CN100456134C - 一种调焦调平检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于投影光刻系统中的调焦调平检测装置，它的主要功能是对被曝光硅片的表面相对于投影物镜之间的距离和倾斜度进行高精度、低成本的检测。主要是在投影物镜和硅片之间放置了一组浮筒装置，该组浮筒装置与投影物镜或投影物镜支承进行刚性联接，该组浮筒装置对硅片表面的位置信息进行测量，测量结果送往调焦调平控制系统，经过信号处理和调焦调平量的计算后，驱动调焦调平执行器对工件台的位置进行调整，完成硅片的调焦调平。该装置简化了传统气压式调焦调平检测装置的控制结构，提高了检测精度，很好地解决了传统装置中的不足。

Description

一种调焦调平检测装置

技术领域：

本发明涉及一种应用于投影光刻系统中的调焦调平检测装置，它的主要功能是对被曝光硅片的表面相对于投影物镜之间的距离和倾斜度进行高精度、低成本的检测。

背景技术：

在投影光刻系统中，为了对硅片表面的位置进行高精度的检测，同时为了避免检测装置损伤硅片，调焦调平检测必须是非接触式检测，即装置本身不直接接触被测物体。常用的非接触式调焦调平检测方法有三种：光学检测法、电容检测法、气压检测法。

其中，气压检测法只和硅片表面形貌有关系，不受光刻胶及衬底物理组成成分影响，实现相对简单，在投影光刻系统中得到广泛应用。现有的气压式调焦调平检测装置的检测原理相同，将恒压的压缩气体通过喷口喷到被测硅片表面。由于硅片表面和压缩气体喷口间的气压差与两者之间的距离存在一定的关系，即当硅片表面的位置发生变化时，从硅片表面反弹回喷口的压缩气体回压值也随之发生变化。所以，现有的气压式调焦调平检测装置通过检测压缩气体的回压值获得硅片表面的位置变化信息。但是传统气压式调焦调平检测装置(典型例见专利U.S.patent application Ser.No.445,079，申请于1982年11月29日)也普遍存在以下几点不足：

1)气体喷口的结构将导致投影物镜的漂移。传统气压式调焦调平检测装置中，压缩气体喷口为投影物镜外壳的内部管道开口。这样虽然可以保证一定的测量范围，但是在回压作用下，投影物镜的漂移会加剧。纵然对投影物镜的位置进行控制，可以实现部分调焦调平功能，但同时也增加控制的复杂性和难度，而且不便用于较重的大数值孔径投影物镜的光刻系统中。

2)参考点以及参考值的选择和确定增加了系统的复杂性。传统气压式调焦调平检测装置中，通常存在一个对应于硅片最佳位置的参考测量点，对应于该点也存在一个参考值。将压缩气体回压值和参考值进行比较，就可以得到硅片表面对应的位置信息。合理的选择参考点可以提高装置的检测精度，但同时会增加检测装置控制系统的复杂性。

3)气体回压值受外界干扰较大。传统气压式调焦调平检测装置中，通过测量压缩气体的回压值获得硅片表面的位置信息，所测气体的回压值受环境气压的干扰大，所以需要对所测回压值在环境气压下做一定的校正，这势必将增加检测装置控制的复杂性。

发明内容：

针对传统气压式调焦调平检测装置存在的不足，本发明提供一种新的气压式调焦调平检测装置，该装置简化了传统气压式调焦调平检测装置的控制结构，提高了检测精度，很好地解决了传统装置中的不足。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

一种调焦调平检测装置，其特征在于：在投影物镜和硅片之间放置了一组浮筒装置，该组浮筒装置与投影物镜或投影物镜支承进行刚性联接，该组浮筒装置对硅片表面的位置信息进行测量，测量结果送往调焦调平控制系统，经过信号处理和调焦调平量的计算后，驱动调焦调平执行器对工件台的位置进行调整，完成硅片的调焦调平。

该组浮筒装置可由4个或8个浮筒装置组成。

该浮筒装置由浮筒和浮筒支撑组成，浮筒跟随硅片表面位置的变化在Z自由度上作跟随运动；浮筒支撑向浮筒提供XY平面的定位，保证调焦调平检测装置测量点的稳定，同时在Z自由度上对浮筒进行限位和驱动。

所述浮筒支撑与投影物镜或投影物镜支承之间通过管接头和管道刚性联接，所述管道向浮筒以及浮筒支撑提供压力和流量恒定的气源。

浮筒支撑中存在两组对压力和流量要求不同的压缩气体，其中一组压缩气体通过喷气管道向硅片表面喷气，用于浮筒Z自由度上的驱动，实现浮筒的跟随运动；一组压缩气体用于在浮筒和浮筒支撑之间产生气膜，向浮筒提供XY平面的定位。

每个浮筒装置与硅片上的测量点一一对应，且两组测量点分别分布于曝光视场的两条平行边的外侧，同时在每条平行边的外侧均有多个测量点分别分布于边的两端。

本发明对传统的气压式调焦调平检测方法的原理作了一些改进。传统的气压式检测方法的原理可概括为：压缩气体喷口处回压差的变化量和硅片表面与压缩气体喷口之间距离的变化量存在函数关系ΔP＝f(Δh)，即当硅片表面位置发生变化时，从硅片表面返回压缩气体喷口的回压值也随之发生变化。在一般的气动式调焦调平检测装置中，通过检测喷口喷出的气体气压与被硅片表面反弹回来的气体气压的压差，来获得硅片表面的位置变化信息。本发明在投影物镜和硅片表面间布置一组分布于曝光场附近的浮筒装置，恒压恒流的压缩气体从浮筒装置内部的管道开口喷到硅片表面。经过一定时间的预处理，浮筒底面和硅片表面间的气体压力和流量趋向恒定。此时，浮筒上下的压力差与浮筒自身重力达到平衡，浮筒在投影物镜和硅片表面达到平衡，处于静止状态。预处理完成后，当硅片表面位置发生变化时，硅片表面和测量浮筒间的压力也将发生变化，浮筒的平衡受到破坏，浮筒开始运动，并瞬间重新达到平衡。所以，对浮筒高度值的测量，就可以获得硅片表面的位置信息。本发明通过浮筒装置将硅片表面的位置变化转换成了浮筒高度值的变化，巧妙地运用气压式调焦调平的检测原理，使得硅片表面的位置检测更加简单、精确、易于控制。

要实现上述功能，本发明中的浮筒必须存在三种状态：闲置状态、预备状态、工作状态。浮筒处于闲置状态时，装置不进行调焦调平检测，浮筒被支撑在投影物镜和硅片表面之间，浮筒装置内部的管道开口也停止向硅片表面喷气。浮筒处于预备状态时，压缩气体通过浮筒内部的管道开口开始向硅片表面喷气，瞬间浮筒的平衡受到破坏，浮筒离开支撑开始运动。经过一段时间后，浮筒和硅片表面间的距离慢慢趋向恒定，浮筒悬浮在物镜和硅片表面之间并重新达到平衡。在工作状态时，浮筒跟随硅片表面位置的变化在Z自由度作跟随运动，进行调焦调平检测。处于预备状态和工作状态时，浮筒必须能够在Z自由度上移动，同时为了保证测量点的稳定，浮筒在XY平面必须得到精确定位。为了达到调焦调平检测目的，实现浮筒的这三种工作状态，本发明对浮筒及其支撑结构进行了巧妙的设计，这些将会在下一部分重点介绍。

预备状态时，向浮筒内部的管道中通入恒压恒流压缩气体，气体通过浮筒内部的管道开口喷向硅片表面。经过一段时间的预处理，浮筒底面和硅片表面间的压力和流量趋向于恒定。一批硅片在曝光前进行试校，获得该批硅片在曝光系统下的最佳焦平面及有效焦深范围。调焦调平控制系统将此最佳焦平面视为调焦调平系统的零平面，并把当前各浮筒的高度值设为设备的初始值。每个浮筒附近都安装有一个位置固定的非接触式位移传感器，用于检测浮筒的高度变化。在工作状态中，浮筒高度的变化表征着硅片表面的位置变化，所以，该传感器的测量值间接反映了硅片表面在该测量点处的高度值信息。传感器的输出信号通过滤波、线性化处理等信号调理流程之后，进入调焦调平控制系统，通过计算，得到硅片当前曝光区域相对于投影物镜的高度值和倾斜度，即当前曝光场的调焦调平量。

为了提高调焦调平检测的精度，需对投影物镜的位置进行严格的监控。因此本装置在投影物镜的外壳上也放置一组位置测量器件，对投影物镜的位置漂移进行多点测量，测量的结果业输入到调焦调平的控制系统中，与测得的当前浮筒的高度值一起参与对硅片当前曝光场调焦调平量的计算。

本发明中的浮筒位于投影物镜和硅片表面之间，在对硅片表面位置进行检测的时候，该浮筒将随着硅片表面的位置在Z自由度中运动，因而本调焦调平检测装置具有足够大的检测范围。本检测装置不需要对所测信号做另外的校正，只需要对本装置所测信号进行放大、滤波、线形化等信号调理即可，其控制结构简单、可行性强、成本低、检测精度高。

此外，本发明还针对调焦调平多点检测系统中测量点的分布方法，提出了一种新的分布方法，这种分布方法能够大大提高硅片边缘场的成像质量和成品率。

附图说明

图1是光学投影曝光系统的平面原理示意图。

图2是本发明中浮筒装置的结构外观图。

图3是本发明中浮筒以及浮筒支撑结构的半剖图。

图4是本发明中浮筒以及浮筒支撑结构的另一个剖视图，是沿图3中的A-A线的剖视图。

图5是本发明中浮筒以及浮筒支撑结构的又一个剖视图，是沿图4中的B-B线的剖视图。

图6是本发明中对压力和流量要求不同的两组压缩气体的控制过程示意图。

图7是本检测装置所测信号的信号调理流程图。

图8是硅片上曝光视场分布示意图，与调焦调平多点检测装置中测量点不同分布方法示意图。

具体实施方式：

图1是光学曝光系统平面原理示意图。在光照系统100的照射下，光源通过投影物镜310将掩模220上的图像投影曝光到硅片420上。掩模220由掩模台210，硅片420由工件台410支承。图1中，在投影物镜310和硅片420之间放置了一组浮筒装置500、502、504、506(一般为4个或8个，浮筒的数目也可以为其它数目)，该组浮筒装置与投影物镜310或投影物镜支承300进行刚性联接。该组浮筒装置对硅片420表面的位置信息进行测量，测量结果送往调焦调平控制系统510，经过信号处理和调焦调平量的计算后，驱动调焦调平执行器430对工件台410的位置进行调整，完成硅片420的调焦调平。

下面结合其它附图，发明人给出的具体实施例，对本发明作进一步的描述。

实施例1

图2为本发明中浮筒装置的结构外观图，该装置很好地实现了浮筒的三种工作状态，能够对硅片表面的位置变化进行检测，如前所述。本发明中的浮筒装置500、502、504、506均由两个部件构成：浮筒530和浮筒支撑520。浮筒530的作用是跟随硅片表面位置的变化在Z自由度上作跟随运动；浮筒支撑520向浮筒530提供XY平面的定位，保证调焦调平检测装置测量点的稳定；同时在Z自由度上对浮筒530进行限位和驱动，满足浮筒530作跟随运动的需要。图2中的管接头560和管道570为联接零件，用于浮筒支撑520与投影物镜310或投影物镜支承300之间的刚性联接，管道570同时还向浮筒530以及浮筒支撑520提供压力和流量恒定的气源。压缩气体通过喷气管道521喷向硅片420表面。550为非接触式距离传感器，对浮筒530的高度值进行测量。

浮筒530以及浮筒支撑520详细结构和压缩气体气路如图3、图4、图5所示。图3、图4、图5中，浮筒支撑520由喷气管道521、限位块522、喷气管道523、支撑基块524、气流通道525、进气管道526、供气通道528和透气孔529组成。图3中，浮筒上表面531的面积为A₁，浮筒下表面535的面积为A₂，浮筒表面533的面积为A₃；浮筒支撑内腔527内的气压为P₀，气流通道521a、气流通道525、进气管道526接点处的气压为P₁，硅片420表面与浮筒530之间的气压为P₂，浮筒表面533与限位块表面522b之间的气压为P₃，喷气管道523a、523b、523c、523d的出口处气压分别为P_3a、P_3b、P_3c、P_3d；浮筒的重力为G。

浮筒支撑520中存在两组对压力和流量要求不同的压缩气体，其中一组压缩气体P_A通过喷气管道521向硅片420表面喷气，用于浮筒Z自由度上的驱动，实现浮筒530的跟随运动；一组压缩气体P_B用于在浮筒530和浮筒支撑520之间产生气膜，向浮筒530提供XY平面的定位。在图6中，本发明采用两种不同的控制方法对两组气源进行控制。压缩气体P_A对浮筒530进行Z自由度上的限位和驱动，对压力和流量的恒定要求较高。在对压缩气体P_B控制中，本发明对气源的输出气体进行减压823、过滤824等控制过程。而在对压缩气体P_A控制中，除了对气源的输出气体进行减压813、过滤814等控制过程之外，还采用单向安全阀816和精度控制阀817相配合来保证浮筒支撑520所需气源的安全和气压控制精度。

浮筒530处于预备状态和工作状态时，压缩气体P_A通过进气管道526进入到浮筒支撑520中，并分成两路。一路通过气流通道521a喷向硅片表面，一路通过气流管道525a、525b、525c、525d分别到达限位块522中的喷气管道523a、523b、523c、523d。图4中，在支撑基块524内部开了两个透气孔529a、529b，浮筒支撑内腔527与外界相通，使得浮筒支撑内腔527的气压和环境气压相等。浮筒530开始工作时，压缩气体P_A开始通过进气管道526向浮筒支撑520供气。在压力差作用下，浮筒表面533离开限位块表面522b，开始向上运动。浮筒530向上运动过程中，浮筒表面533与限位块表面522b之间的距离和硅片420表面与浮筒表面535之间的距离越来越大，压力P₂、P₃却越来越小，直到浮筒530上下压力差与浮筒530自身的重力相等，浮筒530达到平衡状态，即此时有平衡等式：P₀A₁+G＝P₂A₂+P₃A₃。此时预备状态结束，浮筒530进入工作状态。在工作状态中，硅片420表面位置发生变化时，引起硅片420表面与浮筒表面535之间的气压P₂发生变化。P₂的变化随即引起气流通道521a、气流通道525、进气管道526接点处的气压P₁发生变化，这种变化瞬间传递，引起喷气管道523a、523b、523c、523d出口处气压P_3a、P_3b、P_3c、P_3d也发生相应变化，并随即引起浮筒表面533与限位块表面522b之间的气压P₃发生变化。所以，浮筒的平衡等式P₀A₁+G＝P₂A₂+P₃A₃受到破坏，浮筒530开始运动。浮筒在运动时，浮筒表面533与限位块表面522b之间的距离和硅片420表面与浮筒表面535之间的距离发生变化，因而硅片420表面与浮筒表面535之间的气压P₂、浮筒表面533与限位块表面522b之间的气压P₃也发生变化，直到浮筒530在新的位置达到新的平衡，即重新满足平衡等式P₀A₁+G＝P₂A₂+P₃A₃。浮筒530重新获得平衡过程中，浮筒530的位移信息反映了硅片420表面的位置变化信息。所以通过非接触式位置传感器550对浮筒530位置的测量，可以获得硅片420表面的位置变化信息。

图5中，浮筒530处于预备状态和工作状态时，压缩气体P_B进入供气通道528中，并在开口528c、528d、528e、528f处产生气膜541、542，气膜541产生于支撑基块内表面524b和浮筒外表面532之间，气膜542产生于限位块内表面522a和浮筒外表面534之间。该两组气膜541、542向浮筒530提供XY平面的定位，保证测量点的稳定。图3中，浮筒530处于闲置状态时，压缩气体P_A和压缩气体P_B停止供气，浮筒530由于自身重力作用坐落在限位块522上，实现对浮筒530的限位。

工作状态时，浮筒530在压力差作用下调整高度，并重新获得平衡。浮筒530在重新获得平衡的过程中，浮筒530会在一定时间内快速地上下微动。所以，传感器550所测的信号具有高频噪声。另外，在浮筒530重新获得平衡后，硅片420表面的位置变化Δh引起浮筒530位置变化Δh_f之间的函数关系Δh_f＝g(Δh)为非线性的。由于以上各方面因素，必须采用合适的信号调理过程对本调焦调平检测装置所测信号进行调理。图7是本检测装置所测信号的信号调理流程图，本调理流程的目标是获取足够精度的有效信号，提高检测装置的线性度，赋予所测信号的准确时间信息。图7中，模块511、512为模拟信号的处理过程，可通过电路设计完成；模块514-517为数字信号的处理过程，可通过控制软件设计实现。模块512和模块514使用低通滤波器分两次对所测信号分别进行模拟滤波和数字滤波，滤掉浮筒530获得平衡过程中快速抖动高频信号；模块516采用合适的线性化方法对硅片420表面的位置变化Δh和浮筒530位置变化Δh_f之间非线性化函数关系Δh_f＝g(Δh)进行线性化；投影光刻系统中，调焦调平系统与其它分系统存在高度的同步性，因而调焦调平检测装置所测信号对实时性要求很高，模块517则是对硬件上的各种延时进行估算，并赋予信号准确的时间信息。

图8是硅片上曝光视场分布示意图，与调焦调平多点检测装置中测量点不同分布方法示意图。传统调焦调平多点检测装置中，测量点(一般为4点)一般分布于曝光视场的各边中央，如图8中422a、422b、422c、422d分布。采用此种分布方式之后，调焦调平检测装置在对边缘曝光视场进行检测时，有可能只获得一个测量点的有效信息，从而使得边缘曝光视场的调焦调平检测失效，影响硅片边缘曝光视场的成像质量和产品率。针对多点检测装置中采用如图8中422分布测量点的不足，本发明提出一种新的测量点分布方法。

图8中424和426是本发明提出的一种新的测量点分布方法，424为4个测量点的分布方法，426为8个测量点的分布方法。本发明将多个测量点分成两组，4点测量时将424a、424b分为一组，424c、424d为一组；8点测量时将426a、426b、426c、426d分为一组，426e、426f、426g、426h分为一组。两组测量点分别分布于曝光视场的两个X向的边的一侧，同时在每个X向边的同侧均有多个测量点分别分布于该边的两端。如此分布之后，检测边缘曝光视场内硅片位置信息时，至少可以获得两个测量点的信息。同时将其他无效测量点的信号置为初始值或采用临场测量点的信息，如此将各点的高度信息一起送往调焦调平控制系统用于调焦调平量的计算。这种分布方法能够提高边缘曝光视场内硅片的成像质量，提高边缘硅片的成品率。

Claims (7)

1、一种调焦调平检测装置，其特征在于：在投影物镜和硅片之间放置了一组浮筒装置，该组浮筒装置与投影物镜或投影物镜支承进行刚性联接，该组浮筒装置对硅片表面的位置信息进行测量，测量结果送往调焦调平控制系统，经过信号处理和调焦调平量的计算后，驱动调焦调平执行器对工件台的位置进行调整，完成硅片的调焦调平。

2、根据权利要求1所述的调焦调平检测装置，其特征在于：该组浮筒装置可由4个或8个浮筒装置组成。

3、根据权利要求1或2所述的调焦调平检测装置，其特征在于：该浮筒装置由浮筒和浮筒支撑组成，浮筒跟随硅片表面位置的变化在Z自由度上作跟随运动；浮筒支撑向浮筒提供XY平面的定位，保证调焦调平检测装置测量点的稳定，同时在Z自由度上对浮筒进行限位和驱动。

4、根据权利要求3所述的调焦调平检测装置，其特征在于：所述浮筒支撑与投影物镜或投影物镜支承之间通过管接头和管道刚性联接，所述管道向浮筒以及浮筒支撑提供压力和流量恒定的气源。

5、根据权利要求3所述的调焦调平检测装置，其特征在于：浮筒支撑中存在两组对压力和流量要求不同的压缩气体，其中一组压缩气体通过喷气管道向硅片表面喷气，用于浮筒Z自由度上的驱动，实现浮筒的跟随运动；一组压缩气体用于在浮筒和浮筒支撑之间产生气膜，向浮筒提供XY平面的定位。

6、根据权利要求4所述的调焦调平检测装置，其特征在于：浮筒支撑中存在两组对压力和流量要求不同的压缩气体，其中一组压缩气体通过喷气管道向硅片表面喷气，用于浮筒Z自由度上的驱动，实现浮筒的跟随运动；一组压缩气体用于在浮筒和浮筒支撑之间产生气膜，向浮筒提供XY平面的定位。

7、根据权利要求1或2所述的调焦调平检测装置，其特征在于：每个浮筒装置与硅片上的测量点一一对应，且两组测量点分别分布于曝光视场的两条平行边的外侧，同时在每条平行边的外侧均有多个测量点分别分布于边的两端。

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