CN114509923A

CN114509923A - 一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置及其应用

Info

Publication number: CN114509923A
Application number: CN202210108915.9A
Authority: CN
Inventors: 李艳丽; 伍强; 刘显和
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2042-01-28
Also published as: CN114509923B

Abstract

本发明公开了一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置及其应用；本发明装置将两个垂直放置且黏附在一起的U型弹簧片与深紫外物镜相连，通过两个可调节螺丝调整物镜和调焦调平单元的相对位置，调焦调平单元先扫描样品表面得到表面高低起伏，也即离焦量，后续物镜对此处成像时直接通过移动工件台来调节离焦的高度z，使得被测图形清晰。本发明装置结构简单，将其和具有较少镜片的深紫外物镜配合使用，可用于明场成像的半导体集成电路带图形硅片的缺陷检测，检测效率更高。

Description

一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置及其应用

技术领域

本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置及其应用。

背景技术

半导体集成电路制造进入了深亚微米线宽，制造过程中的缺陷对集成电路的性能与成品率的影响也越来越大。在半导体集成电路工艺流程里，对缺陷的有效控制是保证成品率与性能的关键。在缺陷检测方面，采用光学成像检测是主要与快速的方法。由于检测的灵敏度与分辨率取决于光学的分辨率，波长越短，或者数值孔径越大，其分辨率越高。随着集成电路制造线宽不断缩小，集成电路的制造密度越来越大，单位面积里的电路与器件也越来越多，对于缺陷检测的压力也越来越大，包括检测的速度与检测的灵敏度或者分辨率，现有设备的检测能力将成为瓶颈。一般的深紫外缺陷成像物镜包含20片左右的镜片，与其协同工作的筒镜包含3片物镜，且工作在238~266纳米或者以上波长，数值孔径在0.9或者以下，其分辨率在66 nm半周期，制造工艺复杂，成本很高。

发明内容

针对包含20片左右的镜片深紫外缺陷成像物镜的不足，可以通过使用加长焦距与显微镜筒长，缩短波长与收窄波段（190~200 nm），在没有降低分辨率的情况下，大大减少镜头的片数，降低镜头的制作难度与公差，进而降低成本，缩短研制周期，大量制造深紫外物镜；而这种深紫外物镜通过借助外置调焦调平装置提前调焦，能在大大减小镜头制作难度的前提下，达到和包含20片左右的镜片的深紫外缺陷成像物镜一样的用于半导体集成电路带图形硅片的缺陷检测的目的，同时其不是用同一个镜头调焦和拍照，效率也更高。

为了提高缺陷检测速度，当物镜扫描到某位置的时候，希望物镜已经预先知道此位置的最佳焦距，因此本发明提供了一种在这种深紫外物镜设计中的调焦调平装置。此装置预先检测样品表面的高低起伏，也即离焦量，后续物镜移到某处成像，直接通过调节工件台在z方向的高度将离焦量补偿掉，即可通过物镜拍摄到清楚的图样。本发明的技术方案具体介绍如下。

一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置，其包括调焦调平单元和两个开口向下设置的U型弹簧片；调焦调平单元包括光源和探测器，U型弹簧片包括底边和两侧边，其中一个U型弹簧片的一条侧边和另一个U型弹簧片的一条侧边之间黏附连接，使得两个U型弹簧片相互垂直，分别呈x，y轴方向设置，一个U型弹簧片的另一条侧边的外侧贴紧物镜，另一个U型弹簧片的另一条侧边的底部安装支架，光源和探测器分别安装在支架的两端；两个U型弹簧片的两侧边上分别安装可调节螺丝，用于调节调焦调平单元在x，y轴方向上相对物镜的位置。

本发明中，探测器包括裂像棱镜光栅、第一光电传感器、第二光电传感器和差分信号处理器；裂像棱镜光栅的上表面的刻槽为三角型，光栅底部两端设置滑轮，光栅后面两侧分别设置一光电传感器，样品表面反射到光栅上的光线经过两个光电传感器探测光强，并由差分信号处理器根据两光电传感器测量的光强差计算离焦量。

本发明中，U型弹簧片在Z轴上高度在10 cm~20cm之间，U型弹簧片的两个侧边之间的间距为1~2cm，U型弹簧片的侧边厚度为3~8mm，U型弹簧片的侧边的宽度为3~6cm。

本发明还提供一种上述的调焦调平装置在明场成像进行缺陷检测中的应用。其通过调焦调平装置先检测带图形硅片样品表面的高低起伏，也即离焦量，后续将物镜移到某处成像，直接通过调节工件台在z方向的高度将离焦量补偿掉，通过物镜拍摄到清楚的图样，实现样品上的缺陷检测；

本发明中，缺陷检测过程中，工件台扫描的路径是调焦调平光斑的长轴与物镜的像场连线的方向，这一方向是带图形硅片样品的中每个曝光场的x方向，即曝光场的短边，沿着曝光场的短边的检测采用步进扫描方式；缺陷检测方法具体如下：

（1）首先通过调节可调节螺丝，调整调焦调平单元在x，y轴方向上相对物镜的位置，使得调焦调平光斑的长轴和物镜像场连线的方向是沿着这个样品缺陷检测的曝光场的x方向，同时调焦调平光斑和物镜像场之间的间距是调焦调平步进的整数倍，调整好后固定；

（2）对调焦调平单元进行校准：

第一步，在样品上第一个有图形的位置，先通过调整裂像棱镜光栅底部的滑轮，使得样品表面反射到光栅上的光线中心正好通过光栅上三角形的顶点，此时经过两个光电传感器的光强一致，这个样品位置的点在z方向上为0焦点位置，此时光栅位置调整好了，固定不动；

第二步，固定调焦调平单元和物镜，通过移动工件台，将样品的第一个有图形的位置移动到物镜下方，通过调整工件台在z方向位置，得到清晰的图样，此时确认了物镜的0点；

（3）调焦调平单元校准之后，用3个自由度（x，y，z）的激光干涉仪对工件台进行测控，实时监测缺陷检测过程中样品的移动的绝对位置，以便将精确位置的离焦量更好的反馈给物镜；

工件台扫描进行缺陷检测，调焦调平单元在前方测样品表面高低起伏，当样品的位置与校准的0点相比有在z方向的高度差时，光电传感器光强不同，通过差分信号处理器中两者光强之差计算出离焦量，每个位置的离焦量都会存储；当物镜对样品的A位置，即第一个位置进行成像时，此时将工件台沿着z轴整体调整一个离焦量拍照，此时调焦调平单元测量的位置为C，此时的离焦量是在A位置补偿过离焦量的基础上测得的；所以当C位置移动到物镜下方时，此时先将工件台的位置还原到对A位置进行拍照处，再补偿C位置的测得的离焦量，对C位置进行拍照，这一过程重复，直到测量完所有的样品表面。

本发明中，调焦调平时光源采用紫外光或者极紫外光波段200~350 nm，光线与样品表面的夹角（掠入射角度）为20°~30°。

本发明中，裂像棱镜光栅的棱镜的周期大于调焦调平光斑大小，也即周期大于1mm。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

该调焦调平装置结构简单，其和具有较少镜片，自身不带有调焦功能的深紫外物镜配合使用，能达到和包含20片左右的镜片的深紫外缺陷成像物镜一样的用于半导体集成电路带图形硅片的缺陷检测的目的，其在大大减小了镜片制作难度的同时，由于其不是用同一个镜头调焦和拍照，效率也更高；本发明实施例中，调焦调平光源投影到样品上的光斑大小为1 x 3 mm的类似长方形，物镜的像场约为40 µm时，调焦一次之后可以供物镜拍照约1800次。

附图说明

图1：本发明的一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置示意图。

图2：本发明中调焦调平装置测量样品表面高低差的原理。

图3：本发明实施例中的一种深紫外物镜设计的结构示意图。

图中标号：1-物镜，2-第一U型弹簧片，3-第一可调节螺丝；4-第二U型弹簧片，5-第二可调节螺丝，6-支架，7-光源，8-探测器，801-裂像棱镜光栅，802-滑轮，803-第一光电传感器，804-第二光电传感器，805-差分信号处理器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

实施例中，针对一种深紫外物镜（如图3所示），该深紫外物镜包含6片球面镜片，其与包含3片球面镜片的筒镜协同工作，成像于无穷远，六面镜片采用正、负、正、正、正、负结构消除基本像差与色差，同时6片球面镜片中半数为深紫外熔融石英（fused silica)，半数为氟化钙材料制作；最终，深紫外物镜的工作波长在193 nm，数值孔径在0.75~0.85范围内，分辨率为58~64 纳米半周期，物镜的视场范围在30~50 µm，物镜的焦深约为200 nm；该深紫外简化了镜头的结构，降低了镜头的制作难度、制作成本，缩短了研制周期，有利于大量制造。

将上述深紫外物镜用于带图形硅片上缺陷的检测时，为了提高缺陷检测速度，当物镜扫描到某位置的时候，希望物镜已经预先知道此位置的最佳焦距，因此实施例中提供了一种调焦调平装置。该装置可以预先检测样品表面的高低起伏，也即离焦量，后续物镜移到某处成像，直接通过调节工件台在z方向的高度将离焦量补偿掉，即可通过物镜拍摄到清楚的图样。

实施例中，一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置，其包括光源7、探测器8、第一U型弹簧片2和第二U型弹簧片4，光源7和探测器8形成调焦调平单元；第一U型弹簧片2和第二U型弹簧片4包括底边和两侧边，第一U型弹簧片2和第二U型弹簧片4的两侧边上分别安装第一可调节螺丝3、第二可调节螺丝5；第一U型弹簧片2和第二U型弹簧片4的开口向下，同时第一U型弹簧片2的一条侧边和第二U型弹簧片4的一条侧边之间黏附连接使得第一U型弹簧片2和第二U型弹簧片4相互垂直，第一U型弹簧片2的另一条侧边的外侧贴紧物镜1，第二U型弹簧片4的另一条侧边的底部设置支架6，支架6的两端分别设置光源7和探测器8。

对于一个U型弹簧片（例如第一U型弹簧片2），U型弹簧片在Z轴上高度（H）约10 cm~20cm，两片之间的距离（G）约为1~2cm（y方向上的间距），弹簧片的厚度（d）为3~8mm，U型弹簧片沿着x方向的宽度（L）约为3~6cm，防止太窄造成扭动。

采用上述调焦调平装置结合上述深紫外物镜对带图形硅片上缺陷进行检测的具体步骤如下：

缺陷检测的时候是对每个曝光场进行检测，例如硅片上曝光场一般的范围是26× 33 mm，首先通过调节第一可调节螺丝3、第二可调节螺丝5，分别调整调焦调平单元8在y，x轴方向上相对物镜1的位置，使得调焦调平光斑（1mm*3mm）的长轴和物镜像场连线的方向是沿着这个曝光场的x方向（26 mm的方向），同时调焦调平是步进扫描的，调焦调平光斑和物镜像场之间的间距是调焦调平步进的整数倍，方便后续实际缺陷检测时候的计算，调整好固定，如图1所示。

在进行缺陷检测之前先对调焦调平单元进行校准：第一步，在第一个有图形的位置，先通过调整裂像棱镜光栅801底部的滑轮802，如图2所示，使得样品表面反射到光栅上的光线中心正好通过光栅上三角形的顶点，此时经过第一光电传感器803和第二光电传感器804的光强一致，我们定义这个样品位置的点为0焦点位置（z方向），此时光栅位置调整好了，固定不动。第二步，调焦调平单元8和物镜1之间的距离现在是固定的，通过移动工件台，将样品的第一个位置移动到物镜1下方，通过调整工件台在z方向位置，得到清晰的图样，此时物镜1的0点也已经确认。上述过程是对整个缺陷检测***进行初始校准，用3个自由度（x，y，z）的激光干涉仪对工件台进行测控，实时监测缺陷检测过程中样品的移动的绝对位置。

调焦调平单元校准之后，进行缺陷检测，缺陷检测过程中工件台扫描的最佳路径是调焦调平光斑长轴与物镜1的像场连线的方向，即每个曝光场的x方向。调焦调平单元8在前方测样品表面高低起伏，当样品的位置与校准的0点相比有在z方向的高度差时（离焦），第一、二光电传感器803、804的光强不同，通过差分信号处理器805中两者光强之差计算出离焦量，每个位置的离焦量都会存储，当物镜1对样品的A位置（包含1800个像场点的调焦位置的第一个样品位置）进行成像时，此时将工件台沿着z轴整体调整一个离焦量拍照。此时调焦调平单元8测量的位置为C，也即另外一个包含1800个像场点的调焦位置，此时的离焦量是在A位置补偿过离焦量的基础上测得的。所以当C位置移动到物镜1下方时，此时需要先将工件台的位置还原到对A位置进行拍照处，再补偿C位置的测得的包含的1800点的离焦量，对这些点进行拍照。这一过程重复，直到测量完所有的样品表面；整个工件扫描过程中，用3个自由度（x，y，z）的激光干涉仪对工件台进行测控，实时监测缺陷检测过程中样品的移动的绝对位置，以便将精确位置的离焦量更好的反馈给物镜。

物镜的视场范围在30~50µm，工件台移动的精度控制在＜±1 µm。此物镜的焦深约为200 nm，本发明中调焦调平在z方向上的定位精度可达到20 nm，是足够的。

Claims

1.一种深紫外物镜设计中的调焦调平装置，其特征在于，其包括调焦调平单元和两个开口向下设置的U型弹簧片；调焦调平单元包括光源和探测器，U型弹簧片包括底边和两侧边，其中一个U型弹簧片的一条侧边和另一个U型弹簧片的一条侧边之间黏附连接，使得两个U型弹簧片相互垂直，分别呈x，y轴方向设置，一个U型弹簧片的另一条侧边的外侧贴紧物镜，另一个U型弹簧片的另一条侧边的底部安装支架，光源和探测器分别安装在支架的两端；两个U型弹簧片的两侧边上分别安装可调节螺丝，用于调节调焦调平单元在x，y轴方向上相对物镜的位置。

2.根据权利要求1所述的紫外物镜设计中的调焦调平装置，其特征在于，探测器包括裂像棱镜光栅、第一光电传感器、第二光电传感器和差分信号处理器；裂像棱镜光栅的上表面的刻槽为三角型，光栅底部两端设置滑轮，光栅后面两侧分别设置一光电传感器，样品表面反射到光栅上的光线经过两个光电传感器探测光强，并由差分信号处理器根据两光电传感器测量的光强差计算离焦量。

3.根据权利要求1所述的紫外物镜设计中的调焦调平装置，其特征在于，U型弹簧片在Z轴上高度在10 cm~20cm之间，U型弹簧片的两个侧边之间的间距为1~2cm，U型弹簧片的侧边厚度为3~8mm，U型弹簧片的侧边的宽度为3~6cm。

4.一种根据权利要求1-3之一所述的调焦调平装置在明场成像进行缺陷检测中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，通过调焦调平装置先检测样品表面的高低起伏，也即离焦量，后续将物镜移到某处成像，直接通过调节工件台在z方向的高度将离焦量补偿掉，通过物镜拍摄到清楚的图样，实现带图形硅片样品上的缺陷检测。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，缺陷检测过程中，工件台扫描的路径是调焦

调平光斑的长轴与物镜的像场连线的方向，这一方向是带图形硅片样品的中每个曝光场的x方向，即曝光场的短边，沿着曝光场的短边的检测采用步进扫描方式；缺陷检测方法具体如下：

对调焦调平单元进行校准：

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，调焦调平时光源采用紫外光或者极紫外光波段200~350 nm，光线与样品表面的掠入射角度为20°~30°。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，裂像棱镜光栅的棱镜的周期大于调焦调平光斑大小，也即周期大于1 mm。