CN101526746A - 可调整零平面位置的垂向测量系统 - Google Patents

Abstract

一种可调整零平面位置的垂向测量系统，包括双光楔机构放置于垂向测量系统的光路中，用于改变光路中光束的偏移量。双光楔机构沿光路依次包括第一楔形块和第二楔形块。第一楔形块包括入射面和第一斜面。第二楔形块的楔角与折射率与第一楔形块相同。第二楔形块包括出射面和第二斜面，出射面平行于入射面，第二斜面与第一斜面相对且相互平行。其中第一楔形块和第二楔形块沿水平方向和垂直方向相对移动时，改变入射光束的偏移量。本发明结构简便、灵活性好、调整速度快、精度高。

Description

可调整零平面位置的垂向测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，且特别涉及一种光刻设备的垂向测量系统。

背景技术

随着大规模和超大规模集成电路制造工艺的发展，作为这一行业发展驱动器的光刻机也越来越先进。提高光刻机垂向测量系统的测量精度是优化曝光质量的前提条件。但提高垂向测量精度的同时却导致测量范围在不断减小。

在光刻机中由于热漂移及装配误差等因素使得垂向测量系统零平面位置和投影物镜最佳焦面之间的偏差比较大，该偏差量对于垂向测量系统来讲，必将引入测量误差。

专利号为4866262的美国专利公开了一种垂向测量系统，在测量光路中加入偏置平板。通过调整偏置平板来改变测量光束的位置，进而消除上述偏差。但由于该发明仅在一侧光路中引入偏置平板，在偏置平板转动后，反射光路中的光束偏移量不可控制。当偏移量过大时，对垂向测量系统带来成像误差，且该系统对反射光路中光学器件的安装精度提出了很高的要求。

专利号为5461237的美国专利提出了一种全新的测量方案，利用高频振动的扫描反射镜来产生高频光学探测信号，可以消除硅片表面形貌不规则所引起的系统测量误差。但该方案自身零平面位置不可调，不能消除由于投影物镜最佳焦面漂移所产生的垂向测量误差。

因此，设计一套能够大范围调整自身零平面位置，且不影响测量精度的垂向测量系统，在光刻设备中显得至关重要。

发明内容

本发明提出一种可调整零平面位置的垂向测量系统，能够解决上述问题。为了达到上述目的，本发明提出一种可调整零平面位置的垂向测量系统，包括光源发出入射光束，入射光束到达被测试的硅片后，反射光束由硅片反射至光电探测器。垂向测量系统包括双光楔机构放置于垂向测量系统的光路中，用于改变光路中光束的偏移量。双光楔机构沿光路依次包括第一楔形块和第二楔形块。第一楔形块包括入射面和第一斜面。第二楔形块的楔角与折射率与第一楔形块相同。第二楔形块包括出射面和第二斜面，出射面平行于入射面，第二斜面与第一斜面相对且相互平行。其中第一楔形块和第二楔形块沿水平方向和垂直方向移动时，改变入射光束的偏移量。

可选的，其中双光楔机构放置在入射光束的光路中，用来调整入射光束的光斑在硅片上的位置。

可选的，其中该双光楔机构控制入射光束的方向，使入射光束经过硅片反射后进入光电探测器的方向与调整前一致。

可选的，其中双光楔机构放置在反射光束的光路中，用来调整反射光束射入光电探测器的位置。

可选的，其中该双光楔机构控制反射光束的方向，使反射光束的方向进入光电探测器的方向与调整前一致。

可选的，其中垂向测量系统适用于光刻设备中，光刻设备包括物镜，物镜具有光轴，双光楔机构放置在入射光束的光路中，用来调整入射光束的光斑在硅片上的位置是在物镜的光轴上。

可选的，其中在该入射光束的光路中和该反射光束的光路中分别设置一个双光楔机构。

为了达到上述目的，本发明提出一种双光楔机构，放置于垂向测量系统的光路中，用于改变入射光束的偏移量。双光楔机构沿光路依次包括第一楔形块和第二楔形块。第一楔形块包括入射面和第一斜面。第二楔形块的楔角与折射率与第一楔形块相同。第二楔形块包括出射面和第二斜面，出射面平行于入射面，第二斜面与第一斜面相对且相互平行。其中第一楔形块和第二楔形块沿水平方向和垂直方向移动时，改变入射光束的偏移量。

可选的，其中双光楔机构的入射面垂直于入射光束。

可选的，其中第二楔形块仅沿垂直方向移动用来调整入射光束的偏移量。

可选的，其中当第一楔形块固定，第二楔形块的垂向调整量为Δy时，入射光束的偏移量d为：

$d=\frac{\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}\·\mathrm{\Δy},$

其中α为第一楔形块和第二楔形块的楔角，n为第一楔形块和第二楔形块的折射率。

可选的，其中第一楔形块仅沿水平方向移动用来调整入射光束的偏移量。

可选的，其中当第一楔形块固定，第二楔形块的水平调整量为Δx时，入射光束的偏移量d为：

$d=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}\·\mathrm{\Δx},$

其中α为第一楔形块和第二楔形块的楔角，n为第一楔形块和第二楔形块的折射率。

可选的，其中当第一楔形块或第二楔形块的垂向调整量为Δy、第一楔形块或第二楔形块的水平向调整量为Δx时，入射光束的偏移量d为：

$d=\frac{\mathrm{\Δy}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})+\mathrm{\Δx}\·\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})},$

其中α为第一楔形块和第二楔形块的楔角，n为第一楔形块和第二楔形块的折射率。

本发明提出的垂向测量系统通过调整两个楔形块之间的相对位置关系来改变测量光束路径。通过两个楔形块的配合使用，可以调整测量系统自身零面位置。测量系统结构简便、灵活性好、调整速度快、精度高。

在入射光路中布置双光楔机构可以改变测量光斑在被测量面上的位置，提高测量精度。在反射光路中布置双光楔机构能够调整测量光束打在光电探测器上的位置，实现测量系统完全机械调零，调零后不影响后续数据处理过程，使得系统整个测量范围区间能够实现垂向调整。

在保证系统测量精度的前提下达到了提高系统测量范围的目的。该测量系统便于消除由于环境温度变化导致的热漂移或系统受力导致的机械漂移等因素所引起的测量误差。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例中垂向测量系统的结构示意图。

图2所示为本发明较佳实施例垂向测量系统零平面位置调整作动示意图。

图3为另一实施例垂向测量系统零平面位置调整作动示意图。

图4所示为双光楔机构垂直调整的原理示意图。

图5所示为双光楔机构水平调整的原理示意图。

图6所示为双光楔机构水平和垂直调整方式结合的原理示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1为本发明一较佳实施例中垂向测量系统的结构示意图。

本实施例揭露一种可自动调整零平面位置的垂向测量系统，可作为光刻机垂向测量传感器。如图1所示，本实施例揭露的垂向测量系统适用于光刻设备中。

光刻设备包括投影物镜1和工作台8等组件。工作台8上放置被测量硅片7。工作台8可以驱动硅片7沿垂向和水平向运动。

垂向测量系统沿光路方向包括光源2，准直透镜3，投影狭缝4，第一双光楔机构5，第一反射镜6，第二反射镜9，第二双光楔机构10，扫描反射镜11，探测狭缝12和光电探测器13。

正常工作时，垂向测量系统的光源2发出的测量光线经过准直透镜3后形成平行入射光束。平行入射光束透过投影狭缝4后垂直射向第一双光楔机构5，透过第一双光楔机构5之后由反射镜6将光束引向被测硅片7上表面。硅片7固定在工作台8上，位于物镜1的最佳焦平面上，硅片7可以随工作台8一起垂直或水平移动。

入射光束经硅片7反射后，反射光束携带着硅片表面位置信息由反射镜9反射后垂直射向第二双光楔机构10，反射光束透过第二双光楔机构10后射向扫描反射镜11，扫描反射镜11一直做高频振动，反射光束经扫描反射镜11反射后透过探测狭缝12射向光电探测器13，光电探测器13通过对高频测量信号进行分析处理，得到被测量硅片7相对于投影物镜1最佳焦平面的垂向位置信息。

图2所示为本发明较佳实施例垂向测量系统零平面位置调整作动示意图。

在光刻设备正常工作时，为了保证垂向测量精度，垂向测量系统的零平面位置应该跟投影物镜1最佳焦平面位置相互重合。然而由于物镜1的机械框架长期受热、受力等外界影响发生变形，导致投影物镜1的最佳焦面位置发生漂移。

图2中的虚线部分表示当硅片7位于AA’位置时，第一双光楔机构5和第二双光楔机构10无需调整时的状态。

如图2所示，由于物镜1的框架变形或其它原因，投影物镜1的最佳焦面由原来的AA’位置漂到了BB’位置。此时垂向测量系统测得的硅片7上表面相对于物镜最佳焦面之间的垂向位置信息将引入一个高度差，该高度差的存在将导致整个光刻机曝光质量的降低。

针对这种情况，最好的解决办法是对光刻机垂向测量系统的零平面位置进行调整，确保垂向测量系统的零平面位置始终与投影物镜1最佳焦平面位置相互重合，即硅片7处于图2中BB’位置。

本实施例中的具体调整过程如下，首先驱动工作台8，使硅片7上表面处于投影物镜最佳焦面位置BB’处；然后调整第一双光楔机构5平移入射光束，进而调整测量光斑在硅片7上的位置，保证硅片7上的测量光斑在投影物镜1的光轴OO’上。光斑在投影物镜1的光轴OO’上时，垂向测量系统具有较高的测量精度。最后调整第二双光楔机构10平移反射光束，使透过第二双光楔机构10后的反射光束射向扫描反射镜11的中心，从而保证光电探测器13接收到的高频测量信号与零平面调整前一样。

这样，垂向测量系统不会因为零平面的调整而影响后续信号处理过程，进而达到了系统自动调零的目的。由于该测量系统零平面位置垂向可调，使得系统测量范围区间随零平面位置上下可调，在保证系统测量精度的前提下扩大了测量范围。

图3为另一实施例垂向测量系统零平面位置调整作动示意图。

如图所示在垂向测量系统包括光源2，准直透镜3，投影狭缝4，第一反射镜6，第二反射镜9，双光楔机构10，扫描反射镜11，探测狭缝12和光电探测器13。

如图3所示，由于物镜1的框架变形或其它原因，投影物镜1的最佳焦面由原来的AA’位置漂到了BB’位置。为了对光刻机垂向测量系统的零平面位置进行调整，确保垂向测量系统的零平面位置始终与投影物镜1最佳焦平面位置相互重合，即硅片7处于图3中BB’位置。

本实施例中的具体调整过程如下，首先驱动工作台8，使硅片7上表面处于投影物镜最佳焦面位置BB’处，调整双光楔机构10平移反射光束，使透过第二双光楔机构10后的反射光束射向扫描反射镜11的中心，从而保证光电探测器13接收到的高频测量信号与零平面调整前一样。

同样地，可以只在入射光路中放置双光楔机构。通过该双光楔机构调整入射光束的方向，从而改变由硅片反射的光束的方向，反射光束经过反射镜和扫描反射镜后投射到光电探测器，使该光电探测器接收到的高频测量信号与零平面调整前一样。图4所示为双光楔机构垂直调整的原理示意图。

本发明中的关键部件是第一双光楔机构5和第二双光楔机构10中的双光楔机构100。双光楔机构100由两个折射率和楔角完全相同的楔形块101和102组成。通过改变两个楔形块之间的位置关系能够平移透过双光楔结构的测量光束的位置，双光楔机构100可分为垂向调整和水平向调整两种类型。

楔形块101至少包括入射面101a和斜面101b，入射面101a和斜面101b之间的角度为楔角α。楔形块102至少包括出射面102a和斜面102b，入射面101a和斜面101b之间的角度也为楔角α。斜面101b和斜面102b相对且互相平行，入射面101a和出射面102a互相平行。为了方便说明，在后续的说明中，楔形块101和102的初始位置为两个斜面101b和102b水平方向和垂直方向的相对距离均为零。

双光楔机构垂向调整原理如图4所示，楔形块101固定不动，通过垂向调整楔形块102的位置来改变入射光束l的偏移量d。楔形块101和102形状完全相同，且楔角都为α。假设入射光束l通过楔形块101后在空气中的折射角为α+β，若已知楔形块的折射率为n(n＞1)，则根据折射原理有关系式n·sinα＝sin(α+β)，于是β＝arcsin(nsinα)-α。由图4可知，当双光楔机构的楔形块102的垂向调整量为Δy时，

$\frac{d}{\mathrm{\Δy}+d\·\mathrm{tg\α}}=\mathrm{tg\β},$ 即 $d=\frac{\mathrm{tg\β}}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}}\·\mathrm{\Δy},$

代入β值，可得：

$d=\frac{\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}\·\mathrm{\Δy}$

式中α、β角都已知，根据楔形块102的垂向调整量Δy可以计算出光束的偏移量d。

图5所示为双光楔机构水平调整的原理示意图。

双光楔机构水平向调整原理如图5所示，楔形块101固定不动，通过水平向调整楔形块102的位置来改变入射光束l的偏移量d。楔形块101和102形状完全相同，且楔角都为α，假设入射光束l通过楔形块101后在空气中的折射角为α+β，若已知楔形块的折射率为n(n＞1)，则根据折射原理有关系式n·sinα＝sin(α+β)，于是β已知，β＝arcsin(nsinα)-α。由图5可知，当双光楔机构的楔形块102的水平向调整量为Δx时，

$\frac{d}{\mathrm{\Δx}\·\mathrm{tg\α}+d\·\mathrm{tg\α}}=\mathrm{tg\β},$ 即 $d=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}}\·\mathrm{\Δx},$

代入β值：

$d=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}\·\mathrm{\Δx}$

式中α、β角都已知，根据楔形块102的水平向调整量Δx可以计算出光束的偏移量d。

对以上两种调整方案分析可知，当楔角α＜45°时，垂向调整系数

大于水平向调整系数

即垂向调整方式具有较大的调整范围，而水平调整方式具有较高的调整精度。

图6所示为双光楔机构水平和垂直调整方式结合的原理示意图。

因此，通过垂向调整和水平向调整方式的配合使用，使得双光楔机构既可以大范围粗调，又可以精确调整。如图6所示，楔形块101固定不动，通过垂向和水平向调整楔形块102的位置来改变入射光束l的偏移量d。楔形块101和102形状完全相同，且楔角都为α，假设入射光束l通过楔形块101后在空气中的折射角为α+β，若已知楔形块的折射率为n(n＞1)，则根据折射原理有关系式

n·sinα＝sin(α+β)，

于是β已知，β＝arcsin(nsinα)-α。由几何关系可以确定

$\frac{d}{\mathrm{\Δy}+\mathrm{\Δx}\·\mathrm{tg\α}+d\·\mathrm{tg\α}}=\mathrm{tg\β},$ 因此

$d=\frac{\mathrm{\Δy}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})+\mathrm{\Δx}\·\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})},$

即此时光束偏移量d为垂向运动偏移量和水平向运动偏移量的叠加。式中α、β角都已知，根据楔形块102的垂向调整量Δy和水平向调整量Δx可以计算出光束的偏移量d。

为了便于实现双光楔机构垂向和水平调整的配合使用，在本实施例中，使楔形块102负责垂向调整，而楔形块101负责水平向调整。具体调整过程如下，首先根据给定的光束偏移量计算出楔形块102的垂向调整量d。然后通过移动楔形块102进行垂向粗调，保持楔形块101固定不动，驱动楔形块102沿垂向移动距离d。由于垂向调整精度较低，垂向调整后光束未必能够精确偏移到指定位置(在本实施例中，即为保证硅片7上的测量光斑在投影物镜1的光轴OO’上)，此时可以通过移动楔形块101进行水平向精调，保持楔形块102固定不动，驱动楔形块101沿水平向移动，使得光束最终偏移到理想位置。

在其他实施例中，楔形块101和楔形块102的调整方向也可以调换，或者同一楔形块同时水平向和垂向调整。

为了精确保证光束偏移量d和楔形块调整量Δy、Δx之间的位置关系，在测量系统中一定要确保测量光束通过双光楔机构时为垂直入射，即入射面101a垂直于入射光束。

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 (14)

1.一种可调整零平面位置的垂向测量系统，包括光源发出入射光束，该入射光束到达被测试的硅片后，反射光束由该硅片反射至光电探测器，其特征是，该垂向测量系统包括：

双光楔机构，放置于垂向测量系统的光路中，用于改变光路中光束的偏移量，其特征是，沿光路依次包括：

第一楔形块，包括入射面和第一斜面；以及

第二楔形块，该第二楔形块的楔角与折射率与该第一楔形块相同，该第二楔形块包括出射面和第二斜面，该出射面平行于该入射面，该第二斜面与该第一斜面相对且相互平行，

其中该第一楔形块和该第二楔形块沿水平方向和垂直方向相对移动时，改变光束的偏移量。

2.根据权利要求1所述的垂向测量系统，其特征是，其中该双光楔机构放置在该入射光束的光路中，用来调整入射光束的光斑在硅片上的位置。

3.根据权利要求2所述的垂向测量系统，其特征是，其中该双光楔机构控制入射光束的方向，使入射光束经过硅片反射后进入光电探测器的方向与调整前一致。

4.根据权利要求1所述的垂向测量系统，其特征是，其中该双光楔机构放置在该反射光束的光路中，用来调整反射光束射入光电探测器的位置。

5.根据权利要求4所述的垂向测量系统，其特征是，其中该双光楔机构控制反射光束的方向，使反射光束的方向进入光电探测器的方向与调整前一致。

6.根据权利要求1所述的垂向测量系统，其特征是，其中在该入射光束的光路中和该反射光束的光路中分别设置一个双光楔机构。

7.根据权利要求6所述的垂向测量系统，其特征是，其中该垂向测量系统适用于光刻设备中，该光刻设备包括物镜，该物镜具有光轴，该双光楔机构放置在该垂向测量系统的光路中，用来调整入射光束的光斑在硅片上的位置在该物镜的光轴上。

8.一种双光楔机构，放置于垂向测量系统的光路中，用于改变入射光束的偏移量，其特征是，沿光路依次包括：

第一楔形块，包括入射面和第一斜面；以及

第二楔形块，该第二楔形块的楔角与折射率与该第一楔形块相同，该第二楔形块包括出射面和第二斜面，该出射面平行于该入射面，该第二斜面与该第一斜面相对且相互平行，

其中该第一楔形块和该第二楔形块沿水平方向和垂直方向相对移动时，改变入射光束的偏移量。

9.根据权利要求8所述的双光楔机构，其特征是，其中该双光楔机构的该入射面垂直于该入射光束。

10.根据权利要求8所述的双光楔机构，其特征是，其中该第二楔形块仅沿垂直方向移动用来调整该入射光束的偏移量。

11.根据权利要求8所述的双光楔机构，其特征是，其中当该第一楔形块固定，该第二楔形块的垂向调整量为Δy时，该入射光束的偏移量d为：

$d=\frac{\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}\·\mathrm{\Δy},$

其中α为第一楔形块和第二楔形块的楔角，n为第一楔形块和第二楔形块的折射率。

12.根据权利要求8所述的双光楔机构，其特征是，其中该第一楔形块仅沿水平方向移动用来调整该入射光束的偏移量。

13.根据权利要求8所述的双光楔机构，其特征是，其中当该第一楔形块固定，该第二楔形块的水平调整量为Δx时，该入射光束的偏移量d为：

$d=\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}\·\mathrm{\Δx},$

其中α为第一楔形块和第二楔形块的楔角，n为第一楔形块和第二楔形块的折射率。

14.根据权利要求8所述的双光楔机构，其特征是，其中当第一楔形块或第二楔形块的垂向调整量为Δy、第一楔形块或第二楔形块的水平向调整量为Δx时，该入射光束的偏移量d为：

$d=\frac{\mathrm{\Δy}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})+\mathrm{\Δx}\·\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})}{1-\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg}(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)-\mathrm{\α})},$

其中α为第一楔形块和第二楔形块的楔角，n为第一楔形块和第二楔形块的折射率。

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