CN87100831A - 一种用于对准第一和第二物体相关位置的方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明对准第一和第二物体的方法，第一和第二物体面对面地安置，对准是在垂直于面对面方向上进行的。第一物体上制有光栅图形，第二物体上制有方格棋盘形光栅图形。从对准用光源发出的光束射在第二物体的方格棋盘形光栅图形上。被其衍射的光束被引向第一物体的光栅图形上。由此再被衍射的光束被检测器检测。从而测得第一和第二物体的相对位置，而与它们的间距无关。依照检测结果，第一和第二物体被精确地对准。本发明可被用作对准掩膜和硅片的方法。

Description

本发明涉及一种把第一物体与第二物体相互对准的方法，更具体地说，涉及到半导体器件制造工艺中把电路图形转印到硅片上时将掩膜与硅片进行对准的方法。进而，本发明涉及到一种将第一物体与第二物体进行对准的装置，更明确地说涉及到将掩膜与硅片进行对准的一种装置。

在制造半导体器件如LSI（大规模集成电路）的工艺中，是采用光学投影/曝光设备将电路图形转印到硅片上的。用这种设备，掩膜上预先制好的电路图形在尺寸上被缩小，然后通过光学投影系统和水银灯将图形转印到硅片上。然而在电路图形被转印以前，该掩膜和硅片必须精确地对准（掩膜对准）。更详细地说，该掩膜和硅片在与向电路图形投射光的方向相垂直的方向上必须对准。

作为掩膜对准法的实例，已知有TTL（throughthelens）法和轴外（off-axis）法。在运用TTL法时，来自光学投影系统的一束光投射到在掩膜和硅片上各自预先作好的衍射光栅上，以检测掩膜与硅片的相对位置。与此相比不同的是，在运用轴外法时，用一台轴外显微镜来代替光学投影系统进行掩膜与硅片的对准。该掩膜与硅片在电路图形投影区之外通过轴外显微镜分别进行对准。然后，相互对准了的掩膜与硅片再移进投影区。因此，用轴外法的生产效率比用TTL法的要高。然而，轴外法包含许多误差因素，并且高精度的对准难以达到。因此，TTL法是最广泛应用的将掩膜 和硅片进行对准的方法。

SPI杂志1980年G.Dubroeucq的文章和1984ME，W.R.Trutna.Jr.的文章中披露了一种TTL掩膜对准法，该方法需要完全对正两个光栅图形。使用这种方法时，激光束照射在掩膜和硅片上面各自的光栅图形上，衍射光束入射到光电探测器上以便转变成电信号。这个电信号受到信息处理器的处理，从而检测出掩膜与硅片的相对位置。依照此检测结果掩膜和硅片进行对准。

如上所述，当使用TTL法时，激光束是通过投影光学系统的投影透镜来照射的。这个投影透镜的配置是为了把与水银灯预定的曝光波长相关的所有像差减至最小。因此，当波长不同于曝光波长的光束通过比投影透镜照射时，将发生彩色像差。掩膜与硅片相对位置的检测是在掩膜与硅片之间的距离处于失焦状态的情况下进行的。在这种情况下，得不到足够的检测灵敏度，而且复验性也很差。因而掩膜和硅片的对准可能发生偏差。当两个光波长的差别变大时，为调整光程长度，像差修正装置是必须的。

本发明的一个目的在于提供一种方法将第一与第二观察物相互间进行精确对准。

本发明的另一个目的在于提供一种准确地检测掩膜和硅片的相对位置的方法，当电路图形需要转印到硅片上时，不论掩膜与硅片之间距离多大，都可以精确地对准它们。

本发明还有一个目的是提供一种设备用以精确地相互对准上述第一和第二物体。

本发明更进一步的目的是提供一种设备，当需要把电路图形转印到硅片上时，不论掩膜与硅片距离多大，用这种设备都可以精确地将 它们对准。

根据本发明，用这种方法来相互对准第一和第二物体时，把第一和第二物体置于面面相对的位置，而对准是在与相对面的（法线）方向相垂直的方向上进行的。作为对准标记的条栅图形制作在第一物体上，同样作为对准标记的类似方格棋盘的格栅图形制作在第二物体上。来自对准用光源的光束照射在第二物体上的方格棋盘形格栅图形上。然后，被方格棋盘形格栅图形衍射的光线被引到第一物体的光栅图形上。由第一物体条栅所衍射的光束受到检测仪的检测。由于来自光源的光被方格棋盘形格栅衍射，从而可检测出第一与第二物体的相对位置，检测结果与它们之间的距离无关。参照这个检测结果将第一第二物体进行精确的对准。

当预先制作在掩膜上的电路图形转印到硅片上时，掩膜与硅片是面对面安放的，并且对准是在与两个相对面的（法线）方向垂直的方向上进行。作为对准标记的条栅图形制作在掩膜上，同样作为对准标记的方格棋盘形格栅图形制作在硅片上。来自对准用光源的光线照射在硅片上的方格棋盘形格栅图形上。然后，被此方格棋盘形格栅图形所衍射的光束被引导到掩膜上的条栅图形上。被掩膜上的光栅图形所衍射的光受到检测器的检测。由于来自光源的光受到了方格棋盘形格栅图形的衍射，就可检测出掩膜与硅片的相关位置，检测结果与它们的间距无关。依照这一检测结果，掩膜与硅片被精确地对准。

附图简要说明。

图1是一个缩图投影/曝光设备的透视图，在实施例中发明的对准方法应用在这个缩小图形的投影/曝光设备中;

图2是制作在掩膜上的条栅平面图;

图3是制作在硅片上的方格棋盘形格栅平面图;

图4是说明空间滤光反射镜构造的透视示意图;

图5是由硅片上光栅图形所衍射的光形成衍射点像的平视图;

图6是两次衍射光强度与掩膜和硅片相对于它们的安放位置的位移之关系曲线。

图7为入射在掩膜表面的衍射光的聚焦状况示意图。

图8是实现信号同步检测处理的装置方框图，该装置使用了平行平面镜振荡器。

图9中的信号波形曲线表明同步检测信号输出与掩膜和硅片的位移之关系。

图10是第二个实施例中的缩图投影/曝光设备的透视示意图。在此缩图投影/曝光设备中应用了本发明的对准方法。

图11透视图表明了由硅片上光栅反射的光与反射镜的光之间的关系。

图12A到12C表明本发明的第一实施例修改后的缩图投影/曝光设备的正视图。

图13是修改后的光栅图形示意图。

图14A是第三个实施例的截面图，其中本发明的对准方法应用到X-射线曝光设备中。

图14B为输出特性曲线，表明了第三实施例中的掩膜和硅片之间对准的检测结果。

下面详述实施例。

如图1所示，用于产生曝光光束的光源1装置在缩图投影/曝光设备中。例如，光源1可由水银灯构成。当不需要光源1发出的光束 时，它被快门6遮挡住。该设备中安置有掩膜2，电路图形事先制作在它上面。设备中还安置有硅片4，电路图形转印在它上面。按预定方向可动的硅片台5承载硅片4。作为电路图形投影光学系统会聚透镜7安插在快门6和掩膜2之间，消磁投影透镜3安插在掩膜2与硅片4之间。更详细地说，在掩膜上制作的电路图形经过透镜3被缩小尺寸并投影。当快门6打开时，水银灯发出的光束射出，电路图形被转印到硅片4上。

在这个曝光设备中，设置了用以对准掩膜2和硅片4的光学系统10。如图2所示，作为对准标记的一维条栅图形制作在掩膜2上。如在图3所看到的方格棋盘形格栅图形制作在硅片4上。光学系统10包含有激光源11用以产生具有良好相干性的激光束。光学系统10还包括空间滤光反射镜12，折射镜14，以及全反射镜15。如图4所示，空间滤光反射镜12是由透射区12-1和反射区12-2构成。滤光反射镜12是一个二向色镜，当电路图形曝光时，它可以透射全部曝光光束。当电路图形曝光时，滤光反射镜12也可以被移出曝光区。此外，装置了光检测器16用以接收光栅的衍射光，并将其转换成电信号。信息处理器17处理电信号。

下面将讲述用于上述投影/曝光设备的掩膜2与硅片4的对准方法。

从激光器11发出的激光束24被空间滤光反射镜12反射，并经过投影透镜3入射在硅片4的光栅图形22上。被光栅图形22反射的衍射光束经过投影透镜3，空间滤光反射镜12和折射镜14会聚在掩膜2的光栅图形21上。

如在图3中看到的，光栅图形22是类似方格棋盘的图形。因此，在投影透镜3的富利叶传输面上的衍射光束是二维衍射光束。图5表示第0级和第±1级衍射光束。第（±1，0）级和（0，±1）级衍射光强度为0，而第（0，0）级和（±1，±1）级的衍射光束具有预定的强度。当上述二维的衍射光束23经过空间滤光反射镜12时，反射镜12挡住了第（-1，-1）级、（1，-1）级和（0，0）级衍射光。第（±1，0）级和（0，±1）级衍射光强度为0。因此，透射过空间滤光反射镜12的衍射光只有第（1，1）级和（-1，1）级的那些衍射光。这些衍射光经过折射镜14投射到掩膜2的光栅图形21上。

当第（1，1）级和（-1，1）级衍射光通过光栅21时，它们再次发生衍射。衍射两次的光束被光检测器16检测并转换成电信号。该电信号馈送到信息处理器17，进行处理，于是掩膜2和硅片4的相对位置被检测出来。

在这种方法中，通过光栅图形21的二次衍射光束提供了光栅图形21和22的位置信息，即相对位置信息。因此，当二次衍射光的强度被检测时，就能够得到位置信息。

例如，图6表示了第0级的二次衍射光强度与掩膜和硅片相对于它们的安放位置的位移之间的关系。更详细地说，当进行位置调整以使第0级衍射光达到最大强度时，移动硅片载台5，于是掩膜2和硅片4就对准了。

当运用G.Dubroeacq的文章所披露的使用二维衍射光的对准方法时，基于理论分析可和通过掩膜的第0级二次衍射光强度可由下式I_D给出：

I_D＝I_O·〔（1/2）⁴+（1/π）²·cos（πλZ/P²）·cos（2π×/P）+4（1/π）⁴·cos²（2πX/P）〕

式中I_O是由衍射效率决定的光量，P是衍射光栅的栅距，λ是对准用光束的波长，X是掩膜2与硅片4的相对位置（距离），Z是散焦量。从上式可以看到，随着硅片与掩膜之间的距离在Z方向上的变化，I_D值变化甚大。

在使用本发明应用棋盘格子形格栅的对准方法时，第0级的二次衍射光强度可由下式I_C给出：

I_C＝I_O·（2/π²）²·2〔1+cos（2π2χ/P）〕

在本方法中，因为上式不包含Z项，I_C不随硅片与掩膜在Z方向上的距离变化即散焦量Z的变化而变化。更具体地说，如图7所示，来自硅片4的第（-1，1）级和（1，1）级两束衍射光会聚到掩膜2上，既使由于投影透镜3的彩色像差而产生相应于图7中f₁或f₂的焦点位置，对准检测仪信号也不发生变化。因此，该掩膜与硅片的相对位置可被检测，而与对准光束通过投影透镜3时发生的任何彩色像差无关。由于这个原因，检测误差可以避免发生。

依照这个实例的方法，从上式可以看到，与检测位置X相关的衍射光强度I_C的变化可以用关于（2χ/P）的一个周期函数来表示，也就是说对应光栅每个栅距的变化，I_C出现两个周期的变化。而在通常的方法中，对应检测位置χ的衍射光强度I_P的变化可表示为一个关于（χ/P）的周期函数，也就是说对应每个栅距出现一个变化周期。因此，在使用同样尺寸的光栅图形的条件下，在此实例中得到的检测灵敏度是通常方法的两倍。考虑到微型化，光栅图形存在着图形尺寸限制。因此，对于掩膜与硅片的高精度对准来说，检测灵敏度的任何改进都是非常有利的。

就本实例的方法来说，对准用光的波长和曝光用的光波长可以相互不同。硅片上的抗蚀剂薄膜可以避免在对准时曝光。这样，几乎没有对准光被吸收到抗蚀剂膜中。因为光栅图形不会被曝光，因此它很易于得到保护。

如前所述，图6表示第0级的二次衍射光强度与掩膜和硅片相对于它们的安放位置的位移之间的关系。更具体地说，当进行位置调整以使第0级的二次衍射光强度达到最大值时，掩膜2和硅片4也对准了。在这种情况下，调准装置必须检测到图6所示的周期函数的峰值。然而，一般说来，检测到这个周期函数的峰值是困难的。于是，作为一种处理检测信号的方法，提出了一种检测方法，在这种方法中，以一固定频率来使对准光束发生振动，以达到调制信号的目的，并且该振动频率受到同步检测（这种同步检测信号的方法由本发明人在美国专利U.S.P.№.681，491中有详细说明，）在实例中，如图8所示，作为一种振动机构的平行平面镜14发生振动。平行平面镜14设置在掩膜2和硅片之间，被硅片反射的对准光束随着平行平面镜14的振动周期发生同步变化。被光检测器16得到的信号是与这个振动相同步的调制信号。以来自振荡器33的参考信号为参考，光检测器16的输出信号经过同步检测器32进行同步检测，而振荡器33是作为振动平行板14的振荡器。经同步检测处理后的信号以S形曲线输出，此曲线与位置位移有关。由于检测输出是用横跨0位移线的一条曲线来表示，掩膜与硅片的对准可达到高精度。

下面参照图10说明本发明的第二个实例。本实例与前一个实例的差别在于空间滤光反射镜12被半反射镜18代替，并且沿着光学 系统10的光束路径在其中设置全反射镜13-1和13-2。如图11所示，在光栅图形22反射的衍射光23中，只有第（1，1）级和（-1，1）级光束被反射镜13-1和13-2反射。其它装置与前一个实例中的相同。光栅图形21和22分别制作在掩膜2和硅片4上，其图案与图2和图3中所示的相同。

经过如上的改动，仍可进行本质上与前例相同的对准。更详细地说，被硅片4反射的且射入并穿过投影透镜3的衍射光全部允许穿过半透镜18。然后，一些衍射光束，如第（1，1）级和（-1，1）级的衍射束，被反射镜13-1和13-2反射。因此，以与前例相同的方式，两束光的干涉像会聚在掩膜2上。这样，进行掩膜与硅片的对准和失焦状态无关。因此，对于本实例，与前例相同的效果可以得到，掩膜与硅片可进行高精度对准。

本发明不限于上述两个实例的方法。比如，在第一个实例中，可使用一个简单的半反射镜来代替其空间滤光反射镜。在这种情况下，由硅片4反射的并入射到投影透镜3的衍射光全部投射到掩膜2的光栅图形上。于是，两束光的干涉不会发生。因此掩膜2与硅片4的失焦状况将影响检测灵敏度。然而，如在前例中所述，在检测衍射光强度分布的位置χ时，对应每个栅距有两个周期的变化出现。因此，这种对准法的精度与通常方法的相比可改进两倍。

如图12所示，下述的各种方法可被采纳作为照射硅片上的光栅图形的方法。

在图12A中，途经掩膜2然后通过半反射镜18的对准光束借助于投影透镜3照射在硅片的光栅图形上。在图12B中，从半反射镜18底面投影的对准光束通过反射镜13-2和投影透镜3照在硅片的光栅图形上。在图12C中，从半反射镜18顶面投射的对准光束沿着与检测光模完全反向的光路照射在硅片上的光栅图形上。虽然这使方法提供了不同方式的照射，它们的检测信号输出特性本质上是相同的。此外，各种其他照射方法也可以采用。

在上述的第二实例中，一种振动平行平面镜以使光束位置发生振动的装置被采用作为信号调制装置。另可采用一种使振动平面镜发生振动的方法代替之。一种在水平方向上振动掩膜或硅片的装置可用来振动光束位置。一种交替照明两组光栅图形以产生相位差的方法，也能被采用作为信号调制的手段。

在前述的两个实例中，制作在掩膜上的光栅图形是一维的衍射光栅。掩膜上的光栅图形可以是如图3所示的方格棋盘形图案，即它可以是二维衍射光栅。

在上述两个实例中，硅片上的光栅图形也是如图3所示的正方块的拼接形式。然而硅片上的光栅图形还能够是长方块拼接形式的类似棋盘的图案。

本发明不仅被用于掩膜与硅片的对准处理，还可用于两个物体的对准处理。在后面这个情况中，光学系统不需安插在两个物体之间。例如图14A所示的，在χ-射线曝光设备中，在第一物体2上制作一维光栅图形21，在第二物体4上制作方格棋盘形光栅图形22。从激光器11产生的光照射在光栅图形21上，于此衍射的光投射到方格形光栅图形22上。由光栅22衍射及反射的光经过光栅21入射到光探测器16上。由光探测器16探测到的光被转换成电信号，此信号用信息处理器加以处理。检测结果用图14B中的M线来表示。在图14B中，需要指出的是已在第二物体上制作了两维光栅图形，而作为通常检测方法的检测结果用N线表示。在这种方法中，通常的检测方法受到掩膜2和硅片4是间距d的影响。因此存在检测误差。与通常检测方法相比所不同的是，在本实例中，不论间距d如何，都不会发生检测误差，于是可以高精度地检测第一物体与第二物体的相关位置，因此使它们能高精度地对准。

Claims (24)

1、一种对准第一物体与第二物体的相关位置的方法，这两个物体是面对面地安置，对准是在与它们相对面的(法线)方向相垂直的方向上进行的，其特征为包括下列步骤：

在上述第一物体上制作一光栅图形作为对准标记；

在上述第二物体上制作一方格棋盘形的光栅图形作为对准标记；

使光源发出的光束直射到上述第二物体的上述方格棋盘形光栅图形上；

把在上述方格棋盘形光栅图形处发生衍射的衍射光束传输到上述第一物体的上述光栅图形上；

检测透射过上述第一物体的光栅图形时产生的衍射光束；以及

按照被检测的衍射光的强度来调整上述第一和第二物体的相关位置。

2、一种对准掩膜与硅片的相关位置的方法，当制作在上述掩膜上的电路图形转印到上述硅片上时，掩膜与硅片面对面安置，对准是在与它们相对面的（法线）方向相垂直的方向上进行的，其特征为包括下列步骤：

在上述掩膜上制作一光栅图形作为对准标记;

在上述硅片上制作一方格棋盘形光栅图形作为对准标记;

使光源发射的光束直射到上述硅片的上述方格棋盘形光栅图形上;

把在上述方格棋盘形光栅图形处发生衍射的衍射光束传输到上述掩膜的上述光栅图形上;

检测透射过上述掩膜的光栅图形时所产生的衍射光束;以及

按照被检测的衍射光强度来调整上述掩膜和上述硅片之间的相关位置。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：将一个允许衍射光束通过的光学系统安置在上述掩膜和上述硅片之间。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在传输衍射光束的过程中，由方格棋盘形光栅图形所衍射的光束被一个空间滤光反射镜选择后被引导到上述掩膜的上述光栅图形上。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：安置在上述掩膜和上述硅片之间使衍射光束通过的上述光学系统系，是用来转印电路图形的光学投影系统。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：对准上述掩膜和上述硅片所用的光的波长不同于用于转印电路图形的上述光学投影系统所用的光波长。

7、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在直射光束的过程中所用的上述光源是激光器。

8、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在上述掩膜上制作的上述光栅图形是光透射型，而制作在上述硅片上的上述方格棋盘形光栅图形是反射型。

9、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在传输衍射光束的过程中，由方格棋盘形光栅图形所衍射的光束被空间滤光反射镜选择后被引导到上述掩膜的上述光栅图形上，在检测衍射光束的过程中，由掩膜的光栅图形所衍射的第0级二次衍射光的强度被检测。

10、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：上述方格棋盘形光栅图案是由多个正方块拼接而成的。

11、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：上述方格棋盘形光栅图案是由多个长方块拼接而成的。

12、一种对准第一与第二物体的相关位置的方法，这两个物体是面对面地安置，对准是在与它们的相对面的（法线）方向相垂直的方向上进行的，其特征为包含下列步骤：

在上述第一物体上制作光栅图形作为对准标记;

在上述第二物体上制作方格棋盘形光栅图形作为对准标记;

使光源发出的光束直射到上述第一物体的所谓光栅图形上;

把透射过上述第一物体的上述光栅的光束传输到上述第二物体的上述方格棋盘形光栅图形上;

把被上述方格棋盘形光栅图形所衍射和反射的的光传输到上述第一物体的上述光栅图形上;

检测来自上述第一物体的光栅图形的衍射光束;以及

依据所检测到的衍射光的强度来调整上述第一和第二物体间的相关位置。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于：上述的第一物体是掩膜、上述的第二物体是硅片。

14、一种用于对准第一与第二物体相关位置的装置，这两个物体是面对面地安置，对准是在与它们相对面的（法线）方向相垂直的方向上进行的，其特征为包括：

一个光栅图形，作为对准标记制作在上述第一物体上;

一个方格棋盘形光栅图形，作为对准标记制作在上述第二物体上;

一个光源用以发出检测用光束;

用以检测光束的检测装置，被检光束是由上述光源发出的，且该光束在上述第一物体的上述光栅图形处和在上述第二构件的上述方格棋盘形光栅图形处产生衍射;以及

依照被测光束的强度来调整上述第一和第二物体的相关位置的调整装置。

15、一个用以对准掩膜与硅片的相关位置的装置，当上述掩膜上的电路图形转印到上述硅片上时，掩膜与硅片是面对面安置的，对准是在与它们的相对面的法线相垂直的方向上进行的。

其特征为包括：

一个光栅图形，作为对准标记制作在上述掩膜上;

一个方格棋盘形光栅图形，作为对准标记制作在上述硅片上;

一个产生检测用光的光源;

用以检测光束的检测装置，被检光束系由上述光源发出的并且在上述掩膜的上述光栅图形处和在上述硅片的上述方格棋盘形光栅图形处发生衍射;以及

依照被检光束的强度来调整上述掩膜和上述硅片的相关位置的调节装置。

16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于一个允许衍射光束通过的光学系统被安置在上述掩膜和上述硅片之间。

17、根据权利要求15所述的装置，其特征为还包括用以对上述硅片的上述方格棋盘形光栅图形所衍射的光束进行选择的装置。

18、根据权利要求17所述的装置，其特征在于：上述用以选择由上述硅片的上述方格棋盘形光栅图形所衍射的光束的装置包括一空间滤光反射镜。

19、根据权利要求17所述的装置，其特征在于：上述用以选择由上述硅片的上述方格棋盘形光栅图形所衍射的光束的装置包括一半反射镜和一全反射镜。

20、根据权利要求16所述的装置，其特征在于：上述光学系统是用于转印电路图形的光学投影系统，该系统安置在上述掩膜与上述硅片之间并允许衍射光束通过。

21、根据权利要求15所述的装置，其特征在于上述光源是激光器。

22、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：在上述掩膜上制作的上述光栅图形是光透射型的，而在上述硅片上制作的上述方格棋盘形光栅图形是反射型的。

23、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：上述方格棋盘形光栅图案是由多个正方块拼接而成的。

24、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：上述方格棋盘形光栅图案是由多个长方块拼接而成的。

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