專利名稱：納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置，屬于微納加工、光學(xué)測量相 關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著高集成度電路與相關(guān)器件的研發(fā)，以及納米科技的快速發(fā)展、納米器件特征 尺寸的不斷縮小，IC特征尺寸愈來愈小，極大地推動了高分辨力納米光刻技術(shù)的發(fā)展，如 納米壓印、波帶片陣列成像光刻。相應(yīng)地，隨著分辨力的提高以及大尺寸硅片的采用，掩模 硅片的間隙控制與測量將成為納米光刻面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，間隙測量精度必須隨之大幅度提 高。在投影光刻系統(tǒng)中，分辨力的提高促使物鏡的焦深縮小，對硅片的垂直位移變化測量及 調(diào)焦技術(shù)同樣提出了新的要求。傳統(tǒng)的間隙測量或者投影光刻中的檢焦技術(shù)主要采用幾何投影方法，通過在光路 中設(shè)置類似于狹縫的幾何標記，經(jīng)硅片底面的反射，將硅片的高度變化轉(zhuǎn)化為探測器像面 上幾何標記光斑的平移，主要應(yīng)用于早期的較低分辨力光刻，精度提高的程度有限。此外， 雙光束干涉強度及外差干涉方法方法，分別將硅片的垂直位移轉(zhuǎn)化為幾束衍射光的干涉強 度或者雙頻干涉產(chǎn)生的光學(xué)拍信號的相位大小變化，容易受到光刻膠等硅片表面工藝過程 的影響，如光刻膠內(nèi)的多次反射引入附加光程、標記的受到硅片級工藝污染后引入的非對 稱性誤差等，較為明顯的系統(tǒng)誤差存在給間隙測量的帶來了諸多困難。為了進一步提高間隙測量精度，克服光刻膠、硅片工藝等系統(tǒng)誤差因素對間隙測 量的影響，申請人曾在前專利申請?zhí)?201010172100. 4中提出一種接近式納米光刻中的間 隙測量方法。其主體思想是將直接根據(jù)干涉條紋的移動或者相位變化計算間隙變化量，旨 在闡述實現(xiàn)間隙測量的物理原理機制和初步實現(xiàn)的方法策略；但在該專利申請中，同時利 用分別位于掩模和硅片上的兩組標記光柵進行間隙測量，無法避免硅片橫向移動對測量的 影響。為此本發(fā)明在實驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套更為實用、具體的間隙測量裝置，除了將裝置 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)等設(shè)計具體化以外，將兩個間隙測量標記均相鄰地加工于掩模上，除了克服 了傳統(tǒng)的光刻膠等硅片工藝對光強的影響外，還能克服掩模硅片橫向位移變化的影響，直 接將間隙變化與圖像的相位變化唯一對應(yīng)起來，具有很強的實用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種納米光刻掩模硅 片間隙測量及調(diào)平裝置，在該裝置僅僅利用同時位于掩模上的兩個標記光柵實現(xiàn)間隙測 量，避免硅片橫向位移對測量的影響。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置包括激光 管、第一反射鏡、掩模、硅片、第一標記光柵、第二標記光柵、第二反射鏡、物鏡和CCD探測 器；所述第一標記光柵和第二標記光柵相鄰地同時位于掩模上，且第一標記光柵和第二標 記光柵周期接近；在納米光刻工作間隙范圍內(nèi)，由激光管發(fā)出單色平面波經(jīng)第一反射鏡偏轉(zhuǎn)后，垂直入射位于掩模上的第一標記光柵和第二標記光柵時發(fā)生衍射；一束來自于第一 標記光柵的透射衍射光B1在掩模和硅片間隙內(nèi)傳播并經(jīng)硅片表面反射返回，在掩模上與第 二標記光柵的反射衍射光束B2相遇，發(fā)生雙光束干涉；經(jīng)過第二反射鏡偏轉(zhuǎn)后，所述兩束光 B1A2被物鏡接收，并利用位于物鏡像面上的CCD探測器記錄雙光束干涉強度條紋；最后，利 用干涉條紋的移動或相位變化探測間隙變化量，通過在三個位置處的間隙控制實現(xiàn)掩模和 硅片調(diào)平。所述第一個反射鏡安裝在與水平方向成45度夾角方向，第二個反射鏡的安裝方 向與水平方向的夾角為
45°-^LlA(D
4其中，θ ” θ 2分別代表兩束光B” B2的衍射角。所述兩束光B” B2W衍射角θ” θ 2分別由下式計算得到P1Sin θ j = λ (2)P2Sin θ 2 = λ (3)其中，PpP2分別為第一標記光柵(5)和第二標記光柵(6)的周期，λ為入射光波長。所述第一標記光柵和第二標記光柵分別為兩組排列順序相反的光柵組合而成。本發(fā)明的原理是本發(fā)明是基于光柵調(diào)制的雙光束干涉相位成像，同時位于掩模 上的兩個相鄰標記光柵周期接近，導(dǎo)致兩束衍射光B1與B2的出射夾角很小(一般為1.8度 左右)，在掩模面相遇的形成小角度(一般為1.8度左右)雙光束干涉，產(chǎn)生周期放大、易于 分辨的低頻條紋；間隙變化直接導(dǎo)致兩束光的光程差變化，從而引起條紋移動或者相位變 化，從而根據(jù)條紋的移動或者相位變化實現(xiàn)間隙測量。利用三點確定平面的原則，通過不在 同一直線上的三點進行間隙測量控制，使三處間隙一致，實現(xiàn)掩模硅片調(diào)平。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明的兩個標記光柵均位于掩模上，測量不受硅片工藝以及硅片的橫向位 置變化均的影響，使間隙變化與干涉條紋圖像的相位變化唯一對應(yīng)，同時可克服傳統(tǒng)方法 中難以避免的衍射光強度變化帶來的系統(tǒng)誤差因素，探測靈敏度很高。(2)本發(fā)明中兩束干涉夾角很小，使用長工作距、低數(shù)值孔徑的物鏡，結(jié)合反射鏡 實現(xiàn)光路偏轉(zhuǎn)，光路調(diào)整便利、實用性較強。(3)本發(fā)明利用兩個反射鏡分別實現(xiàn)光路垂直入射以及返回光路的水平偏轉(zhuǎn)，使 入射水平同軸及便于光路調(diào)整。


圖1為本發(fā)明掩模面上的衍射示意圖；圖2為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明掩模上的兩個間隙測量標記；圖4為本發(fā)明的第二反射鏡的安裝示意圖；圖5a和圖5b為本發(fā)明間隙變化前后對應(yīng)的兩組條紋；
圖6為本發(fā)明掩模硅片調(diào)平示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，由光源激光管1發(fā)出的波長為633nm的平面波光源，經(jīng)反射鏡2后垂 直入射位于掩模3上標記區(qū)域的兩組相鄰的第一標記光柵5和第二標記光柵6 ；從第一標 記光柵5透射的衍射光B1經(jīng)在掩模和硅片之間傳播、并經(jīng)硅片4表面反射以角度θ工返回 第二標記光柵6表面，與另一束直接從第二標記光柵6以角度θ 2返回的反射衍射光B2在 該標記表面相遇發(fā)生雙光束干涉，兩束干涉光B1及B2經(jīng)反射鏡7反射后折回水平方向，被 物鏡8接收，使干涉條紋被于位于物鏡的像面位置的CXD探測器9記錄。如圖2中的標記衍射示意圖所示，兩束衍射光B1和B2分別來自于位于掩模3上標 記區(qū)域的第一標記光柵5、第二標記光柵6。其中從第一標記光柵5透射的衍射光B1到達 硅片4后以同樣的衍射角θ工返回，與另一束直接從第二標記光柵6反射的衍射光B2在第 二標記光柵6表面相遇，從而發(fā)生干涉。接下來，由于兩光柵的周期接近分別為P1 = 2 μ m、P2 = 2. 2 μ m，根據(jù)公式(1)、(2) 從標記面返回的兩光束&和化夾角很小，利用一個低數(shù)值孔徑(NA彡0. 03)、長工作距(一 般為IlOmm)的物鏡8接收。其中，物鏡8的數(shù)值孔徑通過兩束發(fā)生干涉的衍射光夾角決定， 即NA 彡 sin( θ「θ 2) (4)其中，θ ρ θ 2分別為從圖3中周期為P1和P2的光柵上出射的光束B1和B2的衍射角。與之同時，為了實現(xiàn)光路水平以及便于系統(tǒng)調(diào)整，兩次分別采用了第一反射鏡2 與第二反射鏡7實現(xiàn)入射波的垂直入射與返回光路的水平偏轉(zhuǎn)。其中，第一個反射鏡2只 需要在一定程度上實現(xiàn)光路的垂直偏轉(zhuǎn)，使之垂直入射到光柵表面，即安裝在45度方向； 而第二個反射鏡7的安裝方向也正是由從第二光柵標記出射的兩束光的衍射方向共同決 定，如圖4所示，根據(jù)幾何關(guān)系，不難推出第二反射鏡7的安裝方向與水平方向的夾角滿足 式(1)中所示關(guān)系。本發(fā)明中物鏡8的數(shù)值孔徑、反射鏡的安裝方向最終取決于兩束光的衍射角。而 兩個衍射角取決于設(shè)計中兩光柵的周期、入射波長，即所述的衍射方程式(2)、(3)。在本實 施例中，λ = 633·，？ = 2μπι、Ρ2 = 2. 2μπι，則對應(yīng)的衍射角 θ = 18. 5°、θ 2 = 16. 7°， 根據(jù)式(4)，物鏡8的數(shù)值孔徑只需要滿足NA ^ 0. 03即可，本實施例中采用物鏡的工作距 離為110mm，數(shù)值孔徑NA = 0. 045。第二反射鏡7與水平方向的夾角θ 36°。此外，光 柵的周期、衍射級次還決定了干涉條紋的周期，即
權(quán)利要求
納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置，其特征在于包括激光管(1)、第一反射鏡(2)、掩模(3)、硅片(4)、第一標記光柵(5)、第二標記光柵(6)、第二反射鏡(7)、物鏡(8)和CCD探測器(9)；所述第一標記光柵(5)和第二標記光柵(6)相鄰地同時位于掩模(3)上，且第一標記光柵(5)和第二標記光柵(6)周期接近；在納米光刻工作間隙范圍內(nèi)，由激光管(1)發(fā)出單色平面波經(jīng)第一反射鏡(2)偏轉(zhuǎn)后，垂直入射位于掩模(3)上的第一標記光柵(5)和第二標記光柵(6)時發(fā)生衍射；一束來自于第一標記光柵(5)的透射衍射光B1在掩模和硅片間隙內(nèi)傳播并經(jīng)硅片(4)表面反射返回，在掩模(3)上與第二標記光柵(6)的反射衍射光束B2相遇，發(fā)生雙光束干涉；經(jīng)過第二反射鏡(7)偏轉(zhuǎn)后，所述兩束光B1、B2被物鏡(8)接收，并利用位于物鏡(8)像面上的CCD探測器(9)記錄雙光束干涉強度條紋；最后，利用干涉條紋的移動或相位變化探測間隙變化量，通過在三個位置處的間隙控制實現(xiàn)掩模和硅片調(diào)平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置，其特征在于所 述第一個反射鏡(2)安裝在與水平方向成45度夾角方向，第二個反射鏡(7)的安裝方向與 水平方向的夾角為45°-^LiA(!)4其中，θ” θ 2分別代表兩束光&、B2的衍射角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置，其特征在于 所述兩束光B” B2W衍射角θ ρ θ 2分別由下式計算得到P1Sin θ j = λ (2)P2Sin θ 2 = λ (3)其中，PrP2分別為第一標記光柵(5)和第二標記光柵(6)的周期，λ為入射光波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置，其特征在于所 述第一標記光柵(5)和第二標記光柵(6)分別由兩組排列順序相反的光柵組合而成。
全文摘要
納米光刻掩模硅片間隙測量及調(diào)平裝置由光源激光管發(fā)出的單色平面波經(jīng)第一反射鏡反射后，垂直入射位于掩模標記區(qū)域內(nèi)的第一標記光柵和第二標記光柵，從第一標記光柵透射的衍射光B1經(jīng)硅片表面反射與另一束直接從第二標記光柵上反射的衍射光束B2，經(jīng)反射鏡二偏轉(zhuǎn)后被物鏡接收，最后匯聚于物鏡的像面并發(fā)生雙光束干涉，由CCD探測器記錄干涉條紋，并根據(jù)條紋的移動或者相位變化狀況調(diào)節(jié)實現(xiàn)間隙測量控制。本發(fā)明的測量靈敏度極高、實用性強，對納米光刻中的掩模硅片調(diào)平、間隙測量及控制相關(guān)領(lǐng)域具有重要的意義。
文檔編號G03F7/20GK101950132SQ20101025637
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者周紹林, 唐小萍, 徐峰, 楊勇, 胡松, 趙立新, 陳旺富, 陳明勇 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所