專利名稱：一種用于光刻機調焦系統性能評價的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光刻設備的調焦方法，特別涉及光刻設備的性能評價方法。
背景技術：
隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制造工藝的發(fā)展，光刻機作為這一行業(yè)的 主要設備也越來越先進。調焦系統是光刻機上的重要子系統，性能在不斷提高。 在調焦系統集成到光刻機上前，對其性能測試是必要的。這樣，就需要一個能 在垂向精密運動和便于操作的運動臺，對集成前的調焦系統進行性能評價和測
試，以減少集成后不必要的測試和調試。專利US 7， 126， 668 B2描述了一種 綜合多種影響曝光質量因素的調焦系統，其比一般調焦系統額外考慮了硅片表 面形貌高度，投影鏡頭誤差，工件臺不同步等帶來的投影誤差，增加了調焦精 度。但其中并沒有給出一種有效的裝置和相應的方法來評價和^H正其整個調焦 系統性能的優(yōu)越性。清華大學汪勁松等在專利200610076247中，描述了一種電 磁力并聯驅動式平面三自由度精密微動臺，通過布局精密微動臺中定子和動子 的特殊結構，定子鐵心截面為"日"或"口"字型，定子內部形成兩部分空隙， 從而增強了平面三自由度精密微動臺電磁推力的線性特性，降低了控制對象的 難度。然而，整個平臺并沒有垂向運動，不能利用此結構對光刻機的調焦系統 進行評價和測試；同時整個平臺的定子和動子結構特殊，不^f更于拆卸和安裝， 不具有裝酉己的靈5舌'f生。論文"Accuracy improvement of shot leveling and focusing with interferometer for optical lithography"中用激光干涉4支術作為手段，給出了 一種新算法，從而使單點調焦調平性能得到改善，改善后算法的性能驗證在已 有光刻機上進行。這對于成熟的光刻機產品，利用其上的其它子系統來驗證和 評價改善后調焦系統性能是可行的。但在光刻機集成以前，沒有可靠的工件臺 等子系統可供使用，況且此時其它子系統的性能尚且有待于評價和驗證。所以， 設計評價調焦這一光刻機上重要子系統性能的裝置是必要的。同時評價調焦系統的精密運動平臺在芯片光刻機等制造領域是必不可少的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于光刻機調焦系統性能評價的裝置及方法， 以對集成前的調焦系統進行性能評價和測試，從而減少集成后不必要的測試和 調試。
為了達到上述的目的，本發(fā)明提供一種用于光刻才幾調焦系統性能評價的裝
置，其包括粗動系統執(zhí)行器；粗動系統控制器；光才冊尺；精動系統執(zhí)行器； 精動系統控制器；激光干涉儀；下位機；上位機；大理石和氣浮減震。該上位 機通過串口實現對兩個運動系統的控制，其中粗動系統用該光柵尺進行測量反 饋，實現水平X向和垂向的大行程運動，精動系統通過該下位機的激光千涉儀 進行測量反饋，電容反饋校正，實現垂向高精度運動；該精動系統執(zhí)行器疊加 在該粗動系統執(zhí)行器上實現在粗動范圍內的精密步進和定位，且該粗動系統執(zhí) 行器放在該大理石上，該大理石由該氣浮減震支撐。
該粗動系統執(zhí)行器是孩t米運動臺，其可實現水平X向和垂向兩個方向上微 米量級的運動，該精動系統執(zhí)行器是納米運動臺，其可實現垂直方向納米量級 的運動。
該上位機通過串口給該粗動系統控制器下發(fā)控制指令，控制粗動系統執(zhí)行器。
該上位機通過串口給該精動系統控制器下發(fā)控制指令，控制精動系統執(zhí)行器。
用于激光干涉儀高度條紋數獲取和溫度采集的應用程序運行在下位機，采 集該激光千涉4義測量數據和溫度測量數據。
粗動系統用該光4冊尺進行閉環(huán)負反饋，控制水平X向和垂直兩個方向上微 米量級的步進運動。
精動系統用該激光干涉儀進行閉環(huán)負反饋，電容測量進行局部反饋校正， 控制垂直方向納米量級的步進運動。
該激光干涉儀包括三個測量點，該精動系統執(zhí)行器包括三個執(zhí)行器，該激 光干涉儀的三個測量點與該精動系統執(zhí)行器的三個執(zhí)行器的作用點在垂直方向上一一重合，且該精動系統運動器的三個執(zhí)行器在對調焦系統測試過程中垂向 上有相同的步進量。
始條紋數據，也可以從該精動系統控制器獲取溫度的原始數據和激光干涉儀條 紋數所轉化為精動系統執(zhí)行器高度的步進高度數據。
本發(fā)明還提供一種用于光刻機調焦系統性能評價的裝置的評價方法，所述 方法首先通過該上位機，驅動該粗動系統執(zhí)行器，使被測表面運動到調焦系統
測量范圍的最小值附近；然后驅動該精動系統執(zhí)行器，使被測表面和該調焦系 統的最小值重合；在調焦系統測量范圍內，驅動該精動系統執(zhí)行器以一定的步 長步進，并在每一個步進點處采集一定數量的調焦系統測量值和激光干涉儀測 量值讀數，通過精度和重復性算法，完成在調焦系統測量范圍內對其精度和重 復性的評價。
在該被測表面和該調焦系統測量范圍最小值重合處，將該激光干涉儀在該 上位機上的讀數記為調焦系統測量范圍的最小值。
在精動系統執(zhí)行器的每一個步進點處，記錄m個激光干涉儀和調焦系統的 讀數Z,ij和ZFij,其中，N為步進點個數，i=0， 1， ...，N-l， j=0,1, ...,m-l。計算每 一點激光干涉儀和調焦系統讀數的均值并作差Ai-^-^;，得到N個差值，其 中，i=0， 1, ...，N-l, j=0, 1, ...,m-l;同時計算該差的最大值max(Ai)和最小值
min(A,),并求該最大值與最小值對中心值的偏離量Sez = max(A^min(Ai);通過判
斷在調焦系統測量范圍內該偏移量是否不大于調焦系統的精度S^《p ， p為該調 焦系統的精度，來驗證該調焦系統精度。計算每一點處激光干涉儀和調焦系統 所測量讀數對應的差值^-Zw-ZFij，其中，i=0, l，...，N-l, j=0, l,...，m-l;通 過判斷在調焦系統測量范圍內的納米臺每一點處該差值最大值的3倍是否不大 于調焦系統的重復性精度3max(^)", r為調焦系統的重復性精度，來驗證調焦 系統重復性精度，
本發(fā)明由于采用了上述技術方案，可以方便地實現對集成前的調焦系統的 性能評價和測試，從而減少集成后不必要的測試和調試

圖1為檢測裝置系統的整體布局圖2為被測表面硅片和激光干涉儀反射鏡之間的布局圖3為對調焦系統的檢測原理圖4為大行程運動控制系統的簡化方框圖5為精密運動控制系統的簡化方框圖6為對調焦系統的性能評價流程圖。
附圖中110、上位機；120、精動系統控制器；130、粗動系統控制器； 140、粗動系統執(zhí)行器(微米運動臺)；150、精動系統執(zhí)行器納米運動臺； 160、激光干涉儀；210、下位機VME機箱；220、主板PPC; 230、激光干涉儀 軸卡板；240、激光干涉儀軸卡板；250、溫度釆集卡；260、精動系統控制器的 ITB (Interferometer & Temperature Board)板；270、 VME機箱PI 口通道； 280、 VME機箱P2 口通道；310、地基；320、氣浮減振系統；330、大理石； 340、測量表面吸附器；350、被測表面；360、溫度傳感器；370、壓力傳感器； 350、被測表面；351、硅片；352、反射鏡；352、反射鏡；354、反射鏡。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的說明。 因為裝置中激光干涉儀的存在，將整個裝置分成運動系統和環(huán)境系統兩大 部分加以描述。其中運動系統將粗動系統和精動系統分開設計。上位機通過串 口實現對兩個運動系統的控制，在環(huán)境系統和被檢測的調焦系統進入就緒狀態(tài) 后，通過控制微米臺將硅片表面帶入到調焦系統測量范圍的最小值位置附近， 通過納米臺在調焦系統測量范圍內的步進來實現對調焦系統性能的評價。
如圖1中所示，將整個裝置分三個部分來具體說明。其中第一部分主要構 成了粗動系統和精動系統控制和執(zhí)行的相關部件。包括實現運動控制的上位機 110,粗動系統控制器130和精動系統控制器120，粗動系統執(zhí)行器微米運動臺 140和精動系統執(zhí)行器納米運動臺150;微米臺有水平X向和垂直兩個方向自由 度，兩個方向的行程都為10cm，最小步長100nm;納米臺只有垂直方向自由度， 行程0.1mm,最小步長0.5nm;還有用于精動系統測量負反饋的激光千涉儀160。 第二部分主要構成了精動系統測量的反饋環(huán)節(jié)，通過下位機來實現。主要包括下位機VME機箱210，主板PPC220，激光干涉儀兩塊軸卡板230和240,溫度 采集卡250，將原始激光干涉條紋和原始溫度送往精動系統控制器120的ITB (Interferometer & Temperature Board)壽反260, VME沖凡箱Pl 口通道270和P2 口通道280。第三部分為保證兩個運動系統和激光干涉儀正常工作的環(huán)境系統。 主要包括地基310，氣浮減振系統320，保證機械上平整度的大理石330，測量 表面吸附器340，被測表面350,溫度傳感器360和壓力傳感器370。
圖2為圖1中三部分被測表面350的正視圖。中間部分是硅片351，是調焦 探測單元的檢測表面；硅片周圍等間隔分布三個方形反射鏡352， 352和354， 是激光干涉儀160的探測表面。三個方形反射鏡分別落在其相應的三個外接圓 內，三個外接圓圓心是納米臺相應的三個執(zhí)行器作用點，方形反射鏡中心是激 光千涉儀測量點。
圖3描述了分別用調焦系統和激光干涉儀測量物體表面在垂向運動時的轉
換關系。圖2測量表面結構保證了激光干涉儀三個測量點和納米臺三個執(zhí)行器
作用點在垂直方向一一重合；控制納米臺三個執(zhí)行器在垂向有相同的步進量，
即測量表面只有垂直方向上的運動；這樣納米臺150帶動^皮測表面350在垂直
方向運動，即使激光干涉儀測量表面352， 353, 354與調焦系統測量表面351
不在同一平面內，當兩個測量表面相對于測量表面吸附器340都相對固定時，
仍然有關系"^一-h,，這一數學表達是用垂向精密步進運動來評價光刻機調 2sin9
焦系統的數學依據。
圖4為粗動系統控制模型。為保證水平和垂直兩個方向大行程微米量級的 運動，同時考慮經濟性，采用光柵尺閉環(huán)。圖5為精動系統控制才莫型。采用激 光干涉儀閉環(huán)反饋，電容測量作為反饋校正，來實現納米量級的精密運動控制。
溫度傳感器數據通過串口送入下位機，再由下位機溫度采集卡250通過 VME總線的P2 口 280經由ITB板260送入精動系統的制器120;壓力傳感器數 據通過串口送入上位機110,再由上位機110送入精動系統控制器120。溫度和 激光干涉儀原始數據可以通過下位機從PPC220直接讀取，亦可通過上位機由串 口從精動系統控制器120讀取溫度原始數據和激光干涉儀條紋所轉換的高度數 據。
激光干涉儀光線在被測表面上的三個入射點和納米臺三個執(zhí)行器作用點之間的關系是激光干涉儀光線入射點即三個測量點和納米臺三個執(zhí)行器作用點 在垂直方向上--重合。
上位機110和下位機主板PPC220通過以太網相連，保證在上位才兒裁減和編 譯好的操作系統和應用程序下栽到下位機。
如圖6所示，本發(fā)明中對光刻機調焦系統進行評定的流程如下
(1) .給所有設備上電。其中包括打開上位機和下位才幾電源，打開粗動系統和 精動系統控制器和執(zhí)行器電源，使氣浮減振系統工作，打開激光千涉儀電源， 打開溫度和壓力傳感器的電源，同時使調焦系統進入正常工作狀態(tài)。
(2) .將裁減和編譯好的下位機操作系統通過以太網下載到下位機，同時通過 以太網將激光千涉儀的驅動應用程序也下載到下位機。此時激光千涉儀開始工 作。
(3) .上位機通過串口給粗動系統控制器下發(fā)指令，來控制微米運動臺，使被 測表面移動到調焦系統測量范圍的最小值附近。
(4) .上位機通過串口給精動系統控制器下發(fā)指令，來控制納米運動臺調整被 測表面，使調焦系統所檢測到的位置與其測量范圍的最小值重合；同時把上位 機激光干設儀讀數置為調焦系統測量范圍的最小值。
(5) .由上位機通過串口給精動系統控制器下發(fā)指令，驅動納米運動臺以步長 a在調焦系統的測量范圍L(設調焦系統測量范圍為L)內步進N步(N^玍的
正整數)，直至測量表面到達調焦系統測量范圍的最大值處。
(6) .在納米臺帶動測量表面在調焦系統測量范圍內的運動過程中，納米運動 臺每一個步進點處分別記錄m個激光干涉儀和調焦系統的讀數Z^和ZFu
(K)~N-l,j=0~m-l )。
(7) .利用步驟(6)中納米臺每一個步進點處激光千涉儀和調焦系統所記錄的 數據，在上位機上分別用精度和重復性驗證算法來驗證調焦范圍內其精度和重 復性是否滿足設計要求。
在調焦系統測量范圍內對其精度和重復性評價算法如下 l.精度性能測試
(1).求每一點處激光干涉儀和調焦系統讀數的均值并作差Ai-^;—S,其 中，i=0~N-l,j=0~m-l;(2) .計算max(Ai)和min(A,)，并求％2==^^^;(3) .判斷S?！秔 (設調焦系統的精度為p)在L內是否成立；若成立，則調焦 系統在測量范圍L內滿足精度為p的設計要求，否則不滿足。2.重復性性能測試(1) .記錄m個激光干涉儀和調焦系統在每一個步進點上的讀數Z,ij和Z^ (i=0~N-l，j=0 m-l );(2) .計算每一點上Ojj = ZBJ -Z (i=0~N-l， j=0 m-l);(3) .判斷每一點處^ax(cr,j)^r (設調焦系統的重復性精度為r)在L內是否 成立，如果成立，則調焦系統在測量范圍L內滿足重復性為r的要求，否則不 滿足。在本發(fā)明中，對調焦系統性能評價可以更換為其它垂向測量系統或有垂向 測量能力系統的性能評價；亦可改進表面吸附器上的被測表面，增加水平方向 反射鏡和水平測量激光干涉儀，使整個系統有水平向的^:米精確測量和步進能力。
權利要求
1、一種用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在于，包括粗動系統執(zhí)行器；粗動系統控制器；光柵尺；精動系統執(zhí)行器；精動系統控制器；激光干涉儀；下位機；上位機；大理石；和氣浮減震；所述上位機通過串口實現對兩個運動系統的控制，其中粗動系統用所述光柵尺進行測量反饋，實現水平X向和垂向的大行程運動，精動系統通過所述下位機的激光干涉儀進行測量反饋，電容反饋校正，實現垂向高精度運動；所述精動系統執(zhí)行器疊加在所述粗動系統執(zhí)行器上實現在粗動范圍內的精密步進和定位，且所述粗動系統執(zhí)行器放在所述大理石上，所述大理石由所述氣浮減震支撐。
2、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于所述粗動系統執(zhí)行器是微米運動臺，其可實現水平X向和垂向兩個方向上 微米量級的運動，所述精動系統執(zhí)行器是納米運動臺，其可實現垂直方向納米量級的運動。
3、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于所述上位機通過串口給所述粗動系統控制器下發(fā)控制指令，控制粗動系統 執(zhí)行器。
4、 根據權利要求l所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于所述上位機通過串口給所述精動系統控制器下發(fā)控制指令，控制精動系統 執(zhí)行器。
5、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在于用于激光干涉儀高度條紋數獲取和溫度采集的應用程序運行在下位機，采 集所述激光干涉儀測量數據和溫度測量數據。
6、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于粗動系統用所述光柵尺進行閉環(huán)負反饋，控制水平X向和垂直兩個方向上 微米量級的步進運動。
7、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于精動系統用所述激光干涉儀進行閉環(huán)負反^t,電容測量進行局部反饋校正， 控制垂直方向納米量級的步進運動。
8、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于所述激光干涉儀包括三個測量點，所迷精動系統執(zhí)行器包括三個執(zhí)行器， 所述激光千涉儀的三個測量點與所述精動系統執(zhí)行器的三個執(zhí)行器的作用點在 垂直方向上——重合，且所述精動系統運動器的三個執(zhí)行器在對調焦系統測試 過程中垂向上有相同的步進量。
9、 根據權利要求1所述的用于光刻機調焦系統性能評價的裝置，其特征在 于所述上位機可以調用運行在所述下位機的應用程序獲取溫度和激光干涉儀 的原始條紋數據，也可以從所述精動系統控制器獲取溫度的原始數據和激光干 涉儀條紋數所轉化為精動系統執(zhí)行器高度的步進高度數據。
10、 一種用于評價光刻機調焦系統性能的方法，包括 通過上位機驅動粗動系統執(zhí)行器，使被測表面運動到調焦系統測量范圍的最小值附近；通過上位機驅動精動系統執(zhí)行器，使被測表面和所述調焦系統的最小值重合；在調焦系統測量范圍內，驅動精動系統執(zhí)行器以一定的步長步進，并在每 一個步進點處采集一定數量的調焦系統測量值和激光干涉儀測量值讀數，通過 精度和重復性算法，完成在調焦系統測量范圍內對其精度和重復性的評價。
11、 根據權利要求IO所述的評價方法，其特征在于在所述被測表面和所 述調焦系統測量范圍最小值重合處，將所述激光干涉儀在所述上位機上的讀數 記為調焦系統測量范圍的最小值。
12、 根據權利要求IO所述的評價方法，其特征在于在精動系統執(zhí)行器的 每一個步進點處，記錄111個激光千涉儀和調焦系統的讀數2|1』和2^其中，N為 步進點個數，i=0， 1, ...，N-l， j=0，l，...，m-l。
13、 根據權利要求12所述的評價方法，其特征在于計算每一點處激光干 涉儀和調焦系統讀數的均值并作差A, S，得到N個差值，其中，i=0，l，...， N-l， j=0， 1, ...,m-l;同時計算所述差的最大值max(A,)和最小值min(A,)，并求所述最大值與最小值對中心值的偏離fSC2 =腿(，幸,);通過判斷在調焦系統測量范圍內所述偏移量是否不大于調焦系統的精度S^^p, p為所述調焦系統的 精度，來驗證所述調焦系統精度。
14、 根據權利要求12所述的評價方法，其特征在于計算每一點激光干涉 儀和調焦系統所測量讀數對應的差值q,Zi,j-ZF,」，其中，i二0， 1，…，N-l,j二0， 1,…， m-l;通過判斷在調焦系統測量范圍內的納米臺每一點處所述差值最大值的3倍 是否不大于調焦系統的重復性精度3max(。,」)"，r為調焦系統的重復性精度，來 驗證調焦系統重復性精度。
全文摘要
一種用于光刻機調焦系統性能評價的裝置和方法，其特點是裝置的運動系統將粗動系統和精動系統分開設計，在滿足水平X向和垂向大行程運動及垂向高精度定位的同時保證了裝置拆裝靈活性和擴展性，保證控制精度的同時減少控制的復雜程度，實現了垂向大行程高精度的精密運動控制，保證了被評價調焦系統的測量光斑可以在硅片上的任意位置，實現了檢測靈活性，對調焦系統性能評價方法和流程簡便，可在精動系統一個行程內將調焦的重復性和精度全部驗證完畢，節(jié)省時間，代碼實現簡便，同時整套裝置亦可用于其他系統垂向性能檢測和評價。
文檔編號G03F7/20GK101261455SQ20081003620
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權日2008年4月17日
發(fā)明者李志丹, 潘煉東, 秦新義, 金小兵, 陳飛彪 申請人:上海微電子裝備有限公司