专利名称：一种调焦调平测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量系统，尤其涉及一种用于光刻机调焦调平的测量系统。
背景技术：
光刻机是大规模集成电路生产的重要设备之一，如图l所示，它的功能是使
掩模板上的图形按一定比例转移到硅片6(硅片在这里泛指所有被曝光对象，包 括衬底、镀膜和光刻胶)上。调焦调平测量系统102是光刻机的重要分系统之 一，它负责测量硅片的表面位置信息，以便和夹持硅片的工件台系统104 —起 使硅片的被曝光区域一直处于光刻机物镜系统103的焦深之内，而使掩模板101 上的图形理想地转移到硅片上。
随着投影光刻机的分辨率不断提高，焦深不断减小，对光刻机内调焦调平 分系统的测量精度和能够实时测量曝光区域等性能的要求也越来越高，气压传 感器和电容传感器等形式的调焦调平测量系统的实现方法已经难以满足要求， 因此目前步进扫描中所采用的调焦调平测量系统均为光电测量系统，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 限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)、基于针孔和面阵CCD (Charge Coupled Device,电荷耦合器件)的光电探测方法(美国专利US 6081614 )和基于PSD ( Position Sensitive Device,位置每丈感器件)的光电测量方 法(中国专利200610117401.0和Focusing and leveling system using PSDs for the wafer steppers. Proc.SPIE, 1994， 2197: 997-1003.)。
对于上述这些现有的调焦调平测量系统，他们的系统都相对较为复杂，而且 除了美国专利US5191200外其他的都是非差分测量系统，测量稳定性相对较差。 并且上述这些现有的调焦调平测量系统中，除基于狭缝和四象限探测器的光电 探测方法(美国专利US 6765647B1 )之外其它的调焦调平测量系统的测量精度 都会受被测对象上单个测量光斑内部的局部反射率不均的影响而产生测量误
差。
发明内容
本发明中采用了类似莫尔条紋的探测，消除被测对象局部反射率不均对调 焦调平测量系统测量精度的影响，提高了整个测量系统的测量精度并且对被测 对象的变化不敏感。
一种调焦调平测量系统，包括光源模块、照明光学模块、物光栅、第一成
像模块、第一偏置平板、被测对象、第二偏置平板和第二成<^漠块，还包括DRC 模块和探测模块，其中DRC模块还包括分束器和倒像器；所述的分束器，用于 将进入DRC模块的光束分为两束， 一束直接成像在探测模块处，另一束进入倒 像器；所述的倒像器，用于将进入它的光束倒像后，成像在探测模块处；所述 的探测模块，用于探测被测对象的位置信息。
其中所述的DRC模块还包括合束器，用于将分束器分离的两束光合束后到 达探测模块。
其中所述的探测模块包括两组探测单元，相隔半个莫尔条紋周期并垂直于 莫尔条紋的移动方向放置。
其中所述的探测模块也可以只包括一组探测单元，垂直于莫尔条紋的移动 方向放置。
其中所述的探测单元可以是线性CCD或单元能量探测器阵列。 其中所述的第一偏置平板和第二偏置平板，用于调节调焦调平测量系统的
测量零点，并且在调节时应当相对转动并且调节量相同。
其中所述的第一成像模块和第二成像模块至少在被测对象一方是像方远心
的成像系统
本发明由于采用了以上技术特征，是指与现有技术相比具有以下优点和积 极效果
1、 采用了自差分原理，提高了整个测量系统的重复性和稳定性；
2、 采用了类似莫尔条紋检测法，有利于提高分辨率，并能平均掉被测对象 的局部和整体的反射率不均引起的误差；
图l为光刻机示意图2为新的调焦调平系统原理图3为DRC模块示意图4 (a)为没有倒像的物光栅的像；
图4 (b)为经过倒像的物光栅的像；
图4 ( c )为没有相对倾斜的两光4册之间的位置关系；
图4 ( d)为有相对倾斜的两光栅之间的位置关系；
图5 (a)为DRC模块实施例之一的示意图5 (b)为像面处两分束坐标系之间的关系；
图6为探测单元的具体选择和位置；
图7为探测单元输出信号示意图。
具体实施例方式
本发明的原理如图2所示，该调焦调平测量系统是一个基于三角测量原理 的光电测量系统，其中的X-Y-Z坐标系为右手直角坐标系，其中Z轴沿着光刻 机投影物镜的光轴105,如图l所示。该调焦调平测量系统的工作原理在于探测 光束被被测对象6反射后携带了被测对象6沿Z轴的位置信息，携带位置信息 的探测光束被沿M轴探测的探测模块12探测到。通过多点测量可以得到被测对 象6上表面的Z， Rx (绕X轴旋转)，Ry (绕Y轴的旋转)的信息。
图2中光源模块1发出的光经过光束照明光学模块2整形后照射到物光栅3 上；物光栅3被第一成像模块4成像到被测硅片(在这里泛指所有的被测对象) 6处，在硅片6上表面形成测量光斑。其中第一成像模块4和第二成像模块8至 少在硅片6的一侧是4象方远心的成像系统。而在这里第一偏置平板5和第二偏 置平板7的作用主要是用来调节本调焦调平测量系统的测量零点，第一偏置平 板5和第二偏置平板7在调节的时候应该保证其能够相对转动，并且调节量相 同。硅片6上表面处的探测光斑再次被第二成像模块8成像到探测模块12处。 其中第二偏置平板7、第二成^^莫块8与第一偏置平板5、第一成傳^莫块4一般 是结构相同的器件，并且对称布置。从第二成傳^莫块8出射的光束在到达探测
模块12上之前还经过了 DRC (Divider-Reverser-Combiner,分束-倒像-合束)模 块。其中DRC模块主要的作用是将第二成像模块8出射的成像光束分成两束， 一束直接成像在探测模块12上(模块12的探测工作面应位于模块8的像面上)， 另 一束经过倒像后沿M方向倒置在探测模块12处。
DRC模块一般主要由分束器9、倒像器10和合束器11构成，当然在一定 的条件下合束器11也可以略去。进入DRC光束首先被分束器9根据能量按一 定比例分成两束光，其中 一束被倒像器10沿M轴倒像，另 一束没经过任何处理； 然后，两束光再次被合束器11合成而到达探测模块12，如图3所示。在I和II 处相应的物光栅对应的像如图4 (a)所示；经过倒像器10沿M轴倒像后，在 位置ni处相应的光栅对应的像如图4(b)所示；两分束再次被合束器11合成以 后，如果两分束相应的像沿M轴没有夹角，则位置IV处两光栅像之间的位置关 系如图4 (c)所示，如果两分束的^f象之间沿M轴有夹角则位置IV处两光棚—象之 间的位置关系如图4 (d)所示，由于当两像光栅之间有一定的夹角的时候他们 会形成类似橫向莫尔条紋的条紋，假设两像光栅的周期为P,他们形成的类似莫
尔条紋的条紋周期为s,当两光栅之间的夹角e《艮小时，则有s=p/e (其中e的 单位为弧度)。因为莫尔条紋对光栅的周期具有放大作用，这有利于提高分辨率
和光电探测器的布置，同时莫尔条紋也会平均掉被测对象6上的局部反射率不
均引起的测量误差以及光栅本身的制造误差等引起的测量误差，因此本发明调 平调焦测量系统的方法与 一般检测两光栅莫尔条紋的办法相同。
根据坐标系的变换关系可知，被测对象6上表面的Z向信息被转换成光栅 像在探测模块12上的M向位置信息；在没有插入DRC模块之前被测对象6的 Z正向对应着探测模块12处光栅像的M正向；在插入DRC模块后，在探测模 块12处所成的两个像中，沿M向被倒置的那个像，其坐标系也被沿M向倒置 了 ，如图3所示。这样当被测对象6在Z方向上运动z时，没被倒置的像沿M 向运动的3巨离mi为
m尸az (1) 被倒置的像沿M向的运动的距离m2为
m2=-az (2) 其中a为与结构和总体放大倍率有关的常数。 也就是说当被测对象6沿Z运动z时，插入DRC才莫块后两^f象光4册相对运动 的i 巨离m!m2为
<formula>formula see original document page 7</formula> (3) 当采用莫尔条紋测量时，此时类莫尔条纹移动的距离
<formula>formula see original document page 7</formula> ( 4 ) 其中e为两像之间的夹角，如图4(d)所示。
因此，当用探测模块12检测两像光栅相对运动的距离时，就可以得到与没 有插入DRC模块之前只有一个光栅像随被测对象6移动的情况下两倍的分辨 率。而且这两个像光栅之间的相对移动只与被测对象6的Z向移动有关，而完 全不受整个测量系统的机械振动、热以及应力等变形等的影响，即本发明的测 量系统是"自差分"测量系统，完全消除了上述因素对整个测量系统的测量重复性 和稳定性的影响，而且与传统的光栅尺测量系统相比提高了 2倍的分辨率。
下面结合一个具体实施例，对本发明原理图中的非常规模块给出具体设计 和解释。由于本发明是釆用多点测量的系统，多点中的各点测量从原理和结构 上完全相同，所以在这里只基于一个测量点进行解释，其它测量点从原理、结 构等完全与此相同。
如图2所示，在本发明中，中除DRC模块和探测模块12夕卜，其它的模块都 是通用的模块，因此在此只对DRC模块和探测模块12给出具体的设计和解释。
由于调焦调平测量系的测量范围一般都很小，如对于100nm节点的光刻机 来说，它的整个测量范围是小于lmm的，因此，在小测量范围内，考虑到尽可 能减少工程实现的成本等因素，本发明给出了一个如图5所示的DRC模块的具 体设计方案。在该方案中最终两分束的像面沿光轴方向是有一定的夹角卩的， 一般为了提高整个测量系统的分辨率一般会尽可能减小上述式(4 )中的e的值， 而卩与e是有确定的正比例关系，因此卩角一般也需要4艮小，这样在很小测量 范围内，由于卩角引起的整个系统的非线性是非常小的，而且该非线性是确定 不变的，所以是可以通过标定消除的，因而从工程实现的角度来看图5的p带 来的影响是完全可以消除的，而(3角的存在却大大降低了 DRC模块的设计复杂 程度并降低了成本。
在图5中，U)为DRC的一个具体设计示意图，(b)为该DRC模块的相
应像面处两分束坐标系之间的相对位置关系；其中入射光被分束器9分成能量
相等的两分光束，第一份光束通过了第一反射镜201，最终将图2中的物光栅3 的一个像成到图5所示的像面203处；第二份光束被第二反射镜202反射后， 最终将物光栅3的另一个像成到像应的像面203处，如图5中所示，两分开光 束的的像面203最终相交于两分束光轴的交点上，并且探测器模块12是放在图 5的像面203处的。由于在这里分束器9为半透半反的分束器，因此第一份分束 被反射两次而第二次分束光只被反射一次，即两分束光被反射的次数相差为奇 数，根据反射镜的成像特点可知图5给出的DRC模块的具体设计完全具备了图 3所示的DRC原理示意图中的功能，两分束及其对应像的坐标演变关系如图5 所示，至于在这里的两像面之间的夹角(3的影响完全可以从工程的角度上消除。 图2中的探测模块可以选择线性CCD或单元能量探测器阵列，如图6所示。 在这里，线性CCD与单元能量探测器阵列的作用是相同的，都是用来探测光强 的，只不过CCD的像素单元(在这里其作用相当于单元能量探测器阵列中的单 元能量探测器)的尺寸一般相对较小分辨率比较高。由于调焦调平测量系统的 测量范围一般比较小，通过设计可以使采用一个莫尔条紋的周期来覆盖整个调 焦调平测量系统的相应的测量范围。由于调焦调平测量系统在这里是实时的绝 对测量系统，因而若要采用多个莫尔周期来覆盖整个调焦调平测量系统的测量 范围时，应采用类似于绝对光栅尺的光栅来设计本发明系统的物光栅3，而这种
形式对于类似于本发明这样高精度小测量范围的测量系统来说一般是没有必要 的。因而，在这里只介绍整个调焦调平测量系统的测量范围在一个相应莫尔条 紋周期内实现的情况。如图6中所示，线性CCD或单元能量探测器阵列垂直于 莫尔条紋的移动方向放置，并且线性CCD的敏感方向也是垂直于莫尔条纹的移 动方向的，从功能的角度上来说一组CCD或单元能量探测器阵列就可以满足要 求，但考虑到两组这样的探测器单元可以消除掉温度等引起的噪声，因而两组 这样的探测单元实现的效果一般更好， 一般应该使这样两组探测单元相隔半个 莫尔条紋周期布置，如图6中所示。
而当本发明的调焦调平测量系统工作时，测量系统的初步信号示意图如图7 所示，图中(a)为"白，，莫尔条紋打到探测模块上时输出的信号示意图，这时候 最大的光强假定为2A，则其信号近似于幅度为2A的占空比为1: 1的方波信号，
其最小值为0;当被测对象移动最终使莫尔条紋移动半个周期后，莫尔条紋的 "黑"条紋打到了探测模块上，则探测模块的输出信号如图7(c)所示，为一个 近似常数信号，即线性CCD的各个像素或能量探测器阵列的各个能量探测单元 探测的光强信号相同同为A。而图7 (b)所示的信号为"黑""白，，莫尔条紋中间 打到探测模块上时，其输出的信号。而信号从(a)到(c)再到下一个(a)的 变化与一个莫尔条紋周期内的相位值即被测对象的位置是一-"^对应的。因而最 终可以得到被测对象的具体位置。此外要说明的是，由于线性CCD或单元能量 探测器阵列的在垂直于莫尔条紋移动的方向上的尺寸一般应该大于莫尔条紋在 这个方向上的尺寸。所以，图7(a)、 (b)、 (c)中的信号可以釆用各个敏感单 元相对于总的敏感单元探测到的总能量进行归一化处理，这样可以消除光源光 强变化或被测对象反射率整体变化对整个测量系统的影响。
由于本发明的调焦调平测量系统最终是^r测两像光斥册之间沿M向的相对位 移，这与传统的光栅尺测量中检测标尺光栅和指示光4册之间的相对位置关系在 原理上是一样的，所以本发明调焦调平测量系统中的探测单元与光栅尺的探测 单元是类似的。由于目前商用的光栅尺已经可以做到lnm的分辨率，所以只需 要少量的修改后，现有的光栅尺的成熟的信号检测和处理分系统完全可以应用 到本发明系统中，这样就大大减少了本发明的实现成本。
在本发明系统中也一般采用检测两像光栅所形成的莫尔条紋的办法，这与 现有的成熟的光栅尺测量系统是一样的。对于检测两光栅所形成的莫尔条紋的 系统来说，两光栅在沿光传播方向上的间隙越大其所形成的莫尔条紋的反差越 小对检测越不利，所以应该尽可能减少两光栅在沿光传，燔方向上的间隙。而对 于现有的光栅尺测量系统，由于其标尺光栅和指示光栅都是实体光栅，由于摩 擦和污染等的原因他们之间的上述的间隙不能太小；而对于本发明系统来说由 于是靠两个光栅的像，也就是虚拟存在的像光栅来形成莫尔条紋的，所以这两 个像光栅之间的沿光传#"方向上的间隙完全可以为零，因而相对于传统的光栅 尺，本发明系统可以减小甚至是完全消除了该间隙带来的测量误差，而且由于 本发明系统中的两个像光栅在理论上不论光栅周期的大小都不存在由于衍射而 带来的测量误差的，因而所有的这些特性进一步提高本发明系统相对于现有的 光栅尺测量系统的测量精度。
与现有调焦调平测量系统相比，本发明系统具有更高的测量精度，以及由 于本发明的"自差分"原理所决定的更高的重复性和稳定性，此外，由于本发
明的类莫尔条紋检测特性决定了其对被测对象上局部反射率的变化不敏感；以 及在采用对单个敏感单元(CCD的像素)探测到的光强相对于所有敏感单元探 测到的总能量进行归一化处理，而使本发明系统对其光源光强的变化或被测对 象整体反射率变化不敏感，即本发明系统具有相对较强的对被测对象和工艺适 应能力，从而最终可以提高整个光刻机的生产效率降低使用难度和成本。
本发明在具有以上性能上优势的同时，从结构上可以明显看出，与现有类 似调焦调平测量系统相比，本发明系统不但结构却简单，而且实现难度和成本 更低。
权利要求
1、一种调焦调平测量系统，包括光源模块(1)、照明光学模块(2)、物光栅(3)、第一成像模块(4)、第一偏置平板(5)、被测对象(6)、第二偏置平板(7)和第二成像模块(8)，其特征在于，还包括DRC模块和探测模块(12)，其中DRC模块还包括分束器(9)和倒像器(10)；所述的分束器(9)，用于将进入DRC模块的光束分为两束，一束直接成像在探测模块(12)处，另一束进入倒像器(10)；所述的倒像器(10)，用于将进入它的光束倒像后，成像在探测模块(12)处；所述的探测模块(12)，用于探测被测对象(6)的位置信息。
2、 如权利要求1所述的一种调焦调平测量系统，其特征在于所述的DRC模块 还包括合束器(11 ),用于将分束器(9)分离的两束光合束后到达探测模块(12)。
3、 如权利要求1所述的一种调焦调平测量系统，其特征在于所述的探测模块(12) 包括两组探测单元，相隔半个莫尔条紋周期并垂直于莫尔条紋的移动方向放置。
4、 如权利要求1所述的一种调焦调平测量系统，其特征在于所述的探测模块(12) 只包括一组探测单元，垂直于莫尔条紋的移动方向放置。
5、 如权利要求3或4所述的一种调焦调平测量系统，其特征在于所述的探测单 元可以是线性CCD或单元能量探测器阵列。
6、 如权利要求1所述的一种调焦调平测量系统，其特征在于所述的第一偏置平 板(5)和第二偏置平板(7),用于调节调焦调平测量系统的测量零点，并且在 调节时应当相对转动并且调节量相同。
7、 如权利要求1所述的一种调焦调平测量系统，其特征在于所述的第一成傳^莫 块(4 )和第二成像模块(8 )至少在被测对象(6 ) —方是像方远心的成像系统。
全文摘要
一种调焦调平测量系统，包括光源模块(1)、照明光学模块(2)、物光栅(3)、第一成像模块(4)、第一偏置平板(5)、被测对象(6)、第二偏置平板(7)和第二成像模块(8)，还包括DRC模块和探测模块(12)，其中DRC模块还包括分束器(9)和倒像器(10)。相对于现有的调焦调平测量系统而言，本发明具有更高的稳定性、重复性和测量精度，而且能够平均掉被测对象(6)上由于局部反射率不均引起的测量误差，以及光源光强变化和被测对象反射率整体变化等引起的测量误差，同时本发明还具有结构简单，对被测对象的敏感性较差的优势。
文档编号G03F9/00GK101169601SQ200710170748
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者俊 关 申请人:上海微电子装备有限公司