CN100559278C - 一种调焦调平传感装置的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调焦调平传感装置的光学系统，其包括沿光路传播方向依次设置的光源模块、照明模块、投影成像模块、探测成像模块以及探测器模块。本发明采用了反射系统，消除了宽带光的色差影响；采用了独特的阶梯反射镜使每个光斑点的像的中心处在处于理想位置的硅片的上表面上，减小了系统测量误差，提高了测量精度。

Description

一种调焦调平传感装置的光学系统

技术领域

本发明涉及本发明涉及光学器件设计领域，尤其涉及一种调焦调平传感装置的光学系统。

背景技术

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，如图1所示。在这种曝光装置中，需要使被曝光对象的相应表面(这里假定是上表面)保持在曝光装置中的投影物镜的焦深范围之内；这就需要有一个测量系统来测量硅片(这里泛指被加工对象，下同)上表面相对于投影物镜最佳焦平面的相对位置。这一测量系统就称为调焦调平传感装置。随着集成电路的集成度的急剧增加，要曝光的线条也越来越细越来越密，投影物镜的分辨率不断提高，焦深也在不断减少，要想让曝光对象保持在焦深内，对调焦调平传感装置的测量精度和稳定性也提出了越来越高的要求。

由于现代高端光刻机对调焦调平传感装置的测量精度以及测量区域与在硅片水平上投影物镜的曝光区域重合(对于单工件台光刻机来说)等都有严格要求。现在调焦调平传感装置主要采用光电测量系统来实现。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(美国专利US5191200)；Nikon则采用基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(见其近期的相关美国专利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(美国专利US 6081614)。

上述第一种光电测量方法，是差分测量系统，有很高稳定性，但由于它的光学系统没能很好的消除宽带光的色差问题，以及它的各个光斑点的像不是全都与投影物镜的最佳焦平面重合，所以其光学系统有较大的系统误差，给后续的信号处理施加了相对大的压力。而后两种的光电测量方法，除了具有相似的问题之外，而且还由于不是差分测量系统，稳定性较差，以及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，所以这类的测量方法是无法补偿投影物镜的位置漂移引起的调焦调平传感器的测量误差等问题。

对于此类光电测量系统而言，打到硅片上表面的探测光由于光刻胶上下表面形成的平板干涉效应会影响调焦调平传感装置的测量性能，为了消除这一平板干涉效应，调焦调平传感装置打到硅片上的测量光一般都会采用宽带光。但实践证明，由于采用宽带光而引起的色差；以及各光斑点的像相对于处于理想位置即投影物镜的最佳焦平面处的硅片上表面的离焦量不同；这两者是光学系统中引起测量误差的主要来源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种调焦调平传感装置的光学系统，其可以消除现有调焦调平光学系统由于色差和各采样光斑点之间相对于理想位置处的离焦量不同引起的系统测量误差问题。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种调焦调平装置的光学系统，其特征在于，包括沿光路传播方向依次设置的光源模块、照明模块、投影成像模块、探测成像模块以及探测器模块。

所述光源模块包括两种交替调制的窄带光模块、宽带光模块、耦合模块和传输光缆；所述窄带光模块依次包括窄带光光源、耦合模块；所述宽带光模块依次包括宽带光光源、聚光镜和光源光束整形分系统；所述窄带光模块发出的光以及宽带光模块发出的光均被耦合模块耦合到传输光缆中。

所述照明模块包括沿光路依次设置的积分棒、整形分系统、光斑掩模、转像系统和第一阶梯反射镜。

所述投影成像模块依次包括根据结构需要而被采用的反射镜、第一远心成像分系统、波长分束器以及设置在分束器与投影物镜的下表面之间的第一偏置平板；所述探测成像模块依次包括设置在合束器与投影物镜的下表面之间的第二偏置平板、合束器、第二远心成像分系统和能量分束器，以及根据结构需要而被采用的反射镜；所述第一偏置平板和第二偏置平板、波长分束器和合束器、第一远心成像分系统和第二远心成像分系统分别以投影物镜光轴为对称中心对称布置。

所述探测器模块包括粗测模块和精测模块，所述粗测模块依次包括粗测掩模和粗测位置敏感传感器；所述精测模块依次包括第二阶梯反射镜、放大分系统、柱面镜、柱面镜阵列和精测位置敏感传感器。

由以上公开的技术方案可知，本发明与上述现有的各种调焦调平的光学系统相比，在该调焦调平光学系统中：

1.采用了反射系统，消除了宽带光(如700-1100nm)的色差影响。

2.采用了独特的阶梯反射镜使每个光斑点的像的中心处在处于理想位置的硅片的上表面上。减小了系统测量误差，提高了测量精度。

采用了测量投影物镜下表面和硅片上表面相对位置差分测量的方法，而且在分束器、合束器之外的光学系统中，都是测量投影物镜下表面的参考光和测硅片上表面的测量光合在一起通过相同的光学系统，所有的这些作法可以使调焦调平传感器测量出的硅片上表面相对于投影物镜的最佳焦平面的位置信息，而不受投影物镜的机械位置漂移或震动的影响，此外还会使调焦调平系统的测量精度不受整个调焦调平系统震动和位置漂移的影响，这也就提高了其测量的重复性和稳定性。

通过采用反射式光学系统，完全消除了由于采用宽带光的色差问题而导致的测量误差问题；通过采用阶梯反射镜，使各光斑点的像的中心都在设计中的调焦调平的零平面即投影物镜的最佳焦平面上，也是调焦调平传感器的零平面上，各光斑点都是理想成像而没有离焦，对于采用零位传感器工作方式的调焦调平传感器来说，当然也都没有离焦引起的系统误差，从而可以使该调焦调平传感器在其零平面处有更高的测量精度，然后又在探测器之前再次利用阶梯反射镜使个光斑点的像平面恢复到没有采用阶梯反射镜之前的状态，即所有的光斑点的像面在一个垂直于光束传播方向的平面内，而有利于处在一个平面的各个探测器进行探测。这样就消除了由于各光斑点的像相对于投影物镜的最佳焦平面的不同离焦量而导致的测量误差问题；由实践可知这两种误差是调焦调平系统光学分系统的系统误差的主要来源，消除或降低了这两种误差，从而也就从该调焦调平系统的光学分系统的角度降低了整个调焦调平系统的系统误差，提高了其整体测量性能，最终也会体现在提高整个光刻机的生产性能上。

附图说明

图1为光刻机的简单示意图，用来简要说明调焦调平装置在整个光刻机中的作用；

图2为本发明光学系统的光源模块示意图；

图3为本发明光学系统的照明模块示意图；

图4为第一阶梯反射镜成像状态示意图；

图5a为加第一阶梯反射镜前各光斑点的像面与处于理想位置的硅片上表面的位置关系；

图5b为加第一阶梯反射镜后各光斑点的像面与处于理想位置的硅片上表面的位置关系；

图6为本发明光学系统的投影和探测成像模块；

图7为偏置平板作用效果示意图；

图8为本发明光学系统的探测模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，为光刻机简单结构示意图，图中标号为50处为调焦调平传感装置。本发明调焦调平装置的光学系统，包括沿光路传播方向依次设置的光源模块、照明模块、投影成像模块、探测成像模块以及探测器模块；

以下依次结合附图逐一说明本发明光学系统的各个组成模块。

如图2所示，所述光源模块包括两种交替调制的窄带光模块、宽带光模块、耦合镜5和传输光缆9；所述窄带光模块依次包括窄带光光源1、耦合模块4；所述宽带光模块依次包括宽带光光源2、聚光镜3和光源光束整形分系统6，8以及调制器7；所述窄带光模块发出的光以及宽带光模块发出的光均被耦合镜5耦合到传输光缆9中；

窄带光光源1，可以为如红光或近红外的激光二极管或发光二极管；宽带光光源2，可以为如：卤钨灯等经过滤波后选取一定波段的光，一般是红光和近红外，如：700nm～1100nm。光源波长的选择遵循两个原则：一个是远离曝光波段，也就是说选取光刻胶不响应的波段作为调焦调平系统的光源；另一个是，打到硅片上的探测光要为宽带光，以消除光刻胶上下表面形成的平板干涉效应。宽带光光源2发出的光被球面或非球面聚光镜3收集后通过由第一透镜6、第二透镜8组成的光束整形分系统。在这里聚光镜3同时具有滤波器的功能，它反射有用的波段而透射掉其他的波段。

根据本发明的设计，需要对窄带光光源1和宽带光光源2发出的光进行调制，该调制同时也可以提高信噪比，窄带光光源1的调制可以通过激励电源的电流调制直接实现；而宽带光光源2的调制是通过放在第一透镜6、第二透镜8之间的斩波器7来实现的。窄带光光源1和宽带光光源2的调制经过主控系统同步成交替发射光脉冲的状态，也就是说窄带光光源1和宽带光光源2的光脉冲交替通过后续的光学系统后交替打到最终的探测器上，由探测器分别提取出窄带光光源1的信号和宽带光光源2的信号，由于窄带光光源1是打到投影物镜的下表面，而宽带光光源2是打到硅片的上表面上的，所以最终可以得到硅片上表面相对于投影物镜下表面的信息。由于在这里假设投影物镜的最佳焦平面相对于投影物镜下表面是固定的，所以就可以得到硅片上表面相对于投影物镜最佳焦平面的位置信息。

窄带光光源1发出的光经过其耦合模块4以及宽带光光源2发出的光经过其耦合系统后，都被耦合镜5耦合到传输光缆9中。在这里耦合镜5的一面对窄带光光源1的波长全反，同时其两面对选择后的宽带光光源2的波段全透。

由于光刻机的曝光区域对于温度等条件有严格的要求，而调焦调平传感装置的光源模块会产生一定量的热，所以为了避免这部分热对曝光的影响，采用了使调焦调平传感装置的光源模块远离曝光区的做法，光源模块发出的光通过传输光缆9传输到位于投影物镜周围的调焦调平系统其余模块。

光源模块的光经过传输光缆9后到达调焦调平光学系统的照明模块，如图3所示。在照明模块中，从传输光缆9中出射的光被直接耦合到积分棒10中，积分棒的作用是为了使光束的能量分布更均匀。从积分棒10出来的光经过由球面反射镜11、13组成的整形分系统后照明光斑掩模15产生设定的光斑，光斑掩模的设计是根据最终打到硅片上表面上设定的光斑形状、个数、布置等信息来设计的。被光斑掩模15空间调制后的光束经过由16、17两个球面反射镜组成的1:1转像系统后投射到第一阶梯反射镜19上。

根据该调焦调平的数学模型以及实践可知，在测量对象表面上各采样光斑之间的离焦量不同是这种零位传感系统的重要系统测量误差之一。为了消除这一系统误差，我们在光学系统中采用了，阶梯反射镜19，如图4所示为阶梯反射镜的结构示意图。根据从光斑掩模15出来的各个光斑的位置关系，可以设计出使每个光斑分别打到阶梯反射镜19的各个反射面上，由于阶梯反射镜19上各个阶梯的高度不同，所以经过阶梯反射镜19反射后各个光斑点的像面就发生了改变。如图4所示，没有经过阶梯反射镜19之前各个光斑的像面是垂直于光束传输方向的一个平面(图4中虚线光线所示)，经过阶梯反射镜19后各个光斑的像面就分别在不同的平面上(图4中实线光线所示)。由于位置空间和提高反射率的需要，调焦调平传感装置的测量光束一般都是以大角度掠射到硅片或投影物镜下表面上的。如图5a所示，在没有采用阶梯反射镜19之前，掠入射到硅片上的各个光斑的像面与硅片只有一个交线，也就是说，在硅片处于任何位置时，只有一个或几个光斑没有离焦，而其他光斑都会离焦，而光斑的离焦会降低整个测量装置的测量精度。而如图5b所示，经过阶梯反射镜19后可以使各光斑的像的中心在一个平面上，而通过初始安装可以使各光斑像的中心所组成的平面与被测理想位置上(即在投影物镜的最佳焦平面上)的硅片上表面重合，即使这三个面重合，也就是说，在这一位置所有的光斑都是理想成像而没有离焦。对于以最佳焦平面为零位的零位调焦调平传感测量装置来说，这样可以提高其工作性能。

图3中的反射镜12、14、18都是根据布置和结构的需要而被采用的。

从照明模块出射的光束到达投影和探测成像模块，如图6所示，所述投影成像模块依次包括第一远心成像分系统(21，22)、波长分束器24以及设置在波长分束器24与投影物镜的下表面26之间的第一偏置平板25。在探测成像模块中，光束被反射镜20反射后经过由球面反射镜21、22组成的1:1成像的第一远心成像分系统；而从反射镜21、22出射的光束被波长分束器24分开，这样窄带光光源1所发出的窄带光被打到投影物镜下表面26上，而由宽带光光源2发出的宽带光照射到硅片的上表面27上。由于在分束器24和投影物镜的下表面26之间放置了第一偏置平板25，也就是说打到投影物镜的下表面26上的参考测量光经过了第一偏置平板25。

所述探测成像模块依次包括设置在合束器29与投影物镜的下表面26之间的第二偏置平板28、合束器29、第二远心成像分系统(31，32)和能量分束器33；所述第一偏置平板25和第二偏置平板28、分束器24和合束器29、第一远心成像分系统和第二远心成像分系统分别以投影物镜光轴为对称中心对称设置。第二偏置平板28和合束器29、偏置平板25和分束器24与第一二远心成像分系统分别是结构相同而被镜像使用的。合束器29的作用在这里是把投影物镜的下表面26和硅片的上表面27反射的光束再次耦合到一起而通过后续的光学系统。

如图7所示为偏置平板的示意图，它的作用主要就是在一定范围内使光束产生垂直于其传播方向的位移，这样在初始安装时可以调节第一偏置平板25以及与其对称使用的第二偏置平板28而使调焦调平系统的零平面与投影物镜的最佳焦平面重合。而且在调焦调平的使用过程中调节偏置平板可以使整个调焦调平装置的测量范围在一定的范围内沿投影物镜的光轴方向上滑动，以达到事实上增加调焦调平的测量范围的目的。此外，通过设计该第一偏置平板25还可以补偿一部分由于分束器24引入的打到投影物镜的下表面26上的参考光束与打到硅片的上表面27上的测量光束之间的光程差。

同样图6中的反射镜20、23、30、34、35都是由于结构布置的需要而被采用的。如图6所示，沿投影物镜光轴的方向被定义为Z轴，其正向自下向上；垂直于Z轴的面为XOY面。由于投影物镜的最佳焦平面认为是某一Z向位置的垂直于Z轴的平面，则硅片上表面相对于投影物最佳焦平面的三维位置信息为Z、RX、RY，其中RX、RY分别为绕X轴和Y轴的旋转信息。则硅片的Z、RX、RY信息也是调焦调平所需要测量的三维位置信息。

从合束器29出射的光束被反射镜30反射后，经过由球面反射镜31、32组成的1:1成像的第二远心成像分系统。同时31、32也是与21、22结构相同而被镜像布置。从第二成像分系统31、32出射的光束被能量分束器33分成两束光，进入探测器模块，一束(如原总能量的10％)被用作粗测进入粗测模块；另一束(如原总能量的90％)被用作精测进入精测模快。

如图8所示，所述探测器模块包括粗测模块和精测模块，所述粗测模块依次包括粗测掩模43和粗测位置敏感传感器45；所述精测模块依次包括第二阶梯反射镜38、放大分系统(40，41)、柱面镜42、柱面镜阵列44和精测位置敏感传感器47。

如图8所示。被反射镜37反射的为粗测光束，粗测光束经过粗测掩模43后直接被粗测探测器即粗测位置敏感传感器45探测。粗测掩模43主要是用来选择光斑点的，由于粗测的精度要求相对较低，而且根据工艺的需要，有可能只需要粗测提供硅片的Z向信息，所以只需要选择一个或部分点就可以满足设计的要求了，所采用粗测掩模用来选择一个或几个光斑点用作粗测。位置敏感传感器45可以探测出光斑在其探测面上位置的变化信息，由于每个光斑点只需要探测硅片的Z向位置信息，硅片的RX，RY信息是靠多个光斑点的测量信息计算出来的，也就是说探测器只需要探测一维的位置信息，所以在这里所有的位置敏感传感器都是一维的。

从能量分束器33分得的另一份光束作为精测光束，精测光束被反射镜36反射后打到另外一个阶梯反射镜38上。阶梯反射镜38的作用为恢复阶梯反射镜19的产生的效应，使各光斑点的像面再次恢复到一个平面上，这样可以使各光斑同时成像到处在一个平面上的各个精测位置敏感传感器47上。被阶梯反射镜38恢复像面位置后的各个光斑点被由球面反射镜40、41组成的放大分系统放大，如果该放大分系统的放大倍率为10，则理论的探测精度就将提高10倍，当然在位置敏感传感器的探测面积一定的情况下，其探测范围将相应地减小。这样，粗测由于没有被放大，所以其有相对较低测量精度和相对较大的测量范围；而经过放大的精测路会有相对较高的测量精度和较小的测量范围，两者合成就会得到有较大测量范围和较高测量精度的调焦调平传感装置。

被球面反射镜40、41放大后的光束通过柱面镜42，和柱面镜阵列44后打到折叠反射镜46上。在这里柱面镜42的作用是用来使精测光学模块具有远心特性，这样可以减小探测器位置变化而引起的测量误差，提高测量精度。而柱面镜阵列44则是用来对每个光斑进行一维聚焦。折叠反射镜主要是结构上的布置需要，借助46可以使每个光斑点打到相应的精测位置敏感传感器47上，每个光斑对应一个一维的精测位置敏感传感器。在这里，相对于粗测的位置敏感传感器来说，精测的位置敏感传感器需要有更低的噪声水平，更低的非线性等更高的测量性能，以满足对调焦调平系统精测性能的要求。

在图8中反射镜36、37、39、46同样是由于结构和布置的需要而被采用的。

该调焦调平系统主要应用在光刻装置中，调焦调平系统是光刻机的一个分系统，它主要用来测量硅片相对于光刻装置投影物镜最佳焦平面的相对位置，从而和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，这样可以使掩模板上的图形理想地转移到加工对象上。

由于对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被布置在光刻机中投影物镜的周围。而调焦调调平传感装置的光源部分，由于发热问题，它被放在远离曝光区的位置。

Claims (5)

1.一种用于光刻机的调焦调平装置的光学系统，其特征在于：包括沿光路传播方向依次设置的光源模块、照明模块、投影成像模块、探测成像模块以及探测器模块，所述光源模块包括窄带光模块、宽带光模块、耦合镜(5)和传输光缆(9)，且所述的窄带光模块和宽带光模块交替调制；所述窄带光模块依次包括窄带光光源(1)、耦合模块(4)；所述宽带光模块依次包括宽带光光源(2)、具有滤波功能的聚光镜(3)、光源光束整形分系统以及斩波器(7)；所述窄带光模块发出的光以及宽带光模块发出的光均被耦合镜(5)耦合到传输光缆(9)中；所述照明模块包括沿光路依次设置的积分棒(10)、整形分系统、光斑掩模(15)、转像系统和第一阶梯反射镜(19)，所述投影成像模块依次包括第一远心成像分系统、波长分束器(24)以及设置在分束器(24)与该光刻机的投影物镜的下表面(26)之间的第一偏置平板(25)；所述探测成像模块依次包括设置在合束器(29)与该投影物镜的下表面(26)之间的第二偏置平板(28)、合束器(29)、第二远心成像分系统和能量分束器(33)；所述第一偏置平板(25)和第二偏置平板(28)、分束器(24)和合束器(29)、第一远心成像分系统和第二远心成像分系统分别以该投影物镜光轴为对称中心对称布置，所述探测器模块包括粗测模块和精测模块，所述粗测模块依次包括粗测掩模(43)和粗测位置敏感传感器(45)；所述精测模块依次包括第二阶梯反射镜(38)、放大分系统、柱面镜(42)、柱面镜阵列(44)和精测位置敏感传感器(47)。

2.如权利要求1所述的用于光刻机的调焦调平装置的光学系统，其特征在于，所述窄带光光源(1)通过激励电源的电流调制实现；所述光源光束整形分系统包括设置在聚光镜光线传播方向上的第一透镜(6)和第二透镜(8)，所述宽带光光源(2)的调制是通过设置在第一透镜(6)和第二透镜(8)之间的斩波器(7)实现。

3.如权利要求1所述的用于光刻机的调焦调平装置的光学系统，其特征在于，所说的耦合镜(5)的一面对窄带光光源(1)的波长全反，其两面对经该具有滤波功能的聚光镜选择后的宽带光光源(2)的波长全透。

4.如权利要求1所述的用于光刻机的调焦调平装置的光学系统，其特征在于，所述第一阶梯反射镜和第二阶梯反射镜均为反射面呈阶梯状排列的反射镜，且其阶梯的数量以及阶梯的高度相同。

5.如权利要求2所述的用于光刻机的调焦调平装置的光学系统，其特征在于，所述窄带光光源和所述宽带光光源之间通过主控系统进行交替调制，在一定的时序时间段内，只有一种光束发射，另一光束处于关闭状态，两束光不能同时处于发射状态。

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