一种同轴检焦测量系统及其测量方法

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN201310138609.0 (22)申请日 2013.04.21

(71)申请人 中国科学院光电技术研究所 地址 610209 四川省成都市双流350信箱 (72)发明人 李光 陈铭勇 唐燕 朱江平

(74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责任公司 代理人 杨学明 (51)Int.CI

G03F7/20

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 103207532 A (43)申请公布日 2013.07.17

(54)发明名称 法 (57)摘要

本发明公开了一种同轴检焦测量系

一种同轴检焦测量系统及其测量方

统及其测量方法。该测量系统包括参考光路，测量光路，投影物镜，探测模块；其基本过程如下：单色平面波经过分光棱镜分别到达投影物镜表面和反射镜表面，从反射镜表面反射的光作为参考光；另一部分光通过投影物镜后聚焦，在被探测物表

面返回后经过投影物镜作为测量光，测量光波和参考光波在探测模块表面干涉叠加，形成干涉条纹，探测模块位置固定，对干涉图像进行处理，解出条纹的相位分布，根据相位变化即可算出被侧面的离焦量。本发明系统具有同样高甚至更高的测量精度，同轴检焦的方法使结构简单，成本更低，降低系统的复杂性，利于系统集成，可以用于对于物镜需要浸油的光刻环境，所以相对于离轴检焦技术，同轴检焦系统具有更广的应用范围。 法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种同轴检焦测量系统，其特征在于：包括光源（6），扩束镜（7），分光棱镜（8），

反射镜（12），物镜（2），探测模块（10）组成；其

（7）扩束后，到达分光棱

中，光源（6）发出的光沿光轴经扩束镜

镜（8），一部分光被反射到达反射镜（12）表面，反射镜（12）

倾斜放置，和垂直方向有一个很小的夹角，光被反射镜（12）反射后穿过分

达探测模块（10）的表面，这部分光作为干涉条

光一部分被分光棱镜

光棱镜（8）到

纹的参考光；从扩束镜（7）出来沿Y轴的

（8）反射，另外一部分光沿Y轴方向穿过分光棱镜（8）进入投影物镜

（2），平行光入射到物镜（2）表面以后，将会聚到焦平面（11）上的焦点

在焦平面时，从被测物（3）上反射回的球面光

是有一定形变的球面

上，当被测物不

进入物镜（2）后，将不能形成平面光波，而

波，球面波经过分光棱镜（8）反射，沿光轴（9）到达探测模块（10）

表面，在探测模块（10）表面，球面波和参考平面波干涉叠加，形成具有一

纹，被测物（3）的离焦信息加载在条纹的相位

物（3）的离焦量。

定弯曲的干涉条

之中，通过解条纹的相位，即可计算出被测

2.一种采用权利要求1所述的同轴检焦测量系统的测量方法，其特征在于，该方法包

步骤（1）、参考光波和测量光波在探测模块的表面干涉形成平面波和球面波干涉条纹；

步骤（2）、干涉条纹被探测模块探测，其中探测模块位置固定；

括下列步骤：

步骤（3）、根据该干涉条纹相对于探测模块的相位信息计算该被测对象的位置信息。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤：

步骤（4）、利用中值滤波、顶帽变换对图像进行处理；

步骤（5）、利用傅里叶变换的方法对图像进行相位提取；

步骤（6）、利用最小二乘法对相位进行解缠；

步骤（7）、利用恢复相位计算被测对象的位置信息；

步骤（8）、利用zernike多项式法进行波面拟合，提高测量精度。

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种距离检测设备，具体涉及一种同轴检焦测量系统及其测量方法，它主要

是为调平调焦系统提供精确硅片表面的高度值，并计算出其距离焦平

面的距离。 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。集成电路工业的发展，很

大程度上依赖于核心设备——光刻机的发展。随着集成电路的集成度

要求越来越小，这对光刻机的分辨率提出了更高

变小，并且随着集成电路尺

了充分

不断提高，单线条尺寸

的要求。光刻分辨率的提高，导致焦深不断

寸的不断扩大，硅片表面形貌也将影响焦点是否位于光刻面，为

利用光刻机的有效焦深，必须实时精确控制光刻面位于焦面内，这对检焦精度提出了

目前的检焦方法主要有：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探测方法（美国专利

孔和面阵CCD的光电探测方法（美国专利

专利：

更高的要求。

US67656 47B1）、基于针

US6081614）、基于PSD的光电测量方法（中国

200610117401.0）、基于激光干涉的光电测量方法和基于空气动力原理的气动测量方法。

上述调焦调平测量系统都较为复杂，而且除基于光栅的光电测

他都能难获得高精度的检焦精度，光栅方

量方法和气动测量方法外，其

法需要比较复杂的光学系统，气动测量法速度太慢。

以往的光刻机的检焦系统一般是离轴检焦，检焦光路系统位于聚焦物镜的侧向，光束从

侧向斜入射到光刻表面。而随着投影光刻的发展，在很多的新的光刻

方式中：如油浸光刻和 需要浸油飞秒激光双光子加工等，在聚焦物镜和

侧向光路到达硅片表面，此

硅片之间隔着一层油层，探测光束很难通过

时这种离轴的检焦系统显然不能满足这类光刻机的需要。 发明内容

本发明的目的是：提供一种同轴检焦测量系统及测量方法，可以实现z向高精度的离焦

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种同轴检焦测量系统，包括光源，

扩束镜，分光棱镜，反射镜，物镜，探测模块组成；其中，光源发出

束后，到达分光棱镜，

量测量，适应于光刻机的同轴检焦系统。

的光沿光轴经扩束镜扩

一部分光被反射到达反射镜表面，反射镜倾斜放置，和垂直方向有一

个很小的夹角，光被反射镜反射后穿过分光棱镜到达探测模块的表面，这部

纹的参考光；从扩束镜出来沿Y轴的光一部分被分光

穿过分光棱镜进入投影物镜，平行

被测物不在焦

分光作为干涉条

棱镜反射，另外一部分光沿Y轴方向

光入射到物镜表面以后，将会聚到焦平面上的焦点上，当

平面时，从被测物上反射回的球面光进入物镜后，将不能形成平面光波，而是

有一定形变的球面波，球面波经过分光棱镜反射，沿光轴到达探测模块表面，

面，球面波和平面波干涉叠加，形成具有一定倾斜的干

纹的相位之中，通过解条纹的相位，

在探测模块表

涉条纹，被测物的离焦信息加载在条 即可计算出被测物的离焦量。

根据同轴检焦测量系统的特点，本发明提供了一种与之相应的信号处理算法。对图像进

行中值滤波、顶帽变换，提高图像质量，利用傅里叶变换的方法对探

最小二乘法对相位进行解缠，利用解缠后的各个

法进行回复波面，即对各个

精度。

测图像提取相位，利用

点相位值计算离焦量，最后通过zernike算

点所求的离焦量进行拟合，以最大限度降低测量误差，提高测量

该方法具体包括下列步骤：

步骤（1）、参考光波和测量光波在探测模块的表面干涉形成平面波和球面波干涉条纹；

步骤（2）、干涉条纹被探测模块探测，其中探测模块位置固定；

步骤（3）、根据该干涉条纹相对于探测模块的相位信息计算该被测对象的位置信息。

该方法还包括下列步骤：

步骤（4）、利用中值滤波、顶帽变换对图像进行处理；

步骤（5）、利用傅里叶变换的方法对图像进行相位提取；

步骤（6）、利用最小二乘法对相位进行解缠；

步骤（7）、利用恢复相位计算被测对象的位置信息；

步骤（8）、利用zernike多项式法进行波面拟合，提高测量精度。

本发明的原理是：

本发明提供了一种具有高精度检焦测量系统，包括激光光源，聚焦物镜系统，反射镜，

分光棱镜，成像系统和探测模块。单色光源发出光束后扩束准直，经

物镜系统和平面反射镜，进入聚焦物镜的光反射

形成干涉条纹，干涉条纹被

的位置

分光棱镜分别进入聚焦

回来，与平面反射镜反射回来的光干涉叠加

成像系统成像到探测模块，探测模块的位置信息固定，被测对象

信息表现于干涉条纹相对于探测模块的位置信息。平面光波入射到聚焦物镜，会形成

球心位于焦点处的会聚球面波，当被侧面位于焦平面时，从被侧面反

为球心的发射球面波，发射球面波物镜后以平面

成直干涉条纹。当背侧面偏

射的光波将同样以焦点

光波沿原路返回，与参考平面波相干叠加形

离焦平面时，从背侧面反射的发散球面波的秋心将偏离焦点，这

时的发散球面波经过透镜将不再以平面波返回，而是以球面波

面波干涉叠加，将不再形成直的干涉条纹，

相位变化随背侧面离

返回，返回的球面波和参考平

而是形成具有一定相位变化的倾斜条纹，条纹的

焦量的变化而变化。通过计算条纹相位的变化量，从而可以精确地测得

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明系统具有同样高甚至更高的测量精度，同轴检焦的方法使结构

简单，成本更低，降低系统的复杂性，利于系统集成，可以用于对于

境，所以相对于离轴检焦技术，同轴检焦系统具

区域是否位于焦平面内。

被侧面的离焦量。

物镜需要浸油的光刻环

有更广的应用范围，并且可以实时检测焦点 附图说明

图1是光刻系统原理图；

图2是干涉条纹形成过程图；

图3是平面直条纹示意图；

图4是球面波条纹示意图；

图5是平面波和球面波干涉叠加形成倾斜条纹示意图；

图6是干涉条纹信号处理过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步阐述。

如图1示出了光刻机系统13。图1的XYZ坐标系设定为如图所示的右手直角坐标系，

其中Y轴沿着光刻机投影物镜的光轴。光刻机系统13通过投影物镜

象3上（如硅片等）。其中，数字1代表投影物

要使加工对象3（如硅片等）

采用了用于测

2将光束聚焦在加工对

镜的光轴。在图1所示的光刻系统13中，需

的相应表面保持在投影物镜2的焦深范围之内，为此光刻系统

量加工对象3（如硅片等）的表面位置信息的检焦测量系统。检焦测量系统可

以将离焦量送到加持加工对象3（如硅片等）的工件台4，使加工对象3

光区域一直处于光刻投影物镜2的焦深之内，从

（如硅片等）的被曝 而实现高精度的加工。

由于本发明系统中的检焦测量系统是基于干涉条纹检测的原理设计的，所以在介绍检焦

测量系统之前，下文将首先介绍干涉条纹的形成及其特性。图3-图5

图3为平面波以小角度倾斜到达探测模块表面形

斜的角度，所以条纹平行于

为干涉条纹形成过程图。

成的条纹，因为该平面波沿X轴方向有个倾

Y轴，沿X方向等距直条纹。图4为发散球面波达到探测模块

表面形成的条纹。因为发散角度比较小，所以条纹间隔比较大。

的干涉条纹，图中可以明显看出条纹变弯曲了。

图5为平面波和发散球面波

图2为图1中检焦测量系统的结构及光路示意图。图2中的坐标系和图1中的坐标

系一 样设定为右手直角坐标系。本发明系统包括光源6，扩束镜7，分光

镜2，探测模块10组成。1为扩束镜以及投影物

棱镜8，反射镜12，物 镜的光轴。

光源发出的光沿光轴经扩束镜扩束后，到达分光棱镜8，一部分光被反射到达反射镜12

表面。反射镜12倾斜放置，和垂直方向有一个很小的夹角。光被反

棱镜到达探测模块10的表面，这部分光作为干

一部分被分光棱镜反射，另

到物镜

射镜12反射后穿过分光

涉条纹的参考光。从扩束镜出来沿Y轴的光

外一部分光沿Y轴方向穿过分光棱镜进入投影物镜。平行光入射

表面以后，将会聚到焦平面11上的焦点上。当被测物3（如硅片等）不在焦平面时，

从被测物上反射回的球面光进入物镜后，将不能形成平面光波，而是

球面波经过分光棱镜反射，沿光轴9到达探测模

干涉叠加，形成具有一定倾

解条纹

有一定形变的球面波。

块表面，在探测模块表面，球面波和平面波

斜的干涉条纹。被测物的离焦信息加载在条纹的相位之中，通过 的相位，即可得出被测物的离焦量。

图6示出了检焦测量系统的信号处理框图。处理探测图像之前，必须先对图像进行预处

理，因为探测模块探测到的条纹往往含有噪声，一些杂散光可能会夹

于图像的处理，首先要对条纹去噪声，采用中值

的图像干涉图的对比度明显

节丢失。

杂在条纹中间，为了便

滤波的方法对图像预处理。这种方法处理后

提升，平滑性也很好，光强趋于正弦变化，并且不会使图像的细

其次，对于亮度不均匀的图像，通过顶帽变换使图像亮度均匀，以达到增强图像的

下面对图像进行相位提取。本发明利用傅里叶变换的方式提取条纹的相位。干涉条纹的

I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)*cos[k*Φ(x,y)+k*K*y] （1）

光强分布为：

目的。

其中Φ(x,y)是和离焦量相关的相位分布，K是参考平面波相对Z轴的倾斜量，k是波矢

量。对上式进行傅里叶变换，其中的正一级谱即为包含离焦量信息的

滤波，得出正一级谱，然后对其进行逆傅里叶变

项，对傅里叶变换进行 换即可得到：

P(x,y)=c(x,y)*exp{i*[k*Φ(x,y)+k*K*y]} （2）

用log函数对（2）式左右两边取对数，可得（3）式：

Log[P(x,y)]=log[c(x,y)]+i[k*Φ(x,y)+k*K*y] （3）

取（3）式的虚部即可得到相位信息。用取对数函数式3进行处理后，得到的相位是折

叠相位，相位范围被限制在（-π，π）范围内，为了获取完整的相位

法对相位进行相位解

分布，采用最小二乘

馋。这种算法对干涉图的质量无要求，也不需要探测残差点和布置枝切

根据探测面上各个点的相位，均可算出离焦量。再根据各个点得出的结果进行波面拟合。

采用zernike多项式法。这种方法有以下优点：1，在单位圆上

是圆形的特点；2，与初级相差有一定的

学问题的求解过程中

线，不会因为某个像素点的成像质量而影响其区域的去包裹结果。

正交，满足此光学系统的光瞳

对应关系；3，自身所特有的旋转对称性使之在对光 具有收敛性好、拟合精度高等特点。

通过以上处理，即可减小检测误差，提高检测精度。