一種深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)裝置與方法與流程

本發(fā)明涉及光學(xué)裝調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種深紫外光學(xué)系統(tǒng)的共焦對準(zhǔn)裝置與方法。

背景技術(shù)：

深紫外光學(xué)系統(tǒng)，如半導(dǎo)體微光刻用的投影光學(xué)系統(tǒng)、半導(dǎo)體工業(yè)中所使用的觀察系統(tǒng)、微納結(jié)構(gòu)制造過程中所使用的紫外光學(xué)系統(tǒng)等等，通常具有極小的波像差，如投影光刻物鏡的系統(tǒng)波像差在幾個(gè)納米量級。因此，在深紫外光學(xué)系統(tǒng)加工、集成及工作的各個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行波像差檢測。在基于雙通道夏克‐哈特曼法檢測深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差中，深紫外光學(xué)系統(tǒng)與球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)精度是影響波像差測量結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此，深紫外光學(xué)系統(tǒng)與球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差高精度測量的重要保證。

普通商用菲索干涉儀(如Zygo干涉儀)檢測光學(xué)系統(tǒng)波像差時(shí)，通常采用多自由度手動(dòng)位移臺(tái)并借助輔助工具進(jìn)行共焦對準(zhǔn)調(diào)整，但將該方法應(yīng)用到深紫外光學(xué)系統(tǒng)的共焦對準(zhǔn)中，在調(diào)整上有較大難度。文獻(xiàn)《Confocal position alignment in high precision wavefront error metrology using Shack‐Hartmann wavefront sensor》(Proc.SPIE,2016,9780:97801N)采用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)法進(jìn)行深紫外光刻物鏡和球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)調(diào)整，需要采用多次迭代過程，且殘差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行深紫外光學(xué)系統(tǒng)與球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)調(diào)整。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明公開一種深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)裝置，其特征在于，該裝置包括小孔板(1)、準(zhǔn)直物鏡(2)、分束板(3)、共軛成像物鏡(4)、深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)、深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)、球面反射鏡(6)、球面反射鏡會(huì)聚光束(601)和夏克‐哈特曼波前傳感器(7)；其中，小孔板(1)衍射產(chǎn)生球面波經(jīng)準(zhǔn)直物鏡(2)后得到平行光束，經(jīng)分束板(3)反射后被共軛成像物鏡聚焦到深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)的物面上，經(jīng)深紫外光學(xué)系統(tǒng)后得到深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)，深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)經(jīng)球面反射鏡(6)反射后得到球面反射鏡會(huì)聚光束(601)，球面反射鏡會(huì)聚光束(601)進(jìn)入深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)和共軛成像物鏡(4)后再一次成為平行光束，該平行光束透過分束板(3)后進(jìn)入夏克‐哈特曼波前傳感器(7)，在夏克‐哈特曼波前傳感器探測器上形成光斑陣列，通過質(zhì)心提取、波前重建后得到波像差信息。

優(yōu)選地，所述共軛成像物鏡(4)將所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)的出瞳成像到所述夏克‐哈特曼波前傳感器(7)的微透鏡陣列所在平面上。

優(yōu)選地，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)之間的位置關(guān)系包括理想共焦?fàn)顟B(tài)、偏移失調(diào)狀態(tài)、傾斜失調(diào)狀態(tài)和離焦失調(diào)狀態(tài)。

一種深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)方法，其采用上述的裝置，該方法包括如下步驟：

(1)在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型；

(2)確定深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型中失調(diào)量個(gè)數(shù)N及用于表達(dá)深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)M；

(3)確定失調(diào)量的變化范圍；

(4)設(shè)置失調(diào)量變化步長，通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件獲得不同矢量狀態(tài)下深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型中的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)；

(5)采用MATLAB軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立Zernike多項(xiàng)式系數(shù)與失調(diào)量之間的關(guān)系；

(6)測量當(dāng)前狀態(tài)下深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)；

(7)根據(jù)所建立的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)與失調(diào)量之間的關(guān)系及當(dāng)前狀態(tài)下測量得到的深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差Zernike多項(xiàng)式系數(shù)來計(jì)算失調(diào)量；

(8)根據(jù)計(jì)算得到的失調(diào)量大小進(jìn)行深紫外光學(xué)系統(tǒng)和球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)調(diào)整；

(9)計(jì)算共焦對準(zhǔn)公差大??；

(10)根據(jù)公差大小判斷共焦對準(zhǔn)調(diào)整是否已滿足共焦對準(zhǔn)精度要求，如滿足要求，則完成共焦對準(zhǔn)調(diào)整，若不滿足要求，則重復(fù)步驟(3)～(9)，直到共焦對準(zhǔn)公差滿足共焦對準(zhǔn)精度要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行深紫外光學(xué)系統(tǒng)與球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)調(diào)整。利用深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型采集樣本，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練建立系統(tǒng)波像差Zernike多項(xiàng)式系數(shù)和系統(tǒng)失調(diào)量之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)快速、高精度的共焦對準(zhǔn)。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)裝置的示意圖；

圖2為深紫外光學(xué)系統(tǒng)處于理想共焦對準(zhǔn)的狀態(tài)；

圖3為深紫外光學(xué)系統(tǒng)在X方向存在偏移失調(diào)量ΔX時(shí)的狀態(tài)；

圖4為深紫外光學(xué)系統(tǒng)繞Y軸方向存在傾斜失調(diào)量Δθ_Y時(shí)的狀態(tài)；

圖5為深紫外光學(xué)系統(tǒng)沿Z軸方向存在離焦失調(diào)量ΔZ時(shí)的狀態(tài)；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)方法的流程圖；

圖7為光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立的深紫外光學(xué)系統(tǒng)和球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)模型圖；

圖8為深紫外光刻物鏡和球面反射鏡處于理想共焦?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)；

圖9為深紫外光刻物鏡和球面反射鏡處于非理想共焦?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)；

圖10為經(jīng)過共焦對準(zhǔn)調(diào)整后系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)；

圖11為共焦對準(zhǔn)公差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)。

附圖標(biāo)記說明

深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)裝置包括：1、小孔板，2、準(zhǔn)直物鏡，3、分束板，4、共軛成像物鏡，5、深紫外光學(xué)系統(tǒng)，501、深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束，6、球面反射鏡，601、球面反射鏡會(huì)聚光束，7、夏克‐哈特曼波前傳感器。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施方式，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1所示，為本發(fā)明所使用的裝置，包括小孔板(1)、準(zhǔn)直物鏡(2)、分束板(3)、共軛成像物鏡(4)、深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)、深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)、球面反射鏡(6)、球面反射鏡會(huì)聚光束(601)和夏克‐哈特曼波前傳感器(7)。

小孔板(1)衍射產(chǎn)生近于理想的球面波經(jīng)準(zhǔn)直物鏡(2)后得到平行光束，經(jīng)分束板(3)反射后被共軛成像物鏡聚焦到深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)的物面上，經(jīng)深紫外光學(xué)系統(tǒng)后得到深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)，深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)經(jīng)球面反射鏡(6)反射后得到球面反射鏡會(huì)聚光束(601)，球面反射鏡會(huì)聚光束(601)進(jìn)入深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)和共軛成像物鏡(4)后再一次成為平行光束，該平行光束透過分束板(3)后進(jìn)入夏克‐哈特曼波前傳感器(7)，在夏克‐哈特曼波前傳感器探測器上形成光斑陣列，通過質(zhì)心提取、波前重建后得到整個(gè)系統(tǒng)的波像差信息。

上述共軛成像物鏡(4)將所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)(5)的出瞳成像到所述夏克‐哈特曼波前傳感器(7)的微透鏡陣列所在平面上。

所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)之間存在如下的位置關(guān)系：

(1)理想共焦?fàn)顟B(tài)：如圖2所示，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的光軸和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸重合，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的頂點(diǎn)和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的頂點(diǎn)重合。

(2)偏移失調(diào)狀態(tài)：如圖3所示，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的光軸和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸平行，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的頂點(diǎn)和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的頂點(diǎn)連線與所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的光軸和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸均垂直，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的光軸和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸沿X軸方向(或Y軸方向)存在ΔX(或ΔY)的偏移，其中ΔX(或ΔY)稱為偏移失調(diào)量。

(3)傾斜失調(diào)狀態(tài)：如圖4所示，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的頂點(diǎn)和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的頂點(diǎn)重合，而所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的光軸和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸之間存在夾角，該夾角通過所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸以所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的頂點(diǎn)為原點(diǎn)，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度Δθ_X(或繞X軸旋轉(zhuǎn)的角度Δθ_Y)來表示，其中Δθ_X(或Δθ_Y)稱為傾斜失調(diào)量。

(4)離焦失調(diào)狀態(tài)：如圖5所示，所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的光軸和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的光軸重合，而所述深紫外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光束(501)的頂點(diǎn)和所述球面反射鏡會(huì)聚光束(601)的頂點(diǎn)不重合，沿Z軸方向存在離焦，用ΔZ來表示，稱ΔZ為離焦失調(diào)量。

如圖6所示，為采用上述裝置進(jìn)行深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)的流程圖，具體包括如下步驟：

(1)在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型。

(2)確定深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型中失調(diào)量個(gè)數(shù)N及用于表達(dá)深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)M。

(3)確定失調(diào)量的變化范圍。

(4)設(shè)置失調(diào)量變化步長，通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件獲得不同矢量狀態(tài)下深紫外光學(xué)系統(tǒng)共焦對準(zhǔn)模型中的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)。

(5)采用MATLAB軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立Zernike多項(xiàng)式系數(shù)與失調(diào)量之間的關(guān)系。

(6)測量當(dāng)前狀態(tài)下深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)。

(7)根據(jù)所建立的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)與失調(diào)量之間的關(guān)系及當(dāng)前狀態(tài)下測量得到的深紫外光學(xué)系統(tǒng)波像差Zernike多項(xiàng)式系數(shù)來計(jì)算失調(diào)量。

(8)根據(jù)計(jì)算得到的失調(diào)量大小進(jìn)行深紫外光學(xué)系統(tǒng)和球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)調(diào)整。

(9)計(jì)算共焦對準(zhǔn)公差大小。

(10)根據(jù)公差大小判斷共焦對準(zhǔn)調(diào)整是否已滿足共焦對準(zhǔn)精度要求，如滿足要求，則完成共焦對準(zhǔn)調(diào)整，若不滿足要求，則重復(fù)步驟(3)～(9)，直到共焦對準(zhǔn)公差滿足共焦對準(zhǔn)精度要求。

作為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，如圖7所示，為在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立的深紫外光刻物鏡和球面反射鏡的共焦對準(zhǔn)模型圖，在理想共焦對準(zhǔn)狀態(tài)下，系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)如8所示，此時(shí)系統(tǒng)波像差大小為12.49nm RMS。圖9為深紫外光刻物鏡和球面反射鏡處在非理想共焦位置時(shí)系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，此時(shí)系統(tǒng)波像差大小為12.60nm RMS，經(jīng)過共焦對準(zhǔn)后得到的系統(tǒng)波像差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)如圖10所示，此時(shí)系統(tǒng)波像差大小為12.50nm RMS，圖11為共焦對準(zhǔn)公差的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，公差大小為0.02nm RMS。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。