CN105242501B - 一种高精度调焦调平测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高精度调焦调平测量系统，该测量系统采用四通道检测的方式，通过测得基片上的四点高度，确定当前曝光场内垂直方向的离焦量和水平方向的倾斜度，从而实现基片的调焦调平。基片高度的检测是基于光强调制的双光路叠栅条纹检焦方法，该方法通过对叠栅条纹的光强进行调制，同时引入π/2相位差，利用两只光路探测到的信号比求得离焦量。本发明有效的消除了传统应用光强检焦时由于光源或反射率波动引起的光强变化而导致的误差。该调焦调平装置易于实现，精度可达纳米级。

Description

一种高精度调焦调平测量系统
技术领域
本发明涉及焦面检测及调平的技术领域，具体涉及投影光刻系统中基片的调焦调平测量系统。
背景技术
光刻装置(光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。随着集成电路特征尺寸的不断减小和相关光刻设备分辨力的不断提高，光刻的有效焦深变得越来越小。目前主流的投影光刻设备，即使采用离轴照明等波前工程技术，焦深也仅维持在百纳米量级，已大大超出了由真空吸附翘曲、衬底平整度、抗蚀剂厚度等引起的基片表面起伏变化的范围。为了使基片表面始终保持在投影系统焦深范围内，保证曝光图形质量，对检焦系统提出了极高的要求。
早期，光学检焦方法多采用狭缝式光度检焦，受限于该方法对狭缝成像质量和图像处理算法的严重依赖性，其检焦精度只有百纳米级仅适用于早期精度较低的光刻机，如：基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)、基于狭缝和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US6765647B1)等。随后，出现了一种具有高精度的激光干涉检焦方法(Focusing and leveling based on wafer surface profile detection withinterferometry for optical lithography[C].Proc.of SPIE,1994,2197:980-989)，然而，抗蚀膜和脆弱环境的多层干涉作用严重阻碍了其作为光刻工具的应用。最近，由周期接近的光栅产生的莫尔条纹技术被引入光刻检焦中。纳米级的精度和良好的工艺适应性使得该方法成为一项具有前途的检焦备选方案。如基于光栅莫尔条纹的广电探测方法(中国专利：200710171968)，然而由于光栅自成像导致的泰伯效应会引起莫尔条纹的对比度下降，还会对实验调试产生负面影响，从而使得莫尔条纹方法用于实际光刻检焦还有很长的路要走。目前最常用的调焦调平方法还是基于光栅的光电测量方法。该方法虽然精度较高且易于实现，但该测量方法易受光源或反射率波动引起的光强变化的影响，从而降低检测精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是为了满足投影光刻设备的发展需求，解决当前基于光栅的光电测量方法中由于光源或反射率波动引起的光强变化导致精度降低的问题，提出一种高精度焦面检测及调平测量系统。
为了实现所述目的，本发明提供的一种高精度调焦调平测量系统由四路焦面测量系统共同构成，分别为第一焦面测量系统，第二焦面测量系统，第三焦面测量系统和第四焦面测量系统。第一焦面测量系统由照明系统，标记光栅，第一前远心成像系统，像剪切系统，光弹调制系统，位相调节板，检测光栅，第一后远心成像系统，第二后远心成像系统，第一光电探测器和第二光电探测器共同组成，标记光栅以86°的入射角经第一远心成像系统成像在基片上，经基片反射后的像经像剪切系统后由分光棱镜组分成两束，第一光束和第二光束分别成像于检测光栅上，位相调节板使得基片反射后的标记光栅像成像于检测光栅时光束位相刚好相差π/2，第一光电探测器和第二光电探测器分别探测由标记光栅同检测光栅形成叠栅后的第一光束传输能量和第二光束传输能量，第一光电探测器和第二光电探测器的位置信息固定，当基片发生上下移动时，标记光栅像同检测光栅的位置将发生偏移，同时，第一光电探测器和第二光电探测器探测的光强也将随之变化，通过第一光电探测器和第二光电探测器探测的能量经处理后求比值可以准确测出基片的焦面位置，第二焦面测量系统，第三焦面测量系统和第四焦面测量系统的结构同第一焦面测量系统。
所述的四路焦面测量系统测量点位于基片曝光场内，分布在以基片上曝光场中心位置为中心建立X、Y坐标轴上，X坐标轴上对称中心分布两个测量点，Y坐标轴上对称中心两个测量点。
所述的标记光栅和检测光栅的参数相同，且放置位置成一定角度，使得标记光栅的像可以平行成像于检测光栅上，检测光栅的长度需保证分光后的第一光束和第二光束均垂直入射到检测光栅上，互相没有交集和干扰。
所述的光弹调制系统由1/4波片，光弹调制器，1/4波片和检偏器构成。
所述的分光棱镜组将经过像剪切板后的光束分成能量相等，传输方向相同的两束光。
所述的位相调节板的目的是使标记光栅像成像于检测光栅时的第一光束和第二光束的位相相差π/2。
所述的第一像远心成像系统分别包括成像模块，该成像模块为像方远心或双远心，第一物远心成像系统和第二物远心成像系统分别包括成像模块，该成像模块为物方远心或双远心，第一像远心成像系统与第一物远心成像系统和第二物远心成像系统以一定角度放置，确保经第一像远心成像系统成像于基片的光栅像经基片反射后再次成像于检测光栅形成莫尔条纹，后经第一物远心成像系统和第二物远心成像系统准确的被第一光电探测器和第二光电探测器分别接收。
所述的第一光电探测器和第二光电探测器需同时测到第一光束和第二光束的光能量。
本发明的有益效果是：
1)本发明有效消除了基于光栅的光电测量方法中由于光源或反射率波动引起的光强变化对测量精度的影响，提高了系统的稳定性。
2)本发明的调焦调平测量系统结构简单易于实现，成本低且抗外界干扰能力强，具有高精度和高灵敏度的特点。
附图说明
图1是本发明的焦面测量系统结构图；
图2是本发明的结构布局图；
图3是本发明的光弹调制系统结构图；
图4是本发明的焦面测量模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种高精度调焦调平测量系统由四路结构相同的焦面测量系统共同构成。如图1所示，分别为第一焦面测量系统L1，第二焦面测量系统L2，第三焦面测量系统L3和第四焦面测量系统L4。四路焦面测量系统的测量点位于基片曝光场内，分布在以基片上曝光场中心位置为中心建立的X、Y坐标轴上，X坐标轴上对称设置测量点A和测量点B，Y坐标轴上对称设置测量点C和测量点D。根据四个测量点的检测数据进行相应的调焦调平处理。因此，焦面测量系统是整个系统的关键技术，其精度直接决定了该调焦调平测量系统的精度和稳定性。
以第一焦面测量系统为例。如图2所示第一焦面测量系统的照明系统由照明光源1和透镜2构成。照明光源的选择以不会对光刻造成影响为准。照明系统保证检焦光源平行入射到标记光栅3上。光源入射角度为86度。第一远心成像系统4将标记光栅3成像于基片5上，所成的像经基片5反射后经检偏器6和Savart板7被分光棱镜组81、82和位相调节板再次成像于检测光栅10。分光棱镜组将基片反射的光束分成能量相同，传输方向相同的两束光，第一光束B1和第二光束B2。两束光分别被第一位相调节板91和第二位相调节板92进行相位调节，使得第一光束B1和第二光束B2标记光栅3的像再次成像于检测光栅时相位差相差π/2。经光弹调制系统12，第一物远心成像系统11和第二物远心成像系统13后同时由第一光电探测器141和第一光电探测器142分别接收。光弹调制系统如图3所示，由第一1/4波片121，光弹调制器122，第二1/4波片123和检偏器124组成。其主要作用是增加一个高频载波，增加系统的抗干扰和抗噪声的能力。当基片发生上下移动时，标记光栅3像同检测光栅10的位置将发生偏移，同时，第一光电探测器141和第二光电探测器142探测的光强也将随之变化。经电路解调处理后求比值可以准确测出基片的焦面位置。
假设光源入射的总能量为I(x)，在不考虑其他的损耗情况下，经分光棱镜组后的第一光束的能量为I(x)/2，则第一光电探测器141接收的光能量IPD1(x)可以表示如下：
其中 为包含光栅偏移位置信息的调制相位；p为标记光栅和检测光栅的光栅周期；δ(t)＝πsin(2πft)/2；δ(t)为光弹调制器和入射光束的相位差；s为Savart板的剪切量。
由此可见，光弹调制器只对式(1)中第2项有影响，且两项均受Savart板的剪切量作用。当第一项为常数，第2项sin(2πs/p)＝1时，信噪比最佳，取Savart板的剪切量s＝p/4，则式(1)可表示为：
去掉直流分量则上式变为：
其中A为常数，由于第二光束B2同第一光束B1只在调制相位上相差π/2，故第二光电探测器142接收的光能量IPD2(x)可以表示为：
由于当分光棱镜均分放射光束，即A＝0.5，则由(3)和(4)可得到光栅的偏移量，即：
硅片上下移动量和光栅的偏移量的如图4所示，则可以得到以下的关系式：
由于α为86°，故sinα≈1,公式(6)可简化为：
从上式可以看出，硅片的偏移量直接由第一光电探测器141和第二光电探测器142接收到的光能量比值求出。这种方法有效消除了基于光栅的光电测量方法中由于光源或反射率波动引起的光强变化对测量精度的影响，提高了系统的稳定性。
根据以上的推论，可以得到如图1所示的四个测量点的离焦量信息，可以按下式求出基片的离焦量。
其中，ha，hb，hc和hd分别是测量点A，B，C和D测得的离焦量。
基片相对于X轴和Y轴的转角位和可由以下公式求出：
式中Δx和Δy分别为测量点A到测量点B的距离和测量点C到测量点D的距离。
配合工件台解耦算法，可以通过三点执行机构进行实时调平调焦，即可将基片曝光场调整到物镜最佳焦面位置。

Claims (5)

1.一种高精度调焦调平测量系统，其特征在于：该调焦调平测量系统由四路焦面测量系统共同构成，分别为第一焦面测量系统，第二焦面测量系统，第三焦面测量系统和第四焦面测量系统，第一焦面测量系统由照明系统，标记光栅，第一像远心成像系统，检偏器，像剪切系统，光弹调制系统，位相调节板，检测光栅，第一物远心成像系统，第二物远心成像系统，第一光电探测器和第二光电探测器共同组成，标记光栅以86°的入射角经第一像远心成像系统成像在基片上，经基片反射后的像经像剪切系统后由分光棱镜组分成两束，第一光束和第二光束分别成像于检测光栅上，位相调节板使得基片反射后的标记光栅像成像于检测光栅时光束位相刚好相差π/2，第一光电探测器和第二光电探测器分别探测由标记光栅同检测光栅形成叠栅后的第一光束传输能量和第二光束传输能量，第一光电探测器和第二光电探测器的位置信息固定，当基片发生上下移动时，标记光栅像同检测光栅的位置将发生偏移，同时，第一光电探测器和第二光电探测器探测的光强也将随之变化，通过第一光电探测器和第二光电探测器探测的能量经处理后求比值可以准确测出基片的焦面位置，第二焦面测量系统，第三焦面测量系统和第四焦面测量系统的结构同第一焦面测量系统；
所述的四路焦面测量系统的结构和原理完全相同，四路焦面测量系统测量点位于基片曝光场内，分布在以基片上曝光场中心位置为中心建立X、Y坐标轴上，X坐标轴上对称中心分布两个测量点，Y坐标轴上对称中心两个测量点；
两束光分别被第一位相调节板和第二位相调节板进行相位调节，使得第一光束和第二光束标记光栅的像再次成像于检测光栅时相位差相差π/2；
所述的标记光栅和检测光栅的参数相同，且放置位置成一定角度，使得标记光栅的像可以平行成像于检测光栅上，检测光栅的长度需保证分光后的第一光束和第二光束均垂直入射到检测光栅上，互相没有交集和干扰；
所述的分光棱镜组将经过像剪切系统后的光束分成能量相等，传输方向相同的两束光。
2.根据权利要求1所述的一种高精度调焦调平测量系统，其特征在于：所述的光弹调制系统由1/4波片，光弹调制器，1/4波片和检偏器构成。
3.根据权利要求1所述的一种高精度调焦调平测量系统，其特征在于：所述的位相调节板的目的是使标记光栅像成像于检测光栅时的第一光束和第二光束的位相相差π/2。
4.根据权利要求1所述的一种高精度调焦调平测量系统，其特征在于：所述的第一像远心成像系统分别包括成像模块，该成像模块为像方远心或双远心，第一物远心成像系统和第二物远心成像系统分别包括成像模块，该成像模块为物方远心或双远心，第一像远心成像系统与第一物远心成像系统和第二物远心成像系统以一定角度放置，确保经第一像远心成像系统成像于基片的光栅像经基片反射后再次成像于检测光栅形成莫尔条纹，后经第一物远心成像系统和第二物远心成像系统准确的被第一光电探测器和第二光电探测器分别接收。
5.根据权利要求1所述的一种高精度调焦调平测量系统，其特征在于：所述的第一光电探测器和第二光电探测器需同时测到第一光束和第二光束的光能量。
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