基于倾斜狭缝的自动对焦方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于对焦的装置和方法，该装置包括：照明单元，其包括光源(101)、照明透镜(102)与照明狭缝(103)，用于提供入射光；分束单元，用于对其所接收到的光进行分束；物镜(107)，用于在待测物体(109)的表面上对所述照明狭缝(103)进行成像，并且将所述照明狭缝(103)的成像反射至所述分束单元；探测单元，其包括探测狭缝(113)和探测器(114)，用于接收来自所述分束单元的所述照明狭缝(103)的成像并记录与所述待测物体(109)的表面相关的共焦信号，其中，所述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)分别相对于各自的光轴以相同的倾斜角倾斜设置，并且相对于物镜(107)处于共焦位置。

Automatic focusing method and system based on inclined slit

The invention discloses a device and a method for focusing, the device comprises a lighting unit, which comprises a light source (101), (102) and lighting lighting lens slit (103), for the incident light beam; unit for the received light splitting lens (107); for, in the object to be measured (109) on the surface of the lighting slit (103) imaging, and the lighting slit (103) imaging reflected to the beam unit; detection unit, which comprises a detecting slit (113) and a detector (114), for receiving the light slit from the splitting unit (103) imaging and recording with the objects to be measured (109) surface related confocal signal which the detection slits (113) and the lighting slit (103) were compared with its optical axis with the same tilt angle inclined set, and relative to the objective lens (10 7) in a confocal position.

【技术实现步骤摘要】
基于倾斜狭缝的自动对焦方法和系统
本专利技术属于半导体测量领域，尤其涉及在表面有图案晶圆检测设备的自动对焦方法和系统。
技术介绍
在集成电路芯片制造过程中，产品成品率是衡量芯片制造工艺的重要指标。随着集成电路关键尺寸不断缩小和图形密度不断增加，其工艺控制难度也随之加大，以前可以被忽略的缺陷现在可能导致器件不能正常工作，成为影响成品率的致命缺陷。同时，新的三维器件结构，如FinFET，和新的半导体材料(例如铜互连、低k和高k电介质材料以及金属栅电极)被广泛使用，带来新的电性能缺陷问题；新的工艺流程，例如浸入式光刻带来了新的缺陷类型，包括微粒、气泡、水印或桥连(bridge)；CMP平坦化带来新的缺陷等，缺陷的存在可能导致器件不能正常工作，成为影响成品率的重要因素。为了改善工艺，提高生产成品率，对缺陷进行检测和分析评估是工艺控制中的一项必要和重要的工作。检测设备中最常用的是光学显微成像设备，它是通过记录带图案晶圆表面的图像数据，来分析识别待测器件经过一系列工艺制造过程后与原始设计指标的差异，比如关键尺寸，有无缺陷及其分布位置。带图案晶圆表面图案结构通常是周期性的，包括很多重复排列的矩形单元，即工作单元，工作单元被水平和垂直的刻线边界包围，内部形成所需的半导体集成电路图案。晶圆表面直径通常很大(200或300mm)，而通常光学显微的视场小于1mm。因此要对整个晶圆表面进行显微成像，必须采用分段扫描再重组的方式。由于目前先进集成电路的关键尺寸已进入数十纳米范围，所以必须使用高分辨率(高倍率高数值孔径(NA))的物镜，但其焦深很短，一般只有200-300nm。在检测扫描过程中，必须一直确保被观察区域表面位于物镜的焦平面或其焦深范围内，才能获得清晰的图像数据，离焦会导致图像模糊。引起离焦的因素很多，例如，晶圆表面的不平，或整体的倾斜，尤其是晶圆固定在真空吸盘上时，真空吸力会引起晶圆表面形变，其表面凹陷深度可达几十微米，远大于焦深长度。因此，在扫描过程中，自动对焦技术是必不可少的。它是晶圆检测领域中的一个关键技术。要实现自动对焦，必须首先检测出离焦状况，然后控制运动机构执行离焦补偿操作。因此，自动对焦技术的核心是离焦检测方法。离焦是有方向性的，正离焦或负离焦，即，目标是靠近物镜还是远离物镜。因此，自动对焦技术所采用的离焦检测方法必须能同时检测出离焦量的大小和方向，而用于晶圆检测设备中的自动对焦技术，还必须能够克服晶圆表面集成电路图案和材料反射率差异的影响。为了实现晶圆检测时的自动对焦，一般可以采用如下自动对焦技术：(1)专利US4639587公开了，采用左右离轴放置的两路光源交替照明一个投影光栅，并用另一相同光栅作为探测光栅，用一个探测器交替接收左右两路光束透过探测光栅的总光强信号，通过分析这两路信号之差来获取离焦信息，然后据此执行离焦补偿以实现对焦。由于两路不是同时探测，为消除光源瞬间波动对两路探测结果的不同影响，增加了光源分束支路以对光源波动进行实时的探测。该方法无论在结构上还是在控制上实现起来都很复杂。(2)专利US7961763B2公开了，采用倾斜于光轴的线状光源进行投影，将其反射像分成两路，分别用两个探测面垂直于光轴的线阵探测器接收，两探测器分别位于像平面前后对称位置以形成差动结构，通过分析两路信号之差来获取离焦信息，并据此实现对焦。当实现该方法时，需要两套接收光路和探测系统，其硬件成本很高。(3)专利US7142315公开了，针对多膜层结构表面的检测，利用倾斜狭缝共焦光路的对焦方法，该方法使用了两个倾斜狭缝，分别作为照明狭缝和探测狭缝，两者位于与物镜的焦平面呈共焦的位置。该方法的基本要点是：第一，晶圆表面上不同深度的膜层对应于倾斜狭缝像上的不同像素点；第二，通过分析狭缝共焦像中各峰值像素点的位置来获取各膜层之间的相对深度图。该方法的前提是：整个晶圆表面膜层必须垂直于物镜的光轴。而事实上，由于晶圆的倾斜，尤其是真空吸附所引起的晶圆表面形变，使的该方法的前提在实际中难以成立。另外，狭缝照明的不均匀性和各层图案反射率的差异，尤其是采用激光照明所不可避免的散斑噪声，都会影响狭缝共焦像峰值像素点的位置检测，因此其结果的准确性难以保证。因此，亟需一种不受光源光强波动的影响，不受晶圆上电子器件图案形貌和材料特性差异的影响，而且在光学结构更为简单的对焦方法和系统。
技术实现思路
本专利技术克服上述现有技术的不足，提出一种基于倾斜狭缝共焦光学结构的新的离焦检测和自动对焦方法及相应系统。该系统结构简单，控制方便，成本更低。本专利技术一方面公开了用于对焦的装置，其包括：照明单元，其包括用于提供入射光的非相干光源光源(101)、照明透镜(102)与照明狭缝(103)；分束单元，用于对其所接收到的光进行分束；物镜(107)，用于在待测物体(109)的表面上对所述照明狭缝(103)进行成像，并且将所述照明狭缝(103)的成像反射至所述分束单元；探测单元，其包括探测狭缝(113)和线阵探测器(114)，用于接收来自所述分束单元的所述照明狭缝(103)的像并记录与所述待测物体(109)的表面相关的共焦信号，其中，所述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)分别相对于各自的光轴的垂直平面以相同的倾斜角倾斜设置，并且所述述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)的中心相对于所述物镜(107)的焦点处于光学共轭位置。本专利技术另一方面提出了一种自动对焦方法，其包括：a.对待测物的测量点进行Z轴步进扫描，并通过探测狭缝获取与所述测量点以及照明狭缝相关的共焦信号，其中，所述照明狭缝与所述探测狭缝分别相对于各自光轴的垂直平面以相同的倾斜角倾斜设置；b.基于与所述测量点相关的共焦信号确定与所述测量点相关的离焦函数，并对所述离焦函数的曲线进行线性拟合；c.基于线性拟合后的所述离焦函数对所述待测物进行测量本专利技术为有图案晶圆的检测提供了一种基于倾斜狭缝共焦法的自动对焦方法和系统。该方法采用倾斜狭缝共焦光路结构，使用特定的信号处理算法分析狭缝共焦信号来检测离焦量的大小和方向，再据此实时控制相关运动机构执行离焦补偿，从而实现自动对焦。该自动对焦方法的优点是不受光源光强波动、晶圆图案形貌和材料特性差异的影响，与现有技术相比，该系统实施例所用器件和结构也相对简单，成本更低，因为它只需要一套光路接收和探测系统。附图说明通过参照附图并阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。图1显示了依据本专利技术实施例的基于倾斜狭缝共焦法的自动对焦系统的架构图；图2a是依据本专利技术实施例的离焦检测原理示意图；图2b是依据本专利技术实施例的离焦函数曲线图；以及图3是依据本专利技术实施例的自动对焦流程框图。在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置(模块)或步骤。具体实施方式本专利技术专利提出一种新的离焦检测和自动对焦方法及相应系统。本专利技术专利提出的自动对焦方法，不仅也具有不受光源光强波动的影响，不受晶圆图案形状和反射率差异的影响，而且在光学结构上比专利US4639587和专利US7961763B2更简单。图1显示了本专利技术基于倾斜狭缝共焦法的自动对焦系统的一个实施例。该实施例的硬件构成如下：照明部分由光源101和照明透镜1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对焦的装置，其特征在于，包括：照明单元，其包括用于提供入射光的非相干光源(101)、照明透镜(102)与照明狭缝(103)；分束单元，用于对其所接收到的光进行分束；物镜(107)，用于在待测物体(109)的表面上对所述照明狭缝(103)进行成像，并且将所述照明狭缝(103)的成像反射至所述分束单元；探测单元，其包括探测狭缝(113)和线阵探测器(114)，用于接收来自所述分束单元的所述照明狭缝(103)的像并记录与所述待测物体(109)的表面相关的共焦信号，其中，所述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)分别相对于各自的光轴的垂直平面以相同的倾斜角倾斜设置，并且所述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)的中心相对于所述物镜(107)的焦点处于光学共轭位置。

【技术特征摘要】
1.一种用于对焦的装置，其特征在于，包括：照明单元，其包括用于提供入射光的非相干光源(101)、照明透镜(102)与照明狭缝(103)；分束单元，用于对其所接收到的光进行分束；物镜(107)，用于在待测物体(109)的表面上对所述照明狭缝(103)进行成像，并且将所述照明狭缝(103)的成像反射至所述分束单元；探测单元，其包括探测狭缝(113)和线阵探测器(114)，用于接收来自所述分束单元的所述照明狭缝(103)的像并记录与所述待测物体(109)的表面相关的共焦信号，其中，所述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)分别相对于各自的光轴的垂直平面以相同的倾斜角倾斜设置，并且所述探测狭缝(113)与所述照明狭缝(103)的中心相对于所述物镜(107)的焦点处于光学共轭位置。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分束单元包括：第一分束器(105)；第二分束器(106)，其为二向色分束器并被设置在所述第一分束器与所述物镜(107)之间，以用于透射对焦工作波长并反射测量工作波长，测量工作波长可以包括一组不同波长，从而将该两种波长分离。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：信号处理单元(115)，其用于处理由所述线阵探测单元(114)记录的共焦信号，进而确定离焦量的大小和方向。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明狭缝(103)和所述探测狭缝(113)经物镜(107)在待测表面上的投影与检测扫描方向平行，并且所述照明狭缝(103)和所述探测狭缝(113)相对于所述物镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟向红，唐安伦，徐益平，
申请(专利权)人：睿励科学仪器上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31