CN1599860A - 使用干涉测量法进行对齐的方法 - Google Patents

Abstract

本发明总地来讲涉及工件上的对齐标记的检测。更具体讲，应用了干涉测量法来从诸如晶片或中间掩模这样的工件的表面上检测对齐信号。在具体实施方式部分、附图和权利要求书中反映出了本发明的其它方面。

Description

使用干涉测量法进行对齐的方法

相关申请

本申请要求于2001年12月7日提交的名称为《光束均化器(Light BeamHomogenizer)》的美国临时申请第60/337764号的优先权。

技术领域

本发明总地来讲涉及对工件上的对齐标记的检测。更具体讲，是运用干涉测量法从晶片、中间掩模等工件表面上检测对齐信号。

背景技术

工件的对齐对于精密半导体器件制造而言具有决定性的作用。所述工件可以是所谓的晶片。二氧化硅是一种常用的晶片材料，不过还可以使用诸如砷化镓这样的其它衬底。在制造过程中，需要将所述工件精确地对齐。例如，在直接对衬底进行刻写的过程中，必须精确地确定衬底的位置，才能使对一层一层的构图产生所需的三维结构。为了在步进器中进行刻写，掩模必须与工件精确对齐。为了构图出一个复杂的掩模，比如相移掩模，必须精确地确定工件的位置，才能使相移区域相对于掩模的非相移区域正确地定位。

典型地是在工件上形成对齐标记来帮助对齐。芯片之间或围绕晶片周边的空间可用于布设对齐标记。某些设备制造商，比如Nikon，喜欢使用凸起的结构来进行对齐。而其它的制造商，比如ASML，喜欢使用沟槽结构。对齐标记可以是通过沉积某种材料而在工件之上或之内形成的结构。所形成的结构可以是由类似于基础层的材料形成的，也可以是由与基础层形成鲜明对比的材料制成的，比如硅氧化物或玻璃上的铜。对比色可由对比材料或薄膜得出。

某些制造工艺，比如化学-机械平整(CMP)，能够腐蚀对齐标记。理想的情况是，CMP没有任何偏差地平整晶片的表面。不过，象锯在推行程中要比拉行程切割得更深一样，使用CMP有时会使标记的一边切除得比另一边多。即使没有偏差，处于晶片的相对较高区域内的标记，在整个标记范围内也可能会磨损。

其它的制造工艺，比如形成氧化物或玻璃层，或者涂覆抗蚀剂，可能会覆盖住对齐标记或使得对齐标记模糊不清。芯片的制造技术越来越多地采用多层结构。由于不断地进行着缩小部件尺寸和将部件压缩到更小的区域中的努力，结构不断地向垂直方向发展。晶片上结构的分层易于造成对齐标记的模糊不清，或者就信号处理来说，减小了对齐系统所试图检测的信号。在某些情况下，不希望有很模糊的标记。

因此，需要引入能够精确对齐包括晶片和中间掩模(reticle)的工件的新方法和新装置。

发明内容

本发明总地来讲涉及对工件上的对齐标记的检测。更具体讲，是运用干涉测量法从诸如晶片或中间掩模这样的工件的表面上检测对齐信号。本发明的其它方面将会在具体实施方式部分、附图和权利要求书中反映出来。

附图说明

附图1表示利用干涉仪来检测对齐标记。

附图2表示干涉仪对齐装置与图形发生器或检查装置的组合结构。

具体实施方式

下面的详细说明是参照附图给出的。对优选实施例进行介绍是为了说明本发明，而非限制本发明的范围，本发明的范围是由权利要求书定义的。本领域的技术人员将会认识到下面的说明书的各种等同修改。

在对齐过程中，最基本的问题是，由可能会遭到腐蚀、破坏或由数个工艺层覆盖住的标记产生反差。公知的对齐系统使用明场图像或暗场图像，利用扫描激光束形成图像或通过光栅形成散射，并测量衍射级的相位。本发明的不同点在于：本发明形成了图像或等效的信息，比如对齐标记边缘的保存数据，不过它与公知的对齐传感器所使用的图像类型是不同的。虽然公知的成像对齐系统形成摄影图像，但是，本发明形成一个抽象的图像，该图像存在于计算机内存中。对于每一个点，它保存了一个以上的量。本发明的图像数据可由多光谱反射数据或不同偏振的反射数据组成。最好是，对于每个像点，本发明的图像数据包括至少一个复振幅值，即，复数值。它可以包含与几个滤波器设置或用于不同的焦点设置或其它可选结构类似的复数数据。

附图1表示一个使用干涉仪检测工件上的对齐标记的实施例。根据所画出的镜头、参照物、光源和相机的结构，可认为图示的干涉仪是Linnik干涉仪。发光装置可以放在图中的110或111位置上，检测器放在相对的位置上。发光装置发出能够产生有用干涉图形的那部分光谱内的光，最好不会对被光照射的工件表面造成破坏。可以使用CCD或CMOS相机或其它传感器阵列作为检测器，该检测器至少用于检测光子辐射。类似地，所述工件可放置在位置123或122处，参照物可放在相对的位置上。所述工件可以是晶片或中间掩模(reticle)。参照物可以是镜子或其它反射光的元件。假设发光装置位于110处并且工件位于123处，如下所述，照射和返回的光穿过分光器114、115、第一透镜系统112、113和第二透镜系统120、121。照射光由第一透镜系统112中的一个或多个透镜进行聚焦。最好，该第一透镜系统产生基本上平行的光锥中心轴。照射光经过第一分光器114，不发生任何有用的照射光分离。该照射光经过第二分光器115并被分成两路124、125。第一路125经过第二透镜系统121并照射到工件123上。第二透镜系统可包括一个或多个透镜。第二路124经过另一个第二透镜系统并照射在参照物122上。通过改变路径124、125的相对长度，可以产生相位信息。路径124、125的相对长度可以通过相对于分光器115移动工件123或参照物122来进行改变，或者能够通过诸如电光、声光或光弹性装置之类的电光装置来改变相位。为了实现高的深度分辨率，将测量光束的相位与参照物进行比较，该参照物可以是不同的参考光束或者经相移、频移或不同时间或位于表面上的不同位置的同一光束。干涉仪的原理给出了仅受限于光和电子噪声的深度分辨率，典型地低于一个纳米。在采用机械方式改变路径长度的情况下，只需要移动工件或参照物。另一种方案是，第二透镜系统之一的某些或全部元件可随同工件或参照物一起移动。可以使用压电晶体来精确地改变这些项目之一的位置。另外一种可选方案是移动分光器115。从工件和参照物反射回来的光照射到第一分光器114上，经过另一个第一透镜系统113并投射到检测器111上。这样就投射出了一个干涉图形，该图形相应于经过第一和第二路径124和125的光的相位关系。干涉仪系统和通过干涉仪提取表面的复振幅反射系数的方法在本领域中是公知的，例如，如Daniel Malacara所著的《Optical Shop2d Ed.》(John Whiley&Sons，Inc.纽约1992)中的第501-510页和第700-707页和McGraw-Hill(纽约)的《Handbook of Optics》中所介绍的，以及各种科学与工程杂志中公开发表的文章中介绍的。

复振幅是由表面的复振幅反射系数(每一点都不同)和表面的高度求出的。对于平坦的表面而言，高度信息是非常精确的，典型地好于1nm，可能会好于0.1nm。在匀质金属薄膜中仅具有高度差的标记中，主要的信息是高度。在例如用波纹工艺形成的标记中，标记具有与背景不同的化学成分，复振幅表示复折射率的差异，典型地，即使是一种白合金与另一种白合金之间，该复合折射率也是不同的，并且如果适当选择波长，则更加如此。金属的折射率的详情请见《Handbook of Optical》。在第三种情况下，标记和/或背景至少部分地具有透明表面薄膜。复振幅再次表明了这一情况。高度和化学成分的结合以及对表面薄膜的灵敏度，一直到亚纳米厚度，都能够使得本发明的对齐传感器更加耐用和灵敏。在进行了CMP之后，对齐标记有这样一个问题，它们在CMP处理过程中会受到不对称的腐蚀。给出高分辨率高度图的传感器会提供关于这种不对称的信息，并给出位置数据所需要的修正量的提示。利用700nm到500nm的可见光和NA＝0.8的透镜的情况下，横向分辨能力达到了约0.5微米数量级。通过对前面有关标记的数据进行模型拟合，能够产生具有更高分辨率的图像。例如，如果已知标记仅由两种不透明材料组成，并且在它们之间存在尖锐的边界，那么与光学分辨率可能表示的相比，能够更加精确地对这一边界进行定位。

根据需要，例如可以在位置130或131处应用滤色镜、空间滤波器、偏振片或其它滤波器。最好，两条光路径都受到滤波器的作用，以增强最终得到的干涉图形。在某些情况下，仅对一条光路应用滤波器是有效的，例如在分光器115和第二透镜系统120、121之一之间或第二透镜系统的元件之间。可以应用色轮(color wheel)或其它滤色镜来提高用于形成对齐标记的材料与相邻材料之间的反差。在一个实施例中，用多个滤色镜来与多元件检测器比如RGB相机的响应相匹配。在另一个实施例中，可以选择滤色镜来跨越多元件检测器的元件。另外，发光装置可以是一个或多个激光器，该激光器构成得能够产生多于一个波段的照射光，因此增强了反差，而不需要滤色镜。使用宽频带发光装置是减小相当于激光图像的斑点并给出有关标记的附加深度信号以及光谱信息的一种途径。

产生对齐标记的一种方法是对抗蚀剂曝光，但不进行显影。当对抗蚀剂进行曝光时，其光特性细微地发生变化，即使在对其显影之前。这种细微的变化产生了一个微弱信号，该信号必须由一个不同于用来产生标记的辐射源进行检测。可以采用本发明的方法和装置，通过选择滤波器和能够读取而不会进一步曝光抗蚀剂的光源，来读取由抗蚀剂曝光形成的标记。

可以应用空间滤波器来加强表面轮廓和其它图形。可采用的各种空间滤波器在Reynolds等人所著的《The New Physical Notebook：Tutorials in FourierOptics》(SPIE Optical Engg Press：贝灵汉，华盛顿，1989)第29-39章中进行了介绍。反差增强滤波器在显微镜使用中是公知的，例如，相位反差滤波器、共焦空间滤波、衍射控像滤波器、Nomarsky滤波器、偏振滤波器，等等，参见《Handbook of Optics》。滤波器可与干涉仪组合使用来增强图像，或者可以采用数字方式将等效的反差增强加到所得到的图像上。后一种方案是非常有用的，因为它能够实现简单甚至自动地选择适当的滤波器来增强一个特定的图像，同时光学滤波能够改善图像的信噪比。例如，如果对齐标记已知，则可以将空间滤波器设计成放大边缘处的升高或下降，或者设计成检测特定的图形。在进行了CMP之后，标记经常会发生扭曲。我们相信，高分辩率的干涉仪测量的图像将会提供足以检测标记扭曲的表面轮廓信息，并为修正提供线索。在光束中放置不对称的滤波器是改善横向信息的一种方法，并且这样能够实现对标记扭曲的较好修正。滤波器轮上的各种空间滤波器，例如，可用于检测CMP或类似工艺产生的各种可能的不对称。它对图形的粗略搜索也可能是有用的。偏振片还可用于增强方向信息。

虽然这里示出的是Linnik干涉仪，但是也可以使用许多其它结构的干涉仪。可用于这一用途的其它类型的干涉仪包括公知的称为Fizeau、Michelsson、Twyman-Green、Smartt、Mach-Zehnder、Sommargren和Mireau的干涉仪结构，或者它们的改进结构。在《Optical Shop Testing》第700-707页中介绍了用于表面形貌检测的几种干涉仪。这些干涉仪中的一部分具有好于0.1nm的表面深度分辨率。滤波器的定位与具体干涉仪的光学布局相适应。

在实践中，这种对齐检测系统可使用所选取的特定的滤波器或使用相对较窄频段的照明源、通过相位步进或滤波器变化来实施。所谓相对较窄包括，但不局限于，通过或不通过线性变窄的激光光源。利用相位步进，工件得以定位在定位标记预期的位置附近。在《Optical Shop Testing》中对相位步进进行了讨论。相位步进干涉仪给出了表面的复振幅反射系数的点态图，该图含有有关表面层的存在、高度和材料成分的信息。我们相信，通过多频谱和宽带照射，相位步进干涉仪从表面区域上能够提取出所有可用信息，以便在数字域中进行后续的分析。对齐标记可以包括任何现有的标记。具有一定的对称性的标记是比较好的，这有助于确定标记的中心。具有复杂结构的标记，即，每个表面区域具有多个边缘，是比较好的。可以使用具有两个或多个彼此形成一定角度的栅结构的标记。可以使用大、小结构间进行混合的标记来提高CMP之后对齐的精度，这是因为大、小结构特征会发生不同的形变。通过适当的检索算法，不对称的标记也是可以使用的。只要给定了这些制造工艺的精度，对齐标记的预期位置应当会与实际位置非常接近。一开始进行的是扫描模式。该扫描可包括步进和成像或支撑工件的工作台的连续移动。当工作台连续移动时，可以以非常接近的时间间隔来对返回光采集，从而得到了许多重叠的辐射图。可以构成一个检测器阵列，具有足够的像素，和连续运动的工作台一起使用。通过说明工作台穿过检测器阵列的移动，当汇集与从工件表面返回的光的复振幅相对应的数据的时候，能够考虑工作台运动。压电晶体能够快速地做出响应并能够快速地调节到工件或参照物的路径长度。电光、声光或光弹性装置也能够迅速地调节相位关系。因此，最好采集多个相位关系的辐射图样，而不是在以第二路径长度进行的第二次操作中复制工作台的位置。可以使用任何传统的扫描模式来检测对齐标记。

可以进行多次扫描，改变用于辐射的滤波器。如果需要将滤波器移动到位，这将会花费比启动诸如压电晶体这样的固态元件更长的时间。当工作台的移动较慢或者给出充分的延迟，足以改换滤波器(例如，使用一个快速转动滤波器轮或原地能够被启动或停止的偏振滤波器)时，通过进行扫描、改换滤波器(包括从无色滤波器到彩色滤波器或从大开口空间滤波器到有限空间滤波器的改换)、再次扫描，也可以使用不太精细的滤波器改换机构。针对从粗到细逐步升高的图像分辨率，可以采用一系列的滤波器类型。如果定位了对齐图形，后续的扫描模式不必与先前的扫描相一致，因为可以使用先前扫描的信息来减小搜索域，或者，如果在预期的区域中没有出现对齐标记的指示，则发出错误状态的信号。在优选实施例中，干涉仪在CCD相机或类似装置上获取表面的图像，不过，也可以使用与机械扫描运动一起获取的点态数据来建立标记图像或标记的其它2维描述。

晶片工件上的对齐标记的检测可以与芯片制造中的连续步骤组合在一起。例如，在检测到对齐标记之后，芯片制造方法可以包括根据对齐标记的位置，对抗蚀剂层进行曝光。抗蚀剂层可以通过直接写入或在步进器中进行曝光。直接写入可以利用扫描激光、扫描电子束、向量驱动电子束、SLM装置或近场曝光系统，诸如通过直接电激励对抗蚀剂进行曝光的纳米管阵列。抗蚀剂层可以以多种方式用于形成芯片的不同区域上的多种结构。芯片制造领域的技术人员将会明白，对抗蚀剂层进行构图是形成半导体衬底之上或上方的结构的基础。应用本发明的对齐和构图方法，可以在半导体衬底中、半导体衬底上面或上方形成半导体结构。后续的处理，包括显影抗蚀剂、有选择地去除抗蚀剂、通过去除了抗蚀剂的区域进行蚀刻、沉积或生长附加材料、涂覆另外的抗蚀剂并且重复应用对齐和构图方法，对完成和完善元件来讲是必须的，但是不会在实质上改变形成有半导体结构的衬底。通过使用干涉仪精确对齐来形成的这种结构对半导体元件以及包含有该半导体元件的整个产品的机能来讲都是十分必要的。这对定制的、短期内生产的半导体元件而言更是如此，对于这样的元件，直接写入和精确对齐使该技术可以采用。

检测中间掩模工件上的对齐标记也可以与芯片制造中的后续步骤结合在一起。例如，使用上述的对齐方法，按照制造商对掩模的技术要求，可以制出一个相移中间掩模，并且能够利用借助该对齐方法制备的掩模使用该中间掩模来对抗蚀剂层进行曝光。在许多方面，抗蚀剂层能够用于形成芯片的各种区域上的多种结构，如上面所述，产生半导体元件所必须的结构和产生产品所必需的元件。

干涉仪对齐系统可以与多种类型的图案发生器和多种类型的检查装置组合在一起。多种类型的图案发生器包括激光扫描仪、电子扫描仪、向量驱动电子束、SLM装置、近场曝光装置、步进器或这些种类的装置的目前和未来的任何变化。检查装置包括，例如，将所需的图案与在中间掩模或晶片上形成的图案进行比较的装置。这些检查装置还包括测量中间掩模上的相移结构的相深的装置。附图2一般性地画出了这些组合。工件222包含一个或多个对齐标记223。一些工件放置在工作台221上。诸如直接写入器、掩模写入器、步进器或检验器之类的装置201与干涉仪对齐装置202结成一对。在某些实施方式中，装置201是步进器，中间掩模211用于对工件上的抗蚀剂层进行曝光。在其它的实施方式中，装置201是一个直接写入器。直接写入器可通过成形一个辐射图案来控制曝光辐射，例如使用SLM，或者通过引导经调制的光，如在射束向量或扫描装置中那样。直接写入器还可使用遮光器状的中间掩模211来控制曝光辐射，该遮光器状的中间掩模控制穿过该中间掩模的开口区域的光通过量。不需要的光可以被挡住或衍射远离晶片。衍射光可由例如一个孔拦截。在其它的实施方式中，装置201是掩模写入器。掩模写入器类似于直接写入器，除了工件是中间掩模而不是晶片或芯片。由于工件不同，掩模写入器的工作参数与直接写入器不同。因为它们都需要精确的对齐，所以它们之间具有相似性。在另外的一些实施方式中，装置201是使用中间掩模211的步进器。步进器可能要求中间掩模211和晶片222都要对齐。本对齐装置和方法可用来对齐工作台上的晶片222和对齐用于印刷的中间掩模或掩模211。不管是晶片还是中间掩模都可看作是需要对齐的工件。检查装置201也可得益于精确对齐。在对所需的图案与所产生的图案进行比较的检查装置中，与测量表面粗糙度或表面微粒沾染的检查装置相比，对齐是图案匹配或修正的检验标准。

本发明的另一个实施例是一个控制程序，该控制程序通过采集与从工件表面反射回来的光的复振幅相应的数据或通过采集与受到多个滤波器作用并从工件表面上反射回来的光相应的数据来驱动一个干涉仪设备。在附图2中，可选择地将控制程序描述为在装置201上运行的231或在装置201外部运行的232。可使用多种程序通过扫描模式并通过路径长度变化和/或滤波器变化来驱动干涉仪设备和步进的或连续的工作台运动。这些程序可指示干涉仪设备执行上面确定的方法中的任何一种。

虽然本发明是参照上述详细介绍的优选实施例和实例得以公开的，但是应当明白，这些实例仅做说明之用，而并不存在限定的意思。可以想见，对本领域的技术人员来说，修改方案和组合方案是显而易见的，这些修改方案和组合方案将仍处于本发明的主题和权利要求书的范围之内。

Claims (21)

1.一种检测工件上的对齐标记的方法，包括下述步骤：

将一辐射通过干涉仪照到所述工件的表面上，同时扫描所述对齐标记；

利用从所述工件表面反射回来的辐射，采用相位调制产生复振幅信息；

采集与所扫描到的对齐标记的复振幅信息相对应的数据。

2.按照权利要求1的方法，还包括产生跨越所扫描的对齐标记的复振幅信息的图像。

3.按照权利要求1的方法，其中，辐射源是广谱光源。

4.按照权利要求3的方法，其中，辐射中应用了至少一个彩色滤波器。

5.按照权利要求3的方法，其中，辐射中应用了至少一个空间滤波器。

6.按照权利要求3的方法，其中，辐射中应用了至少一个偏振滤波器。

7.按照权利要求1的方法，还包括在辐射照射期间至少改变一次辐射。

8.按照权利要求7的方法，其中，辐射中应用了至少一个彩色滤波器。

9.按照权利要求7的方法，其中，辐射中应用了至少一个空间滤波器。

10.按照权利要求7的方法，其中，辐射中应用了至少一个偏振滤波器。

11.按照权利要求1的方法，还包括利用所述数据对齐工件。

12.按照权利要求11的方法，还包括在对齐了工件之后，在工件上的抗蚀剂中形成图案。

13.按照权利要求11的方法，还包括在对齐了工件之后，在工件上的抗蚀剂中形成图案，有选择地去除抗蚀剂，并且通过有选择地去除了的抗蚀剂在工件中形成结构。

14.一种检测工件上的对齐标记的方法，包括下述步骤：

将一辐射通过干涉仪照在所述工件的表面上，同时扫描所述对齐标记；

采集与从工件的表面反射回来的辐射相对应的数据。

15.按照权利要求14的方法，其中，辐射中应用了至少一个彩色滤波器。

16.按照权利要求14的方法，其中，辐射使用多种波长。

17.按照权利要求14的方法，其中，辐射中应用了至少一个空间滤波器。

18.按照权利要求14的方法，其中，辐射中应用了至少一个偏振滤波器。

19.按照权利要求14所述的方法，还包括利用所述数据对齐工件。

20.按照权利要求19的方法，还包括在对齐了工件之后，在工件表面上的抗蚀剂中形成图案。

21.按照权利要求19的方法，还包括在对齐了工件之后，在工件上的抗蚀剂中形成图案，有选择地去除抗蚀剂，并且通过有选择地去除了的抗蚀剂在工件中形成结构。

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