CN106933070A - 一种调焦调平系统及其调焦调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调焦调平系统及其调焦调平方法，该调焦调平系统包括发射部分和接收部分，发射部分包括光源、衍射光发生及调制组件和第一反射镜组，接收部分包括第二反射镜组、光线汇聚镜组、光电传感器及信号处理单元，光源发出的照明光束经衍射光发生及调制组件产生出射方向不同的测量光束和参考光束，测量光束经第一反射镜组后经被测对象反射，并通过第二反射镜组后投射至光线汇聚镜组上，参考光束依次经第一、第二反射镜组后投射至光线汇聚镜组上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹，光电传感器及信号处理单元根据干涉条纹获得被测对象表面高度的变化值进行调焦调平。本发明采用相移干涉技术，提高了系统的测量精度以及系统的稳定性、可靠性。

Description

一种调焦调平系统及其调焦调平方法

技术领域

本发明涉及光刻机技术领域，具体涉及一种调焦调平系统及其调焦调平方法。

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焦深之外，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。

随着对光刻工艺技术的要求不断提高，调焦调平系统的检测精度也须不断提高，而系统的测量稳定性是影响其测量精度一个非常重要的因素。目前的调焦调平系统通常采用的调焦调平技术主要有基于扫描反射镜调制解调信号处理技术和基于CCD相移传感器的图像处理技术。其中基于扫描反射镜调制解调信号处理技术容易受到扫描反射镜的调制频率和振镜机械结构稳定性的限制，而基于CCD相移传感器的图像处理技术容易受到图像处理技术的限制以及CCD传感器灵敏度的显著影响，从而影响系统的测量精度，最终降低硅片的调节精度以及调焦调平系统的稳定性和可靠性。

发明内容

本发明提供了一种调焦调平系统及其调焦调平方法，以解决上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种调焦调平系统，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括光源、衍射光发生及调制组件和第一反射镜组，所述接收部分包括第二反射镜组、光线汇聚镜组、光电传感器及信号处理单元，所述光源发出的照明光束经过所述衍射光发生及调制组件后产生出射方向不同的测量光束和参考光束，所述测量光束经过所述第一反射镜组后经过被测对象反射，并通过所述第二反射镜组后投射至所述光线汇聚镜组上，所述参考光束依次经过所述第一反射镜组、第二反射镜组后投射至所述光线汇聚镜组上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹，所述光电传感器及信号处理单元根据所述干涉条纹获得所述被测对象表面高度的变化值。

进一步的，所述衍射光发生及调制组件包括声光晶体和与所述声光晶体连接的PZT传感器，所述声光晶体将所述照明光束分离成测量光束和参考光束，所述PZT传感器对所述声光晶体的密度进行调制。

进一步的，所述第一反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜将所述测量光束反射到所述被测对象上，所述第二反射镜将所述参考光束反射到所述第二镜组上。

进一步的，所述光源和衍射光发生及调制组件之间还设有孔径光阑。

进一步的，所述发射部分还包括设于所述衍射光发生及调制组件和第一反射镜组之间，且沿光路依次排列的光阑组、准直透镜组和投影镜组。

进一步的，所述光阑组包括第一光阑和第二光阑，所述准直透镜组包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述投影镜组包括第一投影透镜和第二投影透镜，所述测量光束依次经过所述第一光阑、第一准直透镜、第一投影透镜和第一反射镜后投射到所述被测对象表面，所述参考光束依次经过所述第二光阑、第二准直透镜、第二投影透镜和第二反射镜后直接投射至所述第二反射镜组。

进一步的，所述第二反射镜组包括第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜接收并反射经所述被测对象反射的所述测量光束，所述第四反射镜接收并反射经所述第二反射镜反射的参考光束。

进一步的，所述接收部分还包括设于所述第二反射镜组和光线汇聚镜组之间的探测镜组。

进一步的，所述探测镜组与所述光线汇聚镜组之间还包括第三反射镜组和第四反射镜组，所述第三反射镜组用于接收和反射透过所述探测镜组后的测量光束，所述第四反射镜组用于接收和反射透过所述探测镜组后的参考光束。

进一步的，所述探测镜组包括透射所述测量光束的第一探测镜和透射所述参考光束的第二探测镜。

本发明还提供一种调焦调平方法，包括以下步骤：

S1：照明光束通过衍射光发生及调制组件调制后衍射产生出射方向不同的测量光束和参考光束，所述测量光束经过第一反射镜组后经被测对象反射，并通过第二反射镜组后投射至光线汇聚镜组上；所述参考光束经过所述第一反射镜组后直接到达所述第二反射镜组，最终投射至所述光线汇聚镜组上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹；

S2：光电传感器及信号处理单元接收并处理所述干涉条纹，根据所述干涉条纹的相位差计算得到所述被测对象表面的高度变化值；

S3：根据测量得到的被测对象表面高度的变化值进行调焦调平。

进一步的，所述步骤S1中，所述衍射光发生及调制组件使所述测量光束和参考光束的频率随时间发生周期性变化。

进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：所述光电传感器及信号处理单元根据所述干涉条纹在一个周期内时刻0、时刻π/4、时刻π/2、时刻3π/2在空间像上的光强分布I1、I2、I3、I4，计算所述干涉条纹的相位差△φ，计算公式为：

其中，所述干涉条纹在空间像上的光强分布为：

I(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)+δ(t)]，

式中，I'(x,y)表示平均光强，I”(x,y)为光强幅度，δ(t)为随时间t变化的相移量；

S22：根据所述干涉条纹的相位差△φ计算所述被测对象表面的高度变化值△h，计算公式为：

式中，λ为所述照明光束的波长，θ为所述测量光束在被测对象表面的入射角。

本发明提供的调焦调平系统及其调焦调平方法，通过衍射光发生及调制组件产生出射角不同的测量光束和参考光束，并使两者的频率随时间发生周期性变化，通过第一反射镜组对两束光线的入射角进行调节，使其经过不同的光路到达光线汇聚透镜组并产生干涉，通过测量两束光线发生干涉时产生的相位差即可得到测量光束的光程变化量，最终得到被测对象表面的高度变化值，实现调焦调平功能，本发明采用相移干涉技术，提高了系统的测量精度，同时采用晶体调制的方法提高了调焦调平系统的稳定性、可靠性，降低了系统结构的复杂性。

附图说明

图1为本发明中调焦调平系统的结构示意图；

图2为本发明中调焦调平系统的测量原理图；

图3为本发明中调焦调平系统中硅片表面变化引起的光程变化示意图；

图4a-4d为本发明中调焦调平系统生成的四个不同时刻的干涉条纹仿真图；

图5本发明中光电传感器及信号处理单元输出的电压波形仿真图。

图中所示：1、硅片；2、光源；201、照明光束；202、测量光束；203、参考光束；3、衍射光发生及调制组件；3、衍射光发生及调制组件；31、声光晶体；32、PZT传感器；4、第一反射镜组；41、第一反射镜；42、第二反射镜；5、第二反射镜组；51、第三反射镜；52、第四反射镜；6、光线汇聚镜组；7、光电传感器及信号处理单元；8、孔径光阑；9、光阑组；91、第一光阑；92、第二光阑；10、准直透镜组；101、第一准直透镜；102、第二准直透镜；11、投影镜组；111、第一投影透镜；112、第二投影透镜；12、探测镜组；121、第一探测镜；122、第二探测镜；13、第三反射镜组；14、第四反射镜组；131、132、141、142、反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图1所示，本发明一种调焦调平系统，用于检测被测对象即硅片1表面的高度变化值，从而实现对硅片1的调焦调平，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括光源2、衍射光发生及调制组件3和第一反射镜组4，所述接收部分包括第二反射镜组5、光线汇聚镜组6、光电传感器及信号处理单元7，光源发出的照明光束201经过所述衍射光发生及调制组件1后产生出射方向不同的测量光束202和参考光束203，本实施例中，测量光束202为照明光束的+1级衍射光。参考光束203为照明光束的-1级衍射光；所述测量光束202经过所述第一反射镜组4后经过被测对象，即硅片1反射后，通过第二反射镜组5并投射至光线汇聚镜组6上，所述参考光束203依次经过第一反射镜组4、第二反射镜组5后投射至光线汇聚镜组6上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹，所述光电传感器及信号处理单元7根据所述干涉条纹获得硅片1表面高度的变化值进行调焦调平。具体的，当硅片1表面高度发生起伏或高度发生变化时，测量光束202在硅片1表面的反射光束位置随之产生变化，从而会引起测量光束202的光程发生变化，如图2所示，进而引起干涉时的两束光线之间有一个固定的相位差，通过测量该相位差即可得到测量光束202的光程变化量，最终得到硅片1表面的高度变化值，实现调焦调平功能。

如图1所示，所述衍射光发生及调制组件3包括声光晶体31和与所述声光晶体31连接的PZT(piezoelectric ceramics，压电陶瓷)传感器32，所述声光晶体31将所述照明光束201分离成测量光束202和参考光束203，所述PZT传感器32对所述声光晶体31进行调制。具体的，PZT传感器32通过施加固定频率变化的电压对声光晶体31沿光波传播方向上进行调制，使测量光束202和参考光束203的频率随时间发生周期性变化。

请重点参照图1-2，所述第一反射镜组4包括第一反射镜41和第二反射镜42，所述第一反射镜41和第二反射镜42的倾斜度不同，第一反射镜41和第二反射镜42用于对入射光的出射方向进行调节，测量光束202经过第一反射镜41调节角度后投射至硅片1的表面，参考光束203经过第二反射镜42调节角度后水平投射至第二反射镜组5上。

请继续参照图1-2，所述光源2和衍射光发生及调制组件3之间还设有孔径光阑8，根据需要对照明光束201的光量大小进行调节，所述发射部分还包括设于所述衍射光发生及调制组件3和第一反射镜组4之间的光阑组9、准直透镜组10和投影镜组11，其中光阑组9用于对测量光束202和参考光束203的光量大小进行调节，准直透镜组10用于对测量光束202和参考光束203进行准直，使其垂直出射，投影镜组11用于收集测量光束202和参考光束203。优选的，所述光阑组9包括水平排列的第一光阑91和第二光阑92，所述准直透镜组10包括水平排列的第一准直透镜101和第二准直透镜102，所述投影镜组11包括水平排列的第一投影透镜111和第二投影透镜112，所述测量光束202依次经过所述第一光阑91、第一准直透镜101、第一投影透镜111和第一反射镜41后投射到硅片1的表面，所述参考光束203依次经过所述第二光阑92、第二准直透镜102、第二投影透镜112和第二反射镜42后直接投射至所述第二反射镜组5。

优选的，所述第二反射镜组5包括倾斜角度与所述第一反射镜41对应的第三反射镜51和倾斜角度与所述第二反射镜42对应的第四反射镜52。具体的，第三反射镜51与第一反射镜41，以及第四反射镜52与第二反射镜42关于硅片1对称，测量光束202经过硅片1表面反射后投射至第三反射镜51上，参考光束203经过第一反射镜41调节角度后水平投射至第四反射镜52上。

优选的，所述接收部分还包括设于所述第二反射镜组5和光线汇聚镜组6之间，且沿光路依次排列的探测镜组12、第三反射镜组13和第四反射镜组14，其中探测镜组12用于收集测量光束202和参考光束203，第三反射镜组13和第四反射镜组14均用于对测量光束202和参考光束203的出射角进行调节。优选的，所述探测镜组12包括水平排列的第一探测镜121和第二探测镜122、所述第三反射镜组13包括两个垂直对称分布的反射镜131、132，第四反射镜组14包括两个垂直对称分布的反射镜141、142，测量光束202从第三反射镜51射出后依次经过第一探测镜121、反射镜131、反射镜141后到达光线汇聚镜组6上，参考光束203从第四反射镜52射出后依次经过第二探测镜122、反射镜132、反射镜142后到达光线汇聚镜组6上，两束光线在光线汇聚镜组6上发生干涉并产生干涉条纹，由于测量光束202和参考光束203的频率发生周期性变化，因此干涉条纹也会发生周期性变化。

本发明还提供一种调焦调平系统的调焦调平方法，包括以下步骤：

S1：对调焦调平系统每一部分进行安装；

S2：使照明光束201通过衍射光发生及调制组件3后产生出射方向不同的测量光束202和参考光束203，所述测量光束202经过第一反射镜组4后经被硅片1反射，并通过第二反射镜组5后投射至光线汇聚镜组6上；所述参考光束203经过所述第一反射镜组4后直接到达所述第二反射镜组5，最终投射至光线汇聚镜组6上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹；具体的，测量光束202依次经过所述第一光阑91、第一准直透镜101、第一投影透镜111和第一反射镜41后投射到硅片1的表面，经硅片1反射后依次经过第三反射镜51、第一探测镜121、反射镜131、反射镜141后到达光线汇聚镜组6上，参考光束203依次经过所述第二光阑92、第二准直透镜102、第二投影透镜112和第二反射镜42后直接投射至所述第四反射镜52，并依次经过第二探测镜122、反射镜132、反射镜142后到达光线汇聚镜组6上，两束光线在光线汇聚镜组6上发生干涉并产生干涉条纹，由于测量光束202和参考光束203在衍射光发生及调制组件3的作用下，其频率发生周期性变化，因此干涉条纹也会发生周期性变化。

S3：所述光电传感器及信号处理单元7接收所述干涉条纹，对其进行信号处理并获得硅片1表面的高度变化值进行调焦调平，具体为：

S31：所述光电传感器及信号处理单元7测量干涉条纹在一个周期内不同时刻在空间像上的光强分布，并将所述光强分布转化为电压值，再计算测量光束与参考光束之间的相位差，具体为：

测量光束202和参考光束203在衍射光发生及调制组件3的作用下，其频率发生周期性变化，因此干涉条纹也会发生周期性变化，如图4所示，干涉条纹在空间像上的光强分布满足如下关系：

I(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)+δ(t)] (2)

其中I'(x,y)为平均光强，I”(x,y)为光强的峰-峰值的一半，φ(x,y)为测量光束202和参考光束203之间的相位差，δ(t)为随时间t变化的相移量。

如图4a-4d所示,为测量光束202和参考光束203发生干涉后的产生的干涉条纹图，四张图片分别为一个周期内时刻0、时刻π/2、时刻π、时刻3π/2的干涉条纹图像，四个时刻对应的空间像上的光强分布分别为：

I₁(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)]

I₂(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)+π/2]

I₃(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)+π]

I₄(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)+3π/2]

光电传感器及信号处理单元7接收干涉条纹后将光信号转变为电信号，产生如图5所示的电压波形图。图5中的虚线和实线分别代表硅片1高度不同时的电压波形图。针对图5使用四倍于PZT传感器32调制频率的采样触发信号采集干涉条纹在一个周期内时刻0、时刻π/4、时刻π/2、时刻3π/2的电压信号即图5中的竖直虚线表示的时刻，对应的电压值分别记为I1、I2、I3、I4。

由四个时刻在空间像上的光强分布可以得到测量光束202和参考光束203之间的相位差φ(x,y)与I1、I2、I3、I4之间存在如下关系：

S32：根据测量光束202和参考光束203之间的相位差φ(x,y)计算被测对象表面的高度变化值△h，计算公式为：

式中，λ为照明光束的波长，θ为测量光束在被测对象表面的入射角。

计算公式推导过程：如图3所示，假定测量光束202在硅片1表面的入射角为θ，设硅片1的高度变化值为△h，则测量光束202的光程变化量为ΔS＝S1+S2+S3-(S1’+S2’)，由几何光学推导可以得出ΔS＝S1-Δh＝Δh/sinθ-Δh，光程变化量ΔS与测量光束202的相位变化量△φ(即测量光束202和参考光束203之间的相位差φ(x,y))之间满足△φ＝ΔS/λ*2π，由此推出硅片1表面高度变化△h与测量光束202的相位变化量△φ之间存在如下关系：

将代入上式得出被测对象表面的高度变化值△h。

S33：根据测量得到的硅片1表面高度的变化值△h进行调焦调平。

综上所述，本发明提供的调焦调平系统及其调焦调平方法，通过衍射光发生及调制组件3产生出射角不同的测量光束202和参考光束203，并使两者的频率随时间发生周期性变化，通过第一反射镜组4对两束光线的入射角进行调节，使其经过不同的光路到达光线汇聚透镜组6并产生干涉，通过测量两束光线发生干涉时产生的相位差即可得到测量光束202的光程变化量，最终得到被测对象表面的高度变化值，实现调焦调平功能，本发明采用相移干涉技术，提高了系统的测量精度，同时采用晶体调制的方法提高了调焦调平系统的稳定性、可靠性，降低了系统结构的复杂性。

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 (13)

1.一种调焦调平系统，包括发射部分和接收部分，其特征在于，所述发射部分包括光源、衍射光发生及调制组件和第一反射镜组，所述接收部分包括第二反射镜组、光线汇聚镜组、光电传感器及信号处理单元，所述光源发出的照明光束经过所述衍射光发生及调制组件后产生出射方向不同的测量光束和参考光束，所述测量光束经过所述第一反射镜组后经过被测对象反射，并通过所述第二反射镜组后投射至所述光线汇聚镜组上，所述参考光束依次经过所述第一反射镜组、第二反射镜组后投射至所述光线汇聚镜组上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹，所述光电传感器及信号处理单元根据所述干涉条纹获得所述被测对象表面高度的变化值。

2.根据权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述衍射光发生及调制组件包括声光晶体和与所述声光晶体连接的PZT传感器，所述声光晶体将所述照明光束分离成测量光束和参考光束，所述PZT传感器对所述声光晶体的密度进行调制。

3.根据权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述光源和衍射光发生及调制组件之间还设有孔径光阑。

4.根据权利要求1所述的调焦调平系统，其特征在于，所述第一反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜将所述测量光束反射到所述被测对象上，所述第二反射镜将所述参考光束反射到所述第二镜组上。

5.根据权利要求4所述的调焦调平系统，其特征在于，所述发射部分还包括设于所述衍射光发生及调制组件和第一反射镜组之间，且沿光路依次排列的光阑组、准直透镜组和投影镜组。

6.根据权利要求5所述的调焦调平系统，其特征在于，所述光阑组包括第一光阑和第二光阑，所述准直透镜组包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述投影镜组包括第一投影透镜和第二投影透镜，所述测量光束依次经过所述第一光阑、第一准直透镜、第一投影透镜和第一反射镜后投射到所述被测对象表面，所述参考光束依次经过所述第二光阑、第二准直透镜、第二投影透镜和第二反射镜后直接投射至所述第二反射镜组。

7.根据权利要求4所述的调焦调平系统，其特征在于，所述第二反射镜组包括第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜接收并反射经所述被测对象反射的所述测量光束，所述第四反射镜接收并反射经所述第二反射镜反射的参考光束。

8.根据权利要求7所述的调焦调平系统，其特征在于，所述接收部分还包括设于所述第二反射镜组和光线汇聚镜组之间的探测镜组。

9.根据权利要求8所述的调焦调平系统，其特征在于，所述探测镜组与所述光线汇聚镜组之间还包括第三反射镜组和第四反射镜组，所述第三反射镜组用于接收和反射透过所述探测镜组后的测量光束，所述第四反射镜组用于接收和反射透过所述探测镜组后的参考光束。

10.根据权利要求8所述的调焦调平系统，其特征在于，所述探测镜组包括透射所述测量光束的第一探测镜和透射所述参考光束的第二探测镜。

11.一种采用权利要求1-10中任一项所述的调焦调平系统的调焦调平方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：照明光束通过衍射光发生及调制组件调制后衍射产生出射方向不同的测量光束和参考光束，所述测量光束经过第一反射镜组后经被测对象反射，并通过第二反射镜组后投射至光线汇聚镜组上；所述参考光束经过所述第一反射镜组后直接到达所述第二反射镜组，最终投射至所述光线汇聚镜组上，两束光线发生干涉并产生干涉条纹；

S2：光电传感器及信号处理单元接收并处理所述干涉条纹，根据所述干涉条纹的相位差计算得到所述被测对象表面的高度变化值；

S3：根据测量得到的被测对象表面高度的变化值进行调焦调平。

12.根据权利要求11所述的调焦调平方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述衍射光发生及调制组件使所述测量光束和参考光束的频率随时间发生周期性变化。

13.根据权利要求12所述的调焦调平方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：所述光电传感器及信号处理单元根据所述干涉条纹在一个周期内时刻0、时刻π/4、时刻π/2、时刻3π/2在空间像上的光强分布I1、I2、I3、I4，计算所述干涉条纹的相位差△φ，计算公式为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=arctan\left(\frac{I4-I2}{I1-I3}\right)$

其中，所述干涉条纹在空间像上的光强分布为：

I(x,y,t)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ(x,y)+δ(t)]，

式中，I'(x,y)表示平均光强，I”(x,y)为光强幅度，δ(t)为随时间t变化的相移量；

S22：根据所述干涉条纹的相位差△φ计算所述被测对象表面的高度变化值△h，计算公式为：

$\mathrm{\Δ}h=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\mathrm{\λ}sin\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}(1-sin\mathrm{\θ})}$

式中，λ为所述照明光束的波长，θ为所述测量光束在被测对象表面的入射角。