn)平臺；位于曝光平臺和校準(zhǔn)平臺之前的主透鏡；位于主透鏡之前的用于對探測光束和反射光束進(jìn)行空間調(diào)制的校準(zhǔn)板；位于校準(zhǔn)板之前或之后的用于對反射光束進(jìn)行分光的分束板；用于將在硅片表面反射所形成的像進(jìn)行收集放大的投影透鏡和焦平面空間像收集探測器陣列；用于對接收焦平面空間像收集探測器陣列所放大的像進(jìn)行處理和位置計(jì)算并將其反饋至校準(zhǔn)平臺和曝光平臺的反饋控制系統(tǒng)；探測光束與曝光光束同光路直接通過主透鏡照射到硅片表面并通過收集原光路返回的反射光進(jìn)行探測，然后由反饋控制系統(tǒng)對硅片位置進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系 統(tǒng)，其特征在于，所述的校準(zhǔn)板是用來對入射光和反射光進(jìn)行空間調(diào)制的 帶測試圖形的遮光板或者遮光的光圈、狹縫。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系 統(tǒng)，其特征在于，所述校準(zhǔn)板上的測試圖形為單個(gè)圖形或由多個(gè)圖形組成 的一組圖形，該測試圖形和掩膜板上的圖形相同，或者是一組套刻的標(biāo)記， 或者是其他測試圖形，可以進(jìn)行靜態(tài)的比對和動態(tài)的比對。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系 統(tǒng)，其特征在于，如果所述校準(zhǔn)板上的測試圖形為3個(gè)以上，通過一次測 量就能定出整個(gè)平面的位置；如果所述校準(zhǔn)板上的測試圖形小于3個(gè)，通過至少三次分離測量，然后組合起來定出整個(gè)平面的位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系 統(tǒng)，其特征在于，所迷的桉準(zhǔn)板為一塊或二塊。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系 統(tǒng)，其特征在于，所述的探測光束直接通過主透鏡沿主光軸垂直入射。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系 統(tǒng)，其特征在于，所述的探測光束是400 700nm的可見光，或汞燈的g 線、i線，或248nm、 193nm、 157nm的真空紫外光。
8、 一種實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦的方法，其特征 在于，包括如下步驟步驟l，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，使校準(zhǔn)平臺與曝光平臺同步； 步驟2，校準(zhǔn)平臺步進(jìn)掃描，探測光束通過校準(zhǔn)板上特定的測試圖形 調(diào)制，然后通過主透鏡入射到硅片表面，經(jīng)硅片表面反射后沿原光路通過 校準(zhǔn)板返回，再通過分束板被引出后，通過投影透鏡成像在焦平面空間像 收集探測器陣列上，通過像的對比度變化，計(jì)算出硅片位置；步驟3，判斷水平位置和對焦是否最佳，如果是最佳，通過反饋控制 系統(tǒng)將校準(zhǔn)平臺數(shù)據(jù)傳送至曝光平臺，硅片傳送至曝光平臺，然后曝光開 始；如果不是最佳，通過反饋控制系統(tǒng)將測量結(jié)果反饋給硅片平臺，調(diào)整 硅片位置，再返回到步驟2。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對 焦的方法，其特征在于，步驟2中可以使用一塊或二塊校準(zhǔn)板對接收到的 光束進(jìn)行空間調(diào)制。 10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對 焦的方法，其特征在于，步驟2中通過對校準(zhǔn)板進(jìn)行動態(tài)圖形的比對來確 定硅片和主光軸的準(zhǔn)直性，分束板以固定基準(zhǔn)頻率w振動，探測到的反射 光的強(qiáng)度會以2w振動，通過比對收集到的曲線，處理后對硅片位置進(jìn)行判定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)曝光平臺、至少一個(gè)校準(zhǔn)平臺、主透鏡、校準(zhǔn)板、分束板、投影透鏡、焦平面空間像收集探測器陣列和反饋控制系統(tǒng)。探測光束與曝光光束同光路直接通過主透鏡照射到硅片表面并通過收集原光路返回的反射光進(jìn)行探測，然后由反饋控制系統(tǒng)對硅片位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明還公開了利用上述多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多平臺光刻機(jī)硅片水平控制和自動對焦的方法。本發(fā)明能提高硅片水平控制系統(tǒng)的探測精度，從而提高光刻機(jī)對硅片水平位置的控制精度，可以提高工藝水平和降低工藝成本，還能提高光刻機(jī)的生產(chǎn)速度。
文檔編號G03F9/00GK101126908SQ20061003011
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者強(qiáng) 伍, 雷 王 申請人:上海華虹Nec電子有限公司