工件台位置水平误差测量及校正方法.pdf

本发明提出一种工件台位置水平误差测量及校正方法，包括下列步骤：光刻机系统在硅片上曝光多个场的标记，每个场中分别包含将工件台设置成不同的旋转或者倾斜角度的情况曝光得到的标记；读取标记在硅片上的位置；计算工件台带有一定旋转或者倾斜角度与旋转倾斜角度均为零的情况下曝光得到的标记位置偏差；以及依据标记位置偏差获得计算得到至少一个用于校正干涉仪误差的参数，从而对工件台位置的测量结果进行有效的校正。本发明可以有效测量出由旋转或者倾斜等不同组合情况下引入的误差，与传统技术相比，精度更高。

1.  一种测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，适用于一光刻机系统，光刻机系统包括：照明光源系统、投影物镜成像系统、用于支撑并精密定位掩模板的掩模台、用于支撑并精密定位硅片的工件台以及干涉仪，上述测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法的特征在于，包括下列步骤：
上述光刻机系统在上述硅片上曝光至少一个场的标记，每个场中分别包含将上述工件台设置成不同的旋转或者倾斜角度的情况曝光得到的标记；
读取上述标记的位置；
根据测得的上述标记的位置，计算工件台由于旋转和倾斜引起的工件台的位置偏差；以及
依据上述标记位置偏差获得计算得到至少一个用于校正干涉仪误差的参数，从而对工件台的水平位置误差进行校正。

2.  根据权利要求1所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，曝光的上述标记为可以使用测量系统测得的并确定其位置的对准标记。

3.  根据权利要求2所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，其中上述对准标记为离轴对准标记。

4.  根据权利要求2所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，其中上述对准标记为套刻标记。

5.  根据权利要求2所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，上述读取上述标记的上述位置为读取上述标记在上述工件台的旋转角度或倾斜角度不为零时的位置。

6.  根据权利要求5所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，上述对准标记的参考位置为上述对准标记在上述工件台的旋转角度或倾斜角度为零时的位置。

7.  根据权利要求1所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，曝光各个标记时，将工件台设置成多种不同的旋转和倾斜姿态，以观测设置成这些姿态时，这些旋转和倾斜设置值对工件台水平位置的影响。

8.  根据权利要求1所述的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，其特征在于，曝光时刻工件台的旋转和倾斜角度(Rx，Ry，Rz)这三个值中，其中一个值为非零时，其它两个值为零。

工件台位置水平误差测量及校正方法
技术领域
本发明是有关于一种工件台位置误差测量及校正方法，且特别是有关于一种工件台位置水平误差测量及校正方法。
背景技术
在光刻机当中，工件台的位置普遍采用干涉仪系统来监测，这些干涉仪测量系统由多个干涉仪测量轴组成。围绕着工件台，干涉仪系统的多个测量光束从多个不同方向照向预先安装在工件台特定位置的反射镜。基于每种干涉仪测量系统的物理配置，系统需要设计特定的计算模型来计算工件台在空间中的六个自由度。这些计算模型除了基于多个测量轴测得的光束长度计算工件台的位置之外，还需要矫正测量中的多种几何效应。这些效应包括阿贝效应、余弦效应以及测量同一个方向位置偏差的光束不平行入射等。
在位置测量中，由于实际测量轴与物体的运动轴存在偏移，从而使得测量结果与实际尺寸产生偏离，便会产生阿贝误差。二者之间的偏移距离称为阿贝臂长。图1展示了阿贝误差的产生原理。为了方便，光刻机一般以工件台上的硅片在空间中的位置来定义工件台所处的位置，但是监视工件台位置的干涉仪光束只能测量工件台。这就产生了阿贝误差。
图2展示了激光距离测量中的另一种常见效应-余弦效应。它产生的主要原因为测量轴与物体的运动轴存在一个夹角。用于反射干涉仪测量光束的方镜位于工件台之上，方镜会随着工件台而旋转倾斜。这将造成由方镜反射回来的光束随着工件台的旋转倾斜而偏移，从而使光束的长度由于余弦效应产生额外的变化。另一方面，当干涉仪的初始出射光束存在一定夹角时，也会导致余弦误差的产生。
在计算工件台位置的时候，光束的偏斜以及实际运动参照面和干涉仪测量面之间距离形成的阿贝臂长将作为所需参数提供给位置计算模型，由位置计算模型对这些误差进行补偿。位置计算模型中采用的多个参数实际上反映的是干涉仪测量系统的安装参数。为了使计算模型能够随时计算出正确的结果，需要定期地对这些参数进行校正。
美国专利(专利号为US 7,142,314 B)提出了在工件台的位置测量过程中如何对其水平位置测量进行校准。该专利在硅片上放置一块以上的具有强反差反射特性的薄膜。当硅片上载到工件台上之后，有一束光照射到硅片上，并且有一个光强测量机构测量硅片上反射回来的光强。通过探测由薄膜反射回来的光强变化，系统确定工件台的准确位置。将工件台的实际准确位置和由干涉仪测得的工件台位置进行比较，得到干涉仪的测量误差。这种校正方法可以有效地测定工件台在水平方向的定位误差，并通过加入偏移来对误差进行补偿。然而，该专利着重测定干涉仪的水平向偏移常量，其测定的只是水平向的常量误差以及误差随工件台位置的线性改变。干涉仪测量工件台位置的过程中遇到的阿贝误差、余弦误差等多种误差并不仅仅包含常量偏移，利用这类方法无法对这些误差进行有效校正，误差也常大到几百纳米以上。
发明内容
本发明提出一种工件台位置水平误差测量及校正方法，以改善现有技术的缺失。
本发明的测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法，适用于一光刻机系统，光刻机系统包括：照明光源系统、投影物镜成像系统、用于支撑并精密定位掩模板的掩模台、用于支撑并精密定位硅片的工件台以及干涉仪。上述测量工件台位置的水平误差并对其进行校正的方法包括下列步骤：上述光刻机系统在上述硅片上曝光多个场的标记，每个场中分别包含将上述工件台设置成不同的旋转或者倾斜角度的情况曝光得到的标记；读取上述标记的实际位置；根据上述标记的上述实际位置和上述标记的参考位置计算标记位置偏差；以及依据上述标记位置偏差获得计算得到至少一个用于校正干涉仪误差的参数，从而得到曝光时刻上述工件台的实际位置。
本发明的工件台位置水平误差测量及校正方法通过在硅片上曝光对准标记的方法直接记录工件台的位置，从而可以更加方便地测量曝光时刻工件台的实际位置；所采用的对准标记可以是离轴对准标记，套刻对准标记，要知晓曝光时刻的工件台位置，可以由光刻机或者套刻机读取对准标记的位置，若采用套刻机读取标记，还可以不占用光刻机的机时，从而降低成本；通过将工件台设置成各种不同姿态来记录工件台的位置，从而可以将各种不同的倾斜旋转角度设置对工件台的水平位置引入的误差进行独立分析。
附图说明
图1所示为阿贝误差的产生原理图。
图2所示为激光距离测量中的另一种常见效应-余弦效应。
图3所示为应用本发明的工件台位置水平误差测量及校正方法的光刻机系统的示意图。
图4所示为根据本发明第一实施例的工件台位置水平误差测量及校正方法的流程图。
图5所示为根据本发明第一实施例的硅片上曝光出的多个图案的示意图。
图6所示为根据本发明第一实施例的硅片上的曝光场的布局的示意图。
图7所示为根据本发明第二实施例的工件台位置水平误差测量及校正方法的流程图。
图8所示为根据本发明第二实施例的硅片上的曝光场的布局的示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图3所示为应用本发明的工件台位置水平误差测量及校正方法的光刻机系统的示意图。
如图3所示，光刻机系统10包括照明光源系统1、投影物镜成像系统4、用于支撑并精密定位掩模板2的掩模台3、用于支撑并精密定位硅片5的工件台6以及干涉仪7。照明光源系统1发出光线；掩模板2上具有标记S；硅片5设置于工件台6上；干涉仪7用于测量工件台6的位置；标记S经投影物镜成像系统2成像于硅片5上。
图4所示为根据本发明第一实施例的工件台位置水平误差测量及校正方法的流程图。工件台6位置水平误差测量及校正方法包括下列步骤：
S201，光刻机系统在硅片5上曝光多个场的标记，在本实施例中标记S为套刻标记。此过程中，工件台6的旋转角度或倾斜角度分别被设置成零以及特定的值，进行了套刻标记的两层曝光。
S203，读取硅片上套刻标记的套刻误差。
S205，根据上述套刻标记的套刻误差得到由旋转或倾斜引入的工件台的位置偏差。
S207，依据上述工件台的位置偏差和工件台的倾斜与旋转不为零时设置的角度获得工件台干涉仪位置计算模型的正确参数。
接下来，同时结合图5与图6给出发明第一实施例具体的实施过程。
首先，在硅片5上曝光出图5所示的多个图案。整个硅片5上共有6个场。每个场的布局分布如图6所示。每个场由18组套刻标记组成，可进一步分成6个小场。每个小场包含三组套刻标记，这三组套刻标记均为在相同条件下曝光得到。套刻标记为Box-in-Box结构，白色下层为工件台6的旋转角度和倾斜角度都为零的情况下曝光得到的，黑色上层是按照要求在工件台6设置成特定的旋转角度或倾斜角度的情况下曝光得到。图6中每个小场的下方都标出了该小场对应的曝光黑色上层时工件台6设置的角度(Rx，Ry，Rz)。例如(1.0，0，0)表示曝光该标记黑色上层的时刻工件台的角度设置值为Rx＝1.0毫弧度(mrad)，Ry＝0mrad，Rz＝0mrad。同理，(0，0，1.2)表示曝光该标记黑色上层的时刻工件台的角度设置值为Rx＝0mrad，Ry＝0mrad，Rz＝1.2mrad。
接着，利用套刻机读取每组套刻标记曝光到硅片上的套刻误差，并保存。硅片上曝光显影的套刻标记上层标记中心位置与下层标记中心位置的差相对于掩模上套刻标记上层标记中心位置与下层标记中心位置的差的偏移量即为套刻误差。如果套刻标记的上层标记中心与下层标记中心重合，则套刻误差为曝光在硅片上的套刻标记上层标记中心位置与下层标记中心位置的差。
利用上面测量得到的三组套刻标记的套刻误差，代入工件台的水平位置计算公式进行拟和，得到公式中相应系数。
工件台的水平位置坐标(x，y)分别是x1，y1，Rx，Ry，Rz和干涉仪模型系数的函数。
x＝f(x1，Rx，Ry，Rz，α，β，γ)
y＝f(y1，Rx，Ry，Rz，η，ξ，ε)                (1)
其中，x1，y1分别为干涉仪测得的X向和Y向的光束长度。Rx，Ry，Rz分别为对应的曝光套刻标记的黑色上层时工件台的倾斜角度和旋转角度。
α，β，γ，η，ξ，ε代表干涉仪的模型系数。
通过整理，可以将上式整理成以x1，y1，Rx，Ry，Rz为变量且以干涉仪的模型系数为参数的函数：
x＝a+b·α+c·β+d·γ
y＝e+f·η+g·ζ+h·ε                          (2)
其中，a，b，c，d，e，f，g，h是函数中包含了x1，y1，Rx，Ry，Rz变量的函数。
测量硅片上各个对准套刻标记的位置，并且用()表示工件台的旋转角度或倾斜角度非零时曝光得到的标记位置，相应地用()表示与之对应的工件台的旋转角度或倾斜角度为零时曝光得到的标记位置。此时硅片上套刻标记的位置等效为曝光时刻工件台的位置，套刻误差等效于对应的工件台的位置偏差，基于公式(2)，可以得到下式：
x 1 ′ - x 0 ′ = a 1 ′ - a 0 ′ + ( b 1 ′ - b 0 ′ ) ·α+ ( c 1 ′ - c 0 ′ ) · β + ( d 1 ′ - d 0 ′ ) · γ ]]>
y 1 ′ - y 0 ′ = e 1 ′ - e 0 ′ + ( f 1 ′ - f 0 ′ ) ·η+ ( g 1 ′ - g 0 ′ ) · ζ + ( h 1 ′ - h 0 ′ ) · ϵ ]]>
                                             (3)
根据各个曝光时刻工件台的角度设置值，结合三组套刻标记的套刻误差，将它们分别代入以上公式进行拟和，便可求得模型中的相应模型系数。
采用本发明，可以对α，β，γ，η，ξ，ε等多个系数进行有效校正，从而有效消除由于工件台的旋转、倾斜或者它们的组合角度引入的多种误差。
只要工件台位置控制系统的精度、投影物镜的相差、干涉仪模型本身的精度，以及光刻机的标记读取系统的精度达到纳米级，利用本发明提出的方法进行测校，即可通过校正干涉仪模型的系数，使干涉仪测量系统的测量精度达到纳米级别。
图7所示为根据本发明第二实施例的工件台位置水平误差测量及校正方法的流程图。同时结合图3与图7，工件台6位置水平误差测量及校正方法包括下列步骤：
S501，在硅片上曝光离轴对准标记。每个场均包含两行标记，每行中上面一排标记在工件台的旋转和倾斜角度都为零的情况下曝光得到，而下面一排的标记是按照要求在工件台设置成特定的旋转或倾斜角度的情况下曝光得到。
S503，读取离轴对准标记的位置，在读取过程中工件台6的旋转角度和倾斜角度为零。
S505，根据上述离轴对准标记的位置得到由旋转或倾斜引入的工件台的位置偏差。
S507，依据上述工件台的位置偏差，获得干涉仪位置计算模型的正确参数。
接下来，同时结合图3与图7给出发明第二实施例具体的实施过程。
首先，在一个硅片5上曝光出图5所示的多个图案。整个硅片5上共有6个场。每个场的布局分布如图8所示。这里每个场由36个标记组成，可进一步分成6个小场。每个小场包含两行标记。每行中上面一排的3个标记在工件台的旋转角度和倾斜角度都为零的情况下曝光得到，而下面一排的3个标记是按照要求在工件台设置成特定的旋转角度或倾斜角度的情况下曝光得到。
图8中每个小场的下方标出了该小场对应的(Rx，Ry，Rz)设置角度。例如(1.0，0，0)表示曝光该标记的时刻工件台的Rx＝1.0mrad，Ry＝0mrad，Rz＝0mrad。同理，(0，0，1.2)表示曝光该标记的时刻工件台的Rx＝0mrad，Ry＝0mrad，Rz＝1.2mrad。
离轴对准标记进行曝光后，利用对准标记读取系统读出各个标记在硅片上的位置并保存；
利用上面测量得到的标记位置，代入工件台的水平位置计算公式进行拟和，得到公式中相应系数。
假设工件台的水平位置坐标(x，y)分别是x1，y1，Rx，Ry，Rz和干涉仪模型系数的函数。
x＝f(x1，Rx，Ry，Rz，α，β，γ)
y＝f(y1，Rx，Ry，Rz，η，ξ，ε)             (1)
其中，x1，y1分别为激光干涉仪测得的X向和Y向的光束长度。Rx，Ry，Rz分别为对应的工件台的倾斜和旋转角度。α，β，γ，η，ξ，ε代表干涉仪的模型系数。
通过整理，可以将以上公式整理成以x1，y1，Rx，Ry，Rz为变量且以工件台位置模型的参数为系数的函数。
x＝a+b·α+c·β+d·γ
y＝e+f·η+g·ζ+h·ε                       (2)
其中，a，b，c，d，e，f，g，h是函数中包含了x1，y1，Rx，Ry，Rz变量的函数部分。测量硅片上各个标记位置，并且用表示工件台的旋转或倾斜角度非零时曝光得到的下面一排的标记位置，相应地用表示与之对应的工件台的旋转或倾斜角度为零时曝光得到的上面一排标记位置。此时硅片上标记的位置等效为曝光时刻工件台的位置，基于公式(2)，可以得到下式：
x 1 ′ - x 0 ′ = a 1 ′ - a 0 ′ + ( b 1 ′ - b 0 ′ ) ·α+ ( c 1 ′ - c 0 ′ ) · β + ( d 1 ′ - d 0 ′ ) · γ ]]>
y 1 ′ - y 0 ′ = e 1 ′ - e 0 ′ + ( f 1 ′ - f 0 ′ ) ·η+ ( g 1 ′ - g 0 ′ ) · ζ + ( h 1 ′ - h 0 ′ ) · ϵ ]]>
                                            (3)
根据各个曝光时刻工件台的角度设置值，并结合测量得到的每个离轴对准标记的位置，将它们分别代入以上公式进行拟和，便可求得干涉仪的模型系数。
为了能够更加详细地显示拟和的过程，以下给出一个具体的公式。在以上两个实施例中，若(2)式中X向的公式为：
x = Xl · [ 1 + 0.5 ( Rz - Rxz 0 ) 2 + 0.5 ( Ry - Rxy 0 ) 2 ] + 0.5 K ( Ry 2 + Rz 2 ) ]]>
                                            (4)
- Mx · ( Rz + 1 2 RxRy ) + Nx · ( Ry - 1 2 RxRz ) ]]>
其中R_xz0、R_xy0、K、Mx、Nx为表征安装特征的相关系数，为待求的量。
根据两种情况下曝光得到的标记位置，将公式进行相减，得到：
x 1 - x 0 = X l 1 · [ 1 + 0.5 ( R z 1 - Rxz 0 ) 2 + 0.5 ( R y 1 - Rxy 0 ) 2 ] + 0.5 K ( R y 1 2 + R z 1 2 ) - Mx · ( R z 1 + 1 2 R x 1 R y 1 ) + Nx · ( R y 1 - 1 2 R x 1 R z 1 ) ]]>
                                            (5)
- X l 0 · [ 1 + 0.5 ( R z 0 - Rxz 0 ) 2 + 0.5 ( R y 0 - Rxy 0 ) 2 ] + 0.5 K ( R y 0 2 + R z 0 2 ) - Mx · ( R z 0 + 1 2 R x 0 R y 0 ) + Nx · ( R y 0 - 1 2 R x 0 R z 0 ) ]]>
其中带下标0的量为零层曝光相关的量，为工件台不带有旋转和倾斜时的测量值；带下标1的量为一层曝光相关的量，为工件台带有旋转和倾斜时的测量值。将上式进行整理，得到(3)式的具体表达式为：
x₁-x₀-{[Xl₁·(1+0.5(Rz₁)²+0.5(Ry₁)²)]-[Xl₀·(1+0.5(Rz₀)²+0.5(Ry₀)²)]}
-0.5·(Xl₁-Xl₀)·((Rxz₀)²+0.5(Rxy₀)²)
＝0.5(Ry₁²-Ry₀²+Rz₁²-Rz₀²)K+(Xl₀·Rz₀-Xl₁·Rz₁)Rxz0+(Xl₀·Ry₀-Xl₁·Ry₁)Rxy0        (6)
+(Rz₀-Rz₁+0.5Rx₀Ry₀-0.5Rx₁Ry₁)Mx+(Ry₁-Ry₀+0.5Rx₀Ry₀-0.5Rx₁Ry₁)Nx
＝A₁·p₁+A₂·p₂+A₃·p₃+A₄·p₄+A₅·p₅
其中，
A₁＝0.5(Ry₁²-Ry₀²+Rz₁²-Rz₀²)，         p₁＝K
A₂＝Xl₀·Rz₀-Xl₁·Rz₁，            p₂＝RXz0
A3＝Xl₀·Ry₀-Xl₁·Ry₁，            p₃＝RXy0
A₄＝Rz₀-Rz₁+0.5Rx₀Ry₀-0.5Rx₁Ry₁，  p₄＝Mx
A₅＝Ry₁-Ry₀+0.5Rx₀Ry₀-0.5Rx₁Ry₁，  p₅＝Nx
将标记曝光过程中测得的X1、Y1、Rx、Ry、Rz代入上式进行拟和，即可求得系数。
综上所述，本发明的工件台位置水平误差测量及校正方法通过在硅片上曝光对准标记的方法直接记录工件台的位置，从而可以更加方便地测量曝光时刻工件台的实际位置；所采用的对准标记可以是离轴对准标记，套刻对准标记，要知晓曝光时刻的工件台位置，可以由光刻机或者套刻机读取对准标记的位置，若采用套刻机读取标记，还可以不占用光刻机的机时，从而降低成本；通过将工件台设置成各种不同姿态来记录工件台的位置，从而可以将各种不同的倾斜旋转角度设置对工件台的水平位置引入的误差进行独立分析。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应做为本发明的技术范畴。