CN103365103A - 一种调焦调平装置及调焦调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调焦调平装置，用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，包括：光源模块、光学透镜模块、被测对象以及探测器模块，其特征在于，该光学透镜模块包括投影光阑、调焦双光楔组件、投影光学组件、零平面调整组件和探测光学组件，该光源模块发出的光束经过投影光阑、投影光学组件、第一调焦双光楔后经该被测对象反射形成反射光束，该反射光束依次经过投影光学组件、零平面调整组件以及第二调焦双光楔后被该探测器模块接收。本发明同时提供一种调焦调平方法。

Description

一种调焦调平装置及调焦调平方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的调焦测控装置及方法。

背景技术

光刻技术或称光学刻蚀术，已经被广泛应用于集成电路制造工艺中。该技术通过光刻系统曝光，将设计的掩模图形转移到光刻胶上。由于最终决定集成电路的特征尺寸，光刻系统作为集成电路制造工艺中的重要设备，其精度要求对于光刻工艺的重要性不言自明。为获得最佳成像效果，在曝光时，涂有光刻胶的硅片被吸附于承片台上，且其上表面需置于最佳像面高度。

在投影曝光设备中，必须有自动调焦控制系统（或称调焦调平系统）把硅片面精确带入到指定的曝光位置。现有技术中，实现该系统有多种不同的技术方案。目前比较常用是非接触式光电测量技术。

公开日期为1996年1月9日日本专利JP5483056专利中提供了调焦调平装置，该装置的技术缺陷在于：首先，当带宽比较大时，不能使用闪耀光栅，否则会导致部分光过不去，并且当狭缝之间的距离比较近的时候导致级次之间的窜扰影响测量。然后，入射角度大于80度时，使用直角棱镜与投影光阑胶合时，色差难以控制。再次，在光机装调过程中，没有调焦机构，给装配加工提出更高要求。最后，由于温度等环境的影响，导致物镜的最佳焦面发生了飘移，如果调焦调平不对自身零平面校正，会使调焦调平测量点中心与物镜曝光视场不重合，引起测量误差(当前曝光场实际Z，Rx，Ry与调焦调平所测Z，Rx，Ry之差)。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种新的调焦调平装置及调焦调平方法，能有效校正因温度等环境的影响所导致的投影物镜的最佳焦面发生的漂移。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种调焦调平装置，用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，包括：光源模块、光学透镜模块、被测对象以及探测器模块，其特征在于，该光学透镜模块包括投影光阑、调焦双光楔组件、投影光学组件、零平面调整组件和探测光学组件，该光源模块发出的光束经过投影光阑、投影光学组件、第一调焦双光楔后经该被测对象反射形成反射光束，该反射光束依次经过投影光学组件、零平面调整组件以及第二调焦双光楔后被该探测器模块接收。

更进一步地，该光学透镜组件还包括一偏转棱镜，该反射光经过该第二调焦双光楔后进入该偏转棱镜。该光学透镜组件还包括一中继棱镜，该反射光经过该偏转棱镜后进入该中继棱镜。

更进一步地，该光学透镜组件还包括一偏转棱镜，该源模块发出的光束经过该偏转棱镜后进入该投影光阑。该偏转棱镜与该投影光阑胶合固定。该偏转棱镜是一非直角、高折射率低色散棱镜。当入射光束的入射角大于78度时，该偏转棱镜为楔棱镜或者消色差棱镜。

更进一步地，该第一第二调焦双光楔均由两个直角光楔组成，该直角光楔的斜面相互紧贴放置，一个直角光楔沿另一直角光楔的斜面发生运动。

更进一步地，该零平面调整组件由两个直角光楔组成，该直角光楔的斜面相互平行放置，其中一个直角光楔沿光轴方向移动。

更进一步地，该投影组件和探测组件的构成相同且对称。该投影组件和探测组件均由反远摄结构物镜组成，该反远摄结构物镜的前组镜组和后组镜组形成对称结构。该探测组件的前组镜组和后组镜组之间还设置一扫描反射镜。

更进一步地，该光源模块为宽带光源。该投影光阑为按一定间距排列的若干狭缝。该探测器模块包括一探测狭缝和一探测器。

本发明同时公开一种调焦调平方法，用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，其特征在于，包括：使一照明光束经过投影光阑后依次经过一投影光学组件、一调焦双光楔后经该被测对象反射形成测量光斑，该测量光斑依次经过一投影光学组件、零平面调整组件、调焦双光楔以及一探测狭缝后成像至一探测器表面以一光斑光强分步信号，根据该光斑光强分别信号测量光斑沿像面的平移量和离焦量。

更进一步地，该光斑沿像面的平移量的计算公式为：△Y=T/cosB，T=d*tan(I-a)，nsina=sinI，其中a是零平面调整组件的光楔角度，n是光楔材料的折射率，d是两个光楔的间距。

更进一步地，该离焦量和平移量之间的关系式为：△Y= d*tan(I-a)/cosB=2△z tanB，其中a是零平面调整组件的光楔角度，n是光楔材料的折射率，d是两个光楔的间距，△z是离焦量。

与现有技术相比较，本发明所公开的调焦调平装置及调焦调平方法结构中增加调焦调平自身零平面校正机构，使由于温度等环境的影响，导致物镜的最佳焦面发生了飘移时，调焦调平自身零平面校正，使调焦调平测量点中心与物镜曝光视场重合，降低或者消除测量误差(当前曝光场实际Z，Rx，Ry与调焦调平所测Z，Rx，Ry之差)，用该结构使补偿范围更大。同时由于使用双光楔调焦机构，使加工装配要求降低。最后当入射角度比较小（78度以内），可以考虑不用闪耀光栅或者棱镜和光阑胶合，直接使用投影狭缝作为物，当角度大于74度以后，为了降低色差和提高能量可以使用非直角棱镜的楔镜与光阑胶合，以便提高能量的利用率，或者使用消色差双胶合棱镜和光阑胶合使色差得到校正。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所示出的调焦调平装置的结构示意图；

图2是本发明所示出的投影光阑的狭缝排列结构示意图；

图3是本发明所示出的投影组件和探测组件的结构示意图；

图4是本发明所示出的调焦双光楔的工作状态的示意图；

图5是本发明所示出的物镜焦面偏移造成调焦调平测量光斑中心偏移示意图；

图6是本发明所示出的零平面调整组件的工作原理示意图；

图7是本发明所示出的第二实施方式的局部结构示意图；

图8是本发明所示出的第三实施方式的局部结构示意图；

图9是本发明所示出的调焦调平方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明种用于光刻设备的调焦测控装置及方法。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“Y方向”一词主要指与水平向平行的方向，“X方向”一词主要指与水平向平行的且与Y方向垂直的方向，“Z方向”一词主要指与水平向垂直的方向，“Rx方向”一词主要指与绕X轴旋转方向，“Ry方向”一词主要指与绕Y轴旋转方向，“Rz方向”一词主要指与绕Z轴旋转方向，“△Y”是测量光斑沿像面的平移量，“△Z是测量光斑沿像面的离焦量。

本发明提供一种新的调焦调平装置及调焦调平方法，能有效校正因温度等环境的影响所导致的投影物镜的最佳焦面发生的漂移。该调焦调平装置用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，包括：光源模块、光学透镜模块、被测对象以及探测器模块，其特征在于，该光学透镜模块包括投影光阑、调焦双光楔组件、投影光学组件、零平面调整组件和探测光学组件，该光源模块发出的光束经过投影光阑、投影光学组件、第一调焦双光楔后经该被测对象反射形成反射光束，该反射光束依次经过投影光学组件、零平面调整组件以及第二调焦双光楔后被该探测器模块接收。

图1是本发明所示出的调焦调平装置的结构示意图。如图1中所示，该调焦调平系统包括：照明光源1、照明组2、投影光阑3、投影组件4、调焦双光楔组5、硅片12、探测组件7、扫描反射镜6零平面调整组件8、偏转棱镜9，中继透镜10以及探测器11。该硅片12被放置于工件台13上，工件台13可以提供六自由度运动。该调焦调平系统进一步包括信号处理系统。

图2是本发明所示出的投影光阑的狭缝排列结构示意图。如图2中所示，该投影光阑3包括按一定距离排列的若干狭缝，用于作为物面。当照明光源1发出的光照射至所述投影狭缝后，经过投影组件成像在硅片12上形成测量多个光斑。为了避免对光刻设备的照明系统的干扰，照明模块为宽带光源，波长应该避开投影物镜光源。

图3是本发明所示出的投影组件和探测组件的结构示意图。如图3中所示，该投影组件4和探测组件7，其结构相同且呈镜像对称。投影组件4和探测组件7均为反远摄结构，即短焦距和长工作距离。该反远摄结构包括前组透镜和后组透镜，前组透镜和后组透镜完全对称，倍率均为-1x，同时满足双远心和sc条件。

图4是本发明所示出的调焦双光楔的工作状态的示意图。该调焦双光楔组5用于在光机装调中，改变玻璃在光路中的厚度，从而实现调焦。如图1中所示，在该调焦调平装置中设置有两组调焦双光楔，两组调焦双光楔的结构均一致。调焦双光楔均由两个直角光楔组成，所述直角光楔的斜面相互紧贴放置，其中一个楔镜沿另一楔镜斜面方向移动，实现调焦功能，这样可以降低机加工和装调精度。

由于温度等环境的影响，导致物镜的最佳焦面发生了飘移，如果调焦调平不对自身零平面校正，会使调焦调平测量点中心（o’和o’’）与物镜曝光视场中心(o)不重合。如图5中所示，图5是本发明所示出的物镜焦面偏移造成调焦调平测量光斑中心偏移示意图。当最佳焦面漂移时会引起测量误差(当前曝光场实际Z，Rx，Ry与调焦调平所测Z，Rx，Ry之差)，所以本发明主要还包括了一个调焦调平自身零平面调整机构，使调焦调平自身零平面可以校正，让它的测量中心和暴光场中心重合，消除误差。图6是本发明所示出的零平面调整组件的工作原理示意图。如图6所示，该零平面调整组件8由有一定间距隔开的两直角光楔斜面相互平行放置，其中一光楔可沿光轴方向移动，实现零平面调整调整功能。该零平面调整组件8具体调整流程如下：假设光楔角度为a，材料的折射率为n，两光楔间距为d，可以求得光斑沿像面的平移量△Y的表达式，

nsina=sinI

T=d*tan(I-a)

△Y=T/cosB

当硅片垂向离焦                                               ，光斑沿像面的平移量和离焦量的关系：

△Y= d*tan(I-a)/cosB=2△z tanB

根据调整两光楔之间的距离d，得到不同的光斑沿像面的平移量，从而得相应补偿的镜的离焦量。通过FM获取物镜离焦后最佳焦面位置，反馈给硅片工作台，驱动硅片到物镜的最佳焦面位置，此时记录电信号处理硅片高度（不为0），计算出离焦量和对应的像面偏离量△Y= 2△z tanB，最后计算出光楔需要移动的距离，驱动光楔使 z=0，使调焦调平测量视场中心和暴光场中心重合。

在另一实施方式中，为了使光能利用率的提高，使投影光阑3与偏转棱镜31胶合在一起，使入射面角度在0-30度之间，当硅片入射角度是85度时，能量提高了2.7倍。如图7和图8中所示。其中，图7是本发明所示出的第二实施方式的局部结构示意图，图8是本发明所示出的第三实施方式的局部结构示意图。当入射光的入射角大于78度时，该偏转棱镜31是小角的楔镜，并且非直角、高折射率低色散玻璃棱镜，目的是减小色散，也可以由两消色差双胶合棱镜组成。

本发明同时提供一种调焦调平方法，用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，其特征在于，包括：使一照明光束经过投影光阑后依次经过一投影光学组件、一调焦双光楔后经所述被测对象反射形成测量光斑，所述测量光斑依次经过一投影光学组件、零平面调整组件、调焦双光楔以及一探测狭缝后成像至一探测器表面以一光斑光强分步信号，根据所述光斑光强分别信号测量光斑沿像面的平移量和离焦量。

图9是本发明所示出的调焦调平方法的工作流程图。

首先，S101-获得物镜焦面的位置。在获得物镜焦面位置之后，S102-驱动硅片到物镜的焦面位置处。S103-利用信号处理系统计算硅片高度和倾斜量Z，Rx，Rz，此时Z，Rx，Rz≠0。S104-然后计算出9处像面偏离量△Y=2△z tanB。S105-计算零平面调整组件的光楔移动的距离△Y=T/cosB。S106-最后驱动光楔使Z，Rx，Rz=0。

与现有技术相比较，本发明所公开的调焦调平装置及调焦调平方法结构中增加调焦调平自身零平面校正机构，使由于温度等环境的影响，导致物镜的最佳焦面发生了飘移时，调焦调平自身零平面校正，使调焦调平测量点中心与物镜曝光视场重合，降低或者消除测量误差(当前曝光场实际Z，Rx，Ry与调焦调平所测Z，Rx，Ry之差)，用该结构使补偿范围更大。同时由于使用双光楔调焦机构，使加工装配要求降低。最后当入射角度比较小（78度以内），可以考虑不用闪耀光栅或者棱镜和光阑胶合，直接使用投影狭缝作为物，当角度大于74度以后，为了降低色差和提高能量可以使用非直角棱镜的楔镜与光阑胶合，以便提高能量的利用率，或者使用消色差双胶合棱镜和光阑胶合使色差得到校正。

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 (18)

1.一种调焦调平装置，用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，包括：光源模块、光学透镜模块、被测对象以及探测器模块，其特征在于，所述光学透镜模块包括投影光阑、调焦双光楔组件、投影光学组件、零平面调整组件和探测光学组件，所述光源模块发出的光束经过投影光阑、投影光学组件、第一调焦双光楔后经所述被测对象反射形成反射光束，所述反射光束依次经过投影光学组件、零平面调整组件以及第二调焦双光楔后被所述探测器模块接收。

2.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述光学透镜组件还包括一偏转棱镜，所述反射光经过所述第二调焦双光楔后进入所述偏转棱镜。

3.如权利要求2所述的调焦调平装置，其特征在于，所述光学透镜组件还包括一中继棱镜，所述反射光经过所述偏转棱镜后进入所述中继棱镜。

4.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述光学透镜组件还包括一偏转棱镜，所述源模块发出的光束经过所述偏转棱镜后进入所述投影光阑。

5.如权利要求4所述的调焦调平装置，其特征在于，所述偏转棱镜与所述投影光阑胶合固定。

6.如权利要求4所述的调焦调平装置，其特征在于，所述偏转棱镜是一非直角、高折射率低色散棱镜。

7.如权利要求4所述的调焦调平装置，其特征在于，当入射光束的入射角大于78度时，所述偏转棱镜为楔棱镜或者消色差棱镜。

8.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述第一第二调焦双光楔均由两个直角光楔组成，所述直角光楔的斜面相互紧贴放置，一个直角光楔沿另一直角光楔的斜面发生运动。

9.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述零平面调整组件由两个直角光楔组成，所述直角光楔的斜面相互平行放置，其中一个直角光楔沿光轴方向移动。

10.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述投影组件和探测组件的构成相同且对称。

11.如权利要求10所述的调焦调平装置，其特征在于，所述投影组件和探测组件均由反远摄结构物镜组成，所述反远摄结构物镜的前组镜组和后组镜组形成对称结构。

12.如权利要求11所述的调焦调平装置，其特征在于，所述探测组件的前组镜组和后组镜组之间还设置一扫描反射镜。

13.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述光源模块为宽带光源。

14.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述投影光阑为按一定间距排列的若干狭缝。

15.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述探测器模块包括一探测狭缝和一探测器。

16.一种调焦调平方法，用于调整待测面的焦平面及自身零平面校正，其特征在于，包括：使一照明光束经过投影光阑后依次经过一投影光学组件、一调焦双光楔后经所述被测对象反射形成测量光斑，所述测量光斑依次经过一投影光学组件、零平面调整组件、调焦双光楔以及一探测狭缝后成像至一探测器表面以一光斑光强分步信号，根据所述光斑光强分别信号测量光斑沿像面的平移量和离焦量。

17.如权利要求16所述的调焦调平方法，其特征在于，所述光斑沿像面的平移量的计算公式为：△Y=T/cosB，T=d*tan(I-a)，nsina=sinI，其中a是零平面调整组件的光楔角度，n是光楔材料的折射率，d是两个光楔的间距。

18.如权利要求15所述的调焦调平方法，其特征在于，所述离焦量和平移量之间的关系式为：△Y= d*tan(I-a)/cosB=2△z tanB，其中a是零平面调整组件的光楔角度，n是光楔材料的折射率，d是两个光楔的间距，△z是离焦量。

Images