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CN1324405C - 光刻装置、对准方法和器件制造方法 - Google Patents

光刻装置、对准方法和器件制造方法 Download PDF

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CN1324405C CNB031307655A CN03130765A CN1324405C CN 1324405 C CN1324405 C CN 1324405C CN B031307655 A CNB031307655 A CN B031307655A CN 03130765 A CN03130765 A CN 03130765A CN 1324405 C CN1324405 C CN 1324405C
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Abstract

为了在具有大的Z间隔的层之间进行对准，例如在MEMS或MOEMS制造过程中，使用可以利用垂直入射的辐射照射参考标记的对准系统。该对准系统具有照射系统，它在基底侧上是远心的。

Description

光刻装置、对准方法和器件制造方法
技术领域
本发明涉及一种光刻投射装置(lithographic projection apparatus)，包括：
用于提供辐射投射光束的辐射系统；
用于支撑构图部件的支撑结构，所述构图部件用于根据理想的图案对投射光束进行构图；
用于保持基底的基底台；
用于将带图案的光束投射到基底的靶部上的投射系统；
用于检测参考标记和所述基底上设置的对准标记之间的对准的对准系统，所述对准系统包括用于用对准光束照射所述对准标记的光学系统。
背景技术
这里使用的术语“构图部件”(patterning means)应广意地解释为能够给入射的辐射光束赋予带图案的截面的部件，其中所述图案与要在基底的靶部上形成的图案一致；本文中也使用术语“光阀”(light valve)。一般地，所述图案与在靶部中形成的器件的特殊功能层相应，如集成电路或者其它器件(如下文)。这种构图部件的示例包括：
■掩模(mask)。掩模的概念在光刻(lithography)中是公知的。它包括如二进制型、交替相移型、和衰减相移型的掩模类型，以及各种混合掩模类型。这种掩模在辐射光束中的布置使入射到掩模上的辐射能够根据掩模上的图案而选择性的被透射(在透射掩模的情况下)或者被反射(在反射掩模的情况下)。在使用掩模的情况下，支撑结构一般是一个掩模台，它能够保证掩模被保持在入射光束中的理想位置，并且如果需要该台会相对光束移动。
■程控反射镜阵列(programmable mirror array)。这种设备的一个例子是具有一粘弹性控制层和一反射表面的矩阵可寻址表面。这种装置的理论基础是(例如)反射表面的寻址区域将入射光反射为衍射光，而非可寻址区域将入射光反射为非衍射光。用一个适当的滤光器，从反射的光束中过滤所述非衍射光，只保留衍射光；按照这种方式，光束根据矩阵可寻址表面的寻址图案而产生图案。程控反射镜阵列的另一实施例利用微小反射镜的矩阵排列，通过使用适当的局部电场，或者通过使用压电致动器装置，使得每个反射镜能够独立地关于一轴倾斜。再者，反射镜是矩阵可寻址的，由此已定址的反射镜以不同的方向将入射的辐射光束反射到无地址的反射镜上；按照这种方式，根据矩阵可寻址反射镜的定址图案对反射光束进行构图。可以用适当的电子装置进行该所需的矩阵寻址。在上述两种情况中，构图部件可包括一个或者多个程控反射镜阵列。反射镜阵列的更多信息可以从例如美国专利US5,296,891、美国专利US5,523,193、PCT专利申请WO 98/38597和WO 98/33096中获得，这些文献在这里引入作为参照。在程控反射镜阵列的情况中，所述支撑结构可以是框架或者工作台，例如所述结构根据需要可以是固定的或者是可移动的。
■程控LCD阵列(programmable LCD)，例如由美国专利US 5,229,872给出的这种结构，它在这里引入作为参照。如上所述，在这种情况下支撑结构可以是框架或者工作台，例如所述结构根据需要可以是固定的或者是可移动的。
为简单起见，本文的其余部分在一定的情况下具体以掩模和掩模台为例；可是，在这样的例子中所讨论的一般原理应适用于上述更宽范围的构图部件。
光刻投影装置可以用于例如集成电路(IC)的制造。在这种情况下，构图部件可产生对应于IC每一层的电路图案，该图案可以成像在已涂敷辐射敏感材料(抗蚀剂)层的基底(硅片)的靶部上(例如包括一个或者多个电路小片(die))。一般的，单一的晶片将包含相邻靶部的整个网格，该相邻靶部由投影系统逐个相继辐射。在目前采用掩模台上的掩模进行构图的装置中，有两种不同类型的机器。一类光刻投影装置是，通过一次曝光靶部上的全部掩模图案而辐射每一靶部；这种装置通常称作晶片分档器。另一种装置(通常称作分步扫描装置)通过在投射光束下沿给定的参考方向(“扫描”方向)依次扫描掩模图案、并同时沿与该方向平行或者反平行的方向同步扫描基底台来辐射每一靶部；因为一般来说，投影系统有一个放大系数M(通常＜1)，因此对基底台的扫描速度V是对掩模台扫描速度的M倍。如这里描述的关于光刻设备的更多信息可以从例如美国专利US6,046,792中获得，该文献这里作为参考引入。
在用光刻投影装置的制造方法中，(例如在掩模中的)图案成像在至少部分由一层辐射敏感材料(抗蚀剂)覆盖的基底上。在这种成像步骤之前，可以对基底可进行各种处理，如涂底漆，涂敷抗蚀剂和软烘烤。在曝光后，可以对基底进行其它的处理，如曝光后烘烤(PEB)，显影，硬烘烤和测量/检查成像特征。以这一系列工艺为基础，对例如IC的器件的单层形成图案。这种图案层然后可进行任何不同的处理，如蚀刻、离子注入(掺杂)、镀金属、氧化、化学一机械抛光等完成一单层所需的所有处理。如果需要多层，那么对每一新层重复全部步骤或者其变化。最终，在基底(晶片)上出现器件阵列。然后采用例如切割或者锯断的技术将这些器件彼此分开，单个器件可以安装在载体上，与管脚等连接。关于这些步骤的进一步信息可从例如Peter van Zant的 “微 型集成电路片制造：半导体加工实践入门(Microchip Fabrication：A Practical Guideto Semiconductor Processing)”一书(第三版，McGraw Hill PublishingCo.，1997，ISBN 0-07-067250-4)中获得，这里作为参考引入。
为了简单起见，投影系统在下文称为“镜头”；可是，该术语应广意地解释为包含各种类型的投影系统，包括例如折射光学装置，反射光学装置，和反折射系统。辐射系统还可以包括根据这些设计类型中任一设计的操作部件，该操作部件用于操纵、整形或者控制辐射的投射光束，这种部件在下文还可共同地或者单独地称作“镜头”。另外，光刻装置可以具有两个或者多个基底台(和/或两个或者多个掩模台)。在这种“多级式”器件中，可以并行使用这些附加台，或者可以在一个或者多个台上进行准备步骡，而一个或者多个其它台用于曝光。例如在美国专利US5,969,441和WO98/40791中描述的二级光刻装置，这里作为参考引入。
在采用光刻工艺制造器件的过程中，通常需要在一个基底上进行大量的曝光而产生形成器件所需要的多个层。在这个过程中，关键的是后继曝光要相对于前面进行的曝光正确地定位。与层之间的正确对准的偏离称之为重叠误差。为了避免重叠误差，在进行曝光之前，基底必须在光刻装置内正确的对准。已经知道两种对准工具。一种已知的是“透过镜头”(TTL)类型的对准设备，用激光照射在基底上设置的光栅形式的对准标记。由光刻装置的投射透镜所收集的衍射光被导向在掩膜上设置的相应的对准标记上，该对准标记通常为相位光栅型。在掩膜标记后面设置检测器，当在投射透镜下扫描晶片时，监测穿过掩膜标记的辐射的强度。检测器输出的最大值表示正确的对准位置。该正确的对准位置给用于控制台的后继移动的干涉位移测量设备提供了零基准。在已知的离轴型对准设备中，使用在测量站的对准工具来测量在基底上设置的多个对准标记和在基底台上固定安装的一个或多个参考标记之间的位置关系。当承载着基底的基底台传送到曝光站时，设置在基底台上的固定参考标记与掩膜上的标记对准，由此可以导出掩膜图像和基底之间的位置关系。
已知的对准工具和工艺适用于制造层之间的竖直差异不是太大的半导体器件。但是，已知的对准工具和技术不能用于进行与带有大的竖直偏离的对准标记的对准而由此将后面的加工层与蚀刻在裸基底上的零标记对准，因此必须在中间的竖直位置处在对准标记之间形成一系列的对准。这是一种缺点，因为在进行几个对准步骤的情况下，测量误差会累积。另外的问题是制造微机电系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)，其中层的厚度明显大于半导体器件制造中的厚度。当如在MEMS和MOEMS制造中具有大的层厚度时，不可能利用中间标记在竖直方向分开的对准标记之间进行对准。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种对准方法以及带有对准工具的光刻装置，能够在具有大的竖直间隔的标记之间进行对准。
具体而言，本发明提供一种光刻投射装置，包括：用于提供辐射投射光束的辐射系统；用于支撑构图部件的支撑结构，所述构图部件用于根据理想的图案对投射光束进行构图；用于保持基底的基底台；用于将带图案的光束投射到基底的靶部上的投射系统；用于检测参考标记和所述基底上设置的对准标记之间的对准的对准系统，所述对准系统包括用于用对准光束照射所述对准标记的光学系统，其特征在于：所述光学系统用于引导所述对准光束，从而使其基本垂直于所述对准标记上的所述基底。
优选地，在上述光刻投射装置其中所述光学系统在基底侧上基本是远心的。
优选地，在上述光刻投射装置其中所述光学系统通过至少部分所述投射系统将光引导到所述对准标记上。
优选地，在上述光刻投射装置其中所述参考标记设置在所述支撑结构和所述构图部件中的一个上，来自所述对准标记的光通过所述投射系统引导到所述参考标记上。
依据本发明，本文开始段落中描述的光刻装置可以实现该目的和其它目的，其特征在于：
所述光学系统用于将引导所述对准光束，从而基本垂直于所述对准标记上的所述基底。
通过确保对准光束沿法线方向入射在对准标记上，可以在任何竖直位置获得正确的对准读数，可以在具有大的间隔例如大于10μm的层中的标记之间直接进行对准。通过确保对准光束的入射角＜0.5mard，可以在例如高达300-500μm的竖直间隔上进行对准。并且另外利用线性或二次校正，或者是对准光束的入射角＜0.25mard，可以在高达700μm甚至1mm的竖直间隔上进行对准。
本发明还提供一种使得分别设置在基底上形成的器件中的第一层和第二层中的第一和第二对准标记进行对准的方法，其中所述第一和第二层在垂直于基底的方向上具有大的间隔，第二层是在第一层之后形成的，该方法包括如下步骤：
覆盖所述第一层的所述器件的深槽蚀刻层，以露出所述第一对准标记；
利用对准系统对所述第一对准标记进行对准，该对准系统利用基本垂直于基底的对准光束照射所述第一对准标记；
利用所述对准系统对所述第二对准标记进行对准。
根据本发明的另一个方面，提供一种器件制造方法，包括如下步骤：
提供至少部分覆盖一层辐射敏感材料的基底；
利用辐射系统提供辐射投射射束；
利用构图部件使该投射射束在横截面上具有图案；
在辐射敏感材料层的靶部上投射该带有图案的辐射投射射束，
其中在进行投射之前，进行如上方法所述的对准过程。
在本申请中，本发明的装置具体用于制造Ic，但是应该明确理解这些装置可能具有其它应用。例如，它可用于制造集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和检测图案、液晶显示板、薄膜磁头、微机电系统(MEMS)、微光机电系统(MOEMS)、基因芯片等等。本领域的技术人员将理解，在这种可替换的用途范围中，在说明书中任何术语“划线板”，“晶片”或者“电路小片(die)”的使用应认为分别可以由更普通的术语“掩模”，“基底”和“靶部”代替。
在本文件中，使用的术语“辐射”和“光束”包含所有类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如具有365，248，193，157或者126nm的波长)和EUV(远紫外辐射，例如具有5-20nm的波长范围)，和粒子束，如离子束或者电子束。
附图说明
现在仅通过举例的方式，参照附图描述本发明的实施方案，其中：
图1表示本发明实施例的光刻投射装置；
图2表示包括在图1光刻投射装置中的对准系统的简化图；
图3表示在对准方法中的三个步骤；
图4表示在非远心对准工具中的远心误差的原版；
图5表示在本发明的方法中被对准的高出的和凹陷的对准标记；
图6表示在非远心(non-telecentric)对准工具中远心误差(telecentricity errors)的效果。
在图中相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
实施例1
图1示意性地表示了本发明一具体实施方案的一光刻投影装置。该装置包括：
辐射系统Ex，IL，用于提供辐射投射光束PB(例如UV辐射)，在该具体的例子中包括辐射源LA；
第一目标台(掩模台)MT，设有用于保持掩模MA(例如划线板)的掩模保持器，并与用于将该掩模相对于物体PL精确定位的第一定位装置连接；
第二目标台(基底台)WT，设有用于保持基底W(例如涂敷抗蚀剂的硅晶片)的基底保持器，并与用于将基底相对于物体PL精确定位的第二定位装置连接；
投射系统(“镜头”)PL(例如折射透镜系统)，用于将掩模MA的辐射部分成像在基底W的靶部C(例如包括一个或多个电路小片(die))上。
如上所述，该装置是透射型的(即具有透射掩模)。但是该装置通常也可以例如是反射型的(具有反射掩模)。或者该装置可以采用其他类型的构图部件，例如上述程控反射镜阵列类型。
辐射源LA(例如贡灯)产生辐射束。该光束直接或经过如扩束器Ex的调节装置后，再照射到照射系统(照射器)IL上。照射器IL包括调节装置AM，用于设定光束强度分布的外和/或内径向量(通常分别称为σ-外和σ-内)。另外，它一般包括各种其它部件，如积分器IN和聚光器CO。按照这种方式，照射到掩模MA上的光束PB在其横截面具有理想的均匀和强度分布。
应该注意，图1中的辐射源LA可以置于光刻投射装置的壳体中(例如当源是汞灯时经常是这种情况)，但也可以远离光刻投射装置，其产生的辐射光束被(例如通过定向反射镜的帮助)引导至该装置中；当光源LA是准分子激光器时通常是后面的那种情况。本发明和权利要求包含这两种方案。
光束PB然后与保持在掩膜台MT上的程控构图部件MA相交。经过掩模MA之后的光束PB通过镜头PL，该镜头将光束PB聚焦在基底W的靶部C上。在第二定位装置(和干涉测量装置IF)的辅助下，基底台WT可以精确地移动，例如在光束PB的光路中定位不同的靶部C。类似的，例如在从掩模库中机械取出掩模MA后或在扫描期间，可以使用第一定位装置将掩模MA相对光束PB的光路进行精确定位。一般地，用图1中未明确显示的长冲程模块(粗略定位)和短行程模块(精确定位)，可以实现目标台MT、WT的移动。可是，在晶片分档器中(与分步扫描装置相对)，掩膜台MT可仅与短冲程执行装置连接，或者固定。
所示的装置可以按照二种不同模式使用：
1.在步进模式中，掩模台MT基本保持不动，整个掩模图像被一次投射(即单“闪”)到靶部C上。然后基底台WT沿x和/或y方向移动，以使不同的靶部C能够由光束PB照射。
2.在扫描模式中，基本为相同的情况，但是所给的靶部C没有暴露在单“闪”中。取而代之的是，掩模台MT沿给定的方向(所谓的“扫描方向，例如y方向”)以速度v移动，以使投射光束PB扫描整个掩模图像；同时，基底台WT沿相同或者相反的方向以速度V＝Mv同时移动，其中M是镜头PL的放大率(通常M＝1/4或1/5)。在这种方式中，可以曝光相当大的靶部C，而没有牺牲分辨率。
图2显示了对准系统10以及基底对准标记Px的形式的简化示意图。该对准系统10包括633nm的激光器，它的光通过投射镜头投射到基底上以照射基底对准标记Px。如放大图所示，基底对准标记Px由四个光栅构成。两个是16μm间距，两个是17.6μm间距，每种类型的一个标记与每个台坐标轴(X，Y)对准。来自基底对准标记Px的第一级反射的光由投射系统PL收集，并聚焦在掩膜上类似结构的互补对准标记Mx上。可以理解，会有多个基底和掩膜标记，它们分别由具体的数字代替Px和Mx中的x来表示。来自基底标记Px的第一级反射光与掩膜标记Mx干涉所产生的干涉信号形成了干涉信号，它被滤波，然后在检测分支13，14中进行检测。在投射系统PL中设置专用滤波器12，以只选择第一级衍射的光束。
在利用该对准系统的对准工艺中，基底放置在基底台上，并在预对准单元上进行机械的和光学的预对准，该预对准单元与本发明无关，因此不再进行描述。预对准只是进行粗略的对准，因此必须还进行精细的对准，其过程如图3所示。图3显示了带有对准标记M1和M2的掩膜MA、带有对准标记W1和W2的基底W，以及带有对准标记F1(也称为基准点)的基底台WT。起初，通过将基准点F1对准掩膜中的掩膜标记M1，M2，将干涉位移测量系统IF置为零。然后，通过将基底标记W1与掩膜标记M1和M2对准以及将基底标记W2与掩膜标记M1对准，进行总的对准过程。前两个步骤可以确定掩膜旋转和镜头放大。然后通过将基底标记W1与掩膜标记M1对准、基底标记W2与掩膜标记M1对准，再将基底标记W1与掩膜标记M1对准、基底标记W1与掩膜标记M2对准，而将基底和掩膜完全对准。在这些对准之后，对基底曝光，而不必再对准。
为了确保在基本不同的Z位置进行准确的对准，离开投射系统PL的对准光束被安排成远心的。在图4中显示了该要求没有被满足的情况，其中可以看到，如果对准光束AB没有在它的从投射系统PL的出射处镜头的底部正交，因此与基底的法线成角度，那么在与深陷的基底标记Px(例如设置在基底W中的在随后加工的层L中的刻槽之下的)对准中会有位置误差。该误差与sin()和对准标记Px的深度成比例。因此，对准系统的照射部分被安排成按照法线方向入射来照射对准标记Px，而不论对准光栅Px的Z位置。通过使得对准系统的照射部分是从基底看是远心的，可以实现这一点。通过沿着对准光束的深度引入一个或多个平板，可以使得对准系统的照射部分是远心的。调整平板的厚度、楔角和方向，直至获得所需的入射角。优选的是，使用两个平板，一个调整入射角，一个调整对准系统的X，Y偏离。按照这种方式，对准光束的入射角可以调整为小于0.5mard或0.25mard。
如图5所示，在基底W的顶部形成加工层之后，蚀刻槽来露出蚀刻在基底W中的零层标记P0，1和P0，2。这些，以及设置在第n个加工层上的标记Pn，1可以由本发明的对准工具进行对准。
除了如上所述使得对准光束的入射角最小之外，对准系统的性能可以通过利用基于来自校准的经验数据的软件校正而获得进一步的改善。如图6所示，入射角Δ导致凹陷的标记PM的测量位置与它的画面位置偏离Δx，Δy。利用校准基底，在多个不同的竖直(Z)位置测量该偏离。然后利用该数据来确定模型的系数。
一种简单的线性模型如下：
Δx＝az+b
Δy＝cz+b
利用以下二次模型可以获得更好的精度：
Δx＝az2+cz+b
△y＝dz2+ez+b
其中位置标记是具有对每个蚀刻方向，X和Y有不同周期的两个光栅的类型，也必须考虑放大率根据对准系统中的竖直位置变化而对两个光栅的表观分离所产生的效果。这可以利用以下模型获得：
Δ移位-x＝f·Z·移位-x
Δ移位-y＝g·Z·移位-y
其中f和g是机械或机械类型的依赖常数。
其中已经确定了用于给定机械的系数，利用根据标记竖直位置对每个对准计算的Δx，Δy来校正对准结果。
以上已描述本发明的具体实施例，但应当理解本发明除上述之外，可以采用其他方式进行实施。本说明不作为本发明的限定。

Claims (5)

1.一种光刻投射装置，包括：
用于提供辐射投射光束的辐射系统；
用于支撑构图部件的支撑结构，所述构图部件用于根据理想的图案对投射光束进行构图；
用于保持基底的基底台；
用于将带图案的光束投射到基底的靶部上的投射系统；
用于检测参考标记和所述基底上设置的对准标记之间的对准的对准系统，所述对准系统包括用于用对准光束照射所述对准标记的光学系统，其特征在于：
所述光学系统用于引导所述对准光束，从而使其基本垂直于所述对准标记上的所述基底。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述光学系统在基底侧上基本是远心的。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述对准光束相对于所述基底法线的入射角小于0.5mard。
4.如权利要求1或2所述的装置，其中所述光学系统通过至少部分所述投射系统将光引导到所述对准标记上。
5.如权利要求1或2所述的装置，其中所述参考标记设置在所述支撑结构和所述构图部件中的一个上，来自所述对准标记的光通过所述投射系统引导到所述参考标记上。
CNB031307655A 2002-02-15 2003-02-13 光刻装置、对准方法和器件制造方法 Expired - Lifetime CN1324405C (zh)

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