CN101477319B - 一种用于调焦调平的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于调焦调平的光学系统，包括：照明单元、标记板、倾斜成像单元、投影成像单元、接受成像单元、校正成像单元和探测器；所述的照明单元提供均匀照明的宽带光，照明到标记板上，所述标记板经所述倾斜成像单元成一倾斜标记像，所述倾斜标记像经所述投影成像单元成像到硅片面上，经所述硅片面反射后再经所述接受成像单元成像为接受标记，再经过所述校正成像单元到所述探测器上。本发明基于Scheimpflug条件提出的用于调焦调平系统的新方案，其用成像的方式把一个垂直的平面变成一个倾斜的平面，从而降低反射损耗以及设计难度。同时在远心光学系统的近测量平面方采用远摄结构的镜头达到减小焦距扩大工作距的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影曝光设备的自动调焦控制系统，具体涉及一种用于调焦调平的光学系统。
背景技术
投影光刻机是一种把掩模上的图案通过物镜投影到硅片面上的装置。在投影曝光设备中，必须有自动调焦控制系统把硅片面精确带入到指定的曝光位置，实现该系统有多种不同的技术方案。目前比较常用是非接触式光电测量技术，其中NIKON、CANON、ASML的调焦技术最具代表性。以上公司的方案各具特色，其共同点是测量系统中光学部分都采用了满足Scheimpflug条件(即倾斜的物成倾斜的像所满足的条件)的光学结构，主要目的是使标记在硅片面上成像清晰。因为光刻机中物镜的口径和数值孔径都很大，其工作距离很小，这样就导致调焦分系统的投影角很大，即各物象面的入射角很大，在各倾斜标记上的反射损耗就很大，降低了系统的灵敏度；同时对普通双远心系统的焦距要求也变大，这样就增加了各关键零件(如扫描镜)的尺寸。为了降低反射损耗，在美国专利号US5602399的NIKON公司专利中主要采用的手段是利用了棱镜校正机构，但随着入射角的增大，校正棱镜带来的像差(特别是象散和色差)变得难以控制，设计难度很大，而校正的效果并不明显。而在美国专利号为US5414515的 CANON公司专利中，主要采用的是针对每个点设置一个透镜的补偿方案，这种方案结构庞大而复杂，结构设计难度很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于调焦调平的光学系统，它可以降低反射损耗、减小焦距从而扩大工作距。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种用于调焦调平的光学系统，包括：照明单元、标记板、倾斜成像单元、投影成像单元、接受成像单元、校正成像单元和探测器；所述的照明单元提供均匀照明的宽带光，照射到标记板上，所述标记板经所述倾斜成像单元成一倾斜标记像，所述倾斜标记像经所述投影成像单元成像到硅片面上，经所述硅片面反射后再经所述接受成像单元成像为接受标记，再经过所述校正成像单元到所述探测器上，所述标记板经所述倾斜成像单元成一倾斜标记像，是指所述倾斜成像单元把垂直于照明光轴的所述标记板成一个与所述投影成像单元光轴成0°至90°夹角的像。
在所述校正成像单元后还设置一偏置平板，所述偏置平板改变接受标记在探测器上的位置，以补偿零平面漂移。
本发明基于Scheimpflug条件提出的用于调焦调平系统的新方案，其用成像的方式把一个垂直的平面变成一个倾斜的平面，从而降低反射损耗以及设计难度。同时在远心光学系统的近测量平面方采用远摄结构的镜头达到减小焦距扩大工作距的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的调焦调平系统总的光学结构图；
图2是Scheimpflug条件的原理图；
图3是双远心投影和探测单元学结构图；
图4是光学校正(或倾斜成像)单元结构的一个实施例示意图；
图5是光学校正(或倾斜成像)单元结构的另一个实施例示意图。
具体实施方式
本发明的光学结构由照明单元，标记板，倾斜成像单元，投影成像单元，接受成像单元，校正成像单元和探测器组成。照明单元提供均匀照明的宽带光，照明到标记板上，该标记板经倾斜成像单元成一倾斜标记像，该倾斜标记像经投影成像单元成像到硅片面上，经硅片面反射后经接受成像单元成像为接受标记，再经过校正成像单元成像到探测器上，硅片面的位置变化会导致接受标记位置变化，从而达到对硅片面位置探测的目的。
以上倾斜成像单元，投影和接受成像单元和校正成像单元结构上都满足Scheimpflug条件。其中倾斜成像单元把垂直于照明光轴的标记板成一与投影成像单元光轴成0°至90°夹角的像，该标记的像与硅片面相对于投影成像单元共轭。这样与直接照明一倾斜的标记相比就降低了反射损耗。该投影成像单元为双远心系统，其后组镜头为由正负透镜组构成的远摄镜头，其像方工作距离远大于其焦距，减小投影单元的总长度和其他关键元器件的尺寸。接受和校正成像单元与投影和倾斜成像单元结构上相对于曝光物镜的光轴对称布局。校正成像单元主要起到调整标记像在探测器上入射角度消降低反射损耗的目的。
下面结合附图和具体实施方法，对本发明作进一步的描述：
图一是该系统的光学结构图，其包括：宽带光源10和照明镜组11组成的照明单元，标记板12，倾斜透镜组L1组成的倾斜成像单元，投影 前组镜头22和投影后组透镜24、25构成的投影成像单元，接受前组透镜33、34和接受后组透镜36构成的接受成像单元，校正透镜组L2构成的校正成像单元和探测器38，反射镜23、26、27、31、32、35将光路进行反射，待测目标即硅片面1设置在曝光物镜2下面。其中标记板的一次像面21和标记板的三次像面37如图1中所示位置。
光源10经过照明镜组11均匀照明到标记板12上，标记板12与照明光轴垂直，标记板12经过与其倾斜的透镜组L1后其一次像面21为斜面。该一次像面21与投影系统光轴成一夹角，与硅片面1相对投影成像单元共轭，其上标记经硅片面1反射后进入接受成像单元，成像到三次像面37上。经校正透镜组L2垂直入射到探测面上，当硅片面1的位置发生变化时，标记的在三次像面37和探测器38上的位置也会发生相应的变化，从而达到探测的目的。
在接受成像单元之后还可以设置偏置平板(未在图一中示出)，偏置平板可平移像在探测器上的位置，以补偿零平面的漂移。
图二是Scheimpflug条件的基本原理图，b为物面，c为像面，P0为透镜L0的主平面位置，b与光轴夹角为θ，像面c与光轴的夹角为θ′，假设放大倍率为m0，则其物象关系满足条件为：
tanθ＝m0*tanθ′，
此即为Scheimpflug条件。
图三投影和接受成像单元的结构图。由于接受成像单元与投影成像单元结构上相对于曝光物镜的光轴对称布局，因此投影前组镜头22即为接受后组透镜36，投影后组透镜24、25即为接受前组透镜33、34，在此 只对投影成像单元做说明。投影前组镜头22和投影后组镜头为双远心结构，且满足Scheimpflug条件。其投影前组镜头22的主平面为P2，投影后组镜头的主平面为P1。由于投影后组镜头与曝光物镜2和硅片面1靠近，空间小因此采用由正透镜组25和负透镜组24构成的摄远镜组使其主平面P1向硅片1方前移，从而获得合适的焦距和很大的工作距，而其投影前组镜头22由于没有空间的限制，因此其结构没有特殊要求，既可以和投影后组镜头对称，也可以是其它结构。假设投影成像单元倍率为m1，则有tanθ＝m1*tanθ′，其中θ为硅片面与投影单元光轴的夹角，θ′为标记面的一次像面与投影单元光轴的夹角。
该单元的特点是为双远心系统，成像满足Scheimpflug条件，其近硅片的透镜组单元工作距离比其焦距数值上要大。
图四为倾斜成像单元和校正成像单元的成像原理，也是这两个单元的第一种实施案例，其中b0为倾斜成像单元的像面(图1中一次像面21)或校正成像单元的物面(图1中三次像面37)，c0为倾斜成像单元的物面面(图1中标记板12)或校正成像单元的像面(图1中探测器38)，P10为透镜组L10的主平面，θ为b0与光轴的夹角，c0与光轴垂直，这样在倾斜成像单元就不存在倾斜标记面上的反射损耗，在校正成像单元探测面上也不会有大入射角导致的反射损耗。而为了实现b0与c0面的位置关系，根据Scheimpflug条件，透镜L10必须与光轴有一个夹角。其主平面P10与c0的夹角为α1，假设其倍率为m10，则有：
tan(θ+α1)＝m10*tan(π/2-α1)
由图二和图四两种都满足Scheimpflug成像条件的结构对比可知，图四所示的结构的轴光线可以垂直入射到像面c0，而图二所示结构无论如何都无法做到轴光线与像面c垂直。图四的结构就可以使探测面c上的入射角达到最小，从而有效地降低反射损耗，在大角度入射时这种优势更为明显。
假设θ为10°，m0和m10都为0.5×，窗口折射率为1.5，则在直接在倾斜面上使用探测器，和分别使用图二和图四所示结构后，根据菲涅耳定律计算得到探测表面的反射损耗分别为39％，18％和0，由此可见图四的结构显著提高能量利用率。
当然在θ过小时，倾角α1将会过大，为校正象差带来困难，这样可以采用图五所示的结构两组所示结构来分担倾斜角。
图五所示为另一种倾斜成像单元和校正成像单元的结构，是这两个单元的第二种实施案例，其中b0为倾斜成像单元的一次像面21或校正成像单元的物面37，c0为倾斜成像单元的物面面12或校正成像单元的像面38。P21和P22分别为透镜组L21和L22的主平面，α2和α3分别为透镜组L21和L22的倾斜角，θ1为中间像面c2与水平轴的夹角，假设透镜组L21和L22的倍率分别为m21和m22，则由Scheimpflug条件就有：
tan(θ+α2)＝m21*tan(θ1-α2)
tan(θ1+α3)＝m22*tan(π/2-α3)
当θ小于20度时，采用适当的倍率后两组透镜的倾角都可以控制在10度以内，这样就比较容易设计。
当然以上倾斜成像单元和校正成像单元的结构上并不限定为单个或两个倾斜透镜成像单元，多组倾斜透镜成像单元也包括在该结构之内。
以上介绍的仅仅是基于本结构的施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的结构作本技术领域内熟知的部件替换、组合、分立均不超出本发明的揭露以及保护范围。
Claims (9)
1.一种用于调焦调平的光学系统；其特征在于，包括：照明单元、标记板、倾斜成像单元、投影成像单元、接受成像单元、校正成像单元和探测器；所述的照明单元提供均匀照明的宽带光，照射到标记板上，所述标记板经所述倾斜成像单元成一倾斜标记像，所述倾斜标记像经所述投影成像单元成像到硅片面上，经所述硅片面反射后再经所述接受成像单元成像为接受标记，再经过所述校正成像单元到所述探测器上，所述标记板经所述倾斜成像单元成一倾斜标记像，是指所述倾斜成像单元把垂直于照明光轴的所述标记板成一个与所述投影成像单元光轴成0°至90°夹角的像。
2.如权利要求1所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述倾斜成像单元、投影成像单元、接受成像单元、和校正成像单元满足倾斜的物成倾斜的像的条件。
3.如权利要求1或2所述的用于调平调焦的光学系统，其特征在于，在所述校正成像单元后还设置一偏置平板，所述偏置平板改变接受标记在探测器上的位置。
4.如权利要求1所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述倾斜标记像与所述硅片面相对于所述投影成像单元共轭。
5.如权利要求1所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述投影成像单元为双远心系统。
6.如权利要求5所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述投影成像单元的投影后组透镜是由正负透镜组构成的远摄镜头，其像方工作距离大于其焦距。
7.如权利要求1所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述接受成像单元和所述投影成像单元结构上相对于曝光物镜的光轴对称设置。
8.如权利要求1所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述校正成像单元和所述倾斜成像单元结构上相对于曝光物镜的光轴对称设置。
9.如权利要求8所述的用于调焦调平的光学系统，其特征在于，所述校正成像单元和所述倾斜成像单元结构为单个倾斜透镜成像单元，或两个以上的倾斜透镜组成的成像单元。
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