[发明专利]一种适用于投影光刻系统的检焦系统及检焦方法

说明书

技术领域

本发明是涉及一种微纳位移测量方法，特别涉及投影光刻中的检焦系统及检焦方法，属于超大规模集成电路制造以及光学微细加工技术中的纳米器件制造技术领域。

背景技术

光学测量方法是微位移测量的一种重要手段，特别对于非接触测量方法。通过应用不同的光参量作为测量参数，如测量光的光强、相位、偏振态等等，光学测量获得了广泛的应用。以激光干涉测量方法为代表的激光测量已经达到亚纳米的精度。然而对于有遮挡阻拦的被测物体，例如投影光刻中的焦面检测技术，激光干涉测量等方法显得无能为力。传统光学测量方法中，主要是测量光的强度，较少应用光的偏振态作为测量参数，使得测量的灵活性大大降低。

超大规模集成电路制造的最主要手段是光学投影光刻，这是因为光学投影光刻具有极高的生产效率，较高的精度以及很低的生产成本。长期以来，光刻精度的提高主要依赖于增大投影物镜的数值孔径。从总体而言，根据DOF＝kλ/NA²，增大数值孔径使得投影物镜的焦深缩短。此外，光刻制造业界为了提高单位时间内的芯片产出率，也在不断增大硅片的直径。根据2007版的国际半导体技术蓝图预计，到2012年微电子工业界将大规模采用450mm直径的硅片，使得硅片表面的不平度增大。从以上两点看出，为了保证芯片成品率，必须充分利用有效焦深，让硅片表面位于最佳焦面上。根据焦深公式，投影物镜焦深仅为百纳米量级，因此，调焦精度要求必须要达到纳米级，高精度的检焦技术是投影光刻系统中极为关键的技术。

投影光刻中的光学检焦方法普遍采用反射式的三角形测量法。其基本原理是利用反射光的三角关系，即测量光束以较大的入射角照射被测面，在另一侧以探测器接收，获得光斑的位置信息、光强信息，这些信息反映处硅片面的位置变化即离焦量。各种方法的主要区别在于信号的获取方法。例如以狭缝像照明被测面，并将狭缝像成像到CCD上，通过图像处理算法获得狭缝像的边缘从而得到狭缝像的位置信息，根据几何关系即可得到被测面的位移量，此种方法见于文献《0.35μm投影光刻机的逐场调平技术与套刻步进模型》和美国专利US6765647B1等。这种方法严重依赖于狭缝的成像质量以及图像处理算法的精确度，其成像质量又很容易受到被测面表面质量的影响，因此只能达到百纳米级的精度。基于位移传感器(PSD)的光学检焦方法采用圆形光斑作为投影像投影到被测面上并再次成像到二维PSD上。由于PSD较四象限探测器具有更小的间隙以及更高的灵敏度，能够得到光斑的精确位置，并摆脱了对图像处理算法的依赖，可以获得数十纳米的检焦灵敏度，其缺点是容易受到被测面不均匀性的影响，特别是在光刻多层套刻工艺中，由于硅片表面经过数十道工艺处理，对于四象限探测器以及PSD这样的分割区域求解光斑中心的方法，难以提高精度，这种方法见于文献《Focusing and leveling system using PSDs for the wafer steppers》和中国专利200610117401.0等。中国专利CN101187783A公开了一种调焦调平测量系统及其测量方法，它通过测量光栅莫尔条纹的移动，利用莫尔条纹的位移放大作用来达到测量目的，这种方法的优点是可以通过改变物光栅和调制光栅的夹角来改变莫尔条纹的位移放大率，但是其内在的缺点无法克服，即光栅周期过大则莫尔条纹是一系列的离散信号，这时的测量精度就严重依赖于图像处理算法以及光栅的成像质量；而较小的光栅周期虽然使得莫尔条纹信号连续性更好，但是光栅的衍射角过大，造成成像系统的数值孔径太大，从而增加了系统的复杂程度。另外物光栅与像光栅的夹角的误差与莫尔条纹具有同样的放大倍率，因此，这种方法也难以达到纳米级的精度。国际上也有不少专利采用阵列式的检焦方法，例如针孔阵列式(美国专利US6081614)，通过增加采样点，提高信号的稳定性。阵列式的优点是在被测面上放置多个测量点，综合考虑被测面形，但是由于各点的放大倍率不一致，需要制作复杂的放大率调整结构。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于投影光刻系统的检焦系统及检焦方法，该系统信号光稳定性极高、信噪比高，能有效消除杂散光的影响，实现纳米级的测量精度。