CN107783379A - 一种垂向位置测量装置及补偿方法和一种光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂向位置测量装置，沿光路方向依次包括：照明光源、投影狭缝、第一光学组件、探测狭缝、光电探测器和信号处理单元，其中，所述投影狭缝、所述探测狭缝和所述光电探测器的数量相等且位置对应，每个所述光电探测器在测量方向上的尺寸与每个所述探测狭缝的尺寸相等，所述光电探测器包括若干个探测单元，每个所述探测单元包括中心单元以及分设在所述中心单元两侧的第一边缘单元和第二边缘单元，所述中心单元的尺寸为所述探测狭缝所成的像的摆幅的两倍，所述探测单元的细化提高了所述垂向位置测量装置的测量准确性。

Description

一种垂向位置测量装置及补偿方法和一种光刻机

技术领域

本发明涉及一种垂向位置测量装置及补偿方法和一种光刻机。

背景技术

投影光刻机是一种把掩模上的图案通过物镜投影到硅片面上的装置。在投影曝光设备中，必须有自动调焦控制系统把硅片面精确带入到指定的曝光位置，实现该系统有多种不同的技术方案。在探测光路中，放置有一个扫描反射镜和一个探测狭缝，扫描反射镜以某个频率作高速简谐振动，导致投影光斑在探测狭缝处也产生高速往复扫描运动。由于狭缝的遮光作用，光电探测器最终探测的信号将成为某种动态测量信号，通过对该动态测量信号进行分析处理，可以获取高信噪比的光斑位置，进而获取硅片的高度值，并根据该高度值对硅片的支撑机构进行调整，直到硅片位于最佳焦面。调焦调平技术作为公知原理这里不做赘述。

现有基于扫描反射镜的垂向位置测量装置，包括投影分支、投影狭缝、探测分支和探测狭缝，所述投影狭缝和所述探测狭缝在测量方向上尺寸相等，通过扫描反射镜对信号进行调制，通过提取信号特征，反推被测物的垂向测量高度。

理想情况下，探测狭缝接收到的光斑光强的峰值与探测狭缝宽度的关系如图1所示，光斑的光强的峰值处处相等，当反射率和光源光功率变化时，光强特征值不变，高度测量值是不随反射率和光源光功率而发生变化。由于通过投影狭缝成像后，存在衍射效应，成像边缘不是理想成像，探测狭缝接收到的光斑宽度大于探测夹缝宽度，光强的峰值与探测狭缝宽度的关系如图2所示，光斑边缘的光强的峰值小于中心位置，当反射率和光源光功率发生整体变化，光强特征值改变，引起垂向测量位置不准确。

发明内容

本发明提供了一种垂向位置测量装置，用以解决在反射率和光源光功率变化的情况下测量垂向位置不准确的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种垂向位置测量装置，沿光路方向依次包括：沿光路方向依次包括：照明光源、投影狭缝、第一光学组件、探测狭缝、光电探测器和信号处理单元，所述照明光源产生的照射光束经过所述投影狭缝成像后，入射至被测对象表面，并经被测对象表面反射，入射至所述第一光学组件，所述第一光学组件接收投影狭缝成像，所述第一光学组件包括扫描反射镜，所述扫描反射镜通过调整摆动相位对投影狭缝成像进行光学调制，调制后的投影狭缝成像经过所述探测狭缝成像，探测狭缝成像被所述光电探测器接收，并传递给所述信号处理单元，所述信号处理单元根据接收的信号计算出垂向位置；

作为优选，所述探测单元之间分别具有独立的信号接收和输出功能。

作为优选，所述中心单元、所述第一边缘单元和所述第二边缘单元分别具有独立的信号接收和输出功能。

作为优选，所述探测狭缝在测量方向上的尺寸大于所述投影狭缝。

作为优选，所述探测单元的尺寸为所述投影狭缝在测量方向上的尺寸的3倍。

作为优选，所述照明光源和所述投影狭缝之间还设有第二光学组件。

作为优选，所述投影狭缝和所述被测对象之间还设有第三光学组件。

作为优选，所述第一光学组件和所述探测狭缝之间还设有第四光学组件。

本发明的技术方案，通过将所述探测单元分设为所述中心单元、所述第一边缘单元和所述第二边缘单元，对在所述探测单元上成的像进行分区域探测光信号，提高了测量信息的准确性。

本发明还公开了一种基于上述垂向位置测量装置的测量信息的补偿方法，方法如下：改变所述扫描反射镜的摆动相位，采用所述光电探测器探测所述扫描反射镜位于不同摆动相位时的三组光强信号，利用三组光强信号之间的差值，采用补偿算法对测量的光强信号进行补偿包括如下步骤：

作为优选，本发明所述测量信息的补偿方法的具体步骤如下：

步骤(1)：当所述第一光学组件中扫描反射镜的摆动相位为0°、180°或360°时，采用所述光电探测器探测光斑光强峰值的信号P，所述第一边缘单元、所述中心单元和所述第二边缘单元分别测量所述探测狭缝所成的像的信号，测量值分别为P₁、P₂和P₃；

步骤(2)：当所述第一光学组件中扫描反射镜的摆动相位为90°，采用所述光电探测器探测光斑光强的信号A，所述第一边缘单元、所述中心单元和所述第二边缘单元分别测量所述探测狭缝所成的像的信号，探测值分别为A₁、A₂和A₃；

步骤(3)：当所述第一光学组件中扫描反射镜的摆动相位为270°，采用所述光电探测器探测光斑光强的信号B，所述第一边缘单元、所述中心单元和所述第二边缘单元分别测量所述探测狭缝所成的像的信号，探测值分别为B₁、B₂和B₃；

步骤(4)：分别计算出P₁、P₂和P₃与A₁、A₂和A₃对应的差值，以及P₁、P₂和P₃与B₁、B₂和B₃对应的差值，采用补偿算法计算补偿后的信号A’和信号B’。

作为优选，所述补偿算法为：

当P₁-A₁<0时P₃-A₃>0，此时使用P₃-A₃对A₂进行补偿，补偿后的光斑的信号A’＝A₂-(P₃-A₃)；

当P₁-A₁>0时P₃-A₃<0，此时使用P₁-A₁对A₂进行补偿，补偿后的光斑的信号A’＝A₂-(P₁-A₁)；

当P₁-A₁＝0时P₃-A₃＝0，此时，补偿后的光斑的信号A’＝A₂；

同理，当P₁-B₁<0时P₃-B₃>0，此时使用P₃-B₃对B₂进行补偿，补偿后的光斑的信号B’＝B₂-(P₃-B₃)；

当P₁-B₁>0时P₃-B₃<0，此时使用P₁-B₁对B₂进行补偿，补偿后的光斑的信号B’＝B₂-(P₁-B₁)；

当P₁-B₁＝0时P₃-B₃＝0，此时，补偿后的光斑的信号B’＝B₂。

作为优选，使用补偿后的信号A’和信号B’计算光强特征值，根据光强特征值与垂向位置的关系，计算垂向位置。

本发明采用的技术方案，通过补偿算法补偿所述垂向位置测量装置的测量信息，进而计算出精确的垂向高度，提高了所述垂向位置测量装置的测量准确性和稳定性。

本发明还公开了一种光刻机，包括物镜和硅片台，还包括上述垂向测量装置。

本发明采用的技术方案，通过上述垂向测量装置实时校正硅片的垂向位置，提高了硅片在所述光刻机上的定位精度。

附图说明

图1是现有技术中理想情况下光强峰值与探测狭缝宽度的关系示意图；

图2是现有技术中实际情况下光强峰值与探测狭缝宽度的关系示意图；

图3是本发明一具体实施例的垂向位置测量装置的结构示意图；

图4是本发明一具体实施例的理想情况下光斑与探测狭缝之间的相对位置关系的示意图；

图5是本发明一具体实施例的实际情况下光斑与探测狭缝之间的相对位置关系的示意图；

图6是本发明一具体实施例的光电探测器和探测狭缝之间的相对位置关系的示意图；

图7是本发明一具体实施例的垂向位置测量装置的垂向测量补偿过程的流程图。

图3～6中所示：1-物镜、2-硅片台、3-硅片、4-照明光源、5-第二光学组件、6-投影狭缝、7-第三光学组件、8-第一光学组件、9-第四光学组件、10-探测狭缝、11-光电探测器、111-第一边缘单元、112-中心单元、113-第二边缘单元、12-信号处理单元、13-光斑。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参见图3，一种垂向位置测量装置，应用在光刻机中，用于测量所述硅片台2上硅片3的高度从而调整所述硅片台2的位置使所述硅片3位于最佳焦面。

所述垂向位置测量装置沿光路方向依次包括：照明光源4、第二光学组件5、投影狭缝6、第三光学组件7、第一光学组件8、第四光学组件9、探测狭缝10、光电探测器11、以及信号处理单元12，所述照明光源4产生的照射光束经过所述第二光学组件5形成平行光，照射到所述投影狭缝6成像，所述第三光学组件7将投影狭缝成像至被测对象表面，并经被测对象表面反射，入射至所述第一光学组件8，所述第一光学组件8接收投影狭缝成像，所述第一光学组件8包括扫描反射镜，所述扫描反射镜通过调整摆动相位对投影狭缝成像进行光学调制，调制后的投影狭缝成像经过所述探测狭缝10成像，探测狭缝成像被所述光电探测器11接收，并传递给所述信号处理单元12，所述信号处理单元12根据接收的信号计算出垂向位置。

其中，所述投影狭缝6、所述探测狭缝10和所述光电探测器11的数量相等且位置对应。本实施例中，所述投影狭缝6、所述探测狭缝10和所述光电探测器11均为1个，所述光电探测器11在测量方向上的尺寸与所述探测狭缝10的尺寸相等。

本实施例中，所述光电探测器11配置1个探测单元，所述探测狭缝10所成的像为光斑13，在光斑13与传感器感光面一一对应的前提下，理想情况，光斑13与所述探测狭缝10的相对位置关系如图4所示，光斑13的光强处处相等，设光斑13中心与所述探测狭缝10中心的距离为x，光斑13和所述探测狭缝10在扫描方向上的宽度为d，所述第一光学组件8中的扫描反射镜摆动相位为90°时，所述光电探测器11对光强采集的信号为A，扫描反射镜摆动相位为270°时，所述光电探测器11对光强采集的信号为B，x在[-d/2，d/2]，可得：

A＝k(d/2-x)

B＝k(d/2+x)

k为比例系数，可得：

设光强特征值

理想情况下，使用公式可以准确测量光斑13与所述探测狭缝10之间的相对位置关系，而实际情况下，光斑13与所述探测狭缝10的相对位置关系如图5所示，由于通过所述探测狭缝10成像后，存在衍射效应，光斑13边缘位置的光强与中心位置的光强不等，使用公式得出的实际值为 分子上变为A-B+Δx-Δy，分母上变为A+B+Δx+Δy，Δx和Δy分别为光斑13两侧因衍射效应产生的边缘信号，得出来的实际S’值与理想的S值不同，因此会导致垂向测量结果的不准确。

请参见图6，为解决衍射效应引起的垂向测量结果不准确的问题，将所述探测单元分为中心单元112和分设在所述中心单元112两侧的第一边缘单元111和第二边缘单元113，且所述中心单元112的尺寸与光斑13摆幅匹配，为摆幅的2倍。

对于1:1倍率投影和探测配置的垂向位置测量装置，所述探测狭缝10在测量方向上，尺寸与所述投影狭缝6尺寸不一致，通常为d₁＝3×(d₂/k₁)，其中，d₁表示所述投影狭缝6在测量方向的尺寸，d₂表示所述探测狭缝10在测量方向的尺寸，k₁表示在理想情况下，在所述探测狭缝10探测面，探测像与投影物在测量方向的比例因子。本实施例中，所述探测狭缝10大于所述投影狭缝6，选择3倍于所述投影狭缝6的尺寸。

所述垂向位置测量装置的垂向测量补偿过程如图7所示，其中，测量信息的补偿方法的具体操作步骤如下：

步骤(1)：继续参见图6，当所述第一光学组件8中的扫描反射镜的摆动相位为0°、180°或360°时，光斑13的中心位于所述探测狭缝10的中心轴上，采用所述光电探测器11探测光斑13光强峰值的信号P，所述第一边缘单元111、所述中心单元112和所述第二边缘单元113分别测量光斑13的信号，探测值分别为P1、P2和P3，此时S＝0；

步骤(2)：当所述第一光学组件8中的扫描反射镜的摆动相位为90°时，光斑13的中心偏离所述探测狭缝10的中心轴，采用所述光电探测器11探测光斑13光强的信号为A，所述第一边缘单元111、所述中心单元112和所述第二边缘单元113分别测量光斑13的信号，探测值分别为A₁、A₂和A₃；

步骤(3)：当所述第一光学组件8中的扫描反射镜的摆动相位为270°时，光斑13的中心偏离所述探测狭缝10的中心轴，采用所述光电探测器11探测光斑13光强的信号为B，所述第一边缘单元111、所述中心单元112和所述第二边缘单元113分别测量光斑13的信号，探测值分别为B₁、B₂和B₃；

步骤(4)：采用补偿算法计算补偿后的信号A和信号B：当P₁-A₁<0时P₃-A₃>0，此时使用P₃-A₃对A₂进行补偿，补偿后的光斑的信号A’＝A₂-(P₃-A₃)；

当P₁-A₁>0时P₃-A₃<0，此时使用P₁-A₁对A₂进行补偿，补偿后的光斑的信号A’＝A₂-(P₁-A₁)；

当P₁-A₁＝0时P₃-A₃＝0，此时，补偿后的光斑的信号A’＝A₂。

同理，当P₁-B₁<0时P₃-B₃>0，此时使用P₃-B₃对B₂进行补偿，补偿后的光斑的信号B’＝B₂-(P₃-B₃)；

当P₁-B₁>0时P₃-B₃<0，此时使用P₁-B₁对B₂进行补偿，补偿后的光斑的信号B’＝B₂-(P₁-B₁)；

当P₁-B₁＝0时P₃-B₃＝0，此时，补偿后的光斑的信号B’＝B₂。

垂向位置的计算方法的步骤如下：

使用补偿后的光斑13的信号A’和信号B’来计算光强特征值S’，再根据光强特征值与垂向位置的关系，计算垂向位置。

采用所述垂向位置测量装置和补偿方法，解决了在反射率和光源光功率变化的情况下，测量垂向的位置不准确的问题，使测量准确性和稳定性得到提高。

一种光刻机，包括物镜和硅片台，还包括所述垂向位置测量装置，通过采用上述补偿方法实时校正硅片的垂向位置，提高了硅片在所述光刻机上的定位精度。

Claims (13)

1.一种垂向位置测量装置，其特征在于，沿光路方向依次包括：照明光源、投影狭缝、第一光学组件、探测狭缝、光电探测器和信号处理单元，所述照明光源产生的照射光束经过所述投影狭缝成像后，入射至被测对象表面，并经被测对象表面反射，入射至所述第一光学组件，所述第一光学组件接收投影狭缝成像，所述第一光学组件包括扫描反射镜，所述扫描反射镜通过调整摆动相位对投影狭缝成像进行光学调制，调制后的投影狭缝成像经过所述探测狭缝成像，探测狭缝成像被所述光电探测器接收，并传递给所述信号处理单元，所述信号处理单元根据接收的信号计算出垂向位置；

其中，所述投影狭缝、所述探测狭缝和所述光电探测器的数量相等且位置对应，每个所述光电探测器在测量方向上的尺寸与每个所述探测狭缝的尺寸相等，所述光电探测器包括若干个探测单元，每个所述探测单元包括中心单元以及分设在所述中心单元两侧的第一边缘单元和第二边缘单元，所述中心单元的尺寸为探测狭缝成像的摆幅的两倍。

2.根据权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述探测单元分别具有独立的信号接收和输出功能。

3.根据权利要求2所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述中心单元、所述第一边缘单元和所述第二边缘单元分别具有独立的信号接收和输出功能。

4.根据权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述探测狭缝在测量方向上的尺寸大于所述投影狭缝在测量方向上的尺寸。

5.根据权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述探测单元的尺寸为所述投影狭缝在测量方向上的尺寸的3倍。

6.根据权利要求1所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述照明光源和所述投影狭缝之间还设有第二光学组件。

7.根据权利要求6所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述投影狭缝和所述被测对象之间还设有第三光学组件。

8.根据权利要求7所述的垂向位置测量装置，其特征在于，所述第一光学组件和所述探测狭缝之间还设有第四光学组件。

9.一种基于权利要求1～8任一所述的垂向位置测量装置的测量信息的补偿方法，其特征在于，方法如下：改变所述扫描反射镜的摆动相位，采用所述光电探测器探测所述扫描反射镜位于不同摆动相位时的三组光强信号，利用三组光强信号之间的差值，采用补偿算法对测量的光强信号进行补偿。

10.根据权利要求9所述的测量信息的补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤(1)：当所述第一光学组件中扫描反射镜的摆动相位为0°、180°或360°时，采用所述光电探测器探测光斑光强峰值的信号P，所述第一边缘单元、所述中心单元和所述第二边缘单元分别测量所述探测狭缝所成的像的信号，测量值分别为P₁、P₂和P₃；

步骤(2)：当所述第一光学组件中扫描反射镜的摆动相位为90°时，采用所述光电探测器探测光斑光强的信号A，所述第一边缘单元、所述中心单元和所述第二边缘单元分别测量所述探测狭缝所成的像的信号，探测值分别为A₁、A₂和A₃；

步骤(3)：当所述第一光学组件中扫描反射镜的摆动相位为270°时，采用所述光电探测器探测光斑光强的信号B，所述第一边缘单元、所述中心单元和所述第二边缘单元分别测量所述探测狭缝所成的像的信号，探测值分别为B₁、B₂和B₃；

步骤(4)：分别计算出P₁、P₂和P₃与A₁、A₂和A₃对应的差值，以及P₁、P₂和P₃与B₁、B₂和B₃对应的差值，采用补偿算法计算补偿后的信号A’和信号B’。

11.根据权利要求10所述的测量信息的补偿方法，其特征在于，所述补偿算法为：

当P₁-A₁<0时P₃-A₃>0，此时使用P₃-A₃对A₂进行补偿，补偿后的光斑的信号A’＝A₂-(P₃-A₃)；

当P₁-A₁>0时P₃-A₃<0，此时使用P₁-A₁对A₂进行补偿，补偿后的光斑的信号A’＝A₂-(P₁-A₁)；

当P₁-A₁＝0时P₃-A₃＝0，此时，补偿后的光斑的信号A’＝A₂；

同理，当P₁-B₁<0时P₃-B₃>0，此时使用P₃-B₃对B₂进行补偿，补偿后的光斑的信号B’＝B₂-(P₃-B₃)；

当P₁-B₁>0时P₃-B₃<0，此时使用P₁-B₁对B₂进行补偿，补偿后的光斑的信号B’＝B₂-(P₁-B₁)；

当P₁-B₁＝0时P₃-B₃＝0，此时，补偿后的光斑的信号B’＝B₂。

12.根据权利要求11所述的测量信息的补偿方法，其特征在于，使用补偿后的信号A’和信号B’计算光强特征值，进而计算垂向位置。

13.一种光刻机，包括物镜和硅片台，其特征在于，还包括如权利要求1～8任一所述的垂向位置测量装置。