CN104849964B - 一种焦面测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焦面测量装置及其测量方法，该装置包括投影单元和探测单元；所述投影单元包括波长选择单元及偏振调制单元，波长选择单元对投影光束的波长或波段进行选择，偏振调制单元对波长选择单元输出的投影光束的偏振态进行调制；所述探测单元包括偏振解调单元，用于对控制从硅片上表面反射的探测光束透过；以及参数设置单元，用于根据硅片的工艺特性对波长选择单元、偏振调制单元及偏振解调单元的参数进行配置。本发明通过设置波长选择单元、偏振调制单元以及偏振解调单元对光束进行偏振控制，实现硅片上表面反射的探测光束通过，底层图案的反射光束被抑制，降低底层图案对测量光斑的影响，从光学上解决硅片反射率不均匀的问题，且容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及光刻机领域，尤其涉及一种焦面测量装置及其测量方法。
背景技术
投影光刻机是一种把掩模上的图案通过投影物镜投影到硅片表面的设备，为了使硅片表面位于指定的曝光位置，必须有自动调焦调平系统进行精确控制。在工艺过程中，需要检测自动调焦调平系统是否正确调焦调平，即检测硅片表面是否已位于指定的曝光位置，检测的方法是获得整个曝光场内硅片表面高度与倾斜信息，以此来判断自动调焦调平系统是否正确调焦调平，而自动调焦调平系统又根据这些信息作相应调节，以精确控制硅片位置。
实现自动调焦调平控制功能有多种不同的技术方案。目前比较常用是非接触式光电测量技术，例如激光三角测量法，其测量系统中光学部分都采用了满足倾斜成像的光学结构，主要目的是使得用以调焦的标记在硅片表面成像清晰。
激光三角测量法精度高、速度快，然而其受底层的工艺图案影响较大。在曝光工艺中，光刻胶下层通常有各种工艺图案，这些图案形状、材料复杂多变，会导致硅片表面反射率不均，从而引起测量光斑在探测面强度分布不均，进而产生测量误差。目前，有一种数字补偿的方法，其在探测端增加一路成像单元，可以实时获取测量光斑的强度分布，计算出不同位置的反射率差异，并根据该反射率的差异补偿焦面测量结果，降低底层图案的影响。
然而上述方法需要增加额外的成像单元，光路设计复杂，并且对成像单元的探测器响应速度、灵敏度要求较高，反馈补偿的时效性要求较高，因此在工程实现上难度较大。
发明内容
本发明提供一种焦面测量装置及其测量方法，以解决焦面测量过程中，硅片反射率不均以及工程实现难度大等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种焦面测量装置，包括：
投影单元，产生投影光束照射待测硅片表面，经所述硅片反射后产生探测光束；
探测单元，用于探测所述探测光束；
所述投影单元包括波长选择单元及偏振调制单元，所述波长选择单元对所述投影光束的波长或波段进行选择，所述偏振调制单元对所述波长选择单元输出的投影光束的偏振态进行调制；
所述探测单元包括偏振解调单元，用于对控制从所述硅片上表面反射的探测光束透过；以及
参数设置单元，用于根据所述硅片的工艺特性对所述波长选择单元、偏振调制单元及偏振解调单元的参数进行配置。
较佳地，所述投影单元还包括光源以及狭缝阵列。
较佳地，所述光源与所述波长选择单元之间还设有第一透镜。
较佳地，所述狭缝阵列与所述硅片之间还设有投影镜组。
较佳地，所述投影镜组由第二透镜和第三透镜组成。
较佳地，所述探测单元还包括探测镜组，所述探测镜组由第四透镜和第五透镜组成，所述第四透镜和第五透镜分设于所述偏振解调单元的入射光路和出射光路上。
较佳地，所述光源为LED光源、氙灯、卤素灯或耦合了多个波长的光纤激光。
较佳地，所述波长选择单元为光栅衍射型滤光片或多个透射型的带通滤光片。
较佳地，所述偏振调制单元和偏振解调单元采用磁致旋光器、光电调制器或旋转的偏振片。
本发明还提供了一种焦面测量方法，应用于一焦面测量装置中，包括以下步骤：
S1：将硅片上载到工件台上；
S2：根据所述硅片的工艺特性选择调制方式；
S3：根据选择的调制方式获取调制的配置参数；
S4：根据所述的配置参数对所述焦面测量装置的波长选择单元、偏振调制单元以及偏振解调单元进行调节；
S5：执行焦面测量作业：以一投影光束照射所述硅片表面并收集所述硅片表面反射的探测光束，进而获取硅片表面各点的高度值。
较佳地，在S2步骤中，若硅片的底层为周期性图案，则选用静态调制方式；若硅片的底层为非周期性图案，则选用动态调制方式。
较佳地，所述静态调制方式为：所述偏振调制单元调节投影光束，使其具有特定的偏振方向所述偏振解调单元调节透振轴，使其与硅片上表面反射的光束的偏振方向相同；所述动态调制方式为：所述偏振调制单元加载周期性信号，使投影光束的偏振方向周期性变化，所述偏振解调单元也加载周期性信号，使任意时刻硅片上表面反射的探测光束的偏振方向均与偏振解调单元的透振轴方向相同。
较佳地，在S3步骤中，所述配置参数通过仿真建模的方式或者实验测试的方式获得。
与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明通过在光路中设置波长选择单元进行波长和波段的选择、利用偏振调制单元以及偏振解调单元对光束进行偏振控制，实现硅片上表面反射光束通过，底层图案的反射光束被抑制，降低底层图案对测量光斑的影响，从光学上解决硅片反射率不均匀的问题；
2.本发明结构简单、容易实现；
3.可通过仿真建模的方式进行计算分析，针对不同的硅片，能够快速有效的获取合适的调制方式；
4.可通过不同的配置参数对波长选择单元、偏振调制单元以及偏振解调单元进行调整，使本发明的焦面测量装置及测量方法能够适用于各种不同的硅片。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的焦面测量装置的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的焦面测量装置中偏振调制单元的结构示意图（采用磁致旋光器）；
图3为本发明一具体实施方式的焦面测量装置中照明光束在硅片上反射的示意图；
图4为本发明一具体实施方式的焦面测量装置中硅片上表面反射光束与底层反射光束的偏振方向夹角随入射光偏振方向的变化的示意图；
图5为本发明一具体实施方式的焦面测量装置中硅片的反射信号的提取过程示意图；
图6a为未采用本发明的焦面测量装置时获得的硅片反射光测量结果（硅片底层为周期性图案）；
图6b为采用本发明的焦面测量装置后获得的硅片反射光测量结果（硅片底层为周期性图案）；
图7a为未采用本发明的焦面测量装置时获得的硅片反射光测量结果（硅片底层为非周期性图案）；
图7b为采用本发明的焦面测量装置后获得的硅片反射光测量结果（硅片底层为非周期性图案）；
图8为本发明一具体实施方式的焦面测量方法的流程图。
图中：10-光源、11-第一透镜、20-波长选择单元、30-偏振调制单元、31-起偏器、32-磁致旋光器、40-狭缝阵列、50-硅片、51-上层介质、52-下层介质、60-偏振解调单元、61-透振轴、70-探测单元、71-探测器、80-投影物镜；
41-第二透镜、42-第三透镜、43-第四透镜、44-第五透镜；
100、101、102-光束，102a-硅片上表面反射的探测光束，102b-硅片底层图案的反射光束。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1至图7b，本发明提供一种焦面测量装置，包括：投影单元，产生投影光束照射待测硅片50表面，经所述硅片50反射后产生探测光束102；探测单元70，用于探测所述探测光束102；具体地，所述投影单元包括波长选择单元20及偏振调制单元30，所述波长选择单元20对所述投影光束的波长或波段进行选择，所述偏振调制单元30对所述波长选择单元20输出的投影光束的偏振态进行调制；所述探测单元70包括偏振解调单元60，用于对控制从所述硅片上表面反射的探测光束102a透过；以及参数设置单元（图中未示出），用于根据所述硅片50的工艺特性对所述波长选择单元20、偏振调制单元30及偏振解调单元60的参数进行配置。较佳地，所述投影单元还包括光源10以及狭缝阵列40，则本发明具体的光路走向为：光源10提供的照明辐射光束100经过所述波长选择单元20进行波长或波段的选择，然后经过所述偏振调制单元30调节光束的偏振方向，调节后的光束101将所述狭缝阵列40成像到所述硅片50上，同时经所述硅片50反射后产生探测光束102，所述偏振解调单元60控制从所述硅片上表面反射的探测光束102a透过，并最终成像到探测器71上。本发明通过设置波长选择单元20、偏振调制单元30以及偏振解调单元60对光束进行偏振控制，实现硅片上表面反射的探测光束102a通过，硅片底层图案的反射光束102b被抑制，降低底层图案对测量光斑的影响，从光学上解决硅片50反射率不均匀的问题，进而准确判断自动调焦调平系统是否正确调焦调平，精确控制硅片50的位置，使得投影物镜80能够准确地将掩模上的图案投影到所述硅片50的表面，另外，本发明的焦面测量装置结构简单，容易实现。
较佳地，请重点参考图1，所述光源10与所述波长选择单元20之间还设有第一透镜11，用于对光源10发出的光束进行准直处理。
较佳地，请继续参考图1，所述狭缝阵列40与所述硅片50之间还设有投影镜组，所述投影镜组由第二透镜41和第三透镜42组成，用于将所述狭缝阵列40成像到所述硅片50的上表面。
较佳地，请继续参考图1，所述探测单元70还包括探测镜组，所述探测镜组由第四透镜43和第五透镜44组成，所述第四透镜43和第五透镜44分设于所述偏振解调单元60的两侧，即入射光路和出射光路中，用于将所述硅片50上表面的狭缝阵列40的像成像所述探测器71上。所述探测器71（如光电探测器）的排布与所述狭缝阵列40相同，且每一条狭缝对应一个光电探测器。
较佳地，为适应不同工艺的硅片50，所述光源10最好采用宽波段光源，波长范围可覆盖紫外、可见光或近红外波段，优选的为：LED光源、氙灯、卤素灯或耦合了多个波长的光纤激光等。
所述波长选择单元20的作用是实现滤光，较佳地，所述波长选择单元20为光栅衍射型滤光片或多个透射型的带通滤光片。具体地，若波长选择单元20为光栅衍射型滤光片，则通过调整光栅与光轴的夹角来实现透过波长的连续变化；若波长选择单元20为多个透射型的带通滤光片，则需将所述的多个透射型的带通滤光片固定在轮盘上，通过电机驱动所述轮盘旋转来实现不同波长间的切换。
较佳地，所述偏振调制单元30和偏振解调单元60采用磁致旋光器32、光电调制器或旋转的偏振片。
请重点参考图2，此处以偏振调制单元30采用磁致旋光器32实现偏振控制为例，照明光束100经过起偏器31，其中，所述起偏器31的透振轴方向为P1（本实施例中为垂直方向），则偏振方向与P1方向相同的光束进入磁致旋光器32（或称法拉第盒）中，可使输入光束的偏振方向发生旋转，旋转角度其中V表示维尔德（Verdet）常数，B为磁感应强度，l为磁致旋光物质的长度，由此可知，通过控制磁感应强度B，可以获得任意偏振方向的照明光束101；
当所述偏振调制单元30和偏振解调单元60采用旋转的偏振片时，偏振片中心位于光轴上，利用旋转电动台驱动偏振片绕光轴旋转，偏振片光轴方向决定输出光束的偏振态。
所述偏振解调单元60用于调节探测光束102的偏振态，允许特定偏振方向的反射光通过，其工作原理与所述偏振调制单元30相同，此处不再赘述。
当然，所述硅片50可以用其他可承载着曝光图案的载体替代，如玻璃基底、金属或塑料薄片等。
所述焦面测量装置实现波长、偏振的最优配置的原理如图3、图4所示。图3描述线偏振光束101在硅片50介质层上反射后偏振态的变化。为简化描述，选择两层工艺结构的硅片50为例。
设定上层介质51的折射率为n1，下层介质52的折射率为n2，环境空气折射率为n0。光束101光可分解为相互垂直的两个偏振分量S0、P0，根据菲涅耳公式，两个偏振分量在环境空气与上层介质51的分界面、上层介质51与下层介质52的分界面的反射系数R和透射系数T分别为：
其中下标s、p对应光束两个相互垂直的偏振分量S0、P0，θ′和θ″分别对应光束在环境空气与上层介质51的分界面、上层介质51与下层介质52的分界面的入射角和折射角，其满足关系式n0/n1＝sinθ″/sinθ′。
根据公式（1）、（2），光束101经上层介质51上表面反射后产生硅片上表面反射的光束102a（同样分为两个相互垂直的偏振分量S1、P1），其偏振方向与入射面的夹角为
其中，表示入射光束101的偏振方向与入射面的夹角。光束101经过上层介质51上表面折射、下层介质52上表面反射，最后从上层介质51上表面折射后产生硅片底层图案的反射光束102b（同样分为两个相互垂直的偏振分量S2、P2），多次利用类似公式（1）、（2）的菲涅耳公式，可获得硅片底层图案的反射光束102b的偏振方向与入射面的夹角为
其中θ″′对应光束在上层介质51与下层介质52分界面的折射角，其满足关系式n1/n2＝sinθ″′/sinθ″。公式（1）至（4）对于复折射率（n+ik）的材料同样适用。
根据公式（3）和（4）可知，上层介质51的硅片上表面反射的光束102a和下层介质52的硅片底层图案的反射光束102b的偏振方向是不同的，其不仅与折射率（波长）、入射角相关，还取决于探测光束102的偏振方向α。因此，通过配置照明光束的波长、偏振态和入射角，可以使硅片上表面反射的探测光束102a和硅片底层图案的反射光束102b的偏振方向垂直或接近垂直。例如，当折射率取n0＝1、n1＝1.45、n2=2.22，入射角θ′=85°，则硅片上表面反射的探测光束102a和硅片底层图案的反射光束102b的偏振方向的角度差随入射光束101偏振方向的变化如图4所示，可以看出，当两反射光束偏振方向接近垂直（角度差约为89°）。利用上述特性，反射信号提取过程如图5所示，通过波长选择单元20、偏振调节单元30，优选出具有特定波长、偏振态的探测光束102；所述探测光束102具有如下特点，可使硅片上表面反射的探测光束102a和硅片底层图案的反射光束102b的偏振方向相互垂直或接近垂直；在偏振解调单元60中，当硅片上表面反射的探测光束102a偏振方向与偏振解调单元60的透振轴61平行时，可使硅片上表面反射的探测光束102a通过，而抑制硅片底层图案的反射光束102b，降低底层图案对测量光斑的影响。
请重点参考图8，本发明还提供了一种焦面测量方法，应用于一焦面测量装置中，包括以下步骤：
S1：将硅片50上载到工件台（图中未示出）上；
S2：根据所述硅片50的工艺特性选择调制方式，具体地，若硅片50的底层为周期性图案，则选用静态调制方式；若硅片50的底层为非周期性图案，则选用动态调制方式；
S3：根据选择的调制方式获取调制的配置参数，具体地，若选择了静态调制方式，则偏振调制单元30使投影光束的偏振方向保持稳定不变，偏振解调单元60的透振轴61的方向也保持稳定不变，具体做法为：所述偏振调制单元30调节投影光束，使其具有特定的偏振方向所述偏振解调单元60调节透振轴61，使透振轴61的方向与硅片上表面反射的探测光束102a的偏振方向相同；若选用了动态调制方式，则偏振调制单元30使投影光束的偏振方向产生周期性的变化，偏振解调单元60的透振轴61的方向也进行周期性的改变，具体做法为：所述偏振调制单元30加载周期性信号，使投影光束的偏振方向周期性变化，所述偏振解调单元60同样加载周期性信号，使任意时刻硅片上表面反射的探测光束102a的偏振方向均与偏振解调单元60的透振轴61方向相同；
S4：根据所述的配置参数对所述焦面测量装置的波长选择单元20、偏振调制单元30以及偏振解调单元60进行调节；
S5：执行焦面测量作业：以一投影光束照射所述硅片50表面并收集所述硅片50表面反射的探测光束102，进而获取硅片50表面各点的高度值。
较佳地，在S3步骤中，所述配置参数通过仿真建模的方式或者实验测试的方式获得，优选为通过仿真建模的方式获得，也就是说，针对不同的硅片50，根据其工艺参数（包括各层的材料折射率、厚度等），采用严格耦合波或有限元分析的方法，通过仿真计算获得照明波长、偏振配置（或调解/解调方式），进而快速有效的获取合适的调制方式，通过不同的配置参数对波长选择单元20、偏振调制单元30以及偏振解调单元60进行调整，使本发明的焦面测量装置及测量方法能够适用于各种不同的硅片50。
请重点参考图6a和6b，从图6a中可以看出，硅片50的底层周期性的图案清晰可见，导致测量光斑区域的光强分布不均，光斑非均匀性为（Imax-Imin）/（Imax+Imin）=0.93，其中Imax和Imin分别表示测量光斑区域内的最大光强和最小光强。图6b表示采用本发明的焦面测量装置后获得的硅片反射光测量结果，可以看出，测量光斑区域内的底层图案已经模糊，光斑非均匀性为0.36，相比于图6a，光斑非均匀性降低约61%，对应的焦面测量装置的误差减少61%。
请重点参考图7a和7b，仍然以如图2所示的偏振调制单元30为例，在磁致旋光器32两端加载余弦变化的电流，则磁感应强度B＝B0cos(ωt)，照明光束101的偏振方向变化则为其中ω为调制信号的角频率，V表示维尔德（Verdet）常数，B0为初始磁感应强度，l为磁致旋光物质的长度。从图7a中可以看出，硅片50底层非周期性的图案清晰可见，导致测量光斑区域的光强分布不均，光斑非均匀性为0.91。图7b表示采用本发明的焦面测量装置后获得的硅片反射光测量结果，可以看出，测量光斑区域内的底层图案已经模糊，光斑非均匀性为0.37，相比于图7a，光斑非均匀性降低约60%，对应的焦面测量装置的误差减少61%。
综上所述，本发明提供的一种焦面测量装置及其测量方法，该装置包括：投影单元，产生投影光束照射待测硅片50表面，经所述硅片50反射后产生探测光束；探测单元70，用于探测所述探测光束；具体地，所述投影单元包括波长选择单元20及偏振调制单元30，所述波长选择单元20对所述投影光束的波长或波段进行选择，所述偏振调制单元30对所述波长选择单元20输出的投影光束的偏振态进行调制；所述探测单元70包括偏振解调单元60，用于对控制从所述硅片50上表面反射的探测光束透过；以及参数设置单元，用于根据所述硅片的工艺特性对所述波长选择单元、偏振调制单元及偏振解调单元的参数进行配置。本发明通过设置波长选择单元20、偏振调制单元30以及偏振解调单元60对光束进行偏振控制，实现硅片上表面反射的探测光束102a通过，硅片底层图案的反射光束102b被抑制，降低底层图案对测量光斑的影响，从光学上解决硅片50反射率不均匀的问题，且容易实现。
显然，本领域的技术人员可以对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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种焦面测量装置，包括：
投影单元，产生投影光束照射待测硅片表面，经所述硅片反射后产生探测光束；
探测单元，用于探测所述探测光束；
其特征在于，所述投影单元包括波长选择单元及偏振调制单元，所述波长选择单元对所述投影光束的波长或波段进行选择，所述偏振调制单元对所述波长选择单元输出的投影光束的偏振态进行调制；
所述探测单元包括偏振解调单元，通过设置波长选择单元、偏振调制单元以及偏振解调单元，实现硅片上表面反射的探测光束透过，硅片底层图案的反射光束被抑制；以及
参数设置单元，用于根据所述硅片的工艺特性对所述波长选择单元、偏振调制单元及偏振解调单元的参数进行配置。
2.如权利要求1所述的焦面测量装置，其特征在于，所述投影单元还包括光源以及狭缝阵列。
3.如权利要求2所述的焦面测量装置，其特征在于，所述光源与所述波长选择单元之间还设有第一透镜。
4.如权利要求2所述的焦面测量装置，其特征在于，所述狭缝阵列与所述硅片之间还设有投影镜组。
5.如权利要求4所述的焦面测量装置，其特征在于，所述投影镜组由第二透镜和第三透镜组成。
6.如权利要求1所述的焦面测量装置，其特征在于，所述探测单元还包括探测镜组，所述探测镜组由第四透镜和第五透镜组成，所述第四透镜和第五透镜分设于所述偏振解调单元的入射光路和出射光路上。
7.如权利要求1所述的焦面测量装置，其特征在于，所述投影单元还包括光源，所述光源为LED光源、氙灯、卤素灯或耦合了多个波长的光纤激光。
8.如权利要求1所述的焦面测量装置，其特征在于，所述波长选择单元为光栅衍射型滤光片或多个透射型的带通滤光片。
9.如权利要求1所述的焦面测量装置，其特征在于，所述偏振调制单元和偏振解调单元采用磁致旋光器、光电调制器或旋转的偏振片。
10.一种焦面测量方法，应用于如权利要求1至9中任一所述的焦面测量装置中，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将硅片上载到工件台上；
S2：根据所述硅片的工艺特性选择调制方式；
S3：根据选择的调制方式获取调制的配置参数；
S4：根据所述的配置参数对所述焦面测量装置的波长选择单元、偏振调制单元以及偏振解调单元进行调节；
S5：执行焦面测量作业：以一投影光束照射所述硅片表面并收集所述硅片表面反射的探测光束，进而获取硅片表面各点的高度值。
11.如权利要求10所述的焦面测量方法，其特征在于，在S2步骤中，若硅片的底层为周期性图案，则选用静态调制方式；若硅片的底层为非周期性图案，则选用动态调制方式。
12.如权利要求11所述的焦面测量方法，其特征在于，所述静态调制方式为：所述偏振调制单元调节投影光束，使其具有特定的偏振方向所述偏振解调单元调节透振轴，使其与硅片上表面反射的光束的偏振方向相同；所述动态调制方式为：所述偏振调制单元加载周期性信号，使投影光束的偏振方向周期性变化，所述偏振解调单元也加载周期性信号，使任意时刻硅片上表面反射的探测光束的偏振方向均与偏振解调单元的透振轴方向相同。
13.如权利要求10所述的焦面测量方法，其特征在于，在S3步骤中，所述配置参数通过仿真建模的方式或者实验测试的方式获得。
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