CN105700297A - 振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法，调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，并记录工件台的实时离焦量Hi，根据所述补偿后的实时解调量Si和工件台的实时离焦量Hi建立数据库；实际测量时，实时采样所述扫描反射镜的实际振幅以及光电探测器输出的实际电压值，计算出补偿后的实际解调量Sk，利用线性插值法查找所述数据库，求出工件台的实际离焦量Hk；避免了由于扫描反射镜长期工作，出现稳定性差的现象，导致调焦调平检测装置对硅片表面离焦量的测量精度不高的问题。

Description

振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法。
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上的装置，若想在硅片上得到具有较高精准度的投影图案时，必须用到自动调焦调平装置将硅片精确带入到指定的曝光位置。
美国专利US4558949中就记载了一种调焦调平检测装置，如图1所示。所述调焦调平检测装置包括：照明单元(101)、投影狭缝(102)、第一平面反射镜(103)、第二平面反射镜(105)、扫描反射镜(106)、探测狭缝(107)、及光电探测器(108)；其中，照明单元(101)出射的光，经投影狭缝(102)后由第一平面反射镜(103)反射至硅片表面(104)，形成投影光斑；硅片表面(104)将光反射至第二平面反射镜(105)；从第二平面反射镜(105)出射的光入射至扫描反射镜(106)上；扫描反射镜(106)作周期性简谐振动，对光信号进行调制，以提高测量信号的信噪比；扫描反射镜(106)的出射光经探测狭缝(107)，入射到光电探测器(108)上，光电探测器(108)再根据所接收到的光强大小输出相应的电压信号。由于扫描反射镜(106)的调制作用，光电探测器(108)最终输出的为周期性的动态电压信号。最后，通过对该动态电压信号结合扫描反射镜的反馈方波进行分析处理，实现硅片表面(104)离焦量的探测。而扫描反射镜作为调焦调平系统的调制基准，由于其长期处于工作状态，受温度，气压，湿度等因素的影响，常常出现扫描反射镜的运行稳定性差的现象，从而导致调焦调平检测装置对硅片表面离焦量的测量精度不高的问题。
图2为扫描反射镜在理想振幅和实际振幅时，解调量与离焦量之间关系曲线。如图2所示是采用了相位之差探测法，由图中可以明显看出扫描反射镜振幅的稳定性对离焦量的探测影响很大。因此，相位之差探测法存在一定的局限性。
为了提高调焦调平检测装置对硅片表面离焦量的测量精度，本领域技术人员一直在寻找满足这一需求的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法，以解决使用现有技术中由于扫描反射镜长期工作，使得其运行稳定性差，致使调焦调平检测装置对硅片表面离焦量的测量精度不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种振幅监测系统，所述振幅监测系统包括：扫描反射镜、及驱动所述扫描反射镜做简谐运动的控制模块；其中，
所述扫描反射镜上设置有光栅尺；所述光栅尺用于测量所述扫描反射镜的实时振动角度。
可选的，在所述的振幅监测系统中，所述光栅尺包括标尺光栅及与所述标尺光栅配合使用的光栅读数头。
可选的，在所述的振幅监测系统中，所述扫描反射镜的振动轴上刻蚀有所述标尺光栅。
可选的，在所述的振幅监测系统中，所述控制模块通过驱动线驱动扫描反射镜以固定的频率振动，所述光栅读数头用于读取所述扫描反射镜的实时振动角度，然后通过反馈线反馈到控制模块。
本发明提供还提供一种调焦调平装置，用于探测工件台的离焦量，所述调焦调平装置包括：如上所述的振幅监测系统，还包括照明单元、投影狭缝、反射镜、探测狭缝、光电探测器以及信号处理器，所述扫描反射镜用于作周期性简谐振动，从而对光信号进行调制。
本发明提供还提供一种离焦量探测方法，所述离焦量探测方法采用如上所述的调焦调平装置，所述扫描反射镜对光信号进行调制后由所述光电探测器接收，然后由所述信号处理器进行信号解调以及解调量的补偿，包括如下步骤：
步骤一、调整扫描反射镜的振幅处于理论振幅，并记录此时光电探测器输出的理论电压值；
步骤二、调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，同时步进工件台，并记录工件台的实时离焦量Hi；
步骤三、工件台步进结束后，根据所述补偿后的实时解调量Si和工件台的实时离焦量Hi建立数据库；
步骤四、实际测量时，实时采样所述扫描反射镜的实际振幅以及光电探测器输出的实际电压值，计算出补偿后的实际解调量Sk，利用线性插值法查找所述数据库，求出工件台的实际离焦量Hk。
可选的，在所述的离焦量探测方法中，步骤二中所述步进工件台之前，先将工件台移动到正离焦极限位置或负离焦极限位置。
可选的，在所述的离焦量探测方法中，步骤三中所述建立数据库时，选取所述实时解调量Si与实时离焦量Hi成线性关系的数值来建立。
可选的，在所述的离焦量探测方法中，所述扫描反射镜的振幅θ均通过采样扫描反射镜的的摆角α和β获得，即θ＝|α-β|/2，其中所述α和β分别对应扫描反射镜的反馈方波为上升沿和下降沿时的摆角；所述光电探测器输出的电压值均包括电压值A和B，分别对应扫描反射镜的反馈方波为上升沿和下降沿时光电探测器输出的电压值。
可选的，在所述的离焦量探测方法中，所述步骤二中调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si具体为：
以扫描反射镜的理论振幅θ0为中心，单步调整扫描反射镜的振幅，使其从振幅下限变化到振幅上限，在每一步中采样当前扫描反射镜的实时振幅θi以及光电探测器输出的实时电压值Ai和Bi；
求出Mi＝θi/θ0，以及Ni＝(Ai+Bi)/(A0+B0)，以Mi为自变量，Ni为因变量，拟合多项式Ni＝f(Mi)，其中，A0和B0为光电探测器输出的理论电压值；
根据所述θi，Ai，Bi，θ0，A0，B0以及多项式的系数，计算出补偿后的实时解调量Si＝(Ai-Bi)*f(θi/θ0)/(Ai+Bi)。
在本发明所提供的振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法中，调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，并记录工件台的实时离焦量Hi，根据所述补偿后的实时解调量Si和工件台的实时离焦量Hi建立数据库；实际测量时，实时采样所述扫描反射镜的实际振幅以及光电探测器输出的实际电压值，计算出补偿后的实际解调量Sk，利用线性插值法查找所述数据库，求出工件台的实际离焦量Hk；避免了由于扫描反射镜长期工作，出现稳定性差的现象，导致调焦调平检测装置对硅片表面离焦量的测量精度不高的问题。
附图说明
图1为美国专利US4558949中记载的调焦调平检测装置；
图2为扫描反射镜在理想振幅和实际振幅时，解调量与离焦量之间关系曲线；
图3为振幅监测系统结构简图；
图4为扫描反射镜调制下，不同时刻光斑与狭缝之间的相对关系图；
图5为扫描反射镜的反馈方波、光电探测器输出的实时电压值及扫描反射镜的实时振幅θi之间的关系仿真图；
图6为本发明一实施例中离焦量探测方法的流程图；
图7为利用调焦调平装置计算出补偿后的实时解调量Si的流程图；
图8为建立数据库的流程图；
图9为利用离焦量探测方法前后离焦量的精度对比图。
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振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测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。
请参考图3，其为本发明中振幅监测系统结构简图，如图3所示，所述的振幅监测系统，包括：扫描反射镜201、及驱动所述扫描反射镜201做简谐运动的控制模块200；其中，所述扫描反射镜201上设置有光栅尺204；所述光栅尺204用于测量所述扫描反射镜的实时振动角度。
本实施例中，所述光栅尺204包括标尺光栅203及与所述标尺光栅203配合使用的光栅读数头202；其中，所述扫描反射镜201的振动轴上刻蚀有所述标尺光栅203，所述控制模块200通过驱动线驱动扫描反射镜201以固定的频率振动，所述光栅读数头202用于读取所述扫描反射镜201的实时振动角度，然后通过反馈线反馈到控制模块200。
可选地，该扫描反射镜还可以应用于其它领域需要运用到扫描反射镜的光学检测设备中，并不局限于半导体制造领域。
本实施例还提供了一种调焦调平装置，用于探测工件台的离焦量，其主要包括：如上所述的振幅监测系统、照明单元、投影狭缝、反射镜、探测狭缝、光电探测器以及信号处理器，所述扫描反射镜201用于作周期性简谐振动，从而对光信号进行调制。
相应的，本实施例还提供了一种离焦量探测方法，其采用如上所述的调焦调平装置，所述扫描反射镜201对光信号进行调制后由所述光电探测器接收，然后由所述信号处理器进行信号解调以及解调量的补偿。下面参考图6，其为本发明一实施例中离焦量探测方法的流程图。如图6所示，所述离焦量探测方法的具体步骤如下：
首先，执行步骤S1，调整扫描反射镜的振幅处于理论振幅，并记录此时光电探测器输出的理论电压值。
接着，执行步骤S2，调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，同时步进工件台，并记录工件台的实时离焦量Hi。其中，所述步进工件台之前，先将工件台移动到正离焦极限位置或负离焦极限位置。
本实施例中，所述扫描反射镜的振幅θ均通过采样扫描反射镜的的摆角α和β获得，即θ＝|α-β|/2，其中所述α和β分别对应扫描反射镜的反馈方波为上升沿和下降沿时的摆角；所述光电探测器输出的电压值均包括电压值A和B，分别对应扫描反射镜的反馈方波为上升沿和下降沿时光电探测器输出的电压值。
请参照图5，其为扫描反射镜的反馈方波、光电探测器输出的实时电压值及扫描反射镜的实时振幅θi之间的关系仿真图。这里所说的反馈方波即同步方波；光电探测器输出的实时电压值为Ai和Bi；其中，扫描反射镜的实时振幅θi＝|αi-βi|/2。图5仅显示扫描反射镜的反馈方波的一个振动周期内的情况。
请继续参照图5及图7，其中图7为利用调焦调平装置计算出补偿后的实时解调量Si的流程图(即图6中的步骤S2)。如图7所示，调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，包括如下步骤：
首先，执行步骤S100，以扫描反射镜的理论振幅θ0为中心，单步调整扫描反射镜的振幅，使其从振幅下限变化到振幅上限，在每一步中采样当前扫描反射镜的实时振幅θi以及光电探测器输出的实时电压值Ai和Bi；
接着，执行步骤S101，求出Mi＝θi/θ0，以及Ni＝(Ai+Bi)/(A0+B0)，以Mi为自变量，Ni为因变量，拟合多项式Ni＝f(Mi)，其中，A0和B0为光电探测器输出的理论电压值；
接着，执行步骤S102，根据所述θi，Ai，Bi，θ0，A0，B0以及多项式的系数，计算出补偿后的实时解调量Si＝(Ai-Bi)*f(θi/θ0)/(Ai+Bi)。
接着，执行步骤S3，工件台步进结束后，根据所述补偿后的实时解调量Si和工件台的实时离焦量Hi建立数据库。
较佳的，所述建立数据库时，选取所述实时解调量Si与实时离焦量Hi成线性关系的数值来建立。
请参考图8，其为建立数据库的流程图。由图8所示，首先，执行步骤S200，根据理想离焦量Ho,将工件台移动到正离焦极限位置或负离焦极限位置；接着，执行步骤S201，步进所述工件台，求出补偿后的实时解调量Si；接着，执行步骤S202，读取此时工件台的实时离焦量Hi(即高度值Hi)；接着，执行步骤S203，判断读取的实时离焦量Hi是否已超出理想量Ho的测量范围，如果没有超过，则重复执行步骤S201；如果超过了测量范围，则开始执行步骤S204，选取补偿后的所述实时解调量Si与所述实时离焦量Hi成线性关系的数值，建立数据库。
接着，执行步骤S4，实际测量时，实时采样所述扫描反射镜的实际振幅以及光电探测器输出的实际电压值，计算出补偿后的实际解调量Sk，利用线性插值法查找所述数据库，求出工件台的实际离焦量Hk。
具体的，在实际测量离焦量时，需要依据步骤S100-S102中的内容算出实际补偿后的解调量Sk，再利用线性插值法查找已建立的数据库，求出实际离焦量Hk，此时求出的Hk由于是建立在步骤S3中建立的数据库的基础上的，从而提高了离焦量的测量精准度。较佳的，请参考图9，其为利用离焦量探测方法前后离焦量的精度对比图。由图9所示，可以清晰的看到离焦量的精度值变化幅度变小，说明本发明所提出的离焦量探测方法较大的提高了离焦量的探测精度。
为了较好的消除扫描反射镜振幅不稳定对测量精度的影响，请参考图4,其为扫描反射镜调制下，不同时刻光斑与狭缝之间的相对关系图。如图4所示，设探测狭缝的宽度为d，长度为L,经过扫描反射镜调制，使投影光斑相对于探测狭缝沿宽度d方向以d/2上下振动，在不同时刻，光斑相对于狭缝的位置关系。一般来说，由于扫描反射镜的振动频率都很高，因此，在一个振动周期内，A点，B点的扫描反射镜摆角可以认为大小相等，符号相反。因此，扫描反射镜的振幅θ的变化对电压值(A-B)没有影响，只对电压值(A+B)有影响。且扫描反射镜的实时振幅θi相对于扫描反射镜的理论振幅θ0的比值Mi与实际电压值(Ai+Bi)相对于理论电压值(A0+B0)的比值Ni之间存在一一映射关系。因此，若能够实时监测到扫描反射镜的实时振幅θi，就可以预先标定出Mi与Ni之间的函数关系,即拟合多项式Ni＝f(Mi)。后续自标定测量时，再根据监测到扫描反射镜的实时振幅θi以及实际采样的实时电压值(Ai+Bi)通过已计算出的拟合多项式Ni＝f(Mi)，反算出理想情况下的电压值(A+B)，即可消除扫描反射镜振幅不稳定对测量精度的影响。
综上，在本发明所提供的振幅监测系统、调焦调平装置及离焦量探测方法中，调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，并记录工件台的实时离焦量Hi，根据所述补偿后的实时解调量Si和工件台的实时离焦量Hi建立数据库；实际测量时，实时采样所述扫描反射镜的实际振幅以及光电探测器输出的实际电压值，计算出补偿后的实际解调量Sk，利用线性插值法查找所述数据库，求出工件台的实际离焦量Hk；避免了由于扫描反射镜长期工作，出现稳定性差的现象，导致调焦调平检测装置对硅片表面离焦量的测量精度不高的问题。
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 (10)

1.一种振幅监测系统，其特征在于，包括：扫描反射镜、及驱动所述扫描反射镜做简谐运动的控制模块；其中，
所述扫描反射镜上设置有光栅尺；所述光栅尺用于测量所述扫描反射镜的实时振动角度。
2.如权利要求1所述的振幅监测系统，其特征在于，所述光栅尺包括标尺光栅及与所述标尺光栅配合使用的光栅读数头。
3.如权利要求2所述的振幅监测系统，其特征在于，所述扫描反射镜的振动轴上刻蚀有所述标尺光栅。
4.如权利要求3所述的振幅监测系统，其特征在于，所述控制模块通过驱动线驱动扫描反射镜以固定的频率振动，所述光栅读数头用于读取所述扫描反射镜的实时振动角度，然后通过反馈线反馈到控制模块。
5.一种调焦调平装置，用于探测工件台的离焦量，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的振幅监测系统，还包括照明单元、投影狭缝、反射镜、探测狭缝、光电探测器以及信号处理器，所述扫描反射镜用于作周期性简谐振动，从而对光信号进行调制。
6.一种离焦量探测方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的调焦调平装置，所述扫描反射镜对光信号进行调制后由所述光电探测器接收，然后由所述信号处理器进行信号解调以及解调量的补偿，包括如下步骤：
步骤一、调整扫描反射镜的振幅处于理论振幅，并记录此时光电探测器输出的理论电压值；
步骤二、调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si，同时步进工件台，并记录工件台的实时离焦量Hi；
步骤三、工件台步进结束后，根据所述补偿后的实时解调量Si和工件台的实时离焦量Hi建立数据库；
步骤四、实际测量时，实时采样所述扫描反射镜的实际振幅以及光电探测器输出的实际电压值，计算出补偿后的实际解调量Sk，利用线性插值法查找所述数据库，求出工件台的实际离焦量Hk。
7.如权利要求6所述的离焦量探测方法，其特征在于，步骤二中所述步进工件台之前，先将工件台移动到正离焦极限位置或负离焦极限位置。
8.如权利要求6所述的离焦量探测方法，其特征在于，步骤三中所述建立数据库时，选取所述实时解调量Si与实时离焦量Hi成线性关系的数值来建立。
9.如权利要求6所述的离焦量探测方法，其特征在于，所述扫描反射镜的振幅θ均通过采样扫描反射镜的的摆角α和β获得，即θ＝|α-β|/2，其中所述α和β分别对应扫描反射镜的反馈方波为上升沿和下降沿时的摆角；所述光电探测器输出的电压值均包括电压值A和B，分别对应扫描反射镜的反馈方波为上升沿和下降沿时光电探测器输出的电压值。
10.如权利要求9所述的离焦量探测方法，其特征在于，所述步骤二中调整所述扫描反射镜的振幅，采样扫描反射镜的实时振幅以及光电探测器输出的实时电压值，计算出补偿后的实时解调量Si具体为：
以扫描反射镜的理论振幅θ0为中心，单步调整扫描反射镜的振幅，使其从振幅下限变化到振幅上限，在每一步中采样当前扫描反射镜的实时振幅θi以及光电探测器输出的实时电压值Ai和Bi；
求出Mi＝θi/θ0，以及Ni＝(Ai+Bi)/(A0+B0)，以Mi为自变量，Ni为因变量，拟合多项式Ni＝f(Mi)，其中，A0和B0为光电探测器输出的理论电压值；
根据所述θi，Ai，Bi，θ0，A0，B0以及多项式的系数，计算出补偿后的实时解调量Si＝(Ai-Bi)*f(θi/θ0)/(Ai+Bi)。
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