CN1959532A - 自适应调焦调平传感器系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应调焦调平传感器系统及应用方法，其特征在于光斑掩模还具有形成位于曝光狭缝之外的预测光斑的通光孔，利用所成的曝光狭缝外的预测光斑使本发明的自适应调焦调平系统实现对工艺的自适应，对其本身测量点测量数据的可信度进行自我判断，对光强或增益环节进行反馈控制。本发明的有益效果是大大提高了调焦调平系统的可用性及生产效率和成品率，减少了工艺实验的工作量，节约了使用成本，提高了调焦调平的测量性能和工件台的工作性能，并最终也提高了整个光刻机的工作性能，降低了其使用成本和使用难度。

Description

自适应调焦调平传感器系统及应用方法

技术领域

本发明属于投影光刻机调焦调平传感器领域，具体涉及一种具有自适应能力的调焦调平传感器。

背景技术

光刻机是将掩模上的图形以一定的比例转移到要加工的对象上(如硅片等)的曝光装置。请参阅图1，在投影光刻机中，曝光光束照明刻有集成电路图形的掩模18，掩模18经过投影物镜5成像在加工对象硅片6上使加工对象上涂有的光刻胶曝光，从而将掩模图样复制到加工对象上。在这种曝光装置中，需要使被曝光的对象的被曝光表面保持在曝光装置中的投影物镜的焦深范围之内，这就需要利用调焦调平传感器系统10来测量加工对象的上表面相对于投影物镜最佳焦平面的相对位置。随着集成电路的集成度的急剧增加，要曝光的线条也越来越细越来越密，投影物镜的分辨率不断提高，焦深也在不断减少，要想使要曝光对象的相应表面保持在焦深内，对调焦调平传感器系统的测量精度和稳定性也提出了越来越高的要求。

目前，各大光刻机厂商采用的调焦调平系统一般都是基于光电测量的调焦调平传感器系统如美国专利US4153341、US4441808、US4477183等，其只采用的曝光狭缝内测量光斑进行测量或者在曝光狭缝内外均布有完全相同的测量光斑，这样的调焦调平系统的测量不可避免具有一定的缺陷。

首先，对不同类型的测量对象，调焦调平传感器系统的测量误差是不同的，我们称之为调焦调平传感器系统的工艺相关性。由调焦调平传感器系统的工艺相关性所带来的影响有时候会很严重，如10nm测量精度的基于光能量探测的调焦调平传感器系统对不同工艺条件下的测量对象(即不同类的测量对象)的测量误差有时甚至会达到μm量级。引起调焦调平传感器系统工艺相关性的因素很多，如当作为测量对象的硅片的基底、涂层及光刻胶的参数不同时，其测量误差便不同。由于目前各大光刻机厂商所使用的调焦调平传感器系统没有工艺适应能力，故而每当工艺条件改变时，都必须要对调焦调平传感器系统进行测试和校准。

同时，现有的调焦调平测量系统还不能对其本身提供的数据的可信度作自我判断。请参阅图2，图2(a)为光刻机中承载硅片的工件台垂向传感器结构示意图，硅片6被吸附在工件台16上，工件台垂向运动的测量传感器有调焦调平传感器15和位置传感器17，其中调焦调平传感器15测量硅片曝光狭缝区域处的硅片6上表面的Z，Rx，Ry信息，位置传感器17则布置在工件台的背面，其同样测量工件台的垂向信息，只是其是从工件台16的背面进行测量。将要被曝光的硅片根据涂胶后的平整度和整个调焦调平测量区域的大小被分为内场、交接场和外场三个区域。请参阅图7，图7为内场、交接场和外场的区域范围示意图。如图7所示，R1是现有技术中人为划分的调焦调平传感器的测量数据可信性分界线。大于R1的区域光刻胶的表面平整度很差，在这个区域内认为调焦调平传感器所提供的数据是不可靠的；而在小于R1的区域内调焦调平的测量数据则是完全可靠的。对于单个光斑测量点来说，当其整个光斑100％完全处在R1以内的区域时，认为该光斑点的测量值有效，当光斑点有任何一部分处在R1之外的区域的时候就认为该光斑点的测量值是无效的。当每一个的调焦调平曝光狭缝内的测量点N1～N8都完全在小于R1的区域内时，是为内场即小于R2的区域为内场，在内场的时候，认为调焦调平可以给出准确的硅片上表面的位置信息，这时候工件台的垂向运动控制采用调焦调平的信息，正如图2(b)所示，这时候闭环的控制选择开关与调焦调平相连。而从测量光斑点N1～N8中有任何一个点超越R1，到N1～N8中刚好只剩下一个测量光斑点完全处于R1之内，其它点都全部或部分处于R1之外，这中间的区域为交接场，也即图R2和R3之间的区域是为交接场；大于R3的区域为外场。在外场，硅片的光刻胶表面平整度很差，这时候调焦调平的测量精度等性能也变得恶化和不可靠，而在交接场中，只有部分测量光斑点的测量信息是可靠的，不可靠光斑点测量出的信息须被弃用以免影响整个调焦调平系统测量数据的准确性，故需确定出具体可靠的测量光斑点。目前做法是事先对某一类硅片或一类硅片的不同加工层的不同位置进行调焦调平测量的可信性测试，根据测量结果的统计规律对该类硅片从几何上统一人为地划定一个调焦调平测量可信性分界线，也即前面的R1，然后再根据调焦调平系统测量光斑的几何信息从几何上划定出对于该类硅片的内场(即当调焦调平测量区域位于此区域时，认为所有的测量光斑点的测量值是有效的)、交接场(部分测量光斑点测量值是有效的)和外场(所有的测量光斑的测量都是无效的)，即在整个硅片范围内都采用光斑切换表的方法，但采用事先确定光斑切换表的做法存在着很大的弊端。首先，客户需要根据具体调焦调平的特性，和具体的每一类硅片和一类硅片的不同层都要做出相应的光斑切换表，而且在具体工作中需要把这些信息输入到光刻机中，这不但需要有大量的工艺实验，而且在工作过程中需要输入大量的工作定义数据内容，这些都增加了整个光刻机的使用成本和使用难度，同时也降低了该光刻机的生产效率；其次，采用光斑切换表也会使扫描控制复杂化，调焦调平数据处理复杂化；再次，由于不同硅片或同一硅片中不同位置上光刻胶平整度的恶化区域和恶化程度等特性并不完全遵循事先划定的内场、交接场和外场的几何界线，对一类硅片或硅片的某一层统一划定可靠性分界线的做法可能会导致调焦调平采用了本来不可靠的信息或者将本来可靠的信息被丢弃，这样在一定程度上增加了曝光失败率和废品率。

对于基于光电探测的调焦调平系统中的电子元器件溢出问题，现有技术也是采用首先进行工艺试验和测量，然后人工输入信号处理电路中相应的自动增益因子的方法，其缺点也是在生产过程中需要做大量的工艺试验，操作者也需输入相应选择数据，从而使整个光刻机的使用难度较大，生产效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自适应智能化调焦调平传感器系统，该系统具有工艺自适应能力和对其测量数据的可信度进行自我判断的能力，并且该系统还可对光强或增益环节进行反馈控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种自适应调焦调平传感器系统，包括光源模块、照明光学模块、光斑掩模、投影模块、投影物镜、测量对象、探测光学模块、探测器光学模块和光电探测器，光斑掩模具有形成在测量对象水平上投影物镜曝光狭缝内测量光斑的通光孔，从光源模块发出的光经过照明光学模块进行光束整形后照明光斑掩模产生光斑，从光斑掩模出射的光束经过投影模块投射到测量对象上，被测量对象反射后的光束进入探测光学模块，从探测光学模块出射的光束经过探测器光学模块后被光电探测器所探测，光电探测器输出的信号经过信号处理后即得到被测对象的位置形貌信息，其特征在于：所述光斑掩模还具有形成位于曝光狭缝之外的预测光斑的通光孔，其所成预测光斑分布于曝光狭缝的两侧，预测光斑点在垂直于扫描方向的x方向上的分布长度至少能够覆盖测量光斑点在曝光狭缝内覆盖区域长度。紧邻曝光狭缝的预测光斑与距离其最近的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D由控制系统从处理预测光斑的测量信息到将处理结果应用到曝光狭缝内测量光斑所需的时间周期P和工件台的扫描速度V来确定，即D≥P×V。

上述预测光斑在垂直于扫描方向的x方向上的位置和个数与x方向上测量光斑的位置和个数对应。上述述预测光斑同测量光斑在垂直于扫描方向的x方向上的长度相等，预测光斑在扫描方向y方向的长度尽可能的小。

一种自适应调焦调平传感器系统自适应工艺变化的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对所要加工的各种不同类型的测量对象进行测试，得到其对调焦调平光探针的反射率和其所引起调焦调平系统测量工艺相关性误差及误差修正因子；

(2)将测量对象类型、测试所得的测量对象对调焦调平光探针的反射率及其引起的调焦条平测量工艺相关性误差修正因子做成数据字典存放在自适应调焦调平系统的数据处理模块中；

(3)利用在扫描过程中预先到达测量对象位置X_i处的预测光斑测量在曝光过程中所使用的测量对象对光探针的反射率信息；

(4)将预测光斑测量得到的测量对象对光探针的反射率信息反馈给调焦调平系统的数据处理模块，由数据处理模块识别测量对象的类型并得出相应的工艺相关性误差的修正因子；

(5)对在预测光斑之后扫描曝光的测量光斑的测量所得数据自动加载相应的工艺相关性误差的修正因子进行修正。

上述步骤(3)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式为R_mo＝I_o/(I_i·T)，其中R_mo为测量对象对光探针的反射率，I_o为探测器探测得到的被测量对象上表面反射的光斑的光强值，I_i为光源模块发出的光的光强值，T是一个机器常数，代表调焦调平传感器系统(测量对象除外)对光探针的总的透过率。

对于差分测量系统上述步骤(3)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式也可为R_so＝I_so·R_oo/I_oo，其中R_so为测量对象对光探针的反射率，I_oo和I_so分别为利用光电探测器实时测量所得的被投影物镜下表面所反射的光斑的光强值和被测量对象上表面反射的光斑的光强值，R_oo为已知的投影物镜下表面的反射率。

上述自适应调焦调平传感器系统光斑掩模所成的光斑中，位于曝光狭缝外的紧邻曝光狭缝的预测光斑与距离其最近的曝光狭缝内的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D由调焦调平系统从对曝光狭缝之外的预测光斑点的信号进行分析开始一直到完成对曝光狭缝内测量光斑点的工艺相关性误差补偿所需要的时间周期P1和工件台的相应扫描速度V来决定，即D不小于V×P1。

一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用预测光斑测量在曝光过程中所使用的测量对象在位置X_i处对光探针的反射率信息；

(2)利用预测光斑测量所得的测量对象对光探针的反射率信息计算从探测器直接输出的原始信号C；

(3)利用原始信号C计算自动增益因子G；

(4)当测量光斑到达位置X_i处时利用自动增益因子对光源模块输出的光强或信号处理电路中的自动增益环节进行反馈控制，同时预测光斑在位置X_i+1处开始步骤(1)至(3)，在测量光斑到达位置X_i+1前并行得出位置X_i+1处的自动增益因子。

上述步骤(1)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式为R_mo＝I_o/(I_i·T)，其中R_mo为测量对象对光探针的反射率，I_o为探测器探测得到的被测量对象上表面反射的光斑的光强值，I_i为光源模块发出的光的光强值。

对于差分测量系统上述步骤(1)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式也可为R_so＝I_so·R_oo/I_oo，其中R_so为测量对象对光探针的反射率，I_oo和I_so分别为利用光电探测器实时测量所得的被投影物镜下表面所反射的光斑的光强值和被测量对象上表面反射的光斑的光强值，R_oo为已知的投影物镜下表面的反射率。

上述步骤(2)中所述原始信号C的计算公式为C＝K·I_i·R·T，其中K为已知的比例因子，I_i为从光源模块的发出的光强，R为测量对象对光探针的反射率，T为除测量对象外调焦调平系统其他部分的总透射率。

上述步骤(2)中所述原始信号C也可由调焦调平系统探测器的直接输出值而得。

上述步骤(3)中所述自动增益因子G的计算公式为G＝C/C_r，其中C为原始电流信号，C_r为额定工作电流。

上述自适应调焦调平传感器系统光斑掩模所成的光斑中，位于曝光狭缝外的紧邻曝光狭缝的预测光斑与距离其最近的曝光狭缝内的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D需由工件台的扫描速度V和控制系统从处理预测量点的反射率信息或直接记录探测器输出的原始信号C值到生成该位置处的自动增益因子的时间周期P3来确定，即D≥P3×V。

一种自适应调焦调平传感器系统自我判断测量数据可信度的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过工艺试验确定出针对不同类型的测量对象测量光斑有效时其从探测器输出的对应于光强的信号阈值Am1，将此值写入调焦调平的主控制系统；

(2)调焦调平系统根据得到的测量对象的类型确定其所对应的阈值Am1；

(3)测量预测光斑到达测量对象位置X_i处时光强探测器的输出值，判断其是否大于或等于阈值Am1，若是，则在此位置测量得到的信息为不可信信息，若否，则在此位置测量得到的信息为可信信息；或根据探测到的实时光强对应的电流信号与阈值Am1之间的差别大小来确定出该测量点的测量可信度值，这个值在完全可信(100％)到完全不可信(0％)区间内变化。

(4)当测量光斑到达位置X_i时根据预测光斑先前所得的此位置的测量数据的可信性判断测量光斑在此位置测量数据的可信性，同时预测光斑并行在位置X_i+1处重复步骤(3)判断位置X_i+1处测量信息的可信性。

上述自适应调焦调平传感器系统光斑掩模所成的光斑中，位于曝光狭缝外的紧邻曝光狭缝的预测光斑与距离其最近的曝光狭缝内的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D需由工件台的扫描速度V和控制系统从处理预测光斑的测量信息到将其应用到曝光狭缝内的测量光斑对其测量信息的可靠性做出判断的时间周期P2来确定，即D≥P2×V。

上述一种自适应调焦调平传感器系统自我判断测量数据可信度的方法也可将由于采用非同一个探测器等所造成的预测光斑和测量光斑的测量性能差异校正后作为机器常数输入至调焦调平系统中，进一步精确对测量光斑的可信性判断。

本方明通过对基于光电测量的调焦调平系统的改进使得该调焦调平系统通过一定的方法具有了：1)对工艺的自适应能力，解决了调焦调平系统测量误差的工艺相关性问题；2)对其本身测量点测量数据的可信度进行自我判断能力，使其具有更多的智能；3)对光强或增益环节进行反馈控制，降低了由于光强引起的测量误差和系统失效风险。所有的这些大大提高了调焦调平系统的可用性及生产效率和成品率，减少了工艺实验的工作量，节约了使用成本，提高了调焦调平的测量性能和工件台的工作性能，并最终也提高了整个光刻机的工作性能。

附图说明

图1为曝光装置(光刻机)结构示意图；

图2(a)为光刻机中承载硅片的工件台垂向传感器结构示意图；

(b)为光刻机中承载硅片的工件台垂向运动控制结构示意图；

图3为基于光电测量的调焦调平系统结构示意图；

图4为投影物镜曝光狭缝在硅片水平上相对于硅片的扫描方向示意图；

图5为自适应调焦调平传感器的探测光斑在被测对象上的分布实施例示意图；

图6为不同类型的硅片与其对调焦调平光探针反射率、调焦调平系统

测量的工艺相关性误差(误差修正因子)三者之间的对应关系示意图；

图7为内场、交接场和外场的区域范围示意图；

图8(a)为涂光刻胶后硅片面的粗糙程度示意图；

(b)为硅片不同位置测量信号的振荡振幅变化情况示意图；

图9为预测光斑测量硅片反射率、获得自动增益因子和测量光斑测量

硅片位置形貌信息三者间的时序和位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

请参阅图3，图3是一种基于光电测量的调焦调平系统的结构示意图。如图3所示，从光源模块1发出的光经过照明光学模块2进行光束整形后，通过照明光斑掩模3产生光斑。光斑掩模3是根据需要投射到测量对象(硅片或投影物镜下表面)上的光斑形状和分布、以及从光斑掩模到测量对象的投影关系进行设计的，保证在测量对象上可以产生所需光斑分布。从光斑掩模3出射的光束经过投影模块4后投射到测量对象上，测量对象可以单独是硅片6上表面，也可以同时是投影物镜5下表面和硅片6上表面。当测量对象同时是5下表面和6上表面时即为差分测量系统。被测量对象反射后的光束进入探测光学模块7，这时候光束中已包含了测量对象的表面形貌和位置信息，即Z，Rx，Ry信息。从探测光学模块7出射的光束经过探测器光学模块8后被光电探测器9所探测，光电探测器9输出的信号经过信号处理后可以得到被测对象的Z，Rx，Ry信息，而光电探测器9还可以用来测量打到其上光斑的光强。在本发明以下所述的实施例中测量对象均以硅片为例。

本发明的自适应调焦调平传感器系统中光斑掩模所成光斑包含位于曝光狭缝之内的测量光斑和位于曝光狭缝之外的预测光斑。请参阅图4，图4为投影物镜曝光狭缝在硅片水平上相对于硅片的扫描方向示意图。如图4所示，当硅片沿硅片坐标系XOY的Y负方向运动时，曝光狭缝相对于硅片沿Y正向扫描，此时需要调焦调平系统对曝光狭缝内硅片的上表面位置进行实时的测量，并与执行系统一起使该要曝光的硅片区域在扫描过程中一直处在投影物镜的最佳焦平面之内。因此，调焦调平系统对硅片的实时测量由位于曝光狭缝内的测量光斑来保证，而位于曝光狭缝之外的预测光斑则用以辅助曝光狭缝内的测量光斑的测量，进一步提高其测量精度，帮助调焦调平系统具备工艺自适应能力和测量数据的可信度判断能力，并且利用曝光狭缝之外的预测光斑的测量进行自动增益的反馈控制。

请参阅图5，图5是本发明的自适应调焦调平传感器的探测光斑在被测对象上的分布实施例示意图。如图5所示，N1～N8为曝光狭缝内的测量光斑点(以下简称测量光斑点)，E1～E8则为曝光狭缝之外的预测光斑点(以下简称预测光斑点)。L、W分别为投影物镜曝光狭狭缝在硅片面水平上沿x方向和y方向上的长度。预测光斑点分布于曝光狭缝的两侧，其在曝光狭缝两侧y方向上的列数不定，本实施例为曝光狭缝两侧各一列，其在x方向上的位置和个数与x方向上测量光斑的位置和个数对应。紧邻曝光狭缝的预测光斑与距离其最近的测量光斑在y方向上的距离D由控制系统从处理预测光斑的测量信息到将处理结果应用到曝光狭缝内测量光斑所需的时间周期P和工件台的扫描速度V来确定，即D≥P×V。预测光斑点E1、E2、E3、E4或E5、E6、E7、E8在垂直于扫描方向的x方向上的分布长度应该至少能够覆盖测量光斑点N1、N2、N3、N4或N5、N6、N7、N8在曝光狭缝内覆盖区域长度。x方向上预测光斑的宽度和测量光斑的宽度可对应相同，如本实施例中的均为S，但预测量点沿扫描方向上的宽度T则应尽可能的小，这样可以更详细地扑捉预测区域的表面形貌和位置信息的变化。考虑到光学系统的口径及光刻机内部调焦调平系统的可用机械空间等因素，所有的点在满足功能要求的同时尽可能布置在半径为R0的圆中，R0尽可能小。

请参阅图6，图6为不同类型的硅片与其对调焦调平光探针反射率、调焦调平系统测量的工艺相关性误差(误差修正因子)三者之间的对应关系。由实验测试结果可知，不同类型的硅片对700nm～1100nm波段的光的反射率是不同的，即硅片的类型和其对这一波段的反射率之间是一一对应关系，而不同类型的硅片与其引起的调焦调平测量的工艺相关性误差(对应一定的误差修正因子)之间也是一一对应关系，因而如图6所示，不同类型的硅片所引起的调焦调平测量的工艺相关性误差与其对调焦调平光探针的反射率之间也就建立了一一对应关系，因而也可以说针对不同类型硅片的所得的误差修正因子与此类硅片对调焦调平光探针的反射率之间具有一一对应关系，而一般调焦调平系统的光探针正处在700nm～1100nm的波段内。

为了使该调焦调平传感器系统具有应对工艺变化的自适应能力，本发明中，首先，对所要加工的各种不同类型的硅片进行测试，得到其对调焦调平光探针的反射率和其所引起调焦调平系统测量工艺相关性误差(误差修正因子)；其次，将硅片类型、测试所得的硅片对调焦调平光探针的反射率及其引起的调焦条平测量工艺相关性误差修正因子做成数据字典存放在调焦调平系统的数据处理模块中；再次，利用预先到达硅片位置X_i处的预测光斑测量在曝光过程中所使用的硅片对光探针的反射率信息，将预测光斑测量所得的硅片对光探针的反射率信息反馈给调焦调平系统的数据处理模块，由数据处理模块识别硅片的类型并得出相应的工艺相关性误差的修正因子；此时由于图5中预测光斑与距离其最近的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D由调焦调平系统从对曝光狭缝之外的预测光斑点E1～E8的信号进行分析开始一直到完成对曝光狭缝内测量光斑点N1～N8的工艺相关性误差补偿所需要的时间周期P1和工件台的相应扫描速度V来决定，即D不小于V×P1，这样，当测量光斑扫描测量时，预测光斑已经测量得到硅片对光探针的反射率并且系统已经完成了对预测光斑测量数据的处理，得到了该处位置的工艺相关性误差补偿因子，从而，当测量光斑到达该位置时，就可以利用该位置的工艺相关性误差补偿因子，对该位的测量光斑的测量数据进行误差修正，实现了测量硅片反射率与对测量光斑测量数据进行误差补偿的并行。因此，无论对于何种测量对象，曝光狭缝内的测量光斑点N1～N8都能以统一的预先设定的精度提供测量数据。这样该调焦调平系统就具有了对工艺的自适应能力。

以下阐述通过预测点E1～E8来测量硅片对光探针的反射率信息的较佳实施例。请结合参阅图3，从光斑掩模3出射的光斑经过投影模块4后被投射到测量对象上，测量对象可以是硅片6上表面，也可以同时是投影物镜5下表面和硅片6上表面。当测量对象同时是投影物镜5下表面和硅片6上表面时即为差分测量系统。此时预测光斑E1～E8通过投影物镜5下表面或硅片6上表面的反射已得到了其相应的光强信息。由于在光源模块1中有光强监测系统或者光源模块1发出的光强是确定的，也即，从光源模块发出的光强I_i是一个已知的值，并且除测量对象外其它光学系统的透射率T是一个已知的机器常数，从而探测器9探测到预测光斑E1～E8的光强值I_o后可得出I_o/I_i＝R_mo·T，从而测量对象(硅片上表面或投影物镜下表面)的反射率R_mo＝I_o/(I_i·T)。在差分测量系统中，由于投影物镜是不变的，投影物镜下表面对于调焦调平系统光源波段的反射率是一个机器常数，是恒定不变的，本发明中也可以用这个机器常数实时标定调焦调平系统对硅片反射率的测量。利用光电探测器9实时测量的来自投影物镜下表面光斑的光强I_oo和来自硅片上光斑的光强I_so以及已知的投影物镜下表面的反射率R_oo和除测量对象外的光学系统的透射率T，可有I_i＝I_oo/(R_oo·T)＝I_so/(R_so·T)，其中R_so为硅片的反射率，从而得到硅片的反射率R_so＝I_so·R_oo/I_oo。

本发明的自适应调焦调平传感器系统中的预测光斑点E1～E8在扫描曝光测量的同时还具有对其测量数据的可信度进行自我判断的能力，从而使该调焦调平系统具备了智能性的选择出可靠测量数据的功能。

请参阅图8，图8(a)为涂有光刻胶后硅片面的粗糙程度情况示意图，如其所示，离硅片中心越远硅片面越粗糙；图8(b)为测量光斑点E1～E8的测量信号随硅片位置的振荡振幅变化情况示意图，如其所示，离硅片中心越远测量信号振幅越大。综合图8(a)和图8(b)可看出，测量光斑点从其相应的探测器输出的信号随测量对象表面粗糙程度的变化而变化，即当硅片的边缘区域由于光刻胶等原因，粗糙度变大时，预测量点探测器输出信号的振荡也加剧，振幅也在增大。当其振幅增大到一定程度如Am1时，即认为此预测光斑的测量数据已经不可靠了，此时该预测光斑点离硅片中心的距离为R1。即R1成为调焦调平传感器测量数据的可信性分界线。对于不同类型的硅片来说，其阈值Am1是不同的机器常数。

本发明中，首先，通过工艺试验确定出针对不同类型的硅片测量光斑有效时其从探测器输出的对应于光强的信号的阈值Am1，将此值写入调焦调平的主控制系统；其次，系统根据得到的硅片的类型确定其所对应的阈值Am1，测量预测光斑到达硅片位置X_i处时光强探测器的输出值，判断其是否大于或等于阈值Am1，若是则在此位置测量得到的信息为不可信信息，若否则在此位置测量得到的信息为可信信息，当测量光斑到达位置X_i时根据预测光斑先前所得的此位置的测量数据的可信性判断测量光斑在此位置测量数据的可信性，此时预测光斑已到达位置X_i+1处并开始利用上述方法并行判断硅片位置X_i+1处测量信息的可信性。由于此时图5中预测光斑与距离其最近的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D由工件台的扫描速度V和控制系统从处理预测量点的信息到对曝光狭缝内的测量光斑的测量信息做出有效性判断的时间周期P2来确定，即D≥P2×V，这样，保证了在扫描过程中，当测量光斑到达硅片X_i位置时，预测光斑已经经过该处位置并且系统已经完成了对预测光斑测量数据的处理，做出了在该处位置测量数据的可信性判断，从而得到该处位置测量光斑测量数据的可信性判断，实现了测量数据可信性判断与测量光斑进行高精度测量的并行。

由于预测光斑和测量光斑所使用的探测器等的个体差异性，预测光斑和测量光斑在同一位置的测量性能可能会有所差异，作为对本发明的改进，这种差异同样也可以在校正后作为机器常数输入至调焦调平系统中，这样，用户只需输入硅片的类型，调焦调平系统便会自动对应此类型硅片的Am1值智能地完成所有的光斑切换工作，而不再需要客户的定义和繁琐的操作。若同时利用此自适应调焦调平系统实现对测量数据的工艺相关性误差补偿，则此时本发明的自适应调焦调平系统本身已可以自己判断硅片的类型，因此，其不再需要用户输入硅片的类型，所有的工作都是由本发明的自适应调焦调平传感器智能地完成，直到最终给出理想精度的测量数据。

本发明中，利用预测光斑测量所得的硅片对调焦调平光探针的反射率也可对处理电路中的自动增益环节进行闭环反馈控制。从探测器直接输出的原始电流信号C＝K·I_o，其中K为已知的比例因子，I_o为打到探测器上的光斑的光强，而打到探测器上的光斑的光强I_o＝I_i·R·T，其中I_i为从光源模块的发出的光强，R为硅片对光探针的反射率，T为除硅片外调焦调平系统其他部分的总透射率。由于额定工作电流Cr对应一定的打到探测器上的额定光强I_or，故在一定的硅片反射率R下就对应一定的理想光源模块输出光强I_i，则根据一定的硅片反射率R就可利用自动增益因子对光源模块输出光强进行闭环反馈控制，以解决当光信号过强时，转化成的电信号过强而导致电子元器件溢出的问题。

本发明中，首先利用预测光斑测量在曝光过程中所使用的硅片在位置X_i处对光探针的反射率信息；其次，利用预测光斑测量所得的硅片对光探针的反射率信息计算从探测器直接输出的原始电流信号C，其计算公式为C＝K·I_i·R·T，其中K为已知的比例因子，I_i为从光源模块的发出的光强，R为硅片对光探针的反射率，T为除硅片外调焦调平系统其他部分的总透射率；再次，计算自动增益因子G，其计算公式为G＝C/C_r，其中C_r为额定工作电流；最后，当测量光斑到达位置X_i处时利用自动增益因子对光源模块输出的光强进行反馈控制，同时预测光斑已到达位置X_i+1处并开始并行测量X_i+1处的反射率并计算其自动增益因子。由于此时图5中预测光斑与距离其最近的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D需由工件台的扫描速度V和控制系统从处理预测量点的反射率信息到生成该位置处的自动增益因子的时间周期P3来确定，即D≥P3×V，这样，保证了系统内利用预测光斑的反射率信息生成自动增益因子的反馈控制过程与测量光斑的正常测量过程并行。请参阅图9，图9为预测光斑测量硅片反射率、获得自动增益因子和测量光斑测量硅片位置形貌三者间的时序和位置关系示意图。如图9所示，R₁、R₂、R₃...R_n分别是系统通过预测光斑采集到的在硅片的水平面位置X₁、X₂、X₃...X_n处的反射率；G₁、G₂...G_n-1分别为根据测量光斑测量所得的反射率得出的处于X₁、X₂...X_n-1位置处的自动增益因子；I₁、I₂....I_n-1分别为测量光斑在相应X₁、X₂...X_n-1位置处测量所得的位置形貌信息；t₁、t₂...t_n为得到R₁～R_n、G₁～G_n-1、I₁～I_n-1时的时序。图9中t₁到t₂为系统从处理X₁处预测点的反射率信息到生成该位置处的自动增益因子G₁的时间，由于预测光斑与其最近的测量光斑间的距离为D，故X₁处预测点的测量时间比到达X₁处的测量光斑的测量时间早D/V，其中V为工件台的扫描速度，同时由于D≥P3×V，其中P3控制系统从处理预测量点的反射率信息到生成该位置处的自动增益因子的时间周期，V为工件台的扫描速度，从而图9中需要保证t₂≤D/V，故当测量光斑到达X₁处并开始处理其测量信息时，系统已经生成了该位置狭缝内点的自动增益因子G₁，而同时系统在并行地处理X₂处的预测光斑所采集到的X₂处的反射率信息，从而使得系统内利用预测光斑的反射率信息生成自动增益因子的反馈控制过程与测量光斑的正常测量过程并行，从而可使调焦调平系统不受反射率变化的影响始终保持正常的工作状态，提高了生产效率。

利用预测光斑可分别实现上述三种功能之一或同时实现其中任意两种功能，亦可同时实现此三种功能。当利用预测光斑同时实现多种功能时，图5中同侧的预测光斑与测量光斑在y方向上的距离D取前述实现每种功能时所需D值的最大值。

以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (18)

1.一种自适应调焦调平传感器系统，包括光源模块、照明光学模块、光斑掩模、投影模块、投影物镜、测量对象、探测光学模块、探测器光学模块和光电探测器，光斑掩模具有形成在测量对象水平上投影物镜曝光狭缝内测量光斑的通光孔，从光源模块发出的光经过照明光学模块进行光束整形后照明光斑掩模产生光斑，从光斑掩模出射的光束经过投影模块投射到测量对象上，被测量对象反射后的光束进入探测光学模块，从探测光学模块出射的光束经过探测器光学模块后被光电探测器所探测，光电探测器输出的信号经过信号处理后即得到被测对象的位置形貌信息，其特征在于：所述光斑掩模还具有形成位于曝光狭缝之外的预测光斑的通光孔，其所成预测光斑分布于曝光狭缝的两侧，预测光斑点在垂直于扫描方向的x方向上的分布长度至少能够覆盖测量光斑点在曝光狭缝内覆盖区域长度。

2.根据权利要求1所述的自适应调焦调平传感器系统，其特征在于紧邻曝光狭缝的预测光斑与距离其最近的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D由控制系统从处理预测光斑的测量信息到将处理结果应用到曝光狭缝内测量光斑所需的时间周期P和工件台的扫描速度V来确定，即D≥P×V。

3.根据权利要求2所述的自适应调焦调平传感器系统，其特征在于所述预测光斑在垂直于扫描方向的x方向上的位置和个数与x方向上测量光斑的位置和个数对应。

4.根据权利要求3所述的自适应调焦调平传感器系统，其特征在于所述预测光斑同测量光斑在垂直于扫描方向的x方向上的长度相等，预测光斑在扫描方向y方向的长度尽可能的小。

5.一种自适应调焦调平传感器系统自适应工艺变化的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对所要加工的各种不同类型的测量对象进行测试，得到其对调焦调平光探针的反射率和其所引起调焦调平系统测量工艺相关性误差及误差修正因子；

(2)将测量对象类型、测试所得的测量对象对调焦调平光探针的反射率及其引起的调焦条平测量工艺相关性误差修正因子做成数据字典存放在自适应调焦调平系统的数据处理模块中；

(3)利用在扫描过程中预先到达测量对象位置X_i处的预测光斑测量在曝光过程中所使用的测量对象对光探针的反射率信息；

(4)将预测光斑测量得到的测量对象对光探针的反射率信息反馈给调焦调平系统的数据处理模块，由数据处理模块识别测量对象的类型并得出相应的工艺相关性误差的修正因子；

(5)对在预测光斑之后扫描曝光的测量光斑的测量所得数据自动加载相应的工艺相关性误差的修正因子进行修正。

6.根据权利要求5所述的一种自适应调焦调平传感器系统自适应工艺变化的方法，其特征在于步骤(3)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式为R_mo＝I_o/(I_i·T)，其中R_mo为测量对象对光探针的反射率，I_o为探测器探测得到的被测量对象上表面反射的光斑的光强值，I_i为光源模块发出的光的光强值，T是一个机器常数，代表调焦调平传感器系统(测量对象除外)对光探针的总的透过率。

7.根据权利要求5所述的一种自适应调焦调平传感器系统自适应工艺变化的方法，其特征在于对于差分测量系统步骤(3)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式也可为R_so＝I_so·R_oo/I_oo，其中R_so为测量对象对光探针的反射率，I_oo和I_so分别为利用光电探测器实时测量所得的被投影物镜下表面所反射的光斑的光强值和被测量对象上表面反射的光斑的光强值，R_oo为已知的投影物镜下表面的反射率。

8.根据权利要求5所述一种自适应调焦调平传感器系统自适应工艺变化的方法，其特征在于所述自适应调焦调平传感器系统光斑掩模所成的光斑中，位于曝光狭缝外的预测光斑与距离其最近的曝光狭缝内的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D由调焦调平系统从对曝光狭缝之外的预测光斑点的信号进行分析开始一直到完成对曝光狭缝内测量光斑点的工艺相关性误差补偿所需要的时间周期P1和工件台的相应扫描速度V来决定，即D不小于V×P1。

9.一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用预测光斑测量在曝光过程中所使用的测量对象在位置X_i处对光探针的反射率信息；

(2)利用预测光斑测量所得的测量对象对光探针的反射率信息计算从探测器直接输出的原始信号C；

(3)利用原始信号C计算自动增益因子G；

(4)当测量光斑到达位置X_i处时利用自动增益因子对光源模块输出的光强或信号处理电路中的自动增益环节进行反馈控制，同时预测光斑在位置X_i+1处开始步骤(1)至(3)，在测量光斑到达位置X_i+1前并行得出位置X_i+1处的自动增益因子。

10.根据权利要求9所述的一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于步骤(1)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式为R_mo＝I_o/(I_i·T)，其中R_mo为测量对象对光探针的反射率，I_o为探测器探测得到的被测量对象上表面反射的光斑的光强值，I_i为光源模块发出的光的光强值。

11.根据权利要求9所述的一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于对于差分测量系统步骤(1)中所述测量对象对光探针反射率的计算公式也可为R_so＝I_so·R_oo/I_oo，其中R_so为测量对象对光探针的反射率，I_oo和I_so分别为利用光电探测器实时测量所得的被投影物镜下表面所反射的光斑的光强值和被测量对象上表面反射的光斑的光强值，R_oo为已知的投影物镜下表面的反射率。

12.根据权利要求9所述的一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于步骤(2)中所述原始信号C的计算公式为C＝K·I_i·R·T，其中K为已知的比例因子，I_i为从光源模块的发出的光强，R为测量对象对光探针的反射率，T为除测量对象外调焦调平系统其他部分的总透射率。

13.根据权利要求9所述的一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于步骤(2)中所述原始信号C也可由调焦调平系统探测器的直接输出值而得。

14.根据权利要求9所述的一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于步骤(3)中所述自动增益因子G的计算公式为G＝C/C_r，其中C为原始电流信号，C_r为额定工作电流。

15.根据权利要求9所述的一种对自适应调焦调平传感器系统中的自动增益环节进行闭环反馈控制的方法，其特征在于所述自适应调焦调平传感器系统光斑掩模所成的光斑中，位于曝光狭缝外的预测光斑与距离其最近的曝光狭缝内的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D需由工件台的扫描速度V和控制系统从处理预测量点的反射率信息或直接记录探测器输出的原始信号C值到生成该位置处的自动增益因子的时间周期P3来确定，即D≥P3×V。

16.一种自适应调焦调平传感器系统自我判断测量数据可信度的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过工艺试验确定出针对不同类型的测量对象测量光斑有效时其从探测器输出的对应于光强的信号阈值Aml，将此值写入调焦调平的主控制系统；

(2)调焦调平系统根据得到的测量对象的类型确定其所对应的阈值Aml；

(3)测量预测光斑到达测量对象位置X_i处时光强探测器的输出值，判断其是否大于或等于阈值Aml，若是，则在此位置测量得到的信息为不可信信息，若否，则在此位置测量得到的信息为可信信息；或根据探测到的实时光强对应的电流信号与阈值Aml之间的差别大小来确定出该测量点的测量可信度值，这个值在完全可信(100％)到完全不可信(0％)区间内变化。

(4)当测量光斑到达位置X_i时根据预测光斑先前所得的此位置的测量数据的可信性判断测量光斑在此位置测量数据的可信性，同时预测光斑并行在位置X_i+1处重复步骤(3)判断位置X_i+1处测量信息的可信性。

17.根据权利要求16所述的一种自适应调焦调平传感器系统自我判断测量数据可信度的方法，其特征在于所述自适应调焦调平传感器系统光斑掩模所成的光斑中，位于曝光狭缝外的预测光斑与距离其最近的曝光狭缝内的测量光斑在扫描方向y方向上的距离D需由工件台的扫描速度V和控制系统从处理预测光斑的测量信息到将其应用到曝光狭缝内的测量光斑对其测量信息作出可靠性判断的时间周期P2来确定，即D≥P2×V。

18.根据权利要求16所述的一种自适应调焦调平传感器系统自我判断测量数据可信度的方法，其特征在于可将由于采用非同一个探测器等所造成的预测光斑和测量光斑的测量性能差异校正后作为机器常数输入至调焦调平系统中，进一步精确对测量光斑的可信性判断。

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