Устройство автоматической фокусировки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО(72) Авторы Корнелюк Александр Иванович Есьман Василий Михайлович Орлова Татьяна Львовна Красневская Юлия Ивановна(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО(57) Устройство автоматической фокусировки, содержащее координатный стол с подложкой, объектив, осветитель, состоящий из излучателя, телескопической системы, поляризационного светоделителя и четвертьволновой пластины, дихроичный фильтр, конденсор,блок обработки сигналов фокусировки и блок управления координатным столом, отличающееся тем, что оно содержит дифракционную решетку, установленную за излучателем, обеспечивающую разделение излучения на множество пучков и формирование из них в плоскости подложки сфокусированных точек, бипризму Френеля и телекамеру,причем бипризма Френеля установлена в плоскости, сопряженной со зрачком устройства автоматической фокусировки, и делит излучение так, что в плоскости телекамеры формируются два пространственно разделенных изображения множества точек.(56) 1. Заявка США 20100060883, МПК 01 11/02. 2. Патент РБ 6302. 3. Патент США 6664524 2, МПК 02 7/28. Полезная модель относится к области технологического оборудования, в частности к устройствам автоматической фокусировки для фокусирования рабочего объектива на поверхность контролируемых подложек, полупроводниковых пластин или фотошаблонов. В современных фотолитографических установках, таких как мультипликаторы и генераторы изображений, разрешающая способность, оптических проекционных систем должна быть равна или меньше размера минимального элемента формируемой топологии. Разрешающая способность оптических систем контрольно-измерительного оборудования также определяется размером минимального контролируемого элемента. Разрешающая способность оптических систем прямо пропорциональна длине волны источника излучения и обратно пропорциональна числовой апертуре объектива . Чтобы увеличить разрешающую способность необходимо уменьшать длину волны источника и увеличивать апертуру. Однако такая коротковолновая, с высокой числовой апертурой оптическая система обладает небольшой глубиной резкости, так как глубина резкости пропорциональна длине волны источника излучения и обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры . Вследствие этого, для поддержания постоянным расстояния между подложкой и объективом оптической системы, необходимым является устройство автоматической фокусировки, которое должно работать с минимальными погрешностями как по чистым (без топологии) подложкам, так и по подложкам с топологией и различными технологическими слоями. Известно устройство фокусировки 1, которое работает по методу последовательного во времени построения на подложке двух сфокусированных точек с помощью лучей, падающих наклонно на подложку с углами плюс и минус относительно оптической оси, отражения от подложки и построения их на сдвоенный фотоприемник. Вычисляется разность сигналов от двух последовательно строящихся на фотоприемнике изображений. Сигнал подается на управление приводом стола по координате . Работа устройства и его нечувствительность к топологии основаны на том, что на приемник последовательно перестраиваются два изображения с одного и того же места топологии подложки. На практике, так как на поверхности подложки строятся два изображения сфокусированных точек, то положение никогда не будет абсолютно одинаковым, центры точек будут лежать на разных участках топологии и влияние топологии на одно и другое изображение будет разным, что приведет к ошибкам фокусировки. Недостатком устройства является низкая точность работы по топологическому рисунку и технологическим слоям подложки. Минимальными погрешностями при работе по топологии и технологическим слоям обладает устройство автоматической фокусировки, описанное в патенте 2, однако его конструктивные особенности (большой угол падения лучей, строящих изображение на подложке) не позволяют применять его в контрольно-измерительных установках, предназначенных для работы с подложками через пеликлы. Ближайшим прототипом является устройство автоматической фокусировки, которое включает координатный стол, удерживающий подложку, объектив, располагающийся над поверхностью подложки, осветитель, который освещает поверхность подложки сфокусированным световым пучком, и два фотоприемника, которые детектируют отраженный от поверхности подложки свет. Устройство автоматической фокусировки содержит также блок обработки сигналов фокусировки, который по сигналу, полученному с фотоприемников, определяет вертикальное положение поверхности подложки, и схему управления 2 91502013.04.30 координатным столом, которая управляет отработкой плоскости подложки на основании скорректированного сигнала положения 3. При построении на поверхности подложки изображения точки малого размера существует возможность появления дополнительной погрешности измерения, связанной с рельефом поверхности подложки. В процессе многочисленных технологических обработок (травление, имплантация, напыление) на поверхности подложки появляется определенный рельеф топологических структур изготавливаемых приборов. Особенно неровность поверхности подложки становится заметна на финишных технологических слоях. Слой фоторезиста, покрывающий подложку, не всегда нивелирует рельеф топологии. Поэтому изображение точки малого размера датчика фокусировки, построенное на такую поверхность, может попасть на углубление или на выпуклость рельефа топологии,что вызовет ошибку в определении положения плоскости поверхности подложки. При попадании изображения точки датчика фокусировки на край элемента происходит дифракция и тоже возникают погрешности фокусировки. Недостатком прототипа является также повышенная чувствительность к изменению температуры окружающей среды. Фотоприемная часть устройства фокусировки содержит два фотоприемника, которые конструктивно разнесены. При изменении температуры происходит деформация конструкции и смещение фотоприемников относительно друг друга и, соответственно, появляется сигнал расфокусировки, что приводит к ошибкам определения плоскости фокусировки при неизменном расстоянии от объектива до поверхности подложки. После отработки сигнала расфокусировки подложка будет не в плоскости резкого изображения объектива,что приведет к ошибкам измерения элементов топологии при использовании устройства фокусировки в контрольно-измерительных установках или к ошибкам в изготовлении элементов топологии (уход размеров и/или их положения) при использовании устройства фокусировки в технологическом оборудовании. Описанное в прототипе устройство автоматической фокусировки обладает несколько меньшей чувствительностью к топологическому рисунку и технологическим слоям подложки по сравнению с аналогом, но его точность недостаточна для современного технологического и контрольного оборудования. Целью полезной модели является повышение точности работы устройства автоматической фокусировки за счет снижения влияния топологических слоев и температурных уходов на погрешность отсчета плоскости фокусировки. Поставленная задача достигается тем, что устройство автоматической фокусировки,содержит координатный стол с подложкой, объектив, осветитель, состоящий из излучателя, телескопической системы, поляризационного светоделителя и четвертьволновой пластины, дихроичный фильтр, конденсор, блок обработки сигналов фокусировки и блок управления координатным столом, дифракционную решетку, установленную за излучателем, обеспечивающую разделение излучения на множество пучков и формирование из них в плоскости подложки сфокусированных точек, бипризму Френеля и телекамеру, причем бипризма Френеля установлена в плоскости, сопряженной со зрачком устройства автоматической фокусировки, и делит излучение так, что в плоскости телекамеры формируются два пространственно разделенных изображения множества точек. Суть полезной модели поясняется фигурами, где приведено устройство автоматической фокусировки. Устройство автоматической фокусировки содержит координатный стол 9, удерживающий подложку 8, объектив 7, осветитель, состоящий из излучателя 1, дифракционной решетки 2, обеспечивающей разделение излучения на множество пучков и формирование из них в плоскости подложки 8 сфокусированных точек, телескопической системы 3, поляризационного светоделителя 4, четвертьволновой пластины 5, дихроичный фильтр 6,установленный перед объективом 7 с возможностью отражения в объектив 7 излучения 13 3 91502013.04.30 проекционного или измерительного канала и одновременного пропускания в объектив 7 излучения осветителя, конденсор 10, бипризму Френеля 11, телекамеру 12, блок обработки сигналов фокусировки 14 и блок управления координатным столом 15. Конденсор 10 и бипризма Френеля 11 установлены перед телекамерой 12 с возможностью разделения излучения, отраженного от подложки 8, на два пучка и формирования в плоскости телекамеры 12 двух пространственно разделенных изображений множества точек. Устройство автоматической фокусировки работает следующим образом лазерный излучатель 1 освещает дифракционную решетку 2, после которой падающий пучок расщепляется на несколько пучков, распространяющихся под разными углами относительно падающего пучка. Количество пучков после дифракции может быть разным. Углы их распространения зависят от периода дифракционной решетки и длины волны излучателя. Телескопической системой 3 плоскость дифракционной решетки 2 перестраивается в плоскость входного зрачка объектива 7. Дальше пучки попадают в объектив 7, пройдя который строят на поверхности подложки 8 множество сфокусированных точек, размер которых определяется апертурой объектива 7, а их количество на поверхности подложки определяется дифракционной решеткой и параметрами объектива. В плоскости зрачка объектива 7 установлен дихроичный фильтр 6, предназначенный для совместного направления в объектив 7 излучения датчика фокусировки и рабочего излучения 13. Рабочим излучением 13 может быть как экспонирующее излучение технологического оборудования,так и излучение измерительного канала контрольно-измерительной установки. Сопряжение плоскости дифракционной решетки и плоскости зрачка с помощью телескопической системы 3 обеспечивает телецентричность хода главных лучей, строящих изображения точек на поверхности подложки 8. Четвертьволновая пластина 5 превращает линейную поляризацию излучения осветителя в круговую, что позволяет значительно снизить поляризационные явления при прохождении излучения через оптические компоненты устройства фокусировки. Отразившись от поверхности подложки 8, излучение проходит через дихроичное зеркало 6, попадает в телескопическую систему 3 и на четвертьволновую пластину 5. После прохождения четвертьволновой пластины 5 круговая поляризация превращается в линейную так, что плоскость поляризации излучения поворачивается на 90 по отношению к излучению осветителя. Излучение, попадая на грань поляризационного светоделителя 4, отражается и, пройдя через конденсор 10 и призму Френеля 11, попадает на телекамеру 12. Конденсор 10, объектив 7 и часть оптики телескопической системы 3, работающая с отраженным излучением, перестраивают изображение, отраженное от подложки 8 в плоскость телекамеры 12. Бипризма Френеля 11 установлена в плоскости,сопряженной со зрачком системы, и делит падающее излучение на два потока, которые строят в плоскости телекамеры два изображения, состоящие из множества точек (фиг. 2). При изменении расстояния от проекционного объектива 7 до подложки 8 координата фокусировки, равная расстояниюмежду двумя изображениями (фиг. 2) на телекамере 12,которое рассчитывается в блоке обработки сигналов фокусировки 14, изменяется. Рассчитанная координата передается в блок управления координатным столом 15, который отрабатывает изменения положения плоскости подложки 8, находящейся на координатном столе 9. Значительно снизить погрешность устройства фокусировки позволяет принцип его работы, основанный на измерении расстояния между двумя изображениями, которые снимаются с одной телекамеры, причем каждое из изображений состоит из множества точек,отраженных от поверхности подложки. Координата каждого изображения рассчитывается как среднее значение координат точек, составляющих это изображение. Соответственно,координата фокусировки будет рассчитана как среднее значение по тем местам подложки,от которых отражаются сфокусированные точки, строящие изображение, что значительно снижает влияние топологии. Влияние температуры окружающей среды на точность фокусировки полностью исключается, так как при обработке ведется расчет разности координат 4 91502013.04.30 двух изображений, снимаемых с одной телекамеры. При смещении телекамеры относительно неподвижных изображений сфокусированных точек (при неподвижной подложке) координата фокусировки не изменяется. Предложенное техническое решение позволяет повысить точность работы устройства автоматической фокусировки за счет снижения влияния топологии и температурных дрейфов, увеличить выход годных и может быть использовано в любых областях науки и техники для точного фокусирования объектива на поверхность обрабатываемой подложки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5