CN105700296B - 硅片表面高度和倾斜度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅片表面高度和倾斜度检测装置及方法，该检测装置从探测光线路径看包括依次排列的光源、准直扩束镜、狭缝阵列、角度调节单元、第一透镜、待测硅片、第二透镜、探测器和信号处理单元，还包括位于所述直扩束镜和所述狭缝阵列间的偏振调制单元、位于所述第二透镜和所述探测器之间的多色光分离单元，探测器由若干个探测单元组成。本发明通过增加多色光分离单元，将宽波段的反射光分离成多个独立的波段，通过相应的探测单元对每个波段进行单独探测，并对各波段的探测信息进行综合处理，以更好的消除硅片底层图案的影响，得到更准确的硅片表面位置信息，同时使用宽波段光源提高了光源能量的利用率和检测装置对不同硅片的工艺适用性。

Description

硅片表面高度和倾斜度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光刻机技术领域，具体涉及一种硅片表面高度和倾斜度检测装置及方法。

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。在光刻机的曝光过程中，如果硅片相对于物镜焦平面的离焦或倾斜使曝光视场内某些区域处于有效胶深之外，将严重影响光刻质量，因此必须采用调焦调平系统进行精确控制。现有的调焦调平系统的一般工作原理是：首先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，并根据这些信息作相应调节，以精确控制硅片位置。

目前通常采用非接触式光电测量技术来检测硅片表面高度与倾斜度信息，激光三角测量法就是最普遍的一种，其具有精度高、速度快的特点，然而其受底层的工艺图案影响较大。由于在曝光工艺中，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，而这些底层图案将导致硅片表面反射率不均，从而引起探测光斑在探测面强度分布不均，进而产生测量误差，最终影响调焦调平系统的准确度。

现有技术中还提供一种基于数字补偿的检测方法，该方法通过在系统探测端增加一路成像单元，以实时获取探测光斑的强度分布，以及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，从而提高调焦调平系统的控制精确度。然而采用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、灵敏度以及对反馈补偿的时效性要求较高，因此在工程上使用难度较大。

针对以上问题，之后又提出了一种基于偏振调制的检测方法，该方法从光学上解决硅片反射率不均的问题。然而该自动调焦调平系统仅适用于激光或单波长照明，每次只能探测一个波长，当需要探测多个波长时，需要多次更换探测光源，增加了检测的复杂度，同时也降低了光源能量的利用率和调焦调平系统对不同硅片的工艺适用性。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种可提高光源能量利用率和对不同硅片的工艺适应性的硅片表面高度和倾斜度检测装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种硅片表面高度和倾斜度检测装置，从探测光线路径看包括依次排列的光源、准直扩束镜、狭缝阵列、角度调节单元、第一透镜、待测硅片、第二透镜、探测器和信号处理单元，还包括位于所述直扩束镜和所述狭缝阵列间的偏振调制单元、位于所述第二透镜和所述探测器之间的多色光分离单元，探测器由若干个探测单元组成。

进一步的，所述光源为宽波段光源。

进一步的，所述偏振调节单元采用偏振片、磁致旋光器或电光调制器。

进一步的，所述角度调节单元包括角度偏转单元和第三透镜。

进一步的，所述第三透镜的后焦面与所述第一透镜的前焦面共面。

进一步的，所述多色光分离单元可采用二向色分束镜组、棱镜或相位光栅。

进一步的，所述每个探测单元包含偏振解调单元、透镜、探测狭缝和多个光电探测器，所述探测狭缝具有多个通光狭缝，所述光电探测器位所述通光狭缝后方，且每个光电探测器与一个通光狭缝相对应，用于检测通过该狭缝的光能量。

本发明还提供一种硅片表面高度和倾斜度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)检测硅片表面的工艺参数，包括各层的材料折射率、厚度，选择是否需要探测的多个波段的信号；

(2)若只需要检测一个波段的信号，确定该探测信号的波段，并根据最优配置原理，对需要探测波段信号的偏振态、入射角参数进行最优配置；若需要检测多个波段的信号，确定多个探测信号的波段，并根据最优配置原理，对需要探测的多个波段信号的偏振态、入射角参数进行最优配置；

(3)通过偏振调节单元、狭缝阵列和角度偏转单元，将照明光束转换成具有最优配置参数的探测光斑束，并经过所述待测硅片反射之后通过多色光分离单元分离出步骤(2)选定的一个或多个独立探测光斑，并分别进入相应的探测单元中进行探测，输出相应的探测信号，所述探测电信为电信号；

(4)若只需要探测一个所述波段的信号，则信号处理单元仅对该波段测量信号进 行处理之后计算得到所述待测硅片的高度h；若需要检测多个所述波段的信号，则信号处理 单元接收所有所述探测单元输出的电信号，经过处理之后精确计算出每个波段信号对应的 硅片高度h_i，并对多个所述独立探测光斑的测量结果h_i各自的比例权重w_i进行计算得到最 终的硅片高度计算的公式为：各探 测波段信号的比例权重w_i根据硅片工艺特性来确定；其中i和n为大于1的正整数，并且i≤ n；

(5)根据计算得到的所述待测硅片表面高度值，拟合出其表面形貌，从而获得所述待测硅片表面的倾斜值。

综上所述，本发明提供的硅片表面高度和倾斜度检测装置及方法，通过增加多色光分离单元，根据硅片的工艺特性，将宽波段的反射光分离成多个独立的波段，并通过相应的探测单元对每个波段进行单独探测，并对各波段的探测信息进行综合处理，以更好的消除硅片底层图案的影响，得到更准确的硅片表面位置信息，同时使用宽波段光源进行照明，提高了光源能量的利用率，也增加了检测装置对不同硅片的工艺适用性。

附图说明

图1是本发明的硅片表面高度和倾斜度检测装置的结构示意图；

图2是本发明偏振调制单元为磁致旋光器进行偏振调制时的示意图；

图3是本发明的多色光分离单元采用二向色分束镜组进行分光时的示意图；

图4是本发明探测单元的结构图；

图5是本发明的照明光束在硅片表面的反射示意图；

图6是本发明的硅片表面高度和倾斜度检测装置的检测流程图。

图中所示：1、光源；101、照明光束；102、偏振光束；103、探测光斑束；104、反射光斑束或衍射光斑束；105、独立探测光斑；2、准直扩束镜；3、偏振调制单元；31、起偏器；32、磁致旋光器；4、狭缝阵列；5、角度调节单元；501、角度偏转单元；6、硅片；7、多色光分离单元；701、第一分束镜；702、第二分束镜；703、第三分束镜；8、探测器；80、探测单元；801、偏振解调单元；802、透镜；803、探测狭缝；804、光电探测器；9、信号处理单元；10、第一透镜；11、第二透镜；12、第三透镜。

具体实施方式

下面结合附图对发明作详细描述：

如图1所示，本发明提供一种硅片表面高度和倾斜度检测装置，从探测光线路径看包括依次排列的光源1、准直扩束镜2、狭缝阵列4、角度调节单元5、探测器8和信号处理单元9，还包括偏振调制单元3和多色光分离单元7，所述探测器8由若干个探测单元80组成；

具体的，所述光源1提供照明光束101，所述照明光束101依次通过用于对光束进行整形和匀光之后产生平行光束的准直扩束镜2、用于实现照明光束101偏振方向的调节的偏振调节单元3、用于将偏振光束102转化成探测光斑束102的狭缝阵列4，以及用于调节探测光斑束103入射角度的角度调节单元5，产生具有特定偏振态和入射角的探测光斑束103，该探测光斑束103接着经过第一透镜10放大后投射到硅片6上，产生反射光斑束或衍射光斑束104经过第二透镜11收集后，进入多色光分离单元7，分离出不同独立波段的独立探测光斑105，并分别由对应的探测单元80接收；

所述信号处理单元9接收所述探测器8中各个探测单元80探测之后输出的电信号，并根据该电信号精确计算出硅片6的高度和倾斜度信息。

所述光源1为宽波段光源，用以适应不同工艺的硅片，所述的光源1为宽波段光源，波长范围可覆盖紫外、可见光或近红外波段。优选的宽波段光源为LED光源、氙灯或卤素灯。

所述偏振调制单元3用于照明光束101偏振态的控制得到偏振光束102。偏振调制单元3可采用旋转的偏振片、磁致旋光器或电光调制器实现。在偏振过程中，偏振片的中心位于光轴上，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。如图2为采用磁致旋光器进行偏振调制时的示意图，照明光束101经起偏器31后，其偏振为垂直方向，32为磁致旋光器(或称为法拉第盒)，其可使输入光束的振动方向发生旋转，转过的角度为其中B为磁感应强度，l为磁致旋光物质的长度，V表示维尔德(Verdet)常数，工作原理在于：通过控制磁感应强度B来获得任意偏振方向的偏振光束102。

所述角度调节单元包括角度偏转单元501和第三透镜12。其中，角度偏转单元501优选为反射棱镜，用于将经过所述狭缝阵列4输出的探测光斑束103进行入射角度调整后，汇聚在第三透镜12的后焦面，接着经过第一透镜10放大后投射到所述硅片6表面，所述第三透镜12的后焦面与所述第一透镜10的前焦面共面，因此当照射到硅片6表面的光束入射角变化时，其照明视场中心始终位于光轴上。

所述多色光分离单元7用于将宽波段探测光斑束103的反射光斑束或衍射光斑束104分离出若干个独立探测光斑105。多色光分离单元7可采用二向色分束镜组、棱镜或相位光栅来实现。其中采用二向色分束镜组进行分光的原理如图3所示。假设宽波段反射光斑束或衍射光斑束104的波长为500nm-900nm，经过第一分束镜701，反射波段为500-578nm；其余透射到第二分束镜702，其反射波段为613nm-664nm；其余透射到第三分束镜703，反射波段为694nm-732nm，最终透射波段为790nm-900nm，四个不同波段的分离光分别进入四个不同的探测单元80中进行探测。

所述每个探测单元80包含偏振解调单元801、透镜802、探测狭缝803和多个光电探测器804，其中偏振解调单元801用于对反射光或衍射光103进行偏振态的调节，偏振解调单元801也可采用旋转的偏振片、磁致旋光器或电光调制器实现，调节的原理与偏振调制单元3相同，在调解过程中，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。如图4所示，所述探测狭缝803与所述狭缝阵列4具有同样形状的数个通光狭缝，光电探测器804位于探测狭缝803后方，且每个光电探测器804与一个通光狭缝相对应，用于检测通过该通光狭缝的光能量，经过偏振解调单元801和透镜802后，反射光斑束或衍射光斑束104清晰的成像在探测狭缝803上，若硅片6位于光刻投影物镜的最佳焦平面位置，则反射光斑束或衍射光斑束104正好完全通过狭缝，此时光电探测器804检测到的光能量最强，随着硅片6表面高度和倾斜度相对焦平面的偏移，光电探测器804检测到的光能量也随之变化，最终光电探测器804将探测到的光能量转化成电信号进行输出。

根据不同的工艺的硅片，需要首先对照明光束101的偏振态和入射角度进行最优配置，配置的原理如图5所示。探测光斑束103在硅片6介质层上反射偏振态的变化。以两层工艺结构的硅片6为例，设定上层涂料的折射率为n₁，下层图像的介质折射率为n₂，环境空气折射率为n₀。探测光斑束103可分解为相互垂直的两个偏振分量S₀、P₀，根据菲涅耳公式，两个偏振分量在折射率为n₀、n₁的介质分界面的反射系数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态，θ'和θ"分别对应光束在折射率为n₀和n₁的介质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)和公式(2)，探测光斑束103经上层介质反射后产生上层反射光束104a的偏振方向与入射面的夹角为：

其中，α表示探测光斑束103的偏振方向与入射面的夹角。探测光斑束103经过上层介质折射、下层介质的反射，最后从上层介质折射后产生下层反射光束104b，多次利用类似公式(1)、(2)的菲涅耳公式，可获得下层反射光束104b的偏振方向与入射面的夹角为：

其中，θ'"对应光束在介质n₁和n₂分界面的折射角，其满足关系式n₁/n₂＝sinθ"'/sinθ″。公式(1)-(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，上层反射光束104a和下层反射光束104b的偏振方向是不同的，其不仅与折射率(波长)和入射角相关，还取决于探测光斑束103的偏振方向α。因此，通过配置照明光束101偏振态和入射角，可以使上、下层反射光束104a、104b的偏振方向垂直或接近垂直。在具体操作中照明光束101通过偏振调节单元3、狭缝阵列4和角度偏转单元501之后，转变成具有特定偏振态和入射角的探测光斑束103；所述探测光斑束103可使硅片上层反射光束104a和下层反射光束104b的偏振方向相互垂直或接近垂直；并在通过探测单元80中的偏振解调单元801分离出上层和下层的反射光，使下层光反射光104b通过，同时抑制上层反射光104a，从而提高检测结果的准确度。

本发明还提供一种如上所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置的检测方法，如图6所示，包括以下步骤：

(1)检测硅片表面的工艺参数，包括各层的材料折射率、厚度，确定是否需要探测的多个波段的信号；

(2)若只需要检测一个波段的信号，确定该探测信号的波段，并根据上述最优配置原理，对需要探测波段信号的偏振态、入射角参数进行最优配置；若需要检测多个波段的信号，确定多个探测信号的波段，并根据最优配置原理，对需要探测的多个波段信号的偏振态、入射角参数进行最优配置；

(3)通过偏振调节单元、狭缝阵列和角度偏转单元，将照明光束转换成具有最优配置的参数的探测光斑束，并经过硅片反射之后通过多色光分离单元分离出步骤(2)选定的一个或多个独立探测光斑，并分别进入相应的探测单元中进行探测，输出相应的探测信号，探测信号为电信号；

(4)若只需要探测一个波段的信号，则信号处理单元仅对该波段测量信号进行处 理之后计算得到硅片的高度h；若需要检测多个波段的信号，则信号处理单元接收所有探测 单元输出的电信号，经过处理之后精确计算出每个波段信号对应的硅片高度h_i，并对多个 独立探测光斑的测量结果h_i各自的比例权重w_i进行计算得到最终的硅片高度计算的公 式为：各探测波段信号的比例权重wi根 据硅片工艺特性来确定，其中i和n为大于1的正整数，并且i≤n；例如，当硅片为裸硅片即表 面无光刻胶时，提高中间波段的比例，使500～578nm、613～664nm、694～732nm三个波段的 比例权重为1:3:1；而当硅片上涂覆光刻胶时，提高较短波段的比例，使500～578nm、613～ 664nm、694～732nm三个波段的比例权重为4:1:0；

(5)根据计算得到的硅片表面高度值，拟合出其表面形貌，从而获得硅片表面的倾斜值，需要说明的是，由于狭缝阵列产生的探测光斑束能覆盖硅片表面所有区域，因此最后探测到高度h或为一个二维向量，因此根据该二维向量即可描述出硅片表面的形貌，从而获得其倾斜值。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种硅片表面高度和倾斜度检测装置，从探测光线路径看包括依次排列的光源、准直扩束镜、狭缝阵列、角度调节单元、第一透镜、待测硅片、第二透镜、探测器和信号处理单元，其特征在于：还包括位于所述准直扩束镜和所述狭缝阵列间的偏振调制单元、位于所述第二透镜和所述探测器之间的多色光分离单元；所述狭缝阵列、角度调节单元、偏振调制单元使所述待测硅片上表面反射光与下表面反射光的偏振方向相互垂直；所述探测器由若干个探测单元组成，每个所述探测单元包含偏振解调单元、透镜、探测狭缝和多个光电探测器，所述探测狭缝具有多个相同形状的通光狭缝，所述光电探测器位于所述通光狭缝后方，且每个光电探测器与一个通光狭缝相对应，用于检测通过该狭缝的光能量。

2.根据权利要求1所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置，其特征在于：所述光源为宽波段光源。

3.根据权利要求1所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置，其特征在于：所述偏振调制单元采用偏振片、磁致旋光器或电光调制器。

4.根据权利要求1所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置，其特征在于：所述角度调节单元包括角度偏转单元和第三透镜。

5.根据权利要求4所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置，其特征在于：所述第三透镜的后焦面与所述第一透镜的前焦面共面。

6.根据权利要求1所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置，其特征在于：所述多色光分离单元可采用二向色分束镜组、棱镜或相位光栅。

7.一种使用如权利要求1-6任一项所述的硅片表面高度和倾斜度检测装置的硅片表面高度和倾斜度检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)检测硅片表面的工艺参数，包括各层的材料折射率、厚度，选择需要探测的波段的信号的数量；

(2)若只需要检测一个波段的信号，确定该探测信号的波段，并根据最优配置原理，以使得待测硅片上表面和下表面反射的光束的偏振方向垂直为目标，对需要探测波段信号的偏振态、入射角参数进行配置；

若需要检测多个波段的信号，确定多个探测信号的波段，并根据最优配置原理，对需要探测的多个波段信号的偏振态、入射角参数进行配置，使所述待测硅片上表面和下表面反射光的偏振方向相垂直；

(3)通过偏振调制单元、狭缝阵列和角度调节单元，将照明光束转换成具有最优配置参数的探测光斑束，并经过待测硅片反射之后通过多色光分离单元分离出步骤(2)选定的一个或多个独立探测光斑，并分别进入相应的探测单元中进行探测，输出相应的探测信号，所述探测信号为电信号；

(4)若只需要探测一个所述波段的信号，则信号处理单元仅对该波段测量信号进行处理之后计算得到所述待测硅片的高度h；若需要检测多个所述波段的信号，则信号处理单元接收所有所述探测单元输出的电信号，经过处理之后精确计算出每个波段信号对应的硅片高度h_i，并对多个所述独立探测光斑的测量结果h_i各自的比例权重w_i进行计算得到最终的硅片高度计算的公式为：各探测波段信号的比例权重w_i根据硅片工艺特性来确定；其中i和n为大于1的正整数，并且i≤n；

(5)根据计算得到的所述待测硅片表面高度值，拟合出其表面形貌，从而获得所述待测硅片表面的倾斜值。