CN101201548A - 调焦调平测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调焦调平测量系统及方法，该系统包括光栅、第一成像模块、第二成像模块和探测模块。第一成像模块可将光栅经光束照明后成像于被测对象上以形成第一光栅像。第二成像模块可将第一光栅像成像于探测模块处以形成第一探测像。探测模块的位置固定，被测对象的位置信息表现于第一探测像相对于探测模块的位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种光机电设备，具体涉及投影光刻系统中的调焦调平测量系统和方法。
背景技术
光刻装置(光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。光刻机可将掩模板上的图形通过曝光装置按一定比例转移到要加工的对象上(如硅片等)。硅片在这里泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等。在曝光过程中，需要使被加工对象(如硅片等)的相应表面保持在曝光装置的焦深范围之内。为此，光刻机采用了用于测量被加工对象(如硅片等)的表面位置信息的调焦调平测量系统。调焦调平测量系统可以和夹持被加工对象(如硅片等)的工件台一起使被加工对象(如硅片等)的被曝光区域一直处于光刻机曝光装置的焦深之内，从而使掩模板上的图形理想地转移到被加工对象(如硅片等)上。
随着投影光刻机分辨率的不断提高和投影物镜焦深的不断减小，对光刻机内调焦调平分系统的测量精度和能够实时测量曝光区域等性能的要求也越来越高。因此，目前步进扫描中所采用的调焦调平测量系统通常为光电测量系统，如：基于光栅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US 6765647B1)、基于针孔和面阵CCD的光电探测方法(美国专利US 6081614)和基于PSD(位置敏感器件)的光电测量方法(中国专利：200610117401.0和Focusing and leveling system usingPSDs for the wafer steppers.Proc.SPIE，1994，2197：997-1003.)。上述调焦调平测量系统都较为复杂，而且除基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)和基于PSD测量(中国专利：200610117401.0)之外，上述其他调焦调平测量系统都是非差分测量系统，因此测量稳定性和重复性较差。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种全新的调焦调平测量系统及方法，该系统结构简单，与现有同类系统相比，在同样的测量精度和重复性下，本系统具有更大的测量范围。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种调焦调平测量系统包括光栅、第一成像模块、第二成像模块和探测模块。第一成像模块可将光栅经光束照明后成像于被测对象上以形成第一光栅像。第二成像模块可将第一光栅像成像于探测模块处以形成第一探测像。探测模块的位置固定，被测对象的位置信息表现为第一探测像相对于探测模块的相对位置信息。
本发明的另一方案是提供一种测量被测对象位置的方法，该方法包括下列步骤：光栅经光束照明后成像于该被测对象上以形成第一光栅像；该第一光栅像成像于探测模块以形成第一探测像，其中该探测模块的位置是固定的；根据该第一探测像相对于该探测模块的相对位置信息计算出该被测对象的位置信息。
与现有技术相比，本发明简化了系统结构，并可设计成差分结构以提高系统稳定性。
附图说明
图1为光刻机系统示意图。
图2为根据本发明一实施例设计的具有非差分结构的调焦调平测量系统示意图。
图3为根据本发明一实施例设计的一种光栅设计形式示意图。
图4为根据本发明一实施例设计的另一种光栅设计形式示意图。
图5为根据本发明一实施例设计的探测模块布置示意图。
图6为根据本发明一实施例设计的探测模块输出示意图。
图7为根据本发明一实施例设计的常规光栅信号检测示意图。
图8为根据本发明一实施例设计的具有差分结构的调焦调平测量系统示意图。
图9为根据本发明一实施例设计的光源模块交替调制示意图。
图10为根据本发明一实施例设计的另一具有非差分结构的调焦调平测量系统示意图。
图11为根据本发明一实施例设计的另一具有差分结构的调焦调平测量系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
图1示出了光刻机系统10的示意图。图1的XYZ坐标系设定为如图所示的右手直角坐标系，其中Z轴沿着光刻机投影物镜的光轴。光刻机系统10可将掩模板1上的图形通过投影物镜3按一定比例转移到要加工的对象4上(如硅片等)。其中，数字2代表投影物镜3的光轴。在图1所示在光刻机系统10中，需要使被加工对象4的相应表面保持在投影物镜3的焦深范围之内。为此，光刻机采用了用于测量被加工对象4的表面位置信息的调焦调平测量系统6。调焦调平测量系统6可以和夹持被加工对象4的工件台5一起使被加工对象4的被曝光区域一直处于光刻机投影物镜3的焦深之内，从而使掩模板1上的图形理想地转移到被加工对象4上。
图2为图1中本发明的调焦调平测量系统6的结构示意图。调焦调平测量系统6属于多点测量系统，且各个点的测量结构和原理等特性完全相同，因此下文只以一个测量点为例说明本发明调焦调平测量系统6。图2中XYZ坐标系与图1中的光刻机系统坐标系一样设定为如图所示的右手直角坐标系调焦调平测量系统。调焦调平测量系统6包括光栅13、第一成像模块20、第二成像模块22和探测模块19，还可包括光源模块11和照明模块12。从光源模块11发出的光束经过照明模块12后照明光栅13。在光束照明下的光栅13可以经第一成像模块20成像于被测对象4上以形成光栅像。被测对象上的光栅像还可经第二成像模块20成像于沿M轴探测的探测模块19处而形成探测像。由于在两次成像过程中，打到被测对象4上的光束被被测对象4反射后携带了被测对象4相应位置的Z向信息。这一Z向信息最终表现为光栅13在探测模块19上的探测像相对于固定的探测模块19的位置信息。如果探测模块19能够测量出打到其上的探测像的位置和移动信息，那么最终探测模块19就可以测得被测对象4的相应位置的Z向信息。
在调焦调平测量系统6中，第一成像模块20和第二成像模块22分别由成像组件14和偏置平板15以及成像组件18和偏置平板17组出。成像组件14和18一般属于结构相同的单元倍率放大系统且镜像于Z轴布置。成像组件14至少为像方远心系统，而成像组件18至少为物方远心系统，以此消除由于被测对象4上下移动时对测量系统造成的误差。偏置平板15和17属于结构相同且对称于调焦调平坐标系Z轴布置的平行平板。偏置平板15和17可利用平行平板对光线的偏置作用来调节整个调焦调平测量系统6的零点。偏置平板15和17在调节调焦调平测量系统6零点时相对转动且转动量相同。
此外，为了消除被测对象4上光刻胶上下表面间的层间干涉对调焦调平测量系统6的影响，光源模块11一般选择宽带光源。同时，根据实际需要进行选择，光源模块11可以是调制光源或连续光源。调制光源有利于提高最终探测信号的信噪比，但调制的宽带光源要比连续的宽带光源成本高。
本发明系统中光栅13及其像一般属于编码光栅。图3示出了编码光栅13的一种设计形式。其中，图3(a)示出了一般意义上的光栅，假设其周期为P。图3(b)示出了一种最简单形式的编码光栅，其由多个不同周期的光栅并排在一起而形成的设计形式。如图3(b)所示的编码光栅设计简单，但是其测量精度和测量范围相对有限。对于本发明来说，比较适合的编码光栅是采用沿一个方向上由相同“周期”的“位透光和挡光狭缝”按一定规则排列而成的编码光栅。由于编码光栅的编码方法是一个专门的研究方向，本发明的目的只在于利用编码光栅，所以在这里不对编码光栅的编码做过多解释。
图4(a)示出了一种采用类似于二进制数字编码的4位编码光栅，其中“1”表示透光狭缝，“0”表示挡光狭缝。透光狭缝和挡光狭缝的宽度相同。图4(a)仅给出了光栅13部分的设计，而其相应的探测器需要能够同时识别光栅13的4位数字编码，即4个“位透光或挡光狭缝”。探测模块19可以是单个能量探测器构成的阵列、线形CCD或者如图5(c)所示栅形能量探测器。这些探测模块的工作原理相同，只是一般线形CCD会有比较高的分辨能力。若采用如图5(c)所示栅形能量探测器，探测模块19相对于光栅13的像的布置如图5(a)所示。探测模块19的敏感方向(测量方向)沿光栅13的像(探测像)移动的方向布置。当被测对象4移动时，会相应地引起光栅13的像(探测像)在探测模块19上的移动。光栅13在探测模块19上的像(探测像)中的一个透光或挡光“位狭缝”应该至少被一个敏感单元感知(如线性CCD的一个像素或栅形探测器的一个栅形条)，且探测探测模块19的每一个敏感单元输出一个探测信号。
图6示出了光栅13在探测模块19上的像(探测像)相对于探测模块19从右到左移动(如图5(a)的箭头所示)时，探测模块19输出的信号示意图。因此，根据图6所示的探测模块19输出的信号示意图，并通过编码规则可以得光栅13在探测模块19上的像(探测像)相对于探测模块19的绝对位置，并最终得到本光刻机系统10的被测对象4的绝对Z向位置信息。
另外，采用图4(a)所示的编码光栅的本发明系统，其分辨能力最终由编码光栅13的每一位(“1”或“0”)对应的“位透光或挡光狭缝”的宽度所决定。为了提高整个系统的分辨能力，需要缩小相应“位狭缝”的宽度。受光栅加工能力的限制，这种提高分辨能力的办法在进一步提高分辨率时会遇到困难。为了解决这一问题，光栅13可采用如图4(b)所示的编码光栅。图4(b)所示的编码光栅由图4(a)所示的编码光栅与一个小周期普通单周期常规光栅并排排列而形式的设计形式。编码光栅的“位狭缝”的宽度为W，则与其并排的小周期常规光栅的振幅光栅的周期也应该是W或不小于W。对于本发明来说，图4(b)所示的光栅13的结构类似于游标卡尺。位于图4(b)上部的编码光栅相当于游标卡尺直接读数的主尺，位于图4(b)下部的常规光栅相当于游标卡尺用来细分的副尺。对于图4(b)所示的光栅13，其相应的探测模块的布置如图5(b)所示，上部的编码光栅和下部的常规光栅分别被一个探测器探测。上部的编码光栅直接读数，下部的常规光栅需要采用光栅尺的信号检测方法进行细分读数。由于对小周期常规光栅(如图4(b)下部所示的单周期光栅)的探测，可以采用传统光栅尺的细分技术，如倍频、移相电阻等细分方法，因此整个测量系统的分辨率和测量精度可得到进一步提高。虽然传统光栅尺探测的是莫尔条纹，而在这里本发明需要探测的是常规光栅本身的像，但不管是莫尔条纹或者是常规光栅本身的像，对于探测单元来说都是探测光强周期变化的光强信号，这对于探测单元的探测、细分、信号检测等是完全相同的。
图7示出了运用传统光栅尺对图4(b)中的常规光栅进行信号检测与处理的示意图。理论上，能量探测器探测到的光强与打到其上光栅像的位移的关系如图7(a)所示。图7(a)所示的波形为线性的锯齿波形曲线。由于衍射等现象的存在以及后续处理的方便，一般都把锯齿波形转化成如图7(b)所示的正弦信号。而且，为了提高分辨率，如图7(b)所示的正弦信号一般都要采取细分措施。细分的方法有很多，在这里以倍频细分法为例进行说明。从7(b)得到的正弦信号被4倍频后得到如图7(c)所示的波形。倍频后的正弦信号还可被转化成如图7(d)所示的方波信号。图7(d)所示的方波信号再进行微分得到如图7(e)所示的尖脉冲信号。图7(e)所示的尖脉冲信号输入到编码和计数等电路中以便最终得到相应的位移信息。
如图2所示的调焦调平测量系统6的结构属于非差分结构，其可做为本发明的基本结构。本发明测量系统还可进一步设计成如图8所示的差分结构。图8示出了具有差分结构的调焦调平测量系统60。调焦调平测量系统60包括光栅63、第一成像模块80、第二成像模块82和探测模块69，还可包括光源模块61和照明模块62。从光源模块61发出的光束经过照明模块62后照明光栅63。在光束照明下的光栅63可以经第一成像模块80成像于被测对象4上以形成第一光栅像。被测模块上的第一光栅像还可经第二成像模块82成像于沿M轴探测的探测模块69以形成第一探测像。同时，光栅63还可以经第一成像模块80成像于投影物镜66下表面以形成第二光栅像。投影物镜66下表面的第二光栅像还可经第二成像模块82成像于沿M轴探测的探测模块69以形成第二探测像。如上所述，探测模块19可以测得被测对象4的位置信息。同理，探测模块19也可以测得投影物镜66下表面的位置信息。二者差分最终可以得到被测对象4的被测区域相对于投影物镜66下表面的位置信息。由于在正常工作情况下的投影物镜66的最佳焦平面相对于投影物镜66的下表面是固定的，所以得到被测对象4相对于投影物镜66下表面的位置信息也就得到了被测对象4相对于投影物镜66最佳焦平面的位置关系。
为了在被测对象4和投影物镜66上分别形成第一和第二光栅像，光源模块61发出的光束被分束为参考光和测量光。光源模块61可以采用一种波段的光也可以采用两种不同波段/波长的光来生成参考光和测量光。
若光源模块61采用一种波段的宽带光时，光源模块61发出的光束在通过照明模块62之前被分成了两份。一份是用来打到投影物镜66下表面作为参考光，另一份是用作测量被测对象4的测量光。参考光和测量光通过模块62，63，64，68，69的不同部位，即参考光和测量光采用离轴光学的方法对称于光轴地通过相关各光学元件。同样，光栅63应该设计成参考光路中的光栅和测量光路中光栅对称与光学系统光轴的办法相应布置。而且，一般用于参考光路中的光栅和用于测量光路中的光栅相同并制作在同一个基板上。当参考光和测量光最终到达探测模块69时，探测模块69相对于图2非差分结构中的探测模块19来说，应该有两套相同的探测系统，而且参考光和测量光分别打到这两套探测器上。
若光源模块61采用一种宽带光和另一个不同波段的窄带或宽带光耦合在一起时，两种不同波段的光被分别用作参考光和测量光，且两种不同波段/波长的光是分时交替地通过后续的光学系统的。图9示出了两种不同波段/波长的参考光和测量光交替调制的示意图。如图9所示，一个时刻只能有一种波段的光通过后续的光学系统，即参考光和测量光是分时测量的。参考光和测量光分时共用一套探测器系统。此时，光学模块64和68包括有波长分束/合束器，以使两种不同波段/波长的光在模块64处分开而分别打到投影物镜66下表面和被测对象4上，然后又在模块68处被合在一起通过后续的光学系统和探测模块。按照如上方式进行测量地系统也称为分时差分测量系统。
具有差分结构的调焦调平测量系统60具有各种优点，比如它可以消除由于投影物镜66的机械位置变化或振动引起的相对于投影物镜66的最佳焦平面测量误差。另外，由于用来测量投影物镜66下表面和用来测量被测对象4的参考光和测量光通过相同的光学模块，所以调焦调平光路中振动、热或应力引起的机械变形以及整个调焦调平测量系统的整体振动或偏移等影响得到了消除，从而整个调焦调平测量系统的稳定性和重复性得到了提高。
如图2所示的调焦调平测量系统6和如图8所示的调焦调平测量系统60可进一步分别改进成如图10所示的调焦调平测量系统6’和如图11所示的调焦调平测量系统60’。相比调焦调平测量系统6和60，调焦调平测量系统6’和60’具有更高的系统分辨率和测量精度。这是通过在模块18和19之间以及68和69之间分别放置放大模块90实现的。放置放大模块90后，系统享有更高的分辨率并可以实现更高精度的测量，而且分辨率和测量精度提高的倍数理论上就是放大模块90的放大倍数。但此时探测器模块(19或69)的测量面积也要相应地增大以保证测量范围不变，否则测量范围会相应变小。
上述附图和具体实施方式仅为本发明的常用实施例，在不背离本发明的发明精神和后附的权利要求书所界定的发明范围的前提下，本发明可以有各种增补、修改和替代。因此，上述实施例系用于说明例证本发明而非限制本发明的范围，本发明的范围由后附的权利要求书及其合法等同物来界定，而不限于此前之描述。权利要求书旨在涵盖所有此类等同物。
Claims (17)
1.一种调焦调平测量系统，其特征在于：该调焦调平测量系统包括光栅、第一成像模块、第二成像模块和探测模块，该第一成像模块可将光栅经光束照明后成像于被测对象上以形成第一光栅像，该第二成像模块可将该第一光栅像成像于该探测模块处以形成第一探测像，该探测模块的位置固定，该被测对象的位置信息表现于该第一探测像相对于该探测模块的位置信息。
2.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：还包括一对偏置平板相对该被测对象对称分布于该第一成像模块和该第二成像模块，该对偏置平板用于调节该调焦调平测量系统的零点。
3.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该光栅由沿一个方向上由周期相同的透光狭缝和挡光狭缝按一定规则排列而成的编码光栅。
4.如权利要求3所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该光栅还包括与该编码光栅并排排列的单周期常规光栅，该单周期常规光栅的周期不小于该编码光栅单个透光狭缝或挡光狭缝的宽度。
5.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：还包括置于该第二成像模块和该探测模块之间的放大模块。
6.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该第一成像模块还可将该光栅经该光束照明成像于投影物镜下表面以形成第二光栅像，该第二成像模块还可将该第二光栅像成像于该探测模块以形成第二探测像，该投影物镜下表面的位置信息表现于该第二探测像相对于该探测模块的位置信息。
7.如权利要求6所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该光束包括用于形成该第一光栅像的测量光和用于形成该第二光栅像的参考光。
8.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：还包括光源模块和照明模块，该光源模块发出的该光束经该照明模块照明该光栅。
9.如权利要求8所述的调焦调平测量系统，其特征在于：所述光源模块为宽带光源。
10.如权利要求8所述的调焦调平测量系统，其特征在于：所述光源模块为调制光源或连续光源。
11.如权利要求8所述的调焦调平测量系统，其特征在于：所述光源模块为能够同时发出一种波段的宽带光和另一种不同波段的宽带光或窄带光的单个光源或光源组合。
12.如权利要求1所述的调焦调平测量系统，其特征在于：该第一和第二成像模块分别包括成像组件，其中第一成像模块中的成像组件为像方远心，第二成像模块中的成像组件为物方远心。
13.一种测量被测对象位置的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
光栅经光束照明成像于该被测对象以形成第一光栅像；
该第一光栅像成像于探测模块以形成第一探测像，其中该探测模块的位置固定；
根据该第一探测像相对于该探测模块的位置信息计算该被测对象的位置信息。
14.如权利要求13所述的测量被测对象位置的方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤：
该光栅经该光束照明成像于投影物镜下表面以形成第二光栅像；
该第二光栅像成像于该探测模块以形成第二探测像；
根据该第二探测像相对于该探测模块的位置信息计算该投影物镜下表面的位置信息；
差分该被测对象和该投影物镜下表面的位置信息以得到该被测对象相对该投影物镜的位置信息。
15.如权利要求14所述的测量被测对象位置的方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤：
分束该光束为测量光和参考光，其中该测量光用于形成该第一光栅像，该参考光用于形成该第二光栅像。
16.如权利要求13所述的测量被测对象位置的方法，其特征在于：该光栅由沿一个方向上由周期相同的透光狭缝和挡光狭缝按一定规则排列而成的编码光栅。
17.如权利要求16所述的测量被测对象位置的方法，其特征在于：该光栅还包括与该编码光栅并排排列的单周期常规光栅，该单周期常规光栅的周期不小于该编码光栅单个透光狭缝或挡光狭缝的宽度。
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