CN106325000A - 一种位置测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位置测量系统，用于测量标记自动对准，其特征在于，包括：一照明光学系统，用于提供一投射至所测量标记上的照明光束；一投影光学系统，用于引导所述包括测量标记信息的照明光束至一待测物体表面；一探测光学系统，用于接收包括所述测量标记信息的照明光束经所述待测物体表面反射的反射光并投射至一探测标记上；一图像采集与处理单元，用于采集所述测量标记经所述投影光学系统、探测光学系统后所成的像，并根据所述像获取所述测量标记的偏差信息；一控制单元，用于根据所述偏差信息控制一驱动单元，所述驱动单元与一调整单元连接，所述调整单元根据所述偏差信息驱动所述驱动单元以调整所述测量标记的像。

Description

一种位置测量系统

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种位置测量系统。

背景技术

为满足集成电路越来越窄的线宽需求，需要不断减小光刻机投影物镜的工作波长、增大其数值孔径以获取更高的分辨率。然而，随着投影物镜工作波长不断减小、数值孔径不断增大，其焦深也愈来愈小，这就需要不断提高对硅片面垂向位置的测量精度，以使其精确地处于投影物镜的最佳焦平面上。目前用于硅片面垂向位置测量的传感器大多采用光电式测量方法，通常的做法是：产生按一定规律排列的测量标记，通过投影光学系统将其投影在硅片面或其它待测物体的表面上，这些标记称为投影标记；投影标记经过硅片面或其它待测物体表面反射进入探测光学系统，最后到达探测标记面；投影标记与探测标记的相对位置偏差可以产生光强信息，根据光电传感器探测到的光强信息可以计算出投影标记与探测标记的相对位置偏差，进而计算出硅片面的位置信息；通过位置信息的变化可以计算出硅片面的垂向位移Z和倾斜Tx、Ty；控制系统根据这些信息控制承载硅片的工件台的运动，最终使硅片处于投影物镜的最佳焦平面上。

为获取精确的测量结果及足够大的测量量程，需要零位校准，即在位置测量传感器工作前或工作间隙在探测标记面将投影标记与探测标记精确对准，使其具有相同的位置、方向并且在测量方向上具有相同的宽度。但位置测量传感器的通常很长，由于空间结构受限，其光路结构十分曲折复杂，众多折射、反射、衍射和偏振光学元件的制造和装配公差以及变化的工作环境致使无法将投影标记与探测标记精确对准。为解决这一问题，需要在光路中加入或一些可以调整倍率、平移、倾斜、旋转、数值孔径或F数、离焦、畸变和单点像差的调整单元或使光路中的某些元件具有调整倍率、平移、倾斜、旋转、数值孔径或F数、离焦、畸变和单点像差的功能，以补偿所述制造与装配公差以及工作环境的变化从而使投影标记与探测标记精确对准，以实现零位校准。

然而为使投影标记与探测标记精确对准目前通常采用离线手动的方式、只有极少数元件可以在整机集成时或光刻机工作时可以自动调整，这种调整方式强烈地依赖于光机装配工程师的经验和运气，调整时间长、效率低、需要多次反复，大大制约了位移传感器乃至整个光刻机的产品化进程。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种实时、自动精确的测量标记自动对准系统。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种测量标记自动对准的位置测量系统，用于测量标记自动对准，其特征在于，包括：一照明光学系统，用于提供一投射至所测量标记上的照明光束；一投影光学系统，用于引导所述包括测量标记信息的照明光束至一待测物体表面；一探测光学系统，用于接收包括所述测量标记信息的照明光束经所述待测物体表面反射的反射光并投射至一探测标记上；一图像采集与处理单元，用于采集所述测量标记经所述投影光学系统、探测光学系统后所成的像，并根据所述像获取所述测量标记的偏差信息；一控制单元，用于根据所述偏差信息控制一驱动单元，所述驱动单元与一调整单元连接，所述调整单元根据所述偏差信息驱动所述驱动单元以调整所述测量标记的像。

更进一步地，还包括一中继光学系统和一光电探测器，用于实现所述待测物体表面的零位校准，所述探测光学系统的出射光依次进入所述中继光学系统和所述光电探测器。

更进一步地，所述调整单元内嵌于所述投影光学系统及所述探测光学系统之内。

更进一步地，所述调整单元独立于所述投影光学系统及所述探测光学系统之外。

更进一步地，所述调整单元按光线传播的方向依次包含第一至第六调整单元。

更进一步地，所述第一、第二第三调整单元分别与第四、第五、第六调整单元结构一致。

更进一步地，所述第一、第二、第五、第六调整单元用于调整所述测量标记的像的远心、旋转和弓变形，所述第三、第四调整单元用于调整所述测量标记的倍率和畸变。

更进一步地，所述第一、第二、第五、第六调整单元均包括一双光楔和平板，所述双光楔用于粗调，所述平板用于精调。

更进一步地，所述第三、第四调整单元均包括一弱光焦度透镜。

更进一步地，所述测量标记为一矩形集。

与现有技术相比较，可以大幅度缩减位移测量系统的装配与集成时间、提高位移测量系统上整机后的调整自由度、节约整机测校时间、加快分系统与整机的产品化步伐。

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是用于位置测量系统的测量标记的结构示意图；

图2是光学元件的制造和装配公差导致的测量标记变化的结构示意图；

图3是本发明所涉及的测量标记自动对准的位置测量系统的第一实施例的结构示意图；

图4是本发明所涉及的测量标记自动对准的位置测量系统的第二实施例的结构示意图。

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。

图1是用于位置测量系统的测量标记的结构示意图。如图1所示，该测量标记为矩形集，即若干形状大小的矩形沿同一方向、位置、角度排列。

图2是光学元件的制造和装配公差导致的测量标记变化的结构示意图。以下将结合附图说明测量标记的变化过程。

如图2所示，其中a图表示在测量方向，以图1所示的中心光斑为中心在测量方向上的整场缩放。具体而言可以通过位置测量系统的调整单元和实现箭头方向的缩放调整。图2的b图是整场缩放，包括测量方向和非测量方向，由投影或探测子光学系统的倍率决定。图2的c图是整场旋转，只需使被投影标记面或探测标记面绕各自的法线旋转即可，其旋转角度与整场旋转角度相同。图2的d图是弓变形，与镜组间的相对偏心有关。图2的e图是梯形变形，梯形变形通常与光学系统的远心度有关。

本发明所提供的位置测量系统通过测量标记所成的像与其名义位置、形状的偏差和/或像差，根据这些偏差信息调整位置系统的各个单元，最后使测量标记所成的像与其名义位置和形状的偏差和/或像差在测量精度所允许的范围内。

图3是本发明所涉及的测量标记自动对准的位置测量系统的第一实施例的结构示意图。如图3所示，该位置测量系统包括光源20、测量标记81、光学系统40、图像采集与处理单元90、主控制单元10、驱动单元71-76和调整单元41-43、64-66。

照明光学系统30为测量标记提供照明，投影光学系统40将测量标记81投影至待测物体50表面，经待测物体50表面反射后进入到探测光学系统60，经探测光学系统60统到达探测标记所在的平面。探测标记82作为测量标记名义位置和形状的参考，图像采集与处理单元90可以同时采集投影标记81与探测标记82的透射光。

图像采集与处理单元90与主控制单元10相连。主控制单元10与驱动单元相连，驱动单元71-73与调整单元41-43相连。驱动单元74-76与调整单元64-66相连。调整单元41-43内嵌或独立于光学系统40中；调整单元64-66内嵌或独立于光学系统60中。

图像采集与处理单元90采集测量标记通过光学系统所成的像82，通过图像处理获取测量标记所成的像与其名义位置、形状的偏差和/或像差，将这些偏差信息传递给主控制单元10。主控制单元10根据所获得的偏差信息发送调整指令至与调整单元相连的驱动单元71-76。调整单元在驱动单元的驱动下执行调整指令；最后使测量标记所成的像与其名义位置和形状的偏差和/或像差在测量精度所允许的范围内。

当光学元件的制造和装配公差导致的测量标记的像发生变形时，内嵌或独立于测量光学系统的调整单元可以实现对倍率、平移、倾斜、旋转、数值孔径或F数、离焦、畸变和单点像差中的一种或几种或所有进行调整。

如图3所示，调整单元41、42、43内嵌于投影光学系统40中，调整单元64、65、66内嵌于探测光学系统60。调整单元41、42、65和66由楔板组和平板构成，可以调整远心、旋转、弓变形和梯形变形；调整单元43、64可以调整倍率和畸变。其中调整单元41和66用来实现在测量方向，以图1所示的中心光斑为中心在测量方向上的整场缩放。其中调整单元41和66均包括双光楔和平板，其中双光楔用于粗调，平板用于精调。双光楔绕在纸面的轴转动，两个光楔的转动角之和为π，设其中一个转角为A，则：

其中为整场宽度的变化量，f为焦距，θ为主光线在被测面的入射角，α光楔的楔角，上式对于满足Scheimpflug条件的双远心光学系统成立。因此只需自动调整光楔转角A和π-A即可实现在测量方向上的缩放。

其中调整单元43和/或调整单元64用于实现测量方向和非测量方向的整场缩放。调整单元43以及调整单元64通常包括一个可以沿光轴方向移动的弱光焦度透镜。

弓变形与镜组间的相对偏心有关，计算式为：，其中Decenter_y为镜组间的偏心量，c是待标定的常数，与光学系统自身的结构有关。通过使调整单元42、65中平板绕垂直于纸面的轴旋转，可以调整镜组间的偏心量，从而可以矫正弓变形。，其中d为平板的厚度，I为平板的旋转角度。

在实际调整过程中，总是通过获得的图像，通过数字图像处理计算各个变形量，进而反算调整单元的调整量.

图4是本发明所涉及的测量标记自动对准的位置测量系统的第二实施例的结构示意图。与图3所提供的第一实施例相比较，包括一中继光学系统11透过投影标记81与探测标记82的交集的光经过中继光学系统11到达光电探测器95上，光电探测器95根据光强信息计算待测物体的位置。

照明光学系统30为测量标记提供照明，投影光学系统40将测量标记投影81至待测物体50表面，经待测物体50表面反射后进入到探测光学系统60，经探测光学系统60统到达探测标记所在的平面。一部分光透过探测标记82的投影标记光(即透过投影标记与探测标记的交集的光)经过中继光学系统11到达光电探测器95上，光电探测器95根据光强信息计算待测物体50的位置；在探测面被反射的光则用于零位校准最终被图像采集与处理单元90采集到，用于计算所述位置、形状偏差和像差等。该方案可用于光刻机工作间隙时的测量光斑零位校准。

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)

1.一种位置测量系统，用于测量标记自动对准，其特征在于，包括：

一照明光学系统，用于提供一投射至所测量标记上的照明光束；

一投影光学系统，用于引导所述包括测量标记信息的照明光束至一待测物体表面；

一探测光学系统，用于接收包括所述测量标记信息的照明光束经所述待测物体表面反射的反射光并投射至一探测标记上；

一图像采集与处理单元，用于采集所述测量标记经所述投影光学系统、探测光学系统后所成的像，并根据所述像获取所述测量标记的偏差信息；

一控制单元，用于根据所述偏差信息控制一驱动单元，所述驱动单元与一调整单元连接，所述调整单元根据所述偏差信息驱动所述驱动单元以调整所述测量标记的像。

2.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，还包括一中继光学系统和一光电探测器，用于实现所述待测物体表面的零位校准，所述探测光学系统的出射光依次进入所述中继光学系统和所述光电探测器。

3.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述调整单元内嵌于所述投影光学系统及所述探测光学系统之内。

4.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述调整单元独立于所述投影光学系统及所述探测光学系统之外。

5.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述调整单元按光线传播的方向依次包含第一至第六调整单元。

6.如权利要求5所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一、第二第三调整单元分别与第四、第五、第六调整单元结构一致。

7.如权利要求5所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一、第二、第五、第六调整单元用于调整所述测量标记的像的远心、旋转和弓变形，所述第三、第四调整单元用于调整所述测量标记的倍率和畸变。

8.如权利要求5所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一、第二、第五、第六调整单元均包括一双光楔和平板，所述双光楔用于粗调，所述平板用于精调。

9.如权利要求5所述的位置测量系统，其特征在于，所述第三、第四调整单元均包括一弱光焦度透镜。

10.如权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述测量标记为一矩形集。