CN101344734A - 一种硅片调焦调平测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，其包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元；照明单元包括光源、透镜组及光纤组成；投影单元包括反射镜组、狭缝及透镜组；成像单元包括反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板；其中，探测单元由探测栅盘、扫描栅盘及象限探测器组成；所述照明单元的光源通过投影单元在硅片表面形成一个测量光斑，该测量光斑通过成像单元成像；探测栅盘将测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘和扫描栅盘之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。本发明可以减少硅片表面形貌及反射率局部非均匀性对测量结果的影响。

Description

一种硅片调焦调平测量装置

技术领域

本发明涉及一种应用于投影光刻的装置，尤其涉及一种硅片调焦调平测量装置。

背景技术

在投影光刻装置中，通常使用硅片调焦调平测量装置实现对硅片表面特定区域高度和倾斜度的测量。该测量装置要求的精度较高，且不能损伤硅片。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，多使用光学测量法实现硅片调焦调平测量。光学调焦调平测量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测量装置，该装置共有两套独立的测量系统，分别用于硅片特定区域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，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。为了满足扫描投影光刻机的要求，该装置的技术的得到进一步的发展(SPIE，1996，2726：767-779)。改进后的技术在之前的高度测量系统中使用狭缝阵列，在硅片表面形成多个测量点，从而实现硅片的调焦调平测量。该技术实现的精度较高，但同时也存在以下几点不足：

(1)单点无法同时进行高度和倾斜度的测量。专利US4,558,949中使用独立的两套测量系统分别实现硅片表面的高度和倾斜测量。而在其后续的方案中(SPIE，1996，2726：767-779)，使用多点测量同时实现高度和倾斜度的测量，但这种方式对单点的有效性比较依赖，当当前曝光视场为硅片表面的边缘场时，往往只能实现硅片表面的高度测量，而不能实现对硅片表面倾斜的测量。

(2)单个测量光斑内硅片表面形貌及反射率的局部均匀性区分度不高，硅片调焦调平测量装置的单点测量的工艺适应性较差，使得整个装置的测量误差受到一定程度影响。

(3)测量范围受扫描反射镜的振幅影响比较大。实现更大的测量范围需要更大振幅的扫描反射镜，从而使得测量系统的机械结构更大庞大。

该装置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

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的批量硅片曝光的方法，其可以有效提高光刻机产率。

为了达到上述的目的，本发明提供一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，其包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元；照明单元包括光源、透镜组及光纤组成；投影单元包括反射镜组、狭缝及透镜组；成像单元包括反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板；其中，探测单元由探测栅盘、扫描栅盘及象限探测器组成；所述照明单元的光源通过投影单元在硅片表面形成一个测量光斑，该测量光斑通过成像单元成像；探测栅盘将测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘和扫描栅盘之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。

所述的测量光斑为椭圆形。

探测栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。

所述象限探测器的象限数与探测栅盘上的透光区的数目相等。

探测栅盘还包括一个圆形不透光区，其为探测栅盘圆心一定直径的同心圆区域。

探测栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光区和扇形不透光区的圆心与探测栅盘的圆心重合。

扫描栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。

扫描栅盘还包括一个圆形不透光区，其为扫描栅盘圆心一定直径的同心圆区域。

扫描栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光区和扇形不透光区的圆心与扫描栅盘的圆心重合。

所述装置还设置一个电机，该电机驱动扫描栅盘绕其圆心来回旋转。

扫描栅盘来回旋转的幅度为其扇形透光区弧度的一半。

当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘上每个扇形透光区与探测栅盘上的对应的扇形透光区重合。

扫描栅盘高速地来回旋转，对透过探测栅盘的测量光斑进行调制，测量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限内。

本发明还提供一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成；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；其中，探测单元由探测栅盘阵列、扫描栅盘阵列及象限探测器阵列组成；每个探测栅盘将对应的测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘阵列和扫描栅盘阵列之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。

每个探测栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不透光区。

探测栅盘阵列中的每个探测栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与探测栅盘的圆心重合。

每个扫描栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不透光区。

扫描栅盘阵列中的每个扫描栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与扫描栅盘的圆心重合。

扫描栅盘由均电机驱动，高速地绕其圆心来回旋转，其来回旋转的幅度为扇形透光区弧度的一半；当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘上每个扇形透光区与探测栅盘上的对应的扇形透光区重合，即通过探测栅盘的光能够全部通过扫描栅盘。

象限探测器阵列中的每个象限探测器的象限数与单个探测栅盘上的扇形透光区的数目相等，且探测器上某个特定象限与探测栅盘上的某个特定的扇形透光区一一对应，即经过探测栅盘上某个扇形透光区的测量光斑最终均入射到象限探测器对应的象限上。

扫描栅盘阵列中的每个栅盘均高速地来回旋转，对透过探测栅盘的测量光斑进行调制，测量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限内。

所述测量光斑为椭圆形。

与现有技术相比，本装置的主要优点为：

(1)单点能够同时进行硅片表面的高度和倾斜度的同时测量，并在一个测量光斑内将测量区域进行进一步细分，从而减少硅片表面形貌及反射率局部非均匀性对测量结果的影响。

(2)该装置的测量范围只与内部某个特定器件的内部结构有关，即在不改变测量装置的尺寸的情况，对某个器件内部的结构作适当的调整即可实现测量范围的变化。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是投影曝光装置结构平面示意图。

图2是该装置总体结构图。

图3是单个测量光斑的形状示意图。

图4是探测栅盘的光栅结构示意图。

图5是扫描栅盘的光栅结构示意及运动示意图。

图6是象限探测器的结构示意图。

图7是硅片位置偏差探测信号探测示意图。

图8是象限探测器输出信号处理总流程示意图。

图9是阵列测量的测量光斑分布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

图1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，硅片420由工件台410支承。在投影物镜310和硅片420之间设有一个硅片调焦调平测量装置500，该装置500与投影物镜支承300进行刚性连接，在本发明其他实施例中，装置500也可以与投影物镜310刚性连接；装置500用于测量硅片420表面的位置信息，并将测量结果送往硅片表面位置控制系统560，系统560先对测量结果进行信号处理和调焦调平量的计算，然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，对本发明作进一步的描述。

图2为本硅片调焦调平测量装置500的总体结构图，硅片调焦调平测量装置500包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元。其中，照明单元包括光源501、透镜组502及光纤503，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500提供照明光源。

投影单元包括至少由反射镜511和反射镜514组成的反射镜组、狭缝512及透镜组513，通过狭缝512的光源经过透镜513和反射镜514之后，在硅片表面当前曝光区域320内形成一个椭圆的测量光斑580。当前曝光区域320和测量光斑580如图3所示。测量光斑580经硅片420反射后进入成像单元。

成像单元包括至少由反射镜521和反射镜525组成的反射镜组、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580的像为一个圆形的光斑。

探测单元包括探测栅盘530、扫描栅盘540及象限探测器550。

图4为探测栅盘530的光栅结构示意图，探测栅盘530中心一定直径的同心圆区域E为不透光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与整个探测栅盘530的圆心重合。以4个扇形透光区为例，探测栅盘530有4个扇形透光区，A区、B区、C区与D区，每两个相邻的扇形透光区之间有一个同样大小的扇形不透光区。

图5为扫描栅盘540的光栅结构示意图及运动示意图。扫描栅盘540与探测栅盘530的光栅结构完全一样。扫描栅盘540由电机驱动，高速地绕其圆心来回旋转，其来回旋转的幅度为扇形透光区弧度的一半，即22.5°。当扫描栅盘540停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘540上每个扇形透光区与探测栅盘530上的对应的扇形透光区重合，即通过探测栅盘530的光能够全部通过扫描栅盘540。

图6为象限探测器550的结构示意图，象限探测器550的象限数与探测栅盘530上的扇形透光区的数目相等，且象限探测器550上某个特定象限与探测栅盘530上的某个特定的扇形透光区一一对应，即经过探测栅盘530上某个扇形透光区的测量光最终均入射到象限探测器550固定的象限上。经过探测栅盘530A区的光，最终会对应入射到象限探测器550的A区上；经过探测栅盘530B区的光，最终会对应入射到象限探测器550的B区上；经过探测栅盘530C区的光，始终入射到象限探测器550的C区上；经过探测栅盘530D区的光，始终入射到象限探测器550的D区上。

图7是硅片位置偏差探测信号探测示意图(测量硅片420表面的位置信息)，图8(a)为扫描栅盘540在零位时的位置，图8(b)为扫描栅盘540在其1/4个扫描周期时的位置，图8(c)为扫描栅盘540在其1/2个扫描周期时的位置，图8(d)为扫描栅盘540在其3/4个扫描周期时的位置。当硅片420表面的高度及倾斜度不变时，随着扫描栅盘540的旋转，测量光斑580经过扫描栅盘540各个区域的光能量周期性地变化，探测信号得到高频调制。当硅片420表面的位置变化使得经过探测栅盘530之后的测量光斑580存在Δh的位置偏移时，随着扫描栅盘540的旋转，象限探测器550各区探测到的光能量均呈现周期性的变化，且各个区在同时刻探测的信号存在一定的关系。

图8为象限探测器550输出信号处理总流程示意图。获得信噪比较高的信号，象限探测器550的输出信号须先经过放大、滤波等信号预处理(步骤561)，然后进行信号的特征分析，信号解调及相位探测(步骤562)，进而对信号进行线性化处理，获得测量硅片420表面的高度及倾斜度与经过解调及相位探测后的信号的线性关系(步骤563)。硅片调焦调平测量装置500服务于投影光刻装置，所以测量结果还需要进行一序列的坐标系转换(步骤564)，供投影光刻装置中硅片调焦调平测量装置500的用户使用。

测量光斑580经过探测栅盘530后，被细分成4个独立的小的扇形光斑。由于采用了光斑细分技术，细分后的光斑的表面形貌和反射率的局部非均匀性较小，从而减少硅片表面形貌及反射率局部非均匀性对测量结果的影响。探测栅盘530中心的不透光区E区能够很好地避免A区、B区、C区和D区之间的光强串扰。在本发明较佳实施例中，硅片420可位于装置500的固定范围内，以实现4个透光区之间的完全串扰的最佳效果。所以，探测栅盘530中心的不透光区E区决定了整个装置的测量范围。如果要减小装置500测量的范围，只需增大探测栅盘530中心的不透光区E区即可实现。如果要增大装置500的测量范围，则需减小探测栅盘530中心的不透光区E区，同时减少扫描栅盘540来回旋转的幅度。

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，在探测单元中的探测栅盘530采用探测栅盘阵列，扫描栅盘540采用扫描栅盘阵列，象限探测器550采用象限探测器阵列。其中每个探测栅盘，扫描栅盘及象限探测器的原理及结构与实施例1完全一样。

由于使用了多点测量，这要求在投影单元中使用狭缝阵列，在硅片表面上形成多个测量光斑。

图9为多点测量的测量光斑分布示意图，本实施例以2一个椭圆测量光斑(580-1、580-2、…、580-21)为例，其中7个测量光斑(580-1、580-2、…、580-7)位于当前曝光视场320内，其他14个测量光斑(580-8、580-2、…、580-21)位于当前曝光视场320之外，用于对当前曝光视场临场的高度及倾斜的预测。

以上描述的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的方法作本技术领域内熟知步骤的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (22)

1、一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，其包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元；照明单元包括光源、透镜组及光纤组成；投影单元包括反射镜组、狭缝及透镜组；成像单元包括反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板；其特征在于：探测单元由探测栅盘、扫描栅盘及象限探测器组成；所述照明单元的光源通过投影单元在硅片表面形成一个测量光斑，该测量光斑通过成像单元成像；探测栅盘将测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘和扫描栅盘之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。

2、根据权利要求1所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述的测量光斑为椭圆形。

3、如权利要求1所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：探测栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。

4、如权利要求3所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述象限探测器的象限数与探测栅盘上的透光区的数目相等。

5、如权利要求3所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：探测栅盘还包括一个圆形不透光区，其为探测栅盘圆心一定直径的同心圆区域。

6、如权利要求4所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：探测栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光区和扇形不透光区的圆心与探测栅盘的圆心重合。

7、如权利要求1所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。

8、如权利要求7所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘还包括一个圆形不透光区，其为扫描栅盘圆心一定直径的同心圆区域。

9、如权利要求8所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光区和扇形不透光区的圆心与扫描栅盘的圆心重合。

10、如权利要求1至9任一项所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：所述装置还设置一个电机，该电机驱动扫描栅盘绕其圆心来回旋转。

11、如权利要求10所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘来回旋转的幅度为其扇形透光区弧度的一半。

12、如权利要求11所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘上每个扇形透光区与探测栅盘上的对应的扇形透光区重合。

13、如权利要求10所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘高速地来回旋转，对透过探测栅盘的测量光斑进行调制，测量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限内。

14、一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成；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；

其特征在于：探测单元由探测栅盘阵列、扫描栅盘阵列及象限探测器阵列组成；每个探测栅盘将对应的测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘阵列和扫描栅盘阵列之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。

15、如权利要求14所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：每个探测栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不透光区。

16、如权利要求15所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：探测栅盘阵列中的每个探测栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与探测栅盘的圆心重合。

17、如权利要求14所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：每个扫描栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不透光区。

18、如权利要求17所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘阵列中的每个扫描栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与扫描栅盘的圆心重合。

19、如权利要求14至18任一项所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘由均电机驱动，高速地绕其圆心来回旋转，其来回旋转的幅度为扇形透光区弧度的一半；当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘上每个扇形透光区与探测栅盘上的对应的扇形透光区重合，即通过探测栅盘的光能够全部通过扫描栅盘。

20、如权利要求19所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：象限探测器阵列中的每个象限探测器的象限数与单个探测栅盘上的扇形透光区的数目相等，且探测器上某个特定象限与探测栅盘上的某个特定的扇形透光区一一对应，即经过探测栅盘上某个扇形透光区的测量光斑最终均入射到象限探测器对应的象限上。

21、如权利要求20所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于：扫描栅盘阵列中的每个栅盘均高速地来回旋转，对透过探测栅盘的测量光斑进行调制，测量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限内。

22、根据权利要求21所述的一种硅片调焦调平测量装置，所述测量光斑为椭圆形。

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