專利名稱：一種同軸檢焦測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種距離檢測設(shè)備，具體涉及一種同軸檢焦測量系統(tǒng)及其測量方法，它主要是為調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)提供精確硅片表面的高度值，并計算出其距離焦平面的距離。
背景技術(shù)：
光刻裝置(光刻機)是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。集成電路工業(yè)的發(fā)展，很大程度上依賴于核心設(shè)備一光刻機的發(fā)展。隨著集成電路的集成度不斷提高，單線條尺寸要求越來越小，這對光刻機的分辨率提出了更高的要求。光刻分辨率的提高，導(dǎo)致焦深不斷變小，并且隨著集成電路尺寸的不斷擴大，硅片表面形貌也將影響焦點是否位于光刻面，為了充分利用光刻機的有效焦深，必須實時精確控制光刻面位于焦面內(nèi)，這對檢焦精度提出了更高的要求。目前的檢焦方法主要有:基于光柵和四象限探測器的光電測量方法(美國專利US5191200)、基于狹縫和四象限探測器的光電探測方法(美國專利US67656 47B1)、基于針孔和面陣CCD的光電探測方法(美國專利US6081614)、基于PSD的光電測量方法(中國專利:200610117401.0)、基于激光干涉的光電測量方法和基于空氣動力原理的氣動測量方法。上述調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)都較為復(fù)雜，而且除基于光柵的光電測量方法和氣動測量方法外，其他都能難獲得高精度的檢焦精度，光柵方法需要比較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，氣動測量法速度太慢。以往的光刻機的檢焦系統(tǒng)一般是離軸檢焦，檢焦光路系統(tǒng)位于聚焦物鏡的側(cè)向，光束從側(cè)向斜入射到光刻表面。而隨著投影光刻的發(fā)展，在很多的新的光刻方式中:如油浸光刻和需要浸油飛秒激光雙光子加工等，在聚焦物鏡和硅片之間隔著一層油層，探測光束很難通過側(cè)向光路到達(dá)硅片表面，此時這種離軸的檢焦系統(tǒng)顯然不能滿足這類光刻機的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:提供一種同軸檢焦測量系統(tǒng)及測量方法，可以實現(xiàn)z向高精度的離焦量測量，適應(yīng)于光刻機的同軸檢焦系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種同軸檢焦測量系統(tǒng)，包括光源，擴束鏡，分光棱鏡，反射鏡，物鏡，探測模塊組成；其中，光源發(fā)出的光沿光軸經(jīng)擴束鏡擴束后，到達(dá)分光棱鏡，一部分光被反射到達(dá)反射鏡表面，反射鏡傾斜放置，和垂直方向有一個很小的夾角，光被反射鏡反射后穿過分光棱鏡到達(dá)探測模塊的表面，這部分光作為干涉條紋的參考光；從擴束鏡出來沿Y軸的光一部分被分光棱鏡反射，另外一部分光沿Y軸方向穿過分光棱鏡進(jìn)入投影物鏡，平行光入射到物鏡表面以后，將會聚到焦平面上的焦點上，當(dāng)被測物不在焦平面時，從被測物上反射回的球面光進(jìn)入物鏡后，將不能形成平面光波，而是有一定形變的球面波，球面波經(jīng)過分光棱鏡反射，沿光軸到達(dá)探測模塊表面，在探測模塊表面，球面波和平面波干涉疊加，形成具有一定傾斜的干涉條紋，被測物的離焦信息加載在條紋的相位之中，通過解條紋的相位，即可計算出被測物的離焦量。根據(jù)同軸檢焦測量系統(tǒng)的特點，本發(fā)明提供了一種與之相應(yīng)的信號處理算法。對圖像進(jìn)行中值濾波、頂帽變換，提高圖像質(zhì)量，利用傅里葉變換的方法對探測圖像提取相位，利用最小二乘法對相位進(jìn)行解纏，利用解纏后的各個點相位值計算離焦量，最后通過zernike算法進(jìn)行回復(fù)波面，即對各個點所求的離焦量進(jìn)行擬合，以最大限度降低測量誤差，提高測量精度。該方法具體包括下列步驟:步驟(I)、參考光波和測量光波在探測模塊的表面干涉形成平面波和球面波干涉條紋；步驟(2)、干涉條紋被探測模塊探測，其中探測模塊位置固定；步驟(3)、根據(jù)該干涉條紋相對于探測模塊的相位信息計算該被測對象的位置信
肩、O 該方法還包括下列步驟:步驟(4)、利用中值濾波、頂帽變換對圖像進(jìn)行處理；步驟(5)、利用傅里葉變換的方法對 圖像進(jìn)行相位提??；步驟(6)、利用最小二乘法對相位進(jìn)彳T解纏；步驟(7)、利用恢復(fù)相位計算被測對象的位置信息；步驟(8)、利用zernike多項式法進(jìn)行波面擬合,提高測量精度。本發(fā)明的原理是:本發(fā)明提供了一種具有高精度檢焦測量系統(tǒng)，包括激光光源，聚焦物鏡系統(tǒng)，反射鏡，分光棱鏡，成像系統(tǒng)和探測模塊。單色光源發(fā)出光束后擴束準(zhǔn)直，經(jīng)分光棱鏡分別進(jìn)入聚焦物鏡系統(tǒng)和平面反射鏡，進(jìn)入聚焦物鏡的光反射回來，與平面反射鏡反射回來的光干涉疊加形成干涉條紋，干涉條紋被成像系統(tǒng)成像到探測模塊，探測模塊的位置信息固定，被測對象的位置信息表現(xiàn)于干涉條紋相對于探測模塊的位置信息。平面光波入射到聚焦物鏡，會形成球心位于焦點處的會聚球面波，當(dāng)被側(cè)面位于焦平面時，從被側(cè)面反射的光波將同樣以焦點為球心的發(fā)射球面波，發(fā)射球面波物鏡后以平面光波沿原路返回，與參考平面波相干疊加形成直干涉條紋。當(dāng)背側(cè)面偏離焦平面時，從背側(cè)面反射的發(fā)散球面波的秋心將偏離焦點，這時的發(fā)散球面波經(jīng)過透鏡將不再以平面波返回，而是以球面波返回，返回的球面波和參考平面波干涉疊加，將不再形成直的干涉條紋，而是形成具有一定相位變化的傾斜條紋，條紋的相位變化隨背側(cè)面離焦量的變化而變化。通過計算條紋相位的變化量，從而可以精確地測得被側(cè)面的離焦量。本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明系統(tǒng)具有同樣高甚至更高的測量精度，同軸檢焦的方法使結(jié)構(gòu)簡單，成本更低，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于系統(tǒng)集成，可以用于對于物鏡需要浸油的光刻環(huán)境，所以相對于離軸檢焦技術(shù)，同軸檢焦系統(tǒng)具有更廣的應(yīng)用范圍，并且可以實時檢測焦點區(qū)域是否位于焦平面內(nèi)。


圖1是光刻系統(tǒng)原理圖；圖2是干涉條紋形成過程圖3是平面直條紋示意圖；圖4是球面波條紋示意圖；圖5是平面波和球面波干涉疊加形成傾斜條紋示意圖；圖6是干涉條紋信號處理過程示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)一步闡述。如圖1示出了光刻機系統(tǒng)13。圖1的XYZ坐標(biāo)系設(shè)定為如圖所示的右手直角坐標(biāo)系，其中Y軸沿著光刻機投影物鏡的光軸。光刻機系統(tǒng)13通過投影物鏡2將光束聚焦在加工對象3上(如硅片等)。其中，數(shù)字I代表投影物鏡的光軸。在圖1所示的光刻系統(tǒng)13中，需要使加工對象3 (如硅片等)的相應(yīng)表面保持在投影物鏡2的焦深范圍之內(nèi)，為此光刻系統(tǒng)采用了用于測量加工對象3 (如硅片等)的表面位置信息的檢焦測量系統(tǒng)。檢焦測量系統(tǒng)可以將離焦量送到加持加工對象3 (如硅片等)的工件臺4，使加工對象3 (如硅片等)的被曝光區(qū)域一直處于光刻投影物鏡2的焦深之內(nèi)，從而實現(xiàn)高精度的加工。由于本發(fā)明系統(tǒng)中的檢焦測量系統(tǒng)是基于干涉條紋檢測的原理設(shè)計的，所以在介紹檢焦測量系統(tǒng)之前，下文將首先介紹干涉條紋的形成及其特性。圖3-圖5為干涉條紋形成過程圖。圖3為平面波以小角度傾斜到達(dá)探測模塊表面形成的條紋，因為該平面波沿X軸方向有個傾斜的角度，所以條紋平行于Y軸，沿X方向等距直條紋。圖4為發(fā)散球面波達(dá)到探測模塊表面形成的條紋。因為發(fā)散角度比較小，所以條紋間隔比較大。圖5為平面波和發(fā)散球面波的干涉條紋，圖中可以明顯看出條紋變彎曲了。圖2為圖1中檢焦測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及光路示意圖。圖2中的坐標(biāo)系和圖1中的坐標(biāo)系一樣設(shè)定為右手直角坐標(biāo)系。本發(fā)明系統(tǒng)包括光源6,擴束鏡7,分光棱鏡8,反射鏡12,物鏡2，探測模塊10組成。I為擴束鏡以及投影物鏡的光軸。光源發(fā)出的光沿光軸經(jīng)擴束鏡擴束后，到達(dá)分光棱鏡8,—部分光被反射到達(dá)反射鏡12表面。反射鏡12傾斜放置,和垂直方向有一個很小的夾角。光被反射鏡12反射后穿過分光棱鏡到達(dá)探測模塊10的表面，這部分光作為干涉條紋的參考光。從擴束鏡出來沿Y軸的光一部分被分光棱鏡反射，另外一部分光沿Y軸方向穿過分光棱鏡進(jìn)入投影物鏡。平行光入射到物鏡表面以后，將會聚到焦平面11上的焦點上。當(dāng)被測物3 (如硅片等)不在焦平面時，從被測物上反射回的球面光進(jìn)入物鏡后，將不能形成平面光波，而是有一定形變的球面波。球面波經(jīng)過分光棱鏡反射，沿光軸9到達(dá)探測模塊表面，在探測模塊表面，球面波和平面波干涉疊加，形成具有一定傾斜的干涉條紋。被測物的離焦信息加載在條紋的相位之中，通過解條紋的相位，即可得出被測物的離焦量。圖6示出了檢焦測量系統(tǒng)的信號處理框圖。處理探測圖像之前，必須先對圖像進(jìn)行預(yù)處理，因為探測模塊探測到的條紋往往含有噪聲，一些雜散光可能會夾雜在條紋中間，為了便于圖像的處理，首先要對條紋去噪聲，采用中值濾波的方法對圖像預(yù)處理。這種方法處理后的圖像干涉圖的對比度明顯提升，平滑性也很好，光強趨于正弦變化，并且不會使圖像的細(xì)節(jié)丟失。其次，對于亮度不均勻的圖像，通過頂帽變換使圖像亮度均勻，以達(dá)到增強圖像的目的。下面對圖像進(jìn)行相位提取。本發(fā)明利用傅里葉變換的方式提取條紋的相位。干涉條紋的光強分布為:I (x, y) =a (x, y) +b (x, y) *cos [k* Φ (x, y) +k*K*y] (I)其中Φ (x, y)是和離焦量相關(guān)的相位分布，K是參考平面波相對Z軸的傾斜量，k是波矢量。對上式進(jìn)行傅里葉變換，其中的正一級譜即為包含離焦量信息的項，對傅里葉變換進(jìn)行濾波，得出正一級譜，然后對其進(jìn)行逆傅里葉變換即可得到:P (X，y) =c (X，y) *exp {i* [k*C> (X，y)+k*K*y]} (2)用log函數(shù)對(2)式左右兩邊取對數(shù)，可得(3)式:Log[P (x, y) ] =1g[c (x, y) ] +i [k*Φ (x, y) +k*K*y] (3)取(3)式的虛部即可得到相位信息。用取對數(shù)函數(shù)式3進(jìn)行處理后，得到的相位是折疊相位，相位范圍被限制在(-η，η )范圍內(nèi)，為了獲取完整的相位分布，采用最小二乘法對相位進(jìn)行相位解饞。這種算法對干涉圖的質(zhì)量無要求，也不需要探測殘差點和布置枝切線，不會因為某個像素點的成像質(zhì)量而影響其區(qū)域的去包裹結(jié)果。根據(jù)探測面上各個點的相位，均可算出離焦量。再根據(jù)各個點得出的結(jié)果進(jìn)行波面擬合。采用zernike多項式法。這種方法有以下優(yōu)點:1，在單位圓上正交，滿足此光學(xué)系統(tǒng)的光瞳是圓形的特點；2，與初級相差有一定的對應(yīng)關(guān)系；3，自身所特有的旋轉(zhuǎn)對稱性使之在對光學(xué)問題的求解過程中具有收斂性好、擬合精度高等特點。通過以上處理，即可減小檢測誤差，提高檢測精度。
權(quán)利要求
1.一種同軸檢焦測量系統(tǒng)，其特征在于:包括光源(6),擴束鏡(7),分光棱鏡(8),反射鏡(12)，物鏡(2)，探測模塊(10)組成；其中，光源(6)發(fā)出的光沿光軸經(jīng)擴束鏡(7)擴束后，到達(dá)分光棱鏡(8)，一部分光被反射到達(dá)反射鏡(12)表面，反射鏡(12)傾斜放置，和垂直方向有一個很小的夾角，光被反射鏡(12)反射后穿過分光棱鏡(8)到達(dá)探測模塊(10)的表面，這部分光作為干涉條紋的參考光；從擴束鏡(7)出來沿Y軸的光一部分被分光棱鏡(8)反射，另外一部分光沿Y軸方向穿過分光棱鏡(8)進(jìn)入投影物鏡(2)，平行光入射到物鏡(2)表面以后，將會聚到焦平面(11)上的焦點上，當(dāng)被測物不在焦平面時，從被測物(3)上反射回的球面光進(jìn)入物鏡(2)后，將不能形成平面光波，而是有一定形變的球面波，球面波經(jīng)過分光棱鏡(8 )反射，沿光軸(9 )到達(dá)探測模塊(10 )表面，在探測模塊(10 )表面，球面波和參考平面波干涉疊加，形成具有一定彎曲的干涉條紋，被測物(3 )的離焦信息加載在條紋的相位之中，通過解條紋的相位，即可計算出被測物(3)的離焦量。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的同軸檢焦測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: 步驟(I)、參考光波和測量光波在探測模塊的表面干涉形成平面波和球面波干涉條紋； 步驟(2 )、干涉條紋被探測模塊探測，其中探測模塊位置固定； 步驟(3)、根據(jù)該干涉條紋相對于探測模塊的相位信息計算該被測對象的位置信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量方法，其特征在于，該方法還包括下列步驟: 步驟(4 )、利用中值濾波、頂帽變換對圖像進(jìn)行處理； 步驟(5)、利用傅里葉變換的方法對圖像進(jìn)行相位提??； 步驟(6)、利用最小二乘法對相位進(jìn)行解纏； 步驟(7)、利用恢復(fù)相位計算被測對象的位置信息； 步驟(8)、利用zernike多項式法進(jìn)行波面擬合，提高測量精度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同軸檢焦測量系統(tǒng)及其測量方法。該測量系統(tǒng)包括參考光路，測量光路，投影物鏡，探測模塊；其基本過程如下單色平面波經(jīng)過分光棱鏡分別到達(dá)投影物鏡表面和反射鏡表面，從反射鏡表面反射的光作為參考光；另一部分光通過投影物鏡后聚焦，在被探測物表面返回后經(jīng)過投影物鏡作為測量光，測量光波和參考光波在探測模塊表面干涉疊加，形成干涉條紋，探測模塊位置固定，對干涉圖像進(jìn)行處理，解出條紋的相位分布，根據(jù)相位變化即可算出被側(cè)面的離焦量。本發(fā)明系統(tǒng)具有同樣高甚至更高的測量精度，同軸檢焦的方法使結(jié)構(gòu)簡單，成本更低，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于系統(tǒng)集成，可以用于對于物鏡需要浸油的光刻環(huán)境，所以相對于離軸檢焦技術(shù)，同軸檢焦系統(tǒng)具有更廣的應(yīng)用范圍。
文檔編號G03F7/20GK103207532SQ201310138609
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月21日
發(fā)明者李光, 陳銘勇, 唐燕, 朱江平 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所