一种用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测系统由照明系统、检焦标记投影系统、检焦标记检测放大系统及CCD检测系统组成。在本发明中，通过引入多次反射棱镜，将信号光分为多束，通过检测被检球面反射光信号来同时获得球面的偏心量和离焦量，实现球面曝光表面的焦面检测。
1.一种用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于包括：
照明系统(1)、检焦标记(2)、检焦标记投影成像系统(3)、多次反射棱镜(4)、被检测面(5)、反射镜(6)、检测标记放大系统(7)、光电探测器(8)；照明系统(1)将光源发出的光整形后照亮检焦标记(2)，检焦标记(2)经成像系统(3)后入射到多次反射棱镜(4)上，多次反射棱镜(4)的上表面具有分光特性，多次反射棱镜(4)的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱镜(4)上时，部分光将通过多次反射棱镜(4)上表面反射，部分光将透过多次反射棱镜(4)上表面并由多次反射棱镜(4)下表面反射再经上表面出射，设计多次反射棱镜(4)上下表面的透过率和反射率，则可以使入射光分为两束或两束以上的光，这些光线均由同一光源和同一检测标记发出，具有严格的复制特征；入射光分为两束或两束以上后，分别入射到被检测面(5)上，当被检测面(5)有上下方向的偏移时，入射光由反射镜(6)反射并经检测标记放大系统(7)放大成像后，在光电探测器(8)上的像的位置会产生相应的偏移，通过检测像偏移的大小实现被检测面(5)的离焦量测量；当被检测面(5)是球面时，由多次反射棱镜(4)产生的具有严格复制特征的两束或两束以上的检测光经被检测面(5)反射并由检测标记放大系统(7)放大成像在光电探测器上的多个像的强度分布具有一定的特征，当被检测面(5)的球心位置发生变化时，不仅这些像的位置会发生改变而且强度分布也会产生对应的改变，由此可以检测出被检测面(5)的偏心，即球心位置偏差信息。
2.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：所述照明系统(1)采用宽带或单色光源，包括卤素灯、氙灯、LED。
3.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：所述检焦标记(2)具有明暗形式的便于探测器探测的标记，其中包括：十字叉、直线、光栅、圆点或圆圈。
4.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：多次反射棱镜(4)的上反射表面为分光面，根据实际需要利用反射介质表面的部分反射或者通过镀膜方法使其达到一定的分光比，将入射的探测光分为两束或两束以上的探测光。
5.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：所述多次反射棱镜(4)上反射表面的分光特性是分色分光或中性分光。
6.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：所述的多次反射棱镜(4)经上表面反射的光线与经下表面反射再经上表面折射的光线可以是平行的也可以成一定角度。
7.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：所述被检测面(5)具有镜面反射、漫反射或散射性质的球面或曲面。
8.根据权利要求1所述的用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，其特征在于：所述光电探测器(8)为CCD、CMOS、两象限探测器、四象限探测器或PSD。
一种用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测
装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种球面或曲面的自动偏心及焦面检测系统，是一种通过光学三角测量方法对成像球面或曲面的位置移动(包括偏心和离焦)进行测量的技术。技术背景
[0002] 光刻装置(光刻机)是大规模集成电路生产的重要设备之一。投影光刻机可将掩模板上的图形通过成像曝光装置按一定比例专利到要加工的对象上(如硅片等)，硅片在这里泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等。在曝光过程中，需要使加工对象(如硅片等)的相应表面保持在曝光装置的焦深范围之内。为此，投影光刻机采用了用于测量加工对象(如硅片等)的表面位置信息的调焦调平测量系统(焦面检测系统)。调焦调平测量系统可以和夹持加工对象(如硅片等)的加工台一起使加工对象(如硅片等)的被曝光区域一直处于投影光刻机曝光装置的焦深之内，从而使掩模板上的图形理想地转移到加工对象(如硅片等)上。
[0003] 随着生物、机械、光学等学科对微细加工技术的需求日益增长，传统用于大规模集成电路生产的光刻装置(光刻机)也根据实际需要，在功能上进行了大量的扩展，以适应不同领域的加工需要。如基于步进投影无掩模光刻的高阶像差矫正镜制作设备，其利用无掩模光刻高分辨力的灰度光刻实现灵活高效的人眼高阶像差矫正镜制作，该设备能够根据人眼的个体差异来进行对应的矫正镜制作。但是该矫正镜的曝光面为球面(曲面)，在利用步进投影无掩模光刻的高阶像差矫正镜制作设备进行曝光时，就需要对曲面的进行偏心和焦面检测。
[0004] 目前光刻装置(光刻机)的曝光面均为平面，因此其检焦系统也是基于平面检测设计的，如：基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)、基于狭缝和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US6765647B1)、基于PSD(位置敏感器件)的光电探测方法(中国专利：200610117401)和基于光栅莫尔条纹的广电探测方法(中国专利：200710171968)。而为了在球面(曲面)上进行精确曝光，需要对被曝光的球面(曲面)的偏心和焦面位置进行检测。
发明内容
[0005] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，利用一套光学系统完成在球面或曲面上曝光时对球面或曲面偏心和离焦量检测。
[0006] 本发明的技术解决方案：一种用于投影光刻中球面或曲面的偏心及焦面位置的检测装置，包括：照明系统、检焦标记、检焦标记投影成像系统、多次反射棱镜、被检测面、反射镜、检测标记放大系统、光电探测器；照明系统将光源发出的光整形后照亮检焦标记，检焦标记经成像系统后入射到多次反射棱镜上，多次反射棱镜的上表面具有分光特性，多次反射棱镜的下表面具有反射特性，入射光入射到多次反射棱镜上时，部分光将通过多次反射棱镜上表面反射，部分光将透过多次反射棱镜上表面并由多次反射棱镜下表面反射再经前表面出射，设计多次反射棱镜上下表面的透过率和反射率，则可以使入射光分为两束或两束以上的光，这些光线均由同一光源和同一检测标记发出，具有严格的复制特征；入射光分为两束或两束以上后，分别入射到被检测面上，当被检测面有上下方向的偏移时，入射光由反射镜反射并经检测标记放大系统放大成像后，在光电探测器上的像的位置会产生相应的偏移，通过检测像偏移的大小实现检测面的离焦量测量；当被检测面是球面时，由多次反射棱镜产生的具有严格复制特征的两束或两束以上的检测光经被检测面反射并由检测标记放大系统放大成像在光电探测器上的多个像的强度分布具有一定的特征，当被检测面的球心位置发生变化时，不仅这些像的位置会发生改变而且强度分布也会产生对应的改变，由此可以检测出被检测面的偏心(球心位置偏差)信息。
[0007] 所述照明系统采用宽带或单色光源，包括卤素灯、氙灯、LED。
[0008] 所述检测标记具有明暗形式的便于探测器探测的标记，其中包括：十字叉、直线、光栅、圆点或圆圈。
[0009] 多次反射棱镜的上反射表面为分光面，根据实际需利用反射介质表面的部分反射或者通过镀膜方法使其达到一定的分光比，将入射的探测光分为两束或两束以上的探测光，如当上反射表面反射率为50％，透射率为50％，下反射表面反射率为100％时，可以其可以将光束分为能量分别为50％，25％，12.5％等多束光。
[0010] 所述多次反射棱镜上反射表面的分光特性是分色分光或中性分光。
[0011] 所述的多次反射棱镜经上表面反射的光线与经下表面反射再经上表面折射的光线可以是平行的也可以成一定角度。
[0012] 所述被检面具有镜面反射、漫反射或散射性质的球面或曲面。
[0013] 所述光电探测器为CCD、CMOS、两象限探测器、四象限探测器或PSD。
[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0015] (1)在本发明中，通过引入多次反射棱镜，将信号光分为多束，通过检测被检球面反射光信号来同时获得球面的偏心量和离焦量，实现采用一套光学系统即可以完成对被检面多个点的离焦量检测。
[0016] (2)本发明不仅可以实现对平面的检测，当被检测面是球面时，还可以对被检测面的偏心进行检测。
附图说明
[0017] 图1为在球面(曲面)上制作缩微图形的投影光刻机原理图；图2为本发明的原理图；
[0018] 图3为本发明的多次反射原理图；
[0019] 图4为本发明的检测光路的在被测面的反射光路示意图；
[0020] 图5为本发明探测器8上探测到不同反射角度的反射光示意图。
具体实施方式
[0021] 如图1所示，给出了在球面(曲面)上制作缩微图形的投影光刻机的原理图。掩膜板1a置于光刻投影物镜3a的物面，加工对象5a(球面或曲面)置于载物平台6a上。光刻曝光时，需移动载物平台6a使得加工对象5a(球面或曲面)的曝光面的曲面中心处于投影物镜3a的中心，并且整个曲面处于投影物镜3a的焦面上。为使得在对象5a(球面或曲面)上准确的位置(中心位置)精确的制作出所需图形，需要对加工对象5a与物镜的相对位置(包括偏心和离焦)进行精确的探测和调整，使得加工对象5a(球面或曲面)处的中心与光刻投影物镜3a投影的曝光图形中心对其，且加工对象5a(球面或曲面)位于光刻投影物镜的焦深范围内。为达到这一目的，就需要曲面偏心和焦面检测系统4a对加工对象5a(球面或曲面)上的待曝光区域的位置进行精密检测，并给予载物平台的调焦调平执行系统反馈。
[0022] 图2示出了本发明实施例光学系统。照明系统1将光源发出的光整形后照亮检焦标记2；检焦标记经成像系统3和多次反射棱镜4后成像在被检面5(球面或曲面)上；多次反射棱镜4的上表面具有分光特性，而多次反射棱镜4的下表面具有反射特性，因此入射光经过多次反射棱镜4反射后，将形成多条反射光线，即将检焦标记2形成多个具有复制特性的像，这些像不受检焦标记制作工艺影响其形状和位置关系是严格一致的；检焦标记的像经过被检面5反射(漫反射或散射)后由反射镜6反射并经检焦标记放大系统7放大成像到检测CCD 8(或CMOS、两象限探测器、四象限探测器、PSD等)上，检测CCD8得到的光信号将转换为电信号，由相应的电路系统将检测信号读出。
[0023] 如图3所示，当光入射到多次反射棱镜4以后，部分光通过棱镜前表面反射，部分光透过棱镜前表面并由棱镜后表面反射再经前表面出射。若合理设计多次反射棱镜前后表面的透过率和反射率，则可以使入射光分为两束或两束以上的光，如当其上反射表面反射率为50％，透射率为50％，下反射表面反射率为100％时，可以其可以将光束分为能量分别为50％，25％，12.5％等多束光。这些光线均由同一光源和同一检测标记发出，具有严格的复制特征。
[0024] 如图4所示，探测光分为两束或两束以上后，分别入射到被检测面5(球面或曲面)上。当被检测面5有上下方向的偏移时，检测光通过检测标记放大系统7放大成像后，其在检测CCD 8上的像的位置会产生相应的偏移，通过检测像偏移的大小从而可以实现检测面5(球面或曲面)的离焦量测量。
[0025] 由于被检测面5为曲面，因此由被测面反射的光因入射位置不同而有不同的反射角。受到检测标记放大系统7孔径的限制，有着不同反射角的探测光最终照射在检测CCD 8上的光强也将不同；如图4、图5所示，入射光1°、2°、3°分别经过反射、成像后在CCD上得到的图像分别为1”、2”、3”，由于反射光1’、2’、3’的反射角不同，受测标记放大系统7孔径的影响，1”、2”、3”的光强将不相同。当被检测面5(球面或曲面)左右平移或倾斜(偏心)后，反射光1’、2’、3’的反射角度会产生变化，从而影响1”、2”、3”的光强分布，通过检测1”、2”、3”的光强分布情况，即可实现被检测面5的偏心测量。
[0026] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0027] 上述附图和具体实施方式仅为本发明的特殊实施例，在不背离本发明的发明精神和权利要求书所界定的发明范围前提下，本发明可以有各种增补、修改和替代。因此，上述实施例系用于说明例证本发明而非限制本发明的范围，本发明的范围有权利要求及其合法同等物来界定，而不限于此前之描述。权利要求书旨在涵盖所有此类同等物。
