水平测量装置、光刻设备及测量晶圆表面平整情况的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺中的光刻，特别是涉及一种水平测量装置、光刻设备，还涉及一种测量晶圆表面平整情况的方法。

背景技术

光刻设备是用于将所需的图案转移到晶圆(Wafer)上的机器。通常通过在掩膜版上(Mask)制作所需的图案，然后使用光刻设备，将掩膜版上的图案在涂敷于晶圆表面的光敏材料(例如光刻胶Photoresist)上曝光，实现图案的转移，后续使用刻蚀工艺，将图案化的光敏材料作为阻挡层，在晶圆上刻蚀出所需的图案。

为了精确地将图案转移到晶圆上，在使用光刻设备对晶圆(上的光刻胶)进行曝光前，需要测量晶圆表面的平整情况，以确定在对目标区域(即曝光区域)进行曝光时的最佳曝光焦距，使得曝光区域的表面被定位在焦平面上或焦平面附近。

测量晶圆表面的平整情况可以使用水平传感器。然而，发明人在实际生产中发现，对于不同版图(layout)的集成电路，使用传统的水平传感器测量得到的平整度存在精度偏差，即有的版图的产品测量结果较为精确，而有的版图的产品测量结果则误差较大。

发明内容

基于此，有必要提供一种表面平整情况的测量精确度较高的水平测量装置、光刻设备及测量晶圆表面平整情况的方法。

一种水平测量装置，包括：载物台和水平传感器，所述水平传感器用于测量所述载物台上承载的物体表面的平整情况，其中，所述水平传感器包括从水平传感器组中选择的至少一个传感器组件，所述水平传感器组包括尺寸不相同的传感器组件。

在其中一个实施例中，所述水平传感器组的各传感器组件是光学传感器，所述水平传感器中不同传感器组件的出射光路相互平行。

在其中一个实施例中，所述水平传感器用于测量所述载物台上承载的晶圆表面的平整情况，所述水平传感器的各传感器组件均包括：投影模块，用于将测量光束投影至所述载物台上承载的物体表面，以在所述物体表面形成测量光斑；检测模块，用于接收被所述物体表面反射后的测量光束；处理模块，用于根据所述检测模块接收到的测量光束得出所述物体表面的平整情况。

在其中一个实施例中，所述水平传感器形成的所述测量光斑的测量尺寸与所述晶圆表面的待曝光区域的曝光区域尺寸相匹配。

在其中一个实施例中，所述检测模块包括检测光栅，所述检测光栅用于将被所述物体反射后的测量光束分成第一光束和第二光束，所述检测模块还包括用于接收所述第一光束的第一光接收器，和用于接收所述第二光束的第二光接收器。

在其中一个实施例中，所述投影模块包括光源和投影光栅，所述光源发出的光线经过所述投影光栅后成为所述测量光束。

在其中一个实施例中，所述水平传感器组的每个传感器组件具有表征自身形成的所述测量光斑大小的测量尺寸，所述水平传感器组包括10个传感器组件，其中各传感器组件对应的测量尺寸分别为：0.1、0.3、0.5、1、2、3、5、10、20、30毫米。

在其中一个实施例中，所述水平传感器组至少包括两套传感器组件；任一套所述传感器组件包含两个以上相同尺寸的传感器组件，且任两套所述传感器组件分别包含的传感器组件为不相同尺寸；或任一套所述传感器组件包含不相同尺寸的传感器组件，且任两套所述传感器组件包含的传感器组件为存在相同尺寸。

在其中一个实施例中，还包括移位机构，所述移位机构与所述载物台连接，用于驱动所述载物台移动，以实现所述载物台和所述水平传感器的相对移动。

一种光刻设备，包括上述任一项所述的水平测量装置。

一种测量晶圆表面平整情况的方法，包括：获取待测晶圆的版图信息；根据所述版图信息得到曝光区域尺寸；根据所述曝光区域尺寸从水平传感器组中选择至少一个传感器组件，组成水平传感器；所述水平传感器组包括尺寸不相同的传感器组件；通过所述水平传感器测量所述待测晶圆的表面平整情况。

在其中一个实施例中，所述通过所述水平传感器测量所述待测晶圆的表面平整情况，包括：所述水平传感器将测量光束投影至所述待测晶圆的表面，以在晶圆表面形成测量光斑；所述水平传感器接收被所述晶圆表面反射后的测量光束；所述水平传感器根据所接收到的测量光束得出所述晶圆表面的平整情况。

在其中一个实施例中，所述水平传感器组的每个传感器组件具有表征自身形成的测量光斑大小的测量尺寸；所述根据所述曝光区域尺寸从水平传感器组中选择至少一个传感器组件，组成水平传感器，包括：基于数量最少原则从水平传感器组中选择至少一个传感器组件，以使所述至少一个传感器组件组成的所述水平传感器对应的测量尺寸，与所述曝光区域的曝光区域尺寸相匹配。

在其中一个实施例中，所述待测晶圆承载于载物台；所述通过所述水平传感器测量所述待测晶圆的表面平整情况，还包括：通过移位机构驱动承载所述待测晶圆的载物台，以实现所述载物台和所述水平传感器的相对移动。

在其中一个实施例中，所述待测晶圆的表面包含多列待曝光区域；所述测量尺寸是所述测量光束投影至所述待测晶圆的水平表面时，所述测量光束在所述水平表面上形成的测量光斑在第一方向上的长度；所述通过移位机构驱动所述载物台，包括：步骤A，通过所述移位机构驱动所述载物台，将所述测量光斑对准一列待曝光区域；步骤B，通过所述移位机构驱动所述载物台沿第二方向移动，以完成对所述待测晶圆上一列待曝光区域的扫描测量，所述第二方向垂直于所述第一方向、且平行于所述载物台的承载面；步骤C，通过所述移位机构驱动所述载物台沿第一方向移动，使得所述测量光斑对准另一列待曝光区域；重复步骤B和步骤C以完成对所述待测晶圆上各所述待曝光区域的表面平整情况的测量。

上述表面平整情况的测量精确度较高的水平测量装置、光刻设备及测量晶圆表面平整情况的方法，操作人员可以根据产品版图的曝光区域尺寸从水平传感器组中选择或组合传感器组件，得到测量尺寸与该曝光区域尺寸相匹配的水平传感器，再使用该水平传感器测量晶圆表面的平整情况。因此该光刻设备的水平传感器的测量尺寸是可调的，操作人员能够使用测量尺寸与曝光区域尺寸相匹配的水平传感器对晶圆进行测量，测量精确度较高。

附图说明

图1是一实施例中水平传感器的一个传感器组件的测量原理图；

图2是曝光区域和测量光束的光斑在晶圆表面的示意图；

图3是一实施例中光刻设备测量晶圆表面平整情况的方法的流程图；

图4a、4b各是一实施例中水平传感器的传感器组件排列方式示意图；

图5是水平传感器的较大测量光斑在晶圆表面的投影示意图；

图6是水平传感器的较小测量光斑在晶圆表面的投影示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

发明人通过实验和研究认为，使用传统的水平传感器测量版图不同的晶圆时，平整度存在精度偏差的原因是：不同版图的曝光区域尺寸、纵横排列等因素不同，因此同一水平传感器在适配尺寸不合适的版图的晶圆时，会出现较大的测量误差。例如，对于光学式的水平传感器，其投射的测量光束的尺寸是固定的，因此在对尺寸不合适的版图的晶圆进行测量时，就会出现较大的测量误差。参见图5和图6，图5是水平传感器的较大测量光斑在晶圆表面的投影示意图；图6是水平传感器的较小测量光斑在晶圆表面的投影示意图。图5所示的单一较大尺寸的传感器组件在晶圆表面投影形成的测量光斑22a会覆盖并超出晶圆上待曝光区域21的边缘，从而导致测量精度降低。而图6的对比例采用了单一较小尺寸的传感器组件，其测量光斑22b更小，会导致成本较高及边缘偏移(edge shift)的问题，边缘偏移会导致测量精度降低。边缘偏移指水平传感器由越多传感器组件组合形成时，处在边缘的传感器组件与处在中心的传感器组件越难以保持处于同一水平面。

本说明书和权利要求书中曝光区域尺寸是指：掩膜版上需要进行图形转移的图案在被曝光至目标物上时，在目标物上形成的曝光区域的尺寸。由于使用水平传感器测量晶圆表面的平整情况通常是在曝光之前，因此本申请说明书中将晶圆表面与曝光区域相对应的区域称为待曝光区域。

为解决上述技术问题，本申请提出一种具有可调式水平传感器设计的水平测量装置。在一些实施例中，该装置可以独立使用；在其他实施例中，该装置也可以集成在光刻设备(例如光刻机)中。该水平测量装置包括载物台和水平传感器，载物台用于承载物体(例如晶圆)，通过水平传感器测量载物台上承载的物体表面的平整情况。水平传感器包括从水平传感器组中选择的至少一个传感器组件，水平传感器组包括多个传感器组件，这些传感器组件具有不同的尺寸(即水平传感器组包括至少两种尺寸的传感器组件)；在一个实施例中，一水平传感器组包含的传感器组件尺寸各不相同。操作人员在使用该水平测量装置测量载物台上晶圆表面的平整情况时，可以根据产品的版图信息获得对应的曝光区域尺寸，选择水平传感器组中的至少一个传感器组件进行组合，得到测量尺寸与该曝光区域尺寸相匹配的水平传感器，组合后形成的水平传感器的测量尺寸为由至少一个传感器组件共同形成的测量光斑对应的尺寸，再使用该水平传感器测量晶圆表面的平整情况。因此该水平测量装置的水平传感器的测量尺寸是可调的，操作人员能够使用测量尺寸与曝光区域尺寸相匹配的水平传感器对晶圆进行测量，测量精确度较高。

在一个实施例中，水平传感器组的各传感器组件是光学传感器。在水平传感器是由两个以上的传感器组件安装在一起组成时，这些传感器组件的出射光路相互平行，因此整个水平传感器的测量范围是由这些传感器组件各自的测量范围叠加而成。

图1是一实施例中水平传感器的一个传感器组件的测量原理图，需要指出的是，为避免部件过于拥挤导致影响辨别，图1中将传感器组件的各组成部分(模块)绘制得较为分散，实际的传感器组件中部件排列得更紧凑，且通常不会有这么大的入射角。如图1所示，各传感器组件均包括投影模块110、检测模块120及处理模块130。投影模块110用于将测量光束投影至载物台上承载的物体表面，以在物体表面形成测量光斑，在图1所示实施例中测量光束是投影到晶圆的上表面200。检测模块120用于接收被物体反射后的测量光束。处理模块130根据检测模块120接收到的测量光束得出物体表面的平整情况。检测模块120通过电连接或通信连接的方式连接处理模块130，以将得到的光信号传输给处理模块130。在一个实施例中，处理模块130得出物体表面的平整情况，是得到衬底的高度图(Height Map)。

在图1所示的实施例中，投影模块110将测量光束以一入射角度投射到晶圆的上表面200，测量光束在上表面200上形成一道长度为L的光斑，该光斑在上表面200的覆盖范围即为传感器组件的测量范围。图1的左右方向定义为Y轴方向，上下方向定义为Z轴方向，光斑的长度L指的是Y轴方向的长度。可以理解的，光斑还具有一个X轴方向的宽度W(图1未示)。在图1所示的实施例中，检测模块120包括检测光栅121、第一光接收器122和第二光接收器124。被上表面200反射的测量光束传播至检测光栅121后，被检测光栅121分成第一光束和第二光束，第一光接收器122用于接收第一光束，第二光接收器124用于接收第二光束。根据第一光接收器122和第二光接收器124分别检测到的光束的强度差，就可以利用三角测量技术(triangulation techniques)来获得上表面200在所述光斑处的水平高度，这种强度差的产生和光干涉有关。在图1所示的实施例中，第一光接收器122和第二光接收器124相互垂直设置，但不限于此，第一光接收器122和第二光接收器124也可以一定夹角设置。

在图1所示的实施例中，投影模块包括光源112和投影光栅111，光源112发出的光线经过投影光栅111后成为测量光束。在一个实施例中，投影光栅111是透射光栅；在其他实施例中，也可以用反射光栅或衍射光栅产生相同或类似的测量光束。

可以理解的，在其他实施例中，水平传感器的多个传感器组件可以共用一个光源，和/或共用一个处理模块130。但相应地，水平传感器的结构需要重新设计以使得传感器组件的投影光栅111能够与光源适配，以及可以为检测模块120和处理模块130设计便于拆装的电连接结构。

在一个实施例中，水平测量装置还包括移位机构，用于实现载物台和水平传感器的相对移动。在一个实施例中，移位机构是驱动载物台移动，从而实现载物台和水平传感器的相对移动。

图2是曝光区域和测量光束的光斑在晶圆表面的示意图。光刻设备，会通过在晶圆表面曝光出多个曝光区域210，以完成集成电路的制造。如前述，水平测量装置可设置于光刻设备中，这些曝光区域210对应的位置在曝光之前称为待曝光区域，可通过水平测量装置在曝光之前对待曝光区域进行水平测量，也可以在曝光之后对曝光区域进行水平测量。在图2所示的实施例中，水平传感器的测量光束投射在晶圆表面形成光斑220，光斑220具有图2中X轴方向的宽度W和Y轴方向的长度L。如前述，为了获得较高的测量精确度，在用水平传感器测量晶圆表面平整情况之前，操作人员会根据版图信息得到曝光区域尺寸(例如得到曝光区域的宽度)，然后从水平传感器组中选择或组合传感器组件，得到测量范围与曝光区域尺寸相匹配的水平传感器。因此，水平传感器形成的测量光斑的测量尺寸与晶圆表面的待曝光区域的曝光区域尺寸相匹配。在图2所示实施例中，光斑220的宽度W与一个曝光区域210的宽度相等。将光斑220与一个曝光区域210左右对准，然后通过移位机构在Y轴方向移动载物台，就可以完成对一列曝光区域210对应的晶圆表面区域的平整情况测量。之后再通过移位机构在X轴方向移动载物台，将光斑220与另一列的曝光区域210左右对准，在Y轴方向移动载物台，就可以完成另一列的曝光区域210对应的晶圆表面区域的平整情况测量。重复以上步骤，就可以完成晶圆整个表面的平整情况测量。图2的箭头方向示出了使用水平传感器测量晶圆表面平整情况测时，半边晶圆上的水平传感器相对位移轨迹(未示出的另外半边同样可以参考该轨迹)。

在一个实施例中，水平传感器组至少包括两套传感器组件，任一套传感器组件包含两个以上相同尺寸的传感器组件，且任两套传感器组件分别包含的传感器组件为不相同尺寸。具体地，在一个实施例中，水平传感器组包括两套传感器组件，一套包括10个1mm的传感器组件，另一套包括10个10mm的传感器组件，测量晶圆表面平整情况时可以从这两套传感器组件中选择并组合成为水平传感器。

在一个实施例中，水平传感器组至少包括两套传感器组件，任一套传感器组件包含不相同尺寸的传感器组件，且任两套传感器组件包含的传感器组件可为存在相同尺寸。比如，水平传感器组包括两套传感器组件，一套包括5个传感器组件，且尺寸分别为1、2、3、4、5毫米，另一套可包括5个传感器组件，且尺寸分别为1、2、3、4、5毫米，或另一套可包括6个传感器组件，且尺寸分别为5、10、15、20、25、30毫米。操作人员可选择各不相同尺寸的传感器组件进行组合，也可以选择包含相同及不相同尺寸的传感器组件进行组合。

水平传感器组的每个传感器组件具有表征自身形成的测量光斑大小的测量尺寸，操作人员根据该测量尺寸来选择搭配出与待测晶圆的曝光区域尺寸相匹配的水平传感器。在一个实施例中，一台光刻设备对应配备两个相同的水平传感器组。这种冗余配置能够确保在一个传感器组件出现异常时可以及时进行更换。此外,由于两个水平传感器组能够独立使用，因此可以在光刻设备使用一个水平传感器组组成水平传感器并进行测量时，根据下一产品的生产安排使用另一个水平传感器组提前进行水平传感器组合，避免机台产品转换时，不同传感器组合安装时产生额外的转换(overlap)时间，导致生产效率降低。多个传感器组件组成一个水平传感器时，其固定方式可以是卡接，也可以是通过紧固件例如螺丝进行固定。

在一个实施例中，如下表所示，一水平传感器组包括10个传感器组件，测量尺寸分别为：0.1、0.3、0.5、1、2、3、5、10、20、30毫米。可以理解的，在其他实施例中，水平传感器组中配置的传感器组件也可以为其他的尺寸，具体可以由技术人员根据经验来设置，也可以参考其他技术领域的现有技术，例如天平的砝码。在该实施例中，测量尺寸为测量光束投射在晶圆表面形成的光斑的宽度。

表1

可以为一个水平测量装置配备两个该水平传感器组，即水平测量装置还包括以下的一个水平传感器组。

表2

两个水平传感器组既可独立使用，也可以相互备份(backup)使用。例如对于曝光区域的宽度为60mm的版图，可以通过A1+B1+C1组成一个测量尺寸为60mm的水平传感器，这样只需用到一个水平传感器组；也可以两个水平传感器组搭配使用，例如A1+A2，或者A1+B2+C2，或者A2+B1+C1。在一个实施例中，对于一个确定的曝光区域尺寸，使用尽可能少的传感器组件来组成水平传感器，即传感器组件的选择基于数量最少原则，这样有助于解决传感器组件过多带来的边缘偏移(edge shift)问题。例如对于61mm的测量尺寸，会优先选择30+30+1的组合方式，而非30+20+10+1等需要更多传感器组件的方式。

为了减小边缘偏移带来的影响，在一个水平传感器包括多种测量尺寸的传感器组件时，将尺寸越大的传感器组件放越中间、尺寸越小的放越边缘。基于该原则，图4a、4b各是一实施例中水平传感器的传感器组件排列方式示意图。其中图4a的测量尺寸为5+10+3＝18mm，图4b的测量尺寸为5+10+3+0.5＝18.5mm。

本申请还提供一种测量晶圆表面平整情况的方法，使用上述任一实施例的水平测量装置来测量晶圆表面平整情况。图3是一实施例中水平测量装置测量晶圆表面平整情况的方法的流程图，包括下列步骤：

S310，获取待测晶圆的版图信息。

在配置水平传感器之前，先获取待测晶圆的版图信息。

S320，根据版图信息得到曝光区域尺寸。

在一个实施例中，可以由操作人员根据版图信息人工确定出曝光区域尺寸；在另一个实施例中，是通过软件从版图信息中提取出特定的参数项，作为曝光区域尺寸。

S330，根据曝光区域尺寸从水平传感器组中选择至少一个传感器组件，组成水平传感器。

根据曝光区域尺寸从水平传感器组中选择至少一个传感器组件，组成水平测量装置的水平传感器，从而使得水平传感器的测量尺寸与曝光区域尺寸相匹配；水平传感器组包括尺寸不相同的传感器组件。

S340，通过水平传感器测量待测晶圆的表面平整情况。

在一个实施例中，步骤S340包括：

水平传感器将测量光束投影至所述待测晶圆的表面，以在晶圆表面形成测量光斑；

水平传感器接收被所述晶圆表面反射后的测量光束；

水平传感器根据所接收到的测量光束得出所述晶圆表面的平整情况。

在一个实施例中，水平传感器组的每个传感器组件具有表征自身形成的测量光斑大小的测量尺寸，步骤S330包括：

基于数量最少原则从水平传感器组中选择至少一个传感器组件，以使至少一个传感器组件组成的水平传感器对应的测量尺寸，与曝光区域的曝光区域尺寸相匹配。

请一并参见图2，在一个实施例中，步骤S340具体包括：步骤A，通过移位机构驱动载物台，将测量光斑对准一列待曝光区域。

步骤B，通过移位机构驱动载物台沿Y轴方向移动，以完成对晶圆上一列曝光区域的扫描测量。Y轴方向平行于载物台的承载面。

步骤C，通过移位机构驱动载物台相对于水平传感器移动，使得水平传感器来到另一列曝光区域位置(即载物台移动至使得该列曝光区域处于水平传感器下方的位置)。

重复步骤B和C以完成对晶圆上各曝光区域的表面平整情况的测量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。