CN102129183B - 调焦调平测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调焦调平测量装置，通过在任一侧的测量光路上设置第一偏置平板和第二偏置平板，第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度以补偿投影物镜焦面的漂移，第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度以补偿第一偏置平板的旋转所引起的像差，从而能够在较大范围内补偿投影物镜焦面的漂移，同时又能保证成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及硅半导体工艺技术领域，特别涉及一种调焦调平测量装置。
背景技术
在投影光刻装置中，通常在投影物镜和基底(例如，硅片)之间设置调焦调平测量装置以得到基底表面的形貌信息，例如特定区域高度和倾斜度等。调焦调平测量装置通常采用光学测量法等非接触式测量，且要求的精度较高。
然而，当投影物镜的焦面发生漂移时，调焦调平测量装置的测量点中心将与投影物镜的曝光视场不重合，引起测量误差。图1为投影物镜焦面发生漂移时引起测量误差的原理示意图。图1中，假设横向坐标轴为z轴，纵向坐标轴为y轴，垂直于纸面的坐标轴为x轴。其中，调焦调平测量装置的测量光路分布于投影物镜(未图示)光轴的两侧，即从照明单元11到达探测单元14。当投影物镜焦面没有漂移时，从照明单元11发出的入射光经垂直于测量光路的偏置平板12后入射到未漂移焦面10的A点并发生反射，然后经垂直于测量光路的偏置平板13后到达探测单元14的中心O点。当投影物镜焦面产生的漂移量为h(y轴上)时，从照明单元11发出的入射光经垂直于测量光路的偏置平板12后入射到漂移焦面10′的A′点并发生反射，然后到达探测单元14的O′点，偏离了中心O点，这就导致了测量误差的发生。从图1中还可以看出，A′点与A点相比，在y轴上的偏移量等于投影物镜焦面产生的漂移量h，而z轴上的偏移量为d。由此，在投影物镜焦面发生漂移后进行校正补偿显得尤为重要。
在美国专利US5633721中，采用一偏置平板的旋转来补偿投影物镜焦面发生的漂移，如图2所示。图2中，偏置平板12绕x轴旋转一角度，使得从照明单元11发出的入射光发生折射而入射到漂移焦面10′的B点。其中，B点与未漂移焦面10的A点具有相同的横坐标值，这就补偿了入射时在z轴上的偏移量d。偏置平板13绕x轴旋转另一角度，使得经漂移焦面10′反射后的测量光发生折射而到达探测单元14的中心O点，这就补偿了在y轴上的偏移量h，进而补偿了投影物镜焦面的漂移量h。因此，通过偏置平板13的旋转补偿了投影物镜焦面发生的漂移。
然而，当偏置平板不垂直于光路放置时，会引起像差，如图3所示。图3中，当偏置平板21垂直于光路放置时，入射光透过该偏置平板21到达成像面22的中心D点。而当偏置平板21绕x轴旋转后不垂直于光路放置时，入射光经该偏置平板21折射后到达成像面22的D′点。这就导致轴上物点变成轴外点，轴外点成像存在像差。图3中，偏置平板21绕x轴的旋转便导致了y轴上的像差ΔY和z轴上的像差ΔZ。由此，偏置平板的旋转角度越大，补偿范围也越大，但是引起的像差也越大，成像质量就越差，分辨率越低。因此，为了保证成像质量，偏置平板的旋转只能限制在一定小角度，补偿范围比较小，否则分辨率又达不到要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调焦调平测量装置，能够在较大范围内补偿投影物镜焦面的漂移，同时又能保证成像质量。
本发明提供一种调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，其中，在任一侧的所述测量光路上设置有第一偏置平板和第二偏置平板，所述第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度，所述第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度，以补偿所述第一偏置平板绕所述第一坐标轴旋转所述第一角度带来的像差。
进一步的，所述测量装置包括偏置平板驱动单元，所述偏置平板驱动单元具有第一偏置平板驱动电机和第二偏置平板驱动电机，所述第一偏置平板驱动电机驱动所述第一偏置平板，所述第二偏置平板驱动电机驱动所述第二偏置平板。
进一步的，所述测量装置还包括：照明单元，用于为所述测量光路提供照明光；投影单元，使所述照明光在基底表面形成测量光斑阵列；接收单元，用于接收并成像经所述基底表面反射的所述测量光斑阵列；以及光电探测单元，用于根据所述测量光斑阵列的成像输出表征所述基底表面的形貌信息的电信号。
进一步的，所述第一偏置平板和所述第二偏置平板设于所述投影单元中。
进一步的，所述第一偏置平板和所述第二偏置平板设于所述接收单元中。
进一步的，所述第一偏置平板和所述第二偏置平板设于所述光电探测单元中。
进一步的，所述测量装置还包括信号处理单元，所述信号处理单元处理所述光电探测单元输出的电信号并输出测量结果。
进一步的，所述测量装置还包括控制单元，所述控制单元根据所述信号处理单元输出的测量结果提供控制指令给所述偏置平板驱动单元。
进一步的，所述第二角度和所述第三角度与所述第一角度的关系满足：
θ2≥θ1，90≥θ3≥θ1*tanθ，
其中，θ1为所述第一角度，θ2为所述第二角度，θ3为所述第三角度。
与现有技术相比，本发明提供的调焦调平测量装置，通过在任一侧的测量光路上设置第一偏置平板和第二偏置平板，第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度以补偿投影物镜焦面的漂移，第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度以补偿第一偏置平板的旋转所引起的像差，从而能够在较大范围内补偿投影物镜焦面的漂移，同时又能保证成像质量。
附图说明
图1为投影物镜焦面发生漂移时引起测量误差的原理示意图；
图2为现有技术中补偿投影物镜焦面发生的漂移的原理示意图；
图3为偏置平板不垂直于光路放置时引起像差的原理示意图；
图4为根据本发明的调焦调平测量装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在背景技术中已经提及，现有的调焦调平测量装置采用一偏置平板的旋转来补偿投影物镜焦面发生的漂移，然而偏置平板旋转后引起一定的像差，降低了成像质量，这就限制了偏置平板的旋转范围，进而限制了补偿范围。
本发明的核心思想在于，在任一侧的测量光路上设置第一偏置平板和第二偏置平板，第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度以补偿投影物镜焦面的漂移，第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度以补偿第一偏置平板的旋转所引起的像差。
图4为根据本发明的调焦调平测量装置的一个实施例的结构示意图。在本实施例中，作为基底的一个示例，以硅片为调焦调平的对象。首先，假设横向坐标轴为z轴，纵向坐标轴为y轴，垂直于纸面的坐标轴为x轴，在后面的描述中均采用该坐标轴定义。图4中，该调焦调平测量装置设置在投影物镜30和硅片40之间，其测量光路分布于投影物镜光轴31的两侧，其中，在任一侧的测量光路上设置有第一偏置平板28和第二偏置平板29。第一偏置平板28绕第一坐标轴(x轴)旋转，而第二偏置平板29绕第二坐标轴(y轴)和第三坐标轴(z轴)分别旋转。具体的，该调焦调平测量装置包括偏置平板驱动单元24。偏置平板驱动单元24具有第一偏置平板驱动电机和第二偏置平板驱动电机(未图示)，第一偏置平板驱动电机用于驱动第一偏置平板28绕x轴旋转，而第二偏置平板驱动电机用于驱动第二偏置平板29绕y轴和z轴分别旋转。
从图4中可以看出，该调焦调平测量装置还包括照明单元21、投影单元22、接收单元23以及光电探测单元26。其中，照明单元21用于为所述测量光路提供照明光，且该照明光的强度是可控的。投影单元22用于在硅片40表面形成测量光斑阵列。接收单元23用于接收并成像经硅片40表面反射的测量光斑阵列。光电探测单元26通过光电信号转换，完成硅片40表面形貌信息的采集和转换，从而根据测量光斑阵列的成像输出表征硅片40表面的形貌信息的电信号。由于第一偏置平板28和第二偏置平板29可以在任一侧的测量光路上设置，因此在本实施例中将第一偏置平板28和第二偏置平板29设于接收单元23中。另外，该调焦调平测量装置还包括信号处理单元27和控制单元25。其中，信号处理单元27处理光电探测单元26输出的电信号并输出测量结果，具体而言，需要完成光电探测单元26输出的电信号的调理、多路测量的切换、外设控制信号的接口转换等。控制单元25根据信号处理单元27输出的测量结果提供控制指令给偏置平板驱动单元24。偏置平板驱动单元24中的第一偏置平板驱动电机和第二偏置平板驱动电机根据控制指令分别控制第一偏置平板28和第二偏置平板29的旋转。
下面具体描述该调焦调平测量装置的工作过程。需要注意的是，在初始状态，第一偏置平板28和第二偏置平板29是垂直于测量光路而设置的。首先，照明单元21为整个测量装置提供照明光，该照明光通过投影单元22中的投影狭缝阵列并在硅片40表面形成测量光斑阵列。这些测量光斑阵列经硅片40表面反射后进入接收单元23并成像。然后，成像后的测量光斑阵列入射到光电探测单元26，光电探测单元26中的扫描反射镜(SR)对光信号进行调制以提高测量信号的信噪比，而光电探测单元26中的光电探测器阵列通过光电信号转换后输出表征硅片40表面的形貌信息的电信号。信号处理单元27接收光电探测单元26的光电探测器阵列输出的电信号，进而对该电信号进行一系列的处理，输出测量结果。测量结果中包含投影物镜焦面与调焦调平测量装置之间的相对漂移量h1，这可以根据如下公式得到：
ΔL＝2*h1*tanθ，
式中，ΔL为测量光斑的位置变化量，θ为照明光与投影物镜光轴31之间的夹角(参考图4)。控制单元25根据该测量结果给偏置平板驱动单元24下发控制指令。控制指令中包含第一偏置平板28绕x轴旋转的第一角度θ1以及第二偏置平板29绕y轴旋转的第二角度θ2和绕z轴旋转的第三角度θ3。其中，第一角度θ1的计算公式如下：
2*h1*sinθ＝B*(n-1)*tanθ1/n，
式中，B为第一偏置平板28的厚度，n为第一偏置平板28的折射率。同时第二角度θ2和第三角度θ3与第一角度θ1的关系如下：
θ2≥θ1，90≥θ3≥θ1*tanθ。
经过光学模拟可知，当它们满足以上的关系时能够很好地补偿第一偏置平板28绕x轴旋转第一角度θ1所引起的像差，进而保证成像质量。
接收到控制指令后，偏置平板驱动单元24中的第一偏置平板驱动电机将控制第一偏置平板28绕x轴旋转第一角度θ1，以补偿投影物镜焦面与调焦调平测量装置之间的相对漂移。同时，偏置平板驱动电机24中的第二偏置平板驱动电机将控制第二偏置平板29分别绕y轴和z轴旋转第二角度θ2和第三角度θ3，以补偿由于第一偏置平板28绕x轴旋转第一角度θ1所引起的像差。例如，第一偏置平板28绕x轴旋转5度，第二偏置平板29绕y轴和z轴均旋转12度，实验表明，在补偿了投影物镜焦面的漂移的同时，很好地平衡了像差，保证了成像质量。
可见，该调焦调平测量装置通过在位于一侧的测量光路上的接收单元中设置第一偏置平板和第二偏置平板，第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度以补偿投影物镜焦面的漂移，第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度以补偿第一偏置平板的旋转所引起的像差，从而能够在较大范围内补偿投影物镜焦面的漂移，同时又能保证成像质量。
当然，在本发明的其它实施例中，也可以将第一偏置平板28和第二偏置平板29设于投影单元22或者光电探测单元26中，这都满足两块偏置平板设于任一侧的测量光路上的条件，并不影响本发明的技术效果。当然，具***置可以根据调焦调平测量装置的具体情况而定。
综上所述，本发明提供的调焦调平测量装置，通过在任一侧的测量光路上设置第一偏置平板和第二偏置平板，第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度以补偿投影物镜焦面的漂移，第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度以补偿第一偏置平板的旋转所引起的像差，从而能够在较大范围内补偿投影物镜焦面的漂移，同时又能保证成像质量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种调焦调平测量装置，其测量光路分布于投影物镜光轴的两侧，在任一侧的所述测量光路上设置有第一偏置平板和第二偏置平板，所述第一偏置平板可绕第一坐标轴旋转第一角度，所述第二偏置平板可分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度，以补偿所述第一偏置平板绕所述第一坐标轴旋转所述第一角度带来的像差，其特征在于，所述补偿像差具体为：
初始状态下，所述第一偏置平板和第二偏置平板垂直于所述测量光路放置；
测量硅片的表面形貌，根据测量结果获得所述投影物镜焦面与调焦调平测量装置之间的相对漂移量h1；
根据所述相对漂移量，所述第一偏置平板绕第一坐标轴旋转第一角度，所述第二偏置平板分别绕第二坐标轴和第三坐标轴旋转第二角度和第三角度，以补偿所述第一偏置平板绕所述第一坐标轴旋转所述第一角度带来的像差；
其中，所述第一角度θ1的计算公式如下：
2*h1*sinθ=B*(n-1)*tanθ1／n，B为所述第一偏置平板的厚度，n为所述第一偏置平板的折射率，θ为所述测量光路与所述投影物镜光轴之间的夹角；
所述第二角度θ2和第三角度θ3与所述第一角度θ1的关系满足：
θ2≥θ1,90°≥θ3≥θ1*tanθ。
2.如权利要求1所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述测量装置包括偏置平板驱动单元，所述偏置平板驱动单元具有第一偏置平板驱动电机和第二偏置平板驱动电机，所述第一偏置平板驱动电机驱动所述第一偏置平板，所述第二偏置平板驱动电机驱动所述第二偏置平板。
3.如权利要求2所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：
照明单元，用于为所述测量光路提供照明光；
投影单元，使所述照明光在基底表面形成测量光斑阵列；
接收单元，用于接收并成像经所述基底表面反射的所述测量光斑阵列；以及
光电探测单元，用于根据所述测量光斑阵列的成像输出表征所述基底表面的形貌信息的电信号。
4.如权利要求3所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述第一偏置平板和所述第二偏置平板设于所述投影单元中。
5.如权利要求3所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述第一偏置平板和所述第二偏置平板设于所述接收单元中。
6.如权利要求3所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述第一偏置平板和所述第二偏置平板设于所述光电探测单元中。
7.如权利要求4～6中任一项所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括信号处理单元，所述信号处理单元处理所述光电探测单元输出的电信号并输出测量结果。
8.如权利要求7所述的调焦调平测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括控制单元，所述控制单元根据所述信号处理单元输出的测量结果提供控制指令给所述偏置平板驱动单元。
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