CN103091990A - 一种调焦调平***中光斑水平位置调整机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调焦调平***中光斑水平位置调整机构，包括依次设置的光源、投影单元及接收单元，所述投影单元或接收单元中设有电光偏转器，所述光源发出的光束经过投影单元投射成像到待测硅片上后，由所述接收单元接收经硅片反射后光束的成像信息，并通过控制所述电光偏转器的电压来调整光束穿过所述电光偏转器后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。另，本发明还提供一种调焦调平***中光斑水平位置调整方法。本发明采用楔形棱镜偏转器的电光偏转技术，具有调整速度快、精度及稳定性较高、结构相对简单的优点，对有限空间更有利。

Description

一种调焦调平***中光斑水平位置调整机构及方法

【技术领域】

本发明涉及光刻设备技术领域，尤其是涉及一种调焦调平***中光斑水平位置调整机构及方法。

【背景技术】

随着半导体技术的发展，光刻技术作为一种精密的微细加工技术，其传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级(从毫米级到亚微米级)，已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术。

在光刻设备装机调试时，主要通过调焦调平光学***测量硅片位置信息，然后把位置信息反馈给工件台，从而根据信息控制硅片的位置，使硅片与投影物镜的焦面重合。随着光刻设备的精度越来越高，要求调焦调平光学***的测量光斑越来越小，对于多个狭缝，光斑与狭缝的匹配更为困难，而光斑与狭缝的匹配精度影响到最后的测量精度，因此，光斑的匹配直接影响到光刻设备的精度。当光斑个数比较多的情况下，光机装调中，由于公差的存在，光斑像的实际位置与理论位置有一定的偏差，必须有一种可以校正光斑像位置的机构，现有的多光斑位置校正主要采用了手动旋转双光楔的方式(绕光轴旋转)来实现对光斑测量方向和非测量方向进行粗调，粗调完成后，再采用电机带动平板偏转方式实现对光斑测量方向和非测量方向进行微调。这种方法虽然可实现光斑位置的校正，但主要存在的缺点就是机械结构设计复杂，占用空间比较大，调整速度缓慢，精度比较低，对于小光斑而来说很难实现高精度要求。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种调整速度快、精度及稳定性较高、结构相对简单的调焦调平***中光斑水平位置调整机构。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种调焦调平***中光斑水平位置调整机构，包括依次设置的光源、投影单元及接收单元，所述投影单元或接收单元中设有电光偏转器，所述光源发出的光束经过投影单元投射成像到待测硅片上后，由所述接收单元接收经硅片反射后光束的成像信息，并通过控制所述电光偏转器的电压来调整光束穿过所述电光偏转器后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述电光偏转器为楔形棱镜偏转器。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述投影单元包括依次设置的投影光阑及第一会聚透镜组，所述光源发出的光束经过投影光阑的狭缝，并由第一会聚透镜组成像到硅片面上。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述接收单元包括第二会聚透镜组、第三会聚透镜组、偏振器、探测控制器及设于所述第二会聚透镜组、第三会聚透镜组之间的楔形棱镜偏转器，光束通过所述偏振器后由探测控制器接收，并通过探测控制器控制所述楔形棱镜偏转器的电压来调整光束穿过所述电光偏转器后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述光源包括宽波段光源及准直透镜组，所述宽波段光源可为半导体激光器。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述光源还可包括一光滤波器。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述电光偏转器主要由液晶构材料组成，其液晶材料特性满足：0＜n₀3r63＜0.6Dh/Ly V，其中，h为z轴方向上的晶体宽度，L为沿传播方向晶体的长度，r63为电光系数，y为像面离开光楔的距离。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述电光偏转器还可为电光晶体及双折射晶体组成的数字式偏转器。

进一步，在上述调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，所述电光偏转器可为串联的多个楔形棱镜偏转器。

本发明还提供一种调焦调平***中光斑水平位置调整方法，所述方法包括以下步骤：。

步骤S1：通过接收探测器记录***中的光斑水平位置偏移量Δy；

步骤S2：判断Δy是否小于预定值，若Δy小于预定值，则根据光束通过电压偏转器的出射角度偏转公式计算与所述预定值对应的光束出射偏转角度，并由所述偏转角度计算出所述电压偏转器的两端电压值；

步骤S3：根据所述电压值调整电压偏转器哦两端电压，使得光束出射偏转角度发生改变，从而调整光斑水平位置偏移量Δy。

本发明采用楔形棱镜偏转器的电光偏转技术，具有调整速度快、精度及稳定性较高、结构相对简单的优点，对有限空间更有利。

【附图说明】

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明调焦调平***中光斑水平位置调整机构较佳实施例的结构示意图；

图2是图1中的光束通过电光偏转器后发生的偏转示意图；

图3是图1中的光束经过楔形棱镜偏转器偏转角度的示意图；

图4是图1中的光束经单光楔后的偏移量的示意图；

图5是图1中的楔形棱镜偏转器的结构示意图；

图6是本发明调焦调平***中光斑水平位置调整方法较佳实施例的流程示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1，图1是本发明调焦调平***中光斑水平位置调整机构较佳实施例的结构示意图。

本发明的调焦调平***中光斑水平位置调整机构100包括依次设置的光源1、投影单元2及接收单元3，所述投影单元2或接收单元3中设有电光偏转器4，光源1发出的光束经过投影单元2投射成像到硅片上后，由接收单元3接收经硅片反射后光束的成像信息，并通过控制所述电光偏转器4的电压来调整光束穿过所述电光偏转器4后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。

其中，所述光源1包括宽波段光源12及准直透镜组14，宽波段光源12可为半导体激光器，还可包括一光滤波器(图未示)，使得宽波段光源12发出的光束经过滤波、准直后具有稳定的出射强度及光刻过程所需的特定的发射波长。

请参阅图1，本实施例中所述电光偏转器4为楔形棱镜偏转器，其由两块楔形棱镜组成。

所述投影单元2包括依次设置的投影光阑22及第一会聚透镜组24，所述光源1发出的光束经过投影光阑22的狭缝，并由第一会聚透镜组24成像到硅片面上。

所述接收单元3包括第二会聚透镜组32、第三会聚透镜组34、偏振器36、探测控制器38及设于所述第二会聚透镜组32、第三会聚透镜组34之间的楔形棱镜偏转器4，经硅片反射的光束后经过第二会聚透镜组32会聚后，通过楔形棱镜偏转器4发生双折射，其出射光出射发生偏转，再经过第三会聚透镜组34并由偏振器36滤去e光，使e光不通过后继光路中；所述光束通过偏振器36后由探测控制器38接收，并通过探测控制器38控制所述楔形棱镜偏转器4的电压来调整光束穿过所述电光偏转器4后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。

请参阅图2至图5，以下结合图2至图5详细说明一下本发明的调焦调平***中光斑水平位置调整机构的工作原理及过程。

如图2所示，本发明楔形棱镜偏转器(KDP棱镜)的偏转原理如下：设入射波前与楔形棱镜偏转器(以下简称光楔)ABB’的AB面平行，由于光楔的折射率大于1，所以AB面上各点的振动传到A’B’面上时，通过了不同的光程；由A到A’，整个光路完全在空气中，光程为L；由B到B’，整个光路在玻璃中，光程为nL，A和B之间的其他各点都通过一段玻璃，例如，由C到C’，光程为nL’+(L-L’)。从上到下，光在玻璃中的L’线性增加，所以整个光程是线性增加的。因此，投射波的波阵面发生倾斜，AA’：L，A B’：nL，C C’：nL’+(L-L’)

故光束经单光楔后，其偏角为：

θ₁＝Δn L/D＝(n-1)L/D＝(n-1)A    (1)，

其中D为光楔的口径。

在本发明调焦调平***中光斑水平位置调整机构中，光斑位置可以变化调整的，也就是有时候需要偏转角度是变化的。如图3所示，把两块材料相同、顶角相等的光楔组合起来，使它们相对转动，这样所得到的光线偏角度是变化的。当两光楔顶角朝上，产生向下的最大偏角，当两光楔顶角朝下，产生向上的最大偏角。当两光楔转至其他角度时，其光线的偏角处在向上和向下的最大偏角之间。所以光束经双光楔后其偏角度为：

θ₂＝2A(n-1)COSυ    (2)

其中A为光楔的顶角，υ为两光楔相对的转角。

如图4所示，光楔的作用就是使光线偏转，像面偏离的大小Δy₁与像面离开光楔的距离y成正比，其表达式为：

Δy₁＝y tanθ₁＝y*θ₁＝y(n-1)L/D＝y*(n-1)*A    (3)

其中A＝L/D

同理，当光束经过顶角相等的光楔组合后，像面偏离的大小Δy₂为：

Δy₂＝y tanθ₂＝y*θ₂＝y*2A(n-1)COSυ    (4)

本发明的电光偏转器根据光束通过光楔的偏转原理制成的，其由两块楔形棱镜组成的双楔形偏转器，如图5所示，棱镜外加电压V沿图示z轴方向，两块棱镜光轴(z轴)方向相反，x’、y’为感应主轴方向。现若光线沿y’轴方向射入，振动方向为x’轴方向，则光在下面棱镜中的折射率为n_下’＝n₀+Ezn03r63/2，由于电场与该棱镜的z轴方向相反，所以上方的折射率为n_上’＝n₀-Ezn03r63/2。因此，上下光的折射率之差为Δn’＝Ezn03r63，光束穿过双楔形偏转器后的偏转角为：

θ₃＝Δn’L/D＝Ezn03r63L/D＝Vn03r63L/Dh    (5)

其中，h为z轴方向上的晶体宽度，L为沿传播方向晶体的长度，r63为电光系数。

由此可见，当外加电压变化时，偏转角度就成比例地随着变化，从而可以控制光线的传播方向。假设光束的穿过偏振动器后的偏转角为θ₃，则经过顶角相等的光楔组合后，光在像面偏离的大小Δy₃为：

Δy₃＝y tanθ₃＝y*θ₃＝y Vn03r63L/Dh    (6)

可见，只有电压V是变量，因此，光斑在像面上的偏离量随电压变化，因此可以通过控制电光偏转器的电压来校正光斑在像面上的位置。

本发明的电光偏转器主要由液晶构材料组成，液晶在电场的作用下液晶分子的转动会改变它的折射率，从而使透射光产生相位差。

本发明在像面上光斑的偏离的大小0＜Δy₃＜0.6mm，要求液晶材料特性n03r63电光系数满足：0＜n03r63＜0.6Dh/Ly V。

本发明调焦调平***中光斑水平位置调整机构在装调过程中，探测控制器中探测器接收面中的光强传感器采集光强信号并转换为电信号，并将该电信号进行放大、滤波及模数转换，并根据得到的数字信号调整双楔形偏转器的可变直流电压源输出电压，使加载到电光偏转器两端的电压发生变化，从而使光束根据公式(6)所示进行相应的角度偏转，从而达到实际装调需要的角度，使光斑回归零位，提高了装调精度。

可以理解，本发明中楔形棱镜偏转器也可以放到投影单元中的任何位置，其它结构和方法不变。

可以理解，电光偏转器还可为电光晶体及双折射晶体组成的数字式偏转器。

可以理解，本发明中电光偏转器可为串联的多个楔形棱镜偏转器，以避免在一定光斑校正范围内需要电压值太大，以及同时能增大光斑校正范围和降低对晶体材料特性数值，可以通过串联的多个楔形棱镜偏转器来增大总电压，从而增大偏转角调整范围。

请参阅图6，本发明还提供一种调焦调平***中光斑水平位置调整方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过接收探测器记录***中的光斑水平位置偏移量Δy；

步骤S2：判断Δy是否小于预定值，若Δy小于预定值，则根据光束通过电压偏转器的出射角度偏转公式计算与所述预定值对应的光束出射偏转角度，并由所述偏转角度计算出所述电压偏转器的两端电压值；

步骤S3：根据所述电压值调整电压偏转器的两端电压，使得光束出射偏转角度发生改变，从而调整光斑水平位置偏移量Δy。

相比于现有技术，本发明采用的是楔形棱镜偏转器的电光偏转技术，具有调整速度快、精度及稳定性较高、结构相对简单的优点，对有限空间更有利。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种调焦调平***中光斑水平位置调整机构，包括依次设置的光源、投影单元及接收单元，其特征在于：所述投影单元或接收单元中设有电光偏转器，所述光源发出的光束经过投影单元投射成像到待测硅片上后，由所述接收单元接收经硅片反射后光束的成像信息，并通过控制所述电光偏转器的电压来调整光束穿过所述电光偏转器后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。

2.根据权利要求1所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述电光偏转器为楔形棱镜偏转器。

3.根据权利要求1所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述投影单元包括依次设置的投影光阑及第一会聚透镜组，所述光源发出的光束经过投影光阑的狭缝，并由第一会聚透镜组成像到硅片面上。

4.根据权利要求1或2所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述接收单元包括第二会聚透镜组、第三会聚透镜组、偏振器、探测控制器及设于所述第二会聚透镜组、第三会聚透镜组之间的楔形棱镜偏转器，光束通过所述偏振器后由探测控制器接收，并通过探测控制器控制所述楔形棱镜偏转器的电压来调整光束穿过所述电光偏转器后的偏转角，从而校正成像光斑在像面上的位置。

5.根据权利要求1所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述光源包括宽波段光源及准直透镜组，所述宽波段光源可为半导体激光器。

6.根据权利要求5所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述光源还可包括一光滤波器。

7.根据权利要求1所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述电光偏转器主要由液晶构材料组成，其液晶材料特性满足：0＜n₀3r63＜0.6Dh/Ly V，其中，h为z轴方向上的晶体宽度，L为沿传播方向晶体的长度，r63为电光系数，y为像面离开光楔的距离。

8.根据权利要求1所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述电光偏转器还可为电光晶体及双折射晶体组成的数字式偏转器。

9.根据权利要求1所述的调焦调平***中光斑水平位置调整机构，其特征在于：所述电光偏转器可为串联的多个楔形棱镜偏转器。

10.一种调焦调平***中光斑水平位置调整方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤S1：通过接收探测器记录***中的光斑水平位置偏移量Δy；

步骤S2：判断Δy是否小于预定值，若Δy小于预定值，则根据光束通过电压偏转器的出射角度偏转公式计算与所述预定值对应的光束出射偏转角度，并由所述偏转角度计算出所述电压偏转器的两端电压值；

步骤S3：根据所述电压值调整电压偏转器的两端电压，使得光束出射偏转角度发生改变，从而调整光斑水平位置偏移量Δy。

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