CN103365099B - 一种调焦调平信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种调焦调平信号处理方法，照明光源产生的照明光束投射到投影狭缝阵列上形成狭缝光束，狭缝光束投射到被测硅片上形成投影光束，经被测硅片反射后通过光学探测结构形成投影光斑，投影光斑入射到探测狭缝阵列上形成探测光斑，探测光斑入射到光电探测器上形成探测信号，光学探测结构包括偏置平板和扫描反射镜，扫描反射镜做简谐振动，该方法包括以下步骤，模数转换单元对探测信号进行模数转换后，结合所述扫描反射镜同步信号存储采样数据；获得采样数据中两个相邻波峰的时间间隔；判断被测硅片是否进入精测范围，如果进入精测范围，根据时间间隔计算出被测硅片的离焦量z；如果没有进入精测范围，重复上述步骤。该方法规避了因硅片面形貌差异导致的测量误差，提升系统的测量精度。

Description

一种调焦调平信号处理方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及光刻设备调焦调平的信号处理方法。

背景技术

投影光刻机是一种把掩模上的图案通过物镜投影到硅片面上的装置。在投影曝光设备中，必须有自动调焦控制系统把硅片面精确带入到指定的曝光位置，实现该系统有多种不同的技术方案。目前在信号处理环节，比较常用是频域法，即在探测光路中，放置有一个扫描反射镜和一个探测狭缝；扫描反射镜以某个频率作高速简谐振动，导致投影光斑在探测狭缝处也产生高速往复扫描运动。由于狭缝的遮光作用，光电探测器最终探测的信号将成为某种动态测量信号，通过对该动态测量信号进行分析处理，可以获取高信噪比的光斑位置，进而获取硅片的高度值。这种动态测量方法，可以显著提高测量的信噪比和鲁棒性，但是该方法无法完全避免硅片面上形貌差异对测量的影响，继而降低了系统的测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是硅片形貌差异对调焦调平信号处理的影响。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种调焦调平信号处理方法，照明光源产生的照明光束投射到投影狭缝阵列上形成狭缝光束，所述狭缝光束投射到被测硅片上形成投影光束，经被测硅片反射后通过光学探测结构形成投影光斑，所述投影光斑入射到探测狭缝阵列上形成探测光斑，所述探测光斑入射到光电探测器上形成探测信号，所述光学探测结构包括偏置平板和扫描反射镜，所述扫描反射镜做简谐振动，该方法包括以下步骤：

步骤1，模数转换单元对所述探测信号进行模数转换后，结合所述扫描反射镜同步信号存储采样数据；

步骤2，获得所述采样数据中两个相邻波峰的时间间隔；

步骤3，判断所述被测硅片是否进入精测范围，如果进入精测范围，根据所述时间间隔计算出所述被测硅片的离焦量z；如果没有进入精测范围，重复步骤2、3。

优选的，步骤1之前还包括，模拟滤波器单元对所述探测信号进行滤波处理。

进一步，所述模拟滤波器单元滤除远高于探测信号频段的高频信号和远低于探测信号频段的低频信号。

优选的，步骤2之前还包括，可编程门阵列对所述探测信号进行数字滤波，提高所述探测信号的信噪比。

进一步，所述两个相邻波峰的时刻为Tc和Td，如果0<|Tc-Td|<2/T，则表示所述被测硅片进入精测范围，T为所述扫描反射镜做简谐振动的周期。

进一步，所述离焦量z的计算公式                                               ，，其中w表示所述扫描反射镜的角频率，d表示探测狭缝宽度，k为投影光斑偏移量。

优选的，所述投影光斑的宽度等于所述探测狭缝的宽度。

优选的，所述照明光束通过光学照明结构后投射到所述投影狭缝阵列上，所述狭缝光束通过投影照明结构后投射到被测硅片上，所述投影光束经被测硅片反射后通过反射镜后入射到所述光学探测结构，所述探测光斑经过光学中继模块后入射到所述光电探测器。

优选的，所述光学照明结构为反射镜，所述投影照明结构为反射镜。

本发明的优点在于很好地规避了因硅片面形貌差异导致的测量误差，提升系统的测量精度。

附图说明

图1是应用本发明的调焦调平系统结构示意图；

图2是被测硅片位于最佳焦平面时投影光斑在探测狭缝上的运动规律示意图；

图3是被测硅片离焦时投影光斑在探测狭缝上的运动规律示意图；

图4是探测光束偏移量为[0，0.5d]时探测信号周期波形仿真示意图；

图5是探测光束偏移量为[-0.5d，0]时探测信号周期波形仿真示意图；

图6是探测信号仿真波形示意图；

图7是本发明调焦调平信号处理方法的系统框图；

图8是本发明调焦调平信号处理方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

参照图1所示，应用本发明的调焦调平系统包括光机部分和信号处理与控制部分。其中，光机部分包括照明模块、投影模块、探测模块和光学中继模块，照明光源1产生的照明光束经过光学照明结构8投射到投影狭缝阵列2上形成狭缝光束，经投影狭缝阵列2筛选后通过光学投影结构9投射到被测硅片3上形成投影光束，所述投影光束经反射后通过反射镜10反射，再通过光学探测结构形成投影光斑，投影光斑入射到探测狭缝阵列6上形成探测光斑，所述探测光斑经过光学中继模块后汇集到光电探测器7。其中，照明模块由所述照明光源1和所述光学照明结构8组成，在本实施例中，所述光学照明结构8具体为一反射镜；投影模块由所述投影狭缝阵列2和所述光学投影结构9组成，在本实施例中，所述光学投影结构9具体为一反射镜；探测模块由所述反射镜10、所述光学探测结构、探测狭缝阵列6和光电探测器7组成，所述光学探测结构包括偏置平板5和扫描反射镜4，所述扫描反射镜4做高速简谐振动，所述光电探测器7可以为探测器阵列。信号处理与控制部分利用本发明的信号处理方法，对光电探测器7获得的探测信号进行处理，并将信号处理结果反馈给被测硅片的支撑机构，支撑机构结合反馈数据对被测硅片3进行垂向（投影物镜11光轴方向）调节。不断重复上述步骤，直到被测硅片3位于投影物镜的最佳焦面上。

图2和图3分别是被测硅片位于最佳焦平面和离焦时投影光斑在所述探测狭缝上的运动规律示意图。centeroff表示被测硅片离焦时投影光斑偏移量，即由于离焦引起的投影光斑中心相对于探测狭缝中心的偏移量，d表示探测狭缝宽度。投影光斑的宽度和探测狭缝的宽度相等，都为d。图2中的（a）至（e）部分分别对应扫描反射镜负向最大振幅至正向最大振幅的不同时刻投影光斑通过探测狭缝的情形。由于被测硅片位于最佳焦平面，扫描反射镜4位于零位时，投影光斑全部通过探测狭缝并照射在光电探测器7上，此时投影光斑与探测狭缝的中心位置重合，光电探测器7上获取的探测信号最大。当扫描反射镜4正向或负向摆动一个角度时，投影光斑只有一部分可以通过探测狭缝，光电探测器7上的探测信号将变小。当扫描反射镜正向或负向摆动到最大角度时，投影光斑完全无法通过探测狭缝，光电探测器7上的探测信号将为最小。图3中的（a）至（e）部分分别对应扫描反射镜负向最大振幅至正向最大振幅的不同时刻投影光斑通过探测狭缝的情形。由于硅片不在最佳焦平面位置，投影光斑在扫描反射镜位于零位的时候，将偏离探测狭缝的中心，即存在一个偏移量centeroff，它与图1中的投影光束偏移量之间存在着一定关系。当扫描反射镜4做周期性摆动时，投影光斑与探测狭缝之间的相对位置关系会发生改变，光电探测器7上获得的动态探测信号也会发生改变，其中蕴含了可以检测出投影光斑偏移量centeroff的有用信息，然后由centeroff可以求出入射至反射镜10的投影光束偏移量，并通过相关公式换算出最终硅片高度偏移值。

图4和图5分别表示投影光束偏移量为[0，0.5d]和[-0.5d，0]时，探测信号周期波形仿真示意图。参照图4所示，当投影光束偏移量为[0，0.5d]时，在信号波形一个周期内，出现两个相邻波峰；结合图3可以发现投影光斑在有一定centeroff时，在一个扫描反射镜的摆动周期内，有连续两个完全通过探测狭缝的时刻。同样参照图5所示，当投影光束偏移量为[-0.5d，0]时，在信号波形一个周期内，也有两个相邻波峰，而且通过图3也可以印证。而只有当投影光斑完全通过探测狭缝时，光电探测器7探测到的信号才不会因为硅片面的形貌差异引入测量误差。

图6是探测信号仿真波形示意图，本发明信号处理方法基于此图的原理。C、D两点分别表示一个周期内出现的两个波峰点，而Tc、Td则对应该两个波峰的时刻。本发明信号处理方法中所要提取的就是上述这些信息，结合Tc、Td时间差与角频率、狭缝宽度以及投影光束偏移量之间的转换关系，换算出投影光束偏移量，然后结合投影光束偏移量与离焦量之间的换算关系，得出最终的被测硅片的离焦量。

本信号处理方法涉及高性能的模拟滤波器单元12、高速的模数转换（A/D）单元13以及数字信号处理架构14，数字信号处理架构14包括现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理（DSP）单元。参照图7所示，光电探测器7检测投影光斑经过探测狭缝6后的光信号，转化为电压信号后输出给高性能的模拟滤波器单元12，该单元会将两类信号滤除，一类为远高于探测信号频段的高频信号，另一类为远低于探测信号频段的低频信号，从而有效地输出高信噪比的探测信号；高速的模数转换单元13采集该高信噪比的探测信号后输出给数字信号处理架构14（FPGA+DSP），FPGA+DSP作为该信号处理核心组成部分，结合扫描反射镜产生的同步信号，从探测信号中拾取相邻的两个波峰C和D点，以及其各自对应的Tc和Td；在执行该步骤之前，FPGA内部综合了数字滤波算法，进一步提升该测量信号的信噪比；FPGA将从测量信号中拾取的这些信息存储在相应的RAM中，供DSP读取；DSP根据这些测量信息，结合Tc、Td时间差与角频率、狭缝宽度以及硅片离焦量之间的转换关系，计算出最终的离焦信息；然后将这些信息发送给被测硅片的承载机构，承载机构根据这些信息对硅片位置进行调整；重复上述步骤，直到硅片运动到投影物镜的最佳焦平面上。

高性能的模拟滤波器单元12提高由光电探测器7产生信号的信噪比（SNR），该滤波器滤除远离与测量信号频段的噪声，拾取有用信号；高速A/D单元实现最大限度的对被测信号的采集；FPGA+DSP利用FPGA自身的特点，实现与A/D采样良好地高速匹配，加入数字滤波，更有效地找出被测信号的最大值；并利用DSP自身的特点，实现相关高度值等算法。

图8是本信号处理方法的流程示意图，如图所示，原始光强信号经过A/D采样，采样数据结合扫描反射镜同步信号存储；然后结合本信号处理方法的原理，结合扫描反射镜子同步信号，从存储的采样数据中找出相邻两个波峰（C点和D点），并记录对应的时间间隔（Tc和Td）；判断被测物是否进入到本测量系统的精测范围，判断依据：根据记录对应的时间间隔（Tc和Td）差的绝对值，如果小于T/2而且大于0，则表示已经进入精测范围；根据判断结果，在没有进入精测范围的情况下，继续反复记录时间间隔（Tc和Td），计算时间间隔（Tc和Td）差的绝对值，直到进入精测范围；如果进入精测范围，则结合公式计算由于离焦引起的光斑中心在探测面上的偏移量k，即投影光斑偏移量centeroff。

；

w表示所述扫描反射镜的角频率；d表示探测狭缝宽度；T为所述扫描反射镜做简谐振动的周期。

然后再结合公式，换算出离焦量z：

；

a为图1中投影光束的入射角。

本信号处理方法在MATLAB中仿真结果显示：如果采用5MSample/s的模数转换器（ADC），由AD采样间隔所带来的时间测量误差所引起的z的误差为9.96nm，相比频域法（目前的测量误差为20nm左右）有明显改善。

本发明调焦调平信号处理方法在信号处理环节上采用时域法，结合投影光斑在探测狭缝上的运动规律，即在一定的硅片离焦范围内，投影光斑完全通过探测狭缝（体现在信号波形上出现波峰）的时间点并不会随硅片面形貌变化而有任何变化；而在更精细的离焦量范围内，投影光斑在一个周期会有连续两次完全通过探测狭缝，通过精确寻找采集信号的相邻两个最大值，并借助信号上出现相邻两个最大值的时间间隔与硅片面离焦量之间的换算关系，换算出硅片面的离焦量。本方法很好地规避了因硅片面形貌差异导致的测量误差，提升系统的测量精度。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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 (6)

1. 一种调焦调平信号处理方法，照明光源产生的照明光束投射到投影狭缝阵列上形成狭缝光束，所述狭缝光束投射到被测硅片上形成投影光束，经被测硅片反射后通过光学探测结构形成投影光斑，所述投影光斑入射到探测狭缝阵列上形成探测光斑，所述探测光斑入射到光电探测器上形成探测信号，所述光学探测结构包括偏置平板和扫描反射镜，所述扫描反射镜做简谐振动，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，模数转换单元对所述探测信号进行模数转换后，结合所述扫描反射镜的同步信号存储采样数据；

步骤2，获得所述采样数据中两个相邻波峰的时间间隔；

步骤3，判断所述被测硅片是否进入精测范围，如果进入精测范围，根据所述时间间隔计算出所述被测硅片的离焦量z；如果没有进入精测范围，重复步骤2、3；

所述两个相邻波峰的时刻为Tc和Td，如果0<|Tc-Td|<2/T，则表示所述被测硅片进入精测范围，T为所述扫描反射镜做简谐振动的周期；

所述离焦量z的计算公式 ，，其中w表示所述扫描反射镜的角频率，d表示探测狭缝宽度，k为投影光斑偏移量，a为投影光束的入射角；

所述投影光斑的宽度等于所述探测狭缝的宽度。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，步骤1之前还包括，模拟滤波器单元对所述探测信号进行滤波处理。

3.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述模拟滤波器单元滤除远高于探测信号频段的高频信号和远低于探测信号频段的低频信号。

4.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，步骤2之前还包括，可编程门阵列对所述探测信号进行数字滤波，提高所述探测信号的信噪比。

5.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述照明光束通过光学照明结构后投射到所述投影狭缝阵列上，所述狭缝光束通过投影照明结构后投射到被测硅片上，所述投影光束经被测硅片反射后通过反射镜后入射到所述光学探测结构，所述探测光斑经过光学中继模块后入射到所述光电探测器。

6.根据权利要求5所述的信号处理方法，其特征在于，所述光学照明结构为反射镜，所述投影照明结构为反射镜。