CN112902838B - 一种零位传感器及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零位传感器及检测系统，其中，零位传感器包括设置在检测对象底部的角反射器，角反射器包括三个相互垂直的反射面；设置在角反射器下方的光源和光强探测器，光源用于发出检测光，光强探测器用于接收从角反射器的反射面反射回来的反射光，光强探测器包括四个象限的检测分区和中央盲区，中央盲区与零位对应。本发明的光刻机的零位传感器及检测系统，实现了对检测对象的横向偏移和垂向偏移的快速准确的检测，从而为检测对象提供了可靠的零位基准，有助于检测对象进行快速精准的零位调整。

Description

一种零位传感器及检测系统

技术领域

本发明涉及集成电路制造光刻设备技术领域，特别是涉及一种零位传感器及检测系统。

背景技术

现有技术中，光刻机的工件台一般采用干涉仪或者光栅尺来测控空间位置。由于干涉仪或者光栅尺一般采用周期计数并且在一个周期内细分的检测方法，对于超过一个周期的长度无法确定绝对空间坐标。因此，光刻机的工件台需要确定参考坐标，即零位坐标点。零位坐标点可以通过零位传感器来确定。

零位传感器一般采用角反射器来确定水平或者垂直的零位位置。为了测量三维方向的零位位置，需要采用三个一维的角反射器和对应的光探测器，或者一个二维的角反射器和一个一维的角反射器以及对应的光探测器。现有技术中，需要布置多个角反射器和光探测器，给安装和使用带来较多不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种零位传感器及检测系统，以解决现有技术存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种零位传感器，包括：

设置在检测对象底部的角反射器，所述角反射器包括三个相互垂直的反射面；

设置在所述角反射器下方的光源和光强探测器，所述光源用于发出检测光，所述光强探测器用于接收从所述角反射器的反射面反射回来的反射光，并对光强进行检测，所述光强探测器包括四象限的检测分区和中央盲区，所述中央盲区与零位对应。进一步地，零位传感器还包括照明成像系统，用于将检测光沿着竖直方向的光轴，聚焦投射到角反射器上，并将被所述角反射器反射回来的反射光，聚焦投射至所述光强探测器上。

进一步地，所述照明成像系统和所述光强探测器保持相对静止，所述照明成像系统的光轴与所述光强探测器的中央盲区的中心对准，在零位状态下，所述检测光被聚焦投射到角反射器的顶点上，所述反射光被聚焦投影至所述中央盲区的中心。

进一步地，所述照明成像系统包括沿着竖直方向由上至下依次设置的第一透镜、分束板以及第二透镜，

所述分束板与所述光轴呈45度角倾斜设置，用于接收检测光并将该检测光反射至所述第一透镜，以及接收穿过所述第一透镜的反射光并将该反射光透射至所述第二透镜；

所述第一透镜用于将所述检测光聚焦投射到所述角反射器上，以及将反射光转换为平行光照射到所述分束板上；

所述第二透镜用于接收所述分束板透射的反射光，并将该反射光聚焦投射至所述光强探测器上。

进一步地，所述光源包括照明点光源和第三透镜，所述照明点光源用于产生检测光，所述第三透镜用于将所述检测光转换为平行光并沿着水平方向照射到所述分束板。

进一步地，还包括检测分析单元，用于根据所述光强探测器检测到的光强信号，进行数据分析处理：

如果所述光强探测器的四个象限的检测分区上检测到的光强信号不均等，则确定所述检测对象出现横向偏移；

如果所述光强探测器的四个象限的检测分区上检测到的光强信号均等但不为零，则确定所述检测对象出现垂向偏移；

如果所述光强探测器的四个象限的检测分区上检测到的光强信号均为零，则确定所述检测对象处于零位。

进一步地，所述检测分析单元还用于根据所述光强信号在所述四个象限的分布情况，确定所述横向偏移的方向。

进一步地，光强探测器还检测反射光的光斑的位置信息，所述检测分析单元还用于根据所述位置信息，计算所述检测对象在垂向和/或横向的偏移量，其中，所述位置信息包括光斑中心位置信息和/或光斑边缘位置信息。

进一步地，零位传感器还包括反馈控制单元，用于根据所述光强探测器检测的光强，对所述检测对象进行反馈控制，直至所述光强探测器检测的光强为零。

进一步地，零位传感器还包括反馈控制单元，用于根据所述检测分析单元输出的检测结果，对所述零位检测对象进行反馈控制，直至所述检测分析单元输出所述零位检测对象处于零位的检测结果。

进一步地，所述零位传感器应用于光刻机上，所述检测对象为光刻机的工件台。

一种零位传感器检测系统，包括多个前述的零位传感器。

进一步地，所述零位传感器为三个，所述三个零位传感器呈三角状分布在所述光刻机的检测对象的下方。

本发明的零位传感器及检测系统，通过在检测对象下方设置的角反射器以及具有四象限检测区域以中央盲区的光强探测器，以精简的结构实现了对检测对象的横向偏移和垂向偏移的快速准确的检测，从而为检测对象提供了可靠的零位基准，有助于检测对象进行快速精准的零位调整。

附图说明

图1是本发明光刻机的零位传感器的工作原理示意图；

图2是本发明光刻机的零位传感器的角反射器的结构示意图；

图3是本发明光刻机的零位传感器的光强探测器的检测区域的结构示意图；

图4是本发明包括照明成像系统的零位传感器的立体结构示意图；

图5是本发明包括照明成像系统的零位传感器的侧视剖面结构示意图；

图6是本发明光刻机的零位传感器在横向偏移时的状态示意图；

图7是本发明光刻机的零位传感器在横向且垂向偏移时的状态示意图；

图8是本发明设置多个零位传感器的工件台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

如图1所示，其为本发明光刻机的零位传感器的工作原理示意图，零位传感器包括设置在光刻机的工件台1的底部的角反射器2和设置在该角反射器2下方的光源3和光强探测器4。图1a示出了零位状态下的光线路径，图1b示出了工件台1沿着箭头方向发生横向偏移时的光线路径变化。角反射器2包括三个相互垂直的反射面，如图2所示，其展示了不同视角的角反射器2的视图，图2a示出了以正方体作为参照，角反射器2的三个反射面之间的垂直关系，图2b和图2c分别为仰视视角和立体视角的角反射器2的三个反射面的结构示意图。角反射器可以通过三个相互垂直的反射面形成内凹结构，例如，图2b所示，正方体的三个互相垂直的面构成的内凹不封闭的结构，切面(第四面)不存在，即下方形成开口(结合图1可以看出，下方的开口用于检测光的入射和出射)，内凹结构空心内侧涂反射层，形成角反射器的反射面。

图1中的光源3用于发出检测光，而光强探测器4用于接收角反射器2的反射面反射回来的反射光，并进行光强检测。

如图3所示，光强探测器4包括四象限的检测分区和中央盲区，中央盲区与零位对应。如图1所示的工作原理，图中光源3和光强探测器4保持静止状态，当工件台发生移动时，检测光经过角反射器2反射后，在光强探测器4的检测面上将会发生偏移，使得四个检测分区的光强信号发生变化，从而能够确定工件台的偏移状态以及偏移量。在零位状态下，检测光经过角反射器2后，应该正好照射到光强探测器4检测面的中央盲区上，并且光斑大小应当位于中央盲区之内，如图5的右下方的放大示意图所示，光强探测器4将没有光强信号输出。

进一步地，零位传感器可以根据光强探测器4获得的光强信号在各个检测区域的光强分布来判断角反射器2相对于光强探测器4的位置偏移，由于角反射器2与工件台固定，角反射器2的位置偏移就是工件台1的偏移。

具体地，零位传感器还可以包括检测分析单元，用于根据光强探测器4的检测信号，进行如下数据分析处理：

1)如果光强探测器4的四个象限的检测分区上检测到的光强信号不均等，则确定工件台出现横向偏移，即工件台沿着水平方向的偏移。进一步地，根据光强信号在四个象限的分布情况，可以确定横向偏移的方向。结合图6所示的状态，当工件台1发生向右的横向偏移时，反射光在光强探测器4的检测面上的光斑(具体可以为衍射形成的艾里斑)会向左发生移动。

2)如果光强探测器4的四个象限的检测分区上检测到的光强信号均等但不为零，则确定工件台出现垂向偏移。如图5的左下方的放大示意图所示，当工件台1发生向上发生偏移时，反射光在光强探测器4的检测面上的光斑会由于成像位置的改变而变大，从而覆盖整个中央盲区，并且在四个象限上的光斑大小是相同的。

3)如果光强探测器4的四个象限的检测分区上检测到的光强信号均为零，则确定工件台处于零位。如图5所示的状态，在零位状态下，反射光在光强探测器4的检测面上的光斑位于中央盲区，因此，光强探测器4无光强信号输出。

此外，图7中示出了在发生横向偏移和垂向偏移状态下的光斑变化，如图7右下角示意图所示，光斑变大并且向左移动。图7所示的情形相当于上述情形1)和情形2的叠加。对于图7所示的横向偏移且垂向偏移状态，可以先根据光斑的位置判断出存在横向偏移，然后通过对工作台的调整来消除横向偏移后，再判断是否存在垂向偏移，当横向偏移的情况消失后，即四个象限的检测分区上检测到的光强要么均等不为零(还存在垂向偏移)，要么全部为零(处于零位状态)，如果还存在垂向偏移，那么需要继续进行调整，最终使得四个象限的检测分区上检测到的光强均为零，即工作台处于零位状态。

进一步地，零位传感器还包括可以反馈控制单元，根据光强探测器检测的光强，对检测对象进行反馈控制，直至所述光强探测器检测的光强为零，具体的反馈控制方式可以如前面介绍地，先消除横向偏移再消除垂向偏移。此外，反馈控制单元也可以根据检测分析单元输出结果，对工件台进行反馈控制，直至检测分析单元输出工件台处于零位的检测结果。这里所说的反馈控制是指根据对工件台进行横向和/或垂向的位置调整，并不断地读取检测分析单元的检测结果，当检测分析单元输出处于零位的检测结果时，则停止对工件台的调整。在实际的调整过程中，可以先进行横向偏移的调整，使得反射光的光斑中心处于光强探测器4的检测面的中心位置，即中央盲区中，然后再进行垂向偏移调整，使得整个光斑都处于中央盲区内，即四个象限的检测分区都检测不到光强信号为止。

此外，光强探测器还检测反射光的光斑的位置信息，该位置信息可以包括光斑中心位置信息和/或光斑边缘位置信息，检测分析单元根据上述位置信息，计算工件台在垂向和/或横向的偏移量。其中，横向的偏移量主要基于反射光在光强探测器4的检测面上的光斑的中心位置来计算，如图6和图7中所示，可以根据光强探测器4检测到的反射光的光斑在探测器的检测平面上的横向位移△R计算工件台的横向位移△r，而垂向的偏移量则通过检测面上的光斑大小来计算，光斑大小可以通过光斑边缘位置来确定，如图7中所示，垂向位移表示为△Z。具体的计算方式，可以根据光强探测器4检测到的光斑的位置坐标和光路系统的几何位置关系，确定出工件台的垂向和/或横向的偏移量。检测出的垂向和/或横向的偏移量可以直接应用于反馈控制单元对工件台的位置调整，从而实现快速精准的定位。

上述的检测分析单元和反馈控制单元可以通过软件或者硬件逻辑来实现，具体可以采用上位机的程序处理或者通过与光强探测器4连接的嵌入式处理器、或者可编程芯片来实现。

下面再结合图4至图7来进一步说明带有照明成像系统的零位传感器的立体结构示意图，照明成像系统5的引入是为了让光源3与光强探测器4的布局更加合理，使得整个检测系统更加精准和紧凑。如图4所示，照明成像系统5是设置在光源3、光强探测器4以及角反射器2之间的光路系统，其主要作用在于，一方面将检测光沿着竖直方向的光轴，聚焦投射到角反射器2上，另一方面，将被角反射器2反射回来的反射光，聚焦投射至光强探测器4的上。照明成像系统5和光强探测器4保持相对静止，如图5中所示，照明成像系统5的光轴(图5中竖直方向上的虚线)与光强探测器4的中央盲区的中心对准，在零位状态下，检测光被聚焦投射到角反射器2的顶点上，反射光被聚焦投影至中央盲区的中心。

具体地，照明成像系统5可以包括沿着竖直方向由上至下依次设置的第一透镜51、分束板52以及第二透镜53，

分束板52与竖直方向的光轴呈45度角倾斜设置，用于接收检测光并将该检测光反射至第一透镜51，以及接收穿过第一透镜51的反射光并将该反射光透射至第二透镜53；

第一透镜51用于将检测光聚焦投射到角反射器2上，以及将反射光转换为平行光照射到分束板52上；

第二透镜53用于接收分束板52透射的反射光，并将该反射光聚焦投射至光强探测器4上。

此外，光源3可以包括照明点光源31和第三透镜32，照明点光源31用于产生检测光，第三透镜32用于将照明点光源31产生的检测光转换为平行光并沿着水平方向照射到分束板52。

进一步地，上述的中央盲区的大小设计可以根据工件台垂向的零位精度要求而定。一般来说，垂向的零位定位精度要求可以为±5μm左右，即对应的DoF(Depth of Focus，焦深)值为10μm，根据下述公式(1)，如果采用波长为550nm的检测光，可以计算出公式(1)中的衍射角θ为13.5度。再根据下述公式(2)，可得到反射光的艾里斑的直径约为2.9μm。因此，如果制作一个中央盲区直径约3μm的光强探测器4，即可实现垂向零位精度在±5μm之内。

公式(1)给出了基于给定的照明成像系统5将角反射器2的顶点成像到光强探测器4上的情况下，即以角反射器2的顶点所在的平面为对焦平面、以光强探测器4的检测面为焦平面的情况下，探测光的波长λ、照明光学系统的衍射角θ(即前面第一透镜和第二透镜形成的透镜系统的衍射角)、以及焦深DoF之间的关系。

公式(2)给出了成像的光斑即反射光在光强探测器4的检测面上的艾里斑的直径2R的计算公式。

进一步地，如图8所示，在工件台1上可以至少设置多个零位传感器，从而对工件台1的偏移状态进行更加精确的检测。较为优选地，可以在工件台1上设置三个呈三角状分布零位传感器，由于三角分布的三个零位传感器构成了有效的检测平面，能够对工件台的6个自由度的偏移状态进行更加精准的检测，进而可以对工件台1进行更加快速准确的反馈控制。在对工件台1进行反馈控制的过程中，需要使得全部零位传感器的检测结果都处于零位时才算完成。

本发明的光刻机工件台及其零位传感器的技术方案可以应用于深紫外，深紫外浸没式，和极紫外光刻机。此外，需要说明的是，本发明仅以光刻机工件台作为示例来说明，本发明的零位传感器的技术方案。上述的光刻机的工件台也可以替换为其他需要进行零位检测的检测对象，例如，工厂中应用的各种工作台、加工台等。

以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种零位传感器，其特征在于，包括：

设置在检测对象底部的角反射器，所述角反射器包括三个相互垂直的反射面；

设置在所述角反射器下方的光源和光强探测器，所述光源用于发出检测光，所述光强探测器用于接收从所述角反射器的反射面反射回来的反射光，并对光强进行检测，所述光强探测器包括四象限的检测分区和中央盲区，所述中央盲区与零位对应；

照明成像系统，用于将检测光沿着竖直方向的光轴，聚焦投射到角反射器上，并将被所述角反射器反射回来的反射光，聚焦投射至所述光强探测器上；

所述照明成像系统包括沿着竖直方向由上至下依次设置的第一透镜、分束板以及第二透镜，

所述分束板与所述光轴呈45度角倾斜设置，用于接收检测光并将该检测光反射至所述第一透镜，以及接收穿过所述第一透镜的反射光并将该反射光透射至所述第二透镜；

所述第一透镜用于将所述检测光聚焦投射到所述角反射器上，以及将反射光转换为平行光照射到所述分束板上；

所述第二透镜用于接收所述分束板透射的反射光，并将该反射光聚焦投射至所述光强探测器上；

检测分析单元，用于根据所述光强探测器检测到的光强信号，进行数据分析处理：

如果所述光强探测器的四个象限的检测分区上检测到的光强信号不均等，则确定所述检测对象出现横向偏移；

如果所述光强探测器的四个象限的检测分区上检测到的光强信号均等但不为零，则确定所述检测对象出现垂向偏移；

如果所述光强探测器的四个象限的检测分区上检测到的光强信号均为零，则确定所述检测对象处于零位。

2.根据权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述照明成像系统和所述光强探测器保持相对静止，所述照明成像系统的光轴与所述光强探测器的中央盲区的中心对准，在零位状态下，所述检测光被聚焦投射到角反射器的顶点上，所述反射光被聚焦投影至所述中央盲区的中心。

3.根据权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述光源包括照明点光源和第三透镜，所述照明点光源用于产生检测光，所述第三透镜用于将所述检测光转换为平行光并沿着水平方向照射到所述分束板。

4.根据权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，所述检测分析单元还用于根据所述光强信号在所述四个象限的分布情况，确定所述横向偏移的方向。

5.根据权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，光强探测器还检测反射光的光斑的位置信息，所述检测分析单元还用于根据所述位置信息，计算所述检测对象在垂向和/或横向的偏移量，其中，所述位置信息包括光斑中心位置信息和/或光斑边缘位置信息。

6.根据权利要求1所述的零位传感器，其特征在于，零位传感器还包括反馈控制单元，用于根据所述光强探测器检测的光强，对所述检测对象进行反馈控制，直至所述光强探测器检测的光强为零。

7.根据权利要求3至5任一所述的零位传感器，其特征在于，零位传感器还包括反馈控制单元，用于根据所述检测分析单元输出的检测结果，对所述零位检测对象进行反馈控制，直至所述检测分析单元输出所述零位检测对象处于零位的检测结果。

8.根据权利要求1至6任一所述的零位传感器，其特征在于，所述零位传感器应用于光刻机上，所述检测对象为光刻机的工件台。

9.一种零位传感器检测系统，其特征在于，包括多个如权利要求1至8任一所述的零位传感器。

10.根据权利要求9所述的零位传感器检测系统，其特征在于，所述零位传感器为三个，所述三个零位传感器呈三角状设置在所述检测对象的下方。