CN104198164A - 一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，其作用是实时检测光刻机系统的硅片位置，完成硅片的高精度调平和调焦。利用微透镜阵列对携带有硅片位置信息的波前进行检测，根据哈特曼波前检测原理，微透镜阵列的各个子单元将球面波波前分割，并成像于各自的焦面上。当硅片位于焦面位置时，微透镜阵列入射波前为平面波，衍射光斑位于微透镜阵列各个子单元的焦点上；当硅片存在离焦时，微透镜阵列入射波前为球面波，衍射光斑在微透镜阵列焦面上产生偏移。根据哈特曼波前检测原理，通过微透镜阵列对平面和球面波前成像光斑偏移，即可完成球面波前检测，从而完成硅片离焦测量。该检焦系统结构简单、精度和效率较高，适用于各类光刻机的高精度、实时性检焦测量。

Description

一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法

技术领域

本发明涉及的一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，用于光刻机硅片的高精度检焦，属于微电子设备及微细加工领域。

背景技术

以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微细加工及微纳检测技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。物镜的分辨力和焦深是影响投影曝光系统的关键参数，根据瑞利判据，计算物镜分辨力和焦深为：

R＝k₁λ/NA

DOF＝k₂λ/NA²

提高投影光刻的分辨力主要通过使用波长越来越短的曝光光源和提高物镜系统的数值孔径NA来实现。目前投影光刻机曝光波长λ从紫外光源(g线、i线)、深紫外(ArF)，向极紫外(EUV)方向发展；投影物镜NA从早期的0.2、0.8发展到浸没式投影光刻的1.35以上。光刻分辨力的提高是以牺牲焦深为代价，随着光刻分辨力的提高，投影物镜系统的焦深急剧减小，虽然采用分辨力增强技术可进一步提高分辨力，但对焦深的改善有限。因此，高精度光刻机对系统的调焦精度提出了新的要求。

光刻机中的调平调焦测量传感器多采用光学传感技术，具有快捷性、非接触性等特点。早期投影光刻机中，由于焦深较长，多采用光度检焦和CCD检焦技术。利用狭缝成像，通过计算狭缝在探测器中的位移变化计算硅片的离焦量。这两类检测方法总体上测量系统较简单，操作简便易行；但测量精度偏低，不能满足高精度光刻对检焦的需求。随着光刻系统分辨力的提高及曝光视场的增大，调平调焦测量系统进一步采用多点检测原理，以日本Nikon公司为主，通过测量多点的高度值可计算出硅片的倾斜量。光源出射光经过狭缝列阵后被硅片表明反射，成像于探测器上。当硅片处于理想状态时，成像光斑位于四象限探测器中心，四个象限的光强相等。检测系统采用狭缝阵列，通过扫描测量能覆盖整个曝光视场；但需进一步优化检测算法以提高其检测精度。

随着上世纪光栅检测技术的发展，基于光栅Talbot效应产生的莫尔条纹检测技术也被应用于投影光刻系统的检焦测量。当两个周期相当的衍射光栅间距满足Talbot距离时，两光栅产生莫尔条纹。当光栅和探测器相对位置不变的情况下，硅片位置的变化引起莫尔条纹信号发生变化，通过测量莫尔条纹变化信息可完成硅片离焦量测量。该方法虽具有较高的检测精度；但系统抗干扰能力较弱，对环境有较高的要求。

2004年MIT的Euclid E.Moon等人提出了基于啁啾光栅的间隙测量用于光刻机检焦测量，获得纳米级检测精度；但受图形处理算法和相位解析算法限制，系统实时性较差，检测效率偏低。

2007年，美国的研究人员提出了一种利用空气动力学原理进行焦面测量，这种气动间隙检测方式的基本思路是，通过喷头向被测表面喷气，间隙量的变化就导致喷嘴回压和气流的变化，利用压力传感器或流量计测量，最后反演间隙量。由于受环境影响较大，该方法有在实验室获得原理验证的报道，但在实际的样机上，还没有取得成功的应用。

基于空间光调制原理的纳米级检焦技术被广泛应用于先进光刻机的精密检焦测量。测量系统由宽光谱照明，远心成像系统，空间光调制和探测系统组成。该检测方法具有较高的测量精度，满足高精度光刻机的需求；但系统总体结构较复杂，采用逐点扫描的检测方式，检测效率较低。

随着我国微细加工技术的发展，光刻机调焦技术成为新的研究热点。目前国内研究光刻调焦技术的包括中科院光电所、上海微电子装备有限公司、华中科技大学和中科院上海光机所等研究单位。

其中，上海微电子装备有限公司利用PSD技术用于检焦测量。激光光束被准直后通过狭缝成像在硅片上，经硅片表面和反射镜反射后成像在PSD上。通过工件台移动扫描整个硅片表面，完成整个硅片测量，利用扫描的硅片高度信息计算硅片离焦量，从而保证系统的整体调焦精度。

华中科技大学的尹作海等人利用线阵CCD探测器完成光刻机的检焦测量。中科院光电技术研究所是较早开展微电子装备相关技术研制的单位之一，在0.8μm光刻机研制项目中采用莫尔条纹的办法实现80nm的检焦精度。

总体而言，目前报道的检焦方法，不易兼顾结构系统简易性和检测精度；在大面积曝光系统中不能兼顾检焦精度和效率。针对投影光刻机未来的高分辨力、大视场发展需求，本发明介绍一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，满足光刻机的检焦精度和效率要求。

发明内容

本发明提出一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，适用于各类光刻机的高精度调平调焦。

本发明采用的技术方案为：一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，该检焦系统由光源及准直扩束系统1、前置透镜组2、被测硅片3、后置透镜组4、微透镜阵列5和CCD探测器6组成。其中，前置透镜组2和后置透镜组4构成一个4f系统，被测硅片3位于其共焦面上。该检焦方法特征在于：光源及准直扩束系统1的出射平面波前经过前置透镜组2后入射到被测硅片3表面，经过被测硅片3反射后，通过后置透镜组4和微透镜阵列5后，在CCD探测器中成像：当被测硅片3位于前置透镜组2和后置透镜组4的共焦面时，微透镜阵列5对平面波前成像；当被测硅片3离焦时，微透镜阵列5对球面波前成像。根据CCD探测器6中成像光斑的变化情况，即可完成被测硅片3的检焦测量。

所述的基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于前置透镜组2和后置透镜组4的共焦面位置时，光源及准直扩束系统1的出射平面波前经过4f系统后仍为平面波前，微透镜阵列5对平面波前成像，CCD探测器6中的衍射光强分布为：

$I=\mathrm{\Σ}{I}_0\left[\frac{{2J}_1\left(Z\right)}{Z}\right]=\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0\left[\frac{{2J}_1\left(\frac{\mathrm{kd}\sqrt{{(x-\mathrm{nd})}^2+{(y-\mathrm{md})}^2}}{2f}\right)}{\frac{\mathrm{kd}\sqrt{{(x-\mathrm{nd})}^2+{(y-\mathrm{md})}^2}}{2f}}\right]$

其中，J₁(Z)为一阶贝塞尔函数，d为微透镜阵列的子单元口径，f为微透镜阵列焦距，M,N为微透镜阵列子单元的行列数，k＝2π/λ为波长λ对应的波数，x,y为CCD探测器中的坐标位置。分析表明，被测硅片位于前置透镜组2和后置透镜组4的共焦面位置时，CCD探测器6中的衍射光斑位于微透镜阵列5各个子单元的焦点位置。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于离焦位置时，光源及准直扩束系统1的出射平面波前经过4f系统后为球面波前，微透镜阵列5对球面波前成像。具体的，根据三角法测量原理，当硅片上下离焦h时，相当于轴向离焦量s＝2hsinβ，β为检焦系统光轴与被测硅片3的夹角。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于离焦位置时，微透镜阵列5对球面波前成像。根据哈特曼波前检测原理，微透镜阵列5各子单元的中心、子单元对应的衍射光斑中心和球面波前的曲率中心共线。分析球面波前成像，其衍射光斑中心满足：

$\frac{{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{mn}}}{f}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{L}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}$

其中，Δp_mn为微透镜阵列5第m行第n列的子单元在平面和球面波前成像的光斑偏移；L为球面波前曲率中心到微透镜阵列5焦面的轴向距离；f₄为后置透镜组4的焦距；d_f为后置透镜组4像方焦面和微透镜阵列5物方焦面间的距离。

所述的检焦方法，其特征在于：利用微透镜阵列5对平面波前和球面波前成像光斑偏移，完成被测硅片3的检焦测量。对微透镜阵列5的不同子单元，建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δp}}_{11}}{f}=\frac{\sqrt{2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}\\ \frac{{\mathrm{\Δp}}_{12}}{f}=\frac{\sqrt{5}d}{{f_4}^2+2f+d_f}\\ ......\\ \frac{{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{mn}}}{f}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}\end{array}\right.$

利用最小二乘法，完成方程组求解s，可计算微透镜阵列5不同子单元测量出的被测硅片3的离焦位置：

$\stackrel{-}{s}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{mn}}$

所述的检焦方法，其特征在于通过对不同子单元测量的离焦量取平均值的方法，完成被测硅片3的检焦测量。一次测量即可完成多组测量数据的计算，提高了硅片的检焦精度和检查效率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)根据哈特曼波前检测原理，通过微透镜阵列对平面和球面波前成像光斑偏移，即可完成球面波前检测，从而完成硅片离焦测量。该检焦系统结构简单、精度和效率较高，适用于各类光刻机的高精度、实时性检焦测量。

(2)由于微透镜阵列不同子单元成像，一次测量过程中多个子单元分别完成硅片位置的检焦测量。通过计算多个测量值的平均值，较大的提高测量精度和测量效率。

(3)本发明所述的发明方法，数据处理简单，通过测量平面波前和球面波前的成像光斑中心即可完成高精度的检焦测量。

附图说明

本发明所述的基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，其具体测量系统结构和检测原理以附图形式作进一步阐述：

图1为本发明所述的检焦方法系统示意图。

图2为本发明所述的检焦方法中球面波前和平面波前成像光斑示意图，其中图2(a)为平面波前成像光斑；图2(b)为球面波前成像光斑；图2(c)为平面波前和球面波前成像光斑位置对比图。

具体实施方式

为实现光刻系统中硅片在线精密检焦测量，本项目采用哈特曼波前检测原理，通过分析微透镜阵列对平面波前和球面波前的成像光斑差异，完成硅片检焦测量测量，检焦系统如图1所示。

具体的，所述的基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，该检焦系统由光源及准直扩束系统1、前置透镜组2、被测硅片3、后置透镜组4、微透镜阵列5和CCD探测器6组成。其中，前置透镜组2和后置透镜组4构成一个4f系统，被测硅片3位于其共焦面上。该检焦方法特征在于：光源及准直扩束系统1的出射平面波前经过前置透镜组2后入射到被测硅片3表面，经过被测硅片3反射后，通过后置透镜组4和微透镜阵列5后，在CCD探测器中成像：当被测硅片3位于前置透镜组2和后置透镜组4的共焦面时，微透镜阵列5对平面波前成像；当被测硅片3离焦时，微透镜阵列5对球面波前成像。根据CCD探测器6中成像光斑的变化情况，即可完成被测硅片3的检焦测量。

所述的基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于前置透镜组2和后置透镜组4的共焦面位置时，光源及准直扩束系统1的出射平面波前经过4f系统后仍为平面波前，微透镜阵列5对平面波前成像，CCD探测器6中的衍射光强分布为：

$I=\mathrm{\Σ}{I}_0\left[\frac{{2J}_1\left(Z\right)}{Z}\right]=\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0\left[\frac{{2J}_1\left(\frac{\mathrm{kd}\sqrt{{(x-\mathrm{nd})}^2+{(y-\mathrm{md})}^2}}{2f}\right)}{\frac{\mathrm{kd}\sqrt{{(x-\mathrm{nd})}^2+{(y-\mathrm{md})}^2}}{2f}}\right]$

其中，J₁(Z)为一阶贝塞尔函数，d为微透镜阵列的子单元口径，f为微透镜阵列焦距，M,N为微透镜阵列子单元的行列数，k＝2π/λ为波长λ对应的波数，x,y为CCD探测器中的坐标位置。分析表明，被测硅片位于前置透镜组2和后置透镜组4的共焦面位置时，CCD探测器6中的衍射光斑位于微透镜阵列5各个子单元的焦点位置。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于离焦位置时，光源及准直扩束系统1的出射平面波前经过4f系统后为球面波前，微透镜阵列5对球面波前成像。具体的，根据三角法测量原理，当硅片上下离焦h时，相当于轴向离焦量s＝2hsinβ，β为检焦系统光轴与被测硅片3的夹角。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于离焦位置时，微透镜阵列5对球面波前成像。根据哈特曼波前检测原理，微透镜阵列5各子单元的中心、子单元对应的衍射光斑中心和球面波前的曲率中心共线。分析球面波前成像，其衍射光斑中心满足：

$\frac{{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{mn}}}{f}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{L}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}$

其中，Δp_mn为微透镜阵列5第m行第n列的子单元在平面和球面波前成像的光斑偏移；L为球面波前曲率中心到微透镜阵列5焦面的轴向距离；f₄为后置透镜组4的焦距；d_f为后置透镜组4像方焦面和微透镜阵列5物方焦面间的距离。

所述的检焦方法，其特征在于：利用微透镜阵列5对平面波前和球面波前成像光斑偏移，完成被测硅片3的检焦测量。对微透镜阵列5的不同子单元，建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δp}}_{11}}{f}=\frac{\sqrt{2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}\\ \frac{{\mathrm{\Δp}}_{12}}{f}=\frac{\sqrt{5}d}{{f_4}^2+2f+d_f}\\ ......\\ \frac{{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{mn}}}{f}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}\end{array}\right.$

利用最小二乘法，完成方程组求解s，可计算微透镜阵列5不同子单元测量出的被测硅片3的离焦位置：

$\stackrel{-}{s}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{mn}}$

所述的检焦方法，其特征在于通过对不同子单元测量的离焦量取平均值的方法，完成被测硅片3的检焦测量。一次测量即可完成多组测量数据的计算，提高了硅片的检焦精度和检查效率。

图2为本发明所述的检焦方法中球面波前和平面波前成像光斑示意图，其中图2(a)为平面波前成像光斑；图2(b)为球面波前成像光斑；图2(c)为平面波前和球面波前成像光斑位置对比图。平面波前和球面波前成像光斑均规律分布，基于本发明方法所述的检测原理，微透镜阵列子单元分别对平面波前和球面波前成像，相同子单元的平面波前成像光斑中心和球面波前成像光斑中心与球面波前的曲率中心共线，即所有成像子单元的平面波前光斑和球面波前光斑在像面上中心连续交与同一点，如图2(c)所示。

总体上，本发明所述的基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，具有系统结构简单、高精度和高效率等优点，满足高精度光刻机需求。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。

Claims (6)

1.一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，该检焦系统由光源及准直扩束系统(1)、前置透镜组(2)、被测硅片(3)、后置透镜组(4)、微透镜阵列(5)和CCD探测器(6)组成，其中，前置透镜组(2)和后置透镜组(4)构成一个4f系统，被测硅片(3)位于其共焦面上，其特征在于：光源及准直扩束系统(1)的出射平面波前经过前置透镜组(2)后入射到被测硅片(3)表面，经过被测硅片3)反射后，通过后置透镜组(4)和微透镜阵列(5)后，在CCD探测器中成像：当被测硅片(3)位于前置透镜组(2)和后置透镜组(4)的共焦面时，微透镜阵列(5)对平面波前成像；当被测硅片(3)离焦时，微透镜阵列(5)对球面波前成像，根据CCD探测器(6)中成像光斑的变化情况，即可完成被测硅片(3)的检焦测量。

2.根据权利要求1所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片(3)位于前置透镜组(2)和后置透镜组(4)的共焦面位置时，光源及准直扩束系统(1)的出射平面波前经过4f系统后仍为平面波前，微透镜阵列(5)对平面波前成像，CCD探测器(6)中的衍射光强分布为：

$I=\mathrm{\Σ}{I}_0\left[\frac{{2J}_1\left(Z\right)}{Z}\right]=\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0\left[\frac{{2J}_1\left(\frac{\mathrm{kd}\sqrt{{(x-\mathrm{nd})}^2+{(y-\mathrm{md})}^2}}{2f}\right)}{\frac{\mathrm{kd}\sqrt{{(x-\mathrm{nd})}^2+{(y-\mathrm{md})}^2}}{2f}}\right]$

其中，J₁(Z)为一阶贝塞尔函数，d为微透镜阵列的子单元口径，f为微透镜阵列焦距，M,N为微透镜阵列子单元的行列数，k＝2π/λ为波长λ对应的波数，x,y为CCD探测器中的坐标位置，被测硅片位于前置透镜组(2)和后置透镜组(4)的共焦面位置时，CCD探测器(6)中的衍射光斑位于微透镜阵列(5)各个子单元的焦点位置。

3.根据权利要求1所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片(3)位于离焦位置时，光源及准直扩束系统(1)的出射平面波前经过4f系统后为球面波前，微透镜阵列(5)对球面波前成像，具体的，根据三角法测量原理，当硅片上下离焦h时，相当于轴向离焦量s＝2hsinβ，β为检焦系统光轴与被测硅片(3)的夹角。

4.根据权利要求1所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片(3)位于离焦位置时，微透镜阵列(5)对球面波前成像，根据哈特曼波前检测原理，微透镜阵列(5)各子单元的中心、子单元对应的衍射光斑中心和球面波前的曲率中心共线，分析球面波前成像，其衍射光斑中心满足：

$\frac{{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{mn}}}{f}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{L}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}$

其中，Δp_mn为微透镜阵列(5)第m行第n列的子单元在平面和球面波前成像的光斑偏移；L为球面波前曲率中心到微透镜阵列(5)焦面的轴向距离；f₄为后置透镜组(4)的焦距；d_f为后置透镜组(4)像方焦面和微透镜阵列(5)物方焦面间的距离。

5.根据权利要求4所述的检焦方法，其特征在于：利用微透镜阵列(5)对平面波前和球面波前成像光斑偏移，完成被测硅片(3)的检焦测量，对微透镜阵列(5)的不同子单元，建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δp}}_{11}}{f}=\frac{\sqrt{2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}\\ \frac{{\mathrm{\Δp}}_{12}}{f}=\frac{\sqrt{5}d}{{f_4}^2+2f+d_f}\\ ......\\ \frac{{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{mn}}}{f}=\frac{\sqrt{m^2+n^2}d}{{f_4}^2/s+2f+d_f}\end{array}\right.$

利用最小二乘法，完成方程组求解s，可计算微透镜阵列(5)不同子单元测量出的被测硅片(3)的离焦位置：

$\stackrel{-}{s}=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{mn}}.$

6.根据权利要求5所述的检焦方法，其特征在于：通过对不同子单元测量的离焦量取平均值的方法，完成被测硅片(3)的检焦测量，一次测量即可完成多组测量数据的计算，提高了硅片的检焦精度和检查效率。