TWI596451B - 調焦調平裝置及離焦量探測方法 - Google Patents

調焦調平裝置及離焦量探測方法 Download PDF

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Description

調焦調平裝置及離焦量探測方法
本發明涉及光學檢測技術領域，特別涉及一種振幅監測系統、調焦調平裝置及離焦量探測方法。
投影光刻機是一種把遮罩上的圖案藉由物鏡投影到矽片上的裝置，若想在矽片上得到具有較高精準度的投影圖案時，必須用到自動調焦調平裝置將矽片精確帶入到指定的曝光位置。
美國專利US4558949中就記載了一種調焦調平檢測裝置，如第1圖所示。調焦調平檢測裝置包括：照明單元101、投影狹縫102、第一平面反射鏡103、第二平面反射鏡105、掃描反射鏡106、探測狹縫107、及光電探測器108；其中，照明單元101出射的光，經投影狹縫102後由第一平面反射鏡103反射至矽片表面104，形成投影光斑；矽片表面104將光反射至第二平面反射鏡105；從第二平面反射鏡105出射的光入射至掃描反射鏡106上；掃描反射鏡106作週期性簡諧振動，對光信號進行調制，以提高測量信號的信噪比；掃描反射鏡106的出射光經探測狹縫107，入射到光電探測器108上，光電探測器108再根據所接收到的光強大小輸出相應的電壓信號。由於掃描反射鏡106的調制作用，光電探測器108最終輸出的為週期性的動態電壓信號。最後，藉由對動態電壓信號結合掃描反射鏡的回饋方波進行分析處理，實現矽片表面104離焦量的探測。而掃 描反射鏡作為調焦調平系統的調制基準，由於其長期處於工作狀態，受溫度、氣壓、濕度等因素的影響，常常出現掃描反射鏡的運行穩定性差的現象，從而導致調焦調平檢測裝置對矽片表面離焦量的測量精度不高的問題。
第2圖為掃描反射鏡在理想振幅和實際振幅時，解調量與離焦量之間關係曲線。如第2圖所示是採用了相位之差探測法，由圖中可以明顯看出掃描反射鏡振幅的穩定性對離焦量的探測影響很大。因此，相位之差探測法存在一定的局限性。
為了提高調焦調平檢測裝置對矽片表面離焦量的測量精度，本領域技術人員一直在尋找滿足這一類需求的解決方法。
本發明的目的在於提供一種振幅監測系統、調焦調平裝置及離焦量探測方法，以解決使用習知技術中由於掃描反射鏡長期工作，使得其運行穩定性差，致使調焦調平檢測裝置對矽片表面離焦量的測量精度不高的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種振幅監測系統，包括：一掃描反射鏡及用於驅動掃描反射鏡做簡諧運動的一控制模組；其中，掃描反射鏡上設置有光柵尺；光柵尺用於測量掃描反射鏡的即時振動角度。
較佳地，在振幅監測系統中，光柵尺包括尺規光柵及與尺規光柵配合使用的光柵讀數頭。
較佳地，在振幅監測系統中，掃描反射鏡的振動軸上刻蝕有尺規光柵。
較佳地，在振幅監測系統中，控制模組藉由驅動線驅動掃描反射鏡以固定的頻率振動，光柵讀數頭用於讀取掃描反射鏡的即時振動角度，然後藉由回饋線回饋到控制模組。
本發明提供還提供一種調焦調平裝置，用於探測工件台的離焦量，調焦調平裝置包括：一光源、一照明單元、一投影狹縫、一成像前組、一成像後組、如上所述的振幅監測系統、一探測狹縫以及一光電探測器，振幅監測系統中的掃描反射鏡用於作週期性簡諧振動，從而對光信號進行調制。
本發明提供還提供一種離焦量探測方法，離焦量探測方法採用如上所述的調焦調平裝置，掃描反射鏡對光信號進行調制後由光電探測器接收，然後由信號處理器進行信號解調以及解調量的補償，包括如下步驟：步驟一、調整掃描反射鏡的振幅處於理論振幅θ0，並記錄此時光電探測器輸出的理論電壓值；步驟二、多次調整掃描反射鏡的振幅，採樣掃描反射鏡的多個即時振幅θi以及光電探測器輸出的多個即時電壓值，計算出補償後的多個即時解調量Si，同時步進工件台，並記錄工件台的多個即時離焦量Hi，其中i為1至N的自然數；步驟三、工件台步進結束後，根據補償後的多個即時解調量Si和工件台的多個即時離焦量Hi建立資料庫；步驟四、實際測量時，即時採樣掃描反射鏡的實際振幅θk以及光電探測器輸出的實際電壓值，計算出補償後的實際解調量Sk，藉由搜尋資料庫，求出工件台的實際離焦量Hk，其中k為1至N的某一自然數。
較佳地，在離焦量探測方法中，步驟二中步進工件台之前，先將工件台移動到正離焦極限位置或負離焦極限位置。
較佳地，在離焦量探測方法中，步驟三中建立資料庫時，選取多個即時解調量Si與多個即時離焦量Hi成線性關係的數值來建立。
較佳地，在離焦量探測方法中，步驟四中利用線性插值法搜尋資料庫。
較佳地，在離焦量探測方法中，掃描反射鏡的振幅θ均藉由採樣掃描反射鏡的振動角度α和β獲得，即θ=｜α-β｜/2，其中α和β分別對應掃描反射鏡的回饋方波為上升沿和下降沿時的振動角度；光電探測器輸出的電壓值均包括電壓值A和B，分別對應掃描反射鏡的回饋方波為上升沿和下降沿時光電探測器輸出的電壓值。
較佳地，在的離焦量探測方法中，步驟二中多次調整掃描反射鏡的振幅，採樣掃描反射鏡的多個即時振幅θi以及光電探測器輸出的多個即時電壓值Ai和Bi，計算出補償後的多個即時解調量Si包括：以掃描反射鏡的理論振幅θ0為中心，單步調整掃描反射鏡的振幅，使其從振幅下限變化到振幅上限，在每一變化後採樣當前掃描反射鏡的即時振幅θi以及光電探測器輸出的即時電壓值Ai和Bi；求出Mi=θi/θ0，以及Ni=(Ai+Bi)/(A0+B0)，以Mi為引數，Ni為因變數，擬合多項式Ni=f(Mi)，其中，A0和B0為光電探測器輸出的理論電壓值；以及根據θi、Ai、Bi、θ0、A0、B0以及多項式的係數，計算出補償後的即時解調量Si=(Ai-Bi)* f(θi/θ0)/(Ai+Bi)。
在本發明所提供的振幅監測系統、調焦調平裝置及離焦量探 測方法中，調整掃描反射鏡的振幅，採樣掃描反射鏡的即時振幅以及光電探測器輸出的即時電壓值，計算出補償後的即時解調量Si，並記錄工件台的即時離焦量Hi，根據補償後的即時解調量Si和工件台的即時離焦量Hi建立資料庫；實際測量時，即時採樣掃描反射鏡的實際振幅以及光電探測器輸出的實際電壓值，計算出補償後的實際解調量Sk，利用線性插值法搜尋資料庫，求出工件台的實際離焦量Hk；避免了由於掃描反射鏡長期工作，出現穩定性差的現象，導致調焦調平檢測裝置對矽片表面離焦量的測量精度不高的問題。
101、302‧‧‧照明單元
102、303‧‧‧投影狹縫
103‧‧‧第一平面反射鏡
104‧‧‧矽片表面
105‧‧‧第二平面反射鏡
106、201‧‧‧掃描反射鏡
107、308‧‧‧探測狹縫
108、309‧‧‧光電探測器
200‧‧‧控制模組
202‧‧‧光柵讀數頭
203‧‧‧尺規光柵
204‧‧‧光柵尺
301‧‧‧光源
304‧‧‧成像前組
305‧‧‧探測工件台
306‧‧‧成像後組
307‧‧‧振幅監測系統
L‧‧‧長度
d‧‧‧寬度
△d‧‧‧偏移量
S1~S4、S100~S102、S200~S204‧‧‧步驟
第1圖為美國專利US4558949中記載的調焦調平檢測裝置。
第2圖為掃描反射鏡在理想振幅和實際振幅時，解調量與離焦量之間關係曲線。
第3圖為振幅監測系統結構簡圖。
第4圖為掃描反射鏡調制下，不同時刻光斑與狹縫之間的相對關係圖。
第5圖為掃描反射鏡的回饋方波、光電探測器輸出的即時電壓值及掃描反射鏡的即時振幅θi之間的關係模擬圖。
第6圖為本發明一實施例中離焦量探測方法的流程圖。
第7圖為利用調焦調平裝置計算出補償後的即時解調量Si的流程圖。
第8圖為建立資料庫的流程圖。
第9圖為利用離焦量探測方法前後離焦量的精度對比圖。
第10圖為本發明一實施例的調焦調平裝置的示意圖。
以下結合圖式和具體實施例對本發明提出的振幅監測系統、調焦調平裝置及離焦量探測方法作進一步詳細說明。根據下面說明和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精准的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
請參考第3圖，其為本發明中振幅監測系統結構簡圖，如第3圖所示，振幅監測系統包括：掃描反射鏡201、及驅動掃描反射鏡201做簡諧運動的控制模組200；其中，掃描反射鏡201上設置有光柵尺204；光柵尺204用於測量掃描反射鏡的即時振動角度。
本實施例中，光柵尺204包括尺規光柵203及與尺規光柵203配合使用的光柵讀數頭202；其中，掃描反射鏡201的振動軸上刻蝕有尺規光柵203，控制模組200藉由驅動線驅動掃描反射鏡201以固定的頻率振動，光柵讀數頭202用於讀取掃描反射鏡201的即時振動角度，然後藉由回饋線回饋到控制模組200。
較佳地，掃描反射鏡還可以應用於其它領域需要運用到掃描反射鏡的光學檢測設備中，並不局限於半導體製造領域。
本實施例還提供了一種調焦調平裝置，如第10圖所示，用於探測工件台305的離焦量，其主要包括：光源301、照明單元302、投 影狹縫303、成像前組304、成像後組306、如上所述的振幅監測系統307(圖中僅示意性地畫出振幅監測系統的掃描反射鏡)、探測狹縫308以及光電探測器309，請結合參閱第3圖，振幅監測系統307中的掃描反射鏡201用於作週期性簡諧振動，從而對光信號進行調制。
相應的，本實施例還提供了一種離焦量探測方法，其採用如上所述的調焦調平裝置，掃描反射鏡201對光信號進行調制後由光電探測器接收，然後由信號處理器進行信號解調以及解調量的補償。下面參考第6圖，其為本發明一實施例中離焦量探測方法的流程圖。如第6圖所示，離焦量探測方法的具體步驟如下：首先，執行步驟S1，調整掃描反射鏡的振幅處於理論振幅，並記錄此時光電探測器輸出的理論電壓值。
接著，執行步驟S2，調整掃描反射鏡的振幅，採樣掃描反射鏡的即時振幅以及光電探測器輸出的即時電壓值，計算出補償後的即時解調量Si，同時步進工件台，並記錄工件台的即時離焦量Hi。其中，在步進工件台之前，先將工件台移動到正離焦極限位置或負離焦極限位置。步進是使工件台在正離焦極限位置和負離焦極限位置之間移動。
本實施例中，掃描反射鏡的振幅θ均藉由採樣掃描反射鏡的擺角α和β獲得，即θ=｜α-β｜/2，其中α和β分別對應掃描反射鏡的回饋方波為上升沿和下降沿時的擺角；光電探測器輸出的電壓值均包括電壓值A和B，分別對應掃描反射鏡的回饋方波為上升沿和下降沿時光電探測器輸出的電壓值。
請參照第5圖，其為掃描反射鏡的回饋方波、光電探測器輸出的即時電壓值及掃描反射鏡的即時振幅θi之間的關係模擬圖。這裡所說的回饋方波即同步方波；光電探測器輸出的即時電壓值為Ai和Bi，Ai和 Bi分別對應掃描反射鏡在振幅為θi時回饋方波為上升沿和下降沿時光電探測器輸出的即時電壓值；其中，掃描反射鏡的即時振幅θi=｜αi-βi｜/2。第5圖僅顯示掃描反射鏡的回饋方波的一個振動週期內的情況。
請繼續參照第5圖及第7圖，其中第7圖為利用調焦調平裝置計算出補償後的即時解調量Si的流程圖(即第6圖中的步驟S2)。如第7圖所示，調整掃描反射鏡的振幅，採樣掃描反射鏡的即時振幅以及光電探測器輸出的即時電壓值，計算出補償後的即時解調量Si，包括如下步驟：首先，執行步驟S100，以掃描反射鏡的理論振幅θ0為中心，單步調整掃描反射鏡的振幅，使其從振幅下限變化到振幅上限，在每一步中採樣當前掃描反射鏡的即時振幅θi以及光電探測器輸出的即時電壓值Ai和Bi。
接著，執行步驟S101，求出Mi=θi/θ0，以及Ni=(Ai+Bi)/(A0+B0)，以Mi為引數，Ni為因變數，擬合多項式Ni=f(Mi)，其中，A0和B0為光電探測器輸出的理論電壓值，A0和B0分別對應掃描反射鏡在振幅為θ0時回饋方波為上升沿和下降沿時光電探測器輸出的理論電壓值。
接著，執行步驟S102，根據θi，Ai，Bi，θ0，A0，B0以及多項式的係數，計算出補償後的即時解調量Si=(Ai-Bi)* f(θi/θ0)/(Ai+Bi)。
接著，執行步驟S3，工件台步進結束後，根據補償後的即時解調量Si和工件台的即時離焦量Hi建立資料庫。
較佳的，建立資料庫時，選取即時解調量Si與即時離焦量Hi成線性關係的數值來建立。
請參考第8圖，其為建立資料庫的流程圖。由第8圖所示，首先，執行步驟S200，根據理想離焦量Ho，將工件台移動到正離焦極限位置或負離焦極限位置；接著，執行步驟S201，步進工件台，求出補償後的即時解調量Si；接著，執行步驟S202，讀取此時工件台的即時離焦量Hi(即高度值Hi)；接著，執行步驟S203，判斷讀取的即時離焦量Hi是否已超出理想量Ho的測量範圍，如果沒有超過，則重複執行步驟S201；如果超過了測量範圍，則開始執行步驟S204，選取補償後的即時解調量Si與即時離焦量Hi成線性關係的數值，建立資料庫。
接著，執行步驟S4，實際測量時，即時採樣掃描反射鏡的實際振幅以及光電探測器輸出的實際電壓值，計算出補償後的實際解調量Sk，利用線性插值法搜尋資料庫，求出工件台的實際離焦量Hk。
具體的，在實際測量離焦量時，需要依據步驟S100-S102中的內容算出實際補償後的解調量Sk，再利用線性插值法搜尋已建立的資料庫，求出實際離焦量Hk，此時求出的Hk由於是建立在步驟S3中建立的資料庫的基礎上的，從而提高了離焦量的測量精準度。較佳的，請參考第9圖，其為利用離焦量探測方法前後離焦量的精度對比圖。由第9圖所示，可以清晰的看到離焦量的精度值變化幅度變小，說明本發明所提出的離焦量探測方法較大的提高了離焦量的探測精度。
為了較好的消除掃描反射鏡振幅不穩定對測量精度的影響，請參考第4圖，其為掃描反射鏡調制下，不同時刻光斑與狹縫之間的相對關係圖。如第4圖所示，設探測狹縫的寬度為d，探測狹縫的長度為L，由於矽片離焦，導致投影光斑相對於探測狹縫的偏移量為△d，經過掃描反射鏡調制，使投影光斑相對於探測狹縫沿寬度d方向以d/2上下振動，在不同時刻，光斑相對於狹縫的位置關係示意性地顯示在圖中。一般來說， 由於掃描反射鏡的振動頻率都很高，因此，在一個振動週期內，假設A點對應回饋方波上升沿的採樣值，B點對應回饋方波下降沿的採樣值，則A點，B點的掃描反射鏡擺角可以認為大小相等，符號相反。因此，掃描反射鏡的振幅θ的變化對電壓值(A-B)沒有影響，只對電壓值(A+B)有影響。且掃描反射鏡的即時振幅θi相對於掃描反射鏡的理論振幅θ0的比值Mi與實際電壓值(Ai+Bi)相對於理論電壓值(A0+B0)的比值Ni之間存在一一映射關係。因此，若能夠即時監測到掃描反射鏡的即時振幅θi，就可以預先標定出Mi與Ni之間的函數關係，即擬合多項式Ni=f(Mi)。後續自標定測量時，再根據監測到掃描反射鏡的即時振幅θi以及實際採樣的即時電壓值(Ai+Bi)藉由已計算出的擬合多項式Ni=f(Mi)，反算出理想情況下的電壓值(A+B)，即可消除掃描反射鏡振幅不穩定對測量精度的影響。
綜上，在本發明所提供的振幅監測系統、調焦調平裝置及離焦量探測方法中，調整掃描反射鏡的振幅，採樣掃描反射鏡的即時振幅以及光電探測器輸出的即時電壓值，計算出補償後的即時解調量Si，並記錄工件台的即時離焦量Hi，根據補償後的即時解調量Si和工件台的即時離焦量Hi建立資料庫；實際測量時，即時採樣掃描反射鏡的實際振幅以及光電探測器輸出的實際電壓值，計算出補償後的實際解調量Sk，利用線性插值法搜尋資料庫，求出工件台的實際離焦量Hk；避免了由於掃描反射鏡長期工作，出現穩定性差的現象，導致調焦調平檢測裝置對矽片表面離焦量的測量精度不高的問題。
上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於申請專利範圍的保護範圍。
S1~S4‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種調焦調平裝置，用於探測一工件台的離焦量，其包括：一光源、一照明單元、一投影狹縫、一成像前組、一成像後組、一振幅監測系統、一探測狹縫以及一光電探測器，該振幅監測系統中的該掃描反射鏡用於作週期性簡諧振動，從而對光信號進行調制，該振幅監測系統包括：一掃描反射鏡；以及一控制模組，以用於驅動該掃描反射鏡做簡諧運動；其中，該掃描反射鏡上設置有一光柵尺；該光柵尺用於測量該掃描反射鏡的即時振動角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之調焦調平裝置，其中該光柵尺包括一尺規光柵及與該尺規光柵配合使用的一光柵讀數頭。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之調焦調平裝置，其中該掃描反射鏡的一振動軸上刻蝕有該尺規光柵。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之調焦調平裝置，其中該控制模組藉由驅動線驅動該掃描反射鏡以固定的頻率振動，該光柵讀數頭用於讀取該掃描反射鏡的即時振動角度，然後藉由回饋線回饋到該控制模組。
  5. 一種離焦量探測方法，其採用如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之調焦調平裝置，該掃描反射鏡對光信號進行調制後由該光電探測器接收，然後由該信號處理器進行信號解調以及解調量的補償，包括如下步驟：步驟一、調整該掃描反射鏡的振幅處於理論振幅θ0，並記錄此 時該光電探測器輸出的理論電壓值；步驟二、多次調整該掃描反射鏡的振幅，採樣該掃描反射鏡的複數個即時振幅θi以及該光電探測器輸出的複數個即時電壓值，計算出補償後的複數個即時解調量Si，同時步進該工件台，並記錄該工件台的複數個即時離焦量Hi，其中i為1至N的自然數；步驟三、該工件台步進結束後，根據補償後的該複數個即時解調量Si和該工件台的該複數個即時離焦量Hi建立一資料庫；步驟四、實際測量時，即時採樣該掃描反射鏡的實際振幅θk以及該光電探測器輸出的實際電壓值，計算出補償後的實際解調量Sk，藉由搜尋該資料庫，求出該工件台的實際離焦量Hk，其中k為1至N的某一自然數。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之離焦量探測方法，其中步驟二中步進該工件台之前，先將該工件台移動到正離焦極限位置或負離焦極限位置。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之離焦量探測方法，其中，步驟三中建立該資料庫時，選取該複數個即時解調量Si與該複數個即時離焦量Hi成線性關係的數值來建立。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之離焦量探測方法，其中步驟四中利用線性插值法搜尋該資料庫。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之離焦量探測方法，其中該掃描反射鏡的振幅θ均藉由採樣該掃描反射鏡的振動角度α和β獲得，即θ=｜α-β｜/2，其中α和β分別對應該掃描反射鏡的回饋方波為上升沿和下降沿時的振動角度；該光電探測器輸出的電壓值均 包括電壓值A和B，分別對應該掃描反射鏡的回饋方波為上升沿和下降沿時該光電探測器輸出的電壓值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之離焦量探測方法，其中該步驟二中多次調整該掃描反射鏡的振幅，採樣該掃描反射鏡的該複數個即時振幅θi以及該光電探測器輸出的複數個即時電壓值Ai和Bi，計算出補償後的該複數個即時解調量Si包括：以該掃描反射鏡的理論振幅θ0為中心，單步調整該掃描反射鏡的振幅，使其從振幅下限變化到振幅上限，在每一變化後採樣當前該掃描反射鏡的該即時振幅θi以及該光電探測器輸出的該即時電壓值Ai和Bi；求出Mi=θi/θ0，以及Ni=(Ai+Bi)/(A0+B0)，以Mi為引數，Ni為因變數，擬合多項式Ni=f(Mi)，其中，A0和B0為光電探測器輸出的理論電壓值；以及根據θi、Ai、Bi、θ0、A0、B0以及多項式的係數，計算出補償後的即時解調量Si=(Ai-Bi)* f(θi/θ0)/(Ai+Bi)。
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