CN104375383B - 用于光刻设备的调焦调平检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，包括：光源、调焦调平检测装置和调焦调平控制装置；该光源经光纤接口耦合进入该调焦调平检测装置；该调焦调平检测装置，用于检测对象的垂直位置和倾斜度；该调焦调平控制装置，用于根据该调焦调平检测装置所获得的探测信号，驱动控制该对象的承载器的垂向位置和倾斜度；该调焦调平检测装置在光刻设备的投影物镜的镜筒内部。

Description

用于光刻设备的调焦调平检测装置及方法

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检测装置及方法。

背景技术

近年来，随着科学技术尤其是半导体技术的不断发展，对硅片复杂程度及成本价格不断提高，对光刻工艺技术的要求也不断地提高，因而对调焦调平检测的精度要求和曝光质量要求也大幅度提高，特别是在前道光刻工艺光刻机中，对精度和曝光质量的要求越来越高。

现有的调焦调平检测传感器主要有三种：一是气压式传感器；二是电容式传感器，三是光电式三角测量传感器。这三种传感器各有其优缺点：气压式传感器可以直接测量硅片面的物理表面、不受光刻胶以及硅片表面材料的影响、但是气压受环境影响大导致精度不高、并且传感器距离硅片面较近而不能直接测量曝光场；电容式传感器实现比较简单、但是受被测硅片特性影响比较大、也不能直接测量曝光场；光电式三角测量传感器能够测量曝光场而且检测精度高、目前主要的调焦调平传感器、但是光机和控制结构复杂、并且精度受硅片面反射率的影响比较大。

现有技术中大多采用的调焦调平装置是光电式三角测量技术或者与气压式、电容式混合使用，这些测量方式由于受材料的特性、环境条件和空间结构以及光斑不均匀性等限制，造成其工艺适应性比较差。现有技术中所使用的调焦调平装置因空间结构限制，而导致的调焦调平传感器光学设计受限制引起的机械设计受限制、安装困难等问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于共焦测量原理的调焦调平检测传感器，能巧妙地解决最佳焦平面、调焦调平传感器零平面及硅片面之间的位置变化关系，很好地确保了光刻机硅片的曝光质量稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，包括：光源、调焦调平检测装置和调焦调平控制装置；该光源经光纤接口耦合进入该调焦调平检测装置；该调焦调平检测装置，用于检测对象的垂直位置和倾斜度；该调焦调平控制装置，用于根据该调焦调平检测装置所获得的探测信号，驱动控制该对象的承载器的垂向位置和倾斜度该调焦调平检测装置在光刻设备的投影物镜的镜筒内部。

更进一步地，该光源为非曝光光源。该调焦调平检测装置所获得的探测信号，经过光纤、导线或无线方式传递给该调焦调平控制装置。

更进一步地，该调焦调平检测装置包括：照明组件、梯度透镜组和探测组件；该照明组件，用于将经该光纤接口耦合进入的光源，经该梯度透镜组成像至一对象表面形成一聚焦光点，该聚焦光点反射后至该探测组件形成一成像光点，该聚焦光点与该成像光点形成一共轭关系。该照明组件包括光纤、分光棱镜及聚焦棱镜，该光源发出的光束经该光纤形成一点光源，依次经该分光棱镜及聚焦棱镜入射至该梯度透镜组。该梯度透镜组为一梯度折射率透镜，该梯度折射率透镜与该光刻设备的投影物镜共用该光刻设备的投影物镜的至少一个透镜。该探测组件包括探测滤波小孔、色散棱镜以及共焦测量探测器。该探测组件包括探测滤波小孔、反射式光栅以及共焦测量探测器。

更进一步地，该调焦调平控制装置包括：信号处理单元与控制单元；该信号处理单元，根据该调焦调平检测装置所提供的探测信号，计算该对象表面的最佳焦距和倾斜度；该控制单元，根据该信号处理单元计算所得的结果，驱动控制该对象承载器的垂向位置和倾斜度。

更进一步地，该调焦调平检测装置至少为一组。该调焦调平检测装置包括共焦测量探测器，该共焦测量探测器为3个，且等距离共圆分布安置于该光刻设备的投影物镜的内部。

本发明同时公开一种用于光刻设备的调焦调平检控系统的使用方法，包括：在该光刻设备的投影物镜内布置至少三组该调焦调平检测装置，该光源，经一梯度透镜组成像至一对象表面形成一聚焦光点，该聚焦光点反射后形成一成像光点，该聚焦光点与该成像光点形成一共轭关系，根据该成像光点的位置信息计算该基底表面的最佳焦距和倾斜度。

更进一步地，该梯度透镜组为一梯度折射率透镜，该梯度折射率透镜与该光刻设备的投影物镜共用该光刻设备的投影物镜的至少一个透镜。

更进一步地，采用逐行扫描的方式对该对象的表面与事先设定的最佳曝光面的垂向偏移量进行探测，从而转换为该对象表面起伏特征，通过图像拟合的方式，得到该对象表面形貌特征的拟合数据。

本发明设计的一种检测装置就是利用此种共焦测量装置的测量原理，将共焦测量装置整合到光刻机的投影物镜物镜PO中合适的位置，并与物镜物镜PO共用一个透镜或者某几个透镜，但彼此互不干涉，同时信号处理与控制系统将测量装置的探测端与光刻机的工件台的传动装置连接在一起的，当探测器探测到硅片面有因位置偏移或倾斜造成轴向偏移时，将信息反馈到信号处理与控制系统，而信号处理与控制系统根据探测到的信息分析处理后，通过传动装置调节工件台，将硅片面恢复到最佳曝光面，达到调焦调平的目的。由于是采用连续光谱的光源，其测量精度高；由于是利用不同波长的光在被测对象所处位置不同得到不同的聚焦深度或者自身的空间位置信息，采用的是点测量，不受光斑不均匀性等影响，所以其工艺适应性好；由于是光受环境温度、风等影响小，稳定性高；由于是将调焦调平传感器整合到物镜PO里合理的空间位置，所以可以不受整机系统对调焦调平传感器分系统的空间约束。

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是共焦测量原理示意图；

图2是共焦测量原理探测信号图；

图3是被探测点有偏移时探测信号图；

图4是本发明所涉及的调焦调平传感器的测量原理图；

图5是本发明所涉及的调焦调平传感器组件结构图；

图6是本发明涉及的调焦调平传感器组件外加包络以及外部接口后的结构示意图；

图7是本发明涉及的调焦调平传感器在硅片面处在最佳焦面时测量结构平面图；

图8是本发明涉及的外加包络以及外部接口后的调焦调平传感器在物镜中的布局示意图；

图9是本发明涉及的调焦调平传感器在硅片面离焦时测量结构平面图；

图10是本发明涉及的调焦调平传感器在硅片面倾斜时测量结构平面图；

图11是本发明中传感器分布在投影镜筒投影在水平面上的位置图；

图12是本发明中传感器用来检测被测对象的表面形貌特征图。

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。

共焦测量装置的原理就是利用不同波长的光线在通过具有梯度折射率(不同波长的光通过相同的透镜有各自不同的折射率)的透镜后，会产生不同的聚焦深度，也就是不同波长的光线对应的焦距不一样，焦距与波长之间的关系计算公式：

式中λ是聚焦时所对应光线的波长，F(λ)是该波长对应的焦距，n(λ)是该波长在测量装置的透镜对应的折射率，而R₁、R₂是透镜两面的曲率半径。共焦测量装置就是利用这个原理测量被测对象(对于应用在光刻机调焦调平上，被测对象就是硅片面，下面统一为硅片面。)轴向的位置偏移值，其原理示意图如图1所示。当硅片面处在特定的参考焦面(光刻机的最佳曝光面，后面统称最佳曝光面)时，如图1(i)所示，此时对应波长的光(图中的红色光线)被离探头距离为a的透镜聚焦到硅片面，同时聚焦点的反射光会沿着原光路返回，经装置内透镜返回，再经探测小孔返回测量装置，此时硅片面就处在焦距为z的红光焦平面(最佳曝光面)上，此时对应的红光焦距为；当硅片面有Δz的位置偏离时，如图1(ii)所示，红色光线就不会在硅片面上聚焦，所反射回光纤就不能通过测量装置探测端的小孔，这样就不能用该红色光纤测量；由于光源是连续光谱，只要硅片面所处位置不超过装置的测量范围，那么就会有对应波长的光线在硅片面所处位置聚焦，如图1(iii)所示，硅片面有Δz的位置偏离时所对应的绿色光线在该处聚焦，相应的就可以根据绿光的焦距测量出此时硅片面所处的位置参数，两者相减就可以得到偏移量Δz，其中通过照明针孔的点光源，硅片面上的聚焦点和探测端通过探测针孔的像点三者两两之间共轭关系，也就是所谓的共焦。

该测量装置利用具有连续光谱光源发出的光线通过具有梯度折射率的透镜后，具有各自波长的光线在轴向空间会产生不同的焦深，当被测对象处于不同的焦深位置时，就可以通过计算所处位置的焦深差得到被测对象的位置偏移量或者不同空间位置的轴向距离。这样的话，每个测量对象所处位置对应的波长光在探测器上就会有一个测量峰值，如图2所示，当被测对象有位置偏移时，偏移后的位置也会被相应波长的光线测量到，也会有其对应的测量峰值，如图3所示，两个波长对应的焦距差就可以算出偏移量，这样控制单元就是根据这个测量差值做出相应的调整，使得被测对象恢复到应处的位置。目前已有的这种共焦测量仪器，线性度在±0.05％，分辨率可达0.004％。

所以本发明所提供的一种检测装置利用共焦测量装置的测量原理，将共焦测量装置整合到光刻机的PO(投影物镜)中合适的位置，并与PO共用一个透镜或者某几个透镜，但彼此互不干涉，同时信号处理与控制系统将测量装置的探测端与光刻机的工件台的传动装置连接在一起的，当探测器探测到硅片面有因位置偏移或倾斜造成轴向偏移时，通过光纤、导线或无线将信息反馈到信号处理与控制系统，而信号处理与控制系统根据探测到的信息分析处理后，通过传动装置调节工件台，将硅片面恢复到最佳曝光面，达到调焦调平的目的。

本发明技术原理如图4所示，集成到PO中的调焦调平传感器201、202对应零平面210的焦距F(λ)和PO物镜下表面200到最佳曝光面210距离H₀是已知的设计值，当最佳焦面210、硅片面211和调焦调平零位210完全匹配时，如图4a所示，调焦调平传感器201、202此时对应波长的焦距F₁(λ)＝F₁₁(λ)＝F(λ)，而PO物镜下表面200到最佳曝光面210距离就是设计值H₀；当硅片面211发生ΔZ的偏移量时，如图4b所示，传感器201、202通过测量就会得到此时对应波长的焦距F₂(λ)＝F₂₁(λ)，就可以算出偏移量ΔZ＝F₂(λ)-F(λ)＝F₂₁(λ)-F(λ)，传感器将算出的偏移量信息传递到信号处理与控制系统，并通过传动装置将偏移后的硅片面移动到最佳曝光面；当硅片面发生Δθ的倾斜偏移量时，如图4c所示，传感器201、202将检测到此时聚焦的光线的波长，也就可以得到对应波长光线的焦距F₃(λ)和F₃₁(λ)，各自对应的偏移量为F₃(λ)-F(λ)、F₃₁(λ)-F(λ)，若F₃(λ)-F(λ)>＞0，由于是对称结构，所以F₃₁(λ)-F(λ)<0，也就是对应的传感器检测到的位置分别是向上、向下偏转了Δθ，反正则向下、向上偏转了Δθ，最后通过传动装置调节，使得硅片面回到最佳曝光面。由于这种传感器的测量精度很高，这样就能很好的保证硅片曝光质量。

本发明中的调焦调平系统由至少3个或以上的共焦测量传感器以及信号处理与控制系统所组成，其中共焦测量传感器主要由三部分组成，分别是照明组件1、探测前组2和探测后组3共三个部分。三个部分加上被测对象部份4构成了一个完成的光学系统。其中，照明组件1主要有光源，光导及光纤耦合接口，照明镜组和转向反射镜，另外与探测镜组共用的分光棱镜；探测前组2包括本发明中传感器的探测镜组和物镜物镜PO共用的透镜，探测后组3包括与照明组件1共用的分光棱镜、探测针孔、色散棱镜(或反射式光栅)以及探测器等组成，组成结构如图5中所示的四个虚线框。实际制造传感器的时候，将三部分(除照明组件1中的光源、光导以及光纤耦合接口外)安装在配套设计好的机械外壳6里面，并在传感器与物镜物镜PO镜片镜片建立关系的通光孔7出加了一个滤光片8，可以排除传感器的照明光以外杂散光的干扰，如图6所示，机械外壳留有照明光纤的耦合接口9和探测器的外接接口5。

具体技术方案如图7所示(为了说明整个的测量过程，体现共焦测量原理，图7、图9和图10中传感器的镜筒有部分伸到了物镜PO外面)。光刻机的工作过程就是曝光光源003，将在掩膜台002上的掩膜001通过投影物镜(就是上面说的PO)000中的物镜组聚焦到处于最佳焦面150的硅片面152上曝光。但是曝光前，要确认硅片面是处在投影物镜000的最佳曝光面，这一确认过程就需要有调焦调平传感器来检测。本方案的调焦调平过程：传感器的光源130、131经光纤132、133经光纤接口9耦合进传感器套筒6，通过一个分光棱镜138、139反射，再经透镜140、141集束后被反射镜142、143转向，经梯度折射率透镜010(也就是投影物镜的某一个镜片或者某物镜组，在不干涉投影物镜使用的情况下，可以根据实际情况选择)聚焦到硅片面152上，理想情况是硅片面152与最佳曝光面150以及传感器零平面150是共面的，此时，聚焦到硅片面上的光线会被反射回梯度折射率透镜010，沿原光路返回，直到分光棱镜138、139，被138、139透射，然后经过探测针孔144、145(非聚焦光线被针孔挡住不通过针孔)，再经散色棱镜(也可以用反射式光栅代替)146、147有一定角度的偏转，最后被探测器CCD148、149探测到，探测器CCD148、149将探测到的信号传送到信号处理与控制系统151，信号处理与控制系统151通过一定的算法以及处理，得到如图1所示的信号曲线图，根据光强信号的峰值，就可以计算出对应的波长λ，也就可以知道该波长对应的焦距F₁(λ)、F₁₁(λ)，若F₁(λ)、F₁₁(λ)与设计值F(λ)存在F₁(λ)＝F₁₁(λ)＝F(λ)，则说明硅片面152是处在最佳曝光面150。若硅片面152有位置偏移或者倾斜情况，F₁(λ)、F₁₁(λ)、F(λ)就不会相等，这时探测器CCD148、149就会将变化信息通过电缆170传到信号处理与控制系统151，信号处理与控制系统151就会根据信号数据，通过电缆171控制传动调节装置160、161和162，对工件台180上的硅片152进行相应的调节，从而使硅片152始终处在最佳焦平面位置，保证质量稳定性就能保证。其中从光纤132、133出射的点光源(由于光纤端口径小，出射的光可以视为点光源)，在硅片152曝光面上的聚焦点和通过探测针孔144、145的成像光点三者两两之间是共轭的关系，也就是共焦原理中的共焦关系。若F₁(λ)、F₁₁(λ)与设计值F(λ)在误差允许的范围内，存在F₁(λ)＝F₁₁(λ)＝F(λ)，则说明硅片面152是处在最佳曝光面150。

图8是本发明中将传感器作为一个整体布局在物镜PO中的示意图传感器的探测器的外接接口5是留在物镜PO外面以便与传感器控制端连接，而光纤耦合接口9也留在外面与光纤连接以供照明，其他关键组件都是在物镜PO里面。

当硅片面出现Δθ的角度倾斜，如图10所示，此时可以将每个传感器对应的被测硅片面位置倾斜看成是局部轴向偏移，那么对应位置的聚焦光线返回后分别达到探测器的位置C和位置D处，探测器将探测到的信号通过光导170传输到信号处理与控制系统151，经信号处理后得到聚焦光线对应的波长λ₃、λ₄，对应的焦距F₃(λ₃)、F₃₁(λ₄)，以及传感器对应位置的轴向偏移量ΔH₁＝F₃(λ₃)-F(λ)、ΔH₂＝F₃₁(λ₄)-F(λ)，然后信号处理与控制系统将处理后的信号信息通过光导171传输到传动装置160、161、162，并控制160、161、162将倾斜的硅片面恢复到最佳焦面，实现传感器的调平功能。

该传感器分布在投影镜筒000适当位置(被传感器共用一个镜片或者物镜组的PO下方合适的空间位置)，投影在水平面上的位置如图11所示，301、302和303分别代表所用要用传感器中的三个，304虚线表示可以根据实际需要增加或者减少传感器的使用数量，300圆面为镜筒000在水平面上的投影。

本发明中的共焦测量传感器单独使用时，可以利用传感器的连续光谱共焦测量原理，采用逐行扫描的方式对被测对象(如硅片面)的表面与事先设定的最佳曝光面的垂向偏移量进行探测，从而转换为被测对象表面起伏特征，通过图像拟合的方式，得到被测对象(如硅片面)表面形貌特征的拟合数据。如图12所示，对被测对象(如硅片面)表面形貌特征检测时，将被测对象(如硅片面)的表面看成是由多个不规则起伏的区域所组成，每个区域的起伏特征都可用本发明中的共焦测量传感器通过测量与最佳曝光面的相对位置后获得，进一步通过计算机图像处理，即可将这些区域拟合成连续的表面，获得被测对象的表面形貌，由于共焦测量传感器的测量精度高，对被测对象的表面材料特性、环境条件以及光斑不均匀等因素的抗干扰性强，从而使被测对象表面形貌的检测精度得到提升。本发明中的传感器使用的数量，可以根据实际需要选择1个或者多个。

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 (14)

1.一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，包括：光源、调焦调平检测装置和调焦调平控制装置；

所述光源发出的光束经光纤接口耦合进入所述调焦调平检测装置；

所述调焦调平检测装置，用于检测对象的垂向位置和倾斜度；

所述调焦调平控制装置，用于根据所述调焦调平检测装置所获得的探测信号，驱动控制所述对象的承载器的垂向位置和倾斜度；

其特征在于，所述调焦调平检测装置在光刻设备的投影物镜的镜筒内部；

所述调焦调平检测装置包括：照明组件、梯度折射率透镜和探测组件；

所述照明组件，用于将经所述光纤接口耦合进入的光束，经所述梯度折射率透镜成像至一对象表面形成一聚焦光点，所述聚焦光点反射后至所述探测组件形成一成像光点，所述聚焦光点与所述成像光点形成一共轭关系；所述梯度折射率透镜与所述光刻设备的投影物镜共用所述光刻设备的投影物镜的至少一个透镜。

2.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述光源为非曝光光源。

3.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述调焦调平检测装置所获得的探测信号，经过光纤方式传递给所述调焦调平控制装置。

4.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述调焦调平检测装置所获得的探测信号，经过导线方式传递给所述调焦调平控制装置。

5.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述调焦调平检测装置所获得的探测信号，经过无线方式传递给所述调焦调平控制装置。

6.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述照明组件包括光纤、分光棱镜及聚焦棱镜，所述光源发出的光束经所述光纤形成一点光源，依次经所述分光棱镜及聚焦棱镜入射至所述梯度折射率透镜。

7.如权利要求1所述的用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述探测组件包括探测滤波小孔、色散棱镜以及共焦测量探测器。

8.如权利要求1所述的用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述探测组件包括探测滤波小孔、反射式光栅以及共焦测量探测器。

9.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，

所述调焦调平控制装置包括：信号处理单元与控制单元；

所述信号处理单元，根据所述调焦调平检测装置所提供的探测信号，计算所述对象表面的最佳焦距和倾斜度；

所述控制单元，根据所述信号处理单元计算所得的结果，驱动控制所述对象承载器的垂向位置和倾斜度。

10.如权利要求1至9中任一所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述调焦调平检测装置至少为一组。

11.如权利要求10所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统，其特征在于，所述调焦调平检测装置包括共焦测量探测器，所述共焦测量探测器为3个，且等距离共圆分布安置于所述光刻设备的投影物镜的内部。

12.如权利要求1所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统的使用方法，其特征在于，包括：在所述光刻设备的投影物镜内布置至少三组所述调焦调平检测装置，所述光源发出的光束，经一梯度折射率透镜成像至一对象表面形成一聚焦光点，所述聚焦光点反射后形成一成像光点，所述聚焦光点与所述成像光点形成一共轭关系，根据所述成像光点的位置信息计算所述基底表面的最佳焦距和倾斜度。

13.如权利要求12所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统的使用方法，其特征在于，所述梯度折射率透镜与所述光刻设备的投影物镜共用所述光刻设备的投影物镜的至少一个透镜。

14.如权利要求12所述的一种用于光刻设备的调焦调平检控系统的使用方法，其特征在于，采用逐行扫描的方式对所述对象的表面与事先设定的最佳曝光面的垂向偏移量进行探测，从而转换为所述对象表面起伏特征，通过图像拟合的方式，得到所述对象表面形貌特征的拟合数据。