CN102033438A - 一种测量范围可扩展的调焦调平装置及调焦调平方法 - Google Patents

Abstract

一种测量范围可扩展的调焦调平装置，该装置包括：光源；光学投影单元，接收光源发出的光并将其照射到被测硅片表面形成测量光斑矩阵W；光学接收单元，接收由被测硅片反射的光；光学调制单元，具有扫描反射镜，所述扫描反射镜在测量调平时作正弦振动；接收狭缝面，该狭缝面上具有与硅片上的各个光斑一一对应的狭缝的狭缝矩阵S，经由扫描反射镜反射的光斑成像于该接收狭缝面上；光电探测器，将穿过狭缝的光能量信号转化为电信号；控制单元，对光电探测器输出的电信号进行分析处理；其中，在接收狭缝面上还具有位于狭缝矩阵边缘的扩展狭缝，用于扩展调焦调平装置的测量范围。本发明还公开了使用该装置进行调焦调平的方法。

Description

一种测量范围可扩展的调焦调平装置及调焦调平方法

技术领域

本发明涉及集成电路或其他微型器件制造领域的光刻设备，尤其涉及一种对硅片进行调焦调平测量的调焦调平装置及方法。

背景技术

在投影光刻设备中，通常使用调焦调平测量装置实现对硅片表面特定区域高度和倾斜度的测量。目前的扫描投影光刻装置中，多使用光学测量法实现硅片的调焦调平测量。

美国专利U.S.4,558,949(Horizontal position detecting device，申请于1982年9月17日)公开了一种调焦调平测量装置，该装置共有两套独立的测量系统，分别用于硅片特定区域高度和倾斜度的测量。在高度测量系统中，使用投影狭缝和探测狭缝实现对硅片高度的探测，同时使用扫描反射镜实现对被测信号的调制。在倾斜测量系统中，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，该光斑成像在一个四象限探测器上，根据探测器上每个象限探测的光强，实现对硅片表面特定区域倾斜度的测量。为了满足扫描投影光刻机的要求，该装置的技术的得到进一步的改进(SPIE，1996，2726：767～779)。改进后的技术采用了多点测量的方式，在硅片表面形成多个测量点，从而实现硅片的调焦调平测量。

该技术可实现较高的测量精度，但其测量原理决定了其测量范围受描反射镜的振幅和测量光斑在扫描方向的尺寸影响比较大。要获取更大的测量范围就需要更大振幅的扫描反射镜，这对扫描反射镜的性能提出了更高的要求，而且使得测量系统的机械结构更加庞大。随着步进扫描光刻机的发展，调焦调平装置要求更高的测量精度以适应有效焦深的缩短，然而，投影光刻装置往往又要求调焦调平测量装置拥有较大的粗测捕获范围，一般要求数百个微米甚至更高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种新的调焦调平装置及相应的测量方法，在探测面上按一定规律布置扩展接收狭缝，通过多个接收狭缝对从硅片表面反射回来的同一路光斑信号进行检测，根据在不同狭缝后检测到的能量信号进行综合处理，可以获得硅片表面上对应点的位置信息。

一种测量范围可扩展的调焦调平装置，该装置具有：

光源；

接收光源发出的光并将其照射到被测硅片表面形成测量光斑矩阵W的光学投影单元；

接收由被测硅片反射的光斑的光学接收单元；

具有扫描反射镜的光学调制单元，所述扫描反射镜在测量调平时作正弦振动；

接收狭缝面，该狭缝面上具有与硅片上的各个光斑一一对应的狭缝的狭缝矩阵S，经由扫描反射镜反射的光斑成像于该接收狭缝面上；

将穿过狭缝的光能像信号转化为电信号的光电探测器；

对光电探测器输出的电信号进行分析处理的控制单元；

其特征在于，在接收狭缝面上还具有位于狭缝矩阵边缘的扩展狭缝，用于扩展调焦调平装置的测量范围。

其中，所述光斑矩阵和狭缝矩阵均为m×n矩阵。

其中，所述扩展狭缝是在扫描方向上分别形成于狭缝s(1，n)和狭缝s(m，1)两侧的狭缝。

其中，接收狭缝面上的所有狭缝的尺寸均与经扫描反射镜反射后的光斑的尺寸相同。

其中，扫描反射镜的振动频率为f，振幅为A＝0.5arctan(d/2L)，其中d为狭缝在扫描方向的长度，L为扫描反射镜中心与狭缝中心之间的距离。

其中，当狭缝s(1，n)和狭缝s(m，1)两侧每侧的扩展狭缝均为k个时，该装置的测量范围被扩展为[-kl-3d/2，kl+3d/2]，其中l为相邻狭缝的中心距离，且l小于等于3d。

其中，在狭缝面上的其它任一狭缝扫描方向上的两侧分别形成有扩展狭缝，用于与其它扩展狭缝配合测量硅片的倾斜。

一种使用本发明的调焦调平装置在投影光刻设备中将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的方法，具有如下步骤：

(a)利用狭缝s(1，n)和狭缝s(m，1)两侧的扩展狭缝获取扩展测量点的高度值h1、h2；

(b)计算EA的中心高度h，h≈(h1+h2)/2；

(c)将高度h作为位置偏差设定值发送至支承硅片的工件台；

(d)使工件台带动硅片进行位置粗调，从而进入单个狭缝的测量范围；

(e)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，即获得EA上多个测量点的高度值并利用多个高度值进行平面拟合计算，得到EA所在平面位置和姿态的粗测结果；

(f)根据(e)的测量结果进行再次调整，使EA进入精测区间；

(g)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，方法同(e)，得到EA平面位置和姿态的精测结果；

(h)调焦调平装置的输出与工件台的伺服系统构成闭环，工件台根据测量数据与零平面的差自动调整EA的位置；

(i)伺服系统进入稳定状态，调整结束，EA处于零平面。

一种使用调焦调平装置在投影光刻设备中将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的方法，具有如下步骤：

(a)利用狭缝s(1，n)、狭缝s(m，1)以及所述其它任一狭缝两侧的扩展狭缝获取扩展测量点的高度值h1、h2、h3；

(b)三点拟合得到EA平面的位置和姿态信息Z，Rx，Ry，其中Z表示平面的高度值，Rx、Ry分别表示平面绕X轴和Y轴的旋转角度，即平面的倾斜；

(c)将位置和姿态作为偏差设定值发送至工件台；

(d)使工件台带动硅片进行位置粗调，从而进入单个狭缝的测量范围；

(e)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，得到EA所在平面位置和姿态的粗测结果；

(f)根据(e)的测量结果进行第二次调整，使EA进入精测区间；

(g)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，得到EA平面位置和姿态的精测结果；

(h)调焦调平装置的输出与工件台的伺服系统构成闭环，工件台根据测量数据与零平面的差自动调整EA的位置；

(i)伺服系统进入稳定状态，调整结束，EA处于零平面。

采用本发明的调焦调平装置及测量方法可以在不增加光机复杂性和成本的条件下，有效扩展调焦调平装置的可测量区间，同时不影响在精测范围内的测量精度。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1所示为根据本发明的用于投影光刻设备中的调焦调平测量装置结构图；

图2所示为光斑与单个接收狭缝的相对关系以及对应的输出信号图形；

图3所示为根据本发明的实施例调焦调平装置在多点测量时硅片表面的光斑矩阵分布图形；

图4所示为根据本发明第一实施例的调焦调平装置中的接收狭缝面上的接收狭缝矩阵分布图形；

图5所示为图4中区域A的狭缝结构和光斑扫描关系示意图；

图6所示为根据本发明的增加了扩展狭缝的区域的输出信号图形；

图7所示为利用本发明的第一实施例的调焦调平装置将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的流程；

图8所示为根据本发明第二实施例的调焦调平装置中的接收狭缝面上的狭缝矩阵分布图；

图9所示为利用本发明的第二实施例的调焦调平装置将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的流程。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

第一实施例

图1所示为根据本发明的用于投影光刻设备中的调焦调平测量装置结构图。其中被测硅片3位于投影物镜10的正下方，由工件台9所支承。光源1、光学投影单元2、被测硅片3、光学接收单元4、光学调制单元5、接收狭缝面6、光电探测器7和控制单元8构成调焦调平装置。该装置用于实现对硅片3的表面高度和倾斜信息的测量。由光源1所发出的探测光经光学投影单元2照射到硅片3的表面形成测量光斑，并从硅片3的表面反射后经过光学接收单元4和光学调制单元5，最终成像于接收狭缝面6上。接收狭缝面6具有成m×n矩阵分布的一定大小的透光狭缝，狭缝后方安装有光电探测器单元7，可以将穿过狭缝的光能量信号转化为电信号，这些电信号由控制单元8进行分析处理，得到光斑在狭缝面上的位置变化量，从而获得硅片表面的高度和倾斜信息。

下面根据单个光斑与单个狭缝的情况对本发明的原理进行描述。图2所示为光斑与单个接收狭缝的相对关系以及对应的输出信号图形。其中光斑的大小与狭缝的大小一致，两者的长度均等于d。一般情况下，当硅片表面位置处于调焦调平测量装置的零点时，光斑中心与狭缝中心位置重合，处于位置0。根据三角测量法的原理，硅片表面位置的变化会使投影在接收狭缝面上的光斑的位置产生成比例的变化量，这一比例是由入射角和光学接收单元的放大倍数所决定的常数。为了便于讨论，可以直接用光斑中心在接收狭缝面6上的位置来表示硅片的高度和调焦调平装置的测量范围。

令光学调制单元5中的扫描反射镜作正弦振动(频率＝f，振幅A＝0.5arctan(d/2L)，其中L为扫描反射镜中心与狭缝中心之间的距离)，在扫描反射镜的作用下，光斑在垂直方向作扫描运动，扫描过程中光斑中心位置x变化的最大值和最小值分别为d/2和-d/2。当硅片表面位置发生变化令光斑处于位置1、2时，光信号无法通过扫描穿过狭缝，光电探测器接收不到能量信号，则区间[-3d/2，3d/2]对应的就是调焦调平装置的测量范围。对光电探测器输出信号进行处理，可以得到图2中的v-x曲线，其中v是控制模块进行信号处理后得到的电压值，其中曲线V1f由调制光电信号中频率为f的谐波分量的大小和相位决定，它与光斑中心位置具有一一对应的关系，曲线V2f由调制光电信号中频率为2f的谐波分量的大小和相位决定，可用于判断光斑中心位置所处的区域。V1f-x曲线通过离线标定(即在调焦调平测量装置工作前通过其他高精度的仪器如激光干涉仪等测出V和X的对应关系，在正常工作时，根据信号处理得到的V1f值，即可算出对应的测量结果x。)，这一曲线在区间[-3d/2，-d/2]中单调减小、在区间[-d/2，d/2]中单调增加，在区间[d/2，3d/2]中单调减小，实际测量中所得到的v值处于哪一个区间，可以根据调制信号中2f谐波分量的大小确定，不会造成混淆。

在x＝0的邻域中，V1f-x曲线具有最高的灵敏度和线性，可以将[-d/2，d/2]中x＝0附近的区间作为调焦调平装置的精测范围，在精测范围内可以实现高精度的测量。在保证小区间内精确测量的同时，希望有较大的可测量范围，从而在较大的区间内捕捉到硅片的高度信息，根据高度信息，可以通过工件台将硅片带入精测区间内。为了实现这一目的，本发明通过在接收狭缝面上增加扩展狭缝来扩展调焦调平的测量范围，同时不影响装置原有的精测范围。图3所示为根据本发明的实施例的调焦调平装置中在多点测量时硅片表面的光斑矩阵分布图形，其中EA为曝光区域。图4所示为根据第一实施例的调焦调平装置中的接收狭缝面上的接收狭缝矩阵分布图形。接收狭缝矩阵与图3所示的光斑矩阵相对应，两个矩阵均为m×n矩阵，其中狭缝s(m，n)与光斑w(m，n)一一对应。区域A中，扩展狭缝sx1和sx2沿扫描方向分别布置于s(m，1)的两侧，用于实现测量范围的扩展。同样地，在区域B中，扩展狭缝sx3和sx4沿扫描方向分别布置于s(1，n)的两侧。图5所示为图4中区域A的狭缝结构和光斑扫描关系示意图(区域B与之相同)。扩展狭缝sx3和狭缝s(m，1)的中心间距为l，根据图2的测量原理，当l＝3d时，可得到如图6(a)所示的V1f-x曲线。其中曲线2对应于光斑在单个接收狭缝s(m，1)测量范围内时的测量曲线，当硅片位置变化使得高度超出了狭缝s(m，1)的测量范围时，sx1或sx2会检测到光信号，此时对应的测量曲线为1或3部分。由此可知，硅片上光斑w(m，1)处的测量范围扩大为[-9d/2，+9d/2]，是原来的3倍，而在精测范围内的特性没有改变。在实际应用中，为避免出现光斑中心正好处于各部分曲线的切换处，可取l＜3d，此时的V1f-x曲线如图6(b)所示，实际的测量范围为[-l-3d/2，l+3d/2]。

图7所示为利用本发明的第一实施例的调焦调平装置将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的流程。具有如下步骤：(a)获取范围A和范围B中的扩展测量点的高度值h1、h2；(b)计算EA的中心高度h，h≈(h1+h2)/2；(c)将高度h作为位置偏差设定值发送至支承硅片的工件台；(d)使工件台带动硅片进行位置粗调，从而进入单个狭缝的测量范围；(e)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，即获得EA上多个测量点的高度值并利用多个高度值进行平面拟合计算，得到EA所在平面位置和姿态的粗测结果；(f)根据(e)的测量结果进行再次调整，使EA进入精测区间；(g)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，方法同(e)，得到EA平面位置和姿态的精测结果；(h)调焦调平装置的输出与工件台的伺服系统构成闭环，工件台根据测量数据与零平面的差自动调整EA的位置；(i)伺服系统进入稳定状态，调整结束，EA处于零平面。

第二实施例

在第一实施例中只扩展了两点(s(m，1)和s(1，n))的测量范围，在扩展范围内只能给出被测表面的高度值，不能对倾斜进行调整，因此对硅片的倾斜范围有一定的要求，如果硅片的倾斜较大，则利用实施例1的流程难以将硅片调平，需要有前置步骤对硅片进行一定程度的调平。为在扩展测量范围内获得倾斜信息，可以在接收狭缝面上再增加一组扩展狭缝。图8所示为根据本发明第二实施例的调焦调平装置中的接收狭缝面上的狭缝矩阵分布图。通过在区域C内，在狭缝s(m，3)的两侧分别增加狭缝sx5和狭缝sx6，从而在扩展范围内获得三个点的高度值，进而得到被测表面的倾斜信息。区域C可以选择在矩阵内除了区域A和B的任意狭缝处。

图9所示为利用本发明的第二实施例的调焦调平装置将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的流程。具有如下步骤：(a)获取范围A、范围B和范围C中的扩展测量点的高度值h1、h2、h3；(b)三点拟合得到EA平面的位置和姿态信息Z，Rx，Ry，其中Z表示平面的高度值，Rx、Ry分别表示平面绕X轴和Y轴的旋转角度，即平面的倾斜，这三个参数表征了该平面在空间中的位置和姿态(即位姿)，已知平面上的多个点(＞＝3)的高度值，即可用最小二乘法拟合出一个穿过这些点空间平面，Z，Rx、Ry就是该平面的空间特征；(c)将位置和姿态作为偏差设定值发送至工件台；(d)使工件台带动硅片进行位置粗调，从而进入单个狭缝的测量范围；(e)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，得到EA所在平面位置和姿态的粗测结果；(f)根据(e)的测量结果进行第二次调整，使EA进入精测区间；(g)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，得到EA平面位置和姿态的精测结果；(h)调焦调平装置的输出与工件台的伺服系统构成闭环，工件台根据测量数据与零平面的差自动调整EA的位置；(i)伺服系统进入稳定状态，调整结束，EA处于零平面。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种测量范围可扩展的调焦调平装置，该装置包括

光源；

光学投影单元，接收光源发出的光并将其照射到被测硅片表面形成测量光斑矩阵W；

光学接收单元，接收由被测硅片反射的光斑；

光学调制单元，其具有扫描反射镜，所述扫描反射镜在测量调平时作正弦振动；

接收狭缝面，该狭缝面上具有与硅片上的各个光斑一一对应的狭缝的狭缝矩阵S，经由扫描反射镜反射的光斑成像于该接收狭缝面上；

光电探测器，将穿过狭缝的光能量信号转化为电信号；

控制单元，对光电探测器输出的电信号进行分析处理；

其特征在于，在接收狭缝面上还具有位于狭缝矩阵边缘的扩展狭缝，用于扩展调焦调平装置的测量范围。

2.根据权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述光斑矩阵和狭缝矩阵均为m×n矩阵。

3.根据权利要求2所述的调焦调平装置，其特征在于，所述扩展狭缝是在扫描方向上分别形成于狭缝s(1，n)和狭缝s(m，1)两侧的狭缝。

4.根据权利要求3所述的调焦调平装置，其特征在于，接收狭缝面上的所有狭缝的尺寸均与经扫描反射镜反射后的光斑的尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的调焦调平装置，其特征在于，扫描反射镜的振动频率为f，振幅为A＝0.5arctan(d/2L)，其中d为狭缝在扫描方向的长度，L为扫描反射镜中心与狭缝中心之间的距离。

6.根据权利要求5所述的调焦调平装置，其特征在于，当狭缝s(1，n)和狭缝s(m，1)两侧每侧的扩展狭缝均为k个时，该装置的高度测量范围被扩展为[-kl-3d/2，kl+3d/2]，其中l为相邻狭缝的中心距离，且l小于等于3d。

7.根据权利要求3所述的调焦调平装置，其特征在于，在狭缝面上的其它任一狭缝扫描方向上的两侧分别形成有扩展狭缝，用于与其它狭缝配合测量硅片的倾斜。

8.一种使用根据权利要求3所述的调焦调平装置在投影光刻设备中将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的方法，具有如下步骤：

(a)利用狭缝s(1，n)和狭缝s(m，1)两侧的扩展狭缝获取扩展测量点的高度值h1、h2；

(b)计算EA的中心高度h，h≈(h1+h2)/2；

(c)将高度h作为位置偏差设定值发送至支承硅片的工件台；

(d)使工件台带动硅片进行位置粗调，从而进入单个狭缝的测量范围；

(e)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，即获得EA上多个测量点的高度值并利用多个高度值进行平面拟合计算，得到EA所在平面位置和姿态的粗测结果；

(f)根据(e)的测量结果进行再次调整，使EA进入精测区间；

(g)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，方法同(e)，得到EA平面位置和姿态的精测结果；

(h)调焦调平装置的输出与工件台的伺服系统构成闭环，工件台根据测量数据与零平面的差自动调整EA的位置；

(i)伺服系统进入稳定状态，调整结束，EA处于零平面。

9.一种使用根据权利要求7所述的调焦调平装置在投影光刻设备中将硅片曝光区域EA调整到调焦调平装置零平面的方法，具有如下步骤：

(a)利用狭缝s(1，n)、狭缝s(m，1)以及所述其它任一狭缝两侧的扩展狭缝获取扩展测量点的高度值h1、h2、h3；

(b)三点拟合得到EA平面的位置和姿态信息Z，Rx，Ry，其中Z表示平面的高度值，Rx、Ry分别表示平面绕X轴和Y轴的旋转角度，即平面的倾斜；

(c)将位置和姿态作为偏差设定值发送至工件台；

(d)使工件台带动硅片进行位置粗调，从而进入单个狭缝的测量范围；

(e)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，得到EA所在平面位置和姿态的粗测结果；

(f)根据(e)的测量结果进行第二次调整，使EA进入精测区间；

(g)利用EA上的多个光斑信号进行拟合测量，得到EA平面位置和姿态的精测结果；

(h)调焦调平装置的输出与工件台的伺服系统构成闭环，工件台根据测量数据与零平面的差自动调整EA的位置；

(i)伺服系统进入稳定状态，调整结束，EA处于零平面。

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