一种基于相位检测的工件高度测量方法.pdf

一种基于相位检测的工件高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：使用包括光电转换器件、探测镜组、投影镜组、狭缝、照明镜组和光源的测量装置，从光源发出的光线依次通过照明镜组和狭缝后被分为多束光线，该多束光线通过投影镜组后以一定的角度斜入射到位于工件台的工件上，形成多个投影光斑，工件将光线反射后形成多束反射光线，该多束反射光线通过探测镜组后，在光电转换器件上形成多个光斑，并获取多个光斑的图像信号；对采集的图像做傅里叶变换；提取出相位的频率为Fm的相位值P；根据相位值P，对标定数据库进行计算并求出离焦量H。

权利要求书
1.  一种基于相位检测的工件高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用包括光电转换器件、探测镜组、投影镜组、狭缝、照明镜组和光源的测量装置，从光源发出的光线依次通过照明镜组和狭缝后被分为多束光线，该多束光线通过投影镜组后以一定的角度斜入射到位于工件台的工件上，形成多个投影光斑，工件将光线反射后形成多束反射光线，该多束反射光线通过探测镜组后，在光电转换器件上形成多个光斑，并获取多个光斑的图像信号；
对采集的图像做傅里叶变换；
提取出相位的频率为Fm的相位值P；
根据相位值P，对标定数据库进行计算并求出离焦量H。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，提取所述频率Fm包括以下步骤：
在工件台零位时，获取此时光电转换器件中的图像；
计算相邻子光斑之间的距离；
根据相邻子光斑之间的距离，计算理论的空间频率Fn；
对所获取的图像做傅里叶变换，提取出幅值与频率之间的关系，然后在Fn附近寻找幅值最大时的频率Fm，频率Fm即为所要提取的相位的频率。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中，还包括标定相位与离焦量之间的线性关系，并生成数据库的步骤：
根据设计值，将工件台移动到负离焦极限位置；
步进工件台，用光电转换器件采集图像，对采集的图像做傅里叶变换，提取出频率为Fm的相位值Pi，并记下此时工件台的位置Hi；
工件台步进完后，选取 Pi和Hi之间的线性部分，保存为标定数据库，并确定实际测量范围，即数据库中Hi的上下限。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述光电转换器件为线阵CCD。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中，求得离焦量H的计算为线性插值计算。

说明书一种基于相位检测的工件高度测量方法
技术领域
本发明涉及光刻领域，尤其涉及用于在投影光刻机中基于相位检测的工件高度测量方法。
背景技术
投影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。美国专利US4558949中记载了一种调焦调平检测装置，其系统原理如图1所示。其中，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进行分析处理，实现硅片表面(104)离焦量的探测。
然而，通常情况下，由于单个光斑中的光强分布并不均匀，将会使最终输出的动态电压信号发生畸变，此时对硅片表面(104)离焦量的探测将会出现较大的误差，进而导致无法精确的计算出离焦量和倾斜量。图2为有工艺(单光斑内光强分布不均匀)与无工艺(单光斑内光强分布均匀)的情况下,采用该技术方案，解调量与离焦量之间的关系图，由图中可以明显看出单光斑内的光强分布不均匀对离焦量的探测影响很大。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出了一种基于相位检测的工件高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：使用包括光电转换器件、探测镜组、投影镜组、狭缝、照明镜组和光源的测量装置，从光源发出的光线依次通过照明镜组和狭缝后被分为多束光线，该多束光线通过投影镜组后以一定的角度斜入射到位于工件台的工件上，形成多个投影光斑，工件将光线反射后形成多束反射光线，该多束反射光线通过探测镜组后，在光电转换器件上形成多个光斑，并获取多个光斑的图像信号；对采集的图像做傅里叶变换；提取出相位的频率为Fm的相位值P；根据相位值P，对标定数据库进行计算并求出离焦量H。
其中，提取所述频率Fm包括以下步骤：在工件台零位时，获取此时光电转换器件中的图像；计算相邻子光斑之间的距离；根据相邻子光斑之间的距离，计算理论的空间频率Fn；对所获取的图像做傅里叶变换，提取出幅值与频率之间的关系，然后在Fn附近寻找幅值最大时的频率Fm，频率Fm即为所要提取的相位的频率。
其中，还包括标定相位与离焦量之间的线性关系，并生成数据库的步骤：根据设计值，将工件台移动到负离焦极限位置；步进工件台，用光电转换器件采集图像，对采集的图像做傅里叶变换，提取出频率为Fm的相位值Pi，并记下此时工件台的位置Hi；工件台步进完后，选取 Pi和Hi之间的线性部分，保存为标定数据库，并确定实际测量范围，即数据库中Hi的上下限。
其中，所述光电转换器件为线阵CCD。求得离焦量H的计算为线性插值计算。
本发明提出的工件高度探测方法，主要利用了相邻子光斑之间空间频率成分的相位，与离焦量之间的线性关系。通过预先标定好离焦量与相位的数据库，在正式测量时，根据实时测得的相位，对标定好的数据库进行线性插值计算，进而求出离焦量。通过相位探测，避免了因被测物反射率分布不均匀导致的测量误差，有效地提高离焦量测量的精确度，具有良好的工艺适应性，并且易于工程实现。且在其中使用的都是成熟的工程方法，易于在不同的机型上实现。
特别注明，除了后步骤需要用到前步骤确定的结果外，各步骤间不分先后顺序。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1所示为美国专利US4558949中所记载的调焦调平检测装置的结构示意图；
图2所示为利用图1所示的装置，对有、无工艺情况下，离焦量与探测量之间的关系图；
图3所示为本发明的方法中所利用的测量装置的结构示意图；
图4所示为投影面上的光斑位置的示意图；
图5所示为工件零位时，CCD所采集的图像的灰度值图；
图6所示为对图4中的图像做傅里叶变换后的，幅值-频率关系图；
图7所示为线阵CCD上光斑位置变化与玻璃基板离焦量的几何关系图；
图8所示为离焦量与频率Fm的相位关系图；
图9所示为寻找空间频率Fm的流程图；
图10所示为标定相位与离焦量关系的流程图。
图11所示为实际测量的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
根据本发明的工件高度测量方法所使用的测量装置的结构如图3所示，该装置包括线阵CCD1、探测镜组2、掩模台3、反射镜组4、工件台5、投影物镜6、投影镜组7、狭缝8、照明镜组9和光源10。掩模台3上设置有具有掩模图案的掩模，通过投影物镜6将掩模3上的图案投影到设置于工件台5上的工件的上表面上，该工件可为硅片或玻璃基板。
该装置的工作原理为：从光源10发出的光线，依次通过照明镜组9和狭缝8后，被分为若干束光线，该若干束光线通过投影镜组7后将以一定的角度倾斜入射到位于工件台5的工件上，形成投影光斑。工件将光线反射后，形成反射光线。反射光线通过反射镜组4后，通过探测镜组2，射入线阵CCD1中。线阵CCD1能对工件上光斑图像进行成像。
图4所示为投影面上的光斑位置的示意图，其中该投影面是与FLS（调焦调平系统）主光轴垂直的投影狭缝所处的平面，Y轴为FLS的测量方向， X轴为FLS的非测量方向。一组测量光斑由三个子测量光斑(子光斑u、子光斑c和子光斑d)组成，其测量方向的宽度为LP，非测量方向的长度为SP，子测量光斑的中心均位于Y轴上，相邻子测量光斑的中心之间的距离为DP。
图5所示为在工件台零位时，光斑在线阵CCD上所成像的灰度值，其中纵坐标为图像的灰度值，横坐标为线阵CCD上的像素点，从左到右依次为低像素点至高像素点，由图上可以看出相邻子光斑之间距离DP=256个像素点，又由于一幅图像的像素点个数为2048个，则相邻子光斑的理论空间频率为Fn = 2048/DP=4HZ。
图6所示为在工件台零位时，对此时CCD所获取的图像做傅里叶变换，其中纵坐标为能量值，横坐标为空间频率，在Fn附近寻找能量最大值对应的Fm，此时Fm=Fn=4HZ。
图7所示为线阵CCD中光斑位置的变化Hccd与工件位置之间的关系，可以通过几何关系表示为：
                            （1）
上式表征了工件的离焦量Z与线阵CCD所探测到的光斑位置变化Hccd之间的关系，其中为投影光路的入射角，和分别为反射镜组和探测镜组的放大倍率，其值固定不变。当取入射角为75o，探测镜头和反射镜组的放大倍数为7时，可视为工件离焦量探测的放大倍数为13.523，即1个像素点对应的离焦量为73.95nm。图8所示为工件表面离焦量与相位之间的线性关系，其中纵坐标为相位值，横坐标为离焦量，相邻子光斑之间的距离决定了离焦量的测量范围。
如图9所示，本发明中的寻找所要提取相位的频率包括以下步骤：
步骤1，在工件台零位时，获取此时线阵CCD中的图像；
步骤2，根据相邻子光斑之间的距离，计算理论的空间频率Fn；
步骤3，对该CCD所获取的图像做傅里叶变换，提取出幅值与频率之间的关系，然后在Fn附近寻找幅值最大时的频率Fm，Fm即为所要提取的相位的频率。
如图10所示，本发明中的标定相位与离焦量之间的关系包括以下步骤：
步骤1，根据设计值，将工件台移动到负离焦极限位置；
步骤2，步进移动工件台，用CCD采集图像，对采集的图像做傅里叶变换，提取出频率为Fm的相位值Pi，并记下此时工件台的位置Hi；
步骤3，工件台步进完后，选取 Pi和Hi之间的线性部分，保存为标定数据库，并确定实际测量范围(即数据库中Hi的上下限)。
如图11所示，本发明中的实际测量时包括以下步骤：
步骤1，CCD采集图像；
步骤2，对采集的图像做傅里叶变换，提取出频率为Fm的相位值P；
步骤3，根据P，对标定数据库进行线性插值，求出离焦量H。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。