CN102163008B - ***误差自校准的光刻机投影物镜波像差的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种***误差自校准的光刻机投影物镜波像差的在线检测方法，采用设有方形针孔阵列的物方掩模板，通过方形针孔阵列产生理想的球面波，消除了照明***对光刻机投影物镜波像差检测的影响；同时，利用针孔阵列滤波的***误差自校准，通过在光刻机投影物镜的物面放置方孔和像面放置针孔阵列，在保证曝光光源利用率的同时，实现了对待测照明***残留像差和投影物镜波像差的空间滤波，可以快速，高精度的分离投影物镜的波像差和在线检测装置的***误差。

Description

***误差自校准的光刻机投影物镜波像差的在线检测方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种***误差自校准的光刻机投影物镜波像差的在线检测方法。

背景技术

随着光刻分辨力的提高，要求光刻机投影物镜的残留波像差也越来越小。ASML、Canon及Nikon三大公司在加工、集成光刻机投影物镜时，直接利用高精度位相测量干涉仪(Phase Measurement Interferometer，简称PMI)，如泰曼-格林干涉仪、菲索干涉仪对光刻机投影物镜的残留波像差进行检测。但是，实际中由于运输、装配等因素的影响，光刻机投影物镜波像差将发生改变而超出残留波像差值，此时光刻机投影物镜波像差对光刻分辨力造成很大影响。由于PMI结构比较复杂，难以集成到光刻机中，因此，开发高精度、高速度光刻机物镜波像差在线检测技术十分必要。通过在线检测光刻机投影物镜各视场的波像差，并利用灵敏度矩阵计算分析出对应各视场波像差的失调量，然后调整光刻机投影物镜，使光刻机投影物镜各视场的波像差实测值达到PMI检测的容限水平，保证最佳光刻分辨力成像。从2007年开始，三大光刻公司先后推出了光刻分辨率达到45nm的光刻机，其浸没式投影物镜的数值孔径达到1.35且投影物镜的残留波像差均达到6mλ以下，这对实现光刻机投影物镜波像差的在线检测技术提出了更高的挑战和性能要求。

现在主流的光刻机投影物镜波像差在线检测的技术主要基于光干涉原理的检测技术及基于夏克-哈特曼波前传感技术。其中基于光干涉原理检测的主要代表技术有ASML公司的ILIAS(Integrated Lens Interferometer At Scanner)技术和Canon公司的iPMI(in-situ Phase Measurement Interferometer)技术；ASML公司的ILIAS技术利用一维光栅剪切干涉仪，需要在x，y两个方向上检测，无法实现对像散的精确检测。Canon公司的iPMI技术基于线衍射干涉仪原理，需要物方掩模板上的狭缝和窗口与像方掩模板上的窗口和狭缝精确对准，此对准对检测速度影响显著。基于夏克-哈特曼波前传感技术的主要是Nikon公司的P-PMI(Portable phase measuring interferometer)技术，由于夏克-哈特曼技术中微透镜阵列限制了检测波前的采样能力，从而限制了检测精度。

针对前述三大光刻设备供应商所开发的检测技术存在的不足。本发明人于2010年5月13号提出的申请号为：201010175495.3的《一种光刻物镜波像差在线检测装置及方法》专利申请，其具有如下有益效果：首先，该检测方法通过调节剪切装置和光电探测器的间距，可以实现剪切比的连续可调，从而针对不同的待测物镜及同一待测物镜在不同的条件下进行在线检测时，可以获得相对应的剪切比，从而提高了测量的灵敏度及测量精度；其次，该方法利用方孔扩展光源(主要由漫射体和方孔掩模板形成)提高了曝光光源光强的利用率，弥补了采用点光源时投影物镜曝光时间长及干涉条纹对比度低的不足，从而提高了测量速度和测量精度；而且，该方法利用轴向移动像方方孔掩模板来实现对***误差的校准。但是，由于该方法采用方孔扩展光源，从而无法消除照明***的残留像差，并且通过轴向移动像方方孔掩模板校准***误差，由于准直物镜物方工作距离限制了像方方孔掩模板的轴向移动范围，限制了像方方孔掩模板对光刻投影物镜波像差和照明***的残留像差的空间滤波效果。由于前述两点不足，在一定程度上限制了采用该方法检测投影物镜波像差的检测精度。

发明内容

本发明的目的是提出一种***误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测方法，以实现对光刻机投影物镜各视场点波像差高速、高精度的检测。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种***误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测方法，具体步骤为：

步骤一、在物方掩模板上设置方形针孔阵列A和方孔A，方形针孔阵列A上的针孔直径r₁小于光刻机投影物镜的物方衍射极限尺寸，且方形针孔阵列A中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₁＝a₁-r₁，a₁为方孔A的边长，所述方形针孔阵列A上每相邻两针孔之间距离d₁＞1.5r₁；

步骤二、在像方掩模板上设置方孔B和方形针孔阵列B，方形针孔阵列B上的针孔直径r₂小于光刻机投影物镜的像方衍射极限尺寸，且方形针孔阵列B中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₂＝a₂-r₂，a₂为方孔B的边长，所述方形针孔阵列B上每相邻两针孔之间距离d₂＞1.5r₂；

步骤三、调节照明***的相干因子σ≥1；

步骤四、移动物方掩模板，使方形针孔阵列A的中心位于光刻机投影物镜的视场点K上，移动像方掩模板，使方孔B与方形针孔阵列A在光刻机投影物镜的像面上的像重合；将此时光电探测器中获得的干涉图P_K存储于存储器中；

步骤五、移动物方掩模板，使方孔A的中心位于光刻机投影物镜的视场点K上，移动像方掩模板，使得方形针孔阵列B与方孔A在光刻机投影物镜的像面上的像重合；将此时光电探测器中获得的干涉图Q_K存储于存储器中；

步骤六、利用傅里叶变换对干涉图P_K和Q_K进行处理，获取波像差

和

所述含有投影物镜视场点K波像差和在线检测装置的***误差

所述

含有在线检测装置的***误差

将波像差减去波像差进而获得投影物镜视场点K的波像差

本发明所述方孔A的边长a₁≤pf/4zm^×，方孔B的边长a₂＝a₁·m^×≤pf/4z，其中，p为光刻机中剪切装置的周期，f为光刻机中准直物镜的焦距、z为剪切装置与光电探测器之间的间距。

本发明所述获取波像差和

为：利用差分泽尼克zernike多项式的波前重构算法获取波像差和

本发明所述利用差分泽尼克zernike多项式的波前重构算法获取波像差和的具体步骤为：

步骤501、从P_K和Q_K分别获取有效区域，并延拓为方形有效干涉图P′_K和Q′_K；

步骤502、对方形有效干涉图P′_K和Q′_K进行傅里叶变换，获得P′_K和Q′_K的频谱分布；并进一步从P′_K的频谱分布中提取x、y方向的+1级频谱

和

从Q′_K的频谱分布中提取x、y方向的+1级频谱和

步骤503、分别对

以及进行逆傅里叶变换及位相展开，得到x、y方向的差分波前信息；

步骤504、利用基于差分zernike多项式的波前重构算法对P′_K对应的差分波前信息进行重构，进而获得用37项zernike多项式表示的包括投影物镜视场点K波像差

和在线检测装置的***误差的波像差

利用基于差分zernike多项式的波前重构算法对Q′_K对应的差分波前信息进行重构，进而获得用37项zernike多项式表示的包括在线检测装置的***误差

的波像差

有益效果

本发明采用设有方形针孔阵列的物方掩模板，通过方形针孔阵列产生理想的球面波，消除了照明***对光刻机投影物镜波像差检测的影响，从而进一步提高了检测精度。

其次，利用针孔阵列滤波的***误差自校准，通过在光刻机投影物镜的物面放置方孔和像面放置针孔阵列，在保证曝光光源利用率的同时，实现了对待测照明***残留像差和投影物镜波像差的空间滤波，可以快速，高精度的分离投影物镜的波像差和在线检测装置的***误差。

再次，利用傅里叶变换技术对单幅干涉图进行处理及利用基于差分zernike波前重构技术对x，y方向的差分波前进行重构，由于傅里叶变换技术具有高精度以及处理速度快的优点，因此可以快速，高精度的获得投影物镜的波像差信息。

附图说明

图1为本发明实施例的光刻机和在线检测装置的示意图。

图2为本发明在线检测方法的流程图。

图3为本发明物方掩模板的结构示意图。

图4为本发明像方掩模板的结构示意图。

其中，101-曝光光源、102-照明***、103-掩模板、104-物方工件台、105-投影物镜、106-硅片、107-像方工件台；201-物方掩模板、202-像方掩模板、203-准直物镜、204-剪切装置、205-轴向调节装置、206-光电探测器、207-存储器、208-运算器、209-控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先阐述光刻机的结构组成及工作原理：

光刻机包括曝光光源101、照明***102、掩模板103、物方工件台104、投影物镜105、硅片106以及像方工件台107；曝光光源101发出的光经过照明***102后，照射在掩模板103上，将掩模板103上的图案通过投影物镜105，以步进-扫描的方式，缩小投影在涂有光刻胶的硅片106上，实现图案的转移。曝光光源101为波长约为193nm的ArF准分子激光或者波长约为248nm的KrF准分子激光。照明***102具有扩展光束、调节光束转向、形状的光学元件，以及调整照明均匀性和调节照明相干因子的光学元件，这样照明在掩模板103上的光束在投影物镜105视场范围内具有较理想的均匀性。刻有待转移图案的掩模板103由物方工件台104支撑和驱动；涂有光刻胶的硅片106由像方工件台107支撑和带动。掩模板103和硅片106位于投影物镜105的光学共轭面上。物方工件台104和像方工件台107以不同的速率同步运动，以步进-扫描的方式将掩模板103上的图案，通过投影物镜105精确地投影转移到涂有光刻胶的硅片106上。

本发明通过在光刻机上集成一种***误差自校准的投影物镜波像差在线检测方法，实现对光刻机中投影物镜105各视场点波像差的在线检测。如图1所示，所述在线检测方法所使用的装置包括：物方掩模板201、像方掩模板202、准直物镜203、剪切装置204、轴向调节装置205、光电探测器206、存储器207、运算器208、控制器209；

具体连接关系为：物方掩模板201位于光刻机中投影物镜105的物方工作台104上，由光刻机中物方工作台104支撑和驱动，像方掩模板202位于光刻机中投影物镜105的像方工作台107上，由光刻机中像方工作台107支撑和驱动，准直物镜203位于投影物镜105的像面之后，且准直物镜203的物方焦平面与投影物镜105的像面重合，光电探测器206位于投影物镜105出瞳共轭面处，剪切装置204位于投影物镜105与光电探测器206之间，并由轴向调节装置205固定支撑，存储器207分别与光电探测器206、运算器208以及控制器209相连，控制器209分别同光刻机中的物方工作台、像方工作台、照明***以及轴向调节装置205等相连。

如图2所示，本发明所述的在线检测方法的具体步骤为：

步骤一、如图3所示，在物方掩模板201上设置方形针孔阵列A和方孔A，方形针孔阵列A上的针孔直径r1小于光刻机投影物镜105的物方衍射极限尺寸，如公式(1)

r₁＜0.61λm^×/NA_i                        (1)

其中，λ为曝光光源101发出光波的波长，NA_i为投影物镜105的像方数值孔径，m^×为投影物镜105的缩小倍率。

方形针孔阵列A中每行第一个针孔和最后一个针孔的圆心距为l₁＝a₁-r₁，a₁为方孔A的边长，如公式(2)

a₁≤pf/4zm^×                        (2)

其中p为剪切装置204的周期，f为准直物镜203的焦距、z为剪切装置204与光电探测器206之间的间距。方形针孔阵列A上每相邻两针孔之间距离d₁＞1.5r₁，较佳的选取d₁＝2r₁。

步骤二、如图4所示，在像方掩模板202上设置方孔B和方形针孔阵列B，方形针孔阵列B上的针孔直径r₂小于光刻机投影物镜105的像方衍射极限尺寸，如公式(3)

r₂＜0.61λ/NA_i                    (3)

方形针孔阵列B中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₂＝a₂-r₂，a₂为方孔B的边长，如公式(4)

a₂＝a₁·m^×≤pf/4z                (4)

所述方形针孔阵列B上每相邻两针孔之间距离d₂＞1.5r₂，较佳的选取d₂＝2r₂。

步骤三、调节照明***102的相干因子σ≥1。若照明***102的相干因子0≤σ＜1，曝光光源101发出的光经过照明***102后，由方形针孔阵列A上各个针孔所产生的理想球面波之间会发生干涉，进而影响测量结果；从而为了使曝光光源101发出的光束经过照明***102后，在投影物镜105物方视场范围内非相干均匀照明投影物镜105的物面，调节调节照明***102的相干因子σ≥1。

步骤四、利用控制器209驱动物方工件台104，使物方掩模板201上的方形针孔阵列A的中心移动到光刻机中投影物镜105的视场点K上，同时，利用控制器209驱动像方工件台107，使像方掩模板202上的方孔B与方形针孔阵列A在投影物镜105的像面上的像重合。由于方形针孔阵列A中的各个针孔的直径均小于投影物镜105的物方衍射极限尺寸，所以方形针孔阵列A中的各个针孔均可以将含有照明***102残留像差的入射光波衍射成理想的球面波，从而消除了照明***102残留像差。此时来自方形针孔阵列A的光波经过投影物镜105入射到方孔B后，经过准直物镜203和剪切装置204，在光电探测器206中形成干涉图P_K，将P_K存储于存储器207中。

步骤五、利用控制器209驱动物方工件台104，使物方掩模板201上的方孔A的中心移动到光刻机中投影物镜105的视场点K上，同时，利用控制器209驱动像方工件台107，使像方掩模板202上的方形针孔阵列B与方孔A在投影物镜105的像面上的像重合。由于方形针孔阵列B中各个针孔直径均小于投影物镜105的像方衍射极限尺寸，则来自方孔A的包含有光刻机照明***102残留像差的光波经过投影物镜105入射到方形针孔阵列B后，方形针孔阵列B中各个针孔均可将含有照明***102的残留像差和投影物镜105视场点K波像差的入射光波衍射成理想的球面波，从而消除了照明***102的残留像差和投影物镜105视场点K的波像差，即方针孔阵列B对照明***102的残留像差和投影物镜105视场点K的波像差实现很好的空间滤波效果。前述方形针孔阵列B中各个针孔衍射产生的理想球面波经过准直物镜203和剪切装置204后，在光电探测器206中形成干涉图Q_K，将Q_K存储于存储器207中。

步骤六、利用傅里叶变换对干涉图P_K进行处理，并利用差分zernike多项式的波前重构算法获取包括投影物镜105视场点K波像差

和在线检测装置的***误差

的波像差利用傅里叶变换对干涉图Q_K进行处理，并利用差分zernike多项式的波前重构算法获取包括在线检测装置的***误差

的波像差

将波像差减去波像差

进而获得投影物镜105视场点K的波像差

傅里叶变换技术是处理单幅干涉图的重要技术，此技术具有精度高、处理速度快的优点。由于傅里叶变换的自身性质，要求傅里叶变换处理干涉图的有效区域为方形区域，否则将引入较大的处理误差。本实施例中利用傅里叶变换技术以及利用基于差分泽尼克(zernike)多项式的波前重构算法对干涉图进行处理获取波像差，但是本发明获取波像差的方法并不仅限于本实施例中采取的方法。

本实施例中获取波像差的方法的具体步骤为：

步骤501、从P_K和Q_K分别获取有效区域，并延拓为方形有效干涉图P′_K和Q′_K。

步骤502、对方形有效干涉图P′_K和Q′_K进行傅里叶变换，获得P′_K和Q′_K的频谱分布，并进一步从P′_K的频谱分布中提取x、y方向的+1级频谱

和从Q′_K的频谱分布中提取x、y方向的+1级频谱

和

步骤503、分别对

以及

进行逆傅里叶变换及位相展开，得到x、y方向的差分波前信息；

步骤504、利用基于差分泽尼克(zernike)多项式的波前重构算法对P′_K对应的差分波前信息进行重构，进而获得用37项zernike多项式表示的包括投影物镜105视场点K波像差

和在线检测装置的***误差

的波像差

利用基于差分zernike多项式的波前重构算法对Q′_K对应的差分波前信息进行重构，进而获得用37项zernike多项式表示的包括在线检测装置的***误差

的波像差

虽然结合了附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种***误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、在物方掩模板上设置方形针孔阵列A和方孔A，方形针孔阵列A上的针孔直径r₁小于光刻机投影物镜的物方衍射极限尺寸，且方形针孔阵列A中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₁＝a₁-r₁，a₁为方孔A的边长，所述方形针孔阵列A上每相邻两针孔之间距离d₁＞1.5r₁；

步骤二、在像方掩模板上设置方孔B和方形针孔阵列B，方形针孔阵列B上的针孔直径r₂小于光刻机投影物镜的像方衍射极限尺寸，且方形针孔阵列B中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₂＝a₂-r₂，a₂为方孔B的边长，所述方形针孔阵列B上每相邻两针孔之间距离d₂＞1.5r₂；

步骤三、调节照明***的相干因子σ≥1；

步骤四、移动物方掩模板，使方形针孔阵列A的中心位于光刻机投影物镜的视场点K上，移动像方掩模板，使方孔B与方形针孔阵列A在光刻机投影物镜的像面上的像重合；将此时光电探测器中获得的干涉图P_K存储于存储器中；

步骤五、移动物方掩模板，使方孔A的中心位于光刻机投影物镜的视场点K上，移动像方掩模板，使得方形针孔阵列B与方孔A在光刻机投影物镜的像面上的像重合；将此时光电探测器中获得的干涉图Q_K存储于存储器中；

步骤六、利用傅里叶变换对干涉图P_K和Q_K进行处理，并利用差分泽尼克zernike多项式的波前重构算法获取波像差

和

所述

含有投影物镜视场点K波像差和在线检测装置的***误差

所述含有在线检测装置的***误差

将波像差

减去波像差

进而获得投影物镜视场点K的波像差

2.根据权利要求1所述的***误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测方法，其特征在于，所述方孔A的边长a₁≤pf/4zm^×，方孔B的边长a₂＝a₁·m^×≤pf/4z，其中，p为光刻机中剪切装置的周期，f为光刻机中准直物镜的焦距、z为剪切装置与光电探测器之间的间距，m^×为投影物镜的缩小倍率。

3.根据权利要求1所述的***误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测方法，其特征在于，所述利用差分泽尼克zernike多项式的波前重构算法获取波像差

和

的具体步骤为：

步骤501、从P_K和Q_K分别获取有效区域，并延拓为方形有效干涉图

和

步骤502、对方形有效干涉图

和

进行傅里叶变换，获得和的频谱分布；并进一步从

的频谱分布中提取x、y方向的+1级频谱

和

从的频谱分布中提取x、y方向的+1级频谱

和

步骤503、分别对

以及

进行逆傅里叶变换及位相展开，得到x、y方向的差分波前信息；

步骤504、利用基于差分zernike多项式的波前重构算法对

对应的差分波前信息进行重构，进而获得用37项zernike多项式表示的包括投影物镜视场点K波像差

和在线检测装置的***误差的波像差

利用基于差分zernike多项式的波前重构算法对

对应的差分波前信息进行重构，进而获得用37项zernike多项式表示的包括在线检测装置的***误差的波像差

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