CN101344728A - 一种光刻机投影物镜波像差在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的光刻机投影物镜波像差在线测量装置及方法，通过获得特殊标记空间像的能量分布，利用数学模型拟合计算投影物镜波像差。本发明提供的掩模标记及相应的探测装置，有效地避免了探测到的信号强度与探测器标记线宽间的矛盾。本发明提供的测试方法，有效地提高了测试效率和精度。

Description

一种光刻机投影物镜波像差在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光刻设备的检测技术，特别是涉及光刻机投影物镜波像差在线检测技术。

背景技术

光刻机是集成电路生产和制造过程中的关键设备之一。成像质量是影响光刻机光刻分辨力和套刻精度的重要因素。随着光刻特征尺寸的减小，光刻机投影物镜波像差对光刻质量的影响越来越突出，波像差的原位检测已成为先进的投影光刻机中不可或缺的功能，波像差的测量技术成为保证光刻性能的重要手段。

Peter Dirksen等人于2001年提出了一种光刻机投影物镜波像差的检测技术(已有技术1，Patent No.US 6,248,486B1)：像差环测试(ART，Aberration RingTest)。ART技术主要测试过程：将圆形移项位移掩模标记通过光刻机成像于放置在投影物镜的像面上的基板上，将所成的像显影后，利用扫描电镜(SEM)对其所成的圆环图像进行测量，根据测量得到的圆环内圆和外圆的位置偏差求出前述投影光学系统的像差。但是此种方法测量精度受光刻工艺影响较大，且所需测量时间较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置及方法，以实现测试时间短，且测试精度不受光刻工艺影响的目的。

为了达到上述的目的，本发明提供一种光刻机投影物镜波像差在线测量装置，包括：光源、照明系统、成像光学系统、掩模台、掩模、工件台、硅片、激光干涉仪和对准系统。该光源产生投影光束；该照明系统调整该光源发出的光束的光强分布和部分相干因子；该成像光学系统的数值孔径可以调节，将掩模图案成像；该掩模台承载该掩模并精确定位；该工件台承载该硅片并由该激光干涉仪精确定位；该对准系统精确测量掩模或掩模台上标记位置及标记成像能量空间分布。所述掩模的掩模标记由两个或两个以上相同的掩模子标记按矩阵式分布构成，所述对准系统上具有与所述掩模标记对应的对准标记，所述对准标记由多个相同对准子标记按矩阵式分布构成。

该掩模标记中的各掩模子标记间隔大于掩模子标记本身尺寸的1至2倍。该掩模子标记，可以是圆形的移相位移掩模标记；可以是普通掩模的狭缝标记；还可以是其他可以完成波像差检测的掩模标记。该掩模子标记的尺寸为所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的0.5到3倍。

该对准标记图形中的对准子标记，可以是长方形、圆形或正方形。该对准子标记可以由多个不同方向的标记构成。各该对准子标记间隔应大于对准子标记本身尺寸的1至2倍。该对准子标记的尺寸小于所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的2倍。

本发明还提供一种光刻机投影物镜波像差在线测量方法，包括以下步骤：

(1)光源发出的光束经照明系统调整后照射到掩模上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学系统，将掩模上的图形成像到像面，形成空间像；

(2)工件台带动对准系统，在激光干涉仪准确定位下，对空间像进行扫描，记录空间像光强分布；

(3)根据扫描得到的光强分布，得到空间像的可用于投影物镜波像差计算的成像信息；

(4)根据得到的成像信息，计算投影物镜波像差。

该空间像可以是一维像、二维像或三维像。该成像信息可以包括成像位置信息、能量分布信息、成像尺寸信息，还可以包括其他可用于投影物镜波像差计算的信息。

该掩模图形由两个或两个以上相同子标记按矩阵式分布构成。各该子标记间隔大于子标记本身尺寸的1至2倍。该子标记，可以是圆形的移相位移掩模标记；可以是普通掩模的狭缝标记；还可以是其他可以完成波像差检测的掩模标记。该子标记的尺寸为所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的0.5到3倍。

该对准系统上具有与该掩模图形对应的对准标记图形，该对准标记图形由多个相同对准子标记按矩阵式分布构成。该对准子标记，可以是长方形、圆形或正方形。该对准子标记可以由多个不同方向的标记构成。各该对准子标记间隔应大于对准子标记本身尺寸的1至2倍。该对准子标记的尺寸小于所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的2倍。

本发明通过获得特殊标记空间像的能量分布，利用数学模型拟合计算投影物镜波像差。本发明提供的掩模标记及相应的探测装置，有效地避免了探测到的信号强度与探测器标记线宽间的矛盾。本发明提供的测试方法，有效地提高了测试效率和精度。

附图说明

图1是本发明所使用的系统示意图；

图2a是本发明的测试掩模标记分布示意图：

图2b是图2a中201部分相移标记放大图；

图3是图2b中掩模标记对应的空间像轮廓示意图；

图4a是本发明的对准系统传感器示意图；

图4b是图2a中对准系统传感器上标记层301标记分布示意图；

图4c是图2b中子标记401结构示意图；

图5是在投影物镜不存在波像差的条件下，子标记501扫描201所成空间像得到的能量分布示意图；

图6是当投影物镜存在彗差(Z7)时，其扫描得到的空间像能量分布示意图；

图7是本发明的测试掩模标记分布示意图；

图8是对准标记分布示意图；

图9是图8中子标记601具体结构示意图。

附图中：101、光源；102、照明系统；103、掩模；104、成像光学系统；105、硅片；106、工件台；107、激光干涉仪；108、掩模台；109、对准系统；301、传感器标记层；302、荧光；303、光电探测层；401、对准标记；501、对准子标记；502、对准子标记；503、对准子标记；504、对准子标记；505、对准子标记；506、对准子标记；507、对准子标记；508、对准子标记；601、子标记。

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101；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102；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104(放大倍率0.25)；能承载掩模103并精确定位的掩模台108；能承载硅片105并精确定位的工件台106；可使工件台精确定位的激光干涉仪107；能精确测量掩模103上标记位置及标记成像能量空间分布的对准系统109。

本发明的实施例1提供的特殊掩模标记如图2所示，每个标记中矩阵式分布着45*45个子标记，每个子标记中均由一个像差环(AR，Aberration Ring)构成。每个像差环经投影物镜成像后，在像面上所成空间像如图3所示。与之对应的对准系统传感器及其上的对准标记分布示意图如图4所示，对准标记中矩阵式分布着45*45个子标记，每个子标记中均由9个长方形狭缝构成，每个狭缝与水平向夹角各不相同，依次为：0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、167.5°。

利用上述装置测量光刻机投影物镜波像差的步骤如下：1.光源101发出的深紫外激光经照明系统102照射到刻有所述特殊标记的掩模103上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学系统104，曝光成像到像面上；2.然后工件台106带动对准系统109，在激光干涉仪107准确定位下，使得对准系统109上对准标记中的子标记501沿垂直于狭缝方向对201所成空间像进行扫描，记录空间像光强分布，同样地，依次利用502、503、504、505、506、507、508沿垂直于各自狭缝方向对201所成空间像进行扫描，并记录光强分布；3.根据各方向扫描得到的光强分布，计算所述空间像内圆与外圆的成像位置；4.根据所述成像位置，计算投影物镜波像差。

在步骤2中，在所述投影物镜不存在波像差的条件下，子标记501扫描201所成空间像得到的能量分布示意图，如图5所示：其内圆成像位置分别近似为+/-85nm；外圆成像位置分别近似为+/-210nm。当所述投影物镜存在彗差(Z7)时，其扫描得到的空间像能量分布，如图6所示：其内圆成像位置分别近似为+/-90nm；外圆成像位置分别近似为-200nm和210nm。

内外圆成像位置可用三角级数形式表述为：

$\underset{0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m\left(r\right)\·\cos \left(\mathrm{m\θ}\right)+R_m^{\′}\left(r\right)\·\sin \left(\mathrm{m\θ}\right)---\left(1\right)$

其中R为对应点到图像中心的距离，r是区分对应点为内圆上的点还是外圆上的点，m是表征像差类型的整数，θ为对应点的角度位置。

步骤2中，子标记501扫描201所成空间像，可以获得内圆上的两个点成像位置，其角度分别为0°和180°，同时也可以获得外圆上的两个成像位置，其角度分别也为0°和180°；同样地，子标记502、503、504、505、506、507、508扫描201所成空间像，同样也可以获得内外圆上各两个点位置，其角度分别为22.5°和180°+22.5°、45°和180°+45°、67.5°和180°+67.5°、90°和180°+90°、112.5°和180°+112.5°、135°和180°+135°、167.5°和180°+167.5°。

步骤4中，利用得到的上述32个点位置，以及公式(1)，即可计算出所述物镜的波像差。

本发明提供的另一个实施例的特殊掩模标记如图7所示，每个标记中矩阵式分布着100*100个子标记，每个子标记中均由一个像差环(AR，AberrationRing)构成。与之对应的对准系统传感器上的对准标记分布示意图如图8所示，对准标记中矩阵式分布着100*100个圆孔形子标记601，具体结构如图9所示。本实施例所使用的系统其他部分与实施例1相同。

利用上述装置测量光刻机投影物镜波像差的步骤如下：1.光源101发出的深紫外激光经照明系统102照射到刻有所述特殊标记的掩模103上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学系统104，曝光成像到像面上；2.然后工件台106带动对准系统109，在激光干涉仪107准确定位下，使得对准系统109上对准标记中的子标记601分别沿0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、167.5°等方向对201所成空间像进行扫描，记录空间像光强分布；3.根据各方向扫描得到的光强分布，计算所述空间像内圆与外圆的成像位置；4.根据所述成像位置，计算投影物镜波像差。

Claims (20)

1、一种光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于，包括：光源，照明系统，成像光学系统，掩模台，掩模，工件台，硅片，激光干涉仪和对准系统；所述光源产生投影光束，所述照明系统调整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子，所述成像光学系统的数值孔径可以调节，将掩模图案成像，所述掩模台承载所述掩模并精确定位，所述工件台承载所述硅片并由所述激光干涉仪精确定位，所述对准系统精确测量掩模或掩模台上标记位置及标记成像能量空间分布，所述掩模的掩模标记由两个或两个以上相同的掩模子标记按矩阵式分布构成，所述对准系统上具有与所述掩模标记对应的对准标记，所述对准标记由多个相同对准子标记按矩阵式分布构成。

2、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：各所述掩模子标记的间隔大于掩模子标记本身尺寸的1至2倍。

3、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：所述掩模子标记是圆形的移相位移掩模标记或普通掩模的狭缝标记。

4、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：所述掩模子标记的尺寸为所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的0.5到3倍。

5、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：所述对准子标记是长方形、圆形或正方形。

6、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：所述对准子标记由多个不同方向的标记构成。

7、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：各所述对准子标记间隔大于对准子标记本身尺寸的1至2倍。

8、根据权利要求1所述的光刻机投影物镜波像差在线测量装置，其特征在于：所述对准子标记的尺寸小于所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的2倍。

9、一种光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由光源发出的光束经照明系统调整后照射到掩模上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学系统，将掩模上的图形成像到像面，形成空间像；

(2)工件台带动对准系统，在激光干涉仪的准确定位下，对所述空间像进行扫描，记录空间像光强分布；

(3)根据扫描得到的光强分布，得到所述空间像的可用于投影物镜波像差计算的成像信息；

(4)根据得到的所述成像信息，计算投影物镜波像差。

10、根据权利要求9所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述空间像是一维像、二维像或三维像。

11、根据权利要求9所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述成像信息包括成像位置信息、能量分布信息、成像尺寸信息及其他可用于投影物镜波像差计算的信息。

12、根据权利要求11所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述掩模图形由两个或两个以上相同子标记按矩阵式分布构成。

13、根据权利要求12所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：各所述子标记间隔大于子标记本身尺寸的1至2倍。

14、根据权利要求12所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述子标记是圆形的移相位移掩模标记或普通掩模的狭缝标记。

15、根据权利要求12所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述子标记的尺寸为所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的0.5到3倍。

16、根据权利要求12所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述对准系统上具有与所述掩模图形对应的对准标记图形，所述对准标记图形由多个相同对准子标记按矩阵式分布构成。

17、根据权利要求16所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述对准子标记是长方形、圆形或正方形。

18、根据权利要求16所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述对准子标记由多个不同方向的标记构成。

19、根据权利要求16所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：各所述对准子标记间隔大于对准子标记本身尺寸的1至2倍。

20、根据权利要求16所述的光刻机投影物镜波像差在线测量方法，其特征在于：所述对准子标记的尺寸小于所述光源波长与所述物镜数值孔径比值的2倍。

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