专利名称：用于光刻机的调焦调平装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路的制造设备与工艺，具体地说，是关于一种配合 光刻机进行微电子电路制造所用的对硅片进行调焦调平的装置与方法。
背景技术：
在投影光刻装置中，通常使用硅片调焦调平测量装置来实现对硅片表面的 特定区域的高度和倾斜度的测量。对该测量装置具有较高的精度要求，且不能 损伤硅片。所以，硅片调焦调平测量必须是非接触式测量，常用的非接触式调焦调平测量方法有三种光学测量法、电容测量法和气压测量法。在现今的扫描投影光刻装置中，多使用光学测量法来实现对硅片的调焦调 平测量，然而光学调焦调平测量装置的技术多种多样，典型例见美国专利 U.S.4,558，949 (Horizontal position detecting device,申请日1982年9月17日)。 该专利公开了一种调焦调平测量装置，该装置共有两套独立的测量系统，分别 用于硅片特定区域高度和倾斜度的测量。在高度测量系统中，使用投影狭缝和 探测狭缝实现对硅片高度的探测，同时使用扫描反射镜实现对被测信号的调制。 在倾斜测量系统中，投影分支在硅片表面形成一个较大的测量光斑，经硅片反射后，该光斑成像在一个四象限探测器上，根据:探测器上每个象限探测的光强， 实现对硅片表面特定区域倾斜度的测量。该技术具有原理简单的特点，但同时也存在以下几点不足1. 采用两支光路分别用来测量高度和倾斜的测量，增大了测量装置的复杂 性。2. 对一个曝光4见场内的测量精度比较低。3. 测量范围较小。发明内容综上所述，现有技术采用两套独立光路， 一路用于测量硅片高度， 一路用 于测量硅片倾斜。由于只能测量曝光场一个点高度，因此对硅片平面的测量精 度较低，另外，采用了两套独立光路分别用于测量高度和倾斜，增大了装置复 杂性。针对现有技术的不足，本发明采用多点测量硅片表面的高度，探测单元釆 用分光器将探测光斑分成两路， 一路用于粗测硅片表面的高度和倾斜，包括一个扫描反射镜、 一个狭缝阵列、光电探测器阵列； 一路用于精测硅片表面的高 度和倾斜，包括一个遮挡狭缝、放大透镜组和若干探测器。通过本发明改进， 能实现大范围高精度的调焦调平测量。概括起来，本发明的技术方案如下一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，包 括依次以光路连结的照明单元、投影单元、成像单元及探测单元。其中照明单 元主要由光源、透镜组及光纤组成；投影单元主要由反射镜组、狭缝阵列及透 镜组组成；成像单元主要由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成，其中， 探测单元包括分光器和与其以光路连结的精测光路和粗测光路，所述分光器将 成像单元射出的光束按光强分成两束， 一束进入精测单元， 一束进入粗测单元， 精测光路包括以光路连结的一只扫描反射镜、 一个探测狭缝阵列、光电探测器 阵列；而粗测光路则包括一只放大透镜组和若干只探测器。光束经过成^f象单元后，在硅片表面形成等距的光斑阵列，该光斑阵列可以 为4x4、 5x5、 6x6、 7x7、 8x8、 9x9光斑阵列;光束经粗测光路后，有多列光斑成像在对应的探测器上。有两列光斑成像在探测器上。两个探测器测量两个探测光斑的位置偏移量；所述探测器为CCD探测器或PSD探测器。一种硅片调焦调平测量方法，根据粗测结果和精测结果来判定调焦调平装 置测量结果。具体方法为，如果粗测单元测量在精测范围内，则精测结果有效； 反之，则粗测结果有效。若采用CCD探测器则，粗测单元的输出信号采用的信号处理步骤依次为 CCD图像采集，图像预处理，图像分割，判断偏移方向，图像处理，非线性补偿，坐标系转换。若采用PSD探测器则粗测单元的输出信号采用的^号处理步骤依次为信 号预处理、非线性补偿、线性化、坐标系转换。通过本发明改进，能实现大范围高精度的调焦调平测量。
图1为现有技术结构示意图。图2为本发明中的^:影曝光装置结构平面示意图。图3为本发明中的实施例1的装置总体结构示意图。图4为投影在硅片的光斑阵列示意图。图5为本发明中的探测狹缝阵列示意图。图6为本发明中的硅片处于调焦调平精测范围内某位置时，光斑与探测狭 缝位置关系示意图。图7为本发明中的硅片处于调焦调平精测范围之外某位置时，光斑与探测 狭缝位置关系示意图。图8为本发明中的两列光斑透过遮挡狹缝4殳射在两个线阵CCD上示意图。图9为本发明中的硅片向上偏移焦面较大时，两个线阵CCD上的光斑示意图。图10为本发明中的硅片向下偏移焦面较大时，两个线阵CCD上的光斑示 意图。图11为本发明中的粗测方式的信号处理方法流程图。图12为本发明中的调焦调平测量结果计算流程图。图13为本发明中的实施例2的装置总体结构示意图。图14为本发明中的两个PSD上的光斑示意图。图15为本发明中的实施例2粗测方式的信号处理流程图。
具体实施方式
下面根据图2~图15给出本发明较佳实施例，并予以详细描述，使能更好 地阐明本发明的结构特征和方法特色，而不是用来限制本发明的范围。实施例1:图2是本发明的光学曝光系统平面原理示意图。在照明系统100的照射下， 光源通过投影物镜310将掩模220上的图像投影曝光到硅片420上。掩模220 由掩模台210支承，硅片420由工件台410支承。图2中，在投影物镜310和 硅片420之间有一个硅片调焦调平测量装置500,该装置与投影物镜310或投影 物镜支承300进行刚性联接，用于对硅片420表面的位置信息进行测量，测量 结果送往硅片表面位置控制系统560，经过信号处理和调焦调平量的计算后，驱 动调焦调平执行器430对工件台410的位置进行调整，完成硅片420的调焦调 平。下面结合其它附图，给出具体实施例，对本发明作进一步的描述。图3为本发明的硅片调焦调平测量装置的总体结构图，》圭片调焦调平测量 装置由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元組成。其中，照明单元由光 源501、透镜组502及光纤503组成，光源501的出射光经透镜组502聚光之后， 由光纤503传送至投影单元，为整个测量装置提供照明光源。投影单元由反射 镜組(反射镜511和反射镜514 )、狭缝阵列512及透镜组513组成，狭缝阵列 的图形经过透镜513和反射镜514之后，在硅片420表面形成探测光斑阵列。 测量光斑551(参见图3 )经硅片反射后进入成像单元，成像单元由反射镜组521 、 透镜组522、平4亍偏转补偿板523及其驱动电才几524组成。探测单元包括分光器531、精测单元和粗测单元。分光器531将成像单元射 出的光束按光强分成两束，其中一束光进入精测单元， 一束光进入粗测单元。 精测单元包括一个扫描反射镜534及其驱动模块537、探测狭缝阵列535、光电 探测器阵列。精测信号处理单元538根据光电探测器阵列536输出测量结果经 锁相放大、多点拟合、坐标系转换等信号处理步骤，可得出精测光路对硅片表 面的高度倾斜量的精测结果。粗测单元由放大透镜组532、若干CCD探测器534 组成。调焦调平控制器540根据精测信号处理单元538和粗测信号处理单元539 的测量结果计算调焦调平装置的测量结果。图4为本发明调焦调平测量装置投影到硅片420上形成的光斑阵列551示 意图。本实施例中光斑为5x5的光斑阵列，当然本发明并不局限于5x5光斑阵 歹。，也可以为4x4或6x6或7x7或8x8或9x9光J赶P车歹'J 。图5为本发明调焦调平测量装置的探测狭缝阵列541示意图。探测狭缝阵 列541由9列构成，分别为541-1列、541-2列、541-3列、541-4列、541-5列、 541-6列、541-7列、541-8列、541-9列。图6为本发明的硅片420处于调焦调平精测范围内某位置时，光斑552与 探测狭缝541的位置关系示意图。当硅片在调焦调平装置的精测范围内时，精 测单元的光斑552与纟罙测狭缝541成一-^"对应关系。与探测狭缝541相对应的 光电探测器阵列536就能准确的测量出所有每个光斑阵列551的每一个光斑在 硅片上位置的高度值了。而当硅片420偏离调焦调平精测范围时，光斑552相 对探测狭缝541也有较大的偏移，图7为本发明的硅片在精测范围之外的某位 置时，光斑552相对于探测狭缝541的位置偏移关系示意图。从图7可看出， 狭缝541将光斑552全部遮挡了，光电探测器阵列接收不到信号，此时调焦调 平的精测结果无效。图8为本发明粗测光路中光斑列552-3和光斑列552-7分别投射在线阵CCD 534-1和线阵CCD534-2上的示意图。其中光斑列552-3的光斑对应图4中的光 斑551-3、 551-7、 551-12,而光斑列552-7对应图4中的光斑551-15、 551-19、 551-23。当硅片420离焦量较小时，光斑列552-3所有光斑都能成像在线阵CCD 534-1上，而光斑列552-7的所有光斑都能成4象在线阵CCD534-2上。图9为本发明中的硅片420处于向上离焦量较大的某位置时，CCD534上的 光斑位置示意图。当硅片420向上偏移较大时，光斑552-3-2和552-3-3投影在 线阵CCD534-1上，光斑552-7-2和552-7-2投影在线阵CCD534-2上。此时调 焦调平装置只能测量出硅片420上的光斑551-7、光斑551-12、光斑551-19和 光斑551-23所在硅片位置的高度值。图IO为本发明中的硅片420处于向下离焦量较大的某位置时，CCD534上 的光斑位置示意图。当硅片420向下偏移较大时，光斑552-3-1投影在线阵 CCD534-1上，光斑552-7-1投影在线阵CCD534-2上。此时调焦调平装置只能 测量出硅片420上的光斑551-3、光斑551-15所在硅片位置的高度值。图11示出了本发明中的粗测单元的信号处理方法。步骤561是用图像采集 卡将CCD524-l和CCD534-2的图像采集下来，经过图像预处理562，过滤图像 噪声，将CCD读取的图像进行图像分割563，以将光斑成像区域从图像分离开来。步骤564在已知的分割后子图像在CCD的位置基础上，判断硅片420的偏 移方向，并将子图像与调焦调平投影在硅片上的光斑对应起来。采用图像处理 565步骤可以获得光斑在CCD的准确位置。由于CCD本身是非线性的，因此需 要对光斑位置进行非线性补偿。由于光斑在CCD的位置与光斑在硅片的高度存 在——对应关系，这样就通过计算光斑在CCD的准确位置从而得出光斑对硅片 的高度测量结果。将调焦调平测量结果经过坐标系转换567就是最终的粗测结 果。图12示出了本发明中调焦调平测量结果计算流程图。在获取粗测光路测量 结果和精测光路精测结果569后，用粗测结果判断精测结果是否有效。如果粗 测结果超出精测范围说明精测结果是无效的，输出粗测结果；反之，精测结果 是有效的，调焦调平装置输出精测结果为有效值。实施例2:本实施例与实施例1精测原理完全相同，两个线阵CCD换成两个PSD。 图13为在实施例l基础上的新发明方案。将线阵CCD534-1、 CCD534-2换 成PSD534-3和PSD534-4。 PSD534-3 4笨测光斑552-1的位置偏移从而得出光斑551- 1在硅片420的高度值，而PSD534-4探测光斑552-9的位置偏移从而得出 光斑551-25的高度值。由于光斑阵列551在硅片420 —个很小的范围内，可以 将其看成一个平面，因此PSD534-3和PSD534-4探测的高度值的平均值为硅片 的离焦量。图14为两个光斑投射在两个PSD上的示意图。光斑552-1投射在PSD534-3 上，而光斑552-9投射在PSD534-4上。光斑552-1对应图4的光斑551-1;光斑552- 9对应图4中的光斑551-25。图15为本实施例的粗测方式的信号处理流程。通过步骤581获取两个PSD 的测量结果，对其进4亍;改大、滤波信号预处理582步骤后，非线性补偿583因 为温度、气压导致的PSD漂移，最后将测量结果线性化584，经过坐标系转换 585，就获得了调焦调平粗测支路对硅片的粗测高度值。
权利要求
1. 一种硅片调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，包括依次以光路连结的照明单元、投影单元、成像单元及探测单元，其中照明单元主要由光源、透镜组及光纤组成；投影单元主要由反射镜组、狭缝阵列及透镜组组成；成像单元主要由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成；其特征在于探测单元包括分光器和与其以光路连结的精测光路及粗测光路，所述分光器将成像单元射出的光束按光强分成两束，一束进入精测单元，一束进入粗测单元，精测光路包括以光路连结的一只扫描反射镜、一个探测狭缝阵列、光电探测器阵列；而粗测光路则包括一只放大透镜组和若干只探测器。
2、 根据权利要求l所述的硅片调焦调平装置，其特征在于光束经过成像单元 后，在硅片表面形成等距的光斑阵列，该光斑阵列可以为4x4或5x5或6x6或 7x7或8x8或9x9光斑阵列。
3、 根据权利要求1所述的硅片调焦调平装置，其特征在于光束经粗测光路后， 有多列光斑成像在对应的探测器上。
4、 根据权利要求3所述的硅片调焦调平装置，其特征在于至少有两列光斑成 像在所述探测器上。
5、 根据权利要求1~4中任一项所述的硅片调焦调平装置，其特征在于所述 探测器为CCD探测器或PSD探测器。
6、 一种硅片调焦调平测量方法，根据粗测结果和精测结果来判断调焦调平装置 测量结果，其步骤包括如果粗测单元测量在精测范围内，则精测结果有效； 反之，则粗测结果有效。
7、 根据权利要求6所述的硅片调焦调平测量方法，其特征在于，对于探测器为 CCD型探测，则粗测单元的输出信号采用的信号处理步骤依次为CCD图像采 集，图像预处理，图像分割、判断偏移方向，图像处理、非线性补偿，坐标系 转换。
8、 根据权利要求6所述的硅片调焦调平测量方法，其特征在于，对于探测器材 用PSD型探测器，则粗测单元的输出信号采用的信号处理步骤依次为信号预' 处理、非线性补偿、线性化和坐标系转换。
全文摘要
一种用于光刻机的调焦调平装置及方法，所述装置的测量光路分布于投影物镜光轴两侧，由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元构成，照明单元由光源、透镜组及光纤组成；投影单元由反射镜组、狭缝阵列及透镜组组成；成像单元由反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板组成，特点是探测单元包括分光器、精测光路和粗测光路，分光器将成像单元发射出的光束按光强分束，光束分别进入精测单元和粗测单元。所述方法，根据粗测结果和精测结果来判定调焦调平装置所测得的结果是否在精测范围内，若是，则精测结果有效；反之，则粗测结果有效。本发明由于采用多点检测硅片表面高度，探测单元采用分光器将光斑分成两路，实现了大范围高精度的调焦调平测量。
文档编号G03F9/00GK101276160SQ20081003724
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者廖飞红, 李小平, 李志科, 程吉水, 陈飞彪 申请人:上海微电子装备有限公司;华中科技大学