專利名稱：圖形定位精度檢測裝置及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖形定位裝置及其使用方法，特別涉及用于光刻機(jī)的掩模版圖形定位精度檢測裝置及其檢測方法。

背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域，半導(dǎo)體元件生產(chǎn)一般都需要進(jìn)行多層曝光來實(shí)現(xiàn)，不同層都需要各自的掩模版，而不同層掩模版之間要求有嚴(yán)格的套刻精度，它是限制產(chǎn)品性能的一個重要因素，為了提高產(chǎn)品的良率，需要對掩模版上的圖形定位精度進(jìn)行精確測量。
目前的掩模圖形定位精度都是通過精確定位圖像邊緣的方法計算圖像中心的位置，原理是通過光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡將光斑聚焦到一個很小的點(diǎn)，然后通過邊緣檢測方法得到一個邊的位置，再通過相同的方法得到另外一個邊的位置，通過計算得到中心的位置，LEICA公司的IPRO圖形定位檢測裝置就是通過光學(xué)顯微鏡的方法進(jìn)行測量的(SPIE Vol.4562，p.237-246(2002))，該測量系統(tǒng)光路分為成像光路(imaging optic)，激光自動對焦光路(laser autofocus)，圖像對準(zhǔn)光路(alignment imaging optic)和透視照明光路。
上述裝置的缺點(diǎn)是(1)由于需要對細(xì)小的線條進(jìn)行分辨和成像，需要使用較短的波長和較大的數(shù)值孔徑(NA)，LEICA的波長為360-410nm，數(shù)值孔徑最大為0.9，這給光學(xué)加工和制造帶來較大的困難；(2)當(dāng)測量小線條，選擇使用大數(shù)值孔徑時的工作距離特別短，只有250um，這樣當(dāng)掩模版上有保護(hù)膜時就無法進(jìn)行測量；(3)為了使自動對焦系統(tǒng)，對準(zhǔn)系統(tǒng)和成像系統(tǒng)合并到一個系統(tǒng)中并且不相互影響，該系統(tǒng)需要采用三種波段的波長，成像系統(tǒng)為360-410nm，自動對焦系統(tǒng)為903nm，對準(zhǔn)系統(tǒng)為440-770nm，這增加了光學(xué)鍍膜的難度；(4)由于定位信息是由圖像傳感器定位誤差和掩模板版測量系統(tǒng)定位共同確定的，圖像傳感器上的圖像定位誤差將很大程度上影響最終的誤差結(jié)果；(5)圖像傳感器成像光路誤差也將會導(dǎo)致定位誤差。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種通過光學(xué)干涉精確測量圖形標(biāo)記的位置變化，同時將對準(zhǔn)光路，照明光路和位置探測光路集成到同一個光路中的圖形定位精度檢測裝置及其檢測方法，以提高掩模圖像位置檢測精度，從而滿足更高的套刻要求。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案 一種圖形定位檢測裝置，用于測量圖形標(biāo)記的位置變化，所述裝置包括沿探測光路依次排列的相移模塊、透射聚焦光學(xué)模塊、掩模臺、分光棱鏡、準(zhǔn)直模塊、45度設(shè)置的分光鏡以及位于所述分光鏡第一出射面上的對準(zhǔn)傳感器，所述掩模臺用于承載具有所述圖形標(biāo)記的掩模版；所述裝置還包括照明光源模塊，其出射光經(jīng)過一照明聚焦模塊后，通過所述分光棱鏡照射到掩模版的上表面；激光光源模塊，其出射光通過一分光模塊分為一束參考光和一束透射光，所述參考光通過一參考光單模光纖入射至所述分光棱鏡，所述透射光通過一透射光單模光纖入射至所述透射聚焦光學(xué)模塊；所述分光鏡的第二出射面上還設(shè)有一成像模塊和一圖像傳感器；所述裝置還包括與上述各部件相連的主控機(jī)。
在上述的圖形定位檢測裝置中，所述透射聚焦光學(xué)模塊固定在所述相移模塊上，該相移模塊可以垂向移動。
在上述的圖形定位檢測裝置中，所述透射光和參考光是來自所述激光光源模塊同一出射光的相干光。
在上述的圖形定位檢測裝置中，所述參考光和透射光通過所述分光棱鏡進(jìn)行合并。
在上述的圖形定位檢測裝置中，所述掩模臺可在X、Y、Z方向精確移動。
在上述的圖形定位檢測裝置中，所述主控機(jī)控制激光光源模塊產(chǎn)生激光和調(diào)節(jié)光強(qiáng)、控制照明光源模塊開關(guān)和光強(qiáng)、控制相移模塊移動、掩模臺移動以及傳感器的圖像信息分析。
采用本發(fā)明的圖形定位檢測裝置的檢測方法，是通過所述透射光和參考光進(jìn)行干涉的方法，測量透射光的波前變化，從而計算出圖形的位置，所述方法包括下列步驟 (1) 主控機(jī)控制照明光源模塊打開并調(diào)節(jié)光強(qiáng)，讓照明光照射到掩模版上圖形的一個較大范圍； (2) 通過圖像傳感器接收所述圖形的圖像信息； (3) 通過圖像傳感器作圖像分析找到需要進(jìn)行精確定位的圖形，并由主控機(jī)控制對圖形進(jìn)行粗定位； (4) 關(guān)閉照明光源模塊，開啟激光光源模塊； (5) 通過對準(zhǔn)傳感器分析圖形表面的離焦和偏離； (6) 控制圖形的移動位置，使之達(dá)到最佳的焦面和傾斜位置； (7) 主控機(jī)根據(jù)對準(zhǔn)傳感器記錄的圖形位置計算得到該圖形的精確位置信息。
本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果 1、簡化定位測量系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性； 2、不需要使用較短的波長和較大的數(shù)值孔徑，就可以實(shí)現(xiàn)精確的定位測量； 3、可以有較大的工作距離，當(dāng)掩模版上有保護(hù)膜時也能進(jìn)行高精度測量； 4、照明和對準(zhǔn)都使用可見波段進(jìn)行測量，簡化系統(tǒng)的鍍膜設(shè)計，降低成本； 5、通過圖像傳感器接收到透視圖形的波前信息而不是圖像位置信息進(jìn)行定位計算，可以有效消除圖像傳感器上的圖像定位誤差的影響； 6、透射光和參考光采用相同的光路，有效的消除準(zhǔn)直系統(tǒng)對定位誤差的影響。



通過以下對本發(fā)明實(shí)施例結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解其發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為本發(fā)明圖形定位精度檢測裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的圖形定位精度檢測裝置是利用光纖作為傳輸光路，利用照明光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行圖形搜索，并采用共路干涉方法，通過透視圖形波前信息得到圖像的定位信息，其具體結(jié)構(gòu)及工作方式如下 請參閱圖1，首先通過主控機(jī)18打開照明光源模塊14，它出射的波段為400～600nm，經(jīng)過照明聚焦模塊13聚焦后，將照明光通過分光棱鏡12照明到掩模版16上表面上，從掩模版16上表面反射的光經(jīng)過分光棱鏡12和準(zhǔn)直模塊11后經(jīng)過分光鏡10折射到成像模塊7后達(dá)到圖像傳感器(CCD)6，圖像傳感器6的捕捉范圍較大，和圖像傳感器6相連的主控機(jī)18分析圖像傳感器6捕捉到的信息，可以實(shí)現(xiàn)圖形位置的粗略測量，主控機(jī)18控制移動掩模臺15，粗略找到掩模版16所有需要進(jìn)行定位的圖形后，將照明光源模塊14關(guān)閉。
其次，通過主控機(jī)18開啟激光光源模塊1并合理調(diào)節(jié)光強(qiáng)，該光源為650nm激光器，激光光源模塊1出射的激光通過分光模塊2將激光分為兩束，一束參考光進(jìn)入?yún)⒖脊鈫文９饫w4中，另一束透射光被耦合到透射光單模光纖5中，經(jīng)過相移模塊3和透射聚焦光學(xué)模塊17聚焦在掩模版16表面的圖形上，透射光照在掩模版16上的斑點(diǎn)不能太大，因?yàn)橐淮沃荒軠y量一個圖形的位置，當(dāng)照射到其它位置的時候會引起不同圖形之間的串?dāng)_，引起圖形定位誤差，為了有效控制照射斑點(diǎn)的大小，透射聚焦光學(xué)模塊17被固定在垂向可以精確移動的相移模塊3上，相移模塊3可以實(shí)現(xiàn)透射聚焦斑點(diǎn)大小的精確可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)不同透射區(qū)域的控制，經(jīng)過掩模版16衍射的透射波前和參考光纖出射的波前經(jīng)過分光棱鏡12后，通過準(zhǔn)直模塊11照射到對準(zhǔn)傳感器9上，同時從掩模版圖形出射的透射波前和參考波前進(jìn)行干涉，主控機(jī)18可以通過波前分析得到圖形的精確水平位置和垂向位置信息，通過對準(zhǔn)傳感器分析得到圖形表面的離焦和偏離。圖像傳感器6得到的是干涉強(qiáng)度的條紋信息，通過相移條紋分析方法就能還原圖形的波前分析位置信息，主控機(jī)18對圖像傳感器6和對準(zhǔn)傳感器9接收到的信息進(jìn)行分析得到圖形的精確水平位置和垂向位置信息，并判斷圖形定位精度是否達(dá)到要求。由于光纖衍射的光強(qiáng)不均勻，相移條紋分析方法還可以最大程度消除圖像傳感器6因光強(qiáng)不均勻性而導(dǎo)致的波前分析誤差，另外相移條紋分析方法還可以有效減小圖像傳感器6背景噪聲，固有電子和光子噪聲等影響。
再次，具體相移條紋分析方法可以采用三步，四步，七步或更多步相移，下面以四步相移為例分析波前信息的分析過程主控機(jī)18讓相移模塊3在四個高度進(jìn)行步進(jìn)，每步的移動大小為四分之一波長，通過圖像傳感器6采集到四幅干涉圖像，利用這四個圖像傳感器6采集的圖像就可以計算波前，參考波面與被檢波面相干，干涉場的光強(qiáng)分布可以表示為 I(x，y，t)＝Id(x，y)+Ia(x，y)cos[φ(x，y)-δ(t)] 式中，Id(x，y)為干涉場的直流光強(qiáng)分布； Ia(x，y)為干涉場的交流光強(qiáng)分布； φ(x，y)為被檢波面與參考波面的相位差分布，即相移干涉的測量對象； δ(t)為兩干涉光路中的可變相位。
通過上面的方法改變相位δ(t)，測量四幅相位變化的干涉圖中的光強(qiáng)分布I(x，y，t)，并對φ(x，y)進(jìn)行精確求解。
上式可改寫為 I(x，y，δi)＝a0(x，y)+a1(x，y)cosδi+a2(x，y)sinδi 式中，a0(x，y)＝Id(x，y) a1(x，y)＝Ia(x，y)cos[φ(x，y)] a2(x，y)＝-Ia(x，y)sin[φ(x，y)] 被測相位φ(x，y)可以通過a2(x，y)與a1(x，y)的比值求得 對于本發(fā)明的四步相移δ1＝0，δ2＝π/2，δ3＝π，δ4＝3π/2，代入以上公式得到 上式中I1、I2、I3、I4分別為四幅圖像中的光強(qiáng)值，這樣通過每個象素位置的四個光強(qiáng)值得到波前每個點(diǎn)的相位值，最好通過擬和得到整個波前的相位值。
得到波前信息以后就可以通過波前的傾斜和離焦信息得到圖形的垂向位置和水平位置偏離信息。當(dāng)掩模圖形沿水平方向進(jìn)行平移時，參考波面和被測波面將發(fā)生傾斜。
從參考光單模光纖4出射的光束數(shù)值孔徑為0.2，對準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的焦距為15mm，當(dāng)水平位置發(fā)生1nm的偏差時，兩個波面相減后的最大偏差來自波前交叉區(qū)域的兩個邊緣位置為0.4nm。它引入的波前相位變化為 θ＝(0.4/λ)*360＝(0.4/650)*360°＝0.22° 由于圖像傳感器6的光強(qiáng)I變化和波前相位偏差的關(guān)系如下 I＝A×(1+cos(θ))+C 上式中 A代表干涉的深度或有效干涉強(qiáng)度； C代表非相干的光強(qiáng)度背景，約為A的五分之一； 圖像傳感器6上的最大光強(qiáng)為A+C＝1.2A；如果采用12位圖像傳感器，光強(qiáng)的分辨率為1/4096；所以它能分辨的最小光強(qiáng)變化為1.2A/4096，為了提高分辨率先給兩個波面一個固定的90°位相差，這樣得到光強(qiáng)變化如下 ΔI＝|A×(cos(90°)-cos(90.22°))|＝A/260； 這樣的光強(qiáng)變化將可以有效的被圖像傳感器6分辨出來，從上式可以反推出最小分辨的橫向位移為 ΔX＝1nm*(1.2A/4096)/(A/260)＝0.08nm； 當(dāng)掩模圖形發(fā)生離焦時，對應(yīng)的參考波面和透視波面反射焦面偏離，通過判斷兩個波面的離焦量就可以實(shí)現(xiàn)納米級的垂向位置分辨率。
主控機(jī)18控制掩模圖形的移動位置，并不斷修正，使之達(dá)到最佳的焦面和傾斜位置。
以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的一個個較佳實(shí)施例，并不能以此來限定本發(fā)明的范圍。任何對本發(fā)明的裝置及方法作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的步驟的替換、組合、分立，以及對本發(fā)明實(shí)施步驟作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種圖形定位檢測裝置，用于測量圖形的位置變化，其特征在于，所述裝置包括沿探測光路依次排列的相移模塊、透射聚焦光學(xué)模塊、掩模臺、分光棱鏡、準(zhǔn)直模塊、45度設(shè)置的分光鏡以及位于所述分光鏡第一出射面上的對準(zhǔn)傳感器，所述掩模臺用于承載具有所述圖形的掩模版；所述裝置還包括照明光源模塊，其出射光經(jīng)過一照明聚焦模塊后，通過所述分光棱鏡照射到掩模版的上表面；激光光源模塊，其出射光通過一分光模塊分為一束參考光和一束透射光，所述參考光通過一參考光單模光纖入射至所述分光棱鏡，所述透射光通過一透射光單模光纖入射至所述透射聚焦光學(xué)模塊；所述分光鏡的第二出射面上還設(shè)有一成像模塊和一圖像傳感器；所述裝置還包括與上述各部件相連的主控機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的圖形定位檢測裝置，其特征在于所述透射聚焦光學(xué)模塊固定在所述相移模塊上，該相移模塊可以垂向移動。
3.如權(quán)利要求1所述的圖形定位檢測裝置，其特征在于所述透射光和參考光是來自所述激光光源模塊同一出射光的相干光。
4.如權(quán)利要求1所述的圖形定位檢測裝置，其特征在于所述參考光和透射光通過所述分光棱鏡進(jìn)行合并。
5.如權(quán)利要求1所述的圖形定位檢測裝置，其特征在于所述掩模臺可在X、Y、Z方向精確移動。
6.如權(quán)利要求1所述的圖形定位檢測裝置，其特征在于所述主控機(jī)控制激光光源模塊產(chǎn)生激光和調(diào)節(jié)光強(qiáng)、控制照明光源模塊開關(guān)和光強(qiáng)、控制相移模塊移動、掩模臺移動以及傳感器的圖像信息分析。
7.采用如權(quán)利要求1所述的圖形定位檢測裝置的檢測方法，其特征在于，通過所述透射光和參考光進(jìn)行干涉的方法，測量透射光的波前變化，從而計算出圖形的位置，所述方法包括下列步驟
(1) 主控機(jī)控制照明光源模塊打開并調(diào)節(jié)光強(qiáng)，讓照明光照射到掩模版上圖形的一個較大范圍；
(2) 通過圖像傳感器接收所述圖形的圖像信息；
(3) 通過圖像傳感器作圖像分析找到需要進(jìn)行精確定位的圖形，并由主控機(jī)控制對圖形進(jìn)行粗定位；
(4) 關(guān)閉照明光源模塊，開啟激光光源模塊；
(5) 通過對準(zhǔn)傳感器分析圖形表面的離焦和偏離；
(6) 控制圖形的移動位置，使之達(dá)到最佳的焦面和傾斜位置；
(7) 主控機(jī)根據(jù)對準(zhǔn)傳感器記錄的圖形位置計算得到該圖形的精確位置信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖形定位精度檢測裝置及其檢測方法，所述裝置包括沿探測光路依次排列的相移模塊、透射聚焦光學(xué)模塊、掩模臺、分光棱鏡、準(zhǔn)直模塊、45度設(shè)置的分光鏡、位于所述分光鏡第一出射面上的對準(zhǔn)傳感器；照明光源模塊，其出射光通過所述分光棱鏡照射到掩模版的上表面；激光光源模塊，其出射光通過分光模塊分為參考光和透射光，所述參考光經(jīng)參考光單模光纖入射至所述分光棱鏡，所述透射光經(jīng)透射光單模光纖入射至所述透射聚焦光學(xué)模塊；所述分光鏡的第二出射面上設(shè)有成像模塊和圖像傳感器；與上述各部件相連的主控機(jī)，利用本發(fā)明的裝置可準(zhǔn)確測得圖形位置的變化，并可減小光學(xué)檢測元件的尺寸，而且檢測精度高且操作方便。
文檔編號G03F1/84GK101221371SQ20081003305
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月24日
發(fā)明者劉國淦 申請人:上海微電子裝備有限公司