專利名稱：一種調焦調平探測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種用于配合投影光刻機對制造微電子產品所使用的硅片進行 調焦調平測量的裝置及方法。
背景技術：
在投影光刻裝置中，通常使用硅片調焦調平探測裝置來實現對硅片表面特 定區域進行高度和傾斜度的測量。該測量裝置要求的精度較高，且操作時不能 損傷硅片。所以，硅片調焦調平測量必須是非接觸式測量，常用的非接觸式調
焦調平測量方法有三種光學測量法、電容測量法、氣壓測量法。
在現今的掃描投影光刻裝置中，多使用光學測量法來實現對硅片的調焦調 平測量。光學調焦調平探測裝置的技術多種多樣，典型例見美國專利 U.S.4,558,949 (Horizontal position detecting device,申^青于1982年9月17日)。 該專利公開了一種調焦調平探測裝置，如圖1所示，該裝置共有兩套獨立的測 量系統，分別用于硅片特定區域的高度和傾斜度的測量。在高度測量系統中， 使用投影狹縫和探測狹縫來實現對硅片高度的探測，同時使用掃描反射鏡實現 對被測信號的調制。在傾斜測量系統中，投影分支在硅片表面形成一個較大的 測量光斑，經硅片反射后，該光斑成像在一個四象限探測器上，然后根據探測 器上每個象限探測的光強，實現對硅片表面特定區域傾斜度的測量。該技術具 有原理簡單的特點，但同時卻也存在測量精度低、測量范圍小的缺點，并且由 于采用兩支光路而增加了機械結構上的復雜性。

發明內容
綜上所述，如何簡化硅片的調焦調平技術，并且提高測量精度和擴大測量 范圍，乃是本發明所要解決的技術問題，為此，本發明的目的在于提供一種配 合光刻機用的硅片的調焦調平的探測裝置與探測方法。
本發明的技術方案如下
根據本發明的一種調焦調平探測裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的 兩側，包括依次以光學聯結的照明單元、投影單元、成像單元及探測單元組成， 其中照明單元由光源、透鏡組及光纖組成；投影單元由反射鏡組、狹縫及透鏡 組組成；成像單元由反射鏡組、透鏡組及平行偏轉補償板組成；探測單元由掃 描反射鏡、探測狹縫陣列及探測器陣列組成，其特點是探測狹縫陣列中多個 探測狹縫對應一個光斑，其中一個探測狹縫用于精測，其他探測狹縫用于粗測。 依借探測器陣列與探測狹縫陣列存在的一一對應關系，來探測每一個探測狹縫 接收的光強信號，采用多個探測狹縫和多個探測器來探測一個光斑的位置，從 而調焦調平探測裝置能實現對硅片表面的高精度大范圍的高度和傾斜度測量。 進一步，該探測器為光電探測器；所述的光束經過投影單元后，在硅片上形成 長方形光斑；更具體地，每一個光斑對應大于等于三個探測狹縫。
同樣，根據本發明的另一種調焦調平探測裝置，其測量光路分布于投影物 鏡光軸的兩側，包括依次以光學聯結的照明單元、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、透鏡組及平行偏轉補 償板組成；探測單元主要由掃描反射鏡、探測狹縫陣列及探測器陣列組成；其 特點是探測狹縫陣列中有若干列探測狹縫布置成隊列，每一列中探測狹縫數 目多于對應光斑列的光斑數目，探測狹縫與探測狹縫之間成一定的間距。當硅 片離焦量較小即離焦量在精測范圍內時，光斑偏移到探測狹縫列中用于精測的 探測狹縫；當硅片離焦量較大即離焦量超過精測范圍時，光斑偏移到探測狹縫 列中用于粗測的冗余探測狹縫；
探測器陣列與探測狹縫陣列存在一一對應的關系，從而能夠探測每一個探 測狹縫接收的光強信號。由于探測狹縫列具有冗余探測狹縫，從而調焦調平探 測裝置能實現對硅片表面的高精度大范圍的高度和傾斜度測量。進一步，所述 的探測器為光電探測器；所述的光束經過投影單元的狹縫陣列后，在硅片表面 可以形成9x9、 8x8、 7x7、 6x6或5x5的長方形光斑陣列；可在所述的纟采測狹縫 陣列中選擇兩列布置成具有冗余狹縫的探測狹縫列。
具體地，所述的光斑陣列為7x7陣列，探測狹縫有13列，可選擇第3、 11
列狹縫布置成具有冗余狹縫的探測狹縫列。
同屬于一個總的發明構思，根據本發明的一種調焦調平探測方法，通過對 多個探測器的探測信號進行處理，從而實現對硅片表面的大范圍高精度的高度
和傾斜度測量，信號處理步驟依次為探測器輸出信號處理、探測狹縫有效性 判斷、計算測量結果。
具體地，每個探測器的輸出信號的信號處理流程為信號預調理，鎖相放大， AD采樣，線性化和結果輸出。
探測狹縫有效性判斷流程為探測狹縫對應探測器能接收到光信號，并且 其測量結果在精測范圍內則認為該探測狹縫有效。
根據多個探測狹縫的測量值得出測量結果，其判斷流程為先獲取多個探 測狹縫的探測信號及探測狹縫的有效性，如果用于精測的探測狹縫有效，則輸 出精測結果，如果用于粗測的探測狹縫有效，則對粗測結果進行補償再輸出粗 測結果。
根據多個探測狹縫的測量值得出測量結果，其計算流程為，先找出光斑與 探測狹縫的對應關系，再根據光斑與探測狹縫位置關系判斷硅片表面是否在精 測范圍內，如果光斑在精測范圍內，則計算硅片表面的高度和傾斜值，否則， 對有效探測狹縫測量值進行補償并輸出粗測結果。
本發明的優點是測量裝置結構簡單，操作方便，由于不需要使用兩支測 量光路，從而降低了機械上的復雜性，同時，由于采集多點檢測，擴大了測量 范圍，從而提高了對硅片平面的高度和傾斜度的測量精度。


圖1為現有技術結構示意圖。
圖2為本發明的投影曝光裝置結構平面示意圖。
圖3為本發明的實施例1的裝置總體結構圖。
圖4為本發明的4殳影狹縫截面示意圖。
圖5為本發明的光斑在硅片曝光場上位置示意圖。
圖6為本發明的4果測狹縫陣列示意圖。
圖7為硅片偏離焦面量與反射光斑位置偏移關系示意圖。
圖8為本發明的硅片離焦量較小時，光電探測器2有效示意圖。
圖9為本發明的硅片向上離焦較大時，光電探測器l有效示意圖。
圖IO為本發明的光電探測器輸出信號處理流程圖。
圖11為本發明的調焦調平測量結果計算方法示意圖。
圖12為本發明的實施例2的裝置總體結構圖。
圖13為本發明的多個光電探測器信號串擾示意圖。
圖14為本發明的7x7狹縫陣列的示意圖。
圖15為本發明的7x7探測光斑陣列示意圖。
圖16為本發明的探測狹縫的截面示意圖。
圖17為本發明的硅片離焦量較小時，光斑與探測狹縫陣列位置關系示意圖。 圖18為本發明的硅片離焦量較大時，光斑與探測狹縫陣列位置關系示意圖。 -圖19為本發明的光斑偏移量較小時狹縫537-11與光斑621-11的位置關系 示意圖。
圖20為本發明的光斑偏移一個狹縫時狹縫537-11與光斑621-11的位置關 系示意圖。
圖21為本發明的光斑偏移兩個狹縫時狹縫537-11與光斑621-11的位置關 系示意圖。
圖22為本發明的光斑在兩個狹縫之間時，兩個狹縫都能接收到信號示意圖。 圖23為本發明的光斑有效性的判斷方法示意圖。 圖24為本發明的光斑粗測量值的計算方法示意圖。
具體實施例方式
下面根據圖2~圖24給出本發明較佳實施例，并予以詳細描述，使能更好 地說明本發明的結構特征和功能特色，而不是用來限定本發明的范圍。
實施例1:
圖2是光學曝光系統平面原理示意圖。在照明系統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210支承，硅片420由工件臺410支承。圖2中，在投影物鏡310和硅片420 之間有一個硅片調焦調平探測裝置500，該裝置與投影物鏡310或投影物鏡支承 300進行剛性聯接，用于對硅片420表面的位置信息進行測量，測量結果送往石圭 片表面位置控制系統560,經過信號處理和調焦調平量的計算后，驅動調焦調平 執行器430對工件臺410的位置進行調整，完成硅片420的調焦調平。 下面結合其它附圖，給出具體實施例，對本發明作進一步的描述。 圖3為本硅片調焦調平探測裝置的總體結構圖，硅片調焦調平探測裝置由 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的出射光經透鏡組502聚光之后，由光 纖503傳送至投影單元，為整個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512及透鏡組513組成，狹縫的圖形經過透 鏡513和反射鏡514之后，在硅片表面當前曝光區域320內形成一個長方形的 測量光斑541。測量光斑541經硅片反射后進入成像單元，成像單元由反射鏡 521、透鏡組522、平行偏轉補償板523及其驅動電機524組成。經過成像單元 之后，測量光斑的像為一個長方形的光斑。探測單元由掃描反射鏡531及其驅 動電路532、探測狹縫陣列533、光電探測器陣列534組成。振動的掃描反射鏡 531對長方形的光斑551進行調制，從而增大了信號的信噪比。振動的光斑551 投射過狹縫533后被光電探測器陣列534所檢測。 圖4為投影狹縫截面。
圖5為本裝置投影硅片曝光場上的長方形光斑541。
圖6為探測狹縫陣列截面示意圖。探測狹縫533包含三個狹縫，分別為
533- 1、 533-2、 533-3。
圖7為硅片偏離焦面量與反射光斑位置偏移關系。由圖中的幾何關系可以 得出反射光斑位置偏移量k與硅片離焦量的關系為k = 2h sin a 。
圖8為硅片離焦量較小時，光斑與探測狹縫位置關系。當硅片420離焦量 在調焦調平裝置500精測范圍內時，光斑551在偏移量為k的位置附近振動，此 時光電探測器534-2能探測到光斑551信號。
圖9為硅片離焦量較大時，光斑與探測狹縫位置關系。當硅片420向上離 焦量在調焦調平裝置500精測范圍之外但在粗測范圍之內時，此時光電探測器
534- 2能探測到光斑551信號。增加光電探測器534-1、光電探測器534-2和狹
縫533-l、狹縫533-2后，調焦調平系統的測量范圍增大了 1倍以上。
圖IO為信號處理流程。三個光電探測器534-1、 534-2、 534-3輸出信號經 過535預調理電路后(步驟581、 582)，獲取掃描反射鏡531的振動頻率信號 lf,主控單元536對輸出信號進行鎖相放大583，提取三個探測器的lf信號和相 位信號。如圖8所示，光斑551的偏移量k與光電探測器533-2獲得的lf信號存 在近似線性的關系，這種關系可以通過標定建立起來。同理，通過標定也可建 立圖9中的光斑551的偏移量k與光電探測器533-1獲得的lf信號的關系。才艮據 圖7的幾何關系就可以得出偏移量k與離焦量h的關系了。經過鎖相放大器后， 對信號進行AD采樣584,根據測量前建立的標定關系對采樣值線性化585就可 以獲得三個光電探測器534-1、 534-2、 534-3測量的高度值586。
圖11為根據三個光電探測器測量的高度值計算硅片表面的真實高度值。由 于光電探測器534-1和光電探測器534-3的測量值與真實焦面存在兩個固定的誤 差，分別為OFFSET1和OFFSET2，因此需要對光電探測器534-1和光電探測器 534-3的測量值進行補償。由于三個光電探測器探測信號的有效性是互斥關系， 因此，可采用圖11所示的流程進行計算，從而得到FLS最終測量結果。
實施例2:
該實施例與前述的實施1基本原理結構完全一樣，不同的是，投影單元中 的狹縫采用狹縫陣列，探測狹縫采用狹縫陣列。詳述如下
圖12為本實施例的總體結構示意圖，與實施例1不同的是投影單元的狹縫 512變為513的狹縫陣列；投影單元投影到硅片上的光斑變成光斑陣列601;光 斑陣列601的某些或全部光斑與探測狹縫陣列537和光電探測器陣列538存在 一對多的關系。
圖13為多個光電探測器信號串擾示意圖。本實施例采用了多點布置，則光 斑與光斑之間的間距如果較小則可能發生信號串擾。如果光斑之間間距較小， 當硅片離焦量較大時，光斑551-1和光斑551-2相對狹縫513偏移也較大，則可 能發生光斑551-1和光斑551-2都透過狹縫513-la,從而對探測器534-la產生 信號串擾。為避免光電探測器信號檢測時出現信號串擾,光斑551-1和光斑551-2 之間間距必須大于光斑沿掃描方向寬度的3倍左右。
圖14為7x7狹縫陣列的示意圖。狹縫陣列513可以布置成4x4、 5x5、 6x6、 7x7、 8x8陣列，在本實施例中優選地將狹縫513a布置成7x7陣列，如圖14所 示。在本實施例中調焦調平裝置500在硅片420上形成的4笨測光斑陣列611a如 圖15所示。
圖16為探測狹縫的截面示意圖。探測狹縫陣列537中狹縫布置與投影狹縫 513a是相似的，不同的是，在537-3列和537-11列中增加了一些狹縫，用于對 調焦調平裝置的粗測。當然，在實施過程中也可以選取其他的兩列或多列用于
jf且測。
圖17為硅片離焦量較小時，光斑與探測狹縫陣列位置關系。硅片420離焦 量較小時，相應的光斑621位置偏移也較小。經過掃描反射鏡531振動調制， 光斑621相對探測狹縫537a振動。光斑621的位置偏移較小，從而只有與光斑 621對應的探測狹縫537a能獲取探測信號，而冗余狹縫沒有信號。當硅片420 表面超出調焦調平精測范圍時，則發生光斑621偏離對應的探測狹縫537a,導 致探測信號紊亂，如圖18所示。此時，本實施例通過^:測狹縫537-3和狹縫537-11 信號可以得到光斑測量高度值。
圖19為光斑偏移量較小時狹縫537-11與光斑621-11的位置關系。此時狹 縫537-11-2、狹縫537-11-4、狹縫537-11-6能接收到信號。
圖20為光斑偏移一個狹縫時狹縫537-11與光斑621-11的位置關系。此時 狹縫537-11-3、狹縫537-11-5、狹縫537-11-7能接收到信號。
圖21為光斑偏移兩個狹縫時狹縫537-11與光斑621-11的位置關系。此時 狹縫537-11-4、狹縫537-11-6能接收到信號。 (
圖22為光斑在兩個狹縫之間時，兩個狹縫都能接收到信號。 一種簡單的判 斷方法是，認為兩個狹縫的探測信號都有效。然而，由于光斑621-ll-x只有部 分能進入狹縫537-1 l-b，這樣雖然狹縫537-ll-b探測有光強信號，但是其測量 誤差較大。因此在此種情況，應該認為537-ll-a的測量信號有效。判斷方法如 圖23所示。
圖24為光斑粗測量值的計算方法。以光斑621-11為例，其粗測值計算方法 如圖24所示。類似的也可以計算出光斑621-3的測量值。如果粗測時3個或3 個以上的光斑有效，則可以擬合出硅片420的高度和傾斜值；如果粗測時只有 兩個或一個光斑有效，則只給出硅片420的高度值。
權利要求
1、一種調焦調平探測裝置，其測量光路分布于投影物鏡光軸的兩側，包括依次以光路聯結的照明單元、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、透鏡組及平行偏轉補償板組成；探測單元主要由掃描反射鏡、探測狹縫陣列及探測器陣列組成，其特征在于在對應一個光斑的探測狹縫陣列中的多個探測狹縫，由其中一個探測狹縫用于精測，其他的探測狹縫用于粗測；由多個探測狹縫和多個探測器根據探測器陣列與探測狹縫陣列所存在的一一對應關系來探測一個光斑的位置，從而實現對硅片表面的高精度大范圍的高度和傾斜度測量。
2、 如權利要求1所述的調焦調平探測裝置，其特征在于探測器為光電探測器。
3、 如權利要求1或2所述的調焦調平探測裝置，其特征在于光束經過投影單 元后，在硅片上形成長方形光斑。
4、 如權利要求3所述的調焦調平探測裝置，其特征在于每一個光斑至少對應 三個探測狹縫。
5、 一種調焦調平4笨測裝置，其測量光路分布于"J殳影物^;光軸的兩側，包括依次 以光路聯結的照明單元、^投影單元、成^f象單元及探測單元，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、透鏡組及平行偏轉補償板組成；探測單元主 要由掃描反射鏡、探測狹縫陣列及探測器陣列組成，其特征在于從探測狹縫 陣列中取出若干列探測狹縫布置成隊列，其每一列中探測狹縫數目多于對應光 斑列的光斑數目，探測狹縫與探測狹縫之間成一定的間距，在精測范圍內，光 斑偏移到探測狹縫列中用于精測的探測狹縫；當硅片離焦量超出精測范圍時， 光斑偏移到探測狹縫列中用于粗測的冗余探測狹縫；以及使探測器陣列與探測 狹縫陣列存在一一對應關系，依借冗余探測狹縫，實現對硅片表面的高精度大 范圍的高度和傾斜度測量。
6、 如權利要求5所述的調焦調平探測裝置，其特征在于探測器為光電探測器。
7、 如權利要求5所述的調焦調平探測裝置，其特征在于光束經過投影單元的狹縫陣列后，在硅片表面可以形成9x9、 8x8、 7x7、 6x6或5x5的長方形光斑陣列。
8、 如權利要求7所述的調焦調平探測裝置，其特征在于探測狹縫陣列中選擇兩列布置成具有冗余狹縫的探測狹縫列。
9、 如權利要求8所述的調焦調平探測裝置，其特征在于光斑陣列為7x7陣列， 探測狹縫有13列，選擇所述狹縫的第3、 11列布置成具有冗余狹縫的探測狹縫列。
10、 一種調焦調平探測方法，通過對多個探測器的探測信號進行處理，實現對 硅片表面的大范圍高精度高度和傾斜度測量，其信號處理步驟依次包括探測器輸出信號處理、探測狹縫有效性判斷和測量結果輸出。
11、 根據權利要求IO所述的調焦調平探測方法，其特征在于所述的每個探測器的輸出信號的信號處理流程為信號預調理、鎖相放大、AD采樣、線性化和坐標系轉換。
12、 根據權利要求IO所述的調焦調平探測方法，其特征在于所述的探測狹縫有效性判斷步驟為，使探測狹縫對應探測器能接收到光信號，并且其測量結果在精測范圍內則認為該探測狹縫有效。
13、 根據權利要求IO所述的調焦調平探測方法，其特征在于所述的根據多 探測狹縫的測量值得出測量結果，其判斷流程為先獲取多個探測狹縫的探測信號，再探測狹縫的有效性，如果用于精測的探測狹縫有效時，則輸出精測結果，如果用于粗測的探測狹縫有效時，則對粗測結果進行補償后再輸出粗測結果，或根據多個探測狹縫的測量值得出測量結果，其計算流程為先找出光斑 與探測狹縫的對應關系，再根據光斑與探測狹縫位置關系判斷硅片表面是否在精測范圍內，如果光斑在精測范圍內，則計算硅片表面的高度和傾斜值，否則， 對有效探測狹縫測量值進行補償并輸出粗測結果。
全文摘要
一種調焦調平探測裝置及方法，裝置的測量光路在投影物鏡光軸的兩側，由照明、投影、成像及探測諸單元組成，特點是對應一個光斑的探測狹縫陣列的多個探測狹縫，其中的一個探測狹縫用于精測，其他的狹縫用于粗測；由多個探測狹縫和多個探測器根據它們的一一對應關系來探測一個光斑的位置，實現對硅片表面的高精度大范圍的高度和傾斜度測量；替換該特征元素，從探測狹縫陣列中取出若干探測狹縫布置成隊列，依借冗余探測狹縫來實現對硅片表面高精度大范圍的高度和傾斜度測量；所述方法處理步驟依次為對探測器轉出信號處理、探測狹縫判斷和測量結果輸出。本發明具有結構簡單測量精度高的優點。
文檔編號G03F7/20GK101344727SQ20081003966
公開日2009年1月14日 申請日期2008年6月26日 優先權日2008年6月26日
發明者廖飛紅, 李小平, 李志丹, 李志科, 程吉水 申請人:上海微電子裝備有限公司;華中科技大學