CN101109903A - 在线监控透镜散光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线监控透镜散光的方法，包括以下步骤：利用光刻机自身曝光光波，通过一透镜系统将掩膜板平面和汇聚到硅片平面的空间像分别记录在一焦平面空间像收集探测器阵列上；对上述两组记录在电子探测器阵列上的空间像的成像结果进行比较，解算出镜头在X方向，Y方向的物距补偿距离；根据测量结果通过一反馈系统，对透镜组环境参数进行调整，实现对整个透镜组散光的补偿。其中，所述透镜系统至少包括：主透镜组、傅立叶平面附近的45度角度分束板组、45度角度反光镜组、投影透镜、焦平面空间像收集探测器阵列和电子控制光快门组。该方法弥补了传统离线测量所带来的低产能利用率及号机差异问题；提高了光刻机精度控制的可靠性和使用效率。

Description

在线监控透镜散光的方法

技术领域

本发明涉及一种在线监控投影光刻机中透镜成像系统的透镜散光的方法。

背景技术

随着半导体技术的发展和加工制造技术的进步，半导体器件的关键尺寸(CD Critical Demotion)越来越小，加工制造的难度也越来越大。如何更好，更精确的控制硅片上的图形是提高光刻工艺的关键。镜头组的散光会导致硅片上的图案在X，Y方向产生差异性，从而影响工艺中对CD的控制精度。传统的镜头散光测量(astigmatism)必须通过在成像平台上的硅片曝光或者平台上的光电像探测器记录的方法来实施，这两种方法都需要光刻机停止生产，浪费了生产时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在线监控透镜散光的方法，该方法可实时监测硅片表面的成像图形，通过计算分析得出当前镜头散光的状况，并及时地通过反馈系统调校镜头。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：首先，利用光刻机自身曝光光波，通过一透镜系统将掩膜板平面上的测试结构和汇聚到硅片平面上的测试结构的空间像分别记录在一电子探测器阵列上；然后，对上述两组记录在电子探测器阵列上的空间像至少在X方向，Y方向上的成像结果进行比较，解算出镜头在X方向，Y方向的物距补偿距离；最后，根据测量结果通过一反馈系统，对透镜组环境参数进行调整，实现对整个透镜组散光的补偿。

所述透镜系统至少包括：主透镜组、傅立叶平面附近的45度角度分束板组、45度角度反光镜组、投影透镜、焦平面空间像收集探测器阵列、电子控制光快门组，其中所述焦平面空间像收集探测器阵列属于所述电子探测器阵列。

本发明采用了上述技术方案，具有如下有益效果，即提高了光刻机精度控制的可靠性和使用效率；弥补了传统离线测量所带来的低产能利用率及号机差异问题，实现了在线监测，反馈，对于单批次硅片作业具有不可比拟的优越性，对于90nm及以下更精密的光刻工艺也有巨大作用，提升了光刻工艺中对透镜组散光的实时监控，从而提高了工艺精度，同时降低了工艺成本。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是根据本发明一焦平面探测器单元的结构示意图；

图2是根据本发明掩模板空间像到达焦平面空间像收集探测器阵列的光路图；

图3是根据本发明硅片空间像到达焦平面空间像收集探测器阵列的光路图；

具体实施方式

本发明所述方法的实现步骤为：

首先，利用光刻机自身曝光光波，通过一透镜系统实现在工作的同时将掩膜板平面上的测试结构和汇聚到硅片平面上的测试结构的空间像分别记录在一焦平面空间像收集探测器阵列上。所述曝光光波，其波长可以是目前行业内所有光刻设备的曝光波长，如g-line(436nm)、i-line(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)或F2(157nm)。所述透镜系统至少包括：主透镜组、傅立叶平面附近的45度角度分束板组、45度角度反光镜组、投影透镜、焦平面空间像收集探测器阵列、电子控制光快门组；其中，所述傅立叶平面附近的45度角度分束板组至少包括上、下两块45度角度分束板，可分别将来自掩膜板平面和硅片平面的光进行分光，以使光强分布能够在电子控制光快门组的控制下，透过投影透镜将空间像成像于一个焦平面空间像收集探测器阵列上。焦平面空间像收集探测器阵列，具有收集空间像光强分布和放大信号的功能，由多个探测器单元组成，其中每一个探测器单元的结构如图1所示，主要包括：放大透镜和像传感器。电子控制光快门组至少包括上下两快门，主要用于控制光路，以开启或关闭来自掩膜板和硅片平面的光强分布，以使能或阻挡上述光强分布成像到焦平面空间像收集探测器阵列上。因此，在一个实施例中，两组空间像实现记录的具体过程包括：一方面，在测量镜头时，掩膜板平面上的特定测试结构通过上45度角度分束板，并通过开启上快门，关闭下快门，使得来自掩膜板的光强分布成像到焦平面空间像收集探测器阵列上，并记录下该图像，具体如图2所示；另一方面，当硅片平台调整到最佳聚焦位置时，汇聚在硅片平面上的特定测试结构的一组像通过下45度角度分束板，并通过开启下快门，关闭上快门，使得来自硅片平面的光强分布成像到焦平面空间像手机探测器阵列上，并记录下该图像，具体如图3所示。其中，所述测试结构，可包括十字架和以任意角度、方式空间排列的任何适合监测的图形。

然后，由于当透镜存在散光时，硅片平面的测试图形空间像在X、Y方向具有不同的线宽，这主要是由于镜头组在X、Y方向上的像平面不在同一位置，从而导致X、Y方向产生了不同的放大倍率。而通过调整图形成像时在X、Y方向上的物距可实现使X、Y方向上的放大倍率相同，其原因如下：

由于，物体成像时满足如下公式： $\frac{1}{o}+\frac{1}{s}=\frac{1}{f},$ 其中，o为物距，s为像距，f为焦距。由于透镜组的焦距为一常数，所以对上面公式进行微分，可得： $\frac{\mathrm{do}}{o^2}+\frac{\mathrm{ds}}{s^2}=0,$ 即 $\mathrm{ds}=-\frac{s^2}{o^2};$ 假设透镜放大倍率为M，则： $M=\frac{s}{0}$

因此对M微分后得：

$\mathrm{dM}=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{do}}=\frac{\mathrm{ods}-\mathrm{sdo}}{o^2}$

将 $\mathrm{ds}=-\frac{s^2}{o^2}\mathrm{do},$ 代入上面公式，可得：

$\mathrm{dM}=-\frac{\frac{s^2}{o}\mathrm{do}+\mathrm{sdo}}{o^2}=-\frac{s}{o^2}\mathrm{do}(\frac{s}{o}+1)$

若所用的光刻机为KrF扫描式光刻机，则 $\frac{s}{o}=\frac{1}{4},$ 所以可得，

$\mathrm{dM}=-\frac{s}{o^2}(\frac{1}{4}+1)\mathrm{do}=-\frac{5}{4}\frac{s}{o}\frac{\mathrm{do}}{o}=-\frac{5}{16}\frac{\mathrm{do}}{o}$

其中，o为物距，是一常数

由此关系式可以看出硅片平面上的空间像其放大倍率增量与物距增量成线性关系。

因此，通过将这上述两组记录在焦平面探测器阵列上的空间像在X方向、Y方向、45度角或者其他方向的成像结果进行比较，通过相应的公式解算出该镜头组在X方向，Y方向的物距补偿距离，可实现这两个方向的像平面具有相同的放大倍率从而消除散光。

最后，根据X、Y方向上物距的差异，通过一反馈系统对透镜组环境参数进行调整，从而实现对整个透镜组散光的补偿。所述透镜组环境参数的调整主要包括镜头组的温度控制，压力调节以及气流控制等。通过对这些环境参数的调节可以实现对镜头局部分区域发生形变，从而实现在一定范围内改变透镜组的成像物距。反馈系统，包括透镜组成像质量和环境控制的反馈系统。主要将电子探测器阵列上收集到的空间像进行比较，其结果用光学成像函数解析为透镜物距的变化及温度，压力的关系式，通过对环境参量的调整实现光刻机散光的在线监控。

本发明所述的方法可适用于任何种类的投影式光刻设备，包括扫描式和非扫描式、四倍或其他倍率的投影光刻机。所述光刻机是指用于半导体集成电路印刷用的，适用于各种尺寸的，如8英寸、12英寸、18英寸、以及更加大尺寸的硅片制造设备。

Claims (10)

1.一种在线监控透镜散光的方法，其特征在于，包括下列步骤：

首先，利用光刻机自身曝光光波，通过一透镜系统将掩膜板平面上的测试结构和汇聚到硅片平面上的测试结构的空间像分别记录在一焦平面空间像收集探测器阵列上；

然后，对上述两组记录在电子探测器阵列上的空间像至少在X方向和Y方向上的成像结果进行比较，解算出镜头在X方向和Y方向上的物距补偿距离；

最后，根据对X方向和Y方向上物距的差异，通过一反馈系统对透镜组环境参数进行调整，完成对整个透镜组散光的补偿。

2.根据权利要求1所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，其中，所述透镜系统至少包括：主透镜组、傅立叶平面附近的45度角度分束板组、45度角度反光镜组、投影透镜、焦平面空间像收集探测器阵列、电子控制光快门组。

3.根据权利要求2所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述傅立叶平面附近的45度角度分束板组至少包括上、下两块45度角度分束板。

4.根据权利要求1或2所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述焦平面空间像收集探测器阵列由多个探测器单元组成，其中每一个探测器单元至少包括一放大透镜和一像传感器。

5.根据权利要求2所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述电子控制光快门组至少包括上下两个快门，通过开启或关闭上下快门，使能或阻挡来自掩膜板或硅片平面的光强分布分别记录到所述焦平面空间像收集探测器阵列上。

6.根据权利要求1所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述测试结构可包括十字架和以任意角度、方式空间排列的任何适合监测的图形。

7.根据权利要求1到6中任意一项所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述记录过程的具体步骤包括：一方面，在测量镜头时，掩膜板平面上的测试结构通过上45度角度分束板，并通过开启上快门，关闭下快门，使得来自掩膜板的光强分布成像到焦平面空间像收集探测器阵列上，并记录下该图像；另一方面，当硅片平台调整到最佳聚焦位置时，汇聚在硅片平面上的特定测试结构的一组像通过下45度角度分束板，并通过开启下快门，关闭上快门，使得来自硅片平面的光强分布成像到焦平面空间像手机探测器阵列上，并记录下该图像。

8.根据权利要求1所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述环境参数的调整至少包括：镜头组的温度控制、压力调节以及气流控制。

9.根据权利要求1所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述光刻机自身曝光光波的波长为436nm、365nm、248nm、193nm或157nm。

10.根据权利要求1所述的在线监控透镜散光的方法，其特征在于，所述光刻机可为扫描式或非扫描式、四倍或其他任何倍率的投影光刻机。

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