一种光刻机用调焦调平系统及其调焦调平方法

摘要

本发明公开了一种光刻机用调焦调平系统及其调焦调平方法，该系统包括发射部分和接受部分，发射部分包括第一转向反射光学元件，接受部分包括第二转向反射光学元件和探测器，一部分测量光束经过第一转向反射光学元件后以零入射角直接射入第二转向反射光学元件，最终到达探测器，另一部分测量光束经过被测对象反射后射入第二转向反射光学元件，最终到达探测器，两部分测量光束在探测器上分别成像以实现调焦调平系统的自参考功能。本发明通设置第一转向反射光学元件和第二转向反射光学元件，对两部分测量光束的入射角进行调节，使其经过不同的光路成像到探测器上，实现了系统的自参考功能，提高了系统的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光刻机技术领域，具体涉及一种光刻机用调焦调平系统及其调 焦调平方法。

背景技术

投影光刻机是一种把掩模上的图案通过投影物镜投影到硅片表面的设备。 在光刻机的曝光过程中，如果硅片相对于物镜焦平面的离焦或倾斜使曝光视场 内某些区域处于有效焦深之外，将严重影响光刻质量，因此必须采用调焦调平 系统进行精确控制。现有的调焦调平系统的一般工作原理是：首先获得整个曝 光场内硅片表面高度与倾斜信息，以此来判断调焦调平系统是否正确调焦调平， 并根据这些信息作相应调节，以精确控制硅片位置。

随着对光刻工艺技术的要求不断提高，调焦调平系统的检测精度也须不断 提高，而系统的测量稳定性是影响其测量精度一个非常重要的因素。目前的调 焦调平系统通常采用非接触式光电测量技术来检测硅片表面高度与倾斜度信 息，激光三角测量法就是最普遍的一种，其具有精度高、速度快的特点，然而 该方法的检测精度一方面受被测对象的工艺缺陷影响较大，如翘曲、反射率不 均以及光刻胶底层的电路图案等；另一方面受到环境影响导致系统出现温度性 偏差，从而影响系统自身的稳定性。

针对调焦调平系统自身稳定性的问题，如图1所示，已有的方法通过在调 焦调平传感器的被测对象附近增加一个特制的参考反射镜1’，由于特制的参考 反射镜可以做到很高的加工精度，几乎不存在工艺缺陷，也不会像硅片等被测 对象一样会被更换，因此可以借助特制的参考反射镜，减少传感器自身的不稳 定因素带来的影响，也可在一定程度上消除因环境造成的温度性偏差对测量精 度的影响。但由于参考反射镜放置在实际被测对象的附近，占据了投影物镜下 方的有效利用空间，同时增加了调焦调平系统的实现难度；当装调过程中参考 反射镜入射角与设计值出现偏差时，也将导致参考光路发生偏差，从而降低参 考测量精度。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种能有效消除温度性偏差，提高系统 测量精度的光刻机调焦调平系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种光刻机用调焦调平系 统，包括发射部分和接受部分，所述发射部分包括第一转向反射光学元件(71)， 所述接受部分包括第二转向反射光学元件(72)和探测器(9)，一部分测量光 束经过所述第一转向反射光学元件(71)后以零入射角直接射入所述第二转向 反射光学元件(72)，最终到达所述探测器(9)，另一部分测量光束经过被测对 象反射后射入第二转向反射光学元件(72)，最终到达所述探测器(9)，两部分 测量光束在探测器(9)上分别成像以实现调焦调平系统的自参考功能。

进一步的，所述第一、第二转向反射光学元件均包括：1个第一转向棱镜 (701)和设于所述第一转向棱镜(701)两侧的2个第二转向棱镜(702)；所 述一部分测量光束经过所述发射部分的第二转向棱镜(702)后，以零入射角直 接投射至所述接受部分的第二转向棱镜(702)后，最终到达所述探测器；所述 另一部分测量光束经过所述发射部分的所述第一转向棱镜(701)，投射至所述 测量对象，经过所述测量对象反射后，投射至所述接受部分的第一转向棱镜 (701)，最终到达所述探测器(9)。

进一步的，所述第一转向棱镜(701)与所述第二转向棱镜(702)为底面 不同的三棱柱。

进一步的，所述第一转向棱镜(701)的截面为锐角三角形，所述第二转向 棱镜(702)的截面为直角三角形，所述锐角三角形的一条边与所述直角三角形 的一边等长，所述锐角三角形的另两条边的长度均小于对应直角三角形另两边 的长度。

进一步的，所述第一、第二转向反射光学元件(71、72)还包括第三转向 棱镜(703)，所述第三转向棱镜(703)的截面为直角梯形，所述直角梯形的直 角边与所述第一转向棱镜(701)锐角三角形的一条边及所述第二转向棱镜(702) 直角三角形的一边等长。

进一步的，所述发射部分还包括：依次排列的光源(3)、柯勒照明镜组(4)、 投影标记板(5)和投影镜组(6)。

进一步的，所述投影镜组(6)包括第一透镜(601)和第二透镜(602)， 所述第二透镜(602)的后焦面与所述第一透镜(601)的前焦面共面。

进一步的，所述第一透镜(601)与第二透镜(602)之间设有第一光阑(603)。

进一步的，所述接受部分还包括：设于所述第二转向反射光学元件(72) 和探测器(9)之间的探测镜组(8)，以及接收所述探测器(9)信号的信号处 理与控制单元(10)。

进一步的，所述探测镜组(8)包括第三透镜(801)和第四透镜(802)， 所述第三透镜(801)和第四透镜(802)之间设有反射镜(803)。

进一步的，所述反射镜(803)与第四透镜(802)之间设有第二光阑(804)。

一种光刻机用调焦调平系统的调焦调平方法，其特征在于，包括以下几个 步骤：

S1：对光刻机用调焦调平系统每一部分进行安装；

S2：使一部分测量光束经过第一转向反射光学元件后直接射入第二转向反 射光学元件，最终成像于所述探测器上；另一部分测量光束经过被测对象反射 后射入第二转向反射光学元件，成像于所述探测器上；

S3：通过两部分测量光束在探测器上的成像位置对被测对象进行调焦调平。

本发明提供的光刻机用调焦调平系统及其调焦调平方法，通过设置第一转 向反射光学元件和第二转向反射光学元件，对实际测量光束(探测光束)和参 考光束的入射角进行调节，使其经过不同的光路成像到探测器上，根据参考标 记的偏移量判断温度性偏差引起的测量误差，通过计算测量标记与参考标记的 相对偏移量从而将该测量误差从中消除，实现系统的自参考功能，大大提高了 系统的测量精度。

附图说明

图1是现有调焦调平系统的结构示意图；

图2是本发明光刻机调焦调平系统实施例1的结构示意图；

图3a本发明实施例1中转向棱镜组的立体结构图；

图3b是图3a中转向棱镜组的侧视图；

图4是本发明光刻机调焦调平系统对硅片进行调焦调平的方法流程图；

图5是本发明光刻机调焦调平系统实施例2的结构示意图；

图6a是本发明实施例3中转向棱镜组的结构示意图；

图6b是图6a中转向棱镜组的侧视图。

图中所示：1’、参考反射镜；1、硅片；2、投影物镜；3、光源；301、照 明光束；302、参考光束；303、探测光束；304、反射光束；4、柯勒照明镜组； 5、投影标记板；6、投影镜组；601、第一透镜；602、第二透镜；603、第一光 阑；71、第一转向反射光学元件；72、第二转向反射光学元件；701、第一转向 棱镜；702、第二转向棱镜；703、第三转向棱镜；8、探测镜组；801、第三透 镜；802、第四透镜；803、反射镜；804、第二光阑；9、探测器；10、信号处 理与控制单元；11-13、驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

如图2所示，本发明一种光刻机用调焦调平系统，用于检测被测对象即硅 片1表面相对于投影物镜2焦平面的高度值和倾斜量，从而实现对硅片1的调 焦调平，包括发射部分和接受部分，其中发射部分包括依次排列的光源3、柯勒 照明镜组4、投影标记板5、投影镜组6和第一转向反射光学元件71，接受部分 包括依次排列的第二转向反射光学元件72、探测镜组8、探测器9和信号处理 与控制单元10，具体的，第一转向反射光学元件71和第二转向反射光学元件 72沿硅片1镜像对称分布，一部分测量光束即参考光束302经过第一转向反射 光学元件71后，不经过被测对象即硅片1反射，以零入射角直接射入第二转向 反射光学元件72，最终到达探测器9，另一部分测量光束即探测光束303经过 硅片1反射后射入第二转向反射光学元件72，最终到达所述探测器9，参考光 束302和探测光束303在探测器9上分别成像以实现调焦调平系统的自参考功 能。

光源3提供照明光束301，所述照明光束301依次通过用于产生平行光束的 柯勒照明镜组4、用于将照明光束301转化成参考光束302和探测光束303的投 影标记板5、用于收集参考光束302和探测光束303的投影镜组6、以及用于调 节参考光束302和探测光束303入射角度的第一转向反射光学元件71后，探测 光束303投射到硅片1上产生反射光束304通过硅片1另一侧的第二转向反射 光学元件72调节角度后被探测镜组8收集并成像到探测器9上，而参考光束302 直接通过硅片1另一侧的第二转向反射光学元件72调节角度后经探测镜组8收 集并成像到探测器9上；具体的，参考光束302经过第一转向反射光学元件71 的第二转向棱镜702后，以零入射角直接投射至第二转向反射光学元件72的第 二转向棱镜702后，最终到达所述探测器9；所述另一部分测量光束即探测光束 303经过第一转向反射光学元件71的所述第一转向棱镜701，投射至所述测量 对象，经过所述测量对象反射后，投射至第二转向反射光学元件72的第一转向 棱镜701，最终到达所述探测器9。

信号处理与控制单元10接收探测器9输出的电信号，进行处理之后得到硅 片1的高度和倾斜度信息，并控制硅片1进行调焦调平。

优选的，第一、第二转向反射光学元件71、72均包括一个第一转向棱镜701 和设于第一转向棱镜701两侧的两个第二转向棱镜702；投影标记板5上设有分 别与所述第一转向棱镜701相对应的测量标记(图中未标出)和与第二转向棱 镜702相对应的参考标记(图中未标出)。本实施例中投影标记板5与水平方向 的夹角为θ，0°<θ<90°，为了不影响投影标记板5上的参考标记和测量标记 在探测器9上的成像效果，探测器9与水平方向的夹角θ₁＝90°-θ。

如图3a所示，第一转向棱镜701与第二转向棱镜702为底面不同的三棱柱， 其中第一转向棱镜701的截面为锐角三角形，第二转向棱镜702的截面为直角 三角形，且所述锐角三角形的一条边与所述直角三角形的其中一边等长，所述 锐角三角形的另两条边的长度均小于对应直角三角形另两边的长度。需要说明 的是，测量标记和参考标记沿投影标记板5的位置分别与第一转向反射光学元 件71的第一转向棱镜701和第二转向棱镜702对应，照明光束301通过参考标 记和测量标记后形成参考光束302和探测光束303，如图3b所示，探测光束303 垂直第一转向反射光学元件71中第一转向棱镜701的上表面入射之后，由第一 转向反射光学元件71中第一转向棱镜701的一个侧面反射之后垂直另一侧面射 出，参考光束302垂直第一转向反射光学元件71中第二转向棱镜702的上表面 入射之后，由第一转向反射光学元件71中第二转向棱镜702的一个侧面反射之 后垂直另一个侧面射出。

请继续参照图2，投影镜组6包括第一透镜601和第二透镜602，且第二透 镜602的后焦面与第一透镜601的前焦面共面，这样不仅能对散色的探测光斑 束302起到很好汇聚作用，同时使其照明的视场中心始终位于光轴上。第一透 镜601与第二透镜602之间设有第一光阑603，达到滤去非成像的杂散光，进一 步控制照明视场边界的目的。

优选的，探测镜组8包括第三透镜801和第四透镜802，第三透镜801和第 四透镜802之间设有反射镜803，第三透镜801收集对应第二转向反射光学元件 72的光束后通过反射镜803调整角度后由第四透镜802汇聚到探测器9上对参 考标记和测量标记分别进行成像。

本发明还提供了一种如上所述的光刻机调焦调平系统对硅片进行调焦调平 的方法，如图4所示，包括以下几个步骤：

S1：对光刻机调焦调平系统每一部分进行安装；

S2：使一部分测量光束即参考光束302经过第一转向反射光学元件71后直 接射入第二转向反射光学元件72，最终成像于探测器9上；另一部分测量光束 即探测光束303经过被测对象即硅片1反射后射入第二转向反射光学元件72， 成像于所述探测器上；具体的，照明光束通过柯勒照明镜组4、投影标记板5、 投影镜组6后形成参考光束302和探测光束303，第一转向反射光学元件71调 整入射角度后；探测光束303投射到硅片1上产生反射光束304通过第一转向 反射光学元件71调节角度后被探测镜组8收集并成像到探测器9上，参考光束 302直接通过第二转向反射光学元件72调节角度后经探测镜组8收集并成像到 探测器9上；

S3：通过两部分测量光束即参考光束302和探测光束303在探测器上的成 像位置对被测对象进行调焦调平，具体的，信号处理与控制单元10分别接收参 考标记与测量标记在探测器9上的成像信息，得到参考标记和测量标记的偏移 量Δy₁、Δy₂，即实际成像位置与理论成像位置的偏差，如当参考标记和测量标记 沿投影标记板5的中心线分布时，两者的理论成像位置即是探测器9的中心线 上，接着计算出测量标记与参考标记的相对偏移量Δy，并根据相对偏移量Δy得 到硅片1表面相对于投影物镜2焦平面的偏移信息，需说明的是，由于参考光 束302不经过硅片1进行反射，因此产生的偏移量Δy₁代表系统本身由于环境因 素引起的温度性偏差，而计算探测光束303与参考光束302的相对偏移量Δy的 过程即消除温度性偏差的过程，因此偏移量Δy更加准确反映了硅片1表面相对 于投影物镜2焦平面的高度值和倾斜量信息；信号处理与控制单元10根据上述 偏移信息控制硅片进行调焦调平，即驱动电机11、12、13调节工件台(图中未 标出)，使硅片1处于最佳曝光位置。

实施例2

请重点参照图5，与实施例1不同的是，本实施例中投影标记板5与水平方 向平行，探测器9与水平方向垂直，反射镜803与第四透镜802之间设有第二 光阑804，控制经过反射镜803反射之后的光线，滤去非成像杂散光，限制成像 光束。

实施例3

如图6a所示，与实施例1或实施例2不同的是，本实施例中的第一、第二 转向反射光学元件71、72还设有第三转向棱镜703，第三转向棱镜703的截面 为直角梯形，直角梯形的直角边与锐角三角形的一条边及所述直角三角形的一 边等长，第三转向棱镜703为三棱柱，且其中一个侧面与第一转向棱镜701和 第二转向棱镜702的一个侧面贴合，通常情况下，柯勒照明镜组4、投影标记板 5、投影镜组6和第一转向反射光学元件71位于同一竖直线上，因此参考光束 302和探测光束303以竖直方向进入第一转向反射光学元件71；当受到装调空 间影响，柯勒照明镜组4、投影标记板5、投影镜组6和第一转向反射光学元件 71需沿水平方向安装时，参考光束302和探测光束303以水平方向入射第一转 向反射光学元件71，如图6b所示，首先在第三转向棱镜703中转变90°后， 接着分别通过第二转向棱镜702和第一转向棱镜701调整入射角度，之后分别 以垂直第二转向棱镜702和第一转向棱镜701的一个侧面射出。

综上所述，本发明提供的光刻机调焦调平系统及方法，通过在硅片1两侧 对称设置由第一转向棱镜701和第二转向棱镜702构成的第一、第二转向反射 光学元件71、72，对探测光束303和参考光束302的入射角进行调节，使其经 过不同的光路成像到探测器9上，根据参考标记的偏移量判断温度性偏差引起 的测量误差，通过计算测量标记与参考标记的相对偏移量从而将该测量误差从 中消除，实现系统的自参考功能，大大提高了系统的测量精度。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为 提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省 略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。