CN108508705B - 投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统 - Google Patents

投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统，该测量装置固定于工件台上与所述工件台同步运动，依次包括基准板、成像镜组、视觉单元、控制单元及焦面计算单元，掩模上的第一标记经投影物镜所成的空间像与所述基准板的位置对应，所述基准板与所述视觉单元的靶面共轭。本发明将视觉单元安装于工件台上，用以监测投影物镜的焦面位置，代替了人工定期校准的方式；与现有的光栅‑光电二极管相比，降低了测量装置的复杂度及成本，同时提高了兼容性。

Description

投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统
技术领域
本发明涉及光刻机领域，特别涉及一种投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统。
背景技术
投影物镜(PO)是光刻机的重要部件，它将掩模(Reticle)上的图形成像到硅片表面。但由于环境中的温度、压力、湿度等条件的变化，导致PO的焦面漂移，影响曝光图形的质量。
目前，PO焦面通常由人工定期校准，具体方法是：按一定的步距，在多个高度上进行曝光；然后在显微镜下人工搜索最清晰的图形；并将图形最清晰时对应的高度设定为PO焦面。这种方法效率极低，且更新周期长。
ASML光刻机利用Reticle对准系统在线搜索PO焦面。该对准系统由光电二级管和对准光栅组成，装在工件台上，并在Reticle上设置一个光栅，使该光栅的像与对准光栅重合；垂向移动工件台使该光栅的像和对准系统相对垂向运动，找到光电二极管得到能量最大点，即为PO焦面。该对准装置结构复杂，并且对Reticle上的标记有约束，兼容性差。
发明内容
本发明提供一种投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统，以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种投影物镜的焦面测量装置，固定于工件台上与所述工件台同步运动，依次包括基准板、成像镜组、视觉单元、控制单元及焦面计算单元，掩模上的第一标记经投影物镜所成的空间像与所述基准板的位置对应，所述基准板与所述视觉单元的靶面共轭；所述控制单元在所述工件台垂向移动时的每个垂向高度位置，控制所述视觉单元拍摄所述基准板上的成像，所述焦面计算单元分析所述视觉单元上成像的边界过渡宽度，找出满足需求的边界过渡宽度对应的工件台垂向高度即为所述投影物镜的焦面位置。
较佳地，所述视觉单元上的成像包括所述第一标记的成像，所述满足需求的边界过渡宽度具体为所述视觉单元在各个垂向高度位置拍摄的所述第一标记的成像中最小边界过渡宽度。
较佳地，所述基准板上设有第二标记，所述视觉单元同时拍摄第一标记的空间像及第二标记。
所述视觉单元上的成像包括所述第一标记和所述第二标记的成像，所述满足需求的边界过渡宽度具体为所述视觉单元在各个垂向高度位置拍摄的所述第一标记的成像的边界过渡宽度和所述第二标记的边界过渡宽度之差最小。
较佳地，所述焦面测量装置还包括冷却装置。
较佳地，所述基准板与所述掩模共轭。
较佳地，所述视觉单元为相机。
较佳地，所述成像镜组包括沿光轴方向依次设置的反射镜、第一透镜、光阑及第二透镜。
本发明还提供了一种投影物镜的焦面测量方法，包括如下步骤：
S1：在工件台上设置一基准板，将掩模上的第一标记经投影物镜投影在所述基准板上；
S2：垂向移动所述工件台，在每个高度位置，利用一视觉单元拍摄所述基准板上的成像；
S3：分析所述视觉单元所拍图像的边界过渡宽度，找出满足需求的边界过渡宽度对应的工件台垂向高度，即为投影物镜的焦面位置。
较佳地，步骤S3具体为，所述视觉单元拍摄所述第一标记在所述基准板上的成像，并分析所述第一标记的成像的边界过渡宽度，找出边界过渡宽度最小时对应的工件台垂向高度，即为投影物镜的焦面位置。
较佳地，步骤S3具体为，所述基准板上带有第二标记，所述视觉单元同时拍摄所述第一标记在基准板上的成像及第二标记，找出所述第一标记的成像的边界过渡宽度和所述第二标记的边界过渡宽度最接近时刻对应的工件台垂向高度，即为投影物镜的焦面位置。
本发明还提供了一种曝光系统，依次包括：
照明系统，提供照明光源；
掩模，所述掩模上带有第一标记；
投影物镜，将掩模上的第一标记投影到工件台上，以及
工件台，所述工件台上固定安装一如上所述的投影物镜的焦面测量装置。
较佳地，所述照明系统采用科勒照明系统。
较佳地，所述掩模采用SiO2制成。
较佳地，所述投影物镜采用固定安装于框架上的双远心成像系统。
较佳地，所述曝光系统还包括控制及处理单元，分别与所述工件台及焦面测量装置相连。
与现有技术相比，本发明提供的投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统具有如下优点：
1.本发明将视觉单元安装于工件台上，用以监测投影物镜的焦面位置，代替了人工定期校准的方式；
2.本发明用视觉单元取代了现有的光栅-光电二极管，降低了测量装置的复杂度及成本，同时提高了兼容性；
3.本发明透过基准板观测掩模的像，通过对比基准板的像和掩模的像，计算出投影物镜的焦面，结构简单；
4.以较低的成本，解决了视觉单元本身焦面漂移的问题。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式中曝光系统以及焦面测量装置的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式中掩模上第一标记示意图；
图3为本发明一具体实施方式中基准板上第二标记示意图；
图4为本发明一具体实施方式中视觉单元所拍图像的示意图；
图5a和5b分别为本发明一具体实施方式中对焦情况和不对焦情况下拍摄的图像；
图6a和6b为图5a和5b所分别对应的过渡宽度示意图。
图中：1-照明系统、2-掩模、201-第一标记、201’-空间像、3-投影物镜、4-焦面测量装置、401-基准板、401’-第二标记、402-反射镜、403-第一透镜、404-光阑、405-第二透镜、406-视觉单元、407-冷却装置、5-工件台、6-控制及处理单元。
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。
本发明提供的投影物镜的焦面测量装置4，如图1所示，固定于工件台5上与所述工件台5同步运动，依次包括基准板401、反射镜402、第一透镜403、光阑404、第二透镜405、视觉单元406、控制单元及焦面计算单元，本实施例中，所述视觉单元406为CCD相机，掩模2上的第一标记201经投影物镜3所成的空间像201’与所述基准板401的位置对应，所述基准板401与所述视觉单元406的靶面共轭，较佳地，所述基准板401与所述掩模2共轭。所述控制单元在所述工件台5垂向移动时的每个垂向高度位置，控制所述视觉单元406拍摄所述基准板401上的成像，所述焦面计算单元分析所述视觉单元406上成像的边界过渡宽度，找出满足需求的边界过渡宽度对应的工件台垂向高度即为所述投影物镜3的焦面位置。本发明中将视觉单元406安装于工件台5上，用以监测投影物镜3的焦面位置，代替了人工定期校准的方式；与现有的光栅-光电二极管相比，降低了测量装置的复杂度及成本，同时提高了兼容性。
较佳地，掩模2上的第一标记201如图2所示，所述基准板401上设有第二标记401’，如图3所示，所述视觉单元406同时拍摄第一标记的空间像201’及第二标记401’，如图4所示。通过对比基准板401上的第二标记401’和掩模2上第一标记201的空间像201’，计算出投影物镜3的焦面。
较佳地，请继续参考图1，所述焦面测量装置4还包括冷却装置407，具体地，所述冷却装置407可对整个焦面测量装置4的温度进行实时调节，使焦面测量装置4本身的焦面不漂移，进一步提高测量的准确性。
请结合图1，本发明还提供了一种投影物镜的焦面测量方法，包括如下步骤：
S1：在工件台5上设置一基准板401，将掩模2上的第一标记201经投影物镜3所成的空间像201’投影在所述基准板401上；
S2：垂向移动所述工件台5，在每个高度位置，利用一视觉单元406拍摄所述基准板401上所述第一标记201在所述基准板401上的空间像201’；
S3：分析所述视觉单元406所拍图像中空间像201’的边界过渡宽度DR，找出过渡宽度DR最小时对应的工件台5垂向高度，即为投影物镜3的焦面位置，请重点参考图5a至图6b，焦面测量装置4的焦面与投影物镜3的焦面重合时，得到如图5a所示的图像，离焦时得到如图5b所示的图像；分析图像中标记边界的过渡宽度DR，可相对比较出哪个图像更接近焦面(越接近焦面处，过渡宽度DR越小)；比较各高度对应的图像，找出过渡宽度DR最小的，即找到了投影物镜3的焦面。本实施例中图5a所示图像中标记边界的过渡宽度为a，图5b所示图像中标记边界的过渡宽度为b，其中a＜b，说明获得图5a所示图像时对应的工件台5垂向高度更接近焦面。
本方法透过基准板401观测掩模2的像，通过分析掩模2的像，计算出投影物镜3的焦面，与现有的光栅-光电二极管相比，降低了测量装置的复杂度及成本，同时提高了兼容性。
较佳地，在工件台5没有足够的空间安装冷却装置407时，焦面测量装置4本身的焦面可能漂移，降低测量精度，则可在所述基准板401上设置第二标记，请重点参考图4，所述视觉单元406同时拍摄第一标记201的空间像201’及第二标记401’，找出空间像201’的边界过渡宽度DR和第二标记401’的边界过渡宽度DF最接近时刻对应的工件台5垂向高度，即为投影物镜3的最佳焦面。由于基准板401是光刻机的水平及垂向的基准，一切测量实际均以基准板401为基准。因此，采用基准板401作为参考，通过比较，找出投影物镜3的实际最佳焦面，这样不论测量装置本身是否离焦，得到的结果都是准确的。
请继续参考图1，本发明还提供了一种曝光系统，依次包括：
照明系统1，提供照明光源，较佳地，所述照明系统1采用科勒照明系统；
掩模2，所述掩模2上带有第一标记201，本实施例中，所述掩模2采用SiO2制成；
投影物镜3，将掩模2上的第一标记201投影到工件台5上，较佳地，所述投影物镜3采用固定安装于框架上的双远心成像系统，对于后道光刻机其NA(数值孔径)通常为0.1～0.4，对于前道则通常为0.8～1.1。
以及工件台5，所述工件台5上固定安装一如上所述的投影物镜的焦面测量装置4。
该曝光系统结构简单，成本低，投影物镜3的焦面测量精度高。
较佳地，请继续参考图1，所述曝光系统还包括控制及处理单元6，分别与所述工件台5及焦面测量装置4相连，用于控制工件台5的运动及焦面测量装置4的工作。
综上所述，本发明提供的投影物镜的焦面测量装置和方法以及曝光系统，该测量装置固定于工件台5上与所述工件台5同步运动，依次包括基准板401、成像镜组以及视觉单元406，掩模2上的第一标记201经投影物镜3所成的空间像201’与所述基准板401的位置对应，所述基准板401与所述视觉单元406的靶面共轭。本发明将视觉单元406安装于工件台5上，用以监测投影物镜3的焦面位置，代替了人工定期校准的方式；与现有的光栅-光电二极管相比，降低了测量装置的复杂度及成本，同时提高了兼容性。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种投影物镜的焦面测量装置，固定于工件台上与所述工件台同步运动，其特征在于，所述测量装置包括基准板、成像镜组、视觉单元、控制单元及焦面计算单元，掩模上的第一标记经所述投影物镜所成的空间像与所述基准板的位置对应，所述基准板上设有第二标记，且所述基准板与所述视觉单元的靶面共轭；所述控制单元在所述工件台垂向移动时的每个垂向高度位置，控制所述视觉单元同时拍摄所述第一标记的成像和所述第二标记，所述焦面计算单元分析所述视觉单元上成像的边界过渡宽度，找出满足需求的边界过渡宽度对应的工件台垂向高度即为所述投影物镜的焦面位置，其中所述满足需求的边界过渡宽度为所述视觉单元在各个垂向高度位置拍摄的所述第一标记的成像的边界过渡宽度和所述第二标记的边界过渡宽度之差最小。
2.如权利要求1所述的投影物镜的焦面测量装置，其特征在于，所述焦面测量装置还包括冷却装置。
3.如权利要求1所述的投影物镜的焦面测量装置，其特征在于，所述基准板与所述掩模共轭。
4.如权利要求1所述的投影物镜的焦面测量装置，其特征在于，所述视觉单元为相机。
5.如权利要求1所述的投影物镜的焦面测量装置，其特征在于，所述成像镜组包括沿光轴方向依次设置的反射镜、第一透镜、光阑及第二透镜。
6.一种投影物镜的焦面测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在工件台上设置一基准板，将掩模上的第一标记经投影物镜投影在所述基准板上；
S2：垂向移动所述工件台，在每个高度位置，利用一视觉单元拍摄所述基准板上的成像；
S3：所述基准板上带有第二标记，所述视觉单元在拍摄所述第一标记在基准板上的成像的同时还拍摄第二标记，找出所述第一标记的成像的边界过渡宽度和所述第二标记的边界过渡宽度最接近时刻对应的工件台垂向高度，即为投影物镜的焦面位置。
7.一种曝光系统，其特征在于，依次包括：
照明系统，提供照明光源；
掩模，所述掩模上带有第一标记；
投影物镜，将掩模上的第一标记投影到工件台上，以及
工件台，所述工件台上固定安装一如权利要求1～5中任意一项所述的投影物镜的焦面测量装置。
8.如权利要求7所述的曝光系统，其特征在于，所述照明系统采用科勒照明系统。
9.如权利要求7所述的曝光系统，其特征在于，所述掩模采用SiO2制成。
10.如权利要求7所述的曝光系统，其特征在于，所述投影物镜采用固定安装于框架上的双远心成像系统。
11.如权利要求7所述的曝光系统，其特征在于，所述曝光系统还包括控制及处理单元，分别与所述工件台及焦面测量装置相连。
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