CN103529650A - 一种高度测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种高度测量装置及其测量方法，光源产生线偏振光，经过偏振分光器分为第一偏振光和第二偏振光；第二偏振光倾斜入射到被测物体表面形成偏振反射光，第一偏振光、偏振反射光分别通过第一、二四分之一波片入射到第一、二反射镜并沿原路返回，经过偏振分光器分别形成第一偏振出射光、第二偏振出射光；偏振反射光先后通过第一分束器和第二分束器分别形成第一光斑和第二光斑，根据第一光斑和第二光斑的位置信息计算被测物体表面的倾斜量；光束接收器接收第一偏振出射光和第二偏振出射光，获得被测物体运动产生的光程差；根据光程差计算出被测物体高度。本发明测量精度高，对硅片工艺衬底适应性强可用于表面形貌高低起伏变化的表面高度测量。
Description
技术领域
本发明涉及物体高度测量装置及其测量方法，特别涉及一种利用光束测量物体高度的装置和方法。
背景技术
随着光刻关键尺寸的不断减小和数值孔径的不断增大，光刻机焦深变得越来越小，因此对光刻机垂向测量装置的精度要求越来越苛刻，特别是对不同的工艺衬底硅片的垂向测量变得更为困难和重要。
目前高精度的步进扫描投影光刻机中的硅片高度测量系统（调焦调平系统），例如美国专利US5118957、US4866262，一般都采用几何成像的原理，将硅片表面高度的变化转化为探测传感器上位置或光强的变化，由于测量原理及工艺条件的限制，测量精度已经逐渐不能满足光刻需求，特别是针对不同工艺衬底的硅片，已经遇到了发展瓶颈。
发明内容
现有技术存在的技术问题是测量精度不能满足光刻要求。
为了解决该技术问题，本发明提供了一种高度测量装置，包括：
产生线偏振光的光源，包含频率不同的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向互相垂直；
偏振分光器，所述线偏振光经过所述偏振分光器后分为所述第一偏振光和所述第二偏振光；其特征在于，还包括：
第一四分之一波片和第一反射镜，所述第一偏振光通过所述第一四分之一波片入射到所述第一反射镜并沿原路返回，再次通过所述第一四分之一波片后返回所述偏振分光器；
第一分束器、第二分束器、位置探测器，所述第二偏振光倾斜入射到被测物体表面后，通过所述第一分束器和所述第二分束器分别形成第一光斑和第二光斑，所述位置探测器用于探测所述第一光斑和所述第二光斑的位置信息；
第二四分之一波片和第二反射镜，所述第二偏振光通过所述第二分束器后，通过所述第二四分之一波片垂直入射到所述第二反射镜并沿原路返回，再次通过所述第二四分之一波片、第二分束器、第一分束器和被测物体表面后，返回所述偏振分光器；
光束接收器，所述第一偏振光和所述第二偏振光在所述偏振分光器合束后被所述光束接收器接收。
其中，所述线偏振光被所述偏振分光器反射后得到所述第一偏振光，被透射后得到所述第二偏振光。
其中，所述线偏振光被所述偏振分光器透射后得到所述第一偏振光，被反射后得到所述第二偏振光。
本发明还提出一种光刻机，其采用上述的高度测量装置测量被测物体表面的高度。
其中，所述高度测量装置为三套以上，且分布在同一平面上。
本发明还提供了一种高度测量方法，包括：
光源产生包含第一偏振光和第二偏振光的线偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光的频率不同且偏振方向互相垂直；
所述线偏振光经过偏振分光器后分为所述第一偏振光和所述第二偏振光；
其特征在于，还包括：
所述第一偏振光通过第一四分之一波片入射到第一反射镜并沿原路返回，再次通过所述第一四分之一波片后返回所述偏振分光器；
所述第二偏振光以入射角α入射到被测物体表面后，通过第一分束器和第二分束器分别形成第一光斑和第二光斑，位置探测器探测所述第一光斑和所述第二光斑的位置信息，所述第二偏振光在通过第二分束器后经第二四分之一波片垂直入射到第二反射镜并沿原路返回，再次通过所述第二四分之一波片、第二分束器、第一分束器和被测物体表面后，返回所述偏振分光器与第一偏振光合束后被所述光束接收器接收，所述第二偏振光在所述被测物体表面的出射点至所述第二反射镜入射点的距离为d；
被测物体表面发生倾斜后，调整第二反射镜以保持所述第二偏振光始终能垂直入射第二反射镜，根据所述第一光斑和所述第二光斑的位置信息计算所述入射角α和被测物体表面的倾斜量β，光束接收器探测倾斜前后光束途经的光程差Δ；
根据第二偏振光的入射角α、被测物体表面的倾斜量β、所述距离d、光程差Δ计算出被测物体高度变化h，进而计算出被测物体高度。
其中，计算被测物体高度变化h的公式为 
。
其中，所述线偏振光被所述偏振分光器反射后得到所述第一偏振光，被透射后得到所述第二偏振光。
其中，所述线偏振光被所述偏振分光器透射后得到所述第一偏振光，被反射后得到所述第二偏振光。
本发明的优点在于，通过探测并调整光束传输角度，使激光干涉测量可以应用于表面形貌高低起伏变化的表面高度测量，使光刻机调焦调平系统精度达到了与水平测量一样的精度范围，同时激光干涉测量方法不受硅片工艺衬底的影响，硅片反射率的变化不会影响干涉测量的结果，有效的支撑了光刻技术的发展。
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为本发明第一实施例中高度测量装置的结构示意图；
图2为本发明高度测量方法中光程差计算示意图；
图3为本发明第二实施例中高度测量装置的结构示意图；
图4为本发明第三实施例被测物体表面光斑分布示意图；
图5为应用本发明的光刻装置的结构框图。
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。
第一实施例
如图1所示，本发明的高度测量装置包括光源101，偏振分光器102，两个四分之一波片103、109，两个分束器107、108，两个反射镜104、110，光束接收器105和两个位置探测器111、112。
光源101产生两种频率的线偏振光，频率分别为f1和f2，且偏振方向互相垂直。光源101出射的线偏振光经过偏振分光器102后分为第一偏振光和第二偏振光。其中，所述第一偏振光的频率为f1,所述第二偏振光的频率为f2。
所述第一偏振光为反射光，被偏振分光器102反射后通过第一四分之一波片103，然后被第一反射镜104反射后沿原路返回再通过所述第一四分之一波片103。所述第一偏振光两次经过四分之一波片后，相位发生改变，成为透射光，透过所述偏振分光器102后，最终被所述光束接收器105接收。
所述第二偏振光为透射光，该光束透过所述偏振分光器102后以一定的倾斜角度入射到被测物106的表面发生反射，形成偏振反射光，偏振反射光分别经过两个分束器107、108，再经过第二四分之一波片109，垂直入射到第二反射镜110。所述第二反射镜位置可调，以调整入射到其表面的入射光的入射角。所述偏振反射光经所述第二反射镜110垂直反射后沿原路返回至所述偏振分光器102，所述第二偏振光两次经过四分之一波片后，相位发生改变，成为反射光，被所述偏振分光器102反射后与所述第一偏振光形成合束光束，所述合束光束被所述光束接收器105接收。所述偏振反射光分别经第一分束器107、第二分束器108反射分束后形成第一光斑和第二光斑，分别被第一位置探测器111、第二位置探测器112接收。根据所述第一位置探测器111、所述第二位置探测器112探测的所述第一光斑和第二光斑的位置，计算所述第二偏振光束的入射角度α。根据角度α，调整所述第二反射镜110的倾斜角度，保证所述第二偏振光束垂直入射到所述第二反射镜110表面。
光源101可以具体为激光头，产生线偏振激光束。
如图2所示，光程差的计算原理如下，第二偏振光入射到被测物106的参考面106a，经过距离d后垂直入射到所述第二反射镜110，反射后沿原路返回，此时第二偏振光与参考面106a的夹角为α。当被测物106的表面存在高度变化h，倾斜量β时，即第二偏振光入射到测量面106b之后，通过调整所述第二反射镜110的角度，使得第二偏振光被第二反射镜110垂直反射，再使反射光沿原光路返回。两种情况光束的光程差Δ可被所述光束接收器105精确探测，倾斜量β可由位置探测器111、112探测得出。根据光程差Δ与高度变化h的关系可推导出：
被测表面高度变化h可通过光程差Δ计算得出：
本发明高度测量装置可用于如图4所示的光刻装置，该光刻装置包括产生投影光束的光源201、照明系统202、能将掩模图案成像的成像光学系统204、承载掩模203并精确定位的掩模台208、承载硅片205并利用干涉系统207精确定位的工件台206，该高度测量装置100位于被测物硅片205的上方，所述成像光学系统204的下方。
第二实施例
如图3所示，本实施例与第一实施例的不同点在于，光源101与光束接收器105的位置对调。所述第一偏振光首先为透射光，透射通过偏振分光器102后，两次通过所述第一四分之一波片，成为反射光，经所述偏振分光器102反射。所述第二偏振光首先为反射光，经所述偏振分光器102反射后，两次通过所述第二四分之一波片，形成透射光，透射通过所述偏振分光器102。其他部分与第一实施例相同。
第三实施例
采用三套第一实施例1中的高度测量装置，三套测量装置成正三角形顶点式分布在同一水平面上，对同一被测表面测量3点高度，同时可以测量被测物表面的高度及倾斜。三套测量装置分别投射3束光束于被测表面，被测表面光斑分布如图3所示。
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 (9)
1.一种高度测量装置，包括：
产生线偏振光的光源，包含频率不同的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向互相垂直；
偏振分光器，所述线偏振光经过所述偏振分光器后分为所述第一偏振光和所述第二偏振光；其特征在于，还包括：
第一四分之一波片和第一反射镜，所述第一偏振光通过所述第一四分之一波片入射到所述第一反射镜并沿原路返回，再次通过所述第一四分之一波片后返回所述偏振分光器；
第一分束器、第二分束器、位置探测器，所述第二偏振光倾斜入射到被测物体表面后，通过所述第一分束器和所述第二分束器分别形成第一光斑和第二光斑，所述位置探测器用于探测所述第一光斑和所述第二光斑的位置信息；
第二四分之一波片和第二反射镜，所述第二偏振光通过所述第二分束器后，通过所述第二四分之一波片垂直入射到所述第二反射镜并沿原路返回，再次通过所述第二四分之一波片、第二分束器、第一分束器和被测物体表面后，返回所述偏振分光器；
光束接收器，所述第一偏振光和所述第二偏振光在所述偏振分光器合束后被所述光束接收器接收。
2.根据权利要求1所述的高度测量装置，其特征在于，所述线偏振光被所述偏振分光器反射后得到所述第一偏振光，被透射后得到所述第二偏振光。
3.根据权利要求1所述的高度测量装置，其特征在于，所述线偏振光被所述偏振分光器透射后得到所述第一偏振光，被反射后得到所述第二偏振光。
4.一种光刻机，其特征在于，采用如权利要求1至3任一项所述的高度测量装置测量被测物体表面的高度。
5.根据权利要求4所述的高度测量装置，其特征在于，所述高度测量装置为三套以上，且分布在同一平面上。
6.一种高度测量方法，包括：
光源产生包含第一偏振光和第二偏振光的线偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光的频率不同且偏振方向互相垂直；
所述线偏振光经过偏振分光器后分为所述第一偏振光和所述第二偏振光；
其特征在于，还包括：
所述第一偏振光通过第一四分之一波片入射到第一反射镜并沿原路返回，再次通过所述第一四分之一波片后返回所述偏振分光器；
所述第二偏振光以入射角α入射到被测物体表面后，通过第一分束器和第二分束器分别形成第一光斑和第二光斑，位置探测器探测所述第一光斑和所述第二光斑的位置信息，所述第二偏振光在通过第二分束器后经第二四分之一波片垂直入射到第二反射镜并沿原路返回，再次通过所述第二四分之一波片、第二分束器、第一分束器和被测物体表面后，返回所述偏振分光器与第一偏振光合束后被所述光束接收器接收，所述第二偏振光在所述被测物体表面的出射点至所述第二反射镜入射点的距离为d；
被测物体表面发生倾斜后，调整第二反射镜以保持所述第二偏振光始终能垂直入射第二反射镜，根据所述第一光斑和所述第二光斑的位置信息计算所述入射角α和被测物体表面的倾斜量β，光束接收器探测倾斜前后光束途经的光程差Δ；
根据第二偏振光的入射角α、被测物体表面的倾斜量β、所述距离d、光程差Δ计算出被测物体高度变化h，进而计算出被测物体高度。
7.根据权利要求6所述的高度测量方法，其特征在于，计算被测物体高度变化h的公式为 
。
8.根据权利要求6所述的高度测量方法，其特征在于，所述线偏振光被所述偏振分光器反射后得到所述第一偏振光，被透射后得到所述第二偏振光。
9.根据权利要求6所述的高度测量方法，其特征在于，所述线偏振光被所述偏振分光器透射后得到所述第一偏振光，被反射后得到所述第二偏振光。
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