CN104777718A - 一种大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法 - Google Patents

Abstract

一种大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，本发明分为建模阶段和像差提取阶段，建模阶段先设定光的偏振态、投影物镜的偏振像差以及数值孔径等参数，仿真空间像，对仿真空间像进行主成分分析和多元线性回归分析，得到相应的主成分和回归矩阵,建立与大数值孔径光刻机匹配的检测模型；像差提取阶段采集实测空间像，对实测空间像进行主成分拟合得到主成分系数，采用回归矩阵对主成分系数进行最小二乘法拟合得到实测空间像的泽尼克像差。本发明实现了大数值孔径光刻机投影物镜的泽尼克像差Z₅～Z₃₇的高精度检测。

Description

一种大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机投影物镜，特别是一种大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法。

背景技术

光刻机是极大规模集成电路制造的核心设备之一。投影物镜是光刻机最重要的分***之一。投影物镜的波像差影响光刻机的成像质量，造成成像对比度降低，工艺窗口缩小。随着光刻技术从干式发展至浸没式，光刻机投影物镜的像差容限变得越来越严苛，对波像差检测精度的要求也越来越高。因此，为满足光刻机的套刻精度和分辨率等要求，研发一种高精度的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测技术意义重大。

2011年，Lifeng Duan等人提出了一种基于空间像主成分分析的光刻机投影物镜波像差检测技术(参见在先技术1，Lifeng Duan,Xiangzhao Wang,Anatoly Y.Bourov,etal.,“In situ aberration measurement technique based on principal component analysis of aerialimage,”Opt.Express 19(19),18080-18090(2011))。该技术采用水平和垂直两个方向的检测标记，在一种照明模式下，通过采集空间像光强分布检测光刻投影物镜波像差。该技术检测精度高，速度快；但由于掩模检测标记只有两个方向，只能用于检测低阶像差(Z₅,Z₇～Z₉,Z₁₄～Z₁₆)，无法检测更高阶泽尼克像差。

在上述技术的基础上，段立峰等又提出了一种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法(参见在先技术2，段立峰，王向朝，徐东波，“基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法”，专利号：ZL201210115759.5)。该方法采用6个方向的掩模检测标记实现了33阶泽尼克像差的测量(Z₅～Z₃₇)，该方法通过增加掩模检测标记实现了高阶泽尼克像差的检测，但由于使用标量成像模型，只能适用于投影物镜数值孔径小于/等于0.75的情况,无法检测大数值孔径光刻机投影物镜波像差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空间像检测的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，能够高精度地检测大数值孔径光刻机投影物镜的波像差。

本发明的技术解决方案如下：

一种大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，该方法采用的测量***包括用于产生激光光束的光源、照明***、用于承载测试掩模并拥有精确定位能力的掩模台、用于将掩模图形上的检测标记成像到硅片上的投影物镜***、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台、安装在该工件台上的空间像传感器以及与空间像传感器相连的数据处理计算机。

所述的光源可以是传统照明、环形照明、二极照明、四极照明和自由照明光源，传统照明光源的部分相干因子为σ；环形照明光源的部分相干因子为[σ_out,σ_in]，σ_out表示外部相干因子，σ_in表示内部相干因子；二极照明的部分相干因子为[σ_out,σ_in]，σ_out表示外部相干因子，σ_in表示内部相干因子，极张角为θ；四极照明的部分相干因子为[σ_out,σ_in]，σ_out表示外部相干因子，σ_in表示内部相干因子，极张角为θ。

所述的照明***用于调整所述光源产生的照明光场的光强分布及偏振状态。

所述的检测标记由6个具有不同方向取向的孤立空组成，6个不同的方向取向分别为0°，30°，45°，90°，120°，135°。

该方法包括建模阶段和像差提取阶段。

建模阶段包括以下2个步骤：

a.仿真空间像集合的创建

采用Box-Behnken Design统计抽样方式设定33阶泽尼克像差Z₅～Z₃₇的组合ZU，并随机设定一组大数值孔径光刻机投影物镜的偏振像差PT；

选择光刻仿真参数：照明***的照明方式及其部分相干因子，照明方式为偏振照明，照明光的偏振态可以是完全偏振，部分偏振和完全非偏振，光刻机曝光波长λ，投影物镜的数值孔径NA，设定NA的取值范围为NA≥0.93；

在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合；

空间像采集范围：X方向采集范围为[-L,L]，设定L的取值范围为300nm≤L≤3000nm，Z方向采集范围为[-F,F]，设定F的取值范围为2000nm≤F≤6000nm；空间像采集点数：X方向采集点数为M，设定M的取值范围为M≥20，Z方向采集点数为N，设定N的取值范围为N≥13；将上述参数和泽尼克像差组合ZU输入计算机，使用公式①所示的矢量成像公式，采用光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIU。

$\begin{array}{c}\hat{I}(\hat{x},\hat{y})=n_{\mathrm{image}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}...\stackrel{\widetilde{^}}{\∫J}(\hat{f},\hat{g})\stackrel{\widetilde{^}}{H}(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′}){\stackrel{\widetilde{^}}{H}}^{*}(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′\′})\\ \stackrel{\widetilde{^}}{O}({\hat{f}}^{\′},{\hat{g}}^{\′})M_0(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′})E_0\·{\stackrel{\widetilde{^}}{O}}^{*}({\hat{f}}^{\′\′},{\hat{g}}^{\′\′})M_0^{*}(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′\′})E_0^{*}\\ e^{-i2\mathrm{\π}[({\hat{f}}^{\′}-{\hat{f}}^{\′\′})\hat{x}+({\hat{g}}^{\′}-{\hat{g}}^{\′\′})\hat{y}]}d\hat{f}d\hat{g}d{\hat{g}}^{\′}d{\hat{f}}^{\′\′}d{\hat{g}}^{\′\′}\end{array}$      ①

其中，n_image为像方空间的折射率，为归一化的有效光源强度分布，为光瞳函数，为掩模的衍射谱，为3×2的传输矩阵，E₀为入射光的琼斯矢量，^*表示共轭转置，和和分别为归一化的像面坐标、光瞳面坐标，归一化公式如下：

$\begin{array}{cc}\hat{x}=\frac{x}{\mathrm{\λ}/\mathrm{NA}},& \hat{y}=\frac{y}{\mathrm{\λ}/\mathrm{NA}},\\ \hat{f}=\frac{f}{\mathrm{NA}/\mathrm{\λ}},& \hat{g}=\frac{g}{\mathrm{NA}/\mathrm{\λ}},\end{array}$      ②

其中，NA为投影物镜的数值孔径，λ为光刻机曝光波长，x和y，f和g分别为像面坐标、光瞳面坐标。

b.线性回归矩阵的标定

对仿真空间像集合AIU进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下：

AIU＝PC·V      ③

其中，PC为仿真空间像集合的主成分，V为对应的主成分系数。

将所述的主成分系数V和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算线性回归矩阵RM，公式如下：

V＝ZU·RM      ④

像差提取阶段包括以下2个步骤：

a.实测空间像的采集

对待检测的光刻机进行参数设置，参数与建模阶段步骤a.相同；

启动光刻机，光源发出的照明光经过照明***调整后得到与建模阶段步骤a.相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，得到实测空间像，并输入所述计算机储存。

b.泽尼克像差的求解

利用计算机对实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数，然后与所述的线性回归矩阵RM按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差。

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过采用偏振光照明方式和矢量成像模型，考虑了大数值孔径光刻机投影物镜的偏振像差，准确表征了大数值孔径光刻机的空间像，实现了大数值孔径光刻机投影物镜泽尼克像差Z₅～Z₃₇的高精度检测。

附图说明

图1本发明所采用的检测***结构图。

图2本发明所采用的照明方式结构示意图。

图3本发明所采用的掩模标记结构示意图。

图4使用本发明测量得到的大数值孔径光刻机投影物镜波像差精度图。

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，但不应以此实施实例限制本发明的保护范围。

图1是本发明采用的检测***结构示意图。产生激光光束的光源1、照明***2、用于承载测试掩模3并拥有精确定位能力的掩模台4、用于将掩模图形上的检测标记5成像到硅片上的投影物镜***6、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台7、安装在该工件台7上的空间像传感器8以及与空间像传感器8相连的数据处理计算机9。

该方法包括建模阶段和像差提取阶段。

建模阶段包括以下2个步骤：

a.仿真空间像集合的创建

采用Box-Behnken Design统计抽样方式设定[-0.02λ,0.02λ]幅值范围的33阶泽尼克像差Z₅～Z₃₇的组合ZU并随机设定一组大数值孔径光刻机投影物镜的偏振像差PT；

选定光刻仿真参数：照明***的照明方式选取环形照明，其部分相干因子为[σ_out,σ_in]＝[0.9,0.7]，照明光的偏振状态选取线偏振光，该线偏振光光矢量的振动方向与X轴方向平行，如图2所示，光刻机曝光波长λ＝193nm，投影物镜的数值孔径NA＝1.35；

在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合，该组合有6个具有不同方向取向的孤立空，所述的6个孤立空的方向取向分别为0°，30°，45°，90°，120°，135°，如图3所示；

空间像采集范围：X方向采集范围为[-900nm,900nm，]Z方向采集范围为[-2000,2000；]空间像采集点数：X方向采集点数为61，Z方向采集点数为57；将上述参数设计和泽尼克像差组合ZU输入计算机，使用公式①所示的矢量成像公式，采用光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIU。

$\begin{array}{c}\hat{I}(\hat{x},\hat{y})=n_{\mathrm{image}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}...\stackrel{\widetilde{^}}{\∫J}(\hat{f},\hat{g})\stackrel{\widetilde{^}}{H}(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′}){\stackrel{\widetilde{^}}{H}}^{*}(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′\′})\\ \stackrel{\widetilde{^}}{O}({\hat{f}}^{\′},{\hat{g}}^{\′})M_0(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′})E_0\·{\stackrel{\widetilde{^}}{O}}^{*}({\hat{f}}^{\′\′},{\hat{g}}^{\′\′})M_0^{*}(\hat{f}+{\hat{f}}^{\′\′},\hat{g}+{\hat{g}}^{\′\′})E_0^{*}\\ e^{-i2\mathrm{\π}[({\hat{f}}^{\′}-{\hat{f}}^{\′\′})\hat{x}+({\hat{g}}^{\′}-{\hat{g}}^{\′\′})\hat{y}]}d\hat{f}d\hat{g}d{\hat{g}}^{\′}d{\hat{f}}^{\′\′}d{\hat{g}}^{\′\′}\end{array}$     ①

其中，n_image为像方空间的折射率，为归一化的有效光源强度分布，为光瞳函数，为掩模的衍射谱，为3×2的传输矩阵，E₀为入射光的琼斯矢量，^*表示共轭转置，和和分别为归一化的像面坐标、光瞳面坐标，归一化公式如下：

$\begin{array}{cc}\hat{x}=\frac{x}{\mathrm{\λ}/\mathrm{NA}},& \hat{y}=\frac{y}{\mathrm{\λ}/\mathrm{NA}};\\ \hat{f}=\frac{f}{\mathrm{NA}/\mathrm{\λ}},& \hat{g}=\frac{g}{\mathrm{NA}/\mathrm{\λ}};\end{array}$      ②

其中，NA为投影物镜的数值孔径，λ为光刻机曝光波长，x和y，f和g分别为像面坐标、光瞳面坐标。

b.线性回归矩阵的标定

对仿真空间像集合AIU进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下：

AIU＝PC·V       ③

其中，PC为仿真空间像集合的主成分，V为对应的主成分系数。

将所述的主成分系数V和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算线性回归矩阵RM，公式如下：

V＝ZU·RM        ④

像差提取阶段包括以下2个步骤：

a.实测空间像的采集

对待检测的光刻机进行参数设置，参数与建模阶段步骤a.相同；

启动光刻机，光源发出的照明光经过照明***调整后得到与建模阶段步骤a.相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，得到实测空间像，并输入所述计算机储存。

b.泽尼克像差的求解

利用计算机对实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数，然后与所述的线性回归矩阵RM按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差，如图4所示。检测得到的泽尼克像差的平均误差和标准差均在0.07nm以下。

相对于在先技术，本方法通过采用偏振光照明方式和矢量成像模型，考虑了大数值孔径光刻机投影物镜的偏振像差，准确表征了大数值孔径光刻机的空间像，实现了大数值孔径光刻机投影物镜泽尼克像差Z₅～Z₃₇的高精度检测。

以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，该方法采用的测量***包括用于产生激光光束的光源(1)、照明***(2)、用于承载测试掩模(3)并拥有精确定位能力的掩模台(4)、用于将掩模图形上的检测标记(5)成像到硅片上的投影物镜***(6)、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台(7)、安装在该工件台(7)上的空间像传感器(8)以及与空间像传感器(8)相连的数据处理计算机(9)；

其特征在于，该方法包括建模阶段和像差提取阶段；

所述的建模阶段包括以下2个步骤：

a.仿真空间像集合的创建

采用Box-Behnken Design统计抽样方法设定33阶泽尼克像差Z₅～Z₃₇的组合ZU，并随机设定一组偏振像差PT；

选择光刻仿真参数：照明***的照明方式及其部分相干因子，光刻机曝光波长λ，投影物镜的数值孔径NA；

在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合；

设置空间像采集范围：X方向采集范围为[-L,L]，Z方向采集范围为[-F,F]；空间像采集点数：X方向采集点数为M，Z方向采集点数为N；

将上述参数和泽尼克像差组合ZU输入计算机，采用光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIU；

b.线性回归矩阵的标定

对仿真空间像集合AIU进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下:

AIU＝PC·V   ①其中，PC为仿真空间像集合的主成分，V为对应的主成分系数；

将所述的主成分系数V和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算线性回归矩阵RM，公式如下：

V＝ZU·RM   ②

所述的像差提取阶段包括以下2个步骤：

a.实测空间像的采集

对待检测的光刻机进行参数设置，参数与建模阶段步骤a.相同；

启动光刻机，光源发出的照明光经过照明***调整后得到与建模阶段步骤a.相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，得到实测空间像，并输入所述计算机储存；

b.泽尼克像差的求解

利用计算机对实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数，然后与所述的线性回归矩阵RM按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差。

2.根据权利要求1所述的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，其特征在于，所述的光源是传统照明、环形照明、二极照明、四极照明或自由照明光源，传统照明光源的部分相干因子为σ；环形照明光源的部分相干因子为[σ_out,σ_in]，σ_out表示外部相干因子，σ_in表示内部相干因子；二极照明的部分相干因子为[σ_out,σ_in]，σ_out表示外部相干因子，σ_in表示内部相干因子，极张角为θ；四极照明的部分相干因子为[σ_out,σ_in]，σ_out表示外部相干因子，σ_in表示内部相干因子，极张角为θ；

所述的照明***用于调整所述光源产生的照明光场的光强分布及偏振状态；

所述的检测标记由6个具有不同方向取向的孤立空组成，6个不同的方向取向分别为0°，30°，45°，90°，120°和135°。

3.根据权利要求1所述的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，其特征在于，所述的照明方式为偏振照明。

4.根据权利要求1所述的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，其特征在于，所述的光的偏振态是完全偏振，部分偏振或完全非偏振。

5.根据权利要求1所述的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，其特征在于，所述的X方向采集范围L的取值范围为300nm≤L≤3000nm；Z方向采集范围F的取值范围为2000nm≤F≤6000nm；X方向采集点数M的取值范围为M≥20，Z方向采集点数N的取值范围为N≥13。

6.根据权利要求1所述的大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法，其特征在于，所述的投影物镜的数值孔径NA≥0.93。