CN101201546A - 一种自动调焦调平装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种自动调焦调平装置，应用于光刻机中以测量出待测硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，从而实现上述硅片的调焦调平。该自动调焦调平装置具有电气相连的光学模块和控制模块，其中该光学模块采用平板玻璃，摆脱了在机械尺寸上的限制，使本发明更容易实现高频振动并易于调节。

Description

一种自动调焦调平装置

技术领域

本发明涉及一种自动调焦调平装置，尤其涉及一种用于光刻机上的自动调焦调平装置。

背景技术

随着电子产业的蓬勃发展，集成电路的应用越发广泛，随之而来的便是其生产的高精度性。而光刻机是集成电路生产各环节中最关键的设备，光刻技术是大规模集成电路制造的基础，已经成为推动集成电路发展的核心驱动力。其主要作用是通过曝光的方式将掩模版上的图形成像在硅片上。由于在硅片表面涂有感光的光刻胶，当掩模版上的图形成像在硅片上时，相应位置的光刻胶就会产生光化学反应，从而将掩模版上图形保留在硅片表面。

在光刻机的曝光过程中，硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物镜(将被照明的物成一明亮清晰的实像在屏幕上)，焦平面位置的不准确性、不重复性等因素会造成硅片相对于物镜焦平面的离焦或倾斜。如果硅片的离焦或倾斜使曝光视场内某些区域处于有效焦深之外，将严重影响集成电路的质量和成品率。因此，必须采用调焦调平传感器测量出硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，通过调焦机构实现硅片的调焦调平。从而在整个曝光的过程中，硅片处于投影物镜的最佳焦平面位置，以保证成在硅片上的像是清晰的。所以必须有一套自动调焦调平装置能够检测硅片相对于投影物镜最佳焦平面的位置，一旦硅片的位置偏离了最佳焦平面，便通过工件台调整硅片的位置，使其始终位于投影物镜的最佳焦平面上。

一种传统的自动调焦调平装置便是一种能够检测硅片相对于投影物镜最佳焦平面距离的装置，其采用气动量规的方式来实现，这种装置成本较低，但是这种调焦调平装置只能将测量点布置在曝光场的周围。由于气动量规只能测量在其正下方的物体，而且硅片的表面存在很大的起伏，故这种调焦调平装置无法正确测量曝光场的位置。

近年来，光学光刻具有生产率高、套刻精度高、掩模制作简单、工艺容易掌握等特点，成为了集成电路制造产业中的主流光刻技术。其原理是采用的是光学的方法来检测曝光场的位置，测量的光斜入射到曝光场上，通过检测经曝光场反射回来的光位置变化，来确定曝光场的位置变化。

一种传统的自动调焦调平装置，采用双光栅的方法来进行检测，但该方法对于几个关键部件的加工和装校精度要求相当严格。

另一种传统的自动调焦调平装置，采用了一种振动反射镜的调制器件对经过硅片面反射回来的光信号进行调制，然后再通过解调探测器所产生的电信号，达到准确测量硅片位置的目的。当测量点分部的区域比较小时，该方法比较合适。但是当测量点分布的区域比较大时，所要求的振动反射镜的口径也随之增大，进而反射镜的尺寸也随之增大，在这种情况下要实现其高频的振动将非常困难。

因此，如何克服上述先前技术的缺失，进而于使自动调焦调平装置的光路结构更紧凑，实现高频振动，是目前亟待解决的课题。

发明内容

鉴于上述先知技术的缺点，本发明的主要目的是提供一种自动调焦调平装置，摆脱在机械尺寸上的限制，使高频振动性能更容易实现。

本发明的上述自动调焦调平装置的另一目的是方便调节光路方向，并使光路结构更紧凑。

为达上述目的，本发明即提供一种自动调焦调平装置，应用于光刻机中以测量出待测硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，从而实现上述硅片的调焦调平，该自动调焦调平装置具有电气相连的光学模块和控制模块，其中该光学模块包括：

照明单元，其将光源形成数个平行的子光束后再变成数个方形光斑；

投影单元，其使每个方形光斑放大并投影成像在被测硅片上；

探测单元，其探测上述光斑经待测硅片表面反射后成像的位置；及

自检单元，其使上述光斑产生不同的光能量并发出一电信号。

进一步地，该自检单元包括依次排列的平板玻璃、探测狭缝及数个光电探测器，其中，该等光电探测器均位于该探测狭缝后方，每一光电探测器均相对于该探测狭缝上的一个狭缝位置，用于检测通过狭缝的光能量。

进一步地，该平板玻璃做高频的小幅振动，使上述光斑与该探测狭缝之间产生相对位移，从而使通过该探测狭缝到达该光电探测器的能量也随之发生变化。

进一步地，该电信号进入到该控制模块，经过该控制模块的解调，以精确计算出当前硅片的位置。

进一步地，该控制模块包括微处理器(CPU)、接口集成电路、IC集成块、存储器、驱动单元和马达。

进一步地，该照明单元具有依次排列的第一透镜、滤光片、第二透镜、第三透镜、投影狭缝、第一反射镜。

进一步地，该投影狭缝与上述探测狭缝具有同样形状的通光缝隙。

进一步地，该投影单元具有依次排列的第四透镜、光阑、第五透镜和第六透镜。

进一步地，该探测单元具有依次排列的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第二反射镜、第十透镜、第十一透镜和第三反射镜。

综上所述，本发明的自动调焦调平装置，采用平板玻璃代替传统的振动反射镜，摆脱了反射镜在机械尺寸上的限制，可以使平板玻璃探测狭缝相当近，从而缩小所需平板玻璃的尺寸，使平板玻璃更容易实现高频振动并输出电信号，以便于后续进行测量硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，可避免如习知技术中因没有提供该平板玻璃使总体光学元件体积增大乃至无法实现高频振动的功能。另外，该振动平板的初始位置可调，可以方便的调节光路走向，光路中无须额外布置调节光路方向的光学元件，相较于习知技术，使光路结构更紧凑。

附图说明

图1是本发明的自动调焦调平装置的光学模块的结构示意图。

图2是本发明的自动调焦调平装置的投影狭缝和探测狭缝的结构示意图。

图3(a)是当本发明的自动调焦调平装置的平板玻璃处于零位时光斑通过该平板玻璃20的示意图。

图3(b)和图3(c)是当本发明的自动调焦调平装置的平板玻璃振动时，光斑经过该平板玻璃后的位置变化。

图4是平板玻璃相对于探测狭缝的位置变化。

图5是当硅片位于光刻机投影物镜最佳焦平面的位置时，调焦调平装置中光电探测器的输出信号波形。

图6是当硅片偏离光刻机投影物镜最佳焦平面的位置时，调焦调平装置中光电探测器的输出信号波形。

图7是调焦调平装置的电信号处理部分的框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易了解本发明其它优点及功效。

以下将对照图1对本发明的自动调焦调平装置的各组成部分进行详细的说明。

如图1所示，光源1是采用光纤引入的卤钨灯所发出的光。本发明的自动调焦调平装置具有电气相连的光学模块和控制模块(图中未示)，以测量出硅片12表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，从而在整个曝光的过程中，硅片处于投影物镜的最佳焦平面位置。其中该光学模块包括照明单元101、投影单元102、探测单元103和自检单元104。

该照明单元101具有依次排列的第一透镜2、滤光片3、第二透镜4、第三透镜5、投影狭缝6、第一反射镜7。该滤光片3放置在该第一透镜2和第二透镜4的中间，将光纤滤为500nm-600nm波段的光。该照明单元101将光源1经由上述第一透镜2、第二透镜4和第三透镜5后产生数个平行的子光束，并汇聚照射在该投影狭缝6上。

如图2所示，为该投影狭缝6的一个实施例，其上有数个平行排列的缝隙，即为不透明的屏上开着的方孔。经过该投影狭缝6后，上述平行的子光束变为标准的方形光斑。

该投影单元102包括依次排列的第四透镜8、光阑9、第五透镜10和第六透镜11。上述子光束经过该第一反射镜7后，由投影单元102将每个子光束所形成的方形光斑放大后投影成像在被测硅片12上。

该探测单元103包括依次排列的第七透镜13、第八透镜14、第九透镜15、第二反射镜16、第十透镜17、第十一透镜18和第三反射镜19。上述光斑经过该硅片12表面的反射后进入到该探测单元103内，以探测该等光斑成像位置。

该自检单元104包括依次排列的平板玻璃20、探测狭缝21及数个光电探测器22。该探测狭缝21与上述投影狭缝6具有同样形状的数个通光狭缝。该等光电探测器22均位于该探测狭缝21后方，每一光电探测器22均相对于该探测狭缝21上的一个狭缝位置，用于检测通过狭缝的光能量。经过该探测单元104后，该硅片12上的光斑已清晰的成像在该探测狭缝21上。若上述硅片12位于光刻机投影物镜的最佳焦平面的位置时，经该硅片12反射后的所有光斑正好完全通过该探测狭缝21。该平板玻璃20在驱动器(图中未示)的驱动下做高频的小幅振动。由于振幅很小，所以该平板玻璃20可以靠探测狭缝相当近。当该振动平板玻璃20以固定振幅绕其本身的中心轴转动时，上述光斑与该探测狭缝21之间产生相对的位移，从而使通过该探测狭缝21到达该光电探测器22的能量也随之发生变化。

如图3(a)所示，当该平板玻璃20处于零位并且上述光斑通过该平板玻璃20时，该光斑的走向。光线1和光线3为光斑两个边缘的光线，光线2表示该光斑的中心。

如图3(b)和图3(c)所示，当该平板玻璃20振动时，该光斑经过平板玻璃20后位置发生了变化。

如图4(a)至图4(c)所示，由于上述光斑与该探测狭缝21之间的位置随着该平板玻璃20的振动不停的变化，位于该探测狭缝21后面的该等光电探测器22所接收到的光能量也随之发生变化，所以该等光电探测器22所产生的电信号是一个经过调制后的信号。该信号进入到该自动调焦调平装置的上述控制模块，经过该控制模块的解调，就可以精确的计算出当前硅片12的位置，并调整该硅片12的相对位置，使其处于光刻机投影物镜的最佳焦平面。

如图5所示，当上述硅片位于投影物镜的最佳焦平面时，该自动调焦调平装置的上述光电探测器输出波形的频率是上述平板玻璃振动频率的2倍。

如图6所示，当上述硅片偏离投影物镜的最佳焦平面时，该自动调焦调平装置的上述光电探测器输出波形的频率与上述平板玻璃的振动频率相同。

本发明的一个实施例中，该控制模块可包括：微处理器(CPU)、接口集成电路、IC集成块、存储器、驱动单元和马达等。该等光电探测器22输出电信号时，电信号通过该接口集成电路，经由上述数字信号处理器转换成便于CPU处理的数字量。CPU将根据该接口集成电路传来的数字量，进行计算处理，计算出当前硅片12的位置，然后将控制指令(如上述硅片12的旋转角度多少、向左或向右旋转)发送给驱动单元。在这一单元中，将CPU过来的指令换算成步进马达的旋转角度及相应的脉冲数，然后送出驱动能量给马达，该马达通过齿轮组和连轴，带动上述硅片12进行旋转动作，从而达到了自动调焦调平的目的。该控制单元的组成并不以此为限，因该部分技术为本领域的公知技术，故不在此另行赘述。

当光刻机投影物镜的焦面发生变化时，该调焦调平装置的零点位置也要随之发生变化。这时可以通过调整该平板玻璃20的初始位置，使得该调焦调平装置的零点与投影物镜的焦面重合。

如图7所示，上述光电探测器输出的电信号处理包括以下详细实施步骤：

于步骤S100中，该等光电探测器22输出的电信号首先进入自动增益控制电路，以对该电信号进行预处理。接着，进至步骤S101。

于步骤S101中，通过高通滤波器，将信号中的高频成分过滤出来。接着，进至步骤S102。

于步骤S102中，由于信号中高频成分较多，通过选频电路，选取和该平板玻璃20的振动频率相同的电信号进行分析。接着，进至步骤S103。

于步骤S103中，通过幅值检测电路以检测该信号的幅值。检测该信号的幅值就可以确定出硅片的离焦量。接着，进至步骤S104。

于步骤S104中，经过模数采样器及数字信号处理器(DSP)处理数字信号。在本发明的一个实施例中，该DSP为一芯片，用以接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，实时快速地实现各种数字信号处理。

综上所述，本发明的自动调焦调平装置，主要是实现硅片的调焦调平。该自动调焦调平装置，采用平板玻璃20代替传统的振动反射镜，摆脱了反射镜在机械尺寸上的限制，可以使平板玻璃20探测狭缝相当近，从而缩小所需平板玻璃20的尺寸，使平板玻璃20更容易实现高频振动并输出电信号，以便于后续进行测量硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，可避免如习知技术中因没有提供该平板玻璃20使总体光学元件体积增大乃至无法实现高频振动的功能。另外，该振动平板的初始位置可调，可以方便的调节光路走向，光路中无须额外布置调节光路方向的光学元件，相较于习知技术，使光路结构更紧凑。因此，相较于习知技术，本发明的自动调焦调平装置，结构紧凑小巧。

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，亦即，本发明事实上仍可作其它改变。因此，熟知本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如后述的申请专利范围之所列。

Claims (9)

1.一种自动调焦调平装置，应用于光刻机中以测量出待测硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，从而实现上述硅片的调焦调平，其中，该自动调焦调平装置具有电气相连的光学模块和控制模块，其特征在于，该光学模块包括：

照明单元，其将光源形成数个平行的子光束后再变为数个方形光斑；

投影单元，其使上述每个方形光斑放大并投影成像在被测硅片上；

探测单元，其探测上述光斑经待测硅片表面反射后成像的位置；及

自检单元，其使上述光斑产生不同的光能量并发出一电信号。

2.如权利要求1所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该自检单元包括依次排列的平板玻璃、探测狭缝及数个光电探测器，其中该探测狭缝具有数个缝隙，该等光电探测器均位于该探测狭缝后方，每一光电探测器均相对于该探测狭缝上的一个缝隙位置，用于检测通过该等缝隙的光能量。

3.如权利要求2所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该平板玻璃做高频的小幅振动，使上述光斑与该探测狭缝之间产生相对位移，从而使通过该探测狭缝到达该光电探测器的能量也随之发生变化。

4.如权利要求1所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该电信号进入到该控制模块，经过该控制模块的解调，以精确计算出当前硅片的位置。

5.如权利要求4所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该控制模块包括微处理器、接口集成电路、IC集成块、存储器、驱动单元和马达。

6.如权利要求1所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该照明单元具有依次排列的第一透镜、滤光片、第二透镜、第三透镜、投影狭缝、第一反射镜。

7.如权利要求6所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该投影狭缝与上述探测狭缝具有同样形状的通光缝隙。

8.如权利要求1所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该投影单元具有依次排列的第四透镜、光阑、第五透镜和第六透镜。

9.如权利要求1所述的自动调焦调平装置，其特征在于：该探测单元具有依次排列的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第二反射镜、第十透镜、第十一透镜和第三反射镜。

Images