CN104133345A - 一种调焦调平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光刻设备的调焦调平装置，包括：照明单元，投影狭缝，投影单元，成像单元，反射镜，探测单元以及中央处理器；所述照明单元发出的光把所述投影狭缝通过所述投影单元投影在一硅片表面形成光斑；所述光斑在硅片表面反射后，经过所述成像单元、所述反射镜进入所述探测单元；其特征在于，所述调焦调平装置，还包括：反射镜驱动台，驱动所述反射镜沿入射光束方向进行一维扫描运动；以及位置测量单元，用于测量所述反射镜的垂向位置信息；所述中央处理单元，依据所述探测单元采集到的所述光斑的光强信息以及所述位置测量单元获得的所述反射镜的位置信息计算所述硅片表面位置信息。本发明提出的调焦调平装置及方法，能够在硅片表面反射率不一致的情况下获取被测对象表面的垂向位置，提高调焦调平的工艺适应性及对准精度。

Description

一种调焦调平装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路的制造设备与工艺，具体地说，涉及一种光刻机中对硅片进行调焦调平的装置与方法。 

背景技术

在投影光刻装置中，通常使用硅片调焦调平测量装置来实现对硅片表面的特定区域的高度和倾斜度的测量。对该测量装置具有较高的精度要求，且不能损伤硅片。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、电容测量法和气压测量法。 

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。 

常用的光学测量方法基本原理为，利用光学照明系统和投影系统，将光斑照射到硅片表面，并利用成像和探测系统去探测硅片反射的光斑。当硅片表面高度和倾斜发生变化时，从硅片表面反射的光斑的位置也发生变化，或者光斑探测信号规律发生变化，通过检测这种光斑位置的变化信息，或光斑探测信号规律信息，就可以确定硅片的表面高度或硅片的整体清晰。典型案例见美国专利U.S.4,558,949（Horizontal position detecting device，申请日1982年9月17日），中国专利CN200710171209.4。 

硅片反射光斑信息探测，一种采用CCD（charged-coupled device）方式，利用反射光斑在CCD的成像位置来推算硅片表面的高度信息。另一种，成像系统中，采用扫描反射镜，对反射光斑信号进行调制，在探测信号处理环节中，通过对调制信号的解调处理，并根据解调后信号的调制频率成分的强弱来推断硅片表面的位置。 

以上两种方式直接使用时，在某些硅片工艺条件下，如当光斑对应硅片区域范围内，由于工艺条件不同，反射率不一致的条件下，都会发生探测位置不准的情况。比如硅片表面上有器件图形，有的位置有金属层，而有的位置没有，反射率则不一样；再比如光斑位置覆盖切割道和器件区，也会有反射率不一样的情况。 

如果直接使用CCD去探测光斑位置，由于反射率不一致，在CCD上探测到光斑的轮廓发生变化，导致计算光斑中心位置结果发生偏差。如果在成像光路使用扫描反射镜，利用调制解调后信号的信息来探测硅片垂向位置，光斑对应硅片表面区域如果反射率整体一致情况下，可通过信号探测环节的归一化处理，来解决硅片反射率整体变化的问题，但当光斑对应 硅片区域内，反射率不均匀，将直接影响到探测信号的波形，进而影响调制频率成分大小，进而影响硅片垂向位置测量的重复性。 

如图1为现有调焦调平时硅片表面反射区域示意图。202为硅片表面，其中区域201为反射率不同于周边的区域。区域204为调焦调平投影光斑投影到了反射率均匀的区域，区域203为调焦调平投影光斑投影到了反射率不均匀的区域。 

传统的调焦调平装置，都没有可以进行一维扫描的反射镜，而在探测端采用CCD形式，利用CCD获取光斑位置的方式进行探测。图2a中光斑302所投影到硅片区域反射率是均匀的情况，图2b中光斑303所投影到硅片区域反射率是不均匀的情况。图3a是光斑投影到硅片反射率是均匀的区域的情况下CCD的检测信号，图3b是光斑投影到硅片反射率不均匀的区域情况下CCD的检测信号。在图3a的情况下容易确定探测光斑的中心位置，即容易确定硅片的垂向位置，在图3b中，由于反射率不均匀，在同样的算法下，很难准确计算光斑的中心位置，即在确定硅片垂向位置时，会产生一定的偏差，降低了工艺适应性。 

传统的调焦调平装置，还有在光路中，采用扫描反射镜的形式，即在探测端采用光电探测器去探测信号。通过扫描反射镜周期性摆动，会使得探测信号带有与扫描反射镜运动频率对应成分，通过后面的信号解调，可以将这种频率成分的大小提取出来，当硅片垂向位置变化时，信号解调后对应频率成分的大小也会发生变化，利用这种关系，可将解调信号的频率成分大小与硅片表面的垂向位置建立联系，离线进行标定。这种结果，容易导致，在硅片表面反射率不均匀的情况下，硅片表面实际的垂向位置未变，但信号解调后对应频率成分的大小发生变化，在反推计算硅片表面垂向位置时，导致计算偏差。 

基于扫描反射镜形式的调焦调平装置，图4a表示所投影到硅片区域反射率是均匀的情况下探测器探测的探测光斑401，图4b表示所投影到硅片区域反射率是不均匀的情况下的探测器探测的探测光斑402。图5为光斑401和402在不同情况下时域探测信号501和502的差别，两种时域信号差别将导致对应频率成分的大小存在差别，直接导致计算硅片表面垂向位置的偏差。 

发明内容

为解决上述硅片调焦调平工艺适应性问题，尤其能够适应硅片表面反射率不一致的工艺情况，获取被测对象表面的垂向位置，本发明提出了一种基于光学测量法的调焦调平装置及方法。 

本发明提出一种光刻设备的调焦调平装置，包括：照明单元，投影狭缝，投影单元，成像单元，反射镜，探测单元以及中央处理器；所述照明单元发出的光把所述投影狭缝通过所述投影单元投影在一硅片表面形成光斑；所述光斑在硅片表面反射后，经过所述成像单元、 所述反射镜进入所述探测单元；其特征在于，所述调焦调平装置，还包括：反射镜驱动台，驱动所述反射镜沿入射光束方向进行一维扫描运动；以及位置测量单元，用于测量所述反射镜的垂向位置信息；所述中央处理单元，依据所述探测单元采集到的所述光斑的光强信息以及所述位置测量单元获得的所述反射镜的位置信息计算所述硅片表面位置信息。 

更进一步地，所述探测单元包括探测狭缝和探测器，以便对所述硅片表面执行多光斑探测。 

更进一步地，所述投影狭缝为多个、对应地，所述探测狭缝、探测器也为多个。 

更进一步地，所述中央处理单元依据所述多个探测器采集到的多个光斑光强信息及及所述位置测量单元获得的所述反射镜的位置信息计算所述硅片表面的高度及倾斜。 

更进一步地，所述中央处理单元依据所述光斑光强最大时对应的反射镜位置信息来获取硅片表面位置信息。 

更进一步地，所述反射镜位置与所述硅片表面位置之间存在以下关系：Z2=(Xz0-Xz2)/(2*k1*cos(Fai1))+Z0；其中Fai1为入射光束与被测对象理想水平面的夹角；k1为垂轴放大系数；Z0、Z2为硅片面对应垂向位置，Z0为硅片面初始基准位置；Xz0、Xz2为反射镜驱动台对应的位置信息，其中Xz0为当被测对象在z0位置时，探测到光强最大值时对应的反射镜驱动台位置，Xz2为当被测对象在z2位置时，探测到光强最大值时对应的反射镜驱动台位置。 

本发明还提出一种使用上述装置进行调焦调平的方法，包括如下步骤： 

（1）反射镜驱动台位置复位； 

（2）接收垂向位置获取指令； 

（3）反射镜驱动台驱动反射镜沿入射光束方向进行一维扫描； 

（4）反射镜驱动台位置获取，探测器光强数据采集； 

（5）反射镜驱动台复位； 

（6）计算硅片垂向位置数据； 

（7）输出垂向位置数据。 

更进一步地，所述探测器为多个。 

更进一步地，还包括：步骤（8）根据多光斑垂向位置数据计算硅片表面的高度和倾斜。 

本发明提出的调焦调平测量装置及方法，能够在硅片表面反射率不一致的情况下获取被测对象表面的垂向位置，提高调焦调平的工艺适应性及对准精度。 

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为现有调焦调平时硅片表面反射区域示意图； 

图2a为光斑投影到硅片反射率均匀的区域； 

图2b为光斑投影到硅片反射率不均匀的区域； 

图3a为图2a的情况下CCD的检测信号； 

图3b为图2b的情况下CCD的检测信号； 

图4a为现有扫描反射镜式调焦调平装置中探测光斑投影到硅片反射率均匀的区域； 

图4b为现有扫描反射镜式调焦调平装置中探测光斑投影到硅片反射率不均匀的区域； 

图5为在图4a和图4b中不同情况下时域探测信号的差别； 

图6为本发明用于光刻设备的调焦调平装置结构示意图； 

图7为本发明的调焦调平装置原理示意图； 

图8为本发明调焦调平测量时测量反射镜进行一维扫描运动示意图； 

图9为本发明调焦调平测量时探测光强与测量反射镜的位置关系图； 

图10和图11为硅片表面的垂向位置与测量反射镜位置对应关系示意图； 

图12为本发明调焦调平测量时硅片垂向位于Z2时与测量反射镜位置关系示意图； 

图13为本发明调焦调平测量时硅片垂向位于Z2时探测光强与测量反射镜的位置关系图； 

图14为本发明调焦调平装置单光斑单周期测量流程图； 

图15为本发明调焦调平装置多光斑测量示意图； 

图16为本发明调焦调平装置多光斑测量时测量反射镜位置与各子探测器探测信号示意图； 

图17为本发明调焦调平装置多光斑单周期测量流程图。 

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。 

图6为本发明用于光刻设备的调焦调平装置结构示意图。如图6所示，照明系统117发出的光通过投影物镜120将掩模118上的图像投影曝光到硅片121上。掩模118由掩模台119支承，硅片121由工件台122支承。掩模台包括掩模台驱动单元和位置测量单元，硅片台也有相应的硅片台驱动单元和位置测量单元，图中未示出。 

本发明的硅片调焦调平测量装置设置在投影物镜120和硅片121之间，用于对硅片121表面的位置信息进行测量，包括：光源101发出的光通过照明单元102和反射镜103，将投影狭缝104的图案经过投影单元105和反射镜106，投影到硅片121的表面形成光斑；在硅片表面反射后的光斑，经过反射镜107，成像单元108，测量反射镜110后由探测狭缝113和 探测器114探测接收。接收后的光电信号，由信号处理单元115处理和采集，采集后的光强数据，传送给中央处理器116。其中测量反射镜110可以在反射镜驱动台111的驱动下，进行一维扫描，并且测量反射镜及驱动台的位置可以通过反射镜位置测量装置112测量出来，传送给中央处理器116。中央处理器计算出垂向位置数据，用于整机的测量。其中成像系统中带有可调光学元件，由电机109驱动，可调光学元件主要用于该套装置初始安装系统偏差的补偿。 

图7为本发明的调焦调平装置原理示意图。如图7所示，当硅片垂向处于零位Z0时，光斑投影到硅片表面反射后，经过成像单元，经过测量反射镜110后，由探测器探测接收。测量反射镜110在驱动器的驱动下，进行一维扫描，得到反射镜在垂向Xz0处的光斑中心，并且该位置与硅片的垂向位置相关。当硅片处于不同的垂向位置时，如Z1，测量反射镜110在驱动器的驱动下，进行一维扫描，该测量反射镜的位置是与硅片的垂向位置Z1对应的位置。利用这种原理，针对不同硅片垂向高度，利用测量反射镜110在驱动器的驱动下的一维扫描，就可以确定探测器探测到光斑中心时，对应测量反射镜110的位置，通过该位置，可以推出硅片表面的垂向位置。 

图8为本发明调焦调平测量时测量反射镜进行一维扫描运动示意图。测量反射镜进行一维扫描运动时，一维扫描探测器602扫描光斑601。当探测光斑和探测狭缝为同样尺寸时，探测光强与测量反射镜的位置关系如图9所示。通过计算图9中能量最大点对应的测量反射镜110的位置，就是与硅片表面垂向位置有对应关系的位置数据。利用这种探测方式，对于前面现有技术中所提到的工艺问题，将不再存在。即使是硅片表面的反射率不均匀，当探测光斑与探测狭缝重合时，就是极值点。 

图10与图11为确定测量反射镜110扫描探测位置与实际硅片表面的垂向位置的对应关系。图10中，入射光线701照射到硅片表面，硅片垂向位置为Z0时，其反射光束为702，当硅片垂向位置变为Z1时，反射光束为703。 

变量含义定义如下； 

Fai1为入射光束与被测对象理想水平面的夹角； 

Dz为硅片面垂向位置变化量； 

Dz1为由硅片面垂向位置变化引起反射光束在垂直于反射光束方向上位置的变化量； 

k1为垂轴放大系数； 

Dz2、Dz3为在不同位置反射光束在垂直于反射光束方向上位置的变化量； 

Z0、Z1、Z2为硅片面对应垂向位置，Z0为硅片面初始基准位置； 

Xz0、Xz1、Xz2为反射镜驱动台对应的位置信息，其中Xz0为当被测对象在z0位置时， 探测到光强最大值时对应的反射镜驱动台位置，其中Xz2为当被测对象在z2位置时，探测到光强最大值时对应的反射镜驱动台位置。 

根据图中的尺寸关系可以计算得到： 

Dz1/AB=sin(2*Fai1) 

Dz/AB=sin(Fai1) 

可以得到： 

Dz1=2*cos(Fai1)*Dz。 

图11中，硅片垂向位置为Z0时，测量反射镜110在Xz0位置时探测器可以探测到光斑中心。当硅片垂向位置变为Z1时，测量反射镜110在Xz1位置时探测器可以探测到光斑中心。在图中进一步简化处理，即反射镜的入射光束是以45度入射到反射镜表面。则可以得到， 

Dz2=Dz3。 

对于特定的光学成像系统，可以引入垂轴放大系数k1，即Dz2=k1*Dz1，就可以确定硅片垂向位置的对应关系： 

Dz=Dz3/(2*k1*cos(Fai1))。 

如图12所示，当硅片相对原垂向位置Z0发生位置变化时，如在Z2位置，测量反射镜110在驱动器的驱动下，进行一维扫描，则经过测量反射镜110反射后的光斑会扫描到探测器，其扫描得到的探测光强与测量反射镜的位置关系如图13所示，得到探测光斑在Xz2时测量反射镜110的位置。 

由此可以计算出硅片Z2的位置为： 

Z2=(Xz0-Xz2)/(2*k1*cos(Fai1))+Z0。 

图14为本发明调焦调平装置使用单光斑测量流程图。对于单光斑，单个周期计算垂向位置的流程步骤如下： 

（1）测量反射镜驱动台位置复位； 

（2）接收垂向位置获取指令； 

（3）反射镜驱动台驱动反射镜沿入射光束方向进行一维扫描； 

（4）反射镜驱动台位置获取，探测器光强数据采集； 

（5）反射镜驱动台复位； 

（6）计算硅片垂向位置数据； 

（7）输出垂向位置数据。 

图15为多光斑测量示意图。以五个光斑为例，光斑N1，N2，N3，N4，N5在硅片表面布局如图15所示。 

图16为多光斑测量时测量反射镜位置与各子探测器探测信号示意图。图中，光斑N1，N2，N3，N4，N5在探测能量极大点对应的测量反射镜110的位置分别为Xzn1，Xzn2，Xzn3，Xzn4，Xzn5。相应的可以推算硅片表面光斑N1，N2，N3，N4，N5对应区域的垂向位置。从而确定硅片整体的形貌或倾斜。 

图17为采用多光斑，单周期垂向位置计算流程，主要步骤如下： 

（1）反射镜驱动台位置复位901； 

（2）垂向位置获取902； 

（3）反射镜驱动台驱动反射镜沿入射光束方向进行一维扫描903； 

（4）反射镜驱动台位置获取904-1，多探测器光强数据采集904-2； 

（5）反射镜驱动台复位905； 

（6）分别计算各光斑垂向位置数据906； 

（7）输出各光斑垂向位置数据907； 

（8）根据多光斑垂向位置数据计算被测表面的高度和倾斜908。 

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)

1.一种光刻设备的调焦调平装置，包括：照明单元，投影狭缝，投影单元，成像单元，反射镜，探测单元以及中央处理器；所述照明单元发出的光把所述投影狭缝通过所述投影单元投影在一硅片表面形成光斑；所述光斑在硅片表面反射后，经过所述成像单元、所述反射镜进入所述探测单元；其特征在于，所述调焦调平装置，还包括：

反射镜驱动台，驱动所述反射镜沿入射光束方向进行一维扫描运动；以及

位置测量单元，用于测量所述反射镜的垂向位置信息；

所述中央处理单元，依据所述探测单元采集到的所述光斑的光强信息以及所述位置测量单元获得的所述反射镜的位置信息计算所述硅片表面位置信息。

2.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于所述探测单元包括探测狭缝和探测器，以便对所述硅片表面执行多光斑探测。

3.如权利要求2所述的光刻设备的调焦调平装置，其特征在于所述投影狭缝为多个、对应地，所述探测狭缝、探测器也为多个。

4.如权利要求1所述的光刻设备的调焦调平装置，其特征在于所述中央处理单元依据所述多个探测器采集到的多个光斑光强信息及及所述位置测量单元获得的所述反射镜的位置信息计算所述硅片表面的高度及倾斜。

5.如权利要求1所述的光刻设备的调焦调平装置，其特征在于所述中央处理单元依据所述光斑光强最大时对应的反射镜位置信息来获取硅片表面位置信息。

6.如权利要求5所述的光刻设备的调焦调平装置，其特征在于，所述反射镜位置与所述硅片表面位置之间存在以下关系：                                                ；其中Fai1为入射光束与被测对象理想水平面的夹角；k1为垂轴放大系数；Z0、Z2为硅片面对应垂向位置，Z0为硅片面初始基准位置；Xz0、Xz2为反射镜驱动台对应的位置信息，其中Xz0为当被测对象在z0位置时，探测到光强最大值时对应的反射镜驱动台位置，Xz2为当被测对象在z2位置时，探测到光强最大值时对应的反射镜驱动台位置。

7.使用如权利要求1-6之一所述的装置进行调焦调平的方法，包括如下步骤： 

（1）反射镜驱动台位置复位；

（2）接收垂向位置获取指令；

（3）反射镜驱动台驱动反射镜沿入射光束方向进行一维扫描；

（4）反射镜驱动台位置获取，探测器光强数据采集；

（5）反射镜驱动台复位；

（6）计算硅片垂向位置数据；

（7）输出垂向位置数据。

8.如权利要求7所述的调焦调平方法，其特征在于所述探测器为多个。

9.如权利要求8所述的调焦调平方法，其特征在于还包括：步骤（8）根据多光斑垂向位置数据计算硅片表面的高度和倾斜。