CN102455247A

CN102455247A - 投影物镜最佳焦面检测装置及方法

Info

Publication number: CN102455247A
Application number: CN201010530560XA
Authority: CN
Inventors: 陈跃飞; 徐兵; 蔡巍; 贾翔; 王端秀
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-11-03
Also published as: CN102455247B

Abstract

本发明提出投影物镜最佳焦面检测装置，包括安装在光刻机工件台上的基准版和光电探测装置，光照射在所述光刻机中掩模版上的测量标记阵列上时，所述测量标记阵列通过所述投影物镜在所述基准版上成像，所述光电探测装置探测到所述基准版上的像；使用所述投影物镜最佳焦面检测装置的检测方法，利用最小二乘法得到中轴位置和清晰度的关系曲线，从而根据所述关系曲线的拐点所对应的中轴位置与测量标记阵列的视场的中轴位置的差值，来判断所述投影物镜最佳焦面的位置。投影物镜最佳焦面检测装置及方法，通过移动工件台，而所述投影物镜处于静止状态，就可以完成测量所述投影物镜最佳焦面的目的。

Description

投影物镜最佳焦面检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光刻机中投影物镜调整，特别涉及光刻机中投影物镜最佳焦面检测装置及方法。

背景技术

半导体封装、液晶显示元件等微型器件制造工艺中的，光刻机是经常用到的，因此光刻机中镜头的自动调焦也显得尤为重要。

专利CN101498831A提出了一种光学成像系统的自动调焦方法，通过移动载物台到一个位置，利用图像传感器获取当前位置的清晰度值，再移动到下一个位置，寻找最大的清晰度值，直到前后两个最大清晰度的绝对差值小于预先设定的清晰度阈值，该最大清晰度值对应的载物台位置即为最佳焦面位置；而实际上，虽然总的趋势是离焦平面越近，清晰度值越大，但是由于环境(温度，湿度)，光源，图像传感器的随机噪声影响及镜头的非线性，即使同一个焦平面位置的清晰度值也会在一定范围内产生明显波动，这造成相邻焦面位置很难获得稳定的清晰度值，这样也就很难说明相邻焦面位置哪一个位置更好，所以采用该方法获得的最佳焦面位置具有随意性，是不可靠的。

发明内容

本发明提供投影物镜最佳焦面检测装置及方法，以解决现有技术中投影物镜的最佳焦面位置具有随意性、不可靠性的技术问题。

本发明的投影物镜最佳焦面检测装置，与光刻机配合使用以确定所述投影物镜的最佳焦面，所述投影物镜最佳焦面检测装置包括：

基准版，安装在所述光刻机的工件台上；光电探测装置，安装在所述工件台中，位于所述基准版正下方、且与水平面成一定夹角；光照射在所述光刻机中掩模版上的测量标记阵列上时，所述测量标记阵列通过所述投影物镜在所述基准版上成像，所述光电探测装置探测到所述基准版上的像。

进一步的，所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述光电探测装置包括相互连接的镜头和图像传感器。

进一步的，所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述图像传感器为电子耦合器件或互补氧化物半导体。

进一步的，所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述测量标记阵列为光栅。

进一步的，所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述标记阵列中子标记间的距离大于等于1um。

进一步的，所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述夹角的范围为小于等于arccos(a/c)且大于等于arcsin(d/c)，其中，a为标记阵列的横向宽度，d为所述投影物镜的景深，c为所述光电探测装置水平放置时的视场宽度。

进一步的，所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述基准版的材质为硅片、玻璃或石英。

利用上述的影物镜最佳焦面检测装置检测投影物镜最佳焦面的方法，包括以下步骤：

a：将掩模版上的测量标记阵列移入视场，使所述光电探测装置探测到所述基准版上的像；

b：计算测量标记阵列中每一个子标记的中轴位置和清晰度值；

c：根据视场中每一个子标记的中轴位置和清晰度，利用最小二乘法拟合中轴位置和清晰度的关系曲线；

d：计算所述关系曲线的拐点所对应的中轴位置与所述测量标记阵列的视场的中轴位置的差值；

e：当所述差值的绝对值小于T/tanθ时，拐点所对应的中轴位置对应的焦面为最佳焦面，其中，T为投影物镜焦深测量误差阈值，θ为所述光电探测装置与水平面的夹角。

进一步的，检测投影物镜最佳焦面的方法中，当所述差值的绝对值大于等于T/tanθ时，将所述工件台在竖直方向上移动距离l*tanθ，循环步骤a至d直至所述差值的绝对值小于T/tanθ，其中，l为所述差值的绝对值。

进一步的，检测投影物镜最佳焦面的方法中，计算测量标记阵列中每一个子标记的中轴位置和清晰度值，是利用二维梯度算子进行计算的。

进一步的，检测投影物镜最佳焦面的方法中，所述二维梯度算子是Roberts算子、Prewitt算子或Sobel算子。

所述投影物镜最佳焦面检测装置，通过移动工件台，而所述投影物镜处于静止状态，就可以完成测量所述投影物镜最佳焦面的目的。

所述投影物镜最佳焦面检测方法，采用最小二乘法的数据处理方式对环境和光电传感器的噪声、及镜头的非线性具有一定的容忍性，抑制噪声对最佳焦面搜索的影响，对最佳焦面位置的检测效率更高，得出的投影物镜最佳焦面位置更为稳定、可靠。

附图说明

图1为本实施例中投影物镜最佳焦面检测装置与光刻机配合使用的示意图；

图2所示为本实施例中检测投影物镜最佳焦面的方法的流程图；

图3为本实施例的测量标记阵列的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想为：在光刻机上安装投影物镜最佳焦面检测装置，具体的，在工件台上安装基准版，来接收掩模版上的标记阵列经过投影物镜后所成的像，在所述基准版正下方的所述工件台中安装光电探测器，来获取基准版上的像；从而可以通过调整所述工件台在竖直方向的位置，来对所述投影物镜的位置进行补偿，直到得到所述投影物镜的最佳焦面位置。

实施例1

图1为本实施例中投影物镜最佳焦面检测装置与光刻机配合使用的示意图。参照1所示，本实施例中，投影物镜最佳焦面检测装置，与光刻机配合使用以确定所述投影物镜5的最佳焦面，所述投影物镜最佳焦面检测装置包括：

基准版8，安装在所述光刻机的工件台7上；在本实施例中，光电探测装置由镜头10和图像传感器9相互连接构成，所述光电探测装置安装在所述工件台中，位于所述基准版正下方、且与水平面成一定夹角；光源1发出的光照射在所述光刻机中掩模版3上的测量标记阵列4上时，所述测量标记阵列4通过所述投影物镜5在所述基准版8上成像，所述光电探测装置探测到所述基准版上的像，具体的在本实施例中，图像传感器9通过镜头10探测所述基准版8上的像。

本实施例中的所述投影物镜最佳焦面检测装置，通过移动工件台，而所述投影物镜处于静止状态，就可以完成测量所述投影物镜最佳焦面的目的。

可选的，在所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述图像传感器9可以为电子耦合器件(CCD)或互补氧化物半导体(CMOS)或其它光电传感器件。

其中，在所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述测量标记阵列可以为组成阵列的多个十字标记，也可以为成阵列分布的光栅。优选的，所述光栅中的子标记间的距离相等且所述子标记的宽度相同。

可选的，在所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述标记阵列中子标记间的距离大于等于1um。

在所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述光电探测装置与水平面所成的夹角，由所述测量标记阵列4的宽度和所述光电探测装置的视场共同确定，所述标记阵列的横向宽度为a，所述光电探测装置水平放置时的视场宽度为c，则所述光电探测装置与水平面所成的夹角的最大值为：

θ_max＝arccos(a/c)

若所述投影物镜5的景深为d，则所述光电探测装置与水平面所成的夹角的最小值为：

θ_min＝arcsin(d/c)

例如，测量标记阵列4的宽度为250um，图像传感器9和镜头10构成的视场的宽度为500um，投影物镜的焦深为30um，图像电传感器9和镜头10组成的光电探测装置与水平面所成的夹角的最大值为30度，所述光电探测装置与水平面所成的夹角的最小值为3.44度。

也就是说，所述光电探测装置与水平面所成的夹角的范围为：小于等于arccos(a/c)且大于等于arcsin(d/c)，在本实施例中，所述夹角的范围为3.44度至30度。

在保证覆盖所述投影物镜焦深的前提下，覆盖整个测量标记阵列，那么图像传感器9和镜头10实际安装的倾斜角度(即所述光电探测装置与水平面所成的夹角)θ为：

θ＝arccos(c′/c)

c′为图像传感器9和镜头10倾斜安装时测得的视场宽度。

可选的，在所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述基准版的厚度与工件台上晶圆的厚度相同。

可选的，在所述投影物镜最佳焦面检测装置中，所述基准版8的材质为硅片、玻璃或石英，以能够接收到所述测量标记阵列4的像为标准。

实施例2

图2所示为本实施例中投影物镜最佳焦面检测方法的流程图。参照图2和图1所示，所述投影物镜最佳焦面检测方法，包括以下步骤：

具体的，将掩模版3上的测量标记阵列4移入视场，可以是通过水平移动掩模台2或工件台7，使光电探测器能够探测到位于基准版上的所述测量标记阵列的像；

可选的，计算测量标记阵列4中每一个子标记的中轴位置x_i和清晰度值y_i，清晰度值是利用二维梯度算子进行计算的，所述二维梯度算子可以是Roberts算子、Prewitt算子或Sobel算子；还可以是直接计算什么水平方向和竖直方向数据的差值，将处理的信号值求和作为清晰度判据；

c：根据视场中每一个子标记的中轴位置和清晰度，利用最小二乘法拟合中轴位置和清晰度值的关系曲线；

具体的，将测量标记阵列4中的子标记的中轴位置x_i与其对应的清晰度值y_i作为输入，拟合中轴位置和清晰度值的关系曲线：

y＝ax²+bx+c

采用最小二乘法，获得方程：

[\begin{matrix} Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{4} & Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{3} & Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{2} \\ Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{3} & Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{2} & Σ_{i = 1}^{N} x_{i} \\ Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{2} & Σ_{i = 1}^{N} x_{i} & N \end{matrix}] [\begin{matrix} a \\ b \\ c \end{matrix}] = [\begin{matrix} Σ_{i = 1}^{N} x_{i}^{2} y_{i} \\ Σ_{i = 1}^{N} x_{i} y_{i} \\ Σ_{i = 1}^{N} y_{i} \end{matrix}]

可以解出a，b，c，从而得到关系曲线；

d：计算所述关系曲线的拐点所对应的中轴位置与测量标记阵列视场的中轴位置的差值；

具体的，由拐点计算公式：

y′＝(ax²+bx+c)′＝0

解得拐点所对应的中轴位置：

X = - \frac{b}{2 a}

从而可以得到拐点所对应的中轴位置与测量标记阵列视场的中轴位置的差值；

具体的，若视场的中轴位置为t，则满足：|X-t|＜T/tanθ时，拐点所对应的中轴位置对应的焦面为最佳焦面。

当所述差值的绝对值大于等于T/tanθ时，将所述工件台7在竖直方向上移动距离l*tanθ，循环步骤a至d直至所述差值的绝对值小于T/tanθ，其中，l为所述差值的绝对值，即将拐点所对应的中轴位置X移动至测量标记阵列视场的中轴位置。

图3为本实施例的测量标记阵列的结构示意图。测量标记阵列4的视场的中轴位置为42，最佳焦面拐点所对应的中轴位置为41，当所述差值的绝对值大于等于T/tanθ时，在垂直方向移动所述工件台。

本实施例中，投影物镜最佳焦面检测方法，采用最小二乘法的数据处理方式对环境和光电传感器的噪声、及镜头的非线性具有一定的容忍性，抑制噪声对最佳焦面搜索的影响，对最佳焦面位置的检测效率更高，得出的投影物镜最佳焦面位置更为稳定、可靠。

Claims

1.投影物镜最佳焦面检测装置，与光刻机配合使用以确定所述投影物镜的最佳焦面，所述投影物镜最佳焦面检测装置包括：

2.如权利要求1所述的投影物镜最佳焦面检测装置，其特征在于，所述光电探测装置包括相互连接的镜头和图像传感器。

3.如权利要求2所述的投影物镜最佳焦面检测装置，其特征在于，所述图像传感器为电子耦合器件或互补氧化物半导体。

4.如权利要求1所述的投影物镜最佳焦面检测装置，其特征在于，所述测量标记阵列为光栅。

5.如权利要求4所述的投影物镜最佳焦面检测装置，其特征在于，所述标记阵列中子标记间的距离大于等于1um。

6.如权利要求1所述的投影物镜最佳焦面检测装置，其特征在于，所述夹角的范围为小于等于arccos(a/c)且大于等于arcsin(d/c)，其中，a为标记阵列的横向宽度，d为所述投影物镜的景深，c为所述光电探测装置水平放置时的视场宽度。

7.如权利要求1所述的投影物镜最佳焦面检测装置，其特征在于，所述基准版的材质为硅片、玻璃或石英。

8.利用权利要求1至7中任一项所述的投影物镜最佳焦面检测装置的投影物镜最佳焦面检测方法，包括以下步骤：

d：计算所述关系曲线的拐点所对应的中轴位置与测量标记阵列的视场的中轴位置的差值；

9.如权利要求8所述的投影物镜最佳焦面检测方法，其特征在于，当所述差值的绝对值大于等于T/tanθ时，将所述工件台在竖直方向上移动距离l*tanθ，循环步骤a至d直至所述差值的绝对值小于T/tanθ，其中，l为所述差值的绝对值。

10.如权利要求8所述的投影物镜最佳焦面检测方法，其特征在于，计算测量标记阵列中每一个子标记的中轴位置和清晰度值，是利用二维梯度算子进行计算的。

11.如权利要求10所述的投影物镜最佳焦面检测方法，其特征在于，所述二维梯度算子是Roberts算子、Prewitt算子或Sobel算子。