曝光装置以及检测光罩对准误差的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月21日提交的第62/784288号美国临时专利申请的 权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及一种曝光装置以及检测光罩的对准误差的方法。更 具体而言，本发明涉及一种具有对准光源和对准传感器以允许在曝光制程中 检测光罩的对准误差的曝光装置。
背景技术
集成电路通常由光刻工艺(或曝光工艺)制成，该工艺使用光罩(或 光掩模)以及相关的光源将电路图像转印到半导体晶圆的表面上。光刻工艺 需要在晶圆上涂上一层光刻胶，曝光光刻胶层，然后显影曝光的光刻胶。在 曝光光刻胶层的制程中(例如，曝光制程)，将涂敷有光刻胶层的晶圆装载 到曝光装置(例如，步进式曝光装置或扫描式曝光装置)上，以用光罩的图 案进行曝光。
如图1所示，其示出了曝光装置的示意图。在曝光制程中，将光罩 110放置在曝光装置的光罩台130上。光罩110由镀有金属层112(例如， 铬层)的石英层111(或钠钙玻璃层)平板制成，金属层112形成用于电子 电路的图案。防护膜120用于密封光罩，以隔离和保护光罩表面的图案免受 微粒污染，并从图案的焦平面消除灰尘或其他颗粒。曝光装置产生紫外光(例 如，深紫外(DUV)光)以曝光光罩110。当连续曝光光罩110时，光罩110 可以从紫外光吸收辐射能，导致光罩110的温度升高。光罩110可能由于热 膨胀而变形，并且会导致光罩110的对准误差增大。如图2所示，虚线表示 光罩110的原始形状；实线表示光罩110的扩展形状。光罩110的对准误差 可能会导致在晶圆上传输的图案与其预期设计相比发生变化、变形或改变， 最终影响所制造的半导体器件的质量。必须在曝光制程中重复地执行光罩R 和晶圆之间的重新对准。然而，对准误差检测和重新对准制程通常很费时， 并且导致晶圆的曝光时间延长。
鉴于半导体制造制程日益复杂以及半导体几何尺寸缩小，需要改进 曝光制程的对准误差检测和重新对准。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种曝光装置以及用于在半导 体晶圆的曝光制程中检测光罩的对准误差的方法。所述方法和曝光装置能够 减少曝光制程的处理时间。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供了一种用于将光罩的图 案转印到晶圆上的曝光装置。光罩在其一侧具有形成图案的金属层。图案包 括至少一个电路图案以及至少一个对准标记。曝光装置包括曝光光源、对准 光源、光罩台以及对准传感器。曝光光源配置成产生第一光线以曝光光罩的 图案。对准光源配置成产生第二光线以曝光光罩的对准标记。光罩台配置成 定位光罩。对准传感器配置成检测穿过光罩的对准标记的第二光线以确定光 罩的对准误差。
为了实现上述目的，本发明的另一种实施方式提供了一种在曝光制 程中检测光罩的对准误差的方法。曝光制程将光罩的图案转印到晶圆上。光 罩在其一侧具有形成图案的金属层。图案包括至少一个电路图案以及至少一 个对准标记。方法包括步骤S401至S409。在步骤S401中，提供曝光装置。 曝光装置包括曝光光源、对准光源、光罩台以及对准传感器。在步骤S402 中，光罩设置在曝光装置的光罩台上。在步骤S403中，曝光装置的曝光光 源提供第一光线以曝光光罩的图案。在步骤S404中，曝光装置的对准光源 提供第二光线以曝光光罩的对准标记。在步骤S405中，通过穿过光罩的图 案的第一光线将光罩的图案投射到晶圆上。在步骤S406中，对准传感器探 测穿过光罩的对准标记的第二光线。在步骤S407中，基于由对准传感器探 测到的第二光线来确定对准误差。在步骤S408和S409中，根据控制单元确 定的对准误差，执行光罩与晶圆之间的重新对准制程。在一种实施方式中，在步骤S408中根据对准误差来调整光罩台的位置。在另一种实施方式中， 在步骤S409中根据对准误差调整晶圆台的位置。在一些实施方式中，根据 对准误差调整光罩台和晶圆台的位置。
如上所述，本发明的实施方式中的曝光装置使用额外的光源来检测 光罩的对准误差。当曝光光源产生曝光光以曝光光罩的图案时，对准光源产 生检测光以曝光光罩的对准标记。检测光穿过光罩的对准标记，并通过用于 检测对准误差的对准传感器进行检测。本发明的曝光装置能够在不停止曝光 制程的情况下进行光罩的对准误差检测。因此，本发明的实施方式中的曝光 装置能够减少曝光制程的处理时间，从而提高晶圆处理速度。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例的方式描述本技术的实施。
图1是示出曝光装置的示意图。
图2是示出图1中的光罩的变形的示意图。
图3是根据本发明的第一实施方式的曝光装置的示意图。
图4是第一实施方式中的光罩的示意图。
图5是示出图3中的曝光装置的光罩对准误差检测制程的示意图。
图6是示出图3中的曝光装置的光罩对准误差检测制程的示意图。
图7是根据本发明的第二实施方式的曝光装置的示意图。
图8是根据本发明的第二实施方式的曝光装置的示意图。
图9是示出图7中的曝光装置的曝光制程的示意图。
图10是示出在图7中的曝光装置的曝光制程中对准误差检测制程 的示意图。
图11是根据本发明的第三实施方式在曝光制程中检测光罩的对准 误差的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本 发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现，并且 不应被理解为限于本文所述的示例性实施方式。相反，提供这些示例性实施 方式使得本发明变得透彻且完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范 围。在全文中，相同的附图标记指代相同的元件。
本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施方式，而非旨在限制本 发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数 形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，在本文中使用时，术语“包括”、 “包含”或“具有”指定存在所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和 /或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、 操作、元件、组件和/或它们的组。
将理解的是，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何 和全部组合。还应理解，尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描 述各种元件、组件、区域、部件和/或部分，但是这些元件、组件、区域、部 件和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区 域、部件或部分与另一个元件、组件、区域、部件或部分进行区分。因此， 在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、部件 或部分可能被称为第二元件、组件、区域、部件或部分。
除非另有说明，否则本文中使用的全部术语(包括科技术语)的含 义与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同。还将理解的 是，术语(诸如在常用词典中定义的术语)应被解释为其含义与其在相关领 域和本发明的上下文中的含义一致，并且将不在理想化或过于正式的意义上 来解释，除非本文这样明确指出。
将结合图3至图11对本发明的示例性实施方式进行描述。将参照 附图对本发明进行详细描述，其中所描绘的元件不必按比例示出，并且其中 相同或相似的元件通过几幅视图中相同或相似的附图标记或者相同或相似 的术语表示。
下文将结合附图进一步描述本发明。
参考图3，其示出了根据本发明的第一实施方式的曝光装置200的 示意图。如图3所示，曝光装置200包括照明模块210、曝光狭缝220、光 罩台230、投影模块240、晶圆台250以及图像传感器260。曝光装置200 配置成将光罩R的图案转印到晶圆W上。
参考图4，光罩R包括透明层R1和金属层R2。金属层R2设置在 透明层R1上并在光罩R的一侧形成图案P。图案P包括至少一个电路图案 P1以及至少一个对准标记P2。对准标记P2可以是由几组平行线组成的高级 成像计量(AIM)标记。在一些实施方式中，对准标记P2可以是由多个盒 图案组成的盒中盒标记。电路图案P1配置成在晶圆W上形成电路图像。对准标记P2配置成将光罩R与晶圆W对准。光罩R的透明层R1可以是石英 层或钠钙玻璃层。光罩R的金属层R2具有用于形成图案以将电路图像转印 至晶圆W的间隙和线。优选地，金属层R2是铬层。
曝光装置200的照明模块210配置成通过光源(图未示)提供的光 线来照亮光罩R。所述光线可以是深紫外(DUV)光。曝光狭缝220设置在 照明模块210和光罩台230之间。所述光线先穿过曝光狭缝220，再穿过光 罩R。曝光狭缝220的宽度通常至少和光罩R的曝光范围的宽度相同，但仅 是光罩R的长度的一部分。光罩台230配置成定位光罩R。投影模块240配置成通过穿过光罩R的图案的光将光罩R的图案投射到晶圆W上。晶圆台 250配置成定位晶圆W。图像传感器260配置成检测穿过光罩R的对准标记 P2的光，以确定光罩R的对准误差。图像传感器260可以设置在晶圆台250 上。控制单元(图未示)联接至图像传感器260，以基于图像传感器260检 测到的光确定光罩R的对准误差，并且进一步调整光罩台230和晶圆台250 的位置以便进行重新对准。
在曝光制程中，由于吸收辐射能而造成的光罩R的热膨胀，要重复 执行检测光罩R的对准误差以及重新对准。检测光罩R的对准误差时，如图 5所示，将晶圆台250移动到使图像传感器260受照明模块210的光的曝光 的位置。然后，将光罩台230移动到使光罩R的对准标记P2受照明模块210 的光的曝光的位置，如图6所示。以此方式，照明模块210的光穿过曝光狭 缝220，穿过对准标记P2，再穿过投影模块240，然后由图像传感器260检 测。然后基于图像传感器260检测到的光，通过联接至图像传感器260的控 制单元确定光罩R的对准误差。控制单元可以进一步调整光罩台230和/或 晶圆台250的位置，以执行光罩R和晶圆W之间的重新对准。然而，检测 光罩R的对准误差时，晶圆W的曝光制程停止操作，直到调整光罩台230 和晶圆台250的位置以在光罩R和晶圆W之间进行重新对准。在曝光制程 中重复执行这种对准误差检测和重新对准制程。因此，延长了晶圆W的曝 光制程的处理时间，导致晶圆W的处理速率低。
参考图7和图8，其示出了根据本发明的第二实施方式的曝光装置 300的示意图。如图7所示，曝光装置300是用于将光罩的图案转印到晶圆 W上的光刻装置。光罩可以参考图4中的光罩R。光罩R包括透明层R1和 金属层R2。金属层R2设置在透明层R1上并在光罩R的一侧形成图案P。 图案P包括至少一个电路图案P1以及至少一个对准标记P2。对准标记P2可以是由几组平行线组成的高级成像计量(AIM)标记。在一些实施方式中， 对准标记P2可以是由多个盒图案组成的盒中盒标记。电路图案P1配置成在 晶圆W上形成电路图像。对准标记P2配置成将光罩R与晶圆W对准。光 罩R的透明层R1可以是石英层或钠钙玻璃层。光罩R的金属层R2具有用 于形成图案以将电路图像转印至晶圆W的间隙和线。优选地，金属层R2是 铬层。曝光装置300包括曝光光源310、对准光源380、光罩台330以及对 准传感器390。曝光光源310配置成产生第一光线以曝光光罩R的图案。第 一光线可以是深紫外(DUV)光。光罩R的图案P曝光于曝光光源310提 供的第一光线，然后被转印到晶圆W上。对准光源380配置成产生第二光 线以曝光光罩R的对准标记P2。第二光线可以是波长约为632.8nm的氦氖激光。光罩R的对准标记P2受对准光源380提供的第二光线的曝光。光罩 台330配置成定位光罩R。对准传感器390配置成探测由对准光源380提供 并且穿过光罩R的对准标记P2的第二光线，以确定光罩R的对准误差。
曝光装置300还包括照明模块320、曝光狭缝321、投影模块340 以及晶圆台350。照明模块320配置成通过第一光线照亮光罩R的图案。曝 光狭缝321设置在曝光光源310和光罩台330之间。更具体而言，曝光狭缝 321设置在照明模块320和光罩台330之间。第一光线穿过曝光狭缝321以 曝光光罩R的图案。曝光狭缝321的宽度通常至少和光罩R的曝光范围的宽 度相同，但仅是光罩R的长度的一部分。投影模块340配置成通过由曝光光 源310提供并且穿过光罩R的图案的第一光线将光罩R的图案投射到晶圆 W上。晶圆台350配置成定位晶圆W。对准光源310布置在光罩台330上 方。在一种实施方式中，对准传感器390设置在光罩台330和晶圆台350之 间，如图7所示。在一些实施方式中，对准传感器390设置在晶圆台350上， 如图8所示。对准传感器390可以是图像传感器。
曝光装置300还包括第一驱动单元334、第二驱动单元354、第一 干涉仪335、第二干涉仪355、控制单元370以及光罩确定单元360。第一驱 动单元334联接至光罩台330并且配置成驱动光罩台330。第二驱动单元354 联接至晶圆台350并且配置成驱动晶圆台350。第一干涉仪335配置成测量 光罩台330的位置。第二干涉仪355配置成测量晶圆台350的位置。控制单 元370联接至第一驱动单元334和第二驱动单元354，并且配置成控制第一 驱动单元334和第二驱动单元354的驱动模式。控制单元370还联接至对准 传感器390，以基于对准传感器390检测到的第二光线来确定光罩R的对准 误差。光罩确定单元360设置在光罩台330上并且配置成确定光罩R的特征。
光罩台330通过沿Y轴方向移动光罩R来定位光罩R。光罩台330 包括光罩台底座332以及光罩支架333；光罩支架333设置在光罩台底座332 上并用于将光罩R固定在光罩台底座332上方。第一驱动单元334根据驱动 模式驱动光罩台底座332。第一干涉仪335持续测量光罩台底座332的位置。 控制单元370通过使用第一驱动单元334以高精度控制光罩台330的位置。
光罩确定单元360确定放置在光罩台底座332上的光罩R的特征。 例如，光罩确定单元360由读取单元构成，读取单元读取形成在光罩R上的 诸如条形码之类的标识符。另外，光罩确定单元360可以由图像感测单元和 图像处理单元构成；图像感测单元感测光罩R的图像，诸如区域传感器、反 射传感器或照相机；图像处理单元处理图像感测单元感测的图像。例如，光 罩R的特征包括光罩的类型和光罩的形状中的至少一种。光罩的类型可能有所不同。示例有用于制造半导体器件的通用光罩(例如，在其上绘制电路图 案的光罩)，以及用于特殊用途的特殊光罩。特殊的光罩可以包括各种夹具， 并且不限于在其上形成电路图案的光罩。
投影模块340将来自照明模块320的光所照射的光罩R的图案以预 定放大率(例如，1/4或1/5)投射到晶圆W上。投影模块340可以采用仅 包括多个透镜元件的第一光学模块，包括多个透镜元件和至少一个凹透镜 (例如，折反射光学系统)的第二光学模块，包括多个透镜元件和至少一个 衍射光学元件(例如，相息图)的第三光学模块，以及全反射镜模块。可以 通过使用由具有不同色散值(或阿贝值)的钠钙玻璃材料制成的多个透镜元 件，或者通过布置衍射光学元件以在与透镜元件的方向相反的方向上散射光 来执行对色差的任何必要校正。
晶圆台350通过沿X轴和Y轴方向移动晶圆W来定位晶圆W。在 该实施方式中，晶圆台350包括其上放置有晶圆W的晶圆台底座352，用于 将晶圆W固定在晶圆台底座352上的晶圆支架353，以及用于驱动晶圆台底 座352的第二驱动单元354。第二干涉仪355连续地测量晶圆台底座352的 位置。控制单元370通过使用第二驱动单元354以高精度控制晶圆台底座352 的位置。
控制单元370包括中央处理单元(CPU)和存储器，并且控制曝光 装置300的整体操作。控制单元370控制将光罩R的图案转印到晶圆W上 的曝光制程。
参考图9，其示出了图7中的曝光装置300的曝光制程的示意图。 在曝光制程中，曝光光源310产生第一光线(如L1所示)以曝光光罩R的 图案(包括电路图案P1和对准标记P2)。第一光线L1穿过光罩R的图案， 穿过投影模块340，然后曝光晶圆W。因此，将光罩R的图案(包括电路图 案P1和对准标记P2)转印到晶圆W上。
参考图10，其示出了在图7中的曝光装置300的曝光制程中对准误 差检测制程的示意图。在曝光制程中，由于吸收了曝光光源310产生的第一 光线L1的辐射能而引起的热膨胀，光罩R可能具有对准误差。光罩R的对 准误差可以在不停止曝光装置300的曝光制程的情况下检测。如图10所示， 当曝光光源310产生第一光线L1以曝光光罩R的图案时，对准光源产生第 二光线(如L2所示)以暴露光罩R的对准标记P2。第二光线L2穿过光罩 R的对准标记P2。对准传感器390检测穿过光罩R的对准标记P2的第二光 线L2。然后，控制单元370基于由对准传感器390检测到的第二光线L2来 确定光罩R的对准误差。控制单元370控制第一驱动单元334来调整光罩台 330的位置，以执行光罩R和晶圆W之间的重新对准制程。在某些实施方 式中，控制单元370控制第二驱动单元354以调整晶圆台350的位置，从而 执行光罩R和晶圆W之间的重新对准制程。在一些实施方式中，控制单元 370控制第一驱动单元334和第二驱动单元354分别调整光罩台330和晶圆 台350的位置，从而执行光罩R和晶圆W之间的重新对准制程。当曝光光 罩R的图案时，这种对准误差检测和重新对准制程可以被执行。因此，本发 明的第二实施方式中的曝光装置300使用额外的光源进行光罩R的对准误差 检测。曝光装置300可以在不停止曝光制程的情况下进行光罩R的对准误差 检测。因此，本发明的第二实施方式中的曝光装置300可以减少曝光制程的 处理时间，并因此提高晶圆W的处理速度。
参考图11，提供了根据本发明的第三实施方式在曝光制程中检测光 罩的对准误差的方法S400的流程图。光罩可以参考图4中的光罩R。光罩R 包括透明层R1和金属层R2。金属层R2设置在透明层R1上并在光罩R的 一侧形成图案P。图案P包括至少一个电路图案P1以及至少一个对准标记 P2。电路图案P1配置成在晶圆W上形成电路图像。对准标记P2配置成将 光罩R与晶圆W对准。方法S400包括步骤S401至S409。
在步骤S401中，提供曝光装置。曝光装置可以参考图7至图10中 第二实施方式中的曝光装置300。曝光装置300包括曝光光源310、对准光 源380、光罩台330以及对准传感器390。曝光光源310配置成产生第一光 线以曝光光罩R的图案(包括电路图案P1和对准标记P2)。第一光线可以 是深紫外(DUV)光。光罩R的图案(或金属层R2)暴露于来自曝光光源310的第一光线下，然后转印到晶圆W上。对准光源380配置成产生第二光 线以曝光光罩R的对准标记P2。第二光线可以是波长约为632.8nm的氦氖 激光。光罩R的对准标记P2由对准光源380的第二光线曝光。光罩台330 配置成定位光罩R。对准传感器390配置成检测由对准光源380提供并且穿 过光罩R的对准标记P2的第二光线以确定光罩R的对准误差。曝光装置300 还包括照明模块320、曝光狭缝321、投影模块340以及晶圆台350。照明模 块320配置成通过第一光线照亮光罩R的图案。曝光狭缝321设置在曝光光 源310和光罩台330之间。第一光线穿过曝光狭缝321以曝光光罩R的图案。 投影模块340配置成通过由曝光光源310提供并且穿过光罩R的图案的第一 光线将光罩R的图案投射到晶圆W上。晶圆台350配置成定位晶圆W。曝 光装置300还可以包括第一驱动单元334、第二驱动单元354、第一干涉仪 335、第二干涉仪355、控制单元370以及光罩确定单元360。第一驱动单元 334联接至光罩台330并且配置成驱动光罩台330。第二驱动单元354联接 至晶圆台350并且配置成驱动晶圆台350。第一干涉仪335配置成测量光罩 台330的位置。第二干涉仪355配置成测量晶圆台350的位置。控制单元370 联接至第一驱动单元334和第二驱动单元354，并且配置成控制第一驱动单 元334和第二驱动单元354的驱动模式。控制单元370还联接至对准传感器 390，以基于对准传感器390检测到的第二光线来确定光罩R的对准误差。 光罩确定单元360设置在光罩台330上并且配置成确定光罩R的特征。
在步骤S402中，光罩R设置在曝光装置300的光罩台上。光罩台330通过沿Y轴方向移动光罩R来定位光罩R。光罩台330包括光罩台底座 332以及光罩支架333；光罩支架333设置在光罩台底座332上，并用于将 光罩R固定在光罩台底座332上方。第一驱动单元334根据驱动模式驱动光 罩台底座332。
在步骤S403中，曝光光源310提供第一光线以曝光光罩R的图案。 在步骤S404中，对准光源380提供第二光线以曝光光罩R的对准标记。在 步骤S405中，通过穿过光罩R的图案的第一光线将光罩R的图案投射到晶 圆W上。在步骤S406中，通过对准传感器390探测穿过光罩R的对准标记 P2的第二光线。步骤S403至S406可以参考图10。在曝光制程中，曝光光源310产生第一光线(如L1所示)以曝光光罩R的图案(包括电路图案P1 和对准标记P2)。第一光线L1穿过光罩R的图案，穿过投影模块340，然后 曝光晶圆W。以此方式，将光罩R的图案(包括电路图案P1和对准标记P2) 转印到晶圆W上。在曝光制程中，由于吸收了曝光光源310产生的第一光 线L1的辐射能而引起的热膨胀，光罩R可能具有对准误差。当曝光光源310产生第一光线L1以曝光光罩R的图案时，对准光源产生第二光线(如L2 所示)以曝光光罩R的对准标记P2。第二光线L2穿过光罩R的对准标记 P2。对准传感器390检测穿过光罩R的对准标记P2的第二光线L2。在曝光 制程中，光罩台330和晶圆台350往复移动，以通过第一光线L1将光罩R 的不同区域曝光于晶圆W，且通过光罩台330往复移动光罩，光罩的每个对 准标记P2可以通过第二光线L2曝光。因此，可以检测出每个对准标记的对 准误差。
在步骤S407中，基于由对准传感器390探测到的第二光线确定光 罩的对准误差。然后，通过控制单元370基于由对准传感器390检测到的第 二光线L2确定光罩R的对准误差。在步骤S408和S409中，根据控制单元 370确定的对准误差，执行光罩与晶圆之间的重新对准。在一种实施方式中， 在步骤S408中根据对准误差来调整光罩台330的位置。控制单元370控制 第一驱动单元334来调整光罩台330的位置，以执行光罩R和晶圆W之间 的重新对准。在另一种实施方式中，在步骤S409中根据对准误差调整晶圆 台350的位置。控制单元370控制第二驱动单元354来调整晶圆台350的位 置，以执行光罩R与晶圆W之间的重新对准。在一些实施方式中，调整光 罩台330和晶圆台350的位置。控制单元370控制第一驱动单元334和第二 驱动单元354以分别调整光罩台330和晶圆台350的位置，从而执行光罩R 和晶圆W之间的重新对准。
如上所述，本发明的实施方式中的曝光装置使用额外的光源以进行 光罩的对准误差检测。当曝光光源产生曝光光以曝光光罩的图案时，对准光 源产生探测光以曝光光罩的对准标记。探测光穿过光罩的对准标记，并通过 用于对准误差探测的对准传感器进行探测。本发明的实施方式中的曝光装置 能够在不停止曝光制程的情况下进行光罩的对准误差检测。因此，本发明的 实施方式中的曝光装置能够减少曝光制程的处理时间，从而提高晶圆处理速 度。
以上示出和描述的实施方式仅是示例而已。在本领域中经常发现许 多细节，例如曝光装置以及检测光罩的对准误差的方法的其他特征。因此， 没有示出或描述很多这样的细节。虽然在前面的描述中已经陈述了本技术的 许多特征和优点，以及本发明的结构和功能的细节，但是本发明仅是说明性 的，并且可以在本发明的原则范围内对细节进行变化，尤其是部件的形状、 尺寸和布置等事项，达到并包括由权利要求中所使用的术语的广泛普遍含义 所确定的完整范围。因此，应当理解，可以在权利要求的范围内修改上述实施方式。
