CN105988295A - 一种调焦调平装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调焦调平装置，包括：一照明单元，用于输出多路照明光束；一投影单元，用于将该多路照明光束依次引导至被测硅片上的多个不同的测量标记；一探测单元，用于依次接受该多个不同的测量标记的反射光。本发明同时公开一种调焦调平测量方法。

Description

一种调焦调平装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种调焦调平装置及测量方法。

背景技术

在投影光刻机中，掩模上的图案通过物镜投影到硅片面上。因此，在投影曝光设备中，必须有调焦调平系统，精确的测量并控制硅片面的垂向位置及水平姿态。目前比较常用的实现该系统的方案是非接触式光电测量技术，其共同点为测量系统中光学部分都采用了满足Scheimpflug条件（倾斜的物成倾斜的像满足的条件）的光学结构。这种结构可以是标记在硅片面上清晰成像，并可以降低测量误差，提高测量精度。这种光电测量的基本原理为，利用光学照明系统和投影系统，将光斑照射到硅片表面，并利用成像和探测系统去探测硅片面反射的光斑。当硅片面的高度和倾斜发生变化时，从硅片表面反射的光斑位置或者光斑探测信号规律发生变化，通过检测光斑位置变化的信息，或者光斑探测信号规律变化信息，就可以获得硅片表面高度和倾斜的信息。

美国专利US5414515所采用的调焦调平测量装置，设计成单个支路，多个测量光斑，满足一定测量视场范围的需求，采用单个照明支路，多个探测支路，以及与多个光斑分别对应的多个CCD技术。该方案所使用的CCD数量较多，对应的图像采集卡及线缆也会增加，因此成本较高，且CCD数量多会造成空间约束。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种成本降低，结构紧凑的调焦调平装置及使用该调焦调平装置测量的方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种调焦调平装置，包括：一照明单元，用于输出多路照明光束；一投影单元，用于将该多路照明光束依次引导至被测硅片上的多个不同的测量标记；一探测单元，用于依次接受该多个不同的测量标记的反射光。

更进一步地，该照明单元输出多路照明光束由多个独立照明光源以输出；或者由同一个光源，通过多束光线分束器用以输出的多个分离照明光源。

更进一步地，该投影单元和探测单元均包括补偿棱镜，该投影单元的该补偿棱镜用于将该多路照明光束引出，该探测单元的该补偿棱镜用于将该引出的多路照明光束对应收集。

更进一步地，该投影单元还包括斩波器和标记板，该标记板上有多个位置不在同一直径上的测量标记，该斩波器用以实现将经过该多个测量标记后的该多路照明光束，依次透射给该投影单元的该补偿棱镜。

更进一步地，该探测单元包括一个CCD相机，该一个CCD相机能够依次接受该多路照明光束经过该被测硅片上的该多个不同的测量标记形成的该反射光。

更进一步地，该探测单元沿光线传播的方向依次包括第一探测透镜组、孔径光阑、第二探测透镜组、补偿棱镜、半透半反射镜组、中继透镜组、柱面镜组。

更进一步地，该探测单元还包括偏振分束棱镜组、和在该偏振分束棱镜22上粘接的1/2波片，该偏振分束棱镜组和1/2波片位于该补偿棱镜和半透半反射镜组之间。

更进一步地，该照明光束为偏振S光线。

更进一步地，该补偿棱镜由2个截面为梯形的棱镜和至少1个截面为平行四边形的棱镜组成，在该2个梯形棱镜和至少1个平行四边形棱镜的接缝面上有与该多个测量标记对应的金属镀膜，某个该金属镀膜反射对应的一路该照明光束。

本发明同时公开一种调焦调平测量方法，用于测量被测硅片表面的垂向位置和水平姿态，其特征在于:利用多路照明光束以照射每一测量标记，使该每一测量标记投影成像至一被测硅片表面，并形成多个测量光斑；测量该测量光斑经过该被测硅片表面的反射后的探测光斑；该测量标记所在平面和该探测光斑所在的平面均与光轴垂直。

本发明的技术方案与现有技术方案相比，能够实现单个测量标记的单独照明，需求照明视场明显减小，便于透镜加工，降低透镜成本。通过对照明光束进行分时调制，利用CCD分时采集，可以利用同一个CCD前中继光路和同一个CCD进行多个测量点的测量。减少了CCD相机的数量，相应配套硬件的成本大幅度降低，同时使调焦调平装置的结构明显减小，空间更加紧凑，有利于实现小型化。

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是本发明所涉及的调焦调平装置的结构示意图；

图2是补偿棱镜的等效原理图；

图3是本发明所涉及的调焦调平装置的实现不同测量光束共轴的光学原理示意图；

图4是本发明补偿棱镜第一个实施例截面示意图；

图5是本发明补偿棱镜第一个实施例结构示意图；

图6是本发明补偿棱镜第二个实施例结构示意图；

图7是本发明所涉及的调焦调平装置的测量标记板标记分布示意图；

图8是本发明所涉及的调焦调平装置的光学斩波器的结构示意图；

图9是本发明所涉及的调焦调平装置的第二实施方式的结构示意图；

图10是本发明所涉及的调焦调平装置的利用偏振分束棱镜组及反射镜组实现探测光束共轴的结构示意图。

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。

如图1所示，照明单元包括照明光源1，照明透镜2。照明光源可以是多个独立光源，也可以是同一个光源，通过多束光线输出形成多个分离照明光源，进而照射不同的测量标记。由于每个测量标记为单独照明，因此照明光路采用小视场照明。

投影单元包括投影标记板3，斩波器4，补偿棱镜5及投影镜组（投影透镜组一6、孔径光阑7、投影透镜组二8）。投影标记板3上可在不同区域分布多个测量标记，如图7所示，以实现多点测量。斩波器4用以实现不同测量标记透过的光束分时通过，如图8所示，斩波器通过控制模块实现频率控制。测量光斑光束的分时通过，也可以用光电快门实现。补偿棱镜5用来使与光轴垂直放置的投影标记板满足Scheimpflug条件，同时使光机结构更加紧凑；补偿棱镜的等效光路结构如图2所示。

如图3所示，探测单元包括探测镜组（探测透镜组一11、孔径光阑12、探测透镜组13），补偿棱镜15，CCD前中继光路（半透半反透镜组16，中继透镜组17，柱面镜组18，CCD相机19）。探测镜组实现被测硅片表面反射的光斑信息，并使其通过补偿棱镜15后成像至CCD前中继光路物面。补偿棱镜15实现像面的Scheimpflug条件（斜物成斜像，保证物面的每一个物点到对应共轭像面的像点的光程都相等，也就是每个物点都能成清晰像不会有弥散现象）。

在第一个实施例中，补偿棱镜15由2个截面为梯形的棱镜151、154和2个截面为平行四边形的棱镜152、153组成，如图4所示，所述2个梯形棱镜和2个平行四边形棱镜的接缝面为14（其中接缝面为3个）。在第一个实施例中，补偿棱镜15由2个截面为梯形的棱镜151、154和1个截面为平行四边形的棱镜152组成，棱镜中具有金属镀膜，金属镀膜起到反射光线的作用，结构如图5所示，151中的金属镀膜100, 152中的金属镀膜200, 154中的金属镀膜300。

在第二个实施例中，如图6所示，151、153中有一个金属镀膜,152中有三个金属镀膜，5个镀膜不前后遮挡，其中接缝面也为3个。

第三实施例为，补偿棱镜由2个截面为梯形的棱镜和1个截面为平行四边形的棱镜组成，其中接缝面为2个，无图示。

图3所示，半透半反平面镜组16-a、16-b、16-c实现多个探测光束光轴的共面、共线，中继透镜组17，柱面镜组18可实现探测光斑的放大，从而提高测量精度。最终各个测量光斑均被同一个CCD相机19收集。

根据测量光斑能量的需求，半透半反平面镜组可以采用不同的透过率、反射率组合。如在图3所示，在利用全反平面反射镜组使3个光轴不共面的光轴实现共面后，可用3片不同透过率、反射率平面镜的组合，实现3个光斑能量分配均匀，如16-a’反射镜表面反射率可接近100%；第二片平面反射镜16-b’的反射率可为1/2，透过率可为1/2；第三面平面反射镜16-c’的反射率可为1/3，透过率可为2/3。最终实现三个反射光束能量均为输入光能量的1/3；对于n个测量点，可依次类推。由于使用半透半反平面镜组实现共面、共线过程中，也会引入一定量的光程补偿，因此，补偿棱镜15的补偿光程需要相应的减去半透半反平面镜调整光轴时引入的光程差。

本装置的使用方法如下：

测量过程中，装置的斩波器通过控制模块调制，使照明光束周期性的通过，并最终周期性的成像在CCD靶面。同时，通过控制模块，同步的采集CCD靶面的探测信号，后经过计算机分时解调，获得每一个测量点的位置信息，最后计算出被测硅片面的垂向位置和水平姿态。

若装置采用分立光源，则可通过对光源输出光能量进行周期性调制，实现各个测量标记的分时照明，在这种装置中，可以免去斩波器。以三个测量标记为例，三个照明光源的输出光能量可以按照如图9所示的时序周期进行调制。

如图9所示，为该装置的另一种实例，本实例中，利用偏振分束棱镜组22、波片23与反射镜组16结合的方式实现探测光束的共轴。使用偏振分束棱镜需要使照明光束为线偏振光，这个可以通起偏器实现。本例中假定照明光源为S线偏振。

图10为偏振分束棱镜组22与反射镜组16的详图，根据实际光路结构，可在需要的偏振分束棱镜22上粘接1/2波片23来改变线偏振光的偏振方向，从而实现透射或者反射。

使用偏振分束棱镜、波片、反射镜的组合可以少许提高能量利用率。如在本例中，CCD相机最终接受的三束探测光束的能量能够接近入射光能的一半。但是与实例1采用反射镜实现共轴的方案相比，采用偏振分束棱镜组合的方式，光机结构会相对复杂，元件数量有所增加。

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 (10)

1.一种调焦调平装置，其特征在于，包括：

一照明单元，用于输出多路照明光束；

一投影单元，用于将所述多路照明光束依次引导至被测硅片上的多个不同的测量标记；

一探测单元，用于依次接受所述多个不同的测量标记的反射光。

2.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述照明单元输出多路照明光束由多个独立照明光源以输出；或者由同一个光源，通过多束光线分束器用以输出的多个分离照明光源。

3.如权利要求1所述的调焦调平装置，其特征在于，所述投影单元和探测单元均包括补偿棱镜，所述投影单元的所述补偿棱镜用于将所述多路照明光束引出，所述探测单元的所述补偿棱镜用于将所述引出的多路照明光束对应收集。

4.如权利要求3所述的调焦调平装置，其特征在于，所述投影单元还包括斩波器和标记板，所述标记板上有多个位置不在同一直径上的测量标记，所述斩波器用以实现将经过所述多个测量标记后的所述多路照明光束，依次透射给所述投影单元的所述补偿棱镜。

5.如权利要求4所述的调焦调平装置，其特征在于，所述探测单元包括一个CCD相机，所述一个CCD相机能够依次接受所述多路照明光束经过所述被测硅片上的所述多个不同的测量标记形成的所述反射光。

6.如权利要求5所述的调焦调平装置，其特征在于，所述探测单元沿光线传播的方向依次包括第一探测透镜组、孔径光阑、第二探测透镜组、补偿棱镜、半透半反射镜组、中继透镜组、柱面镜组。

7.如权利要求6所述的调焦调平装置，其特征在于，所述探测单元还包括偏振分束棱镜组、和在所述偏振分束棱镜22上粘接的1/2波片，所述偏振分束棱镜组和1/2波片位于所述补偿棱镜和半透半反射镜组之间。

8.如权利要求7所述的调焦调平装置，其特征在于，所述照明光束为偏振S光线。

9.如权利要求4所述的调焦调平装置，其特征在于，所述补偿棱镜由2个截面为梯形的棱镜和至少1个截面为平行四边形的棱镜组成，在所述2个梯形棱镜和至少1个平行四边形棱镜的接缝面上有与所述多个测量标记对应的金属镀膜，某个所述金属镀膜反射对应的一路所述照明光束。

10.一种调焦调平测量方法，用于测量被测硅片表面的垂向位置和水平姿态，其特征在于:利用多路照明光束以照射每一测量标记，使所述每一测量标记投影成像至一被测硅片表面，并形成多个测量光斑；测量所述测量光斑经过所述被测硅片表面的反射后的探测光斑；所述测量标记所在平面和所述探测光斑所在的平面均与光轴垂直。