CN103744270B - 光刻物镜奇像差原位检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，本发明通过处理检测标记空间像在不同对称位置的光强差值，确定最佳测量位置，获得与其对应的最佳灵敏度矩阵。本发明利用检测标记空间像在最佳测量位置的光强差与投影物镜奇像差间的线性关系，提高像差的检测精度。

Description

光刻物镜奇像差原位检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机，尤其涉及一种光刻机投影物镜奇像差原位检测方法。

背景技术

光刻机投影物镜奇像差会引起成像位置的横向偏移、图形线宽不对称等问题，从而影响光刻机的套刻精度、降低光刻成像的CD均匀性。随着光刻特征尺寸的不断减小，投影物镜波像差对成像质量的影响越来越严重。研发快速、高精度的投影物镜像差检测和控制技术具有重要意义。

近年，BoPeng等人提出一种基于相邻峰值光强差的偶像差测量方法(在先技术1，BoPeng,XiangzhaoWang,ZichengQiu,YutingCaoandLifengDuan,“Evenaberrationmeasurementoflithographicprojectionopticsbasedonintensitydifferenceofadjacentpeaksinalternatingphase-shiftingmaskimage,”Appl.Opt,49,2753-2760(2010))。该方法采用线空比为1:2、周期为750nm的180°相移掩模光栅作为检测标记，测量标记空间像的相邻峰值光强差，根据已有的计算模型计算得到投影物镜的偶像差。由于光强的测量精度比位置偏移量高很多，该技术使三阶像散的检测精度达到0.234nm。

在上述技术的基础上，涂远莹等人提出了一种基于空间像峰值光强差的奇像差测量方法(在先技术2，涂远莹、王向朝、闫观勇，“基于空间像峰值光强差的奇像差测量技术”，光学学报，33(5),0512002-1(2013))。该方法采用双线掩模作为检测标记，测量标记空间像的峰值光强差，三阶彗差和五阶慧差的检测精度达到0.19nm。

在先技术1和在先技术2在检测投影物镜奇像差时，都是以检测标记的空间像峰值光强差为测量对象，忽略了不同测量位置的光强差值变化对测量精度的影响，其像差检测精度尚有提升的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻机投影物镜奇像差原位检测方法。该方法利用检测标记空间像在最佳测量位置的光强差值，提高投影物镜奇像差的检测精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，所述方法使用的***包括产生照明光束的光源、调整光源发出光束的照明方式和部分相干因子并使光束均匀照明的照明***、搭载掩模并利用定位装置实现精确定位的掩模台、包含检测标记的掩模、能将掩模图形成像且数值孔径可调的投影物镜、搭载硅片并利用定位装置实现精确定位的工件台、安装在工件台上记录掩模空间像光强分布的像传感装置、数据处理装置。

所述的检测标记可以为双线掩模标记和相移掩模标记：1)双线掩模标记：双线图形为透光区域，其余为不透光区域，所述的双线图形的线宽变化范围为150-300nm，两线之间不透光区域宽度的变化范围为100-300nm。两组标记，X方向检测标记和Y方向检测标记，用于分别检测X方向和Y方向奇像差。2)相移掩模标记：只有两个透光区域且相位差为180度，其余为不透光区域。透光区域宽度的变化范围为150-300nm，两透光区域间不透光区域宽度的变化范围为100-300nm。两组标记，X方向检测标记和Y方向检测标记，用于分别检测X方向和Y方向奇像差。

所述的光源和照明***为可以实现部分相干因子可调的传统照明、环形照明、二极照明、四极照明。其中，传统照明、二极照明和四极照明的部分相干因子都在0.3到0.8之间调整；环形照明中环带的外相干因子和内相干因子的差值为0.2，环中心相干因子在0.3到0.8之间调整。所有照明方式的数目Ns≥8。

所述的投影物镜的数值孔径可以在0.5到0.8之间调整。

所述的像传感器是CCD、光电二极管阵列或其它能实现光电信号转换的探测器阵列。

所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测的方法包括以下步骤：

(1)利用光刻仿真软件标定检测标记空间像X方向最佳测量位置x_B的像差灵敏度矩阵和Y方向最佳测量位置y_B的像差灵敏度矩阵具体过程如下：

①计算掩模标记空间像在X方向不同位置x_i处的奇像差灵敏度矩阵和Y方向不同位置y_i处的奇像差灵敏度矩阵

以X方向彗差Z₇在固定位置x₀处的像差灵敏度系数为例：在光刻仿真软件中依次设置选定的1～Ns种照明方式。每种照明条件下，设定Z₇的大小为一个确定值，而其它的像差均为零。利用光刻仿真软件计算得到在上述照明条件和像差系数设置下的X方向标记的空间像，进而计算空间像±x₀处的光强差值其中，NA表示投影物镜的数值孔径，σ表示光源的部分相干因子；根据公式：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_7},(i=1,2,3...Ns)$ 确定不同照明条件下的Z₇像差灵敏度系数。

通过相同方法并分别依据下列各式确定其它X方向奇像差Z₁₀、Z₁₄、Z₁₉、Z₂₃、Z₂₆、Z₃₀和Z₃₄在x₀处的灵敏度系数和Y方向奇像差Z₈、Z₁₁、Z₁₅、Z₂₀、Z₂₄、Z₂₇、Z₃₁和Z₃₅在y₀处的灵敏度系数：

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_8},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{10}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{11}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{14}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{14}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{15}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{15}},(i=1,2,3...Ns)$

……

$S_{34}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{34}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{35}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{35}},(i=1,2,3...Ns).$

将以上各灵敏度系数构成X和Y方向上相对于固定位置x₀和y₀的灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_0}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right]$

${\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_0}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right].$

利用上述标记空间像，计算其±x_i处的光强差值与计算灵敏度矩阵和的方法相同，得到不同位置x_i和y_i处的像差灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right]$

${\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right].$

②仿真得到投影物镜奇像差引起的标记空间像在X方向不同对称位置±x_i处的光强差值和Y方向不同对称位置±y_i处的光强差值

设置投影物镜的像差系数为一组任意随机数组合

${{\stackrel{\‾}{Z}}^{\′}}_X=\[{Z^{\′}}_7,{Z^{\′}}_{10},{Z^{\′}}_{14},{Z^{\′}}_{19},{Z^{\′}}_{23},{Z^{\′}}_{26},{Z^{\′}}_{31},{Z^{\′}}_{34}\],$

${{\stackrel{\‾}{Z}}^{\′}}_Y=\[{Z^{\′}}_8,{Z^{\′}}_{11},{Z^{\′}}_{15},{Z^{\′}}_{20},{Z^{\′}}_{24},{Z^{\′}}_{27},{Z^{\′}}_{32},{Z^{\′}}_{35}\],$

其中，分别用于X、Y方向掩模标记，各个像差项Z'_i为任意像差范围内的随机数。以X方向掩模标记为例：采用①中相同的照明条件，仿真得到Ns幅像差存在时的标记空间像，进而通过数据处理获得标记空间像X方向不同对称位置±x_i处的光强差值：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{X-x_i}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right].$

对Y方向掩模标记进行上述相同过程，得到标记空间像Y方向不同对称位置±y_i处的光强差值：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{Y-y_i}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right].$

③利用最小二乘法和下列公式，计算得到投影物镜相对于X方向不同位置x_i和Y方向不同位置y_i处的奇像差：

${\stackrel{\‾}{Z}}_{X-x_i}={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{X-x_i}{\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{X-x_i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{X-x_i}\right),{\stackrel{\‾}{Z}}_{Y-y_i}={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{Y-y_i}{\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{Y-y_i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{Y-y_i}\right).$

其中，和分别是和的转置矩阵。

④将③中得到的X方向奇像差和仿真时输入的进行比较，分别计算其中各个像差项的测量误差，得到x_i处的X方向奇像差的测量误差

${\stackrel{\‾}{E}}_{X-x_i}=\[E_{Z_7-x_i},E_{Z_{10}-x_i},E_{Z_{14}-x_i},E_{Z_{19}-x_i},E_{Z_{23}-x_i},E_{Z_{26}-x_i},E_{Z_{30}-x_i},E_{Z_{34}-x_i}\].$

同理，将和进行比较，得到y_i处的Y方向奇像差的测量误差

${\stackrel{\‾}{E}}_{Y-y_i}=\[E_{Z_8-y_i},E_{Z_{11}-y_i},E_{Z_{15}-y_i},E_{Z_{20}-y_i},E_{Z_{24}-y_i},E_{Z_{27}-y_i},E_{Z_{31}-y_i},E_{Z_{35}-y_i}\].$

⑤重复②～④，分别得到N组测量误差和分别计算中各个误差项和的RMS作为其对应像差项Z₇、Z₁₀、Z₁₄、Z₁₉、Z₂₃、Z₂₆、Z₃₁和Z₃₄的测量精度 和取这些像差项测量精度中的最大值作为位置x_i处的X方向像差测量精度同理，利用计算位置y_i处的Y方向像差测量精度

⑥比较X方向所有位置处的测量精度，精度最高处对应的位置就是最佳测量位置x_B，与该处对应的像差灵敏度矩阵即为最佳灵敏度矩阵同理得到Y方向的最佳测量位置y_B和最佳灵敏度矩阵

(2)测量投影物镜奇像差引起的掩模标记空间像在X方向最佳测量位置x_B处的光强差值和Y方向最佳测量位置y_B处的光强差值

依次设置光刻机照明方式为选定的1～N_S种照明方式，测量X方向标记空间像在的±x_B处的光强，将测量结果输入数据处理装置，得到不同照明条件下X方向奇像差引入的±x_B处的光强差值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right].$

上述测量过程同样用于Y方向掩模标记，得到不同照明条件下Y方向奇像差引入的±y_B处的光强差值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right].$

(3)计算光刻机投影物镜的奇像差：

根据(1)中得到的最佳灵敏度矩阵和(2)中得到的光强差值 利用最小二乘法和下列公式，计算得到投影物镜X和Y方向的奇像差：

${\stackrel{\‾}{Z}}_X={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{XB}{\stackrel{\‾}{S}}_{XB}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{XB}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}\right),{\stackrel{\‾}{Z}}_Y={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{YB}{\stackrel{\‾}{S}}_{YB}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{YB}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}\right).$

其中，和分别是和的转置矩阵。

与在先技术1、2相比，本发明具有以下优点：

①本发明通过处理标记空间像在不同对称位置的光强差值，获得像差灵敏度最高的最佳测量位置，利用该位置的空间像光强差与投影物镜奇像差间的线性关系，提高了奇像差检测精度。

②由于本发明通过光刻仿真软件标定了最佳测量位置，所以在检测投影物镜像差时，只需要测量空间像在最佳测量位置的光强差，简化了空间像测量过程。

附图说明

图1是本发明采用的投影物镜波像差检测***结构示意图。

图2是本发明使用的检测标记示意图，(a)、(b)分别是双线掩模标记和相移掩模标记。

图3是本发明实施例中掩模标记的空间像强度图。

图4(a)、(b)分别是本发明实施例中掩模标记空间像不同对称位置的光强差与Z₇、Z₁₄的线性关系。

图5是本发明实施例中Z₇、Z₁₄在最佳测量位置的灵敏度系数随数值孔径NA和部分相干因子σ的变化图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

图1为本发明采用的投影物镜波像差检测***结构示意图，包括产生照明光束的光源1、调整光源1发出的光束的照明方式和部分相干因子并使光束均匀照明的照明***2、搭载掩模并利用定位装置6实现精确定位的掩模台3、包含检测标记5的掩模4、能将掩模图形成像且数值孔径可调的投影物镜7、搭载硅片并利用定位装置10实现精确定位的工件台8、安装在工件台8上的记录所述掩模成像的光强分布的像传感装置9、数据处理装置11。

所述的光源1和照明***2实现的照明方式是传统照明，其部分相干因子可在0.3到0.8之间调整。曝光波长为193nm。

所述的检测标记5为两组双线图形，如图2(a)所示，X方向检测标记51和Y方向检测标记52，用于分别检测X方向和Y方向奇像差。双线图形为透光区域，其余为不透光区域。本实施例中，掩模尺寸是1400nm×1400nm，双线图形的线宽d为200nm，两线之间不透光区域宽度为100nm，即两线中心距离s为300nm。

所述的投影物镜7可以是全透射式投影物镜、折反射式投影物镜、全反射式投影物镜等。数值孔径可在0.5到0.8之间调整。

所述的像传感器9为CCD、光电二极管阵列或其它能实现光电信号转换的探测器阵列。

利用上述光刻机投影物镜奇像差原位检测***检测奇像差的方法包括以下步骤：

(1)利用光刻仿真软件标定双线图形掩模标记空间像X方向最佳测量位置x_B的像差灵敏度矩阵和Y方向最佳测量位置y_B的像差灵敏度矩阵

首先介绍波像差及其对成像的影响。投影物镜的波像差指投影物镜出瞳的实际波面与理想球面波之间的偏差，可用泽尼克多项式分解，表示为：

$\begin{array}{c}W\left(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n\·R_n\left(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ}\right)\\ =Z_1+Z_2\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}+Z_3\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+Z_4\left(2{\mathrm{\ρ}}^2-1\right)\\ +Z_5{\mathrm{\ρ}}^2\cos 2\mathrm{\θ}+Z_6{\mathrm{\ρ}}^2\sin 2\mathrm{\θ}+Z_7\left(3{\mathrm{\ρ}}^2-2\right)\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}\\ +Z_8\left(3{\mathrm{\ρ}}^2-2\right)\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+Z_9\left(6{\mathrm{\ρ}}^4-6{\mathrm{\ρ}}^2+1\right)+...\end{array},---\left(1\right)$

其中，ρ和θ为投影物镜出瞳面的归一化极坐标，下标n是整数。根据波像差对成像的影响，可将其分为偶像差和奇像差。奇像差会改变XY成像面上的光强分布，引起成像位置横向偏移、图形线宽不对称等问题。本发明使用的检测标记如图2所示，由于投影物镜奇像差的影响，所述标记空间像的对称位置的光强产生不对称性，即X方向上的奇像差(如Z₇、Z₁₀、Z₁₄等)导致X方向上对称位置的光强差值，Y方向上的奇像差(如Z₈、Z₁₁、Z₁₅等)导致Y方向上对称位置的光强差值，如图3所示。测量检测标记空间像的对称位置光强差值时，直接在垂轴面上扫描检测标记经过投影物镜所成的像。

如图4所示，空间像的各个对称位置处的光强差与奇像差(只引起光强分布沿X或Y方向平移的Z₂和Z₃除外)都具有线性关系，可用公式表示为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_x=S_7{Z}_7+S_{10}{Z}_{10}+S_{14}{Z}_{14}+S_{19}{Z}_{19}+S_{23}{Z}_{23}+S_{26}{Z}_{26}+S_{30}{Z}_{30}+S_{34}{Z}_{34}\\ {\mathrm{\ΔI}}_y=S_8{Z}_8+S_{11}{Z}_{11}+S_{15}{Z}_{15}+S_{20}{Z}_{20}+S_{24}{Z}_{24}+S_{27}{Z}_{27}+S_{31}{Z}_{31}+S_{35}{Z}_{35}\end{array},---\left(2\right)$

其中S是像差灵敏度系数。

不同的部分相干因子和数值孔径条件下，空间像在确定对称位置±x₀和±y₀处的光强差与泽尼克系数之间的关系可以表示为以下矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{10}\\ .\\ .\\ .\\ Z_{34}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{11}\\ .\\ .\\ .\\ Z_{35}\end{array}\right].---\left(3\right)$

其中，分别对应成像条件(NA_i,σ_i)下的空间像在±x₀和±y₀处的光强差。S(NA_i,σ_i)是成像条件(NA_i,σ_i)下的像差灵敏度系数，定义为：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_7},(i=1,2,3...n)$

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_8},(i=1,2,3...n)$

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{10}},(i=1,2,3...n)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{11}},(i=1,2,3...n)$

……

$S_{34}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{34}},(i=1,2,3...n)$

$S_{35}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{35}},(i=1,2,3...n),---\left(4\right)$

其中，n是照明条件的变化个数，其大小由部分相干因子和数值孔径的变换范围和步长决定。以上灵敏度系数用光刻仿真软件进行标定，以标定彗差Z₇的像差灵敏度系数为例，其具体标定过程为：在光刻仿真软件中设置照明方式为传统照明，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1，投影物镜的数值孔径为0.5～0.8，步长为0.05，即总共42组照明条件{(0.5,0.3),(0.5,0.4),...,(0.8,0.8)}。每种照明条件下，设定Z₇的大小为0.05λ，并且设定其它的像差均为零。通过仿真计算得到相应42组照明条件和像差系数下的X方向双线图形空间像，进而计算空间像±x₀处的光强差值ΔI_X(NA_i,σ_i)，根据公式：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_7},(i=1,2,3...42)---\left(5\right)$

确定42组照明条件下的Z₇像差灵敏度系数。通过相同方法标定其它奇像差(Z₈、Z₁₀、Z₁₁、Z₁₄、Z₁₅、Z₁₉、Z₂₀、Z₂₃、Z₂₄、Z₂₆、Z₂₇、Z₃₀、Z₃₁、Z₃₄和Z₃₅)相对于对称位置±x₀和±y₀光强差的灵敏度系数。将以上各灵敏度系数构成X和Y方向上相对于±x₀和±y₀光强差的灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_0}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right],$

${\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_0}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(6\right)$

对应每个成像条件(NA_i,σ_i)下形成的标记空间像，不同对称位置的光强差值不同，因而像差的灵敏度矩阵随位置变化，在其标定过程中，需要确定最佳测量位置，进而得到与其对应的最佳差灵敏度矩阵。为此进行下列步骤：

①基于上述42组X方向双线图形空间像，得到不同位置x_i的灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(7\right)$

基于42组Y方向双线图形空间像，得到不同位置y_i的灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(8\right)$

②在光刻仿真软件中，设置投影物镜X方向奇像差系数为一组随机数组合

${{\stackrel{\‾}{Z}}^{\′}}_X=\[{Z^{\′}}_7,{Z^{\′}}_{10},{Z^{\′}}_{14},{Z^{\′}}_{19},{Z^{\′}}_{23},{Z^{\′}}_{26},{Z^{\′}}_{31},{Z^{\′}}_{34}\],---\left(9\right)$

其中的每一个像差项Z'_i都取±50mλ范围内的任意随机数。采用上述相同的照明条件{(0.5,0.3),(0.5,0.4),...,(0.8,0.8)}，仿真得到42幅像差存在时的X方向掩模标记空间像，进而通过数据处理获得各个空间像相对于不同对称位置±x_i处的光强差值：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{X-x_i}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(10\right)$

设置投影物镜的像差系数：

${{\stackrel{\‾}{Z}}^{\′}}_Y=\[{Z^{\′}}_8,{Z^{\′}}_{11},{Z^{\′}}_{15},{Z^{\′}}_{20},{Z^{\′}}_{24},{Z^{\′}}_{27},{Z^{\′}}_{32},{Z^{\′}}_{35}\],---\left(11\right)$

其中的每一个像差项Z'_i都为±50mλ范围内的任意随机数，进行上述过程，得到的Y方向标记空间像相对于不同对称位置±y_i处的光强差值：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{Y-y_i}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(12\right)$

③基于上述空间像在不同对称位置的光强差值和泽尼克像差系数之间的关系：

${{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}={\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}\·{\stackrel{\‾}{Z}}_X,{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}={\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}\·{\stackrel{\‾}{Z}}_Y.---\left(13\right)$

利用最小二乘法计算得到投影物镜在不同位置处的奇像差：

${\stackrel{\‾}{Z}}_{X-x_i}={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{X-x_i}{\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{X-x_i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{X-x_i}\right),{\stackrel{\‾}{Z}}_{Y-y_i}={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{Y-y_i}{\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{Y-y_i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{Y-y_i}\right).---\left(14\right)$

④将③中得到的X方向奇像差和仿真时输入的进行比较，分别计算其中各个像差项的测量误差，得到x_i处的X方向奇像差的测量误差

${\stackrel{\‾}{E}}_{X-x_i}=\[E_{Z_7-x_i},E_{Z_{10}-x_i},E_{Z_{14}-x_i},E_{Z_{19}-x_i},E_{Z_{23}-x_i},E_{Z_{26}-x_i},E_{Z_{30}-x_i},E_{Z_{34}-x_i}\].---\left(15\right)$

同理，将和进行比较，得到y_i处的Y方向奇像差的测量误差

${\stackrel{\‾}{E}}_{Y-y_i}=\[E_{Z_8-y_i},E_{Z_{11}-y_i},E_{Z_{15}-y_i},E_{Z_{20}-y_i},E_{Z_{24}-y_i},E_{Z_{27}-y_i},E_{Z_{31}-y_i},E_{Z_{35}-y_i}\].---\left(16\right)$

⑤重复②～④，分别得到N组测量误差和分别计算中各个误差项和的RMS作为其对应像差项Z₇、Z₁₀、Z₁₄、Z₁₉、Z₂₃、Z₂₆、Z₃₁和Z₃₄的测量精度 和取这些像差项测量精度中的最大值作为位置x_i处的X方向像差测量精度同理，利用计算位置y_i处的Y方向像差测量精度

⑥比较X方向所有位置处的测量精度，精度最高处对应的位置就是最佳测量位置x_B，与该处对应的像差灵敏度矩阵即为最佳灵敏度矩阵同理得到Y方向的最佳测量位置y_B和最佳灵敏度矩阵

(2)测量投影物镜奇像差引起的标记空间像在X方向最佳测量位置x_B处的光强差值和Y方向最佳测量位置y_B处的光强差值

设定照明***2为传统照明方式且部分相干因子为0.3，投影物镜7的数值孔径为0.5，采用X方向检测标记51，用像传感器9测量并记录空间像的光强分布，结果输入到数据处理装置11。不改变投影物镜7的数值孔径，在0.3～0.8范围内逐步增大照明***2的部分相干因子，增幅为0.1，分别测量并记录相应的光强分布以待处理。当部分相干因子达到0.8时，改变投影物镜的数值孔径为0.55并保持不变，再次逐步测量部分相干因子在0.3～0.8之间变化时的光强分布。重复进行该测量过程，直到完成数值孔径在0.5～0.8、相干因子在0.3～0.8范围内的所有照明情况，经过数据处理后得到不同照明条件下X方向奇像差引入的±x_B处的光强差值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(17\right)$

所述测量过程同样用于Y方向标记，得到Y方向奇像差引入的±y_B处的光强差值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].---\left(18\right)$

(3)计算光刻机投影物镜的奇像差。

利用(1)中得到的最佳灵敏度矩阵和(2))中得到的光强差值 之间的关系：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}={\stackrel{\‾}{S}}_{XB}\·{\stackrel{\‾}{Z}}_X,{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}={\stackrel{\‾}{S}}_{YB}\·{\stackrel{\‾}{Z}}_Y.---\left(19\right)$

通过最小二乘法和公式(20)计算得到投影物镜X和Y方向的奇像差：

${\stackrel{\‾}{Z}}_X={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{XB}{\stackrel{\‾}{S}}_{XB}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{XB}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}\right),{\stackrel{\‾}{Z}}_Y={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{YB}{\stackrel{\‾}{S}}_{YB}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{YB}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}\right).---\left(20\right)$

本实施例中，利用上述双线图像掩模标记检测光刻机投影物镜的奇像差，具体测量步骤如下：

(1)利用光刻仿真软件标定空间像相对于最佳测量位置的奇像差的灵敏度矩阵，标定方法如发明所述。

${\stackrel{\‾}{S}}_{XB}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right],$

${\stackrel{\‾}{S}}_{YB}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right].$

(2)在不同的照明条件(NA_i,σ_i)下，测量掩模标记空间像在X方向最佳测量位置x_B处的光强差值和Y方向最佳测量位置y_B处的光强差值

(3)根据标定得到的最佳灵敏度矩阵和测量得到的光强差 分别提取其中照明条件对应的8组数据，利用公式(20)计算光刻机投影物镜的奇像差。

本实施例中，照射光波长是193nm,传统照明方式，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1，投影物镜的数值孔径为0.5～0.8，步长为0.05，掩模空间像的对称位置x_i和y_i的抽样间隔都取5nm，像差幅值在±50mλ范围内。通过光刻仿真软件得到部分结果：图3为照明条件(NA＝0.55，σ＝0.55)下的掩模标记空间像强度图，可见各个关于0点的对称位置的光强不同。图4(a)、(b)分别为(NA＝0.55，σ＝0.55)时Z₇、Z₁₄单独存在时，空间像相对于部分对称位置的光强差与像差间的线性关系图,图中各直线的斜率不同，表明不同位置的像差灵敏度不同。图5为Z₇、Z₁₄在最佳测量位置x_B的灵敏度系数分别随数值孔径NA和部分相干因子σ的变化。由于最佳测量位置x_B处对应的灵敏度系数的变化范围大，与基于峰值光强差的在先技术4相比，本发明在传统照明条件下Z₇和Z₁₄的测量精度分别提高了32.3％和63.4％。

Claims (3)

1.一种光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，该方法使用的***包括产生照明光束的光源、调整光源发出的光束的照明方式和部分相干因子并使光束均匀照明的照明***、搭载掩模并利用定位装置实现精确定位的掩模台、包含检测标记的掩模、能将掩模图形成像且数值孔径可调的投影物镜、搭载硅片并利用定位装置实现精确定位的工件台、安装在工件台上的记录所述掩模成像的光强分布的像传感装置、数据处理装置；特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1利用光刻仿真软件标定检测标记空间像X方向最佳测量位置x_B的像差灵敏度矩阵和Y方向最佳测量位置y_B的像差灵敏度矩阵具体标定过程包含如下步骤:

①计算掩模标记空间像在X方向不同位置x_i处的奇像差灵敏度矩阵和Y方向不同位置y_i处的奇像差灵敏度矩阵

以X方向彗差Z₇在固定位置x₀处的像差灵敏度系数为例：在光刻仿真软件中依次设置选定的1～N_S种照明方式；每种照明条件下，设定Z₇的大小为一个确定值，而其它的像差均为零；利用光刻仿真软件计算得到在上述照明条件和像差系数设置下的X方向标记的空间像，进而计算空间像±x₀处的光强差值其中，NA表示投影物镜的数值孔径，σ表示光源的部分相干因子；根据公式：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_7},(i=1,2,3...Ns),$

确定不同照明条件下的Z₇像差灵敏度系数；

通过相同方法并分别依据下列各式确定其它X方向奇像差Z₁₀、Z₁₄、Z₁₉、Z₂₃、Z₂₆、Z₃₀和Z₃₄在x₀处的灵敏度系数和Y方向奇像差Z₈、Z₁₁、Z₁₅、Z₂₀、Z₂₄、Z₂₇、Z₃₁和Z₃₅在y₀处的灵敏度系数：

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_8},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{10}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{11}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{14}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{14}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{15}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{15}},(i=1,2,3...Ns)$

……

$S_{34}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{34}},(i=1,2,3...Ns)$

$S_{35}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{35}},(i=1,2,3...Ns),$

将以上各灵敏度系数构成X和Y方向上相对于固定位置x₀和y₀的灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_0}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right]$

${\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_0}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right];$

利用上述标记空间像，计算其±x_i处的光强差值与计算灵敏度矩阵和的方法相同，得到不同位置x_i和y_i处的像差灵敏度矩阵：

${\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_7({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{34}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right]$

${\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ S_8({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})& ...& S_{35}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right];$

②仿真得到投影物镜奇像差引起的标记空间像在X方向不同对称位置±x_i处的光强差值和Y方向不同对称位置±y_i处的光强差值

设置投影物镜的像差系数为一组任意随机数组合

${{\stackrel{\‾}{Z}}^{\′}}_X=\[{Z^{\′}}_7,{Z^{\′}}_{10},{Z^{\′}}_{14},{Z^{\′}}_{19},{Z^{\′}}_{23},{Z^{\′}}_{26},{Z^{\′}}_{31},{Z^{\′}}_{34}\],$

${{\stackrel{\‾}{Z}}^{\′}}_Y=\[{Z^{\′}}_8,{Z^{\′}}_{11},{Z^{\′}}_{15},{Z^{\′}}_{20},{Z^{\′}}_{24},{Z^{\′}}_{27},{Z^{\′}}_{32},{Z^{\′}}_{35}\],$

其中，分别用于X、Y方向掩模标记，各个像差项Z'_i为任意像差范围内的随机数；以X方向掩模标记为例：采用①中相同的照明条件，仿真得到Ns幅像差存在时的标记空间像，进而通过数据处理获得标记空间像X方向不同对称位置±x_i处的光强差值：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{X-x_i}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{X-x_i}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right];$

对Y方向掩模标记进行上述相同过程，得到标记空间像Y方向不同对称位置±y_i处的光强差值：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{Y-y_i}=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {{\mathrm{\ΔI}}^{\′}}_{Y-y_i}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right];$

③利用最小二乘法和下列公式，计算得到投影物镜相对于X方向不同位置x_i和Y方向不同位置y_i处的奇像差：

${\stackrel{\‾}{Z}}_{X-x_i}={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{X-x_i}{\stackrel{\‾}{S}}_{X-x_i}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{X-x_i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{X-x_i}\right),{\stackrel{\‾}{Z}}_{Y-y_i}={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{Y-y_i}{\stackrel{\‾}{S}}_{Y-y_i}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{Y-y_i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}^{\′}}_{Y-y_i}\right);$

其中，和分别是和的转置矩阵；

④将步骤③中得到的X方向奇像差和仿真时输入的进行比较，分别计算其中各个像差项的测量误差，得到x_i处的X方向奇像差的测量误差

${\stackrel{\‾}{E}}_{X-x_i}=\[E_{Z_7-x_i},E_{Z_{10}-x_i},E_{Z_{14}-x_i},E_{Z_{19}-x_i},E_{Z_{23}-x_i},E_{Z_{26}-x_i},E_{Z_{30}-x_i},E_{Z_{34}-x_i}\];$

同理，将和进行比较，得到y_i处的Y方向奇像差的测量误差

${\stackrel{\‾}{E}}_{Y-y_i}=\[E_{Z_8-y_i},E_{Z_{11}-y_i},E_{Z_{15}-y_i},E_{Z_{20}-y_i},E_{Z_{24}-y_i},E_{Z_{27}-y_i},E_{Z_{31}-y_i},E_{Z_{35}-y_i}\];$

⑤重复②～④，分别得到N组测量误差和分别计算中各个误差项和的RMS作为其对应像差项Z₇、Z₁₀、Z₁₄、Z₁₉、Z₂₃、Z₂₆、Z₃₁和Z₃₄的测量精度 和取所有像差项测量精度中的最大值作为位置x_i处的X方向像差测量精度同理，利用计算位置y_i处的Y方向像差测量精度

⑥比较X方向所有位置处的测量精度，精度最高处对应的位置就是最佳测量位置x_B，与该处对应的像差灵敏度矩阵即为最佳灵敏度矩阵同理得到Y方向的最佳测量位置y_B和最佳灵敏度矩阵

步骤2测量投影物镜奇像差引起的标记空间像在X方向最佳测量位置x_B处的光强差值和Y方向最佳测量位置y_B处的光强差值

依次设置光刻机照明方式为选定的1～N_S种照明方式，测量X方向标记空间像在的±x_B处的光强，将测量结果输入数据处理装置，得到不同照明条件下X方向奇像差引入的±x_B处的光强差值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_{X-x_B}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right],$

上述测量过程同样用于Y方向标记，得到不同照明条件下Y方向奇像差引入的±y_B处的光强差值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔI}}_{Y-y_B}({\mathrm{NA}}_{Ns},{\mathrm{\σ}}_{Ns})\end{array}\right];$

步骤3计算光刻机投影物镜的奇像差：

根据步骤1中得到的最佳灵敏度矩阵和和步骤2中得到的光强差值和利用最小二乘法和下列公式，计算得到投影物镜X和Y方向的奇像差：

${\stackrel{\‾}{Z}}_X={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{XB}{\stackrel{\‾}{S}}_{XB}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{XB}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BX}\right),{\stackrel{\‾}{Z}}_Y={\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{YB}{\stackrel{\‾}{S}}_{YB}\right)}^{-1}\·\left({{\stackrel{\‾}{S}}^{\′}}_{YB}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}I}}_{BY}\right);$

其中，表示的转置矩阵，表示的转置矩阵。

2.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于：

(1)所述的照明方式的数目Ns≥8；

(2)所述的照明方式为传统照明、环形照明、二极照明或四极照明；其中传统照明、二极照明和四极照明的部分相干因子在0.3到0.8之间调整；环形照明中环带的外相干因子和内相干因子的差值为0.2，环中心相干因子在0.3到0.8之间调整；

(3)所述的投影物镜的数值孔径在0.5到0.8之间调整。

3.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于所述的检测标记为双线掩模标记或相移掩模标记：

(1)双线掩模标记：双线图形为透光区域，其余为不透光区域，所述的双线图形的线宽变化范围为150-300nm，两线之间不透光区域宽度的变化范围为100-300nm；两组标记，X方向检测标记和Y方向检测标记，用于分别检测X方向和Y方向奇像差；

(2)相移掩模标记：只有两个透光区域且相位差为180度，其余为不透光区域；透光区域宽度的变化范围为150-300nm，两透光区域间不透光区域宽度的变化范围为100-300nm；两组标记，X方向检测标记和Y方向检测标记，用于分别检测X方向和Y方向奇像差。