CN100520598C - 光电差分测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电差分测量系统，包括波段不同的一个窄带光光源和一个宽带光光源，用于耦合光束的耦合系统，第一成像系统，波长分束器，被测的两个表面，波长合束器，第二成像系统，能量分束器，用于位置粗测的位置敏感传感器，放大系统和用于位置精测的位置敏感传感器。本发明实现了两个平面相对位置的高精度和高稳定性测量。

Description

光电差分测量系统和测量方法

所属技术领域

本发明涉及光机电设备技术领域，特别是关于一种光电差分测量系统和测量方法。

背景技术

光刻装置(光刻机)是将掩模上的图形以一定的比例转移到要加工的对象上(如硅片等)的曝光装置，请参照图1，图1为光刻机结构示意图。在这种曝光装置中，需要使被曝光的对象的相应表面保持在曝光装置中的投影物镜的焦深范围之内；这就需要一个测量系统来测量加工对象的相应表面相对于投影物镜最佳焦平面的相对位置。这一测量系统在光刻机中被称为调焦调平系统。随着集成电路的集成度的急剧增加，要曝光的线条越来越细也越来越密，投影物镜的分辨率不断提高，焦深不断减少，要使曝光对象相应表面保持在焦深内，对调焦调平系统的测量精度和稳定性也提出了越来越高的要求。

假设投影物镜的最佳焦平面相对于投影物镜的机械结构(如其像方最后一个表面)的相对位置是固定的，要使被加工对象，例如硅片的上表面保持在投影物镜的焦深之内，也就是要保持硅片的上表面的与投影物镜的沿投影物镜光轴方向的相对位置在一定范围内。有两种方法可以实现这一目的：一种是测量两者的相对位置，然后调节投影物镜的位置，如美国专利US4441808所揭示的方法，但这种方法只能在对投影物镜的分辨率和稳定性要求不高时采用；另一种方法就是现代光刻机通常采用的调硅片位置而不是调整投影物镜位置的方法，这种方法精度较高，而且易于实现。

调焦调平系统早期的实现方法是采用气动的方法，如：美国专利US4153341，US4441808，US4477183等，这类方法的优点是测量和执行可以一体化，但是测量精度不高，而且测量区域不能是曝光区域。随着对调焦调平系统测量精度要求的不断提高，这种气动的方法逐渐被淘汰，现在主要采用电容传感器和光电测量系统来实现。由于电容传感器的致命缺陷在于它的测量区域不是曝光狭缝的曝光区域，如美国专利US 2002/0158185 A1，这就限制了这种方法在单工件台光刻系统的中的应用。现在各大光刻装置供应商都主要采用光电测量系统来实现调焦调平系统，如ASML采用基于光栅的摩尔条纹和四象限探测器的光电测量方法(见美国专利US5191200)；Nikon采用基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(见美国专利US 6765647B1)；而Canon近期的调焦调平系统主要采用基于针孔和面阵CCD的光电探测系统(见美国专利US 6081614)。

上述的第一种光电测量方法，是差分测量系统，有很高的测量精度和稳定性，但是这种系统的结构和后续的信号处理都比较复杂，而且对其系统本身的初始集成安装和装校的要求也比较高；而后两种的光电测量方法，由于不是差分测量系统，所以他们对机械振动以及热变性等较为敏感，稳定性较差，而且由于他们只是测量硅片的绝对位置，而不是测量相对于投影物镜的相对位置关系，所以这类测量方法无法补偿由投影物镜的位置漂移而引起的最佳焦平面的位置漂移。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术问题，实现两个平面相对位置的高精度高稳定性测量。

为实现本发明的发明目的，本发明提供了一种光电差分测量系统，包括：一个窄带光光源和一个宽带光光源，用于耦合光束的耦合器，第一成像系统，波长分束器，被测的两个表面，波长合束器，第二成像系统，能量分束器，用于位置粗测的粗测位置敏感传感器，用于位置精测的放大系统和精测位置敏感传感器。

其中所述的窄带光光源可以为脉冲半导体激光器，脉冲半导体激光器和耦合器之间为聚焦整形系统。所述的宽带光光源可以为卤钨灯，卤钨灯的一侧为耦合器，另一侧为聚光镜，卤钨灯和耦合器之间还包括由光束整形系统，光束整形系统的中间放置有一光开关，该光开关对宽带光的调制频率与窄带光的调制频率之间为整数倍的关系。所述的光电差分测量系统还包括用于传输耦合器输出光线的传输光缆和用于调整传输光缆输出光束的光束整形系统，光束整形系统和第一成像系统之间为光斑掩模。此外，本系统还包括由于结构需要而采用的反射镜。所述的能量分束器和粗测位置敏感传感器之间为选择光斑的光斑掩模。所述的粗测的位置敏感传感器和精测的位置敏感传感器都是一维的。

为实现本发明的发明目的，本发明还提供了一种光电差分测量方法，包括下列步骤：窄带光和宽带光经过耦合系统形成耦合光束，耦合光束照明光斑掩模产生光斑；光斑依次经过第一成像系统和波长分束器后，宽带光和窄带光被分开，并分别被成像到被测的两个表面上；经过被测的两个表面反射的宽带光和窄带光通过波长合束器耦合成耦合光束；耦合光束通过第二成像系统后，经过能量分束器，并分成两部分；一部分直接成像在粗测的位置敏感传感器上；另一部分经过放大系统后，成像在精测的位置敏感传感器上。

其中，所述的宽带光经过耦合器前，还包括由光开关调制成与窄带光交替同步的步骤。耦合光束照明光斑前，还包括通过光束整形系统的步骤。光束成像在粗测位置敏感传感器前，还包括通过光斑掩模选择的步骤。

采用本发明的光电差分测量系统和测量方法，可以通过相对较为简单的结构和数据处理要求提供高精度、高稳定性的测量精度和理想的测量范围。

附图说明

图1是光刻机结构示意图。

图2是测量系统的光源模块示意图。

图3是光源模块中红光和白光交替同步的示意图。

图4是测量系统主体结构示意图。

图5是整场调焦调平的测量区域的分布示意图。

具体实施方式

该测量系统可以用作光刻机中的调焦调平系统，作为光刻机的一个分系统，它主要用来测量硅片相对于曝光装置投影物镜最佳焦平面的相对位置，配合执行结构一起，使加工对象的表面保持在投影物镜的最佳焦平面内，从而使掩模板上的图形理想地转移到加工对象上。

由于硅片的测量是采用光探针，而且不能影响投影物镜的工作，所以该调焦调平系统的主体部分可放置在光刻机投影物镜的周围，而光源部分由于发热问题，应放置在远离曝光区域的位置。

测量过程如下：不同波段的交替同步的一束窄带光和一束宽带光，在这里分别用红光和白光，被耦合在一起来照明光斑掩模而产生光斑，这些光斑经过后面的成像系统和波长分束器后，分别被成像到投影物镜的下表面和硅片的上表面；经过投影物镜下表面和硅片上表面的反射后，这两束光又通过合束器而再次被耦合到一起，经过后面的成像系统，被一个能量分束器分成两份；一部分经过光斑选择掩模后被直接成像到位置敏感器上，另一部分经过放大后被成像到位置敏感器上。没有经过放大的测量分支形成了测量范围较大，测量精度较低的粗测路；经过放大系统的测量分支则形成了测量范围较小，测量精度较高的精测路。

本实施例中打到硅片上表面的光采用宽带光是因为：如果是窄带的激光打到涂有光刻胶的硅片上表面上后，主要的反射是在光刻胶的上下表面，这样一来在光刻胶上下表反射的光就形成平板干涉，而干涉条纹对于后面的位置敏感器件来说是噪音，会降低位置敏感器件的测量精度；而采用白光会消除干涉现象而提高探测精度。由于打到投影物镜下表面的光不存在平板干涉现象，所以可以采用窄带的激光。

打到投影物镜下表面的红光携带了投影物镜下表面的Z向(沿投影物镜的理想光轴方向)和其Rx，Ry三个自由度的信息；同样打到硅片上表面的白光携带了硅片上表面要曝光区域的Z，Rx，Ry三个自由度的信息。红光和白光通过光源模块的调制交替打到位置敏感器上，最终由位置敏感器探测并由后续的信号处理得到硅片上表面要曝光区域相对于投影物镜下表面的ΔZ，ΔRx，ΔRy的信息。由于投影物镜的最佳焦平面相对于投影物镜的下表面的距离可以认为是固定不变的，是一个机器常数，所以该调焦调平系统就可以测量出要曝光的硅片上表面相对于投影物镜最佳焦平面的位置信息。这一信息被送到夹持硅片的工件台系统形成一个闭环伺服控制，最终可以使要被曝光的硅片区域一直保持在投影物镜的最佳焦平面内。

调焦调平系统工作时，先经过初始安装，使调焦调平系统的零平面与投影物镜的最佳焦平面(或设定面)重合；再对硅片进行调焦调平，一般分为整场(整个硅片)调焦调平和逐场(每个曝光区域)调焦调平：整场调焦调平是对一批同类硅片的第一片，用该调焦调平系统，对硅片的相隔120度的三个扇形区域分别进行测量和调整，从而使硅片以一定的精度保持与投影物镜最佳焦平面(或设定平面)重合。而对于该批硅片的其余硅片的调焦调平则只需测量三个扇形区域中任意一个区域即可。逐场测量是经过整场调焦调平后，进入逐场曝光的过程。此时符合SEMI标准的硅片经过全场调焦调平后已处在该调焦调平系统的精测范围之内，因此由该调焦调平传感系统的精测系统接管调焦调平的测量任务，与执行机构一起组成伺服控制系统使测量对象与最佳焦平面很好的保持重合，从而保证光刻机曝光图形的理想关键尺寸和特征。

由于该光电测量系统要对从位置敏感传感元件输出的模拟信号进行模数转换，而根据模数转换器件的位数限制以及系统分辨率要求，只能对一定变化范围的信号进行转换。由于不同的测量对象对光束的反射率的变化较大，即对于不同的探测对象从位置敏感传感器输出的模拟信号的变化范围较大，这可能会超过后续的模数转换器件的工作范围。为了解决这一问题，在该测量系统中，采用根据探测器件输出的模拟信号的变化对光源的功率进行反馈控制的模式。当由于测量对象改变而使位置敏感传感器输出的模拟信号超出后续的模数转换器的工作范围时，由反馈控制模块控制光源的功率(或控制光源的衰减模块)，从而使模数转换器一直保持正常工作，也就是使该传感测量系统可以测量所有不同反射率的被测对象。

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

图1为光刻机结构示意图，其中投影物镜3将掩模1上的信息投影到硅片5上；2为投影物镜光轴；4为调焦调平传感器，用来测量硅片的上表面相对于投影物镜最佳焦平面的相对位置。

图2是测量系统的光源模块示意图，其中脉冲半导体激光器1发出的红光经过聚焦整形系统4后打到耦合器5上被全反射；而卤钨灯2发出的白光先经过聚光镜3反射，再经过透镜6和8整形，同时由光开关7调制成与脉冲半导体激光器1发出的光交替同步后，打到耦合器5上被全透；这样激光器1和卤钨灯2发出的光束就被一起耦合到传输光缆9中。在这里脉冲半导体激光器1的中心波长可以为650nm；聚光镜3同时具有反射和滤波的作用，它反射有用的波段，如700-1100nm的波段，而透射掉其它的波段；光开关7由FLS控制系统控制，使两束光精确地处于交替开关状态。

图3是光源模块中红光和白光交替同步的示意图，说明在任一时刻白光和红光中只有一种处于开的状态。

图4是测量系统主体结构示意图，从图2光源模块中的传输光缆9输出的光线先经过由透镜10和11组成的整形系统，然后均匀照明光斑掩模12产生设定的光斑；该光斑经过由透镜13和14组成的第一成像系统后，由反射镜15反射到分束器16；分束器16输出的红光成像在投影物镜的下表面17处，而白光成像在要曝光的硅片上表面18处，并分别在17和18上产生预先设计好的光斑的形状和分布；被投影物镜下表面17和硅片上表面18反射的携带17和18处位置表面信息的光经过合束器19又合成一束光；该光束经过反射镜20反射后，经过由透镜21和22组成的第二成像系统。一般来说13，14，15，16分别与22，21，20，19结构相同而且对称使用。第二成像系统输出的光束由能量分束器23分成两束，一束经过用来选择特定光斑的掩模24后，成像在粗测的位置敏感传感器25上；另一束由反射镜26反射至由透镜27和28组成的放大系统后，成像在精测的位置敏感传感器29上。

由于打到粗测的位置敏感传感器25上的光束没有经过放大，而且只有部分光斑被利用，所以有相对较低的测量精度和相对较大的测量范围；而打到精测的位置敏感传感器29上的光束是经过放大后的全部光斑，所以会有相对较高的测量精度和相对较小的测量范围。由于精测的零平面和粗测的零平面设置为重合的；这样就使光刻机的调焦调平传感系统既有较大的测量范围又有较高的测量精度。在该传感器中可以有±400μm的测量范围和10nm的测量精度，这可以很好的满足目前高端的90nm节点一直到45nm节点的光刻机对调焦调平系统的性能的要求。

对于调焦调平系统来说，需要曝光的硅片上表面相对于投影物镜的最佳焦平面或设定平面(或投影物镜的下表面)的Z，Rx，Ry的三个自由度的信息；而测量对象的Rx，Ry信息可以由多点的Z向信息计算出来，所以每个光斑只需要测量出Z向的信息，然后由所有的光斑的测量信息根据一定的算法拟合出平面，从而得到测量对象的Z，Rx，Ry的信息。所以，本系统只需要对对象进行一维信息测量即可，故精测和粗测的位置敏感传感器29和25都只需要是一维的。

由于该系统采用了对投影物镜下表面17和硅片上表面18的相对位置进行测量，而且可以认为投影物镜的下表面与投影物镜的最佳焦平面的相对位置是固定的，是机器常数，所以该调焦调平系统对硅片的上表面和投影物镜的最佳焦平面的相对位置信息的测量对投影物镜本身的位置漂移和振动是完全不敏感的。而且由于对17和18进行测量的两束光在分束器16和合束器19之外是被耦合在一起而通过相同的光学系统的，根据差分测量的原理，该调焦调平系统的测量性能对整个调焦调平整体结构的机械位置的漂移和振动是不敏感的。可见，外来的机械振动不会影响该调焦调平系统的测量精度，而该系统自身内部的稳定性可以通过具体结构的设计和材料的取以及器件的选取来解决。因此，也就是说该调焦调平系统不但有较高的测量精度和较大的测量范围，而且有较高的稳定性和可靠性，可以满足高端光刻机对于调焦调平系统的严格要求。

图5是整场调焦调平的测量区域的分布示意图，其中硅片上表面1包括三个中心相隔120度的扇形区域2；对一批同类硅片的第一片测量时，要对三个扇形区域分别测量；而对于该批硅片的其余硅片的调焦调平则只需测量三个扇形区域中的任意一个区域，这样可以提高光刻机的生产效率。

以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (14)

1、一种光电差分测量系统，其特征在于按照入射光的传播方向包括：波段不同的一个窄带光光源和一个宽带光光源，用于耦合光束的耦合系统，第一成像系统，波长分束器，被测的两个表面，波长合束器，第二成像系统，能量分束器，用于位置粗测的位置敏感传感器，放大系统和用于位置精测的位置敏感传感器。

2、如权利要求1所述的光电差分测量系统，其特征在于所述的窄带光光源和耦合系统之间为聚焦整形系统。

3、如权利要求1所述的光电差分测量系统，其特征在于，所述耦合系统位于宽带光光源的一侧，所述宽带光光源的另一侧为聚光系统。

4、如权利要求1所述的光电差分测量系统，其特征在于所述的宽带光光源和耦合系统之间还包括光束整形系统。

5、如权利要求4所述的光电差分测量系统，其特征在于所述的光束整形系统的中间放置有一光开关，该光开关对宽带光的调制频率与窄带光自身的重复频率之间是整数倍关系。

6、如权利要求1所述的光电差分测量系统，其特征在于还包括用于传输耦合系统输出光线的传输光缆。

7、如权利要求6所述的光电差分测量系统，其特征在于还包括用于调整传输光缆输出的光的光束整形系统。

8、如权利要求7所述的光电差分测量系统，其特征在于所述的光束整形系统和第一成像系统之间为光斑掩模。

9、如权利要求1所述的光电差分测量系统，其特征在于所述的能量分束器和粗测的位置敏感传感器之间为选择光斑的光斑掩模。

10、如权利要求1所述的光电差分测量系统，其特征在于所述的粗测的位置敏感传感器和精测的位置敏感传感器都是一维的。

11、一种光电差分测量方法，其特征在于包括下列步骤：

不同波段的一束窄带光和一束宽带光经过耦合系统形成耦合光束，耦合光束照明光斑掩模产生光斑；

该光斑依次经过第一成像系统和波长分束器后，将原来被耦合在一起的宽带光和窄带光分开，并分别被成像到被测的两个表面上；

经过被测的两个表面反射的宽带光和窄带光通过波长合束器耦合成耦合光束；

耦合光束通过第二成像系统后，经过能量分束器，并分成两部分；

一部分成像在粗测的位置敏感传感器上；

另一部分经过放大系统后，成像在精测的位置敏感传感器上。

12、如权利要求11所述的光电差分测量方法，其特征在于所述的宽带光经过耦合系统前，还包括由光开关调制成与窄带光交替同步的步骤。

13、如权利要求11所述的光电差分测量方法，其特征在于耦合光束照明光斑掩模前，还包括通过光束整形系统的步骤。

14、如权利要求11所述的光电差分测量方法，其特征在于光束成像在粗测的位置敏感传感器前，还包括通过光斑掩模选择的步骤。

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