一種離軸對準系統及對準方法
【專利摘要】本發明涉及一種離軸對準系統及方法，該系統包括照明模塊、干涉模塊及探測模塊，照明模塊包括光源、多波長入射光纖及分光元件；干涉模塊包括偏振分束器，偏振分束器與照明模塊和探測模塊所在的一側相對的一側設有第一1/4波片和第一反射鏡，偏振分束器的另外兩側分別設有第二1/4波片、角錐棱鏡和第三1/4波片、第二反射鏡及透鏡，第二反射鏡位于透鏡的后焦面上，角錐棱鏡的底面中心位于透鏡的光軸上；探測模塊包括探測透鏡組、偏振裝置、探測光纖及光電探測器。采用離軸對準系統的光柵二次衍射技術，入射光束先后兩次經過對準標記，且第二次衍射光束方向與原入射方向完全相反，以確保對準標記傾斜和/或離焦時，探測結果不會受到影響。
【專利說明】一種離軸對準系統及對準方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硅片對準的處理裝置，尤其涉及一種離軸對準系統及其對準方法。
【背景技術】
[0002]目前，光刻設備大多采用基于光柵衍射干涉的對準系統。該類對準系統基本特征為:包含單波長或多波長的照明光束照射在光柵型對準標記上發生衍射，產生的各級衍射光攜帶有關于對準標記的位置信息；不同級次的光束以不同的衍射角從相位對準光柵上散開，通過對準系統收集各級次的衍射光束，使兩個對稱的正負衍射級次(如±1級、±2級、±3級等)在對準系統的像面或瞳面重疊相干，形成各級干涉信號。當對對準標記進行掃描時，利用光電探測器記錄干涉信號的強度變化，通過信號處理，確定對準中心位置。
[0003]現有技術中具有代表性的是荷蘭ASML公司采用的一種離軸對準系統，該對準系統在光源部分采用紅光、綠光雙光源照射；并采用楔塊列陣或楔板組來實現對準標記多級衍射光的重疊和相干成像，并在像面上將成像空間分開；紅光和綠光的對準信號通過一個偏振分束棱鏡來分離；通過探測對準標記像透過參考光柵的透射光強，得到正弦輸出的對準信號。該對準系統存在的缺陷:首先，由于該系統采用偏振分束棱鏡的分光系統只能分離兩個波長的色光，對兩個波長以上的對準信號則無法完成；其次，該對準系統的多級衍射光在像面干涉，在對準標記反射率不均勻時，標記旋轉、倍率誤差等因素導致的對準誤差較大；最后，該對準系統使用楔塊列陣時，對折射正、負相同級次的兩楔塊的面型和楔角一致性要求很高，而楔板組的加工制造、裝配和調整的要求也很高，具體實施工程難度較大，成本聞。
[0004]另外一種現有技術也是荷蘭ASML公式采用的離軸對準系統。該系統通過一個旋轉自參考干涉儀產生兩個相對旋轉180°的對準標記像，在光瞳面探測重疊衍射級的干涉信號，根據探測到的各級次干涉信號的相對相位變化得到對準位置信號。該對準系統采用了多主截面，空間復合棱鏡結果的旋轉自參考干涉儀，棱鏡的加工和裝調公差要求很高，棱鏡組膠合難度較大，同時，由于光束是相對旋轉180°重疊干涉，對照明光束的空間相干性要求較高，實施難度也較大。
[0005]因此，如何提供一種既能夠避免對照明光束空間相干性的要求、消除對準標記傾斜、離焦對探測結果的影響，且光路結構簡單、避免使用復雜光學元件、容易實現的離軸對準系統及對準方法是本領域技術人員亟待解決的一個技術問題。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于提供一種離軸對準系統及對準方法，以解決現有離軸對準系統中對準標記傾斜、離焦對探測結果的影響較大，對照明光束相干性要求較高或需要使用楔塊列陣等復雜元件而使實施難度大的問題。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提供一種離軸對準系統，按光束傳播路徑依次包括照明模塊、干涉模塊以及探測模塊，所述照明模塊包括光源、多波長入射光纖以及分光元件；所述干涉模塊包括偏振分束器，所述偏振分束器與所述照明模塊和探測模塊所在的一側相對的一側依次設有第一 1/4波片和第一反射鏡，所述偏振分束器的另外兩側分別依次設有第二 1/4波片、角錐棱鏡和第三1/4波片、第二反射鏡以及透鏡，所述第二反射鏡位于所述透鏡的后焦面上，所述角錐棱鏡的底面中心位于所述透鏡的光軸上；所述探測模塊依次包括探測透鏡組、偏振裝置、探測光纖以及光電探測器。
[0008]較佳地，所述照明模塊還包括快門、光隔離器和相位調制器。
[0009]較佳地，所述光源為激光器。
[0010]較佳地，所述光源至少包含四個不同波長，其中有兩個波長在紅外波段。
[0011]較佳地，所述光源為單頻激光器，所述分光元件為光柵分束器或光纖分束器或平面光波導功率分光器。
[0012]較佳地，所述光源為雙頻激光器，所述分光元件為激光頻率分裂器。
[0013]較佳地，所述激光頻率分裂器為電光調制器或聲光調制器。
[0014]較佳地，所述偏振裝置為二向色偏振器、基于多層涂層的正則偏振分光器、雙折射分光器中的一種。
[0015]本發明還提供了一種離軸對準方法，采用如上所述的離軸對準系統，所述離軸對準方法包括如下步驟:
[0016]所述光源發出激光束，經所述分光元件分為多波長多級次的照明光束，所述照明光束入射至所述偏振分束器并被分為第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束分別經所述反射鏡和角錐棱鏡的反射后關于所述透鏡的光軸對稱，所述第一光束和第二光束入射至所述透鏡后以對稱的入射角照射至對準標記，發生第一次衍射；
[0017]兩束衍射光束通過所述透鏡，被所述透鏡后焦面的第二反射鏡反射，反射后的光束再次入射到所述對準標記發生第二次衍射；
[0018]二次衍射光束被所述透鏡收集后，再次經過所述偏振分光器、角錐棱鏡以及第一反射鏡，最終在所述偏振分束器的分界面相同位置重疊，形成干涉信號；
[0019]所述干涉信號分別經所述探測透鏡組及偏振裝置入射至所述光電探測器，所述光電探測器根據所述干涉信號的相位變化確定對準位置的信息。
[0020]本發明具有如下有益效果:
[0021]1.采用光柵二次衍射技術，入射光束先后兩次經過所述對準標記，且第二次衍射光束方向與原入射方向完全相反，以確保當所述對準標記傾斜和/或離焦時，探測結果不會受到影響；
[0022]2.采用角錐棱鏡實現入射光束的對稱反射和180°旋轉,從而消除系統對照明光束空間相干性的要求；
[0023]3.光路結構簡單，沒有使用復雜的光學元件(楔塊列陣等)，體積小，便于裝調和集成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例1離軸對準系統的結構示意圖；
[0025]圖2為實施例1的光路示意圖；[0026]圖3為角錐棱鏡的簡化光路示意圖；
[0027]圖4為圖3的俯視圖；
[0028]圖5為對準標記二次衍射的原理示意圖；
[0029]圖6為對準標記傾斜的情況下二次衍射的光路示意圖；
[0030]圖7為對準標記離焦的情況下二次衍射的光路示意圖；
[0031]圖8為對準標記傾斜且離焦的情況下二次衍射的光路示意圖；
[0032]圖9為光柵分束器分光原理示意圖；
[0033]圖10為光纖分束器分光原理不意圖；
[0034]圖11為平面光波導功率分光器分光原理示意圖；
[0035]圖12為兩個方向對準的情況下，偏振分光器輸入/輸出端面的正視圖；
[0036]圖13為本發明實施例2離軸對準系統的結構示意圖。
[0037]實施例1中:10_照明模塊、11-多波長入射光纖、12-分光元件、121-透射相位光柵、122-準直透鏡、123-熔融拉伸光纖束、124-芯片、20-干涉模塊、21-偏振分束器、22-第一 1/4波片、23-第一反射鏡、24-第二 1/4波片、25-角錐棱鏡、26-第三1/4波片、27-第二反射鏡、28-透鏡、29-透鏡后焦面、30-探測模塊、31-探測透鏡組、32-偏振裝置、33-探測光纖、34-光電探測器、40-對準標記；
[0038]實施例2中:50_照明模塊、51-多波長入射光纖、52-分光兀件、60-干涉模塊、61-偏振分束器、62-第一 1/4波片、63-第一反射鏡、64-第二 1/4波片、65-角錐棱鏡、66-第三1/4波片、67-第二反射鏡、68-透鏡、70-探測模塊、71-探測透鏡組、72-偏振裝置、73-探測光纖、74-光電探測器、80-對準標記。
【具體實施方式】
[0039]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0040]實施例1
[0041]本發明提供的離軸對準系統，如圖1所示，按光束傳播路徑依次包括照明模塊10、干涉模塊20以及探測模塊30，所述照明模塊10和探測模塊30位于所述干涉模塊20的同側，所述照明模塊10包括光源(圖中未示出)、多波長入射光纖11以及分光元件12，較佳地，所述光源為激光器，因為激光的亮度高、方向性好，實施例1中所述光源為單頻激光器，發出的照明光束為單一頻率的線偏振光，較佳地，所述照明模塊10還包括快門(圖中未示出)、光隔離器(圖中未示出)和相位調制器(圖中未示出)，所述快門用于在需要時阻擋照明光束，所述光隔離器用于對光束的方向進行限制，使光束只能單方向通過，所述相位調節器用于照明光束的相位調制，可有效抑制雜散光與信號光的相干性，降低干涉條紋的對比度，提高信噪比，較佳地，所述分光元件12為光柵分束器或光纖分束器或平面光波導功率分光器；所述干涉模塊20包括偏振分束器21，所述偏振分束器21與所述照明模塊10和探測模塊30所在的一側相對的一側依次設有第一 1/4波片22和第一反射鏡23，所述偏振分束器21的另外兩側分別依次設有第二 1/4波片24、角錐棱鏡25和第三1/4波片26、第二反射鏡27以及透鏡28，所述第二反射鏡27位于所述透鏡28的后焦面上，對準標記40位于所述透鏡28的另一側，所述角錐棱鏡25的底面中心位于所述透鏡28的光軸上；所述探測模塊30依次包括探測透鏡組31、偏振裝置32、探測光纖33以及光電探測器34，較佳地，所述偏振裝32置為二向色偏振器、基于多層涂層的正則偏振分光器、雙折射分光器中的一種,如薩伐爾板(Savart plate)、三元渥拉斯頓棱鏡(Wollaston prism)等,所述照明模塊10發出的光束經所述干涉模塊20兩次衍射，形成干涉信號攜帶所述對準標記40的位置信息，最終入射至所述探測模塊30，所述探測模塊30根據所述干涉信號的相位變化確定對準位置信息。
[0042]較佳地，所述光源至少包含四個不同波長，其中有兩個波長在紅外波段，例如:入i=532nm、λ 2 = 632.8nm、λ 3 = 780nm、λ 4 = 850nm,利用多波長光源照明，可以有效抑制干涉相消效應的影響，提高工藝適應性；使用近紅外和遠紅外波長的光源照明，可以有效解決低k值介質材料在可見光譜范圍的吸收問題，并可用于多晶硅工藝層的標記探測，從而提高對準信號強度。
[0043]本發明還提供了一種離軸對準方法，請參考圖1和圖2，采用如上所述的離軸對準系統，所述離軸對準方法包括如下步驟:所述光源發出激光束通過所述多波長入射光纖11傳輸，經所述分光元件12分為多波長多級次的照明光束，照明光束100為其中某個波長λ的光束，其偏振方向與所述偏振分束器21的光軸方向成45°夾角,所述照明光束100入射至所述偏振分束器21并被分為偏振方向相互垂直的第一光束IOla和第二光束102a,所述第一光束IOla為P偏振光，由圖2中的實心箭頭表不,所述第二光束102a為S偏振光,有圖2中的空心箭頭表示，所述第一光束IOla經過第一 1/4波片22進行消色差處理后入射至所述第一反射鏡23，被所述第一反射鏡23反射后再次通過所述偏振分束器21，此時光束偏振方向旋轉了 90°，變為S偏振光101b，光束IOlb被所述偏振分束器21反射經所述第三1/4波片26，轉變為圓偏振光IOlc ;所述第二光束102a經所述第二 1/4波片24轉變為P偏振光102b，該P偏振光102b透過所述偏振分束器21，經所述第三1/4波片26轉變為圓偏振光102c,所述光束IOlc和102c關于所述透鏡28的光軸對稱。
[0044]當所述對準標記40位于所述透鏡28的前焦面，且所述對準標記40垂直于所述透鏡28的光軸時，光束IOlc和102c通過所述透鏡28分別變為IOld和102d，并匯聚于所述對準標記40上，光束IOld和102d的入射角對稱相等，且等于所述對準標記40某個級次的衍射角Θ，則分別產生該級次的衍射光束IOle和102e，其方向垂直于所述對準標記40，所述衍射光束IOle和102e被位于透鏡28后焦面29上的反射鏡27反射后，再次入射到所述對準標記40并再次發生衍射，產生二次衍射光束IOlf和102f，理想情況下，所述二次衍射光束IOlf和102f分別與原入射光束IOld和102d光路完全重合且方向相反，圖2中，為清晰表明傳輸光路，將位置重合、方向相反的光束分開不出。
[0045]這樣，照射到所述對準標記40的光束IOlc和102c均為圓偏振光，當對準標記40周期遠大于照明波長時，偏振選擇并不重要，但當所述對準標記40的光柵周期與照明光波長在相同量級時，光柵的衍射效率與照明光的偏振特性有關，如果采用線偏振光入射，可能面臨光柵的衍射效率在該偏振方向上急劇下降的風險，此處利用圓偏振光照明可有效避免該風險，圓偏振光包含兩個方向相互垂直的線偏振光，確保總有一偏振方向可以產生高效率的衍射光。因而，采用圓偏振光照射對準標記可提高所述對準系統對小周期對準標記的適應性。
[0046]二次衍射光束IOlf和102f被所述透鏡28收集后分別經過所述第三1/4波片26變為P偏振光IOlg和S偏振光102g，所述P偏振光IOlg通過所述偏振分束器21，經過所述第二 1/4波片24被所述角錐棱鏡25反射后再次經過所述第二 1/4波片24，變為S偏振光IOlh ;同時，所述S偏振光102g被所述偏振分束器21反射，經過所述第一 1/4波片22后被所述第一反射鏡23反射，再次經過所述第一 1/4波片22變為P偏振光102h，所述光束IOlh和102h分別在所述偏振分光器21的相同位置發生反射和透射，并同時從所述偏振分光器21的左端面射出并變為輸出光束IlOl和1102，所述輸出光束IlOl和1102經過所述探測透鏡組31，對所述透鏡28后焦面29成像，所述輸出光束IlOl和1102偏振方向相互垂直，不發生干涉，經過所述偏振裝置32后，所述輸出光束IlOl和1102具有相同的偏振方向，從而產生干涉信號Ii。
[0047]所述干涉信號Ii經所述探測光纖33入射至所述光電探測器34，所述光電探測器34根據所述干涉信號Ii的相位變化確定對準位置的信息。
[0048]具體地，請參考圖3和圖4，所述角錐棱鏡25具有三個相互垂直的反射面，其底面呈等邊三角形，從底面以任意方向入射的光線，經過三個反射面依次反射后，以與入射光線相反的方向從底面射出(圖中角錐棱鏡25內部光路是簡化的等效示意圖)。所述角錐棱鏡25在所述對準系統中具有兩方面作用:一方面是實現光束對稱反射，光束102a經過所述角錐棱鏡25后產生反射光束102b，光束102a和102b方向相反、且位置關于角錐棱鏡25底面中心對稱，由于所述角錐棱鏡25底面中心位于所述透鏡28的光軸上，光束102a和102b是關于透鏡28的光軸對稱的,從而保證光束IOld和102d在所述對準標記40上的入射角大小相等；另一方面，所述角錐棱鏡25實現光束180°旋轉，首先使光束102a旋轉180°，變為光束102b ;其次使經過所述對準標記40的二次衍射后的光束IOlg旋轉180°，變為光束101h，光束102b經所述對準標記40 二次衍射后產生光束102g，但不會發生旋轉，最終從所述偏振分束器21左端面輸出的兩光束IOlh和102h沒有相對旋轉，因此原始輸入的照明光束100不需要嚴格的空間相干性。
[0049]請參考圖5，假設入射光束102c在所述透鏡后焦面29的坐標為1?，頻率帶寬為2 Δ k，透鏡28焦距為f，光`束102c中心距離所述透鏡28光軸的距離為d，則光束102d的入射角度Θ的計算公式為:
[0050]
Θ = arctan —( I )
/
[0051]由此可知，通過調節參量d，使所述光束102d的入射角等于所述對準標記40的某
個級次的衍射角，即滿足光柵方程:
[0052]
= (2)
P
[0053]其中P為對準標記周期，η為正整數，λ為該照明光束102c的波長。此時，所述光束102d經所述對準標記40衍射后，將產生近似平行于光軸的η級(或-η級)衍射光102e，其經所述透鏡28匯聚到所述反射鏡27，反射光束經所述透鏡28后，以與衍射光102e相反的方向入射到所述對準標記40，發生二次衍射，產生光束102f，在理想情況下，二次衍射光束102f與入射光束102d完全重合。二次衍射光束102f攜帶對準標記40的位置信息，102f
光場E2 CO具有如下形式:
[0054]
【權利要求】
1.一種離軸對準系統，其特征在于，按光束傳播路徑依次包括照明模塊、干涉模塊以及探測模塊， 所述照明模塊包括光源、多波長入射光纖以及分光元件； 所述干涉模塊包括偏振分束器，所述偏振分束器與所述照明模塊和探測模塊所在的一側相對的一側依次設有第一 1/4波片和第一反射鏡，所述偏振分束器的另外兩側分別依次設有第二 1/4波片、角錐棱鏡和第三1/4波片、第二反射鏡以及透鏡，所述第二反射鏡位于所述透鏡的后焦面上，所述角錐棱鏡的底面中心位于所述透鏡的光軸上； 所述探測模塊依次包括探測透鏡組、偏振裝置、探測光纖以及光電探測器。
2.如權利要求1所述的離軸對準系統，其特征在于，所述照明模塊還包括快門、光隔離器和相位調制器。
3.如權利要求1所述的離軸對準系統，其特征在于，所述光源為激光器。
4.如權利要求3所述的離軸對準系統，其特征在于，所述光源至少包含四個不同波長，其中有兩個波長在紅外波段。
5.如權利要求3所述的離軸對準系統，其特征在于，所述光源為單頻激光器，所述分光元件為光柵分束器或光纖分束器或平面光波導功率分光器。
6.如權利要求3所述的離軸對準系統，其特征在于，所述光源為雙頻激光器，所述分光元件為激光頻率分裂器。
7.如權利要求6所述的離軸對準系統，其特征在于，所述激光頻率分裂器為電光調制器或聲光調制器。
8.如權利要求1所述的離軸對準系統，其特征在于，所述偏振裝置為二向色偏振器、基于多層涂層的正則偏振分光器、雙折射分光器中的一種。
9.一種離軸對準方法，其特征在于，采用如權利要求廣8中任意一項所述的離軸對準系統，所述離軸對準方法包括如下步驟: 所述光源發出激光束，經所述分光元件分為多波長多級次的照明光束，所述照明光束入射至所述偏振分束器并被分為第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束分別經所述反射鏡和角錐棱鏡的反射后關于所述透鏡的光軸對稱，所述第一光束和第二光束入射至所述透鏡后以對稱的入射角照射至對準標記，發生第一次衍射； 兩束衍射光束通過所述透鏡，被所述透鏡后焦面的第二反射鏡反射，反射后的光束再次入射到所述對準標記發生第二次衍射； 二次衍射光束被所述透鏡收集后，再次經過所述偏振分光器、角錐棱鏡以及第一反射鏡，最終在所述偏振分束器的分界面相同位置重疊，形成干涉信號； 所述干涉信號分別經所述探測透鏡組及偏振裝置入射至所述光電探測器，所述光電探測器根據所述干涉信號的相位變化確定對準位置的信息。
【文檔編號】G03F9/00GK103777476SQ201210402248
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月19日 優先權日:2012年10月19日
【發明者】張鵬黎, 徐文, 王帆 申請人:上海微電子裝備有限公司