硅片表面高度和傾斜度檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光刻機技術領域，具體涉及一種硅片表面高度和傾斜度檢測裝置及方 法。
【背景技術】
[0002] 投影光刻機是一種把掩模上的圖案通過投影物鏡投影到硅片表面的設備。在光刻 機的曝光過程中，如果硅片相對于物鏡焦平面的離焦或傾斜使曝光視場內某些區(qū)域處于有 效膠深之外，將嚴重影響光刻質量，因此必須采用調焦調平系統(tǒng)進行精確控制?，F(xiàn)有的調焦 調平系統(tǒng)的一般工作原理是：首先獲得整個曝光場內硅片表面高度與傾斜信息，以此來判 斷自動調焦調平系統(tǒng)是否正確調焦調平，并根據這些信息作相應調節(jié)，以精確控制硅片位 置。
[0003] 目前通常采用非接觸式光電測量技術來檢測硅片表面高度與傾斜度信息，激光三 角測量法就是最普遍的一種，其具有精度高、速度快的特點，然而其受底層的工藝圖案影響 較大。由于在曝光工藝中，光刻膠下層通常有各種工藝圖案，這些圖案形狀、材料復雜多變， 而這些底層圖案將導致硅片表面反射率不均，從而引起探測光斑在探測面強度分布不均， 進而產生測量誤差，最終影響調焦調平系統(tǒng)的準確度。
[0004] 現(xiàn)有技術中還提供一種基于數字補償的檢測方法，該方法通過在系統(tǒng)探測端增加 一路成像單元，以實時獲取探測光斑的強度分布，以及計算出不同位置的反射率差異，并根 據該反射率的差異補償焦面測量結果，降低底層圖案的影響，從而提高調焦調平系統(tǒng)的控 制精確度。然而采用上述方法需要增加額外的成像單元，光路設計復雜，并且對成像單元的 探測器響應速度、靈敏度以及對反饋補償的時效性要求較高，因此在工程上使用難度較大。
[0005] 針對以上問題，之后又提出了一種基于偏振調制的檢測方法，該方法從光學上解 決硅片反射率不均的問題。然而該自動調焦調平系統(tǒng)僅適用于激光或單波長照明，每次只 能探測一個波長，當需要探測多個波長時，需要多次更換探測光源，增加了檢測的復雜度， 同時也降低了光源能量的利用率和調焦調平系統(tǒng)對不同硅片的工藝適用性。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明為了克服以上不足，提供了一種可提高光源能量利用率和對不同硅片的工 藝適應性的硅片表面高度和傾斜度檢測裝置及方法。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種硅片表面高度和傾斜度檢測 裝置，從探測光線路徑看包括依次排列的光源、準直擴束鏡、狹縫陣列、角度調節(jié)單元、第一 透鏡、待測硅片、第二透鏡、探測器和信號處理單元，還包括位于所述直擴束鏡和所述狹縫 陣列間的偏振調制單元、位于所述第二透鏡和所述探測器之間的多色光分離單元，探測器 由若干個探測單元組成。
[0008] 進一步的，所述光源為寬波段光源。
[0009] 進一步的，所述偏振調節(jié)單元采用偏振片、磁致旋光器或電光調制器。
[0010] 進一步的，所述角度調節(jié)單元包括角度偏轉單元和第三透鏡。
[0011] 進一步的，所述第三透鏡的后焦面與所述第一透鏡的前焦面共面。
[0012] 進一步的，所述多色光分離單元可采用二向色分束鏡組、棱鏡或相位光柵。
[0013] 進一步的，所述每個探測單元包含偏振解調單元、透鏡、探測狹縫和多個光電探測 器，所述探測狹縫具有多個通光狹縫，所述光電探測器位所述通光狹縫后方，且每個光電探 測器與一個通光狹縫相對應，用于檢測通過該狹縫的光能量。
[0014] 本發(fā)明還提供一種硅片表面高度和傾斜度檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：
[0015] (1)檢測硅片表面的工藝參數，包括各層的材料折射率、厚度，選擇是否需要探測 的多個波段的信號；
[0016] (2)若只需要檢測一個波段的信號，確定該探測信號的波段，并根據最優(yōu)配置原 理，對需要探測波段信號的偏振態(tài)、入射角參數進行最優(yōu)配置；若需要檢測多個波段的信 號，確定多個探測信號的波段，并根據最優(yōu)配置原理，對需要探測的多個波段信號的偏振 態(tài)、入射角參數進行最優(yōu)配置；
[0017] (3)通過偏振調節(jié)單元、狹縫陣列和角度偏轉單元，將照明光束轉換成具有最優(yōu)配 置參數的探測光斑束，并經過所述待測硅片反射之后通過多色光分離單元分離出步驟（2) 選定的一個或多個獨立探測光斑，并分別進入相應的探測單元中進行探測，輸出相應的探 測信號，所述探測電信為電信號；
[0018] (4)若只需要探測一個所述波段的信號，則信號處理單元僅對該波段測量信號進 行處理之后計算得到所述待測硅片的高度h ;若需要檢測多個所述波段的信號，則信號處 理單元接收所有所述探測單元輸出的電信號，經過處理之后精確計算出每個波段信號對應 的硅片高度h，并對多個所述獨立探測光斑的測量結果匕各自的比例權重^進行計算得到 最終的桂片聞度*，.計算的公式為：+ …十各 探測波段信號的比例權重Wl根據硅片工藝特性來確定；其中i和η為大于1的正整數，并 且 i < η ;
[0019] (5)根據計算得到的所述待測硅片表面高度值，擬合出其表面形貌，從而獲得所述 待測硅片表面的傾斜值。
[0020] 綜上所述，本發(fā)明提供的硅片表面高度和傾斜度檢測裝置及方法，通過增加多色 光分離單元，根據硅片的工藝特性，將寬波段的反射光分離成多個獨立的波段，并通過相應 的探測單元對每個波段進行單獨探測，并對各波段的探測信息進行綜合處理，以更好的消 除硅片底層圖案的影響，得到更準確的硅片表面位置信息，同時使用寬波段光源進行照明， 提高了光源能量的利用率，也增加了檢測裝置對不同硅片的工藝適用性。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的硅片表面高度和傾斜度檢測裝置的結構示意圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明偏振調制單元為磁致旋光器進行偏振調制時的示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明的多色光分離單元采用二向色分束鏡組進行分光時的示意圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明探測單元的結構圖；
[0025] 圖5是本發(fā)明的照明光束在硅片表面的反射示意圖；
[0026] 圖6是本發(fā)明的硅片表面高度和傾斜度檢測裝置的檢測流程圖。
[0027] 圖中所不：1、光源；101、照明光束；102、偏振光束；103、探測光斑束；104、反射光 斑束或衍射光斑束；105、獨立探測光斑；2、準直擴束鏡；3、偏振調制單元；31、起偏器；32、 磁致旋光器；4、狹縫陣列；5、角度調節(jié)單元；501、角度偏轉單元；6、硅片；7、多色光分離單 元；701、第一分束鏡；702、第二分束鏡；703、第三分束鏡；8、探測器；80、探測單元；801、偏 振解調單元；802、透鏡；803、探測狹縫；804、光電探測器；9、信號處理單元；10、第一透鏡； 11、第二透鏡；12、第三透鏡。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對發(fā)明作詳細描述：
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種硅片表面高度和傾斜度檢測裝置，從探測光線路徑 看包括依次排列的光源1、準直擴束鏡2、狹縫陣列4、角度調節(jié)單元5、探測器8和信號處理 單元9,還包括偏振調制單元3和多色光分離單元7,所述探測器8由若干個探測單元80組 成；
[0030] 具體的，所述光源1提供照明光束101，所述照明光束101依次通過用于對光束進 行整形和勻光之后產生平行光束的準直擴束鏡2、用于實現(xiàn)照明光束101偏振方向的調節(jié) 的偏振調節(jié)單元3、用于將偏振光束102轉化成探測光斑束102的狹縫陣列4,以及用于調 節(jié)探測光斑束103入射角度的角度調節(jié)單元5,產生具有特定偏振態(tài)和入射角的探測光斑 束103,該探測光斑束103接著經過第一透鏡10放大后投射到硅片6上，產生反射光斑束或 衍射光斑束104經過第二透鏡11收集后，進入多色光分離單元7,分離出不同獨立波段的獨 立探測光斑105,并分別由對應的探測單元80接收；
[0031] 所述信號處理單元9接收所述探測器8中各個探測單元80探測之后輸出的電信 號，并根據該電信號精確計算出硅片6的高度和傾斜度信息。
[0032] 所述光源1為寬波段光源，用以適應不同工藝的硅片，所述的光源1為寬波段光 源，波長范圍可覆蓋紫外、可見光或近紅外波段。優(yōu)選的寬波段光源為LED光源、氙燈或鹵 素燈。
[0033] 所述偏振調制單元3用于照明光束101偏振態(tài)的控制得到偏振光束102。偏振調 制單元3可采用旋轉的偏振片、磁致旋光器或電光調制器實現(xiàn)。在偏振過程中，偏振片的 中心位于光軸上，利用旋轉電動臺驅動偏振片繞光軸旋轉，偏振片光軸方向決定輸出光束 的偏振態(tài)。如圖2為采用磁致旋光器進行偏振調制時的示意圖，照明光束101經起偏器31 后，其偏振為垂直方向，32為磁致旋光器（或稱為法拉第盒），其可使輸入光束的振動方向 發(fā)生旋轉，轉過的角度為貨=其中B為磁感應強度，1為磁致旋光物質的長度，V表示維 爾德（Verdet)常數，工作原理在于：通過控制磁感應強度Β來獲得任意偏振方向的偏振光 束 102。
[0034] 所述角度調節(jié)單元包括角度偏轉單元501和第三透鏡12。其中，角度偏轉單元501 優(yōu)選為反射棱鏡，用于將經過所述狹縫陣列4輸出的探測光斑束103進行入射角度調整后， 匯聚在第三透鏡12的后焦面，接著經過第一透鏡10放大后投射到所述硅片6表面，所述第 三透鏡12的后焦面與所述第一透鏡10的前焦面共面，因此當照射到硅片6表面的光束入 射角變化時，其照明視場中心始終位于光軸上。
[0035] 所述多色光分離單元7用于將寬波段探測光斑束103的反射光斑束或衍射光斑 束104分離出若干個獨立探測光斑105。多色光分離單元7可采用二向色分束鏡組、棱鏡 或相位光柵來實現(xiàn)。其中采用二向色分束鏡組進行分光的原理如圖3所示。假設寬波段 反射光斑束或衍射光斑束104的波長為500nm-900nm，經過第一分束鏡701，反射波段為 500-578nm ;其余透射到第二分束鏡702,其反射波段為613nm-664nm ;其余透射到第三分束 鏡703,反射波段為694nm-732nm，最終透射波段為790nm-900