CN101807012A

CN101807012A - 一种直写光刻机的自动聚焦光路结构

Info

Publication number: CN101807012A
Application number: CN 201010143766
Authority: CN
Inventors: 李文静; 何少锋
Original assignee: Advan Tools Semiconductor (China) Co Ltd
Current assignee: Advan Tools Semiconductor (China) Co Ltd
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: CN101807012B

Abstract

本发明公开了一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，即直写光刻机的自动聚焦系统。由直写光刻机的图形发生器生成的图案经过光刻物镜并返回后，通过光路分成两束，这两束光故意造成一定的光程差，分别成像在CCD相机的上、下表面，根据CCD相机上、下图案对比度的差异即可判断离焦的情况，从而驱动平台运动，达到快速聚焦的目的。具有速度快、精度高、结构简单等特点。

Description

一种直写光刻机的自动聚焦光路结构

技术领域

本发明涉及半导体光刻领域，具体为一种直写光刻机的自动聚焦光路结构。

背景技术

光刻机是用于在晶片、印刷电路板、掩膜板、平板显示器、生物晶片、微机械电子晶片、光学玻璃平板等衬底材料上印刷构图的设备。光刻机的自动聚焦系统是影响光刻机性能的关键技术之一，聚焦速度将会影响光刻机的产量，而聚焦精度将会影响整个产品的质量，聚焦精度不高，将直接导导致光刻出来的产品不合格而报废，现有的光刻机的聚焦方法主要有图像采集法、像散法、刀口原理法、旁轴对焦法、气动对焦法，都存在这样或那样的缺点：

1、图像采集法的主要缺点是聚焦速度慢，需要不停地采集图片，每次聚焦需要采集几十张甚至几百张图片，通过分析所有图像的对比度来获取焦面的位置，因此速度很慢，而且随着光刻物镜倍率的增大，速度会越来越慢。

2、像散法、刀口原理法以及旁轴对焦的方法都是采用激光作为辅助光源，依靠反射原理来实现聚焦，因此宜受到晶圆表面背景的影响，激光经过背景比较复杂的晶圆表面反射，其光束质量和方向都会受到影响，因此探测器接收回来的光斑会有所失真，影响最终对焦的精度。

3、气动对焦可以实现高精度的自动对焦，但是成本相对较高，且结构相对比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，以解决现有直写光刻机中，聚焦速度慢，聚焦精度低的问题，提高直写光刻机的整体性能。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，包括有精密位移平台，所述精密位移平台上放置有晶圆，所述晶圆上方设置有光刻物镜，所述光刻物镜上方设置有图形发生器，所述图形发生器外还设置有照明光源，其特征在于：所述图形发生器和光刻物镜之间设置有第一分光镜，所述第一分光镜一侧的反射光路上设置有第二分光镜，所述第二分光镜上方的反射光路上设置有反射镜，还包括有CCD相机，所述反射镜的反射面朝向CCD相机感光面的上半表面，第二分光镜的透射面朝向CCD相机感光面的下半表面；图形发生器生成光栅图，照明光源发出的光入射至图形发生器后形成光栅图反射光，光栅图反射光经过第一分光镜、光刻物镜后成像于所述晶圆表面，晶圆表面所成的像沿入射光路返回至所述第一分光镜，并被第一分光镜的反射面反射至第二分光镜，一部分光透射过第二分光镜后入射至所述CCD相机感光面的下半表面上，另一部分光依次被所述第二分光镜的反射面、反射镜反射后，入射至所述CCD相机感光面的上半表面上。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述第一分光镜一侧的反射光路上设置有第二分光镜，所述第二分光镜的透射光路上设置有分光镜，所述第一分光镜的反射光入射至第二分光镜上，一部分光被第二分光镜的反射面反射至所述CCD相机感光面的上半表面上，另一部分光透射过所述第二反射镜后，再被所述反射镜反射至所述CCD相机感光面的下半表面上。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述第一分光镜一侧的反射光路上设置有第二分光镜，所述第二分光镜的反射光路、透射光路上分别设置有一个CCD相机，两个CCD相机与所述晶圆之间的光程不同；第一分光镜的反射光被第二分光镜反射、透射后，分别入射至两个CCD相机。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述CCD相机的感光面位于所述第二分光镜的透射光的最佳焦面与所述反射镜的反射光的最佳焦面位置中间。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述图形发生器选用微反射阵列或空间光调制器。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述第一、第二分光镜均分别选用分光片，或者是分光棱镜。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述反射镜可以是平面反射镜，可以是直角棱镜。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述CCD相机可以是线阵CCD相机，可以是面阵CCD相机。

所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述照明光源可以是绿色、黄色或红色的LED光源，也可以是激光光源。

在图形发生器上生成光栅图，并打开照明光源，照明光照亮图形发生器，反射的光栅图经过第一分光镜后，一部分光透射，一部分光反射，其中透射的那一束光再经过光刻物镜成像于晶圆表面，然后再经过晶圆表面反射，反射回来的光再经过第一分光镜，其中反射的那一束光再经过第二分光镜分成两束，一束透射，一束反射，反射的那束光再经过反射镜，最后分别落在CCD的上表面和CCD的下表面，而这两束光最佳成像焦面位置不同，如附图3所示，CCD感光芯片11位于这两束光的最佳感光佳面位置12和13的中间，这样当晶圆处于焦点位置时，CCD相机上、下图案的对比度是相同的，而正离焦时，CCD相机上方图案的对比度要低于下方图案的对比度，反之，则相反。聚焦前，事先上下微移精密位移平台，并通过CCD相机采集一系列图案，记录Z轴位置与对比度差值的对应关系，保存在系统中，当聚焦时，CCD相机采集当前位置的图案，并计算上下图案的对比度差值，即可通过系统中保存的数据得知当前位置离焦点的位移，从而驱动精密位移平台快速移动到焦面位置。

本发明的有益技术效果体现在下述几个方面：

1、成本低廉。

本发明只需要一个CCD相机，再加上几个分色分光镜和反射镜即可实现对焦，相对于其它的对焦方式来说，成本要低得多。

2、结构简单

由于和光刻机共用了一个图形发生器，不需要另外的专用于对焦的投图设备，并且本发明只需要一个CCD相机和几个分光镜，没有庞大的硬件和电路处理系统，因此其整体结构非常简单。

3、精度高

聚焦精度会随着光刻镜头的不同而不同，对于本发明，其聚焦精度优于二十分之一个镜头的焦深(即＜DOF/20)，足以满足光刻的需求。

4、抗干扰性强。

A、旁轴对焦、像散法、刀口原理法等对焦方法采用激光在硅片表面反射后的光斑进行分析处理和探测，而其反射光斑会受到背景图案的影响而失真，从而影响聚焦精度，而本发明采用了成像的原理，背景的影响相对小得多。

B、由于CCD相机上下两束光接收的图案是同一个背景产生，因此其图案上下两部分是完全相同的，无论晶圆表面背景图案多么复杂，其CCD相机上下两部分图案的对比度差异是不会随着背景的不同而改变的，其抗干扰性强。

5、速度快

由于本发明可以根据CCD相机上下图案的对比度差异来实时判断晶圆的位置，且离焦量与对比度差值存在一一对应的关系，因此能够快速准确地找到焦面位置。

附图说明

图1为本发明使用一个CCD相机时的光路结构示意图。

图2为本发明使用两个CCD相机时的光路结构示意图。

图3为光程差原理图。

具体实施方式

具体实施例1：

图1示出了本发明专利第一种结构示意图，高速自动对焦系统包括：

一个图形发生器1，可以是微反射阵列；一个光刻物镜2；晶圆3；精密移动平台4；第一分光镜5；第二分光镜6；反射镜7；CCD相机8；照明光源9。

在图形发生器1上生成一光栅图，并打开照明光源9，照明光照亮图形发生器1，反射的光栅图经过第一分光镜5后，一部分光透射，一部分光反射，其中透射的那一束光再经过光刻物镜2成像于晶圆3表面，然后再经过晶圆3表面反射，反射回来的光再经过第一分光镜5，其中反射的那一束光再经过第二分光镜6分成两束，一束透射，一束反射，反射的那束光再经过反射镜7，最后成像在CCD相机8的上表面，而透射的那一束光成像于CCD相机8的下表面，聚焦前，事先上下微移精密位移平台4，并通过CCD相机8采集一系列图案，记录Z轴位置与对比度差值的对应关系，保存在系统中，当聚焦时，CCD相机8采集当前位置的图案，并计算上下图案的对比度差值，即可通过系统中保存的数据得知当前位置离焦点的位移，从而驱动精密位移平台4快速移动到焦面位置。

具体实施例2：

图2示出了本发明专利第一种结构示意图，高速自动对焦系统包括：

一个图形发生器1，可以是微反射阵列；光刻物镜2；晶圆3；精密移动平台4；第一分光镜5；第二分光镜6；CCD相机一10；CCD相机二8；照明光源9。

图形发生器1上生成一光栅图，光栅图经过第一分光镜5，一部分光透射，一部分光反射，其中透射的那一束光再经过光刻物镜2成像于晶圆3表面，然后再经过晶圆3表面反射，反射回来的光再经过第一分光镜5，其中反射的那一束光再经过第二分光6二分成两束，这两束光分别被CCD相机一10和CCD相机二8接收，这两个CCD相机10、8的感光芯片距离晶圆3的整个光路长度(即光程)是不一样的，分别位于各自最佳焦面的不同侧，当晶圆3处于焦点位置时，两个CCD相机10、8的图像的对比度是相同的，当晶圆处在正离焦位置时，CCD相机一的对比度要比CCD相机二的对比度高，反之则相反，因此通过软件控制平台，并且实时获取图像的对比度即可找到镜头的最佳焦点位置。聚焦前，也是事先上下微移精密位移平台4，通过CCD相机一10和CCD相机二8采集一系列图案，并计算两个CCD相机10、8采集图案的的对比度的差值(对比的两图案一定要是对应的平台的同一个位置)，记录Z轴位置与对比度差值的对应关系，保存在系统中，当聚焦时，CCD相机10、8采集当前位置的图案，并计算两个CCD相机10、8图案的对比度差值，即可通过系统中保存的数据得知当前位置离焦点的位移，从而驱动精密位移平台4快速移动到焦面位置。

Claims

1.一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，包括有精密位移平台，所述精密位移平台上放置有晶圆，所述晶圆上方设置有光刻物镜，所述光刻物镜上方设置有图形发生器，所述图形发生器外还设置有照明光源，其特征在于：所述图形发生器和光刻物镜之间设置有第一分光镜，所述第一分光镜一侧的反射光路上设置有第二分光镜，所述第二分光镜上方的反射光路上设置有反射镜，还包括有CCD相机，所述反射镜的反射面朝向CCD相机感光面的上半表面，第二分光镜的透射面朝向CCD相机感光面的下半表面；图形发生器生成光栅图，照明光源发出的光入射至图形发生器后形成光栅图反射光，光栅图反射光经过第一分光镜、光刻物镜后成像于所述晶圆表面，晶圆表面所成的像沿入射光路返回至所述第一分光镜，并被第一分光镜的反射面反射至第二分光镜，一部分光透射过第二分光镜后入射至所述CCD相机感光面的下半表面上，另一部分光依次被所述第二分光镜的反射面、反射镜反射后，入射至所述CCD相机感光面的上半表面上。

2.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述第一分光镜一侧的反射光路上设置有第二分光镜，所述第二分光镜的透射光路上设置有分光镜，所述第一分光镜的反射光入射至第二分光镜上，一部分光被第二分光镜的反射面反射至所述CCD相机感光面的上半表面上，另一部分光透射过所述第二反射镜后，再被所述反射镜反射至所述CCD相机感光面的下半表面上。

3.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述第一分光镜一侧的反射光路上设置有第二分光镜，所述第二分光镜的反射光路、透射光路上分别设置有一个CCD相机，两个CCD相机与所述晶圆之间的光程不同；第一分光镜的反射光被第二分光镜反射、透射后，分别入射至两个CCD相机。

4.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述CCD相机的感光面位于所述第二分光镜的透射光的最佳焦面与所述反射镜的反射光的最佳焦面位置中间。

5.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述图形发生器选用微反射阵列或空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述第一、第二分光镜均分别选用分光片，或者是分光棱镜。

7.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述反射镜可以是平面反射镜，可以是直角棱镜。

8.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述CCD相机可以是线阵CCD相机，可以是面阵CCD相机。

9.根据权利要求1所述的一种直写光刻机的自动聚焦光路结构，其特征在于：所述照明光源可以是绿色、黄色或红色的LED光源，也可以是激光光源。