CN105445929A - 光程调整装置和光程调整方法 - Google Patents

Abstract

在本发明提供的光程调整装置和光程调整方法中，通过所述光程调整装置调整自参考干涉仪中第一棱镜和第二棱镜的相对位置，从而实现光程的精确调整，防止采用所述自参考干涉仪的自参考干涉对准系统因所述第一棱镜与第二棱镜的胶合误差出现0级光泄露，进而提高对准信号的对比度。

Description

光程调整装置和光程调整方法

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别涉及一种光程调整装置和光程调整方法。

背景技术

光刻是将掩模板(mask)上图形形式的结构通过曝光、显影等步骤转印到涂有光刻胶(Photoresister，简称PR)的衬底表面的工艺过程，为了确保将图形正确转移到衬底的目标位置上，掩模板与衬底的精确对准是重要的。尤其是需要经过多次光刻工艺的制造过程，例如芯片制造过程。在芯片制造过程中需要在硅片上进行多次光刻工艺，在每次光刻工艺过程中本次光刻形成的图形与上次光刻形成的图形之间需要保证有正确的相对位置，如此才能保证多次光刻工艺形成的图形依次层叠形成所需的电路结构。

通常的，掩模板与硅片进行对准的基本过程包括：准确测量并记录硅片上对准标记的位置；准确测量并记录本次掩膜版的标记位置；通过计算得到本次光刻图形与上次图形之间的相对位置误差并进行修正。

随着集成电路制造技术的不断发展，集成电路的特征尺寸持续缩小。目前，集成电路的线宽尺寸已经减小到纳米级，因此对准过程所需要的准精度变得更加严格。目前，在光刻工艺中一般采用自参考干涉对准系统实现掩模板与硅片的精确对准。

请参考图1，其为现有技术的自参考干涉对准系统的结构示意图。如图1所示，现有的自参考干涉对准系统100包括激光光源110、分束器120、像旋转装置130、光强信号探测器140和信号分析器150，激光光源110发出的光经过分束器120分成两束衍射光，其中一束衍射光照射到硅片上并由此携带了对准标记10的位置信息，两束衍射光分别射入像旋转装置130中并通过像旋转装置130实现衍射波面的分裂，以及分裂后两波面相对180°的旋转重叠干涉，然后利用光强信号探测器140在光瞳面处探测干涉后的对准信号，，最后通过信号分析器150对所述对准信号进行分析处理确定对准标记10的位置。通常的，所述对准标记10要求180°旋转对称。

其中，像旋转装置130是所述参考干涉对准系统100最核心的装置，用于标记像的分裂与旋转，使各级次的衍射光分别形成干涉像。请参考图2，其为现有技术的像旋转装置的部分结构示意图。如图2所示，所述像旋转装置130包括自参考干涉仪131和补偿器(图中未示出)；其中，自参考干涉仪131包括上端棱镜131a和右端棱镜131b，上端棱镜131a和右端棱镜131b胶合在一起，上端棱镜131a和右端棱镜131b的胶合面为偏振分光斜面PBS，入射光在偏振分光斜面PBS分光后，分别经过上端棱镜131a和右端棱镜131b的三次反射，实现180度相对旋转，最后在PBS面汇合射出；从自参考干涉仪131射出的光进入补偿器，由补偿器对光程差超过500nm的光束进行补偿，以减少光泄露。

然而，在实际使用过程中发现所述自参考干涉对准系统100获得的对准信号对比度较低，影响所述自参考干涉对准系统100的准精度。

因此，如何获得更高对比度的对准信号成了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光程调整装置和光程调整方法，以解决现有技术中自参考干涉对准系统获得的对准信号对比度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光程调整装置，用于调整自参考干涉仪的光程，所述自参考干涉仪包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜与第二棱镜具有一接触面，所述接触面为偏振分光斜面，光通过所述自参考干涉仪在所述偏振分光斜面发生干涉所述光程调整装置包括：光源模块、X轴推力装置、Y轴预紧力装置、第一定位块、第二定位块以及图像接收和处理装置；所述光源模块用于向所述自参考干涉仪提供准直白光，所述图像接收和处理装置用于接收和处理所述准直白光通过所述自参考干涉仪而形成的白光干涉条纹；所述X轴推力装置和Y轴预紧力装置分别靠近所述第一棱镜和第二棱镜，分别用于对所述第一棱镜施加X轴正方向的推力和对所述第二棱镜施加Y轴正方向的预紧力；所述第一定位块与所述第一棱镜接触，用于限制所述第一棱镜向Y轴正方向移动；所述第二定位块与所述第二棱镜接触，用于限制所述第二棱镜向X轴正方向移动。

可选的，在所述的光程调整装置中，所述X轴推力装置包括电机和一维移动杆，所述电机通过所述一维移动杆对所述第一棱镜施加X轴正方向的推力，使得所述第一棱镜沿着X轴正方向进行纳米级的移动。

可选的，在所述的光程调整装置中，所述光源模块包括白光光源、光纤和光纤准直器，所述白光光源通过所述光纤与所述光纤准直器连接。

可选的，在所述的光程调整装置中，所述图像接收和处理装置包括彩色CCD相机和计算机处理器，所述彩色CCD相机正对所述自参考干涉仪的偏振分光斜面，用于接收从所述自参考干涉仪射出的光束并形成图像信息，所述计算机处理器接收所述彩色CCD相机传递的图像信息并对所述图像信息进行分析和处理。

可选的，在所述的光程调整装置中，所述一维移动杆与所述第一棱镜之间及所述Y轴预紧力装置与所述第二棱镜之间均设置有保护垫。

本发明还提供一种光程调整方法，用于调整自参考干涉仪的光程，所述光程调整方法包括：

提供如上所述的光程调整装置；

将所述光源模块射出的准直白光对准所述自参考干涉仪以形成白光干涉条纹；

根据所述白光干涉条纹分别提取红、绿、蓝三原色干涉条纹；

通过所述光程调整装置调整所述第一棱镜和第二棱镜的相对位置使得所述红、绿、蓝三原色干涉条纹重合。

可选的，在所述的光程调整方法中所述红、绿、蓝三原色干涉条纹的位置重合时所述第一棱镜和第二棱镜的光程相等。

可选的，在所述的光程调整方法中，在形成白光干涉条纹之后，在分别提取红、绿、蓝三原色干涉条纹之前，还包括：通过图像接收和处理装置对所述白光干涉条纹进行图像采集和图像分析。

发明人发现，造成现有的自参考干涉对准系统所获得的对准信号对比度低的原因在于，自参考干涉仪的两个棱镜在单独加工和相互胶合过程均不可避免地存在误差，因此所述自参考干涉仪的两个棱镜之间存在光程差，光程差在500纳米以下会导致0级光泄露，进而降低了对准信号的对比度。在本发明提供的光程调整装置和光程调整方法中，通过所述光程调整装置调整所述自参考干涉仪中第一棱镜和第二棱镜的相对位置，能够实现光程的精确调整，防止采用所述自参考干涉仪的自参考干涉对准系统因所述第一棱镜与第二棱镜的胶合误差出现0级光泄露，进而提高对准信号的对比度。

附图说明

图1是现有技术的自参考干涉对准系统的结构示意图；

图2是现有技术的自参考干涉对准系统中像旋转装置的部分结构示意图；

图3是现有技术的自参考干涉仪的上端棱镜的平板截面图；

图4是本发明实施例的光程调整装置对自参考干涉仪进行光程调整的结构示意图；

图5是本发明实施例的计算机处理器在自参考干涉仪的光程不相等时所提取的红、绿、蓝三原色干涉条纹；

图6是本发明实施例的计算机处理器在自参考干涉仪的光程相等时所提取的红、绿、蓝三原色干涉条纹。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光程调整装置和光程调整方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

现有的自参考干涉对准系统的对比度较低，影响所述自参考干涉对准系统100的对准精度。发明人对此进行了深入的研究，发现造成现有的自参考干涉对准系统的对比度较低的原因在于，现有的自参考干涉对准系统的自参考干涉仪通常包括两个由固态玻璃制成的棱镜，两个棱镜在单独加工和胶合过程均不可避免地存在加工误差，因此两个棱镜之间存在光程差，光程差在500纳米以上会导致0级光泄露。

请参考图3，其为现有技术的自参考干涉仪的上端棱镜的平板截面图。如图3所示，上端棱镜131a包括AB棱、AC棱、DE棱、EF棱、GH棱、JK棱和MN，以AB棱为基准，AC棱、DE棱、EF棱、GH棱、JK棱和MN棱在加工过程中都无法做到0公差，因此上端棱镜131a的实际光轴(图中实线OP1Q1R1S1T1U1所示为实际光轴)会偏离理想光轴(图中虚线OU所示为理想光轴)，而且AB棱与MN棱不平行，因此光从MN各点所出射的光程不一致。右端棱镜也同样如此，在此不再赘述。

自参考干涉仪的光程不一致会影响对准精度，因此在自参考干涉仪的加工过程中需要测量并控制光程。目前，所述自参考干涉仪的上端棱镜和右端棱镜在胶合加工之前采用传统的机械式胶合测量方式进行光程测量，而传统的机械式胶合测量方式的最高精度只能达到3um，无法满足目前超高精度的光程控制需求。

由上述可知，自参考干涉仪的上端棱镜和右端棱镜存在光程差，而目前的光程控制方法无法实现亚微米机的光程控制，自参考干涉仪的上端棱镜和右端棱镜之间的光程差在500nm以下时由于无法通过补偿器进行补偿，会造成自参考干涉对准系统的0级光泄露，进而降低对准信号的对比度。

综上，造成现有的自参考干涉对准系统所获得的对准信号对比度低的原因在于，所述自参考干涉仪的两个棱镜之间存在光程差，光程差在500纳米以下会导致0级光泄露，进而降低了对准信号的对比度。为了解决上述问题，本申请提出了如下技术方案：

请参考图4，其为本发明实施例的光程调整装置对自参考干涉仪进行光程调整的结构示意图。如图4所示，所述光程调整装置用于调整自参考干涉仪30的光程，所述自参考干涉仪30包括第一棱镜31和第二棱镜32，所述第一棱镜31与第二棱镜32具有一接触面，所述接触面为偏振分光斜面PBS，光通过所述自参考干涉仪30在所述偏振分光斜面发生干涉，所述光程调整装置包括：光源模块310、X轴推力装置320、Y轴预紧力装置330、第一定位块340、第二定位块350和图像接收和处理装置360；所述光源模块310用于向所述自参考干涉仪30提供准直白光，所述图像接收和处理装置360用于接收和处理所述准直白光通过所述自参考干涉仪30而形成的白光干涉条纹；所述X轴推力装置320和Y轴预紧力装置330分别靠近所述第一棱镜31和第二棱镜32，用于分别对所述第一棱镜31和第二棱镜32施加X轴正方向的推力和Y轴正方向的预紧力，所述第一定位块340与所述第一棱镜31接触，用于限制所述第一棱镜31向Y轴正方向移动；所述第二定位块350与所述第二棱镜32接触，用于限制所述第二棱镜32向X轴正方向移动。

具体的，所述自参考干涉仪30的第一棱镜31和第二棱镜32均由固态玻璃制成，进行光程调整时所述第一棱镜31和第二棱镜32还未胶合，所述第一棱镜31与所述第二棱镜32具有一接触面33，所述接触面33为偏振分光斜面(PBS面)。

所述光源模块310包括白光光源301、光纤302和光纤准直器303，白光光源301通过光纤302与光纤准直器303连接，从所述光纤准直器303射出的是准直白光，所述准直白光的入射方向对准所述自参考干涉仪30。本实施例中，所述准直白光具有比较宽的光谱带宽，所述准直白光的波长范围在400纳米到700纳米之间，包括红、绿、蓝等不同颜色的单色光。

所述准直白光射入所述自参考干涉仪30后在所述偏振分光斜面PBS被分成等光强的两束光，两束光分别经过所述第一棱镜31和第二棱镜32的三次反射，在实现180度相对旋转后在所述偏振分光斜面PBS汇合并发生干涉，形成白光干涉条纹。

所述图像接收和处理装置360包括彩色CCD相机361和计算机处理器362，所述彩色CCD相机361与计算机处理器362连接，其中，所述彩色CCD相机正对所述自参考干涉仪30的偏振分光斜面PBS，用于接收从所述自参考干涉仪30射出的光束并形成图像信息，所述计算机处理器362接收所述彩色CCD相机361传递的图像信息并对所述图像信息进行数据处理。

基于白光的干涉原理，所述准直白光的相干长度的计算公式为：

s＝λ₀ ²/Δλ式1；

其中，s为所述准直白光的相干长度，Δλ为所述准直白光的光谱带宽，λ₀为所述准直白光的中心波长。

由式1可知，所述准直白光的光谱带宽Δλ越大则其相干长度s越小。

公知的，玻璃中的光程等于玻璃折射率与光在玻璃中行走的路程的乘积。因此，所述第一棱镜31和第二棱镜32的光程可以分别根据以下公式计算得到：

p1＝n(λ)×x1式2；

p2＝n(λ)×x2式3；

其中，p1为所述第一棱镜31的光程，p2为所述第二棱镜32的光程，n为玻璃折射率，x1为所述第一棱镜31展成平板的路程，x2为所述第二棱镜32展成平板的路程。

可见，所述第一棱镜31和第二棱镜32的光程差Δp与所述第一棱镜31和第二棱镜32的展成平板的路程的差值相关。

请继续参考图4，所述X轴推力装置320和Y轴预紧力装置330分别靠近所述第一棱镜31和第二棱镜32，其中，所述Y轴预紧力装置330用于对所述第二棱镜32提供Y轴正方向的预紧力，所述X轴推力装置320包括电机321和一维移动杆322，所述电机321与一维移动杆322连接，用于对所述第一棱镜31施加X轴正方向的推力，所述电机321通过所述一维移动杆322推动所述第一棱镜31使其向X轴正方向移动。为了满足纳米级光程控制要求，所述电机321能够实现纳米级的推动，使得所述第一棱镜31沿着X轴正方向进行纳米级的移动。

为了避免Y轴预紧力装置330和一维移动杆322与所述自参考干涉仪30直接接触造成局部压强过大而损伤所述自参考干涉仪30，所述一维移动杆322与自参考干涉仪30的第一棱镜31之间及所述Y轴预紧力装置330与自参考干涉仪30的第二棱镜32之间均设置有保护垫370。

由于所述自参考干涉仪30的Y轴正方向、Y轴负方向、X轴负方向分别设置有第一定位块340、Y轴预紧力装置330和第二定位块350，因此通过X轴推力装置320对所述第一棱镜31施加推力时，所述第一棱镜31向X轴正方向移动，同时所述第二棱镜32向Y轴负方向移动，所述第一棱镜31和第二棱镜32沿着所述偏振分光斜面PBS所在的平面相对滑动。由此，改变了光束通过所述第一棱镜31和第二棱镜32的路径，从而实现对所述自参考干涉仪30的光程调整。

所述第一棱镜31和第二棱镜32的路径不同而产生的光程差使得两束出射光的相位发生变化，所述两束出射光是指同一入射光在所述偏振分光斜面PBS分光之后实现180度相对旋转并最后在所述偏振分光斜面PBS汇合射出的两束光，所述两束出射光的相位差ΔФ的计算公式为：

ΔФ(λ₀)＝2π×Δp/λ₀式4；

其中，Δp为所述第一棱镜31和第二棱镜32之间的光程差，λ₀为所述准直白光的中心波长。

根据所述两束出射光的能量和相位差ΔФ可以得到所述两束出射光的干涉强度I，所述两束出射光的干涉强度I的计算公式为:

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right)$ 式5；

其中，I₁和I₂分别为两束出射光的能量。

由式5可知，所述光程调整装置的精度为半个波长，而所述准直白光的最大波长为700nm，因此能够满足500nm的精度要求。

在所述第一棱镜31和第二棱镜32胶合之前，通过所述光程调整装置调整所述第一棱镜31和第二棱镜32的相对位置，能够非常精确地控制所述自参考干涉仪30的光程，保证在所述偏振分光斜面PBS汇合射出的两束出射光的光程差在500nm以上，从而减小0级光泄露。

相应的，本发明还提供了一种光程调整方法，用于调整所述自参考干涉仪30的光程。请继续参考图4，所述光程调整方法包括：

步骤S10：提供所述光程调整装置；

步骤S11：将所述光源模块310射出的准直白光对准所述自参考干涉仪30以形成白光干涉条纹；

步骤S12：根据所述白光干涉条纹分别提取红、绿、蓝三原色干涉条纹；

步骤S13：通过所述光程调整装置调整所述第一棱镜31和第二棱镜32的相对位置使得所述红、绿、蓝三原色干涉条纹重合。

具体的，首先，提供所述光程调整装置。

接着，将所述光源模块310射出的准直白光对准所述自参考干涉仪30，所述准直白光射入所述自参考干涉仪30后在所述偏振分光斜面PBS被分成等光强的两束光，两束光分别经过所述第一棱镜31和第二棱镜32的三次反射，在实现180度相对旋转后在所述偏振分光斜面PBS汇合并发生干涉，形成白光干涉条纹。

之后，由通过所述光程调整装置的彩色CCD相机361接收干涉光形成的白光干涉条纹。

然后，通过计算机处理器362根据所述准直白光的相干长度s、两束出射光的相位差ΔФ与干涉强度I等信息对所述白光干涉条纹进行图像分析，并根据所述白光干涉条纹分别提取红、绿、蓝三原色干涉条纹。如图5所示，所述自参考干涉仪30的第一棱镜31和第二棱镜32具有一定的光程差，此时红、绿、蓝三原色干涉条纹的位置不重合。

最后，通过所述电机321推动所述第一棱镜31使其向X轴正方向移动，改变所述第一棱镜31和第二棱镜32的相对位置以调整第一棱镜31和第二棱镜32的光程，直至所述红、绿、蓝三原色干涉条纹重合。如图6所示，所述第一棱镜31和第二棱镜32的光程相等，此时红、绿、蓝三原色干涉条纹的位置重合，均位于0光程差位置。

所述光程调整方法较传统的机械式胶合测量方式的精度更高，能够实现亚微米级的光程控制，通过所述光程调整方法能够更加精确地控制所述第一棱镜31和第二棱镜32的光程差，进而提高对准信号对比度。

综上，在本发明实施例提供的光程调整装置和光程调整方法中，通过所述光程调整装置调整所述第一棱镜和第二棱镜的相对位置，实现光程的精确调整，因此，所述自参考干涉仪光程控制更加精确，防止采用所述自参考干涉仪的自参考干涉对准系统出现0级光泄露，进而提高对准信号的对比度，进一步的，所述光程调整装置采用白光光源，通过所述自参考干涉仪之后能够形成白光干涉条纹，通过所述光程调整装置调整光程可以使得所述白光干涉条纹中的红、绿、蓝三原色干涉条纹重合，进而确定所述第一棱镜和第二棱镜的光程差为零的位置，能够大大地降低所述第一棱镜和第二棱镜的胶合误差。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种光程调整装置，用于调整自参考干涉仪的光程，所述自参考干涉仪包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜与第二棱镜具有一接触面，所述接触面为偏振分光斜面，光通过所述自参考干涉仪在所述偏振分光斜面发生干涉，其特征在于，包括：光源模块、X轴推力装置、Y轴预紧力装置、第一定位块、第二定位块以及图像接收和处理装置；所述光源模块用于向所述自参考干涉仪提供准直白光，所述图像接收和处理装置用于接收和处理所述准直白光通过所述自参考干涉仪而形成的白光干涉条纹；所述X轴推力装置和Y轴预紧力装置分别靠近所述第一棱镜和第二棱镜，分别用于对所述第一棱镜施加X轴正方向的推力和对所述第二棱镜施加Y轴正方向的预紧力；所述第一定位块与所述第一棱镜接触，用于限制所述第一棱镜向Y轴正方向移动；所述第二定位块与所述第二棱镜接触，用于限制所述第二棱镜向X轴正方向移动。

2.如权利要求1所述的光程调整装置，其特征在于，所述X轴推力装置包括电机和一维移动杆，所述电机通过所述一维移动杆对所述第一棱镜施加X轴正方向的推力，使得所述第一棱镜沿着X轴正方向进行纳米级的移动。

3.如权利要求1所述的光程调整装置，其特征在于，所述光源模块包括白光光源、光纤和光纤准直器，所述白光光源通过所述光纤与所述光纤准直器连接。

4.如权利要求1所述的光程调整装置，其特征在于，所述图像接收和处理装置包括彩色CCD相机和计算机处理器，所述彩色CCD相机正对所述自参考干涉仪的偏振分光斜面，用于接收从所述自参考干涉仪射出的光束并形成图像信息，所述计算机处理器接收所述彩色CCD相机传递的图像信息并对所述图像信息进行分析和处理。

5.如权利要求2所述的光程调整装置，其特征在于，所述一维移动杆与所述第一棱镜之间及所述Y轴预紧力装置与所述第二棱镜之间均设置有保护垫。

6.一种光程调整方法，用于调整所述自参考干涉仪的光程，其特征在于，包括：

提供如权利要求1至权利要求5任一项所述的光程调整装置；

将所述光源模块射出的准直白光对准所述自参考干涉仪以形成白光干涉条纹；

根据所述白光干涉条纹分别提取红、绿、蓝三原色干涉条纹；

通过所述光程调整装置调整所述第一棱镜和第二棱镜的相对位置使得所述红、绿、蓝三原色干涉条纹重合。

7.如权利要求6所述的光程调整方法，其特征在于，所述红、绿、蓝三原色干涉条纹的位置重合时所述第一棱镜和第二棱镜的光程相等。

8.如权利要求6所述的光程调整方法，其特征在于，在形成白光干涉条纹之后，在分别提取红、绿、蓝三原色干涉条纹之前，还包括：通过图像接收和处理装置对所述白光干涉条纹进行图像采集和图像分析。