CN101387833A - 投影物镜倍率误差及畸变的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影物镜倍率及畸变的检测装置以及方法，首先制备一具有栅格状透光标记的测量掩模版，同时提供镀铬面上涂覆正性光刻胶且没有图形的掩模版作为一转印掩模版，利用物像交换曝光的方法以及涂胶显影、刻蚀、套刻测量等相关设备，测量固定在检测装置中的投影物镜倍率误差及畸变；采用本发明的投影物镜倍率及畸变的检测装置以及方法测量投影物镜的倍率误差和畸变，可排除标准栅格模版等传统测量手段带来的系统误差，特别适于包含有测量名义倍率为－1或相近倍率的投影物镜的检测装置系统。

Description

投影物镜倍率误差及畸变的检测装置及方法

技术领域

本发明属于投影光学系统性能检测领域，特别涉及一种投影物镜倍率误差及畸变的检测装置及方法。

背景技术

随着投影光刻技术的发展，光刻机的投影光学系统性能逐步提高，目前光刻机已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。用光刻机制造集成电路芯片时要求投影物镜具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备，同时还要求投影曝光用的光学成像系统具有较小的倍率误差及畸变，以满足芯片制备时，上下层之间的互连导通。在光刻机设备整机集成测校过程中，需要对包括投影物镜在内的各个分系统进行性能测试标定，投影物镜倍率误差及畸变是需要测试标定的重要性能指标之一。

芯片后道制备工艺中采用的光刻设备通常配置名义倍率为-1的投影镜头，即掩模图形和曝光到硅片上的图形具有同样的尺寸。对于这一类投影镜头倍率误差和畸变的标定，目前大多还是采用传统的方法，即在物方放置一块带有标准栅格图形的模版，用可作二维平面运动的运动台驱动光学传感器，用扫描整个视场的方式直接测量图形空间像的位置和变形；或者采取曝光的方式，采集投影物镜成像后模版栅格的图形，通过测量曝光图形变形量的方法得到镜头的倍率误差及畸变。

如上所述的现有技术中的通用方法存在以下不可校正的系统误差：首先，模板图形本身存在误差，其栅格并非理想，所测得的镜头倍率误差和畸变包含了模板图形本身的误差，测量结果中无法区分模板图形本身存在误差和投影物镜的误差；此外，不论是采用扫描视场的方式还是测量曝光图形的方式，由于测量设备本身存在定位误差，最终的读数包含了测量设备的因素，测量结果同样无法将这一部分误差识别出来。

前述的现有技术中的测量方法存在的问题也将直接影响到光刻设备的最终性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种投影物镜倍率误差及畸变的检测装置及方法，所述检测装置可作为测试平台，所述检测方法可通过物像交换曝光的光刻方法，精确测量投影物镜本身绝对的倍率误差及畸变。

为达到上述目的，本发明提供一种投影物镜倍率及畸变的检测装置，其包括框架单元，用于将待测投影物镜固定到所述框架单元的投影物镜固定单元，承片单元，承版单元，用于提供曝光光源的照明单元，以及一片测量掩模版和一片转印掩模版。

在上述检测装置中，所述投影物镜固定单元以及承版单元可分别带动所述投影物镜以及至少一掩模版做垂向位置调节，以适应不同尺寸的投影物镜。所述承片单元和承版单元均可安装掩模版。

在上述检测装置中，所述测量掩模版是具有一定厚度的透明光学平板，并对所述投影物镜工作波长具有较高透过率，其中一面镀铬，且所述镀铬面上还包含有一系列栅格状分布的透光标记。所述转印掩模版一面镀铬且无任何标记图形，镀铬面涂覆有正性光刻胶。

本发明还提供一种投影物镜倍率及畸变的检测方法，其应用于一投影物镜倍率及畸变的检测装置中，所述装置包括框架单元，设置于所述框架单元之中的投影物镜，用于将所述投影物镜固定到所述框架单元的投影物镜固定单元，承片单元，承版单元，以及用于提供曝光光源的照明单元，所述方法包括下列步骤：制备一测量掩模版，在所述掩模版的镀铬面上形成一系列透光标记，所述透光标记呈栅格状分布于待测投影物镜视场范围内，并记录所述每个标记的名义位置；取一块没有图形的掩模版，作为一转印掩模版，在其镀铬面上涂覆正性光刻胶；将所述测量掩模版的镀铬面朝下安装在所述承版单元上，将所述转印掩模版涂覆有光刻胶的镀铬面朝上，安装在所述承片单元上；调节所述投影物镜及承版单元的高度，使物像处于各自相对于投影物镜的名义位置，实现物像共轭；按照设定剂量，开启所述照明单元，将所述测量掩模版的图形投影到像方，使所述转印掩模版的光刻胶感光，记录下所述测量掩模版上图形的像；所述转印掩模版经过显影，刻蚀，在其镀铬面上留下所述测量掩模版经过所述投影物镜成的像；将所述测量掩模版的镀铬面涂覆正性光刻胶，并将所述镀铬面朝上安装在所述承片单元上，将所述转印掩模版的镀铬面向下安装在所述承版单元上；按照设定剂量，开启所述照明单元，将所述转印掩模版的图形投影到像方，使所述测量掩模版的光刻胶感光，记录下所述转印掩模版上图形的像；所述测量掩模版经过显影、刻蚀，在镀铬面上留下所述转印掩模版经过所述投影物镜成的像，此时所述测量掩模版的镀铬层包含了初始标记位置信息和经过投影物镜两次成像所传递的标记位置信息；通过套刻机测量每个名义位置对应的初始标记位置信息和经过投影物镜两次成像所传递的标记位置信息的位置差，代入投影物镜倍率误差及畸变模型中求解，以获得投影物镜的倍率误差和畸变。

与现有技术的投影物镜倍率及畸变的检测装置以及方法相比，本发明所述的投影物镜倍率及畸变的检测装置以及方法可以用来测量名义倍率为-1或正负一定范围内的投影物镜倍率误差及畸变，其测量范围取决于测量掩模版上布置的测量标记尺寸、间隔以及投影物镜本身误差的大小，按照测量的结果，通过调节承版单元和投影物镜的实际位置，补偿一定投影物镜的倍率误差和畸变。

附图说明

图1为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测装置的一个较佳实施例的方框示意图；

图2为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测装置的一个较佳实施例的测量掩模版的示意图；

图3为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测方法的一个较佳实施例中将测量掩模版上的透光标记透过投影物镜成像到转印掩模版上的光路示意图；

图4为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测方法的一个较佳实施例中涂覆在转印掩模版上的正性光刻胶感光的示意图；

图5为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测方法的一个较佳实施例中曝光后转印掩模版的显影的示意图；

图6为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测装置的一个较佳实施例的测量掩模版对应于转印掩模版的标记示意图；

图7为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测方法的一个较佳实施例中将测量掩模版和转印掩模版位置交换后的光路示意图；

图8为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测方法的一个较佳实施例中再次曝光后测量掩模版的显影的示意图；

图9为本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测方法的一个较佳实施例中再次曝光后转印掩模版对应于测量掩模版的标记示意图。

具体实施方式

以下将结合一个较佳的实施例对本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测装置方法作进一步的详细描述。

请参阅图1，为本发明的投影物镜倍率及畸变的检测装置的一个较佳实施例的方框示意图，如图所示，在本实施例中，该投影物镜倍率及畸变的检测装置包含框架单元1、投影物镜2、投影物镜固定单元3，承片单元4、承版单元5、照明单元6，测量掩模版7以及转印掩模版8。

请同时参阅图2、图3，将投影物镜2通过投影物镜固定单元3，安装到框架单元1上，将包含有栅格状排列透光标记702的测量掩模版7的镀铬面701向下安装到承版单元5上，取一块没有图形的掩模版，作为转印掩模版8，在转印掩模版8的镀铬面801上涂覆正性光刻胶802，镀铬面801向上安装到承片单元4上。通过投影物镜固定单元3及承版单元5，调整好待测投影物镜2和测量掩模版7的高度，使物像共轭且在投影物镜2的名义物像位置上。接着，如图4所示，按照设定剂量，打开照明单元6，将测量掩模版7的透光标记702投影到像方，使转印掩模版8上的正性光刻胶802感光，如果镜头不存在倍率误差和畸变，则标记位置应在名义位置803处，存在上述误差的镜头则将标记成像在图3中804处，该处光刻胶感光后转化为显影可去掉的成分805。然后，如图5、图6所示，将转印掩模版8显影，去掉感光部分光刻胶805后，露出该区域内的镀铬面801；通过刻蚀的方法，把这一部分铬去掉，形成透光型转印标记807；去胶后完成转印掩模版的制备，并在该过程中记录下所形成的转印标记806、807在转印掩模版8上的位置。

接着，请结合参阅图7、图8以及图9，如图所示，在测量掩模版7的铬面701涂覆正性光刻胶，镀铬面701向上安装到承片单元4上；将转印掩模版8的镀铬面801朝下安装到承版单元5上；打开照明单元6，使测量掩模7上涂覆的正性光刻胶感光；感光后的部分703通过显影去掉，再进行刻蚀，最终形成包含有投影物镜倍率误差和畸变二次作用后的测量标记704；同时，测量掩模版7还保留有初始测量标记702。

最后，请结合参阅图8以及图9，如图所示，用套刻机读取测量掩模版7上的每一个名义位置的初始测量标记702和测量标记704之间的位置偏差705，通过投影物镜倍率误差及畸变模型建立方程组，求解投影物镜2的倍率误差和畸变。其中，所述位置偏差包含两个正交方向的读数值dx_i、dy_i。

通常的-1倍投影物镜倍率误差及畸变模型可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i)=\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·(X_i^2+Y_i^2)\\ {\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i)=\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·(X_i^2+Y_i^2)\end{array}\right.$

其中，ΔM为倍率误差，D₃为三阶畸变，(X_i，Y_i)为物方测量标记的名义位置坐标值。

则转印掩模版上，各标记的位置可以表达为：

P(X_i+dx_i(X_i，Y_i)，Y_i+dy_i(X_i，Y_i))

第二次曝光后，测量掩模版上新的测量标记位置为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_i\′(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i),Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))=\\ \mathrm{\ΔM}\·(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i))+D_3\·(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i))\·({(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i))}^2+{(Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))}^2)\\ {\mathrm{dy}}_i\′(X_i,Y_i)=\\ \mathrm{\ΔM}\·(Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))+D_3\·(X_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))\·({(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i))}^2+{(Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))}^2)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_i\′(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i),Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))=\\ \mathrm{\ΔM}\·(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))+\\ D_3\·(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))\·\\ ({(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2+{(Y_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2)\\ \\ {\mathrm{dy}}_i\′(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i),Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))=\\ \mathrm{\ΔM}\·(Y_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))+\\ D_3\·(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))\·\\ ({(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2+{(Y_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2)\end{array}\right.$

考虑第二次曝光放置掩模版的偏差Tx，Ty，Rz，其中Tx，Ty为平移量，Rz为旋转量，则测量掩模版上新的测量标记位置为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_i\′(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i),Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))=\\ \mathrm{Tx}+\mathrm{Rz}\·Y_i+\mathrm{\ΔM}\·(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))+\\ D_3\·(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))\·\\ ({(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2+{(Y_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2)\\ \\ {\mathrm{dy}}_i\′(X_i+{\mathrm{dx}}_i(X_i,Y_i),Y_i+{\mathrm{dy}}_i(X_i,Y_i))=\\ \mathrm{Ty}-\mathrm{Rz}\·X_i+\mathrm{\ΔM}\·(Y_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))+\\ D_3\·(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))\·\\ ({(X_i+(\mathrm{\ΔM}\·X_i+D_3\·X_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2+{(Y_i+(\mathrm{\ΔM}\·Y_i+D_3\·Y_i\·({X_i}^2+{Y_i}^2)))}^2)\end{array}\right.$

将套刻机读取的一系列名义位置两次标记偏差量和名义位置坐标值代入上式，建立最小二乘拟合方程组，用牛顿迭代法求解Tx，Ty，Rz，ΔM，D₃五个参数，即可得到待测投影物镜的倍率误差ΔM和畸变D₃测量结果。

该方法同样可以包含更多参数(如D₅，非对称畸变等)的倍率误差及畸变模型求解，残差更小，测量更精确。

需要特别说明的是，本发明的投影物镜倍率误差及畸变的检测装置以及方法不局限于上述实施例中所限定结构以及步骤执行顺序，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1、一种投影物镜倍率及畸变的检测装置，其特征在于:包括框架单元，用于将待测投影物镜固定到所述框架单元的投影物镜固定单元，承片单元，承版单元，用于提供曝光光源的照明单元，以及一片测量掩模版和一片转印掩模版。

2、根据权利要求1所述的投影物镜倍率及畸变的检测装置，其特征在于:所述投影物镜固定单元以及承版单元可分别带动所述投影物镜以及至少一掩模版做垂向位置调节，以适应不同尺寸的投影物镜。

3、根据权利要求1所述的投影物镜倍率及畸变的检测装置，其特征在于:所述承片单元和承版单元均可安装掩模版。

4、根据权利要求1所述的投影物镜倍率及畸变的检测装置，其特征在于:所述测量掩模版是具有一定厚度的透明光学平板，并对所述投影物镜工作波长具有较高透过率，其中一面镀铬，且所述镀铬面上还包含有一系列栅格状分布的透光标记。

5、根据权利要求1所述的投影物镜倍率及畸变的检测装置，其特征在于:所述转印掩模版一面镀铬且无任何标记图形，镀铬面涂覆有正性光刻胶。

6、一种投影物镜倍率及畸变的检测方法，其应用于一投影物镜倍率及畸变的检测装置中，所述装置包括框架单元，设置于所述框架单元之中的投影物镜，用于将所述投影物镜固定到所述框架单元的投影物镜固定单元，承片单元，承版单元，以及用于提供曝光光源的照明单元，其特征在于，所述方法包括下列步骤:

制备一测量掩模版，在所述掩模版的镀铬面上形成一系列透光标记，所述透光标记呈栅格状分布于待测投影物镜视场范围内，并记录所述每个标记的名义位置；

取一块没有图形的掩模版，作为一转印掩模版，在其镀铬面上涂覆正性光刻胶；

将所述测量掩模版的镀铬面朝下安装在所述承版单元上，将所述转印掩模版涂覆有光刻胶的镀铬面朝上，安装在所述承片单元上；

调节所述投影物镜及承版单元的高度，使物像处于各自相对于投影物镜的名义位置，实现物像共轭；

按照设定剂量，开启所述照明单元，将所述测量掩模版的图形投影到像方，使所述转印掩模版的光刻胶感光，记录下所述测量掩模版上图形的像；

所述转印掩模版经过显影，刻蚀，在其镀铬面上留下所述测量掩模版经过所述投影物镜成的像；

将所述测量掩模版的镀铬面涂覆正性光刻胶，并将所述镀铬面朝上安装在所述承片单元上，将所述转印掩模版的镀铬面向下安装在所述承版单元上；

按照设定剂量，开启所述照明单元，将所述转印掩模版的图形投影到像方，使所述测量掩模版的光刻胶感光，记录下所述转印掩模版上图形的像；

所述测量掩模版经过显影、刻蚀，在镀铬面上留下所述转印掩模版经过所述投影物镜成的像，此时所述测量掩模版的镀铬层包含了初始标记位置信息和经过投影物镜两次成像所传递的标记位置信息；

通过套刻机测量每个名义位置对应的初始标记位置信息和经过投影物镜两次成像所传递的标记位置信息的位置差，代入投影物镜倍率误差及畸变模型中求解，以获得投影物镜的倍率误差和畸变。

Images