一种调焦装置、光刻机及调焦装置的调焦方法

摘要

本发明实施例提供了一种调焦装置、光刻机及调焦装置的调焦方法，通过在光路上依次设置照明光源、照明单元、投影单元和光电探测单元；投影单元包括至少一个投影光栅；光电探测单元包括至少一个探测光栅对和至少两个光电探测器，探测光栅对与投影光栅一一对应设置，探测光栅对包括两个错位放置的子探测光栅，子探测光栅与光电探测器一一对应设置。本发明提供的技术方案，通过采用投影光栅产生多个光栅周期的投影光栅像，减小了工艺适应性对测量误差的影响，并且通过光电探测器获取经过与其对应的子探测光栅的探测信号，根据探测信号获取电压差分信号，避免了扫描反射镜导致的测量误差，提高了测量离焦量准确度。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及光刻技术，尤其涉及一种调焦装置、光刻机及调焦装置的调焦方法。

背景技术

光刻机是一种把掩模上的图案通过物镜投影到硅片面上的装置。在投影曝光设备中，必须有自动调焦调平系统把硅片面精确带入到指定的曝光位置。

图1是现有技术中的一种调焦装置的结构示意图。参见图1，照明单元101出射的光，经投影狭缝102后由第一平面反射镜103反射至硅片表面104，形成投影光斑；硅片表面104将光反射至第二平面反射镜105；从第二平面反射镜105出射的光入射至扫描反射镜106上；扫描反射镜106作周期性简谐振动，对光信号进行调制，以提高测量信号的信噪比；扫描反射镜106的出射光经探测狭缝107，入射到光电探测器108上，光电探测器108再根据所接收到的光强大小输出相应的电压信号。由于扫描反射镜106的调制作用，光电探测器108最终输出的为周期性的动态电压信号。最后，通过对该动态电压信号结合扫描反射镜反馈方波进行分析处理，实现硅片表面104离焦量的探测。

但是扫描反射镜作为一个运动部件，长期处于工作状态，其稳定性直接影响测量精度。然而，由于温度、气压、湿度等因素，以及长期运动而导致的金属疲劳将会影响其稳定运行，进而导致测得的离焦量存在误差，不能精确的确定离焦量并进行调焦。

发明内容

本发明提供一种调焦装置、光刻机及调焦装置的调焦方法，以实现减小工艺适应性对测量误差的影响，提高测量离焦量准确度的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种调焦装置，包括：在光路上依次设置的照明光源、照明单元、投影单元和光电探测单元；

所述投影单元包括至少一个投影光栅；

所述光电探测单元包括至少一个探测光栅对和至少两个光电探测器，所述探测光栅对与所述投影光栅一一对应设置，所述探测光栅对包括两个错位放置的子探测光栅，所述子探测光栅与所述光电探测器一一对应设置。

可选的，所述探测光栅对的两个子探测光栅的狭缝沿投影方向依次排布，所述两个子探测光栅沿与所述投影方向垂直的方向依次排布。

可选的，所述探测光栅对中两个子探测光栅的光栅周期大小相同。

可选的，所述探测光栅对中两个子探测光栅的光栅周期在投影方向垂直的方向错位1/2个周期。

可选的，所述探测光栅对中两个子探测光栅的光栅周期与对应的所述投影光栅形成的投影光栅像的光栅周期相同。

可选的，在所述投影方向垂直的方向上，所述探测光栅对中两个子探测光栅的中心距离大于单个所述子探测光栅的宽度，所述投影光栅形成的投影光栅像完全覆盖所述探测光栅对的两个子探测光栅。

可选的，所述探测光栅对中两个子探测光栅在所述投影方向垂直的方向的宽度相同。

可选的，所述光电探测单元包括微透镜阵列，每个所述子探测光栅对应一个微透镜，所述微透镜设置在所述子探测光栅与所述光探测器之间，用于对经过所述子探测光栅的光进行汇聚。

可选的，所述调焦装置还包括：成像单元，所述成像单元位于所述探测光栅对与所述光电探测器之间，用于放大经过所述探测光栅对的光。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光刻机，包括上述提供的任一所述的调焦装置。

第三方面，本发明实施例还提供了一种针对上述任一所述的调焦装置的调焦方法，包括：

照明光源发出的光依次经过照明单元和投影单元的投影光栅，在被测器件上形成投影光栅像，所述投影光栅像经所述被测器件反射，经探测光栅对照射到光电探测器上，所述光电探测器获取经过与其对应的所述子探测光栅的探测信号；

计算单元根据与所述探测光栅对中的两个子探测光栅对应的两个光电探测器所获取的所述探测信号获取电压差分信号，得出所述被测器件的离焦量。

可选的，所述计算单元根据与所述探测光栅对中的两个子探测光栅对应的两个光电探测器所获取的所述探测信号获取电压差分信号，得出所述被测器件的离焦量，包括：

将放置所述被测器件的工件台移动到负离焦极限位置；

步进所述工件台，同步记下所述工件台位置和电压差分信号，根据电压差分信号确定解调量；

所述工件台步进完成后，建立所述解调量与离焦量的对应关系；

根据所述光电探测器所获取的探测信号获取电压差分信号，对照所述解调量与离焦量的对应关系，得出被测器件的离焦量。

本发明实施例提供了一种调焦装置、光刻机及调焦装置的调焦方法，通过在光路上依次设置照明光源、照明单元、投影单元和光电探测单元；所述照明光源发出的光依次经过所述照明单元和所述投影单元的投影光栅，在被测器件上形成投影光栅像，所述投影光栅像经所述探测光栅对中的子探测光栅照射到所述光电探测器上；所述光电探测器获取经过与其对应的所述子探测光栅的探测信号，以根据与所述探测光栅对中的两个子探测光栅对应的两个光电探测器所获取的所述探测信号获取电压差分信号，得出被测器件的离焦量。通过采用包括两个错位放置的子探测光栅的探测光栅对和与所述子探测光栅一一对应设置的光电探测器，采用空间差分的方式得出电压差分信号以得出被测器件的离焦量，而不再是采用扫描反射镜进行时间差分，可以避免由扫描反射镜导致的测量误差，使测量更加准确；并且采用投影光栅可以产生多个投影光斑，能够能减小工艺适应性对测量误差的影响，可以提高得到的离焦量的准确度。

附图说明

图1是现有技术中的一种调焦装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种调焦装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种光电探测单元的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的一种被测器件的结构示意图；

图5是本发明实施例一提供的一种投影光栅像与对应的探测光栅对的结构示意图；

图6是本发明实施例一提供的另一种光电探测单元的结构示意图；

图7是本发明实施例一提供的再一种光电探测单元的结构示意图；

图8为扫描反射镜不同振幅下调解量与离焦量的关系图；

图9是本发明实施例三提供的一种建立解调量与离焦量的对应关系的流程图；

图10是本发明实施例三提供的一种投影光栅像与探测光栅对的位置关系；

图11是本发明实施例三提供的另一种投影光栅像与探测光栅对的位置关系；

图12是本发明实施例三提供的又一种投影光栅像与探测光栅对的位置关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图2是本发明实施例一提供的一种调焦装置的结构示意图。图3是本发明实施例一提供的一种光电探测单元的结构示意图。参见图2和图3，本发明实施例一提供的调焦装置，包括：在光路上依次设置的照明光源201、照明单元202、投影单元203和光电探测单元206；投影单元203包括至少一个投影光栅300；光电探测单元206包括至少一个探测光栅对310和至少两个光电探测器，探测光栅对310与投影光栅300一一对应设置，探测光栅对310包括两个错位放置的子探测光栅，子探测光栅与光电探测器一一对应设置。

其中，照明光源201发出的光依次经过照明单元202和投影单元203的投影光栅300，在被测器件205上形成投影光栅像301，投影光栅像301经被测器件205反射，经过探测光栅对310中的子探测光栅照射到光电探测器上；光电探测器获取经过与其对应的子探测光栅的探测信号，以根据与探测光栅对310中的两个子探测光栅对应的两个光电探测器所获取的探测信号获取电压差分信号，得出被测器件205的离焦量。

可以理解的是，照明光源201发出的光依次经过照明单元202和投影单元203的投影光栅300后为了调整光的光学性能，得到光学性能较好的投影光栅像301，投影单元203还包括可以调节光学性能的投影组件。

投影单元203中包括至少一个投影光栅300，每个投影光栅300中包括多个光栅周期，其中，一个光栅周期为光栅中两刻线之间的距离，包括透光部分和不透光部分之和。

照明光源201发出的光经过投影光栅300时会产生包括多个光栅周期的投影光栅像301，包括多个光栅周期的投影光栅像301可以减小工艺适应性对测量误差的影响。具体的，由于工艺的影响可以导致被测器件205的反射率不均匀，图4是本发明实施例一提供的一种被测器件的结构示意图。参见图4，示例性地，当被测器件205上的反射率的分布情况在极端情况下，如黑白脸(底层材质的差异很大)，其中，R_A，R_B分别为两部分区域的反射率，当照明单元201经过投影狭缝照射到被测器件205上的投影光栅像301为单个的投影光斑时，由反射率不均匀所引起的离焦量误差表征为：ΔHerror＝(R_A-R_B)/(R_A+R_B)×K；而当照明光源201发出的光经过投影光栅300产生包括多个光栅周期的投影光栅像301时，由反射率不均匀引起的离焦量误差为：ΔHerror＝(R_A-R_B)/(R_A+R_B)×K/n，其中n为投影光栅像301中光栅周期的个数。即将投影单元203中的投影狭缝改为投影光栅，可以减小工艺适应性对测量误差的影响，提高测量的离焦量的准确性。

继续参见图3，光电探测单元206包括至少一个探测光栅对310和至少两个光电探测器，一个探测光栅对310包括两个错位放置的子探测光栅，例如，第一子探测光栅311和第二子探测光栅312，每个子探测光栅对应一个光电探测器，例如，与第一子探测光栅311对应的第一光电探测器331，与第二子探测光栅312对应的第二光电探测器332。

其中，投影单元203可以包括不止一个投影光栅300，每个投影光栅300对应一个探测光栅对310，探测光栅对310中的两个子探测光栅各自对应一个光电探测器。

投影光栅像301经探测光栅对310中的子探测光栅照射到光电探测器上，由于两个子探测光栅错位放置，投影光栅像301经过两个子探测光栅时会形成两个不同的探测光栅像，两个探测光栅像分别被照射到两个光电探测器上，光电探测器获取经过与其对应的子探测光栅的探测信号，光电探测器根据接收到的光强大小输出相应的电压信号值，由于经过子探测光栅的探测信号不同，可以根据探测信号获取两个电压信号值，即电压差分信号，可以分别为E和F，根据电压差分信号可以得出被测器件205的离焦量。

利用包括两个错位放置的子探测光栅的探测光栅对和与子探测光栅对应的光电探测器，从空间上采用差分检测，计算离焦量，代替扫描反射镜等采用时间差分的方法计算离焦量，避免了因扫面反射镜不稳定而导致的测量误差，使测量结构更加准确。

继续参见图3，可选的，探测光栅对310的两个子探测光栅的狭缝沿投影方向(X方向)依次排布，所述两个子探测光栅沿与所述投影方向垂直的方向(Y方向)依次排布。

可以理解的是，为了使探测光栅对310的两个子探测光栅均能通过投影光栅像301，两个子探测光栅的狭缝沿投影方向排布，且为了可以产生两个分离的探测光栅像分别照射到与之对应的光电探测器中，设置两个子探测光栅沿投影方向垂直的方向依次排布，即两个子探测光栅不交叠放置，且两子探测光栅之间具有一定的距离。

为了方便计算，可选的，探测光栅对310中两个子探测光栅的光栅周期大小相同。可以通过光栅周期相同且错位放置的两个探测光栅得到的电压差分信号更加方便的计算出离焦量。

示例性地，探测光栅对310中两个子探测光栅的光栅周期在投影方向垂直的方向错位1/2个周期。即在投影方向垂直的方向上，第一子探测光栅311的透光区域对应第二子探测光栅312的不透光区域。

当光栅周期相同的两个子探测光栅错位1/2个周期时，可以根据相应的电压差分信号计算出光功率密度ρ，并可以通过光功率密度计算出离焦量。

可选的，探测光栅对310中两个子探测光栅的光栅周期D_p与对应的投影光栅300形成的投影光栅像301的光栅周期P_p相同，即D_p＝P_p。

为了使投影光栅像301在单个光栅周期的光可以完全通过探测光栅对310中的子探测光栅，使计算光功率密度更加方便，可以使投影光栅像301与子探测光栅的光栅周期相同。

可选的，在投影方向垂直的方向上，探测光栅对310中两个子探测光栅的中心距离大于单个子探测光栅的宽度，投影光栅形成的投影光栅像301完全覆盖探测光栅对301的两个子探测光栅。

为了避免投影光栅像透过探测光栅对310中两个子探测光栅时，两个子探测光栅之间的相互影响，在与投影方向垂直的方向上，可以设置依次排布的两个子探测光栅的中心间距L大于每个的子探测光栅的宽度。即，两个子探测光栅之间存在一定的距离，不存在交叠区域。

为了确保透过两个子探测光栅的光强，且方便后续计算，可以设置投影光栅像301完全覆盖两个子探测光栅，即在投影方向垂直的方向上，投影光栅像301的宽度L_p大于两个子探测光栅的宽度和两个子探测光栅之间的距离之和。

可选的，探测光栅对中两个子探测光栅在投影方向垂直的方向的宽度相同。

两个子探测光栅的光栅周期D_p的大小相同，在投影方向垂直的方向的宽度L_d相同，即，两个子探测光栅可以为相同的光栅。相同的两个子探测光栅可以省略分析换算由电压差分信号得到光功率密度的步骤，可以更加精简的计算离焦量，使得到离焦量的方式更加简单，且得到的离焦量更加准确。

图5是本发明实施例一提供的一种投影光栅像与对应的探测光栅对的结构示意图。示例性地，设置投影光栅像301的周期P_p与探测光栅对的两个子探测光栅周期D_p相同，即D_p＝P_p。在投影方向垂直的方向上，投影光栅像301的宽度L_p满足L_p>L+L_d，L为两个子探测光栅的中心间距，L为两个子探测光栅的宽度，即投影光栅像301完全覆盖两个子探测光栅。两个子探测光栅，第一子探测光栅311和第二子探测光栅312在投影方向垂直的方向错位1/2个周期。

根据图5可知，单个光栅周期中，投影光栅像301透过第一子探测光栅311和透过第二子探测光栅312的光之和为透过子探测光栅中单个光栅周期的全部的光，则光功率密度ρ为

其中，E和F分别为与第一子探测光栅311对应第一光电探测器331和与第二子探测光栅312对应第二光电探测器332根据分别获取的探测信号得到的电压差分信号。

被测器件的平移量Δd为

使用传统光学的三角测量远离，在标准条件下，离焦量H与平移量Δd之间关系为：

其中，K为转换系数，由光刻机的设计决定，为常量。由于子探测光栅的光栅周期D_p已知，可以设定解调量S，

对电压差分信号E和F进行归一化处理。实际测量中，只需要根据解调量S的值，就可以对应得出实际离焦量H。

需要说明的是，由于一个投影光栅300对应一个以探测光栅对310，每个探测光栅对310均可以得出一组电压差分信号，即可以得出一个离焦量。当投影光栅像301呈现在被测器件的不同位置，则可以测量不同位置的离焦量，测量三个及三个以上位置的离焦量则可以判断被测器件的平衡程度，即有无偏斜，从而可以实现对被测器件进行调平。图6是本发明实施例一提供的另一种光电探测单元的结构示意图。可选的，光电探测单元206包括微透镜阵列340，每个子探测光栅对应一个微透镜，微透镜设置在子探测光栅与光电探测器之间，用于对经过子探测光栅的光进行汇聚。

微透镜阵列340用来汇聚透过探测光栅对310的光强，降低传播过程的光学串扰，增强光电探测器获取的探测信号的信噪比。每个子探测光栅对应一个微透镜，每个微透镜对应一个光电探测器，示例性地，继续参见图7，透过第一子探测光栅311的光经过第一微透镜341的汇聚照射到与之对应的第一光电探测器331中，透过第二子探测光栅312的光经过第二微透镜342的汇聚照射到与之对应第二光电探测器332上。

图7是本发明实施例一提供的再一种光电探测单元的结构示意图。可选的，所述调焦装置中的光电探测单元206还可以包括：成像单元350，成像单元350位于探测光栅对与光电探测器之间，用于放大经过探测光栅对的光。

增加的成像单元350可以使透过探测光栅对310的光在投影方向垂直的方向的间距增大，从而可以设置与子探测光栅对应的光电探测器在非测量方向有较大的间距，以降低探测器工程实践的难度和成本。

本发明实施例提供了一种调焦装置，通过在光路上依次设置照明光源、照明单元、投影单元和光电探测单元；所述照明光源发出的光依次经过所述照明单元和所述投影单元的投影光栅，在被测器件上形成投影光栅像，所述投影光栅像经所述探测光栅对中的子探测光栅照射到所述光电探测器上；所述光电探测器获取经过与其对应的所述子探测光栅的探测信号，以根据与所述探测光栅对中的两个子探测光栅对应的两个光电探测器所获取的所述探测信号获取电压差分信号，得出被测器件的离焦量。通过采用包括两个错位放置的子探测光栅的探测光栅对和与所述子探测光栅一一对应设置的光电探测器，采用空间差分的方式得出电压差分信号得出被测器件的离焦量，而不再是采用扫描反射镜进行时间差分，可以避免由扫描反射镜导致的测量误差，使测量更加准确；并且采用投影光栅可以产生多个投影光斑，能够能减小工艺适应性对测量误差的影响，可以提高得到的离焦量的准确度。

实施例二

本发明实施例二提供了一种光刻机，包括上述提供的任一所述的调焦装置。

本发明实施例二提供的光刻机，通过采用包括两个错位放置的子探测光栅的探测光栅对和与所述子探测光栅一一对应设置的光电探测器，采用空间差分的方式得出电压差分信号得出被测器件的离焦量，而不再是采用扫描反射镜进行时间差分，可以避免由扫描反射镜导致的测量误差，使测量更加准确；并且采用投影光栅可以产生多个投影光斑，能够能减小工艺适应性对测量误差的影响，可以提高得到的离焦量的准确度。

实施例三

本发明实施例三提供了一种针对上述任一所述的调焦装置的调焦方法，该调焦方法包括：

照明光源发出的光依次经过照明单元和投影单元的投影光栅，在被测器件上形成投影光栅像，所述投影光栅像经所述被测器件反射，经探测光栅对照射到光电探测器上，所述光电探测器获取经过与其对应的所述子探测光栅的探测信号；计算单元根据与所述探测光栅对中的两个子探测光栅对应的两个光电探测器所获取的所述探测信号获取电压差分信号，得出所述被测器件的离焦量。

现有技术中，通过扫描反射镜对反射的光进行时间差分，以得到电压差分信号E和F，图8为扫描反射镜不同振幅下调解量与离焦量的关系图。参见图8可以明显看出扫描反射镜振幅的稳定性对解调量S和离焦量H的探测影响很大。为了去除扫描反射镜的调制作用，提高测量离焦量的准确性，采用探测光栅对进行空间上差分探测，消除由于扫描反射镜不稳定导致的测量误差。

可选的，可以提前建立解调量与离焦量的对应关系，示例性地，包括：将放置所述被测器件的工件台移动到负离焦极限位置；步进所述工件台，同步记下所述工件台位置和电压差分信号，根据电压差分信号确定解调量；所述工件台步进完成后，建立所述解调量与离焦量的对应关系。

图9是本发明实施例三提供的一种建立解调量与离焦量的对应关系的流程图。参见图9，示例性地，可以先将工件台移动到负离焦极限位置，然后步进移动工件台，记录得到的差分信号E和F，并计算解调量S，读取此时工件台台的位置，判断工件台步进位置是否超出测量范围，若否，继续步进工件台，直至工件台步进到超出测量范围完成步进移动，选取解调量S与离焦量H之间的线性部分，使用多项式拟合，保存拟合系数，确定实际测量范围，即拟合是所选取的离焦量H的上下限，得出解调量S与离焦量H之间的对应关系。

示例性地，设置投影光栅像301的光栅周期P_p与探测光栅对的两个子探测光栅的光栅周期D_p相同，即D_p＝P_p。投影光栅像301在投影方向垂直的方向的宽度为L_p，满足L_p>L+L_d，投影光栅像301完全覆盖两个子探测光栅。两个子探测光栅，第一子探测光栅311和第二子探测光栅312在投影方向垂直的方向错位1/2个周期。

图10是本发明实施例三提供的一种投影光栅像与探测光栅对的位置关系。参见图10，在被测器件离焦量为零时，投影光栅像301相对于探测光栅对310的位置关系，在投影方向垂直的方向上，投影光栅像301相对于探测光栅对中第一子探测光栅311，光栅周期相差D_p/4，即在投影方向上，透过第一子探测光栅311的探测光栅像光栅周期为D_p/4，透过第二子探测光栅312的探测光栅像光栅周期为D_p/4。其输出的对应差分信号E＝F＝ρ×D_p/4，则S＝(E-F)/(E+F)＝0。

图11是本发明实施例三提供的另一种投影光栅像与探测光栅对的位置关系。参见图11，在被测器件正离焦量极限时，投影光栅像相对于探测光栅对的位置关系，在投影方向上，投影光栅像301与探测光栅对310中第一子探测光栅311的中心对齐，透过第一子探测光栅311的探测光栅像光栅周期为D_p/2，透过第二子探测光栅312的探测光栅像为0。其输出的对应差分信号E＝ρ×D_p/2，F＝0，则S＝(E-F)/(E+F)＝1；

图12是本发明实施例三提供的又一种投影光栅像与探测光栅对的位置关系。参见图12，在被测器件负离焦量极限时，投影光栅像相对于探测光栅对的位置关系，在投影方向上，投影光栅像301相对于探测光栅对310中第一子探测光栅311，光栅周期相差D_p/2，透过第一子探测光栅311的探测光栅像为0，透过第二子探测光栅312的探测光栅像光栅周期为D_p/2。其输出的对应差分信号E＝0，F＝ρ×D_p/2，则S＝(E-F)/(E+F)＝-1。

在实际测量过程中，根据实时采集的电压差分信号E和F，确定解调量S，对照解调量S与离焦量H的对应关系，将解调量S带入对应的多项式，得出被测器件的离焦量H。

本发明实施例三提供的调焦装置的调焦方法，通过采用包括两个错位放置的子探测光栅的探测光栅对和与所述子探测光栅一一对应设置的光电探测器，采用空间差分的方式得出电压差分信号得出被测器件的离焦量，而不再是采用扫描反射镜进行时间差分，可以避免由扫描反射镜导致的测量误差，使测量更加准确；并且采用投影光栅可以产生多个投影光斑，能够能减小工艺适应性对测量误差的影响，可以提高得到的离焦量的准确度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。