一種光束傳輸裝置及方法

專利名稱：一種光束傳輸裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種光刻曝光系統，且特別涉及光刻曝光系統中的一種光束傳 輸裝置及方法。
背景技術：
光刻曝光系統通常包括提供輻射光束的光源，光束傳輸系統，基礎照明系 統、含有電路圖的掩模版、投影系統、和用于涂覆了光刻膠的硅片和硅片對準 臺。光束傳輸系統包括將光束從光束轉向和傳輸進入基礎照明系統的傳輸裝置， 用于將從光源發出的光束以正確的角度和位置入射在基礎照明系統上，基礎照 明系統照射掩模版電路圖，投影系統把掩模版電路圖照明區域的像投射到晶片 上。
如圖1所示，光束傳輸系統從激光器101中出射光束進入擴束器102，之后 通過第一反射鏡103和第二反射鏡104的反射進入光束測量單元105,從光束測 量單元105出來后進入基礎照明系統106,光刻曝光時要求照明系統有非常好的 穩定性(遠心、均勻性)，這些由基礎照明系統來實現，基礎照明系統通常包括 衍射光學元件用來產生各種照明光瞳形貌，變焦透鏡組實現可調的照明相干因 子，勻光器件以使照明視場均勻照明，光束最后通過J^出照明系統106內的反 射鏡入射到掩膜107上，將掩膜107上的幾何圖案轉印到硅片108面上。然而 由于激光器直接出射的光束隨時間會有一定的角度和位置漂移，因此需要實時 監視并校正光束的漂移。
中國專利CN15 4 2 5 5 2 A提供了 一種應用于光刻曝光系統的光束傳輸系統，結 構如圖2所示，該結構可以對光束的角度和位置進行調節，具體是通過可平動的 反射鏡11以及可旋轉平動的反射鏡12來完成，可平動反射鏡11通過平動來改 變光束的位置，反射鏡12既可以旋轉又可以平動，這樣12可以改變光束的角 度，并且補償由于改變角度造成的光束位置偏移。雖然這種傳輸系統可以對光束的角度和位置進行調節，但是這種調節是在光束傳輸之間就設定好的，并非 實時的進行調節，在光束傳輸的過程中，即使照明系統的遠心和均勻性指標達 不到要求，這種系統也不能及時的發現做修正。

發明內容
為了克服已有技術中傳輸裝置調節光束的角度和位置的滯后的問題，本發 明提供一種能夠實時的調節光束的角度和位置的裝置及方法。
為了實現上述目的，本發明提出一種光束傳輸裝置，用于將激光器出射的 光束傳輸到基礎照明系統，在所述光束的光路上，放置光束控制單元，在所述 光束的光路上，放置有一分束器，所述光束經過所述分束器后被分成第一光束 和第二光束，所述第一光束的光路上設置一光束出口，所述第二光束的光路上 設置光束測量單元，所述光束控制單元和所述光束測量單元都和一控制器相連。
可選的，所述光束控制單元包括第一可控反射鏡和第二可控反射鏡，所述 光束依次通過第一可控反射鏡和第二可控反射鏡。
可選的，所述第 一可控反射鏡和所述第二可控反射鏡都和所述控制器相連。
可選的，所述光束測量單元包括光束位置測量^t塊和光束指向測量模塊。
可選的，所述光束位置測量模塊包括第一光語轉換晶體、多個中繼透鏡和 光束位置探測器，光束依次經過第一光謙轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束 位置探測器上。
可選的，所述光束位置探測器和所述控制器相連。
可選的，所述光束位置測量模塊包括第 一光i昝轉換晶體和光束位置探測器， 光束透過第 一光譜轉換晶體投射到光束位置探測器上。
可選的，所述第一光鐠轉換晶體直接附在所述光束位置探測器上。
可選的，所述光束指向測量模塊包括第二光語轉換晶體、多個中繼透鏡和 光束角度探測器，光束依次經過第一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束 位置探測器上。
可選的，所述光束指向探測器和所述控制器相連。
可選的，所述光束指向測量模塊包括第二光鐠轉換晶體和光束指向探測器。 可選的，所述第二光鐠轉換晶體直接附在所述光束指向探測器上。
為了實現上述目的，本發明還提出一種光束傳輸方法，包括以下步驟步驟S1:使用激光器，提供照射用的光束；步驟S2:所述光束入射擴束器；步驟 S3:所述光束入射光束控制單元；步驟S4:所述光束入射分束器，所述光束#1 分成第一光束和第二光束；步驟S5:所述第一光束通過光束出口進入基礎照明 系統，所述第二光束進入光束測量單元；步驟S6:所述光束測量單元測量光束 的位置和指向信息，并將所述信息輸入控制器；步驟S7:所述控制器根據獲得 的光束位置和指向信息，根據閉環收斂控制算法，計算光束控制單元所需的調 節量；步驟S8:控制器控制光束控制單元。
可選的，所述光束控制單元包括第一可控反射鏡和第二可控反射鏡，所述 光束依次通過第一可控反射鏡和第二可控反射鏡。
可選的，所述第一可控反射鏡和所述第二可控反射鏡都和所述控制器相連。 可選的，所述光束測量單元包括光束位置測量模塊和光束指向測量模塊。 可選的，所述光束位置測量^t塊包括第一光語轉換晶體、多個中繼透鏡和 光束位置探測器，光束依次經過第一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束 位置探測器上。
可選的，所述光束位置探測器和所述控制器相連。
可選的，所述光束位置測量模塊包括第一光諳轉換晶體和光束位置探測器， 光束透過第 一光譜轉換晶體投射到光束位置4冢測器上。
可選的，所述第一光語轉換晶體直接附在所述光束位置探測器上。
可選的，所述光束指向測量模塊包括第二光語轉換晶體、多個中繼透鏡和 光束角度探測器，光束依次經過第一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束 位置探測器上。
可選的，所述光束指向探測器和所述控制器相連。
可選的，所述光束指向測量模塊包括第二光語轉換晶體和光束指向探測器。 可選的，所述第二光譜轉換晶體直接附在所述光束指向探測器上。 本發明所述的一種光束傳輸裝置及方法的有益效果主要表現在使用控制 器實時控制光束位置測量模塊和光束角度測量模塊，可以實時的得出測量結果， 由于控制器還控制這第一可控反射鏡和第二可控反射鏡的轉向，因此可以根據 測量結果實時的調整光束的位置和角度，保證了照明系統具有穩定的遠心和均 勻性。


圖1為現有技術的光刻曝光系統結構示意圖2為現有技術的激光光束控制系統機構示意圖3為本發明光束傳輸裝置的結構示意圖4為光束控制單元對光束位置和角度的控制原理圖5為光束位置測量原理圖6為光束指向測量原理圖7為光束測量單元對光束控制單元的控制算法流程圖8為本發明第二實施例的原理圖9為本發明第二實施例的光束位置測量原理圖IO為本發明第二實施例的光束角度測量原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明作進一步的描述。
圖3是本實施例光束傳輸系統的總體結構圖，包括激光器l,擴束器2， 第一可控反射鏡31和第二可控反射鏡32，屬于光束控制單元、41和42為分束 器，用于將光束取樣和分束；501、 502、 503是聚焦透鏡，是光束指向測量光路； 601和602是YAG:Ce晶體，將紫外的193mn波長轉化為可見光；701、 702、 703 和704是光束位置測量光路；801、 802、 803和804是中繼透鏡；901和902分 別為對光束位置和角度進行測量的傳感器；10為控制器；111是衍射光學元件 (DOE)，為光束的出口。
由激光光源1發出的光束經過擴束器2擴束后入射在光束控制單元上，光 束控制單元包括可控反射鏡31和32,可控反射鏡由高精密的步進電機控制，步 進電機可以調節反射鏡在兩個軸向的運動，既起到光束引導的作用，又可以控 制光束的指向和位置。
下面說明可控反射鏡31和32聯合進行調節后，實現光束調節的過程。
如圖4所示，設可控反射鏡BSM1和BSM2關于光束的角度變化量分別為 和A"2,光束入射在衍射光學元件111上的角度變化為Aa,位置變化為AX, 第一可控反射鏡31和第二可控反射鏡32的角度變化量決定了出射光束的變化。光束位置和角度的變化量與第一可控反射鏡31和第二可控反射鏡32角度變化 量的關系為(這里忽略轉動軸和入射光束位置存在位移造成的偏差)
AX-2Acdx(丄l +丄2) — 2Aa2x丄2 (lb)
上式中Aal、 A"2、 Aa都是矢量，按照圖4中的順時針方向約定為正向。
由公式(la)和(lb)可以計算出
Acd^〔Ar — Aor承丄2)/2丄l ( 2a )
Aa2二Aa卜AQr/2 ( 2b )
即當光束測量單元測出Aa和AX后，根據公式(2a)和(2b)式可計算得 到反射鏡的調節量，進而對光束實現調節。
光束測量單元包括光束位置測量和光束指向測量。測量的傳感器為傳感器 PSD (Position Sensing Device),需要指出的是，PSD傳感器是一種位置探測 元件，它可以探測光斑的位置信息，并將位置信息轉換為電壓信號。但是，光 刻曝光系統的波長通常為紫外光，193nm或248ntn,在這種情況下，傳感器并不 能直接探測193nm波長的光束，需要將紫外光轉換為可見光再進行探測。為此， 需要將光譜進行轉換，再用傳感器進行探測。目前，紫外光轉換為可見光的常 見晶體為YAG:Ce，該晶體將193咖的紫外光轉換為520nm的可見光，這樣，傳 感器就可以探測光斑位置。
光束位置測量原理如圖5所示，光束經過分束器41和42取樣后，入射在 YAG晶體601上，YAG晶體激發熒光散射可見光，YAG晶體后有一光束位置測量 光路，為雙遠心的光學系統，同時，將光斑縮小一定的比例。YAG放在物面上， 傳感器放在像面上，這樣傳感器上探測的光斑就是YAG的光斑。將光斑進行壓 縮的目的是因為傳感器的尺寸有限。々ii殳光束位置偏移hl，光束位置測量光路 的壓縮比為f,則在傳感器上所探測的偏移量為hl xf。測量到傳感器上的光束
偏移量就可以計算實際光束的偏移量。
光束指向測量原理如圖6所示，YAG放置在光束指向測量光路的焦面上，對 于一般的光學系統，若焦距為/,則其理想像高為 =/仏1^。本發明中，為了 使PSD上所探測的位置Ay與光束偏角0成線性關系，將光路設計成線性成像系 統/,H竟頭。為此，故意使聚焦鏡頭產生一定的負畸變，從而實現線性成像的目的。隨著光束角度的增大，實際像高應比理想像高小，對應的畸變量為 & = /(0-tan。，具有上述畸變量的透鏡系統，其像高為Ay-y^，即探測器探 測的位置信息和像高成線性關系。另外，位置測量光路設計成像方遠心光路， 這樣，像方主光線與光軸平行，如果YAG晶體不是嚴格的放置在/W鏡頭的焦 面上，也不影響探測的準確性，降低了光學系統的裝調要求，YAG后有一雙遠心 的中繼透鏡，YAG面和PSD面共軛，這樣，根據PSD測量的位置 和透鏡焦距/ 就可以測得光束的指向。
圖3中的PSD (Position Sensing Device) 901和902分別測量到光束的位— 置和指向信息后，將測量信號反饋到控制器板卡，控制器根據控制算法計算出 兩個可控反射鏡需要的調整量，然后將控制信號發送給反射鏡BSM1和BSM2，精 確的閉環控制反射鏡的轉動，從而實現穩定光束位置和指向的作用。實際調節 是個循環收斂的過程光束測量單元測出Aa和Ajc后，計算BSM1和BSM2的調 節量Aal和Aa2并執行調節；然后重復測量Aa和Ax，若沒有調整到位，則再 次計算調節量A"l和Aa2并執行調節；這樣反復循環，直至調節到所需的精度 范圍，整個調節過程是收斂的，如圖7所示，圖7中，當光束測量單元測出的Aa 和AX小于容差時，退出循環，系統認為此時BSM1和BSM2已經穩定了光束。這 時，最后的殘余Aa和AX可以認為是光束穩定系統的控制精度。
本發明的第二實施例直接在PSD表面附著一層YAG: Ce晶體，在YAG: Ce和 PSD之間可有一小的間隙。193nm的紫外光入射在YAG: Ce上，YAG: Ce晶體受到 紫外光的照射，產生散射光，由于YAG:Ce晶體是一種光譜轉換晶體，可以將紫 外光轉換為可見光，這樣，PSD就可以探測光斑的位置，其原理如圖8所示。
本實施例不需要中繼透鏡，簡化了光路設計，另外提高了光能利用率。
本實施例光束位置測量原理如圖9所示，光束位置測量光路實際為一無焦 系統，將入射平行光進行了壓縮，壓縮的目的是利用PSD探測，因為PSD的尺 寸有限。假設光束位置偏移hl，光束位置測量模塊的壓縮比為fl/f2，則在PSD 上所探測的偏移量為hl x f2/fl。測量到PSD上的光束偏移量就可以計算實際光 束的偏移量。需要指出的是，PSD放置在光學系統的出瞳面上，這樣光束指向對 光束位置的測量不會有影響。
光束指向測量原理如圖10所示，PSD直接放置在光學焦面上，光學鏡頭設計為像方遠心的/"鏡頭，假設入射光束具有偏角(9,則光束的焦點在PSD平面 上的位置為卸=/"。這樣，0 = //。根據PSD測量的位置z^和透鏡焦距/ 就可以測得光束的指向。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明 所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各 種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1. 一種光束傳輸裝置，用于將激光器出射的光束傳輸到基礎照明系統，在所述光束的光路上，放置光束控制單元，其特征在于在所述光束的光路上，放置有一分束器，所述光束經過所述分束器后被分成第一光束和第二光束，所述第一光束的光路上設置一光束出口，所述第二光束的光路上設置光束測量單元，所述光束控制單元和所述光束測量單元都和一控制器相連。
2. 根據權利要求1所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束控制單元 包括第 一可控反射鏡和第二可控反射鏡，所述光束依次通過第 一可控反射鏡和 第二可控反射鏡。
3. 根據權利要求2所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述第一可控反射鏡和所述第二可控反射^:都和所述控制器相連。
4. 才艮據權利要求l所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束測量單元 包括光束位置測量才莫塊和光束指向測量模塊。
5. 根據權利要求4所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束位置測量 模塊包括第一光譜轉換晶體、多個中繼透鏡和光束位置探測器，光束依次經過 第 一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束位置探測器上。
6. 根據權利要求5所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束位置探測 器和所述控制器相連。 "
7. 根據權利要求4所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束位置測量 模塊包括第 一光譜轉換晶體和光束位置探測器，光束透過第 一光語轉換晶體投 射到光束位置探測器上。
8. 根據權利要求7所述一種光束傳輸裝置,其特征在于所述第一光語轉換 晶體直接附在所述光束位置探測器上。
9. 根據權利要求4所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束指向測量 模塊包括第二光譜轉換晶體、多個中繼透鏡和光束角度探測器，光束依次經過第 一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束位置#:測器上。
10. 根據權利要求9所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束指向探 測器和所述控制器相連。
11. 根據權利要求4所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述光束指向測量模塊包括第二光鐠轉換晶體和光束指向探測器。
12. 根據權利要求ll所述一種光束傳輸裝置，其特征在于所述第二光鐠轉 換晶體直接附在所述光束指向探測器上。
13. —種光束傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟S1:使用激光器，提供照射用的光束； 步驟S2:所述光束入射擴束器；步驟S3:所述光束入射光束控制單元；步驟S4:所述光束入射分束器，所述光束被分成第一光束和第二光束； 步驟S5:所述第一光束通過光束出口進入基礎照明系統，所述第二光束進 入光束測量單元；步驟S6:所述光束測量單元測量光束的位置和指向信息，并將所述信息輸 入控制器；步驟S7:所述控制器根據獲得的光束位置和指向信息，根據閉環收斂控制 算法，計算光束控制單元所需的調節量； 步驟S8:控制器控制光束控制單元。
14. 根據權利要求13所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束控制單元包括第一可控反射鏡和第二可控反射鏡，所述光束依次通過第一可控反射鏡 和第二可控反射鏡。
15. 根據權利要求14所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述第一可控反 射鏡和所述第二可控反射鏡都和所述控制器相連。
16. 根據權利要求13所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束測量單 元包括光束位置測量才莫塊和光束指向測量^t塊。
17. 根據權利要求16所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束位置測 量模塊包括第一光語轉換晶體、多個中繼透鏡和光束位置探測器，光束依次經 過第 一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束位置探測器上。
18. 根據權利要求17所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束位置探 測器和所述控制器相連。
19. 根據權利要求16所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束位置測 量模塊包括第 一光語轉換晶體和光束位置探測器，光束透過第 一光語轉換晶體投射到光束位置探測器上。
20. 根據權利要求19所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述第一光鐠轉 換晶體直接附在所述光束位置探測器上。
21. 根據權利要求16所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束指向測 量模塊包括第二光譜轉換晶體、多個中繼透鏡和光束角度探測器，光束依次經 過第 一光譜轉換晶體、中繼透鏡之后投射到光束位置探測器上。
22. 根據權利要求21所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束指向探 測器和所述控制器相連。
23. 根據權利要求16所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述光束指向測 量模塊包括第二光諳轉換晶體和光束指向探測器。
24. 根據權利要求"所述一種光束傳輸方法，其特征在于所述第二光譜轉 換晶體直接附在所述光束指向探測器上。
全文摘要
本發明提出一種光束傳輸裝置，用于將激光器出射的光束傳輸到基礎照明系統，在所述光束的光路上，放置光束控制單元，在所述光束的光路上，放置有一分束器，所述光束經過所述分束器后被分成第一光束和第二光束，所述第一光束的光路上設置一光束出口，所述第二光束的光路上設置光束測量單元，所述光束控制單元和所述光束測量單元都和一控制器相連，本發明能夠實時測量光束的位置和角度，并根據測量結果及時調節光束的位置和角度，確保了照明系統遠心和均勻性的穩定性。
文檔編號G03F7/20GK101487983SQ20091004630
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月18日 優先權日2009年2月18日
發明者曹昇煒, 勇 郭 申請人:上海微電子裝備有限公司