CN100526990C - 光刻投影物镜远心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光刻投影物镜远心测量方法，利用一可起到孔径光阑作用的专用远心掩模，并在该远心掩模上设置至少一个用以测量视场内远心的通光孔，通过在不同的成像位置测量物体的像来确定通过该点的主光线，从而计算获得远心；测量方法包括：传感器扫描测量法、曝光测量法。其计算方法是，利用可代表一个通光孔在x或y方向的两条边的50%最大光强位置，计算这两个位置的中心点坐标，根据测量高度，利用线性直线方程，线性拟合出一条经过通光孔中心点的光线轨迹，该光线轨迹与光轴的夹角即为远心度。利用本发明的测量方法可快速地测量出光刻机投影物镜的远心度并获得更高的测量精度。

Description

光刻投影物镜远心测量方法

技术领域

本发明涉及光刻设备光学性能检测的方法，尤其涉及一种光刻投影物镜远心测量方法。

背景技术

双远心光学系统，是指同时具有物方远心结构与像方远心结构的光学系统。由于这种系统在物方和像方都采用了远心结构，所以同时具备了物方远心结构和像方远心结构的优点，即使系统中存在定位和设置不是很精确的情况时，也可以得到比较满意的成像效果。

用于半导体制造行业的光刻机的投影物镜通常设计成双远心结构，目的是使主光线平行于光轴，从而保证掩模和硅片在一定焦深范围内的倍率不变，这样曝光线条可以比较均匀，线条斜边可以比较对称。

远心是指主光线和光轴的夹角。在实际测量远心性的时候，视场内各点主光线相对光轴的平均倾斜值是可以通过调节硬件来消除的，于是视场内某点的远心定义成该点的主光线相对视场内平均主光线的夹角，用Rx、Ry描述。Rx、Ry越小，远心性越好。

于是，可以通过在不同的成像位置测量物体的像的方法来确定通过该点的主光线，从而计算远心。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻投影物镜远心测量方法，可快速地测量出光刻机投影物镜的远心度并获得更高的测量精度。

本发明的目的是这样实现的：一种光刻投影物镜远心测量方法，其实质性特点在于：

利用一可起到孔径光阑作用的专用远心掩模，并在该远心掩模上设置

至少一个用以测量视场内远心的通光孔，通过在不同的成像位置测量物体的像来确定通过通光孔中心点的主光线，从而计算获得远心；

所述的测量方法包括：可获得更高精度的传感器扫描测量法、可快速地测量远心的曝光测量法。

上述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其中，所述的传感器扫描测量法采用连续扫描的方式或采用扫描期望位置的方式，根据前一个高度的测量结果，计算出光斑边界位置，从而确定下一个高度时探测器的扫描路径；

具体作法是：令工件台在Z方向步进，每个不同高度下，工件台传感器在xy平面内扫描方形光斑的边界，记录边界位置，测试完毕后，根据公式(1)(2)计算远心Rx、Ry；

x＝偏移量X+Ry*z     (1)

y＝偏移量Y-Rx*z     (2)

所述的曝光测量法，是上下移动工件台，在不同的高度将掩模的像曝光到硅片上；然后用光学显微镜测量掩模通光孔的像的边缘位置，根据所述公式(1)(2)计算远心。

上述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其中，计算方法是，利用可代表一个通光孔在x或y方向两条边的边缘位置，选取50％最大光强的位置作为其边缘位置，计算这两个位置的中心点坐标，根据测量高度，利用线性直线方程，线性拟合出一条经过通光孔中心点的光线轨迹，该光线轨迹与光轴的夹角即为远心度。

上述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其中，计算方法是，利用可代表一个通光孔在x或y方向两条边的边缘位置，选取>0％<100％之间的任意光强所在位置作为其边缘位置，计算这两个位置的中心点坐标，根据测量高度，利用线性直线方程，线性拟合出一条经过通光孔中心点的光线轨迹，该光线轨迹与光轴的夹角即为远心度。

上述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其中，所述的掩模上可设置多个通光孔，以同时测量视场内多个区域的远心；通光孔的形状可以是正方形、圆形或三角形。

所述的掩模上可设置多个通光孔，以同时测量视场内多个区域的远心；通光孔的形状是任意多边形。

上述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其中，所述的传感器扫描测量法可按照以下步骤进行操作：

第一步，设定测量参数：工件台测量高度范围、数目，扫描视场大小；

第二步，装上掩模，Z向移动工件台到极限最低位置Z0；

第三步，在xy平面内移动工件台传感器，扫描寻找掩模通光孔的像的边缘位置，并记录该位置，计算此时通光孔的中心坐标X0/Y0；测试时，传感器沿其路径同时扫描多个方孔的四条边，选定50％最大光强的位置，沿工件台的运动轨迹进行扫描；

第四步，工件台向上步进；重复步骤二，计算此时通光孔的中心坐标X1/Y1；工件台移动到下一个高度循环测量，扫描前先根据前一个高度的扫描结果，计算期望扫描位置；

第五步，重复第三步直到工件台到达极限最高位置，计算此时通光孔的中心坐标Xn/Yn；

第六步，由中心点坐标X0...n/Y0...n以及工件台Z向位移进行线性拟合，根据所述公式(1)(2)计算远心Rx、Ry。

本发明的一种光刻投影物镜远心测量方法由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

采用本发明的远心掩模和计算方法，可以准确测量并精确地计算出光刻投影物镜的远心。

采用本发明的扫描路径，在工件台步进到新的高度时，可以根据上次的测量值确定传感器扫描范围，从而缩短扫描距离，提高测试速度。

附图说明

通过以下对本发明一种光刻投影物镜远心测量方法的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明的双远心结构示意图；

图2为本发明的远心掩模图案设计示意图；

图3为本发明的远心掩模测试扫描路径示意图；

其中，图3(a)为连续扫描，图3(b)为扫描期望位置；

图4为扫描方向上光强变化示意图；

图5(a)为本发明的远心计算模型示意图；

图5(b)为本发明远心计算模型的坐标系定义以及Rx、Ry的正负定义示意图。

具体实施方式

图1所示，为用于本发明一种光刻投影物镜远心测量方法的双远心结构示意图，入射光穿过远心掩模上的至少一个通光孔，经过投影物镜，将所成的像通过出射光投影到硅片上。图1中所示的光学成像系统4是个双远心系统，物方2(物的所在区域)的主光线3平行于光轴1，像方6(像的所在区域)的主光线5也平行于光轴1。

利用一可起到孔径光阑作用的专用远心掩模，并在该远心掩模上设置至少一个用以测量视场内远心的通光孔，通过在不同的成像位置测量物体的像来确定通过该点的主光线，从而计算获得远心。

本发明的计算方法是，利用可代表一个通光孔在x或y方向两条边的边缘位置，可选取50％最大光强的位置作为其边缘位置，亦可选取>0％<100％之间的任意光强所在位置作为其边缘位置，计算这两个位置的中心点坐标，根据测量高度，利用线性直线方程，线性拟合出一条经过通光孔中心点的光线轨迹，该光线轨迹与光轴的夹角即为远心度。

本发明的测量方法主要包括两种：一种为：传感器扫描测量法，可获得更高精度；另一种为：曝光测量法，可快速地测量远心。

其中，传感器扫描测量法可以采用连续扫描的方式；也可以采用扫描期望位置的方式，根据前一个高度的测量结果，计算出光斑边界位置，从而确定下一个高度时探测器的扫描路径；

具体作法是：令工件台在Z方向步进，每个不同高度下，工件台传感器在xy平面内扫描方形光斑的边界，记录边界位置，测试完毕后，根据公式(1)(2)计算远心Rx、Ry；

x＝偏移量X+Ry*z      (1)

y＝偏移量Y-Rx*z        (2)

曝光测量法，是上下移动工件台，在不同的高度将掩模的像曝光到硅片上；然后用光学显微镜测量掩模通光孔的像的边缘位置，根据所述公式(1)(2)计算远心。

为了能够同时测量视场内多个区域的远心，所述的掩模上可设置多个通光孔，通光孔的形状可以是正方形、圆形、三角形或任意多边形。

上述的传感器扫描测量法，可按照以下步骤进行操作：

第一步，设定测量参数：工件台测量高度范围、数目，扫描视场大小；

第二步，装上掩模，Z向移动工件台到极限最低位置Z0；

第三步，在xy平面内移动工件台传感器，扫描寻找掩模通光孔的像的边缘位置，并记录该位置，计算此时通光孔的中心坐标X0/Y0；测试时，传感器沿其路径同时扫描多个方孔的四条边，选定50％最大光强的位置，沿工件台的运动轨迹进行扫描；

第四步，工件台向上步进；重复步骤二，计算此时通光孔的中心坐标X1/Y1；工件台移动到下一个高度循环测量，扫描前先根据前一个高度的扫描结果，计算期望扫描位置；

第五步，重复第三步直到工件台到达极限最高位置，计算此时通光孔的中心坐标Xn/Yn；

第六步，由中心点坐标X0...n/Y0...n以及工件台Z向位移进行线性拟合，根据所述公式(1)(2)计算远心Rx、Ry。

传感器扫描方式的优点是精度高，缺点是如果测量多点的远心，耗时会比较长。

图2中本发明所采用的掩模为具有多个正方形通光孔的远心掩模。其中，白色为透光区域，黑色为不透光区域。

上述的曝光测量法，可这样进行操作：

上下移动工件台，在不同的高度将掩模的像曝光到硅片上。然后用光学显微镜测量掩模通光孔的像的边缘位置，根据公式(1)(2)计算远心。

曝光方式的优点在于测试耗时短，大量的测量工作在曝光结束后进行。缺点是受光学显微镜的精度限制，以及目测的误差，导致远心测量的精度不高。

采用本发明的计算方法，可以精确的测量光刻投影物镜的远心。比如：工件台上下移动范围是800um，工件台定位精度是10nm，那么远心测量精度近似等于0.0125mrad。

图3中的箭头表示传感器的扫描路径。测试时，可以采用连续扫描的方式，如图3(a)所示，这种方法扫描路径长，测试所需的时间较长。也可以采用扫描期望位置的方式，如图3(b)所示。根据前一个高度的测量结果，计算出光斑边界位置，从而确定下一个高度时探测器的扫描路径，这种方法缩短了扫描距离，节省了测试时间。

图3(b)中传感器沿图中的路径依次扫描多个方孔的四边，通常定义为50％最大光强的位置。箭头表示扫描方向，箭头旁的数字表示扫描顺序。传感器首先移动到箭头1的起点位置，沿着箭头1的方向扫描光强，直到箭头1的终点。然后传感器移动到箭头2的起点，沿着箭头2的方向扫描光强，直到箭头2的终点。然后以同样的方式对其他的边界位置进行扫描，直到测试完所有的边界位置。

图4为本发明扫描方向上光强变化示意图，其Y坐标为归一化光强。当传感器沿着箭头2所指的方向进行扫描时，测量到的光强随着位置有明暗交替变化。不透光的区域光强为0，扫描到透光孔1的边界时，光强逐渐增大，直到最大光强。传感器在透光区域继续移动，光强始终保持最大值。当扫描到下一个边界时，光强逐渐减小到0。

如图5(a)所示，掩模上某个透光孔的像投影到硅片上，在不同的高度3形成方形光斑2。传感器在每个高度扫描光强，找到光斑的明暗边界点4。根据边界点的位置，计算每个高度上光斑的中心点坐标5。根据测量高度，利用公式(1)(2)，线性拟合出直线6，这就是通过方孔所成的像的中心点的主光线6。该光线6与光轴1的夹角就是远心度。坐标系的定义以及Rx、Ry的正负定义见图5(b)，该定义符合右手定则。根据这个定义，图5(a)的Ry为正。

Claims (6)

1、一种光刻投影物镜远心测量方法，其特征在于：

利用一可起到孔径光阑作用的专用远心掩模，并在该远心掩模上设置至少一个用以测量视场内远心的通光孔，通过在不同的成像位置测量物体的像来确定通过通光孔中心点的主光线，从而计算获得远心；

所述的测量方法包括：可获得更高精度的传感器扫描测量法、可快速测量远心的曝光测量法；

所述的传感器扫描测量法采用连续扫描的方式或采用扫描期望位置的方式，根据前一个高度的测量结果，计算出光斑边界位置，从而确定下一个高度时探测器的扫描路径；

具体作法是：令工件台在Z方向步进，每个不同高度下，工件台传感器在xy平面内扫描方形光斑的边界，记录边界位置，测试完毕后，根据公式(1)(2)计算远心Rx、Ry；

x＝偏移量X+Ry*z     (1)

y＝偏移量Y-Rx*z     (2)

所述的曝光测量法，是上下移动工件台，在不同的高度将掩模的像曝光到硅片上；然后用光学显微镜测量掩模通光孔的像的边缘位置，根据所述公式(1)(2)计算远心。

2、如权利要求1所述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其特征在于：

计算方法是，利用可代表一个通光孔在x或y方向两条边的边缘位置，选取50％最大光强的位置作为其边缘位置，计算这两个位置的中心点坐标，根据测量高度，利用线性直线方程，线性拟合出一条经过通光孔中心点的光线轨迹，该光线轨迹与光轴的夹角即为远心度。

3、如权利要求1所述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其特征在于：

计算方法是，利用可代表一个通光孔在x或y方向两条边的边缘位置，选取>0％<100％之间的任意光强所在位置作为其边缘位置，计算这两个位置的中心点坐标，根据测量高度，利用线性直线方程，线性拟合出一条经过通光孔中心点的光线轨迹，该光线轨迹与光轴的夹角即为远心度。

4、如权利要求1所述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其特征在于：

所述的掩模上设置多个通光孔，以同时测量视场内多个区域的远心；通光孔的形状是正方形、圆形或三角形。

5、如权利要求1所述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其特征在于：

所述的掩模上设置多个通光孔，以同时测量视场内多个区域的远心；通光孔的形状是任意多边形。

6、如权利要求1所述的一种光刻投影物镜远心测量方法，其特征在于：所述的传感器扫描测量法按照以下步骤进行操作：

第一步，设定测量参数：工件台测量高度范围、数目，扫描视场大小；

第二步，装上掩模，Z向移动工件台到极限最低位置Z0；

第三步，在xy平面内移动工件台传感器，扫描寻找掩模通光孔的像的边缘位置，并记录该位置，计算此时通光孔的中心坐标X0/Y0；测试时，传感器沿其路径同时扫描多个方孔的四条边，选定50％最大光强的位置，沿工件台的运动轨迹进行扫描；

第四步，工件台向上步进；重复第二步，计算此时通光孔的中心坐标X1/Y1；工件台移动到下一个高度循环测量，扫描前先根据前一个高度的扫描结果，计算期望扫描位置；

第五步，重复第三步直到工件台到达极限最高位置，计算此时通光孔的中心坐标Xn/Yn；

第六步，由中心点坐标X0...n/Y0...n以及工件台Z向位移进行线性拟合，根据所述公式(1)(2)计算远心Rx、Ry。

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