專利名稱：雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種調(diào)焦調(diào)平測量裝置，特別是一種用于測量硅片表面特定區(qū) 域相對于投影物鏡最佳焦平面的高度和傾斜度的調(diào)焦調(diào)平測量裝置及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在投影光刻裝置中，為了對硅片表面的位置進行高精度的測量，同時為了 避免測量裝置損傷硅片，調(diào)焦調(diào)平測量必須是非接觸式測量，即裝置本身不直接接觸被測物體。常用的非接觸式調(diào)焦調(diào)平測量方法有三種光學(xué)測量法、電 容測量法以及氣壓測量法。請參閱圖1,其中顯示了光學(xué)曝光系統(tǒng)平面原理示意圖。如圖所示，在照明 系統(tǒng)100的照射下，光源通過投影物鏡310將掩模220上的圖像投影曝光到硅 片420上。掩模220由掩模臺210支承，硅片420由工件臺410支承。在圖1 中，在投影物鏡310和硅片420之間有一個硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置500，該裝置 與投影物鏡310或投影物鏡支承300進行剛性聯(lián)接，用于對硅片420表面的位 置信息進行測量，測量結(jié)果送往硅片表面位置控制系統(tǒng)560,經(jīng)過信號處理和調(diào) 焦調(diào)平量的計算后，驅(qū)動調(diào)焦調(diào)平執(zhí)行器430對工件臺410的位置進行調(diào)整， 完成硅片420的調(diào)焦調(diào)平。硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的光機部分一般由照明單元、投影單元、成像單元 以及探測單元組成，其中投影單元將狹縫(陣列)投影在硅片表面，并形成測 量光斑(陣列)?，F(xiàn)有技術(shù)的掃描投影光刻裝置中，多使用光學(xué)測量法實現(xiàn)調(diào)焦調(diào)平測量， 光學(xué)調(diào)焦調(diào)平測量裝置的技術(shù)多種多樣。其中，Nikon公司采用基于掃描反射鏡調(diào)制的技術(shù)，具體參見美國早期專利US4558949,公開于1985年12月17日， 該發(fā)明專利所揭示的技術(shù)方案是使用掃描反射鏡對測量信號進行調(diào)制，進而使 用相敏解調(diào)對光電轉(zhuǎn)換之后的電信號進行解調(diào)，從而獲得與硅片表面高度一一對應(yīng)的電信號，該技術(shù)方案很好地解決了測量信號信噪比較低的問題，但同時也存在以下幾點不足(1) 有效的線性化區(qū)域有限。經(jīng)過相敏解調(diào)出的信號為與掃描反射4竟掃描頻率同頻率的信號，該信號的 強度直接反映了當(dāng)前硅片表面的高度，但該信號的強度與硅片表面高度信號之 間呈類似于正弦曲線的變化趨勢，當(dāng)測量光斑中心與探測狹縫中心的偏移量越 來越大時，測量裝置的靈敏度越低，其重復(fù)精度也越低。當(dāng)測量光斑中心與探 測狹縫中心的偏移量為探測模塊測量光斑掃描方向?qū)挾鹊囊话氲臅r候，測量裝 置的靈敏度為零。因此，在正常使用中， 一般只使用該類正弦曲線中間的某一 段。(2) 提高測量范圍往往需要增加光學(xué)系統(tǒng)的視場。如上所述，該測量裝置有效的線性化區(qū)域有限，從而要提高測量范圍往往 需要增大測量光斑與探測狹縫在掃描方向上的尺寸。在多點測量時(如Nikon 目前才幾型采用49個光斑，具體見"Higher NA ArF scanning exposure tool on new platform for fhrther lOOnm technology node", Proc. SPIE， 2001年第4346期，第 651-658頁)，光學(xué)系統(tǒng)的視場勢必也要做大，這將使得光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量更難 控制，光學(xué)結(jié)構(gòu)也將更加龐大。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供的一種雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置， 其具有較大的有效線性化區(qū)域，且光學(xué)設(shè)計難度小，結(jié)構(gòu)相對緊湊。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，應(yīng)用 于投影光刻機的調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)中，所述雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置由照明 單元、投影單元、成像單元及探測單元組成，所述投影單元將狹縫或者狹縫陣 列投影在硅片表面，形成測量光斑或者光斑陣列，其中，所述探測單元包括第 一、第二探測子單元，以及電信號處理單元，所述成像單元出射的光束分別經(jīng) 由第一和第二探測子單元進入電信號處理單元進行相敏解調(diào)。更詳細(xì)地說，所述第一/第二探測子單元對應(yīng)于所述狹縫或者狹縫陣列按光 路傳播的順序依次設(shè)有第一/第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列、第一/第二探測狹縫或者探測狹縫陣列以及第一/第二能量探測器或者能量探測器陣列。所述成像 單元出射的光束經(jīng)過一分光鏡反射后入射到所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列上，經(jīng)過所述分光鏡折射后則入射到所述第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列上； 經(jīng)所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經(jīng)過所述第 一探測狹縫 或者探測狹縫陣列和所述第一能量探測器或者能量探測器陣列，進入電信號處 理單元；經(jīng)所述第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經(jīng)過所述第二 探測狹縫或者探測狹縫陣列和所述第二能量探測器或者能量探測器陣列，進入 電信號處理單元；其中，所述第一掃描反射鏡或者反射鏡陣列與第二掃描反射 鏡或者反射鏡陣列的掃描角的相位始終相差180度。本發(fā)明所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其中，所述電信號處理單 元通過產(chǎn)生一方波信號對所述第一和第二能量探測器或者能量探測器陣列輸出 的電信號進行相敏解調(diào)，且對第一和第二能量探測器或者能量探測器陣列輸出 的電信號進行相敏解調(diào)所使用的方波信號的相位始終相同。進一步的，所述方 波信號的頻率與所述第 一、第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列的諧振頻率相同。本發(fā)明所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其中，所述電信號處理單 元進一步包括第一/第二帶通濾波器、第一/第二乘法器、第一/第二低通濾波器以 及一減法器；所述第一/第二能量探測器輸出的電信號經(jīng)過第一/第二帶通濾波器 后，與所述方波信號一起輸入第一/第二乘法器，所述第一/第二乘法器的輸出信 號再經(jīng)由第一/第二低通濾波器進入所述減法器。所述減法器對所述第一和第二 低通濾波器的輸出結(jié)果進行差分計算，得到與所述硅片表面在測量光斑區(qū)域內(nèi) 高度--對應(yīng)的電信號。本發(fā)明還提供了 一種雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)，其包括至少兩個如 前所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，所述裝置與裝置之間采用并聯(lián)或者 串聯(lián)的方式相互連接。與現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)焦調(diào)平測量裝置相比，本發(fā)明所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào) 平測量裝置具有如下優(yōu)點有效的線性化區(qū)域大，即同樣的光學(xué)系統(tǒng)的視場， 同樣大小的光斑尺寸，同樣大小的探測狹縫尺寸，本發(fā)明卻能得到一倍半左右 的有效線性化區(qū)域；光學(xué)設(shè)計難度小，結(jié)構(gòu)相對緊湊，即要實現(xiàn)同樣大小的有 效線性化區(qū)域，本發(fā)明所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置僅需要設(shè)計一半大小左右的光學(xué)視場，成像質(zhì)量控制難度大幅下降，整體結(jié)構(gòu)也較緊湊。


通過以下對本發(fā)明的一實施例結(jié)合其附圖的描述，可以進一步理解其發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點。其中，附圖為 圖1顯示了光學(xué)曝光系統(tǒng)平面原理示意圖；圖2顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個較佳實施例的 總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個4交佳實施例的 電信號處理單元的控制流圖；圖4顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個較佳實施例的 特征曲線；圖5顯示了現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)焦調(diào)平測量裝置的靈敏度曲線； 圖6顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個較佳實施例的 靈敏度曲線。
具體實施方式
以下將結(jié)合一個較佳的實施例對本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置 作進一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容主要在探測單元中， 所以在本實施例中，本發(fā)明對照明單元、投影單元以及成像單元作了筒化處理。 另外，為了使本發(fā)明更加清晰，本實施例中只討論單個狹縫，單個測量光斑的 情況，而對于多點測量，本發(fā)明的原理同樣適用，只需將探測單元中的單個元 件替換為元件陣列即可。請參閱圖2,顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個較佳實 施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，測量光510經(jīng)過第一反射鏡520、投影狹縫 525、、第二反射鏡530后在硅片表面420上形成測量光斑421。經(jīng)硅片表面420 反射后，經(jīng)第三反射鏡540反射后入射到分光鏡550上。經(jīng)分光鏡550反射后 的光入射到第一掃描反射鏡560上，測量光經(jīng)第一掃描反射鏡560掃描后入射 到第一探測狹縫561后，進入第一能量探測器562上，第一能量探測器562產(chǎn)號處理單元570中進行電信號處理。經(jīng)分光鏡550折射后 的光經(jīng)第四反射鏡568后入射到第二掃描反射鏡565上，測量光經(jīng)第二掃描反 射鏡565掃描后入射到第二探測狹縫566后，進入第二能量探測器567上，第 二能量探測器567產(chǎn)生的電信號也進入電信號處理單元570中進行電信號處理。 其中，電信號處理單元570主要完成兩個任務(wù)，第一個任務(wù)為驅(qū)動第一掃描反 射鏡560和第二掃描反射鏡565，第二個任務(wù)為第一能量探測器562和第二能探 測器567輸出信號的相敏解調(diào)。相敏解調(diào)具體實現(xiàn)的方法較多，本實施例以乘 法器和低通濾波器為例進行分析。圖3顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個較佳實施例的 電信號處理單元的控制流圖。該電信號處理單元570產(chǎn)生一個方波信號571，該 方波信號571的頻率與第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565的諧振頻率 一致，該頻率用于對測量光斑中帶有高度信息的信號進行調(diào)制，該信號頻率一 般在2KHz以上，本實施例假定該信號的頻率為lf。產(chǎn)生的方波信號571直接 用于觸發(fā)第一掃描反射鏡560進行掃描，同時該方波信號571經(jīng)180度的相位 延遲之后用于觸發(fā)第二掃描反射鏡565進行掃描。第一能量探測器562輸出的 電信號Vinl和第二能量探測器567輸出的電信號Vin2分別經(jīng)過第一/第二 lf帶 通濾波器574a/574b、第一/第二乘法器575a/575b以及第一/第二低通濾波器 576a/576b之后進入減法器577進行差分計算，得到一個電壓值Vout， Vout為與 硅片表面420在測量光斑421區(qū)域內(nèi)高度——對應(yīng)的電信號。第一lf帶通濾波 器574a和第二 lf帶通濾波器574b為完全一樣的帶通濾波器，其中心頻率與方 波信號571的頻率相同，也即第一掃描反射鏡560與第二掃描反射鏡565的掃 描頻率。第一乘法器575a和第二乘法器575b、第一低通濾波器576a和第二低 通濾波器576b也完全一樣。乘法器和低通濾波器構(gòu)成了對信號Vinl和Vin2相 敏解調(diào)環(huán)節(jié)，其輸出信號為信號Vinl和Vin2中l(wèi)f頻率的信號。由于第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565的掃描相位始終相差180 度，而在相敏解調(diào)時，Vinl和Vin2使用與同一個方波信號進行乘法計算，所以， 電壓信號Voutl和Vout2始終反向?，F(xiàn)有技術(shù)中只使用了電壓信號Voutl和Vout2 中的某一個信號，而本發(fā)明則使用其差值用來表征硅片表面420在測量光斑421 區(qū)域內(nèi)的高度。在本實施例中假定測量光斑421在第一探測狹縫561和第二探在第一掃描反射鏡560和第二掃描反射鏡565掃描方向的 寬度為lmm，同時第一探測狹縫561和第二探測狹縫566的狹縫寬度也為lmm， 電信號處理單元570中的增益調(diào)節(jié)4吏得信號Voutl和Vout2最大不超過8.5V。圖4顯示了本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置的一個較佳實施例的 特征曲線，其橫坐標(biāo)為當(dāng)?shù)谝粧呙璺瓷溏R560和第二掃描反射鏡565掃描角為0 度或180度時，在第一探測狹縫561和第二探測狹縫566之前的像的掃描方向 的中心位置與第一探測狹縫561和第二探測狹縫566中心位置之間的偏移量。 縱坐標(biāo)為能量探測器經(jīng)相敏解調(diào)輸出的電壓值，曲線581對應(yīng)于電壓信號Vout， 曲線582對應(yīng)于電壓信號Voutl ，曲線583對應(yīng)于電壓〗言號Vout2。圖5和圖6分別為現(xiàn)有技術(shù)及本發(fā)明所涉及的裝置的特征曲線，其橫坐標(biāo) 均為當(dāng)?shù)谝粧呙璺瓷溏R560和第二掃描反射鏡565掃描角為0度或180度時， 在第一探測狹縫561和第二探測狹縫566之前的像的掃描方向的中心位置與第 一探測狹縫561和第二探測狹縫566中心位置之間的偏移量。在相同的光機結(jié) 構(gòu)下，如果要求使用0.015伏特/微米以上靈敏度的區(qū)域，現(xiàn)有技術(shù)只能精確地 測量約正負(fù)300微米左右的變化，而本實施例則可測量約正負(fù)450微米左右的 變化，為現(xiàn)有技術(shù)1.5倍左右的測量范圍。從圖4、圖5和圖6可以看出，本發(fā)明所涉及的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量 裝置擁有斜率更大的特征曲線，同時擁有更大靈敏度。即，相對于現(xiàn)有技術(shù)而 言，本發(fā)明擁有更大的線性化區(qū)域。而現(xiàn)有技術(shù)如要達到本發(fā)明同樣的特征曲 線，則需要增加光斑及探測狹縫的尺寸，而在多點測量中，這將使得光學(xué)涉及 難度增加，結(jié)構(gòu)也將更加龐大。本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，才艮據(jù)實際需要可以單獨使用， 也可以組合使用，即采用多個上述裝置以并聯(lián)或串聯(lián)的形式相連以形成雙掃描 式硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)，以便滿足不同的使用需求。需要特別說明的是，本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置不局限于上 述實施例中所限定的結(jié)構(gòu)，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫 離本發(fā)明的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，應(yīng)用于投影光刻機的調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)中，所述雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置由照明單元、投影單元、成像單元及探測單元組成，所述投影單元將狹縫或者狹縫陣列投影在硅片表面，形成測量光斑或者光斑陣列，其特征在于所述探測單元包括第一、第二探測子單元，以及電信號處理單元；所述成像單元出射的光束分別經(jīng)由第一和第二探測子單元進入電信號處理單元進行相敏解調(diào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其特征在于所述第一/第二^:測子單元對應(yīng)于所述狹縫或者狹縫陣列^^姿光路傳"l番的順序依次設(shè)有第一/第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列、第一/第二探測狹縫或者探測狹縫 陣列以及第一/第二能量探測器或者能量探測器陣列。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其特征在于 所述成像單元出射的光束經(jīng)過一分光鏡反射后入射到所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列上，經(jīng)過所述分光鏡折射后則入射到所述第二掃描反射鏡或者 反射鏡陣列上；經(jīng)所述第 一掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經(jīng)過所述第 一探測 狹縫或者探測狹縫陣列和所述第一能量探測器或者能量探測器陣列，進入電信 號處理單元；經(jīng)所述第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列掃描后的光依次經(jīng)過所述 第二探測狹縫或者探測狹縫陣列和所述第二能量^:測器或者能量探測器陣列， 進入電信號處理單元；其中，所述第一掃描反射鏡或者反射鏡陣列與第二掃描反射鏡或者反射鏡 陣列的掃描角的相位始終相差180度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其特征在于 所述電信號處理單元通過產(chǎn)生一方波信號對所述第一和第二能量探測器或者能 量探測器陣列輸出的電信號進行相敏解調(diào)，且對第一和第二能量探測器或者能 量探測器陣列輸出的電信號進行相敏解調(diào)所使用的方波信號的相位始終相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其特征在于 所述方波信號的頻率與所述第 一、第二掃描反射鏡或者反射鏡陣列的諧振頻率相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其特征在于 所述電信號處理單元進一步包括第一/第二帶通濾波器、第一/第二乘法器、第一 /第二低通濾波器以及一減法器；所述第一/第二能量探測器輸出的電信號經(jīng)過第 一/第二帶通濾波器后，與所述方波信號一起輸入第一/第二乘法器，所述第一/ 第二乘法器的輸出信號再經(jīng)由第一/第二低通濾波器進入所述減法器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，其特征在于 所述減法器對所述第一和第二低通濾波器的輸出結(jié)果進行差分計算，得到與所 述硅片表面在測量光斑區(qū)域內(nèi)高度一一對應(yīng)的電信號。
8、 一種雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)，其特征在于包括至少兩個如權(quán) 利要求1所述的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置，所述裝置與裝置之間采用并 聯(lián)或者串聯(lián)的方式相互連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置及系統(tǒng)，應(yīng)用于投影光刻機的調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)中，所述雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置由照明單元、投影單元、成像單元及探測單元組成，所述投影單元將狹縫或者狹縫陣列投影在硅片表面，形成測量光斑或者光斑陣列，所述探測單元包括第一、第二探測子單元，以及電信號處理單元，所述成像單元出射的光束分別經(jīng)由第一和第二探測子單元進入電信號處理單元進行相敏解調(diào)。本發(fā)明的雙掃描式硅片調(diào)焦調(diào)平測量裝置具有較大的有效線性化區(qū)域，其光學(xué)設(shè)計難度小，結(jié)構(gòu)相對緊湊。
文檔編號G03F7/20GK101329513SQ200810040349
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者尹作海, 李志丹, 潘煉東, 陳飛彪 申請人:上海微電子裝備有限公司