專利名稱：一種投影物鏡波像差檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)波像差檢測裝置及方法，尤其涉及在光刻投影曝光系統(tǒng)中投影物鏡的波像差高精度檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)投影光刻是利用光學(xué)投影成像的原理，將掩膜上的集成電路(IC)圖形以分步重復(fù)或步進(jìn)掃描曝光的方式將高分辨率的圖形轉(zhuǎn)移到涂膠硅片上。光學(xué)投影光刻技術(shù)是目前大規(guī)模低成本生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的最有效方法，該技術(shù)還廣泛應(yīng)用于平板顯示、半導(dǎo)體照明等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，在全球信息化過程起著關(guān)鍵作用。隨著超大規(guī)模電路(VLSI)的器件密度越來越高，其特征尺寸變得越來越小，光刻機(jī)使用的波長越來越短，數(shù)值孔徑NA越來越大，這對光刻曝光系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，特別是波像差。
在光刻曝光系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，工作環(huán)境的變化、鏡片受熱不均勻等因素都會(huì)導(dǎo)致波像差的劇烈變化，而且這個(gè)變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。因此，加工、制造和維護(hù)如此高精度的光學(xué)系統(tǒng)，對投影物鏡波像差測量提出了空前的挑戰(zhàn)，要求其測量速度快、精度高、易于集成。光刻投影物鏡波像差在線檢測方法經(jīng)歷了基于光刻膠曝光的方法、基于空中像的方法和在線相位測量干涉儀(PMI)三個(gè)階段，前兩種方法的測量精度和測量速度都不能滿足高分辨率光刻系統(tǒng)的要求。目前三大光刻機(jī)廠商在其主流機(jī)型中都采用了相應(yīng)的相位測量干涉儀，如Nikon的哈特曼傳感器、Canon的線衍射干涉儀、ASML的橫向剪切干涉儀。美國專利US7268891提出了一種用于測量EUV系統(tǒng)波像差的剪切干涉儀，利用硅片面的二維棋盤形光柵對被測波面進(jìn)行剪切，利用掩模面的一維反射式線性光柵進(jìn)行移相。該方法需要使用兩個(gè)光柵，兩個(gè)精密工件臺，成本較高。而且反射光柵上有很多反射小點(diǎn)構(gòu)成，會(huì)造成許多能量損失，光能利用率不高。中國專利201010175495中首先采用準(zhǔn)直物鏡對被測波面進(jìn)行準(zhǔn)直，然后使用正交相位光柵來產(chǎn)生剪切，通過改變剪切光柵與探測器的距離來改變剪切比。由于光刻投影物鏡波像差的測量精度要求很高，該方法中的準(zhǔn)直物鏡不可避免地會(huì)引入像差；用來改變剪切比的調(diào)整裝置的定位精度和平行度的要求也很高；由于準(zhǔn)直物鏡和光柵調(diào)整機(jī)構(gòu)會(huì)占用比較大的空間，在硅片面工件臺的狹小空間里實(shí)施比較困難；由于光柵的衍射級很多，在相位復(fù)原時(shí)采用單幀干涉圖，受雜光和高級衍射光的影響，其計(jì)算精度不高，難以達(dá)到高精度測量波像差的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種投影物鏡波像差測量裝置和方法，避免了多個(gè)光柵、準(zhǔn)直物鏡引入像差和干涉圖處理方法精度不高的缺點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種投影物鏡波像差檢測裝置，其特點(diǎn)在于從光線入射方向依次包括光源101、照明系統(tǒng)102、二次光源模塊103、被測投影物鏡104、探測模塊105、圖像采集器106、控制器107、計(jì)算機(jī)108 ;其中二次光源模塊103用于進(jìn)一步改善光刻機(jī)照明視場的不均勻性和空間相干性，并為投影物鏡波像差檢測提供理想物點(diǎn)，它包括散射板201、掩模板202和掩模臺203 ;探測模塊105用于對被測波前進(jìn)行衍射，產(chǎn)生剪切干涉，并采集剪切干涉圖，包括二維光柵211、硅片臺212、熒光材料213、濾光片214和面陣探測器215 ;光源101發(fā)出的激光通過傳輸光路導(dǎo)入照明系統(tǒng)102，經(jīng)照明系統(tǒng)102的光路折轉(zhuǎn)、擴(kuò)束和光學(xué)變換后，在被測投影物鏡104的物面(掩模面)上形成均勻照明光；二次光源模塊103安裝在被測投影物鏡104的物面一側(cè)，經(jīng)過二次光源模塊103出射的測試光通過被測投影物鏡104后，測試光的波前會(huì)攜 帶著被測投影物鏡104的波像差信息，其中散射板201位于在掩模板202上方，用于進(jìn)一步均勻光場、消除空間相干性；掩模板202安裝在掩模臺203上，掩模板202位于被測投影物鏡104的物面，通過移動(dòng)掩模臺203來選擇測量視場點(diǎn)位置，掩模板202的中心制作有針孔或針孔陣列，提供用于檢測的理想視場點(diǎn)，掩模板202的周邊制作有定位標(biāo)記，用于掩模板202定位和系統(tǒng)標(biāo)定，被測投影物鏡104將掩模板202上的針孔成像在物鏡的焦面；散射板201和掩模板202均承載在掩模臺203上，通過計(jì)算機(jī)108控制和驅(qū)動(dòng)掩模臺203，移動(dòng)針孔到設(shè)定位置；被測投影物鏡104將掩模板202上的針孔成像在物鏡的焦面；探測模塊105位于被測投影物鏡104像面一側(cè)，其中二維光柵211位于被測投影物鏡104的像面，用于對被測波前產(chǎn)生二維剪切；硅片臺212用于對準(zhǔn)測量視場點(diǎn)，并移動(dòng)二維光柵211進(jìn)行相移；熒光材料213將深紫外光轉(zhuǎn)換為易于探測的可見光，濾光片214用于過濾未轉(zhuǎn)換的深紫外光和雜光，面陣探測器215用于采集干涉圖；熒光材料213、濾光片214和面陣探測器215依次位于二維光柵211下方，二維光柵211和面陣探測器215安裝在硅片臺212上，通過硅片臺212橫向移動(dòng)二維光柵211實(shí)現(xiàn)相移，相移量與二維光柵211周期成反比，與二維光柵211的移動(dòng)量成正比；圖像采集器106分別與面陣探測器215和計(jì)算機(jī)108相連連接，負(fù)責(zé)探測器圖像信號的采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理；控制器107分別與掩模臺203、硅片臺212相連接，同時(shí)還與計(jì)算機(jī)108相連接，控制器107用于驅(qū)動(dòng)和控制掩模臺和硅片臺的運(yùn)動(dòng)、位置探測；計(jì)算機(jī)108用于測量過程控制，測量數(shù)據(jù)存儲，干涉圖數(shù)據(jù)的處理和分析。所述二維光柵211為振幅型光柵，將被測波前進(jìn)行二維衍射，能量主要集中在0級和±1級衍射，一級衍射有四個(gè)(_1，1)、(1，1)、(-1，-I)、(1，-I)，四個(gè)一級衍射在二維方向上錯(cuò)開一定的距離，產(chǎn)生剪切干涉。所述二維光柵211是棋盤形光柵，占空比為50%，一級衍射和零級衍射的剪切方向與所述棋盤形光柵方向成45°，在剪切方向上的等效光柵周期為光柵周期的^倍。所述二維光柵211是交叉光柵，由兩個(gè)一維光柵交叉90°得到，或者在基板上直接刻蝕出該二維光柵。所述掩模板202上的針孔或針孔陣列的直徑b根據(jù)干涉條紋的可見度和剪切比來確定，A/(4X2NAXSR) ^ b < X/(2NAXSR)，其中，A為工作波長，NA為投影物鏡物方數(shù)值孔徑，SR為剪切比。硅片臺212的運(yùn)動(dòng)方向與二維光柵211方向平行，硅片臺212運(yùn)動(dòng)同時(shí)改變兩個(gè)剪切方向的相移量，或者硅片臺212的運(yùn)動(dòng)方向與二維光柵211方向成45°，硅片臺212運(yùn)動(dòng)只改變一個(gè)剪切方向的相移量。一種投影物鏡波像差檢測方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下
(I)首先對探測模塊105進(jìn)行光瞳坐標(biāo)標(biāo)定，建立光瞳坐標(biāo)與面陣探測器215直角平面坐標(biāo)的映射關(guān)系；(2)將二次光源模塊103安裝在光刻投影物鏡物面一側(cè)，根據(jù)干涉條紋的可見度和剪切比選擇針孔，調(diào)整光源101、照明系統(tǒng)102和掩模板202的針孔位置，使針孔位于被測投影物鏡的物面上，通過計(jì)算機(jī)108控制掩模臺203，將針孔移動(dòng)到設(shè)定的物方視場點(diǎn)位置；(3)將標(biāo)定好的探測模塊105安裝在光刻投影物鏡像面一側(cè)，調(diào)整硅片臺212對二維光柵211進(jìn)行對準(zhǔn)和調(diào)平，將二維光柵211調(diào)整到投影物鏡像面上，通過計(jì)算機(jī)108控制 硅片臺212移動(dòng)到被測視場點(diǎn)位置，使用面陣探測器215采集剪切干涉圖，硅片臺212沿X或Y方向進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相移功能，將相移過程中得到的一系列干涉圖存入計(jì)算機(jī)108 ；(4)單個(gè)視場點(diǎn)波像差的計(jì)算方法將相移得到的干涉圖通過傅里葉變換提取出一級衍射信息，根據(jù)相移算法和像素獨(dú)立特性，計(jì)算出各點(diǎn)的波前斜率，然后將探測器坐標(biāo)映射到光瞳坐標(biāo)，再通過傅里葉變換和最小二乘擬合的方法進(jìn)行波前重構(gòu)，得到被測投影物鏡的在該視場點(diǎn)的波像差；(5)同步移動(dòng)掩模臺203和硅片臺212到下一個(gè)視場點(diǎn)，通過對準(zhǔn)、采集干涉圖、相移、波前擬合等步驟后，得到該視場點(diǎn)的波像差，以此重復(fù)，直至測量出所有視場點(diǎn)的波像差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明采用二維光柵同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩維方向上的剪切，使用過程中不需要更換光柵，節(jié)省測量時(shí)間；同時(shí)通過二維光柵的不同布局方式，可以靈活地調(diào)整其剪切方向；(2)本發(fā)明沒有準(zhǔn)直物鏡，結(jié)構(gòu)緊湊，避免了引入難以準(zhǔn)確標(biāo)定的系統(tǒng)誤差；(3)此外，本發(fā)明具有集成相移功能，通過硅片臺移動(dòng)二維光柵進(jìn)行相移，相移精度高，且相位計(jì)算時(shí)只與各像素點(diǎn)的光強(qiáng)變化有關(guān)，相位求解精度很高。


圖I為一個(gè)投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)的示意圖；圖2為二維光柵形狀、布局和剪切方向的示意圖；圖3為交叉光柵和棋盤光柵的衍射光強(qiáng)分布圖；圖4為相移過程中相位變化的示意圖；圖5為相移過程中不同衍射級的相位矢量變化示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I為本發(fā)明投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)的示意圖，它包括光源101、照明系統(tǒng)102、二次光源模塊103、被測投影物鏡104、探測模塊105、圖像采集器106、控制器107、計(jì)算機(jī)108，其中二次光源模塊103包括散射板201、掩模板202、掩模臺203，探測模塊105包括二維光柵211、硅片臺212、熒光材料213、濾光片214、面陣探測器215。光源101發(fā)出的光經(jīng)過后面的照明系統(tǒng)102，在光刻機(jī)的掩模面上形成所期望的照明模式和光場分布，為后續(xù)檢測和光刻提供光能。在DUV曝光光學(xué)系統(tǒng)中,光源101 —般為ArF、KrF準(zhǔn)分子激光器，其相應(yīng)發(fā)出的波長約為193nm、248nm。照明系統(tǒng)102具有擴(kuò)束、準(zhǔn)直、光束穩(wěn)定、光瞳形狀變換、相干因子調(diào)節(jié)、能量探測、視場勻光和視場選擇等功能。二次光源模塊103位于照明系統(tǒng)102下方的掩模面附近，對照明光場進(jìn)行進(jìn)一步均勻化，并消除空間相干性、激光散斑的影響，選擇波像差檢測的視場點(diǎn)。其中散射板201位于二次光源模塊103的上部，尺寸稍大于掩模面的照明視場尺寸，散射板201主要用于均勻光場和消除照明視場的空間相干性；掩模板202位于散射板201的下面，安裝在掩模臺203上，并將其對準(zhǔn)到被測投影物鏡的物面上，即掩模面，通過掩模臺203移動(dòng)掩模板202的位置來選擇視場點(diǎn)，并通過掩模板202上的針孔過濾掉多余的雜光，針孔的大小與條紋可見度和剪切比有關(guān)，可以制作在掩模板202上，同時(shí)對準(zhǔn)標(biāo)記和標(biāo)定標(biāo)記也可以制作在掩模板202上。探測模塊105位于被測投影物鏡104下方，主要實(shí)現(xiàn)對被測波前的剪切，相移和圖像采集功能。其中二維光柵211安裝在硅片臺212上，可以隨硅片臺212實(shí)現(xiàn)二維精確移動(dòng)，二維光柵211的移動(dòng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)剪切和相移功能。二維光柵211下面依次為熒光材料213、濾光片214及面陣探測器215，熒光材料213可以將深紫外(DUV)或極紫外(EUV)光轉(zhuǎn)換成易于探測的可見光，如YAG:Ce閃爍晶體、CaSiCe薄膜；濾光片214主要用于濾除未轉(zhuǎn)換的DUV雜光；面陣探測器215主要用于采集剪切干涉圖。圖像采集器106主要負(fù)責(zé)探測器圖像信號的采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理?？刂破?07用于掩模臺203和硅片臺212的驅(qū)動(dòng)、位置探測、工件臺運(yùn)動(dòng)位置和速度的控制。計(jì)算機(jī)108主要用于測量過程控制，測量數(shù)據(jù)存儲，干涉圖數(shù)據(jù)的處理和分析。圖2為二維光柵形狀、布局和剪切方向的示意圖。二維光柵211是一種棋盤形光柵，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)均為正方形，從X、Y方向上看均為Ronchi光柵，占空比為50%。對于振幅型棋盤形光柵，其透射函數(shù)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種投影物鏡波像差檢測裝置，其特征在于從光線入射方向依次包括光源(101)、照明系統(tǒng)(102)、二次光源模塊(103)、被測投影物鏡(104)、探測模塊(105)、圖像采集器(106)、控制器(107)、計(jì)算機(jī)(108);其中二次光源模塊(103)包括散射板(201)、掩模板(202)和掩模臺(203);探測模塊(105)包括二維光柵(211)、硅片臺(212)、熒光材料(213)、濾光片(214)和面陣探測器(215);光源(101)發(fā)出的激光通過傳輸光路導(dǎo)入照明系統(tǒng)(102)，經(jīng)照明系統(tǒng)(102)的光路折轉(zhuǎn)、擴(kuò)束和光學(xué)變換后，在被測投影物鏡(104)的物面即掩模面上形成均勻照明光；二次光源模塊(103)安裝在被測投影物鏡(104)的物面一側(cè)，經(jīng)過二次光源模塊(103)出射的測試光通過被測投影物鏡(104)后，測試光的波前會(huì)攜帶著被測投影物鏡(104)的波像差信息；散射板(201)位于在掩模板(202)上方，用于進(jìn)一步均勻光場、消除空間相干性；掩模板(202)安裝在掩模臺(203)上，掩模板(202)位于投影物鏡(104)的物面，通過移動(dòng)掩模臺(203)來選擇測量視場點(diǎn)位置，掩模板(202)的中心制作有針孔或針孔陣列，掩模板(202)的周邊制作有定位標(biāo)記，被測投影物鏡(104)將掩模板(202)上的針孔成像在物鏡的焦面；散射板(201)和掩模板(202)均承載在掩模臺(203)上，通過計(jì)算機(jī)(108)控制和驅(qū)動(dòng)掩模臺(203)，移動(dòng)針孔到設(shè)定位置；被測投影物鏡(104)將掩模板(202)上的針孔成像在物鏡的焦面；探測模塊(105)位于被測投影物鏡(104)像面一偵牝其中二維光柵(211)位于被測投影物鏡(104)的像面，用于對被測波前產(chǎn)生二維剪切；硅片臺(212)用于對準(zhǔn)測量視場點(diǎn)，通過硅片臺(212)橫向移動(dòng)二維光柵(211)可以實(shí)現(xiàn)相移，相移量與二維光柵(211)周期成反比，與二維光柵(211)的移動(dòng)量成正比；熒光材料(213)將深紫外光轉(zhuǎn)換為易于探測的可見光，濾光片(214)用于過濾未轉(zhuǎn)換的深紫外光和雜光，面陣探測器(215)用于采集干涉圖；熒光材料(213)、濾光片(214)和面陣探測器(215)依次位于二維光柵(211)下方，二維光柵(211)和面陣探測器(215)安裝在硅片臺(212)上，隨硅片臺(212)實(shí)現(xiàn)二維精確移動(dòng)；圖像采集器(106)分別與面陣探測器(215)和計(jì)算機(jī)(108)相連連接，負(fù)責(zé)探測器圖像信號的采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理；控制器(107)分別與掩模臺(203)、硅片臺(212)相連接，同時(shí)還與計(jì)算機(jī)(108)相連接，控制器(107)用于驅(qū)動(dòng)和控制掩模臺和硅片臺的運(yùn)動(dòng)、位置探測；計(jì)算機(jī)(108)用于測量過程控制，測量數(shù)據(jù)存儲，干涉圖數(shù)據(jù)的處理和分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的投影物鏡波像差檢測裝置，其特征在于所述二維光柵(211)為振幅型光柵，將被測波前進(jìn)行二維衍射，能量主要集中在0級和土 I級衍射，一級衍射，即±1級衍射有四個(gè)(-1，1)、(1，1)、(-1，-1)、(1，-1)，四個(gè)一級衍射在二維方向上錯(cuò)開一定的距離，產(chǎn)生剪切干涉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的投影物鏡波像差檢測裝置，其特征在于所述二維光柵(211)是棋盤形光柵，占空比為50%，一級衍射和零級衍射的剪切方向與所述棋盤形光柵方向成45°，在剪切方向上的等效光柵周期為光柵周期的^倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的投影物鏡波像差檢測裝置，其特征在于所述二維光柵(211)是交叉光柵，由兩個(gè)一維光柵交叉90°得到，或者在基板上直接刻蝕出該二維光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的投影物鏡波像差檢測裝置，其特征在于所述掩模板(202)上的針孔或針孔陣列的直徑b根據(jù)干涉條紋的可見度和剪切比來確定，入/(4X2NAXSR)彡13〈入/(2應(yīng)\51 )，其中，\為工作波長，NA為投影物鏡物方數(shù)值孔徑，SR為剪切比。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的投影物鏡波像差檢測裝置，其特征在于所述硅片臺(212)的運(yùn)動(dòng)方向與二維光柵(211)方向平行，硅片臺(212)運(yùn)動(dòng)同時(shí)改變兩個(gè)剪切方向的相移量，或硅片臺(212)運(yùn)動(dòng)方向與二維光柵(211)方向成45°，硅片臺(212)運(yùn)動(dòng)只改變一個(gè)剪切方向的相移量。
7.一種投影物鏡波像差檢測方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下 (I)首先對探測模塊(105)進(jìn)行光瞳坐標(biāo)標(biāo)定，建立光瞳坐標(biāo)與面陣探測器(215)直角平面坐標(biāo)的映射關(guān)系； (2 )將二次光源模塊(103 )安裝在光刻投影物鏡物面一側(cè)，根據(jù)干涉條紋的可見度和剪切比選擇針孔，調(diào)整光源(101)、照明系統(tǒng)(102)和掩模板(202)的針孔位置，使針孔位于投影物鏡的物面上，通過計(jì)算機(jī)(108)控制掩模臺(203)，將針孔移動(dòng)到設(shè)定的物方視場點(diǎn)位置； (3)將標(biāo)定好的探測模塊(105)安裝在光刻投影物鏡像面一側(cè)，調(diào)整硅片臺(212)對二維光柵(211)進(jìn)行對準(zhǔn)和調(diào)平，將二維光柵(211)調(diào)整到投影物鏡像面上，通過計(jì)算機(jī)(108)控制硅片臺(212)移動(dòng)到被測視場點(diǎn)位置，使用面陣探測器(215)采集剪切干涉圖，硅片臺(212)沿X或Y方向進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相移功能，將相移過程中得到的一系列干涉圖存入計(jì)算機(jī)(108)； (4)單個(gè)視場點(diǎn)波像差的計(jì)算方法將相移得到的干涉圖通過傅里葉變換提取出一級衍射信息，根據(jù)相移算法和像素獨(dú)立特性，計(jì)算出各點(diǎn)的波前斜率，然后將探測器坐標(biāo)映射到光瞳坐標(biāo)，再通過傅里葉變換和最小二乘擬合的方法進(jìn)行波前重構(gòu)，得到被測投影物鏡的在該視場點(diǎn)的波像差； (5)同步移動(dòng)掩模臺(203)和硅片臺(212)到下一個(gè)視場點(diǎn)，通過對準(zhǔn)、采集干涉圖、相移、波前重構(gòu)后，得到該視場點(diǎn)的波像差，以此重復(fù)，直至測量出所有視場點(diǎn)的波像差。
全文摘要
一種投影物鏡波像差檢測裝置及方法，光源發(fā)出的光線均勻照明在投影物鏡物面上，散射板和針孔安裝在掩模臺上，針孔位于投影物鏡的物面，通過掩模臺移動(dòng)進(jìn)行視場選擇，剪切光柵位于投影物鏡的像面，和探測器一起安裝在硅片臺上，通過硅片臺的橫向精密移動(dòng)光柵實(shí)現(xiàn)相移功能，同時(shí)使用探測器記錄相移過程中的每一幀剪切干涉圖。本發(fā)明使用二維光柵實(shí)現(xiàn)了二維剪切，同時(shí)將相移功能集成到剪切干涉儀中，結(jié)合其相位空間矢量特性，實(shí)現(xiàn)了投影物鏡波像差的高精度測量。
文檔編號G03F7/20GK102681365SQ20121015452
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者何毅, 劉學(xué)峰, 劉志祥, 呂保斌, 甘大春, 陳紅麗 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所