垂向测量系统及曝光装置的制作方法

1.本发明涉及半导体及集成电路光刻设备技术领域，特别涉及一种垂向测量系统及曝光装置。


背景技术：

2.投影光刻机是一种把掩模上的图案通过投影物镜成像到硅片面进行光刻的设备。硅片面必须准确位于指定位置才能曝光，为了达到这一目的，需由自动调焦调平系统(fls)精确控制。其工作原理是测量硅片面的表面高度与倾斜信息，并通过控制器反馈给工件台，工件台移动硅片面以保证硅片面在曝光过程中处于投影物镜的最佳焦平面处。
3.为了获得整个曝光场的硅片面信息，通常在硅片面上标记多个测量点，根据每个测量点的高度和倾斜信息得到整个硅片面的高度和倾斜信息。
4.图1为典型的基于图像处理技术的fls三角测量原理示意图，来自投影支路05的光线入射到硅片面07后，经硅片面07反射到达探测支路06，最终被光电探测器(未图示)所接收。当硅片面07的上表面位置与投影物镜08最佳焦平面位置的高度偏差为δz时，光斑在光电探测器上所成像的位置改变量δy与δz的关系为：
[0005][0006]
其中，β为探测支路06的放大率，ω为来自投影支路05的光斑入射到硅片面07上的入射角。根据三个或三个以上测量点的高度偏差δz可得到硅片面07的倾斜量rx、ry。光电探测器将硅片面07的高度偏差δz和倾斜量rx、ry反馈给控制器，控制器根据以上信息操控工件台，工件台带动硅片面07将其调节到误差范围允许内的最佳曝光位置。
[0007]
现有技术中，常通过扫描反射镜将来自投影支路的光线反射至硅片面。然而如此设置，一方面扫描反射镜的位置不便于安装，空间过小，不利于探测信号，另一方面扫描反射镜的振动会使硅片面光线入射角发生变化，扫描光束会引起测量光束入射角和出射角改变，导致系统工艺适应性以及探测面光功率受到影响，也影响探测精度。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于提供一种垂向测量系统及曝光装置，以解决现有技术中扫描反射镜的位置不利于探测信号，导致影响探测精度的问题。
[0009]
为解决上述技术问题，本发明提供一种垂向测量系统，用于测量曝光装置之待测量面的垂向位移，所述垂向测量系统沿光路依次包括：光源入射装置、信号调制单元、投影支路、探测支路及探测装置；
[0010]
所述光源入射装置用于产生入射光，所述入射光依次通过所述信号调制单元和所述投影支路后射向所述待测量面并成像，进而经所述待测量面的反射后，通过所述探测支路射入所述探测装置并成像，所述探测装置用于测量由所述探测支路射出的光线于所述探测装置上所成像的位置改变量；进而根据所述探测装置所测得的像的位置改变量得到所述
待测量面的垂向位移；
[0011]
其中，所述信号调制单元沿光路依次包括：第一透镜、扫描反射镜及第二透镜，所述扫描反射镜与所述第一透镜沿光路的距离等于所述第一透镜的焦距；所述扫描反射镜与所述第二透镜沿光路的距离等于所述第二透镜的焦距；所述扫描反射镜用于围绕自身的中心在一维方向上以预定角度周期性运动。
[0012]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述信号调制单元还包括：第一平反射镜，所述第一平反射镜沿光路设置于：所述第一透镜之前、所述第一透镜与所述扫描反射镜之间、所述扫描反射镜与所述第二透镜之间、以及所述第二透镜之后的至少一处。
[0013]
可选的，在所述垂向测量系统中，
[0014]
所述投影支路沿光路依次包括：第一凹反射镜、第一凸反射镜及第二凹反射镜，所述第一凹反射镜与所述第二凹反射镜的曲率半径相等，且等于所述第一凸反射镜的曲率半径的两倍；
[0015]
所述探测支路沿光路依次包括：第三凹反射镜、第二凸反射镜及第四凹反射镜，所述第三凹反射镜与所述第四凹反射镜的曲率半径相等，且等于所述第二凸反射镜的曲率半径的两倍。
[0016]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述投影支路和/或所述探测支路还包括第二平反射镜，所述第二平反射镜沿光路设置于所述第一凹反射镜之前、所述第二凹反射镜之后、所述第三凹反射镜之前及所述第四凹反射镜之后的至少一处。
[0017]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述光源入射装置包括：光源模块、照明模块及投影狭缝；
[0018]
所述光源模块用于发出光线；所述照明模块用于对所述光源模块所发出的光线进行准直和消杂光，所述投影狭缝位于所述照明模块像侧的孔径光阑处，且所述投影狭缝位于所述投影支路的物面位置；经所述照明模块准直后的光线通过所述投影狭缝后形成所述入射光。
[0019]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述光源入射装置还包括：透射平板，所述透射平板与经所述照明模块准直后的光线成角度布置；所述投影狭缝位于所述透射平板的出射面上。
[0020]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述光源入射装置还包括：棱镜，所述棱镜的出射面与所述透射平板的入射面贴合，所述棱镜的入射面垂直于经所述照明模块准直后的光线。
[0021]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述透射平板与经所述照明模块准直后的光线所成角度为α1，由所述投影支路射出的光线与所述待测量面所成的角度为γ1，所述投影支路的放大倍率为m
11
，所述投影狭缝与所述待测量面满足：tan(90
°-
γ1)＝m
11
tan(90
°-
α1)。
[0022]
可选的，在所述垂向测量系统中，所述探测装置包括：探测面，所述探测面与由所述探测支路射出的光线成角度布置；所述探测面与由所述探测支路射出的光线所成角度为δ1，所述待测量面与射入所述探测支路的光线所成的角度为γ1，所述探测支路的放大倍率为m
12
，所述探测面与所述待测量面满足：tan(90
°-
δ1)＝m
12
tan(90
°-
γ1)。
[0023]
为解决上述技术问题，本发明还提供一种曝光装置，其包括如上所述的垂向测量系统。
[0024]
综上所述，本发明提供的垂向测量系统及曝光装置中，沿光路依次包括：光源入射装置、信号调制单元、投影支路、探测支路及探测装置。信号调制单元包括依次排布的第一透镜、扫描反射镜及第二透镜，由于扫描反射镜与两个透镜沿光路的距离分别等于两个透镜的焦距，扫描反射镜周期性运动时，可以保证自第二透镜中射出的光线角度不会发生变化，从而使得经投影支路射向待测量面的光束的入射角不变。由此，探测装置能够获得较佳的探测效果，避免系统工艺适应性以及探测面光功率受到影响，从而提高探测精度。
附图说明
[0025]
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
[0026]
图1是fls三角测量原理的示意图；
[0027]
图2是本发明一实施例提供的scheimpflug条件的示意图；
[0028]
图3是本发明一实施例提供的offner结构的示意图；
[0029]
图4是本发明一实施例提供的垂向测量系统的示意图；
[0030]
图5a和图5b是本发明一实施例提供的投影狭缝的示意图；
[0031]
图6是本发明一实施例提供的信号调制单元的示意图；
[0032]
图7是本发明一实施例提供的探测装置的示意图；
[0033]
图8a是本发明一实施例提供的在投影狭缝处的光斑的示意图；
[0034]
图8b是本发明一实施例提供的在待测量面处的光斑的示意图；
[0035]
图9是本发明一实施例提供的仿真得到的待测量面处的调制传递函数(mtf)曲线图；
[0036]
图10a和图10b是现有的透射式成像系统以及本发明一实施例提供的垂向测量系统的色差仿真结果对比图；
[0037]
图11是本发明一实施例提供的另一种信号调制单元的示意图。
[0038]
附图中：
[0039]
01-凸面镜；02-凹面镜；03-物面；04-像面；
[0040]
10-待测量面；20-光源入射装置；21-光源模块；22-照明模块；23-投影狭缝；24-透射平板；25-棱镜；30-信号调制单元；31-第一透镜；32-扫描反射镜；33-第二透镜；34-第一平反射镜；40-投影支路；41-第一凹反射镜；42-第一凸反射镜；43-第二凹反射镜；44-第二平反射镜；50-探测支路；51-第三凹反射镜；52-第二凸反射镜；53-第四凹反射镜；54-第二平反射镜；60-探测装置。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
[0042]
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进
行使用的，除非内容另外明确指出外，术语“近端”、“前”通常是靠近光源的一端(光路的入射端)，术语“远端”、“后”通常是靠近探测装置的一端(光路的射出端)。
[0043]
本发明提供了一种垂向测量系统及曝光装置，以解决现有技术中扫描反射镜的位置不利于探测信号，导致影响探测精度的问题。
[0044]
以下参考附图进行描述。
[0045]
请参考图2至图11，其中，图2是本发明一实施例提供的scheimpflug条件的示意图，图3是本发明一实施例提供的offner结构的示意图，图4是本发明一实施例提供的垂向测量系统的示意图，图5a和图5b是本发明一实施例提供的投影狭缝的示意图，图6是本发明一实施例提供的信号调制单元的示意图，图7是本发明一实施例提供的探测装置的示意图，图8a是本发明一实施例提供的在投影狭缝处的光斑的示意图，图8b是本发明一实施例提供的在待测量面处的光斑的示意图，图9是本发明一实施例提供的仿真得到的待测量面处的调制传递函数(mtf)曲线图，图10a和图10b是现有的透射式成像系统以及本发明一实施例提供的垂向测量系统的色差仿真结果对比图，图11是本发明一实施例提供的另一种信号调制单元的示意图。
[0046]
如图4所示，本发明实施例一提供一种垂向测量系统，用于测量曝光装置之待测量面10(如一硅片面)的垂向位移，所述垂向测量系统沿光路依次包括：光源入射装置20、信号调制单元30、投影支路40、探测支路50及探测装置60。为使待测量面10和探测装置60上能清晰成像，垂向测量系统的成像系统需满足scheimpflug条件。具体的，如图2所示，与光轴成一定夹角(小于90
°
)的物面a若要在像面a’清晰成像，则该像面a’也与光轴成一定夹角θ(小于90
°
)，物面a与像面a’的倾斜角度θ与光学系统放大倍率m相关，近轴条件下，满足公式：
[0047][0048]
由此，所述光源入射装置20用于产生入射光，所述入射光依次通过所述信号调制单元30和所述投影支路40后射向所述待测量面10并成像，进而经所述待测量面10的反射后，通过所述探测支路50射入所述探测装置60并成像，所述探测装置60用于测量由所述探测支路50射出的光线的位置改变量；进而根据所述探测装置60所测得的光线的位置改变量得到所述待测量面10的垂向位移。为解决现有技术中，射向待测量面的光束角度常发生变化，以及扫描反射镜位置不便于安装等问题，结合参考图6，本实施例中，所述信号调制单元30沿光路依次包括：第一透镜31、扫描反射镜32及第二透镜33，所述扫描反射镜32与所述第一透镜31沿光路的距离等于所述第一透镜31的焦距；所述扫描反射镜32与所述第二透镜33沿光路的距离等于所述第二透镜33的焦距；所述扫描反射镜32用于围绕自身的中心在一维方向上以预定角度σ1周期性运动。
[0049]
优选的，所述信号调制单元30还包括：第一平反射镜34，所述第一平反射镜34沿光路设置于：所述第一透镜31之前、所述第一透镜31与所述扫描反射镜32之间、所述扫描反射镜32与所述第二透镜33之间、以及所述第二透镜33之后的至少一处。
[0050]
在图6所示的一个示范性的实施例中，信号调制单元30为4f结构，其中，第一透镜31和第二透镜33均为凸透镜，扫描反射镜32为一平面反射镜，第一平反射镜34为一个，其设置于第一透镜31与扫描反射镜32之间。第一透镜31和第二透镜33沿一直线布置，第一平反
射镜34的中心位于第一透镜31和第二透镜33的中心连线上，第一透镜31和第二透镜33的焦距分别为f1和f2，第一平反射镜34的中心与第一透镜31的距离为m1，第一平反射镜34的中心与扫描反射镜32的中心的距离为n1，m1与n1之和即为扫描反射镜32与第一透镜31沿光路的距离，f1等于m1与n1之和。第一平反射镜34与水平方向的夹角为θ1，θ1的值不受限制，在图6所示的示范例中，θ1为45
°
，扫描反射镜32的中心与第一平反射镜34的中心连线垂直于第一透镜31和第二透镜33的中心连线，扫描反射镜32位于第一平反射镜34的上方，扫描反射镜32的中心位于第二透镜33的物方焦面处，亦即扫描反射镜32与第二透镜33沿光路的距离等于f2。
[0051]
光线自近端射入，依次通过第一透镜31、第一平反射镜34、扫描反射镜32及第二透镜33。其中，第一透镜31的作用是将入射的平行光束聚焦到扫描反射镜32的中心处。第一平反射镜34的作用是改变光路方向。扫描反射镜32在改变光路方向的同时，通过驱动器在一维方向上(如垂直于图6的纸面方向)以一预定角度σ1做周期性运动，如简谐振动，如此配置，自扫描反射镜32射出的光线也做周期性变化，进而光线在待测量面10及探测装置60上的位置也同样做周期性变化。第二透镜33的作用是将经过扫描反射镜32的光线射出到投影支路40部分。由于扫描反射镜32位于第二透镜33的物方焦面处，在经过第二透镜33后的所有光线均互相保持平行，且这些光线的方向不会随着扫描反射镜32做周期性运动而改变，如图6中，自第二透镜33中射出的光线保持与水平方向成β1角。从而使得经投影支路40射向待测量面10的光束的入射角不变。由此，探测装置60能够获得较佳的探测效果，避免系统工艺适应性以及探测面光功率受到影响，从而提高探测精度。
[0052]
请参考图11，其是本实施例另一示范例提供的信号调制单元30的示意图。与前一示范例不同的，第一平反射镜34的位置不设置于第一透镜31到第二透镜33的光路之间，整个信号调制单元30的水平向距离缩短，结构变紧凑。具体的，该示范例提供的信号调制单元30为4f结构，其沿光路依次包括第一平反射镜34、第一透镜31、扫描反射镜32及第二透镜33，第一透镜31和第二透镜33的焦距分别为f1和f2，第一平反射镜34位于第一透镜31之前，扫描反射镜32的中心位于第一透镜31的像方焦点处，同时也位于第二透镜33的物方焦面处。可选的，入射光的光轴沿水平向布置，第一透镜31沿垂向布置，第二透镜33沿水平向布置于扫描反射镜32之后。如此配置，光线依次通过第一平反射镜34、第一透镜31、扫描反射镜32及第二透镜33。同样的，扫描反射镜32在改变光路方向的同时，通过驱动器在一维方向上以一预定角度σ1做周期性运动，同样可以使光线以角度不变的方式在待测量面10以及探测装置60上的位置做周期性变化。可以理解的，本领域技术人员还可以将第一平反射镜34设置于扫描反射镜32和第二透镜33之间，或者第二透镜33之后，其原理类似。在其它的一些实施例中，还可以设置两个或两个以上的第一平反射镜34，本领域技术人员可根据实际进行配置。进一步的，第一透镜31及第二透镜33并不局限于为凸透镜，其还可以是多片透镜的组合，或为凹面镜等，在能实现相同效果的前提下，本领域技术人员可以根据需要进行配置，本发明对此不作限制。
[0053]
优选的，投影支路40和探测支路50均为offner结构。请参考图3，其为一种offner结构的示意图，其包括两个反射面同心的球面反射镜，分别为凸面镜01和凹面镜02，即凹面镜02之曲率半径为凸面镜01之曲率半径的两倍，凸面镜01可以配置为孔径光阑，物面03与像面04在同一侧。offner结构简单紧凑，像差较小。
[0054]
进一步的，请参考图4，在本实施例提供的投影支路40和探测支路50中，所述投影支路40沿光路依次包括：第一凹反射镜41、第一凸反射镜42及第二凹反射镜43，所述第一凹反射镜41与所述第二凹反射镜43的曲率半径相等，且等于所述第一凸反射镜42的曲率半径的两倍。所述探测支路50沿光路依次包括：第三凹反射镜51、第二凸反射镜52及第四凹反射镜53，所述第三凹反射镜51与所述第四凹反射镜53的曲率半径相等，且等于所述第二凸反射镜52的曲率半径的两倍。以下以投影支路40为例进行说明，探测支路50的结构可以与投影支路40相似或相同。在投影支路40中，第一凸反射镜42可通过尺寸变化或限制其表面的反射区域来实现孔径光阑的调整。第一凹反射镜41与第二凹反射镜43的反射面可以是同一圆周上的两段，甚至第一凹反射镜41与第二凹反射镜43也可以连接起来，形成如图3中凹面镜02的状态。较佳的，第一凹反射镜41与第二凹反射镜43的曲率中心可以与第一凸反射镜42的曲率中心重合。当然在一些实施例中，第一凹反射镜41与第二凹反射镜43的曲率中心可以与第一凸反射镜42的曲率中心不重合，即凹反射面与凸反射面非同心圆。本领域技术人员可根据实际以及offner结构的原理对投影支路40和探测支路50进行不同的配置。
[0055]
进一步的，请继续参考图4，所述投影支路40和/或所述探测支路50还包括第二平反射镜44/54，所述第二平反射镜44/54沿光路设置于所述第一凹反射镜41之前、所述第二凹反射镜43之后、所述第三凹反射镜51之前及所述第四凹反射镜53之后的至少一处。在图4所示的示范例中，投影支路40包括两个第二平反射镜44，探测支路50包括两个第二平反射镜54。以下继续以投影支路40为例进行说明，探测支路50的结构可以与投影支路40相似或相同。在投影支路40中，两个第二平反射镜44分别设置于第一凹反射镜41之前，以及第二凹反射镜43之后。两个第二平反射镜44均用于改变光线方向，以使得投影支路40的第一凹反射镜41、第一凸反射镜42及第二凹反射镜43的设置更加灵活和便利，使得整个投影支路40的结构更紧凑。较佳的，自第二凹反射镜43之后的第二平反射镜44射出的光线与待测量面10之间成角度布置，以满足scheimpflug条件。
[0056]
优选的，请参考图4，所述光源入射装置20包括：光源模块21、照明模块22及投影狭缝23；所述光源模块21用于发出光线；所述照明模块22用于对所述光源模块21所发出的光线进行准直和消杂光，所述投影狭缝23位于所述照明模块22像侧的孔径光阑处，且所述投影狭缝23位于所述投影支路40的物面位置；经所述照明模块22准直后的光线通过所述投影狭缝23后形成所述入射光，进而经过信号调制单元30与投影支路40后于待测量面10上成像。在一个示范性的实施例中，光源模块21包括白光点光源、耦合光路及光纤，白光点光源发出的光线依次经耦合光路与光纤，到达光纤出射端。可选的，白光点光源的光波长范围在400nm～1000nm之间。耦合光路中如可包含耦合镜组与滤波片等，其功能为提高光耦合效率，选取调焦调平装置所需的工作波段。照明模块22包括准直镜组及消杂光光阑等。光源模块21之光纤出射端的光线依次经过准直镜组及消杂光光阑后射出，本领域技术人员可根据现有技术对光源模块21和照明模块22进行配置。经照明模块22准直后的光线在经过投影狭缝23后，能够在待测量面10上成像。投影狭缝23如包括若干矩形的透光区，如图8a所示，其是一种投影狭缝23处的光斑的示意图，其中黑色区表示矩形的透光区。可以理解的，投影狭缝23不限于图8a所示的图样，其还可以是其它的图形，本发明对投影狭缝23上狭缝的数量和形状不作限制。
[0057]
可选的，请参考图5a，所述光源入射装置20还包括：透射平板24，所述透射平板24
与经所述照明模块22准直后的光线成角度布置；所述投影狭缝23位于所述透射平板24的出射面上。为便于投影狭缝23的设置，在一个示范例中，将投影狭缝23设置于一透射平板24的出射面上。请参考图5b，在另一个示范例中，所述光源入射装置20还包括：棱镜25，所述棱镜25的出射面与所述透射平板24的入射面贴合，所述棱镜25的入射面垂直于经所述照明模块准直后的光线。进一步的，透射平板24与经所述照明模块22准直后的光线成角度布置，以使投影狭缝23与待测量面10满足scheimpflug条件。
[0058]
更进一步的，请参考图7，所述探测装置60包括一探测面61，所述探测面61与由所述探测支路50射出的光线成角度布置，以使待测量面10与探测面61满足scheimpflug条件。探测装置60如可为光电探测器，其功能是将光信号转化为电信号，以得到光斑在探测面61上的位置改变量δy，从而得到待探测面10的垂向位移δz(即离焦量)。
[0059]
在一个示例中，透射平板24与经所述照明模块22准直后的光线的角度为α1，以使投影狭缝23与光轴成角为α1。由所述投影支路40射出的光线与所述待测量面10所成的角度为γ1，所述投影支路40的放大倍率为m
11
，所述投影狭缝23与所述待测量面10满足：
[0060]
tan(90
°-
γ1)＝m
11
tan(90
°-
α1)
[0061]
所述探测面61与由所述探测支路50射出的光线所成角度为δ1，所述待测量面10与射入所述探测支路50的光线所成的角度为γ1，所述探测支路50的放大倍率为m
12
，所述探测面61与所述待测量面10满足：
[0062]
tan(90
°-
δ1)＝m
12
tan(90
°-
γ1)
[0063]
可选的，垂向测量系统中各个元部件的位置精度由一体化的机械结构保证，由提高机械结构的加工要求实现。由此，待探测面10处与探测面61处均能清晰成像。在一个仿真结果中，在待探测面10处的光斑成像效果如图8b所示，可见与投影狭缝23处的光斑基本相似。图9为仿真得到的待探测面10处的调制传递函数(mtf)曲线图，其中t表示子午方向，s表示弧矢方向，该两个方向的mtf曲线均与衍射极限重合，表明本实施例所提供的垂向测量系统的成像质量优良。请参考图10a和图10b，其中，图10a为现有的透射式成像系统的色差仿真结果对比图，图10b为本实施例所提供的垂向测量系统的色差仿真结果对比图。图10a和图10b中，分别包括有r1～r5五条曲线，其与光波长的对应关系为：r1＝500nm，r2＝600nm，r3＝700nm，r4＝800nm，r5＝900nm。根据现有垂向测量系统透射式投影光路的倍率大小、以及待探测面的光线入射角和最大视场，可通过计算得知投影狭缝面的最大视场。图10a和图10b中，均是采用计算的投影狭缝23处最大视场进行仿真。图10a和图10b中，均选用投影狭缝23处的最大视场为5.8398mm进行仿真。仿真结果表明，在相同波段和视场下，本实施例所提供的垂向测量系统的色差优于现有的透射式成像系统。
[0064]
基于上述垂向测量系统，本实施例还提供一种曝光装置，其包括如上所述的垂向测量系统。曝光装置可为光刻机等。由于所述曝光装置包括如上所述的垂向测量系统，其也具备由所述垂向测量系统所带来的有益效果。本领域技术人员可根据现有技术对曝光装置的其它部件进行设置，在此不再赘述。
[0065]
综上，本发明提供的垂向测量系统及曝光装置中，沿光路依次包括：光源入射装置、信号调制单元、投影支路、探测支路及探测装置。信号调制单元包括依次排布的第一透镜、扫描反射镜及第二透镜，由于扫描反射镜与两个透镜沿光路的距离分别等于两个透镜的焦距，扫描反射镜周期性运动时，可以保证自第二透镜中射出的光线角度不会发生变化，
从而使得经投影支路射向待测量面的光束的入射角不变。由此，探测装置能够获得较佳的探测效果，避免系统工艺适应性以及探测面光功率受到影响，从而提高探测精度。
[0066]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。