CN101183041B - 一种干涉仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于后封装光刻机投影物镜检测的干涉仪及其使用方法，本发明的干涉仪包括产生光源的激光光源模块，连接激光光源模块和光开关的单模光纤，通过单模光纤和光开关连接的分光模块，接收光源的成像光学系统和图像传感器，和干涉仪各部件相连的主控机，干涉仪使用时，被测物镜安放在分光模块和接收光源的成像光学系统之间，其发明点在于：在所述的分光模块和被测物镜之间还有一个光纤位置调整模块，在被测物镜之后还有一个干涉模块，所述的干涉仪安装在光刻机微动平台上。利用本发明的干涉仪可准确得测得后封装光刻机投影物镜的波前误差、并可减小光学检测元件的尺寸，而且制造简单，检测精度高且操作方便。

Description

一种干涉仪及其使用方法 

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，特别涉及用于后封装光刻机投影物镜波像差检测的干涉仪。 

背景技术

近年来，在半导体光刻领域，投影光刻技术的不断进步，线条向更精细方向推进，曝光式后封装光刻机由于产量高，并且不损伤掩模等特点而被广泛应用。曝光式后封装光刻机通常放大倍率为1倍，数值孔径在0.4以下，波长通常选择ghi三线或单线波长工作模式，光刻物镜的质量是影响后封装光刻机整体性能的关键因素。投影物镜在设计时可以达到很高的质量，但在光学加工、装调的过程中都会影响物镜的光学质量，这就需要对加工好的物镜进行检测来保证物镜的成像质量，从而判断物镜是否达到设计要求。 

由于后封装投影物镜通常工作在ghi三个波长，所以检测系统也应该在这三个波段进行有效检测，通常干涉仪只能检测一个波长的像差情况，对于宽波段的物镜检测，需要2或3个波长进行检测，如Ultratech公司使用双波长(363.8nm Argon激光器和442.0nmHeCd激光器)PMI干涉仪对ghi三波长物镜进行检测(SPIE Vol.2440 P743～749)。这种方法使用两个波长对物镜进行检测，由于这两个波长在物镜工作波段的两端，通过这两个波长的性能推测整个波段内的物镜光学特性，该系统采用两套准直和衰减元件，对激光的光强进行扩束和光强调整，并经过Flip镜片选择使用一路光进入干涉仪本体机构中，其中一路光作为参考光经过分光镜反射到一个可以精确移动的反射镜上，返回后通过分光镜进入图像传感器CCD；另一路测量光透过反射镜，经过一个会聚镜进入被测光学系统，在光学系统的像面上放置球面反射镜，让光线沿原路反射进入图像传感器CCD和参考光进行相干，为了调整测量光和参考光之间的对准，该系统还加上了一个对准系统让参考光和测量光进行精确对准。该系统能使用不同波长对被测物镜进行检测，这样能够推出整个波段的光学像差情况，另外参考光使用压电陶瓷驱动(PZT)可以实现不同方法的相移检测，通过会聚透镜和球面反射镜的配合可以实现系统的自标定。但是该在线检测物镜方法的主要缺点是：1：激光光源使用两套扩束和衰减系统导致的光学元件数量多，结构复杂，制造和装调都比较复杂；2：需要使用会聚透镜组和球面反射镜进行配合对物镜进行检测，这样引入较多的测量误差，虽然这个测量误差可以实现自标定，但如果误差太多，标定本身也存在较大的误差；3：该系统引入专门的对准系统，虽然可以实现快速测量，但是需要较多的光学元件和另外一套成像系统，增加了系统的复杂性；4：物镜测试往往需要在整个物面不同点的光学特性进行检查，由于物镜本身的体积较大，不方便移动，而干涉仪本身体积也较大不方便调整，这样导致物镜不同物像点的波像差检测困难。

发明内容

为了提高后封装光刻机物镜在线检测的精度以满足更高的光刻成像要求，本发明提供一种结构简单、检测精度高、操作方便的用于检测后封装光刻机投影物镜的干涉仪及其使用方法。 

为了达到上述的目的，本发明的干涉仪，包括：产生光源的激光光源模块，连接激光光源模块和光开关的单模光纤，通过单模光纤和光开关连接的第一分光模块，与干涉仪各部件相连的主控机，干涉仪使用时，被测物镜在第一分光模块和干涉模块之间，其发明点在于：在所述的第一分光模块和被测物镜之间还有一个光纤位置调整模块，所述干涉模块包括第二分光模块、准直透镜、可移动聚焦透镜、图像传感器，所述干涉模块安装在光刻机微动平台上，所述的单模光纤其纤芯尺寸要求是产生衍射波前的数值孔径大于被测物镜的工作数值孔径。 

在上述的干涉仪中，所述的激光光源模块包括三个被耦合到单模光纤中的半导体激光器。 

在上述的干涉仪中，所述的第一分光模块包括分光镜和耦合镜。 

在上述的干涉仪中，所述的光纤位置调整模块可以使光纤在X、Y、Z方向移动。 

在上述的干涉仪中，所述的光刻机微动平台可以在X，Y方向移动。 

在上述的干涉仪中，所述的与干涉仪各部件相连的主控机控制激光光源模块产生激光和调节激光的光强，控制光开关选择激光波长，接收、控制干涉模块和微动平台的反馈信息。 

上述干涉仪的使用方法，所述方法包括下列步骤： 

(1)主控机控制半导体激光器的光强，光开关通过主控机来选择特定的测量波长； 

(2)选择好特定测量波长的光源通过单模光纤进入分光模块被分光镜分解为测量光和参考光，然后通过耦合镜将测量光和参考光分别耦合到两根光纤当中； 

(3)测量光通过光纤位置调整模块在X、Y、Z方向进行调整，在进入被测物镜，再进入干涉模块，参考光通过光纤直接进入干涉模块； 

(4)参考光和测量光通过干涉模块的分光棱镜进行干涉，并通过一个可移动的聚焦透镜实现参考光和测量光的对准和干涉测量的切换，由干涉模块的图像传感器接收到干涉条纹； 

(5)主控机接收、控制干涉模块和微动平台的反馈信息。 

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果： 

1、简化干涉仪的结构，减小干涉仪的体积，增加系统的可靠性和稳定性。 

2、本发明不需要使用专门的会聚透镜组和球面反射镜，降低了干涉仪的制造成本。 

3、由于参考光和测量光的光路长度都可以调节，所以本发明对激光光源的相干长度没有很高的要求，便于实现。 

4、本发明的光强调整结构简单，只需要通过主控机对激光器的工作电流进行调节就可以让输出光强达到想要的功率。 

5、本发明无需引入额外的对准系统，仅使用干涉系统的光路，加上一个可以在两个方向上移动的聚焦透镜即可实现参考光和测量光的对准。 

6、本发明采用模场直径较小的光纤，从光纤端面可以衍射得到质量很高的标准球面波前。 

7、本发明测量物镜不同物像点像差时，通过移动测量光纤和干涉模块来实现，由于测量光纤和干涉模块的体积较小，所以移动非常方便。 

8、本发明可以把压电陶瓷驱动和干涉仪模块结合在一起，简化系统的相移结构。 

附图说明

通过以下对本发明实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。 

图1为本发明干涉仪的结构示意图； 

图2为图1干涉仪中干涉模块的内部结构示意图； 

图3为本发明干涉仪校准结构。 

具体实施方式

本发明的干涉仪是利用光纤作为传输光路，产生标准波前，并采用共路干涉系统实现后封装光刻机投影物镜的像差检测，其具体装置如下： 

首先请参阅图1，图1是本发明的干涉仪的结构示意图，激光光源模块1包含三个半导体激光器，波长分别是375nm，405nm和436nm，这三个波长基本覆盖被测物镜的工作带宽，每个半导体激光器均被耦合到单模光纤当中进行输出，为了得到标准的衍射波前，单模光纤选择纤芯较小尺寸规格；光开关2通过单模光纤和激光光源模块1连接；在光开关2后是分光模块3，分光模块3通过单模光纤和光开关2连接；激光光源产生的激光通过单模光纤传输到分光模块3后被分为测量光4和参考光5，参考光5的单模光纤另一端直接和干涉模块8相连，测量光4通过光纤位置调整结构6进入被测物镜7，并在通过被测物镜7后进入干涉模块8；干涉模块8被固定在微动平台9上；主控机10分别和激光光源模块1，光开关2，干涉模块8，微动平台9连接。 

本发明的干涉仪的使用方法如下： 

(1)主控机控制半导体激光器的强度，光开关通过主控机来选择特定的测量波长；(2)选择好特定测量波长的光源通过单模光纤进入分光模块被分光镜分解 为测量光和参考光，然后通过耦合镜分别将测量光和参考光耦合到两根光纤当中；(3)测量光通过光纤位置调整模块在X、Y、Z方向进行调整，进入被测物镜，再进入干涉模块，参考光通过光纤直接进入干涉模块；(4)参考光和测量光通过干涉模块的分光棱镜进行干涉，并通过一个可移动的聚焦透镜实现参考光和测量光的对准和干涉测量的切换，由干涉模块的图像传感器接收到干涉条纹；(5)主控机接收、控制干涉模块和微动平台的反馈信息。 

以下结合附图和本发明干涉仪的使用方法对本发明进一步详细描述： 

系统检测一次只能使用一个波长进行检测，三种半导体激光器耦合到单模光纤以后需要通过光开关2来选择特定的测量波长，光开关2通过主控机10进行控制。 

经过光开关2以后，光源被分光模块3分解为测量光4和参考光5，分光模块3可以使用熔融拉锥的办法实现，或者使用分光元件进行分光，然后测量光4和参考光5通过耦合镜分别耦合到两根光纤当中。 

从分光模块3出来的测量光4进入被测物镜7，经过被测物镜7后进入干涉模块8，该干涉模块8包括分光模块14a或14b、准直透镜11、可移动聚焦透镜12和图像传感器(CCD)13。传输测量光4的光纤被固定在被测物镜7的物面上，并且通过光纤位置调整结构6在X、Y、Z方向进行调整，以便找到最佳物面位置。测量光4从光纤中衍射出来后产生近似标准的球面波前，对光纤的纤芯要求是产生衍射波前的数值孔径大于物镜的工作数值孔径。 

从分光模块3出来的参考光5直接进入干涉模块8。 

如图1、图2、图3所示，参考光5和经过被测物镜7的测量光4通过干涉模块8中的分光模块进行干涉，再由干涉模块8中的CCD13接收干涉条纹。干涉模块8中的分光模块可以使用分光棱镜14a或者是14b的分光结构，14b采用两个平板中间镀半反半透膜，两块平板的结构完全一致，这样的目的是消除由于参考光5和测量光4不共路引起的波前测量误差。干涉模块8中的CCD13位置和被测物镜7光瞳为共轭成像关系。 

本干涉仪采用相移干涉的方法进行干涉条纹分析。在测量误差时，参考光5和测量光4的初始位置相差较大，不能形成清晰的干涉条纹，为此干涉模块8使用一个可移动聚焦透镜12实现参考光5和测量光4的对准。当进行对准时将 聚焦透镜12移到光路中间，这样测量光4和参考光5在干涉模块8中的CCD13上可以看到两个斑点，如果两个斑点的位置相差较远，说明它们对准不好，这时通过调整干涉模块8下面的微动平台9来进行调整，让两个光点调到重合位置，然后将可移动聚焦透镜12移出光路，此时在干涉模块8中的CCD13上可以看到清晰的干涉条纹。 

由于需要将干涉模块8中的CCD13上接收的光强控制在合适的能量，所以需要对光源的能量进行控制，半导体激光的输出大小和工作电流为近似线性光学，本发明中的光强控制是通过主控机10对激光光源模块1进行电流控制来实现的，这样的控制方式比较简单，而且速度较快，不需要机械运动。 

为了测量被测物镜7不同视场位置的像差情况，需要将参考光5在水平方向进行移动，而干涉模块8需要跟着进行移动，以保持对应的物像关系。微动平台9不但可以在水平方向进行位置调节，也可以在垂向通过压电陶瓷驱动(PZT)进行精确控制，相移就是通过PZT在垂向运动来实现的。 

综上所述，该干涉仪参考光5和测量光4除在干涉模块8中的分光模块14a/14b处的光路不共路外，其它均为共路部分，所以除干涉模块8中分光模块14a/14b外其它元件的误差基本不会引起波前测量误差，而标准球面波本身由单模光纤衍射得来，所以引入的波前误差也非常小，所以该干涉仪只要精确控制干涉模块8中分光模块的质量就可以得到较好的检测精度，而干涉模块8中的分光模块不管采用14a或14b，其两部分的偏差会直接影响测量结果，所以要求这两部分一定要采用相同材料和相同尺寸进行制造。 

引入干涉模块8中的分光模块14a/14b的另一个原因是可以实现较大范围的对准，如果没有分光模块，就无法让两个光斑的斑点有效的重合，同时保证两个斑点有5mm以上的捕捉范围。 

为了进一步减小由于干涉模块8中的分光模块14a/14b光路不共路而造成的测量误差，本发明干涉仪可以通过自标定的方式将这部分的误差进行去除，标记的结构如图3所示，将原来经过被测物镜7进入干涉模块8的光改为由测量光纤4直接进入干涉模块8，由于入射的均为标准球面波前，所以系统分析出来的波前就是由于干涉模块8中的分光模块14a等非共路造成的误差大小，这部分误差为系统固有误差，在今后被测物镜7测量的时候，将这部分误差从测量 结果中直接扣除，就可以得到被测物镜7的实际像差情况。 

由于光纤衍射的光强不均匀，相移条纹分析方法可以最大程度消除图像传感器(CCD)13面的光强不均匀性的导致的波前分析误差，另外相移条纹分析还可以有效减小图像传感器(CCD)13背景噪声，固有电子和光子噪声等影响，相移可以采用四步，七步或更多步相移，下面以四步相移为例分析波前轮廓的分析过程。 

让压电陶瓷驱动(PZT)在四个高度进行步进，每步的移动大小为四分之一波长，通过CCD13采集到四幅干涉图像，利用这四个CCD13采集的图像就可以计算波前，参考波面与被检波面相干，干涉场的光强分布可以表示为： 

I(x，y，t)＝I_d(x，y)+I_a(x，y)cos[φ(x，y)-δ(t)]式中，I_d(x，y)为干涉场的直流光强分布； 

I_a(x，y)为干涉场的交流光强分布； 

φ(x，y)为被检波面与参考波面的相位差分布，即相移干涉的测量对象； 

δ(t)为两干涉光路中的可变相位。 

通过上面的方法改变相位δ(t)，测量四幅相位变化的干涉图中的光强分布I(x，y，t)，并对φ(x，y)进行精确求解。 

上式可改写为： 

I(x，y，δ_i)＝a₀(x，y)+a₁(x，y)cosδ_i+a₂(x，y)sinδ_i

式中a₀(x，y)＝I_d(x，y) 

a₁(x，y)＝I_a(x，y)cos[φ(x，y)] 

a₂(x，y)＝-I_a(x，y)sin[φ(x，y)] 

被测相位φ(x，y)可以通过a₂(x，y)与a₁(x，y)的比值求得： 

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{a_2(x,y)}{a_1(x,y)}\right)$

对于本发明的四步相移：δ₁＝0，δ₂＝π/2，δ₃＝π，δ₄＝3π/2，代入以上公式得到： 

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{arctg}\left(\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right)$

上式中I₁、I₂、I₃、I₄分别为四幅图像中的光强值，这样通过每个象素位置的四个光强值得到波前每个点的相位值，最好通过拟和得到整个波前的相位值。 

本发明的干涉仪除了具有上述测量后封装光刻机投影物镜的成像外，还可以用来直接检测后封装光刻机投影物镜的NA(NA表示光刻机投影物镜的数值孔径)和照明光瞳的光强分布。测量方法如下：通过分析干涉仪的CCD13上接收到的图像；假设干涉仪的准直透镜11的焦距为f，如果在CCD13上接收到的圆形光斑的大小为D(没有加对准的会聚透镜12)，那么物镜的NA为sin(arctg(D/(2f)))。另外根据CCD13上接收到的具体图像的特征来分析物镜照明的相干性和离轴照明(二极，四极，环形)的特性。 

以上介绍的仅仅是基于本发明的一个个较佳实施例，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 (7)

1.一种干涉仪，包括：产生光源的激光光源模块，连接激光光源模块和光开关的单模光纤，通过单模光纤和光开关连接的第一分光模块，与干涉仪各部件相连的主控机，其特征在于：干涉仪使用时，被测物镜在第一分光模块和干涉模块之间，在所述的第一分光模块和被测物镜之间还有一个光纤位置调整模块，所述干涉模块包括第二分光模块、准直透镜、可移动聚焦透镜、图像传感器，所述干涉模块安装在光刻机微动平台上，所述的单模光纤其纤芯尺寸要求是产生衍射波前的数值孔径大于被测物镜的工作数值孔径。

2.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的激光光源模块包括三个被耦合到单模光纤中的半导体激光器。

3.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的第一分光模块包括分光镜和耦合镜。

4.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的光纤位置调整模块可以使光纤在X、Y、Z方向移动。

5.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的光刻机微动平台可以在X，Y方向移动。

6.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述的与干涉仪各部件相连的主控机控制激光光源模块产生激光和调节激光的光强，控制光开关选择激光波长，接收、控制干涉模块和微动平台的反馈信息。

7.如权利要求1所述的干涉仪的使用方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

(1)主控机控制半导体激光器的强度，光开关通过主控机来选择特定的测量波长；

(2)选择好特定测量波长的光源通过单模光纤进入分光模块被分光镜分解为测量光和参考光，然后通过耦合镜分别将测量光和参考光耦合到两根光纤当中；

(3)测量光通过光纤位置调整模块在X、Y、Z方向进行调整，进入被测物镜，再进入干涉模块，参考光通过光纤直接进入干涉模块；

(4)参考光和测量光通过干涉模块的分光棱镜进行干涉，并通过一个可移动的聚焦透镜实现参考光和测量光的对准和干涉测量的切换，由干涉模块的图像传感器接收到干涉条纹；

(5)主控机接收、控制干涉模块和微动平台的反馈信息。

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