CN100474115C - 光刻机成像光学系统像差现场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻机成像光学系统像差现场测量方法，包括如下步骤：标定所述成像光学系统的灵敏度矩阵；将所述光源发出的光束经过所述照明系统调整后，照射于所述掩模；所述掩模选择性地透过一部分光线；这样透过的光线经过所述成像光学系统将掩模上的图案成像；通过改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，测量得到多组所述空间像线宽，而后使用所述灵敏度矩阵计算各种高级像质参数。采用本发明测量方法可简化测试流程，提高像质参数测量精度，缩短测量时间。

Description

光刻机成像光学系统像差现场测量方法

技术领域

本发明涉及成像光学系统成像质量的现场测量方法，特别是涉及光刻机成像光学系统像差现场测量方法。

背景技术

在现有技术中，将形成于各种掩模上的图样，用曝光光线照明，中间经由成像光学系统将前述图样复制到涂布有光刻胶的晶片、玻璃基板等基板上的曝光装置是公知的。

近年来，半导体元件越来越高集成化，要求其电路图样进一步微细化。随着光刻特征尺寸的变小，尤其是离轴照明与相移掩模的使用，像差对光刻质量的影响变得越来越突出。因此光刻机投影成像光学系统的现场测量技术不可或缺。

成像光学系统像差的测量，通常以如下方式进行。以下以投影物镜系统为例。即，将像差测量用掩模放置在物面上，将形成掩模上的规定图样成像于投影物镜系统的像上的前述基板上，将所成的像进行显影。然后利用扫描电子显微镜(SEM)对已显影的像进行测量，根据测量结果求出前述投影物镜光学系统的像差。(在先技术1，Peter Dirksen，Casper A.Juffermans，Ruud J.Pellens，Mireille Maenhoudt，Peter Debisschop.“Novel aberrationmonitor for optical lithography.”Proc.SPIE 1999，3679，77-86.)

但是，在前述技术的方法中，由于光刻胶涂布不均匀，显影不均匀等处理工艺误差，使得前述像差的测量精度不能充分保证。而且利用SEM进行观察前，需要对硅片进行前处理，如显影工艺，因此对于像差的测定需要很长的时间。

为了避免这些问题，人们提出了利用透射式像传感器(TIS)对前述投影物镜波像差进行测量的方法，即TAMIS技术。(在先技术2，Van der Laan，Hans，Dierichs，Marcel，van Greevenbroek，Henk，McCoo，Elaine，Stoffels，Fred，Pongers，Richard，Willekers，Rob.“Aerial image measurement methodsfor fast aberration set-up and illumination pupil verification.”Proc.SPIE2001，4346，394-407.)TIS由两种探测器构成：一套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方向的孤立线与Y方向的孤立线两种，不同方向的孤立线分别用于测量不同方向线条的成像位置。方孔用于补偿照明光源的光强波动。TIS可以测量X方向线条成像位置(Y，Zy)，Y方向线条成像位置(X，Zx)。将像差测定用二元掩模放置在掩模台上，该掩模上有形状类似于TIS的标记。测量彗差采用的标记是的密集线条，而测量球差采用是孤立线条。通过移动工件台使TIS扫描掩模上标记经投影物镜所成的像，可以得到标记的成像位置(x，y，zx，zy)，并与理想位置比较后得到成像位置偏移量(ΔX，ΔY，ΔZx，ΔZy)。在不同的NA与σ下测量掩模上各个标记的成像位置，得到不同的照明条件下的视场内不同位置处的成像位置偏移量，然后利用数学模型进行计算后得到波像差相应的Zernike系数。但随着光刻技术的发展，对像差测量精度的要求也不断提高，该测量技术正逐渐不能满足精度上要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高精度的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，以克服现有技术存在的像差的测定时间长、测量精度低等缺点。

本发明解决技术问题的技术方案：

一种光刻机成像光学系统像差现场测量方法，所述方法所使用的系统包括：产生投影光束的光源；用于调整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学系统；能承载所述掩模并精确定位的掩模台；能承载硅片并精确定位的工件台；所述方法包括以下步骤：标定所述成像光学系统的灵敏度矩阵；将所述光源发出的光束经过所述照明系统调整后，照射于所述掩模；所述掩模选择性地透过一部分光线；这样透过的光线经过所述成像光学系统将掩模上的所述图案成像；通过改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，利用特定工具测量得到多组所述线宽，计算得出线宽不对称度与不均匀性，而后使用所述灵敏度矩阵计算物镜波像差。

进一步，所述特定工具包括像传感器、CD-SEM、显微镜等。

所述线宽包括空间像线宽、曝光显影后的光刻胶线宽、刻蚀后的图形线宽等。

所述掩模包括二元掩模、相移掩模等。

所述相移掩模包括交替相移掩模、衰减相移掩模、无铬相移掩模等。

通过使用包括不同特征尺寸与形状的标记的掩模作为所述掩模来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。

所述特征尺寸包括标记中各组成部分的大小、间距。

通过改变物镜数值孔径来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。

通过改变照明部分相干因子或照明方式来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。

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。

所述光源为汞灯或准分子激光器等紫外、深紫外、极紫外光源。

所述波像差包括彗差、球差、像散、三波差等。

相对于现有TAMIS测量技术，基于双线空间像线宽不对称度的彗差测量技术排除了低阶波像差对灵敏度的影响，从而可降低测量误差。同时，需测量的Zernike系数由三个减少至两个，可以减少NA和σ设定的数量，从而节约1/3左右的测量时间。因此，本发明与现有技术相比可提高像质参数测量精度，缩短测量时间。

附图说明

图1为依据本发明实施例的曝光装置的结构示意图；

图2a为掩模上三线标记示意图；

图2b为掩模上三线标记的空间像轮廓图；

图3使用三线标记(a、b)与TAMIS中的密集线标记(c、d)时，由PROLITH计算得出的Z₇灵敏度与数值孔径、部分相干因子的关系；

图4为在其它Zernike系数为零，Z₇与NA大小一定的条件下，比较了使用三线标记(图4a、图4b)与TAMIS中的密集线标记(图4c、图4d)的情况下，由仿真软件得出的内外部分相干因子与成像位置横向偏移量的关系图。

图5为在其它Zernike系数为零，Z₁₄与NA大小一定的条件下，比较了使用三线标记(图5a、图5b)与TAMIS中的密集线标记(图5c、图5d)的情况下，由仿真软件得出的内外部分相干因子与成像位置横向偏移量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明所使用的系统包括：产生投影光束的光源LS；用于调整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统IL；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学系统PL；能承载所述掩模R并精确定位的掩模台RS；能承载硅片W并精确定位的工件台WS；安装在所述工件台上WS的测量标记成像位置的像传感器TIS。

本发明光刻机成像光学系统像差现场测量方法包括以下步骤：标定所述成像光学系统的灵敏度矩阵；将所述汞灯或准分子激光器LS发出的光束经过照明系统IL调整后，照射于掩模R；掩模R选择性地透过一部分光线；透过的光线经过成像光学系统PL将掩模上的图案成像；通过使用CD-SEM测量曝光、显影后的线宽；通过使用包括不同特征尺寸与形状的标记的掩模、改变物镜数值孔径或改变照明部分相干因子来改变所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布，测量得到多组所述成像位置偏移量与空间像线宽，而后使用所述灵敏度矩阵计算各种高级像质参数。

投影物镜的波像差是指实际波前与理想波前在物镜出瞳面上的光程差。波像差可分解为Zernike多项式的形式，

w(ρ，θ)＝Z₁+Z₂·ρcos θ+Z₃·ρsin θ+Z₄·(2ρ²-1)+Z₅·ρ²cos 2θ+Z₆·ρ²sin 2θ

          +Z₇(3ρ³-2ρ)cos θ+Z₈(3ρ³-2ρ)sin θ+Z₉·(6ρ⁴-6ρ²+1)+……

其中ρ与θ为出瞳面上的归一化极坐标。Z₂与Z₃项表征波前倾斜。Z₄项表征焦面偏移，Z₅与Z₆项表征三阶像散，Z₇表征X方向的三阶彗差，Z₈表征Y方向的三阶彗差，Z₉表示表征三阶球差。

根据像差对成像质量的影响，可以将Z₅以上的像差分为两部分。Zernike多项式中ρ与2nθ(n＝0，1，2，3...)的函数对应的像差，称为偶像差。偶像差主要包括像散(Z₅，Z₆，Z₁₂，Z₁₃)与球差(Z₉，Z₁₆)等。偶像差主要影响空间像的Z向(轴向)位置。Zernike多项式中ρ与(2n+1)θ的函数对应的像差，称为奇像差。奇像差主要包括彗差(Z₇，Z₈，Z₁₄，Z₁₅)与三波差(Z₁₀，Z₁₆)等。奇像差主要影响空间像在XY平面内的(垂向)位置与光强分布。

图2a为掩模上的三线标记示意图。图中白色部分为透光部分，黑色部分为不透光部分。标记线宽为d，线间距为2d。奇像差导致的XY平面内空间像光强分布的变化使得图中标记的空间像线宽不对称。给定光强阈值下的标记空间像轮廓如图2b所示。定义线宽不对称度

LWA＝L1-L3，                        (1)

其中L1与L3为给定阈值下的空间像线宽。线宽不均匀性

LWD＝2L2-(L1+L3)

奇像差中Z₇、Z₁₀、Z₁₄影响Y向三线标记X向线宽的不对称度(LWAx)，Z₈、Z₁₁、Z₁₅影响X向三线标记Y向线宽的不对称度(LWAy)。偶像差则影响LWD。下面就Z₇、Z₁₀、Z₁₄对LWAx的影响进行分析。

在物镜最大数值孔径NA＝0.8，环形照明部分相干因子σ＝0.55-0.85，曝光波长为193nm，三线线宽d＝150nm的条件下，本文利用PROLITH光刻仿真软件分别对Z₇、Z₁₀、Z₁₄导致的LWAx进行了计算，计算结果如图3所示。由图3可知，线宽不对称度与各项奇像差成线性关系。分析其它条件下的仿真计算结果可知，该线性关系也成立，且奇像差之间交叉项的影响可以忽略。一般地，对于Y方向线条

LWAx＝S₁(NA，σ)Z₇+S₂(NA，σ)Z₁₀+S₃(NA，σ)Z₁₄，            (2)

其中S₁，S₂，S₃为灵敏度

$S_1(\mathrm{NA},\mathrm{\σ})=\frac{\∂L{\mathrm{WA}}_x(\mathrm{NA},\mathrm{\δ})}{{\∂Z}_7},$

$S_2(\mathrm{NA},\mathrm{\σ})=\frac{\∂L{\mathrm{WA}}_x(\mathrm{NA},\mathrm{\δ})}{{\∂Z}_{10}},$

$S_3(\mathrm{NA},\mathrm{\σ})=\frac{\∂L{\mathrm{WA}}_x(\mathrm{NA},\mathrm{\δ})}{{\∂Z}_{14}}.---\left(3\right)$

灵敏度S₁-S₃可利用光刻仿真软件计算得到。如设定一定的Z7取其它Zernike系数为零，利用光刻仿真软件计算出此时的LWAx，则可将此时的LWAx除以Z₇作为LWAx对Z₇的偏导数S₁。

线宽不对称度可利用透射像传感器(TIS)测量。透射像传感器包括工件台上的TIS标记以及光强探测器两部分。通过TIS扫描掩模上的类似标记的空间像可以得到其光强分布并计算得到LWA。

本文中测试掩模采用线宽150nm的三线标记，此时三波差Z₁₀的影响可以忽略。对于Y方向线条，有

LWAx(NA，σ)＝S₁(NA，σ)Z₇+S₃(NA，σ)Z₁₄，            (4)

其中LWAx(NA，σ)是在给定的数值孔径与部分相干因子下透射像传感器测量到的Y方向线条线宽不对称度。在5个NA和σ条件下测量LWAx，可得到如下矩阵方程组：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{LWAx}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{LWAx}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{\∂\mathrm{LMAx}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)}{{\∂Z}_7}& \frac{\∂\mathrm{LWAx}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)}{{\∂Z}_{14}}\\ \frac{\∂\mathrm{LWAx}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)}{{\∂Z}_7}& \frac{\∂\mathrm{LWAx}(N_2,{\mathrm{\σ}}_2)}{{\∂Z}_{14}}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ & \\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{14}\end{array}\right]---\left(5\right)$

方程组(5)可简写为L＝S·Z。其中L是在不同NA、σ设定下测得的LWAx，Z是要求解的Zernike系数向量，S是灵敏度矩阵。该方程组是超定的，可通过最小二乘法求解。

利用TIS在5个的NA与σ设定下测量视场内不同位置处的线宽不对称度(LWAx，LWAy)，由(5)式即可得出视场内相应位置的Zernike系数Z₇，Z₈，Z₁₄，Z₁₅。

在TIS测量精度一定的情况下，灵敏度的变化范围是彗差测量精度的关键因素。下面就TAMIS测量技术与基于三线线宽不对称度的彗差测量技术的灵敏度变化范围进行比较。方便起见，假定曝光波长为193nm，被测物镜最大数值孔径为0.8。

在不同NA与照明设定的情况下，利用PROLITH计算得到三线标记LWAx与TAMIS测试的Z₇灵敏度，结果如图4所示。图4a与4b分别反映了传统照明与环形照明环带宽度为0.3时，三线标记LWAx的Z₇灵敏度与NA、σ之间的关系。图4c与图4d分别反映了传统照明与环形照明环带宽度为0.3时，TAMIS测试的Z₇灵敏度与NA、σ之间的关系。由图4可知，考虑到环形照明与传统照明两种情况，三线标记LWAx的Z₇灵敏度在-1.10至2.00之间变化，变化范围为3.30；而TAMIS测试的Z₇灵敏度在-0.40至1.97之间变化，变化范围为2.37。采用基于三线线宽不对称度的彗差测量技术可增大Z₇灵敏度变化范围30.8％。

在不同NA与照明设定的情况下，利用PROLITH计算得到三线标记LWAx与TAMIS测试的Z₁₄灵敏度，结果如图5所示。图5a与图5b分别反映了传统照明与环形照明环带宽度为0.3时，三线标记LWAx的Z₁₄灵敏度与NA、σ之间的关系。图5c与图5d分别反映了传统照明与环形照明环带宽度为0.3时，TAMIS测试的Z₁₄灵敏度与NA、σ之间的关系。由图5可知，考虑到环形照明与传统照明两种情况，三线标记LWAx的Z₁₄灵敏度在-5.71至1.81之间变化，变化范围为7.52；而TAMIS测试的Z₁₄灵敏度在-2.04至0.83之间变化，变化范围为2.87。因此采用基于三线线宽不对称度的彗差测量技术可增大Z₁₄灵敏度变化范围162％。

灵敏度矩阵的精确度与灵敏度的高低是各项Zernike系数的测量精度的关键因素。对于其它各项Zernike系数，使用相移掩模同样也使得该项Zernike系数相应的灵敏度变化范围增加。这也就是说，当使用了三线标记后，各项灵敏度随NA和σ的变化范围增加。因通过测量线宽来测量物镜波像差的能提高灵敏度矩阵S的灵敏度。使用基于线宽测量的波像差测量方法可以提高像差的测量精度百分之几十量级以上。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种光刻机成像光学系统像差现场测量方法，所述方法所使用的系统包括：产生投影光束的光源；用于调整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学系统；能承载所述掩模图案所在的掩模并精确定位的掩模台；能承载硅片并精确定位的工件台；其特征在于，所述方法包括以下步骤：标定所述成像光学系统的灵敏度矩阵；将所述光源发出的光束经过所述照明系统调整后，照射于所述掩模；所述掩模选择性地透过一部分光线；这样透过的光线经过所述成像光学系统将掩模上的所述图案成像；通过改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，利用特定工具测量得到多组线宽，计算得出所述线宽不对称度与不均匀性，而后使用所述灵敏度矩阵计算物镜波像差。

2.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述特定工具包括像传感器、CD-SEM、显微镜。

3.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述线宽包括空间像线宽、曝光显影后的光刻胶线宽、刻蚀后的图形线宽。

4.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述掩模包括二元掩模、相移掩模。

5.根据权利要求4所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述相移掩模包括交替相移掩模、衰减相移掩模、无铬相移掩模。

6.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述图案由一个或多个三线线条、多线线条、接触孔构成。

7.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其

7.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，通过使用包括不同特征尺寸与形状的标记的掩模作为所述掩模来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。

8.根据权利要求7所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述特征尺寸包括标记中各组成部分的大小、间距。

9.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，通过改变物镜数值孔径来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。

10.根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，通过改变照明部分相干因子或照明方式来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。

11.权利要求10所述所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述照明方式包括传统照明、环形照明、二级照明、四级照明。

12 根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述光源为汞灯或紫外、深紫外、极紫外光源准分子激光器。

13 根据权利要求1所述的光刻机成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所述波像差包括彗差、球差、像散、三波差。

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