专利名称：基于共焦测量技术的调焦调平装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种调焦调平装置，且特别是有关于一种基于共焦测量技 术的调焦调平装置。
背景技术：
当前，在半导体制造的光刻设备中，为了达到理想的曝光成像效果，都需 要调焦调平装置测量硅片上表面到投影物镜镜头的距离，从而保证在曝光过程 中，硅片上的各曝光场都能处于投影物镜的最佳焦平面附近。
当前，主要的调焦调平技术有两类。 一种技术是通过直接在镜头上安装若
干传感器，直接检测硅片表面的高度信息；另一种方法基于结构光学投影测量 技术，如将一组光栅图形斜侧投影到硅片表面，通过监测其反射像的位置变化 来获得硅片表面的高度信息。
这两种方法分别存在着一定缺陷，第一种方法可能会受到硅片表面工艺特 性的影响，从而影响测量精度。第二种方法虽属于非接触测量，但要求投影物 镜具有较大的工作距，这就给投影物镜设计带来了难度，且测量传感器的布局 会占用像方比较大的空间。
调焦调平的实质是测量硅片表面相对物镜的高度，对于步进光刻机，其测 量分辨率通常在亚微米级，共焦测量方法能够提供这样的分辨率，且具有非接 触测量的优点，同时，共焦显微镜的工作距很小，这就减少了对于物镜工作距 离的要求，减少物镇3殳计的压力，因此可以用来作为调焦调平的传感器。
然而，传统的扫描共焦测量技术需要通过照明针孔-接收针孔-样品三者之间 互为物像共轭，以牺牲视场的方法在亚微米级的精度内获得样品的高度信息， 该方法需要在样品表面逐点扫描以获得完整的三维形貌信息，因此测量效率较 低，无法适应半导体制造的产率需要。
近年来，随着空间光调制技术的发展，并行共焦测量已经成为可能，已经出现了利用针孔阵列、；微透镜阵列等器件替代单个照明点的技术方案，实现了 并行测量，改进了测量效率，但由于制造工艺限制，针孔或微透镜阵列之间的 间隔是客观存在且无法避免的，因此所谓的并行测量实际牺牲了 X-Y方向的采 样点数，从而使测得的三维轮廓与其实际情况存在偏差。而且，无论是针孔阵 列还是微透镜阵列，都是"刚性"元件， 一旦制造成型，其特性，如大小、周 期等都不可能改变，因此这两种方法测量的轴向分辨率都只能达到微米级。
发明内容
本发明提出一种基于共焦测量技术的调焦调平装置，以改善现有技术的缺失。
本发明提出一种基于共焦测量技术的调焦调平装置包括照明光源、共焦测 量传感器、投影物镜、硅片以及控制单元。照明光源发出光线；共焦测量传感 器接收光线，形成影像；投影物镜连接共焦测量传感器；硅片接收影像；以及 控制单元电性连接共焦测量传感器，并依据影像控制共焦测量传感器的运动。
本发明基于共焦测量技术的调焦调平装置具有以下有益效果
1. 将共焦测量方法应用到光刻机的调焦调平技术中，可使投影物镜设计时， 降低对于工作距的要求，且占用像方空间较少；
2. 利用柔性二维空间光调制器生成点光源阵列作为共焦测量传感器的照明 光源，配以接收区域(Area of Interest, AIO)可变的接收阵列，实现并行共焦 测量，提高了测量效率；
3. 点光源阵列同时可以实现X-Y向精扫描功能，从而在不损失测量精度的 前提下提高测量效率。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳 实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1所示为根据本发明一实施例的基于共焦测量技术的调焦调平装置的示 意图。
图2所示为根据本发明一实施例的基于共焦测量技术的调焦调平装置的点光源阵列形成及扫描的示意图。
具体实施例方式
图1所示为根据本发明一实施例的基于共焦测量技术的调焦调平装置的示 意图。
请参考图1,本实施例的基于共焦测量技术的调焦调平装置10包括照明光 源107、共焦测量传感器101、投影物镜102、硅片Si以及控制单元114。照明 光源107发出光线；光线进入共焦测量传感器101并作为其测量用的光源；招: 影物镜102连接共焦测量传感器101，投影物镜102具有第一焦平面106;硅片 Si接收影像；控制单元114电性连接共焦测量传感器101，并依据影像的位置控 制共焦测量传感器的运动。
在本实施例中，基于共焦测量技术的调焦调平装置10更包括传输通道115、 一测量基板103和工件台104。传输通道115连接共焦测量传感器101;投影物 镜102通过测量基板103与共焦测量传感器101刚性连接；工件台104电性连 接控制单元114,且工件台104承载硅片Si。
照明光源107发出光线。本实施例中，照明光源107应为光i普宽度较窄的 非相干光源，可以A^光二极管(Light Emitting Diode, LED),而传输通道115 可以是光纤。
照明光源107发出的光线通过传输通道115传送至共焦测量传感器101。 共焦测量传感器101接收光线，且光线作为共焦测量传感器101测量用的 光源。在本实施例中，共焦测量传感器IOI包含第一反射镜117、空间光调制器 108、第一透镜109、分光棱镜IIO、显微物镜lll、第二透镜112、接收器113 以及吸收板118。第一反射镜117将照明光源107发出的光线发射至空间光调制 器108表面，光线经空间光调制器108后， 一部分形成点光源阵列，另一部分 被吸收板118吸收。点光源阵列经第一透镜109、分光棱镜110、第二反射镜119 及显微物镜lll后，形成一影像。更进一步，在本实施例中，空间光调制器108 为一微反射镜阵列，如数字微镜器件，它是一种MEMS器件，在0.7英寸XGA 格式的数字微镜器件上，可集成1024x768片微反射铝镜，单个微反射镜大小约 为16|imxl6|om,微反射镜在电极的静电吸引力作用下可翻转±12.5°,从而实现对照明光源107发出光线的调制。
硅片Si接收影像。理想情况下，硅片表面105上的影像应该位于显微物镜 lll的焦平面上，该焦平面应与投影物镜102的最佳焦平面106重合。然而实际 情况并非如此。因此需要通过调整工件台104Z向位置或移动显微物镜111以使 硅片接收到的影像位于投影物镜102的最佳焦平面106上。
进一步，在本实施例中，点光源阵列到达硅片表面105后，被沿原光路反 射，经第二反射镜119、分光棱镜110与第二透镜112后到达接收器113，接收 器113将接收到的影像转化为一数字信号。接收器113为面阵型接收器，其接 收区域(Area of Interest, AOI)可以根据需要加以改变，以形成与空间光调制器 108所生成的点光源阵列对应的"接收阵列"。
控制单元114电性连接共焦测量传感器101，并依据影像控制共焦测量传感 器的扫描。在本实施例中，控制单元114与空间光调制器108以及接收器113 电性连接，以控制空间光调制器108的输出并读取接收器113的数字信号加以 处理。进一步，本实施例中的接收器113为二维面阵型探测器，例如一电荷耦 合器件(Charge Coupled Device, CCD)。
图2所示为根据本发明一实施例的基于共焦测量技术的调焦调平装置的点 光源阵列形成及扫描的示意图。
如图2所示，控制单元114与空间光调制器108通过接口 205连接，该接 口可以是VGA，也可以是DVI或USB接口。根据接口的数据，空间光调制器 108 (微反射镜阵列)的相邻若干个微反射镜201通过翻转(+12.5°或-12.5。)形 成一个点光源206,多个点光源206形成点光源阵列，起到针孔阵列的效果。由 于空间光调制器108 (微反射镜阵列)上集成了近百万片微反射镜，因此可形成 一个足够大的点光源阵列用于测量。
请同时参考图l至图2，进行调平调焦时，工件台104将硅片表面105上的 一个待曝光场带入到共焦测量传感器101的扫描区域内。照明光源107发出的 光线经传输通道115进入到共焦测量传感器101,经第一反射镜117入射到空间 光调制器108表面。空间光调制器108根据控制单元114的命令，生成特定大 小、周期的点光源阵列，以此点光源阵列作为光学成^f象系统的光源。点光源阵 列经第一透镜109、分光棱镜110、第二反射镜119、显微物镜lll后，成缩小的像于空间平面106上，并投射到硅片表面105,在其表面反射后再经第二反射 镜119、分光棱镜110和第二透镜112后被CCD113接收。若硅片表面105正处 于物镜焦平面106时，接收器113各A0I单元接收到的信号强度为最大， 一旦 硅片表面105有微小地偏离焦平面，则CCD113相应AOI单元接收到的信号强 度立即接近于0。 CCD113完成一次接收后，将数字信号传给控制单元114,然 后由控制单元114命令空间光调制器108生成新的点光源阵列，即在逻辑上使 原来的各点光源按一定路径204移动，沿此路径经过的各点光源构成精扫描区 域203 (X-Y向)，而精扫描次数等于沿该路径204经过的点光源个数。利用共 焦测量传感器101进行1次X-Y向精扫描过程可覆盖的范围为
其中，p为整个共焦测量传感器光学系统的放大倍率，L为点光源阵列尺寸， 如果将空间光调制器108 (微反射镜阵列)的每一个微反射镜都加以利用，在 60x放大率下，X-Y向精扫描过程可覆盖的范围可达0.23x0.16mm2,相比较点 扫描式测量而言，提高了测量效率。
完成一次精扫描后，垂向扫描驱动器121带动显微物镜111沿Z方向移动
一个微小距离，这一距离应等于共焦测量传感器101的轴向分辨率，轴向分辨
率可利用如下的公式计算 D 0.443A
A =-
1 —cosa
其中人为照明光源的波长，a为投影物镜的孔径角。当数值孔径(r^sina/2， n为物体与物镜间々某质的折射率)为0.85，X=632.8nm时，轴向分辨率可达500nm， 实现亚微米级的轴向分辨能力。
然后重复精扫描过程。X-Y向精扫描与Z向扫描进行若干次后，就能得到 足够的数据，从而精确地拟合出当前所测硅片表面105的高度信息及其偏离投 影物镜102最佳焦平面的高度和倾斜情况。
在本实施例中，基于共焦测量技术的调焦调平装置IO更包括一工件台祠服 控制单元120，电性连接控制单元114和工件台104。上述计算结束后，由控制 单元114向工件台伺服控制单元120发出命令，令工件台104步进至新的待测 位置，重复以上的测量步骤。
本发明基于共焦测量技术的调焦调平装置将共焦测量方法应用到光刻机的调焦调平技术中，可使投影物镜设计时，降低对于工作距的要求，且占用像方 空间较少，且其利用柔性二维空间光调制器生成点光源阵列作为共焦测量传感
器的照明光源，配以接收区域(Area of Interest, AIO)可变的接收阵列，实现 并行共焦测量，提高了测量效率，而且点光源阵列同时可以实现X-Y向精扫描 功能，从而在不损失测量精度的前提下提高测量效率。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限 定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修 饰，都应做为本发明的技术范畴。
权利要求
1. 一种基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于，包括照明光源，发出光线；共焦测量传感器，上述光线进入上述共焦测量传感器，形成一影像；投影物镜，连接上述共焦测量传感器，上述投影物镜具有第一焦平面；硅片，接收上述影像；控制单元，电性连接上述共焦测量传感器，并依据上述影像的位置控制上述共焦测量传感器的运动。
2. 根据权利要求1所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于: 上述基于共焦测量技术的调焦调平装置更包括传输通道，上述传输通道将上述 光线传送至上述共焦测量传感器。
3. 根据权利要求2所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于: 上述传输通道为光纤。
4. 根据权利要求1所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于: 上述基于共焦测量技术的调焦调平装置更包括测量基板，且上述投影物镜为通过上述测量基板连接上述共焦测量传感器。
5. 根据权利要求1所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于， 上述照明光源为 一非相干光源。
6. 根据权利要求1所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于, 上述基于共焦测量技术的调焦调平装置更包括工件台，电性连接上述控制单元，且上述工件台承载上述硅片，上述控制 单元依据上述影像控制上述工件台的运动。
7. 根据权利要求6所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于: 上述调焦调平装置更包括一工件台伺服控制单元，连接上述控制单元和上述工 件台，且上述控制单元通过上述工件台伺服控制单元控制上述工件台的运动。
8. 根据权利要求1所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于， 其中上述共焦测量传感器包括第一反射镜，反射上述光线；空间光调制器,电性连接上述控制单元，且上述空间光调制器接收上述第一反射镜的出射光线，上述出射光线的第一部分形成点光源阵列；以及 光学成像装置，接收上述点光源阵列，并形成上述影像。
9. 根据权利要求8所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于: 上述共焦测量传感器包括一吸收板，吸收上述出射光线的第二部分。
10. 根据权利要求8所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于: 上述光学成像装置包括第一透镜； 分光棱镜； 第二反射镜；显微物镜，具有第二焦平面；以及垂向扫描驱动器，设置于上述显微物镜，且上述垂向扫描驱动器带动上述 显微物镜在垂直方向上移动一个微小距离，其中，上述点光源阵列依次经过上述第一透镜、上述分光棱镜、上述反射 镜以及上述显微物镜形成上述影像。
11. 根据权利要求IO所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在 于,其中上述光学成像装置更包括第二透镜；以及接收器，电性连接上述控制单元，其中，上述点光源阵列到达上述硅片后，经上述显微物镜、上述反射镜、 上述分光棱镜以及上述第二透镜后到达上述接收器。
12. 根据权利要求ll所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在 于，上述接收器为面阵型接收器。
13. 根据权利要求8所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在于， 其中上述空间光调制器为 一 柔性二维空间光调制器。
14. 根据权利要求13所述的基于共焦测量技术的调焦调平装置，其特征在 于，其中上述柔性二维空间光调制器为 一微反射镜阵列。
全文摘要
本发明提出一种基于共焦测量技术的调焦调平装置，包括照明光源、共焦测量传感器、投影物镜、硅片以及控制单元。照明光源发出光线；共焦测量传感器接收光线，形成影像；投影物镜连接共焦测量传感器；硅片接收影像；以及控制单元电性连接共焦测量传感器，并依据影像控制共焦测量传感器的运动。本发明基于共焦测量技术的调焦调平装置实现了并行共焦测量，提高了测量效率。
文档编号G03F9/00GK101482706SQ200910045849
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者许琦欣 申请人:上海微电子装备有限公司