專利名稱：一種同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種距離檢測(cè)設(shè)備，具體涉及一種同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，它主要是為調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)提供精確硅片表面的高度值，并計(jì)算出其距離焦平面的距離。
背景技術(shù)：
光刻裝置(光刻機(jī))是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。集成電路工業(yè)的發(fā)展，很大程度上依賴于核心設(shè)備一光刻機(jī)的發(fā)展。隨著集成電路的集成度不斷提高，單線條尺寸要求越來(lái)越小，這對(duì)光刻機(jī)的分辨率提出了更高的要求。光刻分辨率的提高，導(dǎo)致焦深不斷變小，并且隨著集成電路尺寸的不斷擴(kuò)大，硅片表面形貌也將影響焦點(diǎn)是否位于光刻面，為了充分利用光刻機(jī)的有效焦深，必須實(shí)時(shí)精確控制光刻面位于焦面內(nèi)，這對(duì)檢焦精度提出了更高的要求。目前的檢焦方法主要有:基于光柵和四象限探測(cè)器的光電測(cè)量方法(美國(guó)專利US5191200)、基于狹縫和四象限探測(cè)器的光電探測(cè)方法(美國(guó)專利US67656 47B1)、基于針孔和面陣CCD的光電探測(cè)方法(美國(guó)專利US6081614)、基于PSD的光電測(cè)量方法(中國(guó)專利:200610117401.0)、基于激光干涉的光電測(cè)量方法和基于空氣動(dòng)力原理的氣動(dòng)測(cè)量方法。上述調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)都較為復(fù)雜，而且除基于光柵的光電測(cè)量方法和氣動(dòng)測(cè)量方法外，其他都能難獲得高精度的檢焦精度，光柵方法需要比較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，氣動(dòng)測(cè)量法速度太慢。以往的光刻機(jī)的檢焦系統(tǒng)一般是離軸檢焦，檢焦光路系統(tǒng)位于聚焦物鏡的側(cè)向，光束從側(cè)向斜入射到光刻表面。而隨著投影光刻的發(fā)展，在很多的新的光刻方式中:如油浸光刻和需要浸油飛秒激光雙光子加工等，在聚焦物鏡和硅片之間隔著一層油層，探測(cè)光束很難通過(guò)側(cè)向光路到達(dá)硅片表面，此時(shí)這種離軸的檢焦系統(tǒng)顯然不能滿足這類光刻機(jī)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:提供一種同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)z向高精度的離焦量測(cè)量，適應(yīng)于光刻機(jī)的同軸檢焦系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)，包括光源，擴(kuò)束鏡，分光棱鏡，反射鏡，物鏡，探測(cè)模塊組成；其中，光源發(fā)出的光沿光軸經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，到達(dá)分光棱鏡，一部分光被反射到達(dá)反射鏡表面，反射鏡傾斜放置，和垂直方向有一個(gè)很小的夾角，光被反射鏡反射后穿過(guò)分光棱鏡到達(dá)探測(cè)模塊的表面，這部分光作為干涉條紋的參考光；從擴(kuò)束鏡出來(lái)沿Y軸的光一部分被分光棱鏡反射，另外一部分光沿Y軸方向穿過(guò)分光棱鏡進(jìn)入投影物鏡，平行光入射到物鏡表面以后，將會(huì)聚到焦平面上的焦點(diǎn)上，當(dāng)被測(cè)物不在焦平面時(shí)，從被測(cè)物上反射回的球面光進(jìn)入物鏡后，將不能形成平面光波，而是有一定形變的球面波，球面波經(jīng)過(guò)分光棱鏡反射，沿光軸到達(dá)探測(cè)模塊表面，在探測(cè)模塊表面，球面波和平面波干涉疊加，形成具有一定傾斜的干涉條紋，被測(cè)物的離焦信息加載在條紋的相位之中，通過(guò)解條紋的相位，即可計(jì)算出被測(cè)物的離焦量。根據(jù)同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種與之相應(yīng)的信號(hào)處理算法。對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波、頂帽變換，提高圖像質(zhì)量，利用傅里葉變換的方法對(duì)探測(cè)圖像提取相位，利用最小二乘法對(duì)相位進(jìn)行解纏，利用解纏后的各個(gè)點(diǎn)相位值計(jì)算離焦量，最后通過(guò)zernike算法進(jìn)行回復(fù)波面，即對(duì)各個(gè)點(diǎn)所求的離焦量進(jìn)行擬合，以最大限度降低測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。該方法具體包括下列步驟:步驟(I)、參考光波和測(cè)量光波在探測(cè)模塊的表面干涉形成平面波和球面波干涉條紋；步驟(2)、干涉條紋被探測(cè)模塊探測(cè)，其中探測(cè)模塊位置固定；步驟(3)、根據(jù)該干涉條紋相對(duì)于探測(cè)模塊的相位信息計(jì)算該被測(cè)對(duì)象的位置信
肩、O 該方法還包括下列步驟:步驟(4)、利用中值濾波、頂帽變換對(duì)圖像進(jìn)行處理；步驟(5)、利用傅里葉變換的方法對(duì) 圖像進(jìn)行相位提?。徊襟E(6)、利用最小二乘法對(duì)相位進(jìn)彳T解纏；步驟(7)、利用恢復(fù)相位計(jì)算被測(cè)對(duì)象的位置信息；步驟(8)、利用zernike多項(xiàng)式法進(jìn)行波面擬合,提高測(cè)量精度。本發(fā)明的原理是:本發(fā)明提供了一種具有高精度檢焦測(cè)量系統(tǒng)，包括激光光源，聚焦物鏡系統(tǒng)，反射鏡，分光棱鏡，成像系統(tǒng)和探測(cè)模塊。單色光源發(fā)出光束后擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)分光棱鏡分別進(jìn)入聚焦物鏡系統(tǒng)和平面反射鏡，進(jìn)入聚焦物鏡的光反射回來(lái)，與平面反射鏡反射回來(lái)的光干涉疊加形成干涉條紋，干涉條紋被成像系統(tǒng)成像到探測(cè)模塊，探測(cè)模塊的位置信息固定，被測(cè)對(duì)象的位置信息表現(xiàn)于干涉條紋相對(duì)于探測(cè)模塊的位置信息。平面光波入射到聚焦物鏡，會(huì)形成球心位于焦點(diǎn)處的會(huì)聚球面波，當(dāng)被側(cè)面位于焦平面時(shí)，從被側(cè)面反射的光波將同樣以焦點(diǎn)為球心的發(fā)射球面波，發(fā)射球面波物鏡后以平面光波沿原路返回，與參考平面波相干疊加形成直干涉條紋。當(dāng)背側(cè)面偏離焦平面時(shí)，從背側(cè)面反射的發(fā)散球面波的秋心將偏離焦點(diǎn)，這時(shí)的發(fā)散球面波經(jīng)過(guò)透鏡將不再以平面波返回，而是以球面波返回，返回的球面波和參考平面波干涉疊加，將不再形成直的干涉條紋，而是形成具有一定相位變化的傾斜條紋，條紋的相位變化隨背側(cè)面離焦量的變化而變化。通過(guò)計(jì)算條紋相位的變化量，從而可以精確地測(cè)得被側(cè)面的離焦量。本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明系統(tǒng)具有同樣高甚至更高的測(cè)量精度，同軸檢焦的方法使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本更低，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于系統(tǒng)集成，可以用于對(duì)于物鏡需要浸油的光刻環(huán)境，所以相對(duì)于離軸檢焦技術(shù)，同軸檢焦系統(tǒng)具有更廣的應(yīng)用范圍，并且可以實(shí)時(shí)檢測(cè)焦點(diǎn)區(qū)域是否位于焦平面內(nèi)。


圖1是光刻系統(tǒng)原理圖；圖2是干涉條紋形成過(guò)程圖3是平面直條紋示意圖；圖4是球面波條紋示意圖；圖5是平面波和球面波干涉疊加形成傾斜條紋示意圖；圖6是干涉條紋信號(hào)處理過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步闡述。如圖1示出了光刻機(jī)系統(tǒng)13。圖1的XYZ坐標(biāo)系設(shè)定為如圖所示的右手直角坐標(biāo)系，其中Y軸沿著光刻機(jī)投影物鏡的光軸。光刻機(jī)系統(tǒng)13通過(guò)投影物鏡2將光束聚焦在加工對(duì)象3上(如硅片等)。其中，數(shù)字I代表投影物鏡的光軸。在圖1所示的光刻系統(tǒng)13中，需要使加工對(duì)象3 (如硅片等)的相應(yīng)表面保持在投影物鏡2的焦深范圍之內(nèi)，為此光刻系統(tǒng)采用了用于測(cè)量加工對(duì)象3 (如硅片等)的表面位置信息的檢焦測(cè)量系統(tǒng)。檢焦測(cè)量系統(tǒng)可以將離焦量送到加持加工對(duì)象3 (如硅片等)的工件臺(tái)4，使加工對(duì)象3 (如硅片等)的被曝光區(qū)域一直處于光刻投影物鏡2的焦深之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的加工。由于本發(fā)明系統(tǒng)中的檢焦測(cè)量系統(tǒng)是基于干涉條紋檢測(cè)的原理設(shè)計(jì)的，所以在介紹檢焦測(cè)量系統(tǒng)之前，下文將首先介紹干涉條紋的形成及其特性。圖3-圖5為干涉條紋形成過(guò)程圖。圖3為平面波以小角度傾斜到達(dá)探測(cè)模塊表面形成的條紋，因?yàn)樵撈矫娌ㄑ豖軸方向有個(gè)傾斜的角度，所以條紋平行于Y軸，沿X方向等距直條紋。圖4為發(fā)散球面波達(dá)到探測(cè)模塊表面形成的條紋。因?yàn)榘l(fā)散角度比較小，所以條紋間隔比較大。圖5為平面波和發(fā)散球面波的干涉條紋，圖中可以明顯看出條紋變彎曲了。圖2為圖1中檢焦測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及光路示意圖。圖2中的坐標(biāo)系和圖1中的坐標(biāo)系一樣設(shè)定為右手直角坐標(biāo)系。本發(fā)明系統(tǒng)包括光源6,擴(kuò)束鏡7,分光棱鏡8,反射鏡12,物鏡2，探測(cè)模塊10組成。I為擴(kuò)束鏡以及投影物鏡的光軸。光源發(fā)出的光沿光軸經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，到達(dá)分光棱鏡8,—部分光被反射到達(dá)反射鏡12表面。反射鏡12傾斜放置,和垂直方向有一個(gè)很小的夾角。光被反射鏡12反射后穿過(guò)分光棱鏡到達(dá)探測(cè)模塊10的表面，這部分光作為干涉條紋的參考光。從擴(kuò)束鏡出來(lái)沿Y軸的光一部分被分光棱鏡反射，另外一部分光沿Y軸方向穿過(guò)分光棱鏡進(jìn)入投影物鏡。平行光入射到物鏡表面以后，將會(huì)聚到焦平面11上的焦點(diǎn)上。當(dāng)被測(cè)物3 (如硅片等)不在焦平面時(shí)，從被測(cè)物上反射回的球面光進(jìn)入物鏡后，將不能形成平面光波，而是有一定形變的球面波。球面波經(jīng)過(guò)分光棱鏡反射，沿光軸9到達(dá)探測(cè)模塊表面，在探測(cè)模塊表面，球面波和平面波干涉疊加，形成具有一定傾斜的干涉條紋。被測(cè)物的離焦信息加載在條紋的相位之中，通過(guò)解條紋的相位，即可得出被測(cè)物的離焦量。圖6示出了檢焦測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖。處理探測(cè)圖像之前，必須先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)樘綔y(cè)模塊探測(cè)到的條紋往往含有噪聲，一些雜散光可能會(huì)夾雜在條紋中間，為了便于圖像的處理，首先要對(duì)條紋去噪聲，采用中值濾波的方法對(duì)圖像預(yù)處理。這種方法處理后的圖像干涉圖的對(duì)比度明顯提升，平滑性也很好，光強(qiáng)趨于正弦變化，并且不會(huì)使圖像的細(xì)節(jié)丟失。其次，對(duì)于亮度不均勻的圖像，通過(guò)頂帽變換使圖像亮度均勻，以達(dá)到增強(qiáng)圖像的目的。下面對(duì)圖像進(jìn)行相位提取。本發(fā)明利用傅里葉變換的方式提取條紋的相位。干涉條紋的光強(qiáng)分布為:I (x, y) =a (x, y) +b (x, y) *cos [k* Φ (x, y) +k*K*y] (I)其中Φ (x, y)是和離焦量相關(guān)的相位分布，K是參考平面波相對(duì)Z軸的傾斜量，k是波矢量。對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，其中的正一級(jí)譜即為包含離焦量信息的項(xiàng)，對(duì)傅里葉變換進(jìn)行濾波，得出正一級(jí)譜，然后對(duì)其進(jìn)行逆傅里葉變換即可得到:P (X，y) =c (X，y) *exp {i* [k*C> (X，y)+k*K*y]} (2)用log函數(shù)對(duì)(2)式左右兩邊取對(duì)數(shù)，可得(3)式:Log[P (x, y) ] =1g[c (x, y) ] +i [k*Φ (x, y) +k*K*y] (3)取(3)式的虛部即可得到相位信息。用取對(duì)數(shù)函數(shù)式3進(jìn)行處理后，得到的相位是折疊相位，相位范圍被限制在(-η，η )范圍內(nèi)，為了獲取完整的相位分布，采用最小二乘法對(duì)相位進(jìn)行相位解饞。這種算法對(duì)干涉圖的質(zhì)量無(wú)要求，也不需要探測(cè)殘差點(diǎn)和布置枝切線，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)像素點(diǎn)的成像質(zhì)量而影響其區(qū)域的去包裹結(jié)果。根據(jù)探測(cè)面上各個(gè)點(diǎn)的相位，均可算出離焦量。再根據(jù)各個(gè)點(diǎn)得出的結(jié)果進(jìn)行波面擬合。采用zernike多項(xiàng)式法。這種方法有以下優(yōu)點(diǎn):1，在單位圓上正交，滿足此光學(xué)系統(tǒng)的光瞳是圓形的特點(diǎn)；2，與初級(jí)相差有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；3，自身所特有的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性使之在對(duì)光學(xué)問(wèn)題的求解過(guò)程中具有收斂性好、擬合精度高等特點(diǎn)。通過(guò)以上處理，即可減小檢測(cè)誤差，提高檢測(cè)精度。
權(quán)利要求
1.一種同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括光源(6),擴(kuò)束鏡(7),分光棱鏡(8),反射鏡(12)，物鏡(2)，探測(cè)模塊(10)組成；其中，光源(6)發(fā)出的光沿光軸經(jīng)擴(kuò)束鏡(7)擴(kuò)束后，到達(dá)分光棱鏡(8)，一部分光被反射到達(dá)反射鏡(12)表面，反射鏡(12)傾斜放置，和垂直方向有一個(gè)很小的夾角，光被反射鏡(12)反射后穿過(guò)分光棱鏡(8)到達(dá)探測(cè)模塊(10)的表面，這部分光作為干涉條紋的參考光；從擴(kuò)束鏡(7)出來(lái)沿Y軸的光一部分被分光棱鏡(8)反射，另外一部分光沿Y軸方向穿過(guò)分光棱鏡(8)進(jìn)入投影物鏡(2)，平行光入射到物鏡(2)表面以后，將會(huì)聚到焦平面(11)上的焦點(diǎn)上，當(dāng)被測(cè)物不在焦平面時(shí)，從被測(cè)物(3)上反射回的球面光進(jìn)入物鏡(2)后，將不能形成平面光波，而是有一定形變的球面波，球面波經(jīng)過(guò)分光棱鏡(8 )反射，沿光軸(9 )到達(dá)探測(cè)模塊(10 )表面，在探測(cè)模塊(10 )表面，球面波和參考平面波干涉疊加，形成具有一定彎曲的干涉條紋，被測(cè)物(3 )的離焦信息加載在條紋的相位之中，通過(guò)解條紋的相位，即可計(jì)算出被測(cè)物(3)的離焦量。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: 步驟(I)、參考光波和測(cè)量光波在探測(cè)模塊的表面干涉形成平面波和球面波干涉條紋； 步驟(2 )、干涉條紋被探測(cè)模塊探測(cè)，其中探測(cè)模塊位置固定； 步驟(3)、根據(jù)該干涉條紋相對(duì)于探測(cè)模塊的相位信息計(jì)算該被測(cè)對(duì)象的位置信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于，該方法還包括下列步驟: 步驟(4 )、利用中值濾波、頂帽變換對(duì)圖像進(jìn)行處理； 步驟(5)、利用傅里葉變換的方法對(duì)圖像進(jìn)行相位提取； 步驟(6)、利用最小二乘法對(duì)相位進(jìn)行解纏； 步驟(7)、利用恢復(fù)相位計(jì)算被測(cè)對(duì)象的位置信息； 步驟(8)、利用zernike多項(xiàng)式法進(jìn)行波面擬合，提高測(cè)量精度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種同軸檢焦測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。該測(cè)量系統(tǒng)包括參考光路，測(cè)量光路，投影物鏡，探測(cè)模塊；其基本過(guò)程如下單色平面波經(jīng)過(guò)分光棱鏡分別到達(dá)投影物鏡表面和反射鏡表面，從反射鏡表面反射的光作為參考光；另一部分光通過(guò)投影物鏡后聚焦，在被探測(cè)物表面返回后經(jīng)過(guò)投影物鏡作為測(cè)量光，測(cè)量光波和參考光波在探測(cè)模塊表面干涉疊加，形成干涉條紋，探測(cè)模塊位置固定，對(duì)干涉圖像進(jìn)行處理，解出條紋的相位分布，根據(jù)相位變化即可算出被側(cè)面的離焦量。本發(fā)明系統(tǒng)具有同樣高甚至更高的測(cè)量精度，同軸檢焦的方法使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本更低，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于系統(tǒng)集成，可以用于對(duì)于物鏡需要浸油的光刻環(huán)境，所以相對(duì)于離軸檢焦技術(shù)，同軸檢焦系統(tǒng)具有更廣的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G03F7/20GK103207532SQ201310138609
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月21日
發(fā)明者李光, 陳銘勇, 唐燕, 朱江平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所