CN101101448A - 光斑能量重心矫正模块及其测量方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光斑能量重心矫正模块和使用该光斑能量重心矫正模块的测量方法和装置。本发明的光斑能量重心矫正模块包括将光束分为若干分光束的分束器，倒转分光束的倒像器。利用本发明模块可以消除某些位置测量系统中由于被测对象局部反射率不均等引起探测光斑内部的能量重心的位置变化而带来的测量误差，从而提高该位置测量系统的精度、重复性、对被测对象的适应能力和线性度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光斑能量重心矫正模块和使用该光斑能量重心矫正模块的进行的测量方法和装置，特别是用于消除某些位置测量系统中由于被测对象局部反射率不均或变化引起测量误差的光斑能量重心矫正模块、调焦调平测量方法及其装置。
背景技术
光刻机是大规模集成电路生产的重要设备之一，如图1所示，它的功能是使掩模板1上的图形通过光学成像系统2按一定比例转移到硅片5(包括衬底、镀膜和光刻胶；在这里泛指所有的被曝光对象)上。其中3a、3b为调焦调平测量系统，它主要负责测量硅片5的表面位置信息，以便和承载硅片5的工件台4一起使硅片5的被曝光区域一直处于光刻机成像系统的焦深之内，而使掩模板1上的图形理想地转移到硅片5上。
随着光刻机的分辨率不断提高焦深不断减小，对光刻机内调焦调平系统的测量精度和能够实时测量曝光区域等测量性能的要求也越来越高，目前主流的步进扫描光刻机中所采用的调焦调平测量方法均为利用光电测量系统进行测量的方法，如：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)、基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US6765647B1)、基于针孔和面阵CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)的光电探测方法(美国专利US6081614)和基于PSD(Position Sensitive device，位置敏感器件)的光电测量方法(参见中国专利，申请号：CN200610117401.0和Focusing and leveling system using PSDs for the wafer steppers.Proc.SPIE，1994，2197：997-1003.)。
上述方法中，对于第三种测量方法，为了提高测量精度和处理速度一般是采用CCD检测光斑的能量重心或光斑能量的峰值的方法；而第四种基于PSD的调焦调平方法总是利用PSD来探测光斑的能量重心的。对于那些探测光斑的能量重心或峰值的光电测量方法来说，被测对象(如硅片)在单点测量区域之内的局部相应反射率不均等因素会引起调焦调平测量系统的测量误差。这种由于局部反射率变化产生的测量误差与光斑尺寸和反射率变化值及变化区域尺寸等因素是相关的，一般情况下这种测量误差都是亚微米及微米量级，这对于10纳米量级测量精度的调焦调平测量系统来说，这种误差是非常严重且不被允许的，此外还有其他会导致光斑能量重心再光斑内部偏移的因素，如由于传输光纤的震动引起的光束模式的变化，这些都会引起测量误差。
现以中国专利CN200610117401.0所揭示的一种基于PSD的调焦调平测量系统为例来说明本发明，其示意图如图2所示，该系统是用来测量硅片5的上表面或该上表面与投影物镜2下表面之间相对的沿Z方向以及绕X、Y旋转(Rx，Ry)的三维位置或形貌信息。其中Z向为投影物镜5的光轴方向，XYZ为右手笛卡儿坐标系。如图2所示，光源7发出的探测光束经过整形模块8整形后照明光斑物掩模9，该光斑物掩模9的作用主要是在硅片5上表面或投影物镜2下表面产生设计的光斑形状及布置。被照明的光斑物掩模9通过投影系统10成像到硅片5上表面处或分别是硅片5上表面和投影物镜2下表面处，产生所要的探测光斑。相应的探测光束被投影物镜2下表面和硅片5上表面反射后其携带了硅片5上表面或投影物镜2下表面的Z信息，而后硅片5上表面和投影物镜2下表面处的光斑再次被探测成像系统11和探测光学模块12成像到PSD探测器13上，由于单个测量点只需要测量Z向的信息，Rx，Ry是由多点测量计算得到的，所以探测器13是一维的PSD探测器。从PSD探测器13输出的信息即可以得到硅片5上表面或硅片5上表面和投影物镜2下表面之间的相对Z、Rx、Ry信息。对于基于PSD的调焦调平测量系统来说，其从原理上是利用被测对象的位置或形貌的变化而导致探测光斑的能量重心在PSD探测器上的位置也相应地变化，通过PSD探测器输出探测光斑能量重心的位置变化可以得到被测对象的位置或形貌变化的信息。也就是说，若有其他因素导致探测光斑能量重心的位置改变，也会使该调焦调平测量系统误认为是被测对象的位置或形貌的变化，从而就导致了测量误差。这些导致测量光斑的能量重心位置变化的其他因素，其中之一是由于被测对象在一个测量光斑的采样区域内局部反射率的不均和变化，而引起这些局部反射率不均的因素有很多，如硅片面上已经存在的反射率不同的线条，譬如金属层中的金属条等，以及由于沟槽的散射而导致的最终反射率的不同等因素，这些因素都会引起探测光斑的能量重心的位置变化，而光刻机正是要在硅片上形成图形，以及刻蚀过的硅片上会有沟槽等，而且这些图形和沟槽对于不同的工艺是千变万化的。也就是说，如果调焦调调平测量系统对这些图形和沟槽是敏感的，那么该调焦调平测量系统是根本不能用于分辨率相对较高焦深相对较小的光刻机中的。其他导致此类调焦调平测量系统测量误差的因素还有诸如前面所述的由于传输光纤震动导致的测量光束模式变化等等。
从本质上讲，被测对象的位置或形貌变化导致的PSD探测器上的探测光斑能量重心的位置变化与其它因素如局部反射率不均导致的PSD探测器上光斑能量重心位置变化是有区别的，前者是由光斑位置整体在PSD探测器上移动导致的；而后者则是探测光斑的整体位置没有变，只是由于光斑的能量重心在光斑内部相对位置发生了改变。基于此理解和认识，本发明给出了一种能保留前者(也就是信号)而消除后者(是误差和噪音)的解决方案，从而提高了这些类的调焦调平测量系统或其他位置测量系统的测量性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能的调焦调平测量方法和装置，该测量方法和装置可消除诸如被测对象上局部反射率不均或变化等因素引起的探测光斑能量重心的位置变化对测量系统测量性能的影响。
为了达到所述的目的，本发明提供了一种光斑能量重心矫正模块，包括分束器，将探测光束分为若干分光束；倒像器，倒转分光束；
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述分束器至少将所述探测光束分为两束分光束。
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述至少一束分光束通过所述倒像器在至少一轴上倒转。
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述相对倒转的分光束之间的能量相等。
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述的光斑能量重心矫正模块还可包括合成分光束的合束器；
在上述的光斑能量重心矫正模块中，从所述合束器输出的相对倒转的光束之间的能量相等。
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述倒像器为倒像棱镜。
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述倒像器由不少于两组的反射镜组，该不少于两组的反射镜组中的反射镜的数目相差数为奇数。
在上述的光斑能量重心矫正模块中，所述倒像器由不少于两组的反射镜组，该不少于两组的反射镜组中光束被反射的次数相差为奇数。
本发明的另一方案提供一种测量装置，包括：被测对象，承载该被测对象的工件台；将探测被测对象的光斑成像的探测成像系统和探测光学模块，和一接收被成像光斑的光电探测器，其特征在于：还包括如前所述的光斑能量重心矫正模块，该光斑能量重心矫正模块矫正探测光斑的能量重心的位置。
在上述的调焦调平测量装置中，所述光斑能量重心矫正模块设置于所述被测对象与所述探测器之间。
在上述的调焦调平测量装置中，所述光斑能量重心矫正模块设置于所述探测光学模块与所述探测器之间。
在上述的调焦调平测量装置中，所述光斑能量重心矫正模块设置于所述探测成像系统与所述探测光学模块之间。
本发明的又一方案是使用光斑能量重心矫正模块的测量方法，其实质性特点在于，所述的测量方法包括下列步骤：
(1)提供一探测光束；
(2)探测光束探测硅片上的信息后反射到光斑能量重心矫正模块上；
(3)探测光束在光斑能量重心矫正模块中分束、倒像、合束；
(4)探测光斑成到达探测器上。
在上述的测量方法中，所述探测光束分别由分束器、倒像器、合束器进行分束、倒像、合束。
在上述的测量方法中，所述探测光斑由探测成像系统和探测光学模块到达探测器上。
本发明由具有以下的优点和积极效果：
1.使基于光能量重心或峰值检测的调焦调平系统对被测对象不敏感，从而可以使这一类调焦调平测量系统真正应用与实际的生产，而不是只能测量零层的硅片。
2.提高了调焦调平测量的精度和线性度等性能；使其可运用在分辨率高且焦深小的光刻机之中；
3.操作简单且成本低。
附图说明
本发明的实施例及附图给出如下：
图1为一般光刻机的结构图示意图；
图2为现有技术中一种基于PSD探测器的调焦调平测量装置结构图示意图；
图3为利用本发明光斑能量重心矫正模块一较佳实施例的调焦调平测量装置结构图示意图；
图4为本发明一较佳实施例的调焦调平测量装置中的光斑能量分布示意图；
图5为利用本发明光斑能量重心矫正模块另一较佳实施例的调焦调平测量装置结构图；
图6为本发明光斑能量重心矫正模块的一种倒像器结构示意图；
图7为利用本发明光斑能量重心矫正模块的调焦调平测量方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的光斑能量重心矫正模块及其使用方法作进一步的详细描述。
图3为本发明一较佳实施例的调焦调平测量装置结构图。投射到被测对象硅片5上的探测光束被硅片反射后携带了硅片5的位置和形貌信息，由于硅片5上具有反射率不同的区域而导致探测光斑内局部反射率不均，即在位置L1处光斑内部有反射率不同的区域，光斑内部的局部反射率的改变也就引起了光斑能量重心相对于光斑本身的位置变化，这一光斑能量重心变化也就导致了整个测量系统的测量误差。本发明是在调焦调平测量系统中，在探测光学模块12与PSD探测器13之间插入一光斑能量重心矫正模块14，该光斑能量重心矫正模块14即可以消除光斑内部的能量重心的相对位置变化而带来的测量误差，具体的原理如下所述。
以下将结合图3和图7详细描述本发明的测量方法。在图3中，投射到被测对象硅片5上的探测光束被硅片反射后携带了硅片5的位置和形貌信息(步骤S10)，被硅片5反射后的探测光束先通过成像系统11和探测光学模块12后进入光斑能量重心矫正模块14(步骤S20)，其中该光斑能量重心矫正模块14包括一分束器15，倒像器16和合束器17。首先探测光束被矫正模块14中的能量分束器15分成两分光束：一分光束通过倒像器16后其光斑在Z轴方向上发生倒转，另一分光束不经过任何处理直接射出；然后这两分光束到达合束器17后被合成为一束光(步骤S30)，该束合成光最后成像形成探测光斑到PSD探测器13上被测量(S40)。在本发明中的测量装置中只要保证从合束器17输出光束中的两分束光成分的能量相等即可以完全消除由于局部反射不均而导致的光斑能量重心的位置偏移。结合具体例子来说：假设分束器15的分束比为A∶B，也就是说分束器15至少将位置L1处的探测光束分为两分光束，倒像器16和合束器对其中一分束的通过率为σ1，合束器对另一分束的通过率为σ2，且如果满足以下关系式：Aσ1＝Bσ2，也就是说使位于位置L5处的光斑能量分布(从合束器输出的光束中光斑能量分布)中倒像分束和没有倒像的分束的总能量值相等。光斑能量分布的示意图如图4所示，其中阴影区域表示反射率高的光斑能量分布，空白区域表示反射率低的光斑能量分布。图4(A)表示未进入倒像器16的光斑能量分布图，此时反射率高的光斑能量分布位于中心轴O轴的上方，这时候相对于光斑内反射率均匀的情况来说，有局部反射率高的情况以后，整个光斑能量重心将向上发生偏移；图4(B)表示进入倒像器16后的光斑能量分布图，光束通过倒像器16后其光斑在Z轴方向上发生倒转，在此时反射率高的光斑能量分布位于O轴的下方与图4(A)关于O轴对称分布，图4(C)表示到达合束器17的光斑能量分布图，我们可以看到到达合束器17反射率高的光斑能量分布关于O轴对称，最后光斑能量重心矫正后返回到光斑几何中心，即此可以完全消除局部反射不均导致的光斑内部的光能量重心的偏移的影响。
图3中的合束器就是分束器的对称使用，分束器/合束器可以是偏振的也可以是非偏振的分束器，但考虑到光能的利用效率，需要尽可能选择偏振分束/合束器。分束器相对较为常见，而且本发明的设计对分束器的性能没有严格的要求，现成产品里即可以找到满足上述要求的分束器/合束器，在这里就不对分束/合束模块加以描述了。
其中，光斑能量重心矫正模块14可以设置在被硅片5反射后的光线射出到PSD探测器13之前的光路中的任意位置，比如光斑能量重心矫正模块14还可以设置于成像系统11和探测光学模块12之间或者位于成像系统11之前等位置，这些位置都可以进行光斑能量重心矫正。如图5揭示了本发明另一较佳实施例的测量装置结构图，其测量方法与上述实施例的测量方法相同，这里就不再具体描述了。在该实施例的测量装置中，光斑能量重心矫正模块14设置于成像系统11和探测光学模块12之间，被硅片5反射后的探测光束先通过成像系统11后顺序进入光斑能量重心矫正模块14和探测光学模块12，其中探测光束被矫正模块14中的能量分束器15分成两分光束：两分光束同时通过一倒像器16后其光斑在Z轴方向上发生转动，最后两分光束光斑能量达到如图4(C)所示，反射率不均的光斑能量分布相等且关于O轴对称，如上述的实施例所述，最后光斑能量重心永远被矫正到光斑的沿Z轴的几何中心，即此可以完全消除局部反射不均导致的光斑内部的光能量重心的偏移的影响。
而对于倒像器即倒像模块，可以是倒像棱镜，如普罗棱镜或别汉棱镜等。但这些倒像模器件的成本相对都较高而且对具体使用结构的要求的适应能力较差。由于在该调焦调平中对于单个探测点只探测其一维的信息，即在进行倒像时也只需在一维(如沿Z轴)上倒像即可。根据该特性，发明人设计出了由两反射镜组，共包括三片反射镜构成的倒像模块，大大节省了制造和装配成本，该倒像模块的结构图如图6所示。在图6中，倒像模块的一反射镜组由反射镜20组成，另一反射镜组由反射镜21和反射镜22组成。当一束光通过分束器15后被分成两分光束，一分光束通过反射镜20后进入合束器17；另一分光束被反射镜21和反射镜22反射后进入合束器17。在这里只考虑XZ面内的情况，设定X为光束的传播方向，Z为测量维度。则根据平面反射镜的成像原理即可以很容易地得出一分光束到达合束器17时光束的坐标由XZ变成X1Z1，另一分光束到达合束器17时光束的坐标由XZ变成X2Z2，如图6中所示X1，X2与X同向，但Z1与Z2反向。因此若两分光束到达合束器时的能量相等，则无论进入合束器17之前光斑的能量重心相对于光斑本身内的位置如何改变，最终从合束器17里出来时光斑的能量重心永远位于光斑沿Z轴的几何中心，从而也就完全消除了光斑内部重心位置变化带来的测量误差。也就是说当分束器的分束比为C∶D时，反射镜20以及合束器对该第一分束的总的透过率为σ3，反射镜21和反射镜22以及合束器对该第二分束的总的透过率为σ4，则只要保证满足关系式：Cσ3＝Dσ4，即可保证从分束器17输出光束中时两分光束成份的能量相等；此外，还需要保证两分光束在光能量重心矫正模块中通过的光程相等以及两分光束到达合束器17时的夹角a为合束器17的工作角度a，从而可达到消除了光斑内部重心位置变化带来的测量误差的效果。由此可以看出在这里由3片反射镜充当倒像模器不但制造成本低，而且装配的要求也相对很低。当然根据实际机械结构的需要也可以采用非3片的反射镜充当倒像器，只要保证两分束通过的反射镜的次数相差数为奇数即可以保证两者最终从合束器输出的坐标在一个方向上方向相反即实现相对倒像。
此外，本发明模块还可以消除其前面光学系统的彗差和像散以及其他非中心对称的像差对测量系统的线性度的影响，进而可以提高该调焦调平测量系统的线性度和测量精度等性能。具体原理为：对于这些基于光斑能量重心检测的系统来说，那些非中心对称的像差也会引起探测光斑能量重心位置在光斑内部的偏移，本发明模块当然可以消除这些因素的影响，进而可以提高整个测量系统的线性度和测量精度等性能。另外可以看出，由于本发明模块只可以消除其前面光学系统的非中心对称的像差对测量系统性能的影响，所以应该将该光斑能量重心矫正模块尽可能地放置在靠近探测器的位置，理想情况下是放置在紧接着探测器前面的位置。
以上介绍的仅仅是基于本发明的较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围，本发明还可以应用于属于表面形貌或位置测量领域及其相关领域。任何对本发明的方法作本技术领域内熟知的步骤的替换、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 (16)
1、一种光斑能量重心矫正模块，包括：
分束器，将探测光束分为若干分光束；
倒像器，倒转分光束。
2、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述分束器至少将所述探测光束分为两束分光束。
3、如权利要求2所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述至少一束分光束通过所述倒像器至少在一个轴上倒转。
4、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述相对倒转的分光束之间的能量相等。
5、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述的光斑能量重心矫正模块还包括合成分光束的合束器。
6、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：从所述合束器输出的相对倒转的光束之间的能量相等。
7、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述倒像器为倒像棱镜。
8、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述倒像器由不少于两组的反射镜组，该不少于两组的反射镜组中的反射镜的数目相差数为奇数。
9、如权利要求1所述的光斑能量重心矫正模块，其特征在于：所述倒像器由不少于两组的反射镜组，光束在不少于两组的反射镜组中的反射的次数相差数为奇数。
10、一种测量装置，包括：被测对象，承载该被测对象的工件台；将探测被测对象的光斑成像的探测成像系统和探测光学模块，和一接收探测器，其特征在于：还包括如权利要求1的光斑能量重心矫正模块，该光斑能量重心矫正模块矫正探测光斑的能量重心的位置。
11、如权利要求10所述的调焦调平测量装置，其特征在于：所述光斑能量重心矫正模块设置于所述被测对象与所述探测器之间。
12、如权利要求11所述的调焦调平测量装置，其特征在于：所述光斑能量重心矫正模块设置于所述探测光学模块与所述光电探测器之间。
13、如权利要求11所述的调焦调平测量装置，其特征在于：所述光斑能量重心矫正模块设置于所述探测成像系统与所述探测光学模块之间。
14、一种采用如权利要求10所述的装置进行测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括下列步骤：
(1)提供一探测光束；
(2)探测光束探测硅片上的信息后反射到光斑能量重心矫正模块上；
(3)探测光束在光斑能量重心矫正模块中分束、倒像、合束；
(4)探测光斑到达探测器上。
15、如权利要求14所述的调焦调平测量方法，其特征在于：所述探测光束分别由分束器、倒像器、合束器进行分束、倒像、合束。
16、如权利要求14所述的调焦调平测量方法，其特征在于：所述探测光斑由探测成像系统和探测光学模块到达探测器上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 201203 Zhangjiang High Tech Park, Shanghai, Zhang Dong Road, No. 1525 Patentee after: Shanghai microelectronics equipment (Group) Limited by Share Ltd Address before: 201203 Zhangjiang High Tech Park, Shanghai, Zhang Dong Road, No. 1525 Patentee before: Shanghai Micro Electronics Equipment Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |