專利名稱：用于光刻機(jī)的調(diào)焦調(diào)平裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路的制造設(shè)備與工藝，具體地說，是關(guān)于一種配合 光刻機(jī)進(jìn)行微電子電路制造所用的對硅片進(jìn)行調(diào)焦調(diào)平的裝置與方法。
背景技術(shù)：
在投影光刻裝置中，通常使用硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置來實(shí)現(xiàn)對硅片表面的 特定區(qū)域的高度和傾斜度的測量。對該測量裝置具有較高的精度要求，且不能 損傷硅片。所以，硅片調(diào)焦調(diào)平測量必須是非接觸式測量，常用的非接觸式調(diào)焦調(diào)平測量方法有三種光學(xué)測量法、電容測量法和氣壓測量法。在現(xiàn)今的掃描投影光刻裝置中，多使用光學(xué)測量法來實(shí)現(xiàn)對硅片的調(diào)焦調(diào) 平測量，然而光學(xué)調(diào)焦調(diào)平測量裝置的技術(shù)多種多樣，典型例見美國專利 U.S.4,558，949 (Horizontal position detecting device,申請日1982年9月17日)。 該專利公開了一種調(diào)焦調(diào)平測量裝置，該裝置共有兩套獨(dú)立的測量系統(tǒng)，分別 用于硅片特定區(qū)域高度和傾斜度的測量。在高度測量系統(tǒng)中，使用投影狹縫和 探測狹縫實(shí)現(xiàn)對硅片高度的探測，同時(shí)使用掃描反射鏡實(shí)現(xiàn)對被測信號的調(diào)制。 在傾斜測量系統(tǒng)中，投影分支在硅片表面形成一個(gè)較大的測量光斑，經(jīng)硅片反射后，該光斑成像在一個(gè)四象限探測器上，根據(jù):探測器上每個(gè)象限探測的光強(qiáng)， 實(shí)現(xiàn)對硅片表面特定區(qū)域傾斜度的測量。該技術(shù)具有原理簡單的特點(diǎn)，但同時(shí)也存在以下幾點(diǎn)不足1. 采用兩支光路分別用來測量高度和傾斜的測量，增大了測量裝置的復(fù)雜 性。2. 對一個(gè)曝光4見場內(nèi)的測量精度比較低。3. 測量范圍較小。發(fā)明內(nèi)容綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)采用兩套獨(dú)立光路， 一路用于測量硅片高度， 一路用 于測量硅片傾斜。由于只能測量曝光場一個(gè)點(diǎn)高度，因此對硅片平面的測量精 度較低，另外，采用了兩套獨(dú)立光路分別用于測量高度和傾斜，增大了裝置復(fù) 雜性。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明采用多點(diǎn)測量硅片表面的高度，探測單元釆 用分光器將探測光斑分成兩路， 一路用于粗測硅片表面的高度和傾斜，包括一個(gè)掃描反射鏡、 一個(gè)狹縫陣列、光電探測器陣列； 一路用于精測硅片表面的高 度和傾斜，包括一個(gè)遮擋狹縫、放大透鏡組和若干探測器。通過本發(fā)明改進(jìn)， 能實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的調(diào)焦調(diào)平測量。概括起來，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的兩側(cè)，包 括依次以光路連結(jié)的照明單元、投影單元、成像單元及探測單元。其中照明單 元主要由光源、透鏡組及光纖組成；投影單元主要由反射鏡組、狹縫陣列及透 鏡組組成；成像單元主要由反射鏡組、透鏡組及平行偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償板組成，其中， 探測單元包括分光器和與其以光路連結(jié)的精測光路和粗測光路，所述分光器將 成像單元射出的光束按光強(qiáng)分成兩束， 一束進(jìn)入精測單元， 一束進(jìn)入粗測單元， 精測光路包括以光路連結(jié)的一只掃描反射鏡、 一個(gè)探測狹縫陣列、光電探測器 陣列；而粗測光路則包括一只放大透鏡組和若干只探測器。光束經(jīng)過成^f象單元后，在硅片表面形成等距的光斑陣列，該光斑陣列可以 為4x4、 5x5、 6x6、 7x7、 8x8、 9x9光斑陣列;光束經(jīng)粗測光路后，有多列光斑成像在對應(yīng)的探測器上。有兩列光斑成像在探測器上。兩個(gè)探測器測量兩個(gè)探測光斑的位置偏移量；所述探測器為CCD探測器或PSD探測器。一種硅片調(diào)焦調(diào)平測量方法，根據(jù)粗測結(jié)果和精測結(jié)果來判定調(diào)焦調(diào)平裝 置測量結(jié)果。具體方法為，如果粗測單元測量在精測范圍內(nèi)，則精測結(jié)果有效； 反之，則粗測結(jié)果有效。若采用CCD探測器則，粗測單元的輸出信號采用的信號處理步驟依次為 CCD圖像采集，圖像預(yù)處理，圖像分割，判斷偏移方向，圖像處理，非線性補(bǔ)償，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。若采用PSD探測器則粗測單元的輸出信號采用的^號處理步驟依次為信 號預(yù)處理、非線性補(bǔ)償、線性化、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。通過本發(fā)明改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的調(diào)焦調(diào)平測量。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中的^:影曝光裝置結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖3為本發(fā)明中的實(shí)施例1的裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為投影在硅片的光斑陣列示意圖。圖5為本發(fā)明中的探測狹縫陣列示意圖。圖6為本發(fā)明中的硅片處于調(diào)焦調(diào)平精測范圍內(nèi)某位置時(shí)，光斑與探測狹 縫位置關(guān)系示意圖。圖7為本發(fā)明中的硅片處于調(diào)焦調(diào)平精測范圍之外某位置時(shí)，光斑與探測 狹縫位置關(guān)系示意圖。圖8為本發(fā)明中的兩列光斑透過遮擋狹縫4殳射在兩個(gè)線陣CCD上示意圖。圖9為本發(fā)明中的硅片向上偏移焦面較大時(shí)，兩個(gè)線陣CCD上的光斑示意圖。圖10為本發(fā)明中的硅片向下偏移焦面較大時(shí)，兩個(gè)線陣CCD上的光斑示 意圖。圖11為本發(fā)明中的粗測方式的信號處理方法流程圖。圖12為本發(fā)明中的調(diào)焦調(diào)平測量結(jié)果計(jì)算流程圖。圖13為本發(fā)明中的實(shí)施例2的裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖14為本發(fā)明中的兩個(gè)PSD上的光斑示意圖。圖15為本發(fā)明中的實(shí)施例2粗測方式的信號處理流程圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)圖2~圖15給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好 地闡明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和方法特色，而不是用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1:圖2是本發(fā)明的光學(xué)曝光系統(tǒng)平面原理示意圖。在照明系統(tǒng)100的照射下， 光源通過投影物鏡310將掩模220上的圖像投影曝光到硅片420上。掩模220 由掩模臺(tái)210支承，硅片420由工件臺(tái)410支承。圖2中，在投影物鏡310和 硅片420之間有一個(gè)硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置500,該裝置與投影物鏡310或投影 物鏡支承300進(jìn)行剛性聯(lián)接，用于對硅片420表面的位置信息進(jìn)行測量，測量 結(jié)果送往硅片表面位置控制系統(tǒng)560，經(jīng)過信號處理和調(diào)焦調(diào)平量的計(jì)算后，驅(qū) 動(dòng)調(diào)焦調(diào)平執(zhí)行器430對工件臺(tái)410的位置進(jìn)行調(diào)整，完成硅片420的調(diào)焦調(diào) 平。下面結(jié)合其它附圖，給出具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。圖3為本發(fā)明的硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的總體結(jié)構(gòu)圖，》圭片調(diào)焦調(diào)平測量 裝置由照明單元、投影單元、成像單元及探測單元組成。其中，照明單元由光 源501、透鏡組502及光纖503組成，光源501的出射光經(jīng)透鏡組502聚光之后， 由光纖503傳送至投影單元，為整個(gè)測量裝置提供照明光源。投影單元由反射 鏡組(反射鏡511和反射鏡514 )、狹縫陣列512及透鏡組513組成，狹縫陣列 的圖形經(jīng)過透鏡513和反射鏡514之后，在硅片420表面形成探測光斑陣列。 測量光斑551(參見圖3 )經(jīng)硅片反射后進(jìn)入成像單元，成像單元由反射鏡組521 、 透鏡組522、平4亍偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償板523及其驅(qū)動(dòng)電才幾524組成。探測單元包括分光器531、精測單元和粗測單元。分光器531將成像單元射 出的光束按光強(qiáng)分成兩束，其中一束光進(jìn)入精測單元， 一束光進(jìn)入粗測單元。 精測單元包括一個(gè)掃描反射鏡534及其驅(qū)動(dòng)模塊537、探測狹縫陣列535、光電 探測器陣列。精測信號處理單元538根據(jù)光電探測器陣列536輸出測量結(jié)果經(jīng) 鎖相放大、多點(diǎn)擬合、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等信號處理步驟，可得出精測光路對硅片表 面的高度傾斜量的精測結(jié)果。粗測單元由放大透鏡組532、若干CCD探測器534 組成。調(diào)焦調(diào)平控制器540根據(jù)精測信號處理單元538和粗測信號處理單元539 的測量結(jié)果計(jì)算調(diào)焦調(diào)平裝置的測量結(jié)果。圖4為本發(fā)明調(diào)焦調(diào)平測量裝置投影到硅片420上形成的光斑陣列551示 意圖。本實(shí)施例中光斑為5x5的光斑陣列，當(dāng)然本發(fā)明并不局限于5x5光斑陣 歹。，也可以為4x4或6x6或7x7或8x8或9x9光J趕P車歹'J 。圖5為本發(fā)明調(diào)焦調(diào)平測量裝置的探測狹縫陣列541示意圖。探測狹縫陣 列541由9列構(gòu)成，分別為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。圖6為本發(fā)明的硅片420處于調(diào)焦調(diào)平精測范圍內(nèi)某位置時(shí)，光斑552與 探測狹縫541的位置關(guān)系示意圖。當(dāng)硅片在調(diào)焦調(diào)平裝置的精測范圍內(nèi)時(shí)，精 測單元的光斑552與纟罙測狹縫541成一-^"對應(yīng)關(guān)系。與探測狹縫541相對應(yīng)的 光電探測器陣列536就能準(zhǔn)確的測量出所有每個(gè)光斑陣列551的每一個(gè)光斑在 硅片上位置的高度值了。而當(dāng)硅片420偏離調(diào)焦調(diào)平精測范圍時(shí)，光斑552相 對探測狹縫541也有較大的偏移，圖7為本發(fā)明的硅片在精測范圍之外的某位 置時(shí)，光斑552相對于探測狹縫541的位置偏移關(guān)系示意圖。從圖7可看出， 狹縫541將光斑552全部遮擋了，光電探測器陣列接收不到信號，此時(shí)調(diào)焦調(diào) 平的精測結(jié)果無效。圖8為本發(fā)明粗測光路中光斑列552-3和光斑列552-7分別投射在線陣CCD 534-1和線陣CCD534-2上的示意圖。其中光斑列552-3的光斑對應(yīng)圖4中的光 斑551-3、 551-7、 551-12,而光斑列552-7對應(yīng)圖4中的光斑551-15、 551-19、 551-23。當(dāng)硅片420離焦量較小時(shí)，光斑列552-3所有光斑都能成像在線陣CCD 534-1上，而光斑列552-7的所有光斑都能成4象在線陣CCD534-2上。圖9為本發(fā)明中的硅片420處于向上離焦量較大的某位置時(shí)，CCD534上的 光斑位置示意圖。當(dāng)硅片420向上偏移較大時(shí)，光斑552-3-2和552-3-3投影在 線陣CCD534-1上，光斑552-7-2和552-7-2投影在線陣CCD534-2上。此時(shí)調(diào) 焦調(diào)平裝置只能測量出硅片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。圖IO為本發(fā)明中的硅片420處于向下離焦量較大的某位置時(shí)，CCD534上 的光斑位置示意圖。當(dāng)硅片420向下偏移較大時(shí)，光斑552-3-1投影在線陣 CCD534-1上，光斑552-7-1投影在線陣CCD534-2上。此時(shí)調(diào)焦調(diào)平裝置只能 測量出硅片420上的光斑551-3、光斑551-15所在硅片位置的高度值。圖11示出了本發(fā)明中的粗測單元的信號處理方法。步驟561是用圖像采集 卡將CCD524-l和CCD534-2的圖像采集下來，經(jīng)過圖像預(yù)處理562，過濾圖像 噪聲，將CCD讀取的圖像進(jìn)行圖像分割563，以將光斑成像區(qū)域從圖像分離開來。步驟564在已知的分割后子圖像在CCD的位置基礎(chǔ)上，判斷硅片420的偏 移方向，并將子圖像與調(diào)焦調(diào)平投影在硅片上的光斑對應(yīng)起來。采用圖像處理 565步驟可以獲得光斑在CCD的準(zhǔn)確位置。由于CCD本身是非線性的，因此需 要對光斑位置進(jìn)行非線性補(bǔ)償。由于光斑在CCD的位置與光斑在硅片的高度存 在——對應(yīng)關(guān)系，這樣就通過計(jì)算光斑在CCD的準(zhǔn)確位置從而得出光斑對硅片 的高度測量結(jié)果。將調(diào)焦調(diào)平測量結(jié)果經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換567就是最終的粗測結(jié) 果。圖12示出了本發(fā)明中調(diào)焦調(diào)平測量結(jié)果計(jì)算流程圖。在獲取粗測光路測量 結(jié)果和精測光路精測結(jié)果569后，用粗測結(jié)果判斷精測結(jié)果是否有效。如果粗 測結(jié)果超出精測范圍說明精測結(jié)果是無效的，輸出粗測結(jié)果；反之，精測結(jié)果 是有效的，調(diào)焦調(diào)平裝置輸出精測結(jié)果為有效值。實(shí)施例2:本實(shí)施例與實(shí)施例1精測原理完全相同，兩個(gè)線陣CCD換成兩個(gè)PSD。 圖13為在實(shí)施例l基礎(chǔ)上的新發(fā)明方案。將線陣CCD534-1、 CCD534-2換 成PSD534-3和PSD534-4。 PSD534-3 4笨測光斑552-1的位置偏移從而得出光斑551- 1在硅片420的高度值，而PSD534-4探測光斑552-9的位置偏移從而得出 光斑551-25的高度值。由于光斑陣列551在硅片420 —個(gè)很小的范圍內(nèi)，可以 將其看成一個(gè)平面，因此PSD534-3和PSD534-4探測的高度值的平均值為硅片 的離焦量。圖14為兩個(gè)光斑投射在兩個(gè)PSD上的示意圖。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對應(yīng)圖4的光斑551-1;光斑552- 9對應(yīng)圖4中的光斑551-25。圖15為本實(shí)施例的粗測方式的信號處理流程。通過步驟581獲取兩個(gè)PSD 的測量結(jié)果，對其進(jìn)4亍;改大、濾波信號預(yù)處理582步驟后，非線性補(bǔ)償583因 為溫度、氣壓導(dǎo)致的PSD漂移，最后將測量結(jié)果線性化584，經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 585，就獲得了調(diào)焦調(diào)平粗測支路對硅片的粗測高度值。
權(quán)利要求
1. 一種硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的兩側(cè)，包括依次以光路連結(jié)的照明單元、投影單元、成像單元及探測單元，其中照明單元主要由光源、透鏡組及光纖組成；投影單元主要由反射鏡組、狹縫陣列及透鏡組組成；成像單元主要由反射鏡組、透鏡組及平行偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償板組成；其特征在于探測單元包括分光器和與其以光路連結(jié)的精測光路及粗測光路，所述分光器將成像單元射出的光束按光強(qiáng)分成兩束，一束進(jìn)入精測單元，一束進(jìn)入粗測單元，精測光路包括以光路連結(jié)的一只掃描反射鏡、一個(gè)探測狹縫陣列、光電探測器陣列；而粗測光路則包括一只放大透鏡組和若干只探測器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅片調(diào)焦調(diào)平裝置，其特征在于光束經(jīng)過成像單元 后，在硅片表面形成等距的光斑陣列，該光斑陣列可以為4x4或5x5或6x6或 7x7或8x8或9x9光斑陣列。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片調(diào)焦調(diào)平裝置，其特征在于光束經(jīng)粗測光路后， 有多列光斑成像在對應(yīng)的探測器上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅片調(diào)焦調(diào)平裝置，其特征在于至少有兩列光斑成 像在所述探測器上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的硅片調(diào)焦調(diào)平裝置，其特征在于所述 探測器為CCD探測器或PSD探測器。
6、 一種硅片調(diào)焦調(diào)平測量方法，根據(jù)粗測結(jié)果和精測結(jié)果來判斷調(diào)焦調(diào)平裝置 測量結(jié)果，其步驟包括如果粗測單元測量在精測范圍內(nèi)，則精測結(jié)果有效； 反之，則粗測結(jié)果有效。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅片調(diào)焦調(diào)平測量方法，其特征在于，對于探測器為 CCD型探測，則粗測單元的輸出信號采用的信號處理步驟依次為CCD圖像采 集，圖像預(yù)處理，圖像分割、判斷偏移方向，圖像處理、非線性補(bǔ)償，坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅片調(diào)焦調(diào)平測量方法，其特征在于，對于探測器材 用PSD型探測器，則粗測單元的輸出信號采用的信號處理步驟依次為信號預(yù)' 處理、非線性補(bǔ)償、線性化和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。
全文摘要
一種用于光刻機(jī)的調(diào)焦調(diào)平裝置及方法，所述裝置的測量光路分布于投影物鏡光軸兩側(cè)，由照明單元、投影單元、成像單元及探測單元構(gòu)成，照明單元由光源、透鏡組及光纖組成；投影單元由反射鏡組、狹縫陣列及透鏡組組成；成像單元由反射鏡組、透鏡組及平行偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償板組成，特點(diǎn)是探測單元包括分光器、精測光路和粗測光路，分光器將成像單元發(fā)射出的光束按光強(qiáng)分束，光束分別進(jìn)入精測單元和粗測單元。所述方法，根據(jù)粗測結(jié)果和精測結(jié)果來判定調(diào)焦調(diào)平裝置所測得的結(jié)果是否在精測范圍內(nèi)，若是，則精測結(jié)果有效；反之，則粗測結(jié)果有效。本發(fā)明由于采用多點(diǎn)檢測硅片表面高度，探測單元采用分光器將光斑分成兩路，實(shí)現(xiàn)了大范圍高精度的調(diào)焦調(diào)平測量。
文檔編號G03F9/00GK101276160SQ20081003724
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者廖飛紅, 李小平, 李志科, 程吉水, 陳飛彪 申請人:上海微電子裝備有限公司;華中科技大學(xué)