一种硅片调焦调平测量装置的制作方法

专利名称：一种硅片调焦调平测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于投影光刻的装置，尤其涉及一种硅片调焦调平 测量装置。
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实现对硅片表面 特定区域高度和倾斜度的测量。该测量装置要求的精度较高，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、气压测量法。
在现今的扫描投影光刻装置中，多使用光学测量法实现硅片调焦调平 测量。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,申请于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。为了满足扫描投影光刻机的要求，该装置的技术的得到进一步 的发展(SPIE， 1996, 2726: 767—779)。改进后的技术在之前的高度测量系统 中使用狭缝阵列，在硅片表面形成多个测量点，从而实现硅片的调焦调平 测量。该技术实现的精度较高，但同时也存在以下几点不足
(1)单点无法同时进行高度和倾斜度的测量。专利US4， 558，949中 使用独立的两套测量系统分别实现硅片表面的高度和倾斜测量。而在其后 续的方案中(SPIE， 1996， 2726: 76厂779),使用多点测量同时实现高度和倾
斜度的测量，但这种方式对单点的有效性比较依赖，当当前曝光视场为硅 片表面的边缘场时，往往只能实现硅片表面的高度测量，而不能实现对硅 片表面倾斜的测量。
(2) 单个测量光斑内硅片表面形貌及反射率的局部均匀性区分度不 高，硅片调焦调平测量装置的单点测量的工艺适应性较差，使得整个装置 的测量误差受到 一定程度影响。
(3) 测量范围受扫描反射镜的振幅影响比较大。实现更大的测量范 围需要更大振幅的扫描反射镜，从而使得测量系统的机械结构更大庞大。
该装置用于测量硅片表面特定区域相对于投影物镜最佳焦平面的高 度和倾斜度

发明内容
本发明的目的在于提供一种新的批量硅片曝光的方法，其可以有效提 高光刻机产率。
为了达到上述的目的，本发明提供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，其包括照明单元、投影单元、成像单 元及探测单元；照明单元包括光源、透镜组及光纤组成；投影单元包括反 射镜组、狭缝及透镜组；成像单元包括反射镜组、透镜组及平行偏转补偿 板；其中，探测单元由探测栅盘、扫描栅盘及象限探测器组成；所述照明 单元的光源通过投影单元在硅片表面形成一个测量光斑，该测量光斑通过 成像单元成像；探测栅盘将测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光 斑；探测栅盘和扫描4册盘之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象 限探测器的光强进行调制。
所述的测量光斑为椭圆形。
探测栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。 所述象限探测器的象限数与探测栅盘上的透光区的数目相等。 探测栅盘还包括一个圆形不透光区，其为探测栅盘圆心一定直径的同 心圆区i或。
探测栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光
区和扇形不透光区的圆心与探测栅盘的圆心重合。
扫描栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。 扫描栅盘还包括一个圓形不透光区，其为扫描栅盘圆心一定直径的同
心圓区i或。
扫描栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光 区和扇形不透光区的圆心与扫描栅盘的圓心重合。
所述装置还设置一个电机，该电机驱动扫描栅盘绕其圆心来回旋转。 扫描栅盘来回旋转的幅度为其扇形透光区弧度的一半。 当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘上每个扇形透光区与 探测栅盘上的对应的扇形透光区重合。
扫描4册盘高速地来回旋转，对透过4笨测4册盘的测量光斑进行调制，测 量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限内。
本发明还提供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，由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成；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；其中，探测单 元由探测栅盘阵列、扫描栅盘阵列及象限探测器阵列组成；每个探测栅盘 将对应的测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘阵列 和扫描栅盘阵列之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器 的光强进行调制。
每个探测栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不 透光区。
探测栅盘阵列中的每个探测栅盘中心一定直径的同心圓区域为不透 光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心 与探测栅盘的圓心重合。
每个扫描栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不 透光区。
扫描栅盘阵列中的每个扫描栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透 光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圓心与扫描栅盘的圆心重合。
扫描栅盘由均电机驱动，高速地绕其圓心来回旋转，其来回旋转的幅
度为扇形透光区弧度的一半；当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描 栅盘上每个扇形透光区与探测栅盘上的对应的扇形透光区重合，即通过探 测栅盘的光能够全部通过扫描栅盘。
象限探测器阵列中的每个象限探测器的象限数与单个探测栅盘上的 扇形透光区的数目相等，且探测器上某个特定象限与探测栅盘上的某个特 定的扇形透光区一一对应，即经过探测栅盘上某个扇形透光区的测量光斑 最终均入射到象限探测器对应的象限上。
扫描栅盘阵列中的每个栅盘均高速地来回旋转，对透过探测栅盘的测 量光斑进行调制，测量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应 的象限内。
. 所述测量光斑为椭圆形。
与现有技术相比，本装置的主要优点为
(1) 单点能够同时进行硅片表面的高度和倾斜度的同时测量，并在一 个测量光斑内将测量区域进行进一步细分，从而减少硅片表面形貌及反射 率局部非均匀性对测量结果的影响。
(2) 该装置的测量范围只与内部某个特定器件的内部结构有关，即在 不改变测量装置的尺寸的情况，对某个器件内部的结构作适当的调整即可 实现测量范围的变化。


通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目 的、具体结构特征和优点。
其中，附图为
图1是投影曝光装置结构平面示意图。
图2是该装置总体结构图。
图3是单个测量光斑的形状示意图。
图4是探测栅盘的光栅结构示意图。
图5是扫描栅盘的光栅结构示意及运动示意图。
图6是象限探测器的结构示意图。
图7是硅片位置偏差探测信号探测示意图。
图8是象限探测器输出信号处理总流程示意图。
图9是阵列测量的测量光斑分布示意图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制 本发明的保护范围。 实施例1:
图1是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,硅片420由工件台410支承。在投影物镜310和硅片 420之间设有一个硅片调焦调平测量装置500,该装置500与投影物镜支 承300进行刚性连接，在本发明其他实施例中，装置500也可以与投影物 镜310刚性连接；装置500用于测量硅片420表面的位置信息，并将测量 结果送往硅片表面位置控制系统560，系统560先对测量结果进行信号处 理和调焦调平量的计算，然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，对本发明作进一步的描述。
图2为本硅片调焦调平测量装置500的总体结构图，硅片调焦调平测 量装置500包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元。其中，照明 单元包括光源501、透镜组502及光纤503,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500提供照 明光源。
投影单元包括至少由反射镜511和反射镜514组成的反射镜组、狭缝 512及透镜组513，通过狭缝512的光源经过透镜513和反射镜514之后， 在硅片表面当前曝光区域320内形成一个椭圆的测量光斑580。当前曝光 区域320和测量光斑580如图3所示。测量光斑580经硅片420反射后进 入成像单元。
成像单元包括至少由反射镜521和反射镜525组成的反射镜组、透镜 组522、平行偏转补偿板523及其驱动电机524组成。经过成像单元之后， 测量光斑580的《象为 一个圆形的光斑。
探测单元包括探测栅盘530、扫描栅盘540及象限探测器550。
图4为探测栅盘530的光栅结构示意图，探测栅盘530中心一定直径 的同心圆区域E为不透光区，其他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈 扇形状，且扇形的圆心与整个探测栅盘530的圆心重合。以4个扇形透光 区为例，探测栅盘530有4个扇形透光区，A区、B区、C区与D区，每 两个相邻的扇形透光区之间有一个同样大小的扇形不透光区。
图5为扫描栅盘540的光栅结构示意图及运动示意图。扫描栅盘540 与探测栅盘530的光栅结构完全一样。扫描栅盘540由电机驱动，高速地 绕其圆心来回旋转，其来回旋转的幅度为扇形透光区弧度的一半，即 22.5。。当扫描栅盘540停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘540上每个 扇形透光区与探测栅盘530上的对应的扇形透光区重合，即通过探测栅盘 530的光能够全部通过扫描栅盘540。
图6为象限探测器550的结构示意图，象限探测器550的象限数与探 测栅盘530上的扇形透光区的数目相等，且象限探测器550上某个特定象 限与探测栅盘530上的某个特定的扇形透光区——对应，即经过探测栅盘 530上某个扇形透光区的测量光最终均入射到象限探测器550固定的象限 上。经过探测栅盘530 A区的光，最终会对应入射到象限探测器550的A 区上；经过探测栅盘530B区的光，最终会对应入射到象限探测器550的 B区上；经过探测栅盘530 C区的光，始终入射到象限探测器550的C区 上；经过探测栅盘530D区的光，始终入射到象限探测器550的D区上。
图7是硅片位置偏差探测信号探测示意图(测量硅片420表面的位置 信息)，图8 (a)为扫描栅盘540在零位时的位置，图8 (b)为扫描栅 盘540在其1/4个扫描周期时的位置，图8 (c)为扫描栅盘540在其1/2 个扫描周期时的位置，图8(d)为扫描栅盘540在其3/4个扫描周期时的 位置。当硅片420表面的高度及倾斜度不变时，随着扫描栅盘540的旋转， 测量光斑580经过扫描栅盘540各个区域的光能量周期性地变化，探测信
号得到高频调制。当硅片420表面的位置变化使得经过探测栅盘530之后 的测量光斑580存在Ah的位置偏移时，随着扫描栅盘540的旋转，象限 探测器550各区探测到的光能量均呈现周期性的变化，且各个区在同时刻 探测的信号存在一定的关系。
图8为象限探测器550输出信号处理总流程示意图。获得信噪比较高 的信号，象限探测器550的输出信号须先经过放大、滤波等信号预处理(步 骤561),然后进行信号的特征分析，信号解调及相位探测(步骤562), 进而对信号进行线性化处理，获得测量硅片420表面的高度及倾斜度与经 过解调及相位探测后的信号的线性关系(步骤563 )。硅片调焦调平测量 装置500服务于投影光刻装置，所以测量结果还需要进行一序列的坐标系 转换(步骤564)，供投影光刻装置中硅片调焦调平测量装置500的用户 使用。
测量光斑580经过4笨测栅盘530后，^皮细分成4个独立的小的扇形光 斑。由于采用了光斑细分技术，细分后的光斑的表面形貌和反射率的局部 非均匀性较小，从而减少硅片表面形貌及反射率局部非均匀性对测量结果 的影响。探测栅盘530中心的不透光区E区能够4艮好地避免A区、B区、 C区和D区之间的光强串扰。在本发明较佳实施例中，硅片420可位于装 置500的固定范围内，以实现4个透光区之间的完全串扰的最佳效果。所 以，探测栅盘530中心的不透光区E区决定了整个装置的测量范围。如果 要减小装置500测量的范围，只需增大探测栅盘530中心的不透光区E 区即可实现。如果要增大装置500的测量范围，则需减小探测栅盘530中 心的不透光区E区，同时减少扫描4册盘540来回S走转的幅度。
实施例2:
该实施例与前述的实施1基本原理结构完全一样，不同的是，在探测 单元中的探测栅盘530采用探测栅盘阵列，扫描栅盘540采用扫描栅盘阵 列，象限探测器550采用象限探测器阵列。其中每个探测栅盘，扫描栅盘 及象限探测器的原理及结构与实施例1完全一样。
由于使用了多点测量，这要求在投影单元中使用狭缝阵列，在硅片表 面上形成多个测量光斑。
图9为多点测量的测量光斑分布示意图，本实施例以2—个椭圆测量
光斑(580-l、 580-2..... 580-21)为例，其中7个测量光斑(580-l、 580-2.....
580-7)位于当前曝光^见场320内，其他14个测量光斑(580-8、 580-2、…、 580-21)位于当前曝光视场320之外，用于对当前曝光视场临场的高度及 倾冻牛的预测。
以上描迷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。任何对本发明的方法作本技术领域内熟知步骤的替换、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。
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，其包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元；照明单元包括光源、透镜组及光纤组成；投影单元包括反射镜组、狭缝及透镜组；成像单元包括反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板；其特征在于探测单元由探测栅盘、扫描栅盘及象限探测器组成；所述照明单元的光源通过投影单元在硅片表面形成一个测量光斑，该测量光斑通过成像单元成像；探测栅盘将测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘和扫描栅盘之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。
2、 根据权利要求1所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于所 述的测量光斑为椭圆形。
3、 如权利要求1所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于探测 栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。
4、 如权利要求3所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于所述 象限探测器的象限数与探测栅盘上的透光区的数目相等。
5、 如权利要求3所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于探测 栅盘还包括 一 个圓形不透光区，其为探测栅盘圆心 一 定直径的同心圆区 域。
6、 如权利要求4所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于探测 栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光区和扇形 不透光区的圆心与探测栅盘的圓心重合。
7、 如权利要求1所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫描 栅盘至少包括有一个透光区与至少一个不透光区。
8、 如权利要求7所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫描 栅盘还包括一个圆形不透光区，其为扫描栅盘圆心一定直径的同心圆区 域。
9、 如权利要求8所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫描 栅盘还包括均匀分布的扇形透光区和扇形不透光区，且扇形透光区和扇形 不透光区的圆心与扫描栅盘的圆心重合。
10、 如权利要求1至9任一项所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征 在于所述装置还设置一个电机，该，机驱动扫描栅盘绕其圆心来回旋转。
11、 如权利要求10所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫 描栅盘来回旋转的幅度为其扇形透光区弧度的一半。
12、 如权利要求11所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于当 扫描栅盘停止旋转，回到其零位时，扫描栅盘上每个扇形透光区与探测栅 盘上的对应的扇形透光区重合。
13、 如权利要求10所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫 描栅盘高速地来回旋转，对透过探测4册盘的测量光斑进4于调制，测量光斑 透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限内。
14、 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， 由照明单元、投影单元、成像单元及探测单元组成；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；其特征在于探测单元由探测栅盘阵列、扫描栅盘阵列及象限探测器 阵列组成；每个探测栅盘将对应的测量光斑进一步细分成若干个独立的小 测量光斑；探测栅盘阵列和扫描栅盘阵列之间相互运动，对细分后的小测 量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。
15、 如权利要求14所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于每 个探测栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不透光区。
16、 如权利要求15所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于探 测栅盘阵列中的每个探测栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透光区，其 他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与探测栅 盘的圆心重合。
17、 如权利要求14所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于每 个扫描栅盘上至少有一个以上的扇形透光区与同样数目的扇形不透光区。
18、 如权利要求17所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫 描栅盘阵列中的每个扫描栅盘中心一定直径的同心圆区域为不透光区，其 他区域的透光区与不透光区均匀分布，呈扇形状，且扇形的圆心与扫描栅 盘的圆心重合。
19、 如权利要求14至18任一项所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特 征在于扫描栅盘由均电机驱动，高速地绕其圆心来回旋转，其来回旋转 的幅度为扇形透光区弧度的一半；当扫描栅盘停止旋转，回到其零位时， 扫描栅盘上每个扇形透光区与探测栅盘上的对应的扇形透光区重合，即通 过探测栅盘的光能够全部通过扫描栅盘。
20、 如权利要求19所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于象 限探测器阵列中的每个象限探测器的象限数与单个探测栅盘上的扇形透 光区的数目相等，且探测器上某个特定象限与探测栅盘上的某个特定的扇 形透光区一一对应，即经过探测栅盘上某个扇形透光区的测量光斑最终均 入射到象限探测器对应的象限上。
21、 如权利要求20所述的一种硅片调焦调平测量装置，其特征在于扫 描栅盘阵列中的每个栅盘均高速地来回旋转，对透过探测栅盘的测量光斑 进行调制，测量光斑透过扫描栅盘之后，入射到象限探测器上对应的象限 内。
22、 根据权利要求21所述的一种硅片调焦调平测量装置，所述测量光斑 为椭圆形。
全文摘要
本发明提供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，其包括照明单元、投影单元、成像单元及探测单元；照明单元包括光源、透镜组及光纤组成；投影单元包括反射镜组、狭缝及透镜组；成像单元包括反射镜组、透镜组及平行偏转补偿板；其中，探测单元由探测栅盘、扫描栅盘及象限探测器组成；所述照明单元的光源通过投影单元在硅片表面形成一个测量光斑，该测量光斑通过成像单元成像；探测栅盘将测量光斑进一步细分成若干个独立的小测量光斑；探测栅盘和扫描栅盘之间相互运动，对细分后的小测量光斑入射到象限探测器的光强进行调制。本发明可以减少硅片表面形貌及反射率局部非均匀性对测量结果的影响。
文档编号G03F7/20GK101344734SQ20071017357
公开日2009年1月14日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者廖飞红, 李志丹, 李志科, 潘炼东, 程吉水, 陈飞彪 申请人:上海微电子装备有限公司