CN106647194B - 一种焦面探测单元以及自动调焦的对准*** - Google Patents

Abstract

本发明提供的位于光刻机中的对准***中的焦面探测单元，通过视场光阑、调焦透镜与探测器顺序排列放置，将透过视场光阑的入射光束通过调焦透镜折射到探测器上，由探测器显示出入射光束的投射在探测器上的坐标，并加以计算。因此这种焦面探测单元能够及时、简便地计算出入射光束的离焦量。本发明提供的自动调焦对准***中的分光组件旁设置焦面探测单元，这样掩模或者工件上反射或者折射的光线进入焦面探测单元后，由探测器计算出离焦量，并输送至控制单元，由控制单元控制工件台的移动，直至焦面探测单元计算出的离焦量为0，成像传感器上呈现出清晰的对准标记像，完成了自动调焦。因此这种自动调焦对准***具有及时、准确、操作简单的特点。

Description

一种焦面探测单元以及自动调焦的对准***

技术领域

本发明涉及一种探测单元和对准***，尤其涉及一种焦面探测单元和自动调焦的对准***。

背景技术

在半导体器件制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置，即套刻精度。通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，对于100纳米的光刻机而言，套刻精度指标要求小于35nm。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一，而掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。当特征尺寸要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对准精度的要求变得更加严格，如90nm的特征尺寸要求10nm或更小的对准精度，这就要求对准***在工作过程中提高对焦面的控制精度，以减小离焦差生的误差。

又如在TFT(Thin Film Transistor薄膜场效应晶体管)工艺制程中，随着相关电子消费类产品的发展，对TFT的尺寸要求越来越大，现在五代以上的TFT曝光视场都在17英寸以上，大面积器件的变形产生的离焦效应对对准的影响尤为明显。

在光刻机中，一般由对准***来控制光刻机中的对准精度，从而提高光刻机的套刻精度，传统的对准***主要通过人工调焦来调整对准精度。但目前，人工调焦已逐渐被精密复杂的机电***自动调焦慢慢替代，一般需要标定最佳焦面，并通过数据分析使得机电***探测到最佳焦面后作移动，并最终实现自动调焦。但现有技术中的自动调焦***使用过于复杂，对整个曝光***精密性要求较高，且由于步骤繁琐使得自动调焦产生滞后性，因此需要发明一种操作简单方便，能够实时进行自动调焦的曝光对准***。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种焦面探测单元和自动调焦的对准***，焦面探测单元可以计算出入射光束的离焦量，并根据焦面探测单元的计算数据，控制工件台的移动，实现实时、简单、准确地自动调焦。

为达到上述目的，本发明提供一种焦面探测单元，位于光刻机中的对准***中，所述焦面探测单元依次包括形成光路连接的视场光阑、调焦透镜以及探测器，其特征在于，所述调焦透镜在垂向上偏离所述视场光阑光轴放置，偏离距离为D，入射光束的离焦量Δ可表示为：

其中y_N是所述对准***设定的最佳焦面在所述探测器上标定的垂向高度，y_M是所述入射光束显示在所述探测器上实际的垂向高度，β是所述视场光阑与所述探测器共轭面之间的光学放大倍率，Δy为离焦量Δ对应在所述视场光阑上的位移，L为所述调焦透镜与所述视场光阑之间的水平距离。

作为优选，所述焦面探测单元为一维焦面探测单元，对应所述调焦透镜为单透镜或者对称排列的双透镜。

作为优选，所述焦面探测单元为二维焦面探测单元，对应所述调焦透镜为三角排列的三透镜或者二维排列的四透镜或者阵列排布的多透镜。

作为优选，所述调焦透镜为柱头镜或者柱面菲涅尔透镜或者球面透镜或者球面菲涅尔透镜。

作为优选，所述探测器为线阵列或者面阵列或者单点能量探测器。

本发明还提供一种自动调焦的对准***，包括：

具有对准标记的待测对象；

光源：用于提供照明；

照明组件：用于设置照明的方式，提供照明；

成像探测器：用于将成像光强信号转化成图像的电信号；

成像组件：用于提供一定的倍率，将所述对准标记成像到成像探测器上；

上述的焦面探测单元：用于确定出入射光的离焦量和离焦方向；

控制单元：与所述焦面探测单元、所述成像传感器电路连接，接收由所述焦面探测单元发送的数据信号；

分光组件：用于将聚焦光束分别分到所述焦面探测单元和所述成像探测器所在的成像光路上；

工件台：与所述控制单元电路连接，并由所述控制单元控制移动以形成自动调焦。

作为优选，所述待测对象为掩模版。

作为优选，还包括有具有基准标记的基准板和投影物镜。

作为优选，所述光源、所述照明组件、所述掩模版、所述投影物镜、所述基准板、所述成像组件、所述分光组件依次形成光路连接，所述分光组件分别与所述焦面探测单元和所述成像传感器形成光路连接，所述基准板、所述成像组件、所述分光组件、所述成像传感器与所述焦面探测单元设置在所述工件台上。

作为优选，所述成像组件与所述分光组件位置互换，并由所述成像组件与所述成像传感器光路连接，所述视场光阑放置在所述基准板上，并且与所述基准板表面重合。

作为优选，所述待测对象为工件。

作为优选，所述成像组件分为第一成像组件和第二成像组件，所述分光组件分为第一分光组件和第二分光组件。

作为优选，所述光源、所述照明组件、所述第一分光组件、所述第二分光组件、第一成像组件以及工件依次形成光路连接，所述工件放置于所述工件台上，所述第一分光组件、所述第二成像组件与所述成像传感器依次形成光路连接，所述第二分光组件与所述焦面探测单元光路连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的焦面探测单元，通过视场光阑、调焦透镜与探测器顺序排列放置，将透过视场光阑的入射光束通过调焦透镜折射到探测器上，由探测器显示出入射光束的投射在探测器上的坐标，并加以计算。因此这种焦面探测单元能够及时、简便地计算出入射光束的离焦量。而在对准***中的分光组件旁设置焦面探测单元，这样掩模或者工件上反射或者折射的光线进入焦面探测单元的视场光阑后，由调焦透镜折射至探测器上，探测器计算出该光线与设定的最佳焦面光线之间的距离，根据公式计算出离焦量，并输送至控制单元，由控制单元控制工件台的移动，直至焦面探测单元计算出的离焦量为0，成像传感器上呈现出清晰的对准标记像，完成了自动调焦。因此这种自动调焦对准***具有及时、准确、操作简单的特点。

附图说明

图1为本发明实施例一的焦面探测单元结构图；

图2为本发明实施例一的探测器自动调焦位置信号示意图；

图3为本发明实施例一的对准***结构示意图；

图4为本发明实施例一的对准***自动调焦方法示意图；

图5为本发明实施例二中对准***结构示意图；

图6为本发明实施例三中对准***结构示意图；

图7为本发明实施例四中焦面探测单元的***结构示意图；

图8为本发明实施例五中焦面探测单元的***结构示意图；

图9为本发明实施例六中焦面探测单元的***结构示意图；

图10为本发明实施例七中焦面探测单元的***结构示意图；

图11为本发明实施例八中焦面探测单元的***结构示意图；

图12为本发明实施例九中焦面探测单元的***结构示意图；

图13本发明实施例十中焦面探测单元的***结构示意图。

图中：001-第一入射光线，002-第二入射光线，003-视场光阑，004-调焦透镜，005-探测器，006-焦面探测单元，007-照明组件，008-掩模版，009-投射物镜，010-基准板，011-成像组件，012-分光组件，013-成像传感器，014-工件台，015-工件，016-光源，017-控制单元，018-第一成像组件，019-第二分光组件，020-第一分光组件，021-第二成像组件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

图1为本发明所提供的焦面探测单元006的结构示意图，所述焦面探测单元探测方案为一维焦面探测。在半导体光刻机中，焦面探测单元006位于对准***中，请参照图1，视场光阑003、调焦透镜004与探测器005依次排列形成光路连接，调焦透镜004偏离所述视场光阑003光轴放置，偏离距离为D，入射光束的离焦量Δ可表示为：

其中y_N是最佳焦面在所述探测器005上标定的垂向高度，最佳焦面是对准***在光刻时标定，y_M是入射光束在所述探测器005上实际的垂向高度，β是所述视场光阑003与所述探测器005共轭面之间的光学放大倍率，Δy为离焦量Δ对应在所述视场光阑003上的位移，L为所述调焦透镜004与所述视场光阑003之间的水平距离。请继续参照图1与图2，最佳焦面在所述探测器005上标定的垂向高度为y₂，当入射光束为第一入射光线001时，此时第一入射光线001在所述探测器005上显示出来的实际垂向高度为y₁，则此时第一入射光线001的离焦量Δ可表示为：

当入射光束为第二入射光束002时，此时第二入射光线002在所述探测器005上显示出来的实际垂向高度为y₃，则此时第二入射光线002的离焦量Δ可表示为：

较佳地，所述探测器005为线阵列或者面阵列或者单点能量探测器。

图3为本发明所提供的自动调焦对准***的结构示意图，待测对象为掩模版，如图中所示，所述的自动调焦对准***依次包括：形成光路连接的光源016、照明组件007、掩模版008、投影物镜009、基准板010、成像组件011、分光组件012、成像传感器013，所述成像传感器013与控制单元017形成电路连接，所述控制单元017还与工件台014电路连接，所述基准板010、所述成像组件011以及所述成像传感器013均设置在所述工件台014上，其中所述控制单元017还与焦面探测单元006电路连接，所述分光组件012与所述焦面探测单元006光路连接，所述焦面探测单元006用于计算所述掩模版008上对准标记的离焦量。

较佳地，所述光源016为紫外光源或者可见光源或者红外光源。

较佳地，所述照明组件007照明方式为透射式照明或者反射式照明。

请参照图4，上述自动调焦对准***的掩模对准方法，具体包括以下步骤:

步骤1:所述光源016提供的照明光经由所述照明组件007形成透射式照明或者反射式照明后，投射至所述掩模版010；

步骤2:透过所述掩模版010的中透明图案部分的照明光经过所述投影物镜009折射，到达所述基准板010，然后经由所述成像组件011汇聚成成像光束后，将成像光束投射至所述分光组件012；

步骤3:所述分光组件012将成像光束分成两束，一束投射至所述焦面探测单元006，经由所述焦面探测单元006计算出所述掩模版010上对准标记的离焦量，另一束投射至所述成像传感器013，并在所述成像传感器013上显示出所述对准标记与所述基准板上010的基准标记的像；

步骤4:所述焦面探测单元006将所述对准标记的离焦量输送至所述控制单元017，所述控制单元017根据所述离焦量控制所述工件台014进行移动，直至所述焦面探测单元006输送的离焦量为0，则此时所述成像传感器013上呈现的所述对准标记与所述基准标记的像变为清晰，自动调焦完成。

本实施例中***自动标定最佳焦面在所述基准板表面，因此当所述成像组件011汇聚的掩模版008与基准板010的成像光束经由所述分光组件012投射至所述焦面探测单元006内时，所述基准板010折射的光线在所述探测器005中显示的高度即为最佳焦面在探测器005中的高度，自此计算出由所述掩模版008折射的光线与基准板010之间的距离即可。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，所述分光组件012位于所述基准板010与所述成像组件011之间，且所述视场光阑003位于所述基准板010上，且与所述基准板010表面重合。请参照图5，所述成像组件011与所述分光组件012位置互换，光线经过所述视场光阑003和基准板010后到达所述分光组件012，被分束后到达所述焦面探测单元006中。

请参照图5，本实施例的掩模对准方法与实施例一的区别在于，光线经由所述基准板010和所述掩模版008并未经过所述成像组件011汇聚成成像光束，而是直接投射至焦面探测单元006，因此本实施例对成像组件011的成像功能要求较低，且所述焦面探测单元接收的是未经汇聚的光束，使得调焦更加精确。

实施例三

请参照图6，本实施例待测对象为工件，***构成依次包括：形成光路连接的光源016、照明组件007、第一分光组件020、第二分光组件019、第一成像组件018、工件015以及用于放置工件015的工件台014，所述第一分光组件020还光路连接有第二成像组件021、成像传感器013，所述成像传感器013与所述工件台014皆与控制单元017电路连接，其中，所述第二分光组件019还光路连接有焦面探测单元006，并且所述焦面探测单元006与所述控制单元017电路连接，所述焦面探测单元006用于计算所述工件015对准标记的离焦量。

请参照图4，本发明还提供一种上述的自动调焦的工件对准***的工件对准方法，具体包括如下步骤：

步骤1:所述光源016提供的照明光经由所述照明组件007形成透射式照明或者反射式照明后，投射至所述第一分光组件020，并经过所述第二分光组件019、所述第一成像组件018到达所述工件015；

步骤2:所述工件015反射照明光至所述第一成像组件018后形成成像光束，并将成像光束投射至所述第二分光组件019；

步骤3:所述第二分光组件019将成像光束分成两束，一束投射至所述焦面探测单元006，并且由焦面探测单元006计算出所述工件015对准标记的离焦量，另一束投射至所述第一分光组件020，并经由所述第二成像组件021投射至所述成像传感器成像013；

步骤4:所述焦面探测单元006将计算出的离焦量输送至所述控制单元017，并且由控制单元017处理后控制所述工件台014进行移动，直至所述焦面探测单元006输送的离焦量为0，此时所述成像传感器013上所述工件015对准标记的像变为清晰，则工件015自动调焦完成。

实施例四

请参照图7，本实施例与实施例一的区别在于所述焦面探测单元006中调焦透镜004的透镜个数为两个，并且两个透镜并排呈对称排列，如此可以获得入射光线的更多位置数据，如场曲，使得调焦更加精确。

实施例五

请参照图8，本实施例与实施例一的区别在所述焦面探测单元006为二维焦面探测单元，对应调焦透镜004的透镜个数为三个，并且三面透镜呈平面等边三角形排列，如此除了可以获得场曲和对准标记离焦的数据以外，还可以获得二维焦面数据，如象散，相比于一维焦面探测方案，二维焦面探测单元的自动调焦更加精确。

实施例六

请参照图9，本实施例与实施例一的区别所述焦面探测单元006为二维焦面探测单元，所述调焦透镜004的透镜个数为四个，呈平面四边形排列。

实施例七

请参照图10，本实施例与实施例一的区别所述焦面探测单元006中的调焦透镜004的透镜个数为两个，并排对称排列，所述调焦透镜004为柱面透镜。

实施例八

请参照图11，本实施例与实施例一的区别所述焦面探测单元006中的调焦透镜004的透镜个数为两个，并排对称排列，所述调焦透镜004为柱面菲涅耳透镜。

实施例九

请参照图12，本实施例与实施例一的区别所述焦面探测单元006中的调焦透镜004的透镜个数为两个，并排对称排列，所述调焦透镜004为球面透镜。

实施例十

请参照图13，本实施例与实施例一的区别所述焦面探测单元006中的调焦透镜004的透镜个数为两个，并排对称排列，所述调焦透镜004为球面菲涅耳透镜。

本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例，如焦面探测单元006中的调焦透镜004中透镜的个数为多个，透镜也可以根据实际功能需要设置不同的透镜。显然本领域的技术人员可以对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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种焦面探测单元，位于光刻机中的对准***中，所述焦面探测单元依次包括形成光路连接的视场光阑、调焦透镜以及探测器，其特征在于，所述调焦透镜在垂向上偏离所述视场光阑光轴放置，偏离距离为D，入射光束的离焦量Δ可表示为：

<mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>M</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>-</mo> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中y_N是所述对准***设定的最佳焦面在所述探测器上标定的垂向高度，y_M是所述入射光束显示在所述探测器上实际的垂向高度，β是所述视场光阑与所述探测器共轭面之间的光学放大倍率，Δy为离焦量Δ对应在所述视场光阑上的位移，L为所述调焦透镜与所述视场光阑之间的水平距离。

2.如权利要求1所述的焦面探测单元，其特征在于，所述焦面探测单元为一维焦面探测单元，对应所述调焦透镜为单透镜或者对称排列的双透镜。

3.如权利要求1所述的焦面探测单元，其特征在于，所述焦面探测单元为二维焦面探测单元，对应所述调焦透镜为三角排列的三透镜或者二维排列的四透镜或者阵列排布的多透镜。

4.如权利要求1所述的焦面探测单元，其特征在于，所述调焦透镜为柱透镜或者球面透镜。

5.如权利要求1所述的焦面探测单元，其特征在于，所述探测器为线阵列或者面阵列或者单点能量探测器。

6.一种自动调焦的对准***，其特征在于，包括：

具有对准标记的待测对象；

光源：用于提供照明；

照明组件：用于设置照明的方式，提供照明；

成像探测器：用于将成像光强信号转化成图像的电信号；

成像组件：用于提供一定的倍率，将所述对准标记成像到成像探测器上；

如权利要求1～5中任意一项所述的焦面探测单元：用于确定出入射光的离焦量和离焦方向；

控制单元：与所述焦面探测单元及成像传感器电路连接，接收由所述焦面探测单元发送的数据信号；

分光组件：用于将聚焦光束分别分到所述焦面探测单元和所述成像探测器所在的成像光路上；

工件台：与所述控制单元电路连接，并由所述控制单元控制移动以形成自动调焦。

7.如权利要求6所述的自动调焦的对准***，其特征在于，所述待测对象为掩模版。

8.如权利要求7所述的自动调焦的对准***，其特征在于，还包括有具有基准标记的基准板和投影物镜。

9.如权利要求8所述的自动调焦的对准***，其特征在于，所述光源、所述照明组件、所述掩模版、所述投影物镜、所述基准板、所述成像组件、所述分光组件依次形成光路连接，所述分光组件分别与所述焦面探测单元和所述成像传感器形成光路连接，所述基准板、所述成像组件、所述分光组件、所述成像传感器与所述焦面探测单元设置在所述工件台上。

10.如权利要求9所述的自动调焦的对准***，其特征在于，所述成像组件与所述分光组件位置互换，并由所述成像组件与所述成像传感器光路连接，所述视场光阑放置在所述基准板上，并且与所述基准板表面重合。

11.如权利要求6所述的自动调焦的对准***，其特征在于，所述待测对象为工件。

12.如权利要求11所述自动调焦的对准***，其特征在于，所述成像组件分为第一成像组件和第二成像组件，所述分光组件分为第一分光组件和第二分光组件。

13.如权利要求12所述自动调焦的对准***，其特征在于，所述光源、所述照明组件、所述第一分光组件、所述第二分光组件、第一成像组件以及工件依次形成光路连接，所述工件放置于所述工件台上，所述第一分光组件、所述第二成像组件与所述成像传感器依次形成光路连接，所述第二分光组件与所述焦面探测单元光路连接。