[发明专利]一种基于光束波前调制的同轴检焦装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光束波前调制的同轴检焦装置，用于检测硅片在垂直方向上的离焦量。属于高精度光学测量领域。

背景技术

从微电子工业发展的早期阶段起，光学光刻就一直作为制作亚微米尺度图形和器件的主流技术。其中最热门的光刻方法是基于投影物镜的光学投影曝光光刻技术。目前非浸没式的光刻物镜的数值孔径已经增大到0.85，接近物理极限。曝光波长已经缩短到193nm，如果采用更短的曝光波长，则需要非常复杂的短波长光源系统，相应的光刻物镜需要昂贵的纯石英和氟化钙等材料，代价十分巨大。因此为了在不改变光刻机系统结构的前提下提高分辨力，科研人员采用了一系列的新技术来提高光刻分辨力，这些技术被称之为波前工程或者分辨力增强技术。分辨力增强技术主要有离轴照明技术、相移掩模技术、光学临近效应校正技术、光瞳滤波技术和偏振成像控制技术。当光刻线宽进一步缩短后，这些分辨力增强技术将变得十分复杂随之而来的是成本剧增。理论上讲即使利用最先进的分辨力增强技术也很难使得光刻线宽达到1/4个照明波长以下。基于此，各国科技工作者开始将目光转移至浸没式光刻，即在投影物镜和被曝光的硅片之间填充高折射率的液体，使得曝光等效波长变得更短，借此提高光刻分辨力。其浸没液涉及到从去离子水到各种有机无机液体多种材料。目前在半导体制造厂商在高端器件制作方面已经开始应用商用浸没式光刻机，如（TWINSCAN NXT1950I，NSR-S621D）。

投影光刻由干式光刻逐步发展为浸没式光刻的过程中，固有的趋势是曝光波长逐步缩短和数值孔径的稳步提高，借此实现光刻分辨力的增强。然而通过缩短曝光波长和增大数值孔径提高分辨力的同时总是以牺牲焦深(Depth of Focus)为代价的，从焦深公式DOF＝k₂λ/(NA)²可以看出，随着曝光波长的缩短和数值孔径的提高，投影物镜的焦深在逐渐地缩短。

离焦量控制主要影响特征(CD Critical Dimension)尺寸的一致性，进而直接影响到套刻成功率和电子产品的成品率。在CD误差的各种贡献因素中，离焦量控制是其中最突出的一项。在多重曝光盛行的今天，尤其是32nm以及以下节点的光学光刻中，离焦量控制以及离焦量的高精度、高实时性的检测无疑成为光刻测量中的重中之重。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光束波前调制的同轴检焦装置，具有高精度、和实时测量，并可以直接根据条纹形态判断硅片是否离焦的优点。

本发明技术解决方案：基于光束波前调制的同轴检焦装置采用测量光束与光轴“同轴”的方法进行检焦，将硅片的离焦量调制为测量光束的波前变化，最终在成像CCD表面形成干涉条纹。对干涉条纹进行相位解析可以得到硅片在z轴的离焦量。

所述检焦装置包括检焦光源、聚焦透镜、针孔滤波器、光束准直透镜、分光棱镜、反射镜、投影物镜和成像CCD；检焦光源采用632.8nm的HE-NE激光器，经过聚焦透镜将检焦光束汇聚到其焦点位置，而后聚焦透镜焦面位置直径为5μm针孔滤波器对光束进行滤波，光束以点光源发光形式被光束准直透镜调制为平面波，该平面波被分光棱镜分为两束，即参考光束和测量光束，其中参考光束穿过分光棱镜被倾斜的反射镜反射以平面波的形式到达成像CCD靶面，反射镜的镜面与xoz面垂直，与z轴夹角θ＝0.01－0.02rad；而测量光束则被分光棱镜反射后穿过投影物镜到达硅片表面，再被硅片反射透过投影物镜直达成像CCD靶面；当硅片处于离焦位置时，被硅片反射的测量光束被调制为发散或汇聚的球面波，最终在成像CCD表面，参考光束和测量光束发生干涉形成包含离焦量α信息的干涉条纹，通过对干涉条纹进行相位解析得到硅片在z轴方向的离焦量。

所述硅片在z轴方向的离焦量被调制到干涉条纹中，离焦量大小直接表现为干涉条纹的相位变换，其中在理想焦面位置，条纹呈现一维正弦条纹，在正反方向离焦时条纹发生弯曲，弯曲程度和形态与硅片的离焦量相关。

所述通过对干涉条纹进行相位解析得到硅片在z轴方向的离焦量是通过直接观测干涉条纹弯曲与否来确定，避免了传统的三角检焦方法中需测量硅片的高度间接判断硅片是否离焦。

通过傅里叶变换或者小波变换对干涉条纹进行相位解析，获取条纹的相位图，从而得到硅片在z轴方向的离焦量。