CN101344727A - 一种调焦调平探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种调焦调平探测装置及方法，装置的测量光路在投影物镜光轴的两侧，由照明、投影、成像及探测诸单元组成，特点是对应一个光斑的探测狭缝阵列的多个探测狭缝，其中的一个探测狭缝用于精测，其他的狭缝用于粗测；由多个探测狭缝和多个探测器根据它们的一一对应关系来探测一个光斑的位置，实现对硅片表面的高精度大范围的高度和倾斜度测量；替换该特征元素，从探测狭缝阵列中取出若干探测狭缝布置成队列，依借冗余探测狭缝来实现对硅片表面高精度大范围的高度和倾斜度测量；所述方法处理步骤依次为：对探测器转出信号处理、探测狭缝判断和测量结果输出。本发明具有结构简单测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于配合投影光刻机对制造微电子产品所使用的硅片进行调焦调平测量的装置及方法。
背景技术
在投影光刻装置中，通常使用硅片调焦调平探测装置来实现对硅片表面特定区域进行高度和倾斜度的测量。该测量装置要求的精度较高，且操作时不能损伤硅片。所以，硅片调焦调平测量必须是非接触式测量，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、气压测量法。
在现今的扫描投影光刻装置中，多使用光学测量法来实现对硅片的调焦调平测量。光学调焦调平探测装置的技术多种多样，典型例见美国专利U.S.4,558,949(Horizontal position detecting device，申请于1982年9月17日)。该专利公开了一种调焦调平探测装置，如图1所示，该装置共有两套独立的测量系统，分别用于硅片特定区域的高度和倾斜度的测量。在高度测量系统中，使用投影狭缝和探测狭缝来实现对硅片高度的探测，同时使用扫描反射镜实现对被测信号的调制。在倾斜测量系统中，投影分支在硅片表面形成一个较大的测量光斑，经硅片反射后，该光斑成像在一个四象限探测器上，然后根据探测器上每个象限探测的光强，实现对硅片表面特定区域倾斜度的测量。该技术具有原理简单的特点，但同时却也存在测量精度低、测量范围小的缺点，并且由于采用两支光路而增加了机械结构上的复杂性。
发明内容
综上所述，如何简化硅片的调焦调平技术，并且提高测量精度和扩大测量范围，乃是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的在于提供一种配合光刻机用的硅片的调焦调平的探测装置与探测方法。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的一种调焦调平探测装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，包括依次以光学联结的照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成，其中照明单元由光源、透镜组及光纤组成；投影单元由反射镜组、狭缝及透镜组组成；成像单元由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成；探测单元由扫描反射镜、探测狭缝阵列及探测器阵列组成，其特点是：探测狭缝阵列中多个探测狭缝对应一个光斑，其中一个探测狭缝用于精测，其他探测狭缝用于粗测。依借探测器阵列与探测狭缝阵列存在的一一对应关系，来探测每一个探测狭缝接收的光强信号，采用多个探测狭缝和多个探测器来探测一个光斑的位置，从而调焦调平探测装置能实现对硅片表面的高精度大范围的高度和倾斜度测量。进一步，该探测器为光电探测器；所述的光束经过投影单元后，在硅片上形成长方形光斑；更具体地，每一个光斑对应大于等于三个探测狭缝。
同样，根据本发明的另一种调焦调平探测装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，包括依次以光学联结的照明单元、投影单元、成像单元及探测单元，其中照明单元主要由光源、透镜组及光纤组成；投影单元主要由反射镜组、狭缝阵列及透镜组组成；成像单元主要由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成；探测单元主要由扫描反射镜、探测狭缝阵列及探测器阵列组成；其特点是：探测狭缝阵列中有若干列探测狭缝布置成队列，每一列中探测狭缝数目多于对应光斑列的光斑数目，探测狭缝与探测狭缝之间成一定的间距。当硅片离焦量较小即离焦量在精测范围内时，光斑偏移到探测狭缝列中用于精测的探测狭缝；当硅片离焦量较大即离焦量超过精测范围时，光斑偏移到探测狭缝列中用于粗测的冗余探测狭缝；
探测器阵列与探测狭缝阵列存在一一对应的关系，从而能够探测每一个探测狭缝接收的光强信号。由于探测狭缝列具有冗余探测狭缝，从而调焦调平探测装置能实现对硅片表面的高精度大范围的高度和倾斜度测量。进一步，所述的探测器为光电探测器；所述的光束经过投影单元的狭缝阵列后，在硅片表面可以形成9×9、8×8、7×7、6×6或5×5的长方形光斑阵列；可在所述的探测狭缝阵列中选择两列布置成具有冗余狭缝的探测狭缝列。
具体地，所述的光斑阵列为7×7阵列，探测狭缝有13列，可选择第3、11列狭缝布置成具有冗余狭缝的探测狭缝列。
同属于一个总的发明构思，根据本发明的一种调焦调平探测方法，通过对多个探测器的探测信号进行处理，从而实现对硅片表面的大范围高精度的高度和倾斜度测量，信号处理步骤依次为：探测器输出信号处理、探测狭缝有效性判断、计算测量结果。
具体地，每个探测器的输出信号的信号处理流程为信号预调理，锁相放大，AD采样，线性化和结果输出。
探测狭缝有效性判断流程为：探测狭缝对应探测器能接收到光信号，并且其测量结果在精测范围内则认为该探测狭缝有效。
根据多个探测狭缝的测量值得出测量结果，其判断流程为：先获取多个探测狭缝的探测信号及探测狭缝的有效性，如果用于精测的探测狭缝有效，则输出精测结果，如果用于粗测的探测狭缝有效，则对粗测结果进行补偿再输出粗测结果。
根据多个探测狭缝的测量值得出测量结果，其计算流程为，先找出光斑与探测狭缝的对应关系，再根据光斑与探测狭缝位置关系判断硅片表面是否在精测范围内，如果光斑在精测范围内，则计算硅片表面的高度和倾斜值，否则，对有效探测狭缝测量值进行补偿并输出粗测结果。
本发明的优点是：测量装置结构简单，操作方便，由于不需要使用两支测量光路，从而降低了机械上的复杂性，同时，由于采集多点检测，扩大了测量范围，从而提高了对硅片平面的高度和倾斜度的测量精度。
附图说明
图1为现有技术结构示意图。
图2为本发明的投影曝光装置结构平面示意图。
图3为本发明的实施例1的装置总体结构图。
图4为本发明的投影狭缝截面示意图。
图5为本发明的光斑在硅片曝光场上位置示意图。
图6为本发明的探测狭缝阵列示意图。
图7为硅片偏离焦面量与反射光斑位置偏移关系示意图。
图8为本发明的硅片离焦量较小时，光电探测器2有效示意图。
图9为本发明的硅片向上离焦较大时，光电探测器1有效示意图。
图10为本发明的光电探测器输出信号处理流程图。
图11为本发明的调焦调平测量结果计算方法示意图。
图12为本发明的实施例2的装置总体结构图。
图13为本发明的多个光电探测器信号串扰示意图。
图14为本发明的7×7狭缝阵列的示意图。
图15为本发明的7×7探测光斑阵列示意图。
图16为本发明的探测狭缝的截面示意图。
图17为本发明的硅片离焦量较小时，光斑与探测狭缝阵列位置关系示意图。
图18为本发明的硅片离焦量较大时，光斑与探测狭缝阵列位置关系示意图。
图19为本发明的光斑偏移量较小时狭缝537-11与光斑621-11的位置关系示意图。
图20为本发明的光斑偏移一个狭缝时狭缝537-11与光斑621-11的位置关系示意图。
图21为本发明的光斑偏移两个狭缝时狭缝537-11与光斑621-11的位置关系示意图。
图22为本发明的光斑在两个狭缝之间时，两个狭缝都能接收到信号示意图。
图23为本发明的光斑有效性的判断方法示意图。
图24为本发明的光斑粗测量值的计算方法示意图。
具体实施方式
下面根据图2～图24给出本发明较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地说明本发明的结构特征和功能特色，而不是用来限定本发明的范围。
实施例1：
图2是光学曝光系统平面原理示意图。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。图2中，在投影物镜310和硅片420之间有一个硅片调焦调平探测装置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。
下面结合其它附图，给出具体实施例，对本发明作进一步的描述。
图3为本硅片调焦调平探测装置的总体结构图，硅片调焦调平探测装置由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成。其中，照明单元由光源501、透镜组502及光纤503组成，光源501的出射光经透镜组502聚光之后，由光纤503传送至投影单元，为整个测量装置提供照明光源。投影单元由反射镜组(反射镜511和反射镜514)、狭缝512及透镜组513组成，狭缝的图形经过透镜513和反射镜514之后，在硅片表面当前曝光区域320内形成一个长方形的测量光斑541。测量光斑541经硅片反射后进入成像单元，成像单元由反射镜521、透镜组522、平行偏转补偿板523及其驱动电机524组成。经过成像单元之后，测量光斑的像为一个长方形的光斑。探测单元由扫描反射镜531及其驱动电路532、探测狭缝阵列533、光电探测器阵列534组成。振动的扫描反射镜531对长方形的光斑551进行调制，从而增大了信号的信噪比。振动的光斑551投射过狭缝533后被光电探测器阵列534所检测。
图4为投影狭缝截面。
图5为本装置投影硅片曝光场上的长方形光斑541。
图6为探测狭缝阵列截面示意图。探测狭缝533包含三个狭缝，分别为533-1、533-2、533-3。
图7为硅片偏离焦面量与反射光斑位置偏移关系。由图中的几何关系可以得出反射光斑位置偏移量k与硅片离焦量的关系为k＝2hsinα。
图8为硅片离焦量较小时，光斑与探测狭缝位置关系。当硅片420离焦量在调焦调平装置500精测范围内时，光斑551在偏移量为k的位置附近振动，此时光电探测器534-2能探测到光斑551信号。
图9为硅片离焦量较大时，光斑与探测狭缝位置关系。当硅片420向上离焦量在调焦调平装置500精测范围之外但在粗测范围之内时，此时光电探测器534-2能探测到光斑551信号。增加光电探测器534-1、光电探测器534-2和狭缝533-1、狭缝533-2后，调焦调平系统的测量范围增大了1倍以上。
图10为信号处理流程。三个光电探测器534-1、534-2、534-3输出信号经过535预调理电路后(步骤581、582)，获取扫描反射镜531的振动频率信号1f，主控单元536对输出信号进行锁相放大583，提取三个探测器的1f信号和相位信号。如图8所示，光斑551的偏移量k与光电探测器533-2获得的1f信号存在近似线性的关系，这种关系可以通过标定建立起来。同理，通过标定也可建立图9中的光斑551的偏移量k与光电探测器533-1获得的1f信号的关系。根据图7的几何关系就可以得出偏移量k与离焦量h的关系了。经过锁相放大器后，对信号进行AD采样584，根据测量前建立的标定关系对采样值线性化585就可以获得三个光电探测器534-1、534-2、534-3测量的高度值586。
图11为根据三个光电探测器测量的高度值计算硅片表面的真实高度值。由于光电探测器534-1和光电探测器534-3的测量值与真实焦面存在两个固定的误差，分别为OFFSET1和OFFSET2，因此需要对光电探测器534-1和光电探测器534-3的测量值进行补偿。由于三个光电探测器探测信号的有效性是互斥关系，因此，可采用图11所示的流程进行计算，从而得到FLS最终测量结果。
实施例2：
该实施例与前述的实施1基本原理结构完全一样，不同的是，投影单元中的狭缝采用狭缝阵列，探测狭缝采用狭缝阵列。详述如下：
图12为本实施例的总体结构示意图，与实施例1不同的是投影单元的狭缝512变为513的狭缝阵列；投影单元投影到硅片上的光斑变成光斑阵列601；光斑阵列601的某些或全部光斑与探测狭缝阵列537和光电探测器阵列538存在一对多的关系。
图13为多个光电探测器信号串扰示意图。本实施例采用了多点布置，则光斑与光斑之间的间距如果较小则可能发生信号串扰。如果光斑之间间距较小，当硅片离焦量较大时，光斑551-1和光斑551-2相对狭缝513偏移也较大，则可能发生光斑551-1和光斑551-2都透过狭缝513-1a，从而对探测器534-1a产生信号串扰。为避免光电探测器信号检测时出现信号串扰，光斑551-1和光斑551-2之间间距必须大于光斑沿扫描方向宽度的3倍左右。
图14为7×7狭缝阵列的示意图。狭缝阵列513可以布置成4×4、5×5、6×6、7×7、8×8阵列，在本实施例中优选地将狭缝513a布置成7×7阵列，如图14所示。在本实施例中调焦调平装置500在硅片420上形成的探测光斑阵列611a如图15所示。
图16为探测狭缝的截面示意图。探测狭缝阵列537中狭缝布置与投影狭缝513a是相似的，不同的是，在537-3列和537-11列中增加了一些狭缝，用于对调焦调平装置的粗测。当然，在实施过程中也可以选取其他的两列或多列用于粗测。
图17为硅片离焦量较小时，光斑与探测狭缝阵列位置关系。硅片420离焦量较小时，相应的光斑621位置偏移也较小。经过扫描反射镜531振动调制，光斑621相对探测狭缝537a振动。光斑621的位置偏移较小，从而只有与光斑621对应的探测狭缝537a能获取探测信号，而冗余狭缝没有信号。当硅片420表面超出调焦调平精测范围时，则发生光斑621偏离对应的探测狭缝537a，导致探测信号紊乱，如图18所示。此时，本实施例通过探测狭缝537-3和狭缝537-11信号可以得到光斑测量高度值。
图19为光斑偏移量较小时狭缝537-11与光斑621-11的位置关系。此时狭缝537-11-2、狭缝537-11-4、狭缝537-11-6能接收到信号。
图20为光斑偏移一个狭缝时狭缝537-11与光斑621-11的位置关系。此时狭缝537-11-3、狭缝537-11-5、狭缝537-11-7能接收到信号。
图21为光斑偏移两个狭缝时狭缝537-11与光斑621-11的位置关系。此时狭缝537-11-4、狭缝537-11-6能接收到信号。
图22为光斑在两个狭缝之间时，两个狭缝都能接收到信号。一种简单的判断方法是，认为两个狭缝的探测信号都有效。然而，由于光斑621-11-x只有部分能进入狭缝537-11-b，这样虽然狭缝537-11-b探测有光强信号，但是其测量误差较大。因此在此种情况，应该认为537-11-a的测量信号有效。判断方法如图23所示。
图24为光斑粗测量值的计算方法。以光斑621-11为例，其粗测值计算方法如图24所示。类似的也可以计算出光斑621-3的测量值。如果粗测时3个或3个以上的光斑有效，则可以拟合出硅片420的高度和倾斜值；如果粗测时只有两个或一个光斑有效，则只给出硅片420的高度值。
Claims (13)
1、一种调焦调平探测装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，包括依次以光路联结的照明单元、投影单元、成像单元及探测单元，其中：照明单元主要由光源、透镜组及光纤组成；投影单元主要由反射镜组、狭缝及透镜组组成；成像单元主要由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成；探测单元主要由扫描反射镜、探测狭缝阵列及探测器阵列组成，其特征在于：在对应一个光斑的探测狭缝阵列中的多个探测狭缝，由其中一个探测狭缝用于精测，其他的探测狭缝用于粗测；由多个探测狭缝和多个探测器根据探测器阵列与探测狭缝阵列所存在的一一对应关系来探测一个光斑的位置，从而实现对硅片表面的高精度大范围的高度和倾斜度测量。
2、如权利要求1所述的调焦调平探测装置，其特征在于：探测器为光电探测器。
3、如权利要求1或2所述的调焦调平探测装置，其特征在于：光束经过投影单元后，在硅片上形成长方形光斑。
4、如权利要求3所述的调焦调平探测装置，其特征在于：每一个光斑至少对应三个探测狭缝。
5、一种调焦调平探测装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，包括依次以光路联结的照明单元、投影单元、成像单元及探测单元，其中：照明单元主要由光源、透镜组及光纤组成；投影单元主要由反射镜组、狭缝阵列及透镜组组成；成像单元主要由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成；探测单元主要由扫描反射镜、探测狭缝阵列及探测器阵列组成，其特征在于：从探测狭缝阵列中取出若干列探测狭缝布置成队列，其每一列中探测狭缝数目多于对应光斑列的光斑数目，探测狭缝与探测狭缝之间成一定的间距，在精测范围内，光斑偏移到探测狭缝列中用于精测的探测狭缝；当硅片离焦量超出精测范围时，光斑偏移到探测狭缝列中用于粗测的冗余探测狭缝；以及使探测器阵列与探测狭缝阵列存在一一对应关系，依借冗余探测狭缝，实现对硅片表面的高精度大范围的高度和倾斜度测量。
6、如权利要求5所述的调焦调平探测装置，其特征在于：探测器为光电探测器。
7、如权利要求5所述的调焦调平探测装置，其特征在于：光束经过投影单元的狭缝阵列后，在硅片表面可以形成9×9、8×8、7×7、6×6或5×5的长方形光斑阵列。
8、如权利要求7所述的调焦调平探测装置，其特征在于：探测狭缝阵列中选择两列布置成具有冗余狭缝的探测狭缝列。
9、如权利要求8所述的调焦调平探测装置，其特征在于：光斑阵列为7×7阵列，探测狭缝有13列，选择所述狭缝的第3、11列布置成具有冗余狭缝的探测狭缝列。
10、一种调焦调平探测方法，通过对多个探测器的探测信号进行处理，实现对硅片表面的大范围高精度高度和倾斜度测量，其信号处理步骤依次包括：探测器输出信号处理、探测狭缝有效性判断和测量结果输出。
11、根据权利要求10所述的调焦调平探测方法，其特征在于：所述的每个探测器的输出信号的信号处理流程为信号预调理、锁相放大、AD采样、线性化和坐标系转换。
12、根据权利要求10所述的调焦调平探测方法，其特征在于：所述的探测狭缝有效性判断步骤为，使探测狭缝对应探测器能接收到光信号，并且其测量结果在精测范围内则认为该探测狭缝有效。
13、根据权利要求10所述的调焦调平探测方法，其特征在于：所述的根据多个探测狭缝的测量值得出测量结果，其判断流程为：先获取多个探测狭缝的探测信号，再探测狭缝的有效性，如果用于精测的探测狭缝有效时，则输出精测结果，如果用于粗测的探测狭缝有效时，则对粗测结果进行补偿后再输出粗测结果，或根据多个探测狭缝的测量值得出测量结果，其计算流程为：先找出光斑与探测狭缝的对应关系，再根据光斑与探测狭缝位置关系判断硅片表面是否在精测范围内，如果光斑在精测范围内，则计算硅片表面的高度和倾斜值，否则，对有效探测狭缝测量值进行补偿并输出粗测结果。
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