本發(fā)明涉及光刻機(jī)，特別是一種光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

光刻機(jī)是極大規(guī)模集成電路制造的核心設(shè)備之一。投影物鏡是光刻機(jī)最重要的分系統(tǒng)之一。投影物鏡的成像質(zhì)量是決定光刻線條質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。隨著光刻節(jié)點(diǎn)向1x nm分辨率以下發(fā)展，要求產(chǎn)率達(dá)到250wph。產(chǎn)率的提高造成光刻機(jī)掩模熱效應(yīng)和投影物鏡熱像差，影響光刻機(jī)套刻精度和投影物鏡成像質(zhì)量。要求能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量光刻系統(tǒng)的畸變、場(chǎng)曲及波像差。

一般光刻機(jī)采用不同的傳感器檢測(cè)畸變、場(chǎng)曲及波像差參數(shù)?；兒蛨?chǎng)曲參數(shù)通過光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的掃描實(shí)現(xiàn)；波像差采用原位波像差傳感器實(shí)現(xiàn)，通過掃描實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)波像差檢測(cè)。荷蘭ASML公司報(bào)道了一種多通道像質(zhì)傳感器(參考在先技術(shù)[1]，Wim de Boeij,Remi Pieternella,et al.,Extending immersion lithography down to 1x nm production nodes.Proc.of SPIE Vol.8683,86831L(2013))，替代了原有的TIS同軸對(duì)準(zhǔn)及畸變、場(chǎng)曲等初級(jí)像差檢測(cè)功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)光刻投影物鏡7個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)波像差的并行檢測(cè)，波前檢測(cè)結(jié)果從Z5～Z37Zernike系數(shù)擴(kuò)展至Z2～Z64Zernike系數(shù)。

但是，由于探測(cè)器像素有限，同時(shí)探測(cè)7個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的波像差必然導(dǎo)致每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)有效探測(cè)像素?cái)?shù)的降低，在保證波像差檢測(cè)空間分辨率的前提下(檢測(cè)至Z64Zernike系數(shù))，很難提高檢測(cè)并行通道數(shù)。而提高檢測(cè)并行通道數(shù)能夠提高畸變、場(chǎng)曲檢測(cè)精度，提高熱效應(yīng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

另一方面，原位成像質(zhì)量檢測(cè)速度是影響光刻機(jī)產(chǎn)率的重要因素，提高原位成像質(zhì)量檢測(cè)速度也是原位成像質(zhì)量檢測(cè)傳感器改進(jìn)的重要方面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置及方法，以快 速地原位檢測(cè)光刻機(jī)投影物鏡的波像差及畸變、場(chǎng)曲。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置，該裝置包括光刻機(jī)的光源、照明系統(tǒng)、掩模臺(tái)、投影物鏡、工件臺(tái)和計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)在于，還包括物面光柵板和波像差傳感器；所述的物面光柵板置于掩模臺(tái)上，所述的波像差傳感器置于工件臺(tái)上，所述的波像差傳感器與計(jì)算機(jī)相連；

所述的物面光柵板由n組占空比為50％的物面光柵組成；每組物面光柵包括光柵線沿y方向的第一光柵和光柵線沿x方向的第二光柵，周期為P_oX；

所述的波像差傳感器包括沿光束傳播方向依次放置的像面光柵板、小孔陣列和二維光電傳感器；

所述的像面光柵板包括n組占空比50％的像面光柵，周期為P_iX；

所述的第一光柵和第二光柵的周期P_oX與所述的像面光柵的周期P_iX滿足如下關(guān)系；

P_oX＝P_iX·M

其中，M為光刻機(jī)投影物鏡(5)的成像放大倍數(shù)，P_iX由剪切率s_X、光源波長(zhǎng)λ和光刻機(jī)投影物鏡的數(shù)值孔徑NA決定：

$P_{\mathrm{iX}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2s_X\·\mathrm{NA}};$

所述的物面光柵板上每組物面光柵之間的間距d_o與像面光柵板上每個(gè)像面光柵之間的間距d_i滿足如下關(guān)系：

$d_o=d_i\·M,$

物面光柵板上每組物面光柵的第一光柵和第二光柵之間的間距相等，物面光柵的組數(shù)與像面光柵的數(shù)目相等，皆為n，所述的n為大于1的自然數(shù)。

所述的第一光柵和第二光柵是相位光柵或振幅光柵型的一維反射式光柵或者一維透射式光柵。

所述的小孔陣列的周期等于所述的光電二維傳感器的像素周期，小孔陣列的小孔位置與所述的光電二維傳感器的像素位置一一對(duì)應(yīng)，所述的光電二維傳感器像素大小與所述的小孔陣列的小孔的直徑的比值為S。

所述的二維光電傳感器是照相機(jī)、CCD、CMOS圖像傳感器、PEEM，或二維 光電探測(cè)器陣列。

所述的像面光柵為相位光柵或振幅光柵型的二維透射式光柵。

利用上述光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，包括下列步驟：

①將所述的物面光柵板置于掩模臺(tái)上，調(diào)節(jié)掩模臺(tái)，使所述的物面光柵板的n組第一光柵位于光刻機(jī)投影物鏡的物方視場(chǎng)位置；

②由光源發(fā)出的光經(jīng)過照明系統(tǒng)的調(diào)整后，均勻照明所述的物面光柵板的n組第一光柵；

③將波像差傳感器置于工件臺(tái)上，調(diào)節(jié)工件臺(tái)，使像面光柵板位于光刻機(jī)投影物鏡的像面上；

④調(diào)整工件臺(tái)，使n組像面光柵分別與n組物面光柵的第一光柵經(jīng)過光刻機(jī)投影物鏡所成的像對(duì)準(zhǔn)；

⑤采用相移技術(shù)，沿x方向多次移動(dòng)所述的工件臺(tái)，每次移動(dòng)后所述的波像差傳感器采集一幅剪切干涉圖輸入所述的計(jì)算機(jī)，所述的計(jì)算機(jī)從采集得到的干涉圖中計(jì)算得到n個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的x方向剪切相位信息；

⑥調(diào)整掩模臺(tái)，使物面光柵板的n組第二光柵分別運(yùn)動(dòng)至n組第一光柵的位置，n組第二光柵經(jīng)過光刻機(jī)投影物鏡所成的像與n組像面光柵分別對(duì)準(zhǔn)；

⑦采用相移技術(shù)，沿y方向多次移動(dòng)工件臺(tái)，每次移動(dòng)后所述的波像差傳感器采集一幅剪切干涉圖并輸入所述的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)從采集得到的干涉圖中計(jì)算得到n個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的y方向剪切相位信息；

⑧將步驟⑤、⑦得到的剪切相位信息解包裹，分別得到光刻機(jī)投影物鏡在n個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的x方向和y方向的剪切波前ΔW_x和ΔW_y，將所述的剪切波前進(jìn)行重建，獲得光刻機(jī)投影物鏡在n個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的波像差；從n個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的波像差的波面傾斜和離焦數(shù)據(jù)計(jì)算光刻機(jī)投影物鏡的畸變和場(chǎng)曲。

與在先技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明在波像差傳感器中引入了小孔陣列，采用小孔陣列將成像質(zhì)量原位檢測(cè)的空間分辨率提高了S²倍，從而有效降低了每個(gè)通道二維光電傳感器使用的像素?cái)?shù)，提高了成像質(zhì)量并行檢測(cè)通道數(shù)，并行檢測(cè)通道最大可以提高S²倍

2)由于每個(gè)通道二維光電傳感器使用的像素?cái)?shù)的減小，減小了數(shù)據(jù)運(yùn)算量，從而提高了檢測(cè)速度，檢測(cè)速度最大可以提高S²倍。

3)通過多通道同時(shí)檢測(cè)，使得波像差傳感器具備了同時(shí)檢測(cè)畸變與場(chǎng)曲等像質(zhì) 參數(shù)的能力。

附圖說明

圖1本發(fā)明光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2本發(fā)明物面光柵板示意圖。

圖3本發(fā)明的波像差傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4本發(fā)明的涉及到的像面光柵板示意圖。

圖5相當(dāng)于無小孔陣列的檢測(cè)誤差。

圖6相當(dāng)于加小孔陣列的檢測(cè)誤差。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此實(shí)施實(shí)例限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是本發(fā)明的光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置包括光刻機(jī)的光源1、照明系統(tǒng)2、掩模臺(tái)4、光刻機(jī)投影物鏡5、工件臺(tái)7，還包括置于掩膜臺(tái)4上的物面光柵板3和置于工件臺(tái)7上的波像差傳感器6以及與波像差傳感器6相連的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)8；本實(shí)施例的光源1的波長(zhǎng)為193nm；n＝14，所述的物面光柵板3由14組周期為41.52μm且占空比為50％的物面光柵組成(參見圖2)，包括光柵線沿y方向的第一光柵3A1～3N1和光柵線沿x方向的第二光柵3A2～3N2；所述的像面光柵板601包括14組占空比50％的像面光柵601A～601N；像面光柵601A～601N采用二維棋盤光柵；像面光柵601A～601N的周期為10.38μm；物面光柵與像面光柵均為透射式振幅光柵；光刻機(jī)投影物鏡5的數(shù)值孔徑為0.93，光刻機(jī)投影物鏡5的成像放大倍數(shù)為1/4，剪切率為1％；波像差傳感器6(參見圖3)包括沿光束傳播方向依次放置的像面光柵板601、小孔陣列602和二維光電傳感器603；二維光電傳感器603采用CMOS相機(jī)，像素大小5.6μm×5.6μm，像素個(gè)數(shù)2040×1084；小孔陣列602的小孔直徑為1.4μm，用CMOS相機(jī)像素大小與小孔直徑比值為4，小孔陣列602的周期等于光電二維傳感器603的像素周期5.6μm；像面光柵601上相鄰二維光柵601X之間的間距為1.5mm；物面光柵板3上相鄰第一光柵之間的間距和相鄰第二光柵之間的間距相等，為6mm；物面光柵板3上每組物面光柵的第一光柵3X1和第二光柵3X2之間的間距相等，為3mm。

所述的物面光柵板3由14組周期皆為P_o且占空比為50％的物面光柵組成；每組物面光柵包括光柵線沿y方向的第一光柵3X1和光柵線沿x方向的第二光柵3X2；所述X為每組光柵的編號(hào)，用A、B、C、…、N表示，如A組物面光柵的第一光柵3A1和第二光柵3A2，B組物面光柵的第一光柵3B1和第二光柵3B2；

所述的第一光柵3X1和第二光柵3X2是相位光柵或振幅光柵型的衍射光柵；

所述的第一光柵3X1和第二光柵3X2是反射式光柵或透射式光柵；

所述的波像差傳感器6包括沿光束傳播方向依次放置的像面光柵板601、小孔陣列602和二維光電傳感器603；

所述的像面光柵板601(參見圖4)包括14組周期相同且占空比為50％的像面光柵601X，所述X為每組光柵的編號(hào)，用A、B、C等表示；

所述的像面光柵601X為棋盤光柵型的二維透射式光柵；

所述的像面光柵601X是相位光柵或振幅光柵型的衍射光柵；

所述的物面光柵板3上的所述的第一物面光柵3X1、第二物面光柵3X2的周期P_o與所述的像面光柵601X的周期P_i滿足如下關(guān)系：

P_o＝P_i·M，

其中，M為光刻機(jī)投影物鏡5的成像放大倍數(shù)；P_i由剪切率s、光源波長(zhǎng)λ和光刻機(jī)投影物鏡數(shù)值孔徑NA決定；

$P_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2s_X\·\mathrm{NA}};$

所述的物面光柵板3上每組物面光柵之間的間距d_o與像面光柵板601上每組像面光柵之間的間距d_i滿足如下關(guān)系：

$d_o=d_i\·M,$

所述的物面光柵板3上物面光柵的第一光柵3X1與第二光柵3X2之間的間距相等。

所述的小孔陣列602上小孔的周期等于光電二維傳感器603上像素的周期，小孔位置與光電二維傳感器的像素位置一一對(duì)應(yīng)，小孔直徑為光電二維傳感器603像素大小的1/4；

所述的掩模臺(tái)4是將物面光柵板3移入光刻機(jī)投影物鏡5的物方光路的位移臺(tái)；

所述的工件臺(tái)7是將所述的波像差傳感器6移入光刻機(jī)投影物鏡5的像方光路， 并帶動(dòng)波像差傳感器6運(yùn)動(dòng)的位移臺(tái)；

所述的二維光電傳感器603是照相機(jī)、CCD、CMOS圖像傳感器、PEEM，或二維光電探測(cè)器陣列，其探測(cè)面上接收像面光柵601X生成并由小孔陣列602進(jìn)行采樣得到的剪切干涉圖像；

所述的計(jì)算機(jī)8用于控制波像差檢測(cè)過程、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)干涉圖進(jìn)行處理與分析。

采用上述光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，該方法的步驟如下：

(1)將物面光柵板置于掩模臺(tái)上，調(diào)節(jié)掩模臺(tái)，使14組第一光柵3X1位于光刻機(jī)投影物鏡需要測(cè)量的物方視場(chǎng)位置；

(2)由光源發(fā)出的光經(jīng)過照明系統(tǒng)的調(diào)整后，均勻照明物面光柵板的14組第一光柵3X1；

(3)將波像差傳感器6置于工件臺(tái)7上，調(diào)節(jié)工件臺(tái)7，使像面光柵板601位于光刻機(jī)投影物鏡5的像面上；

(4)調(diào)整工件臺(tái)，使14組像面光柵601X分別與14組物面光柵的第一光柵3X1經(jīng)過光刻機(jī)投影物鏡所成的像對(duì)準(zhǔn)；

(5)利用相移技術(shù)，沿x方向多次移動(dòng)工件臺(tái)7，每次移動(dòng)后波像差傳感器603采集一幅剪切干涉圖，從采集得到的干涉圖中計(jì)算得到的14個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置在x方向上的剪切相位信息；

(6)調(diào)整掩模臺(tái)4，使物面光柵板的14組第二光柵3X2分別運(yùn)動(dòng)至14組第一光柵3X1的位置，14組第二光柵3X2經(jīng)過光刻機(jī)投影物鏡所成的像與14組像面光柵601X分別對(duì)準(zhǔn)；

(7)采用相移技術(shù)，沿y方向多次移動(dòng)工件臺(tái)7進(jìn)行測(cè)量，每次移動(dòng)后波像差傳感器603采集一幅剪切干涉圖，從采集得到的干涉圖中計(jì)算得到的14個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置在y方向上的剪切相位信息；

(8)將步驟(5)、(7)得到的剪切相位信息解包裹，分別得到光刻機(jī)投影物鏡在14個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的x方向和y方向的剪切波前ΔW_x和ΔW_y，將剪切波前進(jìn)行重建，得到光刻機(jī)投影物鏡在14個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的波像差；從14個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)位置的波像差的波面傾斜和離焦數(shù)據(jù)計(jì)算光刻機(jī)投影物鏡的畸變和場(chǎng)曲。

本發(fā)明利用小孔陣列對(duì)波像差進(jìn)行采樣，將檢測(cè)空間分辨率提高了S²倍。采用一個(gè)256像素×256像素的波像差(均方根值為0.0995λ)進(jìn)行仿真。在其差分波前 中每4個(gè)像素取平均值，相當(dāng)于沒有加小孔陣列，得到64像素×64像素的差分波前，將差分波前進(jìn)行重建，誤差見圖5，其誤差均方根值為0.0141λ；對(duì)該波像差的差分波前進(jìn)行采樣，每4個(gè)像素選一個(gè)像素，相當(dāng)于在探測(cè)器上增加小孔陣列，得到64像素×64像素的差分波前，將差分波前進(jìn)行重建，誤差見圖6，其均方根值誤差為0.0001λ。

本實(shí)施例驗(yàn)證了本發(fā)明裝置及方法，將投影物鏡波像差檢測(cè)分辨率提高了16倍，因此，光刻機(jī)原位多通道成像質(zhì)量檢測(cè)裝置的通道數(shù)最大能夠提高16倍，檢測(cè)速度最大也能提高16倍。通過多通道同時(shí)檢測(cè)，使得波像差傳感器具備了同時(shí)檢測(cè)畸變與場(chǎng)曲等像質(zhì)參數(shù)的能力。