具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置的製作方法
2023-06-02 21:55:46 1
專利名稱：具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有測量精度標定功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，屬於光學檢測領域。
背景技術：
大規模集成電路的製備過程中使用投影曝光裝置，將掩模上的圖案經過投影物鏡縮小投影在塗有光刻膠的矽片上。2007年國際半導體技術路線圖(ITRS2007)指出，極紫外光刻技術(EUVL)是實現32nm及其以下技術節點最有潛力的候選技術。
相關專利1(US5835217)中提出了一種安裝在EUVL光刻機上利用曝光波長在線檢測投影物鏡波像差的相移點衍射幹涉儀(Phase-shifting point diffractioninterferometer，PSPDI)。專利1指出，根據PS/PDI的結構特點，PSPDI的測量精度是由圓孔衍射產生的球面參考波波面誤差所決定的。
相關文獻1「Characterization of the accuracy of EUV phase-shifting pointdiffraction interferometry」(Proc.SPIE，1998，3331114～123)中提出，採用兩個圓孔代替PSPDI中的窗口和圓孔進行PSPDI測量精度的標定。標定時，使兩個圓孔分別對準0、1級衍射光焦點，兩個圓孔衍射產生兩個球面參考波，對兩個球面參考波自身的幹涉條紋進行解相計算，得到測量結果W。但是，在W不僅包含了表徵PSPDI測量精度的球面參考波波面誤差WR，也包括了系統誤差We，不能直接使用W″作為PSPDI測量精度的標定結果。We主要由兩部分組成測試波和參考波橫向錯位所引入的慧差Ws，光電傳感器傾斜所導致的像散Wt。文獻1指出，Ws可以通過理論推導求出，Wt則無法準確求出。因此，利用文獻1的方法進行PSPDI的測量精度標定，必然會使像散Wt與表徵PSPDI測量精度的WR難以分離，進而影響PSPDI測量精度標定的準確度。
相關文獻2(Proc.SPIE，2009，715671561W-1～71561W-7)中PSPDI系統仿真的結果表明，像散Wt是圓孔濾波最難濾除的像差。WR中的像散與系統誤差We中的像散Wt混合在一起，難以分離。雖然文獻1提出採用多次測量取平均值的方法可以在一定程度上減小WR中圓孔濾波剩餘像散的影響，但是實際中不可能做到像散隨機誤差與系統誤差的完全分離。
相關專利2(申請號200910093833.6)提出了一種可標定系統誤差的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置。該裝置原理為利用PSPDI系統誤差隨光柵分束方向旋轉的特性，在PSPDI的分束裝置中引入一個與原有光柵刻線方向相垂直的光柵、在像方掩模板中引入一個圓孔，作為系統誤差標定元件，根據Zernike多項式在單位圓域的正交特性和奇偶對稱性質，標定測量結果中的系統誤差WeT。該裝置的用途為在使用PSPDI測量光刻投影物鏡的波像差時，標定測量結果中的系統誤差WeT。但是，專利2中的裝置在測量光刻投影物鏡的波像差時標定出的系統誤差WeT不同於使用文獻1中的方法在標定PSPDI測量精度時得到的系統誤差We。原因為在使用文獻1中的方法標定PSPDI測量精度時，由於使用圓孔代替PSPDI中原有的窗口，圓孔的空間濾波作用改變了PSPDI的系統誤差WeT。因此，在標定PSPDI的測量精度時，不能採用專利2中的裝置消除系統誤差的影響。
綜上所述，由文獻2的仿真分析可知，現有的PSPDI測量精度標定方法(如文獻1提出的方法)，在標定過程中不能完全分離系統誤差，進而影響PSPDI測量精度標定的準確度；現有的PSPDI系統誤差標定裝置(如專利2提出的裝置)，僅適用於分離PSPDI在測量投影物鏡波像差時的系統誤差，而不能分離標定PSPDI測量精度時的系統誤差。
發明內容
本發明的目的是針對採用現有的方法標定PSPDI測量精度時的系統誤差不能完全分離的問題，改進PSPDI的結構，在PSPDI中加入測量精度標定元件，提出一種具有測量精度標定功能的投影物鏡波像差在線檢測裝置。
本發明的基本思想是利用PSPDI的系統誤差隨光柵分束方向旋轉的特性，在PSPDI中多引入一個光柵和兩個圓孔，將兩個光柵和三個圓孔一同作為測量精度標定元件，根據Zernike多項式在單位圓域的正交特性和奇偶對稱性質分離在標定PSPDI測量精度時的系統誤差，得到標定表徵PSPDI測量精度的圓孔衍射產生的球面參考波的波面誤差，使光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置不僅能夠在線檢測波像差，還具有測量精度標定功能。所述裝置集成於光刻機中。
為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下 具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，包括物方掩模板、分束裝置、移相裝置、像方掩模板、光電傳感器、存儲器、運算器、控制器和光刻機；其中，像方掩模板包括一個窗口和直徑相同的第一圓孔、第二圓孔和第三圓孔，且以窗口中心、第一圓孔圓心、第二圓孔圓心、第三圓孔圓心為頂點構成四邊形；用於①在線檢測投影物鏡波像差時產生的測試波和球面參考波，②標定在測量精度時產生的兩個球面參考波； 像方掩模板位於光刻機的矽片工件臺上，處於光刻機投影物鏡的像面中，由矽片工件臺支撐和帶動；工作過程中，①當使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時，第一圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，窗口的中心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光，以產生測試波和球面參考波；②當標定所述裝置的測量精度時，需要進行正交方向上的兩次測量第一次測量中，第三圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，第二圓孔的圓心對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光，以分別產生球面參考波；第二次測量中，第三圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，第一圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光，以分別產生球面參考波；第一圓孔和第二圓孔的圓心與所述窗口中心的連線垂直且相等，第一圓孔和第二圓孔的圓心與第三圓孔的圓心的連線垂直且相等。
所述的像方掩模板上以窗口中心、第一圓孔圓心、第二圓孔圓心、第三圓孔圓心為頂點的四邊形為正方形。
所述的正方形，在測量過程中 (1)當分束裝置位於投影物鏡與像方掩模板之間時，其邊長s滿足關係式s＝λz2/d，式中λ為光刻機的曝光波長，m為投影物鏡的倍率，d為分束裝置中光柵的周期常數，z2為分束裝置與像方掩模板在光軸方向上的間距，以實現投影物鏡波像差的測量及裝置精度的標定； (2)當分束裝置位於物方掩模板和投影物鏡之間時，其邊長s滿足關係式s＝λz1/md，式中λ為光刻機的曝光波長，m為投影物鏡的倍率，d為分束裝置中光柵的周期常數，z1為分束裝置與物方掩模板在光軸方向上的間距，以實現投影物鏡波像差的測量及裝置精度的標定。
所述三個圓孔的直徑φ都小於所述投影物鏡衍射極限解析度，滿足φ＝λ/2NA，其中λ為所述光刻機的曝光波長，NA為投影物鏡的像方數值孔徑。
標定所述裝置測量精度的方法，包括如下步驟 步驟一、在裝有所述裝置的光刻機上調節照明系統，使光源發出的光束在投影物鏡視場範圍內均勻的照明掩模板；移動掩模工件臺，帶動物方掩模板進行移動，使物方掩模板位於掩模板所在的投影物鏡的物面；照明系統的出射光束均勻照明物方掩模板，經過物方掩模板上的圓孔進行空間濾波，消除照明系統的像差； 步驟二、使用第二圓孔衍射的球面參考波和第三圓孔衍射的球面參考波進行測量，得到測量結果W‖，並將結果保存在存儲器中利用分束裝置中的第一光柵對物方掩模板上的圓孔的出射光束進行分束；光束通過第一光柵的周期結構後，出射角度不同的各個級次衍射光束經過投影物鏡後，攜帶了投影物鏡的波像差信息，在投影物鏡的像面上形成若干個衍射級次；像方掩模板由矽片工件臺支撐和驅動，移動矽片工件臺，使像方掩模板位於投影物鏡的像面，並使第三圓孔對準像面處的0級衍射光以產生球面波，使第二圓孔對準像面處的+1或-1級衍射光以產生球面波； 兩束球面波發生雙光束幹涉，在光電傳感器上形成幹涉條紋，光電傳感器記錄幹涉條紋的強度信息並存儲在存儲器中；控制器控制移相裝置驅動分束裝置在垂直於第一光柵刻線的方向上平移，從而在第一光柵的±1級次衍射光中引入相位差，利用光電傳感器採集移相後的幹涉條紋，儲存在存儲器中；重複此過程，在存儲器中存儲多幅移相的幹涉條紋； 利用運算器根據中多幅移相干涉條紋的強度信息，計算出37項Zernike多項式表示的第二圓孔和第三圓孔衍射的兩個球面參考波測量結果W‖，並存儲在存儲器中； 步驟三、使用第一圓孔衍射的球面參考波和第三圓孔衍射的球面參考波進行測量，得到測量結果W⊥，並將結果保存在存儲器中利用分束裝置中的第二光柵代替第一光柵，用第一圓孔代替第二圓孔，重複步驟二，得到37項Zernike多項式表示的第一圓孔和第三圓孔衍射的兩個球面參考波測量結果W⊥，並存儲在存儲器中； 步驟四、標定所述裝置的測量精度利用Zernike多項式在單位圓內具有正交特性以及奇偶對稱性質，運算器根據W‖和W⊥，計算出W‖中所包含的Zernike多項式表示的系統誤差We，並存儲在存儲器中；運算器計算出37項Zernike多項式表示的表徵所述裝置測量精度的球面參考波誤差WR＝W‖-We，並存儲在存儲器中。
標定所述裝置測量精度的方法的步驟四中根據W‖和W⊥，計算W‖中所包含的Zernike多項式表示的系統誤差We，並最終得到37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR的方法如下 [1]37項Zernike多項式表示的W‖為
其中，an‖為37項Zernike多項式對應項係數，zn為37項Zernike多項式；37項Zernike多項式表示的W⊥為
其中，an⊥為37項Zernike多項式對應項係數； [2]對W‖和W⊥作差，得到兩次測量結果的差值WΔ表示為
其中 [3]計算標定裝置的測量精度時引入的系統誤差WeWe由兩部分組成，即We＝Ws+Wt，其中Ws為測試波和參考波橫向錯位所引入的慧差，Wt為光電傳感器傾斜所導致的像散；Ws計算為
Wt計算為 得到裝置測量精度標定結果WR37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR＝W‖-We。
本發明中各部件的作用說明如下 (1)物方掩模板在物方掩模板上，開有一個直徑不超過光刻機照明系統衍射極限解析度的圓孔，用於選擇測量視場點以及濾除光刻機照明系統的像差。
(2)分束裝置用於光束分束以及在標定該裝置的測量精度時改變分束方向。
分束裝置包括兩個二元衍射光柵第一光柵和第二光柵，兩個光柵可以均為二元振幅光柵，也可以均為二元位相光柵。其中，第一光柵的作用為在使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差以及在標定所述裝置的測量精度時對光束進行分束，以產生測試臂和參考臂；第二光柵的作用為在標定所述裝置的測量精度時，將經第一光柵分束後的測試臂和參考臂的方向旋轉90度，這就使得所述裝置的系統誤差也隨之旋轉90度，而測量真值不變，從而將系統誤差從所述裝置的測量精度標定結果中分離出來。
兩個光柵的刻線方向相垂直，且周期常數、佔空比和外圍寬度相同，其外圍寬度均須滿足光柵衍射的0級和1級衍射光或者0級和-1級衍射光能夠同時填充投影物鏡的光瞳。兩光柵在分束裝置所在平面上的間距在不影響測量的前提下應儘可能小。
(3)移相裝置用於帶動分束裝置在測試臂和參考臂之間引入有序相移。
(4)像方掩模板用於所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時產生測試波和球面參考波，以及標定所述裝置的測量精度時產生兩個球面參考波。
像方掩模板包括一個窗口和與窗口分開一定距離的三個直徑相同的圓孔第一圓孔、第二圓孔和第三圓孔。
窗口尺寸決定了所述裝置能夠測量的空間頻率，用於所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時產生測試波。第一圓孔用於所述裝置在線檢測投影物鏡波像差以及測量精度標定時產生球面參考波；第二圓孔和第三圓孔用於標定所述裝置的測量精度時產生球面參考波。即在使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時，窗口和第一圓孔分別產生測試波和球面參考波；在標定所述裝置的測量精度時，需要進行正交方向上的兩次測量，第一次測量時採用第二圓孔和第三圓孔分別產生球面參考波，第二次測量時採用第一圓孔和第三圓孔分別產生球面參考波。
(5)光電傳感器用於在使用裝置檢測投影物鏡的波像差時，採集測試波和球面參考波的幹涉條紋；以及在標定裝置的測量精度時，採集兩個球面參考波的幹涉條紋。
(6)存儲器用於保存光電傳感器所採集的幹涉條紋強度信息，投影物鏡各個視場點的波像差，第二圓孔和第三圓孔產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，第一圓孔和第三圓孔產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，所述裝置測量精度標定時產生的系統誤差，所述裝置測量精度的標定結果，以及投影物鏡各個補償器的調節量。
(7)運算器用於根據存儲器中數據計算投影物鏡各個視場點的波像差，第二圓孔和第三圓孔產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，第一圓孔和第三圓孔產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，所述裝置測量精度標定時產生的系統誤差，所述裝置測量精度的標定結果，以及投影物鏡各個補償器的調節量。
(8)控制器用於控制掩模工件臺和矽片工件臺改變所測量的投影物鏡的視場點，根據存儲器中投影物鏡各個補償器調整量調整補償器來校正像差，以及控制移相裝置步進實現移相。
本發明所述裝置各組成部分的位置與連接關係如下 物方掩模板位於投影物鏡的物面，並由光刻機中的掩模工件臺固定支撐和帶動。物方掩模板上的圓孔要始終處於光刻機投影物鏡的視場範圍之內，圓孔所在位置即為本發明裝置所測量的投影物鏡的視場點。
分束裝置由移相裝置固定支撐，移相裝置帶動分束裝置在垂直於光軸方向的平面內進行垂直於第一或第二光柵刻線方向的平移。分束裝置位於物方掩模板和投影物鏡之間，也可以位於投影物鏡與像方掩模板之間當使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時，若第一光柵位於物方掩模板和投影物鏡之間，在標定所述裝置的測量精度時，第一光柵和第二光柵也必須位於物方掩模板和投影物鏡之間；當使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時，若第一光柵位於投影物鏡與像方掩模板之間，在標定所述裝置的測量精度時，第一光柵和第二光柵也必須位於投影物鏡與像方掩模板之間。
像方掩模板位於投影物鏡的像面，並由矽片工件臺支撐和帶動。當使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時，第一圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，窗口的中心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光。當標定所述裝置的測量精度時，需要進行正交方向上的兩次測量第一次測量中，第三圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，第二圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光；第二次測量中，第三圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，第一圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光；第一圓孔和第二圓孔的圓心與所述窗口中心的連線垂直且相等，第一圓孔和第二圓孔的圓心與第三圓孔的圓心的連線垂直且相等。即所述窗口的中心和三個圓孔的圓心分別位於一個邊長為s的正方形的四個頂點。三個圓孔的直徑φ都小於所述投影物鏡衍射極限解析度，一般應滿足φ＝λ/2NA，具體參數由實驗結果確定，其中λ為所述光刻機的曝光波長，NA為投影物鏡的像方數值孔徑。
當分束裝置位於物方掩模板和投影物鏡之間時，像方掩模板上以窗口中心、第一圓孔圓心、第二圓孔圓心、第三圓孔圓心為頂點的正方形邊長s滿足關係式s＝λz1/md，式中λ為光刻機的曝光波長，m為投影物鏡的倍率，d為分束裝置中光柵的周期常數，z1為分束裝置與物方掩模板在光軸方向上的間距。
當分束裝置位於投影物鏡與像方掩模板之間時，像方掩模板上以窗口中心、第一圓孔圓心、第二圓孔圓心、第三圓孔圓心為頂點的正方形邊長s滿足關係式s＝λz2/d，式中z2為分束裝置與像方掩模板在光軸方向上的間距。
光電傳感器由光刻機的矽片工件臺固定支撐和帶動，並與像方掩模板平行。光電傳感器有效像元區的中心在垂直方向上與窗口中心重合，光電傳感器與像方掩模板的間距取決於光電傳感器有效像元區的大小以及投影物鏡的數值孔徑，以能夠完全採集測試波和參考波形成的幹涉條紋為準。
存儲器分別同光電傳感器、運算器、控制器相連接。控制器分別同移相裝置、掩模工件臺、矽片工件臺以及投影物鏡補償器相連接。連接方式可以採用數據線、電纜線等有線方式，也可採用紅外傳輸、藍牙等無線方式。
有益效果 相對於相關專利1提出的PSPDI，以及相關文獻1提出的PSPDI測量精度標定方法，本發明所提供的測量裝置對PSPDI的結構進行了改進，在PSPDI中多加入了一個光柵和兩個圓孔，將兩個光柵和三個圓孔一同作為測量精度標定元件，在標定表徵PSPDI測量精度的圓孔衍射產生的球面參考波的波面誤差時，能夠準確地得到系統誤差，提高了PSPDI測量精度標定的準確度。
圖1為本發明所述裝置安裝在光刻機中的結構示意圖； 圖2為本發明所述裝置中的物方掩模板的結構示意圖； 圖3為本發明所述裝置中的分束裝置的結構示意圖； 圖4為本發明所述裝置中的像方掩模板的結構示意圖； 圖中，101-光源、102-照明系統、103-掩模板、104-掩模工件臺、105-投影物鏡、106-矽片、107-矽片工件臺、201-物方掩模板、201a-物方掩模板圓孔、202-分束裝置、203-移相裝置、204-像方掩模板、205-光電傳感器、206-存儲器、207-運算器、208-控制器、202a-第一光柵、202b-第二光柵204a-窗口、204b-第一圓孔、204c-第二圓孔、204d-第三圓孔。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
首先闡述光刻機的結構組成及工作原理。光刻機包括光源101、照明系統102、掩模板103、掩模工件臺104、投影物鏡105、矽片106以及矽片工件臺107。光源101發出的光經過照明系統102後，照明在掩模板103上，將掩模板103上的圖案通過投影物鏡105，以步進-掃描的方式，縮小投影在塗有光刻膠的矽片106上，實現圖案的轉移。光源101為波長約13.5nm的極紫外光源，或者波長約為193nm的ArF準分子雷射，或者波長約為248nm的KrF準分子雷射。照明系統102具有調節光束轉向、形狀的光學元件，以及勻光光學元件，這樣照明在掩模板103上的光束在投影物鏡105視場範圍內具有較理想的均勻性。刻有待轉移的電路圖案的掩模板103由掩模工件臺104支撐和帶動；塗有光刻膠的矽片106由矽片工件臺107支撐和帶動。掩模板103和矽片106位於投影物鏡105的光學共軛面上。掩模工件臺104和矽片工件臺107以不同的速率同步掃描運動，以步進-掃描的方式將掩模板103的圖案，通過投影物鏡105精確地投影轉移到塗有光刻膠的矽片107上。
本發明通過在光刻機上集成具有測量精度標定功能的投影物鏡波像差在線檢測裝置，進行投影物鏡105波像差的在線檢測和校正，並且標定裝置的測量精度，如圖1所示。本發明裝置包括物方掩模板201、分束裝置202、移相裝置203、像方掩模板204、光電傳感器205、存儲器206、運算器207以及控制器208。
其中，在物方掩模板201上，開有一個直徑不超過光刻機照明系統102衍射極限解析度的圓孔201a，用於選擇測量視場點以及濾除照明系統102的像差。
分束裝置202用於光束分束以及在標定裝置的測量精度時改變分束方向。分束裝置202包括兩個二元衍射光柵第一光柵202a和第二光柵202b，兩個光柵可以均為二元振幅光柵，也可以均為二元位相光柵。其中，第一光柵202a用於使用裝置在線檢測投影物鏡波像差時對光束進行分束，以產生測試臂和參考臂；第一光柵202a也用於在標定裝置的測量精度時對光束進行分束，以產生測試臂和參考臂；第二光柵202b用於在標定裝置的測量精度時，將光束分束後的測試臂和參考臂的方向相對於使用第一光柵202a時測試臂和參考臂的方向旋轉90度，這就使得裝置的系統誤差也隨之旋轉90度，而測量真值不變，從而分離將系統誤差從測量結果中分離出來。
兩個光柵的刻線方向相垂直，且周期常數、佔空比和外圍寬度相同，其外圍寬度均須滿足光柵衍射的0級和1級衍射光或者0級和-1級衍射光能夠同時填充投影物鏡105的光瞳。兩光柵在分束裝置202所在平面上的間距在不影響測量的前提下應儘可能小。
移相裝置203用於帶動分束裝置202在測試臂和參考臂之間引入有序相移。
像方掩模板204用於裝置在線檢測投影物鏡105波像差時產生測試波和球面參考波，以及標定裝置的測量精度時產生兩個球面參考波。像方掩模板204包括一個窗口204a和與窗口204a分開一定距離的三個直徑相同的圓孔第一圓孔204b、第二圓孔204c和第三圓孔204d。窗口204a的尺寸決定了裝置能夠測量的空間頻率，用於裝置在線檢測投影物105鏡波像差時產生測試波。第一圓孔204b用於裝置在線檢測投影物鏡105波像差時產生球面參考波，也用於裝置的測量精度標定時產生球面參考波；第二圓孔204b和第三圓孔204c用於標定裝置的測量精度時產生球面參考波。即在使用裝置在線檢測投影物鏡105波像差時，窗口204a和第一圓孔204b分別產生測試波和球面參考波；在標定裝置的測量精度時，需要進行正交方向上的兩次測量，第一次測量時採用第二圓孔204c和第三圓孔204d分別產生球面參考波，第二次測量時採用第一圓孔204b和第三圓孔204d分別產生球面參考波。
光電傳感器205用於在使用裝置檢測投影物鏡105的波像差時，採集測試波和球面參考波的幹涉條紋；以及在標定裝置的測量精度時，採集兩個球面參考波的幹涉條紋。
存儲器206用於保存光電傳感器205所採集的幹涉條紋強度信息，投影物鏡105各個視場點的波像差，第二圓孔204c和第三圓孔204d產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，第一圓孔204b和第三圓孔204d產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，裝置測量精度標定時產生的系統誤差，裝置測量精度的標定結果，以及投影物鏡105各個補償器的調節量。
運算器207用於根據存儲器206中數據計算投影物鏡105各個視場點的波像差，第二圓孔204c和第三圓孔204d產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，第一圓孔204b和第三圓孔204d產生的兩個球面參考波幹涉的測量結果，裝置測量精度標定時產生的系統誤差，裝置測量精度的標定結果，以及投影物鏡105各個補償器的調節量。
控制器208用於控制掩模工件臺104和矽片工件臺107改變所測量的投影物鏡105的視場點，根據存儲器206中投影物鏡各個補償器調整量調整補償器來校正像差，以及控制移相裝置203步進實現移相。
上述各組成部分的位置與連接關係如下 物方掩模板201位於投影物鏡105的物面，並由光刻機中的掩模工件臺104固定支撐和帶動。物方掩模板201上的圓孔201a要始終處於光刻機投影物鏡105的視場範圍之內，圓孔201a所在位置即為本發明裝置所測量的投影物鏡105的視場點。
分束裝置202由移相裝置203固定支撐，移相裝置203帶動分束裝置202在垂直於光軸方向的平面內進行垂直於第一光柵202a或第二光柵202b刻線方向的平移。分束裝置202位於物方掩模板201和投影物鏡105之間，也可以位於投影物鏡105與像方掩模板204之間。當使用裝置在線檢測投影物鏡105波像差時，若第一光柵202a位於物方掩模板201和投影物鏡105之間，在標定裝置的測量精度時，第一光柵202a和第二光柵202b也必須位於物方掩模板201和投影物鏡105之間；當使用裝置在線檢測投影物鏡105波像差時，若第一光柵202a位於投影物鏡105與像方掩模板204之間，在標定裝置的測量精度時，第一光柵202a和第二光柵202b也必須位於投影物鏡105與像方掩模板204之間。
像方掩模板204位於投影物鏡105的像面，並由矽片工件臺107支撐和帶動。當使用裝置在線檢測投影物鏡105波像差時，第一圓孔204b的圓心要對準投影物鏡105像面處的0級衍射光，同時，窗口204a的中心要對準投影物鏡105像面處的+1或-1級衍射光。當標定裝置的測量精度時，需要進行正交方向上的兩次測量第一次測量中，第三圓孔204d的圓心要對準投影物鏡105像面處的0級衍射光，同時，第二圓孔204c的圓心要對準投影物鏡105像面處的+1或-1級衍射光；第二次測量中，第三圓孔204d的圓心要對準投影物鏡105像面處的0級衍射光，同時，第一圓孔204b的圓心要對準投影物鏡105像面處的+1或-1級衍射光；第一圓孔204b和第二圓孔204c的圓心與窗口204a中心的連線垂直且相等，第一圓孔204b和第二圓孔204c的圓心與第三圓孔204d的圓心的連線垂直且相等。即窗口204a的中心、第一圓孔204b的圓心、第二圓孔204c的圓心、第三圓孔204c的圓心分別位於一個邊長為s的正方形的四個頂點。第一圓孔204b、第二圓孔204c、第三圓孔204c的直徑φ都小於所述投影物鏡衍射極限解析度，一般應滿足φ＝λ/2NA，具體參數由實驗結果確定，其中λ為所述光刻機的曝光波長，NA為投影物鏡的像方數值孔徑。
當分束裝置202位於物方掩模板201和投影物鏡105之間時，像方掩模板204上以窗口204a中心、第一圓孔204b圓心、第二圓孔204c圓心、第三圓孔204d圓心為頂點的正方形邊長s滿足關係式s＝λz1/md，式中λ為光刻機的曝光波長，m為投影物鏡105的倍率，d為分束裝置202中第一光柵202a和第二光柵202b的周期常數，z1為分束裝置202與物方掩模板201在光軸方向上的間距。
當分束裝置202位於投影物鏡105與像方掩模板204之間時，像方掩模板上以窗口204a中心、第一圓孔204b圓心、第二圓孔204c圓心、第三圓孔204d圓心為頂點的正方形邊長s滿足關係式s＝λz2/d，式中z2為分束裝置202與像方掩模板204在光軸方向上的間距。
光電傳感器205由光刻機的矽片工件臺107固定支撐和帶動，並與像方掩模板204平行。光電傳感器205有效像元區的中心在垂直方向上與窗口204a中心重合，光電傳感器205與像方掩模板204的間距取決於光電傳感器205有效像元區的大小以及投影物鏡105的數值孔徑，以能夠完全採集測試波和參考波形成的幹涉條紋為準。
存儲器206分別同光電傳感器205、運算器207、控制器208相連接。控制器208分別同移相裝置203、掩模工件臺104、矽片工件臺107以及投影物鏡105的補償器相連接。連接方式可以採用數據線、電纜線等有線方式，也可採用紅外傳輸、藍牙等無線方式。
使用本具體實施方式
所述裝置進行光刻機投影物鏡波像差檢測的方法如下 1)光源101發出的光束首先經過照明系統102整形，使光束均勻照明於掩模板103所在的平面。移動掩模工件臺104使物方掩模板201位於掩模板103所在平面，即投影物鏡105的物面。照明系統102出射光束均勻照明201，經過201上的圓孔201a空間濾波，以消除照明系統102的像差，圓孔201a所在的位置即為所選擇的測量視場點，如圖2所示。
2)進行投影物鏡105單個視場點的波像差在線檢測利用分束裝置202中的第一光柵202a對圓孔201a的出射光束進行分束，如圖3所示；光束通過第一光柵202a的周期結構後，出射角度不同的各個級次衍射光束經過投影物鏡105，攜帶了投影物鏡105的波像差信息，在投影物鏡105的像面上形成多個衍射級次；如圖4所示，像方掩模板204由矽片工件臺107支撐和帶動，移動矽片工件臺107使像方掩模板204位於投影物鏡105的像面，並且使第一圓孔204b中心對準投影物鏡105像面處的0級衍射光產生球面參考波，使窗口204a中心對準投影物鏡105像面處的+1或-1級衍射光，衍射光攜帶了投影物鏡105的波像差信息，形成測試波。
隨後，測試波和參考波發生雙光束幹涉，在光電傳感器205上形成幹涉條紋，光電傳感器205記錄幹涉條紋的強度信息並存儲在存儲器206中；控制器208控制移相裝置203帶動分束裝置202在垂直於第一光柵202a刻線的方向上平移，從而在第一光柵202a的±1級衍射光中引入相位差，利用光電傳感器205採集移相後的幹涉條紋，儲存在存儲器206中，重複上述過程，在存儲器206中存儲多幅移相的幹涉條紋。
最後，利用運算器207根據存儲器206中多幅移相干涉條紋的強度信息，計算出37項Zernike多項式表示的投影物鏡105在圓孔201a規定的視場點的波像差W1″，並存儲在存儲器206中。
3)進行投影物鏡105全視場的波像差在線檢測控制器208根據存儲器206中儲存的投影物鏡105的波像差測量位置，控制掩模工件臺104和矽片工件臺107平移來改變所測量的投影物鏡105的視場點。之後，按照步驟2)所述過程，對新視場點進行波像差在線檢測，並將測量結果保存在存儲器206中。
重複步驟3)，直至完成投影物鏡105各個視場點波像差Wn(n＝1，2，3…)的測量；並將測量結果Wn(n＝1，2，3…)存儲在存儲器206中。
4)進行投影物鏡105全視場波像差計算和校正運算器207根據投影物鏡105各個視場點波像差Wn(n＝1，2，3…)，利用敏感度矩陣計算投影物鏡105中各個補償器的調節量，並存入存儲器206；控制器208根據存儲器206中各個補償器的調節量計算結果，自動調整投影物鏡105中各個補償器，從而完成投影物鏡105的波像差校正。
使用本具體實施方式
所述裝置進行標定該裝置測量精度的方法如下 1)光源101發出的光束首先經過照明系統102整形，使光束均勻照明於掩模板103所在的平面。移動掩模工件臺104使物方掩模板201位於掩模板103所在平面，即投影物鏡105的物面。照明系統102出射光束均勻照明201，經過201上的圓孔201a空間濾波，以消除照明系統102的像差，圓孔201a所在的位置即為所選擇的測量視場點，如圖2所示。
2)使用像方掩模板204上的第二圓孔204c衍射的球面參考波和第三圓孔204d衍射的球面參考波進行測量，得到測量結果W‖，並將結果保存在存儲器206中利用分束裝置202中的第一光柵202a對物方掩模板201上的圓孔201a的出射光束進行分束；光束通過第一光柵202a的周期結構後，出射角度不同的各個級次衍射光束經過投影物鏡105後，攜帶了投影物鏡105的波像差信息，在投影物鏡105的像面上形成若干個衍射級次；像方掩模板204由矽片工件臺107支撐和驅動，移動矽片工件臺107，使像方掩模板204位於投影物鏡105的像面，並使第三圓孔204d對準像面處的0級衍射光以產生球面波，使第二圓孔204c對準像面處的+1或-1級衍射光以產生球面波； 兩束球面波發生雙光束幹涉，在光電傳感器205上形成幹涉條紋，光電傳感器205記錄幹涉條紋的強度信息並存儲在存儲器206中；控制器208控制移相裝置203驅動分束裝置202在垂直於第一光柵202a刻線的方向上平移，從而在第一光柵202a的±1級次衍射光中引入相位差，利用光電傳感器205採集移相後的幹涉條紋，儲存在存儲器206中。重複此過程，在存儲器206中存儲多幅移相的幹涉條紋； 利用運算器207根據中多幅移相干涉條紋的強度信息，計算出37項Zernike多項式表示的第二圓孔202c和第三圓孔202d衍射的兩個球面參考波測量結果W‖，並存儲在存儲器206中； 3)使用像方掩模板204上的第一圓孔202b衍射的球面參考波和第三圓孔204d衍射的球面參考波進行測量，得到測量結果W⊥，並將結果保存在存儲器206中利用分束裝置202中的第二光柵202b對物方掩模板201上的圓孔201a的出射光束進行分束；光束通過第二光柵202b的周期結構後，出射角度不同的各個級次衍射光束經過投影物鏡105後，攜帶了投影物鏡105的波像差信息，在投影物鏡105的像面上形成若干個衍射級次；像方掩模板204由矽片工件臺107支撐和驅動，移動矽片工件臺107，使像方掩模板204位於投影物鏡105的像面，並使第三圓孔204d對準像面處的0級衍射光以產生球面波，使第一圓孔204b對準像面處的+1或-1級衍射光以產生球面波； 兩束球面波發生雙光束幹涉，在光電傳感器205上形成幹涉條紋，光電傳感器205記錄幹涉條紋的強度信息並存儲在存儲器206中；控制器208控制移相裝置203驅動分束裝置202在垂直於第二光柵202b刻線的方向上平移，從而在第二光柵202b的±1級次衍射光中引入相位差，利用光電傳感器205採集移相後的幹涉條紋，儲存在存儲器206中。重複此過程，在存儲器206中存儲多幅移相的幹涉條紋； 利用運算器207根據中多幅移相干涉條紋的強度信息，計算出37項Zernike多項式表示的第一圓孔202b和第三圓孔202d衍射的兩個球面參考波測量結果W⊥，並存儲在存儲器206中； 4)標定裝置的測量精度利用Zernike多項式在單位圓內具有正交特性以及奇偶對稱性質，運算器207根據W‖和W⊥，計算出W‖中所包含的Zernike多項式表示的系統誤差We，並存儲在存儲器206中；運算器207計算出37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR＝W‖-We，並存儲在存儲器206中。
其中，根據W‖和W⊥，計算出W‖中所包含的Zernike多項式表示的系統誤差We，並最終得到37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR的方法如下 [4]37項Zernike多項式表示的W‖為
其中，an‖為37項Zernike多項式對應項係數，zn為37項Zernike多項式；37項Zernike多項式表示的W⊥為
其中，an⊥為37項Zernike多項式對應項係數； [5]對W‖和W⊥作差，得到兩次測量結果的差值WΔ表示為
其中 [6]計算標定裝置的測量精度時引入的系統誤差WeWe由兩部分組成，即We＝Ws+Wt，其中Ws為測試波和參考波橫向錯位所引入的慧差，Wt為光電傳感器傾斜所導致的像散；Ws可計算為
Wt可計算為 [7]得到裝置測量精度標定結果WR37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR＝W‖-We。
雖然結合了附圖描述了本發明的具體實施方式
，但是對於本領域技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些也應視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，包括物方掩模板、分束裝置、移相裝置、光電傳感器、存儲器、運算器和控制器，外圍裝置包括光刻機，其特徵在於還包括像方掩模板；其中，像方掩模板包括一個窗口和直徑相同的第一圓孔、第二圓孔和第三圓孔，且以窗口中心、第一圓孔圓心、第二圓孔圓心、第三圓孔圓心為頂點構成四邊形；用於①在線檢測投影物鏡波像差時產生的測試波和球面參考波，②標定在測量精度時產生的兩個球面參考波；
像方掩模板位於光刻機的矽片工件臺上，處於光刻機投影物鏡的像面中，由矽片工件臺支撐和帶動；工作過程中，①當使用所述裝置在線檢測投影物鏡波像差時，第一圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，窗口的中心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光，以產生測試波和球面參考波；②當標定所述裝置的測量精度時，需要進行正交方向上的兩次測量第一次測量中，第三圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，第二圓孔的圓心對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光，以分別產生球面參考波；第二次測量中，第三圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的0級衍射光，同時，第一圓孔的圓心要對準投影物鏡像面處的+1或-1級衍射光，以分別產生球面參考波；第一圓孔和第二圓孔的圓心與所述窗口中心的連線垂直且相等，第一圓孔和第二圓孔的圓心與第三圓孔的圓心的連線垂直且相等。
2.根據權利要求1所述的具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，其特徵在於所述的像方掩模板上以窗口中心、第一圓孔圓心、第二圓孔圓心、第三圓孔圓心為頂點的四邊形為正方形。
3.根據權利要求2所述的具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，其特徵在於所述的正方形，在測量過程中當分束裝置位於投影物鏡與像方掩模板之間時，其邊長s滿足關係式s＝λz2/d，式中λ為光刻機的曝光波長，m為投影物鏡的倍率，d為分束裝置中光柵的周期常數，z2為分束裝置與像方掩模板在光軸方向上的間距，以實現投影物鏡波像差的測量及裝置精度的標定。
4.根據權利要求2所述的具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，其特徵在於所述的正方形，在測量過程中當分束裝置位於物方掩模板和投影物鏡之間時，其邊長s滿足關係式s＝λz1/md，式中λ為光刻機的曝光波長，m為投影物鏡的倍率，d為分束裝置中光柵的周期常數，z1為分束裝置與物方掩模板在光軸方向上的間距，以實現投影物鏡波像差的測量及裝置精度的標定。
5.根據權利要求1所述的具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，其特徵在於所述三個圓孔的直徑φ都小於所述投影物鏡衍射極限解析度，滿足φ＝λ/2NA，其中λ為所述光刻機的曝光波長，NA為投影物鏡的像方數值孔徑。
6.根據權利要求1所述的具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，其特徵在於標定所述裝置測量精度的方法，包括如下步驟
步驟一、在裝有所述裝置的光刻機上調節照明系統，使光源發出的光束在投影物鏡視場範圍內均勻的照明掩模板；移動掩模工件臺，帶動物方掩模板進行移動，使物方掩模板位於掩模板所在的投影物鏡的物面；照明系統的出射光束均勻照明物方掩模板，經過物方掩模板上的圓孔進行空間濾波，消除照明系統的像差；
步驟二、使用第二圓孔衍射的球面參考波和第三圓孔衍射的球面參考波進行測量，得到測量結果W‖，並將結果保存在存儲器中利用分束裝置中的第一光柵對物方掩模板上的圓孔的出射光束進行分束；光束通過第一光柵的周期結構後，出射角度不同的各個級次衍射光束經過投影物鏡後，攜帶了投影物鏡的波像差信息，在投影物鏡的像面上形成若干個衍射級次；像方掩模板由矽片工件臺支撐和驅動，移動矽片工件臺，使像方掩模板位於投影物鏡的像面，並使第三圓孔對準像面處的0級衍射光以產生球面波，使第二圓孔對準像面處的+1或-1級衍射光以產生球面波；
兩束球面波發生雙光束幹涉，在光電傳感器上形成幹涉條紋，光電傳感器記錄幹涉條紋的強度信息並存儲在存儲器中；控制器控制移相裝置驅動分束裝置在垂直於第一光柵刻線的方向上平移，從而在第一光柵的±1級次衍射光中引入相位差，利用光電傳感器採集移相後的幹涉條紋，儲存在存儲器中；重複此過程，在存儲器中存儲多幅移相的幹涉條紋；
利用運算器根據中多幅移相干涉條紋的強度信息，計算出37項Zernike多項式表示的第二圓孔和第三圓孔衍射的兩個球面參考波測量結果W‖，並存儲在存儲器中；
步驟三、使用第一圓孔衍射的球面參考波和第三圓孔衍射的球面參考波進行測量，得到測量結果W⊥，並將結果保存在存儲器中利用分束裝置中的第二光柵代替第一光柵，用第一圓孔代替第二圓孔，重複步驟二，得到37項Zernike多項式表示的第一圓孔和第三圓孔衍射的兩個球面參考波測量結果W⊥，並存儲在存儲器中；
步驟四、標定所述裝置的測量精度利用Zernike多項式在單位圓內具有正交特性以及奇偶對稱性質，運算器根據W‖和W⊥，計算出W‖中所包含的Zernike多項式表示的系統誤差We，並存儲在存儲器中；運算器計算出37項Zernike多項式表示的表徵所述裝置測量精度的球面參考波誤差WR＝W‖-We，並存儲在存儲器中。
7.根據權利要求6所述的具有標定精度功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，其特徵在於標定所述裝置測量精度的方法的步驟四中根據W‖和W⊥，計算W‖中所包含的Zernike多項式表示的系統誤差We，並最終得到37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR的方法如下
[1]37項Zernike多項式表示的W‖為
其中，an‖為37項Zernike多項式對應項係數，zn為37項Zernike多項式；37項Zernike多項式表示的W⊥為
其中，an⊥為37項Zernike多項式對應項係數；
[2]對W‖和W⊥作差，得到兩次測量結果的差值WΔ表示為
其中
[3]計算標定裝置的測量精度時引入的系統誤差WeWe由兩部分組成，即
We＝Ws+Wt，其中Ws為測試波和參考波橫向錯位所引入的慧差，Wt為光電傳感器傾斜所導致的像散；Ws計算為
Wt計算為
得到裝置測量精度標定結果WR37項Zernike多項式表示的表徵裝置測量精度的球面參考波誤差WR＝W‖-We。
全文摘要
本發明涉及一種具有測量精度標定功能的光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置，屬於光學檢測領域。本發明利用PSPDI的系統誤差隨光柵分束方向旋轉的特性，在PSPDI中多引入一個光柵和兩個圓孔，將兩個光柵和三個圓孔一同作為測量精度標定元件，根據Zernike多項式在單位圓域的正交特性和奇偶對稱性質分離在標定PSPDI測量精度時的系統誤差，得到標定表徵PSPDI測量精度的圓孔衍射產生的球面參考波的波面誤差，使光刻機投影物鏡波像差在線檢測裝置不僅能夠在線檢測波像差，還具有測量精度標定功能。
文檔編號G01M11/02GK101813894SQ20101015122
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月16日 優先權日2010年4月16日
發明者劉克, 李豔秋, 汪海, 劉麗輝 申請人:北京理工大學