CN101551594B - 基于二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统和方法，本发明的特点是通过使用二极照明方式代替常规照明方式，优化了二极照明方式下作为检测标记的移相光栅的周期参数，利用该检测标记检测光刻机投影物镜的波像差，检测精度明显提高。

Description

基于二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统和方法

技术领域

本发明涉及光刻机，尤其涉及一种基于二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统和方法。

背景技术

有效检测和控制光刻机投影物镜的波像差是光刻技术中的最重要的问题之一。光刻机的投影物镜的波像差会降低成像对比度，从而减小光刻工艺窗口。在所有波像差中，奇像差会引起成像位置偏移，并导致成像图形线宽不对称，增加CD不均匀性。随着光刻技术的特征尺寸不断减小，光刻机投影物镜的像差容限变得越来越严苛，在这种前提下，研发高精度的原位奇像差检测技术具有更加重要的意义。

TAMIS(The transmission image sensor(TIS)at multiple illumination settings)技术是一种获得广泛认可的基于标记空间像的像差检测技术，具有简便、可靠、快速的特性。(参见在先技术1，H.van der Laan，M.Dierichs，H.van Greevenbroek，E.McCoo，F.Stoffels，R.Pongers and R.Willekers，“Aerial image measurement methods for fastaberration set-up and illumination pupil verification，”Proc.SPIE 4346，394-407(2001).)TAMIS检测技术使用二元掩模标记作为检测标记，通过测量检测标记在不同照明设置下的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量来计算球差和彗差。TAMIS技术采用线空比1∶1的移相光栅标记作为检测标记，在常规照明条件下进行检测，未考虑检测标记的结构和照明方式对检测精度的影响，检测精度尚有较大的提升空间。

在TAMIS技术基础上，FAN WANG等人提出了一种基于移相光栅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，Xiangzhao Wang，Mingying Ma，Dongqing Zhang，Weijie Shi and Jianming Hu，“Aberration measurementof projection optics in lithographic tools by use of an alternating phase-shifting mask，”Appl.Opt.45，281-287(2006).)，该技术采用移相光栅标记代替二元掩模标记，明显提高了检测精度。该技术采用线宽250nm，线空比1∶1的移相光栅标记作为测试标记，通过测量该检测标记在不同照明设置下的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量来计算球差和彗差。通过使用移相光栅标记代替二元掩模标记，在先技术2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％。

在上述技术的基础上，Zicheng Qiu等人提出基于经过优化的移相光栅标记的光刻机投影物镜彗差检测技术(参见先技术3，Zicheng Qiu，Xiangzhao Wang，Qiongyan Yuan，and Fan Wang“Coma measurement by use of an alternating phase-shifting maskmark with a specific phase width”Appl.Opt.48，261-269(2009))，该技术使用线空比1∶2、周期570nm的移相光栅标记作为检测标记，采用与以上技术相同的检测模型提取像差信息。通过对移相光栅标记的结构进行优化，相比在先技术2，在先技术3的彗差检测精度又提高了15％以上。

在先技术1、2通过改进检测标记的结构提高了波像差的检测精度，但是这两项技术都未考虑照明方式对检测精度的影响。通过重新选取照明方式并针对这一照明方式对检测标记的结构进行优化可以进一步提高光刻机投影物镜波像差检测技术的检测精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统和方法，一种用于光刻机投影物镜奇像差检测的照明方式、一种用于光刻机投影物镜奇像差检测的检测标记以及基于上述照明方式和检测标记的奇像差检测方法。通过选用二极照明作为像差检测时使用的照明方式和在二极照明下对移相光栅标记进行优化，本检测方法获得了更高的检测精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统，包括：产生照明光场的照明光源；照明系统；用于承载测试掩模并拥有精确定位能力的掩模台；能将通过测试掩模上的检测标记的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜；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；安装在该工件台上的像传感器，与所述像传感器相连并能进行数据处理的计算机，其特点在于：

所述的照明光源是二极照明光源，该二极照明光源包括两组二极连线互相垂直的照明方式，二极照明光源的两极光源由两个圆形扩展光源构成，极相干半径因子为0.2，两极光源的极中心相干因子在0.3至0.8的范围之间调整；

所述的照明系统用于调整所述二极照明光源产生的二极照明光场的光强分布、极中心相干因子和极相干半径因子；

所述的检测标记由两组移相光栅组成，分别为y方向测试标记和x方向测试标记，两组光栅的线条方向分别为y方向和x方向；当检测x方向奇像差时采用x方向检测标记，当检测y方向奇像差时采用y方向检测标记；所述移相光栅为交替型移相光栅，相邻透光区域的相位差为180度，相位区域即透光区域的宽度记为pw，光栅周期p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，即光栅相位区域宽度pw和光栅周期p的比值为2∶3。

所述的移相光栅的周期对于所述的二极照明方式的优化结果为1080nm，不透光区域的宽度为360nm，透光区域的宽度为720nm。

所述的照明光源为汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源、放电等离子体光源。

所述的像传感器为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。

利用上述的二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统检测奇像差的方法，包括以下步骤：

①计算彗差及三波差的灵敏度系数矩阵：

标定Z₇的像差灵敏度系数，设置Z₇的大小为0.05λ，λ为二极照明光源的光波长，Z₇以外的其它像差为零，设置投影物镜数值孔径NA的变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，二极照明光源的极中心相干因子δ变化范围为0.3～0.8，步长为0.1，这样共又24组照明条件，依靠Prolith计算出24组照明条件下的成像位置偏移量，依据公式

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_7}.(i=\mathrm{1,2,3}...24)$ 分别计算出24组照明条件下的Z₇像差灵敏度系数；

同样方法并分别依据下列各式确定Z₈，Z₉，Z₁₀，Z₁₄，Z₁₅的灵敏度系数：

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_8}.(i=\mathrm{1,2,3}...24)$

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{10}}.(i=\mathrm{1,2,3}...24)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{11}}.(i=\mathrm{1,2,3}...24)$

$S_{14}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{14}}.(i=\mathrm{1,2,3}...24)$

$S_{15}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{15}}.(i=\mathrm{1,2,3}...24)$

将Z₇，Z₈，Z₉，Z₁₀，Z₁₄，Z₁₅的灵敏度系数，构成灵敏度矩阵S₁，S₂；

$S_1=\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{14}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{14}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ S_7({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\δ}}_{24})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\δ}}_{24})& S_{14}({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\δ}}_{24})\end{array}\right].$

$S_2=\left[\begin{array}{ccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{15}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{15}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ S_8({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\δ}}_{24})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\δ}}_{24})& S_{15}({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\δ}}_{24})\end{array}\right].;$

②测量投影物镜中的像差引起的成像位置偏移量：

A、测量x方向奇像差引入的成像位置偏移量：

设置照明系统的极中心相干因子为0.3，极相干半径因子0.2，投影物镜(6)的数值孔径为0.5，照明方式设置为x方向二极照明，采用x方向检测标记，启动光刻机投影物镜奇像差原位检测系统，经照明系统发出的光经过x方向检测标记进入投影物镜6，最终被汇聚到空间像传感器表面成像，在此照明条件下利用空间像传感器测量出检测标记此时的成像位置偏移量，并将结果记录在计算机中，增加照明系统的极中心相干因子δ，增加幅度为0.1，每改变一次照明条件，测量一次成像位置偏移量，并记录在计算机(9)；当极中心相干因子达到0.8时，将投影物镜数值孔径增加0.1，重新测量和记录数据；接着按0.1的幅度减小极中心相干因子，重复以上成像位置偏移量测量及数据记录过程；当极中心相干因子达到0.3时，将投影物镜数值孔径增加0.1，不断重复以上步骤直至测完NA变化范围0.5～0.8，极中心相干因子δ变化范围0.3～0.8内24组照明条件下的数据，测得的x方向成像位置偏移量：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔX}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\σ}}_{24})\end{array}\right].$

B、测量y方向奇像差引入的成像位置偏移量：

将照明方式更改为y方向二极照明方式，采用y方向检测标记，其它步骤与A完全相同，测得y方向的成像位置偏移量：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔY}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_{24},{\mathrm{\σ}}_{24})\end{array}\right].$

③根据第①步灵敏度系数矩阵和第②步测得的检测标记成像位置偏移量，利用最小二乘法和下列公式，计算出光刻机投影物镜的彗差和三波差：

${\stackrel{\→}{Z}}_x={(S_1^{\′}\·S_1)}^{-1}{S}_1^{\′},$

${\stackrel{\→}{Z}}_y={(S_2^{\′}\·S_2)}^{-1}{S}_2^{\′}.$

与先技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用二极照明方式作为检测时使用的照明方式。使用二极照明方式进行像差检测时，通过改变极中心相干因子来改变投影物镜出瞳上的抽样区域。与采用传统照明方式改变部分相干因子的方式相比，使用这种抽样方式时，抽样区域的面积在整个检测过程中保持不变，且抽样区域始终限制在较小范围内。这一特性保证了本检测技术在整个检测环节中获得更多有效的数据，从而增大了灵敏度系数的变化范围，提高了检测精度。

2、本发明采用的移相光栅标记的结构专门针对二极照明方式进行优化。发明中提出的标记尺寸在二极照明方式下拥有最高的像差灵敏度，移相光栅标记结构的优化进一步提高了检测精度。

3、本发明提出的检测系统能够检测三波差，三波差的检测精度满足实用要求，同时，三波差的测量数据能够排除三波差对其它奇像差的测量结果的影响。

附图说明

图1是本发明采用的照明方式示意图。

图2是本发明使用的测试掩模上集成的测试标记示意图。

图3是本发明采用的奇像差检测系统结构示意图。

图4是在四种典型照明方式下，成像位置偏移量与线空比1∶2的移相光栅标记的周期之间的关系。

图5是(a)、(b)分别为在常规照明条件和二极照明条件下，采用本发明实例的检测标记成像时，Z₇引入成像位置偏移量。

图6是(a)、(b)分别为在常规照明条件和二极照明条件下，采用本发明实例的检测标记成像时，Z₁₀引入成像位置偏移量。

图7是(a)、(b)分别为在常规照明条件和二极照明条件下，采用本发明实例的检测标记成像时，Z₁₄引入的成像位置偏移量。

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，图3是本发明采用的光刻机投影物镜奇像差原位检测系统的结构示意图。由图可见，本发明二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统，包括：产生照明光场的照明光源1；照明系统2；用于承载测试掩模3并拥有精确定位能力的掩模台4；能将通过测试掩模3上的检测标记5的光束汇聚到硅片面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；安装在该工件台7上的像传感器8，与所述像传感器8相连并能进行数据处理的计算机9，其特征在于：

所述的照明光源1是二极照明光源，该二极照明光源包括两组二极连线互相垂直的照明方式，二极照明光源的两极光源由两个圆形扩展光源构成，极相干半径因子为0.2，两极光源的极距在0.3至0.8的范围之间调整；

所述的照明系统2用于调整所述二极照明光源产生的二极照明光场的光强分布、极中心相干因子和极相干半径因子；

所述的检测标记5由两组移相光栅组成，分别为y方向测试标记51和x方向测试标记52，两组光栅的线条方向分别为y方向和x方向；当检测x方向奇像差时采用x方向检测标记52，当检测y方向奇像差时采用y方向检测标记51；所述移相光栅为交替型移相光栅，相邻透光区域的相位差为180度，相位区域即透光区域的宽度记为pw，光栅周期p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，即光栅相位区域宽度pw和光栅周期p的比值为2∶3。

本实施例所述的移相光栅的周期对于所述的二极照明方式的优化结果为1080nm，不透光区域的宽度为360nm，透光区域的宽度为720nm。

所述的像传感器8为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。

利用上述光刻机投影物镜奇像差原位检测系统检测奇像差的方法，包括以下几个步骤：

1、计算彗差及三波差的灵敏度系数矩阵。

首先介绍波像差的概念及分类。

投影物镜的波像差指投影物镜出瞳的实际波面与理想球面波之间的偏差，为了便于研究，可以将波像差分解成泽尼克多项式的形式：

$W(\hat{f},\hat{g})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n{R}_n(\hat{f},\hat{g})$

$=Z_1+Z_2\hat{f}+Z_3\hat{g}+...$

$+Z_7[3({\hat{f}}^2+{\hat{g}}^2)-2]\hat{f}+Z_8[3({\hat{f}}^2+{\hat{g}}^2)-2]\hat{g}+...---\left(1\right)$

$+Z_{10}(4{\hat{f}}^3-3\hat{f})+Z_{11}(3\hat{g}-4{\hat{g}}^3)+...$

$+Z_{14}(10{({\hat{f}}^2+{\hat{g}}^2)}^2-12({\hat{f}}^2+{\hat{g}}^2)+3)\hat{f}$

$+Z_{15}(10{({\hat{f}}^2+{\hat{g}}^2)}^2-12({\hat{f}}^2+{\hat{g}}^2)+3)g+...,$

其中，

和

是透镜物镜出瞳的归一化频率，Z₇和Z₈表示x方向和y方向三阶彗差，Z₁₀和Z₁₁表示x方向和y方向三波差，Z₁₄和Z₁₅表示x方向和y方向五阶彗差。Z₂，Z₇，Z₁₀，Z₁₄的存在会引起标记51在x方向的成像位置偏移。Z₃，Z₈，Z₁₁，Z₁₅的存在会引起标记52在y方向的成像位置偏移。成像位置偏移量与泽尼克系数的关系表达如下：

Δx＝S₂Z₂+S₇Z₇+S₁₀Z₁₀+S₁₄Z₁₄，                                                                      (2)

Δy＝S₃Z₃+S₈Z₈+S₁₁Z₁₁+S₁₅Z₁₅，

通过测量相对成像位置偏移量(即测量大周期的移相光栅标记成像位置偏移量与小周期的移相光栅标记成像位置偏移量之差)，可以消除Z₂和Z₃的影响，于是上述公式可以改写成如下形式：

Δx＝S₇Z₇+S₁₀Z₁₀+S₁₄Z₁₄，                                                      (3)

Δy＝S₈Z₈+S₁₁Z₁₁+S₁₅Z₁₅，

在检测时需要以一定步长改变投影物镜的数值孔径和二极照明的极中心相干因子，在一系列照明条件下，标记的成像位置偏移量与泽尼克系数之间的关系可以表示成以下矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ \mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{14}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{14}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{10}\\ Z_{14}\end{array}\right].---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ \mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{15}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{15}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{11}\\ Z_{15}\end{array}\right].---\left(5\right)$

式中：Δx(NA_i，δ_i)，Δy(NA_i，δ_i)分别对应于某一数值孔径和极中心相干因子的横向成像位置偏移量和纵向成像位置偏移量。

S₇(NA_i，δ_i)，S₈(NA_i，δ_i)，S₁₀(NA_i，δ_i)，S₁₁(NA_i，δ_i)，S₁₄(NA_i，δ_i)，S₁₅(NA_i，δ_i)分别对应于Z₇，Z₈，Z₉，Z₁₀，Z₁₄，Z₁₅在某一照明设置下的像差灵敏度系数，其定义式如下：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_7}.(i=\mathrm{1,2,3}...n)---\left(6\right)$

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_8}.(i=\mathrm{1,2,3}...n)---\left(7\right)$

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{10}}.(i=\mathrm{1,2,3}...n)---\left(8\right)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{11}}.(i=\mathrm{1,2,3}...n)---\left(9\right)$

$S_{14}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δx}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{14}}.(i=\mathrm{1,2,3}...n)---\left(10\right)$

$S_{15}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\Δy}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\δ}}_i)}{\∂Z_{15}}.(i=\mathrm{1,2,3}...n)---\left(11\right)$

n为照明参数的设置数，其大小由数值孔径和极中心相干因子的步长决定。以上像差灵敏度系数使用光刻仿真软件Prolith进行标定。以标定Z₇的像差灵敏度系数为例，其具体标定步骤为，在Prolith中设置Z₇的大小为0.05λ，Z₇以外的其它像差为零。设置NA变化范围为0.5～0.8，步长为0.1，δ变化范围为0.3～0.8，步长为0.1。从24组照明条件选取20组照明条件，依靠Prolith计算出在这20组照明条件下的成像位置偏移量，依据公式(6)分别计算出20组照明条件下的像差灵敏度系数。Z₈，Z₉，Z₁₀，Z₁₄，Z₁₅的灵敏度系数也按照相同方法确定。公式(4)及(5)可简写成

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔX}}=S_1\·{\stackrel{\→}{Z}}_x,---\left(12\right)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔY}}=S_2\·{\stackrel{\→}{Z}}_y,---\left(13\right)$

其中：S₁，S₂为像差灵敏度矩阵。根据Z₇，Z₈，Z₉，Z₁₀，Z₁₄，Z₁₅的灵敏度系数确定灵敏度矩阵S₁，S₂。

2、测量投影物镜中的像差引起的成像位置偏移量：

设置照明系统的极中心相干因子为0.3，极相干半径因子0.2，投影物镜数值孔径为0.5，照明方式设置为x方向二极照明。启动光刻机投影物镜奇像差原位检测系统，照明系统发出的光经过检测标记进入投影物镜，最终被汇聚到空间像传感器表面成像。在此照明条件下利用空间像传感器测量出标记的成像位置偏移量，并将结果记录在计算机中。增加照明系统的极中心相干因子δ，增加幅度为0.1，每改变一次照明条件，测量一次成像位置偏移量，并在计算机中记录数据。当极中心相干因子达到0.8时，将投影物镜数值孔径增加0.1，重新测量和记录数据。接着按0.1的幅度减小极中心相干因子，重复以上成像位置偏移量测量及数据记录过程。当极中心相干因子达到0.3时，将投影物镜数值孔径增加0.1。不断重复以上步骤直至测完投影物镜数值孔径NA变化范围0.5～0.8，δ变化范围0.3～0.8内20组照明条件下的数据。测量y方向奇像差引入的成像位置偏移量时将照明方式更改为y方向二极照明方式，其它步骤完全相同。

3、根据灵敏度系数矩阵和测得的标记成像位置偏移量计算投影物镜的彗差和三波差。通过步骤1获得的灵敏度矩阵和步骤2获得的成像位置偏移量，利用最小二乘法，计算出光刻机投影物镜的彗差和三波差。计算公式如下：

${\stackrel{\→}{Z}}_x={(S_1^{\′}\·S_1)}^{-1}{S}_1^{\′},---\left(14\right)$

${\stackrel{\→}{Z}}_y={(S_2^{\′}\·S_2)}^{-1}{S}_2^{\′},---\left(15\right)$

所述的照明方式如图1所示，11为x方向二极照明用于检测x方向奇像差，12为y方向二极照明用于检测y方向奇像差。

所述的检测标记如图2所示，包括x方向检测标记51，配合x方向二极照明11检测x方向奇像差，y方向检测标记52，配合y方向二极照明12检测y方向奇像差。标记的线宽为360nm，移相区宽720nm，周期1080nm。移相光栅标记的结构参数是通过仿真确定的最优化参数。如图4所示，仿真结果显示二极照明下成像位置偏移量的变化范围明显大于环形照明方式、四极照明方式以及常规照明下的结果。此外可以看出光栅周期为1080nm时，成像位置偏移量的变化范围最大。

利用上述光刻机投影物镜奇像差原位检测系统检测奇像差的方法，具体测量步骤包含以下三步：

1、首先标定三阶慧差，三波差及五阶慧差的灵敏度系数矩阵。

在Prolith中设定单项像差大小为0.05λ。设置二极照明方式的极中心相干因子变化范围为0.3～0.8，极相干半径因子为0.2，投影物镜数值孔径变化范围为0.5～0.8。在该条件下对成像结果进行仿真，图5表示Z₇＝0.05λ时，移相光栅标记51在传统照明和二极照明条件下的成像位置偏移量。图6表示表示Z₁₀＝0.05λ时移相光栅标记51在传统照明和二极照明条件下的成像位置偏移量。图7表示Z₁₄＝0.05λ时，移相光栅标记在传统照明和二极照明条件下的成像位置偏移量。可以看出在二级照明条件下成像位置偏移量的变化范围明显扩大，因此检测精度会相应提高。使用仿真软件得到的成像位置偏移量数据，利用公式6、8、10计算出如下像差灵敏度矩阵。

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)& S_{14}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)& S_{14}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ .& & \\ S_7({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\δ}}_{20})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\δ}}_{20})& S_{14}({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\δ}}_{20})\end{array}\right]---\left(16\right)$

2、改变二极照明方式极中心相干因子和投影物镜数值孔径，在选择20组照明设置下测量20组成像位置偏移量：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_{20},{\mathrm{\σ}}_{20})\end{array}\right]---\left(17\right)$

3、依照(14)式，利用最小二乘法计算出投影物镜中像差系数Z₇，Z₁₀，Z₁₄的大小。Z₈，Z₁₁，Z₁₅的检测步骤完全相同，唯一的不同处在于使用照明方式12和检测标记52进行检测。

像差的检测精度是由灵敏度系数的变化范围决定的。由图4中可以看出本发明中采用的移相光栅标记在常规照明条件下并不拥有最高的检测精度。为了客观地评价该技术的检测精度，采用常规照明条件下具有最高精度的移相光栅标记作为比较对象。与常规照明条件下的最佳情况(在先技术3)相比，本技术的三阶慧差的检测精度提高了29.9％，五阶慧差的检测精度提高了11.1％。在常规照明条件下使用移相光栅标记测量三波差的精度过低，一般不用作测量三波差，因此把利用闪耀光栅标记检测三波差(参见在先技术4：Mingying Ma，Xiangzhao Wang，and Fan Wang“Aberration measurement of projection optics in lithographic tools basedon two-beam interference theory”Appl.Opt.45，8200-8208(2006).)的像差检测技术作为比较对象。与在先技术4相比，三波差的检测精度提高了13.7％。

Claims (4)

1.一种二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统，包括：产生照明光场的照明光源(1)；照明系统(2)；用于承载测试掩模(3)并拥有精确定位能力的掩模台(4)；能将通过测试掩模(3)上的检测标记(5)的光束汇聚到硅片面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)；安装在该工件台(7)上的像传感器(8)，与所述像传感器(8)相连并能进行数据处理的计算机(9)，其特征在于：

所述的照明光源(1)是二极照明光源，该二极照明光源包括两组二极连线互相垂直的照明方式，二极照明光源的两极光源由两个圆形扩展光源构成，极相干半径因子为0.2，两极光源的极中心相干因子在0.3至0.8的范围之间调整；

所述的照明系统(2)用于调整所述二极照明光源产生的二极照明光场的光强分布、极中心相干因子和极相干半径因子；

所述的检测标记(5)由两组移相光栅组成，分别为y方向检测标记(51)和x方向检测标记(52)，两组光栅的线条方向分别为y方向和x方向；当检测x方向奇像差时采用x方向检测标记(52)，当检测y方向奇像差时采用y方向检测标记(51)；所述移相光栅为交替型移相光栅，相邻透光区域的相位差为180度，相位区域即透光区域的宽度记为pw，光栅周期P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，即光栅相位区域宽度pw和光栅周期P的比值为2∶3。

2.根据权利要求1所述的二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统，其特征在于所述的移相光栅的周期对于二极照明方式的优化结果为1080nm，不透光区域的宽度为360nm，透光区域的宽度为720nm。

3.根据权利要求1所述的二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统，其特征在于所述的照明光源(1)为汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源、放电等离子体光源。

4.根据权利要求1所述的二极照明的光刻机投影物镜奇像差的检测系统，其特征在于所述的像传感器(8)为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。

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