CN101487983A - 一种光束传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光束传输装置，用于将激光器出射的光束传输到基础照明系统，在所述光束的光路上，放置光束控制单元，在所述光束的光路上，放置有一分束器，所述光束经过所述分束器后被分成第一光束和第二光束，所述第一光束的光路上设置一光束出口，所述第二光束的光路上设置光束测量单元，所述光束控制单元和所述光束测量单元都和一控制器相连，本发明能够实时测量光束的位置和角度，并根据测量结果及时调节光束的位置和角度，确保了照明系统远心和均匀性的稳定性。

Description

一种光束传输装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光刻曝光系统，且特别涉及光刻曝光系统中的一种光束传输装置及方法。

背景技术

光刻曝光系统通常包括提供辐射光束的光源，光束传输系统，基础照明系统、含有电路图的掩模版、投影系统、和用于涂覆了光刻胶的硅片和硅片对准台。光束传输系统包括将光束从光束转向和传输进入基础照明系统的传输装置，用于将从光源发出的光束以正确的角度和位置入射在基础照明系统上，基础照明系统照射掩模版电路图，投影系统把掩模版电路图照明区域的像投射到晶片上。

如图1所示，光束传输系统从激光器101中出射光束进入扩束器102，之后通过第一反射镜103和第二反射镜104的反射进入光束测量单元105，从光束测量单元105出来后进入基础照明系统106，光刻曝光时要求照明系统有非常好的稳定性(远心、均匀性)，这些由基础照明系统来实现，基础照明系统通常包括衍射光学元件用来产生各种照明光瞳形貌，变焦透镜组实现可调的照明相干因子，匀光器件以使照明视场均匀照明，光束最后通过基础照明系统106内的反射镜入射到掩膜107上，将掩膜107上的几何图案转印到硅片108面上。然而由于激光器直接出射的光束随时间会有一定的角度和位置漂移，因此需要实时监视并校正光束的漂移。

中国专利CN1542552A提供了一种应用于光刻曝光系统的光束传输系统，结构如图2所示，该结构可以对光束的角度和位置进行调节，具体是通过可平动的反射镜11以及可旋转平动的反射镜12来完成，可平动反射镜11通过平动来改变光束的位置，反射镜12既可以旋转又可以平动，这样12可以改变光束的角度，并且补偿由于改变角度造成的光束位置偏移。虽然这种传输系统可以对光束的角度和位置进行调节，但是这种调节是在光束传输之间就设定好的，并非实时的进行调节，在光束传输的过程中，即使照明系统的远心和均匀性指标达不到要求，这种系统也不能及时的发现做修正。

发明内容

为了克服已有技术中传输装置调节光束的角度和位置的滞后的问题，本发明提供一种能够实时的调节光束的角度和位置的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种光束传输装置，用于将激光器出射的光束传输到基础照明系统，在所述光束的光路上，放置光束控制单元，在所述光束的光路上，放置有一分束器，所述光束经过所述分束器后被分成第一光束和第二光束，所述第一光束的光路上设置一光束出口，所述第二光束的光路上设置光束测量单元，所述光束控制单元和所述光束测量单元都和一控制器相连。

可选的，所述光束控制单元包括第一可控反射镜和第二可控反射镜，所述光束依次通过第一可控反射镜和第二可控反射镜。

可选的，所述第一可控反射镜和所述第二可控反射镜都和所述控制器相连。

可选的，所述光束测量单元包括光束位置测量模块和光束指向测量模块。

可选的，所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体、多个中继透镜和光束位置探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

可选的，所述光束位置探测器和所述控制器相连。

可选的，所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体和光束位置探测器，光束透过第一光谱转换晶体投射到光束位置探测器上。

可选的，所述第一光谱转换晶体直接附在所述光束位置探测器上。

可选的，所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体、多个中继透镜和光束角度探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

可选的，所述光束指向探测器和所述控制器相连。

可选的，所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体和光束指向探测器。

可选的，所述第二光谱转换晶体直接附在所述光束指向探测器上。

为了实现上述目的，本发明还提出一种光束传输方法，包括以下步骤：步骤S1：使用激光器，提供照射用的光束；步骤S2：所述光束入射扩束器；步骤S3：所述光束入射光束控制单元；步骤S4：所述光束入射分束器，所述光束被分成第一光束和第二光束；步骤S5：所述第一光束通过光束出口进入基础照明系统，所述第二光束进入光束测量单元；步骤S6：所述光束测量单元测量光束的位置和指向信息，并将所述信息输入控制器；步骤S7：所述控制器根据获得的光束位置和指向信息，根据闭环收敛控制算法，计算光束控制单元所需的调节量；步骤S8：控制器控制光束控制单元。

可选的，所述光束控制单元包括第一可控反射镜和第二可控反射镜，所述光束依次通过第一可控反射镜和第二可控反射镜。

可选的，所述第一可控反射镜和所述第二可控反射镜都和所述控制器相连。

可选的，所述光束测量单元包括光束位置测量模块和光束指向测量模块。

可选的，所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体、多个中继透镜和光束位置探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

可选的，所述光束位置探测器和所述控制器相连。

可选的，所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体和光束位置探测器，光束透过第一光谱转换晶体投射到光束位置探测器上。

可选的，所述第一光谱转换晶体直接附在所述光束位置探测器上。

可选的，所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体、多个中继透镜和光束角度探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

可选的，所述光束指向探测器和所述控制器相连。

可选的，所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体和光束指向探测器。

可选的，所述第二光谱转换晶体直接附在所述光束指向探测器上。

本发明所述的一种光束传输装置及方法的有益效果主要表现在：使用控制器实时控制光束位置测量模块和光束角度测量模块，可以实时的得出测量结果，由于控制器还控制这第一可控反射镜和第二可控反射镜的转向，因此可以根据测量结果实时的调整光束的位置和角度，保证了照明系统具有稳定的远心和均匀性。

附图说明

图1为现有技术的光刻曝光系统结构示意图；

图2为现有技术的激光光束控制系统机构示意图；

图3为本发明光束传输装置的结构示意图；

图4为光束控制单元对光束位置和角度的控制原理图；

图5为光束位置测量原理图；

图6为光束指向测量原理图；

图7为光束测量单元对光束控制单元的控制算法流程图；

图8为本发明第二实施例的原理图；

图9为本发明第二实施例的光束位置测量原理图；

图10为本发明第二实施例的光束角度测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的描述。

图3是本实施例光束传输系统的总体结构图，包括：激光器1，扩束器2，第一可控反射镜31和第二可控反射镜32，属于光束控制单元、41和42为分束器，用于将光束取样和分束；501、502、503是聚焦透镜，是光束指向测量光路；601和602是YAG:Ce晶体，将紫外的193nm波长转化为可见光；701、702、703和704是光束位置测量光路；801、802、803和804是中继透镜；901和902分别为对光束位置和角度进行测量的传感器；10为控制器；111是衍射光学元件(DOE)，为光束的出口。

由激光光源1发出的光束经过扩束器2扩束后入射在光束控制单元上，光束控制单元包括可控反射镜31和32，可控反射镜由高精密的步进电机控制，步进电机可以调节反射镜在两个轴向的运动，既起到光束引导的作用，又可以控制光束的指向和位置。

下面说明可控反射镜31和32联合进行调节后，实现光束调节的过程。

如图4所示，设可控反射镜BSM1和BSM2关于光束的角度变化量分别为Δα1和Δα2，光束入射在衍射光学元件111上的角度变化为Δα，位置变化为ΔX，第一可控反射镜31和第二可控反射镜32的角度变化量决定了出射光束的变化。光束位置和角度的变化量与第一可控反射镜31和第二可控反射镜32角度变化量的关系为(这里忽略转动轴和入射光束位置存在位移造成的偏差)：

Δα＝2Δα2-2Δα1                        (1a)

ΔX＝2Δα1×(L1+L2)-2Δα2×L2           (1b)

上式中Δα1、Δα2、Δα都是矢量，按照图4中的顺时针方向约定为正向。

由公式(1a)和(1b)可以计算出：

Δα1＝(Δx-Δar*L2)/2L1               (2a)

Δα2＝Δα1-Δα/2                      (2b)

即当光束测量单元测出Δα和ΔX后，根据公式(2a)和(2b)式可计算得到反射镜的调节量，进而对光束实现调节。

光束测量单元包括光束位置测量和光束指向测量。测量的传感器为传感器PSD(Position Sensing Device)，需要指出的是，PSD传感器是一种位置探测元件，它可以探测光斑的位置信息，并将位置信息转换为电压信号。但是，光刻曝光系统的波长通常为紫外光，193nm或248nm，在这种情况下，传感器并不能直接探测193nm波长的光束，需要将紫外光转换为可见光再进行探测。为此，需要将光谱进行转换，再用传感器进行探测。目前，紫外光转换为可见光的常见晶体为YAG:Ce，该晶体将193nm的紫外光转换为520nm的可见光，这样，传感器就可以探测光斑位置。

光束位置测量原理如图5所示，光束经过分束器41和42取样后，入射在YAG晶体601上，YAG晶体激发荧光散射可见光，YAG晶体后有一光束位置测量光路，为双远心的光学系统，同时，将光斑缩小一定的比例。YAG放在物面上，传感器放在像面上，这样传感器上探测的光斑就是YAG的光斑。将光斑进行压缩的目的是因为传感器的尺寸有限。假设光束位置偏移h1，光束位置测量光路的压缩比为f，则在传感器上所探测的偏移量为h1×f。测量到传感器上的光束偏移量就可以计算实际光束的偏移量。

光束指向测量原理如图6所示，YAG放置在光束指向测量光路的焦面上，对于一般的光学系统，若焦距为f，则其理想像高为Δy＝ftanθ。本发明中，为了使PSD上所探测的位置Δy与光束偏角θ成线性关系，将光路设计成线性成像系统f·θ镜头。为此，故意使聚焦镜头产生一定的负畸变，从而实现线性成像的目的。随着光束角度的增大，实际像高应比理想像高小，对应的畸变量为：δy＝f(θ-tanθ)，具有上述畸变量的透镜系统，其像高为Δy＝f·θ，即探测器探测的位置信息和像高成线性关系。另外，位置测量光路设计成像方远心光路，这样，像方主光线与光轴平行，如果YAG晶体不是严格的放置在f·θ镜头的焦面上，也不影响探测的准确性，降低了光学系统的装调要求，YAG后有一双远心的中继透镜，YAG面和PSD面共轭，这样，根据PSD测量的位置Δy和透镜焦距f就可以测得光束的指向。

图3中的PSD(Position Sensing Device)901和902分别测量到光束的位置和指向信息后，将测量信号反馈到控制器板卡，控制器根据控制算法计算出两个可控反射镜需要的调整量，然后将控制信号发送给反射镜BSM1和BSM2，精确的闭环控制反射镜的转动，从而实现稳定光束位置和指向的作用。实际调节是个循环收敛的过程：光束测量单元测出Δα和Δx后，计算BSM1和BSM2的调节量Δα1和Δα2并执行调节；然后重复测量Δα和Δx，若没有调整到位，则再次计算调节量Δα1和Δα2并执行调节；这样反复循环，直至调节到所需的精度范围，整个调节过程是收敛的，如图7所示，图7中，当光束测量单元测出的Δα和ΔX小于容差时，退出循环，系统认为此时BSM1和BSM2已经稳定了光束。这时，最后的残余Δα和ΔX可以认为是光束稳定系统的控制精度。

本发明的第二实施例直接在PSD表面附着一层YAG:Ce晶体，在YAG:Ce和PSD之间可有一小的间隙。193nm的紫外光入射在YAG:Ce上，YAG:Ce晶体受到紫外光的照射，产生散射光，由于YAG:Ce晶体是一种光谱转换晶体，可以将紫外光转换为可见光，这样，PSD就可以探测光斑的位置，其原理如图8所示。

本实施例不需要中继透镜，简化了光路设计，另外提高了光能利用率。

本实施例光束位置测量原理如图9所示，光束位置测量光路实际为一无焦系统，将入射平行光进行了压缩，压缩的目的是利用PSD探测，因为PSD的尺寸有限。假设光束位置偏移h1，光束位置测量模块的压缩比为f1/f2，则在PSD上所探测的偏移量为h1×f2/f1。测量到PSD上的光束偏移量就可以计算实际光束的偏移量。需要指出的是，PSD放置在光学系统的出瞳面上，这样光束指向对光束位置的测量不会有影响。

光束指向测量原理如图10所示，PSD直接放置在光学焦面上，光学镜头设计为像方远心的f·θ镜头，假设入射光束具有偏角θ，则光束的焦点在PSD平面上的位置为：Δy＝f·θ。这样，θ＝Δy/f。根据PSD测量的位置Δy和透镜焦距f就可以测得光束的指向。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (24)

1.一种光束传输装置，用于将激光器出射的光束传输到基础照明系统，在所述光束的光路上，放置光束控制单元，其特征在于：在所述光束的光路上，放置有一分束器，所述光束经过所述分束器后被分成第一光束和第二光束，所述第一光束的光路上设置一光束出口，所述第二光束的光路上设置光束测量单元，所述光束控制单元和所述光束测量单元都和一控制器相连。

2.根据权利要求1所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束控制单元包括第一可控反射镜和第二可控反射镜，所述光束依次通过第一可控反射镜和第二可控反射镜。

3.根据权利要求2所述一种光束传输装置，其特征在于所述第一可控反射镜和所述第二可控反射镜都和所述控制器相连。

4.根据权利要求1所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束测量单元包括光束位置测量模块和光束指向测量模块。

5.根据权利要求4所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体、多个中继透镜和光束位置探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

6.根据权利要求5所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束位置探测器和所述控制器相连。

7.根据权利要求4所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体和光束位置探测器，光束透过第一光谱转换晶体投射到光束位置探测器上。

8.根据权利要求7所述一种光束传输装置，其特征在于所述第一光谱转换晶体直接附在所述光束位置探测器上。

9.根据权利要求4所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体、多个中继透镜和光束角度探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

10.根据权利要求9所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束指向探测器和所述控制器相连。

11.根据权利要求4所述一种光束传输装置，其特征在于所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体和光束指向探测器。

12.根据权利要求11所述一种光束传输装置，其特征在于所述第二光谱转换晶体直接附在所述光束指向探测器上。

13.一种光束传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：使用激光器，提供照射用的光束；

步骤S2：所述光束入射扩束器；

步骤S3：所述光束入射光束控制单元；

步骤S4：所述光束入射分束器，所述光束被分成第一光束和第二光束；

步骤S5：所述第一光束通过光束出口进入基础照明系统，所述第二光束进入光束测量单元；

步骤S6：所述光束测量单元测量光束的位置和指向信息，并将所述信息输入控制器；

步骤S7：所述控制器根据获得的光束位置和指向信息，根据闭环收敛控制算法，计算光束控制单元所需的调节量；

步骤S8：控制器控制光束控制单元。

14.根据权利要求13所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束控制单元包括第一可控反射镜和第二可控反射镜，所述光束依次通过第一可控反射镜和第二可控反射镜。

15.根据权利要求14所述一种光束传输方法，其特征在于所述第一可控反射镜和所述第二可控反射镜都和所述控制器相连。

16.根据权利要求13所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束测量单元包括光束位置测量模块和光束指向测量模块。

17.根据权利要求16所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体、多个中继透镜和光束位置探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

18.根据权利要求17所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束位置探测器和所述控制器相连。

19.根据权利要求16所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束位置测量模块包括第一光谱转换晶体和光束位置探测器，光束透过第一光谱转换晶体投射到光束位置探测器上。

20.根据权利要求19所述一种光束传输方法，其特征在于所述第一光谱转换晶体直接附在所述光束位置探测器上。

21.根据权利要求16所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体、多个中继透镜和光束角度探测器，光束依次经过第一光谱转换晶体、中继透镜之后投射到光束位置探测器上。

22.根据权利要求21所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束指向探测器和所述控制器相连。

23.根据权利要求16所述一种光束传输方法，其特征在于所述光束指向测量模块包括第二光谱转换晶体和光束指向探测器。

24.根据权利要求23所述一种光束传输方法，其特征在于所述第二光谱转换晶体直接附在所述光束指向探测器上。

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