CN101551523A - 相干成像系统 - Google Patents

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Abstract

相干成像系统，从物面开始依次包括由傅立叶透镜前组、将光路分成第一光路和第二光路的分束器，所述分束器包括一四分之一波片，所述第一光路上自所述分束器依次包括：第一空间滤波器、第一傅立叶透镜后组、第一参考光栅，像在所述第一参考光栅的后面；所述第二光路上自所述分束器依次包括第二空间滤波器、第二傅立叶透镜后组、第二参考光栅，所述第一光路的像在所述第一参考光栅的后面；所述第二光路的像在所述第二参考光栅的后面，其中，所述傅立叶透镜前组、第一傅立叶透镜后组、第二傅立叶透镜后组均由三片透镜组成。本发明具体实现其更大的入瞳直径和角视场，并且结构更加简单。

Description

相干成像系统
技术领域
本发明属于光刻技术领域，特征涉及光刻对准的相干成像系统。
背景技术
投影光刻装置(投影光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。投影光刻机可将掩模板上的图形通过其投影物镜按一定比例转移到硅片上(本文中的硅片泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等)。由于一般都要在硅片上的器件区曝多层图形来最终形成特定的器件，因而就需要保证不同层图形之间精确对准，也就是我们常说的不同层图形之间的套刻，套刻精度是投影光刻机的三大重要指标之一，而投影光刻机的套刻功能是由对准分系统在其他分系统(如工件台、整机控制和调焦调平分系统)配合下完成的。
随着大规模集成电路的对集成度的需求不断提高，光刻机的关键尺寸(CriticalDimension，CD)在不断缩小，由此对光刻机的对准精度的要求也越来越高，因此自从CD进入亚微米领域特别是在大规模集成电路制造工艺中引入化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing，CMP)工艺后，光刻机的对准系统就由原来的通过物镜(Through The Lens，TTL)对准系统升级成TTL加上离轴对准系统(Off-axis Alignment，OA)的模式，如专利US.6,297,876B1所描述的对准系统以及中国专利200710044152.1所描述的对准系统都是这种模式，离轴对准系统5在光刻机中的布置如图所示，其中离轴对准系统5相对于投影物镜4的位置固定并且离轴对准系统5的光轴要尽可能的靠近投影物镜4的光轴，离轴对准系统5要检测的标记位于硅片1或工件台3上，在对准过程中硅片1或工件台3上的标记相对于离轴对准系统5扫描，从而可以得到被测标记相对于离轴对准系统5(离轴对准系统5位置固定且相对于投影物镜的距离为机器常数)位置，结合同轴对准系统后即可以得到掩模2的掩模版标记相对于硅片1或工件台3上标记的相对位置关系。
美国专利US.6,297,876B1和中国专利200710044152.1所描述的离轴对准系统都是基于双光栅检测的模式来实现离轴对准的。而专利200710044152.1的基本原理是：位于硅片或工件台上的被测标记是一个反射型的相位光栅，被离轴对准系统垂直照明后发生衍射，某些特定级次的衍射光被离轴对准系统所收集(在这里以±1级次光被收集为例进行说明)，通过离轴对准系统的傅立叶透镜后，相位光栅的±1级次光再次发生干涉，形成相位光栅的相应级次的干涉像，并在干涉成像的位置处放置参考光栅，则当相位标记相对离轴对准系统的位置也即相对参考光栅的位置发生变化时，通过参考光栅后面的总光强也相应发生变化，在参考光栅后面放置探测模块后，就可以通过首先探测光强变换进而转化为相位变化，最终可以探测出相位光栅标记相对OA的位置关系。
根据专利200710044152.1所给出的离轴对准系统的原理可知：其中最关键的光学器件是由傅立叶透镜、偏振分束器、参考光栅以及空间滤波器等组成的相干成像系统，但具体的相干成像系统设计并未提供。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种相干成像系统，本发明在于给出中国专利申请200710044152.1中的相干成像系统的具体光学设计，以具体实现其更大的入瞳直径和角视场，并且结构更加简单(没有了美国专利US.6,297,876B1中楔形板组)的发明目的。
本发明采用如下技术方案：
一种相干成像系统，从物面开始依次包括由傅立叶透镜前组、将光路分成第一光路和第二光路的分束器，所述分束器包括一四分之一波片，所述第一光路上自所述分束器依次包括：第一空间滤波器、第一傅立叶透镜后组、第一参考光栅；所述第二光路上自所述分束器依次包括第二空间滤波器、第二傅立叶透镜后组、第二参考光栅；所述第一光路的像在所述第一参考光栅的后面；所述第二光路的像在所述第二参考光栅的后面。
其中，所述傅立叶透镜前组、第一傅立叶透镜后组、第二傅立叶透镜后组均由三片透镜组成。
进一步地，所述第一光路和第二光路工作在两个不同的波长。
进一步地，所述第一空间滤波器与所述第一傅立叶透镜后组之间设有第一支架和位于所述第一支架上的第一小反射棱镜。
进一步地，所述第二空间滤波器与所述第二傅立叶透镜后组之间设有第二支架和位于所述第二支架上的第二小反射棱镜。
进一步地，所述相干成像系统的工作距离大于等于55mm且小于75mm，其中，所述傅立叶透镜前组的焦距大于65mm且小于120mm。
进一步地，所述相干成像系统的光程差大于0小于0.25波长。
进一步地，所述相干成像系统的角视场对红光大于等于18°，对绿光大于等于15°，所述相干成像系统的角放大倍率为-1且角放大倍率误差小于0.5％。
本发明是对中国专利申请200710044152.1中的相干成像系统的具体光学设计的细化，以具体实现其更大的入瞳直径和角视场，并且结构更加简单，并且没有了美国专利US.6,297,876B1中楔形板组。
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
附图说明
图1为离轴对准系统(OA)在光刻机中的位置示意图；
图2为本发明实施例中三周期光栅标记离轴对准系统原理示意图；
图3为红光相干成像系统光学元件二维图(O光)；
图4为红光相干成像系统光学元件二维图(E光)；
图5为红光相干成像系统OPD(O光)；
图6为红光相干成像系统OPD(E光)；
图7为绿光相干成像系统光学元件二维图；
图8为绿光相干成像系统的OPD。
具体实施方式
根据申请号为200710044152.1的中国专利申请的原理和指标分解，对其相干成像模块的光学设计的设计需求如下：
1)入瞳直径不小于1.1mm；
2)红光系统的角视场不得小于18°，绿光系统的角视场不得小于15°；
3)角放大倍率为-1，且所有角视场的放大倍率误差不得大于0.5％；
4)从物方开始最后两个光学元件之间的中心间距不得小于30mm；
5)傅立叶透镜前后组的焦距不小于65mm；
6)前工作具不小于55mm；
7)所有光学元件的通光口径不得大于52mm；
8)傅立叶透镜的前组的后焦面到偏振分束器的相应光的出射面的距离不得小于5mm；
9)整个相干成像模块的光程差(OPD)不得大于0.25个波长；
10)所有选用的玻璃材料必须为常用的，且光学元件的个数要尽快能地少。
根据以上设计需求，给出的相应的光学设计如下所述。
本实施例中的相干成像系统，位于图2的离轴对准系统中，图2中与相干成像系统无直接关系的现有离轴对准部件被省略。在具体光学设计中，根据光学设计的特点，以下分别给出绿光的相干成像光学系统和红光的相干成像系统，但这两种相干成像系统中的傅立叶透镜前组由于是共用的，所以是相同的。此外由于用到了偏振分光系统，所以对红光的设计采用了在四分之一波片中的O光和E光两个多重结构进行光学设计。
在图2中，本实施例采用了红、绿光(波长分别为632.8nm和532nm)两种工作波长，其目的在于提高整个离轴对准系统对硅片不同工艺条件下的适应能力。图2中红绿两种工作波长共用傅立叶透镜的前组12，而后经过偏振分束器13(图中的四分之一波片14是偏振分束器13的组成部分)后两种波长分开，一路进入第一傅立叶透镜后组16、第一参考光栅31；另一路进入第二傅立叶透镜后组18、第二参考光栅32；与此同时绿激光在进入第二傅立叶透镜后组18之前有约1％的能量被分出进入相机光学子模块41，进而进入相机CCD及显示组件42，形成离轴对准系统的CCD相机分支。离轴对准系统的CCD相机分支的作用在于：用可视化的方式来寻找和捕捉位于硅片或工件台上的标记，主要用于离轴对准系统的初始安装和其他的人工捕获标记。
本实施例中，所述傅立叶透镜前组12、第一傅立叶透镜后组16、第二傅立叶透镜后组18，均由三片透镜组成。
图2中的第一空间滤波器15和第二空间滤波器17位于傅立叶透镜前组12的后焦面上，即标记光栅11关于傅立叶透镜前组12的频谱面上，其作用在于滤波，增加信噪比。具体地，所述第一空间滤波器15位于所述第一傅立叶透镜后组16与所述偏振分束器13之间，所述第二空间滤波器17位于所述第二傅立叶透镜后组18与所述偏振分束器13之间。
其中，如图2所示，还包括第一光源子模块51、红光照明子模块52、第一支架19和位于第一支架19上的第一小反射棱镜20。所述第一光源子模块51发出的光束(波长为632.8nm)依次经过红光照明子模块52、位于第一支架19上的第一小反射棱镜20反射后进入偏振分束器13，通过傅立叶透镜前组12形成平行光照射在需要测量的标记光栅11上。
其中，如图2所示，还包括第二光源子模块53、绿光照明子模块54、第二支架21和位于第二支架21上的第二小反射棱镜22。所述第二光源子模块53发出的光束(波长为532nm)依次经过绿光照明子模块54、位于第二支架21上的第二小反射棱镜22反射后进入偏振分束器13，通过傅立叶透镜前组12形成平行光照射在需要测量的标记光栅11上。
其中，所述第一小反射棱镜20和第二小反射棱镜22的尺寸都在5mm以下，它正好位于标记光栅11衍射光中的0级衍射光要通过的地方，在离轴对准系统的原理中是收集衍射光的±1衍射光或其他高级次的衍射光，而要滤掉O级光，所以所述第一小反射棱镜20和第二小反射棱镜22的位置安排是满足离轴对准系统的原理需求。
其中，傅立叶透镜的前组的后焦面到偏振分束器的相应光的出射面的距离不得小于5mm。
其中，第一傅立叶透镜后组16和第二傅立叶透镜后组18的最后一个面分别与所述第一参考光栅31和第二参考光栅32的第一个面之间的距离不小于30mm。
其中，所述该系统的工作距离大于等于55mm且小于75mm。
其中，所述傅立叶透镜前组12的焦距大于65mm且小于120mm。
其中，该系统的角视场对红光不小于18°，对绿光不小于15°。
其中，该系统的角放大倍率为-1且角放大倍率误差小于0.5％。
其中，该系统的光程差(OPD)大于0小于0.25波长。
下面为下面表格中所有面的具体参数。要说明的是，图2中的反射镜由于是结构布置的需要，其不影响本相干成像模块的光学设计，所以不包含在光学具体参数设计中。
如下表一和表二所示分别为O光和E光红光(波长为632.8nm)的相干成像系统的光学设计的光学元件的具体参数。
表一为红光(波长为632.8nm)的相干成像系统光学元件具体参数(O光)
  表面   曲率   厚度(mm)   玻璃材料   半径(mm)
  A   0   无限制   0
  B   0   60.00642   0.55
  C   -0.00663   13.2   ZK7   19.63045
  D   -0.03333   1   21.08177
  E   -0.03404   4   ZF6   20.91114
  F   -0.01758   0.5   23.29812
  G   0.00116   8.2   ZK7   24.51227
  H   -0.01222   2   24.97087
  I   0   100   ZK11   24.93266
  J   0   6   QUARTZ   25.25
  K   0   10.25916   25.25
  L   0   114.4952   24.46488
  M   0.014092   20   ZF6   25.26051
  N   -0.00515   0.5   23.07052
  O   0.024319   7.55   ZF6   20.23457
  P   0.010526   2.7   18.36654
  Q   -0.00191   16.3   ZK7   17.93391
  R   0.037722   30   10.89804
  S   0   6.35   SILICA   1.925498
表一
其中：
表面A指工作台或硅片表面。
表面B指标记光栅表面。
表面C、表面D、表面E、表面F、表面G、表面H依次指傅立叶透镜前组的三透镜的表面。
表面I指偏振分束器表面。
表面J和表面K指四分之一玻片表面。
表面L指空间滤波片表面。
表面M、表面N、表面O、表面P、表面Q、表面R依次指第一傅立叶透镜后组的三透镜的表面。
表面S指第一参考光栅31表面。
厚度指该表面至紧邻的下一表面的距离。
表二为红光(波长为632.8nm)的相干成像系统光学元件具体参数(E光)。
  表面   曲率   厚度   玻璃材料   半径
  A   0   无限制   0
  B   0   60.00642   0.55
  C   -0.00663   13.2   ZK7   19.63045
  D   -0.03333   1   21.08177
  E   -0.03404   4   ZF6   20.91114
  F   -0.01758   0.5   23.29812
  G   0.00116   8.2   ZK7   24.51227
H -0.01222 2 24.97087
  I   0   100   ZK11   24.93266
  J′   0   6   QUARTZ-E   25.25
  K′   0   5.651106   25.25
  L   0   114.4952   24.47555
  M   0.014092   20   ZF6   25.22951
  N   -0.00515   0.5   23.04015
  O   0.024319   7.55   ZF6   20.21464
  P   0.010526   2.7   18.34597
  Q   -0.00191   16.3   ZK7   17.91062
  R   0.037722   30   10.88622
  S   0   6.35   SILICA   1.923809
表二
如图3和图4所示，其分别为0光和E光的红光相干成像系统设计结果的光学系统二维图。
如图5和图6所示，分别为O光和E光的红光相干成像系统的OPD图，从图中可以看出对于所有视场的OPD都是小于0.05波长的。
同时设计结果还表明该系统的角放大倍率为-1误差最大值为0.348％。如下表三所示为绿光(波长为532nm)的相干成像系统的光学设计的光学元件的具体参数。
  表面   曲率   厚度   玻璃材料   半径
  A   0   无限制   0
  B   0   60.03422   0.55
  C   -0.00663   13.2   ZK7   16.9345
  D   -0.03333   1   18.57776
  E   -0.03404   4   ZF6   18.45927
  F   -0.01758   0.5   20.24949
  G   0.00116   8.2   ZK7   21.04398
  H   -0.01222   2   21.54449
  I′   0   108   ZK11   21.51082
  J″   0   0   21.05788
  K″   0   9.571505   25.25
  L″   0   119.9671   20.99195
  M′   0.015924   14.4   ZF6   21.79793
  N′   -0.00491   0.5   20.33709
  O′   0.02437   9.71   ZF6   18.18444
  P′   0.012473   2.41   15.24533
  Q′   -0.00312   14.35   ZK11   14.86069
  R′   0.038737   30   9.52697
  S′   0   6.35   SILICA   1.726592
表三
如图7所示，为绿光相干成像系统设计结果的光学系统二维图。
如图8所示，为绿光相干成像系统的OPD图，从图中可以看出对于所有视场的OPD都是小于0.05波长的。
同时设计结果还表明该系统的角放大倍率为-1误差最大值为0.41％。
至此可以看出，本发明的光学系统完全满足OA对该相干成像系统的需求。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (11)

1、一种相干成像系统，其特征在于：从物面开始依次包括由傅立叶透镜前组、将光路分成第一光路和第二光路的分束器，所述分束器包括一四分之一波片，所述第一光路上自所述分束器依次包括：第一空间滤波器、第一傅立叶透镜后组、第一参考光栅；所述第二光路上自所述分束器依次包括第二空间滤波器、第二傅立叶透镜后组、第二参考光栅；所述第一光路的像在所述第一参考光栅的后面，所述第二光路的像在所述第二参考光栅的后面。
2、根据权利要求1所述的相干成像系统，其特征在于：所述傅立叶透镜前组、第一傅立叶透镜后组、第二傅立叶透镜后组均由三片透镜组成。
3、根据权利要求1所述的相干成像系统，其特征在于：所述第一光路和第二光路工作在两个不同的波长。
4、根据权利要求1所述的相干成像系统，其特征在于：所述第一空间滤波器与所述第一傅立叶透镜后组之间设有第一支架和位于所述第一支架上的第一小反射棱镜。
5、根据权利要求1所述的相干成像系统，其特征在于：所述第二空间滤波器与所述第二傅立叶透镜后组之间设有第二支架和位于所述第二支架上的第二小反射棱镜。
6、根据权利要求1所述的相干成像系统，其特征在于：所述相干成像系统的工作距离大于等于55mm且小于75mm，其中，所述傅立叶透镜前组的焦距大于65mm且小于120mm。
7、根据权利要求1所述的相干成像系统，其特征在于：所述相干成像系统的光程差大于0小于0.25波长。
8、根据权利要求1所述的相干成像系统，.其特征在于：所述相干成像系统的角视场对红光大于等于18°，对绿光大于等于15°，所述相干成像系统的角放大倍率为-1且角放大倍率误差小于0.5％。
9、根据权利要求2所述的相干成像系统，其特征在于：所述傅立叶透镜前组的三片透镜的六个表面：表面C、表面D、表面E、表面F、表面G、表面H的参数为：
  表面   曲率   厚度(mm)   玻璃材料   C   -0.00663   13.2   ZK7   D   -0.03333   1   E   -0.03404   4   ZF6   F   -0.01758   0.5   G   0.00116   8.2   ZK7   H   -0.01222   2
10、根据权利要求2所述的相干成像系统，其特征在于：所述第一傅立叶透镜后组的三片透镜的六个表面：表面M、表面N、表面O、表面P、表面Q、表面R的参数为：
  表面   曲率   厚度(mm)   玻璃材料   M   0.014092   20   ZF6   N   -0.00515   0.5   O   0.024319   7.55   ZF6   P   0.010526   2.7   Q   -0.00191   16.3   ZK7   R   0.037722   30
11、根据权利要求2所述的相干成像系统，其特征在于：所述第二傅立叶透镜后组的三片透镜的六个表面：表面M′、表面N′、表面O′、表面P′、表面Q′、表面R′的参数为：
  表面   曲率   厚度(mm)   玻璃材料   M′   0.015924   14.4   ZF6   N′   -0.00491   0.5   O′   0.02437   9.71   ZF6   P′   0.012473   2.41   Q′   -0.00312   14.35   ZK11   R′   0.038737   30
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