CN102043352B - 调焦调平检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的调焦调平检测装置包括照明单元、投影及步进扫描单元、光学成像单元和探测器；所述照明单元发射出的光束通过投影及步进扫描单元入射到硅片表面上，所述投影及步进扫描单元在一维方向上作扫描振动，在与之正交的另一维方向上作步进运动，从而实现对硅片表面整个曝光场的扫描，获取检测信息，携带检测信息的光束经硅片表面反射后由光学成像单元成像到探测器上，所述探测器对检测信息进行处理，以获得硅片表面偏离曝光位置的数据信息。本发明调焦调平检测装置利用投影及步进扫描单元在步进和扫描两个方向上，对整个硅片曝光场进行更接近真实硅片表面状况的全场多点扫描测量，从而大大提高了测量精度，且工艺适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及光刻技术，尤其涉及一种调焦调平检测装置。
背景技术
投影光刻机是一种把掩模上的图案通过投影物镜投影到硅片表面的设备。为了使硅片表面位于指定的曝光位置，必须有自动调焦调平系统进行精确控制。在工艺过程中，需要检测自动调焦调平系统是否正确调焦调平，即检测硅片表面是否已位于指定的曝光位置，检测的方法是获得整个曝光场内硅片表面高度与倾斜信息，以此来判断自动调焦调平系统是否正确调焦调平，而自动调焦调平系统又根据这些信息作相应调节，以精确控制硅片位置。
为了获得整个曝光场内硅片表面高度与倾斜信息，通常在曝光场内设计多个测量标记，以所述测量标记为测量点，测量各测量点上硅片表面高度与倾斜量，以此获得整个曝光场内硅片表面高度与倾斜信息，这种检测方法对标记板以及光机系统的设计、加工、装调要求很高。
公开日期为1984年4月18日、专利号为4823014的美国专利中提供了一种独特的调焦调平检测技术方案，该方案利用多个不同波长的半导体激光器(Laser Diode，LD)合成宽带波长，以减小层间干涉效应对测量精度的影响；为了利用同一光路实现对硅片表面多点位置的测量，该方案采用了布拉格BRAGG声光衍射效应进行扫描测量以及布置不同角度的入射光点。该方案只需使用一个测量点即可达到多点探测，克服了多光斑测量的缺点，但也存在以下缺点：
1、声光衍射器件的衍射效率与超声波功率是非线性关系，即扫描硅片的光强不易恒定；
2、只能实现一维扫描，即只能对过曝光场中心且垂直于调焦系统光轴与投影物镜光轴所构成的面的线上点进行测量，确定其倾斜和离焦信息，降低了对整个曝光场的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调焦调平检测装置，在扫描和步进两个方向(即X轴向和Y轴向)上对整个硅片曝光场进行全场多点扫描测量，大幅度提高测量精度。
为了达到上述的目的，本发明提供一种调焦调平检测装置，其包括照明单元、投影及步进扫描单元、光学成像单元和探测器；所述照明单元发射出的光束通过投影及步进扫描单元入射到硅片表面上，所述投影及步进扫描单元在一维方向上作扫描振动，在与之正交的另一维方向上作步进运动，从而实现对硅片表面整个曝光场的扫描，获取检测信息，携带检测信息的光束经硅片表面反射后由光学成像单元成像到探测器上，所述探测器对检测信息进行处理，以获得硅片表面偏离曝光位置的数据信息。
上述调焦调平检测装置，其中，所述投影及步进扫描单元包括为投影前组镜头、扫描反射镜、投影后组镜头、第一驱动器和第二驱动器；照明单元发射出的光束依次通过投影前组镜头、扫描反射镜、投影后组镜头入射到硅片表面上；所述第一驱动器驱动扫描反射镜作扫描振动；所述第二驱动器驱动扫描反射镜、第一驱动器和投影后组镜头作步进运动。
上述调焦调平检测装置，其中，所述扫描反射镜位于投影前组镜头和投影后组镜头的焦阑处。
上述调焦调平检测装置，其中，所述光学成像单元包括成像前组镜头、孔径光阑和成像后组镜头；光束经硅片表面反射后依次通过成像前组镜头、孔径光阑和成像后组镜头，最后垂直入射到探测器上。
上述调焦调平检测装置，其中，所述照明单元包括依次排列的白光点光源、小孔屏、准直透镜、消杂光光阑和孔径光阑。
上述调焦调平检测装置，其中，所述照明单元包括多个发光体、多根光纤、多个光束准直单元、一光波合束单元和一孔径光阑；所述多个发光体发射出的光分别经一光纤传输至一光束准直单元，再进入光波合束单元合成为宽波带的光束，该宽波带的光束通过孔径光阑形成一宽波带的光束。
上述调焦调平检测装置，其中，所述发光体发射出的光波的波长选取在630nm～980nm。
上述调焦调平检测装置，其中，所述发光体为发光二极管或半导体激光器。
上述调焦调平检测装置，其中，所述探测器是面阵电荷耦合器件、面阵位置敏感器件，或者是线阵电荷耦合器件阵列、线阵位置敏感器件阵列。
本发明调焦调平检测装置利用投影及步进扫描单元在扫描和步进两个方向上(即X轴和Y轴方向)，对整个硅片曝光场进行更接近真实硅片表面状况的全场多点扫描测量，从而大大提高了测量精度，且工艺适应性强；本发明调焦调平检测装置的照明单元结构简单。
附图说明
本发明的调焦调平检测装置由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明调焦调平检测装置的结构框图；
图2是本发明调焦调平检测装置一实施例的结构示意图；
图3是本发明中照明单元实施例一的结构示意图；
图4是本发明中照明单元实施例二的结构示意图；
图5是本发明中探测器一实施例的结构示意图；
图6是本发明调焦调平检测装置进行扫描操作时的示意图；
图7是本发明调焦调平检测装置进行步进操作时的示意图；
图8是本发明中硅片表面上扫描轨迹示意图。
具体实施方式
以下将结合图1～图8对本发明的调焦调平检测装置作进一步的详细描述。
参见图1，本发明调焦调平检测装置包括照明单元3、投影及步进扫描单元4、光学成像单元5和探测器6；
所述照明单元3发射出的极细光束(光斑直径在毫米量级的光束)通过投影及步进扫描单元4入射到光刻机载片台上的硅片表面2上，光束经硅片表面2反射后由光学成像单元5成像到探测器6上，所述探测器6对探测信号进行相关处理，获得整个曝光场内硅片表面高度与倾斜信息，为后续伺服控制(图中未示)提供依据。
在图1中，取光刻机投影物镜1的光轴Ax所在的方向为Z轴，垂直于纸面的方向为Y轴。当硅片表面2偏离投影物镜1的焦平面ΔZ距离时(即硅片表面2的离焦量为ΔZ，图1中实线表示投影物镜1的焦平面，虚线表示硅片表面2实际所处的平面)，光束经硅片表面2反射后在探测器6上会有相应的变化量ΔL，离焦量ΔZ与变化量ΔL的关系如下：ΔL＝2ΔZβ2sinθ，其中，θ为光束入射到硅片表面2的入射角，β2为光学成像单元5的光学放大倍率。由离焦量ΔZ与变化量ΔL的关系式可知，可通过测量变化量ΔL得到硅片表面2的离焦量ΔZ。
参见图2，图2和图1一样，取光刻机投影物镜1的光轴Ax所在的方向为Z轴，垂直于纸面的方向为Y轴。
所述投影及步进扫描单元4包括为投影前组镜头41、扫描反射镜42、投影后组镜头43、第一驱动器J和第二驱动器M；
所述扫描反射镜42、第一驱动器J和投影后组镜头43刚性连接，照明单元3发射出的极细光束依次通过投影前组镜头41、扫描反射镜42、投影后组镜头43入射到硅片表面2上；
所述第一驱动器J驱动扫描反射镜42围绕Y轴方向作扫描振动；
所述第二驱动器M驱动扫描反射镜42、第一驱动器J和投影后组镜头43沿Y轴方向作步进运动；
所述光学成像单元5包括成像前组镜头51、孔径光阑52和成像后组镜头53；光束经硅片表面2反射后依次通过成像前组镜头51、孔径光阑52和成像后组镜头53，最后垂直入射到探测器6上。
为了保证测量的精度，所述投影及步进扫描单元4和光学成像单元5均为双远心结构，所述扫描反射镜42位于投影前组镜头41和投影后组镜头43的焦阑处，构成远心扫描系统。
所述照明单元3发射出的光束可以是白光(如卤素灯)，也可以是由多个波长的光波合束而成的。
参见图3，所示为所述照明单元3的一实施例，该照明单元3包括依次排列的白光点光源31a、小孔屏32a、准直透镜33a、消杂光光阑34a和孔径光阑35a，该照明单元3发射出极细平行光束。
参见图4，所示为所述照明单元3的另一实施例，该照明单元3包括N个发光体(Light Emitting Diode，LED)(311、312、313......31N)、N根光纤(321、322、323......32N)、N个光束准直单元(331、332、333......33N)、一光波合束单元34b和一孔径光阑35b，所述N个发光体发射出的光波的波长分别为λ1、λ2、λ3、......λN，所述N个发光体发射出的光分别经一光纤传输至一光束准直单元，再进入光波合束单元34b合成为较宽波带的光束，该光束通过孔径光阑35b形成有较宽波带的极细光束。为避免曝光波长与光刻胶的层间干涉效应对测量精度的影响，发光体发射出的光波的波长选取在630nm～980nm，本实施例中的发光体可以用半导体激光器(Laser Diode，LD)来代替。
本发明调焦调平检测装置的照明单元3结构简单。
所述探测器6可以是面阵电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)、面阵位置敏感器件(Position Sensitive Device，PSD)，或者是线阵电荷耦合器件阵列、线阵位置敏感器件阵列。
参见图5，所示为所述探测器6的一实施例，该实施例为线阵CCD阵列，其包含n个线阵CCD。
以下结合图6～图8，介绍本发明调焦调平检测装置的工作原理：
照明单元3发出的极细光束沿投影及步进扫描单元4入射到硅片表面2上，形成单个测量光点O。当扫描反射镜42在第一驱动器J的驱动下围绕Y轴方向作扫描振动(如图6所示扫描反射镜42在第一驱动器J的驱动下以角速度ω绕Y轴转动)时，硅片表面2上的测量光点就会以O点为中心沿X方向在A点到B点范围内往复移动(探测器6上相应为以O′点为中心沿X方向在A′点到B′点范围内往复移动，如图5所示)；当扫描反射镜42、第一驱动器J与投影后组镜头43沿Y轴方向作步进运动(如图7所示扫描反射镜42、第一驱动器J与投影后组镜头43在第二驱动器M的驱动下沿Y轴方向作步进运动)时，测量光点在硅片表面2上又会以O点为中心在C点到D点范围内移动(探测器6上相应为以O′点为中心沿Y方向在C′点到D′点范围内往复移动，如图5所示)，由此实现在扫描方向与步进方向对硅片表面2整个曝光场的扫描。测量光点经后续的光学成像单元5后在探测器6上成像，且测量光点的主光线与探测器6垂直(即测量光点的主光线在探测器6上的入射角为零)。探测器6输出测量光点的探测信号，可通过对各探测信号的预处理、插值、工艺相关性等处理得出各曝光场的高度，以及对多个曝光场高度的平均或加权、平面或曲面拟合等处理，得出曝光场整体或多个曝光场的高度、倾斜量信息，为后续伺服控制等提供依据。
为了获取硅片表面2上整个曝光场内足够多的信息，可按需设计扫描反射镜42对应在AB范围内的扫描点数，以及投影及步进扫描单元4对应在CD范围内的步进步数。
为保证本发明调焦调平检测装置对硅片表面各曝光场进行有效的扫描测量，现设定其工作流程如下：
当检测装置工作时，照明单元3打开后，第一驱动器J对扫描反射镜42进行初始化，第二驱动器M对扫描反射镜42与投影后组镜头43进行初始化，使得入射到硅片表面2上的光线在硅片表面2上得到测量光点O；然后由第二驱动器M驱动反射镜42、第一驱动器J与投影后组镜头43进行步进运动，使得入射到硅片表面2上的光线到达硅片表面2上的C点一侧，锁定第二驱动器M，由第一驱动器J驱动扫描反射镜42开始扫描，如图6所示，完成曝光场X方向扫描，扫描位置即图8中线条1所示曝光场的横向长度p，这样，如图5所示，在探测器6上就会相应的k个位置信息。然后第一驱动器J锁定扫描反射镜42，第二驱动器M驱动反射镜42、第一驱动器J与投影后组镜头43，步进到曝光场内线条2对应的位置，锁定第二驱动器M，由第一驱动器J驱动扫描反射镜42完成曝光场内线条2位置的扫描，在探测器上就会有对应的线条2上k个位置信息。重复以上过程，直到完成线条n位置的扫描，得到线条n上的k个位置信息。因此，总测量点个数为n×k，得到整个曝光场内n×k个位置探测信息。
本发明调焦调平检测装置利用投影及步进扫描单元在扫描和步进两个方向上(即X轴和Y轴方向)，对整个硅片曝光场进行更接近真实硅片表面状况的全场多点扫描测量，从而大大提高了测量精度，且工艺适应性强；本发明调焦调平检测装置的照明单元结构简单。
Claims (8)
1.一种调焦调平检测装置，其特征在于，其包括照明单元、投影及步进扫描单元、光学成像单元和探测器；
所述照明单元发射出的光束通过投影及步进扫描单元入射到硅片表面上，所述投影及步进扫描单元在一维方向上作扫描振动，在与之正交的另一维方向上作步进运动，从而实现对硅片表面整个曝光场的扫描，获取检测信息，携带检测信息的光束经硅片表面反射后由光学成像单元成像到探测器上，所述探测器对检测信息进行处理，以获得硅片表面偏离曝光位置的数据信息；
所述投影及步进扫描单元包括投影前组镜头、扫描反射镜、投影后组镜头、第一驱动器和第二驱动器；
照明单元发射出的光束依次通过投影前组镜头、扫描反射镜、投影后组镜头入射到硅片表面上；
所述第一驱动器驱动扫描反射镜作扫描振动；
所述第二驱动器驱动扫描反射镜、第一驱动器和投影后组镜头作步进运动。
2.如权利要求1所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述扫描反射镜位于投影前组镜头和投影后组镜头的焦阑处。
3.如权利要求1所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述光学成像单元包括成像前组镜头、孔径光阑和成像后组镜头；光束经硅片表面反射后依次通过成像前组镜头、孔径光阑和成像后组镜头，最后垂直入射到探测器上。
4.如权利要求1所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述照明单元包括依次排列的白光点光源、小孔屏、准直透镜、消杂光光阑和孔径光阑。
5.如权利要求1所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述照明单元包括多个发光体、多根光纤、多个光束准直单元、一光波合束单元和一孔径光阑；
所述多个发光体发射出的光分别经一光纤传输至一光束准直单元，再进入光波合束单元合成为宽波带的光束，该宽波带的光束通过孔径光阑形成一宽波带的光束。
6.如权利要求5所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述发光体发射出的光波的波长选取在630nm～980nm。
7.如权利要求6所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述发光体为发光二极管或半导体激光器。
8.如权利要求1所述的调焦调平检测装置，其特征在于，所述探测器是面阵电荷耦合器件、面阵位置敏感器件，或者是线阵电荷耦合器件阵列、线阵位置敏感器件阵列。
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