CN104238284B - 一种基于光栅泰伯效应的检焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，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。检测系统利用硅片离焦引起的光栅泰伯效应的“自成像”位相变化，完成光刻机硅片的高精度检焦：硅片位于焦面位置时，光栅成像波前为平面波前；硅片离焦时，其成像波前为球面波前。该检测系统结构简单，具有较高的抗干扰能力和较好的工艺适应性。

Description

一种基于光栅泰伯效应的检焦方法

技术领域

本发明涉及一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，用于光刻机硅片的高精度调平调焦，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按照“一代技术、一代设备、一代器件”的发展规律快速发展，随着纳米器件的出现，对微细加工及微纳检测技术提出了新的要求。光学投影光刻技术是利用光学投影原理，通过投影物镜将掩模版上的高分辨力图形转移到硅片上。由于光学投影光刻技术既能具有接触式光刻的高分辨力，又避免损伤和玷污掩模版。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，光学投影光刻技术是驱动微电子技术进步的核心，目前大规模集成电路多采用该技术。

光刻投影光刻机种，投影物镜的分辨力和焦深是影响投影曝光系统的关键参数。随着光刻机分辨力的提高，其焦深急剧减小；同时，为提高投影光刻机的生产效率，硅片曝光场面积逐渐增大。因此，高精度投影光刻机对系统的调焦精度提出了新的要求。

传统投影曝光光刻机中，由于焦深较长，多采用CCD检焦技术和PSD传感器检焦技术。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，通过测量多点的高度值可计算出硅片的倾斜量。其中，以日本Nikon公司为主，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。当光栅和探测器相对位置不变的情况下，硅片位置的变化会引起莫尔条纹信号发生变化，通过测量莫尔条纹变化信息即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。

总体而言，目前报道的检焦方法，系统抗干扰能力不高；不能兼顾检焦精度和效率。针对投影光刻机未来的高精度检焦需求，本发明介绍一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，满足光刻机的精度和测量效率要求。

发明内容

本发明提出一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，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：一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，其特征在于：检测系统由光源1、光束准直扩束系统2、透镜组Lens_1和Lens_2组成的4f光学系统、被测硅片3、衍射光栅4和CCD探测器5组成。透镜组Lens_1和Lens_2组成的4f光学系统：当被测硅片3位于4f系统的共焦面上时，准直扩束系统2的出射平面波前经过4f光学系统后仍为平面波前，并通过衍射光栅4形成其泰伯自成像；当被测硅片3离焦时，准直扩束系统2的出射平面波前经过4f光学系统后为球面波前，衍射光栅4的泰伯自成像的周期和位相产生差异。通过CCD探测器5完成平面和球面波前的泰伯自成像测量，即可完成硅片的检焦测量。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于4f系统的共焦位置时，平面波前通过衍射光栅4成像，根据光栅衍射原理，平面波前A入射光栅时，CCD探测器5中形成周期性的干涉条纹即泰伯自成像周期与光栅4周期p相同；当被测硅片3离焦时，CCD探测器5中产生由球面波前产生的干涉条纹，分析其周期为：

$p_s=\frac{L-z}{L}p=p\±s\frac{z}{f^2}p$

其中光栅4位于透镜组Lens_2的后焦面位置，L为球面波前会聚中心与光栅距离，s为硅片离焦量，f为透镜组Lens_2的焦距。通过测量光栅4的泰伯自成像周期其相位差，即可完成被测硅片3的高精度检焦。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所述的方法采用普通朗奇光栅和4f光学系统，即可完成硅片的检焦测量，具有系统结构简单、较高抗干扰能力等优点。

(2)通过理论分析，硅片离焦不仅导致泰伯自成像周期差异，还产生相应的相位变化，通过相应的相位解析算法即可获得较高的检焦精度，该方法具有较高的工程实用性。

附图说明

本发明所述的基于光栅泰伯效应的检焦方法，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使用的检焦系统示意图。

图2为本发明所述的检焦方法中离焦时系统元件位置示意图。

图3为本发明所述的检焦方法中光栅泰伯自成像，其中(a)为硅片离焦时的球面波前泰伯自成像；(b)为硅片位于焦面位置时的平面波前泰伯自成像。

具体实施方式

为实现光刻系统中硅片在线精密检焦测量，本项目基于光栅泰伯效应，通过分析泰伯效应的干涉条纹相位分布，完成硅片的高精度检焦测量，检焦系统如图1所示。

本发明所述的基于光栅泰伯效应、应用于高精度光刻机的检焦方法，其特征在于：检测系统由光源1、光束准直扩束系统2、透镜组Lens_1和Lens_2组成的4f光学系统、被测硅片3、衍射光栅4和CCD探测器5组成。透镜组Lens_1和Lens_2组成的4f光学系统：当被测硅片3位于4f系统的共焦面上时，准直扩束系统2的出射平面波前经过4f光学系统后仍为平面波前，并通过衍射光栅4形成其泰伯自成像；当被测硅片3离焦时，准直扩束系统2的出射平面波前经过4f光学系统后为球面波前，衍射光栅4的泰伯自成像的周期和位相产生差异。通过CCD探测器5完成平面和球面波前的泰伯自成像测量，即可完成硅片的检焦测量。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测硅片3位于4f系统的共焦位置时，平面波前通过衍射光栅4成像，根据光栅衍射原理，平面波前A入射光栅时，CCD探测器5中形成周期性的干涉条纹即泰伯自成像周期与光栅4周期p相同；当被测硅片3离焦时，CCD探测器5中产生由球面波前产生的干涉条纹，分析其周期为：

$p_s=\frac{L-z}{L}p=p\±s\frac{z}{f^2}p$

其中光栅4位于透镜组Lens_2的后焦面位置，L为球面波前会聚中心与光栅距离，s为硅片离焦量，f为透镜组Lens_2的焦距。通过测量光栅4的泰伯自成像周期其相位差，即可完成被测硅片3的高精度检焦。

具体地，当硅片存在离焦量h时，被测硅片3的反射波前相对于透镜组Lens_2存在轴向离焦s和垂轴离焦s_┴，如图2所示。

$\left\{\begin{array}{c}s=2h\sin \mathrm{\θ}\\ s_{\⊥}=2h\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

由于硅片的离焦，透镜组Lens_2的出射波前为球面波前，根据牛顿公式，其球面波前的曲率中心为：

L＝f²/s

检测系统中，衍射光栅4与透镜组Lens_2后焦面间距为ΔL，由于硅片离焦量较小，L>>ΔL。根据衍射光学理论，光栅4的入射波前位相分布为：

$U_1(x,y)=\mathrm{Aexp}[-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{L-\mathrm{\ΔL}}]\≈\mathrm{Aexp}[-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{L}]$

其中，θ为检焦系统光轴与硅片表面的夹角，A为入射波前振幅，k为波矢量2π/λ。

光栅衍射方程为：

$g(x,y)=\mathrm{\Σ}{c}_n\exp \left(i2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{nx}}{p}\right),n=0,\±1,\±2\·\·\·$

其中n为光栅衍射光级次，c_n为相应级次的衍射光强比，p为光栅周期。由于朗奇光栅占空比为50％，其偶数级次衍射光产生“缺级”，3级及以上的高级次衍射光强相对较弱，衍射光栅4的出射波前由0级和±1级衍射光组成：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_2(x,y)=c_{0}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{2L}]\\ +c_{1}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{2L}+\mathrm{ik}\frac{\mathrm{\λ}}{p}x]+c_{1}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{2L}-\mathrm{ik}\frac{\mathrm{\λ}}{p}x]\\ =c_{0}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{2L}]+c_{1}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ}\±\frac{\mathrm{L\λ}}{p})}^2+y^2}{2L}+\mathrm{ik}\frac{L{\mathrm{\λ}}^2}{2p^2}]\end{array}\right.$

由球面波传播原理，当衍射光栅4与CCD探测器5间距z为泰伯距离的整数倍z＝mp/λ²时，探测器像面上光波前位相分布为：

$\begin{array}{c}{U}_f(x,y)=c_{0}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ})}^2+y^2}{2(L-z)}]+\\ c_{1}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x-2h\cos \mathrm{\θ}\±\frac{\mathrm{L\λ}}{p})}^2+y^2}{2(L-z)}+\mathrm{ik}\frac{L{\mathrm{\λ}}^2}{2p^2}]\end{array}$

分析结果表明，被测硅片3存在离焦h时，CCD探测器上出现周期性的干涉条纹，如图3(a)所示。条纹周期为：

$p_s=\frac{L-z}{L}p$

当被测硅片3离焦h为0时，衍射光栅4的出射波前同样由0级和±1级衍射光组成：

$U_2(x,y)=c_{0}A+c_{1}A\·\exp [-\mathrm{ik}\frac{\mathrm{\λ}}{p}x]+c_{1}A\·\exp \left[\mathrm{ik}\frac{\mathrm{\λ}}{p}x\right]$

分析计算结果表明：硅片不存在离焦时，CCD探测器5中的干涉条纹周期与光栅周期p相同。通过测量干涉条纹即光栅泰伯自成像的位相变化，即可完成被测硅片3的检焦测量。

总体上，本发明所述的基于光栅泰伯效应的检焦方法，具有较强的抗干扰能力、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 (2)

1.一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，其特征在于：检测系统由光源(1)、光束准直扩束系统(2)、第一透镜组(Lens_1)和第二透镜组(Lens_2)组成的4f光学系统、被测硅片(3)、衍射光栅(4)和CCD探测器(5)组成；第一透镜组(Lens_1)和第二透镜组(Lens_2)组成的4f光学系统：当被测硅片(3)位于4f系统的共焦面上时，准直扩束系统(2)的出射平面波前经过4f光学系统后仍为平面波前，并通过衍射光栅(4)形成其泰伯自成像；当被测硅片(3)离焦时，光束准直扩束系统(2)的出射平面波前经过4f光学系统后为球面波前，衍射光栅(4)的泰伯自成像的周期和位相产生差异，通过CCD探测器(5)完成平面和球面波前的泰伯自成像测量，即可完成硅片的检焦测量。

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4f光学系统的共焦位置时，平面波前通过衍射光栅(4)成像，根据光栅衍射原理，平面波前A入射光栅时，CCD探测器(5)中形成周期性的干涉条纹即泰伯自成像周期与衍射光栅(4)周期p相同；当被测硅片(3)离焦时，CCD探测器(5)中产生由球面波前产生的干涉条纹，分析其周期为：

$p_s=\frac{L-z}{L}p=p\±s\frac{z}{f^2}p$

其中衍射光栅(4)位于第二透镜组(Lens_2)的后焦面位置，L为球面波前会聚中心与光栅距离，s为硅片离焦量，f为第二透镜组(Lens_2)的焦距，z为衍射光栅(4)与CCD探测器(5)的间距，通过测量衍射光栅(4)的泰伯自成像周期其相位差，即可完成被测硅片(3)的高精度检焦。