CN101241315A - 非对称型移相光栅标记及在光刻机物镜像差检测中的应用 - Google Patents

Abstract

一种非对称型移相光栅标记及在光刻机物镜像差检测中的应用，所述标记由两组非对称型移相光栅组成，两组光栅的线条方向分别为90度和0度，所述标记为交替型移相光栅，光栅中两相邻透光区域的相位差为180度；移相光栅的线空比为1∶2，移相光栅的周期为1.92λ/NA，其中，λ为光刻机照明光源的波长，NA为光刻机投影物镜数值孔径可变化范围内其最大与最小值的平均值。本发明还提供一种基于非对称型移相光栅标记的光刻机投影物镜波像差原位检测方法。通过优化移相光栅的结构和尺寸，测试标记的像差灵敏度明显提高，利用该测试标记检测光刻机投影物镜的波像差，检测精度明显提高。

Description

非对称型移相光栅标记及在光刻机物镜像差检测中的应用

技术领域

本发明涉及光刻机，尤其涉及一种非对称型移相光栅标记及在光刻机物镜像差检测中的应用，详细地说，本发明是一种非对称型移相光栅标记和基于该标记的光刻机投影物镜波像差的原位检测方法。

背景技术

光刻机是极大规模集成电路制造工艺中的核心设备。投影物镜系统是光刻机最重要的分系统之一。投影物镜的波像差会降低光刻成像质量，减小光刻工艺窗口。在投影物镜成像过程中，彗差使空间像产生横向位置偏移，增加光刻机套刻误差；彗差还会导致成像图形的线宽不对称，增加曝光视场内的CD不均匀性。球差引起曝光图形的最佳焦面偏移，使光刻机焦深减小。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，投影物镜波像差对光刻成像质量的影响越来越突出。高精度的投影物镜波像差原位检测能为波像差的校正提供及时可靠的数据，是一项重要的光刻机技术。

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波像差的主要技术之一。参见在先技术1，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技术采用基于二元掩模图形的测试标记，通过测量测试标记成像时的轴向最佳焦面偏移量和横向位置偏移量，计算出投影物镜的球差和彗差。该技术对球差和彗差的检测精度，在3sigma条件下分别可以达到3nm和2nm。该技术的波像差检测精度由测试标记的像差灵敏度决定。像差灵敏度越大，其检测精度越高。TAMIS技术选择由普通二元掩模图形，如图1所示，组成的光栅作为测试标记，忽略了不同种类型掩模图形组成的测试标记的像差灵敏度之间的差异，影响波像差检测精度的进一步提高。

在TAMIS技术的基础上，FAN WANG等人提出了一种基于移相掩模测试标记的光刻机投影物镜波像差原位检测技术。参见在先技术2，Fan Wang，XiangzhaoWang，Mingying Ma，Dongqing Zhang，Weijie Shi and Jianming Hu，“Aberrationmeasurement of projection optics in lithographic tools by use of an alternatingphase-shifting mask，”Appl.Opt.45，281-287(2006)。该技术利用移相掩模图形，如图2所示，代替二元掩模图形作为测试标记，利用移相掩模比二元掩模的像差灵敏度高的优点，提高了检测精度。该技术采用线宽为250nm，线空比为1∶1的对称型移相掩模光栅作为测试标记，根据已有的波像差计算模型，计算出待测成像光学系统的球差和彗差。在先技术2通过更换组成检测标记的掩模图形，使对投影物镜球差和彗差的检测精度分别比在先技术1提高了20％和30％。

在先技术2在测量波像差时，忽略了移相掩模图形尺寸和线空比对像差灵敏度的影响，只考虑了利用移相的方法提高像差灵敏度，影响了投影物镜波像差检测精度的进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于对上述现有技术的进一步改进，提供一种非对称型移相光栅标记及其在光刻机物镜像差检测中的应用，详细地说，是一种非对称型移相光栅标记和利用该非对称型移相光栅标记机械光刻机投影物镜波像差的原位检测的方法，以提高光刻机投影物镜波像差的检测精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于原位检测光刻机投影物镜波像差的非对称型移相光栅标记，其特点是该标记由两组非对称型移相光栅组成，第一组移相光栅的光栅线条方向为90°，第二组移相光栅的光栅线条方向为0°，该非对称型移相光栅为交替型移相光栅，相邻两透光区域的相位差为180°，而透光区域的宽度相同，光栅周期为不透光区域和透光区域的宽度之和，所述移相光栅的线空比为1∶2，即光栅不透光部分和透光部分的宽度之比为1∶2，所述移相光栅的周期为1.92λ/NA，其中：λ为光刻机照明系统光源的波长，NA为光刻机投影物镜数值孔径可变化范围内的最大值和最小值的平均值。

一种利用上述非对称型移相光栅标记进行光刻机投影物镜波像差的原位检测方法，包括下列步骤：

①非对称型移相光栅标记置于光刻机的测试掩模并精确定位的掩模台上，像传感器安装在工件台上，用于测量测试掩模上非对称型移相光栅标记的空间像位置；

②利用光刻仿真软件PROLITH标定波像差灵敏度系数：S₁(NA_i，σ_i)，S₂(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S₄(NA_i，σ_i)，S₅(NA_i，σ_i)，S₆(NA_i，σ_i)，S₇(NA_i，σ_i)，S₈(NA_i，σ_i)和S₉(NA_i，σ_i)；

③通过照明系统调节部分相干因子，其变化范围为0.3～0.8，步长为0.1；通过投影物镜调节数值孔径，其变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，在20组不同的照明条件{(NA_i，σ_i)|i＝1，2......20}＝{(0.5，0.3)，(0.5，0.4)......(0.8，0.8)}下，利用工件台上的空间像传感器测量第一组移相光栅成像时X方向的横向位置偏移量ΔX₃₁(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)，测量第二组移相光栅成像时Y方向的横向位置偏移量ΔY₃₂(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)；

④根据标定得到的灵敏度矩阵和测量得到的偏移量，计算投影物镜的球差和彗差：

首先，利用下列式子计算得到第一组移相光栅的空间像在X方向的成像位置偏移ΔX(NA_i，σ_i)、第二组移相光栅的空间像在Y方向的成像位置偏移ΔY(NA_i，σ_i)和第一组移相光栅与第二组移相光栅最佳焦面偏移量的平均值ΔZ_s(NA_i，σ_i)：

ΔX(NA_i，σ_i)＝ΔX₃₁(NA_i，σ_i)

ΔY(NA_i，σ_i)＝ΔY₃₂(NA_i，σ_i)

ΔZ_s(NA_i，σ_i)＝[ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)+ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)]/2

然后，根据测量得到的位置偏移量和标定得到的灵敏度系数矩阵，利用最小二乘法求解下列方程组，得到表示投影物镜彗差和球差的泽尼克系数Z₇、Z₁₄、Z₈、Z₁₅、Z₉和Z₁₆：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_3(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_2\\ Z_7\\ Z_{14}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_5({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_6(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_5({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_6({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_3\\ Z_8\\ Z_{15}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_9(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_9({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_4\\ Z_9\\ Z_{16}\end{array}\right].$

所述的利用光刻仿真软件PROLITH标定波像差灵敏度系数的方法是：

照明条件的变化通过在PROLITH软件中的设置实现，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1；数值孔径变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，可以得到20组不同的照明条件：{(NA_i，σ_i)|i＝1，2......20}＝{(0.5，0.3)，(0.5，0.4)......(0.8，0.8)}；

在标定三阶彗差Z₇的灵敏度系数S₂(NA_i，σ_i)时，设定一定的Z₇值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件计算得到由Z₇引起的成像位置偏移量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Z₇之比；

其他灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S₄(NA_i，σ_i)，S₅(NA_i，σ_i)，S₆(NA_i，σ_i)，S₇(NA_i，σ_i)，S₈(NA_i，σ_i)和S₉(NA_i，σ_i)的标定方法与S₂(NA_i，σ_i)相似。

本发明由于采用了上述技术方案，与在先技术(在先技术1、在先技术2)相比，具有以下优点：

1、根据理论分析可知，本发明非对称型移相光栅标的±3级衍射光光强被调制为0，测试标记的像差灵敏度得到提高。本发明移相光栅的透过率函数t(x)为

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

其中，pw为相位区域42和43的宽度，p为光栅周期。移相光栅的频谱分布函数为透过率函数的傅里叶变换，

$U\left(f_x\right)=\frac{j\·\mathrm{pw}}{p}\underset{-N}{\overset{+N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{2p})\sin c(\mathrm{pw}\·f_x)\sin \left(\mathrm{\πp}{f}_x\right),$

其中，N是能够进入光瞳的衍射光的最高衍射级次。由上式可知，此种光栅的偶数级次的衍射光复振幅被调制为0，±1级衍射光复振幅远大于±3和±5级衍射光。由±1级衍射光引起的成像位置偏移量ΔX_1，-1可依据下式估算，

$\mathrm{\Δ}{X}_{1,-1}\∝-\frac{{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_{-1}}{f_1-f_{-1}},$

其中，f₁＝1/(2p)，f_-1＝-1/(2p)分别为+1和-1级衍射光的空间频率。φ₁和φ_-1分别为波像差函数在f₁和f_-1处的值。|ΔX_1，-1|随光栅周期的增大而增大，即当光瞳中只有±1级衍射光时，移相光栅的像差灵敏度随光栅周期p的增大而增大。但是，随着光栅周期p的增大，±3级衍射光开始进入光瞳，使成像位置偏移量成为ΔX_1，-1，ΔX_3，-3，ΔX_1，3，ΔX_1，-3，ΔX_-1，3和ΔX_-1，-3的平均值，像差灵敏度随之减小。当光栅线空比为1∶2时，使用线空比为1∶2的非对称型移相光栅标记，±3级衍射光复振幅被调制为0，避免了多级衍射光的平均作用，从而获得较大的像差灵敏度。

2、移相光栅的周期得到优化。当光瞳中只有±1级衍射光时，移相光栅的像差灵敏度随光栅周期p的增大而增大。对于线空比为1∶2的非对称型移相光栅，其±3级衍射光的复振幅被调制为0。本发明在保证±5级衍射光不进入光瞳的条件下，取最大的光栅周期1.92λ/NA，同时获得最大的像差灵敏度。

3、利用本发明的测试标记5，可以同时测量球差和彗差。相对于在先技术2，通过提高测试标记的像差灵敏度，球差和彗差的检测精度也得到大幅度提高。

附图说明

图1：在先技术1中使用的测试标记结构示意图。

图2：在先技术2中使用的测试标记结构示意图。

图3：本发明非对称型移相光栅标记的示意图。

图4：本发明非对称型移相光栅标记的结构示意图。

图5：本发明采用的波像差检测系统结构示意图。

图6：成像位置偏移量和移相光栅标记的线空比、光栅周期之间的关系，其纵轴表示成像位置偏移量(单位：nm)，横轴表示光栅周期(单位：nm)。

图7：测试标记5对三阶彗差Z₇的灵敏度系数随数值孔径和部分相干因子的变化关系，其纵轴为灵敏度系数，横轴为部分相干因子，不同标记的曲线对应不同的数值孔径NA。

图8：测试标记5对五阶彗差Z₁₄的灵敏度系数随数值孔径和部分相干因子的变化关系，其纵轴为灵敏度系数，横轴为部分相干因子，不同标记的曲线对应不同的数值孔径NA。

图9：测试标记5对球差Z₉的灵敏度系数随数值孔径和部分相干因子的变化关系，其纵轴为灵敏度系数，横轴为部分相干因子，不同标记的曲线对应不同的数值孔径NA。

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，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

先请参阅图3和图4，图3是本发明非对称型移相光栅标记的示意图。图4是本发明非对称型移相光栅标记的结构示意图。由图可见，本发明一种用于原位检测光刻机投影物镜波像差的非对称型移相光栅标记由两组非对称型移相光栅组成，第一组移相光栅51的光栅线条方向为90°，第二组移相光栅52的光栅线条方向为0°，该非对称型移相光栅为交替型移相光栅，相邻两透光区域42和透光区域43的相位差为180°，而透光区域的宽度相同，光栅周期为不透光区域41和透光区域42的宽度之和，所述移相光栅的线空比为1∶2，即光栅不透光部分41和透光部分42的宽度之比为1∶2，所述移相光栅的周期为1.92λ/NA，其中：λ为光刻机照明系统光源的波长，NA为光刻机投影物镜数值孔径可变化范围内的最大值和最小值的平均值。

一种利用上述非对称型移相光栅标记进行光刻机投影物镜波像差的原位检测方法使用的检测系统如图5所示。该系统包括产生照明光束的光源1；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的照明系统2；能承载测试掩模3并精确定位的掩模台4；能将测试掩模3上的测试标记5成像且数值孔径可调的投影物镜6；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台7，安装在工件台7上用于测量测试掩模3上测试标记5的空间像位置的像传感器8。

所述光源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和深紫外光源。

所述照明系统2包括扩束透镜组，光束整形器和光束均匀器。

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。

所述测试标记5为本发明内容之一的非对称型移相光栅标记。

所述像传感器可以是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。测量测试标记5空间像的偏移量时，首先工件台7调焦调平，然后，对测试标记5经投影物镜所成的空间像进行三维扫描，测量得到空间像的最佳焦面偏移量和焦面内的成像位置偏移量。

利用上述非对称型移相光栅标记5进行光刻机投影物镜波像差的原位检测方法，包括如下步骤：

(1)标定投影物镜6的球差和彗差灵敏度系数：

首先，介绍波像差、成像位置偏移量和像差灵敏度系数的概念；然后详细说明灵敏度系数的标定方法。

投影物镜的波像差系指投影物镜光瞳处理的像波面与实际波面之间的偏差，通常由泽尼克多项式来表示：

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

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

$Z_6{\mathrm{\ρ}}^2\sin 2\mathrm{\θ}+Z_7({3\mathrm{\ρ}}^3-2\mathrm{\ρ})\cos \mathrm{\θ}+Z_8(3{\mathrm{\ρ}}^3-2\mathrm{\ρ})\sin \mathrm{\θ}+---\left(1\right)$

$Z_9(6{\mathrm{\ρ}}^4-6{\mathrm{\ρ}}^2+1)+\·\·\·+Z_{14}(10{\mathrm{\ρ}}^4-12{\mathrm{\ρ}}^2+3)\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}+$

$Z_{15}(10{\mathrm{\ρ}}^4-12{\mathrm{\ρ}}^2+3)\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+Z_{16}(20{\mathrm{\ρ}}^6-30{\mathrm{\ρ}}^4+12{\mathrm{\ρ}}^2-1)+\·\·\·$

其中，ρ，θ为物镜出瞳面的归一化极坐标。Z₇和Z₁₄分别表示三阶和五阶X方向彗差，它们与Z₂均能引起测试标记51的空间像在X方向的成像位置偏移ΔX(ρ，θ)。Z₈和Z₁₅分别表示三阶和五阶Y方向彗差，它们与Z₃均能引起测试标记52的空间像在Y方向的成像位置偏移ΔY(ρ，θ)。Z₉和Z₁₆分别表示三阶球差和五阶球差，它们与Z₄均能引起测试标记51和测试标记52的空间像在Z方向的最佳焦面偏移ΔZ_s(ρ)。忽略高阶波像差的影响，横向成像位置偏移量可分别表示为：

ΔX(ρ，θ)∝Z₂+Z₇(3ρ²-2)+Z₁₄(10ρ⁴-12ρ²+3)        (2)

ΔY(ρ，θ)∝Z₃+Z₈(3ρ²-2)+Z₁₅(10ρ⁴-12ρ²+3)        (3)

最佳焦面偏移量可以表示为：

ΔZ_s(ρ)∝Z₄+Z₉(3ρ²-1.5)+Z₁₆(10ρ⁴-10ρ²+1)         (4)

横向成像位置偏移量、最佳焦面偏移量与数值孔径、部分相干因子有关，因此在成像位置偏移量和泽尼克系数之间建立如下方程：

ΔX(NA_i，σ_i)＝S₁(NA_i，σ_i)Z₂+S₂(NA_i，σ_i)Z₇+S₃(NA_i，σ_i)Z₁₄，(i＝1，2，3……n)，(5)

ΔY(NA_i，σ_i)＝S₄(NA_i，σ_i)Z₃+S₅(NA_i，σ_i)Z₈+S₆(NA_i，σ_i)Z₁₅，(i＝1，2，3……n)，(6)

ΔZ_s(NA_i，σ_i)＝S₇(NA_i，σ_i)Z₄+S₈(NA_i，σ_i)Z₉+S₉(NA_i，σ_i)Z₁₆，(i＝1，2，3……n)，(7)

上述方程可由以下矩阵方程表示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_3(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_2\\ Z_7\\ Z_{14}\end{array}\right],---\left(8\right)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_5({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_6(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_5({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_6({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_3\\ Z_8\\ Z_{15}\end{array}\right],---\left(9\right)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_9(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_9({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_4\\ Z_9\\ Z_{16}\end{array}\right],---\left(10\right)$

其中，ΔX(NA_i，σ_i)为在不同NA和σ条件下测量得到的测试标记51的空间像在X方向的成像位置偏移ΔX₃₁(NA_i，σ_i)，即

ΔX(NA_i，σ_i)＝ΔX₃₁(NA_i，σ_i)。             (11)

ΔY(NA_i，σ_i)为在不同NA和

条件下测量得到的测试标记52的空间像在Y方向的成像位置偏移ΔY₃₂(NA_i，σ_i)，即

ΔY(NA_i，σ_i)＝ΔY₃₂(NA_i，σ_i)。              (12)

ΔZ_s(NA_i，σ_i)为在不同NA和σ条件下测量得到的ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)和ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)的平均值，即

ΔZ_s(NA_i，σ_i)＝[ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)+ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)]/2。       (13)

S₁(NA_i，σ_i)、S₂(NA_i，σ_i)、S₃(NA_i，σ_i)、S₄(NA_i，σ_i)、S₅(NA_i，σ_i)、S₆(NA_i，σ_i)、S₇(NA_i，σ_i)、S₈(NA_i，σ_i)、S₉(NA_i，σ_i)分别为与Z₂、Z₇、Z₁₄、Z₃、Z₈、Z₁₅、Z₄、Z₉和Z₁₆对应的像差灵敏度系数，由下列公式定义：

$S_1({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_2}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(14\right)$

$S_2({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_7}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(15\right)$

$S_3({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{14}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(16\right)$

$S_4({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_3}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(17\right)$

$S_5({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_8}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(18\right)$

$S_6({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{15}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(19\right)$

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_4}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(20\right)$

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔZ}}_s({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_9}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n),---\left(21\right)$

$S_9({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{16}}(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·\·\·\·n).---\left(22\right)$

利用光刻仿真软件PROLITH标定波像差灵敏度系数。波像差灵敏度系数是随投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子的变化而变化的。为了能够利用不同照明条件下(NA_i，σ_i)测量得到的成像位置偏移量(ΔX(NA_i，σ_i)、ΔY(NA_i，σ_i)和ΔZ_s(NA_i，σ_i))计算出表示投影物镜波像差的泽尼克系数，需要标定相应照明条件下的波像差灵敏度系数S(NA_i，σ_i)。照明条件的变化通过在PROLITH软件中的设置实现，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1；数值孔径变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，可以得到20组不同的照明条件：

{(NA_i，σ_i)|i＝1，2......20}＝{(0.5，0.3)，(0.5，0.4)......(0.8，0.8)}。

举例说明灵敏度系数的标定方法，在标定三阶彗差Z₇的灵敏度系数S₂(NA_i，σ_i)时，可设定一定的Z₇值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件计算得到由Z₇引起的成像位置偏移量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Z₇之比。S₁(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S₄(NA_i，σ_i)，S₅(NA_i，σ_i)，S₆(NA_i，σ_i)，S₇(NA_i，σ_i)，S₈(NA_i，σ_i)和S₉(NA_i，σ_i)的标定方法与S₂(NA_i，σ_i)相似。最后得到(8)～(10)式中的三个20×3的灵敏度系数矩阵。

(2)测试标记5通过投影物镜6在不同数值孔径NA_i和部分相干因子σ_i条件下成像：通过照明系统调节部分相干因子，其变化范围为0.3～0.8，步长为0.1；通过投影物镜调节数值孔径，其变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，在20组不同的照明条件{(NA_i，σ_i)|i＝1，2.....20}＝{(0.5，0.3)，(0.5，0.4)......(0.8，0.8)}下，利用工件台上的空间像传感器测量第一组移相光栅成像时X方向的横向位置偏移量ΔX₃₁(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)，测量第二组移相光栅成像时Y方向的横向位置偏移量ΔY₃₂(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)；

(3)根据标定得到的灵敏度矩阵和测量得到的偏移量，计算投影物镜的球差和彗差：

首先，利用(11)～(13)式，计算得到第一组移相光栅51的空间像在X方向的成像位置偏移ΔX(NA_i，σ_i)、第二组移相光栅52的空间像在Y方向的成像位置偏移ΔY(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移量ΔZ_s(NA_i，σ_i)。然后，根据测量得到的位置偏移量和标定得到的灵敏度系数矩阵，利用最小二乘法求解方程组(8)～(10)，得到表示投影物镜球差和彗差的泽尼克系数Z₇、Z₁₄、Z₈、Z₁₅、Z₉和Z₁₆。

本发明实施例中所采用的光刻机系统结构如图5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，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1。投影物镜5的数值孔径变化范围为0.5～0.8，步长为0.1。测试掩模3上的测试标记5采用非对称型移相光栅标记，如图3所示，测试标记5的周期为570nm，CD宽度为190nm，相位区域宽度为380nm。

根据理论分析可知，此种标记的±3级衍射光光强被调制为0，测试标记的像差灵敏度得到提高。图3所示移相光栅的透过率函数t(x)为

$t\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-2\mathrm{np})*\left[\mathrm{rect}\left(\frac{x+p/2}{\mathrm{pw}}\right)-\mathrm{rect}\left(\frac{x-p/2}{\mathrm{pw}}\right)\right]n\∈Z,---\left(23\right)$

其中，pw为相位区域42和43的宽度，p为光栅周期。移相光栅的频谱分布函数为透过率函数的傅里叶变换，

$U\left(f_x\right)=\frac{j\·\mathrm{pw}}{p}\underset{-N}{\overset{+N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{2p})\sin c(\mathrm{pw}\·f_x)\sin \left(\mathrm{\πp}{f}_x\right),---\left(24\right)$

其中，N是能够进入光瞳的衍射光的最高衍射级次。由(24)式可知，此种光栅的偶数级次的衍射光复振幅被调制为0，±1级衍射光复振幅远大于±3和±5级衍射光。由±1级衍射光引起的成像位置偏移量ΔX_1，-1可依据下式估算，

$\mathrm{\Δ}{X}_{1,-1}\∝-\frac{{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_{-1}}{f_1-f_{-1}},---\left(25\right)$

其中，f₁＝1/(2p)，f_-1＝-1/(2p)分别为+1和-1级衍射光的空间频率。φ₁和φ_-1分别为波像差函数在f₁和f_-1处的值。根据(1)式和(25)式可知，|ΔX_1，-1|随光栅周期的增大而增大，即当光瞳中只有±1级衍射光时，移相光栅的像差灵敏度随光栅周期p的增大而增大。但是，随着光栅周期p的增大，±3级衍射光开始进入光瞳，使成像位置偏移量成为ΔX_1，-1，ΔX_3，-3，ΔX_1，3，ΔX_1，-3，ΔX_-1，3和ΔX_-1，-3的平均值，像差灵敏度随之减小。当光栅线空比为1∶2时，使用线空比为1∶2的非对称型移相光栅标记，±3级衍射光复振幅被调制为0，避免了多级衍射光的平均作用，从而获得较大的像差灵敏度。

从式(23)和(24)可知，移相光栅周期p和线空比的大小会影响移相光栅的频谱分布，进而影响移相光栅的像差灵敏度。图6仿真计算了在投影物镜中只有三阶X方向彗差时，两种不同线空比的移相光栅成像时的横向位置偏移量随光栅周期p的变化关系。其中，纵轴表示成像位置偏移量(单位：nm)，横轴表示光栅周期(单位：nm)。由圆圈标记的曲线表示位相区域宽度pw和光栅周期p之比为2∶3的移相光栅的成像位置偏移量随光栅周期p的变化关系。由十字标记的曲线表示位相区域宽度pw和光栅周期p之比为1∶2的移相光栅的成像位置偏移量随光栅周期p的变化关系。从图6可知，与对称型移相光栅相比，线空比为1∶2的非对称型移相光栅在其周期p为570nm时，得到最大的成像位置偏移量，即像差灵敏度最大。

在本实施例中，利用本发明内容之-的非对称型光栅检测光刻机投影物镜的球差和彗差，其步骤如下。

(1)利用光刻仿真软件PROLITH标定投影物镜的波像差灵敏度系数矩阵，标定方法如发明内容所述，得到灵敏度系数矩阵如下：

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_3({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ S_1({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})& S_2({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})& S_3({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})\end{array}\right],---\left(26\right)$

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_5({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_6({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_5({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_6({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ S_4({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})& S_5({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})& S_6({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})\end{array}\right],---\left(27\right)$

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_9({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_9({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ S_7({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})& S_8({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})& S_9({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})\end{array}\right].---\left(28\right)$

(2)在不同数值孔径NA_i和部分相干因子σ_i条件下测量第一组移相光栅51的X方向横向成像位置偏移量ΔX₃₁(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移量ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)，测量第二组移相光栅52的Y方向横向成像位置偏移量ΔY₃₂(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移量ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)。由于照明条件不同，每种偏移量测量得到20组数据。

(3)根据标定得到的灵明度系数矩阵和测量得到的偏移量，利用(8)～(13)式计算投影物镜的球差和彗差。

在测量投影物镜波像差时，标定测试标记5的灵敏度矩阵是测量中的关键，而且灵敏度矩阵中灵敏度系数的变化范围直接决定波像差测量精度，其变化范围越大，波像差测量精度越高。图7为本发明所采用的测试标记5对三阶彗差Z₇的灵敏度系数随数值孔径和部分相干因子的变化关系，其纵轴为灵敏度系数，横轴为部分相干因子，不同标记的曲线对应不同的数值孔径NA。图8为本发明所采用的测试标记5对五阶彗差Z₁₄的灵敏度系数随数值孔径和部分相干因子的变化关系，其纵轴为灵敏度系数，横轴为部分相干因子，不同标记的曲线对应不同的数值孔径NA。图9为本发明所采用的测试标记5对球差Z₉的灵敏度系数随数值孔径和部分相干因子的变化关系，其纵轴为灵敏度系数，横轴为部分相干因子，不同标记的曲线对应不同的数值孔径NA。根据灵敏度系数变化范围评价波像差的检测精度，本实施例中对投影物镜球差、彗差的检测精度比在先技术2分别提高了17％和15％。

Claims (3)

1、一种用于原位检测光刻机投影物镜波像差的非对称型移相光栅标记，其特征在于该标记由两组非对称型移相光栅组成，第一组移相光栅(51)的光栅线条方向为90°，第二组移相光栅(52)的光栅线条方向为0°，该非对称型移相光栅为交替型移相光栅，相邻两透光区域(42)和透光区域(43)的相位差为180°，而透光区域的宽度相同，光栅周期为不透光区域(41)和透光区域(42)的宽度之和，所述移相光栅的线空比为1∶2，即光栅不透光部分(41)和透光部分(42)的宽度之比为1∶2，所述移相光栅的周期为1.92λ/NA，其中：λ为光刻机照明系统光源的波长，NA为光刻机投影物镜数值孔径可变化范围内的最大值和最小值的平均值。

2、一种利用权利要求1所述的非对称型移相光栅标记进行光刻机投影物镜波像差的原位检测方法，特征在于包括下列步骤：

①非对称型移相光栅标记(5)置于测试掩模(3)并精确定位的掩模台(4)上，像传感器(8)安装在工件台(7)上，用于测量测试掩模(3)上非对称型移相光栅标记(5)的空间像位置；

②利用光刻仿真软件PROLITH标定波像差灵敏度系数：S₁(NA_i，σ_i)，S₂(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S₄(NA_i，σ_i)，S₅(NA_i，σ_i)，S₆(NA_i，σ_i)，S₇(NA_i，σ_i)，S₈(NA_i，σ_i)和S₉(NA_i，σ_i)；

③通过照明系统(2)调节部分相干因子，其变化范围为0.3～0.8，步长为0.1；通过投影物镜(6)调节数值孔径，其变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，在20组不同的照明条件{(NA_i，σ_i)|i＝1，2......20}＝{(0.5，0.3)，(0.5，0.4)......(0.8，0.8)}下，利用工件台(7)上的空间像传感器(8)测量第一组移相光栅(51)成像时X方向的横向位置偏移量ΔX₃₁(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)，测量第二组移相光栅(52)成像时Y方向的横向位置偏移量ΔY₃₂(NA_i，σ_i)和最佳焦面偏移ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)；

④根据标定得到的灵敏度矩阵和测量得到的偏移量，计算投影物镜的球差和彗差：

首先，利用下列式子计算得到第一组移相光栅(51)的空间像在X方向的成像位置偏移ΔX(NA_i，σ_i)、第二组移相光栅(52)的空间像在Y方向的成像位置偏移ΔY(NA_i，σ_i)和第一组移相光栅(51)与第二组移相光栅(52)最佳焦面偏移量的平均值ΔZ_s(NA_i，σ_i)：

ΔX(NA_i，σ_i)＝ΔX₃₁(NA_i，σ_i)                            (11)

ΔY(NA_i，σ_i)＝ΔY₃₂(NA_i，σ_i)                            (12)

ΔZ_s(NA_i，σ_i)＝[ΔZ₃₁(NA_i，σ_i)+ΔZ₃₂(NA_i，σ_i)]/2       (13)

然后，根据测量得到的位置偏移量和标定得到的灵敏度系数矩阵，利用最小二乘法求解下列方程组，得到表示投影物镜彗差和球差的泽尼克系数Z₇、Z₁₄、Z₈、Z₁₅、Z₉和Z₁₆：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_1({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_2({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_3(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_1({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_2({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_3({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_2\\ Z_7\\ Z_{14}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_4({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_5({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_6(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_4({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_5({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_6({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_3\\ Z_8\\ Z_{15}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\Δ}{Z}_s({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_9(N{A}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_9({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_4\\ Z_9\\ Z_{16}\end{array}\right].$

3、根据权利要求2所述的利用非对称型移相光栅标记进行光刻机投影物镜波像差的原位检测方法，特征在于所述的利用光刻仿真软件PROLITH标定波像差灵敏度系数的方法是：

照明条件的变化通过在PROLITH软件中的设置实现，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1；数值孔径变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，可以得到20组不同的照明条件：{(NA_i，σ_i)i＝1，2......20}＝{(0.5，0.3)，(0.5，0.4)......(o.8，0.8)}；

在标定三阶彗差Z₇的灵敏度系数S₂(NA_i，σ_i)时，设定一定的Z₇值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件计算得到由Z₇引起的成像位置偏移量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Z₇之比；

其他灵敏度系数S₁(NA_i，σ_i)，S₃(NA_i，σ_i)，S₄(NA_i，σ_i)，S₅(NA_i，σ_i)，S₆(NA_i，σ_i)，S₇(NA_i，σ_i)，S₈(NA_i，σ_i)和S₉(NA_i，σ_i)的标定方法与S₂(NA_i，σ_i)相似。

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