CN107367906A - 一种光学系统的检焦装置和检焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学系统的检焦装置，所述的检焦装置包括：光源、光束准直扩束系统、毛玻璃、物面光栅、掩膜平台、被测光学系统、像面光栅、硅片平台、CCD探测器，当硅片平台离焦时，像面光栅不同衍射级相互干涉形成干涉条纹；当硅片平台从离焦位置向共焦位置平移时，像面光栅后的干涉条纹减少直到消失；根据CCD探测器探测的像面光栅后的干涉条纹的变化情况，即可以完成被测光学系统的检焦测量。本发明的一种光学系统的检焦装置直接根据获取的图像条纹数变化进行离焦检测，检测速度快、精度高；基于朗奇剪切干涉的检焦方法，具有不需要额外添加检测光源，构造简单，操作方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统的检焦装置，特别是涉及一种基于剪切干涉技术的光学系统检焦装置和检焦方法，用于光刻机硅片的高精度调平调焦，属于微电子设备及微纳加工领域。
背景技术
集成电路的集成度水平按照摩尔定律（单位面积上的集成电路可容纳的晶体管数目约18个月增加一倍）不断提高，超大规模集成电路得以不断发展。光刻技术是极大规模集成电路制造的核心技术之一，通过曝光的方法将掩模上的图形转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上，为了降低生产成本和提高生产效率，应用大数值孔径投影光刻物镜和短波长曝光光源等技术，投影光刻分辨率进一步提高。分辨率的提高导致了焦深的不断减小，严重影响光学系统的工艺宽容度；随着硅片尺寸的增大，曝光面积大幅增加，曝光视场局部倾斜和工件台运动过程中偏摆带来的局部倾斜，也会引起离焦量的恶化；因此，对光刻机的检焦装置的检测精度提出了更高的要求。一般光刻系统的检焦精度一般为有效焦深的1/10，即纳米量级。朗奇剪切干涉是一种基于瞳面测量的干涉测量技术，具有没有空间光程误差、检测精度高、零条纹检测等特点，可以很好地应用于投影物镜的焦面检测中。
传统投影曝光光刻机中，由于焦深较长，多采用CCD检焦技术和PSD传感器技术。针对纳米量级检焦精度要求的情况，大多采用结构原理较为简单的狭缝光度式焦面检测方法，通过计算夹缝在探测器中的位移变化计算硅片的离焦量。这两类方法总体而言测量系统较为简单，操作方便，但是测量精度较低，不能满足高端光刻机对检测的技术需求。
中国发明专利CN201410500277提出了一种基于光栅泰伯效应的光刻机系统的检焦方法，利用硅片离焦引起的光栅泰伯效应的“自成像”位相变化，当硅片位于焦面位置时，光栅成像波前为平面波前，硅片离焦时为球面波前，通过判断波前形态从而获取焦面位置（参见在先技术，中国发明专利，一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，CN201410500277）。这种方法具有较高的检测精度，但要求系统额外添加较多的检测设备，且其系统抗干扰能力较弱，对环境具有较高的要求。Euclid E. Mood等提出基于啁啾光栅的间隙测量用于光刻机检焦测量，获得纳米级检测精度，但该方法存在检测精度受图像处理算法和相位解析算法的限制、系统实时性差、检测效率低等不足。
发明内容
本发明的目的是提供了一种光学系统的检焦装置和检焦方法，适用于投影式光刻机的高精度调平聚焦，具有高精度和实时检测等优点。
本发明的技术解决方案如下：一种光学系统的检焦装置，其特征在于：从光束入射方向依次包括光源、光束准直扩束系统、毛玻璃、物面光栅、掩膜平台、被测光学系统、像面光栅、硅片平台、CCD探测器。所述的物面光栅置于掩膜平台上，可以随着掩膜平台的移动而移动，并位于被测光学系统的物方平面上。所述的像面光栅位于光刻机的硅片平台上，并位于被测光学系统的像方平面上。当硅片平台离焦时，光束准直扩束系统的光经过物面光栅并通过被测光学系统投影到像面光栅后，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹（参见在先技术：吴飞斌等，Ronchi剪切干涉光刻投影物镜波像差检测技术研究，中国激光，42（3），2015）；当硅片平台从离焦位置向共焦位置平移时，光束准直扩束系统的光经过物面光栅并通过被测光学系统投影到像面光栅后，干涉条纹减少直到消失。所述的CCD探测器位于硅片平台的下方，随着硅片平台的移动而同步移动。
所述的被测光学系统为光刻机的投影物镜，成像放大倍数为N；优选地，数值N等于4:1。
所述的光源为LED阵列光源，波长为430~440nm。
所述的物面光栅为振幅型Ronchi线光栅，占空比为50%，周期为p1；
所述的像面光栅是网格型分布，透光单元为大小相等的正方形，每个透光单元周围为8个与透光单元等面积的遮光单元，从而形成透光单元间隔等面积遮光单元的分布形式；所述的像面光栅放置在硅片平台上时，透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅的方向平行；
所述的像面光栅周期等于相邻两个透光单元的对角线距离，数值为p2=，其中a为透光单元的边长；所述的周期p2数值上等于p1/N。
当所述的硅片平台位于所述的被测光学系统的共焦平面位置时，光源和光束准直扩束系统的出射平面波前经过物面光栅的衍射、被测光学系统的投影、像面光栅的衍射，不同衍射级相互干涉形成零条纹的干涉图像，根据CCD探测器探测的像面光栅衍射后的成像光斑上干涉条纹的变化情况，即可以完成被测光学系统和硅片平台的检焦测量。
一种光学系统的检焦装置的检焦方法，实现的步骤如下：
（1）将选定的物面光栅置于掩膜平台上，将选定的像面光栅置于硅片平台上，并使像面光栅透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅的方向平行；
（2）调整光源、光束准直扩束系统、毛玻璃的位置，使光源照射到物面光栅的光强均匀稳定；
（3）将CCD探测器固定在硅片平台的下方，保证像面光栅的各级衍射光产生的剪切干涉条纹可以被CCD探测器采集；
（4）控制光刻机使硅片平台沿水平方向平移，使像面光栅与物面光栅都位于光轴上；
（5）控制光刻机使硅片平台沿竖直方向平移，观测干涉条纹即Ronchi剪切干涉条纹的变化；
（6）当硅片平台8位于处于离焦状态时，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹图，随着硅片平台8从离焦状态向共焦平面移动时，条纹数越来越少，当硅片平台位于被测光学系统的共焦平面时，光源和光束准直扩束系统的出射平面波前经过物面光栅的衍射、被测光学系统的投影、像面光栅的衍射，形成零条纹的干涉图像；
（7）当硅片平台再次从共焦状态向离焦状态平移时，干涉条纹数越来越多，则控制硅片平台往反方向平移，直至使干涉条纹减少为零，该处就是共焦位置，从而完成被测光学系统和硅片平台的检焦测量。
本发明与现有技术相比的优势在于：
（1）本发明的装置直接根据获取的图像条纹数变化进行离焦检测，检测速度快、精度高；
（2）本发明基于朗奇剪切干涉的检焦方法，不需要额外添加检测光源，构造简单，操作方便。
附图说明
图1为基于剪切干涉技术的光学系统检焦装置的组成示意图。
图2为物面光栅示意图。
图3为像面光栅示意图。
图4为CCD采集的条纹示意变化图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
为实现光刻系统中投影物镜及硅片的在线精密检焦测量，本发明基于剪切干涉技术原理，通过分析干涉条纹的变化情况，完成高精度检焦测量，检焦系统如图1所示。
由图1可以看出，基于剪切干涉技术的光学系统检焦装置结构包括：从光束入射方向依次包括光源1、光束准直扩束系统2、毛玻璃3、物面光栅4、掩膜平台5、被测光学系统6、像面光栅7、硅片平台8、CCD探测器9。所述的物面光栅4置于掩膜平台5上，可以随着掩膜平台5的移动而移动，并位于被测光学系统6的物方平面上。所述的像面光栅7位于光刻机的硅片平台8上，并位于被测光学系统6的像方平面上。当硅片平台8离焦时，光束准直扩束系统2的光经过物面光栅4并通过被测光学系统6投影到像面光栅7后，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹；当硅片平台8从离焦位置向共焦位置平移时，光束准直扩束系统2的光经过物面光栅4并通过被测光学系统6投影到像面光栅7后，干涉条纹减少直到消失。所述的CCD探测器9位于硅片平台8的下方，随着硅片平台8的移动而同步移动。
所述的被测光学系统6为光刻机的投影物镜，成像放大倍数为4:1。
所述的光源1为LED阵列光源，波长为432nm。
所述的物面光栅4为振幅型Ronchi线光栅，如附图2所示，其周期为120微米；透过率函数为：
其中，B n 为傅里叶系数，p1位物面光栅4的周期。
所述的像面光栅7是网格型分布，透光单元为大小相等的正方形，每个透光单元周围为8个与透光单元等面积的遮光单元，所述的像面光栅7周期等于30微米，从而形成透光单元间隔等面积遮光单元的分布形式；其透过率函数为
其中，*表示卷积运算，为光栅沿x和y方向上的周期。
所述的像面光栅7在远场的衍射光强函数为
其中，表示远场衍射光强函数，表示0级衍射光强。受到像面光栅的作用，被测波前在重叠区域产生与x轴方向成45°角的剪切波面，在剪切方向上等效光栅的周期为相邻两个透光单元的对角线距离，即像面光栅每个透光单元正方形边长的倍。
所述的像面光栅7放置在硅片平台8上时，透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅4的方向平行，像面光栅7的示意图如图3所示，沿着正方形结构的两个对角线方向看，都是占空比为50%。
当所述的硅片平台8位于所述的被测光学系统6的共焦位置时，光源1和光束准直扩束系统2的出射平面波前经过物面光栅4的衍射、被测光学系统6的投影、像面光栅7的衍射，不同衍射级相互干涉形成零条纹的干涉图像，根据CCD探测器9探测的像面光栅7衍射后的成像光斑上干涉条纹的变化情况，即可以完成被测光学系统6和硅片平台8的检焦测量。
一种光学系统的检焦装置的检焦方法，实现的步骤如下：
（1）将选定的物面光栅4置于掩膜平台5上，将选定的像面光栅7置于硅片平台8上，并使像面光栅7透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅4的方向平行；
（2）调整光源1、光束准直扩束系统2、毛玻璃3的位置，使光源1照射到物面光栅4的光强均匀稳定；
（3）将CCD探测器9固定在硅片平台8的下方，保证像面光栅7的各级衍射光产生的剪切干涉条纹可以被CCD探测器9采集；
（4）控制光刻机使硅片平台8沿水平方向平移，使像面光栅7与物面光栅4都位于光轴上；
（5）控制光刻机使硅片平台8沿竖直方向平移，测量干涉条纹即Ronchi剪切干涉条纹的变化情况；
（6）当硅片平台8位于处于离焦状态时，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹图，随着硅片平台8从离焦状态向共焦平面移动时，条纹数越来越少，当硅片平台8位于被测光学系统6的共焦平面时，光源1和光束准直扩束系统2的出射平面波前经过物面光栅4的衍射、被测光学系统6的投影、像面光栅7的衍射，形成零条纹的干涉图像；
当硅片平台8位于被测光学系统6的共焦平面时，所述的CCD探测面上的光强表达式为
其中，表示背景光强，a m 表示所述的像面光栅7在垂直于所述的物面光栅4线方向上衍射的第m级衍射与第0级的干涉条纹对比度，表示所述的像面光栅7在垂直于所述的物面光栅4线方向上衍射的第m级衍射与第0级的相位差。
当硅片平台8位于处于离焦状态时，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹图，随着硅片平台8从离焦状态向共焦平面移动时，条纹数越来越少，当硅片平台8位于被测光学系统6的共焦平面时，不同衍射级相互干涉形成零条纹的干涉图像。而当硅片平台8从共焦状态向离焦状态平移时，干涉条纹数越来越多，如附图4所示。
（7）当硅片平台8再次从共焦状态向离焦状态平移时，干涉条纹数越来越多，则控制硅片平台8往反方向平移，直至使干涉条纹减少为零，该处确定为共焦位置，从而完成被测光学系统6和硅片平台8的检焦测量。
因此，通过测量干涉条纹的变化，即可完成被测光学系统6和硅片平台8的检焦测量。
本技术领域中的普通技术人员应该认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化和变形，都属于本发明权利要求书的范围之内。
Claims (4)
1.一种光学系统的检焦装置，其特征在于：从光束入射方向依次包括光源（1）、光束准直扩束系统（2）、毛玻璃（3）、物面光栅（4）、掩膜平台（5）、被测光学系统（6）、像面光栅（7）、硅片平台（8）、CCD探测器（9）；所述的物面光栅（4）置于掩膜平台（5）上，可以随着掩膜平台（5）的移动而移动，并位于被测光学系统（6）的物方平面上；所述的像面光栅（7）位于光刻机的硅片平台（8）上，并位于被测光学系统（6）的像方平面上；所述的CCD探测器（9）位于硅片平台（8）的下方，随着硅片平台（8）的移动而同步移动；当硅片平台（8）离焦时，光束准直扩束系统（2）的光经过物面光栅（4）并通过被测光学系统（6）投影到像面光栅（7）后，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹；当所述的硅片平台（8）位于所述的被测光学系统（6）的共焦平面位置时，光源（1）和光束准直扩束系统（2）的出射平面波前经过物面光栅（4）的衍射、被测光学系统（6）的投影、像面光栅（7）的衍射，不同衍射级相互干涉形成零条纹的干涉图像；当硅片平台（8）从离焦位置向共焦位置平移时，光束准直扩束系统（2）的光经过物面光栅（4）并通过被测光学系统（6）投影到像面光栅（7）后，干涉条纹减少直到消失；根据CCD探测器（9）探测的像面光栅（7）衍射后的成像光斑上干涉条纹的变化情况，即可以完成被测光学系统（6）的检焦测量。
2.根据权利要求1所述的一种光学系统的检焦装置，其特征在于：所述的物面光栅（4）为振幅型Ronchi线光栅，占空比为50%，周期为p1。
3. 根据权利要求1所述的一种光学系统的检焦装置，其特征在于：所述的像面光栅（7）
是网格型分布，透光单元为大小相等的正方形，每个透光单元周围为8个与透光单元等面积
的遮光单元，从而形成透光单元间隔等面积遮光单元的分布形式；所述的像面光栅（7）放置
在硅片平台（8）上时，透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅（4）的方向平行；所述
的像面光栅（7）周期等于相邻两个透光单元的对角线距离，数值为p2=，其中a为透光
单元的边长。
4.一种光学系统的检焦装置的检焦方法，实现的步骤如下：
① 将选定的物面光栅（4）置于掩膜平台（5）上，将选定的像面光栅（7）置于硅片平台（8）上，并使像面光栅（7）透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅（4）的方向平行；
② 调整光源（1）、光束准直扩束系统（2）、毛玻璃（3）的位置，使光源（1）照射到物面光栅（4）的光强均匀稳定；
③ 将CCD探测器（9）固定在硅片平台（8）的下方，保证像面光栅（7）的各级衍射光产生的剪切干涉条纹可以被CCD探测器（9）采集；
④ 控制光刻机使硅片平台（8）沿水平方向平移，使像面光栅（7）与物面光栅（4）都位于光轴上；
⑤ 控制光刻机使硅片平台（8）沿竖直方向平移，测量干涉条纹即Ronchi剪切干涉条纹的变化情况；
⑥ 当硅片平台（8）位于处于离焦状态时，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹图，随着硅片平台（8）从离焦状态向共焦平面移动时，条纹数越来越少，当硅片平台（8）位于被测光学系统（6）的共焦平面时，光源（1）和光束准直扩束系统（2）的出射平面波前经过物面光栅（4）的衍射、被测光学系统（6）的投影、像面光栅（7）的衍射，形成零条纹的干涉图像；
⑦ 当硅片平台（8）再次从共焦状态向离焦状态平移时，干涉条纹数越来越多，则控制硅片平台（8）往反方向平移，直至使干涉条纹减少为零，该处就是共焦位置，从而完成被测光学系统（6）和硅片平台（8）的检焦测量。
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