CN104181777A - 一种调焦调平传感器测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调焦调平传感器测量装置，涉及测量技术领域，用于测量带有工艺的硅片的高度形貌，该装置包括可调谐光源、测试光栅、第一成像系统、第二成像系统、参考光栅、探测器、工件台和计算机。该装置能够对于待测硅片上涂覆某种光刻胶或者具有某种结构时，自动计算测量高度对所述光刻胶或结构不敏感的光源光谱，相应调整光源的频率和带宽，以及探测器的响应范围，使调焦调平传感器的高度测量工艺相关性最小。在光刻曝光时，工件台将根据硅片形貌实时调节它的高度和倾斜，保证曝光区域保持在光刻机的对焦范围内，达到调焦调平的目的。

Description

一种调焦调平传感器测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种调焦调平传感器测量装置。

背景技术

随着集成电路的集成度不断提高，人们对复制集成电路图形的光刻机的性能要求越来越严格，包括光刻机内部测试硅片高度图形的调焦调平传感器的性能要求。

目前，先进光刻机内的调焦调平传感器均基于光学技术，其测量原理为光学三角法+莫尔条纹法。对于这种基于光学技术的传感器，待测硅片表面的光学性质变化不可避免地导致测量结果发生变化。例如，当硅片表面涂覆光刻胶，或者表面存在某种结构时，由于光在不同界面的反射和透射，将产生多光束干涉。多光束干涉导致硅片测量高度偏离实际的硅片高度，这通常称为调焦调平传感器的高度工艺相关性。测量高度与实际高度的差值称为视在表面凹陷，其大小与总输出光场的位相变化相对入射角θ的导数成正比，即：

当硅片曝光时，工件台根据调焦调平传感器测量数据进行调整。于是，视在表面凹陷误差将造成工件台调整误差，最终导致实际曝光平面偏离最佳成像平面。

为了减小调焦调平传感器的高度工艺相关性，现有技术中往往采用的技术方案为：

光源采用一个宽带光源，例如近红外光源卤钨灯，或者一个紫外宽光源如氘灯，减小多光束干涉造成的测量高度误差。但是发明人发现，由于光源光谱固定，因此它只对某种或某些光学性质相似的光刻胶有效。而在实际工作中，光刻胶的光学性质千差万别，这种不变的照明光谱限制了调焦调平传感器应用的灵活性和广泛性。

发明内容

本发明实施例提供一种调焦调平传感器测量装置，用于解决技术中由于光刻胶的光学性质不同导致调焦调平传感器应用不灵活的技术问题，实现了调焦调平传感器应用的便利性、灵活性和广泛性。

本发明实施例提供一种调焦调平传感器测量装置，用于对一待测硅片进行高度测量，所述其特征在于，所述待测硅片设置在一工件台上，所述待测硅片的上表面上设置有光刻胶或具有不同结构；其中，所述装置包括：可调谐光源，所述可调谐光源用于提供一定频率和带宽的光；测试光栅，用于接收来自所述可调谐光源的所述第一频率的光；第一成像系统，用于将所述测试光栅成像于所述待测硅片上；第二成像系统，用于将所述测试光栅在所述待测硅片上的像再次成像到参考光栅上；参考光栅，用于与所述测试光栅干涉形成莫尔条纹；探测器，用于记录所述莫尔条纹；计算机，所述计算机与所述探测器、所述可调谐光源连接，用于接收所述莫尔条纹，并控制所述可调谐光源和所述探测器；其中，所述计算机用于根据硅片上光刻胶或具体结构计算所述待测硅片的工艺相关性最小的光谱，并发送第一指令和第二指令，其中，所述第一指令发送给所述可调谐光源，用于调整所述可调谐光源的光谱；所述第二指令发送给所述探测器，用于调整所述探测器的响应谱段；其中，所述计算机同时用于根据所述莫尔条纹获得所述待测硅片的高度信息。

进一步的，所述可调谐光源具体为单一光源或多个光源的组合光源。

进一步的，所述多个光源的组合光源包括：第一光纤输入光源；第二光纤输入光源；光纤耦合器，所述光纤耦合器用于接收来自所述第一光纤输入光源和所述第二光纤输入光源的光；其中，所述光纤耦合器将来自所述第一光纤输入光源和所述第二光纤输入光源的光合成第一光纤输出光从所述光纤耦合器的输出端输出。

进一步的，所述多个光源的组合光源包括：第一自由光输入光源；第二自由光输入光源；第一光束合束器，所述第一光束合束器接收来自所述第一自由光输入光源和所述第二自由光输入光源的光；其中，所述第一光束合束器将来自所述第一自由光输入光源和第二自由光输入光源的光合束成第一自由输出光从所述第一光束合束器的输出端输出。

进一步的，所述装置还包括：反射镜，用于反射来自所述第一自由光输出光源的光。

进一步的，所述装置还包括：第三自由光输入光源；第二光束合束器，所述第二光束合束器接收来自所述第一光束合束器和所述第三自由光输入光源的光；其中，所述第二光束合束器将来自所述第一光束合束器和所述第三自由光输入光源的光合束成第二自由输出光从所述第二光束合束器的输出端输出。

进一步的，所述探测器包括：第一探测器，所述第一探测器可用于检测至少两个谱段。

进一步的，所述探测器包括：第二探测器，所述第二探测器用于检测第一谱段；第三探测器，所述第三探测器用于检测第二谱段；其中，所述第二探测器和所述第三探测器构成第一探测器阵列，所述第一探测器阵列用于检测所述第一谱段和所述第二谱段。

进一步的，所述探测器包括：第四探测器，所述第四探测器用于检测第三谱段和第四谱段；第五探测器，所述第五探测器用于检测第五谱段和第六谱段；其中，所述第四探测器和所述第五探测器构成第二探测器阵列，所述第二探测器阵列用于检测所述第三谱段、所述第四谱段、所述第五谱段、所述第六谱段。

进一步的，所述工件台具有调节单元，所述调节单元用于根据所述待测硅片的形貌实时调节高度和倾斜角度。

本发明的有益效果如下：

本发明一实施例中提供一种调焦调平传感器测量装置，该装置包括可调谐光源、测试光栅、第一成像系统、第二成像系统、参考光栅、探测器、工件台和计算机。其中，该装置能够对于待测硅片上涂覆某种光刻胶或者具有某种结构时，自动计算测量高度对所述光刻胶或结构不敏感的光源光谱，相应调整光源的频率和带宽，以及探测器的响应范围，使调焦调平传感器的高度测量工艺相关性最小。

进一步的，本发明一实施例中通过工件台上设置的调节单元实现根据所述待测硅片的形貌实时调节高度和倾斜角度，保证曝光区域保持在光刻机的对焦范围内，达到调焦调平的目的。

进一步的，本发明一实施例中通过配置有多种光源形式和多种探测器形式，实现了能够动态调整输出光源和探测器的适配性，提升本发明应用的灵活性和广泛性。

进一步的，本发明一实施例通过设置反射镜，并将反射后的第一自由光输出光源输入第一光束合束器中，达到光源排列一致性的技术效果。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种调焦调平传感器测量装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中一种可调谐光源的结构示意图；

图3为本发明一实施例中又一种可调谐光源的结构示意图；

图4为本发明一实施例中会聚光入射到硅片上理想的传播状态；

图5为本发明一实施例中某个角度入射的光在涂覆光刻胶的硅片上实际的传播状态；

图6为本发明一实施例中当硅片上存在某种结构时，某个角度入射的光在硅片上的传播状态。

具体实施方式

本发明一实施例中提供一种调焦调平传感器测量装置，该装置包括可调谐光源、测试光栅、第一成像系统、第二成像系统、参考光栅、探测器、工件台和计算机。其中，该装置能够对于待测硅片上涂覆某种光刻胶或者具有某种结构时，自动计算测量高度对所述光刻胶或结构不敏感的光源光谱，相应调整光源的频率和带宽，以及探测器的响应范围，达到使调焦调平传感器的高度测量工艺相关性最小的技术效果。

具体来说，本发明能够在改变照明光源的形式的基础上，使光源光谱随着光刻胶的不同予以调节。即当采用一种新光刻胶时，该装置根据工艺相关性产生原理计算出测量高度对所述光刻胶最不敏感的光源光谱，计算结果用于调整光源的频率和带宽和对应的探测器的响应谱段，保证调焦调平传感器的高度测量工艺相关性最小。

为使本领域技术人员能够更详细了解本发明，以下结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所述，图1为本发明一实施例中一种调焦调平传感器测量装置的结构示意图。其中，所述装置用于对一待测硅片4进行测量，所述待测硅片4设置在一工件台10上，所述待测硅片4的上表面上设置有一光刻胶或具有不同结构5；

进一步的，所述装置包括：可调谐光源1、测试光栅2、第一成像系统3、第二成像系统6、参考光栅7、探测器8和计算机9，其中，

可调谐光源1，所述可调谐光源1用于提供一定频率和带宽的光；

测试光栅2，用于接收来自所述可调谐光源1的所述第一频率的光；

第一成像系统3，用于将所述测试光栅2成像于所述待测硅片4上；

第二成像系统6，用于将所述测试光栅2在所述待测硅片4上的像再次成像到参考光栅7上；

参考光栅7，用于与所述测试光栅2干涉形成莫尔条纹；

探测器8，用于记录所述莫尔条纹；

计算机9，所述计算机9与所述探测器8、所述可调谐光源1连接，用于接收所述莫尔条纹，并控制所述可调谐光源1和所述探测器8；其中，所述计算机9用于根据硅片上光刻胶或具体结构计算所述待测硅片4的工艺相关性最小的光谱，并发送第一指令和第二指令，其中，所述第一指令发送给所述可调谐光源1，用于调整所述可调谐光源的光谱；所述第二指令发送给所述探测器8，用于调整所述探测器8的响应谱段。其中，所述计算机9同时用于根据所述莫尔条纹获得所述待测硅片4的高度信息。

进一步的，所述可调谐光源1具体结构形式有两种：

(1)单一光源；

其中，该光源的输出光谱可以调节，调节的方式可为光源光谱直接调节，或增加滤光片调节。

(2)多个光源的组合光源。

进一步的，多个光源的组合光源为多个光源组合到一起形成一个组合光源，进而输出光谱可以由这些光源的适当组合实现。具体来说，多个光源的组合光源还具有两种形式：

第一种多个光源的组合光源形式：

如图2所示，所述多个光源的组合光源包括：

第一光纤输入光源111，

第二光纤输入光源112，

光纤耦合器113，所述光纤耦合器113用于接收来自所述第一光纤输入光源111和所述第二光纤输入光源112的光；

其中，所述光纤耦合器113将来自所述第一光纤输入光源111和所述第二光纤输入光源112的光合成第一光纤输出光114从所述光纤耦合器113的输出端输出。

第二种多个光源的组合光源

如图3所示，所述多个光源的组合光源包括：

第一自由光输入光源121；

第二自由光输入光源122；

第一光束合束器124，所述第一光束合束器124接收来自所述第一自由光输入光源121和所述第二自由光输入光源122的光；

其中，所述第一光束合束器124将来自所述第一自由光输入光源121和第二自由光输入光源122的光合束成第一自由输出光125从所述第一光束合束器124的输出端输出。

进一步的，所述多个光源的组合光源还包括：

反射镜126，所述反射镜126接收来自所述第一自由光输入光源121的光，用于反射来自所述第一自由光输入光源121的光。进一步的，所述多个光源的组合光源还包括：

第三自由光输入光源123；

第二光束合束器127，所述第二光束合束器127接收来自所述第一光束合束器124和所述第三自由光输入光源123的光；

其中，所述第二光束合束器127将来自所述第一光束合束器124和所述第三自由光输入光源123的光合束成第二自由输出光128从所述第二光束合束器127的输出端输出。

进一步的，所述探测器8包括至少三种形式：

第一种探测器形式：

具体来说，该第一种探测器形式为单一的第一探测器，所述第一探测器可用于检测至少两个谱段。也就是说，所述第一探测器可以为单个的响应所有所需谱段的探测器。

第二种探测器形式：

所示探测器包括：第二探测器，所述第二探测器用于检测第一谱段；第三探测器，所述第三探测器用于检测第二谱段；其中，所述第二探测器和所述第三探测器构成第一探测器阵列，所述第一探测器阵列用于检测所述第一谱段和所述第二谱段。

具体来说，该探测器为多个单个响应谱段的探测器的组成。

第三种探测器形式：

所述探测器包括：第四探测器，所述第四探测器用于检测第三谱段和第四谱段；第五探测器，所述第五探测器用于检测第五谱段和第六谱段；其中，所述第四探测器和所述第五探测器构成第二探测器阵列，所述第二探测器阵列用于检测所述第三谱段、所述第四谱段、所述第五谱段、所述第六谱段。

具体来说，第三种探测器为多个具有不同响应谱段的探测器的合并组成。

进一步的，所述工件台10具有调节单元，所述调节单元用于根据所述待测硅片的形貌实时调节高度和倾斜角度。该调节单元能够保证曝光区域保持在光刻机的对焦范围内，达到调焦调平的目的。进一步的，所述工件台10实现对所述待测硅片的X和/或Y方向扫描。

为了更清楚的介绍本发明实施例所提供的一种调焦调平传感器测量装置，下面从使用方法上予以说明。

当待测硅片4上涂覆某种光刻胶或包含某种结构5后，所述光刻胶或结构5的光学参数和几何参数输入计算机9，经过计算分析，得到高度工艺相关性最小的光谱范围。调整可调谐光源1，使其输出光谱为或尽可能接近工艺不相关光谱。相应地，调整探测器8以匹配可调谐光源1的输出光谱。从可调谐光源1输出的光照明测试光栅2，测试光栅2经过第一成像系统3成像到待测硅片4，严格来说是光刻胶或结构5上。测试光栅2的像经待测硅片4反射后，经过第二成像系统6，并成像在参考光栅7位置处。测试光栅2的二次像和参考光栅7相互干涉，形成莫尔条纹。该莫尔条纹被探测器8探测并进一步分析处理，得到该测量点处的待测硅片4的高度。为了得到整个硅片的高度图，工件台10需扫描整个硅片。

为了更好的说明本发明所提供的一种调焦调平传感器测量装置，下面介绍计算待测硅片高度工艺不相关光谱的方法。

具体来说，对于待测硅片4表面仅有光刻胶的情况，如图4所示，设入射到待测硅片4【确切地说是光刻胶】上的光束为会聚光，会聚角为ω。对于某个入射角度θ的光，如图5所示，它在空气-光刻胶界面和光刻胶-待测硅片4界面间将发生多次折返，形成多束光输出。由于待测硅片4对光的吸收和厚的待测硅片4，透射入待测硅片4的光可认为全被吸收。显然，总的输出光场(即多光束光场的积分)与直接从空气-光刻胶界面反射的光场不同。考虑各个介质的吸收效应和色散效应，即令介质折射率为随波长变化的复折射率，得到从硅片上表面输出的总光场的平均位相变化。该位相变化为入射角度θ，介质的复折射率和波长的函数。根据公式(1)，为了得到硅片高度工艺不相关光谱，就是要找到某个光谱谱段，在该谱段内，Δh＝0，即找到该光谱分布后，利用计算机9控制光源和探测器8进行相应调整。

为了更好的说明本发明所提供的一种调焦调平传感器测量装置，下面介绍计算又一种待测硅片高度工艺不相关光谱的方法。

对于硅片上存在结构的情况，如图6所示，寻找工艺不相关光谱的过程将变得复杂。设在待测硅片4上有一个由源极43、栅极44和漏极45组成的晶体管，该晶体管上方生长一层绝缘层41，绝缘层上涂覆光刻胶42。光刻机曝光以形成晶体管互联。测量这种带有结构的硅片高度时，入射光将在多个光学界面发生透射、反射、吸收等现象。图6虚线示出了少量入射光在界面上的传输变化。此时，计算工艺不相关光谱时，必须考虑曝光表面下方所有的结构，将该结构中各种材料的光学参数和几何参数输入计算机，计算光在硅片上的实际传播场，并得到从上表面输出的总的光场的位相变化相对入射角θ的关系。

本发明的有益效果如下：

本发明一实施例中提供一种调焦调平传感器测量装置，该装置包括可调谐光源、测试光栅、第一成像系统、第二成像系统、参考光栅、探测器、工件台和计算机。其中，该装置能够对于待测硅片上涂覆某种光刻胶或者具有某种结构时，自动计算测量高度对所述光刻胶或结构不敏感的光源光谱，相应调整光源的频率和带宽，以及探测器的响应范围，使调焦调平传感器的高度测量工艺相关性最小。

进一步的，本发明一实施例中通过工件台上设置的调节单元实现根据所述待测硅片的形貌实时调节高度和倾斜角度，保证曝光区域保持在光刻机的对焦范围内，达到调焦调平的目的。

进一步的，本发明一实施例中通过配置有多种光源形式和多种探测器形式，实现了能够动态调整输出光源和探测器的适配性，提升本发明的应用的灵活性和广泛性。

进一步的，本发明一实施例通过设置反射镜，并将反射后的第一自由光输出光源输入第二光束合束器中，达到光源排列一致性的技术效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种调焦调平传感器测量装置，用于对一待测硅片进行高度测量，所述其特征在于，所述待测硅片设置在一工件台上，所述待测硅片的上表面上设置有光刻胶或具有不同结构；其中，所述装置包括：

可调谐光源，所述可调谐光源用于提供一定频率和带宽的光；

测试光栅，用于接收来自所述可调谐光源的所述第一频率的光；

第一成像系统，用于将所述测试光栅成像于所述待测硅片上；

第二成像系统，用于将所述测试光栅在所述待测硅片上的像再次成像到参考光栅上；

参考光栅，用于与所述测试光栅干涉形成莫尔条纹；

探测器，用于记录所述莫尔条纹；

计算机，所述计算机与所述探测器、所述可调谐光源连接，用于接收所述莫尔条纹，并控制所述可调谐光源和所述探测器；

其中，所述计算机用于根据硅片上光刻胶或具体结构计算所述待测硅片的工艺相关性最小的光谱，并发送第一指令和第二指令，其中，所述第一指令发送给所述可调谐光源，用于调整所述可调谐光源的光谱；所述第二指令发送给所述探测器，用于调整所述探测器的响应谱段；

其中，所述计算机同时用于根据所述莫尔条纹获得所述待测硅片的高度信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可调谐光源具体为单一光源或多个光源的组合光源。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个光源的组合光源包括：

第一光纤输入光源；

第二光纤输入光源；

光纤耦合器，所述光纤耦合器用于接收来自所述第一光纤输入光源和所述第二光纤输入光源的光；

其中，所述光纤耦合器将来自所述第一光纤输入光源和所述第二光纤输入光源的光合成第一光纤输出光从所述光纤耦合器的输出端输出。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个光源的组合光源包括：

第一自由光输入光源；

第二自由光输入光源；

第一光束合束器，所述第一光束合束器接收来自所述第一自由光输入光源和所述第二自由光输入光源的光；

其中，所述第一光束合束器将来自所述第一自由光输入光源和第二自由光输入光源的光合束成第一自由输出光从所述第一光束合束器的输出端输出。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

反射镜，用于反射来自所述第一自由光输出光源的光。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三自由光输入光源；

第二光束合束器，所述第二光束合束器接收来自所述第一光束合束器和所述第三自由光输入光源的光；

其中，所述第二光束合束器将来自所述第一光束合束器和所述第三自由光输入光源的光合束成第二自由输出光从所述第二光束合束器的输出端输出。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测器包括：

第一探测器，所述第一探测器可用于检测至少两个谱段。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测器包括：

第二探测器，所述第二探测器用于检测第一谱段；

第三探测器，所述第三探测器用于检测第二谱段；

其中，所述第二探测器和所述第三探测器构成第一探测器阵列，所述第一探测器阵列用于检测所述第一谱段和所述第二谱段。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测器包括：

第四探测器，所述第四探测器用于检测第三谱段和第四谱段；

第五探测器，所述第五探测器用于检测第五谱段和第六谱段；

其中，所述第四探测器和所述第五探测器构成第二探测器阵列，所述第二探测器阵列用于检测所述第三谱段、所述第四谱段、所述第五谱段、所述第六谱段。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工件台具有调节单元，所述调节单元用于根据所述待测硅片的形貌实时调节高度和倾斜角度。