CN102928321A - 掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统 - Google Patents

掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，包括依次设置的半导体激光器、激光准直组件、多面棱镜、f-θ物镜组件及接收探测组件，所述半导体激光器发出的激光光束经过激光准直组件准直后由多面棱镜转动反射至f-θ物镜组件，最后聚焦于掩模面进行扫描，扫描的检测信息反射至并由所述接收探测组件接收。本发明的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统采用了该结构简单的柱面镜，达到相同像质情况下，降低了设计难度，且在有限空间里增大扫描范围，体积减小且有利于光机装校；可以补偿多面棱镜反射面与被扫描面的不垂直度误差；降低了多面棱镜的精度从而降低加工成本，以及降低电机精度要求，同时降低f-θ的加工成本。

Description

掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统
技术领域
本发明涉及光刻掩模的技术领域，尤其是涉及一种掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统。
背景技术
随着半导体投影光刻技术的发展，其对于投影光学系统的性能要求越来越高。在半导体光刻设备中，掩模版上的颗粒对测量是有一定的影响，当颗粒度大于100微米时，可以擦走，当颗粒度小于10微米时，对测量是没有影响的，但是当颗粒度在10-100微米的时候，是擦不走的。因此为了能够对检测其掩模版上10-100微米颗粒，需要用一种激光扫描装置进行检测掩模版的颗粒。
激光扫描装置常应用于激光打印、复印等设备中，其通常采用高速旋转多面棱镜，经过一组f-θ透镜，校正后聚焦于被扫描面形成行扫描，同时利用垂直于行扫描方向的机械运动，最终将图像数据以激光点的形式在影像感光元件的感光表面恢复，再现原图像。
如图1所示，图1为现有技术的一个激光扫描检测系统的结构示意图，该激光扫描装置中的f-θ透镜1、2在x和y方向都采用了双面均为非球面透镜，其口径比较大，而在实际有限空间中，口径较大的透镜限制了扫描宽度，光学设计难度比较大；像方为非远心光路，当多面棱镜4旋转时，激光入射点发生变化导致的光轴偏心，由于非远心，偏心更厉害。同时由于激光准直后，多面棱镜4反射面与被扫描面不共轭，使得多面棱镜4加工出现反射面倾斜时，以及电机带动多面棱镜4转动时，存在轴的晃动等情况，从而导致光斑在副扫描方向上的偏离，这样将影响到检测信息的准确率，如果运用于颗粒度检测则会导致偏离的地方检测不到，则会造成扫描检测遗漏了颗粒。
发明内容
基于此，有必要提供一种掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其在有限的空间内扫描范围较大、检测信息准确率较高且结构简单、加工成本较低。
一种掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，包括依次设置的半导体激光器、激光准直组件、多面棱镜、f-θ物镜组件及接收探测组件，所述半导体激光器发出的激光光束经过激光准直组件准直后由多面棱镜转动反射至f-θ物镜组件，最后聚焦于掩模面进行扫描，扫描的检测信息反射至并由所述接收探测组件接收。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述激光准直组件包括依次设置的准直透镜、可变光阑及柱面镜L1。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述多面棱镜的反射镜面与掩模面在副扫描方向共轭。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述f-θ物镜组件包括柱面镜L2、柱面镜L3、柱面镜L4、柱面镜L5及L6、及反射镜M1、M2、M3；其中，所述f-θ物镜组件中所有的柱面镜均在x扫描方向有曲率，而在垂直该方向无曲率。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述f-θ物镜焦距100mm＜f”＜150mm。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述接收探测组件包括柱面镜L7、球面镜L8及L9、反射镜M4及光电倍增器。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述接收探测组件的物方孔径角度大于f-θ物镜像方的孔径角，而且其采用双远心结构。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，所述柱面镜L1为凹面镜，柱面镜L2为凸面镜、柱面镜L3为凹面镜、柱面镜L4为凸面镜。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，其中，柱面镜L1曲率弯向扫描镜面方向，柱面镜L3与柱面镜L3的曲率弯向相反，而且柱面镜L2的曲率与柱面镜L3的曲率面背而置。
进一步，在上述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统中，n2＝1.8051，n3＝1.713，n4＝1.8051，n5＝1.48，n6＝1.713，其中，n2为柱面镜L2的折射率，n3为柱面镜L3的折射率，n4为柱面镜L4的折射率，n5为柱面镜L5的折射率，n6为柱面镜L6的折射率。
本发明的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统采用了该结构简单的柱面镜，达到相同像质情况下，降低了设计难度，且在有限空间里增大扫描范围，体积减小且有利于光机装校；可以补偿多面棱镜反射面与被扫描面的的不垂直度误差。即避免由于多面棱镜加工出现反射面倾斜时，以及电机带动多面棱镜转动时，存在轴的晃动，从而导致光斑在副扫描方向上的偏离，遗漏的地方检测不到；降低了多面棱镜的精度从而降低加工成本，以及降低电机精度要求，同时降低f-θ的加工成本。
【附图说明】
图1为现有技术的激光扫描检测系统的结构示意图；
图2为本发明掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统的较佳实施例的光路结构示意图；
图3a为图1中f-θ物镜组件补偿镜面的光路示意图；
图3b为图1中f-θ物镜组件无补偿镜面的光路示意图；
图4为图1中f-θ物镜组件的具体光路图；
图5为本发明掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统的激光扫描入射点光路图；
图6为本发明掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统的掩模版上线扫描示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对本发明实施例的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统作进一步的详细说明。
请参见图2，图2为本发明掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统的较佳实施例的光路结构示意图。本发明较佳实施例的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统100包括依次设置的半导体激光器10、激光准直组件20、多面棱镜30、f-θ物镜组件40及接收探测组件50，所述半导体激光器10发出的激光光束经过激光准直组件20准直后由多面棱镜30转动反射至f-θ物镜组件40，最后聚焦于掩模面进行扫描，扫描的检测信息反射至并由所述接收探测组件50接收。
其中，所述激光准直组件20包括依次设置的准直透镜202、可变光阑204及柱面镜L1；
所述多面棱镜30采用多面数棱镜的扫描器，其由电机带动转动扫描；
所述f-θ物镜组件40包括柱面镜L2、柱面镜L3、柱面镜L4、柱面镜L5及L6、及反射镜M1、M2、M3；其中所述f-θ物镜组件40中所有的柱面镜均在x扫描方向有曲率，而在垂直该方向无曲率。
所述接收探测组件50包括柱面镜L7、球面镜L8及L9、反射镜M4及光电倍增器502。
本实施例激光扫描检测系统用于掩模单面颗粒度线性，由于掩模版上无标记面对线条质量没有影响，只影响暴光计量和照明均匀性，因此可以对掩膜版无标记的表面不进行测量，只对有标记的面进行测量，也可以通过设置两组f-θ物镜组件实现掩模版的双面扫描，所述激光扫描检测系统的结构参数与的掩模版上单个有标记面检测装置一致。
为了节省空间、减小棱镜尺寸，且便于双面扫描，上扫描光路和下扫描光路镜头参数相同，并共用柱面镜L2及L3。由于光照射到颗粒上，发生杂散分布，这样会导致探测器能探测的光能很弱，为了尽可能的接收到更多光能，同时又能很好的校正像差，接收方采用柱面镜L7，曲率弯向掩模面扫描方向，使该方向全扫描面均被测到，球面镜L8、L9采用标准球面镜，利于优化，提高成像的像质。
所述接收探测组件50的物方孔径角度大于f-θ物镜像方的孔径角，而且其采用双远心结构。
请参阅图3a及图3b，柱面镜L1和f-θ物镜组组合后，多面棱镜30的反射镜面与掩模面在副扫描方向K共轭。这是由于制造多面体工作面时，因常常不能与回转轴严格平行，倾斜误差会使副扫描方向光斑位置发生变化，见图3a中的所示，变化量为：
Figure BDA0000083017040000051
从该式可知，要减小光斑位置跳动，可以减小焦距，根据公式y＝fθ可看出，焦距减小会导致扫描角度增大，不仅带来设计上的困难，而且角度增大后会迅速降低像面的相对照度(照度与视场的余弦4次方成正比)，导致边缘光强与中心光强相差比较大，影响颗粒度大小检测(由于该装置主要通过光强的大小检测颗粒度的大小)。
故柱面镜L1和f-θ物镜组组合后，多面棱镜30的反射镜面与掩模面在副扫描方向共轭，可以加上补偿透镜反射面与被扫描面的的不垂直度误差(也就是扫描反射面的倾斜)和旋转轴的晃动，使
Figure BDA0000083017040000052
Figure BDA0000083017040000054
要求f-θ物镜焦距100mm＜f”＜150mm，克服了现有技术中多面棱镜加工出现反射面倾斜时，以及电机带动多面棱镜转动时，存在轴的晃动等情况，从而导致光斑在副扫描方向上的偏离，影响到检测信息的准确率的缺陷。
进一步，使用结构简单柱面镜，为了满足一定的像质量要求，对多面棱镜30的旋转角度和尺寸大小有一定的要求。如图4所示，设多面棱镜30的棱边的中心是P(x0，y0)，到圆心的距离为a，则p点的运动轨迹为圆x2+y2＝a2，激光入射点为Q(x＝-b)，QP直线方程：Y-Y0＝K(X-X0)，对x2+y2＝a2求导得斜率K＝1/tgθ，QP直线方程与x＝-b联立求得Y＝acosθ+(asinθ-b)tgθ，该公式就是激光点入射的轨迹，θ为入射角或者反射角。由此可见，当扫描棱镜以θ旋转时，引起空间位置变化量不对称，入射点越远离中心P，引起的变化量L越大，对于一个固定光学系统来说，变化量L就是偏心量，该偏心量随扫描角度的大小而变化，这样会引起像质的恶化。因此，为了满足一定的像质量要求，必须对θ、a、b有要求，230＜θ＜660，L＝f(450)-f(660)＜0.6，则1.03a-1.24b＜0.6，而且满足像方远心要求。
进一步，请一并参阅图5，为满足平场条件：
Figure BDA0000083017040000055
φk、nk分别是透镜的光焦度和折射率，和线性条件：q＝(Y-f*θ)/f*θ《0.5％，其中Y为实际像高，f-θ物镜光学结构满足：柱面镜L1为凹面镜，柱面镜L2为凸面镜、柱面镜L3为凹面镜、柱面镜L4为凸面镜，其中，柱面镜L1曲率弯向扫描镜面方向，柱面镜L3与柱面镜L3的曲率弯向相反，而且柱面镜L2的曲率与柱面镜L3的曲率面背而置，且满足：n2＝1.8051，n3＝1.713，n4＝1.8051，n5＝1.48，n6＝1.713；其中，n2为柱面镜L2的折射率，n3为柱面镜L3的折射率，n4为柱面镜L4的折射率，n5为柱面镜L5的折射率，n6为柱面镜L6的折射率。
本发明掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统的双面扫描工作过程如下：
半导体激光器10发出的两束激光经过激光准直组件20后得直径为D的光斑，光斑经过扫描多面棱镜30的某一面反射经f-θ物镜组件40会聚到掩模面上，在掩模面P上形成在扫描方向x为短轴，副扫描方向z为长轴的椭圆光斑。
通过多面棱镜30绕中心轴旋转实现扫描，即当测量光斑在掩模表面移动时，进行掩膜版颗粒扫描。X方向的扫描通过激光光束在掩膜版上的扫描实现，z向的扫描通过掩模移动单元在z向匀速运动实现。掩膜版扫描线条如图6所示。当检测掩模面上表面时，对应的下表面激光器关闭不工作，当检测掩模面下表面时，对应的上表面激光器关闭不工作。
综上所述，本发明的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统当扫描棱镜以θ旋转时，引起空间位置变化量不对称，入射点越远离中心P，引起的变化量L越大，对于一个固定光学系统来说，变化量L就是偏心量，该偏心量随扫描角度的大小而变化，这样会引起像质的恶化，而本发明采用了该结构简单的柱面镜，达到相同像质情况下，降低了设计难度。且在有限空间里增大扫描范围，体积减小且有利于光机装校；可以补偿多面棱镜反射面与被扫描面的的不垂直度误差。即避免由于多面棱镜加工出现反射面倾斜时，以及电机带动多面棱镜转动时，存在轴的晃动，从而导致光斑在副扫描方向上的偏离，遗漏的地方检测不到；降低了多面棱镜的精度从而降低加工成本，以及降低电机精度要求，同时降低f-θ的加工成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，包括依次设置的半导体激光器、激光准直组件、多面棱镜、f-θ物镜组件及接收探测组件，所述半导体激光器发出的激光光束经过激光准直组件准直后由多面棱镜转动反射至f-θ物镜组件，最后聚焦于掩模面进行扫描，扫描的检测信息反射至并由所述接收探测组件接收。
2.根据权利要求1所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述激光准直组件包括依次设置的准直透镜、可变光阑及柱面镜L1。
3.根据权利要求1所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述多面棱镜的反射镜面与掩模面在副扫描方向共轭。
4.根据权利要求1所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述f-θ物镜组件包括柱面镜L2、柱面镜L3、柱面镜L4、柱面镜L5及L6、及反射镜M1、M2、M3；其中，所述f-θ物镜组件中所有的柱面镜均在x扫描方向有曲率，而在垂直该方向无曲率。
5.根据权利要求4所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述f-θ物镜焦距100mm＜f”＜150mm。
6.根据权利要求1所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述接收探测组件包括柱面镜L7、球面镜L8及L9、反射镜M4及光电倍增器。
7.根据权利要求6所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述接收探测组件的物方孔径角度大于f-θ物镜像方的孔径角，而且其采用双远心结构。
8.根据权利要求7所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，所述柱面镜L1为凹面镜，柱面镜L2为凸面镜、柱面镜L3为凹面镜、柱面镜L4为凸面镜。
9.根据权利要求8所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，其中，柱面镜L1曲率弯向扫描镜面方向，柱面镜L3与柱面镜L3的曲率弯向相反，而且柱面镜L2的曲率与柱面镜L3的曲率面背而置。
10.根据权利要求1-9任一项所述的掩模面颗粒度线性激光扫描检测系统，其特征在于，n2＝1.8051，n3＝1.713，n4＝1.8051，n5＝1.48，n6＝1.713，其中，n2为柱面镜L2的折射率，n3为柱面镜L3的折射率，n4为柱面镜L4的折射率，n5为柱面镜L5的折射率，n6为柱面镜L6的折射率。
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