CN109581831B

CN109581831B - 一种光信号的处理装置及方法

Info

Publication number: CN109581831B
Application number: CN201710909289.2A
Authority: CN
Inventors: 孙建超; 忻斌杰; 李运锋
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN109581831A

Abstract

本发明提供了一种光信号处理装置及方法，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元将光信号采集至自参考棱镜单元，所述光信号经自参考棱镜单元进入光能损耗单元损耗部分光信号后再进入信号测量接收单元。本发明提供的光信号的处理装置及方法，通过对衍射光中低级次光的处理，降低低级次光的噪声干扰，可以有效的提高对准重复性。

Description

一种光信号的处理装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种光信号的处理装置及方法。

背景技术

随着光刻工艺的发展，对套刻精度要求越来越高。如何进一步提高对准的重复性，成为新型对准方案研究的目标。在影响对准重复性的因素中，对准信号的信噪比是其中一个比较重要的影响因素。

现有的自参考干涉设备，将光栅标记的各衍射光正负叠加，捕获各自的干涉信号从而获得对准位置。其中有两种捕获方式：一，探测器阵列分布分别接收各衍射光的干涉信号，后端分别处理不同通道的信息；二，单个探测器接收所有衍射光，后端利用计算机方法将各级次光分开。第一种捕获方式各级次互不干扰、信号易提取，信噪比高，但缺点也比较突出，比如，设置多个探测器，探测系统结构复杂，成本增加，并且对不同周期标记缺乏兼容性。第二种捕获方式探测系统结构简洁，使用与不同波长和不同周期的对准标记，工艺适应性强，但在后端对信号提取压力增加，由于各级次一起接收，各级次的噪声混合，对信号的影响较大，比如，低级次的噪声对于高级次的信号干扰较大，相同的噪声对高级次对准重复性的影响比其对低级次的影响更加突出，而一般高级次对准重复性较高，所以为了达到较高的对准重复性，抑制系统中的噪声变的尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光信号的处理装置及方法，以解决现有的对准装置中噪声较大的问题，提高对准重复性

本发明提供一种光信号处理装置，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元将光信号采集至自参考棱镜单元，所述光信号经自参考棱镜单元进入光能损耗单元损耗部分光信号后再进入信号测量接收单元。

可选的，所述光信号为衍射光。

可选的，所述自参考棱镜单元包括自参考棱镜，所述自参考棱镜将收集的衍射光的衍射级次旋转叠加后输出第一部分光和第二部分光，所述第一部分光的级次大于或大于等于或部分大于所述第二部分光的级次。

可选的，所述测量光能输出单元包括对准光栅标记和对准物镜，所述对准物镜将经过对准光栅标记的光信号采集至自参考棱镜单元。

可选的，所述光能损耗单元包括光学分光器件和消光设备，所述光学分光器件将所述光信号或部分所述光信号分为透射光和折射光，所述折射光投射到消光设备中。

可选的，所述光学分光器件包括光学分光棱镜和基板，所述光学分光棱镜安装在基板上。

可选的，所述光学分光棱镜的边长L满足如下公式：

L＝F tan(θ)

其中F为对准物镜的焦距，为θ入射角。

可选的，所述入射角满足如下公式：

其中λ为波长最大光的波长值，X_P为对准光栅标记的周期

可选的，所述光能损耗单元包括光学转折器件，所述光学转折器件将所述光信号的部分光路偏折。

可选的，所述光学转折器件包括光学楔板，所述光学楔板为部分镂空。

可选的，所述光学楔板对不同波长的光的转折角度满足如下公式：

其中β表示光的偏转角度，n表示光学楔板的折射率，

表示光学楔板的楔角。

可选的，所述信号测量接收单元包括分光单元和信号接收处理单元，所述光信号经分光单元分光后进入信号接收处理单元。

可选的，所述分光单元为PBS棱镜，所述第一部分光和透射光被所述PBS棱镜分为S偏振光和P偏振光。

可选的，所述信号接收处理单元包括多个探测器和多个探测物镜，所述探测物镜将所述S偏振光和P偏振光收集到的探测器上。

可选的，所述光能损耗单元为光学衰减片，所述光学衰减片对中间的光信号进行能量衰减。

本发明还提供一种光信号处理方法，包括以下步骤：

S1：测量光能输出单元将探测光信号采集至自参考棱镜单元；

S2：所述探测光信号进入所述自参考棱镜单元后射出干涉光信号；

S3：光能损耗单元对所述干涉光信号进行损耗后输出低噪光信号；

S4：所述低噪光信号进入信号测量接收单元。

可选的，所述干涉光信号分为第一部分光和第二部分光，所述第一部分光的级次大于或大于等于或部分大于所述第二部分光的级次，所述光能损耗单元使所述第二部分光的光路以改变光路或衰减的方式与所述第一部分光的光路分离。

可选的，所述第二部分光被所述光能损耗单元分离后被消除或被接收处理。

可选的，所述光能损耗单元包括光学分光器件和消光设备，所述光学分光器件将所述光信号或部分所述光信号分为透射光和折射光，所述折射光投射到消光设备中消除。

可选的，所述光能损耗单元包括光学楔板，所述光学楔板为部分镂空。

可选的，所述光能损耗单元是光学衰减片，所述光学衰减片对中间的光信号进行能量衰减。。

本发明提供的光信号的处理装置及方法，通过对衍射光中低级次光的处理，降低低级次光的噪声干扰，可以有效的提高对准重复性。

附图说明

图1是本发明实施例一所提供的光信号处理装置的结构图；

图2是光学分光器件的结构图；

图3是低级次光落入光学分光棱镜的示意图；

图4是本发明实施例二所提供的光信号处理装置的结构图；

图5是本发明实施例三所提供的光信号处理装置的结构图；

图6是采用传统方法得出的对准重复性的模拟图；

图7是采用本发明所提供方法所得出的对准重复性的模拟图。

图中标号：1-对准光栅标记；2-对准物镜；3-自参考棱镜；4-光学分光器件；5-消光设备；6-PBS棱镜；7-第一探测物镜；8-第一探测器；9-第二探测物镜；10-第二探测器；11-第三探测器；12-第四探测器；13-光学转折器件；21-第一部分光；41-第二部分光；21p-高级次衍射光的p偏振光，21s-高级次衍射光的s偏振光；41p-低级次衍射光的p偏振光；41-低级次衍射光的s偏振光；51-输出光路的P偏振光；52-输出光路的S偏振光；401-光学分光棱镜；402-基板；411-透射光；412-反射光。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光信号处理装置作进一步详细说明。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例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

现有的对准系统存在对准重复性不高的问题，本发明的发明人经过长期的研究和实验，发明了一种新型的装置，可以有效的提高对准重复性。

本发明提供一种光信号的处理装置，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元将光信号采集至自参考棱镜单元，所述光信号经自参考棱镜单元进入光能损耗单元损耗部分光信号后再进入信号测量接收单元。

实施例一

图1是本发明实施例一所提供的光信号处理装置的结构图，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元包括对准光栅标记1和对准物镜2，所述自参考棱镜单元包括自参考棱镜3，所述光能损耗单元包括光学分光器件4和消光设备5，所述信号测量接收单元包括分光单元和信号接收处理单元，所述分光单元包括PBS(polarizationbeam splitter偏振分光)棱镜6，信号接收处理单元包括第一探测物镜7、第一探测器8、第二探测物镜9和第二探测器10，所述第一探测物镜7、第二探测物镜9可以是镜组或镜片。

如图1所示，照明光束照射在对准光栅标记1上发生衍射，所述衍射光是带有对准光栅标记信息的光信号，所述衍射光从对准光栅标记1散开后经对准物镜2进入自参考棱镜3，自参考棱镜3将衍射光的各衍射次级进行旋转和叠加，输出第一部分光21以及第二部分光41，其中第一部分光21级次大于或大于等于或部分大于且部分等于第二部分光41的级次，即第一部分光为高级次的衍射光，第二部分光为低级次的衍射光，当然还有一种可能是第一部分光和第二部分光都包含了某一级次的衍射光，但在此时第一部分光还包括其他高于第二部分光级次的衍射光，为了方便理解，后续即用低级次的衍射光代替第二部分光，用高级次的衍射光代替第一部分光。

所述低级次的衍射光41被光学分光器件4分解成透射光411和反射光412，其中透射光411透射过光学分光器件4，反射光412进入消光设备5中，所述透射光411和高级次的衍射光21作为输入光路进入PBS棱镜，所述PBS棱镜将输出光路分为P偏振光和S偏振光后输出，输出光路中的P偏光51完全通过，S偏振光52被以45度角反射，射出方向与P偏光成90度夹角，透过的P偏光51经过第一探测物镜7进入到第一探测器8中，被反射的S偏光52经过第二探测物镜9进入到第二探测器10中。

所述的光学分光器件4将低级次衍射光41分解为透射光411和反射光412，即是对低级次衍射光41做光强衰减，以降低低级次光的能量强度。

所述的光学分光器件如图2所示，包括有光学分光棱镜401和基板402，所述光学分光棱镜401安装在所述基板402上，光学分光棱镜的透射率和反射率之比可以根据实际需要进行选择，光学分光棱镜的尺寸距离轴心的距离L设定为：

L＝F tan(θ)

其中，入射角θ应满足：

这里，F为对准物镜焦距，λ为波长最大光的波长值，X_P为对准光栅标记的周期。

需要强调的是，本实施例所提供的光学分光棱镜的设计并不只针对1级次光，对于不同周期对准光栅标记来说，其它低级次光一部分光也会进入光学分光棱镜内，如图3所示，其中401表示光学分光棱镜，数字±1和±3表示衍射级次，这样带来低级次光的衰减，同样是合适的。所以，可以应用在不同波长的光和不同的对准光栅标记。

本实施例所提供的光信号处理装置，通过对低级次衍射光做衰减，将其一部分能量转移到消光器件，从而降低低级次衍射光的能量，降低低级次衍射光的干扰，提高高级次衍射光的对准重复性。

实施例二

图4是本发明实施例二所提供的光信号处理装置的结构图，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元包括对准光栅标记1和对准物镜2，所述自参考棱镜单元包括自参考棱镜3，所述光能损耗单元包括光学转折器件13，所述信号测量接收单元包括分光单元和信号接收处理单元，所述分光单元包括PBS棱镜6，信号接收处理单元包括第一探测物镜7、第一探测器8、第二探测物镜9、第二探测器10、第三探测器11和第四探测器12。

如图4所示，照明光束照射在对准光栅标记1上发生衍射，所述衍射光是带有对准光栅标记信息的光信号，所述衍射光从对准光栅标记1散开后被对准物镜2收集至自参考棱镜3，自参考棱镜3将衍射光的各衍射次级进行旋转叠加，输出第一部分光21以及第二部分光41，其中第一部分光21级次大于或大于等于或部分大于且部分等于第二部分光41的级次，即第一部分光为高级次的衍射光，第二部分光为低级次的衍射光，当然还有一种可能是第一部分光和第二部分光都包含了某一级次的衍射光，但在此时第一部分光还包括其他高于第二部分光级次的衍射光，为了方便理解，后续即用低级次的衍射光代替第二部分光，用高级次的衍射光代替第一部分光。

所述低级次的衍射光41的光路被光学转折器件13偏折，经偏折的低级次衍射光41和高级次衍射光21进入PBS棱镜，所述PBS棱镜将所述低级次衍射光41和高级次衍射光21一份为二，低级次衍射光41的P偏振光41p可以完全透过，S偏振光41s被以45度角反射，射出方向与P偏振光41p成90度夹角，高级次衍射光21的P偏振光21p可以完全透过，S偏振光21s被以45度角反射，射出方向与P偏振光21p成90度夹角，所述低级次衍射光41的P偏振光41p经第一探测物镜7进入第三探测器11中，S偏振光41s经第二探测物镜9进入第二探测器10中，所述高级次衍射光21的P偏振光21p经第一探测物镜7进入第一探测器8中，S偏振光21s经第二探测物镜9进入第四探测器12中。

所述光学转折器件13由光学楔板组成，所述光学楔板为部分镂空。所述光学楔板非镂空区域的边长可根据需要转折的级次光来决定，比如需要将1级光分离，则可根据1级光的衍射位置设计边长的大小。所述光学楔板对不同波长的光波的转折角度满足以下公式：

β表示低级次衍射光光路的偏转角度，n表示光学楔板的折射率，

表示光学楔板的楔角。其中低级次衍射光光路的偏转角度β可根据实际第二探测器10和第三探测器11的位置来设定。

同样需要强调的是，本实施例所提供的光学转折器件的设计并不只针对1级次光，对于不同周期对准光栅标记来说，同样也可能会出现如图3所示的情况，具体来说就是有些级次的衍射光一部分能量进入第二探测器10和第三探测器11，另一部分进入第一探测器8和第四探测器12。这样并不会影响各通道信号的分解，只是每个通道的能量有所区别，所以对不同波长的光和对准光栅标记都适用。

本实施例所提供的光信号处理装置，通过将低级次的衍射光偏折，使低级次的衍射光和高级次的衍射光进入不同的探测器，使低级次衍射光噪声无法干扰到高级次衍射光的信噪比，从而提高高级次光的对准重复性。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于用光学衰减片来代替光学分光器件，并取消消光设备。

如图5所示，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元包括对准光栅标记1和对准物镜2，所述自参考棱镜单元包括自参考棱镜3，所述光能损耗单元包括光学衰减片14，所述信号测量接收单元包括分光单元和信号接收处理单元，所述分光单元包括PBS棱镜6，信号接收处理单元包括第一探测物镜7、第一探测器8、第二探测物镜9和第二探测器10。

照明光束照射在对准光栅标记1上发生衍射，所述衍射光是带有对准光栅标记信息的光信号，所述衍射光从对准光栅标记1散开后被对准物镜2收集至自参考棱镜3，自参考棱镜3将衍射光的各衍射次级进行旋转叠加，输出第一部分光21以及第二部分光41，其中第一部分光21级次大于或大于等于或部分大于且部分等于第二部分光41的级次，即第一部分光为高级次的衍射光，第二部分光为低级次的衍射光，当然还有一种可能是第一部分光和第二部分光都包含了某一级次的衍射光，但在此时第一部分光还包括其他高于第二部分光级次的衍射光，为了方便理解，后续即用低级次的衍射光代替第二部分光，用高级次的衍射光代替第一部分光。

所述低级次的衍射光41经过光学衰减片14后能量被衰减，所述经过衰减后的低级次的衍射光41和高级次的衍射光21作为输入光路进入PBS棱镜，所述PBS棱镜将输入光路分为P偏振光和P偏振光后输出，输出光路中的P偏光51完全通过，S偏光52被以45度角反射，射出方向与P偏光成90度夹角，透过的P偏光51经过第一探测物镜7进入到第一探测器8中，被反射的S偏光52经过第二探测物镜9进入到第二探测器10中。

本实施例所提供的光信号处理装置，通过将低级次的衍射光能量做衰减，降低低级次衍射光噪声，减少对高级次衍射光信噪比的干扰，从而提高高级次光的对准重复性。

相应的，本发明还提供一种光信号的处理方法，采用上述的光信号处理装置，可以有效提高高级次光的对准重复性。

S4：所述低噪光信号进入信号测量接收单元。

其中测量光能输出单元、自参考棱镜单元、光能损耗单元和信号测量接收单元是实施例一至三中的任意一项所述的测量光能输出单元、自参考棱镜单元、光能损耗单元和信号测量接收单元。所述自参考棱镜单元将测量光能输出单元收集的探测光信号旋转叠加后射出干涉光信号，所述干涉光信号被分光单元分为第一部分光和第二部分光，所述第一部分光的级次大于或大于等于或部分大于所述第二部分光的级次，所述光能损耗单元使所述第二部分光的光路以改变光路或衰减的方式与所述第一部分光的光路分离，经过改变后的第二部分光被信号测量接收单元吸收或者接收处理。具体的，以下结合实施例一来阐述光信号的处理方法。

探测光束照射在对准光栅标记1上发生衍射，所述衍射光是带有对准光栅标记信息的探测光信号，所述衍射光从对准光栅标记1散开后被对准物镜2收集至自参考棱镜3，自参考棱镜3将探测光信号的各衍射次级进行旋转叠加，输出干涉光信号，所述干涉光信号包括高级次的衍射光21(第一部分光)以及低级次的衍射光41(第二部分光)，低级次的衍射光41被光学分光器件4分解成透射光411和反射光412，其中部分低级次衍射光透射形成透射光411，另一部分低级次衍射光被光学分光器件4反射形成反射光412，进入消光设备5中，所述透射光411和高级次的衍射光21经过损耗后成为低噪声的光信号，所述低噪声的光信号作为输出光路进入PBS棱镜，所述PBS棱镜将输出光路一份为二，输出光路中的P偏光51完全通过，S偏光52被以45度角反射，射出方向与P偏光成90度夹角，透过的P偏光51经过第一探测物镜7进入到第一探测器8中，被反射的S偏光52经过第二探测物镜9进入到第二探测器10中。

上述以实施例一所提供的光信号处理装置为例阐述光信号处理方法，本领域技术人员可以理解是的，本发明所提供的光信号处理方法同样适用于实施例二和实施例三所提供的光信号处理装置。

以下通过一组模拟实验数据来说明本发明的有益效果，图6采用传统方法所得到的的对准重复性的模拟图，图7是采用本发明所提供方法所得出的对准重复性的模拟图，其中四幅图从上到下分别表示1级光、3级光、5级光和7级光，纵坐标表示振幅，横坐标表示时间，下表是图6和图7的数字表征，可以看出，采用本发明所提供的装置和方法，3级光、5级光和7级光的对准重复性得到了提高(对准重复性越小越好)，即高级次光的对准重复性得到了提高。

对准重复性(nm)	1级光	3级光	5级光	7级光
					传统方法	0.4867	1.4935	3.3550	3.6177
本发明提供方法	1.3320	0.3678	0.1600	0.1576

综上所述，本发明所提供的光信号的对准处理装置及方法，可以有效的降低低级次光的干扰，提高高级次光的对准重复性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种光信号的处理装置，其特征在于，包括测量光能输出单元、自参考棱镜单元、信号测量接收单元和光能损耗单元，所述测量光能输出单元将光信号采集至自参考棱镜单元，所述光信号经自参考棱镜单元进入光能损耗单元损耗部分光信号后再进入信号测量接收单元；

其中，所述自参考棱镜单元用于输出第一部分光和第二部分光，所述第一部分光的级次大于或大于等于或部分大于所述第二部分光的级次，以及，所述光能损耗单元用于损耗所述第二部分光。

2.如权利要求1所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光信号为衍射光。

3.如权利要求2所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述自参考棱镜单元包括自参考棱镜，所述自参考棱镜将收集的衍射光的衍射级次旋转叠加后输出第一部分光和第二部分光。

4.如权利要求1所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述测量光能输出单元包括对准光栅标记和对准物镜，所述对准物镜将经过对准光栅标记的光信号采集至自参考棱镜单元。

5.如权利要求1所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光能损耗单元包括光学分光器件和消光设备，所述光学分光器件将所述光信号或部分所述光信号分为透射光和折射光，所述折射光投射到消光设备中。

6.如权利要求5所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光学分光器件包括光学分光棱镜和基板，所述光学分光棱镜安装在基板上。

7.如权利要求6所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光学分光棱镜的边长L满足如下公式：

L＝F tan(θ)

其中F为对准物镜的焦距，θ为入射角。

8.如权利要求7所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述入射角θ满足如下公式：

其中λ为波长最大光的波长值，X_P为对准光栅标记的周期。

9.如权利要求1所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光能损耗单元包括光学转折器件，所述光学转折器件将所述光信号的部分光路偏折。

10.如权利要求9所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光学转折器件包括光学楔板，所述光学楔板为部分镂空。

11.如权利要求10所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光学楔板对不同波长的光的转折角度满足如下公式：

其中β表示光的偏转角度，n表示光学楔板的折射率，

表示光学楔板的楔角。

12.如权利要求1所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述信号测量接收单元包括分光单元和信号接收处理单元，所述光信号经分光单元分光后进入信号接收处理单元。

13.如权利要求12所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述分光单元为PBS棱镜，所述第一部分光和透射光被所述PBS棱镜分为S偏振光和P偏振光。

14.如权利要求13所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述信号接收处理单元包括多个探测器和多个探测物镜，所述探测物镜将所述S偏振光和P偏振光收集到的探测器上。

15.如权利要求1所述的光信号的处理装置，其特征在于，所述光能损耗单元为光学衰减片，所述光学衰减片对中间的光信号进行能量衰减。

16.一种光信号处理方法，包括以下步骤：

S2：所述探测光信号进入所述自参考棱镜单元后射出干涉光信号，所述干涉光信号分为第一部分光和第二部分光，所述第一部分光的级次大于或大于等于或部分大于所述第二部分光的级次；

S3：光能损耗单元对所述干涉光信号中的第二部分光进行损耗后输出低噪光信号；

S4：所述低噪光信号进入信号测量接收单元。

17.如权利要求16所述的光信号处理方法，其特征在于，所述光能损耗单元使所述第二部分光的光路以改变光路或衰减的方式与所述第一部分光的光路分离。

18.如权利要求17所述的光信号处理方法，其特征在于，所述第二部分光被所述光能损耗单元分离后被消除或被接收处理。

19.如权利要求16所述的光信号处理方法，其特征在于，所述光能损耗单元包括光学分光器件和消光设备，所述光学分光器件将所述光信号或部分所述光信号分为透射光和折射光，所述折射光投射到消光设备中消除。

20.如权利要求19所述的光信号处理方法，其特征在于，所述光学分光器件包括光学分光棱镜和基板，所述光学分光棱镜安装在基板上。

21.如权利要求16所述的光信号处理方法，其特征在于，所述光能损耗单元包括光学楔板，所述光学楔板为部分镂空。

22.如权利要求16所述的光信号处理方法，其特征在于，所述光能损耗单元是光学衰减片，所述光学衰减片对中间的光信号进行能量衰减。