專利名稱：一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于投影光刻系統(tǒng)中的調(diào)焦調(diào)平檢測方法與裝置，它的 主要功能是對曝光硅片的表面相對于投影物鏡的距離以及硅片二維傾斜角度 進行高精度檢測，特別是一種具有多點同時測量的調(diào)焦調(diào)平傳感器，屬于光學(xué) 測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在投影光刻系統(tǒng)中，硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)在光刻機中用來測量硅片表面
相對于投影物鏡的高度和轉(zhuǎn)角(Z、 ^和&)，與工件臺垂向3個執(zhí)行器構(gòu)成反 饋系統(tǒng)，實時控制硅片的垂向位置，保證硅片當前場在曝光過程中始終處于投 影物鏡的焦深范圍內(nèi)。在初期的步進重復(fù)投影光刻機中，硅片的調(diào)平只需要 整場調(diào)焦調(diào)平，即在硅片傳輸?shù)匠衅_之后使整個硅片表面位于焦深范圍以 內(nèi)。隨著步進重復(fù)投影光刻機分辨率和生產(chǎn)率的提高，需要采用逐場調(diào)焦調(diào) 平以適應(yīng)有效焦深的快速縮短和硅片尺寸增大引起的面形偏差變大，即在曝光 之前使曝光視場內(nèi)的硅片區(qū)域位于有效焦深范圍以內(nèi)。逐場調(diào)焦調(diào)平開始應(yīng)用 于亞半微米分辨率的步進重復(fù)投影光刻機中，現(xiàn)已成為步進掃描投影光刻機 的一項關(guān)鍵技術(shù)。隨著集成電路的集成度的急劇增加，要曝光的線條也越來越 細越來越密，投影物鏡的分辨率不斷提高，焦深也在不斷減小，要想使要曝光 的硅片相應(yīng)的表面保持在焦深內(nèi)，對調(diào)焦調(diào)平傳感系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性也 提出了越來越高的要求。目前常用的光學(xué)非接觸式多點測量調(diào)焦調(diào)平方法主要 有三大類1)基于狹縫陣列的多點測量法日本Nikon公司采用的方法，Susiram Mori. Higher NA ArF Scanning Exposure Tool on New Platform for further lOOnm Technology Node, 2001, SPIE, 4346, 651;2)基于針孔陣列的多點成像法日 本Canon公司采用的方法，美國專利號6081614；3)基于多光柵的莫爾條
紋法荷蘭ASML公司采用的方法，美國專利號5191200。這三大光刻機 廠商采用的調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)都是基于光電測量傳感系統(tǒng)。這些系統(tǒng)采用完全相 同、均勻分布的測量光斑，各有其測量特點。其中第一種方法是將狹縫陣列通 過同一個光學(xué)成像系統(tǒng)成像在被測量物體表面上，再由另外一個光學(xué)成像系統(tǒng) 成像，透過一個接收狹縫陣列入射到探測器上，通過離焦對光斑影響，來探測 每一點接收到的光強。具體請參閱圖l，入射光1透過狹縫陣列2，經(jīng)過光學(xué)成 像系統(tǒng)3、反射鏡4、光學(xué)成像系統(tǒng)5和反射鏡6，將狹縫陣列成像在被測量硅片 表面7，在硅片上狹縫的像七行七列，覆蓋整個曝光視場20，如圖2所示。將硅 片上狹縫像再次通過反射鏡8、光學(xué)成像系統(tǒng)9、光學(xué)成像系統(tǒng)IO，再經(jīng)過掃描 反射鏡ll反射，透過平行板12和狹縫陣列13入射到探測器14上。通過掃描反射 鏡ll掃描調(diào)制，在探測器14上得到各個像透過狹縫陣列12能量的變化，從而得 到硅片表面的信息。此技術(shù)存在以下幾個方面的不足首先，多狹縫陣列通過 同一個成像系統(tǒng)，成像到同一個面上，光學(xué)設(shè)計時需要考慮大視場成像問題， 增加了光學(xué)設(shè)計難度；其次，單一的掃描反射鏡對所有光點透過接收狹縫陣列 進行統(tǒng)一掃描，很難提高單點測量精度，從而降低了系統(tǒng)測量精度；第三，采 用掃描接收各點光強方法，對光源本身穩(wěn)定性要求也比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在已有技術(shù)1的基礎(chǔ)上，提出了一種基于微透鏡陣列成像系統(tǒng)， 降低系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計的難度。并利用微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡替代技 術(shù)1中單一掃描反射鏡方式，提高單點測量精度；利用差分接收方法替代 單一的接收，降低了對光源穩(wěn)定性的要求，且提高了測量分辨率。這些新技術(shù) 的使用，提高整個系統(tǒng)的測量精度和系統(tǒng)整體適應(yīng)性。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明用于投影光刻機調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)，包括兩大部分發(fā)射部分、接 收部分。發(fā)射部分、接收部分其中發(fā)射部分包括光源、聚焦透鏡、針孔濾波器、 擴束透鏡、優(yōu)化入瞳器件、微透鏡陣列，轉(zhuǎn)向反射鏡；接收部分包括轉(zhuǎn)向反射 鏡、微透鏡陣列、聚焦透鏡、微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡、針孔濾
波器和探測器；各部件之間的連接關(guān)系見圖3，光—源經(jīng)過聚.焦透'鏡聚'焦到針孔
濾波器；光線透過針孔濾波器，通過擴束透鏡，變成平行光，透過優(yōu)化入瞳器 件；在優(yōu)化入瞳器件后面放置微透鏡陣列，使各個微透鏡分別對準從優(yōu)化入瞳 器件透過的光線；透過微透鏡陣列的光線經(jīng)過轉(zhuǎn)向反射鏡反射到硅片表面；經(jīng) 過硅片和轉(zhuǎn)向反射鏡反射，透過另外一個微透鏡陣列，再經(jīng)過聚焦透鏡聚焦和 微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡反射，透過針孔濾波器，入射到探測器 上。采用優(yōu)化入瞳器件控制通光量來改善測量光斑，或者通過開關(guān)狀態(tài)控制成 像點的數(shù)量來適應(yīng)不同曝光視場；采用微透鏡陣列替代狹縫陣列；采用微光機 電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡替代單鏡掃描；采用差分接收方法，降低對光 源穩(wěn)定性的要求，獲得更高的測量精度。 可以用液晶光閥替代優(yōu)化入瞳器件。
微透鏡陣列為處在同一個平面內(nèi)的不同焦距的微透鏡陣列或者處在不同 平面內(nèi)相同聚焦的微透鏡陣列。
光源為微白光光源或者紅外寬帶激光器光源或者不同波長的激光器陣列 的混合光源。
轉(zhuǎn)向反射鏡為平面反射鏡或者反射棱鏡。
探測器為單個CCD或者多窗口CCD陣列或者多窗口的硅光探測器陣列。 微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡為一維掃描或者二維掃描。 本發(fā)明的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的調(diào)焦調(diào)平測量方法，步驟為.-
(1) 光源經(jīng)過整形，通過聚焦透鏡聚焦入射到針孔濾波器，再經(jīng)過擴束透鏡 擴束；
(2) 擴束后的平行光通過優(yōu)化入瞳器件控制通光量；
(3) 在后面利用微透鏡陣列對準相應(yīng)的平行光束，光線透過微透鏡陣列；
(4) 再經(jīng)過平面反射鏡聚焦到被測硅片表面上；
(5) 硅片表面將光線反射，再經(jīng)過平面反射鏡，透過另外一個微透鏡陣列；
(6) 透過微透鏡陣列的光，再經(jīng)過一個聚焦透鏡和平面反射鏡反射，透過針 孔濾波器，入射探測器上；
(7)光電探測器輸出的信號，經(jīng)過信號處理后即得到被觀IJ硅片表面的位置形
貌信息，通過運動控制板驅(qū)動三個驅(qū)動調(diào)節(jié)基板表面的高度和傾斜，使測量基 板表面位于投影物鏡的可用焦深范圍內(nèi)。
接收部分探測原理可以為差分探測原理。
從光源發(fā)出的光經(jīng)過光束整形、空間濾波擴束，再經(jīng)過優(yōu)化入瞳器件控制 每個微透鏡的通光量，透過微透鏡陣列，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向反射鏡成像在被測硅片面 上。從被測硅片表面反射后的光線經(jīng)過另外一個轉(zhuǎn)向反射鏡、接收微透鏡陣列、
聚焦透鏡、微光機電系統(tǒng)(0MEMS)掃描反射鏡、針孔濾波器，入射到探測器 上。光電探測器輸出的信號，經(jīng)過信號處理后即得到被測硅片表面的位置形貌 信息，通過運動控制板驅(qū)動三個驅(qū)動調(diào)節(jié)基板表面的高度和傾斜，使測量基板 表面位于投影物鏡的可用焦深范圍內(nèi)。
所述的優(yōu)化入瞳器件可以優(yōu)化每個微透鏡的通光量，優(yōu)化在硅片上光斑質(zhì) 量，還可以利用其對單點關(guān)閉或開通來改變?nèi)肷涔獍邤?shù)量，從而可以適應(yīng)不同 的曝光視場。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的特點
其一、本發(fā)明采用優(yōu)化入瞳器件控制通光量來改善測量光斑，提高測量精 度；或者通過開關(guān)狀態(tài)控制成像點的數(shù)量來適應(yīng)不同曝光視場，提高了芯片設(shè) 計和生產(chǎn)的靈活性。
其二、本發(fā)明采用微透鏡陣列替代了先技術(shù)1中的狹縫陣列，能夠優(yōu) 化各測量點的成像質(zhì)量，降低光學(xué)設(shè)計難度。
其三、本發(fā)明采用微光機電系統(tǒng)(0MEMS)掃描反射鏡替代了先技術(shù)1
中單鏡掃描，能優(yōu)化各測量點的測量精度。
其四、本發(fā)明采用差分方法替代先技術(shù)1中的方法，降低了對光源穩(wěn) 定性的要求，從而可獲得更高的測量精度。


圖l是已有技術(shù)1的調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)示意圖，其中l(wèi)一為入射光，2—
為狹縫陣列，3、 5、 9、 IO—為光學(xué)成像系統(tǒng)，4、 6、 8—平面反射鏡，ll一 為掃描反射鏡，12—為平行玻璃板，13—接收狹縫陣列，14一探測器；
圖2是已有技術(shù)1在硅片上成像的狹縫陣列，其中20—曝光視場，
21—狹縫像點；
圖3是本發(fā)明具體實施例，其中300—為光源，301—為聚焦透鏡，302、 312—為針孔濾波器，303—為擴束透鏡，304—為優(yōu)化入瞳器件，305、 309— 為微透鏡陣列，306、 308—為平面反射鏡，307—為被測硅片，310—為聚焦透 鏡，311—為0MEMS掃描反射鏡，313—為探測器；
圖4是本發(fā)明中不同焦距的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中40—為不同焦 距微透鏡陣列，41一為單個微透鏡；
圖5是接收部分掃描反射結(jié)構(gòu)，其中50—為聚焦透鏡，51—為0MEMS掃 描反射鏡，52—為針孔濾波器，53—為探測器；
圖6是微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖，其中60—為0MEMS 掃描反射鏡，61—為單個微反射鏡；
圖7是差分掃描原理示意圖，其中70—為分光器；71、 76—為聚焦透鏡， 72、 77—為OMEMS掃描反射鏡，73、 79—為焦平面，74、 78—為針孔濾波器， 75、 80—探測器；
圖8 —是相同焦距微透鏡陣列安裝結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖，其中81—為相同焦 距微透鏡陣列，82—為微透鏡。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。 如圖3所示，為本發(fā)明光刻機調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明調(diào)焦調(diào)
平裝置的光學(xué)系統(tǒng)包括兩大模塊，即發(fā)射模塊和接收模塊。
以下依次結(jié)合附圖3逐一說明本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的各個組成模塊。 光源300經(jīng)過整形，通過聚焦透鏡301聚焦入射到針孔濾波器302，再經(jīng)過
擴束透鏡303擴束。擴束后的平行光通過優(yōu)化入瞳器件304控制通光量。在304
后面利用微透鏡陣列305對準相應(yīng)的平行光束，光'線透過微'透ff陣列加5，再經(jīng)
過平面反射鏡306聚焦到被測硅片表面307上。硅片表面307將光線反射，再經(jīng) 過平面反射鏡308，透過另外一個微透鏡陣列309。透過微透鏡陣列309的光， 再經(jīng)過一個聚焦透鏡310和平面反射鏡311反射，透過針孔濾波器312，入射探 測器313上。其中微透鏡陣列305、 309為49個微透鏡組成，有七種不同的焦距， 其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，透鏡陣列為七行七列，其中每一列為相同焦距 的透鏡，每一行為不同焦距，焦距大小正好形成階梯狀，使通過優(yōu)化入瞳器件 304的每一路光經(jīng)過焦距不等透鏡陣列，在被測硅片表面307上得到相同大小光 斑，即微透鏡陣列305、 309的所有焦點為位于被測量硅片表面307。對于光斑 質(zhì)量還可以通過優(yōu)化入瞳器件304來優(yōu)化。轉(zhuǎn)向反射鏡305、 308使透過微透鏡 陣列的光，以大角度入射到被測硅片表面307上，由于被測硅片307的表面鍍了 多層膜，因此，轉(zhuǎn)向反射鏡306、 308應(yīng)使入射光盡量大的角度入射，避免反射
面的干涉效應(yīng)，且增大反射率。
系統(tǒng)的接收模塊如圖5所示，光線通過聚焦透鏡50和0MEMS掃描反射鏡51 反射，其中0MEMS掃描反射鏡51具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，由微小平面鏡61陣列組成， 每塊微小平面反射鏡可以獨立二維掃描。0MEMS掃描反射鏡51對每束光進行單 獨掃描，使其透過針孔濾波器52，入射到探測器53上，得到硅片307的離焦信 息和硅片307的二維傾斜信息。為了降低系統(tǒng)對光源穩(wěn)定性的要求，可以采用 差分的接收方式，其具體示意圖如圖7所示。用分光器71把經(jīng)過微透鏡陣列309 的光分成兩部分，即反射光和透射光。其中透射光通過聚焦透鏡71、 OMEMS掃 描反射鏡72、針孔74入射到探測器75上。其中針孔濾波器74放置在聚焦透鏡71 焦平面73的后面，使其處于離焦狀態(tài)。同理，分光器71的反射光也透過一個聚 焦透鏡76、 0MEMS掃描反射鏡77和針孔濾波器78，入射到探測器80上。其中針 孔濾波器78位于聚焦透鏡76的焦平面79的前面，使其處于離焦狀態(tài)。分光器71 的透射光和反射光，分別通過相同的光學(xué)系統(tǒng)，所不同的是針孔濾波器78和74 分別處于焦平面對稱離焦位置。利用探測器75和探測器80得到的信息，對應(yīng)點 進行相減，即作差，得到硅片307的離焦信息和硅片307的二維傾斜信息。系統(tǒng)的差分接收還可以采用如圖7所示相類似差分結(jié)構(gòu)，即在分光器71前加上一個
聚焦透鏡，同時撤銷聚焦透鏡72和76。
測量系統(tǒng)中的微透鏡陣列305和309還可以采用相同焦距透鏡陣列，但七列 相同焦距的微透鏡，安裝結(jié)構(gòu)要如圖9所示，成為階梯狀，使七列微透鏡陣列 的聚焦剛好落在被測硅片表面307上。
權(quán)利要求
1.一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，該裝置包括兩大部分發(fā)射部分、接收部分其中發(fā)射部分包括光源(300)、聚焦透鏡(301)、針孔濾波器(302)、擴束透鏡(303)、優(yōu)化入瞳器件(304)、微透鏡陣列(305)，轉(zhuǎn)向反射鏡(306)；接收部分包括轉(zhuǎn)向反射鏡(308)、微透鏡陣列(309)、聚焦透鏡(310)、微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡(311)、針孔濾波器(312)和探測器(313)；其特征在于各部件之間的連接關(guān)系為見圖3，光源(300)經(jīng)過聚焦透鏡(301)聚焦到針孔濾波器(302)，光線透過針孔濾波器(302)，通過擴束透鏡(303)變成平行光，透過優(yōu)化入瞳器件(304)；在優(yōu)化入瞳器件(304)后面放置微透鏡陣列(305)，使各個微透鏡分別對準從優(yōu)化入瞳器件(304)透過的光線；透過微透鏡陣列的光線經(jīng)過轉(zhuǎn)向反射鏡(306)反射到硅片(307)表面；經(jīng)過硅片(307)和轉(zhuǎn)向反射鏡(308)反射，透過另外一個微透鏡陣列(309)，再經(jīng)過聚焦透鏡(310)聚焦和微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡(311)反射，透過針孔濾波器(312)，入射到探測器(313)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于可以用液晶光閥替代優(yōu)化入瞳器件(304)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于微透鏡陣列(305、 309)為處在同一個平面內(nèi)的不同焦距的微透鏡陣列 或者處在不同平面內(nèi)相同聚焦的微透鏡陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于光源(300)為微白光光源或者紅外寬帶激光器光源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于轉(zhuǎn)向反射鏡(306、 308)為平面反射鏡或者反射棱鏡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于探測器(313)為單個CCD或者多窗口 CCD陣列或者多窗口的硅光探測 器陣列。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡(311)為一維掃描或者二維掃描。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的裝置，其特征 在于接收部分探測原理可以為差分探測原理。
9. 一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的調(diào)焦調(diào)平測量方法，其特征在于該方 法步驟為(1) 光源(300 )經(jīng)過整形，通過聚焦透鏡(301 )聚焦入射到針孔濾波器(302 )， 再經(jīng)過擴束透鏡(303)擴束；(2) 擴束后的平行光通過優(yōu)化入瞳器件(304)控制通光量；(3) 在(304)后面利用微透鏡陣列(305)對準相應(yīng)的平行光束，光線透過 微透鏡陣列(305);(4) 再經(jīng)過平面反射鏡(306)聚焦到被測硅片表面(307)上；(5) 硅片表面(307)將光線反射，再經(jīng)過平面反射鏡(308)，透過另外一 個微透鏡陣列(309);(6) 透過微透鏡陣列(309)的光，再經(jīng)過一個聚焦透鏡(310)和平面反射 鏡(311)反射，透過針孔濾波器(312)，入射探測器(313)上；(7) 光電探測器(313)輸出的信號，經(jīng)過信號處理后即得到被測硅片表面 的位置形貌信息，通過運動控制板驅(qū)動三個驅(qū)動調(diào)節(jié)基板表面的高度和傾斜， 使測量基板表面位于投影物鏡的可用焦深范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微透鏡陣列調(diào)焦調(diào)平的方法與裝置，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括發(fā)射部分和接收部分。其中發(fā)射部分包括光源、聚焦透鏡、針孔濾波器、擴束透鏡、優(yōu)化入瞳器件、微透鏡陣列，轉(zhuǎn)向反射鏡；接收部分包括轉(zhuǎn)向反射鏡、微透鏡陣列、聚焦透鏡、微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡、針孔濾波器和探測器。本發(fā)明采用優(yōu)化入瞳器件控制通光量來改善測量光斑，或者通過開關(guān)狀態(tài)控制成像點的數(shù)量來適應(yīng)不同曝光視場；采用微透鏡陣列替代狹縫陣列；采用微光機電系統(tǒng)(OMEMS)掃描反射鏡替代單鏡掃描；采用差分接收方法，降低對光源穩(wěn)定性的要求，獲得更高的測量精度。
文檔編號G03F7/20GK101201549SQ200710178468
公開日2008年6月18日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者劉麗輝, 匡翠方, 李艷秋 申請人:北京理工大學(xué)