CN101968607A - 一种光刻机自动调焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻机自动调焦方法及装置，其方法是将平行光束经第一狭缝投射至硅片表面，再经振动反射镜扫描后通过第二狭缝，由光电探测器接收光强信号，然后通过提取光强信号中二倍于扫描频率的频域成分得到硅片的粗调量，通过提取光强信号中一倍于扫描频率的频域成分得到硅片的精调量，最后由驱动装置调整硅片至焦点位置。调焦装置主要由两个狭缝、一个振动反射镜、光电传感器、驱动台和若干光学镜片组成，信号处理过程由计算机编程完成。该方法与装置相较于以往对比光斑强度进行调焦的方式，具有结构简单、响应迅速、精度高(优于0.1微米)、抗干扰能力强的特点。

Description

一种光刻机自动调焦方法及装置

技术领域

本发明属于光刻机自动调焦和光电检测技术领域，具体涉及一种光刻机自动调焦方法及装置。

背景技术

随着电子产业的蓬勃发展，集成电路的应用越发广泛，其生产的高精密性也受到更多关注。光刻机是集成电路生产各环节中最关键的设备，光刻技术是大规模集成电路制造的基础，是推动集成电路发展的核心驱动力，其主要作用是通过曝光的方式将掩模版上的图形成像在硅片上。由于硅片表面上涂有感光的光刻胶，当掩模版上的图形成像在硅片上时，相应位置的光刻胶就会产生光化学反应，从而将掩模版上图形保留在硅片表面。在光刻机的曝光过程中，硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物镜焦平面位置的偏差等因素会造成硅片相对于物镜焦平面的离焦。硅片的离焦将使曝光视场内某些区域处于有效焦深之外，从而严重影响集成电路的质量和成品率。因此，必须采用调焦传感器测量出硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度，通过调焦机构实现硅片的调焦，使得整个曝光过程中硅片处于投影物镜的最佳成像平面位置，从而保证硅片上的成像是清晰的。

目前光刻机一般选用四象限探测器进行调焦，其工作原理为：测量系统中的投影分支在硅片表面形成一个较大的测量光斑，经硅片反射后，光斑成像在一个四象限探测器上，由每个象限上的探测器的光斑强度来判断硅片是否处于焦点位置。该装置的不足之处是结构过于复杂，测量范围小，且测量精度较低，难以满足目前工艺的需要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光刻机自动调焦方法，该方法可通过提取探测光束的频域成分直接得出硅片的离焦量和离焦方向，具有过程简单、响应迅速、精度高(优于0.1微米)、抗干扰能力强的特点，本发明还提供了实现该方法更为简便、成本更低的装置。

本发明提供的一种光刻机自动调焦方法，其特征在于，该方法包含下述步骤：

第1步先将光刻机光源出来的光束转变为平行光束，再通过一条狭缝投射到硅片表面，狭缝宽度记为d；

第2步利用振动反射镜接收硅片表面的反射光束，振动反射镜振幅为0.5d，频率记为f；

设此时硅片的离焦量为z，由硅片偏移引起反射光束的偏移量记为k，二者之间满足式I：

k＝2γ·sinα·z    式I

式中，γ为光源至硅片的光路系统放大倍率，α为平行光束投射至硅片的入射角；

第3步由振动反射镜出来的光束通过另一条狭缝后，采用光电传感器接收光强信号，二条狭缝尺寸相同；

第4步对光电传感器传来的信号进行离散傅里叶变换，得到1倍于f和2倍于f频率的成分，分别记为If₁和If₂；

If₂与偏移量k的关系表达式为式II：

${\mathrm{If}}_2\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{4{(d-k)}^2-d^2}{{6\mathrm{\πd}}^2}\cos B,& k\∈(0.5d,1.5d]\\ \frac{d^2-{4k}^2}{{3\mathrm{\πd}}^2}\cos A,& k\∈[-0.5d,0.5d]\\ \frac{4{(d+k)}^2-d^2}{{6\mathrm{\πd}}^2}\cos B,& k\∈(-0.5d,-1.5d]\end{array}\right.$ 式II

If₁与偏移量k的关系表达式为式III：

${\mathrm{If}}_1\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}(\frac{d-k}{2\mathrm{\πd}}\cos B+\frac{\mathrm{\π}+2B}{8\mathrm{\π}})j,& k\∈(0.5d,1.5d]\\ \frac{2k\cos A+\mathrm{Ad}}{2\mathrm{\πd}}j,& k\∈[-0.5d,0.5d]\\ -(\frac{d+k}{2\mathrm{\πd}}\cos B+\frac{\mathrm{\π}+2B}{8\mathrm{\π}})j,& k\∈(-0.5d,-1.5d]\end{array}\right.$ 式III

式II和式III中，|k|≤0.5d，

0.5d＜|k|≤1.5d；j为虚数单位；

通过式II得到光束大约的偏移量，再通过式I计算出硅片的大约离焦量，即粗调值；通过III得到光束精确的偏移量，再通过式I计算出硅片的精确离焦量，即精调值；精调值仅在精调范围为有效，精调范围为-0.5d到0.5d之间；

第5步利用粗调值判断硅片是否位于精调范围内，如果是，则直接利用精调值对硅片进行调焦，然后进行第6步；如果不是，则利用粗调值对硅片进行调整，使其进入精调范围，然后转入第4步；

第6步调焦结束。

实现上述光刻机自动调焦方法的装置，其特征在于：该装置包括准直透光镜，第一、第二狭缝，第一、第二反射镜，工作台，振动反射镜，光电传感器，信号处理单元以及驱动台；

硅片放置于工作台上，第一、第二狭缝具有相同的尺寸，第一、第二反射镜对称分布于硅片两侧，振动反射镜的初始位置相较于工作台成45°角；

光刻机光源、准直透光镜、第一狭缝和第一反射镜依次位于入射光路上，光刻机光源出来的发散光经准直透光镜变为平行光束，通过第一狭缝，再由第一反射镜投射至硅片表面；

第二反射镜、振动反射镜、第二狭缝和光电传感器依次位于反射光路上，硅片表面的反射光束经第二反射镜后入射至振动反射镜，再通过第二狭缝，由光电传感器接受光强信号；

信号处理单元与光电传感器相连，对光电传感器提供的光强信号进行处理，得到硅片的位置信息并传递给驱动台；

驱动台分别与工作台和信号处理单元相连，利用信号处理单元提供的信号驱动工作台，使其调整硅片至焦点。

与现有的调焦方法与装置相比，本发明具有以下技术特点：

(1)本发明方法通过提取探测光束的频域成分进行测量，相较于以往对比四象限探测器光斑强度的测量方式，具有更简单的过程和更强的抗干扰能力以及更高的精度(优于0.1微米)；

(2)本发明方法通过提取探测光束的二倍频信息进行粗调，通过提取探测光束的一倍频信息进行精调，单次测量可在1～5ms内完成；

(3)本发明装置相较于以往大部分调焦装置具有更为简单的结构；

(4)本发明装置通过信号处理单元可对光强信号的频域分析直接得到硅片的偏移方向和偏移量，并由驱动台作出相应调整，使得本发明具有在线测量、自动调焦的特点。

附图说明

图1是光刻机自动调焦方法流程图；

图2是光刻机自动调焦装置结构示意图；

图3是硅片偏移同探测光束偏移关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法包括下述步骤：

(1)将光刻机光源出来的光束转变为平行光束，先通过一条狭缝投射到硅片表面，狭缝宽度记为d；

(2)利用振动反射镜接收硅片表面的反射光束，振动反射镜振幅为0.5d，频率记为f；

设硅片的离焦量为z，由硅片偏移引起反射光束的偏移量记为k，二者之间满足：

k＝2γ·sinα·z    (I)

式中，γ为光源至硅片的光路系统放大倍率，α为光束投射至硅片的入射角，二者在调焦系统里为定值。

(3)由振动反射镜出来的光束通过另一条狭缝后，采用光电传感器接收光强信号，二条狭缝尺寸相同；

(4)对光电传感器传来的信号进行离散傅里叶变换，得到1倍于f和2倍于f频率(以下简称一倍频和二倍频)的成分，分别记为If₁和If₂；

If₂同光束偏移量k的关系表达式为：

${\mathrm{If}}_2\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{4{(d-k)}^2-d^2}{{6\mathrm{\πd}}^2}\cos B,& k\∈(0.5d,1.5d]\\ \frac{d^2-{4k}^2}{{3\mathrm{\πd}}^2}\cos A,& k\∈[-0.5d,0.5d]\\ \frac{4{(d+k)}^2-d^2}{{6\mathrm{\πd}}^2}\cos B,& k\∈(-0.5d,-1.5d]\end{array}---\right.\left(\mathrm{II}\right)$

If₁同光束偏移量k的关系表达式为：

${\mathrm{If}}_1\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}(\frac{d-k}{2\mathrm{\πd}}\cos B+\frac{\mathrm{\π}+2B}{8\mathrm{\π}})j,& k\∈(0.5d,1.5d]\\ \frac{2k\cos A+\mathrm{Ad}}{2\mathrm{\πd}}j,& k\∈[-0.5d,0.5d]\\ -(\frac{d+k}{2\mathrm{\πd}}\cos B+\frac{\mathrm{\π}+2B}{8\mathrm{\π}})j,& k\∈(-0.5d,-1.5d]\end{array}\right.---\left(\mathrm{III}\right)$

式(II)和(III)中，

(|k|≤0.5d)，

(0.5d＜|k|＜1.5d)，j为虚数单位；

通过二倍频成分If₂可以得到光束大约的偏移量，再通过式(I)计算出硅片的大约离焦量，即粗调值；

通过一倍频成分If₁可以得到光束精确的偏移量，再通过式(I)计算出硅片的精确离焦量，即精调值；精调值仅在精调范围内有效，精调范围是指-0.5d到0.5d之间；

(5)利用粗调值判断硅片是否位于精调范围内，如果是，则直接利用精调值对硅片进行调焦，然后进行步骤(6)；如果不是，则利用粗调值对硅片进行调整，使其进入精调范围，然后转入步骤(4)；

(6)调焦结束。

如图2所示，本发明装置包括准直透光镜202，第一、第二狭缝203、209，第一、第二反射镜204、207，工作台206，振动反射镜208，光电传感器210，信号处理单元211以及驱动台212。

硅片205放置于工作台206上，第一、第二狭缝203、209具有相同的尺寸，第一、第二反射镜204、207对称分布于硅片两侧，振动反射镜208的初始位置相较于工作台206成45°角。

光刻机光源201、准直透光镜202、第一狭缝203和第一反射镜204依次位于入射光路上，光刻机光源201出来的发散光经准直透光镜202变为平行光束，通过第一狭缝203，再由第一反射镜204投射至硅片表面205。

第二反射镜207、振动反射镜208、第二狭缝209和光电传感器210依次位于反射光路上，硅片表面205的反射光束经第二反射镜207后入射至振动反射镜208，再通过第二狭缝209，由光电传感器210接受光强信号。

信号处理单元211与光电传感器210相连，它利用式(I)(II)(III)对光强信号进行处理得到硅片的位置信息并传递给驱动台212；

驱动台212分别与工作台206和信号处理单元211相连，利用信号处理单元211提供的信号驱动工作台206，使其调整硅片至焦点。

本发明装置的工作过程如下：

(1)光刻机光源201出来的发散光通过准直透光镜202转换成平行光，再由第一狭缝203生成狭缝图像，经过第一反射镜204后，投射至硅片表面205，硅片放置于工作台206上，狭缝平板宽度记为d；

(2)入射光束301经硅片表面205、第二反射镜207和振动反射镜208后，出射光束为302；振动反射镜208初始位置保持同工作台206成45°角，保证出射光束水平射出；

当硅片205偏移量为z的时候，出射光束303的偏移量为k，二者之间满足上式(I)；

(3)振动反射镜的出射光束通过第二狭缝209后，由光电传感器210接收光强信号并送入信号处理单元211；第二狭缝209同第一狭缝203具有相同尺寸；振动反射镜反射镜208振幅为0.5d，频率记为f；

(4)信号处理单元211对光电传感器210传来的光强信号进行傅里叶变换，并提取出光强信号中的一倍频成分If₁和二倍频成分If₂；通过式(II)和(I)得到硅片的大约离焦量，即粗调值；通过式(III)和(I)得到硅片的精确离焦量，即精调值；

(5)利用粗调值判断硅片是否位于精调范围内：

若判断出硅片位于精调范围内，则直接将精调值传递给驱动台212，由驱动台212调整硅片至焦点位置，然后进行步骤(6)；

若判断出硅片并不位于精调范围内，则先将粗调值传递给驱动台212，由驱动台212调整硅片进入精调范围，然后转入步骤(4)；

(6)调焦结束。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种光刻机自动调焦方法，其特征在于，该方法包含下述步骤：

第1步先将光刻机光源出来的光束转变为平行光束，再通过一条狭缝投射到硅片表面，狭缝宽度记为d；

第2步利用振动反射镜接收硅片表面的反射光束，振动反射镜振幅为0.5d，频率记为f；

设此时硅片的离焦量为z，由硅片偏移引起反射光束的偏移量记为k，二者之间满足式I：

k＝2γ·sinα·z    式I

式中，γ为光源至硅片的光路系统放大倍率，α为平行光束投射至硅片的入射角；

第3步由振动反射镜出来的光束通过另一条狭缝后，采用光电传感器接收光强信号，二条狭缝尺寸相同；

第4步对光电传感器传来的信号进行离散傅里叶变换，得到1倍于f和2倍于f频率的成分，分别记为If₁和If₂；

If₂与偏移量k的关系表达式为式II：

${\mathrm{If}}_2\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{4{(d-k)}^2-d^2}{{6\mathrm{\πd}}^2}\cos B,& k\∈(0.5d,1.5d]\\ \frac{d^2-{4k}^2}{{3\mathrm{\πd}}^2}\cos A,& k\∈[-0.5d,0.5d]\\ \frac{4{(d+k)}^2-d^2}{{6\mathrm{\πd}}^2}\cos B,& k\∈(-0.5d,-1.5d]\end{array}\right.$ 式II

If₁与偏移量k的关系表达式为式III：

${\mathrm{If}}_1\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}(\frac{d-k}{2\mathrm{\πd}}\cos B+\frac{\mathrm{\π}+2B}{8\mathrm{\π}})j,& k\∈(0.5d,1.5d]\\ \frac{2k\cos A+\mathrm{Ad}}{2\mathrm{\πd}}j,& k\∈[-0.5d,0.5d]\\ -(\frac{d+k}{2\mathrm{\πd}}\cos B+\frac{\mathrm{\π}+2B}{8\mathrm{\π}})j,& k\∈(-0.5d,-1.5d]\end{array}\right.$ 式III

式II和式III中，|k|≤0.5d，0.5d＜|k|≤1.5d；j为虚数单位；

通过式II得到光束大约的偏移量，再通过式I计算出硅片的大约离焦量，即粗调值；通过III得到光束精确的偏移量，再通过式I计算出硅片的精确离焦量，即精调值；精调值仅在精调范围为有效，精调范围为-0.5d到0.5d之间；

第5步利用粗调值判断硅片是否位于精调范围内，如果是，则直接利用精调值对硅片进行调焦，然后进行第6步；如果不是，则利用粗调值对硅片进行调整，使其进入精调范围，然后转入第4步；

第6步调焦结束。

2.一种实现权利要求1所述光刻机自动调焦方法的装置，其特征在于：该装置包括准直透光镜(202)，第一、第二狭缝(203、209)，第一、第二反射镜(204、207)，工作台(206)，振动反射镜(208)，光电传感器(210)，信号处理单元(211)以及驱动台(212)；

硅片放置于工作台(206)上，第一、第二狭缝(203、209)具有相同的尺寸，第一、第二反射镜(204、207)对称分布于硅片两侧，振动反射镜(208)的初始位置相较于工作台(206)成45°角；

光刻机光源(201)、准直透光镜(202)、第一狭缝(203)和第一反射镜(204)依次位于入射光路上，光刻机光源(201)出来的发散光经准直透光镜(202)变为平行光束，通过第一狭缝(203)，再由第一反射镜(204)投射至硅片表面(205)；

第二反射镜(207)、振动反射镜(208)、第二狭缝(209)和光电传感器(210)依次位于反射光路上，硅片表面(205)的反射光束经第二反射镜(207)后入射至振动反射镜(208)，再通过第二狭缝(209)，由光电传感器(210)接受光强信号；

信号处理单元(211)与光电传感器(210)相连，对光电传感器(210)提供的光强信号进行处理，得到硅片的位置信息并传递给驱动台(212)；

驱动台(212)分别与工作台(206)和信号处理单元(211)相连，利用信号处理单元(211)提供的信号驱动工作台(206)，使其调整硅片至焦点。

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