CN100568455C - 中间掩模和光学特性测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学特性测量方法，用于测量投影光学系统(10a)的光学特性，其中：提供具有多个图案(TP)的中间掩模(9)；从一个孔将散射光射到所述多个图案(TP)上，从而光束在相互不同的方向被投射到所述多个图案上，借此通过所述投影光学系统(10a)形成所述多个图案的图像。分别检测所述多个图案的图像的位置，并使用检测结果，检测所述投影光学系统的光学特性。本发明实现了一种光学特性测量方法和用于该方法的中间掩模，它们适合用来进行光学系统的光学特性比如波前像差的高精度测量。

Description

中间掩模和光学特性测量方法
技术领域
本发明涉及投影光学系统的光学特性的测量方法，以及用于该方法的中间掩模(对准标记版，reticle)。例如，本发明适合测量用在例如制造半导体器件、液晶显示器件、薄膜磁头等的光刻工艺中的投影曝光设备的投影光学系统的光学特性比如波前像差。
背景技术
半导体器件、液晶显示器件、薄膜磁头等的制造基于光刻工艺，使用投影曝光设备将光掩模或者中间掩模(对准标记版)(以后仅简单地提及“中间掩模”)的图案通过投影光学系统(例如投影透镜)投射到光敏衬底上。在这样的投影曝光设备中，由于投影光学系统的设计和制造的问题，投影光学系统仍然有像差，这导致对图案的分辨能力下降，这已成为一个大问题。
有鉴于此，需要有一种非常精确地测量投影光学系统的光学特性比如像差的技术。
测量投影透镜比如球面透镜的像差、像面(场曲率)、象散(象散像差)、慧差(慧形像差)、波前像差等，将它们用于实际的评估和检查。在这些像差中，波前像差是真正的像差。根据通用的泽尔尼克多项式等对波前像差进行近似，也可以计算作为所述多项式的因子的诸如慧差、象散、像面、球差等像差。另外，从根据模拟对各种器件图案的处理余量的预测的角度来看，波前像差的测量也是重要的。
例如在美国专利5,828,455和5,978,085中提出了波前像差测量方法。在所述专利中提出的测量方法中，在中间掩模(对准标记版)图案表面上提供一个网格状图案，并在该网格状图案的中心的正下方提供一个针孔，与之相隔一个小的距离。另外，在中间掩模(对准标记版)的上表面，提供一个特制的中间掩模(对准标记版)，有一个凸透镜放置在该网格状图案的中心的正上方。当用曝光设备的照射系统照射该中间掩模(对准标记版)时，由于上述凸透镜的作用，使得从照射系统发出的照射光的照射角(NA)变为不小于σ1的角度，该照射光照射它下方的网格图案。穿过网格图案的光通过下方的针孔。此时，能够通过针孔的光限于具有将网格图案上每一个点的位置与所述针孔连接起来的角度的光。因此，从网格图案上各点射出的光以具有相互不同的角度的多束光的形式前进。
这些具有相互不同的角度的光到达投影透镜的光瞳面上的相互不同的位置，并且，在受到投影透镜的波前像差的影响时，它们到达晶片表面，将网格图案的每一点成像到晶片表面上。这里，被成像的网格图案的每一点的图像已经不同程度地受到了波前像差(相位)的影响。也就是，由于光线前进的方向垂直于波前，网格图像上每一点的图像的成像位置从理想位置偏移了一个量，这个量对应于波前上相应点的倾斜。有鉴于此，通过测量网格图案的每一点的图像相对于理想网格的偏移，获得光瞳面上每一点处波前的倾斜，然后通过使用各种数学技术，计算出波前。在前述美国专利5,828,455和5,978,085中提出的波前测量技术是一种接近于公知的哈特曼方法(Hartman′smethod)的方法。在哈特曼方法中，在投影透镜的光瞳面上设置一个针孔，以限制波前的位置，并从通过该针孔的光形成的图案图像的位置偏差来检测波前的倾斜。
在哈特曼方法中，通过在光瞳面上设置一个针孔，根据下面的等式(1)并且由于针孔滤波器的作用，物的光谱只承载特定的小波前区域的信息。
E(x)＝F-1[G(f)·p(f)·w(f)]                  ...(1)
F-1：傅立叶逆变换；
E(x)：图像的光幅度函数；
G(f)：物的光谱；
w(f)：光瞳(波前)函数；
p(f)：针孔函数。
尽管希望象在哈特曼方法中那样通过在光瞳面上设置一个针孔来确保控制物的光谱的形状(光瞳滤波)，在实际的曝光设备中，这是困难的，这是因为透镜筒的空间、防止污染的净化结构等，也关系到成本。
在前述美国专利5,828,455和5,978,085提出的方法中，针孔滤波器被设置在中间掩模(对准标记版)的正下方。因此，光瞳面上的物光谱不象上述等式(1)那样，而是包括相位项的傅立叶变换。
本发明的一个目的是提供一种光学特性测量方法，适合高精度测量光学系统的光学特性比如波前像差，并提供一种用在该测量方法中的中间掩模(对准标记版)。
本发明的另一个目的是提供一种光学特性测量方法，使得能够例如以完全不同于上述两个专利所公开的方法的方式测量光学特性比如波前像差，以及用在这样的测量方法中的中间掩模(对准标记版)。
本发明的又一个目的是提供一种包含了上述光学测量方法或者中间掩模(对准标记版)的投影曝光设备。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种光学特性测量方法，用于测量投影光学系统的光学特性，其特征在于：提供具有多个图案的中间掩模(对准标记版)；从一个孔将散射光射到所述多个图案上，从而光束在相互不同的方向被投射到所述多个图案上，借此通过所述投影光学系统形成所述多个图案的图像；以及，检测所述多个图案的图像的位置，并使用检测结果，检测所述投影光学系统的光学特性。
本发明的第二方面涉及第一方面，其特征在于，在所述中间掩模(对准标记版)上存在一个具有所述孔的挡光部件。
本发明的第三方面涉及第一方面，其特征在于，在所述中间掩模(对准标记版)上方存在一个具有所述孔的挡光部件。
本发明的第四方面涉及第二或者第三方面，其特征在于，存在一个用于产生所述散射光的散射部分。
本发明的第五方面涉及第四方面，其特征在于，所述散射部分在所述孔内。
本发明的第六方面涉及第四方面，其特征在于，所述散射部分在所述光源和所述孔之间。
本发明的第七方面涉及第权利要求1到6记载的第一到第六方面，其特征在于，用一种有效光源照射所述散射部分，在该有效光源中，例如就如一个环一样，中央部分比周围部分暗。
本发明的第八方面涉及第权利要求1到7所记载的第一到第七方面，其特征在于，所述孔为针孔。
本发明的第九方面涉及第一到第八方面，其特征在于，所述图案具有：开口部分，用于在所述投影光学系统的光瞳面上产生预定的周期分量；以及形成在该开口部分的相对两侧的周期性开口部分，用于在所述投影光学系统的所述光瞳面上产生与所述周期分量不同的周期分量。
本发明的第十方面涉及第一到第八方面，其特征在于，所述图案具有线和间隔，其中，在重复方向上从中心到外围，所述间隔具有基本规则的节距，但是所述间隔的宽度逐渐减小，并且，所述投影光学系统分辨不了相邻的线。
本发明的第十一方面涉及第一到第八方面，其特征在于，所述图案具有线和间隔，用于基本上只将零级光射向所述投影光学系统的像平面。
本发明的第十二方面涉及第一到第十一方面，其特征在于，所述检测步骤包括光电转换所述线和间隔的虚像(空间像)的步骤。
本发明的第十三方面涉及第一到第十一方面，其特征在于，所述检测步骤包括用所述线和间隔的像对光敏衬底进行曝光的步骤，以及对所述光敏衬底进行显影的步骤。
本发明的第十四方面涉及第一到第十四方面，其特征在于，所述光学特性包括波前像差。
本发明的第十五方面涉及一种投影曝光设备，其特征在于具有根据第一到第十四方面之一的测量方法测量投影光学系统的光学特性的模式，并具有照射系统，用于在将所述中间掩模(对准标记版)提供给所述设备时，向所述测试图案投射照射光。
本发明的第十六方面涉及一种器件制造方法，其特征在于，向如第十五方面所述的投影曝光设备提供用于器件制造的中间掩模(对准标记版)，并用该中间掩模(对准标记版)的图案对衬底进行曝光。
本发明的第十七方面涉及一种中间掩模(对准标记版)，其特征在于：在衬底的正面上形成的多个图案；以及具有孔的挡光部分，形成在所述衬底的背面上，以及用于从所述孔产生散射光的光散射部分。
本发明的第十八方面涉及第十七方面，其特征在于，所述孔是针孔。
本发明的第十九方面涉及第十七方面，其特征在于，所述光散射部分在所述孔内。
本发明的第二十方面涉及一种用于测量投影光学系统的光学特性的测量单元，其特征在于一个中间掩模(对准标记版)，该中间掩模(对准标记版)具有：形成在衬底的正面上的多个图案，具有孔的形成在所述衬底的背面上的挡光部分，以及用于从所述孔产生散射光的光散射部分。
本发明的第二十一方面涉及第十七方面，其特征在于所述孔是针孔。
本发明的第二十二方面涉及第二十方面，其特征在于，所述挡光部分形成在所述衬底的背面上，所述光散射部分形成在另一个衬底上。
本发明的第二十三方面涉及第二十一方面，其特征在于，所述光散射部分形成在所述另一个衬底的中间掩模(对准标记版)一侧的表面上。
本发明的第二十四方面涉及第二十方面，其特征在于，所述挡光部分和所述光散射部分形成在另一个衬底上。
本发明的第二十五方面涉及第二十三方面，其特征在于，所述挡光部分形成在所述另一个衬底的中间掩模(对准标记版)一侧的表面上，所述光散射部分形成在所述另一个衬底的与中间掩模(对准标记版)一侧相反的表面上。
本发明的第二十六方面涉及第二十三方面，其特征在于，所述挡光部分和所述光散射部分形成在所述另一个衬底的与中间掩模(对准标记版)一侧相反的表面上。
根据本发明，提供了一种光学特性测量方法，用于测量投影光学系统的光学特性，该方法包括：提供具有多个图案的中间掩模；从形成在挡光部件上的孔将散射光束导向所述中间掩模上的所述多个图案，从而来自所述孔、入射到所述多个图案中的每一个图案上的各光束在相互不同的方向上，借此，通过所述投影光学系统形成所述多个图案的像；以及检测所述多个图案的像的位置，并使用检测结果，检测所述投影光学系统的光学特性；其中，所述图案具有线和间隔，用于基本上只将零级光导向所述投影光学系统。
根据本发明，提供了一种中间掩模，包括：在衬底的正面上形成的多个图案；以及具有孔的挡光部分，形成在所述衬底的背面上，以及用于从所述孔产生散射光的光散射部分，其中，所述图案具有用于基本上只出射零级光的线和间隔。
根据本发明，提供了一种用于测量投影光学系统的光学特性的测量单元，该单元包括：具有形成在衬底的正面上的多个图案的中间掩模；具有孔的形成在所述衬底的背面上的挡光部分，以及用于从所述孔产生散射光束的光散射部分，其中，所述图案具有基本上只出射零级光的线和间隔。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的投影曝光设备的主要部分的示意图；
图2是本发明的第二实施例的投影曝光设备的示意图；
图3是用于解释图2的检测系统11的视图；
图4是用于说明图案图像的光强分布的视图；
图5是用于说明根据本发明的测试图案的图案结构的视图；
图6是用于说明根据本发明的测试图案的具体设置的视图；
图7是用于说明图6中的标记20a的视图；
图8是用于说明图6中的标记21a的视图；
图9是本发明的测试中间掩模(对准标记版)的一个例子的剖面图。
图10是本发明的测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子的剖面图。
图11是用于说明本发明的测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子中，图案板和针孔板的剖面图；
图12是用于说明本发明的中间掩模(对准标记版)的图案板和针孔板的剖面图；
图13是用于说明本发明的中间掩模(对准标记版)的另一个例子的剖面图；
图14是用于说明本发明的测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子的图案板和针孔板的剖面图；
图15是根据本发明的像差测量的流程图；
图16是根据本发明的像差测量的流程图；
图17是根据本发明的曝光设备的另一个例子的示意图；
图18是根据本发明的像差测量的流程图；
图19是根据本发明的像差测量的流程图；
图20是用于说明根据本发明的测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子的图案板和针孔板的剖面图；
图21是用于说明根据本发明的测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子的图案板和针孔板的剖面图；
图22是用于说明根据本发明的测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子的图案板和针孔板的剖面图；
具体实施方式
图1是本发明第一实施例的曝光设备的主要部分的示意图。
该第一实施例图示了用于通过投影光学系统将电路图案投射到光敏衬底上的投影曝光设备。该第一实施例的曝光设备具有根据本发明的光学特性测量方法测量光学系统(投影透镜)的波前像差的测量模式。当然，在制造曝光设备时，可以对该光学系统就行类似的测量。
在图1中，附图标记9所示的是一个测试中间掩模(对准标记版)。该测试中间掩模(对准标记版)9具有形成在衬底玻璃下表面(正面)上的图案组(测试图案)TP，以及具有形成在该玻璃的上表面(背面)上的孔(针孔)PH的挡光部分。对投影透镜的波前像差的测量过程如下。
来自照射光学系统的有效光源4的照射光具有等于σ＞1或者σ＝1的角度分布，被投射到中间掩模(对准标记版)9的上表面上的针孔PH。利用通过中间掩模(对准标记版)9上表面上的针孔PH(孔)的光束，形成在中间掩模(对准标记版)9的下表面上的测试图案TP的图案被从相互不同的方向加以照射。作为响应，测试图案TP的图案被投影透镜10成像。用已知类型的测量工具测量它们的虚像(空间像)或者它们的被转移到光敏衬底W的被转移图案图像TPa的位置(与参考位置之间的偏差)。然后，基于这些图像的位置信息，计算在对应于每一个图像的位置处的波前的倾斜，以及光瞳面10a。从计算得到的结果，测量投影透镜10的波前像差。获得波前像差后，可以检测到球差、慧差、场曲率、像散和畸变像差。
所述测试图案TP和所述具有针孔PH的挡光部分可以不形成在如图1所示的同一个板上。它们可以形成在不同的板上。概要地说，必须而且只需：有一个或者多个应当测量其位置的虚像(空间像)或者转移图案图像TPa，用具有主光线LP的照射光照射，所述主光线沿着一个方向(预定的倾斜角和预定的方位角)前进，该方向的确定取决于照射光在对应于每一个虚像(空间像)或者转移图案图像TPa的位置的图案上方的针孔PH的中心和所述图案的中心之间，在沿着所述中间掩模(对准标记版)9上的入射面的方向上的位置关系。
构成所述测试图案TP的每一个图案TPX如图5A所示具有一个开口部分，用于在投影光学系统10的光瞳面10a上产生预定的周期性分量，并具有在上述开口部分的相对两侧形成的周期性开口部分，用于在投影光学系统10的光瞳面10a上产生不同于前述周期性分量的周期性分量，使得基本上只有通过投影光学系统的光瞳面10a的零级光对成像作出了贡献。或者，如图5B所示，图案由线和间隔构成，其中，相对于它们的重复方向从中心到外围，所述线和间隔具有基本上规律的节距，而间隔的宽度逐渐减小，使得基本上只有穿过投影光学系统10的光瞳面10a的零级光对成像作出贡献，并且相邻的线不能被所述投影光学系统10分辨。
现在看图2，下面描述作为本发明的第二实施例，具有用于根据上述光学特性测量方法测量投影光学系统的波前像差的测量模式的投影曝光设备。
在该第二实施例中，对于投影光学系统10，不仅可应用使用透镜的投影光学系统(投影透镜)，而且可以应用使用反射镜的投影光学系统，或者具有透镜和反射镜等的组合的投影光学系统。
在图2中，附图标记1所示为发出曝光用光的高压汞灯。从光源1发出的曝光用光被椭圆反射镜汇集，接着通过一个输入透镜2，入射到一个蝇眼透镜(fly’s eye lens)3的入光面3a上。在该蝇眼透镜3的后(测试中间掩模9一侧的)焦面3b处，形成许多次级光源。从这些次级光源发出的曝光用光经过可变孔径光阑4、第一中继透镜5、投影型中间掩模遮挡6、第二中继透镜7和主会聚透镜8，以均匀的照度照射所述测试中间掩模(对准标记版)9。所述蝇眼透镜3的后焦面3b大致与投影光学系统10的光瞳面10b共轭。另外，孔径光阑4的孔径是可变的。
根据(下面将要描述的)一种测量方法获得的测量值(像差)可以被反馈给曝光设备主组件的控制系统，这样可以用现有技术中已知的各种方法和手段对投影光学系统10的各种像差加以校正。例如，通过上述控制系统并如图2所示，可以用驱动装置161驱动投影光学系统10内部的一个校正光学系统162，或者，通过控制系统并如图17所示，可以用波长改变装置171改变激光172的发射波长(也就是激光的中心波长)。这使得能够对投影光学系统10的像差就行自动校正或者自动设置。这里，图17的投影曝光设备不同于图2的设备，不同之处在于：照射系统用激光器172作为光源，并使用波长改变装置171。
接下来，将测试中间掩模(对准标记版)9放置到中间掩模台18上，可以沿着X-Y平面移动中间掩模台18而改变测试中间掩模(对准标记版)9的位置。提供了一个观察镜19来同时观察测试中间掩模(对准标记版)9上的标记和在设备主组件内部提供的中间掩模参考标记21，以测量测试中间掩模(对准标记版)9相对于中间掩模参考标记21在X和Y方向的偏差。通过根据测量结果移动台18，可以使中间掩模(对准标记版)9与设备主组件(投影光学系统10)对准。另外，为观察镜19提供了一个驱动系统，能够将其移动到测试中间掩模(对准标记版)9上的任何X和Y位置。因此，如果必要，通过使用观察镜19，可以用曝光用光照射中间掩模(对准标记版)9上任意位置的测试图案15的区域。测试图案15由多个图案构成，每一个图案具有比如示于图5A或者图5B的形式。
投影型中间掩模遮挡6以及测试中间掩模(对准标记版)9的图案承载面相互共轭，并且测试中间掩模(对准标记版)9上的照射区域通过投影型中间掩模遮挡6的孔限定。
在测试中间掩模(对准标记版)9的上表面上，有一个具有针孔16的挡光部分。通过投影型中间掩模6的孔，将包括该针孔16的一个区域设定为测试中间掩模(对准标记版)9上的照射区域，并且，通过照射该区域，穿过挡光部分25的针孔16的光束从相互不同的方向照射形成在测试中间掩模(对准标记版)9的下表面上的测试图案15的多个图案。测试图案15的这些图案被投影光学系统10投影到光敏衬底(晶片)W上。
使用已知的测量手段，测量投影光学系统10的成像面上成像的这些图案的虚像(空间像)的位置，或者被转移到所述光敏衬底W上的图案图像(显影的图像或者潜像)的位置。在本实施例中，使用设置在晶片台12上的探测系统11检测测试图案15的图案的虚像(空间像)的位置。通过投影光学系统10，测试图案的像被成像在构成安装在晶片台12上的检测系统11的板11a。图3是图2的检测系统11的放大的视图。
在图3中，一个板11a、一个狭缝11b和一个光接收器11c构成所述探测系统11。该板11a上形成有所述狭缝11b，穿过该狭缝11b的光被光接收器11c接收到，从而被光电转换为电信号。该信号通过未图示的信号线被传送给一个未图示的处理单元。借助于该处理单元，探测到被投影到板11a上的图案图像的位置。
所述晶片台12包括一个能够将探测系统11沿着垂直于投影光学系统10的光轴10b的平面定位于任意位置的X-Y台12a，以及能够在平行于投影光学系统10的光轴10b的方向上下移动探测系统以设置探测系统11的焦点位置的Z台12b，等等。
在该实施例中，有一个探测探测系统11在光轴10b方向的位置的自动对焦系统13。该自动对焦系统13包括一个光发送系统13a和一个光接收系统13b，该光发送系统用于将例如检测用隙状光图案(图像)从相对于投影光学系统10的光轴10b倾斜的方向投射到检测系统11的板11a上，该光接收系统13b用于使用来自所述板11a的反射光对该隙状图案在光电检测器13c上的图像重新成像。
当板11a在投影光学系统10的光轴30b的方向的位置变化时，在光接收系统13b中，重新成像的光图案图像在光电探测器13c上的位置也发生变化。这样，通过探测该图案图像的位置，就能探测该板11a在光轴方向的位置。该光电探测器13c产生的信号(聚焦信号)随着重新成像的图案图像的位置变化。这样，通过用控制系统13d移动晶片台12的Z台12b，使得该信号被保持在预定的水平，就可以将该板11b的表面在光轴10b方向的位置保持在预定的位置(投影光学系统10的像面位置)。
另外，由于聚焦信号随着板11a的高度在预定范围(在光轴10b方向的预定范围)内的变化而大致直线地变化，可以从聚焦信号水平的变化来检测焦点位置的变化。所述晶片台12的Z台12b中包括有一个高度传感器(未图示)，用于探测Z台本身在投影光学系统10的光轴10b方向的位置。
附图标记14所示为一个轴外型(off-axis)晶片对准系统。该晶片对准系统14探测在晶片W上分别与每一个照射区(shot area)相邻形成的对准标记。在这种情况下，通过预先检测光轴10b和晶片对准系统14的光轴14a之间的间隔(称为基线量(baseline quantity)SD)，可以基于晶片对准系统14测量的对准标记位置精确地完成晶片11的每一个照射区的对准。另外，晶片对准系统14可以用来检测各种标记。
对于本实施例的曝光设备的照射系统，必须而且只需：作为照射的结果，产生一个或者多个应当测量其在光学系统10的像面上的位置的虚像(空间像)或者转移图案图像，并用具有沿着一个方向(预定的倾斜角和预定的方位角)前进的主光线LP的照射光照射所述测试中间掩模(对准标记版)，该方向的确定取决于在对应于每一个虚像(空间像)或者转移图案图像TPa的图案上方的针孔PH的中心和该图案的中心之间，所述照射光在沿着所述中间掩模(对准标记版)9上的入射面的方向上的位置关系。
另外，在该实施例中，测试图案15和具有针孔16的挡光部分可以不形成在一个中间掩模(对准标记版)上。该挡光部分可以形成在用于针孔的单独的板上。
尽管图1和图2没有图示，在第一和第二实施例中，针孔16中设置有一个散射元件，使得来自一个有效光源的光被该元件散射，从而使从针孔16出射的光束有σ＞1。当使用这样的散射元件时，可变光阑4的孔径形状可以为环形，在这种情况下，可以产生一个周围的亮度高于中心亮度的有效光源。通过用这样的有效光源照射所述散射元件，可以均匀地照射测试图案，从而可以用强度基本上相同的光束从相互不同的方向照射构成测试图案15的多个图案。
图7图示了要形成在测试中间掩模(对准标记版)9上的测试图案的细节。
在图7中，附图标记20a所示为构成测试图案15的标记。网格状标记20a的某些部分设有如图5A或者5B所示的上述图案TPX。
构成标记20的纵向和横向线被设计为具有相同的线宽。这里，这些线与图5所示的图案是相同的，线宽例如为2微米。
在上述这样的图案15(标记20a)的中心的正上方，有如图1和图2所示形成在中间掩模(对准标记版)9的上玻璃面上的针孔16。使用具有大的c(相干系数)的圆形或者环形有效光源，使用用于曝光的照射系统或者观察镜19的照射系统将光通过针孔16投射到测试图案15上，从而，对于构成测试图案15的每一个图案TPX，照射它们的光束的主光线的倾斜被改变，并且，另外，光束的开度角(孔径角)也受到限制。这里，“σ”对应于用投影光学系统在中间掩模(对准标记版)一侧的数值孔径除照射系统在中间掩模(对准标记版)一侧的的数值孔径可获得的值。
在该实施例中，为了获得照射条件σ≥1.0，如图9所示，在形成在中间掩模(对准标记版)9的玻璃衬底9G的背面(上表面)上的针孔16内设置一个散射元件，以使得用来照射中间掩模(对准标记版)9的光被散射和漫射。
也可以不使用散射元件，而如图10所示在针孔上设置一个凸透镜17，或者在针孔16内设置具有漫射效果的光栅图案，通过它可获得σ≥1.0的照射条件。同样，在具有这种结构的情况下，使用具有大的c(相干系数)的环形或者圆形有效光源是有效的。
在σ≥1.0的照射条件下照射上述测试图案15，由投影光学系统10将测试图案的多个图案TPX的图像成像到安装在晶片台12上的检测系统11的板11a上。对于每一个图像，由光电检测器11c检测随着晶片台12在水平方向(X或者Y方向)移动和被扫描，通过板11a的狭缝11b的光的强度和光量。这样，可以获得在台12(狭缝11b)的每一个X或者Y位置检测到的光强或者光量所对应的如图4所示的检测信号。这样，通过计算该检测信号的中心位置或者重心位置，可以检测到测试图案15的标记20a的单条线，也就是成像在板11a上的图案TPX或者TPY的中心位置。
这样，可以获得图案图像的中心位置信息，每一个图案图像代表投影光学系统10的光瞳面上相应位置的波前状态。这样，通过从图案图像的中心位置信息计算光瞳面上每一个位置的波前倾斜，可以探测光学系统10的波前像差。
本实施例中的波前像差测量过程图示于图15的流程图中。
顺便说明，探测系统11的狭缝11b的长度和宽度被设置为不大于所述网格状标记20a的虚像(空间像)的网格节距，以防止作为测量对象的单条线的图案TPX的虚像相邻的下一个图案TPX的虚像(空间像)进入狭缝11b。另外，该实施例具有这样的配置：与纵向线的图案TPX的图像和横向线的图案TPY的图像相关，准备单独的狭缝11b和光电检测器11c对。但是，另一种可替代的方式是，只准备一组狭缝和光电检测器，根据要对其光强分布进行光电转换的图案图像的纵向/横向取向，在改变狭缝的纵向/横向取向的同时执行测量。
下面参见图11描述本发明的第三实施例。该第三实施例不同于第一和第二实施例的地方仅在于测试中间掩模(对准标记版)的结构。这样，使用本实施例的测试中间掩模(对准标记版)的投影曝光设备就是如图1、2或者17所示的投影曝光设备。
与分别在测试中间掩模(对准标记版)9衬底的上表面和下表面形成带针孔16的挡光部分16和测试图案15(TP)的第一和第二实施例相比，在第三实施例中，测试中间掩模(对准标记版)9是由两个板提供的，也就是，在其上表面(或者下表面)上形成有带针孔16的挡光部分的针孔板9a，以及在其上表面(或者下表面)上形成有测试图案15的图案板9b。测试图案15、针孔16和漫射装置18比如散射元件等的功能和关系类似于第一实施例和第二实施例。这样，即使使用本实施例的中间掩模(对准标记版)或者测量单元，仍然可以获得与第一和第二实施例类似的对投影光学系统的波前像差的测量。
作为光学特性测量单元包括两个板的结构的一种形式，在图12中图示了一种形式，其中，针孔板9a具有一个凸透镜(正透镜)17作为设置在针孔16上的漫射装置，一个图案板9b具有形成在其上表面(或者下表面)上的测试图案15的标记20a。在这种情况下，凸透镜17和具有针孔16的挡光部分可以形成针孔板9a的上表面或者下表面。
在示于图1和图2的投影曝光设备中，在中间掩模(对准标记版)上方设置了一个防灰尘玻璃(未图示)以防止中间掩模(对准标记版)被污染。这样，在使用光学特性测量单元具有两个板的结构的情况下，可以使所述防灰尘玻璃方便地可拆卸地安装，从而使得所述防灰尘玻璃以及所述两个板的上板(光源一侧的板)，例如图11、12和图20-22中的板9a，可以互换。
见图16，下面描述使用图11和12所示的光学特性测量单元测量投影光学系统的波前像差的测量过程。
本实施例的测量过程与第一和第二实施例(见图15)的测量过程的很大的不同在于，包含了用于对准针孔16的中心与测试图案15的中心的对准操作。将曝光设备内的测试中间掩模9(在衬底正面(下表面)上形成有测试图案15但是在衬底背面(上表面)上没有形成带针孔的挡光部分的板9a)装载到中间掩模(对准标记版)台18上。类似地，将曝光设备内的针孔板9a装载到测试中间掩模(对准标记版)9和观察镜19之间，此时，针孔板9a上的针孔18或者16的中心可以被设置在预定的X-Y位置，误差在机械精度之内。
随后，通过观察镜19观察测试中间掩模(对准标记版)9的对准标记和中间掩模(对准标记版)参考标记21，以检测中间掩模(对准标记版)和设备主组件之间的相对位置偏差，并使用中间掩模(对准标记版)台20在X和Y方向移动中间掩模(对准标记版)9以调节其位置，从而进行它们的相对对准。在完成中间掩模(对准标记版)9的对准之后，将观察镜19移动到一个用于测量波前像差的观察位置(照射位置)，并且同时将晶片台12上的检测系统11移动到作为波前像差测量的观察位置(检测位置)的预定(X、Y和Z)坐标位置。然后，使用观察镜19和检测系统11，测量测试图案15的预定图案的图像的中心位置相对于参考位置的偏差量。另外，将检测系统11在Z方向(光轴10b方向)移动一个预定量，在不同于前一次的Z(方向)位置，再次测量同一预定图案的图像的中心位置相对于参考位置的位置偏差量。这样重复几次。
要测量的图案并不是总是需要是构成测试图案15的整个图案(所述网格状标记的所有线)。这里，假设在测试图案15的中心有20条纵线和横线，测量两个纵线和横线的图案的每一个图像的中心位置的位置(偏差)。
假设投影透镜10的远心性(telecentricity)在理想状态，则图案板9b的测试图案的中心和针孔板9a的针孔16的中心的位置偏差dx和dy与上述两个横线和纵线的图案图像的位置偏差量dsx/dZ和dsy/dZ成正比，因此它们可以用下式表示：
dx＝t·m·dsx/dZ
dy＝t·m·dsy/dZ
其中，
t：针孔16和测试图案15之间的光程；
m：投影光学系统的缩小比；
dsx/dZ，dsy/dZ：位置偏差焦点变化。
从使用观察镜19和检测系统11得到的测量结果，并基于上述等式，可以计算出针孔16和测试图案15的位置偏差量。这样，通过将中间掩模(对准标记版)台20移动一个对应于所检测到的位置偏差的量，移动中间掩模(对准标记版)9的测试图案15，实现测试图案15的中心和针孔16中心之间沿着X-Y平面的位置对准。这里，闭合环路也是可以的，从而，可以将观察镜19移动到所述中间掩模(对准标记版)参考标记位置，观察中间掩模(对准标记版)9的对准标记和所述中间掩模(对准标记版)参考标记21，以测量中间掩模(对准标记版)台20的移动量，然后将余量再次反馈给中间掩模(对准标记版)台20的驱动系统。重复这个对准过程，直到位置偏差dx和dy进入一个可容许的范围，之后，根据与图15同样的过程测量投影光学系统10的波前像差。在将用于曝光处理的照射系统用于波前像差测量时，将观察镜19收回，以免干扰照射光。
在前面，以第一到第三实施例为例，描述了用于投影光学系统10的波前像差测量的测试中间掩模(对准标记版)的一些例子。由于该测试中间掩模(对准标记版)的每一个图案的虚像(空间像)的尺寸大，比如是若干微米，可以不使用光电探测器11c，而直接将CCD或者线性传感器置于图案成像平面上，而不用包括放大光学系统，来检测所述虚像(空间像)的光强分布或者光量分布。在这种情况下，对于虚像(图案图像)的光强分布或者光量分布的探测，晶片台12的X-Y运动就不必要了。
作为用于检测测试图案15(TP)的图案的图像的位置的一种替代方案，可以将所述图案图像转移到安装在晶片台12上、在上面形成有光致变色材料层的衬底上，可以使用轴外(离轴)对准检测系统14、15测量这样转移的图案图像的中心位置。在这种情况下，与将图案图像转移到特定类型的光致抗蚀剂相比，就不需要显影步骤。
通过将获得的测量值反馈给主组件，如图2所示，可以用驱动装置16驱动投影光学系统10内的校正光学系统162，或者，如图17所示，可以用波长改变装置171改变激光器172的发射波长的中心波长。使用这样的校正装置，系统可应用于曝光设备中的自动像差校正。应当注意，图17所图示的例子中，使用激光器172作为光源。其基本结构与图1相同。
另外，本发明的光学特性测量方法可以应用为单独的测量系统比如使用干涉仪的光学特性测量系统的校准技术。当前还没有能够对其中包含有干涉仪的投影曝光设备中或者投影曝光设备的投影光学系统的像差进行测量的工具。因此，必须用使用曝光设备制造厂内的干涉仪系统单独对投影透镜测量的投影透镜波前像差量来代替投影曝光设备内安装的投影透镜的波前像差量。因此，有必要确保例如在干涉仪系统中和在曝光设备主组件中，由于环境的差异导致的投影透镜波前像差的差异。
有鉴于此，使用对曝光设备的负荷小或者系统负荷小的本发明，对曝光设备主组件和干涉仪系统进行投影透镜的波前像差的测量。基于此，校准使用曝光设备制造厂内的干涉仪系统获得的测量结果(波前像差量)。
在下面的第四实施例中，将描述一种光学特性测量方法，其包括这样的过程：将测试图案15的图案的图像转移到一个光敏衬底(晶片)W上，对转移的图像显影，测量这样显影的转移的图像的中心位置。所使用的测试图案是示于图7和图8中的两种类型的图案，它们被形成在一个公共测试中间掩模(对准标记版)9上。
另外，在此例子中，要用测试中间掩模(对准标记版)9测量投影光学系统的光学特性的曝光设备是如图1、2或17所示的投影曝光设备。
如第一到第三实施例所述，示于图7的测试图案由一个图案组20a构成，该图案组形成一个网格状标记。该图案组的图案TPX和TPY可以具有比如示于图5A或者图5B的形状，但是第四实施例使用的标记的类型在晶片上所形成的图案的线宽为2-3微米，形状如图5B所示。
在具有这样的形成在其正面的测试图案15的中间掩模(对准标记版)的背面上，形成有具有针孔的挡光部分，该针孔的中心位置与标记20a的中心一致。该中间掩模(对准标记版)的基本结构比如如图9或10所示，类似于第一和第二实施例。但是，与第一和第二实施例相比，为其设置了如图8所示的网格状标记21a，作为新图案。
所述网格状标记21a是用于测量测试图案15的相对位置偏差的参考图案组。与测试图案15的标记20a相比，在该标记上方(也就是有效光源一侧)没有带有针孔的挡光部分。这样，来自照射系统的光束均匀投射到网格状标记21a的参考图案上，从而，这些参考图案被来自相同方向的基本上相同强度的光束照射，它们通过投影光学系统10被成像到光敏衬底上。
图13和14是分别图示第四实施例中的测试中间掩模(对准标记版)的例子的局部剖面图。图13图示了这样一个例子：在测试中间掩模(对准标记版)9的衬底的背面(上表面)上形成具有针孔16的挡光部分，在该衬底的正面(下表面)上形成图案组20a和参考图案组18作为测试图案。
图14图示了使用两个板的情况，也就是，在一个衬底的正面(下表面)上形成图案组20a和参考图案组18作为测试图案的图案板9b，以及在单独的衬底的背面(上表面)上形成有带针孔16的挡光部分的针孔板9a。
示于图13和14的中间掩模(对准标记版)中的每一个都在针孔16内设置了散射元件或者光栅图案。由于针孔内该元件的功能，图案组20a被照射的条件是σ＞1。
下面描述第四实施例中光学特性测量的过程。
在标准照射条件(1.0＞σ＞0.7)下照射测试中间掩模(对准标记版)9，并照射测试图案的标记20a和21a，通过投影光学系统10将这些图案的图像投射和转移到光敏衬底上。
随后，移动晶片台12或者中间掩模(对准标记版)台20，使标记20a和21a在位置上相互重叠。在这样的位置关系中，用标准照射条件照射所述标记20a和21a，并且，在散射元件、光栅图案或者凸透镜的影响下，用σ＞1.0的照射条件照射所述测试图案，被投射到图案组20a的图案上的光束形成相互不同的方向。这些图案的图像通过投影光学系统10被投影和转移到光敏衬底上。通过上述投影曝光，如图6所示，标记20a和21a的图案组的图像被转移到光敏衬底上。在对该光敏衬底显影后，用现有技术中已知的测量工具测量相应图案图像之间的相对位置偏差。根据这样获得的相对位置偏差，进行计算以探测投影光学系统10在光瞳面10a处的波前，从而探测到投影光学系统10的波前以及各种像差(塞德尔五项像差)。同样，测量到的像差状态可以被反馈给主组件，以执行投影透镜的像差校正。
另外，如图22所示，测试图案15和针孔可以设置在同一个中间掩模(对准标记版)9上的具有不同图像高度的几个位置。这使得能够对不同的图像高度进行波前像差测量。
图18图示了对示于图13的测试中间掩模(对准标记版)进行测量的过程，图19图示了对示于图14的测试中间掩模(对准标记版)进行测量的过程。对于使用针孔板9a的曝光过程，也根据示于图19的过程进行。
图20图示了测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子，作为本发明的第五实施例。同样，在该例子中，使用测试中间掩模(对准标记版)测量投影光学系统的光学特性的投影曝光设备是如图1、2或者17所示的投影曝光设备。
示于图20的测试中间掩模(对准标记版)是一个例子，其中，在一个公共板(玻璃)9b的上表面(背面)和下表面(正面)上分别形成带有针孔16的挡光部分和测试图案的图案组20a，并且，在所述图案板9b上方，在图案板9b的上方设置一个在下表面上形成有一个散射元件22的板(玻璃)9a，所述散射元件22用于进行光漫射以在σ＞1.0的照射条件下完成对图案组20a的照射。对于用于实现漫射的散射元件，可以使用用于散射光的毛玻璃或者用于散射光的衍射光栅比如CGH等。在使用这样的用于散射光的散射元件22的情况下，与前面的实施例一样，由照射系统产生周围亮度高于中心亮度的有效光源。通过优化有效光源的大小和形状，可以消除对针孔16或者测试图案20a的照射的不均匀性，得到均匀的照度分布。
这里，照射均匀是指这样一种状态：其中，从相互不同的方向投射到图案组20a的图案上的多个光束基本上是均匀的。如果实现了这样的状态，则对多个图案图像的曝光的曝光量基本上是恒定的，从而所产生的图案图像具有相同的线宽。这减少了在图案图形的像差测量或者位置偏差检测中基于曝光量的错误。
对于具有散射元件22的板9a的位置，如果它在测试中间掩模(对准标记版)9的有效光源一侧(也就是上方)，则它可以放置在任何地方。例如，它可以被放置为与图2或17中的投影型中间掩模遮挡6相邻，或者被设置在照射系统内部的希望的位置。另外，如前所述，可以方便地安装板9a来取代在中间掩模(对准标记版)台正上方并设置在该位置的防灰尘玻璃。对于保持所述防灰尘玻璃和板9a的部件，既可以被固定到照射系统上也可以由所述主组件(投影光学系统)保持。
图21图示了测试中间掩模(对准标记版)的另一个例子，作为本发明的第六实施例。同样，在该例子中，使用测试中间掩模(对准标记版)测量投影光学系统的光学特性的投影曝光设备是如图1、2或者17所示的投影曝光设备。
示于图21的例子是图11和20的例子的修改的形式。在图案板b的正面(下表面)上形成测试图案的图案组20a。在一个单独的针孔板9a上形成带有针孔16的挡光部分以及用于光漫射的散射元件22。板9a被设置在中间掩模(对准标记版)9b上方。使用具有示于图21的两个板的结构，能够通过移动中间掩模(对准标记版)台20完成针孔16的中心和图案组20a的中心之间的相对对准。另外，中间掩模(对准标记版)9b和板9a可以具有对准标记23，可以通过观察镜19观察这些标记。使用该方法，可以直接测量这些板之间的相对位置偏差。
针孔16的中心和测试图案20a的中心之间沿着水平方向的偏差导致成像光线偏离投影透镜10的光瞳中心。这样，导致的结果是用于波前计算的参考坐标(光瞳中心参考)不同于测量点的实际测得的坐标。这是波前像差测量的一个误差因素。有鉴于此，就象在图11或者21中所示的测量单元中一样，分别在不同的板上形成针孔16和测试图案20a，并用中间掩模(对准标记版)台对它们进行相对对准。使用这种方案，可以提高测量精度。
在带有针孔16的挡光部分和测试图案的图案组20a被分别设置在中间掩模(对准标记版)9的玻璃衬底(板)的上表面和下表面上的情况下，如图22所示，带有针孔16的挡光部分和测试图案的图案组20a在玻璃衬底上的形成可以是这样的方式：多组针孔和测试图案20a并排设置，同时每一组被设计为使得针孔中心和测试图案中心具有小的相互偏差量。在玻璃衬底上形成带有针孔16的挡光部分和测试图案的图案组20a。使用这种方案，可以选择具有最小偏差的特定组用于测量光学特性，从而可以提高测量精度。
工业实用性
根据上面所描述的本发明，提供了一种光学特性测量方法和用于该方法的中间掩模(对准标记版)，它们可以被适当地用来进行光学特性比如波前像差的高精度测量。

Claims (25)

1.一种光学特性测量方法，用于测量投影光学系统的光学特性，该方法包括：
提供具有多个图案的中间掩模；
从形成在挡光部件上的孔将散射光束导向所述中间掩模上的所述多个图案，从而来自所述孔、入射到所述多个图案中的每一个图案上的各光束在相互不同的方向上，借此，通过所述投影光学系统形成所述多个图案的像；以及
检测所述多个图案的像的位置，并使用检测结果，检测所述投影光学系统的光学特性；
其中，所述图案具有线和间隔，用于基本上只将零级光导向所述投影光学系统。
2.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述挡光部件在所述中间掩模上。
3.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述挡光部件在所述中间掩模上方。
4.如权利要求2或3所述的光学特性测量方法，其特征在于，从所述孔射出的光是由散射部分产生的散射光。
5.如权利要求4所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述散射部分在所述孔内。
6.如权利要求4所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述散射部分在所述光源和所述孔之间。
7.如权利要求4所述的光学特性测量方法，其特征在于，用一种有效光源照射所述散射部分。
8.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述孔为针孔。
9.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述图案具有：开口部分，用于在所述投影光学系统的光瞳面上产生预定的周期性分量；以及形成在该开口部分的相对两侧的周期性开口部分，用于在所述投影光学系统的所述光瞳面上产生与所述周期性分量不同的周期性分量。
10.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，其中，在重复方向上从中心到外围，所述间隔具有基本规则的节距，但是所述间隔的宽度逐渐减小，并且，所述投影光学系统分辨不了相邻的线。
11.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述检测步骤包括光电转换所述多个图案的空间像的步骤。
12.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述检测步骤包括用所述多个图案的像对光敏衬底进行曝光的步骤，以及对所述光敏衬底进行显影的步骤。
13.如权利要求1所述的光学特性测量方法，其特征在于，所述光学特性包括波前像差。
14.一种中间掩模，包括：
在衬底的正面上形成的多个图案；以及
具有孔的挡光部分，形成在所述衬底的背面上，以及用于从所述孔产生散射光的光散射部分，其中，所述图案具有用于基本上只出射零级光的线和间隔。
15.如权利要求14所述的中间掩模，其特征在于，所述孔是针孔。
16.如权利要求14所述的中间掩模，其特征在于，所述光散射部分在所述孔内。
17.如权利要求14所述的中间掩模，其中，在重复方向上从中心到外围，所述间隔具有基本规则的节距，但是所述间隔的宽度逐渐减小。
18.一种用于测量投影光学系统的光学特性的测量单元，该单元包括：具有形成在衬底的正面上的多个图案的中间掩模；具有孔的形成在所述衬底的背面上的挡光部分，以及用于从所述孔产生散射光束的光散射部分，其中，所述图案具有基本上只出射零级光的线和间隔。
19.如权利要求18所述的测量单元，其特征在于所述孔是针孔。
20.如权利要求18所述的测量单元，其特征在于，所述挡光部分形成在所述衬底的背面上，所述光散射部分形成在另一个衬底上。
21.如权利要求20所述的测量单元，其特征在于，所述光散射部分形成在所述另一个衬底的中间掩模一侧的表面上。
22.如权利要求18所述的测量单元，其特征在于，所述挡光部分和所述光散射部分形成在另一个衬底上。
23.如权利要求21所述的测量单元，其特征在于，所述挡光部分形成在所述另一个衬底的中间掩模一侧的表面上，所述光散射部分形成在所述另一个衬底的与中间掩模一侧相反的表面上。
24.如权利要求21所述的测量单元，其特征在于，所述挡光部分和所述光散射部分形成在所述另一个衬底的与中间掩模一侧相反的表面上。
25.如权利要求18所述的测量单元，其中，在重复方向上从中心到外围，所述间隔具有基本规则的节距，但是所述间隔的宽度逐渐减小。
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