[发明专利]用于光刻设备的调焦调平系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种用于光刻设备的调焦调平系统。

背景技术

近年来，随着科学技术尤其是半导体技术的不断发展，对硅片复杂程度及成本价格不断提高，对光刻工艺技术的要求也不断地提高，因而对调焦调平检测的精度要求和曝光质量要求也大幅度提高，特别是在前道光刻工艺光刻机中，对精度和曝光质量的要求越来越高。

现有的调焦调平检测传感器主要有三种：一是气压式传感器；二是电容式传感器，三是光电式三角测量传感器。这三种传感器各有其优缺点：一气压式传感器可以直接测量硅片面的物理表面、不受光刻胶以及硅片表面材料的影响、但是气压受环境影响大导致精度不高、并且传感器距离硅片面较近而不能直接测量曝光场；二电容式传感器实现比较简单、但是受被测硅片特性影响比较大、也不能直接测量曝光场；三光电式三角测量传感器能够测量曝光场而且检测精度高、目前主要的调焦调平传感器、但是光机和控制结构复杂、并且精度受硅片面反射率的影响比较大；另外现有的调焦调平传感器装置为了实现大尺寸被测物的多区域测量需要安装多个或者多路调焦调平传感器装置，不但占据整机空间、增加整机重量，而且可测范围也有限。共焦测量装置的原理就是利用不同波长的光线在通过具有梯度折射率（不同波长的光通过相同的透镜有各自不同的折射率）的透镜后，会产生不同的聚焦深度，也就是不同波长的光线对应的焦距不一样，焦距与波长之间的关系计算公式：

（1）

式中是聚焦时所对应光线的波长，是该波长对应的焦距，是该波长在测量装置的透镜对应的折射率，而、是透镜两面的曲率半径。共焦测量装置就是利用这个原理测量被测对象（对于应用在光刻机调焦调平上，被测对象就是硅片面，下面统一为硅片面。）轴向的位置偏移值，其原理示意图如图1所示。当硅片面处在特定的参考焦面（光刻机的最佳曝光面，后面统称最佳曝光面）时，如图1（i）所示，此时对应波长的光（图中的红色光线）被离探头距离为a的透镜聚焦到硅片面，同时聚焦点的反射光会沿着原光路返回，经装置内透镜返回，再经探测小孔返回测量装置，此时硅片面就处在焦距为z的红光焦平面（最佳曝光面）上，此时对应的红光焦距为；当硅片面有的位置偏离时，如图1（ii）所示，红色光线就不会在硅片面上聚焦，所反射回光纤就不能通过测量装置探测端的小孔，这样就不能用该红色光纤测量；由于光源是连续光谱，只要硅片面所处位置不超过装置的测量范围，那么就会有对应波长的光线在硅片面所处位置聚焦，如图1（iii）所示，硅片面有的位置偏离时所对应的绿色光线在该处聚焦，相应的就可以根据绿光的焦距测量出此时硅片面所处的位置参数，两者相减就可以得到偏移量，其中通过照明针孔的点光源，硅片面上的聚焦点和探测端通过探测针孔的像点三者两两之间共轭关系，也就是所谓的共焦。

该测量装置利用具有连续光谱光源发出的光线通过具有梯度折射率的透镜后，具有各自波长的光线在轴向空间会产生不同的焦深，当被测对象处于不同的焦深位置时，就可以通过计算所处位置的焦深差得到被测对象的位置偏移量或者不同空间位置的轴向距离。这样的话，每个测量对象所处位置对应的波长光在探测器上就会有一个测量峰值，如图2所示，当被测对象有位置偏移时，偏移后的位置也会被相应波长的光线测量到，也会有其对应的测量峰值，如图3所示，两个波长对应的焦距差就可以算出偏移量，这样控制单元就是根据这个测量差值做出相应的调整，使得被测对象恢复到应处的位置。目前已有的这种共焦测量仪器，线性度在±0.05%，分辨率可达0.004%。

现有调焦调平测量技术中光电式的测量传感器容易受空间结构限制，以及因硅片面反射率不均造成探测器探测到的光斑均匀性差，使得传感器的工艺适应性难以解决；电容式存在受硅片面材料性质、环境温度和湿度的影响大，测量精度低等问题；而气压式传感器容易受风速、温度等影响，而且测量精度不高；另外现有的调焦调平传感器都是固定在主机板上的某个位置，这样也就限制了其测量范围，若想同步实现更多对象的检测，需要增加传感器的数量，不但增加分系统或者整机的重量、由于空间有限的安装难度，还会增加制造成本。上述限制或者不足之处，最后都会导致工件台上的硅片就到不了最佳焦平面位置，从而使得曝光质量下降，另外工程实现难度，生产成本也会随之增加。

有鉴于此，现有技术中需要一种新的能够运用于光刻机的可确保成像分辨率稳定的调焦调平装置和方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供一种新的能够运用于光刻机的可确保成像分辨率稳定的调焦调平装置和方法。