CN106931876A - 一种光栅式垂向位置测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光栅式垂向位置测量系统，沿光路传播方向，依次包括照明单元、成像单元和中继单元，所述成像单元包括投影分支和探测分支，所述投影分支具有投影狭缝，所述探测分支具有探测狭缝，其中该光栅式垂向位置测量系统还包括随机噪声产生装置，其设置于所述成像单元中。本发明提出一种光栅式垂向位置测量系统，降低测量结果对底层的工艺图形的依赖性，提高测量精度，从而提高垂向测量装置的工艺适应性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体及集成电路制造领域，且特别涉及一种光栅式垂向位置测量系统。
背景技术
光学位置测量的技术被越来越广泛应用于各种精加工设备中，相对于其他测量方法，光学测量有着非接触、高精度等诸多优点。作为精加工设备中核心设备的光刻机，更是把光学测量作为其所有位置测量的核心工具。
用于承载硅片和掩膜的工件台，一般来说其水平方向精度的要求要高于垂向精度的要求。但是随着工艺要求的日益提升，近年来也逐步要求工件台的垂向位置能够快速而精确地得到测量。
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工件表面垂向位置的测量精度。目前用于工件表面垂向位置测量的传感器大多采用光电测量：投影分支将按一定规律排列的测量狭缝成像在被测工件表面，形成测量光斑；测量光斑经待测物体表面反射后被探测光学系统二次成像到探测狭缝面；工件的垂向位置变化导致探测狭缝面上测量光斑相对于探测狭缝移动，透过探测狭缝的光强也随之线性变化；根据光强的变化可以反算出工件的垂向位置。
图1所示为现有技术中垂向位置测量系统结构示意图。如图1所示，待测工件表面通常涂有光刻胶，垂向测量装置需要测量光刻胶上表面的形貌，但光刻胶底层下面通常有高空间频率的工艺图形层，能够使入射到工艺图形层的光会发生衍射。图2所示为现有技术中工艺图层像与投影狭缝像的叠加示意图。如图2所示，工艺图形层借助直接反射光和衍射光成像到探测狭缝面，叠加到投影狭缝在探测狭缝面所成的像上，从而导致最终的测量光斑均匀性变差，破坏垂向位置与所探测到的光强之间的线性关系，导致测量结果强烈地依赖于底层的工艺图形，严重影响测量精度与重复性。
发明内容
本发明提出一种光栅式垂向位置测量系统，降低测量结果对底层的工艺图形的依赖性，提高测量精度，从而提高垂向测量装置的工艺适应性。
为了达到上述目的，本发明提出一种光栅式垂向位置测量系统，沿光路传播方向，依次包括照明单元、成像单元和中继单元，所述成像单元包括投影分支和探测分支，所述投影分支具有投影狭缝，所述探测分支具有探测狭缝，其中该光栅式垂向位置测量系统还包括随机噪声产生装置，设置于所述成像单元中；
所述投影狭缝被所述照明单元均匀照明后产生测量光和非测量光，其中
所述测量光被所述投影分支成像到待测工件表面，之后经所述待测工件表面反射后，被所述探测分支成像在所述探测狭缝面，形成投影狭缝像，所述投影狭缝像经过所述中继单元投射到光电探测器上；
所述非测量光经过所述随机噪声产生装置，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述待测工件的底层工艺图形层在所述探测狭缝面所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对所述投影狭缝在所述探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对所述底层工艺图形的依赖。
进一步的，所述随机噪声产生装置设置于所述投影分支中，所述非测量光经过位于所述投影分支的频谱面的所述随机噪声产生装置，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，之后到达所述待测工件的光刻胶底层下面的所述底层工艺图形层，被所述底层工艺图形层衍射，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述底层工艺图形层在所述探测狭缝面所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对所述投影狭缝在所述探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对所述底层工艺图形层的依赖。
进一步的，所述随机噪声产生装置设置于所述探测分支中，所述非测量光到达所述待测工件的光刻胶底层下面的所述底层工艺图形层后，其衍射光经过位于所述探测分支的频谱面的所述随机噪声产生装置，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述底层工艺图形层在所述探测狭缝面所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对所述投影狭缝在所述探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对底层工艺图形的依赖。
进一步的，所述照明单元为激光器。
进一步的，所述随机噪声产生装置的噪声产生区域大小可变。
进一步的，所述随机噪声产生装置设置有电动开关，用于调节所述随机噪声产生装置的噪声产生区域大小。
进一步的，所述随机噪声产生装置采用光刻工艺制成的石英玻璃，并通过所述光刻工艺调节不同区域的厚度，形成随机的透射率和折射率。
进一步的，所述光刻工艺采用二元光学光刻工艺。
进一步的，所述随机噪声产生装置采用液晶装置，所述液晶装置通过外部装置调节不同区域的随机透射率和折射率参数。
进一步的，所述随机噪声产生装置采用可编程透射式空间光调制器，所述可编程透射式空间光调制器每一个小单元通过改变入射到该小单元上的光束的振幅和相位，从而产生随机噪声。
本发明提出的光栅式垂向位置测量系统，通过在投影和/或在频谱面添加噪声的方法破坏被底层工艺图形不同角度衍射光之间的同相位关系，代之以随机的振幅和/或相位关系，从而降低底层工艺图形在探测狭缝面所成像的对比度，同时测量光(被光刻胶上表面反射的光)不应受到频谱面噪声的影响。本发明降低了测量结果对底层的工艺图形的依赖性，提高测量精度，从而提高垂向测量装置的工艺适应性。
附图说明
图1所示为现有技术中垂向位置测量系统结构示意图。
图2所示为现有技术中工艺图层像与投影狭缝像的叠加示意图。
图3所示为本发明较佳实施例的光栅式垂向位置测量系统结构示意图。
图4所示为本发明又一较佳实施例的光栅式垂向位置测量系统结构示意图。
图5a和图5b所示为本发明较佳实施例的随机振幅和随机相位分布示意图。
图6所示为本发明较佳实施例的随机噪声对工艺层成像的抑制效果示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。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率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图3和图4，图3所示为本发明较佳实施例的光栅式垂向位置测量系统结构示意图。图4所示为本发明又一较佳实施例的光栅式垂向位置测量系统结构示意图。本发明提出一种光栅式垂向位置测量系统，沿光路传播方向，依次包括照明单元100、成像单元200和中继单元300，所述成像单元200包括投影分支210和探测分支220，所述投影分支210具有投影狭缝211，所述探测分支220具有探测狭缝221，其中该光栅式垂向位置测量系统还包括随机噪声产生装置212，其设置于所述成像单元200中；
所述投影狭缝211被照明单元均匀照明后产生测量光和非测量光，其中所述测量光被投影分支210成像到待测工件500表面，之后经待测工件500表面反射后，被探测分支220成像在探测狭缝面221，形成投影狭缝像，所述投影狭缝像经过中继单元300投射到光电探测器400上；
所述非测量光经过随机噪声产生装置212，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述待测工件的底层工艺图形层520在探测狭缝面221所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对投影狭缝221在探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对底层工艺图形的依赖。
请参考图3，根据本发明较佳实施例，所述随机噪声产生装置212设置于所述投影分支210中，所述非测量光经过位于投影分支210频谱面的随机噪声产生装置212，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，之后到达光刻胶底层510下面的底层工艺图形层520，被所述底层工艺图形层520衍射(包括零级衍射，即反射)，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述底层工艺图形层520在探测狭缝面221所成的像对比度衰减，甚至几乎无法成像(对比度几乎为零)，从而减弱或消除底层工艺图形对投影狭缝221在探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对底层工艺图形层的依赖。
请参考图5a和图5b，图5a和图5b所示为本发明较佳实施例的随机振幅和随机相位分布示意图。图5a表示其振幅分布，其为高阶高斯函数与高斯随机噪声的乘积，中间白色区域为测量光经过的区域，不改变入射到噪声产生装置的振幅，图5b表示其相位分布。
请参考图4，图4所示为本发明又一较佳实施例的光栅式垂向位置测量系统结构示意图。本实施例中，所述随机噪声产生装置222设置于所述探测分支220中，所述非测量光到达所述待测工件的光刻胶底层下面的所述底层工艺图形层520后，其衍射光经过位于探测分支220频谱面的随机噪声产生装置222，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述底层工艺图形层520在探测狭缝面221所成的像对比度衰减，甚至几乎无法成像(对比度几乎为零)，从而减弱或消除底层工艺图形层对投影狭缝221在探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对底层工艺图形层的依赖。
根据本发明较佳实施例，所述照明单元为激光器。进一步的，所述随机噪声产生装置的噪声产生区域大小可变。所述随机噪声产生装置设置有电动开关，用于调节所述随机噪声产生装置的噪声产生区域大小，以适应工艺图形层空间频率变化较大的场合。
根据本发明较佳实施例，所述随机噪声产生装置采用光刻工艺制成的石英玻璃，并通过光刻工艺调节不同区域的厚度，形成随机的透射率和折射率。进一步的，所述石英玻璃的光刻工艺采用二元光学光刻工艺。通过光刻制成不同区域随机厚度的石英玻璃作为随机噪声产生装置，并设置于投影分支或探测分支。
所述随机噪声产生装置也采用液晶装置等透过率可变、折射率可变的元器件，所述液晶装置通过外部装置调节不同区域的随机透射率和折射率参数，并设置与投影分支或探测分支，通过调节液晶装置的参数可以将工艺图形层的影响降至最低。
进一步的，所述随机噪声产生装置采用可编程透射式空间光调制器，所述可编程透射式空间光调制器每一个小单元通过改变入射到该小单元上的光束的振幅和相位，从而产生随机噪声。
噪声可以最大程度降低测量结果对底层工艺图形的依赖性，换句话，噪声比任何有规则的相位、振幅调制更有利于提高工艺适应性，无论是高斯噪声、白噪声，或是其它概率密度分布的噪声，只是不同概率密度分布的噪声效果略有不同。
综上所述，本发明提出的光栅式垂向位置测量系统，通过在投影和/或在频谱面添加噪声的方法破坏被底层工艺图形不同角度衍射光之间的同相位关系，代之以随机的振幅和/或相位关系，从而降低底层工艺图形在探测狭缝面所成像的对比度，同时测量光(被光刻胶上表面反射的光)不应受到频谱面噪声的影响。本发明降低了测量结果对底层的工艺图形的依赖性，提高测量精度，从而提高垂向测量装置的工艺适应性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，沿光路传播方向，依次包括照明单元、成像单元和中继单元，所述成像单元包括投影分支和探测分支，所述投影分支具有投影狭缝，所述探测分支具有探测狭缝，其中该光栅式垂向位置测量系统还包括随机噪声产生装置，设置于所述成像单元中；
所述投影狭缝被所述照明单元均匀照明后产生测量光和非测量光，其中
所述测量光被所述投影分支成像到待测工件表面，之后经所述待测工件表面反射后，被所述探测分支成像在所述探测狭缝面，形成投影狭缝像，所述投影狭缝像经过所述中继单元投射到光电探测器上；
所述非测量光经过所述随机噪声产生装置，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述待测工件的底层工艺图形层在所述探测狭缝面所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对所述投影狭缝在所述探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对所述底层工艺图形的依赖。
2.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置设置于所述投影分支中，所述非测量光经过位于所述投影分支的频谱面的所述随机噪声产生装置，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，之后到达所述待测工件的光刻胶底层下面的所述底层工艺图形层，被所述底层工艺图形层衍射，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述底层工艺图形层在所述探测狭缝面所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对所述投影狭缝在所述探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对所述底层工艺图形层的依赖。
3.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置设置于所述探测分支中，所述非测量光到达所述待测工件的光刻胶底层下面的所述底层工艺图形层后，其衍射光经过位于所述探测分支的频谱面的所述随机噪声产生装置，不同角谱分量之间产生随机的复振幅，彼此之间无任何关联，由于不同角度衍射光复振幅不具有相关性，所述底层工艺图形层在所述探测狭缝面所成的像对比度衰减，从而减弱或消除所述底层工艺图形层对所述投影狭缝在所述探测狭缝面所成像的照明均匀性的不利影响，进而减弱或消除测量结果对底层工艺图形的依赖。
4.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述照明单元为激光器。
5.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置的噪声产生区域大小可变。
6.根据权利要求5所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置设置有电动开关，用于调节所述随机噪声产生装置的噪声产生区域大小。
7.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置采用光刻工艺制成的石英玻璃，并通过所述光刻工艺调节不同区域的厚度，形成随机的透射率和折射率。
8.根据权利要求7所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述光刻工艺采用二元光学光刻工艺。
9.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置采用液晶装置，所述液晶装置通过外部装置调节不同区域的随机透射率和折射率参数。
10.根据权利要求1所述的光栅式垂向位置测量系统，其特征在于，所述随机噪声产生装置采用可编程透射式空间光调制器，所述可编程透射式空间光调制器每一个小单元通过改变入射到该小单元上的光束的振幅和相位，从而产生随机噪声。
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