CN105278267B - 一种反射式多离轴镜面垂向测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用反射式多离轴镜面的垂向测量装置，其特征在于，包括：一光源发出的光线经过一照明光学系统后形成一测量光束，所述测量光束经过一测量光学系统，所述测量光学系统由一投影支路、待测物体和探测支路组成；所述测量光束依次经过所述投影支路的投影图形形成单元，所述投影支路的具有屈光力的离轴非球面反射镜组后到达所述待测物体表面；所述测量光束在所述待测物体表面的反射光束依次经过所述探测支路的具有屈光力的离轴非球面反射镜组和所述探测支路的投影图形接收单元后被一探测器探测，以获取所述待测物体表面的垂向信息。

Description

一种反射式多离轴镜面垂向测量装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种反射式多离轴镜面垂向测量装置。

背景技术

随着投影式光刻机工作波长不断减小、数值孔径不断增大，其对硅片面垂向测量装置的测量精度要求也日益严苛。影响硅片面垂向测量装置测量精度的重要因素之一是测量光束经过硅片面多层复杂的图形后产生的层间干涉效应。为解决这一问题，目前普遍采用可见至近红外宽光谱光源为硅片面垂向测量装置提供照明，以匀化不同波长照明光的层间干涉效应，US2010/0233600对此作了详细介绍。采用可见至近红外宽光谱光源为硅片面垂向测量装置提供照明可以在一定程度上改善硅片面垂向测量装置的工艺适应性，减小测量误差，提高测量精度。但未来这一技术方案在仍有可能不满足投影式光刻机对硅片面垂向测量装置的测量精度需求。为进一步改善硅片面垂向测量装置的工艺适应性，减小测量误差，提高测量精度，US2010/0233600给出了用短波长光源为硅片面垂向测量装置提供照明的方案。在入射角一定的情况下，硅片面光致抗蚀剂的反射率随着工作波长减小而增大，但硅片面底层图形的反射率却随着工作波长减小而减小，因此采用短波长照明可以大幅度降低层间干涉效应，从而减小测量误差，提高测量精度。根据US2010/0233600中所记载，硅片面垂向测量装置的工作波长可以在紫外波段，甚至可以与投影物镜的的工作波长相互交叠。这看似违背了测量光束与曝光光束工作波长不可交叠的神圣法则，但是事实上，如果使测量光束的能量低于光致抗蚀剂的曝光阈值，测量光束将不会使硅片曝光；更进一步，即使测量光束的能量高于光致抗蚀剂的曝光阈值，但只要获知该测量光束对关键尺寸的影响，并将这一影响反馈给投影物镜的照明控制单元，投影物镜的照明控制单元根据这一影响实时调整曝光剂量，硅片面垂向测量装置的工作波长仍然可以与投影物镜的的工作波长相互交叠。

然而目前硅片面垂向测量装置的光学系统大多采用透射式，不同工作波长的垂向测量装置的光学系统结构迥异，透镜的材料差别也很大。如果采用紫外至短波长可见光的宽光谱照明，例如50-500nm，将会对硅片面垂向测量装置的光学系统设计带来诸多挑战，严重的色差就是其中之一。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种反射式多离轴镜面垂向测量装置，能有效避免紫外至短波长可见光的宽光谱照明时色差难以矫正的问题。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种采用反射式多离轴镜面的垂向测量装置，其特征在于，包括：一光源发出的光线经过一照明光学系统后形成一测量光束，所述测量光束经过一测量光学系统，所述测量光学系统由一投影支路、待测物体和探测支路组成；所述测量光束依次经过所述投影支路的投影图形形成单元，所述投影支路的具有屈光力的离轴非球面反射镜组后到达所述待测物体表面；所述测量光束在所述待测物体表面的反射光束依次经过所述探测支路的具有屈光力的离轴非球面反射镜组和所述探测支路的投影图形接收单元后被一探测器探测，以获取所述待测物体表面的垂向信息。

更进一步地，所述投影支路和探测支路还包括若干反射镜组，用于使所述测量光束的光路满足空间结构约束和/或用于信号调制。

更进一步地，所述投影支路的离轴非球面反射镜组依次包括：第一离轴非球面反射镜组、第二离轴非球面反射镜组、第三离轴非球面反射镜组以及第四离轴非球面反射镜组。

更进一步地，所述探测支路的离轴非球面反射镜组依次包括：第五离轴非球面反射镜组、第六离轴非球面反射镜组、第七离轴非球面反射镜组以及第八离轴非球面反射镜组。

更进一步地，所述第一离轴非球面反射镜和第二离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，所述第三离轴非球面反射镜和第四离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，所述第五离轴非球面反射镜和第六离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，所述第七离轴非球面反射镜和第八离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合。

更进一步地，该投影支路和探测支路为满足SC条件的双远心支路。

更进一步地，该投影图形接收单元和该光电探测器之间还包括一中继光学单元。

更进一步地，该第八离轴非球面反射镜组和该投影图形接收单元之间还包括一场镜。

更进一步地，该投影图形形成单元和该投影图形接收单元为透射式光栅、反射式光栅或狭缝组成的图形，或上述图形的组合。

更进一步地，所述探测器为光电探测器，所述光电探测器将光强信号转化为电信号输送到一计算机，所述计算机根据所述电信号计算出所述待测物体的垂向信息，所述垂向信息包括垂向位置和旋转信息。

与现有技术相比较，本发明既可以避免紫外至短波长可见光的宽光谱照明时色差难以矫正的问题，同时也可以降低硅片面垂向测量装置光学系统的复杂程度。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的反射式多离轴镜面垂向测量装置的原理图；

图2是本发明所涉及的反射式多离轴镜面垂向测量装置的测量系统图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明设计了一种反射式多离轴镜面垂向测量装置，包括照明光源、测量光学系统和光电探测器和计算机；测量光学系统由投影支路、待测物体(通常为硅片)和探测支路组成；投影支路由具有屈光力的离轴非球面反射镜组、投影图形形成单元和为使光路满足空间结构约束和/或用于信号调制的平面反射镜组组成；探测支路由具有屈光力的离轴非球面反射镜组、投影图形形成单元和为使光路满足空间结构约束和/或用于信号调制的平面反射镜组组成。

其中，平面反射镜的用途一是使光路满足空间结构约束，由于空间有限，需用此类反射镜转折光路使得垂向测量装置结构紧凑，以适应有限的空间；用途二是用于信号调制，垂向测量装置中包括孔径光阑，位于孔径光阑面及其附近的反射镜的周期性振动能够引起像面光斑的周期性摆动，可以使透过投影图形接收单元的光强周期性变化，从而起到信号调制的作用。

特别地，投影支路由仅包括4个具有屈光力的离轴非球面反射镜，分别为第一离轴非球面反射镜、第二离轴非球面反射镜、第三离轴非球面反射镜和第四离轴非球面反射镜以及投影图形形成单元和为使光路满足空间结构约束和/或用于信号调制的平面反射镜；探测支路仅包括4个具有屈光力的离轴非球面反射镜，分别为第五离轴非球面反射镜、第六离轴非球面反射镜、第七离轴非球面反射镜和第八离轴非球面反射镜以及投影图形接收单元和为使光路满足空间结构约束和/或用于信号调制的平面反射镜。

可选地，反射式多离轴镜面垂向测量装置还可以包括照明光学系统、中继光学系统，照明光学系统可以包括焦点位于光源处的非球面反光杯和一些辅助匀光元件，特别地该反光杯为抛物面。

特别地，投影支路和探测支路为满足SC条件的双远心支路，其中SC条件为Scheimpflug条件，详细介绍参见Warren J. Smith《Modern Optical Engineering》FourthEdition, chapter 4.5。

特别地，测量光学系统各离轴非球面反射镜的非球面系数和它们相互之间的偏轴角经过了精心计算，以使得测量光学系统的点源像弥散远心角、成像位置偏差IPD(ImagePostion Difference)、焦平面偏离FPD(Focus Position Difference)满足或超越测量精度需求。

投影图形形成单元和投影图形探测单元可以是各种透射式光栅、各种反射式光栅或由各种狭缝组成的图形集合，

从光源发出的紫外至短波长可见光可以直接照亮测量光学系统投影支路的投影图形形成单元，或经过光纤和/或照明系统匀光后照亮测量光学系统投影支路的投影图形形成单元，从而得到测量光束；测量光束先后经过第一离轴非球面反射镜、第二离轴非球面反射镜、第三离轴非球面反射镜和第四离轴非球面反射镜到达待测物体，将投影图形形成在待测物体上，经待测物体反射后，先后经过第五离轴非球面反射镜、第六离轴非球面反射镜、第七离轴非球面反射镜和第八离轴非球面反射镜后到达投影图形接收单元，最后直接到达光电探测器或经过中继光学系统后到达光电探测器，光电探测器将光强信号转化为电信号输送到计算机，计算机根据该电信号计算出物体的垂向位置Z、旋转物体的旋转Rx、Ry等垂向信息。

特别地，虽然本发明强调了前述垂向测量装置为全反射式，所属技术领域技术人员可以根据实际需要，在光路中适当的位置加入对宽光谱具有高透过率、低色散的材料(例如熔融石英)制成的光学元件，这在处理方法上实际仍与本发明一致，这种垂向测量装置为折反式。

以下将结合附图1和2说明本发明。

图1 为本发明所涉及的反射式多离轴镜面垂向测量装置的原理图，包括照明光源101、照明光学系统103、测量光学系统104、中继光学系统105、光电探测器106和计算机107。其中照明光源101和照明光学系统103之间通过光纤102连接。

如图2所示，测量光学系统104由投影支路、待测物体(通常为硅片)210和探测支路组成。投影支路由仅包括4个具有屈光力的离轴非球面反射镜，分别为第一离轴非球面反射镜201 、第二离轴非球面反射镜202、第三离轴非球面反射镜203和第四离轴非球面反射镜204以及投影图形形成单元10和为使光路满足空间结构约束和用于信号调制的平面反射镜211。探测支路仅包括4个具有屈光力的离轴非球面反射镜，分别为第五离轴非球面反射镜205、第六离轴非球面反射镜206、第七离轴非球面反射镜207和第八离轴非球面反射镜208以及投影图形接收单元20和为使光路满足空间结构约束的平面反射镜211。优选地，第一离轴非球面反射镜、第二离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，第三离轴非球面反射镜、第四离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，第五离轴非球面反射镜、第六离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，第七离轴非球面反射镜、第八离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合。

投影支路和探测支路为满足SC条件的双远心支路。

投影图形形成单元10和投影图形探测单元20可以是各种透射式光栅、各种反射式光栅或由各种狭缝组成的图形集合。

从光源101发出的紫外至短波长可见光经过光纤102和照明系统103匀光后照亮测量光学系统投影支路的投影图形形成单元10，从而得到测量光束。测量光束先后经过第一离轴非球面反射镜201、第二离轴非球面反射镜202、第三离轴非球面反射镜203和第四离轴非球面反射镜204到达待测物体210，以掠入射方式将投影图形形成在待测物体210上。经待测物体反射210后，先后经过第五离轴非球面反射镜205、第六离轴非球面反射镜206、第七离轴非球面反射镜207和第八离轴非球面反射镜208后到达投影图形接收单元20，最后直接到达光电探测器106或经过中继光学系统105(有些光电探测器不允许过大的光线入射角，因此需要中继光学系统以减小入射到光电探测器的的角度)后到达光电探测器106。光电探测器106将光强信号转化为电信号输送到计算机107，计算机107根据该电信号计算出物体的垂向位置Z、旋转物体的旋转Rx、Ry等垂向信息。

虽然上述实施例给出了全反射式垂向测量装置，所属技术领域技术人员可以根据实际需要，在光路中适当的位置加入对宽光谱具有高透过率、低色散的材料(例如熔融石英)制成的光学元件，这在处理方法上实际仍与本发明一致。例如，为校正场曲，可以在上述实施例中的第八离轴非球面反射镜208之后、投影图形接收单元20之前加入熔融石英材料制成的场镜，以部分地补偿点源像差和/或场像差。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种采用反射式多离轴镜面的垂向测量装置，其特征在于，包括：一光源发出的光线经过一照明光学系统后形成一测量光束，所述测量光束经过一测量光学系统，所述测量光学系统由一投影支路、待测物体和探测支路组成；所述测量光束依次经过所述投影支路的投影图形形成单元，所述投影支路的具有屈光力的离轴非球面反射镜组后到达所述待测物体表面；所述测量光束在所述待测物体表面的反射光束依次经过所述探测支路的具有屈光力的离轴非球面反射镜组和所述探测支路的投影图形接收单元后被一探测器探测，以获取所述待测物体表面的垂向信息；

所述投影支路和探测支路还包括若干反射镜组，用于使所述测量光束的光路满足空间结构约束和/或用于信号调制；

所述投影支路的离轴非球面反射镜组依次包括：第一离轴非球面反射镜组、第二离轴非球面反射镜组、第三离轴非球面反射镜组以及第四离轴非球面反射镜组；

所述探测支路的离轴非球面反射镜组依次包括：第五离轴非球面反射镜组、第六离轴非球面反射镜组、第七离轴非球面反射镜组以及第八离轴非球面反射镜组；

所述若干反射镜组包含第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜位于所述第二离轴非球面反射镜组、第三离轴非球面反射镜组之间，所述第二反射镜位于第六离轴非球面反射镜组、第七离轴非球面反射镜组之间。

2.如权利要求1所述的垂向测量装置，其特征在于，所述第一离轴非球面反射镜和第二离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，所述第三离轴非球面反射镜和第四离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，所述第五离轴非球面反射镜和第六离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合，所述第七离轴非球面反射镜和第八离轴非球面反射镜的焦点彼此接近或重合。

3.如权利要求1所述的垂向测量装置，其特征在于，所述投影支路和探测支路为满足SC条件的双远心支路。

4.如权利要求1所述的垂向测量装置，其特征在于，所述投影图形接收单元和所述探测器之间还包括一中继光学单元。

5.如权利要求1所述的垂向测量装置，其特征在于，所述第八离轴非球面反射镜组和所述投影图形接收单元之间还包括一场镜。

6.如权利要求1所述的垂向测量装置，其特征在于，所述投影图形形成单元和所述投影图形接收单元为透射式光栅、反射式光栅或狭缝组成的图形，或上述图形的组合。

7.如权利要求1所述的垂向测量装置，其特征在于，所述探测器为光电探测器，所述光电探测器将光强信号转化为电信号输送到一计算机，所述计算机根据所述电信号计算出所述待测物体的垂向信息，所述垂向信息包括垂向位置和旋转信息。