CN100524042C - 利用光学三角测量法的光学测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学三角测量装置，其用于测量相对于且垂直于平面参考面(L)的待测面(W)的距离(d)和倾斜。本发明装置包括：装置(8)，其用于沿着相同的路径交替地发射两条不同波长的光束(FL，FW)；分束器装置(9)；分光器(11)，其用于将交替分裂的光束导向表面(L)和(W)，光束经其反射(FL，FW)以使彼此会聚；光束组合器(12)，其收集两组反射光束并将其沿着同一个光学输出路径引导；包括光导发光传感器(15)装置(14)，光导发光传感器按与多光束相关的方式放置以交替地接收两个光图像(16L，16W)，并且传输(20)代表上述两个光图像每个能量质心位置的信号；装置(17，18)，其用于在两条交替发射的光束和光导发光传感器上的两个光图像之间同步时间；装置(17)，其用于处理来自光导发光传感器的信号以使提供关于被测面(W)位置和倾斜的信息。

Description

利用光学三角测量法的光学测量装置
发明领域
本发明总体涉及通过光学三角测量法(或光学轮廓测定法)测量光学距离和/或倾斜的领域，具体涉及利用光学轮廓测定法对光学测量装置做的改进，其用于测量，相对于平面参考面以及在与所述参考面基本垂直的方向，待测面两个方向上的距离和倾斜，该待测面能够局部地相似于平面。随时间的变化，距离和倾斜既可以不变也可以改变。
发明背景
本类型的测量装置在微光刻(通过例如紫外线辐射的光辐射使沉积在衬底表面上的保护层曝光，在例如典型的硅的半导体材料衬底上制作微电路)领域获得特别有利的应用，以即时地检测部分所述半导体衬底，相对于微光刻仪器的物镜的象平面的距离和/或倾斜偏差(平行度缺陷)，并实时提供对衬底的适当的位置校正。
本类型的测量装置另一个特别有利的应用涉及，对任何具有近似平面外形的表面所做的三维测量：待测面在参考面(水平面)内两个垂直的方向上精确地移动，以使得全部的表面被扫描，测量装置检测该表面的高度和局部倾斜；通过处理该测量，可以比三维测量机器能够提供的标准更加精确地全面重建该表面。
应用在已知微光刻仪器中的测量装置基于以下几种技术，即光学三角测量法或光学轮廓测定法、准直分析、干涉测量法等等。
光学三角测量法或光学轮廓测定法技术，因为其实施的简易性而似乎特别地有利，其允许涉及待应用的光学装置以及用于处理得到所需信息信号的装置。
光学三角测量法的一般原理很简单：光学投影系统向待测面上投射图像，被表面反射或散射的该图像通过光学检测系统捕获；如果移动待测面或者如果改变其形状，并且其上的图像就会移动或者变形；光学检测系统察觉该移动或者变形并且在焦平面上的图像改变；在焦平面上，理论或原始图像与移动或改变图像之间偏差的测量通过数据处理提供关于待测面的移动或者变形的信息。
利用设计为用于实现上述测量的光学三角测量法的各种测量装置是已知的，尤其是在微光刻仪器中：例如参见文件美国专利第4 356392号、美国专利第4 383 757号、美国专利第4 650 983号、美国专利第4 866 262号、美国专利第5 191 200号、美国专利第5 502 311号以及美国专利第6 721 036号。
然而，从结构方面(例如活动的光学零件，如摆镜)和/或从光学方面(例如微结构图像的形成和检测)来看，这些已知的装置具有多种缺点，使得所述测量不够精确(由活动部件引起的振动)，同时，所应用的装置(尤其是光学装置)显得过于复杂和昂贵。
发明概述
因此，本发明的目的是提供一种基于光学三角测量法的改进的技术方案，其更为令人满意地满足实际的各种需要，尤其涉及获得更高的测量精度和可靠性、装置布置的更加简化，并最终在可接受的生产成本条件下得到改良品质的测量装置。
为了达到上述目的，根据其第一方面，本发明提供一种利用光学三角测量法的光学测量装置，其用于测量，相对于平面参考面以及在与所述参考面基本垂直的方向，待测面两个方向上的距离和倾斜，该待测面能够局部地类似于平面，根据本发明配置的装置特征在于，其包括：
-光发射器装置，其适于以给定的重复频率在第一波长范围内和第二波长范围内交替地发射光束；
-分束器装置，其适于从每条单独的入射光束中生成若干条分开的平行光束，该平行光束的数量至少为三条且按预定的结构分布；
-分光器，其适于将每组入射光束分别导向两个与上述两个波长范围相关的不同方向，所述分光器相对于参考面和待测面侧向放置，以使得两组输出光束沿着长度基本相同的路径分别导入参考面和待测面，分别经反射后彼此会聚。
-光束组合器，其适于收集来自同一入射光束的两组反射光束，并将其沿着同一光学输出路径交替地引导；
-用于接收每组所述输出光束的传感器装置，所述传感器装置包括光导发光传感器：
·其数目少于或等于屏中的孔的数目，
·其以与屏中孔的配置相关的配置方式放置，以使每个光导发光传感器交替地接收两个光图像(例如以光斑的形式)，所述两个光图像分别由参考面和待测面反射的两组交替的光束形成，且
·其适于传输代表所述两个光图像的每一能量质心位置的输出信号；
-同步装置，其用于在光发射器装置发射的光束波长范围与在光导发光传感器上形成的图像之间建立时间联系；
-用于处理所有由光导发光传感器传输的信号的装置，以提供有关待测面相对于参考面的位置和倾斜的信息。
在一优选的简单的实施方式中，传感器装置的每一传感器均是被称为PSD(位置敏感探测器)传感器的位置敏感型光敏传感器，该PSD传感器适合于传输代表所述两个光图像的每一能量质心位置的两个输出信号
有利地，信号处理装置适合于分别提供关于相对于参考面，待测面距离的最佳估算和两个倾斜角的最佳估算的信息。
还是在根据本发明规定的优选实施方式中，光发射器装置包括：
-至少一个光源，其在包含所述第一和第二波长范围的波带中发射光束；以及
-光调制器，其适于随时间的变化，以预定的频率周期交替地隔离所述光束中第一和第二波长范围。
事实上，尤其考虑到在微光刻中的应用，取样频率依赖于衬底位置的反馈控制所需的带宽。该取样频率通常为1至10kHz且优选约2.5kHz。
在一可能的实施方式中，尤其是适于应用光辐射(例如紫外线辐射)的微光刻领域中，光发射器装置发射红光和/或近红外波长范围内的光，但是在所述制造电子微电路的过程中不与沉积在衬底上的光刻胶发生干扰。特别地，对于所述两个波长范围，在光束被导向参考面上的情况下可能约为600至630nm，在光束被导向待测面上的情况下约为670至1050nm，并且可以调节所述两个范围之间的约630至670nm的中间区。
至于分束器装置，可以有多种解决方案。一种简单的解决方案包括：所述分束器包括屏，其具有至少三个预先确定了形状的孔，所述三个孔以预定的并适合于被所述光束交替照亮的配置进行布置。
还是在优选的实施方式中，分光器和光组合器为通过根据波长的折射和反射运行的静态光学组件。
根据本发明规定的实施方式，并且特别是所有上述规定的组合实施方式，提供多种有用的优点。
一个重要的优点在于，除了分光器和光束组合器之间的不同路径之外，所述两组光束精确地按照相同的光学路径通过同样的光学组件或被其反射。被测面相对于参考面的相对位置只取决于两组光束光学路径差。因此，光学组件和/或光学路径特性的任何改变-尤其是由例如热漂移、振动、长期漂移如老化引起的特性的改变-对两组光束的影响都是相同的，所以不需要进行相关的再调整。
另一个重要的优点为，待测面相对于参考面的相对位置测量与测量系统相对于所述表面的位置无关，从而使得测量装置不因振动以及该测量装置的位置变化而受影响。
另一个重要的优点基于所有的光学组件完全为静态的并且不包括活动部件，特别是对于制造分光器和光束组合器：不含有活动部件避免了振动，特别是更具体地在微光刻仪器的应用中这极为重要，在微光刻仪器制造集成微电路的过程中，最小的振动也会引起重要故障。
另外，不含有经历相对运动的部件会消除部件间的摩擦，该摩擦是形成诸如金属粉末的粉尘的起因，金属粉末的存在可以是高度有害的，特别是对于在清洁环境下运行的微光刻仪器。
最后，位置敏感型PSD的光敏电子组件的上述用途相当大的简化了装置探测部件，PSD传感器适于传输代表两组光束形成的两个光斑的能量质心位置的输出信号。这是因为每个传感器固有地设计为用于传输与其双重照射相关的质心信息，然后对于处理装置本身足以处理所有的信号，并从中推导出关于相对于参考面的待测面位置的所需信息(以位置和倾斜值更佳估算的形式)。
总的来说，根据本发明设计的用于微光刻仪器中的测量装置的实施方式，可以对使用该仪器的条件实现相当大的改进，并且可以极大地提高该仪器的性能。
附图简要说明
通过阅读下述作为非限定性的实施例给出的某些优选实施方式的详细说明，可以更清楚地理解本发明。在本说明书中参考附图，其中：
-图1是根据本申请的上下文示出的利用光学三角测量法的测量装置的高度示意图，更具体地，本发明旨在微光刻仪器。
-图2是两条光束暂时分开的说明图，在图1的装置中，所述两条光束分别导向参考面上和待测面上；
-图3A是一可能的实例中待测面上光斑的分布图示；
-图3B是说明优选实例中用于图1所示布置重的传感器运行的图示；
-图4是优选实施方式中图1装置的光发射器装置的图示；
-图5A和5B是两个以简化形式表示的图1装置的分束器装置的示例性实施方式；
-图6A到6C分别是图1装置的分束器装置示例性实施方式
发明的详细说明
本发明的一般规定将参考图1和图2进行说明。
在图1中所示的高度示意图中，示出了利用光学三角测量法或光学轮廓测定法的光学测量仪器，其用于测量相对于平面参考面L且沿与L基本垂直的方向D的距离d，以及待测面W的x和y两个方向上的倾斜Rx和Ry，该待测面能够局部类似于平面。换句话说，该测量装置能够测量表面W相对于平面参考面L的姿态、限定待测面W的x和y两个方向以及大约与和x和y方向垂直的方向z对应的方向D。
在图1中，将本装置根据本申请的上下文示意性示出，更具体地，为了本发明的实际应用设计具有物镜1的微光刻仪器，其光轴为所述方向D，物镜1被固定到仪器的框架2上，并且其末端镜片的正面是平面且组成参考面L。位于物镜1对面的是支撑物3，其被设计用于约沿轴向D支承物镜下面的组件4。在这种情况中，组件4是诸如硅的半导体材料晶片，其经过连续的处理-选择性的掩膜和曝光-用于制造高集成度的集成微电路。组件4的上表面朝向物镜1，这组成了所述至少局部基本为平面的待测面W。支撑物3通过调整装置安装在框架2上，根据测量装置检测的偏差，所述调整装置用于调整支架3的位置并因此调整其支承的晶片4的位置。为此目的，为框架3准备三个调整装置，即距离调整装置5以及两个旋转调整装置6和7，距离调整装置5用于沿方向D运行以便调整所述距离d，旋转调整装置6和7分别适于使支撑物绕x轴旋转Rx和绕y轴旋转Ry。
所述测量装置包括光发射器装置8，其适于沿着相同的路径以给定的重复频率，在第一波长范围内和第二波长范围内交替地发射两条光束。在图1中，两束光合并地表示：一光束FL用双箭头表示而另一束FW用单箭头表示。在所述具体应用的情况下，发射器装置8在红光和/或近红外发射：光束FL包括大约600至630nm波长范围ΔλL内的辐射，光束FW包括大约670至1050nm波长范围ΔλW内的辐射。如图2所示，两光束的持续时间TW和TL不同，取样周期T依赖于组件4位置的反馈控制所需的带宽；取样频率通常为1至10kHz。在微光刻应用的情况下，光束FL的持续时间TL为100μs，而光束FW的持续时间TW为300μs；而周期总的持续时间大约400μs，即取样频率为2.5kHz。
发射器装置8的下游是分束器装置9，其适于从每条单独的入射光束FL、FW中产成多光束F’L、F’W，其包括至少三条按预定配置分布的光束；
多光束经过光学投影系统后到达分光器11，其适于将入射光束F’L、F’W分别导向两个与上述两个波长范围相关的不同方向，所述分光器11相对于参考面和待测面侧向放置，以使得两组输出光束F”L、F”W沿着长度基本相同的路径分别导入参考面L和待测面W。
光束F’L、F’W分别经表面L和W反射后彼此会聚到光束组合器12，所述光束组合器12适用于收集两组反射光束F”L、F”W并将其沿着同一个光学输出路径交替地引导。
在穿过光学检测系统13后，交替的输出光束F”L、F”W到达传感器装置14，所述传感器装置14包括光导发光传感器15：
·其数目少于或等于分开的多光束的数目，
·其按与分开的多光束的构造相关的构造放置，以使每一光导发光传感器15交替地接收两个光图像16L、16W，所述两个光图像分别由两组交替的反射光束F”L、F”W形成，且
·其适于传输代表上述两个光图像16L、16W的每个能量中心位置的输出信号。
然后提供用于处理所有由光导发光传感器15传输的信号的装置17，用于提供有关待测面W相对于参考面L的位置和倾斜的输出信息的最终需要。如果必要的话，该输出信息于是用于控制调整支撑物3的所述距离调整装置5和旋转调整装置6、7，以便将组件4放置到相对于参考面L的正确位置。
为了使处理装置17能够在交替地于光导发光传感器15上形成的两个光图像16L、16W之间进行识别，在光发射器装置8和例如处理装置17之间提供同步装置，以在光发射器装置8交替发射的两条光束FL、FW和交替地在光导发光传感器15上形成的两个光图像16L、16W之间建立联系。实际上，所述同步装置可以集成在处理装置17中，并且为此目的可以在光发射器装置8和处理装置17之间提供连接件17a。
传感器装置14可以按任何适合传递所需的能量质心信息的方式设计。特别地，可以使用CCD二极管矩阵或CMOS晶体管矩阵，然而在当前的现有技术中，最适当的解决方案是传感器装置14的每一传感器15均是PSD(位置敏感探测器)型光敏传感器，该PSD型光敏传感器适于传输两个输出信号，其代表由传感器接收的两个光图像16L、16W的每一能量质心位置。这种类型传感器的优点在于其关联的电子电路小而紧凑且精度很高(几毫米长度上高于1微米)。
使用传感器的数量取决于所需的测量精度、待测面W上多光束所覆盖区域的大小、以及最特别是关于能够传输的光束数量的光学器件而造成的限制。图3A中虚线表示代表光束F’W在表面W上所覆盖区域的图像18的轮廓，其对应于在表面W上需要估算姿态(一个距离和两个角度)的部分。具体地，所述区域的形状可以为长约20至30mm，宽6至12mm的矩形。在图3A中所示的实施例中示出了九个基本为矩形的斑点35，其关于图像区域18的中心点或与之接近的点近似对称地分布(这表明了使用了由物光束分开产生的九条平行光束)。所述光斑可以为任何形状以及按任何适于提供最高探测率的布置进行定位。例如，该矩形斑点35的方向与该区域轴线成45°角。
还是以实例性的方式，图3B以放大的比例示出了一组四个传感器15，在其上分别指出了各自的中心(十字19)、基本为矩形轮廓的光斑16L(空白斑点)以及16W(十字阴影斑点)。参考20描述了将每一传感器的两个输出连接到处理装置17的两个连接。如上所述，传感器15的输出信号代表两个光斑16L、16W相对于作为定位参考的中心19的能量质心位置。表面W相对于表面L的任何运动Δh都将反射在至少一个传感器15上的光斑16W的运动中，无论所述运动是由于沿着z方向垂直于所述两个表面的移动还是由于倾斜引起的。
应该强调的是，所述类型的传感器除了在位置探测中相当高的精度之外，另外的优点在于由于质心探测，所以斑点16L、16W的斑点形状和精确位置不需要考虑。只需要考虑两个斑点16L、16W的两个质心之间的相对距离。特别地，不必对参考面提供的斑点16L进行十分精确的初始调整-对于所述待定位在相应传感器上的斑点足够了。然而，优选靠近传感器的中心定位所述斑点，这对应于传感器最佳内在性能。
用于处理传感器15所提供的信号的装置17按本领域技术人员已知的方式设计，以进行算法计算，尤其是矩阵计算，并且它们分别提供关于相对于参考面L，待测面W的距离d的最佳估算和两个倾斜角的最佳估算的信息。
如图4所示，光发射器装置可以包括：
-光源(或若干组合的光源)21，其在包含所述第一波长范围ΔλL和第二波长范围ΔλW的波带中发射单个光束22，以及
-光调制器23，其适于在所述单个光束22中，随时间的变化以预定的频率周期交替地隔离具有相应于上述第一波长范围ΔλL和第二波长范围ΔλW波长的光束，尤其是在所述的实例中，在光束被导向参考面上的情况下约为在600至630nm范围内的ΔλL，在光束被导向待测面上的情况下约为在670至1050nm范围内的Δλw，在所述实例的情况下该频率周期通常为1至10kHz且优选约2.5kHz。
至于分束器装置9，可以有多种解决方案。如图5A所示，多光束可以光纤24的形式来自多光源，该光纤24由支撑物25按适当的几何配置支承以形成所需的光斑阵列。如图5B所示，以简单且当前优选的方式，分束器装置包括形成屏的板26，其通过照明光学器件30被所述光束FL、FW交替照亮，该板具有若干选定形状的孔27并按用于获得所期望的光斑形式所需的几何配置进行分布。
最后，分光器11和光组合器12为通过根据波长范围ΔλL、ΔλW的折射和反射运行的静态光学组件。涉及镜子的技术方案可以为：如图6A所示的双镜28，其应用具有不同倾斜角度的两个并列的镜子28a、28b；或者如图6B所示的应用两个连续镜子的双镜29，第一镜子29a例如反射范围ΔλL的光而折射范围ΔλW的光，反之位于第一镜子后面的第二个镜子接收且反射范围ΔλW的光。然而，当前优选的方案是以棱镜组件31的方式制造分光器11和光组合器12，该棱镜组件31由两个接合在一起的两个镜子33、34形成，例如图6C所示，其分界面反射范围ΔλL的光而折射范围ΔλW的光。

Claims (10)

1.一种利用光学三角测量法的光学测量装置，其用于测量，待测面(W)相对于平面参考面(L)且沿着与所述参考面垂直的方向的距离(d)和两个方向上的倾斜，所述待测面能够局部地类似于平面，其特征在于，其包括：
-光发射器装置(8)，其适于以给定的重复频率分别在第一波长范围内(ΔλL)和第二波长范围(ΔλW)内交替地发射两条光束(FL，FW)；
-分束器装置(9)，其适于从来自于所述光发射器装置(8)的两条光束(FL，FW)中的每条单独的光束中生成若干条分开的平行光束(F’L，F’W)，所述平行光束(F’L，F’W)的数量至少为三条且按预定的结构分布；
-分光器(11)，其适于将所述平行光束(F’L，F’W)分别导向两个与所述两个波长范围(ΔλL，ΔλW)相关的不同方向，所述分光器(11)相对于所述参考面(L)和待测面(W)侧向放置，以使得所述分光器(11)的输出光束沿着长度相同的路径分别导入所述参考面(L)和待测面(W)，分别经反射后彼此会聚；
-光束组合器(12)，其适于收集来自同一入射光束的且分别经所述参考面(L)和待测面(W)反射的光束(F”L，F”W)，并将其沿着同一光学输出路径交替地引导；
-用于接收所述光束组合器(12)的输出光束的传感器装置(14)，所述传感器装置(14)包括光导发光传感器(15)：
·其数目少于或等于所述平行光束的数目，
·其以与所述平行光束的配置相关的配置方式放置，以使每个光导发光传感器(15)交替地接收两个光图像(16L，16W)，所述两个光图像(16L，16W)分别由所述分光器(11)的所述输出光束(F’L，F’W)形成，且
·其适于传输(在20)代表所述两个光图像(16L，16W)的每一能量质心位置的输出信号；
-同步装置(17，18)，其用于在所述光发射器装置(8)所发射的所述两条光束(FL，FW)与在所述光导发光传感器(15)上形成的所述两个图像(16L，16W)之间建立时间联系；
-信号处理装置(17)，用于处理所有由所述光导发光传感器(15)传输的所述信号，以提供有关所述待测面(W)相对于所述参考面(L)的位置和倾斜的信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器装置的每一传感器均是位置敏感(PSD)型光敏传感器，所述位置敏感(PSD)型光敏传感器适于传输代表由所述传感器接收的所述两个光图像的每一能量质心位置的两个输出信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理装置适于分别提供关于相对于所述参考面，所述待测面距离的最佳估算和两个倾斜角的最佳估算的信息。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述光发射器装置包括：
-至少一个光源，其在包含所述第一和第二波长范围的波带中发射单独的光束；以及
-光调制器，其适于随时间的变化，以预定的交替地隔离所述光束中第一和第二波长范围。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述频率周期为1至10kHz。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述频率周期为2.5kHz。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光发射器装置发射红光和/或近红外波长范围内的光。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，对于所述两个波长范围，在光束被导向所述参考面上的情况下为600至630nm，在光束被导向所述待测面上的情况下为670至1050nm。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分束器包括屏，所述屏具有至少三个预先确定了形状的孔，所述三个孔以预定的并适合于被所述光束交替照亮的配置进行布置。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光器和所述光束组合器为通过根据波长的折射和反射运行的静态光学组件。
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