CN104808447A - 一种垂向位置测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种垂向位置测量装置，其特征在于，沿光路方向依次包括：照明光源，用于发射照明光束；第一光学组件，用于产生平行光照射到投影狭缝；投影狭缝；第二光学组件，用于将投影狭缝成像到被测对象表面；第三光学组件，用于接收被测对象表面反射的投影狭缝成像，并对成像进行光学调制；第四光学组件，用于将投影狭缝成像在探测狭缝位置；探测狭缝；光电传感器，用于接收探测狭缝所成的像；以及信号处理单元，用于接收光电传感器信号并计算垂向位置；其中，所述投影狭缝、探测狭缝与光电传感器的数量相等并且位置对应，每个光电传感器由N个单元组成，每个单元具有独立的光电信号接收和输出功能，每个单元在测量方向上的尺寸与每个投影狭缝的尺寸相等，每个光电传感器在测量方向上的尺寸与每个探测狭缝的尺寸相等。

Description

一种垂向位置测量装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种光刻系统中测量曝光位置的垂向位置测量装置。 

背景技术

投影光刻机是一种把掩模上的图案通过物镜投影到硅片面上的装置。在投影曝光设备中，必须有自动调焦控制系统把硅片面精确带入到指定的曝光位置，实现该系统有多种不同的技术方案。在探测光路中，放置有一个扫描反射镜和一个探测狭缝；扫描反射镜以某个频率作高速简谐振动，导致投影光斑在探测狭缝处也产生高速往复扫描运动。由于狭缝的遮光作用，光电探测器最终探测的信号将成为某种动态测量信号，通过对该动态测量信号进行分析处理，可以获取高信噪比的光斑位置，进而获取硅片的高度值，并根据该高度值对硅片的支撑机构进行调整，直到硅片位于最佳焦面。调焦调平技术作为公知原理这里不做赘述。 

一般情况下，硅片的曝光位置在硅片介质的上表面，但是在某些工艺里，要求曝光位置在硅片介质上表面与硅片上表面之间的某个位置。由于原方案垂向精测范围有限，硅片介质厚度达几十或上百微米，因此原方案在这种工艺里无法实现，不能实现大测量范围内高精度测量。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种高精度、测量范围更大的垂向位置测量装置。 

本发明提出一种垂向位置测量装置，其特征在于，沿光路方向依次包括：照明光源，用于发射照明光束；第一光学组件，用于产生平行光照射到投影狭缝；投影狭缝；第二光学组件，用于将投影狭缝成像到被测对象表面；第三光学组件，用于接收被测对象表面反射的投影狭缝成像，并对成像进行光学调制；第四光学组件，用于将投影狭缝成像在探测狭缝位置；探测狭缝；光电传感器，用于接收探测狭缝所成的像；以及信号处理单元，用于接收光电传感器信号并计算垂向位置；其中，所述投影狭缝、探测狭缝与光电传感器的数量相等并且位置对应，每个光电传感器由N个单元组成，每个单元具有独立的光电信号接收和输出功能，每个单元在测量方向上的尺寸与每个投影狭缝的尺寸相等，每个光电传感器在测量方向上的尺寸与每个探测狭缝的尺寸相等。 

较优地，所述N大于等于3。 

较优地，所述投影狭缝数量为1或5。 

较优地，所述投影狭缝为菱形。 

较优地，当N为奇数时，所述垂向位置Z： 

当N为偶数时，所述垂向位置Z：

 量信息其中，为光电传感器第n个单元的光强相关量，为光电传感器第n个单元的光强相关量与垂向位置转换系数，R为每个单元的量程；为开关量，当单元探测有效时，为1，当单元无效时，为0，每次只有1个单元有效，其它单元无效。

本发明提出的一种垂向位置测量装置，在测量精度不变的前提下，增大了测量范围，使垂向测量系统的工艺适应性的得了增强。 

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为本发明垂向位置测量装置结构示意图； 

图2为本发明中光斑与狭缝相对位置关系图；

图3 为本发明光强相关量与垂向位置关系图；

图4 为本发明由三个传感器组成的垂向位置测量系统结构示意图；

图5 为本发明由三个传感器组成的传感器阵列的光强相关量（S）与垂向位置（Z）关系图；

图6 为本发明有五个光斑情况下光电传感器阵列的布局示意图；

图7 为本发明不规则形状光斑和探测狭缝以及光电传感器阵列布局示意图。

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。 

如图1所示，图1为本发明一种垂向位置测量装置结构示意图，包括：照明光源1，用于发射照明光束；第一光学组件2，包括透镜和反射镜，产生平行光，照射到投影狭缝；投影狭缝3，可包含一个投影狭缝，来实现垂向高度测量，也可以包含多个投影狭缝，实现被测表面姿态测量；第二光学组件4，包括透镜和反射镜，将投影狭缝成像到被测对象表面；硅片表面5；工作台6；第三光学组件7，包括透镜，扫描反射镜、反射镜，接收经被测对象表面反射的投影狭缝成像，并对成像进行光学调制；第四光学组件8，包括透镜和反射镜，主要是将投影狭缝成像在探测狭缝位置；探测狭缝9，尺寸（测量方向）大于投影狭缝，通常为投影狭缝的倍数；光电传感器10，用于接收探测狭缝所成的像，其中，投影狭缝、探测狭缝与光电传感器的数量相等并且位置对应，一个投影狭缝对应一个光电传感器，每个光电传感器是由N个单元组成，每个单元具有独立的光电信号输出功能，并且每个单元在测量方向上的尺寸与每个投影狭缝的尺寸相等，每个光电传感器在测量方向上的尺寸与每个探测狭缝的尺寸相等，优选的，N大于等于3。投影物镜11以及信号处理单元12，接收光电传感器信号，计算出垂向测量位置信息。                              

在光斑与传感器感光面一一对应的前提下，光斑与探测狭缝的相对位置关系如图2所示，设光斑中心与狭缝中心的距离为x，光斑和探测狭缝在扫描方向上的宽度为d，A对应扫描反射镜摆动相位为90时的光强采集信号，B对应扫描反射镜相位为270时的光强采集信号，x在 [-d/2，d/2]，可得：

                                                                   

k为比例系数，可得：

                                            

设光强相关量                        

当扫描反射镜振幅为0时，光斑中心与狭缝中心的距离为x，设扫描反射镜的振幅为y，则当反射镜运动到A点时其对应的光强度为：d-|x+y|，B点对应的光强为：d-|x-y|，

可得光强相关量：

                                   

可化简为

当x为d/2时，S为-1，当x为-d/2时,S为1，x在 [-d/2，d/2] ，S与x成线性关系。                                                          

x在 （d/2，d），A为0，则S为-1，

x在 （-d，-d/2），B为0，则S为1。

根据被测对象垂向位置ΔZ与S的关系： 

                                              

正负号与扫描反射镜摆动方向定义和信号采集相位关系定义相关，可以将其调整为：

                                               

从而建立起被测对象垂向位置ΔZ与采集光强信号之间的关系，实际S与Z在一定范围内成线形关系，其关系如图3所示。图中横轴中-d、-d/2、d/2、d表示被测对象在某一个垂向位置时，其探测光斑与探测狭缝在扫描方向上的相对位置。可以看出，在[-d/2，d/2]区间范围内，垂向位置z与光强相关量S之间成线形关系，如图3所示。

在本发明的一个实施例中，使用一个光斑和三个光电传感器在测量方向上组成无缝的传感器阵列，如图4所示。选取2号传感器作为基准，另外两个传感器沿着测量方向分别放置在2号传感器的两侧，可以建立光强相关量S与垂向位置Z的关系如图5所示。设使用一个传感器可以测量的范围为+/-5，使用三个传感器组成的传感器阵列可以测量的垂向位置范围为+/-15。 

Sn为传感器第n个单元的光强相关量； 

Kn为传感器第n个单元的光强相关量与测量位置转换系数；

R为单个单元的量程；

N为传感器的单元数；

SWn为开关量，值为0和1，当传感器单元探测有效时，值为1；当传感器单元无效时，值为0，每次只有1个单元有效，其它单元无效。当N为奇数时，垂向位置Z关系式如下：

当N为偶数时，垂向位置Z关系式如下：

 

在本发明的另一个实施例中，使用多光斑的方案进行面型测量的时候，使用多点测量的方式，探测狭缝的尺寸大于两个光电传感器（不局限于两个），以五个光斑（不局限于五个）每排探测器有三个光电传感器（不局限于三个）为例，如图6所示，探测狭缝的宽度和长度与传感器阵列的大小相同；每个光斑对应一排传感器，选取这排传感器中间的传感器作为基准，这排传感器中的其他传感器布局在基准传感器的两侧。探测狭缝是投影狭缝的N倍，测量范围为单个传感器的N倍。

在本发明的再一个实施例中，使用不规则形状单光斑的方案进行测量的时候，以菱形为例（不局限于菱形，包括所有形状），使用单点测量的方式，探测器狭缝的尺寸大于一个光电传感器（不局限于一个），以一个光斑，每排探测器有三个光电传感器（不局限于三个）为例，如图7所示，探测狭缝的宽度与传感器阵列的宽度相同；每个光斑对应一排传感器，选取这排传感器中间的传感器作为基准，这排传感器中的其他传感器布局在基准传感器的两侧。探测狭缝是投影狭缝的N倍，测量范围为单个传感器的N倍。 

本发明提出的一种垂向位置测量装置，在测量精度不变的前提下，增大了测量范围，使垂向测量系统的工艺适应性的得了增强。 

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 (5)

1.一种垂向位置测量装置，其特征在于，沿光路方向依次包括：

照明光源，用于发射照明光束；

第一光学组件，用于产生平行光照射到投影狭缝；

投影狭缝；

第二光学组件，用于将投影狭缝成像到被测对象表面；

第三光学组件，用于接收被测对象表面反射的投影狭缝成像，并对成像进行光学调制；

第四光学组件，用于将投影狭缝成像在探测狭缝位置；

探测狭缝；

光电传感器，用于接收探测狭缝所成的像；以及

信号处理单元，用于接收光电传感器信号并计算垂向位置；

其中，所述投影狭缝、探测狭缝与光电传感器的数量相等并且位置对应，每个光电传感器由N个单元组成，每个单元具有独立的光电信号接收和输出功能，每个单元在测量方向上的尺寸与每个投影狭缝的尺寸相等，每个光电传感器在测量方向上的尺寸与每个探测狭缝的尺寸相等。

2.如权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述N大于等于3。

3.如权利要求2所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述投影狭缝数量为1或5。

4.如权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述投影狭缝为菱形。

5.如权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，当N为奇数时，所述垂向位置Z：

当N为偶数时，所述垂向位置Z：

 量信息其中，为光电传感器第n个单元的光强相关量，为光电传感器第n个单元的光强相关量与垂向位置转换系数，R为每个单元的量程；为开关量，当单元探测有效时，为1，当单元无效时，为0，每次只有1个单元有效，其它单元无效。