一種調焦調平裝置

《一種調焦調平裝置》是上海微電子裝備（集團）股份有限公司於2013年12月31日申請的專利，該專利的申請號為2013107473938，公布號為CN104749901A，授權公布日為2015年7月1日，發明人是陸侃、宋海軍、陳飛彪。

《一種調焦調平裝置》包括：測量光線從照明單元出射後，依次經過投影狹縫、投影鏡組、被測矽片、探測前組鏡組、探測光闌、探測後組鏡組、折光單元、中繼鏡組、光電探測器，光信號經過所述光電探測器轉換成帶有所述被測矽片表面相關的高度和傾斜度電信號後，傳遞給運算單元以及調焦調平控制器，產生控制信號，從而控制工件台對所述被測矽片的高度和傾斜度進行相應的調整；其特徵在於，所述投影狹縫上具有多個不處於同一直線的標記，入射至所述折光單元的多束光經所述折光單元後生成處於同一直線上的多個光斑。

2018年12月20日，《一種調焦調平裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種調焦調平裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種調焦調平裝置
• 公告號：CN104749901A
• 授權日：2015年7月1日
• 申請號：2013107473938
• 申請日：2013年12月31日
• 申請人：上海微電子裝備（集團）股份有限公司
• 地址：上海市浦東新區張江高科技園區張東路1525號
• 發明人：陸侃、宋海軍、陳飛彪
• Int.Cl.：G03F7/20(2006.01)I; G03F9/00(2006.01)I
• 代理機構：北京連和連智慧財產權代理有限公司1
• 代理人：王光輝
• 類別：發明專利

專利背景

截至2013年12月31日，投影光刻系統中通常包括用以精確探測被測物體表面高度與傾斜的自動調焦調平分系統。調焦調平分系統的一般系統模型如上述專利所示通常包含有一個照明光源、一個具有收集光源發出光線功能的匯聚透鏡、一個投影光闌、一個用於將光闌圖案沿傾斜方向成像在物體表面的第一光學系統、一個用於將物體表面的像成像在探測光闌上的第二光學系統、一個探測光闌、另有一個光電探測器，用以接收探測光闌傳遞的光束，並根據所得光束會聚點的位置信息來獲得與之相關的物體表面的高度信息和傾斜信息。

美國專利US5414515的一個實施例的技術方案是設計單支光路，產生多個測量光斑，在滿足一定測量視場範圍的需求下，採用對應的多個CCD技術，上述方案存在的不足之處在於：所用CCD數量較多，CCD對應的圖像採集卡及線纜也會較多，成本較高；另外，CCD數量多會造成空間約束比較緊張，不能更好地為整機增加空間約束的自由度。

中國專利CN101710291示出了一種帶平行光折光單元透鏡的太陽能裝置，該裝置與《一種調焦調平裝置》方案的不同在於套用上存在區別，CN101710291的技術方案著重於對光束進行能量的匯聚，並無像質的要求，而《一種調焦調平裝置》用於成像位置的調整，且對成像解析度、畸變、焦深等像質均有要求，故兩者存在本質的差別。

發明內容

專利目的

不同於截至2013年12月31日的技術常見的兩種結構：第一種，設計多支光路，產生多個測量光斑，並且在較大測量視場的需求下，採用對應的多個線陣CCD技術；第二種，設計單支光路，產生多個測量光斑，並且在較大測量視場的需求下，採用單個面陣CCD技術。《一種調焦調平裝置》在投影光刻機調平調焦分系統中，提出了一種新的結構：通過在光路中引入一種折光單元，以達到只需採用單支光路、單個線陣CCD就能滿足大視場、多點測量的系統需求，並且總體上降低了成本，減少了空間占用率。

技術方案

根據《一種調焦調平裝置》的一種調焦調平裝置，包括：測量光線從照明單元出射後，依次經過投影狹縫、投影鏡組、被測矽片、探測前組鏡組、探測光闌、探測後組鏡組、折光單元、中繼鏡組、光電探測器，光信號經過所述光電探測器轉換成帶有所述被測矽片表面相關的高度和傾斜度電信號後，傳遞給運算單元以及調焦調平控制器，產生控制信號，從而控制工件台對所述被測矽片的高度和傾斜度進行相應的調整；

其特徵在於，所述投影狹縫上具有多個不處於同一直線的標記，入射至所述折光單元的多束光經所述折光單元後生成處於同一直線上的多個光斑。

其中，所述不處於同一直線的標記數量至少為3個。

其中，還包括一雙稜鏡組，所述投影狹縫夾在所述雙稜鏡組的兩個稜鏡中間。

其中，所述折光單元由折光反射鏡組、折光透鏡組和折光稜鏡組所組成。當不處於同一直線的標記數量至少為3個時，折光單元由折光反射鏡為2對（4塊）、折光透鏡3塊、折光稜鏡2塊組成，中間光束不需經過折光反射鏡和折光稜鏡，只需通過折光透鏡。

其中，所述折光單元還包括平行平板，入射至折光單元的中間光束經過所述折光透鏡組後入射至所述平行平板，其他光束均依次經過所述折光反射鏡組、折光透鏡組和折光稜鏡組後與中間光束一起，經過所述中繼透鏡組後，所有光束被所述光電探測器所接收。

其中，所述折光單元為楔板組，所述楔板組由長斜面對應放置的偶數塊楔板構成。

其中，所述楔板組中的第一塊楔板中部和下半部的光束所經光路位置上有對應所述投影狹縫標記的小通孔，第二塊楔板中部和上半部的光束所經光路位置上有對應所述投影狹縫標記的小通孔。

其中，所述折光單元還包括平行平板，所述中間光束先經過所述第一塊楔板和第二塊楔板上的中部小通孔，再入射平行平板。

其中，所述光電探測器為線陣CCD。

改善效果

通過折光單元的使用，根據《一種調焦調平裝置》的調焦裝置只需採用單支光路、單個線陣CCD就能滿足大視場、多點測量的系統需求，總體上降低了成本，減少了空間占用率。

附圖說明

圖1所示為投影光刻機調焦調平系統原理圖；

圖2所示為《一種調焦調平裝置》帶有折光單元的調焦調平系統原理圖；

圖3所示為《一種調焦調平裝置》帶有反射鏡組折光單元的調焦調平裝置原理圖；

圖4所示為《一種調焦調平裝置》反射鏡組折光單元局部圖；

圖5所示為《一種調焦調平裝置》投影狹縫示意圖；

圖6所示為《一種調焦調平裝置》折光單元的作用示意圖；

圖7所示為線陣CCD上的光斑位置示意圖；

圖8所示為《一種調焦調平裝置》帶有楔板組折光單元的調焦調平裝置原理圖；

圖9所示為《一種調焦調平裝置》楔板組折光單元局部圖。

技術領域

《一種調焦調平裝置》涉及光刻領域，尤其涉及用於光刻機的帶有折光單元的自動調焦裝置。

權利要求

1.一種調焦調平裝置，包括：測量光線從照明單元出射後，依次經過投影狹縫、投影鏡組、被測矽片、探測前組鏡組、探測光闌、探測後組鏡組、折光單元、中繼鏡組、光電探測器，光信號經過所述光電探測器轉換成帶有所述被測矽片表面相關的高度和傾斜度電信號後，傳遞給運算單元以及調焦調平控制器，產生控制信號，從而控制工件台對所述被測矽片的高度和傾斜度進行相應的調整；其特徵在於，所述投影狹縫上具有多個不處於同一直線的標記，入射至所述折光單元的多束光經所述折光單元後生成處於同一直線上的多個光斑。

2.根據權利要求1所述的調焦調平裝置，其特徵在於，還包括一雙稜鏡組，所述投影狹縫夾在所述雙稜鏡組的兩個稜鏡中間。

3.根據權利要求1所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述折光單元由折光反射鏡組、折光透鏡組和折光稜鏡組所組成。

4.根據權利要求3所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述折光反射鏡組由至少2對摺光反射鏡組成，所述折光透鏡組由至少3塊折光透鏡組成，所述折光稜鏡組由至少2塊折光稜鏡組成。

5.根據權利要求3所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述折光單元還包括平行平板，入射至折光單元的中間光束經過所述折光透鏡組後入射至所述平行平板，其他光束均依次經過所述折光反射鏡組、折光透鏡組和折光稜鏡組後與中間光束一起，經過所述中繼鏡組後，所有光束被所述光電探測器所接收。

6.根據權利要求1所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述折光單元為楔板組，所述楔板組由長斜面對應放置的偶數塊楔板構成。

7.根據權利要求6所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述楔板組中的第一塊楔板中部和下半部的光束所經光路位置上有對應位於所述投影狹縫上的多個不處於同一直線的標記的小通孔，第二塊楔板中部和上半部的光束所經光路位置上有對應位於所述投影狹縫上的多個不處於同一直線的標記的小通孔。

8.根據權利要求7所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述折光單元還包括平行平板，入射至折光單元的中間光束先經過所述第一塊楔板和第二塊楔板上的中部小通孔，再入射平行平板。

9.根據權利要求1至8中任一所述的調焦調平裝置，其特徵在於，所述光電探測器為線陣CCD。

實施方式

操作內容

圖1所示為投影光刻機調焦調平系統原理圖。如圖1所示，該投影光刻機調焦調平系統包括投影物鏡14和分布於投影物鏡14光軸兩側的測量光路。測量光路包括以光路依次連線的照明單元、投影單元、探測單元及中繼單元。

照明單元由照明光源1、照明鏡組2及光纖（圖中未示出）等組成；光源的出射光經透鏡組聚光之後，由光纖傳送至投影單元，為整個測量裝置提供照明光源。

投影單元由投影狹縫3、投影前組透鏡組4、反射鏡組5及投影后組透鏡組6等組成；從照明單元出射的光通過投影狹縫後依次經過投影前組透鏡組4、反射鏡組5和投影后組透鏡組6，在玻璃基板7表面當前曝光區域內形成測量光斑。

探測單元由探測前組透鏡組8、反射鏡組9、探測後組透鏡組10等組成；經過探測單元之後，測量光斑被探測狹縫所接收。

中繼單元由中繼反射鏡11中繼透鏡組12探測器13、調焦控制器14，運算單元15等組成，經過中繼單元的光斑被探測器接收，形成帶有被測物表面位置和傾斜信息的光強信號。

實施案例

• 第一實施例

圖2所示為《一種調焦調平裝置》一種投影光刻機帶有折光單元的調焦調平裝置。如圖所示，該裝置包括照明光源101、照明鏡組102、投影狹縫103、雙稜鏡組104、投影前組透鏡組105、投影光闌106、投影后組透鏡組107、投影反射鏡108、被測矽片109、探測前組反射鏡110、探測前組透鏡組111、探測光闌112、探測後組透鏡組113、探測後組反射鏡114、折光單元115、中繼透鏡組116、線陣CCD117、調焦控制器118、運算單元119；光束從照明光源101發出的光束經過照明鏡組102後投射到投影狹縫103上，投影狹縫夾在雙稜鏡組104的兩個稜鏡中間，由雙稜鏡組104出射的光束經過投影前組透鏡組105、投影光闌106及投影后組透鏡組107後，被投影反射鏡108反射至被測矽片109上，經被測矽片109反射後到達探測前組反射鏡110，再由探測前組反射鏡110反射至探測前組透鏡組111、探測光闌112及探測後組透鏡組113，到達探測後組反射鏡114後經過反射，通過折光單元115後，將光斑成像於同一線視場內，經過中繼透鏡組116後，被線陣CCD117所接收，線陣CCD117經過信息光電轉換獲得與之相關的物體表面的高度信息和傾斜信息，由調焦控制器118送至運算單元119後，控制工件台120，從而對被測矽片109的高度和傾斜進行相應的調整。

圖3為根據《一種調焦調平裝置》第一實施例的一種投影式光刻機調焦調平分系統帶有折光單元的調焦調平裝置原理圖，用於精確且高效地測量矽片表面位置。如圖所示，所述裝置包括照明光源201、照明鏡組202、投影狹縫203、雙稜鏡組204、投影前組透鏡組205、投影光闌206、投影后組透鏡組207、投影反射鏡208、被測矽片209、探測前組反射鏡210、探測前組透鏡組211、探測光闌212、探測後組透鏡組213、探測後組反射鏡214、折光單元反射鏡組215、折光單元透鏡組216、平行平板217、折光單元稜鏡組218、中繼透鏡組219、線陣CCD220、調焦控制器221以及運算單元222。從照明光源201發出的光束經過照明鏡組202後投射到投影狹縫203上，投影狹縫夾在雙稜鏡組204中間，由雙稜鏡組204出射的光束經過投影前組透鏡組205、投影光闌206及投影后組透鏡組207後，被投影反射鏡208反射至被測矽片209上，經被測矽片209反射後到達探測前組反射鏡210，再由探測前組反射鏡210反射至探測前組透鏡組211、探測光闌212及探測後組透鏡組213，到達探測後組反射鏡214後經過反射，分別至折光單元反射鏡組215（215a-215h）後，入射折光單元透鏡組216（216a-216e），中間光束經過平行平板217，邊緣光束均經過折光單元稜鏡組218（218a-218d）後與中間光束一起，經過中繼透鏡組219後，被線陣CCD220所接收，線陣CCD220經過信息光電轉換獲得與之相關的物體表面的高度信息和傾斜信息，由調焦控制器221送至運算單元222後，控制工件台223，從而對被測矽片209的高度和傾斜進行相應的調整。

圖4所示為反射鏡折光單元局部圖。如圖所示，所述折光單元包括折光單元反射鏡組215、折光單元透鏡組216、平行平板217、折光單元稜鏡組218；光束經過折光單元反射鏡組215分別反射後，入射折光單元透鏡組216，其中中間一路光束經過平行平板217，邊緣四路光束均經過折光單元稜鏡組218後與中間光束一起，經過中繼透鏡組219後，被線陣CCD220所接收。

圖5所示為投影狹縫結構示意圖。投影狹縫被傾斜置於雙稜鏡組件204中間，且狹縫上標記位置如圖中A、B、C、D、E所示。

圖6所示為折光單元的作用示意圖。如圖所示，光束經過折光單元前，像面上光斑位置為A′、B′、C′、D′、E′，光斑位置呈空間分布；經過折光單元後，像面上光斑位置為A″、B″、C″、D″、E″，光斑呈直線型排布；最終經過中繼透鏡組219，被線陣CCD220所接收，從而起到了將光斑分布從面視場分布轉換成線視場分布的作用。

圖7所示為線陣CCD上光斑位置示意圖。最終CCD上成像光斑為直線型排布的A"′、B"′、C"′、D"′、E"′。

• 第二實施例

圖8所示為根據《一種調焦調平裝置》第二實施例的一種投影式光刻機調焦調平分系統帶有楔板組折光單元的調焦調平裝置原理圖，用於精確且高效地測量矽片表面位置。如圖所示，所述裝置包括照明光源301、照明鏡組302、投影狹縫303、雙稜鏡組304、投影前組透鏡組305、投影光闌306、投影后組透鏡組307、投影反射鏡308、被測矽片309、探測前組反射鏡310、探測前組透鏡組311、探測光闌312、探測後組透鏡組313、探測後組反射鏡314、平行平板316、折光單元楔板組、中繼透鏡組317、線陣CCD318、調焦控制器319、運算單元320。從照明光源301發出的光束經過照明鏡組302後投射到投影狹縫303上，投影狹縫夾在雙稜鏡組304中間，由雙稜鏡組304出射的光束經過投影前組透鏡組305、投影光闌306及投影后組透鏡組307後，被投影反射鏡308反射至被測矽片309上，經被測矽片309反射後到達探測前組反射鏡310，再由探測前組反射鏡310反射至探測前組透鏡組311、探測光闌312及探測後組透鏡組313，後被探測後組反射鏡314反射後至折光單元楔板組後，中間光束經過平行平板316，邊緣光束均經過楔板組後與中間光束一起，經過中繼透鏡組317後，被線陣CCD318所接收，線陣CCD318經過信息光電轉換獲得與之相關的物體表面的高度信息和傾斜信息，由調焦控制器319送至運算單元320後，控制工件台321，從而對被測矽片309的高度和傾斜進行相應的調整。

圖9所示為楔板組折光單元原理圖。如圖所示，所述折光單元包括平行平板316和折光單元楔板組；光束經過探測後組反射鏡314反射後，經過一對特殊的楔板組成像於同一像面上，並由中繼透鏡組317最終成像於線陣CCD318上，其中第一塊楔板315a的下兩路光束所經光路位置的楔板挖去一小孔，用以使得光束經過時不發生偏折，第二塊楔板315b上兩路光束所經光路位置的楔板挖去一小孔，用以使得光束經過時不發生偏折；而中間光束挖去一小孔使得中間光束不發生偏折，並且在中間光路上增加一塊平行平板316用以補償光程差，多路光束經過楔板組折射後，使得光斑在經過楔板組後能在像面上分布方式從面視場排布轉變成線視場排布，並經過中繼透鏡組317後，最終被線陣CCD320所接收。

榮譽表彰

2018年12月20日，《一種調焦調平裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。