CN101261455B - 一种用于光刻机调焦系统性能评价的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光刻机调焦系统性能评价的装置和方法，其特点是：装置的运动系统将粗动系统和精动系统分开设计，在满足水平X向和垂向大行程运动及垂向高精度定位的同时保证了装置拆装灵活性和扩展性，保证控制精度的同时减少控制的复杂程度，实现了垂向大行程高精度的精密运动控制，保证了被评价调焦系统的测量光斑可以在硅片上的任意位置，实现了检测灵活性，对调焦系统性能评价方法和流程简便，可在精动系统一个行程内将调焦的重复性和精度全部验证完毕，节省时间，代码实现简便，同时整套装置亦可用于其他系统垂向性能检测和评价。

Description

一种用于光刻机调焦系统性能评价的装置及方法

技术领域

本发明涉及光刻设备的调焦方法，特别涉及光刻设备的性能评价方法。

背景技术

随着大规模和超大规模集成电路制造工艺的发展，光刻机作为这一行业的主要设备也越来越先进。调焦系统是光刻机上的重要子系统，性能在不断提高。在调焦系统集成到光刻机上前，对其性能测试是必要的。这样，就需要一个能在垂向精密运动和便于操作的运动台，对集成前的调焦系统进行性能评价和测试，以减少集成后不必要的测试和调试。专利US 7,126,668B2描述了一种综合多种影响曝光质量因素的调焦系统，其比一般调焦系统额外考虑了硅片表面形貌高度，投影镜头误差，工件台不同步等带来的投影误差，增加了调焦精度。但其中并没有给出一种有效的装置和相应的方法来评价和验证其整个调焦系统性能的优越性。清华大学汪劲松等在专利200610076247中，描述了一种电磁力并联驱动式平面三自由度精密微动台，通过布局精密微动台中定子和动子的特殊结构，定子铁心截面为“日”或“口”字型，定子内部形成两部分空隙，从而增强了平面三自由度精密微动台电磁推力的线性特性，降低了控制对象的难度。然而，整个平台并没有垂向运动，不能利用此结构对光刻机的调焦系统进行评价和测试；同时整个平台的定子和动子结构特殊，不便于拆卸和安装，不具有装配的灵活性。论文“Accuracy improvement of shot leveling and focusingwith interferometer for optical lithography”中用激光干涉技术作为手段，给出了一种新算法，从而使单点调焦调平性能得到改善，改善后算法的性能验证在已有光刻机上进行。这对于成熟的光刻机产品，利用其上的其它子系统来验证和评价改善后调焦系统性能是可行的。但在光刻机集成以前，没有可靠的工件台等子系统可供使用，况且此时其它子系统的性能尚且有待于评价和验证。所以，设计评价调焦这一光刻机上重要子系统性能的装置是必要的。同时评价调焦系统的精密运动平台在芯片光刻机等制造领域是必不可少的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光刻机调焦系统性能评价的装置及方法，以对集成前的调焦系统进行性能评价和测试，从而减少集成后不必要的测试和调试。

为了达到上述的目的，本发明提供一种用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其包括：粗动系统执行器；粗动系统控制器；光栅尺；精动系统执行器；精动系统控制器；激光干涉仪；下位机；上位机；大理石和气浮减震。该上位机通过串口给所述粗动系统控制器下发控制指令，控制粗动系统执行器，所述上位机通过串口给所述精动系统控制器下发控制指令，控制精动系统执行器，从而实现对两个运动系统的控制，其中粗动系统用该光栅尺进行测量反馈，实现水平X向和垂向的大行程运动，精动系统通过该下位机的激光干涉仪进行测量反馈，电容反馈校正，实现垂向高精度运动；该精动系统执行器叠加在该粗动系统执行器上实现在粗动范围内的精密步进和定位，且该粗动系统执行器放在该大理石上，该大理石由该气浮减震支撑，通过控制粗动系统执行器将由测量表面吸附器吸附于精动系统执行器上的被测硅片表面带入到调焦系统测量范围的最小位置附近，通过精动系统执行器在调焦系统测量范围内的步进来实现对调焦系统性能的评价。

该粗动系统执行器是微米运动台，其可实现水平X向和垂向两个方向上微米量级的运动，该精动系统执行器是纳米运动台，其可实现垂直方向纳米量级的运动。

用于激光干涉仪条纹数获取和环境温度采集的应用程序运行在下位机，采集该激光干涉仪测量数据和温度测量数据。

粗动系统用该光栅尺进行闭环负反馈，控制水平X向和垂直两个方向上微米量级的步进运动。

精动系统用该激光干涉仪进行闭环负反馈，电容测量进行局部反馈校正，控制垂直方向纳米量级的步进运动。

该激光干涉仪包括三个测量点，该精动系统执行器包括三个执行器，该激光干涉仪的三个测量点与该精动系统执行器的三个执行器的作用点在垂直方向上一一重合，且该精动系统执行器的三个执行器在对调焦系统测试过程中垂向上有相同的步进量。

该上位机可以调用运行在该下位机的应用程序获取温度和激光干涉仪的条纹数据，或可以从该精动系统控制器获取环境温度数据和激光干涉仪条纹数所转化为精动系统执行器的步进高度数据。

本发明还提供一种使用用于光刻机调焦系统性能评价的装置对光刻机调焦系统性能进行评价的方法，所述方法首先通过该上位机，驱动该粗动系统执行器，使被测表面运动到调焦系统测量范围的最小值附近；然后驱动该精动系统执行器，使被测表面和该调焦系统的最小值重合；在调焦系统测量范围内，驱动该精动系统执行器以一定的步长步进，并在每一个步进点处采集一定数量的调焦系统测量值和激光干涉仪测量值读数，通过精度和重复性算法，完成在调焦系统测量范围内对其精度和重复性的评价。

在该被测表面和该调焦系统测量范围最小值重合处，将该激光干涉仪在该上位机上的读数记为调焦系统测量范围的最小值。

在精动系统执行器的每一个步进点处，记录m个激光干涉仪和调焦系统的读数Z_Iij和Z_Fij，其中，N为步进点个数，i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，m-1。计算每一点激光干涉仪和调焦系统读数的均值并作差

得到N个差值，其中，i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，m-1；同时计算该差的最大值max(Δ_i)和最小值min(Δ_i)，并求该最大值与最小值对中心值的偏离量

在调焦系统测量范围内如果该偏移量小于等于调焦系统的精度p，即S_CZ≤p，该调焦系统精度符合设计要求。计算每一点处激光干涉仪和调焦系统所测量读数对应的差值σ_ij＝Z_Iij-Z_Fij，其中，i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，m-1；在调焦系统测量范围内如果精动系统执行器每一点处该差值最大值的3倍小于等于调焦系统的重复性精度，即3max(σ_ij)≤r，r为调焦系统的重复性精度，则调焦系统重复性精度符合设计要求。

本发明由于采用了上述技术方案，可以方便地实现对集成前的调焦系统的性能评价和测试，从而减少集成后不必要的测试和调试。

附图说明

图1为检测装置系统的整体布局图；

图2为被测表面硅片和激光干涉仪反射镜之间的布局图；

图3为对调焦系统的检测原理图；

图4为大行程运动控制系统的简化方框图；

图5为精密运动控制系统的简化方框图；

图6为对调焦系统的性能评价流程图。

附图中：110、上位机；120、精动系统控制器；130、粗动系统控制器；140、粗动系统执行器(微米运动台)；150、精动系统执行器纳米运动台；160、激光干涉仪；210、下位机VME机箱；220、主板PPC；230、激光干涉仪轴卡板；240、激光干涉仪轴卡板；250、温度采集卡；260、精动系统控制器的ITB(1nterferometer&Temperature Board)板；270、VME机箱P1口通道；280、VME机箱P2口通道；310、地基；320、气浮减振系统；330、大理石；340、测量表面吸附器；350、被测表面；360、温度传感器；370、压力传感器；350、被测表面；351、硅片；352、反射镜；352、反射镜；354、反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

因为装置中激光干涉仪的存在，将整个装置分成运动系统和环境系统两大部分加以描述。其中运动系统将粗动系统和精动系统分开设计。上位机通过串口实现对两个运动系统的控制，在环境系统和被检测的调焦系统进入就绪状态后，通过控制微米台将硅片表面带入到调焦系统测量范围的最小值位置附近，通过纳米台在调焦系统测量范围内的步进来实现对调焦系统性能的评价。

如图1中所示，将整个装置分三个部分来具体说明。其中第一部分主要构成了粗动系统和精动系统控制和执行的相关部件。包括实现运动控制的上位机110，粗动系统控制器130和精动系统控制器120，粗动系统执行器微米运动台140和精动系统执行器纳米运动台150；微米台有水平X向和垂直两个方向自由度，两个方向的行程都为10cm，最小步长100nm；纳米台只有垂直方向自由度，行程0.1mm，最小步长0.5nm；还有用于精动系统测量负反馈的激光干涉仪160。第二部分主要构成了精动系统测量的反馈环节，通过下位机来实现。主要包括下位机VME机箱210，主板PPC220，激光干涉仪两块轴卡板230和240，温度采集卡250，将原始激光干涉条纹和原始温度送往精动系统控制器120的ITB(Interferometer&Temperature Board)板260，VME机箱P1口通道270和P2口通道280。第三部分为保证两个运动系统和激光干涉仪正常工作的环境系统。主要包括地基310，气浮减振系统320，保证机械上平整度的大理石330，测量表面吸附器340，被测表面350，温度传感器360和压力传感器370。

图2为图1中三部分被测表面350的正视图。中间部分是硅片351，是调焦探测单元的检测表面；硅片周围等间隔分布三个方形反射镜352，352和354，是激光干涉仪160的探测表面。三个方形反射镜分别落在其相应的三个外接圆内，三个外接圆圆心是纳米台相应的三个执行器作用点，方形反射镜中心是激光干涉仪测量点。

图3描述了分别用调焦系统和激光干涉仪测量物体表面在垂向运动时的转换关系。图2测量表面结构保证了激光干涉仪三个测量点和纳米台三个执行器作用点在垂直方向一一重合；控制纳米台三个执行器在垂向有相同的步进量，即测量表面只有垂直方向上的运动；这样纳米台150带动被测表面350在垂直方向运动，即使激光干涉仪测量表面352，353，354与调焦系统测量表面351不在同一平面内，当两个测量表面相对于测量表面吸附器340都相对固定时，仍然有关系：这一数学表达是用垂向精密步进运动来评价光刻机调焦系统的数学依据。

图4为粗动系统控制模型。为保证水平和垂直两个方向大行程微米量级的运动，同时考虑经济性，采用光栅尺闭环。图5为精动系统控制模型。采用激光干涉仪闭环反馈，电容测量作为反馈校正，来实现纳米量级的精密运动控制。

温度传感器数据通过串口送入下位机，再由下位机温度采集卡250通过VME总线的P2口280经由ITB板260送入精动系统的制器120；压力传感器数据通过串口送入上位机110，再由上位机110送入精动系统控制器120。温度和激光干涉仪原始数据可以通过下位机从PPC220直接读取，亦可通过上位机由串口从精动系统控制器120读取温度原始数据和激光干涉仪条纹所转换的高度数据。

激光干涉仪光线在被测表面上的三个入射点和纳米台三个执行器作用点之间的关系是：激光干涉仪光线入射点即三个测量点和纳米台三个执行器作用点在垂直方向上一一重合。

上位机110和下位机主板PPC220通过以太网相连，保证在上位机裁减和编译好的操作系统和应用程序下载到下位机。

如图6所示，本发明中对光刻机调焦系统进行评定的流程如下：

(1).给所有设备上电。其中包括打开上位机和下位机电源，打开粗动系统和精动系统控制器和执行器电源，使气浮减振系统工作，打开激光干涉仪电源，打开温度和压力传感器的电源，同时使调焦系统进入正常工作状态。

(2).将裁减和编译好的下位机操作系统通过以太网下载到下位机，同时通过以太网将激光干涉仪的驱动应用程序也下载到下位机。此时激光干涉仪开始工作。

(3).上位机通过串口给粗动系统控制器下发指令，来控制微米运动台，使被测表面移动到调焦系统测量范围的最小值附近。

(4).上位机通过串口给精动系统控制器下发指令，来控制纳米运动台调整被测表面，使调焦系统所检测到的位置与其测量范围的最小值重合；同时把上位机激光干设仪读数置为调焦系统测量范围的最小值。

(5).由上位机通过串口给精动系统控制器下发指令，驱动纳米运动台以步长a在调焦系统的测量范围L(设调焦系统测量范围为L)内步进N步(的正整数)，直至测量表面到达调焦系统测量范围的最大值处。

(6).在纳米台带动测量表面在调焦系统测量范围内的运动过程中，纳米运动台每一个步进点处分别记录m个激光干涉仪和调焦系统的读数Z_Iij和Z_Fij(i＝0～N-1，j＝0～m-1)。

(7).利用步骤(6)中纳米台每一个步进点处激光干涉仪和调焦系统所记录的数据，在上位机上分别用精度和重复性验证算法来验证调焦范围内其精度和重复性是否满足设计要求。

在调焦系统测量范围内对其精度和重复性评价算法如下：

1.精度性能测试

(1).求每一点处激光干涉仪和调焦系统读数的均值并作差其中，i＝0～N-1，j＝0～m-1；

(2).计算max(Δ_i)和min(Δ_i)，并求

(3).判断S_cz≤p(设调焦系统的精度为p)在L内是否成立；若成立，则调焦系统在测量范围L内满足精度为p的设计要求，否则不满足。

2.重复性性能测试

(1).记录m个激光干涉仪和调焦系统在每一个步进点上的读数Z_Iij和Z_Fij(i＝0～N-1，j＝0～m-1)；

(2).计算每一点上σ_ij＝Z_Iij-Z_Fij(i＝0～N-1，j＝0～m-1)；

(3).判断每一点处3max(σ_ij)≤r(设调焦系统的重复性精度为r)在L内是否成立，如果成立，则调焦系统在测量范围L内满足重复性为r的要求，否则不满足。

在本发明中，对调焦系统性能评价可以更换为其它垂向测量系统或有垂向测量能力系统的性能评价；亦可改进表面吸附器上的被测表面，增加水平方向反射镜和水平测量激光干涉仪，使整个系统有水平向的微米精确测量和步进能力。

Claims (12)

1.一种用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于，包括：

粗动系统执行器；

粗动系统控制器；

光栅尺；

精动系统执行器；

精动系统控制器；

激光干涉仪；

下位机；

上位机；

大理石；和

气浮减震；

所述上位机通过串口给所述粗动系统控制器下发控制指令，控制粗动系统执行器，所述上位机通过串口给所述精动系统控制器下发控制指令，控制精动系统执行器，从而实现对两个运动系统的控制，其中粗动系统用所述光栅尺进行测量反馈，实现水平X向和垂向的大行程运动，精动系统通过所述下位机的激光干涉仪进行测量反馈，电容反馈校正，实现垂向高精度运动；所述精动系统执行器叠加在所述粗动系统执行器上实现在粗动范围内的精密步进和定位，且所述粗动系统执行器放在所述大理石上，所述大理石由所述气浮减震支撑，通过控制粗动系统执行器将由测量表面吸附器吸附于精动系统执行器上的被测硅片表面带入到调焦系统测量范围的最小位置附近，通过精动系统执行器在调焦系统测量范围内的步进来实现对调焦系统性能的评价。

2.根据权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于：所述粗动系统执行器是微米运动台，其可实现水平X向和垂向两个方向上微米量级的运动，所述精动系统执行器是纳米运动台，其可实现垂直方向纳米量级的运动。

3.根据权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于：用于激光干涉仪条纹数获取和环境温度采集的应用程序运行在下位机，采集激光干涉仪测量数据和温度测量数据。

4.根据权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于：粗动系统用所述光栅尺进行闭环负反馈，控制水平X向和垂直两个方向上微米量级的步进运动。

5.根据权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于：精动系统用所述激光干涉仪进行闭环负反馈，电容测量进行局部反馈校正，控制垂直方向纳米量级的步进运动。

6.根据权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于：所述激光干涉仪包括三个测量点，所述精动系统执行器包括三个执行器，所述激光干涉仪的三个测量点与所述精动系统执行器的三个执行器的作用点在垂直方向上一一重合，且所述精动系统执行器的三个执行器在对调焦系统测试过程中垂向上有相同的步进量。

7.根据权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置，其特征在于：所述上位机调用运行在所述下位机的应用程序获取温度和激光干涉仪的条纹数据，或从所述精动系统控制器获取由环境温度数据和激光干涉仪条纹数所转化为精动系统执行器的步进高度数据。

8.一种使用权利要求1所述的用于光刻机调焦系统性能评价的装置对光刻机调焦系统性能进行评价的方法，其特征在于：首先通过所述上位机，驱动所述粗动系统执行器，使被测表面运动到调焦系统测量范围的最小值附近；然后驱动所述精动系统执行器，使被测表面和所述调焦系统的最小值重合；在调焦系统测量范围内，驱动所述精动系统执行器以一定的步长步进，并在每一个步进点处采集一定数量的调焦系统测量值和激光干涉仪测量值读数，通过精度和重复性算法，完成在调焦系统测量范围内对其精度和重复性的评价。

9.根据权利要求8所述的对光刻机调焦系统性能进行评价的方法，其特征在于：在所述被测表面和所述调焦系统测量范围最小值重合处，将所述激光干涉仪在所述上位机上的读数记为调焦系统测量范围的最小值。

10.根据权利要求8所述的对光刻机调焦系统性能进行评价的方法，其特征在于：在精动系统执行器的每一个步进点处，记录m个激光干涉仪和调焦系统的读数Z_Iij和Z_Fij，其中，N为步进点个数，i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，m-1。

11.根据权利要求10所述的对光刻机调焦系统性能进行评价的方法，其特征在于：计算每一点处激光干涉仪和调焦系统读数的均值并作差

得到N个差值，其中，i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，m-1；同时计算所述差的最大值max(Δ_i)和最小值min(Δ_i)，并求所述最大值与最小值对中心值的偏离量

在调焦系统测量范围内如果所述偏移量小于等于调焦系统的精度p，即S_CZ≤p，所述调焦系统精度符合设计要求。

12.根据权利要求10所述的对光刻机调焦系统性能进行评价的方法，其特征在于：计算每一点激光干涉仪和调焦系统所测量读数对应的差值σ_ij＝Z_Iij-Z_Fij，其中，i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，m-1；在调焦系统测量范围内如果精动系统执行器每一点处所述差值最大值的3倍小于等于调焦系统的重复性精度，即3max(σ_ij)≤r，r为调焦系统的重复性精度，则调焦系统重复性精度符合设计要求。

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