CN104880913A - 一种提高工艺适应性的调焦调平系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高工艺适应性的调焦调平系统，包括：一照明单元，用于产生一照明光束，该照明单元包括若干投影狭缝阵列；一投影单元，用于将该投影狭缝阵列投影至一待测物表面，根据该待测物表面所形成的多个测量光斑；一探测单元，用于该测量光斑成像至一探测狭缝阵列面；所述投影单元由一前组透镜和一后组透镜组成，所述探测单元由一前组投影和一后组透镜组成，同时调整所述投影单元和所述探测单元使投影光路和探测光路的光程呈非对称关系，但投影光路和探测光路的光程之和不变。

Description

一种提高工艺适应性的调焦调平系统

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种提高工艺适应性的调焦调平系统。

背景技术

光刻技术或称光学刻蚀术，已经被广泛应用于集成电路制造工艺中。该技术通过光刻系统曝光，将设计的掩模图形转移到光刻胶上。由于最终决定集成电路的特征尺寸，光刻系统作为集成电路制造工艺中的重要设备，其精度要求对于光刻工艺的重要性不言自明。为获得最佳成像效果，在曝光时，涂有光刻胶的硅片被吸附于承片台上，且其上表面需置于最佳像面高度。

在投影曝光设备中，必须有自动调焦控制系统（或称调焦调平系统）把硅片面精确带入到指定的曝光位置。现有技术中，实现该系统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。

美国专利US4558949中记载了一种调焦调平装置，其系统原理如下：该调焦调平装置采用双4F结构，投影狭缝面、硅片面及其间的光学系统构成4F系统，将狭缝成像至硅片面；硅片面、探测狭缝面、及其间的光学系统构成4F系统，将硅片面的光斑图像成像于探测狭缝面。

然而由于硅片表面经过复杂的工艺处理，变成多层介质面，各层介质面上的线条图形经过后续的探测系统成像，叠加在投影狭缝像上导致投影狭缝像模糊，从而导致调焦调平的精度下降。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供高工艺适应性的调焦调平系，使狭缝完美成像，而其他介质层的线条成像模糊，从而提高调焦调平的精度。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种提高工艺适应性的调焦调平系统，包括：一照明单元，用于产生一照明光束，该照明单元包括若干投影狭缝阵列；一投影单元，用于将该投影狭缝阵列投影至一待测物表面，根据该待测物表面所形成的多个测量光斑；一探测单元，用于该测量光斑成像至一探测狭缝阵列面；所述投影单元由一前组透镜和一后组透镜组成，所述探测单元由一前组投影和一后组透镜组成，同时调整所述投影单元和所述探测单元使投影光路和探测光路的光程呈非对称关系，但投影光路和探测光路的光程之和不变。

更进一步地，该投影单元的后组透镜偏移该理想成像位置的距离等于该探测单元的前组透镜偏移该理想成像位置的距离。

更进一步地，该投影单元的后组透镜离该待测物表面的理想成像位置近，该探测单元的前组透镜离该待测物表面的理想成像位置远。

更进一步地，该投影单元的后组透镜离该待测物表面的理想成像位置远，该探测单元的前组透镜离该待测物表面的理想成像位置近。

更进一步地，该投影单元的后组透镜偏离该待测物表面的理想成像位置值至少大于该探测单元焦深的2倍。

更进一步地，该投影单元和该探测单元均包括一相同的楔板组，用于改变经过该投影单元和该探测单元的光束的光程。

更进一步地，所述楔板组由两块结构相同且斜边相对贴合设置的楔板组成，其中一个楔板相对于另一个楔板移动。

更进一步地，该楔板组的垂直光轴方向的相对移动量H满足以下关系：                                               ，为工作波长、为该楔板在工作波长处的折射率、为该楔板的楔角、为4F光学系统的物方最大张角。

更进一步地，所述投影单元中的楔板组位于所述投影单元与所述待测物表面的光路之间，所述探测单元中的楔板组位于所述待测物表面与所述探测单元的光路之间。

为克服上述问题，本发明提出一种提高工艺适应性的调焦调平系统，采用投影、探测支路的非对称设计，使狭缝完美成像，而其他介质层的线条成像模糊，从而提高调焦调平的精度。具体非对称设计，包括两种方案。第一种，使投影支路中4F后组透镜与硅片面的距离缩短、探测支路中4F前组透镜与硅片面的距离变长，但总光程不变。第二种，采用在投影、探测支路中各插入一完全相同的楔板组，楔板组由完全相同的两楔板组成且斜面贴合、可相对滑动，两楔板组的滑动方向相反，以达到总光程不变但投影、探测单支光路的光程改变。

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是本发明所示的调焦调平系统的结构示意图；

图2是理想双4F系统成像示意图；

图3是理想状态下介质层内的周期性线条在探测狭缝面以及投影狭缝在探测狭缝面的成像情况图；

图4是非对称时介质层内的周期性线条在探测狭缝面以及投影狭缝在探测狭缝面的成像情况图；

图5是本发明所示的调焦调平系统的第二实施方式的结构示意图；

图6是本发明所示的调焦调平系统的楔板组结构示意图；

图7是本发明所示的调焦调平系统的楔板组原理示意图。

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。

根据本发明的调焦调平装置的结构如图1所示，该装置主要由照明单元201、投影单元203、探测单元206及中继单元208组成。其中，照明单元201产生调焦调平装置所需的照明光；投影单元203将照明单元中的投影狭缝阵列202投影到硅片表面204，形成多个测量光斑，来获取硅片表面的形貌信息；探测单元206则使用扫描反射镜205对光信号进行调制，以提高测量信号的信噪比；投影狭缝阵列202的像经过探测单元206之后经过中继单元208中的探测狭缝阵列207、中继成像镜组后入射到CCD阵列209上。CCD阵列209在扫描反射镜205的扫描方向上，进行投影光斑宽度的实时探测，由于扫描反射镜205的调制作用，CCD阵列209最终输出的信号为周期性的动态光斑宽度信号。最后对该信号进行分析处理，实现硅片表面204离焦、倾斜的探测。  

对于现有系统，投影狭缝面202、L1、L2、硅片面204构成4F系统；硅片面204、L3、L4、探测狭缝面207构成4F系统，如图2所示。小像差光学系统的焦深公式，对双4F系统当硅片表面204清晰成像时，对其上面的介质层104、304内（焦深范围外）的图形也能成像，但有点模糊。此模糊的像叠加在清晰的狭缝像上，导致测量信号变差。

在图2中，如果保持透镜L2与硅片面的距离l1、硅片面与透镜L3的距离l2之和不变，但l1改变，因硅片面相当于反射面，总光程不变，投影狭缝面仍然清晰成像；但探测系统偏离4F系统，介质层104、304内的图形只通过探测系统，在探测狭缝面207处，成像模糊，从而达到提高工艺适应性的目的。当l1的改变量大于两倍的焦深时，效果比较明显。

对于焦距F=100mm、NA=0.02的理想双4F系统，如果介质层104的厚度为0.1mm、投影狭缝的宽度为6*0.5、介质层104面内为周期性线条，线条周期0.5mm、每根线条的长度0.1mm、宽度0.5mm、线条中心的横向分布范围为（-3mm,3mm）。通过在ZEMAX中物理光学光线追迹，介质层104内的周期性线条在探测狭缝面的成像情况如图3中的a所示，投影狭缝在探测狭缝面的成像情况如图3中的b所示。

如果将l1变小为97mm、l2变大为103mm，在ZEMAX中进行物理光学光线追迹，介质层104内的周期性线条在探测狭缝面的成像情况如图4中的a所示，投影狭缝在探测狭缝面的成像情况如图4中的b所示。

将图3与图4比较，可知在设置投影、探测光路非对称后，投影狭缝面的成像情况不变；但介质层104内的周期性线条明显由清晰变模糊。即非对称设置后，投影狭缝成像依然清晰，其他层内的图形模糊，有利于后续的信号处理，提高系统精度。

本发明的第二种实施方式如图5所示，通过在原有的投影系统后端、探测系统前端各添加一完全相同的楔板组102、103实现。楔板组102由两块完全相同的楔板100、101组成，组装时两楔板的斜边紧靠并可相对滑动（长的直边相互平行），通过相对滑动达到改变光程的目的。

第二实施例中的楔板组的结构如图6、7所示。实际使用时，保持楔板100不动，101相对100滑动，通过固定在楔板短直边的测微螺杆实现，如图6所示。同时102、103测微螺杆的0位严格一致，实际使用时保持102与103的测微螺杆读数反号，即102变厚时103变薄，以使总光程不变。相比实施例1，该实施例有更大的灵活性。

实际测微螺杆的移动量与光程变化的关系如图7所示。移动前楔板厚度为AB段长度，测微螺杆移动H后，楔板厚度为AC段长度,则楔板厚度变化为BC段长度。

如楔板材料的折射率为n、楔角为，则等效的长度为。此时光程变化为，如此值大于两倍焦深，即时，提高工艺适应性的效果明显。此时，测微螺杆的调节量满足关系式：。

实施例2与实施例的原理一样，加入楔板组后，投影狭缝成像依然清晰，其他层内的图形模糊，有利于后续的信号处理，提高系统精度。

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 (9)

1.一种提高工艺适应性的调焦调平系统，其特征在于，包括：

一照明单元，用于产生一照明光束，所述照明单元包括若干投影狭缝阵列；

一投影单元，用于将所述投影狭缝阵列投影至一待测物表面，根据所述待测物表面所形成的多个测量光斑；

一探测单元，用于所述测量光斑成像至一探测狭缝阵列面；

所述投影单元由一前组透镜和一后组透镜组成，所述探测单元由一前组投影和一后组透镜组成，同时调整所述投影单元和所述探测单元使投影光路和探测光路的光程呈非对称关系，但投影光路和探测光路的光程之和不变。

2.如权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述投影单元的后组透镜偏移所述理想成像位置的距离等于所述探测单元的前组透镜偏移所述理想成像位置的距离。

3.如权利要求2所述的调焦调平系统，其特征在于，所述投影单元的后组透镜离所述待测物表面的理想成像位置近，所述探测单元的前组透镜离所述待测物表面的理想成像位置远。

4.如权利要求2所述的调焦调平系统，其特征在于，所述投影单元的后组透镜离所述待测物表面的理想成像位置远，所述探测单元的前组透镜离所述待测物表面的理想成像位置近。

5.如权利要求3或4所述的调焦调平系统，其特征在于，所述投影单元的后组透镜偏离所述待测物表面的理想成像位置值至少大于所述探测单元焦深的2倍。

6.如权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述投影单元和所述探测单元均包括一相同的楔板组，用于改变经过所述投影单元和所述探测单元的光束的光程。

7.如权利要求6所述的调焦调平系统，其特征在于，所述楔板组由两块结构相同且斜边相对贴合设置的楔板组成，其中一个楔板相对于另一个楔板移动。

8.如权利要求6所述的调焦调平系统，其特征在于，所述楔板组的垂直光轴方向的相对移动量H满足以下关系：H＞2λ/((n-1)tan(α)sin²u)λ为工作波长、n为所述楔板在工作波长处的折射率、α为所述楔板的楔角、u为4F光学系统的物方最大张角。

9.如权利要求6所述的调焦调平系统，其特征在于，所述投影单元中的楔板组位于所述投影单元与所述待测物表面的光路之间，所述探测单元中的楔板组位于所述待测物表面与所述探测单元的光路之间。