CN100470377C - 光刻机投影物镜彗差原位检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机投影物镜彗差原位检测系统及检测方法。所述系统包括光源、照明系统、测试掩模、掩模台、投影物镜、工件台、安装在所述工件台上的像传感装置数据采集卡以及计算机。所述像传感装置包括孔径光阑、成像物镜、光电探测器。所述测试掩模由两个互相垂直的线宽较小的移相光栅标记和两个互相垂直的线宽较大的二元光栅标记组成。本发明彗差原位检测的方法，在不同的数值孔径和部分相干因子设置下，通过像传感装置测量所述测试标记的相对成像位置偏移量，然后标定所述投影物镜的彗差灵敏度系数，再利用彗差灵敏度系数计算得到所述投影物镜的彗差。本发明的优点是可以消除畸变对成像位置偏移量的影响，提高了彗差检测精度，缩短彗差检测时间。

Description

光刻机投影物镜彗差原位检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机，特别是一种光刻机投影物镜彗差原位检测系统及原位检测方法。

背景技术

在极大规模集成电路制造领域，用于光刻工艺的步进扫描投影光刻机是公知的。投影物镜系统是步进扫描投影光刻机中最重要的分系统之一。投影物镜的像差使光刻机的光刻成像质量恶化，并造成光刻工艺容限的减小。投影物镜的彗差使掩模上的图形曝光到硅片后发生成像位置偏移，该成像位置偏移量与图形尺寸和照明条件有关，因而，投影物镜的彗差是影响套刻精度的关键因素之一。彗差还可导致掩模上的对称图形在曝光、显影后在硅片上形成的图形不对称，从而影响光刻分辨率和线宽的均匀性。随着光刻特征尺寸的不断减小，尤其是各种分辨率增强技术的使用，彗差对光刻成像质量的影响越来越突出。因此，快速、高精度的光刻机投影物镜彗差原位检测系统及检测方法是不可或缺的。

TAMIS(TIS At Multiple Illumination Settings)技术是目前国际上用于检测光刻机投影物镜彗差的主要技术之一。(参见在先技术，Hans van der Laan，MarcelDierichs，Henk van Greevenbroek，Elaine McCoo，Fred Stoffels，Richard Pongers，RobWillekers.“Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illuminationpupil verification.”Proc.SPIE 2001，4346，394-407.)TAMIS技术采用的系统包括工件台以及安装在工件台上的透射式像传感器、掩模台及测试掩模、照明系统和计算机等。其中透射式像传感器由两部分构成：一套尺寸为亚微米级的孤立线以及一个方孔，孤立线与方孔下方均放置独立的光电二极管。其中孤立线包括X方向的孤立线和Y方向的孤立线，方孔用于补偿照明光源的光强波动。透射式像传感器可以分别测量X方向线条和Y方向线条的成像位置。在TAMIS技术中，通过移动工件台使透射式像传感器扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，可以得到标记的成像位置(X，Y)，再与理想成像位置比较后得到成像位置偏移量(ΔX(NA，σ)，ΔY(NA，σ))。在不同的投影物镜数值孔径和照明系统部分相干因子设置下测量掩模上各个标记的成像位置，得到不同照明条件下的视场内不同位置处的成像位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，ΔY(NA_i，σ_i)，(i＝1，2，3…n)，然后利用数学模型进行计算后得到彗差相应的泽尼克系数Z₇、Z₈、Z₁₄、Z₁₅。

由于透射式像传感器具有特殊的结构，因此测试标记的形状一般需设计为透射式像传感器某个分支的形状，因此测试标记的设计受到了一定的限制。此外，在成像位置偏移量的测量过程中，需要通过移动工件台使透射像传感器扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，因此测量时间相对较长。

TAMIS技术采用的测试掩模为二元掩模，相对于各种相移掩模，彗差对二元掩模成像位置偏移的影响较小。因此TAMIS技术使用二元掩模进行彗差检测，灵敏度系数的变化范围较小，导致彗差检测的精度有限。

畸变是光刻机投影物镜主要的垂轴像差之一，畸变同样会导致掩模上的图形曝光到硅片后发生成像位置偏移。TAMIS技术测量彗差时并没有考虑畸变对成像位置偏移量的影响，因而使彗差检测存在一定的误差，影响了彗差检测的精度。此外，TAMIS技术彗差检测过程中，必须同时对Z₂、Z₃进行拟合计算，因此影响了彗差检测的速度。随着光刻特征尺寸的不断减小，需要更高精度、更高速度的光刻机投影物镜彗差原位检测系统及检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻机投影物镜彗差原位检测系统及检测方法，本发明要消除畸变对彗差检测的影响，提高彗差检测的精度。同时，要提高彗差检测的速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机投影物镜彗差原位检测系统，包括光源，在该光源的输出光路上同光轴地依次是照明系统、测试掩模、承载测试掩模的掩模台、投影物镜、工件台及安装在该工件台上的像传感装置，该像传感装置通过数据采集卡和计算机相连，其特征在于所述的测试掩模由线宽较小的x方向彗差测量标记、y方向彗差测量标记、线宽较大的x方向彗差参考标记和y方向彗差参考标记构成，所述的x方向彗差测量标记和y方向彗差测量标记是移相光栅标记，所述的x方向彗差参考标记和y方向彗差参考标记是二元光栅标记，所述像传感装置包括孔径光阑、成像物镜和光电探测器，所述的光电探测器通过数据采集卡和计算机相连。

用作所述的x方向彗差测量标记和y方向彗差测量标记的移相光栅标记，可为交替型移相光栅标记，或衰减型移相光栅标记，或无铬移相光栅标记。

所述的光电探测器是CCD，或光电二极管阵列。

利用上述的光刻机投影物镜彗差原位检测系统进行光刻机投影物镜彗差原位检测的方法，包括以下步骤：

①启动光源，光源发出的照明光经照明系统照射掩模台上的测试掩模，该测试掩模上的x方向彗差测量标记、y方向彗差测量标记、x方向彗差参考标记、y方向彗差参考标记经投影物镜的像通过孔径光阑滤波后经成像物镜成像在光电探测器的探测面上并被转换为电信号，该电信号被数据采集卡采集后送入计算机进行数据处理，得到在当前数值孔径NA和部分相干因子σ条件下，x方向彗差测量标记空间像的中心位置与x方向彗差参考标记空间像的中心位置之间的相对成像位置偏移量ΔX(NA，σ)，以及y方向彗差测量标记空间像的中心位置与y方向彗差参考标记空间像的中心位置之间的相对成像位置偏移量ΔY(NA，σ)：

ΔX(NA，σ)＝ΔX₃₁(NA，σ)-ΔX₃₂(NA，σ)

ΔY(NA，σ)＝ΔY₃₃(NA，σ)-ΔY₃₄(NA，σ)

其中：ΔX₃₁(NA，σ)，ΔX₃₂(NA，σ)，ΔY₃₃(NA，σ)，ΔY₃₄(NA，σ)分别为测试掩模上的x方向彗差测量标记、x方向彗差参考标记、y方向彗差测量标记和y方向彗差参考标记经投影物镜后的成像位置偏移量；

②通过改变照明系统的部分相干因子σ和投影物镜的数值孔径NA，利用所述像传感装置测得多组相对成像位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，ΔY(NA_i，σ_i)，(i＝1，2，3…n)，其中n为照明参数设置数，n的取值由测量精度决定，测量精度高则n取值大；

③利用光刻仿真软件标定在不同的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下所述的投影物镜的彗差灵敏度系数：

$S_1({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_7}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),$

$S_2({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{14}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),$

$S_3({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_8}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),$

$S_4({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{15}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),$

其中：ΔX(NA_i，σ_i)和ΔY(NA_i，σ_i)为不同数值孔径和部分相干因子下的相对成像位置偏移量，Z₇，Z₈，Z₁₄和Z₁₅为表示彗差的泽尼克系数，标定方法如下：

当标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i，)时，先设定一定的Z₇值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由X方向三阶彗差引起的相对位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，则此时的灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i，)即为ΔX(NA_i，σ_i)与Z₇之比；

同样方法标定S₂(NA_i，σ_i)、S₃(NA_i，σ_i)和S₄(NA_i，σ_i)；

④在不同数值孔径NA和部分相干因子σ条件下测得的相对成像位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，ΔY(NA_i，σ_i)(i＝1，2，3……n)与灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)，S₂(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S4(NA_i，σ_i)以及表征彗差的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄，Z₁₅之间的关系由下式表示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{14}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_3({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{15}\end{array}\right],$

利用最小二乘法求解上述两式，即可得到与投影物镜(5)的彗差相关的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄和Z₁₅；

⑤通过光刻机的主控计算机移动工件台，将测试掩模上的x方向彗差测量标记、y方向彗差测量标记、x方向彗差参考标记和y方向彗差参考标记移动到投影物镜的光瞳面的不同位置，重复步骤①～④，以测量表征投影物镜不同位置彗差的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄和Z₁₅。

所述的照明参数设置数n一般的取值范围为30～60。

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1.本发明通过测试标记相对成像位置偏移量的测量，可以消除畸变对成像位置偏移量的影响，从而提高了彗差检测的精度。

2.本发明的测试掩模中采用了移相光栅标记，对彗差更为敏感，可以提高彗差检测的精度。

3.本发明测量标记相对位置偏移量时，无需通过移动工件台使透射像传感器扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，可直接记录掩模上测试标记经投影物镜所成的像的光强分布，从而计算得到测试标记的相对成像位置偏移量。

4.本发明还可通过变换照明方式，使用光瞳滤波等方法使彗差灵敏度系数变换范围增大，从而提高了彗差检测精度。

5.本发明需测量的泽尼克系数由三个减少至两个，从而节约1/3左右的测量时间。

附图说明

图1是本发明光刻机投影物镜彗差原位检测系统的结构示意图。

图2是本发明所使用测试掩模上的测试标记的示意图。

图3是本发明采用的像传感装置结构示意图。

国4是在传统照明条件下，本发明实施例中采用的测试标记的Z₇灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图5是在环形照明条件下，本发明实施例中采用的测试标记的Z₇灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图6是在传统照明条件下，TAMIS技术中的密集线条标记的Z₇灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图7是在环形照明条件下，TAMIS技术中的密集线条标记的Z₇灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图8是在传统照明条件下，本发明实施例中采用的测试标记的Z₁₄灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图9是在环形照明条件下，本发明实施例中采用的测试标记的Z₁₄灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图10是在传统照明条件下，TAMIS技术中的密集线条标记的Z₁₄灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图11是在环形照明条件下，TAMIS技术中的密集线条标记的Z₁₄灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明光刻机投影物镜彗差原位检测系统的结构示意图。由图可见，本发明光刻机投影物镜彗差原位检测系统，包括光源1，在该光源1的输出光束上同光轴地依次是照明系统2、测试掩模3、承载测试掩模3的掩模台4、投影物镜5、工件台6及安装在该工件台6上的像传感装置7，该像传感装置7通过数据采集卡8和计算机9相连，其特点是所述的测试掩模3由线宽较小的x方向彗差测量标记31、y方向彗差测量标记33、线宽较大的x方向彗差参考标记32和y方向彗差参考标记34构成，所述的x方向彗差测量标记31和y方向彗差测量标记33是移相光栅标记，所述的x方向彗差参考标记32和y方向彗差参考标记34是二元光栅标记，所述像传感装置7包括孔径光阑71、成像物镜72和光电探测器73，所述的光电探测器73通过数据采集卡8和计算机9相连。

所述的光源1产生照明光束；所述的照明系统2用于调整所述光源发出的光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式；所述的掩模台4能承载测试掩模3并精确定位；所述的投影物镜5能将测试掩模3上的图形成像且数值孔径可调；工件台6能精确定位；所述的像传感装置7安装在该工件台6上用于测量测试掩模3上的图形成像位置；所述的数据采集卡8用于测量信号实时采集；所述的计算机9用于数据处理分析。

所述的光源1可以是汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源和放电等离子体光源等紫外、深紫外和极紫外光源。

所述照明系统2包括扩束透镜组21，光束整形器22和光束均匀器23。

所述照明方式包括传统照明、环形照明、二级照明、四级照明等。

如图2所示，所述测试掩模3上包含线宽较小的x方向彗差测量标记31、y方向彗差测量标记33和线宽较大的x方向彗差参考标记32、y方向彗差参考标记34。

所述x方向彗差测量标记31和y方向彗差测量标记33可以是交替型移相光栅标记，衰减型移相光栅标记，无铬移相光栅标记等。

所述x方向彗差参考标记32和y方向彗差参考标记34是二元光栅标记。

所述投影物镜5可以是全透射式投影物镜、折反式投影物镜、全反射式投影物镜等。

如图3所示，所述像传感装置7包括孔径光阑71，成像物镜72，光电探测器73等。

所述光电探测器73可以是CCD、光电二极管阵列或其它具有光电信号转换功能的探测器阵列。测量标记相对位置偏移量时，无需通过移动工件台使透射像传感器扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，可直接记录掩模上测试标记经投影物镜所成的像的光强分布，从而计算得到测试标记的相对成像位置偏移量。

一种采用所述的光刻机投影物镜彗差原位检测系统进行光刻机投影物镜彗差原位的检测方法。包括以下步骤：

启动光刻机，光源1发出的照明光经照明系统2中的扩束透镜组21扩束后进入光束整形器22，得到所需要的照明方式，再进入光束均匀器23使照明光的光强均匀化；经光强均匀化后的照明光束照射掩模台4上的测试掩模3，

通过移动工件台6使测试掩模3上的x方向彗差测量标记31、y方向彗差测量标记33、x方向彗差参考标记32、y方向彗差参考标记34经投影物镜5成像在安装在工件台6的像传感装置7上的孔径光阑71表面；x方向彗差测量标记31、y方向彗差测量标记33、x方向彗差参考标记32、y方向彗差参考标记34的像通过孔径光阑71滤波后经成像物镜72成像在光电探测器73表面并被转换为电信号，该信号被数据采集卡8采集后送入计算机9进行数据处理，通过计算可得在当前数值孔径NA和部分相干因子σ条件下，x方向彗差测量标记31空间像的中心位置与x方向彗差参考标记32空间像的中心位置之间的相对成像位置偏移量ΔX(NA，σ)，以及y方向彗差测量标记33空间像的中心位置与y方向彗差参考标记34空间像的中心位置之间的相对成像位置偏移量ΔY(NA，σ)；通过改变照明系统2的部分相干因子、照明方式以及投影物镜5的数值孔径，利用所述像传感装置7测得多组所述相对成像位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，ΔY(NA_i，σ_i)，(i＝1，2，3…n)；利用光刻仿真软件标定在不同的数值孔径和部分相干因子条件下所述投影物镜5的彗差灵敏度系数S₁(NA，σ)和S₂(NA，σ)；利用所述彗差灵敏度系数计算得到与投影物镜5的彗差有关的泽尼克系数的大小。详细的标定与计算的过程如下所述。

投影物镜的波像差通常由泽尼克多项式来表示：

$W(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n\·R_n(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})$

$=Z_1+Z_2\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}+Z_3\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+Z_4(2{\mathrm{\ρ}}^2-1)+Z_5{\mathrm{\ρ}}^2\cos 2\mathrm{\θ}+---\left(1\right)$

$Z_6{\mathrm{\ρ}}^2\sin 2\mathrm{\θ}+Z_7(3{\mathrm{\ρ}}^2-2)\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}+Z_8(3{\mathrm{\ρ}}^2-2)\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+\·\·\·+$

$Z_{14}(10{\mathrm{\ρ}}^4-12{\mathrm{\ρ}}^2+3)\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}+Z_{15}(10{\mathrm{\ρ}}^4-12{\mathrm{\ρ}}^2+3)\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+\·\·\·,$

其中：ρ，θ为物镜出瞳面的归一化极坐标。泽尼克系数Z₂与Z₃分别表示X方向和Y方向的波前倾斜，Z₇与Z₈分别表示X方向和Y方向的三阶彗差，Z₁₄与Z₁₅分别表示X方向和Y方向的五阶彗差。在忽略高阶像差的情况下，影响图形成像位置偏移量的像差函数可表示为：

W_X(ρ)＝Z₂ρ+Z₇(3ρ³-2ρ)+Z₁₄(10ρ⁵-12ρ³+3ρ)，(2)

W_Y(ρ)＝Z₃ρ+Z₈(3ρ³-2ρ)+Z₁₅(10ρ⁵-12ρ³+3ρ)，(3)

(2)式和(3)式中ρ的线性项包含部分畸变，畸变的存在使彗差检测存在一定的误差。畸变导致的成像位置偏移量不随图形尺寸和密度的改变而改变，而彗差引起的成像位置偏移量依赖于图形的尺寸和密度。x方向彗差测量标记31与x方向彗差参考标记32之间的相对位置偏移量ΔX(NA，σ)，以及y方向彗差测量标记33与y方向彗差参考标记34之间的相对成像位置偏移量ΔY(NA，σ)可表示为

ΔX(NA，σ)＝ΔX₃₁(NA，σ)-ΔX₃₂(NA，σ)，(4)

ΔY(NA，σ)＝ΔY₃₃(NA，σ)-ΔY₃₄(NA，σ)。(5)

其中，ΔX₃₁(NA，σ)，ΔX₃₂(NA，σ)，ΔY₃₃(NA，σ)，ΔY₃₄(NA，σ)分别为测试掩模3上的x方向彗差测量标记31、x方向彗差参考标记32、y方向彗差测量标记33、y方向彗差参考标记34经投影物镜成像后的位置偏移量。通过相对成像位置偏移量的测量，可消除(2)式和(3)式中线性项的影响，该相对成像位置偏移量可表示为

ΔX(NA，σ)∝Z₇3ρ³+Z₁₄(10ρ⁵-12ρ³)，(6)

ΔY(NA，σ)∝Z₈3ρ³+Z₁₅(10ρ⁵-12ρ³)，(7)

由(6)、(7)两式可知，由彗差引起的相对成像位置偏移量主要取决于测试标记的频谱在投影物镜光瞳面的分布。进入光瞳非零级次衍射光的强度越高，彗差引起的相对位置偏移量越大。相对于相同线宽的二元光栅，本发明采用的测试掩模3上包含的x方向彗差测量标记31和y方向彗差测量标记33均为移相光栅标记，进入光瞳的衍射级次更多，非零级衍射光的强度得到提高。因此本发明提出的测试标记将对彗差更为敏感，更适于彗差检测。

与此同时，彗差引起的相对位置偏移量还取决于投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子。在彗差一定的情况下，改变投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子将使不同空间频率的光线的光强分布发生变化，从而使彗差引起的相对位置偏移量发生变化。调节光束整形器22改变照明系统的部分相干因子和照明方式，并调节投影物镜5的数值孔径，对于x方向彗差测量标记31和x方向彗差参考标记32，以及y方向彗差测量标记33和y方向彗差参考标记34分别有，

ΔX(NA_i，σ_i)＝S₁(NA_i，σ_i)Z₇+S₂(NA_i，σ_i)Z₁₄(i＝1，2，3……n)，(8)

ΔY(NA₁，σ_i)＝S₃(NA_i，σ_i)Z₈+S₄(NA₁，σ_i)Z₁₅(i＝1，2，3……n)，(9)

其中，ΔX(NA_i，σ_i)为在给定的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下彗差引起的x方向彗差测量标记31与x方向彗差参考标记32的相对成像位置偏移量，ΔY(NA_i，σ_i)为在给定的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下彗差引起的y方向彗差测量标记33与y方向彗差参考标记34的相对成像位置偏移量。S₁(NA_i，σ_i)，S₂(NA_i，σ_i)，S3(NA_i，σ_i)和S₄(NA_i，σ_i)为彗差灵敏度系数，由下列公式定义

$S_1({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_7}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(10\right)$

$S_2({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{14}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(11\right)$

$S_3({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_8}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(12\right)$

$S_4({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{15}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(13\right)$

灵敏度系数随投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子变化，可利用光刻仿真软件标定得到。如标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)时，可设定一定的Z₇值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由X方向三阶彗差引起的相对位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，则此时的灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)可即为ΔX(NA_i，σ_i)与Z₇之比，S₂(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)和S₄(NA_i，σ_i)的标定方法与S₁(NA_i，σ_i)相似。

在一系列不同的数值孔径和部分相干因子设置下，通过安装在工件台6上的像传感装置7探测测试掩模3上x方向彗差测量标记31与x方向彗差参考标记32，以及y方向彗差测量标记33与y方向彗差参考标记34的空间像可以得到其光强分布并计算得到相对成像位置偏移量，可由以下矩阵方程表示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{14}\end{array}\right],---\left(14\right)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_3({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{15}\end{array}\right].---\left(15\right)$

上述方程为超定方程，可通过最小二乘法求解。利用像传感装置7在一系列数值孔径和部分相干因子设置下测量视场内不同位置处x方向彗差测量标记31与x方向彗差参考标记32，y方向彗差测量标记33与y方向彗差参考标记34的相对成像位置偏移量，利用标定的灵敏度系数可以计算得到表征视场内相应位置彗差的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄和Z₁₅。

本发明实施例的系统结构如图1所示，光源1采用波长为193nm的ArF准分子激光器，照明系统2提供的照明方式为传统照明和环形照明，其中传统照明的部分相干因子变化范围为0.25～0.85，变化步长为0.1，共7种部分相干因子设置。环形照明的环带宽度为0.3，环带中心部分相干因子的变化范围为0.3～0.8，变化步长为0.1，共6种部分相干因子设置。投影物镜的数值孔径变化范围为0.5～0.8，变化步长为0.05，共7种数值孔径设置。因此在本实施例中，常规照明方式共取49种照明参数设置，环形照明方式共取42种照明参数设置。测试掩模3上的x方向彗差测量标记31为垂直方向的线宽为250nm的交替型移相光栅标记，x方向彗差参考标记32为垂直方向的线宽为2μm的二元光栅标记，y方向彗差测量标记31为水平方向的线宽为250nm的交替型移相光栅标记，y方向彗差参考标记32为水平方向的线宽为2μm的二元光栅标记。投影物镜5是全透射式投影物镜。图3中的光电探测器73为光电二极管阵列。

以x方向彗差测量标记31为例，其复透过率函数为

$t\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-2\mathrm{np})*[\mathrm{rect}\left(\frac{x+p/2}{p/2}\right)-\mathrm{rect}\left(\frac{x-p/2}{p/2}\right)],---\left(16\right)$

其中，p为交替型移相光栅的栅距。交替型移相光栅在物镜光瞳面的频谱分布为其复透过率函数的傅里叶变换：

$U\left(f_x\right)=\frac{j}{2}\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{2p})\sin c\left(\frac{{\mathrm{pf}}_x}{2}\right)\sin \left(\mathrm{\π}{\mathrm{pf}}_x\right),---\left(17\right)$

其中f_x＝sinθ/λ，为空间频率变量。x方向彗差参考标记32的复透过率函数为

$t\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-\mathrm{np})*\mathrm{rect}\left(\frac{x}{p/2}\right),---\left(18\right)$

二元光栅在物镜光瞳面的频谱分布为其复透过率函数的傅里叶变换：

$U\left(f_x\right)=\frac{1}{2}\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{p})\sin c\left(\frac{{\mathrm{pf}}_x}{2}\right).---\left(19\right)$

由(17)式和(19)式可知，交替型移相光栅标记的零级衍射光缺级，二元光栅除了零级衍射光之外的偶数级次衍射光缺级。对于具有相同线宽的密集线条标记而言，交替型移相光栅相比于二元光栅有更多级次的衍射光进入物镜光瞳，而且交替型移相光栅的衍射谱不含直流分量，高阶衍射光的强度得到提高，因此，交替型移相光栅对彗差更为敏感，更适于彗差检测。在本实施例中，通过在不同的数值孔径和部分相干因子条件下测量较小线宽的交替型移相光栅标记与较大尺寸的二元光栅标记的相对成像位置偏移量，利用(14)和(15)式计算得到与彗差相关的泽尼克系数。

灵敏度系数的变化范围是影响彗差检测精度的关键因素。下面给出本实施例彗差灵敏度的仿真结果。图4与图5分别为传统照明与环形照明条件下，本发明采用测试掩模3上的x方向彗差测量标记31与x方向彗差参考标记32的相对成像位置偏移量ΔX的Z₇灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。图6与图7分别为传统照明与环形照明条件下，TAMIS技术的Z₇灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。本发明提出的彗差检测方法与TAMIS技术相比，Z₇灵敏度系数的变化范围在传统照明条件下增大了34.4％，在环形照明条件下增大了28.2％。

图8与图9分别为传统照明与环形照明条件下，本发明采用测试掩模3上的x方向彗差测量标记31与x方向彗差参考标记32的相对位置偏移量ΔX的Z₁₄灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。图10与图11分别为传统照明与环形照明条件下，TAMIS技术的Z₁₄灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。本发明提出的彗差检测方法与TAMIS技术相比，Z₁₄灵敏度系数的变化范围在传统照明条件下增大了58.5％，在环形照明条件下增大了2.2％。

由以上说明，本发明与已有技术相比，消除了畸变对彗差检测的影响，提高彗差检测的精度，同时提高了彗差检测的速度。

Claims (2)

1、一种光刻机投影物镜彗差原位检测的方法，其中，该方法采用的光刻机投影物镜彗差原位检测系统包括光源(1)，在该光源(1)的输出光束上同光轴地依次是照明系统(2)、测试掩模(3)、承载测试掩模(3)的掩模台(4)、投影物镜(5)、工件台(6)及安装在该工件台(6)上的像传感装置(7)，该像传感装置(7)通过数据采集卡(8)和计算机(9)相连，其特征在于所述的测试掩模(3)由两个互相垂直的线宽较小的x方向彗差测量标记(31)、y方向彗差测量标记(33)、和两个互相垂直线宽较大的x方向彗差参考标记(32)和y方向彗差参考标记(34)构成，所述的x方向彗差测量标记(31)和y方向彗差测量标记(33)是移相光栅标记，所述的x方向彗差参考标记(32)和y方向彗差参考标记(34)是二元光栅标记，所述像传感装置(7)包括孔径光阑(71)、成像物镜(72)和光电探测器(73)，所述的光电探测器(73)通过数据采集卡(8)和计算机(9)相连，该方法包括以下步骤：

①光源(1)发出的照明光经照明系统(2)照射掩模台(4)上的测试掩模(3)，该测试掩模(3)上的x方向彗差测量标记(31)、y方向彗差测量标记(33)、x方向彗差参考标记(32)、y方向彗差参考标记(34)经投影物镜(5)的像通过孔径光阑(71)滤波后经成像物镜(72)成像在光电探测器(73)的探测面上并被转换为电信号，该电信号被数据采集卡(8)采集后送入计算机(9)进行数据处理，得到在当前数值孔径NA和部分相干因子σ条件下，x方向彗差测量标记(31)空间像的中心位置与x方向彗差参考标记(32)空间像的中心位置之间的相对成像位置偏移量ΔX(NA，σ)，以及y方向彗差测量标记(33)空间像的中心位置与y方向彗差参考标记(34)空间像的中心位置之间的相对成像位置偏移量ΔY(NA，σ)，由ΔX(NA，σ)＝ΔX₃₁(NA，σ)-ΔX₃₂(NA，σ)和ΔY(NA，σ)＝ΔY₃₃(NA，σ)-ΔY₃₄(NA，σ)表示，其中，ΔX₃₁(NA，σ)，ΔX₃₂(NA，σ)，ΔY₃₃(NA，σ)，ΔY₃₄(NA，σ)分别为测试掩模(3)上的x方向彗差测量标记(31)、x方向彗差参考标记(32)、y方向彗差测量标记(33)、y方向彗差参考标记(34)经投影物镜后的成像位置偏移量；

②通过改变照明系统(2)的部分相干因子σ和投影物镜(5)的数值孔径NA，利用所述像传感装置(7)测得多组相对成像位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，ΔY(NA_i，σ_i)，其中：i＝1，2，3…n，n为照明参数设置数，n的取值由测量精度决定，测量精度高则n取值大；

③利用光刻仿真软件标定在不同的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下所述的投影物镜(5)的彗差灵敏度系数：

$S_1({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_7},$ 其中i＝1，2，3……n，

$S_2({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{14}},$ 其中i＝1，2，3……n，

$S_3({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_8},$ 其中i＝1，2，3……n，

$S_4({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{15}},$ 其中i＝1，2，3……n，

其中，ΔX(NA_i，σ_i)和ΔY(NA_i，σ_i)为不同数值孔径和部分相干因子条件下的相对成像位置偏移量，Z₇，Z₈，Z₁₄和Z₁₅为表示彗差的泽尼克系数，标定方法如下：

当标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S1(NA_i，σ_i)时，先设定一定的Z₇值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由X方向三阶彗差引起的相对位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，则此时的灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)即为ΔX(NA_i，σ_i)与Z₇之比；

当标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S₂(NA_i，σ_i)时，先设定一定的Z₁₄值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由X方向五阶彗差引起的相对位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，则此时的灵敏度系数S₂(NA_i，σ_i)即为ΔX(NA_i，σ_i)与Z₁₄之比；

当标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S₃(NA_i，σ_i)时，先设定一定的Z₈值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由Y方向三阶彗差引起的相对位置偏移量ΔY(NA_i，σ_i)，则此时的灵敏度系数S₃(NA_i，σ_i)即为ΔY(NA_i，σ_i)与Z₈之比；

当标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S₄(NA_i，σ_i)时，先设定一定的Z₁₅值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由Y方向三阶彗差引起的相对位置偏移量ΔY(NA_i，σ_i)，则此时的灵敏度系数S₄(NA_i，σ_i)即为ΔY(NA_i，σ_i)与Z₁₅之比；

④在不同数值孔径NA和部分相干因子σ条件下测得的相对成像位置偏移量ΔX(NA_i，σ_i)，ΔY(NA_i，σ_i)，其中i＝1，2，3……n与灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)，S₂(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S₄(NA_i，σ_i)以及表征彗差的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄，Z₁₅之间的关系由下式表示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{14}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_3({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{15}\end{array}\right],$

利用最小二乘法求解上述两式，即可得到与投影物镜(5)的彗差相关的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄和Z₁₅；

⑤通过光刻机的主控计算机移动工件台(6)，将测试掩模(3)上的x方向彗差测量标记(31)、y方向彗差测量标记(33)、x方向彗差参考标记(32)、y方向彗差参考标记(34)移动到投影物镜(5)的光瞳面的不同位置，重复步骤①～④，实现表征投影物镜不同位置彗差的泽尼克系数Z₇，Z₈，Z₁₄和Z1₅的测量。

2、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜彗差原位检测的方法，其特征在于所述的照明参数设置数n的取值为30～60。

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