专利名称：一种用于投影光刻中焦面检测的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动焦面检测系统，是一种通过光学三角测量方法对成像面的位 置移动进行测量的技术。
背景技术：
光刻装置(光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。投影光刻机可将 掩模板上的图形通过成像曝光装置按一定比例成像到要加工的对象上(如硅片等)，硅片 在这里泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等。在曝光过程中，需要使加工对象 (如硅片等)的相应表面保持在曝光装置的焦深范围之内。为此，投影光刻机采用了用于测 量加工对象(如硅片等)的表面位置信息的调焦调平测量系统(焦面检测系统)。调焦调 平测量系统可以和夹持加工对象(如硅片等)的加工台一起使加工对象(如硅片等)的被 曝光区域一直处于投影光刻机曝光装置的焦深之内，从而使掩模板上的图形理想地转移到 加工对象(如硅片等)上。随着投影光刻机分辨率的图段提高和投影物镜焦深的不断减小，对光刻机的调焦 调平测量分系统的测量精度和能够实时测量曝光区域等性能的要求也越来越高。因此目 前步进扫描投影光刻机中所采用的调焦调平测量系统通常为光电测量系统，如基于光栅 和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)、基于狭缝和四象限探测器的光 电测量方法(美国专利US6765647B1)、基于PSD(位置敏感器件)的光电探测方法(中国 专利:200610117401)和基于光栅莫尔条纹的光电探测方法(中国专利200710171968)。 上述调焦调平测量系统的测量位置均为单一位置，即只能测试加工对象上某一点或某一微 小区域内平均的位置信息。为实现投影光刻机所需的调焦和调平测量两大功能，需要采用 若干套焦面检测系统(如0verlay and field leveling in wafersteppers using an advanced metrology system, SPIE Vol. 1673)或在一个系统中采用若干个标记(如美国 专利US5191200)，这样使得整个调焦调平测量系统非常冗余。
发明内容
为解决上述一套光学系统仅能进行对某一点或某一微小区域进行焦面检测，要实 现投影光刻机所需的调焦调平两大功能需要采用若干套焦面检测系统，因而整个调焦调平 测量系统非常冗余的问题，本发明的目的是利用一套光学系统完成投影光刻中的焦面位置 和倾斜检测，实现调焦、调平测量的功能。为实现本发明的目的，本发明提供用于投影光刻中焦面检测的光学系统，所述光 学系统解决技术问题所采用的技术方案包括照明系统、检焦标记、投影成像系统、多次反 射棱镜、被检测面、反射镜、检焦标记放大系统和探测器件；检焦标记和投影成像系统位于 照明系统和多次反射棱镜之间，被检测面位于多次反射棱镜和反射镜之间，检焦标记放大 系统位于反射镜和探测器件之间；投影成像系统与照明系统匹配为照明检焦标记提供照明 光，多次反射棱镜将照明系统的照明检焦标记的入射光分为两束或两束以上的探测光，并且每束探测光的位置不相同，检焦标记通过投影成像系统和多次反射棱镜将每束探测光位 置的标记成像到被检测面表面上，经过被检测面反射后的检测光，经检焦标记放大系统放 大后入射到探测器件上，利用探测器件探测经光学放大系统放大后的反射图像位置，对光 刻投影物镜的焦面位置和焦面倾斜进行检测。利用所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，还可以应用到需要检测成像物 镜实际成像面与理想焦面位置差的其他场合、用于成像物镜焦面检测及还可以应用到需要 精密位置检测的场合。本发明的有益效果在本发明中，通过引入多次反射棱镜，仅采用一套光学系统， 同时实现了焦面位置探测和焦面倾斜探测，不仅降低了系统复杂程度，还减少了误差源，提 高了探测精度。本发明通过多个点的位置探测，就可以实现被探测面的倾斜探测。由于所 有的探测光都是由同一光源和同一检测标记发出，因此各个探测光严格一致，并且这些探 测光均通过同一光学系统，因此可以消除掉光学系统加工、装调等因素产生的差异；综合以 上优点，这样的结构安排可以增加调平调焦探测的精度。
图1为投影光刻机原理图。图2是图1中的焦面检测光学系统本发明投影光刻机中焦面检测的光学系统的原理图。图3为多次反射原理图。图4为检测光路的在被检测面的反射光路示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。图1示出了投影光刻机的原理图，投影光刻机含有光轴la、掩膜板加、光刻投影物 镜3a、由多个焦面检测光学系统组成的调平调焦检测系统4a、加工对象fe和载物平台6a。 掩膜板加置于光刻投影物镜3a的物面，加工对象5a(如硅片等)置于载物平台6a上。光 刻曝光时，需移动载物平台6a使得加工对象fe的曝光面处于光刻投影物镜3a的焦面上。 为使得掩模板加上的图像精确的转移至加工对象fe上，需要对加工对象fe的曝光面与光 刻投影物镜3a的相对位置(包括距离和倾斜)进行精确的探测和调整，使得加工对象fe 的整个待曝光区域都处于光刻投影物镜3a的焦深范围内。为达到这一目的，就需要由多个 焦面检测光学系统组成的调平调焦检测系统如对加工对象fe上的待曝光区域的位置进行 精密检测，并给予载物平台6a的调焦调平执行系统反馈。图2示出的是对图1中焦面检测光学系统的改进，本发明提供的投影光刻机中焦 面检测的光学系统是利用三角测量方法，本发明光学系统包括照明系统1、检焦标记2、投 影成像系统3、多次反射棱镜4、被检测面5、反射镜6、检焦标记放大系统7和探测器件8组 成，检焦标记2和投影成像系统3位于照明系统1和多次反射棱镜4之间，被检测面5位于 多次反射棱镜4和反射镜6之间，检焦标记放大系统7位于反射镜6和探测器件8之间；投 影成像系统3与照明系统1匹配为照明检焦标记2提供照明光，多次反射棱镜4将照明系
4统1的照明检焦标记2的入射光分为两束或两束以上的探测光，并且每束探测光的位置不 相同，检焦标记2通过投影成像系统3和多次反射棱镜4将每束探测光位置的标记成像到 被检测面5表面上，经过被检测面5反射后的检测光，经检焦标记放大系统7放大后入射到 探测器件8上，利用探测器件8探测经光学放大系统7放大后的反射图像位置，对光刻投影 物镜3a的焦面位置和焦面倾斜进行检测。照明系统1将光源发出的光整形后照亮检焦标记2 ；检焦标记2经投影成像系统 3和多次反射棱镜4后成像在被检测面5上；多次反射棱镜4的上表面具有分光特性，而多 次反射棱镜4的下表面具有反射特性，因此入射光经过多次反射棱镜4反射后，将形成个反 射光线，即将检焦标记2形成多个具有复制特性的像，这些像不受检焦标记制作工艺影响 其形状和位置关系是严格一致的；检焦标记2的像经过被检测面5及反射镜6的反射后由 检焦标记放大系统7放大成像到探测器件8上，探测器件8得到的光信号将转换为电信号， 由相应的电路系统将检测信号读出。通过工艺实验得到光刻投影物镜3a的理想成像焦面 位置并对焦面检测系统进行标定，该焦面检测系统在标定以后可以实时测得光刻投影物镜 3a实际成像面与理想焦面的位置差。所述的照明系统1采用宽带或单色光源，包括卤素灯、氙灯、LED或激光器等工程 技术中常用的光源；所述的检焦标记2，是具有明暗形式的便于探测器件探测到标记，其中明暗形式的 标记是十字叉、直线、光栅、圆点和圆圈的一种。所述的多次反射棱镜4的外反射介质表面为分光面，根据实际需利用反射介质表 面的部分反射或者通过镀膜等方法使其达到一定的分光比，多次反射棱镜4将入射的探测 光分为两束探测光或两束以上的探测光。所述多次反射棱镜4的外反射表面的分光性质可 以是分色分光、也可以是中性分光。所述多次反射棱镜4经外表面反射的主光线与经内表 面反射再经外表面折射的主光线可以是平行的光线，也可以是成一角度的光线。所述被检测面5是位于光刻投影物镜Ia像面的具有镜面反射、漫反射或散射性质 的平面、曲面。所述探测器件8是不局限于CXD面阵探测器8，还可以是CMOS器件、两象限探测 器、四象限探测器、位置探测器(PSD)及对光信号敏感的光电探测类器件中的一种。如图3所示，当光入射到多次反射棱镜4以后，部分光通过多次反射棱镜4的前表 面反射，部分光透过多次反射棱镜4的前表面并由多次反射棱镜4的后表面反射再经前表 面出射。若合理设计多次反射棱镜4前后表面的透过率和反射率，则可以使入射光分为两 束或两束以上的光。这些光线均由同一光源和同一检焦标记2发出，具有严格的复制特征。如图4所示，由检焦标记2通过检焦标记投影成像系统3投影出的探测光分为两 束或两束以上后，分别入射到被检测面5上。这些探测光沿水平方向有X的偏移，也就是说 被探测位置也有X的偏移，通过多个点的位置探测，就可以实现被检测面的倾斜探测。由于 所有的探测光都是由同一光源和同一检焦标记2发出，因此各个探测光严格一致；并且这 些探测光均通过同一光学系统，因此可以消除掉光学系统加工、装调等因素产生的差异；综 合以上优点，这样的结构安排可以增加调平调焦探测的精度。上述附图和具体实施方式
仅为本发明的一实施例，在不背离本发明的发明精神和 权利要求书所界定的发明范围前提下，本发明可以有各种增补、修改和替代。因此，上述实施例是用于说明例证本发明而非限制本发明的范围，本发明的范围有权利要求及其合法同 等物来界定，而不限于此前之描述。权利要求书旨在涵盖所有此类同等物。
权利要求
1.一种用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于由照明系统(1)、检焦标记 O)、投影成像系统(3)、多次反射棱镜G)、被检测面(5)、反射镜(6)、检焦标记放大系统 (7)和探测器件(8)组成；检焦标记(2)和投影成像系统(3)位于照明系统(1)和多次反射 棱镜(4)之间，被检测面(5)位于多次反射棱镜(4)和反射镜(6)之间，检焦标记放大系统 (7)位于反射镜(6)和探测器件⑶之间；投影成像系统(3)与照明系统⑴匹配为照明检 焦标记(2)提供照明光，多次反射棱镜(4)将照明系统(1)的照明检焦标记O)的入射光 分为两束或两束以上的探测光，并且每束探测光的位置不相同，检焦标记( 通过投影成 像系统C3)和多次反射棱镜(4)将每束探测光位置的标记成像到被检测面( 表面上，经 过被检测面( 反射后的检测光，经检焦标记放大系统(7)放大后入射到探测器件(8)上， 利用探测器件(8)探测经光学放大系统(7)放大后的反射图像位置，对光刻投影物镜(3a) 的焦面位置和焦面倾斜进行检测。
2.根据权利要求1所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述照 明系统(1)采用宽带或单色光源，所述宽带或单色光源包括卤素灯、氙灯、LED、激光器或工 程技术中常用的光源。
3.根据权利要求1所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述检 焦标记(2)具有明暗形式的便于探测器件探测的标记，其中明暗形式的标记是十字叉、直 线、光栅、圆点和圆圈中的一种。
4.根据权利要求1所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述多 次反射棱镜的外反射表面为分光面，所述分光面是利用反射介质表面的部分反射或者 通过镀膜方法使分光面达到设定的分光比，多次反射棱镜(4)将入射的探测光分为两束或 两束以上的探测光。
5.根据权利要求4所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述多 次反射棱镜的外反射表面的分光性质可以是分色分光、也可以是中性分光。
6.根据权利要求4所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述多 次反射棱镜(4)经外表面反射的主光线与经内表面反射再经外表面折射的主光线可以是 平行的光线，也可以是成一角度的光线。
7.根据权利要求1所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述被 检测面( 是位于光刻投影物镜(Ia)像面的具有镜面反射、漫反射或散射性质的平面、曲
8.根据权利要求1所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，其特征在于所述探 测器件⑶不局限于CCD面阵探测器，还可以是CMOS器件、两象限探测器、四象限探测器、 位置探测器及对光信号敏感的光电探测类器件中的一种。
9.利用权利要求1所述的用于投影光刻中焦面检测的光学系统，还可以应用到需要检 测成像物镜实际成像面与理想焦面位置差的其他场合、用于成像物镜焦面检测及还可以应 用到需要精密位置检测的场合。
全文摘要
本发明是一种用于投影光刻中焦面检测的光学系统，检焦标记和投影成像系统位于照明系统和多次反射棱镜之间，被检测面位于多次反射棱镜和反射镜之间，检焦标记放大系统位于反射镜和探测器件之间；投影成像系统与照明系统匹配为照明检焦标记提供照明光，多次反射棱镜将照明系统的照明检焦标记的入射光分为两束或两束以上的探测光，并且每束探测光的位置不相同，检焦标记通过投影成像系统和多次反射棱镜将每束探测光位置的标记成像到被检测面表面上，经过被检测面反射后的检测光，经检焦标记放大系统放大后入射到探测器件上，利用探测器件探测经光学放大系统放大后的反射图像位置，对光刻投影物镜的焦面位置和焦面倾斜进行检测。
文档编号G03F9/00GK102087483SQ20101060551
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者李艳丽, 胡松, 陈铭勇 申请人:中国科学院光电技术研究所