專利名稱：雙掃描式硅片調焦調平測量裝置及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種調焦調平測量裝置，特別是一種用于測量硅片表面特定區 域相對于投影物鏡最佳焦平面的高度和傾斜度的調焦調平測量裝置及系統。
背景技術：
在投影光刻裝置中，為了對硅片表面的位置進行高精度的測量，同時為了 避免測量裝置損傷硅片，調焦調平測量必須是非接觸式測量，即裝置本身不直接接觸被測物體。常用的非接觸式調焦調平測量方法有三種光學測量法、電 容測量法以及氣壓測量法。請參閱圖1,其中顯示了光學曝光系統平面原理示意圖。如圖所示，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。在圖1 中，在投影物鏡310和硅片420之間有一個硅片調焦調平測量裝置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，測量結果送往硅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。硅片調焦調平測量裝置的光機部分一般由照明單元、投影單元、成像單元 以及探測單元組成，其中投影單元將狹縫(陣列)投影在硅片表面，并形成測 量光斑(陣列)。現有技術的掃描投影光刻裝置中，多使用光學測量法實現調焦調平測量， 光學調焦調平測量裝置的技術多種多樣。其中，Nikon公司采用基于掃描反射鏡調制的技術，具體參見美國早期專利US4558949,公開于1985年12月17日， 該發明專利所揭示的技術方案是使用掃描反射鏡對測量信號進行調制，進而使 用相敏解調對光電轉換之后的電信號進行解調，從而獲得與硅片表面高度一一對應的電信號，該技術方案很好地解決了測量信號信噪比較低的問題，但同時也存在以下幾點不足(1) 有效的線性化區域有限。經過相敏解調出的信號為與掃描反射4竟掃描頻率同頻率的信號，該信號的 強度直接反映了當前硅片表面的高度，但該信號的強度與硅片表面高度信號之 間呈類似于正弦曲線的變化趨勢，當測量光斑中心與探測狹縫中心的偏移量越 來越大時，測量裝置的靈敏度越低，其重復精度也越低。當測量光斑中心與探 測狹縫中心的偏移量為探測模塊測量光斑掃描方向寬度的一半的時候，測量裝 置的靈敏度為零。因此，在正常使用中， 一般只使用該類正弦曲線中間的某一 段。(2) 提高測量范圍往往需要增加光學系統的視場。如上所述，該測量裝置有效的線性化區域有限，從而要提高測量范圍往往 需要增大測量光斑與探測狹縫在掃描方向上的尺寸。在多點測量時(如Nikon 目前才幾型采用49個光斑，具體見"Higher NA ArF scanning exposure tool on new platform for fhrther lOOnm technology node", Proc. SPIE， 2001年第4346期，第 651-658頁)，光學系統的視場勢必也要做大，這將使得光學系統成像質量更難 控制，光學結構也將更加龐大。發明內容有鑒于此，本發明的目的是提供的一種雙掃描式硅片調焦調平測量裝置， 其具有較大的有效線性化區域，且光學設計難度小，結構相對緊湊。為達到上述目的，本發明提供一種雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，應用 于投影光刻機的調平調焦系統中，所述雙掃描式硅片調焦調平測量裝置由照明 單元、投影單元、成像單元及探測單元組成，所述投影單元將狹縫或者狹縫陣 列投影在硅片表面，形成測量光斑或者光斑陣列，其中，所述探測單元包括第 一、第二探測子單元，以及電信號處理單元，所述成像單元出射的光束分別經 由第一和第二探測子單元進入電信號處理單元進行相敏解調。更詳細地說，所述第一/第二探測子單元對應于所述狹縫或者狹縫陣列按光 路傳播的順序依次設有第一/第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列、第一/第二探測狹縫或者探測狹縫陣列以及第一/第二能量探測器或者能量探測器陣列。所述成像 單元出射的光束經過一分光鏡反射后入射到所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列上，經過所述分光鏡折射后則入射到所述第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列上； 經所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經過所述第 一探測狹縫 或者探測狹縫陣列和所述第一能量探測器或者能量探測器陣列，進入電信號處 理單元；經所述第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經過所述第二 探測狹縫或者探測狹縫陣列和所述第二能量探測器或者能量探測器陣列，進入 電信號處理單元；其中，所述第一掃描反射鏡或者反射鏡陣列與第二掃描反射 鏡或者反射鏡陣列的掃描角的相位始終相差180度。本發明所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其中，所述電信號處理單 元通過產生一方波信號對所述第一和第二能量探測器或者能量探測器陣列輸出 的電信號進行相敏解調，且對第一和第二能量探測器或者能量探測器陣列輸出 的電信號進行相敏解調所使用的方波信號的相位始終相同。進一步的，所述方 波信號的頻率與所述第 一、第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列的諧振頻率相同。本發明所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其中，所述電信號處理單 元進一步包括第一/第二帶通濾波器、第一/第二乘法器、第一/第二低通濾波器以 及一減法器；所述第一/第二能量探測器輸出的電信號經過第一/第二帶通濾波器 后，與所述方波信號一起輸入第一/第二乘法器，所述第一/第二乘法器的輸出信 號再經由第一/第二低通濾波器進入所述減法器。所述減法器對所述第一和第二 低通濾波器的輸出結果進行差分計算，得到與所述硅片表面在測量光斑區域內 高度--對應的電信號。本發明還提供了 一種雙掃描式硅片調焦調平測量系統，其包括至少兩個如 前所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，所述裝置與裝置之間采用并聯或者 串聯的方式相互連接。與現有技術的調焦調平測量裝置相比，本發明所述的雙掃描式硅片調焦調 平測量裝置具有如下優點有效的線性化區域大，即同樣的光學系統的視場， 同樣大小的光斑尺寸，同樣大小的探測狹縫尺寸，本發明卻能得到一倍半左右 的有效線性化區域；光學設計難度小，結構相對緊湊，即要實現同樣大小的有 效線性化區域，本發明所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置僅需要設計一半大小左右的光學視場，成像質量控制難度大幅下降，整體結構也較緊湊。


通過以下對本發明的一實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解其發明的目的、具體結構特征和優點。其中，附圖為 圖1顯示了光學曝光系統平面原理示意圖；圖2顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個較佳實施例的 總體結構示意圖；圖3顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個4交佳實施例的 電信號處理單元的控制流圖；圖4顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個較佳實施例的 特征曲線；圖5顯示了現有技術的調焦調平測量裝置的靈敏度曲線； 圖6顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個較佳實施例的 靈敏度曲線。
具體實施方式
以下將結合一個較佳的實施例對本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置 作進一步的詳細描述。需要說明的是，本發明的發明內容主要在探測單元中， 所以在本實施例中，本發明對照明單元、投影單元以及成像單元作了筒化處理。 另外，為了使本發明更加清晰，本實施例中只討論單個狹縫，單個測量光斑的 情況，而對于多點測量，本發明的原理同樣適用，只需將探測單元中的單個元 件替換為元件陣列即可。請參閱圖2,顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個較佳實 施例的總體結構示意圖。如圖所示，測量光510經過第一反射鏡520、投影狹縫 525、、第二反射鏡530后在硅片表面420上形成測量光斑421。經硅片表面420 反射后，經第三反射鏡540反射后入射到分光鏡550上。經分光鏡550反射后 的光入射到第一掃描反射鏡560上，測量光經第一掃描反射鏡560掃描后入射 到第一探測狹縫561后，進入第一能量探測器562上，第一能量探測器562產號處理單元570中進行電信號處理。經分光鏡550折射后 的光經第四反射鏡568后入射到第二掃描反射鏡565上，測量光經第二掃描反 射鏡565掃描后入射到第二探測狹縫566后，進入第二能量探測器567上，第 二能量探測器567產生的電信號也進入電信號處理單元570中進行電信號處理。 其中，電信號處理單元570主要完成兩個任務，第一個任務為驅動第一掃描反 射鏡560和第二掃描反射鏡565，第二個任務為第一能量探測器562和第二能探 測器567輸出信號的相敏解調。相敏解調具體實現的方法較多，本實施例以乘 法器和低通濾波器為例進行分析。圖3顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個較佳實施例的 電信號處理單元的控制流圖。該電信號處理單元570產生一個方波信號571，該 方波信號571的頻率與第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565的諧振頻率 一致，該頻率用于對測量光斑中帶有高度信息的信號進行調制，該信號頻率一 般在2KHz以上，本實施例假定該信號的頻率為lf。產生的方波信號571直接 用于觸發第一掃描反射鏡560進行掃描，同時該方波信號571經180度的相位 延遲之后用于觸發第二掃描反射鏡565進行掃描。第一能量探測器562輸出的 電信號Vinl和第二能量探測器567輸出的電信號Vin2分別經過第一/第二 lf帶 通濾波器574a/574b、第一/第二乘法器575a/575b以及第一/第二低通濾波器 576a/576b之后進入減法器577進行差分計算，得到一個電壓值Vout， Vout為與 硅片表面420在測量光斑421區域內高度——對應的電信號。第一lf帶通濾波 器574a和第二 lf帶通濾波器574b為完全一樣的帶通濾波器，其中心頻率與方 波信號571的頻率相同，也即第一掃描反射鏡560與第二掃描反射鏡565的掃 描頻率。第一乘法器575a和第二乘法器575b、第一低通濾波器576a和第二低 通濾波器576b也完全一樣。乘法器和低通濾波器構成了對信號Vinl和Vin2相 敏解調環節，其輸出信號為信號Vinl和Vin2中lf頻率的信號。由于第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565的掃描相位始終相差180 度，而在相敏解調時，Vinl和Vin2使用與同一個方波信號進行乘法計算，所以， 電壓信號Voutl和Vout2始終反向。現有技術中只使用了電壓信號Voutl和Vout2 中的某一個信號，而本發明則使用其差值用來表征硅片表面420在測量光斑421 區域內的高度。在本實施例中假定測量光斑421在第一探測狹縫561和第二探在第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565掃描方向的 寬度為lmm，同時第一探測狹縫561和第二探測狹縫566的狹縫寬度也為lmm， 電信號處理單元570中的增益調節4吏得信號Voutl和Vout2最大不超過8.5V。圖4顯示了本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置的一個較佳實施例的 特征曲線，其橫坐標為當第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565掃描角為0 度或180度時，在第一探測狹縫561和第二探測狹縫566之前的像的掃描方向 的中心位置與第一探測狹縫561和第二探測狹縫566中心位置之間的偏移量。 縱坐標為能量探測器經相敏解調輸出的電壓值，曲線581對應于電壓信號Vout， 曲線582對應于電壓信號Voutl ，曲線583對應于電壓〗言號Vout2。圖5和圖6分別為現有技術及本發明所涉及的裝置的特征曲線，其橫坐標 均為當第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565掃描角為0度或180度時， 在第一探測狹縫561和第二探測狹縫566之前的像的掃描方向的中心位置與第 一探測狹縫561和第二探測狹縫566中心位置之間的偏移量。在相同的光機結 構下，如果要求使用0.015伏特/微米以上靈敏度的區域，現有技術只能精確地 測量約正負300微米左右的變化，而本實施例則可測量約正負450微米左右的 變化，為現有技術1.5倍左右的測量范圍。從圖4、圖5和圖6可以看出，本發明所涉及的雙掃描式硅片調焦調平測量 裝置擁有斜率更大的特征曲線，同時擁有更大靈敏度。即，相對于現有技術而 言，本發明擁有更大的線性化區域。而現有技術如要達到本發明同樣的特征曲 線，則需要增加光斑及探測狹縫的尺寸，而在多點測量中，這將使得光學涉及 難度增加，結構也將更加龐大。本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，才艮據實際需要可以單獨使用， 也可以組合使用，即采用多個上述裝置以并聯或串聯的形式相連以形成雙掃描 式硅片調焦調平測量系統，以便滿足不同的使用需求。需要特別說明的是，本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置不局限于上 述實施例中所限定的結構，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本 領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫 離本發明的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1、一種雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，應用于投影光刻機的調焦調平系統中，所述雙掃描式硅片調焦調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，所述投影單元將狹縫或者狹縫陣列投影在硅片表面，形成測量光斑或者光斑陣列，其特征在于所述探測單元包括第一、第二探測子單元，以及電信號處理單元；所述成像單元出射的光束分別經由第一和第二探測子單元進入電信號處理單元進行相敏解調。
2、 根據權利要求l所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其特征在于所述第一/第二^:測子單元對應于所述狹縫或者狹縫陣列^^姿光路傳"l番的順序依次設有第一/第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列、第一/第二探測狹縫或者探測狹縫 陣列以及第一/第二能量探測器或者能量探測器陣列。
3、 根據權利要求2所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其特征在于 所述成像單元出射的光束經過一分光鏡反射后入射到所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列上，經過所述分光鏡折射后則入射到所述第二掃描反射鏡或者 反射鏡陣列上；經所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經過所述第 一探測 狹縫或者探測狹縫陣列和所述第一能量探測器或者能量探測器陣列，進入電信 號處理單元；經所述第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經過所述 第二探測狹縫或者探測狹縫陣列和所述第二能量^:測器或者能量探測器陣列， 進入電信號處理單元；其中，所述第一掃描反射鏡或者反射鏡陣列與第二掃描反射鏡或者反射鏡 陣列的掃描角的相位始終相差180度。
4、 根據權利要求2所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其特征在于 所述電信號處理單元通過產生一方波信號對所述第一和第二能量探測器或者能 量探測器陣列輸出的電信號進行相敏解調，且對第一和第二能量探測器或者能 量探測器陣列輸出的電信號進行相敏解調所使用的方波信號的相位始終相同。
5、 根據權利要求4所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其特征在于 所述方波信號的頻率與所述第 一、第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列的諧振頻率相同。
6、 根據權利要求4所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其特征在于 所述電信號處理單元進一步包括第一/第二帶通濾波器、第一/第二乘法器、第一 /第二低通濾波器以及一減法器；所述第一/第二能量探測器輸出的電信號經過第 一/第二帶通濾波器后，與所述方波信號一起輸入第一/第二乘法器，所述第一/ 第二乘法器的輸出信號再經由第一/第二低通濾波器進入所述減法器。
7、 根據權利要求6所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，其特征在于 所述減法器對所述第一和第二低通濾波器的輸出結果進行差分計算，得到與所 述硅片表面在測量光斑區域內高度一一對應的電信號。
8、 一種雙掃描式硅片調焦調平測量系統，其特征在于包括至少兩個如權 利要求1所述的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置，所述裝置與裝置之間采用并 聯或者串聯的方式相互連接。
全文摘要
本發明提供一種雙掃描式硅片調焦調平測量裝置及系統，應用于投影光刻機的調平調焦系統中，所述雙掃描式硅片調焦調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，所述投影單元將狹縫或者狹縫陣列投影在硅片表面，形成測量光斑或者光斑陣列，所述探測單元包括第一、第二探測子單元，以及電信號處理單元，所述成像單元出射的光束分別經由第一和第二探測子單元進入電信號處理單元進行相敏解調。本發明的雙掃描式硅片調焦調平測量裝置具有較大的有效線性化區域，其光學設計難度小，結構相對緊湊。
文檔編號G03F7/20GK101329513SQ200810040349
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者尹作海, 李志丹, 潘煉東, 陳飛彪 申請人:上海微電子裝備有限公司