專利名稱：一種適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)及檢焦方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是涉及一種微納位移測量方法，特別涉及投影光刻中的檢焦系統(tǒng)及檢焦方 法，屬于超大規(guī)模集成電路制造以及光學微細加工技術(shù)中的納米器件制造技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
光學測量方法是微位移測量的一種重要手段，特別對于非接觸測量方法。通過應 用不同的光參量作為測量參數(shù)，如測量光的光強、相位、偏振態(tài)等等，光學測量獲得了廣泛 的應用。以激光干涉測量方法為代表的激光測量已經(jīng)達到亞納米的精度。然而對于有遮擋 阻攔的被測物體，例如投影光刻中的焦面檢測技術(shù)，激光干涉測量等方法顯得無能為力。傳 統(tǒng)光學測量方法中，主要是測量光的強度，較少應用光的偏振態(tài)作為測量參數(shù)，使得測量的 靈活性大大降低。超大規(guī)模集成電路制造的最主要手段是光學投影光刻，這是因為光學投影光刻具 有極高的生產(chǎn)效率，較高的精度以及很低的生產(chǎn)成本。長期以來，光刻精度的提高主要依賴 于增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。從總體而言，根據(jù)DOF = k λ /NA2,增大數(shù)值孔徑使得投影物 鏡的焦深縮短。此外，光刻制造業(yè)界為了提高單位時間內(nèi)的芯片產(chǎn)出率，也在不斷增大硅片 的直徑。根據(jù)2007版的國際半導體技術(shù)藍圖預計，到2012年微電子工業(yè)界將大規(guī)模采用 450mm直徑的硅片，使得硅片表面的不平度增大。從以上兩點看出，為了保證芯片成品率，必 須充分利用有效焦深，讓硅片表面位于最佳焦面上。根據(jù)焦深公式，投影物鏡焦深僅為百納 米量級，因此，調(diào)焦精度要求必須要達到納米級，高精度的檢焦技術(shù)是投影光刻系統(tǒng)中極為 關(guān)鍵的技術(shù)。投影光刻中的光學檢焦方法普遍采用反射式的三角形測量法。其基本原理是利用 反射光的三角關(guān)系，即測量光束以較大的入射角照射被測面，在另一側(cè)以探測器接收，獲得 光斑的位置信息、光強信息，這些信息反映處硅片面的位置變化即離焦量。各種方法的主要 區(qū)別在于信號的獲取方法。例如以狹縫像照明被測面，并將狹縫像成像到CCD上，通過圖 像處理算法獲得狹縫像的邊緣從而得到狹縫像的位置信息，根據(jù)幾何關(guān)系即可得到被測面 的位移量，此種方法見于文獻《0. 35 μ m投影光刻機的逐場調(diào)平技術(shù)與套刻步進模型》和美 國專利US6765647B1等。這種方法嚴重依賴于狹縫的成像質(zhì)量以及圖像處理算法的精確 度，其成像質(zhì)量又很容易受到被測面表面質(zhì)量的影響，因此只能達到百納米級的精度?；?位移傳感器(PSD)的光學檢焦方法采用圓形光斑作為投影像投影到被測面上并再次成像 到二維PSD上。由于PSD較四象限探測器具有更小的間隙以及更高的靈敏度，能夠得到光 斑的精確位置，并擺脫了對圖像處理算法的依賴，可以獲得數(shù)十納米的檢焦靈敏度，其缺點 是容易受到被測面不均勻性的影響，特別是在光刻多層套刻工藝中，由于硅片表面經(jīng)過數(shù) 十道工藝處理，對于四象限探測器以及PSD這樣的分割區(qū)域求解光斑中心的方法，難以提 高精度，這禾中方法見于文獻〈〈Focusing and leveling system using PSDs for the wafer st印pers》和中國專利200610117401. 0等。中國專利CN101187783A公開了一種調(diào)焦調(diào)平 測量系統(tǒng)及其測量方法，它通過測量光柵莫爾條紋的移動，利用莫爾條紋的位移放大作用來達到測量目的，這種方法的優(yōu)點是可以通過改變物光柵和調(diào)制光柵的夾角來改變莫爾條 紋的位移放大率，但是其內(nèi)在的缺點無法克服，即光柵周期過大則莫爾條紋是一系列的離 散信號，這時的測量精度就嚴重依賴于圖像處理算法以及光柵的成像質(zhì)量；而較小的光柵 周期雖然使得莫爾條紋信號連續(xù)性更好，但是光柵的衍射角過大，造成成像系統(tǒng)的數(shù)值孔 徑太大，從而增加了系統(tǒng)的復雜程度。另外物光柵與像光柵的夾角的誤差與莫爾條紋具有 同樣的放大倍率，因此，這種方法也難以達到納米級的精度。國際上也有不少專利采用陣列 式的檢焦方法，例如針孔陣列式(美國專利US6081614)，通過增加采樣點，提高信號的穩(wěn)定 性。陣列式的優(yōu)點是在被測面上放置多個測量點，綜合考慮被測面形，但是由于各點的放大 倍率不一致，需要制作復雜的放大率調(diào)整結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于投影光刻系統(tǒng)的檢 焦系統(tǒng)及檢焦方法，該系統(tǒng)信號光穩(wěn)定性極高、信噪比高，能有效消除雜散光的影響，實現(xiàn) 納米級的測量精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，包括照明系統(tǒng)、 對稱成像系統(tǒng)，光柵調(diào)制系統(tǒng)，偏振調(diào)制系統(tǒng)，光彈調(diào)制系統(tǒng)及光電探測器。其中照明系統(tǒng) 由照明小孔光源、準直鏡、光彈調(diào)制器和兩個楔形鏡組成，照明小孔光源經(jīng)過準直鏡準直后 進入光彈調(diào)制器；光彈調(diào)制器位于準直鏡后的照明光路中，照明光經(jīng)過光彈調(diào)制器后被調(diào) 制成高頻50kHz正弦信號，在光電探測器后的光電信號處理電路中有利于過濾掉環(huán)境雜光 產(chǎn)生的噪聲，提高信噪比；第一個楔形鏡位于光彈調(diào)制器后，使得照明物光柵標記的主光線 發(fā)生偏折，而在對稱成像系統(tǒng)的像方有相同的另一個楔形鏡將第一個楔形鏡偏折后的主光 線再次折射使光線方向與光軸平行并垂直于探測器面；第一個楔形鏡產(chǎn)生兩個方向的照明 光，分別為測量光路和參考光路，照明物光柵面上的測量光柵和參考光柵并被第一鏡組分 別成像于被測面和參考面上，經(jīng)過反射后進入第二鏡組再次成像。參考面為投影物鏡末端 平面，被測面為投影光刻的光刻對象。第一鏡組和第二鏡組組成對稱成像系統(tǒng)。兩個成像透 鏡組對稱于投影光刻物鏡光軸且均為雙遠心結(jié)構(gòu)，由于空間上受到投影物鏡的限制，對稱 成像系統(tǒng)必須傾斜或水平放置，同時放置兩組兩片反射鏡將成像光束反射到測量空間內(nèi)， 對稱成像系統(tǒng)的光軸在測量空間是水平的，兩組兩片反射鏡的夾角正好為對稱成像系統(tǒng)的 傾斜角的二分之一；偏振調(diào)制系統(tǒng)由偏振片、第一平行分束剪切片和第二平行分束剪切片 組成，偏振片透光軸與第一平行分束剪切片的光軸成45°角，使得透過第一平行分束剪切 片的尋常光分量和非尋常光分量正好相等，并且45°正好位于線性區(qū)，有利于檢焦過程中 的微調(diào)；光柵調(diào)制系統(tǒng)由物光柵和調(diào)制光柵組成，物光柵位于第一個楔形鏡后，調(diào)制光柵放 置于偏振調(diào)制系統(tǒng)中的第一個平行分束剪切片之后并正好位于物光柵經(jīng)第二鏡組成像后 的像面上；第二平行分束剪切片將成像光束分成兩束偏振方向相互垂直的光并在空間上完 全分開，最后垂直入射到探測器上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明將參考信號和被測信號用同一個成像系統(tǒng)傳輸?shù)奖粶y面上。這是由于 在納米級測量領域，任何輕微的擾動都可能造成很大的誤差。本發(fā)明的設計將參考和被測 信號置于完全一樣的環(huán)境中，消除環(huán)境的干擾才有可能達到納米級的測量精度，對超大規(guī)模集成電路制造精度的提高有很大的幫助。(2)本發(fā)明采用光柵調(diào)制將光信號變成偏振方向正交的尋常光信號和非尋常光信 號兩路信號，充分利用光參量中的偏振特性，經(jīng)過偏振調(diào)制系統(tǒng)后形成自參考光路，被測量 僅與該兩路信號強度的差值有關(guān)，從而獲得高穩(wěn)定性的信號。(3)本發(fā)明把光彈調(diào)制器置于照明光路中，其原理是通過改變偏振光的偏振態(tài)，使 得通過該偏振光通過正交尼克爾光路后得到按正弦規(guī)律變化的調(diào)制光信號，在提取信號時 能夠消除背景光的影響，使得信號易于提取，信噪比高。(4)本發(fā)明的對稱成像鏡組為雙遠心結(jié)構(gòu)，因為兩組成像系統(tǒng)需經(jīng)過空間對接完 成光柵的最終成像，在對接過程中容易出現(xiàn)離焦的問題，雙遠心結(jié)構(gòu)能夠在離焦保持像的 倍率不變。


圖1為本發(fā)明檢焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明中的光彈調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本發(fā)明中楔形鏡照明示意圖4為本發(fā)明中的檢焦三角關(guān)系示意圖5為本發(fā)明中的物光柵標記示意圖6為本發(fā)明中的對稱成像鏡組示意圖7為本發(fā)明中的光柵調(diào)制示意圖8為本發(fā)明中的偏振調(diào)制示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的方案對于相關(guān)領域內(nèi)的人士是容易掌握的，實施方式中給定的任何 相關(guān)參數(shù)是為了更好地說明本發(fā)明，相關(guān)人士應用時不應僅受限于實施方式中的具體條件 而應遵從權(quán)利要求中所要求的權(quán)利。本發(fā)明旨在提供一種高精度的投影光刻檢焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣可以用于微納位移 光學測量領域，如圖1所示。在投影光刻中，硅片表面所涂的光刻膠能夠形成干涉薄膜，由 于表面起伏不定該干涉薄膜在不同位置厚度不一樣，從而導致干涉強度不同，影響測量信 號的穩(wěn)定性。為了平滑這種效應，照明光為多波長組成的寬帶光，照明光波相干長度較長， 薄膜上不易發(fā)生膜層多光束干涉，因此照明光源為包含可見光和近紅外光的鹵素燈。鹵素 燈發(fā)熱量較大，而光刻系統(tǒng)內(nèi)部各部分均為超精密系統(tǒng)并要求恒溫，故照明光采用圖1中 101的毫米級的粗光纖作為照明小孔，避免鹵素燈產(chǎn)生的熱量對光刻精度和測量精度造成 不利影響。照明小孔光源101經(jīng)過準直鏡102準直后進入光彈調(diào)制器103。由于光電探測 器119位于整個對稱成像系統(tǒng)的離焦位置進行能量探測，為了使得彌散的光斑盡量小，照 明光的數(shù)值孔徑應盡量與對稱成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑像匹配，這就對小孔直徑和準直鏡的焦 距提出要求。若對稱成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為NA，則要求準直鏡的照明數(shù)值孔徑小于NA，即 sin(D/2f) < NA, D為光纖小孔直徑，f為準直鏡的焦距，由于準直鏡數(shù)值孔徑很小，其孔徑 角近似等于D/2f。為了減小照明光彈調(diào)制器帶來的像差傳遞，如球差、彗差等，應將光彈調(diào)制器103
6放在經(jīng)準直鏡2準直后的照明平行光路中，如圖1和圖2所示。光彈調(diào)制器103包括信號 發(fā)生器204、兩片透光軸相互垂直的檢偏器202、203以及位于檢偏器之間的光學晶體201， 位于光學晶體201前的檢偏器202、203透光軸方向與光學晶體201的光軸夾角為45°，信 號發(fā)生器204將調(diào)制信號加于光學晶體201上，使得光學晶體201光產(chǎn)生的相位差從-π 到η之間變化。在未加信號的情況下，入射光透過檢偏器202后變成線偏振光，光學晶體 201不對偏振態(tài)產(chǎn)生任何影響，檢偏器202與203透光軸相互垂直，透過光強為零。當給光 學晶體201施加壓力后會產(chǎn)生雙折射效應，尋常光和非尋常光折射率差隨著施加壓力的大 小而改變，其相位差也隨著施加壓力的大小而改變，偏振光透過光學晶體201后偏振態(tài)發(fā) 生變化，檢偏器偏203的透過率也隨之變化。當施加的壓力為使得光學晶體201產(chǎn)生的相 位差在-η到η之間變化的高頻調(diào)制正弦信號時，例如50kHz的正弦信號，透過光強也為0 到最大值之間變化的高頻正弦信號。由于對稱成像系統(tǒng)中間過渡部分暴露在環(huán)境雜光中， 光彈調(diào)制器103的引入使得檢焦系統(tǒng)在信號處理中，通過高頻濾波技術(shù)能夠很好地過濾這 部分雜光產(chǎn)生的噪聲。對稱成像系統(tǒng)由左右兩個完全一樣的第一鏡組108和第二組鏡114組成，并在空 間中完成對接，即物光柵被第一鏡組成實像到被測面和參考面上后，再次由第一鏡組成像 到調(diào)制光柵上。為了保證最后成像系統(tǒng)的放大倍率為1，成像鏡組被設計成雙遠心結(jié)構(gòu)。雙 遠心結(jié)構(gòu)的特征之一即為入射的平行光線出射后仍為平行光線，為了能夠讓參考光柵和測 量光柵的主光線分別照射到參考面112和被測面113上，照明系統(tǒng)中必須加入楔形鏡104， 其作用是使得物光柵標記105的主光線發(fā)生偏折，使得物光柵的主光線在光軸兩側(cè)并像反 方向偏折，如圖3所示，偏折角301等于斜入射到參考面112和被測面113上的入射角的余 角，即主光線106和107與各自投射面的夾角。而在成像系統(tǒng)的像方有另一同樣的楔形鏡 104’，其作用是將第一片楔形鏡104偏折后的主光線再次偏折，使之與光軸平行。隨著光刻投影物鏡111數(shù)值孔徑地增大，鏡頭孔徑增大的同時工作距離也在縮 小，檢焦空間更狹窄，這就要求檢焦光束的斜入射角很大，在本發(fā)明中，入射角401用θ表 示，大小為86°，等同于401’，θ與楔形鏡對主光線的偏折角互為余角，如圖4所示。根據(jù) 三角關(guān)系得到像位移量402與被測面113的位移量403的關(guān)系 可見兩者約為2倍的關(guān)系。其中ΔΧ表示像位移量402，ΔΖ表示被測面位移量 403。以、表示棱鏡的傾斜角即圖4中的404或404’，根據(jù)幾何關(guān)系得以下關(guān)系式 式中，η為棱鏡折射率，根據(jù)上式能夠計算處棱鏡的傾斜角。由于空間上受到投影物鏡的限制，對稱成像系統(tǒng)必須傾斜或水平放置，需要放置 兩組兩片反射鏡109、110、109’、110’將成像光束反射到測量空間內(nèi)。對稱成像系統(tǒng)的光軸 在測量空間是水平的。物光柵105的標記經(jīng)過對稱成像系統(tǒng)成像到調(diào)制光柵117面上，光柵周期是根據(jù) 成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑設計的。成像系統(tǒng)的孔徑角不小于楔形鏡對照明光線的偏折角與光 柵標記的1級衍射角之和，由于工作距離要求過大，物光柵周期應盡量大并大于照明波長的10倍，衍射角應盡量小，從而縮小孔徑角，降低成像系統(tǒng)的設計難度與加工裝配成本。成 像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為光束張角的一半的正弦值，成像系統(tǒng)的孔徑至少應包含光柵衍射一級 光。光線經(jīng)楔形鏡偏折后斜入射到物光柵上，因此成像系統(tǒng)的最小數(shù)值孔徑為物光柵一級 衍射角與楔形鏡偏折角之和的正弦，即NAmin = sin(90- θ -α )，其中α為物光柵一級衍射 角，滿足關(guān)系式dsina = λ，其中d為物光柵周期，為照明光波波長。在本發(fā)明實施方式 中，θ為86°，d取50微米，照明波長λ為1微米，則數(shù)值孔徑最小值NAmin約為0.1。在投影光刻中，檢焦系統(tǒng)需要測量曝光場內(nèi)的典型區(qū)域的離焦量，據(jù)此設計物光 柵標記501和502，如圖5所示，物光柵標記分為上下兩部分，上部分為參考光柵401，下部 分為測量光柵402，分別由2個光柵窗口組成，每個光柵窗口代表一個測量區(qū)域。每兩個測 量區(qū)域的高度值與測量點之間的距離可以測量該兩點連線方向的傾斜角度值。兩路以上的 測量光路能夠測量被測面在各個方向的傾斜。為了能夠全面反映曝光場內(nèi)各點的高度，物光柵標記的像應覆蓋大部分曝光場的 區(qū)域。由于測量光束是以很大的入射角斜照射到112和113上的，物光柵105的投影像被 拉大，較小的光柵窗口就足以覆蓋曝光場的多數(shù)區(qū)域，如圖6中虛線框所示。由于硅片表面 起伏不平，特別是經(jīng)過多層套刻以及工藝處理后，不同區(qū)域的材料也會不同，造成反射率不 一致，因此增大測量面積是為了平滑這種表面不平度。圖6僅畫出測量光路106，參考光路 107與之相同。物光柵窗口較小，為了增加采樣點，應保證一定光柵周期數(shù)，故物光柵周期也 不能過大，在本發(fā)明中，光柵周期為50微米。在圖1中，物光柵標記105被參考面112和被測面113反射，經(jīng)過對稱成像系統(tǒng)后 攜帶位移量信息成像調(diào)制光柵面117上。如前所述，物光柵像在調(diào)制光柵面上的平移量與 被測面112、113的位移量具有2倍的關(guān)系。為了進一步提高精度和抗干擾能力，本發(fā)明應 用光柵調(diào)制與偏振調(diào)制方法。光柵調(diào)制是指應用另一個與物光柵標記105完全相同的標記對光柵像進行調(diào)制， 該光柵被稱為調(diào)制光柵117。物光柵標記105被對稱成像系統(tǒng)到調(diào)制光柵117面上。以被測 面113正好位于物鏡焦面上時作為零位標定面，零位時物光柵像與調(diào)制光柵正好錯開半個 周期，如圖7中701和702所示，701為調(diào)制光柵線，702為物光柵像的柵線。當被測面113 移動時，物光柵像702隨著移動，移動的距離與被測面的位移成正比，此時透過光柵像的光 強度也和位移量成正比。在調(diào)制光柵之前加入第一平行分束剪切片116，如圖7所示，702是用石英晶體制 成。石英晶體的作用是，光束通過后分成偏振方向相互垂直的尋常光和非尋常光，且在垂直 于光束傳播的方向上分開一定的距離，該距離成為最大剪切量。在本發(fā)明的光柵調(diào)制系統(tǒng) 中，該距離正好是物光柵周期的二分之一，從而使得透過第一平行分束剪切片后的尋常光 像和非尋常光像正好也錯開半個光柵周期，如圖7所示702和703。圖中702、703分別表示 物光柵的尋常光像與非尋常光像。由于受到調(diào)制光柵的作用，當被測面113發(fā)生位移時，物 光柵像在調(diào)制光柵面上移動并造成702與703光強的相對強弱變化，本發(fā)明的主要原理即 是通過測量這兩個像的光強變化來達到高精度測量的。由于兩個光柵像是由同一光路分離 開的，符合能量探測中的共光路原理，即使受到環(huán)境干擾，兩個光強值的差值仍然不變，其 差值僅受到被測面位移的影響，例如探測面在零位時，尋常光和非尋常光像正好位于調(diào)制 光柵中間，即在垂直于光柵柵線的方向上偏離半個光柵周期，且正好完全覆蓋調(diào)制光柵，如圖7所示的位置，則此時尋常光和非尋常光的透射光強恒相等，即差值為零。尋常光像702和非尋常光像703的光強分別由不同的能量探測器測量，因此，需 將它們在空間上完全分開。在光學測量中，將兩個偏振方向相互垂直的光束分離的方法很 多，為了能保持共光路的原則，本發(fā)明的偏振調(diào)制采用一塊大剪切量的第二平行分束剪切 片118將它們分開。第二平行分束剪切片118應采用尋常光和非尋常光折射率差盡量大的晶體方可 產(chǎn)生大于1毫米的橫向剪切量，在本發(fā)明的具體實施方式
中，第二平行分束剪切片是方解 石晶體，如圖8所示。這是因為方解石晶體尋常光和非尋常光具有很大的折射率差，便于獲 得較大的光束剪切量，其作用是將偏振方向相互正交的光柵像在空間上完全分離。圖中802 和803分別是被第二個平行分束剪切片118分離后的光柵像斑，與圖7中物光柵的非尋常 光像702和尋常光像703相對應。透過尋常光和非尋常光光強度之和等于未被調(diào)制時透過 的光強度。尋常光像和非尋常光像的光強正比于調(diào)制光柵的透光長度，如圖7所示。因此， 式中各符號意義同前所述，Io和Ie分別表示尋常光像和非尋常光像的光強。上 述式子對參考面和被測面均成立，參考面和被測面的位移量正比于尋常光和非尋常光的光 強差與光強和的比值。在上式中，分子為尋常光像和非尋常光像的光強差值，是在測量過程中主要的變 化量。由于是共光路的，尋常光像和非尋常光像的光強受到外界的干擾相同，通過差值得以 消除影響，減小誤差，提高精度。分母為光強的和值，即輸出光的總光強。光源的穩(wěn)定性、環(huán) 境的干擾等都會對輸出光總光強有所影響。為此，本發(fā)明引入?yún)⒖脊饴?，原理與測量光路完 全一樣且共光路?？偣鈴姷钠鸱趨⒖脊饴返妮敵隹偣鈴娭杏兴w現(xiàn)并且是與測量光路的 輸出總光強同步變化的，通過比較，能夠有效地消除參考面和被測面之間的擾動以及光源 穩(wěn)定性導致的測量誤差，進一步提高精度。為了便于標定被測面的零位，在圖1中將偏振片115置于光柵調(diào)制117和第一個 平行分束剪切片116之前，在零位時微調(diào)偏振片115使得尋常光和非尋常光光強相等。
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權(quán)利要求
一種適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于包括照明系統(tǒng)、對稱成像系統(tǒng)，光柵調(diào)制系統(tǒng)，偏振調(diào)制系統(tǒng)，光彈調(diào)制系統(tǒng)(103)及光電探測器(119)；其中照明系統(tǒng)由照明小孔光源(101)、準直鏡(102)、光彈調(diào)制器(103)和兩個楔形鏡(104、104’)組成，照明小孔光源(101)經(jīng)過準直鏡(102)準直后進入光彈調(diào)制器(103)，光彈調(diào)制器(103)位于準直鏡(102)后的照明光路中，照明光經(jīng)過光彈調(diào)制器(103)后被調(diào)制成高頻50kHz的正弦信號；楔形鏡(104)位于光彈調(diào)制器(103)后，使得物光柵標記(105)的主光線發(fā)生偏折，而在對稱成像系統(tǒng)的像方有相同的另一個楔形鏡(104’)，將前一個楔形鏡(104)偏折后的主光線再次折射，使偏折的光線方向與光軸平行并垂直于探測器(119)；楔形鏡(104)產(chǎn)生兩個方向的照明光，分別為測量光路(106)和參考光路(107)，這兩路光分別照明物光柵面上的測量光柵(401)和參考光柵(402)并被第一鏡組(108)分別成像于被測面(113)和參考面(112)上，經(jīng)過反射后進入第二鏡組(114)再次成像，參考面(112)為投影物鏡末端平面，被測面為投影光刻的光刻對象；第一鏡組(108)和第二鏡組(114)組成對稱成像系統(tǒng)，兩個成像透鏡組對稱于投影光刻物鏡(111)光軸且均為雙遠心結(jié)構(gòu)，對稱成像系統(tǒng)傾斜或水平放置，同時放置兩組兩片反射鏡(109、110、109’、110’)將成像光束反射到測量空間內(nèi)，對稱成像系統(tǒng)的光軸在測量空間是水平的，兩組兩片反射鏡(109、110、109’、110’)的夾角正好為對稱成像系統(tǒng)的傾斜角的二分之一；偏振調(diào)制系統(tǒng)由偏振片(115)、第一平行分束剪切片(116)和第二平行分束剪切片(118)組成，偏振片(110)透光軸與第一平行分束剪切片(116)的光軸成45°角，使得透過第一平行分束剪切片(116)的尋常光分量和非尋常光分量正好相等，并且所述45°角正好位于線性區(qū)；光柵調(diào)制系統(tǒng)由物光柵(105)和調(diào)制光柵(117)組成，物光柵(105)位于第一個楔形鏡(104)后，調(diào)制光柵(117)放置于偏振調(diào)制系統(tǒng)中的第一個平行分束剪切片(106)之后并正好位于物光柵(105)經(jīng)第二鏡組成像后的像面上；第二平行分束剪切片將成像光束分成兩束偏振方向相互垂直的光并在空間上完全分開，最后垂直入射到探測器(119)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述光彈調(diào) 制系統(tǒng)(103)包括信號發(fā)生器，兩片透光軸相互垂直的檢偏器以及位于檢偏器之間的光 學晶體，位于光學晶體前的檢偏器透光軸方向與光學晶體的光軸夾角為45°，信號發(fā)生器 204將調(diào)制信號加于光學晶體上，使得光學晶體光產(chǎn)生的相位差從-π到π之間變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述兩個楔 形鏡(104、104’ )分別由兩塊棱鏡膠合而成，使入射平行光向兩側(cè)折射，兩塊棱鏡傾斜角根 據(jù)成像系統(tǒng)主光線在被測面(112)和參考面(113)上的掠入射角計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述第一個 平行分束剪切片(116)為雙折射材料，是根據(jù)光柵標記的周期設計的，將入射光束的尋常 光和非尋常光在垂直于光束傳播方向上發(fā)生剪切，第一平行分束剪切片(116)的最大剪切 量等于光柵周期的一半。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述第二個 平行分束剪切片(118)由方解石晶體組成，這是因為方解石晶體尋常光和非尋常光具有很 大的折射率差，便于獲得較大的光束剪切量，其作用是將偏振方向相互正交的光柵像在空 間上完全分離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述參考面(112)和被測面(113)的位置正比于尋常光和非尋常光的光強差與光強和的比值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述對稱成 像系統(tǒng)內(nèi)包含兩束成像光束，分別將物光柵標記成像到被測區(qū)域，并以掠入射照射在參考 面和被測面上，從參考面反射后出射的光信號稱為參考信號，從被測面反射后出射的信號 稱為被測信號，信號相互獨立，參考面為標準平晶面，被測信號以參考信號作為參考可以消 除參考面和被測面之間的任何擾動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述光柵調(diào) 制系統(tǒng)中光柵標記為一周期較大的光柵，應該大于照明波長的10倍，物光柵標記和調(diào)制光 柵標記完全一樣，分布于玻璃基板上并保證物光柵投影到被測面和參考面上時正好覆蓋一 個曝光場的面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述光柵調(diào) 制系統(tǒng)的物光柵在玻璃基板上分為兩部分，分別由楔形鏡偏折后的兩束光照明；成像鏡組 的最小數(shù)值孔徑由物光柵的一級衍射角和楔形鏡的偏折角確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)，其特征在于所述光柵調(diào) 制系統(tǒng)中，當被測面和參考面在標定的投影光刻物鏡焦面的位置時，物光柵像和調(diào)制光柵 在垂直于柵線的方向上偏離半個光柵周期時，由于物光柵像受到調(diào)制光柵的調(diào)制，使得從 調(diào)制光柵出射的偏振方向相互垂直的兩束光光強恒相等，不受任何外部因素的干擾，兩束 光的光強差僅與被測面和參考面的位置有關(guān)。
全文摘要
一種適用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦系統(tǒng)包括光彈調(diào)制系統(tǒng)，對稱成像系統(tǒng)，光柵調(diào)制系統(tǒng)，偏振調(diào)制系統(tǒng)以及光電探測系統(tǒng)，通過光柵以及偏振調(diào)制系統(tǒng)將被測面的偏移量轉(zhuǎn)換成信號光的相對強弱變化，應用光彈調(diào)制系統(tǒng)來提高信噪比，從而獲得高精度的測量結(jié)果，且測量該系統(tǒng)信號光穩(wěn)定性極高、信噪比高，有效消除雜散光的影響。
文檔編號G03F7/20GK101916040SQ20101023132
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者嚴偉, 周紹林, 徐鋒, 李金龍, 胡松, 謝飛, 陳旺富, 陳銘勇 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所