调焦调平检测装置的制作方法

1.本发明涉及半导体加工制造技术领域，特别涉及一种调焦调平检测装置。

背景技术：

2.投影光刻机是一种把掩模图形通过投影物镜成像到硅片面的设备，为了掩模图形能够准确曝光，需由调焦调平系统精确控制硅片面位于指定曝光位置。通过检测曝光视场内硅片面的高度与倾斜信息来判断硅片面是否正确调焦调平，根据测量结果，调焦调平系统进一步调整工件台的位置，使工件台上的硅片面位于投影物镜的最佳焦平面处。

3.为了获得整个曝光场的硅片面信息，通常在硅片面上标记多个测量点，根据每个测量点的高度和倾斜信息得到整个硅片面的高度和倾斜信息。

4.图1为典型的基于图像处理技术的调焦调平系统(fls)三角测量原理示意图，来自投影支路的光线入射到硅片面后，经硅片面反射到达探测支路，最终被光电探测器所接收。当硅片面的上表面位置与投影物镜最佳焦平面位置的高度偏差，即离焦量为δz时，光斑在光电探测器上所成像的位置改变量δy与δz之间的关系为：

5.其中β为成像放大倍率。

6.因为从硅片面反射的光线是倾斜的，为了在探测器上接收到清晰像，探测面上的入射角与硅片面的反射角需满足scheimpflug条件。 scheimpflug条件如图2所示，表示与光轴成一定夹角(小于90

°

)的物面若要在像面清晰成像，则该像面也与光轴成一定夹角(小于90

°

)，物面与像面的倾斜角度、θ与光学系统放大倍率m相关，近轴条件下，满足以下公式：

[0007][0008]

目前，为了减小被测物膜层间的干涉效应，通常选用宽波段作为照明光源，光源经过透射式镜组准直后，入射到投影狭缝面。而由于光学材料的色散特性与波长相关，导致不同波长的轴外光线在投影狭缝面上的入射角度不同；另外，随着探测视场的增大，边缘视场的照明光线的准直特性也会不佳。上述两点引起投影狭缝面的不同波长不同视场光线出射角度不同，根据scheimpflug条件，与投影狭缝面共轭的硅片面的光线入射角也会跟着变化，即不同波长不同视场下，离焦量δz有不同的灵敏度系数。当 fls测量离焦量δz时，忽略了这种微小的差别，对不同波长不同视场选用了相同的硅片面入射角来计算，从而影响了fls的测量精度。

[0009]

因此需要一种新装置可以解决上述问题，让灵敏度系数与波长和视场不相关，提高fls测量精度。

技术实现要素：

[0010]

本发明的目的在于提供一种调焦调平检测装置，可以解决现有技术中对不同波长

不同视场选用了相同的硅片面入射角来计算，从而影响了调焦调平检测装置的测量精度的问题。

[0011]

为解决上述技术问题，本发明提供一种调焦调平检测装置，包括光源模块、照明单元、投影单元和探测单元，所述投影单元包括投影狭缝；所述光源模块发出的光经所述照明单元调制后入射到所述投影单元的所述投影狭缝，所述投影单元将所述投影狭缝的光斑成像至基板上，经所述基板反射后，进入所述探测单元；所述照明单元包括微光学元件，所述微光学元件用于使入射到所述投影狭缝上的光线的入射角为恒定角度。

[0012]

进一步的，所述微光学元件包括二元光学元件，所述二元光学元件用于使入射到所述投影狭缝上的光线的入射角为恒定角度。

[0013]

进一步的，所述二元光学元件包括折衍混合透镜，所述折衍混合透镜包括折射透镜与二元光学透镜，所述二元光学透镜直接形成于所述折射透镜的表面。

[0014]

进一步的，沿光路方向，所述照明单元依次包括第一透镜组、所述微光学元件、第一平面反射镜组以及消杂光光阑。

[0015]

进一步的，沿光路方向，所述投影单元依次包括所述投影狭缝、投影及扫描镜组；所述投影及扫描镜组用于将所述投影狭缝的光斑成像至所述基板上；所述投影狭缝的狭缝面位于所述照明单元的孔径光阑位置，并同时位于所述投影单元的物面位置，所述投影狭缝的狭缝面与所述基板表面满足scheimpflug条件。

[0016]

进一步的，沿光路方向，所述投影及扫描镜组依次包含反射式投影成像镜组前组、扫描反射镜、反射式投影成像镜组后组；所述扫描反射镜位于所述投影单元的光阑位置。

[0017]

进一步的，沿光路方向，所述探测单元依次包括探测组件和探测器，所述探测组件用于将所述基板反射的光斑成像至所述探测器上，所述探测器的探测面与所述基板表面满足scheimpflug条件。

[0018]

进一步的，沿光路方向，所述探测单元依次包括探测组件、探测狭缝、中继组件和探测器，所述探测狭缝的布局与所述投影狭缝的布局一一对应；所述探测狭缝位于所述探测组件的像面位置，并同时位于所述中继组件的物面位置；所述基板表面与所述探测狭缝满足scheimpflug条件，所述探测狭缝与所述探测器的探测面满足scheimpflug条件。

[0019]

进一步的，沿光路方向，所述探测组件依次包括反射式探测镜组前组、探测镜组光阑、反射式探测镜组后组和探测反射镜。

[0020]

进一步的，所述光源模块包括白光点光源、耦合光路和光纤，所述白光点光源发出的光线依次经所述耦合光路和所述光纤后到达所述光纤的出射端。

[0021]

与现有技术相比，本发明提供的调焦调平检测装置具有以下优点：

[0022]

本发明通过在照明单元中增加了为微光学元件，可以对所述光源模块的光进行处理，使得不同波长、不同视场的光线入射到所述投影狭缝上的入射角始终保持一致，即使是不同波长不同视场下的光线，也可以使得最终从所述投影单元投射到所述基板表面的光线的入射角也始终保持一致，这样可以保证离焦量δz有着相同的灵敏度系数，波长的变化与视场的变化将不会对调焦调平检测装置的测量灵敏度产生影响，从而提高了调焦调平检测装置的测量精度与重复性。

附图说明

[0023]

图1为一种基于图像处理技术的调焦调平系统(fls)三角测量原理示意图；

[0024]

图2为满足scheimpflug条件的示意图；

[0025]

图3为本发明一实施方式中的调焦调平检测装置的结构示意图；

[0026]

图4为本发明一实施方式中的调焦调平检测装置中折衍混合透镜的结构示意图；

[0027]

图5为本发明一实施方式中的折衍混合透镜消除色差的原理示意图。

[0028]

其中，附图标记如下：

[0029]

10-光源模块；20-照明单元；30-投影单元；40-探测单元；50-投影物镜； 60-基板；21-第一透镜组；22-微光学元件；221-折射透镜；222-二元光学透镜；23-第一平面反射镜组；24-消杂光光阑；31-投影狭缝；32-投影及扫描镜组；321-反射式投影成像镜组前组；322-扫描反射镜；323-反射式投影成像镜组后组；41-探测组件；411-反射式探测镜组前组；412-探测镜组光阑； 413-反射式探测镜组后组；414-探测反射镜；42-探测器。

具体实施方式

[0030]

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种调焦调平检测装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。

[0031]

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

[0032]

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0033]

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个

……”

限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。

[0034]

本发明的核心思想在于提供一种调焦调平检测装置，以解决现有技术中对不同波长不同视场选用了相同的硅片面入射角来计算，从而影响了调焦调平检测装置的测量精度的问题。

[0035]

为实现上述思想，本发明提供一种调焦调平检测装置，如图3所示，包括光源模块

10、照明单元20、投影单元30和探测单元40，所述投影单元30包括投影狭缝301；所述光源模块10发出的光经所述照明单元20调制后入射到所述投影单元30的所述投影狭缝31，所述投影单元30将所述投影狭缝31的光斑成像至基板60上，经所述基板60反射后，进入所述探测单元40；所述照明单元20包括微光学元件22，所述微光学元件22用于使入射到所述投影狭缝31上的光线的入射角为恒定角度。在本实施例提供的调焦调平检测装置中，所述光源模块10、所述照明单元20以及所述投影单元30一般位于投影物镜50的一侧，所述探测单元40位于所述投影物镜50的另一侧，所述基板60位于所述投影物镜50的下方，所述基板60可以为硅片。所述光源模块10发出的光线经过照明单元20后入射到投影单元30，将投影单元30中的投影狭缝31上的光斑成像到硅片面上，硅片面位于投影物镜50的正下方，经硅片面反射后，带有硅片面高度与倾斜信息的光线经过探测单元40成像，探测单元40可以对信息进行处理，得到硅片面的位置信息，计算出硅片面的离焦量。

[0036]

本实施例中通过在照明单元20中增加了为微光学元件22，可以对所述光源模块10的光进行调制，使得不同波长、不同视场的光线入射到所述投影狭缝31上的入射角始终保持一致，根据三角测量原理，即使是不同波长不同视场下的光线，也可以使得最终从所述投影单元30投射到所述基板 60表面的光线的入射角也始终保持一致，这样可以保证离焦量δz有着相同的灵敏度系数，波长的变化与视场的变化将不会对调焦调平检测装置的测量灵敏度产生影响，从而提高了调焦调平检测装置的测量精度与重复性。

[0037]

作为优选的，所述微光学元件22包括二元光学元件，所述二元光学元件用于使入射到所述投影狭缝31上的光线的入射角为恒定角度。二元光学元件的色散特性与传统折射透镜的色散特性相反，该特性与制作材料无关，二元光学元件可获得非球面的自由度与任意像差的校正，根据入射波面和出射波面参数可求得二元光学元件的结构，该二元光学元件可以起到相差校正和消色差的作用，并达到光束准直的目的；在本技术的照明单元20增加该二元光学元件，可以对所述光源模块10发出的光线进行处理，使得最终入射到所述投影狭缝31上的光线的入射角不受波长、视场的影响，其入射角始终保持一致。

[0038]

进一步的，作为本发明的一种实现方式，如图4所示，所述二元光学元件包括折衍混合透镜，所述折衍混合透镜包括折射透镜221与二元光学透镜222，如图4所示，所述二元光学透镜直222接形成于所述折射透镜 221的表面。二元光学元件可以与透镜组合成折衍混合透镜，起到消除色差的目的，如图5所示。

[0039]

进一步的，所述光源模块10包括白光点光源、耦合光路和光纤，所述白光点光源发出的光线依次经所述耦合光路和所述光纤后到达所述光纤的出射端。其中，所述耦合光路可以包含耦合镜组与滤波片，其功能为提高光耦合效率，选取调焦调平检测装置所需的工作波段。

[0040]

进一步的，作为本发明的一种实现方式，沿光路方向，所述照明单元 20依次可以包括第一透镜组21、所述微光学元件22、第一平面反射镜组 23以及消杂光光阑24。

[0041]

进一步的，沿光路方向，所述投影单元30依次包括所述投影狭缝31、投影及扫描镜组32；所述投影及扫描镜组32用于将所述投影狭缝31的光斑成像至所述基板60上；所述投影狭缝31的狭缝面位于所述照明单元20 的孔径光阑位置，并同时位于所述投影单元30的物面位置，所述投影狭缝 31的狭缝面与所述基板60表面满足scheimpflug条件。其中，所述投影狭缝31上的测量狭缝大小、外形、数量与排列均不受限制，可以有多种形式，光线通过

投影狭缝31后会形成测量光斑、对准光斑等。测量光斑的功能为得到整个硅片面的高度和倾斜信息，对准光斑用于装调时光斑中心与狭缝中心对准。其中，光线在投影狭缝31的出射角为θ3，在基板硅片面上的入射角为ω3，所述投影单元30的成像放大率为m

31

，投影狭缝31与基板硅片面之间满足scheimpflug条件，即tanω3＝m

31

tanθ3。在照明光路中增加微光学元件22后，让不同波长不同视场的光线入射到投影狭缝面的角度一致，根据scheimpflug条件与三角测量原理，与投影狭缝面共轭的硅片面入射角也一致，因此不同波长不同视场下，离焦量δz有着相同的灵敏度系数，波长的变化与视场的变化对调焦调平检测装置测量灵敏度没有影响，从而提高了调焦调平检测装置测量精度。

[0042]

优选的，沿光路方向，所述投影及扫描镜组32依次包含反射式投影成像镜组前组321、扫描反射镜322、反射式投影成像镜组后组323；所述扫描反射镜322位于所述投影单元30的光阑位置。

[0043]

进一步的，沿光路方向，所述探测单元40依次包括探测组件41和探测器42，所述探测组件41用于将所述基板60反射的光斑成像至所述探测器42上，所述探测器42的探测面与所述基板60表面满足scheimpflug条件。如图3所示，光线在基板60表面的反射角为ω3，在探测器42的探测面上的入射角为δ3，所述探测单元40的成像放大率为m

32

，所述探测器42 的探测面与所述基板60表面满足scheimpflug条件即tanδ3＝m

32

tanω3。

[0044]

作为本实施例的另一种实现方式，沿光路方向，所述探测单元40依次包括探测组件41、探测狭缝、中继组件和探测器42，所述探测狭缝的布局与所述投影狭缝31的布局一一对应；所述探测狭缝位于所述探测组件41 的像面位置，并同时位于所述中继组件的物面位置；所述基板60表面与所述探测狭缝满足scheimpflug条件，所述探测狭缝与所述探测器42的探测面满足scheimpflug条件。

[0045]

优选的，沿光路方向，所述探测组件41依次可以包括反射式探测镜组前组411、探测镜组光阑412、反射式探测镜组后组413和探测反射镜414。通过上述组件，可以是将硅片面反射的光线成像到所述探测器42上。

[0046]

在本技术中，所述探测器42可以为光电探测器，例如光电二极管阵列检测器，功能是将光信号转化为电信号，用于信息处理，所述探测器42的探测面(pda面)上光电二极管的布局与所述投影狭缝31的布局一一对应，每个光电二极管(pd)的大小、外形与排列受不同的调焦调平检测装置需求限制，可以有多种形式，pda面用于接收带有硅片面高度与倾斜信息的测量光斑、对准光斑，并对信息进行处理，得到硅片面的位置。如图3 所示，当所述探测器42上探测到的硅片面位置改变量为δl3时，硅片面的上表面位置与投影物镜50最佳焦平面位置的高度偏差，即离焦量δz3为：

[0047][0048]

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的调焦调平检测装置具有以下优点：

[0049]

本发明通过在照明单元中增加了为微光学元件，可以对所述光源模块的光进行处理，使得不同波长、不同视场的光线入射到所述投影狭缝上的入射角始终保持一致，即使是不同波长不同视场下的光线，也可以使得最终从所述投影单元投射到所述基板表面的光线的入射角也始终保持一致，这样可以保证离焦量δz有着相同的灵敏度系数，波长的变化与视场的变化将不会对调焦调平检测装置的测量灵敏度产生影响，从而提高了调焦调平检测

装置的测量精度与重复性。

[0050]

上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。技术特征：

1.一种调焦调平检测装置，其特征在于，包括光源模块、照明单元、投影单元和探测单元，所述投影单元包括投影狭缝；所述光源模块发出的光经所述照明单元调制后入射到所述投影单元的所述投影狭缝，所述投影单元将所述投影狭缝的光斑成像至基板上，经所述基板反射后，进入所述探测单元；所述照明单元包括微光学元件，所述微光学元件用于使入射到所述投影狭缝上的光线的入射角为恒定角度。2.根据权利要求1所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，所述微光学元件包括二元光学元件，所述二元光学元件用于使入射到所述投影狭缝上的光线的入射角为恒定角度。3.根据权利要求2所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，所述二元光学元件包括折衍混合透镜，所述折衍混合透镜包括折射透镜与二元光学透镜，所述二元光学透镜直接形成于所述折射透镜的表面。4.根据权利要求1所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，沿光路方向，所述照明单元依次包括第一透镜组、所述微光学元件、第一平面反射镜组以及消杂光光阑。5.根据权利要求1所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，沿光路方向，所述投影单元依次包括所述投影狭缝、投影及扫描镜组；所述投影及扫描镜组用于将所述投影狭缝的光斑成像至所述基板上；所述投影狭缝的狭缝面位于所述照明单元的孔径光阑位置，并同时位于所述投影单元的物面位置，所述投影狭缝的狭缝面与所述基板表面满足scheimpflug条件。6.根据权利要求5所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，沿光路方向，所述投影及扫描镜组依次包含反射式投影成像镜组前组、扫描反射镜、反射式投影成像镜组后组；所述扫描反射镜位于所述投影单元的光阑位置。7.根据权利要求1所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，沿光路方向，所述探测单元依次包括探测组件和探测器，所述探测组件用于将所述基板反射的光斑成像至所述探测器上，所述探测器的探测面与所述基板表面满足scheimpflug条件。8.根据权利要求1所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，沿光路方向，所述探测单元依次包括探测组件、探测狭缝、中继组件和探测器，所述探测狭缝的布局与所述投影狭缝的布局一一对应；所述探测狭缝位于所述探测组件的像面位置，并同时位于所述中继组件的物面位置；所述基板表面与所述探测狭缝满足scheimpflug条件，所述探测狭缝与所述探测器的探测面满足scheimpflug条件。9.根据权利要求7或8所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，沿光路方向，所述探测组件依次包括反射式探测镜组前组、探测镜组光阑、反射式探测镜组后组和探测反射镜。10.根据权利要求1所述的一种调焦调平检测装置，其特征在于，所述光源模块包括白光点光源、耦合光路和光纤，所述白光点光源发出的光线依次经所述耦合光路和所述光纤后到达所述光纤的出射端。

技术总结

本发明提供一种调焦调平检测装置，包括光源模块、照明单元、投影单元和探测单元，投影单元包括投影狭缝；光源模块发出的光经照明单元调制后入射到投影单元的投影狭缝，投影单元将投影狭缝的光斑成像至基板上，经基板反射后，进入探测单元；照明单元包括微光学元件，微光学元件用于使入射到投影狭缝上的光线的入射角为恒定角度。本发明提供的种调焦调平检测装置，可以解决现有技术中对不同波长不同视场选用了相同的硅片面入射角来计算，从而影响了调焦调平检测装置的测量精度的问题。焦调平检测装置的测量精度的问题。焦调平检测装置的测量精度的问题。

技术研发人员：毛静超 孙建超 徐荣伟 庄亚政 王晓庆 李淑蓉

受保护的技术使用者：上海微电子装备（集团）股份有限公司

技术研发日：2020.12.29

技术公布日：2022/6/30