CN103969961B - 一种调焦调平系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种调焦调平系统，包括光源、投影狭缝、投影单元、成像单元、扫描反射镜、探测狭缝和探测单元，所述光源发出的光经过所述投影狭缝后形成投影光斑，所述投影光斑经过所述投影单元并经硅片面反射后形成测量光斑，所述测量光斑投影在所述扫描反射镜上，再经过所述扫描反射镜反射进入所述探测单元，从而得到所述硅片的高度信息，其特征在于，还包括一用于在扫描方向上放大所述测量光斑的微透镜阵列，所述微透镜阵列位于光路中所述成像单元之后、所述扫描反射镜之前，所述微透镜的数量与所述投影光斑的数量相同，所述微透镜的排列与所述投影光斑的位置相互对应。
Description
技术领域
本发明涉及一种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调平系统。
背景技术
在投影光刻装置中，通常使用硅片调焦调平探测装置来实现对硅片表面特定区域进行高度和倾斜度的测量。该测量装置要求的精度较高，且操作时不能损伤硅片。所以，硅片调焦调平测量必须是非接触式测量，常用的非接触式调焦调平测量方法有三种：光学测量法、电容测量法、气压测量法。
在现今的扫描投影光刻装置中，多使用光学测量法来实现对硅片的调焦调平测量。光学调焦调平探测装置的技术多种多样。在高度测量系统中，使用投影狭缝和探测狭缝来实现对硅片高度的探测，同时使用扫描反射镜实现对被测信号的调制。
美国专利US4650983中记载了一种调焦调平检测装置和方法，其中采用扫描反射镜来调制包含被测物体（比如：半导体衬底或硅片）表面相对光刻机投影光学系统焦平面的离焦高度信息的光信号，并使经过扫描反射镜调制的光信号通过光敏探测器转变成包含离焦高度信息的模拟电信号，最后再通过相敏解调（PSD）电路从模拟电信号中解调出实际的离焦高度数据。
美国专利US20110176139(A1)中，通过分束器解决精确测量硅片前表面位置及倾斜的问题。主光束进入一调整机构，并反射后与参考光束合并，然后到达探测器。探测器用以探测主光束与参考光束合并后光束的相干性及它们的相对位置。调整机构用以使得元部件的相对位置可变，使主光束和参考光束之间的光程差及相对位置变得独立可调，从而起到精确探测硅片前表面位置及倾斜的作用。
扫描反射镜光学系统，具有扫描反射镜和扫描反射镜驱动器，扫描反射驱动器驱动扫描反射镜的反射表面绕其旋转轴作周期性简谐振动。数字光电探测装置，接收反射镜处的光强信号，并将其转变为数字信号输出调焦调平测量装置控制器，接收数字光电探测装置的输出信号，计算并输出离焦高度。
双工件台浸液式光刻机中有两个工件台，一个位于投影物镜下的曝光位置，另一个位于投影物镜旁边的测量位置。调焦调平传感器位于测量位置。随着调焦调平传感器测量精度的提高，其量程越来越小，这就要求光路在调制过程中的扫描反射镜必须以一个更小的摆角稳定运行，通常振幅为100μrad。而这样小振幅的扫描反射镜在工程上较难实现。
发明内容
本发明的目的在于提出一种分立式单方向光斑放大装置，将探测单元接收到的光斑在扫描方向进行单独放大，应用于调焦调平分系统的探测单元。这样，扫描反射镜的振幅也会相应的变大，降低了对扫描反射镜的要求。此外，对光斑的放大，降低了对系统装机精度的要求。
为了实现上述发明目的，本发明提出一种调焦调平系统，包括光源、投影狭缝、投影单元、成像单元、扫描反射镜、探测狭缝和探测单元，所述光源发出的光经过所述投影狭缝后形成投影光斑，所述投影光斑经过所述投影单元并经硅片面反射后形成测量光斑，所述测量光斑经过所述成像单元并投影在所述扫描反射镜上，再经过所述扫描反射镜反射进入所述探测单元，从而得到所述硅片的高度信息，其特征在于，还包括一用于在扫描方向上放大所述测量光斑的微透镜阵列，所述微透镜阵列位于光路中所述成像单元之后、所述扫描反射镜之前，所述微透镜的数量与所述投影光斑的数量相同，所述微透镜的排列与所述投影光斑的位置相互对应。
较优地，所述单方向放大装置为一维微透镜阵列。
较优地，所述单方向放大装置为二维微透镜阵列。
本发明通过对调焦调平分系统的探测单元接收到的光斑在扫描方向的独立放大，扫描反射镜的振幅也相应的变大，能降低系统对扫描反射镜振幅的要求，同时能减低系统对投影狭缝与探测狭缝安装一致性的要求。
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是光刻装置调焦调平系统原理图；
图2是一维测量光斑布局示意图；
图3是本发明放大装置一维微透镜阵列示意图；
图4是光路经过微透镜阵列放大示意图；
图5是本发明一维光斑经过微透镜阵列放大示意图；
图6是二维测量光斑布局示意图；
图7是二维微透镜阵列示意图；
图8是本发明二维光斑经过微透镜阵列放大示意图；
图9是狭缝示意图；
图10是经过微透镜阵列放大后狭缝示意图；
图11是扫描反射镜振幅与扫描角示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
现有扫描投影光刻装置中，多使用扫描反射镜对光强信号进行调制解调。工件台在扫描过程中需要实时读取被测面的离焦高度值，这就要求扫描反射镜在被测物体表面固定点时调制出的光强信号足够长，通常要求扫描反射镜的工作频率在4kHz以上。另外由于调焦调平系统的量程L与光斑扫描方向宽度d存在着如下关系：
光路SC（SCheimpflug）条件入射
光路非SC（SCheimpflug）条件入射
当调焦调平系统的量程、光路入射方式、入射角确定后，光斑在扫描方向的大小就成为一个定值。现假定量程L=10μm，光路76度且按非SC条件入射，此时光斑大小d=0.039mm。扫描反射镜的最大扫描振幅比直接由光斑大小d决定，最大扫描振幅是光斑d的一半。光斑宽度d越小，则扫面反射镜的最大摆角也就越小。这就需要扫描反射镜能够在高频率、小扫描角的情况下能够稳定的工作。
本发明是采用微透镜阵列的一种分立式单方向光斑放大装置，将成像单元的光斑在扫描方向放大，从而降低了狭缝安装的精度要求及扫描反射镜的振幅要求，在同等条件下提高了测量精度。同时使用扫描反射镜实现对被测信号的调制。
图1为光刻装置调焦调平系统原理图，调焦调平（FLS）分系统采用光电测量的方式来检测硅片的位置。光源发出的光经过投影狭缝和投影单元后，形成一个长度为l、宽度为d的投影光斑，在硅片上形成一个同样大小的测量光斑。测量光斑经过硅片面反射后经过成像单元，投影在一个扫描反射镜上，再经过扫描反射镜反射后形成一个和投影光斑一样大的光斑，经过探测狭缝后进入光电探测器，光电探测器将根据所接收到的光强大小输出相应的电压。由于扫描反射镜上以一个固定频率在摆动，光电探测器上接收到的电信号也随着在变化，通过对光电探测器输出信号的解调，就可以计算出硅片的高度信息。
在本发明的一个实施例中，调焦调平分系统中需要同时测量硅片上多个位置的高度值，此时需要布置多个光斑。图2为一维测量光斑在硅片面上的布局示意图，其中九个光斑为一行布置。假设此时的光斑宽度为d0，则探测狭缝的宽度也应该为d0，扫面反射镜的最大扫描振幅应为光斑宽度d0的一半。随着调焦调平传感器测量精度的提高，其量程越来越小，相应的d0也越来越小，这就要求光路在调制过程中的扫描反射镜必须以一个更小的摆角稳定运行。
本发明分立式单方向光斑放大装置位于光路中成像单元之后、扫描反射镜之前。在硅片上反射出的宽度为d的光斑，经过微透镜阵列后，在扫描反射镜前的宽度变为d1，有d1>d0。
一维光斑的情况时，相应的微透镜阵列如图3所示。底面为一平面，顶面为一行并排的柱面阵列，光斑非扫描方向l与柱面的走势方向相同。光路从微透镜阵列的底部入射，经过柱面后可进行单方向放大。图4为光束经过微透镜阵列放大光路图。光路在经过微透镜阵列前，光斑在扫描方向的长度是d0；经过微透镜阵列后，光斑在扫描方向的长度为d1。放大倍率，其中l 1为像到柱面的距离，f 1为扫描方向的焦距。微透镜阵列的周期与光斑扫描方向间的距离相同，均为p。根据所要求的放大倍率选取合适的焦距f 1，且应满足放大之后的光斑在各种离焦位置及扫描反射镜下，相邻光斑之间无干扰，即。与硅片面上的一行9个光斑相对应，经过微透镜阵列后的光斑图如图5所示。
在本发明的另一个实施例中，调焦调平分系统中需要同时测量硅片上多个位置的高度值，此时需要布置多个光斑。图6为二维测量光斑打在硅片面上的布局示意图，其中35个光斑按7*5布置。假设此时的光斑宽度为d0，则探测狭缝的宽度也应该为d0，扫面反射镜的最大扫描振幅应为光斑宽度d0的一半。随着调焦调平传感器测量精度的提高，其量程越来越小，相应的d0也越来越小，这就要求光路在调制过程中的扫描反射镜必须以一个更小的摆角稳定运行。分立式单方向放大装置位于光路中扫描反射镜之前。在硅片上反射出的光斑，经过微透镜阵列后，在扫描反射镜前的宽度变为d1。
二维光斑的情况时，相应的微透镜阵列如图7所示。底面为一平面，顶面为一行并排的柱面阵列。光路从微透镜阵列的底部入射，经过柱面后可进行单方向放大。光束经过微透镜阵列在的光路图仍为图4，光路放大的方向仅为光斑扫描的d0向。光路在经过微透镜阵列前，光斑在扫描方向的长度是d0；经过微透镜阵列后，光斑在扫描方向的长度为d1。放大倍率，其中l 1为像到主面的距离，f 1为扫描方向的焦距。微透镜阵列的周期与光斑扫面方向间的距离相同，均为p。根据所要求的放大倍率选取合适的焦距f 1，且应满足放大之后的光斑在各种离焦位置及扫描反射镜下，相邻光斑之间无干扰，即。与硅片面上的多行35个光斑相对应，经过微透镜阵列后的光斑图如图8所示。
下面分析光斑在单方向放大前后，对探测狭缝的安装及扫描反射镜振幅的要求变化。图9为狭缝长宽示意图。光路在非SC条件下入射光斑的非扫描方向l的长度与扫描方向d的长度的比值达到了50倍以上。现假设探测狭缝与投影狭缝在安装过程中存在1o的偏差，如图中红色虚线。用两者最大重合部分面积的比例表示光强。图10为经过透镜阵列在单方向放大后的狭缝长宽示意图。同样假设探测狭缝与投影狭缝在安装过程中存在1o的偏差，如图中红色虚线。与图9相比，经过微透镜阵列放大后，最大有效光强(最大重合面积占比)变大，相应测量精度也会提高。
图11为扫描反射镜的振幅与扫描角的示意图。将光斑在扫描方向进行放大，由d0到d1后，扫描反射镜的最大摆角可以相应的增大。这在实际工程中是很有必要的，因为较大振幅的高频扫描反射镜工作会更稳定。
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 (3)
1.一种调焦调平系统，包括光源、投影狭缝、投影单元、成像单元、扫描反射镜、探测狭缝和探测单元，所述光源发出的光经过所述投影狭缝后形成投影光斑，所述投影光斑经过所述投影单元并经硅片面反射后形成测量光斑，所述测量光斑经过所述成像单元并投影在所述扫描反射镜上，再经过所述扫描反射镜反射进入所述探测单元，从而得到所述硅片的高度信息，其特征在于，还包括一用于在扫描方向上单方向放大所述测量光斑的微透镜阵列，所述微透镜阵列位于光路中所述成像单元之后、所述扫描反射镜之前，所述微透镜的数量与所述投影光斑的数量相同，所述微透镜的排列与所述投影光斑的位置相互对应。
2.如权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述微透镜阵列为一维微透镜阵列。
3.如权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述微透镜阵列为二维微透镜阵列。
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