CN101329513B - 双扫描式硅片调焦调平测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双扫描式硅片调焦调平测量装置及系统，应用于投影光刻机的调平调焦系统中，所述双扫描式硅片调焦调平测量装置由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成，所述投影单元将狭缝或者狭缝阵列投影在硅片表面，形成测量光斑或者光斑阵列，所述探测单元包括第一、第二探测子单元，以及电信号处理单元，所述成像单元出射的光束分别经由第一和第二探测子单元进入电信号处理单元进行相敏解调。本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置具有较大的有效线性化区域，其光学设计难度小，结构相对紧凑。

Description

双扫描式硅片调焦调平测量装置及系统

技术领域

本发明涉及一种调焦调平测量装置，特别是一种用于测量硅片表面特定区域相对于投影物镜最佳焦平面的高度和倾斜度的调焦调平测量装置及系统。

背景技术

在投影光刻装置中，为了对硅片表面的位置进行高精度的测量，同时为了避免测量装置损伤硅片，调焦调平测量必须是非接触式测量，即装置本身不直接接触被测物体。常用的非接触式调焦调平测量方法有三种：光学测量法、电容测量法以及气压测量法。

请参阅图1，其中显示了光学曝光系统平面原理示意图。如图所示，在照明系统100的照射下，光源通过投影物镜310将掩模220上的图像投影曝光到硅片420上。掩模220由掩模台210支承，硅片420由工件台410支承。在图1中，在投影物镜310和硅片420之间有一个硅片调焦调平测量装置500，该装置与投影物镜310或投影物镜支承300进行刚性联接，用于对硅片420表面的位置信息进行测量，测量结果送往硅片表面位置控制系统560，经过信号处理和调焦调平量的计算后，驱动调焦调平执行器430对工件台410的位置进行调整，完成硅片420的调焦调平。

硅片调焦调平测量装置的光机部分一般由照明单元、投影单元、成像单元以及探测单元组成，其中投影单元将狭缝(阵列)投影在硅片表面，并形成测量光斑(阵列)。

现有技术的扫描投影光刻装置中，多使用光学测量法实现调焦调平测量，光学调焦调平测量装置的技术多种多样。其中，Nikon公司采用基于扫描反射镜调制的技术，具体参见美国早期专利US4558949，公开于1985年12月17日，该发明专利所揭示的技术方案是使用扫描反射镜对测量信号进行调制，进而使用相敏解调对光电转换之后的电信号进行解调，从而获得与硅片表面高度一一对应的电信号，该技术方案很好地解决了测量信号信噪比较低的问题，但同时也存在以下几点不足：

(1)有效的线性化区域有限。

经过相敏解调出的信号为与扫描反射镜扫描频率同频率的信号，该信号的强度直接反映了当前硅片表面的高度，但该信号的强度与硅片表面高度信号之间呈类似于正弦曲线的变化趋势，当测量光斑中心与探测狭缝中心的偏移量越来越大时，测量装置的灵敏度越低，其重复精度也越低。当测量光斑中心与探测狭缝中心的偏移量为探测模块测量光斑扫描方向宽度的一半的时候，测量装置的灵敏度为零。因此，在正常使用中，一般只使用该类正弦曲线中间的某一段。

(2)提高测量范围往往需要增加光学系统的视场。

如上所述，该测量装置有效的线性化区域有限，从而要提高测量范围往往需要增大测量光斑与探测狭缝在扫描方向上的尺寸。在多点测量时(如Nikon目前机型采用49个光斑，具体见“Higher NA ArF scanning exposure tool on newplatform for further 100nm technology node”，Proc.SPIE，2001年第4346期，第651～658页)，光学系统的视场势必也要做大，这将使得光学系统成像质量更难控制，光学结构也将更加庞大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供的一种双扫描式硅片调焦调平测量装置，其具有较大的有效线性化区域，且光学设计难度小，结构相对紧凑。

为达到上述目的，本发明提供一种双扫描式硅片调焦调平测量装置，应用于投影光刻机的调平调焦系统中，所述双扫描式硅片调焦调平测量装置由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成，所述投影单元将狭缝或者狭缝阵列投影在硅片表面，形成测量光斑或者光斑阵列，其中，所述探测单元包括第一和第二探测子单元，以及电信号处理单元，所述成像单元出射的光束分别经由第一和第二探测子单元进入电信号处理单元进行相敏解调；所述第一和第二探测子单元对应于所述狭缝或者狭缝阵列按光路传播的顺序依次设有第一和第二扫描反射镜或者反射镜阵列、第一和第二探测狭缝或者探测狭缝阵列以及第一和第二能量探测器或者能量探测器阵列；所述成像单元出射的光束经过一分光镜反射后入射到所述第一扫描反射镜或者反射镜阵列上，经过所述分光镜折射后则入射到所述第二扫描反射镜或者反射镜阵列上；经所述第一扫描反射镜或者反射镜阵列扫描后的光依次经过所述第一探测狭缝或者探测狭缝阵列和所述第一能量探测器或者能量探测器阵列，进入电信号处理单元；经所述第二扫描反射镜或者反射镜阵列扫描后的光依次经过所述第二探测狭缝或者探测狭缝阵列和所述第二能量探测器或者能量探测器阵列，进入电信号处理单元；其中，所述第一扫描反射镜或者反射镜阵列与第二扫描反射镜或者反射镜阵列的扫描角的相位始终相差180度；由第一和第二探测子单元进入电信号处理单元经过相敏解调之后的电压信号也始终反向；所述电信号处理单元产生一方波信号，所述方波信号用于触发第一扫描反射镜进行扫描，同时该方波信号经180度的相位延迟之后用于触发第二扫描反射镜进行扫描。

本发明所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，其中，所述电信号处理单元产生的方波信号同时对所述第一和第二能量探测器或者能量探测器阵列输出的电信号进行相敏解调，且第一和第二能量探测器或者能量探测器阵列输出的电信号进行相敏解调时使用同一个方波信号。进一步的，所述方波信号的频率与所述第一、第二扫描反射镜或者反射镜阵列的谐振频率相同。

本发明所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，其中，所述电信号处理单元进一步包括第一和第二带通滤波器、第一和第二乘法器、第一和第二低通滤波器以及一减法器；所述第一和第二能量探测器输出的电信号经过第一和第二带通滤波器后，与所述方波信号一起输入第一和第二乘法器，所述第一和第二乘法器的输出信号再经由第一和第二低通滤波器进入所述减法器。所述减法器对所述第一和第二低通滤波器的输出结果进行差分计算，得到与所述硅片表面在测量光斑区域内高度一一对应的电信号。

本发明还提供了一种双扫描式硅片调焦调平测量系统，其包括至少两个如前所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，所述装置与装置之间采用并联或者串联的方式相互连接。

与现有技术的调焦调平测量装置相比，本发明所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置具有如下优点：有效的线性化区域大，即同样的光学系统的视场，同样大小的光斑尺寸，同样大小的探测狭缝尺寸，本发明却能得到一倍半左右的有效线性化区域；光学设计难度小，结构相对紧凑，即要实现同样大小的有效线性化区域，本发明所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置仅需要设计一半大小左右的光学视场，成像质量控制难度大幅下降，整体结构也较紧凑。

附图说明

通过以下对本发明的一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。其中，附图为：

图1显示了光学曝光系统平面原理示意图；

图2显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的总体结构示意图；

图3显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的电信号处理单元的控制流图；

图4显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的特征曲线；

图5显示了现有技术的调焦调平测量装置的灵敏度曲线；

图6显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的灵敏度曲线。

具体实施方式

以下将结合一个较佳的实施例对本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置作进一步的详细描述。需要说明的是，本发明的发明内容主要在探测单元中，所以在本实施例中，本发明对照明单元、投影单元以及成像单元作了简化处理。另外，为了使本发明更加清晰，本实施例中只讨论单个狭缝，单个测量光斑的情况，而对于多点测量，本发明的原理同样适用，只需将探测单元中的单个元件替换为元件阵列即可。

请参阅图2，显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的总体结构示意图。如图所示，测量光510经过第一反射镜520、投影狭缝525、第二反射镜530后在硅片表面420上形成测量光斑421。经硅片表面420反射后，经第三反射镜540反射后入射到分光镜550上。经分光镜550反射后的光入射到第一扫描反射镜560上，测量光经第一扫描反射镜560扫描后入射到第一探测狭缝561后，进入第一能量探测器562上，第一能量探测器562产生的电信号进入电信号处理单元570中进行电信号处理。经分光镜550折射后的光经第四反射镜568后入射到第二扫描反射镜565上，测量光经第二扫描反射镜565扫描后入射到第二探测狭缝566后，进入第二能量探测器567上，第二能量探测器567产生的电信号也进入电信号处理单元570中进行电信号处理。其中，电信号处理单元570主要完成两个任务，第一个任务为驱动第一扫描反射镜560和第二扫描反射镜565，第二个任务为第一能量探测器562和第二能探测器567输出信号的相敏解调。相敏解调具体实现的方法较多，本实施例以乘法器和低通滤波器为例进行分析。

图3显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的电信号处理单元的控制流图。该电信号处理单元570产生一个方波信号571，该方波信号571的频率与第一扫描反射镜560和第二扫描反射镜565的谐振频率一致，该频率用于对测量光斑中带有高度信息的信号进行调制，该信号频率一般在2KHz以上，本实施例假定该信号的频率为1f。产生的方波信号571直接用于触发第一扫描反射镜560进行扫描，同时该方波信号571经180度的相位延迟之后用于触发第二扫描反射镜565进行扫描。第一能量探测器562输出的电信号Vin1和第二能量探测器567输出的电信号Vin2分别经过第一/第二1f带通滤波器574a/574b、第一/第二乘法器575a/575b以及第一/第二低通滤波器576a/576b之后进入减法器577进行差分计算，得到一个电压值Vout，Vout为与硅片表面420在测量光斑421区域内高度一一对应的电信号。第一1f带通滤波器574a和第二1f带通滤波器574b为完全一样的带通滤波器，其中心频率与方波信号571的频率相同，也即第一扫描反射镜560与第二扫描反射镜565的扫描频率。第一乘法器575a和第二乘法器575b、第一低通滤波器576a和第二低通滤波器576b也完全一样。乘法器和低通滤波器构成了对信号Vin1和Vin2相敏解调环节，其输出信号为信号Vin1和Vin2中1f频率的信号。

由于第一扫描反射镜560和第二扫描反射镜565的扫描相位始终相差180度，而在相敏解调时，Vin1和Vin2使用与同一个方波信号进行乘法计算，所以，电压信号Vout1和Vout2始终反向。现有技术中只使用了电压信号Vout1和Vout2中的某一个信号，而本发明则使用其差值用来表征硅片表面420在测量光斑421区域内的高度。在本实施例中假定测量光斑421在第一探测狭缝561和第二探测狭缝566之前的像在第一扫描反射镜560和第二扫描反射镜565扫描方向的宽度为1mm，同时第一探测狭缝561和第二探测狭缝566的狭缝宽度也为1mm，电信号处理单元570中的增益调节使得信号Vout1和Vout2最大不超过8.5V。

图4显示了本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置的一个较佳实施例的特征曲线，其横坐标为当第一扫描反射镜560和第二扫描反射镜565扫描角为0度或180度时，在第一探测狭缝561和第二探测狭缝566之前的像的扫描方向的中心位置与第一探测狭缝561和第二探测狭缝566中心位置之间的偏移量。纵坐标为能量探测器经相敏解调输出的电压值，曲线581对应于电压信号Vout，曲线582对应于电压信号Vout1，曲线583对应于电压信号Vout2。

图5和图6分别为现有技术及本发明所涉及的装置的特征曲线，其横坐标均为当第一扫描反射镜560和第二扫描反射镜565扫描角为0度或180度时，在第一探测狭缝561和第二探测狭缝566之前的像的扫描方向的中心位置与第一探测狭缝561和第二探测狭缝566中心位置之间的偏移量。在相同的光机结构下，如果要求使用0.015伏特/微米以上灵敏度的区域，现有技术只能精确地测量约正负300微米左右的变化，而本实施例则可测量约正负450微米左右的变化，为现有技术1.5倍左右的测量范围。

从图4、图5和图6可以看出，本发明所涉及的双扫描式硅片调焦调平测量装置拥有斜率更大的特征曲线，同时拥有更大灵敏度。即，相对于现有技术而言，本发明拥有更大的线性化区域。而现有技术如要达到本发明同样的特征曲线，则需要增加光斑及探测狭缝的尺寸，而在多点测量中，这将使得光学涉及难度增加，结构也将更加庞大。

本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置，根据实际需要可以单独使用，也可以组合使用，即采用多个上述装置以并联或串联的形式相连以形成双扫描式硅片调焦调平测量系统，以便满足不同的使用需求。

需要特别说明的是，本发明的双扫描式硅片调焦调平测量装置不局限于上述实施例中所限定的结构，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种双扫描式硅片调焦调平测量装置，应用于投影光刻机的调焦调平系统中，所述双扫描式硅片调焦调平测量装置由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成，所述投影单元将狭缝或者狭缝阵列投影在硅片表面，形成测量光斑或者光斑阵列，其特征在于：所述探测单元包括第一和第二探测子单元，以及电信号处理单元；所述成像单元出射的光束分别经由第一和第二探测子单元进入电信号处理单元进行相敏解调；所述第一和第二探测子单元对应于所述狭缝或者狭缝阵列按光路传播的顺序依次设有：第一和第二扫描反射镜或者反射镜阵列、第一和第二探测狭缝或者探测狭缝阵列以及第一和第二能量探测器或者能量探测器阵列；

所述成像单元出射的光束经过一分光镜反射后入射到所述第一扫描反射镜或者反射镜阵列上，经过所述分光镜折射后则入射到所述第二扫描反射镜或者反射镜阵列上；

经所述第一扫描反射镜或者反射镜阵列扫描后的光依次经过所述第一探测狭缝或者探测狭缝阵列和所述第一能量探测器或者能量探测器阵列，进入电信号处理单元；经所述第二扫描反射镜或者反射镜阵列扫描后的光依次经过所述第二探测狭缝或者探测狭缝阵列和所述第二能量探测器或者能量探测器阵列，进入电信号处理单元；

其中，所述电信号处理单元产生一方波信号，所述方波信号用于触发第一扫描反射镜进行扫描，同时该方波信号经180度的相位延迟之后用于触发第二扫描反射镜进行扫描，从而使得所述第一扫描反射镜或者反射镜阵列与第二扫描反射镜或者反射镜阵列的扫描角的相位始终相差180度，并且，经由第一和第二探测子单元进入电信号处理单元并经过相敏解调之后的电压信号也始终反向。

2.根据权利要求1所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述电信号处理单元产生的方波信号同时对所述第一和第二能量探测器或者能量探测器阵列输出的电信号进行相敏解调，且第一和第二能量探测器或者能量探测器阵列输出的电信号进行相敏解调时所使用的方波信号的相位始终相同。

3.根据权利要求2所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述方波信号的频率与所述第一和第二扫描反射镜或者反射镜阵列的谐振频率相同。

4.根据权利要求2所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述电信号处理单元进一步包括第一和第二带通滤波器、第一和第二乘法器、第一和第二低通滤波器以及一减法器；所述第一和第二能量探测器输出的电信号经过第一和第二带通滤波器后，与所述方波信号一起输入第一和第二乘法器，所述第一和第二乘法器的输出信号再经由第一和第二低通滤波器进入所述减法器。

5.根据权利要求4所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述减法器对所述第一和第二低通滤波器的输出结果进行差分计算，得到与所述硅片表面在测量光斑区域内高度一一对应的电信号。

6.一种双扫描式硅片调焦调平测量系统，其特征在于：包括至少两个如权利要求1所述的双扫描式硅片调焦调平测量装置，所述装置与装置之间采用并联或者串联的方式相互连接。

Images