[发明专利]一种光学系统的检焦装置和检焦方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学系统的检焦装置，特别是涉及一种基于剪切干涉技术的光学系统检焦装置和检焦方法，用于光刻机硅片的高精度调平调焦，属于微电子设备及微纳加工领域。

背景技术

集成电路的集成度水平按照摩尔定律（单位面积上的集成电路可容纳的晶体管数目约18个月增加一倍）不断提高，超大规模集成电路得以不断发展。光刻技术是极大规模集成电路制造的核心技术之一，通过曝光的方法将掩模上的图形转移到涂覆于硅片表面的光刻胶上，然后通过显影、刻蚀等工艺将图形转移到硅片上，为了降低生产成本和提高生产效率，应用大数值孔径投影光刻物镜和短波长曝光光源等技术，投影光刻分辨率进一步提高。分辨率的提高导致了焦深的不断减小，严重影响光学系统的工艺宽容度；随着硅片尺寸的增大，曝光面积大幅增加，曝光视场局部倾斜和工件台运动过程中偏摆带来的局部倾斜，也会引起离焦量的恶化；因此，对光刻机的检焦装置的检测精度提出了更高的要求。一般光刻系统的检焦精度一般为有效焦深的1/10，即纳米量级。朗奇剪切干涉是一种基于瞳面测量的干涉测量技术，具有没有空间光程误差、检测精度高、零条纹检测等特点，可以很好地应用于投影物镜的焦面检测中。

传统投影曝光光刻机中，由于焦深较长，多采用CCD检焦技术和PSD传感器技术。针对纳米量级检焦精度要求的情况，大多采用结构原理较为简单的狭缝光度式焦面检测方法，通过计算夹缝在探测器中的位移变化计算硅片的离焦量。这两类方法总体而言测量系统较为简单，操作方便，但是测量精度较低，不能满足高端光刻机对检测的技术需求。

中国发明专利CN201410500277提出了一种基于光栅泰伯效应的光刻机系统的检焦方法，利用硅片离焦引起的光栅泰伯效应的“自成像”位相变化，当硅片位于焦面位置时，光栅成像波前为平面波前，硅片离焦时为球面波前，通过判断波前形态从而获取焦面位置（参见在先技术，中国发明专利，一种基于光栅泰伯效应的检焦方法，CN201410500277）。这种方法具有较高的检测精度，但要求系统额外添加较多的检测设备，且其系统抗干扰能力较弱，对环境具有较高的要求。Euclid E. Mood等提出基于啁啾光栅的间隙测量用于光刻机检焦测量，获得纳米级检测精度，但该方法存在检测精度受图像处理算法和相位解析算法的限制、系统实时性差、检测效率低等不足。

发明内容

本发明的目的是提供了一种光学系统的检焦装置和检焦方法，适用于投影式光刻机的高精度调平聚焦，具有高精度和实时检测等优点。

本发明的技术解决方案如下：一种光学系统的检焦装置，其特征在于：从光束入射方向依次包括光源、光束准直扩束系统、毛玻璃、物面光栅、掩膜平台、被测光学系统、像面光栅、硅片平台、CCD探测器。所述的物面光栅置于掩膜平台上，可以随着掩膜平台的移动而移动，并位于被测光学系统的物方平面上。所述的像面光栅位于光刻机的硅片平台上，并位于被测光学系统的像方平面上。当硅片平台离焦时，光束准直扩束系统的光经过物面光栅并通过被测光学系统投影到像面光栅后，不同衍射级相互干涉形成干涉条纹（参见在先技术：吴飞斌等，Ronchi剪切干涉光刻投影物镜波像差检测技术研究，中国激光，42（3），2015）；当硅片平台从离焦位置向共焦位置平移时，光束准直扩束系统的光经过物面光栅并通过被测光学系统投影到像面光栅后，干涉条纹减少直到消失。所述的CCD探测器位于硅片平台的下方，随着硅片平台的移动而同步移动。

所述的被测光学系统为光刻机的投影物镜，成像放大倍数为N；优选地，数值N等于4:1。

所述的光源为LED阵列光源，波长为430~440nm。

所述的物面光栅为振幅型Ronchi线光栅，占空比为50%，周期为p1；

所述的像面光栅是网格型分布，透光单元为大小相等的正方形，每个透光单元周围为8个与透光单元等面积的遮光单元，从而形成透光单元间隔等面积遮光单元的分布形式；所述的像面光栅放置在硅片平台上时，透光单元和遮光单元的对角线方向与物面光栅的方向平行；

所述的像面光栅周期等于相邻两个透光单元的对角线距离，数值为p2=，其中a为透光单元的边长；所述的周期p2数值上等于p1/N。

当所述的硅片平台位于所述的被测光学系统的共焦平面位置时，光源和光束准直扩束系统的出射平面波前经过物面光栅的衍射、被测光学系统的投影、像面光栅的衍射，不同衍射级相互干涉形成零条纹的干涉图像，根据CCD探测器探测的像面光栅衍射后的成像光斑上干涉条纹的变化情况，即可以完成被测光学系统和硅片平台的检焦测量。