專利名稱：平移對稱標(biāo)記及光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測技術(shù)，尤其涉及一種平移對稱標(biāo)記 及光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測方法。
背景技術(shù)：
光刻機(jī)是極大規(guī)模集成電路制造工藝中的核心設(shè)備。投影物鏡系統(tǒng)是光刻機(jī)最 重要的分系統(tǒng)之一。投影物鏡的波像差會降低光刻成像質(zhì)量，減小光刻工藝窗口。 在投影物鏡成像過程中，彗差使空間像產(chǎn)生橫向位置偏移，增加光刻機(jī)套刻誤差； 彗差還會導(dǎo)致成像圖形的線寬不對稱，增加曝光視場內(nèi)的CD不均勻性。球差引起 曝光圖形的最佳焦面偏移，使光刻機(jī)焦深減小。隨著光刻特征尺寸的不斷減小，尤 其是各種分辨率增強(qiáng)技術(shù)的使用，投影物鏡波像差對光刻成像質(zhì)量的影響越來越突 出。高精度的投影物鏡波像差原位檢測技術(shù)能為波像差的校正提供及時可靠的數(shù) 據(jù)，是一項(xiàng)重要的光刻機(jī)技術(shù)。
TAMIS (TIS At Multiple Illumination Settings)技術(shù)是目前國際上用于檢 測光刻機(jī)投影物鏡波像差的主要技術(shù)之一。(參見在先技術(shù)l， Hans van der Laan, Marcel Dierichs, Henk van Greevenbroek, Elaine McCoo， Fred Stoff els, Richard Pongers, Rob Willekers."Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupil verification. ，， Proc. SPIE 2001, 4346， 394-407. ) TAMIS技術(shù)采用基于二元掩模圖形的測試標(biāo)記，通過測量測試標(biāo) 記成像時的軸向最佳焦面偏移量和橫向位置偏移量，計(jì)算出投影物鏡的球差和彗 差。該技術(shù)對球差和彗差的檢測精度，在3sigma條件下分別可以達(dá)到3nm和2nm。 該技術(shù)的波像差檢測精度由測試標(biāo)記的像差靈敏度決定。像差靈敏度越大，其檢測 精度越高。TAMIS墳術(shù)選擇由普通二元掩模圖形組成的光柵作為測試標(biāo)記(如圖1 所示)，忽略了不同種類型掩模圖形組成的測試標(biāo)記的像差靈敏度之間的差異，限 制了波像差檢測精度的進(jìn)一步提高。
在TAMIS技術(shù)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)AN WANG等人提出了一種基于相移掩模測試標(biāo)記的光 刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測技術(shù)。(參見在先技術(shù)2， FanW'ang， Xiangzhao Wang,Mingying Ma, Dongqing Zhang, Weijie Shi and J"ianming Hu, "Aberration measurement of projection optics in lithographic tools by use of an alternating phase-shifting mask, " Appl. Opt. 45, 281-287(2006).)該技術(shù) 利用相移掩模圖形(如圖2所示)代替二元掩模圖形(如圖1所示)作為測試標(biāo)記， 利用相移掩模比二元掩模的像差靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，提高檢測精度。該技術(shù)采用線寬 為250nm，線空比為1:1的對稱型相移掩模光柵作為測試標(biāo)記，根據(jù)已有的波像差 計(jì)算模型，計(jì)算出待測成像光學(xué)系統(tǒng)的球差和彗差。在先技術(shù)2通過更換組成檢測 標(biāo)記的掩模圖形，使對投影物鏡球差和彗差的檢測精度分別比在先技術(shù)1提高了 20% 和30%。
由于在先技術(shù)2忽略了相移掩模光柵結(jié)構(gòu)對波像差靈敏度的影響，沒有通過優(yōu) 化光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高檢測精度，基于在先技術(shù)2， Zicheng Qiu等人提出了一種 用于投影物鏡波像差原位檢測的非對稱型相移掩模光柵標(biāo)記(如圖3所示)。(參見 在先技術(shù)3， Zicheng Qiu, Xiangzhao Wang， Qiongyan Yuan, and Fan Wang, "Coma measurement by use of an alternating phase-shifting mask mark with a specific phase width" , APPLIED OPTICS, Vol. 48, No. 2 261-269 (2009))。 Ziheng Qiud等人通過優(yōu)化相移掩模光柵的結(jié)構(gòu)，使相位區(qū)域?qū)挾葹橹芷诘娜种?二從而實(shí)現(xiàn)了標(biāo)記士3級衍射光的缺級，提高了標(biāo)記的波像差靈敏度，進(jìn)而提高了 檢測精度。然而，在先技術(shù)3沒有考慮使更高級次衍射光缺級的情況，且通過對原 有的相移掩模光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化而帶來的檢測精度的提高的幅度也有限，因此利用 光束干涉成像的原理，重新設(shè)計(jì)新的光柵標(biāo)記，使更多級次的衍射光缺級，繼續(xù)提 高測試標(biāo)記的波像差靈敏度是提高波像差原位檢測精度的一個有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明重點(diǎn)在于提供一種平移對稱標(biāo)記及光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測方 法，該方法使投影物鏡波像差檢測精度得到提高。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種平移對稱光柵標(biāo)記，其特點(diǎn)在于由X方向平移對稱光柵標(biāo)記和Y方向平移
對稱光柵標(biāo)記組成，所述的x方向平移對稱光柵標(biāo)記的光柵線條沿x方向排列，所
述的Y方向平移對稱光柵標(biāo)記的光柵線條沿Y方向排列，該平移對稱型光柵標(biāo)記的
7一個周期的結(jié)構(gòu)是
每一個周期由平行的依次的無間隔排列的10個具有一定寬度的線條區(qū)域組成， 第6、第7、第8、第9、第IO線條區(qū)域分別和第1、第2、第3、第4、第5線條 區(qū)域的寬度相等，所述的第l、第2、第3、第4、第5線條區(qū)域的寬度的比值為
90: 481: 43: 102: 83;
所述的第1和第6為不透光區(qū)域，所述的第2、第4、第8和第10為18(T相 移透光區(qū)域，所述的第3、第5、第7和第9為0。相移的透光區(qū)域；
所述的周期的取值范圍是(5.3846-0.6， 5.3846+0.6)義/AC4,其中，A為光 刻機(jī)照明光源的波長，^4為光刻機(jī)投影物鏡數(shù)值孔徑可變化范圍內(nèi)的最大值與最小 值的平均值；
所述透光區(qū)域的透過率的取值范圍是95% 100%。 所述透光區(qū)域的相移量的偏差為± 10%。
所述的光柵周期的最優(yōu)值為5.3846;i/iN"，所述的第l、第2、第3、第4、第 5線條區(qū)域的寬度的最優(yōu)值分別為0. 3033義/M4、 1. 6208義/A^、 0. 1449義/iN^ 、 0. 3437;i，和0. 2797 ;L/細(xì)。
利用上述的平移對稱光柵標(biāo)記對光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測方法，包括下 列步驟
(1)標(biāo)定投影物鏡的球差、彗差和像散靈敏度系數(shù):利用光刻仿真軟件PR0LITH 標(biāo)定波像差靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)隨投影物鏡的數(shù)值孔徑和照明系統(tǒng)的部分相干 因子變化而變化，照明條件的變化通過在PROLITH軟件中設(shè)置實(shí)現(xiàn)，部分相干因子 變化范圍為0.3 0.8，步長為O. 1;數(shù)值孔徑變化范圍為0.5 0.8，步長為O. 1， 可以得到24組不同的照明條件
((iV4,o",.)|i = 1,2......24} = {(0.5，0.3),(0.5，0.4)......(0.8，0.8)}。
在標(biāo)定三階彗差Z7的靈敏度系數(shù)、(iN^.,cT,.)時，設(shè)定一定的Z7值而取其它澤尼 克系數(shù)為零，使用光刻仿真軟件計(jì)算得到由Z7引起的成像位置偏移量AZ(A^，ct,)， 則此時的靈敏度系數(shù)&(iV4，c7,.;)即為AZ(iV4,q)與Z7之比；
同法標(biāo)定Si(A^.,o",.) 、 S3(iV4,cr》、S4(A^.,cr;) 、 S5(7V4，ct,.) 、 SJA^cr,)、 S7(7V4，CT,)、 S8(iV4，(t,.)、 S9(A^.,cr,)、 S,。(iV4,cr,.)、 Su(A^,cr,)、 S12(iV4,",);最后得到下列四個靈敏度系數(shù)矩陣
、(A^,q) ^(A^CTi) ^(iV4,0^) — &(碼，0"》^(A^2，CT2) SjiV^crJ
;(碼0,0"20) &(碼0，"20) &(碼0,0"20)— 乂(A^,q) &(A^,CTl) &(A^)—
&(碼"2)^(iH,CT2) &(碼〃2) ;4(A^0,C720)^(i^2o，CT20) &(碼0,(720)_
、(《0^) S8(A^,a！) S9(iV4,cr,) _ S7(A^，CT2) &(碼"2) S9(JV4,ct2)
Su(iV4,00 s12(iv(CTl)—
&0(碼"2) &X,CT2) &2(碼"2) .
40,O"20) Su(碼o,0"20) &2(碼0,0^0)_
(2)將所述的平移對稱光柵標(biāo)記置于并精確定位在掩模臺上，通過投影物鏡
在不同數(shù)值孔徑iV4.和部分相干因子(7,.條件下成像通過照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)部分相干因
子，其變化范圍為0.3 0.8，步長為0.1;通過投影物鏡調(diào)節(jié)數(shù)值孔徑，其變化范 圍為0.5~0.8 ，—步長為0. 1 ，在24組不同的照明條件下
({(iV4,<J,.)|i = l,2……24} = {(0.5，0.3)，(0.5,0.4)……(0.8,0.8)})，利用工件臺上的空間
像傳感器測量所述的X方向平移對稱型光柵標(biāo)記成像時X方向的橫向位置偏移量 AX41 (7V4,0"i)和最佳焦面偏移AZ41 (A^,A)，測量所述的Y方向平移對稱型光柵標(biāo)
記成像時Y方向的橫向位置偏移量Ay42(7V4,A)和最佳焦面偏移AZ42(iV4.,tr,.);
(3)根據(jù)標(biāo)定得到的靈敏度矩陣和測量得到的偏移量，計(jì)算投影物鏡的球差和 彗差
首先，利用下列公式，計(jì)算得到X方向平移對稱型光柵標(biāo)記的空間像在X方向
9的成像位置偏移AX(7V4,CTi) 、 Y方向平移對稱型光柵標(biāo)記的空間像在Y方向的成像 位置偏移AY(7V4， A)和最佳焦面偏移量A2^(iV4，和AZmX^V4,cr》
AX(7V4,A)為在不同WA和^條件下測量得到的測試標(biāo)記 的空間像在X方 向的成像位置偏移AXjA^,c7i)，艮P
AX附.,)=AX4I (iV4, );
AY(iV4.,巧)為在不同Wa和》條件下測量得到的Y方向平移對稱型光柵標(biāo)記的 空間像在Y方向的成像位置偏移AY^(A^,q)，艮P
AZ,(iV4,cr,.)為在不同wa和O"條件下測量得到的AZ41 (A^,巧)和 AZ42(iV4，q)的平均值，艮P
△Zs(iV4，cr,)=[AZ41 (iV4,cr,) + AZ42(A^,巧)]/2 ;
AZAv(i^.,cO為在不同"A和cr條件下測量得到的AZ41(iV4,CTi)和 AZ42(A^o"i)之差值，艮P
AZAv (AH, a;. )=AZ41 (M ， q ) - AZ42 (, q);
然后，根據(jù)測量得到的位置偏移量和標(biāo)定得到的靈敏度系數(shù)矩陣，利用最小二 乘法求解方程組下列方程組，得到表示投影物鏡彗差、球差和像散的澤尼克系數(shù)Z2、 Z7、 Z14、 Z3、 Z8、 Z15、 Z4、 Z9、 Zi6、 Z5、 Z12和Z21:
AY(7V^，q)
& (M ， q ) S2 (iV4, q ) & (7V4, q )-
^(A^,o"2) &(碼，0"2) &(iV4,"2)
A(A^) &(iV^) 4(7V4W
S4(A^,CT2) &(碼"2) 5"6(iV4,c72)
Z2
z714.
z3AZ,(iV4,o"！)
S7(A^,q) A(iV4，c^)《9(iV4，o"！) ^(A^crJ 5;(A^2,cT2) S9(A^2，o"2)
'&。(濕W) S!(A^)《2(A^) 510(碼,0"2) Su(iV4，CT2) S12(A^,cr2〕
z4
16
z5
z
z
12
21
本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案，與在先技術(shù)(在先技術(shù)1、在先技術(shù)2)相
比，具有以下優(yōu)點(diǎn) '
平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記的衍射光的偶數(shù)級、± 3和± 5級衍射光均缺級， 因此該標(biāo)記的波像差靈敏度高于在先技術(shù)1和在先技術(shù)2中的測試標(biāo)記的波像差靈 敏度。三種標(biāo)記的彗差線性模型如圖10所示，從圖中可知，平移對稱型相移掩模 光柵標(biāo)記的直線的斜率最大，即其彗差靈敏度最大，使用該標(biāo)記檢測彗差時，其精 度最高。經(jīng)過對本發(fā)明中標(biāo)記對彗差、球差和像散的靈敏度的仿真計(jì)算，可以確信 平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記具有相對較高的波像差靈敏度，用它作為測試標(biāo)記， 可以提高波像差的原位檢測精度。


圖1:在先技術(shù)1中使用的測試標(biāo)記結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2:在先技術(shù)2中使用的測試標(biāo)記結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3:'在先技術(shù)3中使用的測試標(biāo)記結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4:本發(fā)明平移對稱光柵標(biāo)記的示意圖。
圖5:本發(fā)明平移對稱光柵標(biāo)記一個周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6:彗差的線性關(guān)系曲線。
圖7球差的線性關(guān)系曲線
圖8像散的線性關(guān)系曲線
圖9:本發(fā)明采用的波像差檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10: 二元掩模標(biāo)記、相移掩模標(biāo)記和平移對稱型相移掩模標(biāo)記的Coma-IPE 線性關(guān)系。
圖11:平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記對三階彗差Z7的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和
11部分相干因子的變化范圍。
圖12:平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記對五階彗差Z"的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和 部分相干因子的變化范圍。
圖13:平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記對三階球差Z9的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和 部分相干因子的變化范圍。
圖14:平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記對五階球差Zw的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和 部分相干因子的變化范圍。
圖15:平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記對五階像散Z,2的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和 部分相干因子的變化范圍。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不以此實(shí)施例限制本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
先請參閱圖4，圖4:本發(fā)明平移對稱光柵標(biāo)記的示意圖。由圖可見，本發(fā)明
平移對稱光柵標(biāo)記，由X方向平移對稱光柵標(biāo)記41和Y方向平移對稱光柵標(biāo)記42 組成，所述的X方向平移對稱光柵標(biāo)記41的光柵線條沿X方向排列，所述的Y方 向平移對稱光柵標(biāo)記42的光柵線條沿Y方向排列，該平移對稱型光柵標(biāo)記41、 42 的一個周期的結(jié)構(gòu)(參見圖5)是
每一個周期由平行的依次的無間隔排列的10個具有一定寬度的線條區(qū)域組成， 第6 (56)、第7 (57)、第8 (58)、第9 (59)、第10 (510)線條區(qū)域分別和第1 (51)、第2 (52)、第3 (53)、第4 (54)、第5 (55)線條區(qū)域的寬度相等，所述 的第l (51)、第2 (52)、第3 (53)、第4 (54)、第5 (55)線條區(qū)域的寬度的比
值為90: 481: 43: 102: 83;
所述的第l (51)和第6 (56)為不透光區(qū)域，所述的第2 (52)、第4 (54)、 第8 (58)和第IO (510)為180°相移透光區(qū)域，所述的第3 (53)、第5 (55)、 第7 (57)和第9 (59)為0°相移的透光區(qū)域；
所述的周期的取值范圍是(5.3846-0.6， 5.3846+0.6) A/A^4，其中，義為光 刻機(jī)照明光源的波長，#」為光刻機(jī)投影物鏡數(shù)值孔徑可變化范圍內(nèi)的最大值與最小 值的平均值；所述透光區(qū)域的透過率的取值范圍是95%~100%。
所述平移對稱型相移掩模光柵一個周期內(nèi)各部分寬度的最優(yōu)值為標(biāo)記51寬 0. 3033;i/i\^，標(biāo)記52寬1. 6208;i/iV^,標(biāo)記53寬0. 1449;i/iV^，標(biāo)記54寬 0. 3437義/A^ ，標(biāo)記55寬0. 2797義/iVJ 。 Ai4為光刻機(jī)投影物鏡數(shù)值孔徑可變化范 圍內(nèi)其最大與最小值的平均值。
所述光柵一個周期內(nèi)各部分寬度允許在最優(yōu)值附近產(chǎn)生土ll. 14%以內(nèi)的偏差， 即凡屬于此偏差范圍內(nèi)的光柵標(biāo)記均看作平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記。
一種基于光刻機(jī)投影物鏡波像差線性模型的波像差原位檢測方法
首先，基于彗差和成像位置偏移量之間的線性關(guān)系模型(the linear relationship between Coma and Image Placement Error (IPE), Coma-IPE線性模 型)，基于球差和最佳焦面偏移量之間的線性關(guān)系模型(the linear relationship between spherical aberration and Best Focus Shift(BFS)， Spherical-BFS線 性模型)，以及像散和豎直/水平線條光柵相對最佳焦面偏移量的線性關(guān)系模型(the linear relationship between astigmatism and relative best focus shift of horizontal and vertical grating images, Astigmatism- BFShv線性模型)建立投 影物鏡波像差原位檢測線性關(guān)系模型。
光學(xué)光刻成像系統(tǒng)是一個擴(kuò)展物(an extended object)在科勒照明條件下通
過投影物鏡成空間像或光刻膠像的部分相干成像系統(tǒng)。為了方便討論其成像性能，
將空間域和頻率域笛卡兒坐標(biāo)歸一化，采用基于交叉?zhèn)鬟f函數(shù)的Hopkins部分相干
成像理論對該系統(tǒng)建模。歸一化的笛卡兒坐標(biāo)系如式(1)所示。
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中/i是單色光源的波長，NA為投影物鏡的像方數(shù)值孔徑。物面坐標(biāo)(^,j;)和像面
坐標(biāo)(^5)均通過衍射單位A/A^分別歸一化為(x。,凡)和(Xi,;;,.)。光瞳面內(nèi)的坐標(biāo)
(^i)則通過頻率單位A^/義歸一化為(/，g)。物面內(nèi)每一點(diǎn)的坐標(biāo)按照橫向放大因 子M縮放，從而獲得與像面上對應(yīng)的幾何像點(diǎn)相同的坐標(biāo)值。Hopkins部分相干成像公式的標(biāo)量形式如下所示
-00 (2)
其中，rcc(/',g;/",g')為交叉?zhèn)鬟f函數(shù)
rCC(/，g;/,g")= }j>( (/ + /'，g + g)"*(/ + /,g + . (3)
上式中，CK/',g)為掩模的衍射光譜。j(/,g)是在柯勒照明條件下有效光源的強(qiáng)度
分布，采用傳統(tǒng)的部分相干照明方式時
l/u2 V/2+g2"。 (4)
0 of/zerw&e i/(/,g)是投影物鏡的光瞳函數(shù)，表達(dá)式如下
^(/，g)=
-'.與①(/，g)+Z.2血"!"yVl-淑2(/2+g2), ,+g2<l
C 乂 iV^
(5)
0 0// era
其中，0(/,g)是投影物鏡波像差函數(shù)，用正交的條紋澤尼克多項(xiàng)式表示如下
=Zt + Z2/ + Z3g + Z4[2(/2 + g2) _ 1] + Z5(/2 _ g2) + Z7[W)-2]/ + ...
+ Z9[6(/2 + g2)2 -6(/2 + g2) +1] +… ⑥ + Z12[4(/2+g2)-3](/2-g2) + ... + Z14[10(/2 + g2)2 -12(/2 + g2) + 3]/ +... + Z16[20(/2 + g2)3 -30(/2 + g2)2 +12(/2 + g2) -1] +... + Z21 [15(/2 + g2)2 — 20(/2 + g2) + 6](/2 - g2) +… 式(6)列出了要討論的彗差(Z7， Zu)、球差(Z9， Z16)、'和像散(Z12)的澤尼 克多項(xiàng)式。其中，彗差是奇像差，會引起測試標(biāo)記空間像的橫向位置偏移；球差和
像散是偶像差，會引起測試標(biāo)記空間像的最佳焦面偏移。^表示成像面的離焦量，
14以瑞利長度;i/iv^為單位。式(5)在計(jì)算離焦面上的空間像時，考慮了高數(shù)值孔 徑的影響。
當(dāng)相移掩模光柵標(biāo)記通過投影物鏡成像時，其透過率函數(shù)為
僅)=2"/0*
廠e"
、+盧
v 戸乂
標(biāo)記的衍射光譜是透過率函數(shù)t(X。)的傅里葉變換
U/2
、 戸
(7)
z.戸
's/"c(/w./).s/m(;t7^/")。
(8)
其中，p表示相移掩模光柵的幾何周期，即線寬和相位區(qū)寬度之和。；^表示相位區(qū) 的寬度。普通相移掩模光柵標(biāo)記和優(yōu)化相移掩模光柵標(biāo)記滿足+/-1級衍射光雙光束 干涉成像的條件分別是
;i / 2(i—(t)a^ < p s 3;i / 20+和；i / 2(i—o")a^ < s s;i / 20+i)ivx 。艮卩
o(/) = c。p(/—/。)—3(/+/0)],
其中，/。=1/2; and C。 =0.5.z'. '"c(0.25)。根據(jù)(2) - (6)和(9)式， 像的強(qiáng)度分布為
/(x,., Az) = rCC(/。 ， 0; /。, 0) + rCC(-/。 ， 0; /。, 0) +
+ exp(-/4/。x,.) ]]>(/, g) exp(-exp(/〃>^/g +'
+ exp(/4/QA ) _[[ /(/, g) exp(/or) exp(-z'/ )^/g
(9)
標(biāo)記空間
(10)
其中，
= 2;zO(/+/0,g) / ;i + ;rAz[(/+/0)2 + g2] 〃 =2姊(/-/。,g)/;i + ;rAz[(/-/。)2+g2]
(11)
對光瞳函數(shù)^(/,g)中的離焦項(xiàng)取近似如2(/2 + g2) U2(/2 + g2) /2 。,化 簡得
/(x,., Az) = 2C。2 [ JJ/(/， g) cos(" - " — 4;r/j)#^ + 1] (12)
分別求解方程3/0,.， Az = 0)/ = 0和= 0, Az)/3Az = 0得到成像位置偏移量IPE 和最佳焦面偏移量BFS的解<formula>formula see original document page 16</formula>(13)
<formula>formula see original document page 16</formula> (14)
其中，&^_ 和^^一 分別表示成像位置偏移 和最佳焦面偏移 ^靈敏度^數(shù)。S
式(13)和式(14)知，對于偶像差，5孤_ 三0;對于奇像差，&FS— =0。當(dāng)部分相干
因子C7、標(biāo)記結(jié)構(gòu)和數(shù)值孔徑#J 一定時，成像位置偏移量和奇像差澤尼克系數(shù)成 線性關(guān)系，最佳焦面偏移量和偶像差澤尼克系數(shù)成線性關(guān)系。當(dāng)p增大突破雙光束 干涉成像的限制條件時，標(biāo)記空間像由多光束干涉形成，此時無法得到IPE和BFS 的解析表達(dá)式，只能通過數(shù)值計(jì)算來分析其線性關(guān)系模型。圖6、圖7和圖8分別 給出了彗差，球差和像散的線性關(guān)系的數(shù)值解。圖中直線傾斜角的正切值分別對應(yīng) 測試標(biāo)記對該波像差的靈敏度系數(shù)。在本文中， 一種波像差的靈敏度表示當(dāng)其它波 像差均為零時，每1納米波像差引起的成像位置偏移量或最佳焦面偏移量。
需要指出的是，雙光束干涉成像時空間像強(qiáng)度的峰值沒有受到高級次衍射光的 調(diào)制，故而能夠采用極值法確定IPE和BFS。在實(shí)際檢測中，需要通過測量空間像 強(qiáng)度的閾值來確定IPE和CD。確定BFS時則需要掃描不同離焦面內(nèi)的CD值，根據(jù) CD的偏差確定最佳焦面的位置。與球差引起的最佳焦面偏移量不同，像散(Z^和Z21) 引起的最佳焦面偏移量包括水平和垂直兩個方向上的分量，通常由水平放置的光柵 標(biāo)記和垂直放置光柵標(biāo)記的焦面偏移量之差BFShv來決定。
其次，根據(jù)上述理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算的分析結(jié)果，建立投影物鏡波像差原位檢 測線性模型如下
AX0V4,c^S貝.,cr,.)Z2 +S2(iV4,0",.)Z7+S3(iV4,cr;)Z14 ， ( J'-,么J……")，
△Y(iV4,P^.)=S4(A^,cr,)Z3 +S5(iV4,o",.)Z8+S6(iV4,CT,.)Z15 ， (2, J"…v )， (16)
AZJiV4，a","S7(iV4,o",.)Z4 +S8(iV4,tT,.)Z9 +S9(iV4，CT,.)Z16 ， ( J'二入2' J…"'")，
(17)
AZ^(iV4，q戶s,。(iV4，^)Z5 +^(^4，^.)^ +、(^4^)4 ， (a二《……")，(18)上述方程可由以下矩陣方程表示-
<formula>formula see original document page 17</formula>21.
(22)
其中，AX(7V4.,cT,0為在不同廁和o條件下測量得到的測試標(biāo)記 的空間像在X方向的成像位置偏移AX^(A^,o"i)，即
AX(7V4,o"》AX4,(7V4,c7,.)。 (23)△Y(iV4,c7,0為在不同崩和o條件下測量得到的測試標(biāo)記 的空間像在Y方向的成像位置偏移AY42(iV4,c7i)，艮P
AY附.,<7,.)=厶};2 (iV4 ,",■)。 ( 24)
AZ,(A^，(j,.)為在不同朋和。條件下測量得到的AZ^(A^，c7i)和AZ42(iV4，o"i)的平均值，即
△Zj附,cr,.HAZ" (iV^, ) + AZ42 (iV4, q)] / 2 。 ( 25 )
AZ&(W4，c^)為在不同朋和。條件下測量得到的^41(^4,00和厶242(^4,00之差值，即
厶ZKq),(A^)-AZ42(A^,)。 (26)
17S肌ct,.) 、 S2(A^) 、 S"A^.,c7》、S4(iV4,cr;) 、 S5附，cr,.) 、 S6(A^.,(t,.) 、 S7(A^,cr,.)、 S8(A^,,CT,)、 S9(A^.，<7,)、 S,。(A^，cr,.)、 S (iV4.，a;.)、 SJiV4，",)分別為與Z2、 Z7、 Z14、 Z3、 Z8、 Z15、 Z4、 Z9、 Zie、 Z5、 Z,2和^對應(yīng)的像差靈敏度系數(shù)，由下列公式定義:
<formula>formula see original document page 18</formula>(38)
最后，.根據(jù)上述線性模型，提出一種基于所述平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記的 光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測方法。所述方法使用的檢測系統(tǒng)如圖9所示。該系統(tǒng)包括產(chǎn)生照明光束的光源1;用 于調(diào)整所述光源發(fā)出的光束的束腰尺寸、光強(qiáng)分布、部分相干因子和照明方式的照 明系統(tǒng)2;能承載測試掩模3并精確定位的掩模臺5;能將測試掩模3上的測試標(biāo) 記4成像且數(shù)值孔徑可調(diào)的投影物鏡6;能承載硅片并具有三維掃描能力和精確定
位能力的工件臺7， 安裝在工件臺7上用于測量測試掩模3上測試標(biāo)記4的空間像
位置的空間像傳感器8。
所述光源l可以是汞燈、準(zhǔn)分子激光器、激光等離子體光源和放電等離子體光
源等紫外和深紫外光源。
所述照明系統(tǒng)2包括擴(kuò)束透鏡組，光束整形器和光束均勻器。 所述照明方式包括傳統(tǒng)照明、環(huán)形照明、二級照明、四級照明等。 所述測試標(biāo)記4為本發(fā)明內(nèi)容之一的平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記。 所述像傳感器可以是CCD、光電二極管陣列或其它具有光電信號轉(zhuǎn)換功能的探
測器。觀懂測試標(biāo)記4空間像的偏移量時，首先工件臺7調(diào)焦調(diào)平，然后，對測試
標(biāo)記4經(jīng)投影物鏡所成的空間像進(jìn)行三維掃描，測量得到空間像的最佳焦面偏移量
和焦面內(nèi)的成像位置偏移量。
所述投影物鏡波像差原位檢測方法具體操作步驟如下 (1)標(biāo)定投影物鏡6的球差彗差和像散靈敏度系數(shù)。利用光刻仿真軟件PR0LITH
標(biāo)定波像差靈敏度系數(shù)。靈敏度系數(shù)隨投影物鏡的數(shù)值孔徑和照明系統(tǒng)的部分相干
因子變化而變化，為了能夠利用不同照明條件下(7N^,cr,)測量得到的成像位置偏移
量(AX(A^., ) 、 AY(iV^, cr,.) 、 AZ, (iN^, q)和AZ^ (iV4.， q))計(jì)算出表示投影物鏡 波像差的澤尼克系數(shù)，需要標(biāo)定相應(yīng)照明條件下的波像差靈敏度系數(shù)S(AH,c7i)。
照明條件的變化通過在PROLITH軟件中設(shè)置實(shí)現(xiàn)，部分相干因子變化范圍為 0.3~0.8，步長為O. 1;數(shù)值孔徑變化范圍為0.5~0.8，步長為O. 1，可以得到24組
不同的照明條件((A卩4，o"i) I i = 1,2……20} = {(0.5,0.3),(0.5,0.4)……(0.8,0.8)}。舉例說
明靈敏度系數(shù)的標(biāo)定方法如下在標(biāo)定三階彗差Z7的靈敏度系數(shù)S,(iV4,C7,.)時，可 設(shè)定一定的Z,值而取其它澤尼克系數(shù)為零，使用光刻仿真軟件計(jì)算得到由&引起的
成像位置偏移量AZ(iV4,c7,.)，則此時的靈敏度系數(shù)&(AH,cr,.)即為zyr(A^,巧)與Z 之比。Si(iV4.,cr,)、 S3(A^.，cr,.)、 S4(iV4,CT;)、 S5(A^,cr,)、 SJA^'q.) 、 S7(iV4,0";.)、 S8(iV4.,cr,) 、 S9(iV4.,c7,.) 、 S1Q(iV4.，CT;) 、 Su(A^,q)、 S12(iV4，<)的標(biāo)定方法與 &(^,^7,0相似。最后得到(19) (22)式中的四個20x3的靈敏度系數(shù)矩陣。
(2) 測試標(biāo)記4通過投影物鏡6在不同數(shù)值孔徑iV4和部分相干因子q條件下
成像。通過照明系統(tǒng)2調(diào)節(jié)部分相干因子，其變化范圍為0. 3~0. 8，步長為O. 1; 通過投影物鏡6調(diào)節(jié)數(shù)值孔徑，其變化范圍為0.5 0.8，步長為O. 1。在24組不同 的照明條件下(((iV4,o",) I i = 1，2……20} = {(0.5,0.3),(0.5，0.4)……(0.8,0.8)})，利用工件
臺7上的空間像傳感器8測量測試標(biāo)記51成像時X方向的橫向位置偏移量 AXj7V4，^)和最佳焦面偏移AZjAq，c7,j,測量測試標(biāo)記52成像時Y方向的橫
向位置偏移量AI^ (A^,cr,.)和最佳焦面偏移AZ42 (A^,cr,.)。'
(3) 根據(jù)標(biāo)定得到的靈敏度矩陣和測量得到的偏移量，計(jì)算投影物鏡的球差和 彗差。首先，利用(23) ~ (26)式，計(jì)算得到測試標(biāo)記 的空間像在X方向的
成像位置偏移AX(A^,c7i)、測試標(biāo)記 的空間像在Y方向的成像位置偏移
AY(A^O"i)和最佳焦面偏移量AZs(iV4.,CT,.)和AZ^(iV".，o",.)。然后，根據(jù)測量得到的
位置偏移量和標(biāo)定得到的靈敏度系數(shù)矩陣，利用最小二乘法求解方程組(19r(22)， 得到表示投影物鏡彗差、球差和像散的澤尼克系數(shù)Z2、 Z7、.ZW、 Z3、 Z8、 Z15、 Z4、 Z9、
Zi6、 Z5、 Z12禾口 Z21。
本發(fā)明實(shí)施例中所采用的光刻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，光源1采用波長為193nm 的ArF準(zhǔn)分子激光器，照明系統(tǒng)2提供的照明方式為傳統(tǒng)照明，部分相干因子變化 范圍為0. 3~0. 8，步長為0. 1。投影物鏡6的數(shù)值孔徑變化范圍為0. 5 0. 8，步長為 0. 1。測試掩模3上的測試標(biāo)記4采用平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記，如圖5所示， 測試標(biāo)記4的周期(p)為799nm， 51、 51、 53、 54和55的寬度分別為90nm， 481nm， 43nm, 102nm和83nm。
在本實(shí)施例中，利用本發(fā)明內(nèi)容之一的非對稱型光柵檢測光刻機(jī)投影物鏡的球 差和彗差，其步驟如下。
(1)利用光刻仿真軟件PROLITH標(biāo)定投影物鏡的波像差靈敏度系數(shù)矩陣，標(biāo)定方法如發(fā)明內(nèi)容所述，得到靈敏度系數(shù)矩陣如下:
.《(iV4,c7j S2(7V4,q) ^(iV4，o"J
SjA^OrJ S2(iV^,C72) &(碼,0"2) 《(A^o，ct20) S2(A^0，cr20) S3(A^0,C7:
又(A^)豐p巧)
S4(iV4,CT2) &(A^2) S6(A^,cr2)
20 j
s4d,cr20) &(碼0,0"20) &(碼0,":
X(7V4,q) ^(A^,^) ^(iV4,crJ 57(碼，0"2) S8(A^,cr2) &(iV^,o"2)
S7(A^0,°"20) &(^20,"20) S9(iV40，cT2。)—
、(i^,q) ^(iV4,q) ^(A^). &。(碼,(72) ^(A^，o"2) &2(碼,0"2)
&0(碼0,<720)Su(A^o，CT2。) ^2(A^2o,(72o:
(39)
(40)
(41)
(42)
(2) 在不同數(shù)值孔徑iV^和部分相干因子cr,.條件下測量測試標(biāo)記41的X方向 橫向成像位置偏移量AXjiV4，cri)和最佳焦面偏移量AZjiV4,cO ，測量測試標(biāo)記 42的Y方向橫向成像位置偏移量AY^(7V4,c7i)和最佳焦面偏移量AZ"(iV4，c7i)。在
不同照明條件下，每種偏移量測量得到24組數(shù)據(jù)。
(3) 根據(jù)標(biāo)定得到的靈明度系數(shù)矩陣和測量得到的偏移量，利用最小二乘法求 解方程組'(19) ~ (22)，計(jì)算投影物鏡的球差、彗差和像散。計(jì)算方法如說明內(nèi)容 所述。
在測量投影物鏡波像差時，標(biāo)定測試標(biāo)記4的靈敏度矩陣是測量中的關(guān)鍵，而 且靈敏度矩陣中靈敏度系數(shù)的變化范圍直接決定波像差測量精度，其變化范圍越 大，波像差測量精度越高。圖11為本發(fā)明所采用的平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記4對三階彗差Z7的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和部分相干因子的變化范圍。圖12為本發(fā)
明所采用的平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記4對五階彗差Z.W的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔
徑和部分相干因子的變化范圍。圖13為本發(fā)明所采用的平移對稱型相移掩模光柵 標(biāo)記4對三階球差Z9的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和部分相干因子的變化范圍。圖14 為本發(fā)明所采用的平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記4對五階球差Zw的靈敏度系數(shù)隨 數(shù)值孔徑和部分相干因子的變化范圍。圖15為本發(fā)明所采用的平移對稱型相移掩 模光柵標(biāo)記4對五階像散Zn的靈敏度系數(shù)隨數(shù)值孔徑和部分相干因子的變化范圍。 根據(jù)靈敏度系數(shù)變化范圍評價波像差的檢測精度，本實(shí)施例中對投影物鏡球差、彗 差的檢測精度與在先技術(shù)1、 2、 3相比均得到明顯提高。
權(quán)利要求
1、一種平移對稱光柵標(biāo)記，其特征在于由X方向平移對稱光柵標(biāo)記(41)和Y方向平移對稱光柵標(biāo)記(42)組成，所述的X方向平移對稱光柵標(biāo)記(41)的光柵線條沿X方向排列，所述的Y方向平移對稱光柵標(biāo)記(42)的光柵線條沿Y方向排列，該平移對稱型光柵標(biāo)記(41、42)的一個周期的結(jié)構(gòu)是每一個周期由平行的依次的無間隔排列的10個具有一定寬度的線條區(qū)域組成，第6(56)、第7(57)、第8(58)、第9(59)、第10(510)線條區(qū)域分別和第1(51)、第2(52)、第3(53)、第4(54)、第5(55)線條區(qū)域的寬度相等，所述的第1(51)、第2(52)、第3(53)、第4(54)、第5(55)線條區(qū)域的寬度的比值為90∶481∶43∶102∶83；所述的第1(51)和第6(56)為不透光區(qū)域，所述的第2(52)、第4(54)、第8(58)和第10(510)為180°相移透光區(qū)域，所述的第3(53)、第5(55)、第7(57)和第9(59)為0°相移的透光區(qū)域；所述的周期的取值范圍是(5.3846-0.6，5.3846+0.6)λ/NA，其中，λ為光刻機(jī)照明光源的波長，NA為光刻機(jī)投影物鏡數(shù)值孔徑可變化范圍內(nèi)的最大值與最小值的平均值；所述透光區(qū)域的透過率的取值范圍是95％～100％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平移對稱光柵標(biāo)記，其特征在于所述透光區(qū)域的相 移量的偏差為±10%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平移對稱光柵標(biāo)記，其特征在于所述的光柵周期的 最優(yōu)值為5.3846 W丄所述的第l (51)、第2 (52)、第3 (53)、第4 (54)、第 5 (55 )線條區(qū)域的寬度的最優(yōu)值分別為0.3033義/ JVJ 、 1.6208義/ AC4 、 0.1449 A / iV^ 、 0.3437 Wv4和0.2797 。
4、 利用權(quán)利要求1所述的平移對稱光柵標(biāo)記對光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢 測方法，其特征在于包括下列步驟(1)標(biāo)定投影物鏡的球差、彗差和像散靈敏度系數(shù)利用光刻仿真軟件 PROLITH標(biāo)定波像差靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)隨投影物鏡的數(shù)值孔徑和照明系統(tǒng) 的部分相干因子變化而變化，照明條件的變化通過在PROLITH軟件中設(shè)置實(shí)現(xiàn)，部 分相干因子變化范圍為0.3 0.8，步長為O. 1;數(shù)值孔徑變化范圍為0. 5 0. 8，步長為O. 1，可以得到24組不同的照明條件{一，巧)I i = 1,2……24} = {(0.5,0.3),(0.5,0.4)……(0.8,0.8)}。在標(biāo)定三階彗差Z7的靈敏度系數(shù)S2(A^,q)時，設(shè)定一定的Z7值而取其它澤尼 克系數(shù)為零，使用光刻仿真軟件計(jì)算得到由Z7引起的成像位置偏移量AX(A^,q)， 則此時的靈敏度系數(shù)&(iV4，0",)即為AX(iV4.,cr,.)與Z7之比；同法標(biāo)定S,(iV4，o",.) 、 S3(A^，q) 、 S4(iV4,",.) 、 Ss(AH,cTi) 、 S6(A^,ct,.)、 S (iV4,cr,.) 、 S8(AH,《)、S9(7V4,",)、 SI()(AH,s)、 Su(AH,cr》、^(A^.^.);最后 得到下列四個靈敏度系數(shù)矩陣-(2)將所述的平移對稱光柵標(biāo)記(4)置于并精確定位在掩模臺(5)上，通 過投影物鏡(6)在不同數(shù)值孔徑Mi.和部分相干因子(J,.條件下成像通過照明系 統(tǒng)(2)調(diào)節(jié)部分相干因子，其變化范圍為0.3~0.8，步長為0.1;通過投影物鏡(6)S7(A^，cr2) S8(A^，o"2) &(碼，02)調(diào)節(jié)數(shù)值孔徑，其變化范圍為0.5-0.8，步長為0.1，在24組不同的照明條件下 ({(AH,q)|i = l,2……24} = {(0.5,0.3),(0.5,0.4)……(0.8,0.8)})，利用工件臺(7)上的空間像傳感器(8)測量所述的X方向平移對稱型光柵標(biāo)記(41)成像時X方向的 橫向位置偏移量AXjiV^,o"i)和最佳焦面偏移AZjiV4,q)，測量所述的Y方向平 移對稱型光柵標(biāo)記(42)成像時Y方向的橫向位置偏移量A&(q，c7,.;)和最佳焦面 偏移AZ^(A^,o",.);(3)根據(jù)標(biāo)定得到的靈敏度矩陣和測量得到的偏移量，計(jì)算投影物鏡的球差和 彗差首先，'利用下列公式，計(jì)算得到X方向平移對稱型光柵標(biāo)記(41)的空間像在 X方向的成像位置偏移AX(A^,cJi)、 Y方向平移對稱型光柵標(biāo)記(42)的空間像在Y方向的成像位置偏移AY(iV^,o"i)和最佳焦面偏移量AZ,(iV^,q)和AZ^(i^.,q): AX(7V4,CT,.)為在不同NA和cr條件下測量得到的測試標(biāo)記41的空間像在X方向的成像位置偏移AXji^,cTi)，即 AX(iV4, cr,. )=AX41 ,q );AY(iV4,^)為在不同NA和cr條件下測量得到的Y方向平移對稱型光柵標(biāo)記 (42)的空間像在Y方向的成像位置偏移AY42(A^,q)，艮P AY(iV4,。,),(A^)AZ,(iV4,o",.)為在不同NA和CT^:件下測量得到的AZ41 (A^q)和AZ化(i^A) 的平均值，即AZS (7V4, q )=[AZ41 ( , ) + AZ42 ， q )] / 2 ;AZ^(iV4,cO為在不同NA和^r條件下測量得到的AZ^(7V4,cTi)和AZ42(iV4,o"i)之差值，即△ZAv(iV4,CT!.)=AZ41 (iV4.,c7i)-AZ42 (iV4,cr,〕；然后，根據(jù)測量得到的位置偏移量和標(biāo)定得到的靈敏度系數(shù)矩陣，利用最小二乘法求解方程組下列方程組，得到表示投影物鏡彗差、球差和像散的澤尼克系數(shù)Z2、 Z7、 Z14、.Z3、 Z8、 Z15、 Z4、 Z9、 Z16、 Z5、 Z12和Z21:<formula>formula see original document page 5</formula>
全文摘要
一種平移對稱標(biāo)記及光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測方法，所述平移對稱標(biāo)記由X方向平移對稱光柵標(biāo)記和Y方向平移對稱光柵標(biāo)記組成，該平移對稱型光柵標(biāo)記的一個周期的結(jié)構(gòu)是每一個周期由平行的依次的無間隔排列的10個具有一定寬度的線條區(qū)域組成，所述的第1和第6為不透光區(qū)域，所述的第2、第4、第8和第10為180°相移透光區(qū)域，所述的第3、第5、第7和第9為0°相移的透光區(qū)域。利用該平移對稱型相移掩模光柵標(biāo)記對光刻機(jī)投影物鏡波像差原位檢測，可較大地提高光刻機(jī)投影物鏡波像差靈敏度。
文檔編號G03F1/42GK101556431SQ200910051320
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者勃 彭, 曹宇婷, 段立峰, 畢群玉, 王向朝, 王渤帆, 袁瓊雁, 邱自成, 黃炳杰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所