專利名稱：可調整零平面位置的垂向測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量系統，且特別涉及一種光刻設備的垂向測量系統。
背景技術：
隨著大規模和超大規模集成電路制造工藝的發展，作為這一行業發展驅動器的光刻機也越來越先進。提高光刻機垂向測量系統的測量精度是優化曝光質量的前提條件。但提高垂向測量精度的同時卻導致測量范圍在不斷減小。
在光刻機中由于熱漂移及裝配誤差等因素使得垂向測量系統零平面位置和投影物鏡最佳焦面之間的偏差比較大，該偏差量對于垂向測量系統來講，必將引入測量誤差。
專利號為4866262的美國專利公開了一種垂向測量系統，在測量光路中加入偏置平板。通過調整偏置平板來改變測量光束的位置，進而消除上述偏差。但由于該發明僅在一側光路中引入偏置平板，在偏置平板轉動后，反射光路中的光束偏移量不可控制。當偏移量過大時，對垂向測量系統帶來成像誤差，且該系統對反射光路中光學器件的安裝精度提出了很高的要求。
專利號為5461237的美國專利提出了一種全新的測量方案，利用高頻振動的掃描反射鏡來產生高頻光學探測信號，可以消除硅片表面形貌不規則所引起的系統測量誤差。但該方案自身零平面位置不可調，不能消除由于投影物鏡最佳焦面漂移所產生的垂向測量誤差。
因此，設計一套能夠大范圍調整自身零平面位置，且不影響測量精度的垂向測量系統，在光刻設備中顯得至關重要。
發明內容
本發明提出一種可調整零平面位置的垂向測量系統，能夠解決上述問題。為了達到上述目的，本發明提出一種可調整零平面位置的垂向測量系統，包括光源發出入射光束，入射光束到達被測試的硅片后，反射光束由硅片反射至光電探測器。垂向測量系統包括雙光楔機構放置于垂向測量系統的光路中，用于改變光路中光束的偏移量。雙光楔機構沿光路依次包括第一楔形塊和第二楔形塊。第一楔形塊包括入射面和第一斜面。第二楔形塊的楔角與折射率與第一楔形塊相同。第二楔形塊包括出射面和第二斜面，出射面平行于入射面，第二斜面與第一斜面相對且相互平行。其中第一楔形塊和第二楔形塊沿水平方向和垂直方向移動時，改變入射光束的偏移量。
可選的，其中雙光楔機構放置在入射光束的光路中，用來調整入射光束的光斑在硅片上的位置。
可選的，其中該雙光楔機構控制入射光束的方向，使入射光束經過硅片反射后進入光電探測器的方向與調整前一致。
可選的，其中雙光楔機構放置在反射光束的光路中，用來調整反射光束射入光電探測器的位置。
可選的，其中該雙光楔機構控制反射光束的方向，使反射光束的方向進入光電探測器的方向與調整前一致。
可選的，其中垂向測量系統適用于光刻設備中，光刻設備包括物鏡，物鏡具有光軸，雙光楔機構放置在入射光束的光路中，用來調整入射光束的光斑在硅片上的位置是在物鏡的光軸上。
可選的，其中在該入射光束的光路中和該反射光束的光路中分別設置一個雙光楔機構。
為了達到上述目的，本發明提出一種雙光楔機構，放置于垂向測量系統的光路中，用于改變入射光束的偏移量。雙光楔機構沿光路依次包括第一楔形塊和第二楔形塊。第一楔形塊包括入射面和第一斜面。第二楔形塊的楔角與折射率與第一楔形塊相同。第二楔形塊包括出射面和第二斜面，出射面平行于入射面，第二斜面與第一斜面相對且相互平行。其中第一楔形塊和第二楔形塊沿水平方向和垂直方向移動時，改變入射光束的偏移量。
可選的，其中雙光楔機構的入射面垂直于入射光束。
可選的，其中第二楔形塊僅沿垂直方向移動用來調整入射光束的偏移量。
可選的，其中當第一楔形塊固定，第二楔形塊的垂向調整量為Δy時，入射光束的偏移量d為 其中α為第一楔形塊和第二楔形塊的楔角，n為第一楔形塊和第二楔形塊的折射率。
可選的，其中第一楔形塊僅沿水平方向移動用來調整入射光束的偏移量。
可選的，其中當第一楔形塊固定，第二楔形塊的水平調整量為Δx時，入射光束的偏移量d為 其中α為第一楔形塊和第二楔形塊的楔角，n為第一楔形塊和第二楔形塊的折射率。
可選的，其中當第一楔形塊或第二楔形塊的垂向調整量為Δy、第一楔形塊或第二楔形塊的水平向調整量為Δx時，入射光束的偏移量d為 其中α為第一楔形塊和第二楔形塊的楔角，n為第一楔形塊和第二楔形塊的折射率。
本發明提出的垂向測量系統通過調整兩個楔形塊之間的相對位置關系來改變測量光束路徑。通過兩個楔形塊的配合使用，可以調整測量系統自身零面位置。測量系統結構簡便、靈活性好、調整速度快、精度高。
在入射光路中布置雙光楔機構可以改變測量光斑在被測量面上的位置，提高測量精度。在反射光路中布置雙光楔機構能夠調整測量光束打在光電探測器上的位置，實現測量系統完全機械調零，調零后不影響后續數據處理過程，使得系統整個測量范圍區間能夠實現垂向調整。
在保證系統測量精度的前提下達到了提高系統測量范圍的目的。該測量系統便于消除由于環境溫度變化導致的熱漂移或系統受力導致的機械漂移等因素所引起的測量誤差。
圖1為本發明一較佳實施例中垂向測量系統的結構示意圖。
圖2所示為本發明較佳實施例垂向測量系統零平面位置調整作動示意圖。
圖3為另一實施例垂向測量系統零平面位置調整作動示意圖。
圖4所示為雙光楔機構垂直調整的原理示意圖。
圖5所示為雙光楔機構水平調整的原理示意圖。
圖6所示為雙光楔機構水平和垂直調整方式結合的原理示意圖。
具體實施例方式 為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
圖1為本發明一較佳實施例中垂向測量系統的結構示意圖。
本實施例揭露一種可自動調整零平面位置的垂向測量系統，可作為光刻機垂向測量傳感器。如圖1所示，本實施例揭露的垂向測量系統適用于光刻設備中。
光刻設備包括投影物鏡1和工作臺8等組件。工作臺8上放置被測量硅片7。工作臺8可以驅動硅片7沿垂向和水平向運動。
垂向測量系統沿光路方向包括光源2，準直透鏡3，投影狹縫4，第一雙光楔機構5，第一反射鏡6，第二反射鏡9，第二雙光楔機構10，掃描反射鏡11，探測狹縫12和光電探測器13。
正常工作時，垂向測量系統的光源2發出的測量光線經過準直透鏡3后形成平行入射光束。平行入射光束透過投影狹縫4后垂直射向第一雙光楔機構5，透過第一雙光楔機構5之后由反射鏡6將光束引向被測硅片7上表面。硅片7固定在工作臺8上，位于物鏡1的最佳焦平面上，硅片7可以隨工作臺8一起垂直或水平移動。
入射光束經硅片7反射后，反射光束攜帶著硅片表面位置信息由反射鏡9反射后垂直射向第二雙光楔機構10，反射光束透過第二雙光楔機構10后射向掃描反射鏡11，掃描反射鏡11一直做高頻振動，反射光束經掃描反射鏡11反射后透過探測狹縫12射向光電探測器13，光電探測器13通過對高頻測量信號進行分析處理，得到被測量硅片7相對于投影物鏡1最佳焦平面的垂向位置信息。
圖2所示為本發明較佳實施例垂向測量系統零平面位置調整作動示意圖。
在光刻設備正常工作時，為了保證垂向測量精度，垂向測量系統的零平面位置應該跟投影物鏡1最佳焦平面位置相互重合。然而由于物鏡1的機械框架長期受熱、受力等外界影響發生變形，導致投影物鏡1的最佳焦面位置發生漂移。
圖2中的虛線部分表示當硅片7位于AA’位置時，第一雙光楔機構5和第二雙光楔機構10無需調整時的狀態。
如圖2所示，由于物鏡1的框架變形或其它原因，投影物鏡1的最佳焦面由原來的AA’位置漂到了BB’位置。此時垂向測量系統測得的硅片7上表面相對于物鏡最佳焦面之間的垂向位置信息將引入一個高度差，該高度差的存在將導致整個光刻機曝光質量的降低。
針對這種情況，最好的解決辦法是對光刻機垂向測量系統的零平面位置進行調整，確保垂向測量系統的零平面位置始終與投影物鏡1最佳焦平面位置相互重合，即硅片7處于圖2中BB’位置。
本實施例中的具體調整過程如下，首先驅動工作臺8，使硅片7上表面處于投影物鏡最佳焦面位置BB’處；然后調整第一雙光楔機構5平移入射光束，進而調整測量光斑在硅片7上的位置，保證硅片7上的測量光斑在投影物鏡1的光軸OO’上。光斑在投影物鏡1的光軸OO’上時，垂向測量系統具有較高的測量精度。最后調整第二雙光楔機構10平移反射光束，使透過第二雙光楔機構10后的反射光束射向掃描反射鏡11的中心，從而保證光電探測器13接收到的高頻測量信號與零平面調整前一樣。
這樣，垂向測量系統不會因為零平面的調整而影響后續信號處理過程，進而達到了系統自動調零的目的。由于該測量系統零平面位置垂向可調，使得系統測量范圍區間隨零平面位置上下可調，在保證系統測量精度的前提下擴大了測量范圍。
圖3為另一實施例垂向測量系統零平面位置調整作動示意圖。
如圖所示在垂向測量系統包括光源2，準直透鏡3，投影狹縫4，第一反射鏡6，第二反射鏡9，雙光楔機構10，掃描反射鏡11，探測狹縫12和光電探測器13。
如圖3所示，由于物鏡1的框架變形或其它原因，投影物鏡1的最佳焦面由原來的AA’位置漂到了BB’位置。為了對光刻機垂向測量系統的零平面位置進行調整，確保垂向測量系統的零平面位置始終與投影物鏡1最佳焦平面位置相互重合，即硅片7處于圖3中BB’位置。
本實施例中的具體調整過程如下，首先驅動工作臺8，使硅片7上表面處于投影物鏡最佳焦面位置BB’處，調整雙光楔機構10平移反射光束，使透過第二雙光楔機構10后的反射光束射向掃描反射鏡11的中心，從而保證光電探測器13接收到的高頻測量信號與零平面調整前一樣。
同樣地，可以只在入射光路中放置雙光楔機構。通過該雙光楔機構調整入射光束的方向，從而改變由硅片反射的光束的方向，反射光束經過反射鏡和掃描反射鏡后投射到光電探測器，使該光電探測器接收到的高頻測量信號與零平面調整前一樣。圖4所示為雙光楔機構垂直調整的原理示意圖。
本發明中的關鍵部件是第一雙光楔機構5和第二雙光楔機構10中的雙光楔機構100。雙光楔機構100由兩個折射率和楔角完全相同的楔形塊101和102組成。通過改變兩個楔形塊之間的位置關系能夠平移透過雙光楔結構的測量光束的位置，雙光楔機構100可分為垂向調整和水平向調整兩種類型。
楔形塊101至少包括入射面101a和斜面101b，入射面101a和斜面101b之間的角度為楔角α。楔形塊102至少包括出射面102a和斜面102b，入射面101a和斜面101b之間的角度也為楔角α。斜面101b和斜面102b相對且互相平行，入射面101a和出射面102a互相平行。為了方便說明，在后續的說明中，楔形塊101和102的初始位置為兩個斜面101b和102b水平方向和垂直方向的相對距離均為零。
雙光楔機構垂向調整原理如圖4所示，楔形塊101固定不動，通過垂向調整楔形塊102的位置來改變入射光束l的偏移量d。楔形塊101和102形狀完全相同，且楔角都為α。假設入射光束l通過楔形塊101后在空氣中的折射角為α+β，若已知楔形塊的折射率為n(n＞1)，則根據折射原理有關系式n·sinα＝sin(α+β)，于是β＝arcsin(nsinα)-α。由圖4可知，當雙光楔機構的楔形塊102的垂向調整量為Δy時， 即 代入β值，可得 式中α、β角都已知，根據楔形塊102的垂向調整量Δy可以計算出光束的偏移量d。
圖5所示為雙光楔機構水平調整的原理示意圖。
雙光楔機構水平向調整原理如圖5所示，楔形塊101固定不動，通過水平向調整楔形塊102的位置來改變入射光束l的偏移量d。楔形塊101和102形狀完全相同，且楔角都為α，假設入射光束l通過楔形塊101后在空氣中的折射角為α+β，若已知楔形塊的折射率為n(n＞1)，則根據折射原理有關系式n·sinα＝sin(α+β)，于是β已知，β＝arcsin(nsinα)-α。由圖5可知，當雙光楔機構的楔形塊102的水平向調整量為Δx時， 即 代入β值 式中α、β角都已知，根據楔形塊102的水平向調整量Δx可以計算出光束的偏移量d。
對以上兩種調整方案分析可知，當楔角α＜45°時，垂向調整系數
大于水平向調整系數
即垂向調整方式具有較大的調整范圍，而水平調整方式具有較高的調整精度。
圖6所示為雙光楔機構水平和垂直調整方式結合的原理示意圖。
因此，通過垂向調整和水平向調整方式的配合使用，使得雙光楔機構既可以大范圍粗調，又可以精確調整。如圖6所示，楔形塊101固定不動，通過垂向和水平向調整楔形塊102的位置來改變入射光束l的偏移量d。楔形塊101和102形狀完全相同，且楔角都為α，假設入射光束l通過楔形塊101后在空氣中的折射角為α+β，若已知楔形塊的折射率為n(n＞1)，則根據折射原理有關系式 n·sinα＝sin(α+β)， 于是β已知，β＝arcsin(nsinα)-α。由幾何關系可以確定 因此 即此時光束偏移量d為垂向運動偏移量和水平向運動偏移量的疊加。式中α、β角都已知，根據楔形塊102的垂向調整量Δy和水平向調整量Δx可以計算出光束的偏移量d。
為了便于實現雙光楔機構垂向和水平調整的配合使用，在本實施例中，使楔形塊102負責垂向調整，而楔形塊101負責水平向調整。具體調整過程如下，首先根據給定的光束偏移量計算出楔形塊102的垂向調整量d。然后通過移動楔形塊102進行垂向粗調，保持楔形塊101固定不動，驅動楔形塊102沿垂向移動距離d。由于垂向調整精度較低，垂向調整后光束未必能夠精確偏移到指定位置(在本實施例中，即為保證硅片7上的測量光斑在投影物鏡1的光軸OO’上)，此時可以通過移動楔形塊101進行水平向精調，保持楔形塊102固定不動，驅動楔形塊101沿水平向移動，使得光束最終偏移到理想位置。
在其他實施例中，楔形塊101和楔形塊102的調整方向也可以調換，或者同一楔形塊同時水平向和垂向調整。
為了精確保證光束偏移量d和楔形塊調整量Δy、Δx之間的位置關系，在測量系統中一定要確保測量光束通過雙光楔機構時為垂直入射，即入射面101a垂直于入射光束。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種可調整零平面位置的垂向測量系統，包括光源發出入射光束，該入射光束到達被測試的硅片后，反射光束由該硅片反射至光電探測器，其特征是，該垂向測量系統包括
雙光楔機構，放置于垂向測量系統的光路中，用于改變光路中光束的偏移量，其特征是，沿光路依次包括
第一楔形塊，包括入射面和第一斜面；以及
第二楔形塊，該第二楔形塊的楔角與折射率與該第一楔形塊相同，該第二楔形塊包括出射面和第二斜面，該出射面平行于該入射面，該第二斜面與該第一斜面相對且相互平行，
其中該第一楔形塊和該第二楔形塊沿水平方向和垂直方向相對移動時，改變光束的偏移量。
2.根據權利要求1所述的垂向測量系統，其特征是，其中該雙光楔機構放置在該入射光束的光路中，用來調整入射光束的光斑在硅片上的位置。
3.根據權利要求2所述的垂向測量系統，其特征是，其中該雙光楔機構控制入射光束的方向，使入射光束經過硅片反射后進入光電探測器的方向與調整前一致。
4.根據權利要求1所述的垂向測量系統，其特征是，其中該雙光楔機構放置在該反射光束的光路中，用來調整反射光束射入光電探測器的位置。
5.根據權利要求4所述的垂向測量系統，其特征是，其中該雙光楔機構控制反射光束的方向，使反射光束的方向進入光電探測器的方向與調整前一致。
6.根據權利要求1所述的垂向測量系統，其特征是，其中在該入射光束的光路中和該反射光束的光路中分別設置一個雙光楔機構。
7.根據權利要求6所述的垂向測量系統，其特征是，其中該垂向測量系統適用于光刻設備中，該光刻設備包括物鏡，該物鏡具有光軸，該雙光楔機構放置在該垂向測量系統的光路中，用來調整入射光束的光斑在硅片上的位置在該物鏡的光軸上。
8.一種雙光楔機構，放置于垂向測量系統的光路中，用于改變入射光束的偏移量，其特征是，沿光路依次包括
第一楔形塊，包括入射面和第一斜面；以及
第二楔形塊，該第二楔形塊的楔角與折射率與該第一楔形塊相同，該第二楔形塊包括出射面和第二斜面，該出射面平行于該入射面，該第二斜面與該第一斜面相對且相互平行，
其中該第一楔形塊和該第二楔形塊沿水平方向和垂直方向相對移動時，改變入射光束的偏移量。
9.根據權利要求8所述的雙光楔機構，其特征是，其中該雙光楔機構的該入射面垂直于該入射光束。
10.根據權利要求8所述的雙光楔機構，其特征是，其中該第二楔形塊僅沿垂直方向移動用來調整該入射光束的偏移量。
11.根據權利要求8所述的雙光楔機構，其特征是，其中當該第一楔形塊固定，該第二楔形塊的垂向調整量為Δy時，該入射光束的偏移量d為
其中α為第一楔形塊和第二楔形塊的楔角，n為第一楔形塊和第二楔形塊的折射率。
12.根據權利要求8所述的雙光楔機構，其特征是，其中該第一楔形塊僅沿水平方向移動用來調整該入射光束的偏移量。
13.根據權利要求8所述的雙光楔機構，其特征是，其中當該第一楔形塊固定，該第二楔形塊的水平調整量為Δx時，該入射光束的偏移量d為
其中α為第一楔形塊和第二楔形塊的楔角，n為第一楔形塊和第二楔形塊的折射率。
14.根據權利要求8所述的雙光楔機構，其特征是，其中當第一楔形塊或第二楔形塊的垂向調整量為Δy、第一楔形塊或第二楔形塊的水平向調整量為Δx時，該入射光束的偏移量d為
其中α為第一楔形塊和第二楔形塊的楔角，n為第一楔形塊和第二楔形塊的折射率。
全文摘要
一種可調整零平面位置的垂向測量系統，包括雙光楔機構放置于垂向測量系統的光路中，用于改變光路中光束的偏移量。雙光楔機構沿光路依次包括第一楔形塊和第二楔形塊。第一楔形塊包括入射面和第一斜面。第二楔形塊的楔角與折射率與第一楔形塊相同。第二楔形塊包括出射面和第二斜面，出射面平行于入射面，第二斜面與第一斜面相對且相互平行。其中第一楔形塊和第二楔形塊沿水平方向和垂直方向相對移動時，改變入射光束的偏移量。本發明結構簡便、靈活性好、調整速度快、精度高。
文檔編號G01B11/00GK101526746SQ20091004499
公開日2009年9月9日 申請日期2009年1月7日 優先權日2009年1月7日
發明者金小兵, 李志丹 申請人:上海微電子裝備有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
