CN101813894A - 具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有测量精度标定功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，属于光学检测领域。本发明利用PSPDI的系统误差随光栅分束方向旋转的特性，在PSPDI中多引入一个光栅和两个圆孔，将两个光栅和三个圆孔一同作为测量精度标定元件，根据Zernike多项式在单位圆域的正交特性和奇偶对称性质分离在标定PSPDI测量精度时的系统误差，得到标定表征PSPDI测量精度的圆孔衍射产生的球面参考波的波面误差，使光刻机投影物镜波像差在线检测装置不仅能够在线检测波像差，还具有测量精度标定功能。

Description

具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种具有测量精度标定功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，属于光学检测领域。

背景技术

大规模集成电路的制备过程中使用投影曝光装置，将掩模上的图案经过投影物镜缩小投影在涂有光刻胶的硅片上。2007年国际半导体技术路线图(ITRS2007)指出，极紫外光刻技术(EUVL)是实现32nm及其以下技术节点最有潜力的候选技术。

相关专利1(US5835217)中提出了一种安装在EUVL光刻机上利用曝光波长在线检测投影物镜波像差的相移点衍射干涉仪(Phase-shifting point diffractioninterferometer，PSPDI)。专利1指出，根据PS/PDI的结构特点，PSPDI的测量精度是由圆孔衍射产生的球面参考波波面误差所决定的。

相关文献1“Characterization of the accuracy of EUV phase-shifting pointdiffraction interferometry”(Proc.SPIE，1998，3331：114～123)中提出，采用两个圆孔代替PSPDI中的窗口和圆孔进行PSPDI测量精度的标定。标定时，使两个圆孔分别对准0、1级衍射光焦点，两个圆孔衍射产生两个球面参考波，对两个球面参考波自身的干涉条纹进行解相计算，得到测量结果W。但是，在W不仅包含了表征PSPDI测量精度的球面参考波波面误差W_R，也包括了系统误差W_e，不能直接使用W″作为PSPDI测量精度的标定结果。W_e主要由两部分组成：测试波和参考波横向错位所引入的慧差W_s，光电传感器倾斜所导致的像散W_t。文献1指出，W_s可以通过理论推导求出，W_t则无法准确求出。因此，利用文献1的方法进行PSPDI的测量精度标定，必然会使像散W_t与表征PSPDI测量精度的W_R难以分离，进而影响PSPDI测量精度标定的准确度。

相关文献2(Proc.SPIE，2009，7156：71561W-1～71561W-7)中PSPDI系统仿真的结果表明，像散W_t是圆孔滤波最难滤除的像差。W_R中的像散与系统误差W_e中的像散W_t混合在一起，难以分离。虽然文献1提出采用多次测量取平均值的方法可以在一定程度上减小W_R中圆孔滤波剩余像散的影响，但是实际中不可能做到像散随机误差与系统误差的完全分离。

相关专利2(申请号：200910093833.6)提出了一种可标定系统误差的光刻机投影物镜波像差在线检测装置。该装置原理为：利用PSPDI系统误差随光栅分束方向旋转的特性，在PSPDI的分束装置中引入一个与原有光栅刻线方向相垂直的光栅、在像方掩模板中引入一个圆孔，作为系统误差标定元件，根据Zernike多项式在单位圆域的正交特性和奇偶对称性质，标定测量结果中的系统误差W_e ^T。该装置的用途为：在使用PSPDI测量光刻投影物镜的波像差时，标定测量结果中的系统误差W_e ^T。但是，专利2中的装置在测量光刻投影物镜的波像差时标定出的系统误差W_e ^T不同于使用文献1中的方法在标定PSPDI测量精度时得到的系统误差W_e。原因为：在使用文献1中的方法标定PSPDI测量精度时，由于使用圆孔代替PSPDI中原有的窗口，圆孔的空间滤波作用改变了PSPDI的系统误差W_e ^T。因此，在标定PSPDI的测量精度时，不能采用专利2中的装置消除系统误差的影响。

综上所述，由文献2的仿真分析可知，现有的PSPDI测量精度标定方法(如文献1提出的方法)，在标定过程中不能完全分离系统误差，进而影响PSPDI测量精度标定的准确度；现有的PSPDI系统误差标定装置(如专利2提出的装置)，仅适用于分离PSPDI在测量投影物镜波像差时的系统误差，而不能分离标定PSPDI测量精度时的系统误差。

发明内容

本发明的目的是针对采用现有的方法标定PSPDI测量精度时的系统误差不能完全分离的问题，改进PSPDI的结构，在PSPDI中加入测量精度标定元件，提出一种具有测量精度标定功能的投影物镜波像差在线检测装置。

本发明的基本思想是：利用PSPDI的系统误差随光栅分束方向旋转的特性，在PSPDI中多引入一个光栅和两个圆孔，将两个光栅和三个圆孔一同作为测量精度标定元件，根据Zernike多项式在单位圆域的正交特性和奇偶对称性质分离在标定PSPDI测量精度时的系统误差，得到标定表征PSPDI测量精度的圆孔衍射产生的球面参考波的波面误差，使光刻机投影物镜波像差在线检测装置不仅能够在线检测波像差，还具有测量精度标定功能。所述装置集成于光刻机中。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，包括物方掩模板、分束装置、移相装置、像方掩模板、光电传感器、存储器、运算器、控制器和光刻机；其中，像方掩模板包括一个窗口和直径相同的第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔，且以窗口中心、第一圆孔圆心、第二圆孔圆心、第三圆孔圆心为顶点构成四边形；用于：①在线检测投影物镜波像差时产生的测试波和球面参考波，②标定在测量精度时产生的两个球面参考波；

像方掩模板位于光刻机的硅片工件台上，处于光刻机投影物镜的像面中，由硅片工件台支撑和带动；工作过程中，①当使用所述装置在线检测投影物镜波像差时，第一圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，窗口的中心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光，以产生测试波和球面参考波；②当标定所述装置的测量精度时，需要进行正交方向上的两次测量：第一次测量中，第三圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，第二圆孔的圆心对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光，以分别产生球面参考波；第二次测量中，第三圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，第一圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光，以分别产生球面参考波；第一圆孔和第二圆孔的圆心与所述窗口中心的连线垂直且相等，第一圆孔和第二圆孔的圆心与第三圆孔的圆心的连线垂直且相等。

所述的像方掩模板上以窗口中心、第一圆孔圆心、第二圆孔圆心、第三圆孔圆心为顶点的四边形为正方形。

所述的正方形，在测量过程中

(1)当分束装置位于投影物镜与像方掩模板之间时，其边长s满足关系式s＝λz₂/d，式中λ为光刻机的曝光波长，m为投影物镜的倍率，d为分束装置中光栅的周期常数，z₂为分束装置与像方掩模板在光轴方向上的间距，以实现投影物镜波像差的测量及装置精度的标定；

(2)当分束装置位于物方掩模板和投影物镜之间时，其边长s满足关系式s＝λz₁/md，式中λ为光刻机的曝光波长，m为投影物镜的倍率，d为分束装置中光栅的周期常数，z₁为分束装置与物方掩模板在光轴方向上的间距，以实现投影物镜波像差的测量及装置精度的标定。

所述三个圆孔的直径φ都小于所述投影物镜衍射极限分辨率，满足φ＝λ/2NA，其中λ为所述光刻机的曝光波长，NA为投影物镜的像方数值孔径。

标定所述装置测量精度的方法，包括如下步骤：

步骤一、在装有所述装置的光刻机上调节照明系统，使光源发出的光束在投影物镜视场范围内均匀的照明掩模板；移动掩模工件台，带动物方掩模板进行移动，使物方掩模板位于掩模板所在的投影物镜的物面；照明系统的出射光束均匀照明物方掩模板，经过物方掩模板上的圆孔进行空间滤波，消除照明系统的像差；

步骤二、使用第二圆孔衍射的球面参考波和第三圆孔衍射的球面参考波进行测量，得到测量结果W^‖，并将结果保存在存储器中：利用分束装置中的第一光栅对物方掩模板上的圆孔的出射光束进行分束；光束通过第一光栅的周期结构后，出射角度不同的各个级次衍射光束经过投影物镜后，携带了投影物镜的波像差信息，在投影物镜的像面上形成若干个衍射级次；像方掩模板由硅片工件台支撑和驱动，移动硅片工件台，使像方掩模板位于投影物镜的像面，并使第三圆孔对准像面处的0级衍射光以产生球面波，使第二圆孔对准像面处的+1或-1级衍射光以产生球面波；

两束球面波发生双光束干涉，在光电传感器上形成干涉条纹，光电传感器记录干涉条纹的强度信息并存储在存储器中；控制器控制移相装置驱动分束装置在垂直于第一光栅刻线的方向上平移，从而在第一光栅的±1级次衍射光中引入相位差，利用光电传感器采集移相后的干涉条纹，储存在存储器中；重复此过程，在存储器中存储多幅移相的干涉条纹；

利用运算器根据中多幅移相干涉条纹的强度信息，计算出37项Zernike多项式表示的第二圆孔和第三圆孔衍射的两个球面参考波测量结果W^‖，并存储在存储器中；

步骤三、使用第一圆孔衍射的球面参考波和第三圆孔衍射的球面参考波进行测量，得到测量结果W^⊥，并将结果保存在存储器中：利用分束装置中的第二光栅代替第一光栅，用第一圆孔代替第二圆孔，重复步骤二，得到37项Zernike多项式表示的第一圆孔和第三圆孔衍射的两个球面参考波测量结果W^⊥，并存储在存储器中；

步骤四、标定所述装置的测量精度：利用Zernike多项式在单位圆内具有正交特性以及奇偶对称性质，运算器根据W^‖和W^⊥，计算出W^‖中所包含的Zernike多项式表示的系统误差W_e，并存储在存储器中；运算器计算出37项Zernike多项式表示的表征所述装置测量精度的球面参考波误差W_R＝W^‖-W_e，并存储在存储器中。

标定所述装置测量精度的方法的步骤四中根据W^‖和W^⊥，计算W^‖中所包含的Zernike多项式表示的系统误差W_e，并最终得到37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R的方法如下：

[1]37项Zernike多项式表示的W^‖为：

其中，a_n ^‖为37项Zernike多项式对应项系数，z_n为37项Zernike多项式；37项Zernike多项式表示的W^⊥为：

其中，a_n ^⊥为37项Zernike多项式对应项系数；

[2]对W^‖和W^⊥作差，得到两次测量结果的差值W^Δ表示为：

其中 $a_n^{\mathrm{\Δ}}=a_n^{\left|\right|}-a_n^{\⊥}(n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,36);$

[3]计算标定装置的测量精度时引入的系统误差W_e：W_e由两部分组成，即：W_e＝W_s+W_t，其中W_s为测试波和参考波横向错位所引入的慧差，W_t为光电传感器倾斜所导致的像散；W_s计算为

W_t计算为

$W_t=0.5(a_{\mathrm{\Δ}}^4-a_{\mathrm{\Δ}}^5)\·z_4+0.5(a_{\mathrm{\Δ}}^4+a_{\mathrm{\Δ}}^5)\·z_5;$

得到装置测量精度标定结果W_R：37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R＝W^‖-W_e。

本发明中各部件的作用说明如下：

(1)物方掩模板：在物方掩模板上，开有一个直径不超过光刻机照明系统衍射极限分辨率的圆孔，用于选择测量视场点以及滤除光刻机照明系统的像差。

(2)分束装置：用于光束分束以及在标定该装置的测量精度时改变分束方向。

分束装置包括两个二元衍射光栅：第一光栅和第二光栅，两个光栅可以均为二元振幅光栅，也可以均为二元位相光栅。其中，第一光栅的作用为在使用所述装置在线检测投影物镜波像差以及在标定所述装置的测量精度时对光束进行分束，以产生测试臂和参考臂；第二光栅的作用为在标定所述装置的测量精度时，将经第一光栅分束后的测试臂和参考臂的方向旋转90度，这就使得所述装置的系统误差也随之旋转90度，而测量真值不变，从而将系统误差从所述装置的测量精度标定结果中分离出来。

两个光栅的刻线方向相垂直，且周期常数、占空比和外围宽度相同，其外围宽度均须满足光栅衍射的0级和1级衍射光或者0级和-1级衍射光能够同时填充投影物镜的光瞳。两光栅在分束装置所在平面上的间距在不影响测量的前提下应尽可能小。

(3)移相装置：用于带动分束装置在测试臂和参考臂之间引入有序相移。

(4)像方掩模板：用于所述装置在线检测投影物镜波像差时产生测试波和球面参考波，以及标定所述装置的测量精度时产生两个球面参考波。

像方掩模板包括一个窗口和与窗口分开一定距离的三个直径相同的圆孔：第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔。

窗口尺寸决定了所述装置能够测量的空间频率，用于所述装置在线检测投影物镜波像差时产生测试波。第一圆孔用于所述装置在线检测投影物镜波像差以及测量精度标定时产生球面参考波；第二圆孔和第三圆孔用于标定所述装置的测量精度时产生球面参考波。即：在使用所述装置在线检测投影物镜波像差时，窗口和第一圆孔分别产生测试波和球面参考波；在标定所述装置的测量精度时，需要进行正交方向上的两次测量，第一次测量时采用第二圆孔和第三圆孔分别产生球面参考波，第二次测量时采用第一圆孔和第三圆孔分别产生球面参考波。

(5)光电传感器：用于在使用装置检测投影物镜的波像差时，采集测试波和球面参考波的干涉条纹；以及在标定装置的测量精度时，采集两个球面参考波的干涉条纹。

(6)存储器：用于保存光电传感器所采集的干涉条纹强度信息，投影物镜各个视场点的波像差，第二圆孔和第三圆孔产生的两个球面参考波干涉的测量结果，第一圆孔和第三圆孔产生的两个球面参考波干涉的测量结果，所述装置测量精度标定时产生的系统误差，所述装置测量精度的标定结果，以及投影物镜各个补偿器的调节量。

(7)运算器：用于根据存储器中数据计算投影物镜各个视场点的波像差，第二圆孔和第三圆孔产生的两个球面参考波干涉的测量结果，第一圆孔和第三圆孔产生的两个球面参考波干涉的测量结果，所述装置测量精度标定时产生的系统误差，所述装置测量精度的标定结果，以及投影物镜各个补偿器的调节量。

(8)控制器：用于控制掩模工件台和硅片工件台改变所测量的投影物镜的视场点，根据存储器中投影物镜各个补偿器调整量调整补偿器来校正像差，以及控制移相装置步进实现移相。

本发明所述装置各组成部分的位置与连接关系如下：

物方掩模板位于投影物镜的物面，并由光刻机中的掩模工件台固定支撑和带动。物方掩模板上的圆孔要始终处于光刻机投影物镜的视场范围之内，圆孔所在位置即为本发明装置所测量的投影物镜的视场点。

分束装置由移相装置固定支撑，移相装置带动分束装置在垂直于光轴方向的平面内进行垂直于第一或第二光栅刻线方向的平移。分束装置位于物方掩模板和投影物镜之间，也可以位于投影物镜与像方掩模板之间：当使用所述装置在线检测投影物镜波像差时，若第一光栅位于物方掩模板和投影物镜之间，在标定所述装置的测量精度时，第一光栅和第二光栅也必须位于物方掩模板和投影物镜之间；当使用所述装置在线检测投影物镜波像差时，若第一光栅位于投影物镜与像方掩模板之间，在标定所述装置的测量精度时，第一光栅和第二光栅也必须位于投影物镜与像方掩模板之间。

像方掩模板位于投影物镜的像面，并由硅片工件台支撑和带动。当使用所述装置在线检测投影物镜波像差时，第一圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，窗口的中心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光。当标定所述装置的测量精度时，需要进行正交方向上的两次测量：第一次测量中，第三圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，第二圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光；第二次测量中，第三圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，第一圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光；第一圆孔和第二圆孔的圆心与所述窗口中心的连线垂直且相等，第一圆孔和第二圆孔的圆心与第三圆孔的圆心的连线垂直且相等。即：所述窗口的中心和三个圆孔的圆心分别位于一个边长为s的正方形的四个顶点。三个圆孔的直径φ都小于所述投影物镜衍射极限分辨率，一般应满足φ＝λ/2NA，具体参数由实验结果确定，其中λ为所述光刻机的曝光波长，NA为投影物镜的像方数值孔径。

当分束装置位于物方掩模板和投影物镜之间时，像方掩模板上以窗口中心、第一圆孔圆心、第二圆孔圆心、第三圆孔圆心为顶点的正方形边长s满足关系式s＝λz₁/md，式中λ为光刻机的曝光波长，m为投影物镜的倍率，d为分束装置中光栅的周期常数，z₁为分束装置与物方掩模板在光轴方向上的间距。

当分束装置位于投影物镜与像方掩模板之间时，像方掩模板上以窗口中心、第一圆孔圆心、第二圆孔圆心、第三圆孔圆心为顶点的正方形边长s满足关系式s＝λz₂/d，式中z₂为分束装置与像方掩模板在光轴方向上的间距。

光电传感器由光刻机的硅片工件台固定支撑和带动，并与像方掩模板平行。光电传感器有效像元区的中心在垂直方向上与窗口中心重合，光电传感器与像方掩模板的间距取决于光电传感器有效像元区的大小以及投影物镜的数值孔径，以能够完全采集测试波和参考波形成的干涉条纹为准。

存储器分别同光电传感器、运算器、控制器相连接。控制器分别同移相装置、掩模工件台、硅片工件台以及投影物镜补偿器相连接。连接方式可以采用数据线、电缆线等有线方式，也可采用红外传输、蓝牙等无线方式。

有益效果

相对于相关专利1提出的PSPDI，以及相关文献1提出的PSPDI测量精度标定方法，本发明所提供的测量装置对PSPDI的结构进行了改进，在PSPDI中多加入了一个光栅和两个圆孔，将两个光栅和三个圆孔一同作为测量精度标定元件，在标定表征PSPDI测量精度的圆孔衍射产生的球面参考波的波面误差时，能够准确地得到系统误差，提高了PSPDI测量精度标定的准确度。

附图说明

图1为本发明所述装置安装在光刻机中的结构示意图；

图2为本发明所述装置中的物方掩模板的结构示意图；

图3为本发明所述装置中的分束装置的结构示意图；

图4为本发明所述装置中的像方掩模板的结构示意图；

图中，101-光源、102-照明系统、103-掩模板、104-掩模工件台、105-投影物镜、106-硅片、107-硅片工件台、201-物方掩模板、201a-物方掩模板圆孔、202-分束装置、203-移相装置、204-像方掩模板、205-光电传感器、206-存储器、207-运算器、208-控制器、202a-第一光栅、202b-第二光栅204a-窗口、204b-第一圆孔、204c-第二圆孔、204d-第三圆孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

首先阐述光刻机的结构组成及工作原理。光刻机包括光源101、照明系统102、掩模板103、掩模工件台104、投影物镜105、硅片106以及硅片工件台107。光源101发出的光经过照明系统102后，照明在掩模板103上，将掩模板103上的图案通过投影物镜105，以步进-扫描的方式，缩小投影在涂有光刻胶的硅片106上，实现图案的转移。光源101为波长约13.5nm的极紫外光源，或者波长约为193nm的ArF准分子激光，或者波长约为248nm的KrF准分子激光。照明系统102具有调节光束转向、形状的光学元件，以及匀光光学元件，这样照明在掩模板103上的光束在投影物镜105视场范围内具有较理想的均匀性。刻有待转移的电路图案的掩模板103由掩模工件台104支撑和带动；涂有光刻胶的硅片106由硅片工件台107支撑和带动。掩模板103和硅片106位于投影物镜105的光学共轭面上。掩模工件台104和硅片工件台107以不同的速率同步扫描运动，以步进-扫描的方式将掩模板103的图案，通过投影物镜105精确地投影转移到涂有光刻胶的硅片107上。

本发明通过在光刻机上集成具有测量精度标定功能的投影物镜波像差在线检测装置，进行投影物镜105波像差的在线检测和校正，并且标定装置的测量精度，如图1所示。本发明装置包括：物方掩模板201、分束装置202、移相装置203、像方掩模板204、光电传感器205、存储器206、运算器207以及控制器208。

其中，在物方掩模板201上，开有一个直径不超过光刻机照明系统102衍射极限分辨率的圆孔201a，用于选择测量视场点以及滤除照明系统102的像差。

分束装置202用于光束分束以及在标定装置的测量精度时改变分束方向。分束装置202包括两个二元衍射光栅：第一光栅202a和第二光栅202b，两个光栅可以均为二元振幅光栅，也可以均为二元位相光栅。其中，第一光栅202a用于使用装置在线检测投影物镜波像差时对光束进行分束，以产生测试臂和参考臂；第一光栅202a也用于在标定装置的测量精度时对光束进行分束，以产生测试臂和参考臂；第二光栅202b用于在标定装置的测量精度时，将光束分束后的测试臂和参考臂的方向相对于使用第一光栅202a时测试臂和参考臂的方向旋转90度，这就使得装置的系统误差也随之旋转90度，而测量真值不变，从而分离将系统误差从测量结果中分离出来。

两个光栅的刻线方向相垂直，且周期常数、占空比和外围宽度相同，其外围宽度均须满足光栅衍射的0级和1级衍射光或者0级和-1级衍射光能够同时填充投影物镜105的光瞳。两光栅在分束装置202所在平面上的间距在不影响测量的前提下应尽可能小。

移相装置203用于带动分束装置202在测试臂和参考臂之间引入有序相移。

像方掩模板204用于装置在线检测投影物镜105波像差时产生测试波和球面参考波，以及标定装置的测量精度时产生两个球面参考波。像方掩模板204包括一个窗口204a和与窗口204a分开一定距离的三个直径相同的圆孔：第一圆孔204b、第二圆孔204c和第三圆孔204d。窗口204a的尺寸决定了装置能够测量的空间频率，用于装置在线检测投影物105镜波像差时产生测试波。第一圆孔204b用于装置在线检测投影物镜105波像差时产生球面参考波，也用于装置的测量精度标定时产生球面参考波；第二圆孔204b和第三圆孔204c用于标定装置的测量精度时产生球面参考波。即：在使用装置在线检测投影物镜105波像差时，窗口204a和第一圆孔204b分别产生测试波和球面参考波；在标定装置的测量精度时，需要进行正交方向上的两次测量，第一次测量时采用第二圆孔204c和第三圆孔204d分别产生球面参考波，第二次测量时采用第一圆孔204b和第三圆孔204d分别产生球面参考波。

光电传感器205用于在使用装置检测投影物镜105的波像差时，采集测试波和球面参考波的干涉条纹；以及在标定装置的测量精度时，采集两个球面参考波的干涉条纹。

存储器206用于保存光电传感器205所采集的干涉条纹强度信息，投影物镜105各个视场点的波像差，第二圆孔204c和第三圆孔204d产生的两个球面参考波干涉的测量结果，第一圆孔204b和第三圆孔204d产生的两个球面参考波干涉的测量结果，装置测量精度标定时产生的系统误差，装置测量精度的标定结果，以及投影物镜105各个补偿器的调节量。

运算器207用于根据存储器206中数据计算投影物镜105各个视场点的波像差，第二圆孔204c和第三圆孔204d产生的两个球面参考波干涉的测量结果，第一圆孔204b和第三圆孔204d产生的两个球面参考波干涉的测量结果，装置测量精度标定时产生的系统误差，装置测量精度的标定结果，以及投影物镜105各个补偿器的调节量。

控制器208用于控制掩模工件台104和硅片工件台107改变所测量的投影物镜105的视场点，根据存储器206中投影物镜各个补偿器调整量调整补偿器来校正像差，以及控制移相装置203步进实现移相。

上述各组成部分的位置与连接关系如下：

物方掩模板201位于投影物镜105的物面，并由光刻机中的掩模工件台104固定支撑和带动。物方掩模板201上的圆孔201a要始终处于光刻机投影物镜105的视场范围之内，圆孔201a所在位置即为本发明装置所测量的投影物镜105的视场点。

分束装置202由移相装置203固定支撑，移相装置203带动分束装置202在垂直于光轴方向的平面内进行垂直于第一光栅202a或第二光栅202b刻线方向的平移。分束装置202位于物方掩模板201和投影物镜105之间，也可以位于投影物镜105与像方掩模板204之间。当使用装置在线检测投影物镜105波像差时，若第一光栅202a位于物方掩模板201和投影物镜105之间，在标定装置的测量精度时，第一光栅202a和第二光栅202b也必须位于物方掩模板201和投影物镜105之间；当使用装置在线检测投影物镜105波像差时，若第一光栅202a位于投影物镜105与像方掩模板204之间，在标定装置的测量精度时，第一光栅202a和第二光栅202b也必须位于投影物镜105与像方掩模板204之间。

像方掩模板204位于投影物镜105的像面，并由硅片工件台107支撑和带动。当使用装置在线检测投影物镜105波像差时，第一圆孔204b的圆心要对准投影物镜105像面处的0级衍射光，同时，窗口204a的中心要对准投影物镜105像面处的+1或-1级衍射光。当标定装置的测量精度时，需要进行正交方向上的两次测量：第一次测量中，第三圆孔204d的圆心要对准投影物镜105像面处的0级衍射光，同时，第二圆孔204c的圆心要对准投影物镜105像面处的+1或-1级衍射光；第二次测量中，第三圆孔204d的圆心要对准投影物镜105像面处的0级衍射光，同时，第一圆孔204b的圆心要对准投影物镜105像面处的+1或-1级衍射光；第一圆孔204b和第二圆孔204c的圆心与窗口204a中心的连线垂直且相等，第一圆孔204b和第二圆孔204c的圆心与第三圆孔204d的圆心的连线垂直且相等。即：窗口204a的中心、第一圆孔204b的圆心、第二圆孔204c的圆心、第三圆孔204c的圆心分别位于一个边长为s的正方形的四个顶点。第一圆孔204b、第二圆孔204c、第三圆孔204c的直径φ都小于所述投影物镜衍射极限分辨率，一般应满足φ＝λ/2NA，具体参数由实验结果确定，其中λ为所述光刻机的曝光波长，NA为投影物镜的像方数值孔径。

当分束装置202位于物方掩模板201和投影物镜105之间时，像方掩模板204上以窗口204a中心、第一圆孔204b圆心、第二圆孔204c圆心、第三圆孔204d圆心为顶点的正方形边长s满足关系式s＝λz₁/md，式中λ为光刻机的曝光波长，m为投影物镜105的倍率，d为分束装置202中第一光栅202a和第二光栅202b的周期常数，z₁为分束装置202与物方掩模板201在光轴方向上的间距。

当分束装置202位于投影物镜105与像方掩模板204之间时，像方掩模板上以窗口204a中心、第一圆孔204b圆心、第二圆孔204c圆心、第三圆孔204d圆心为顶点的正方形边长s满足关系式s＝λz₂/d，式中z₂为分束装置202与像方掩模板204在光轴方向上的间距。

光电传感器205由光刻机的硅片工件台107固定支撑和带动，并与像方掩模板204平行。光电传感器205有效像元区的中心在垂直方向上与窗口204a中心重合，光电传感器205与像方掩模板204的间距取决于光电传感器205有效像元区的大小以及投影物镜105的数值孔径，以能够完全采集测试波和参考波形成的干涉条纹为准。

存储器206分别同光电传感器205、运算器207、控制器208相连接。控制器208分别同移相装置203、掩模工件台104、硅片工件台107以及投影物镜105的补偿器相连接。连接方式可以采用数据线、电缆线等有线方式，也可采用红外传输、蓝牙等无线方式。

使用本具体实施方式所述装置进行光刻机投影物镜波像差检测的方法如下：

1)光源101发出的光束首先经过照明系统102整形，使光束均匀照明于掩模板103所在的平面。移动掩模工件台104使物方掩模板201位于掩模板103所在平面，即投影物镜105的物面。照明系统102出射光束均匀照明201，经过201上的圆孔201a空间滤波，以消除照明系统102的像差，圆孔201a所在的位置即为所选择的测量视场点，如图2所示。

2)进行投影物镜105单个视场点的波像差在线检测：利用分束装置202中的第一光栅202a对圆孔201a的出射光束进行分束，如图3所示；光束通过第一光栅202a的周期结构后，出射角度不同的各个级次衍射光束经过投影物镜105，携带了投影物镜105的波像差信息，在投影物镜105的像面上形成多个衍射级次；如图4所示，像方掩模板204由硅片工件台107支撑和带动，移动硅片工件台107使像方掩模板204位于投影物镜105的像面，并且使第一圆孔204b中心对准投影物镜105像面处的0级衍射光产生球面参考波，使窗口204a中心对准投影物镜105像面处的+1或-1级衍射光，衍射光携带了投影物镜105的波像差信息，形成测试波。

随后，测试波和参考波发生双光束干涉，在光电传感器205上形成干涉条纹，光电传感器205记录干涉条纹的强度信息并存储在存储器206中；控制器208控制移相装置203带动分束装置202在垂直于第一光栅202a刻线的方向上平移，从而在第一光栅202a的±1级衍射光中引入相位差，利用光电传感器205采集移相后的干涉条纹，储存在存储器206中，重复上述过程，在存储器206中存储多幅移相的干涉条纹。

最后，利用运算器207根据存储器206中多幅移相干涉条纹的强度信息，计算出37项Zernike多项式表示的投影物镜105在圆孔201a规定的视场点的波像差W₁″，并存储在存储器206中。

3)进行投影物镜105全视场的波像差在线检测：控制器208根据存储器206中储存的投影物镜105的波像差测量位置，控制掩模工件台104和硅片工件台107平移来改变所测量的投影物镜105的视场点。之后，按照步骤2)所述过程，对新视场点进行波像差在线检测，并将测量结果保存在存储器206中。

重复步骤3)，直至完成投影物镜105各个视场点波像差W_n(n＝1，2，3…)的测量；并将测量结果W_n(n＝1，2，3…)存储在存储器206中。

4)进行投影物镜105全视场波像差计算和校正：运算器207根据投影物镜105各个视场点波像差W_n(n＝1，2，3…)，利用敏感度矩阵计算投影物镜105中各个补偿器的调节量，并存入存储器206；控制器208根据存储器206中各个补偿器的调节量计算结果，自动调整投影物镜105中各个补偿器，从而完成投影物镜105的波像差校正。

使用本具体实施方式所述装置进行标定该装置测量精度的方法如下：

1)光源101发出的光束首先经过照明系统102整形，使光束均匀照明于掩模板103所在的平面。移动掩模工件台104使物方掩模板201位于掩模板103所在平面，即投影物镜105的物面。照明系统102出射光束均匀照明201，经过201上的圆孔201a空间滤波，以消除照明系统102的像差，圆孔201a所在的位置即为所选择的测量视场点，如图2所示。

2)使用像方掩模板204上的第二圆孔204c衍射的球面参考波和第三圆孔204d衍射的球面参考波进行测量，得到测量结果W^‖，并将结果保存在存储器206中：利用分束装置202中的第一光栅202a对物方掩模板201上的圆孔201a的出射光束进行分束；光束通过第一光栅202a的周期结构后，出射角度不同的各个级次衍射光束经过投影物镜105后，携带了投影物镜105的波像差信息，在投影物镜105的像面上形成若干个衍射级次；像方掩模板204由硅片工件台107支撑和驱动，移动硅片工件台107，使像方掩模板204位于投影物镜105的像面，并使第三圆孔204d对准像面处的0级衍射光以产生球面波，使第二圆孔204c对准像面处的+1或-1级衍射光以产生球面波；

两束球面波发生双光束干涉，在光电传感器205上形成干涉条纹，光电传感器205记录干涉条纹的强度信息并存储在存储器206中；控制器208控制移相装置203驱动分束装置202在垂直于第一光栅202a刻线的方向上平移，从而在第一光栅202a的±1级次衍射光中引入相位差，利用光电传感器205采集移相后的干涉条纹，储存在存储器206中。重复此过程，在存储器206中存储多幅移相的干涉条纹；

利用运算器207根据中多幅移相干涉条纹的强度信息，计算出37项Zernike多项式表示的第二圆孔202c和第三圆孔202d衍射的两个球面参考波测量结果W^‖，并存储在存储器206中；

3)使用像方掩模板204上的第一圆孔202b衍射的球面参考波和第三圆孔204d衍射的球面参考波进行测量，得到测量结果W^⊥，并将结果保存在存储器206中：利用分束装置202中的第二光栅202b对物方掩模板201上的圆孔201a的出射光束进行分束；光束通过第二光栅202b的周期结构后，出射角度不同的各个级次衍射光束经过投影物镜105后，携带了投影物镜105的波像差信息，在投影物镜105的像面上形成若干个衍射级次；像方掩模板204由硅片工件台107支撑和驱动，移动硅片工件台107，使像方掩模板204位于投影物镜105的像面，并使第三圆孔204d对准像面处的0级衍射光以产生球面波，使第一圆孔204b对准像面处的+1或-1级衍射光以产生球面波；

两束球面波发生双光束干涉，在光电传感器205上形成干涉条纹，光电传感器205记录干涉条纹的强度信息并存储在存储器206中；控制器208控制移相装置203驱动分束装置202在垂直于第二光栅202b刻线的方向上平移，从而在第二光栅202b的±1级次衍射光中引入相位差，利用光电传感器205采集移相后的干涉条纹，储存在存储器206中。重复此过程，在存储器206中存储多幅移相的干涉条纹；

利用运算器207根据中多幅移相干涉条纹的强度信息，计算出37项Zernike多项式表示的第一圆孔202b和第三圆孔202d衍射的两个球面参考波测量结果W^⊥，并存储在存储器206中；

4)标定装置的测量精度：利用Zernike多项式在单位圆内具有正交特性以及奇偶对称性质，运算器207根据W^‖和W^⊥，计算出W^‖中所包含的Zernike多项式表示的系统误差W_e，并存储在存储器206中；运算器207计算出37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R＝W^‖-W_e，并存储在存储器206中。

其中，根据W^‖和W^⊥，计算出W^‖中所包含的Zernike多项式表示的系统误差W_e，并最终得到37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R的方法如下：

[4]37项Zernike多项式表示的W^‖为：

其中，a_n ^‖为37项Zernike多项式对应项系数，z_n为37项Zernike多项式；37项Zernike多项式表示的W^⊥为：

其中，a_n ^⊥为37项Zernike多项式对应项系数；

[5]对W^‖和W^⊥作差，得到两次测量结果的差值W^Δ表示为：

其中 $a_n^{\mathrm{\Δ}}=a_n^{\left|\right|}-a_n^{\⊥}(n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,36);$

[6]计算标定装置的测量精度时引入的系统误差W_e：W_e由两部分组成，即：W_e＝W_s+W_t，其中W_s为测试波和参考波横向错位所引入的慧差，W_t为光电传感器倾斜所导致的像散；W_s可计算为

W_t可计算为

$W_t=0.5(a_{\mathrm{\Δ}}^4-a_{\mathrm{\Δ}}^5)\·z_4+0.5(a_{\mathrm{\Δ}}^4+a_{\mathrm{\Δ}}^5)\·z_5;$

[7]得到装置测量精度标定结果W_R：37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R＝W^‖-W_e。

虽然结合了附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，包括物方掩模板、分束装置、移相装置、光电传感器、存储器、运算器和控制器，外围装置包括光刻机，其特征在于：还包括像方掩模板；其中，像方掩模板包括一个窗口和直径相同的第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔，且以窗口中心、第一圆孔圆心、第二圆孔圆心、第三圆孔圆心为顶点构成四边形；用于：①在线检测投影物镜波像差时产生的测试波和球面参考波，②标定在测量精度时产生的两个球面参考波；

像方掩模板位于光刻机的硅片工件台上，处于光刻机投影物镜的像面中，由硅片工件台支撑和带动；工作过程中，①当使用所述装置在线检测投影物镜波像差时，第一圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，窗口的中心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光，以产生测试波和球面参考波；②当标定所述装置的测量精度时，需要进行正交方向上的两次测量：第一次测量中，第三圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，第二圆孔的圆心对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光，以分别产生球面参考波；第二次测量中，第三圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的0级衍射光，同时，第一圆孔的圆心要对准投影物镜像面处的+1或-1级衍射光，以分别产生球面参考波；第一圆孔和第二圆孔的圆心与所述窗口中心的连线垂直且相等，第一圆孔和第二圆孔的圆心与第三圆孔的圆心的连线垂直且相等。

2.根据权利要求1所述的具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述的像方掩模板上以窗口中心、第一圆孔圆心、第二圆孔圆心、第三圆孔圆心为顶点的四边形为正方形。

3.根据权利要求2所述的具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述的正方形，在测量过程中当分束装置位于投影物镜与像方掩模板之间时，其边长s满足关系式s＝λz₂/d，式中λ为光刻机的曝光波长，m为投影物镜的倍率，d为分束装置中光栅的周期常数，z₂为分束装置与像方掩模板在光轴方向上的间距，以实现投影物镜波像差的测量及装置精度的标定。

4.根据权利要求2所述的具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述的正方形，在测量过程中当分束装置位于物方掩模板和投影物镜之间时，其边长s满足关系式s＝λz₁/md，式中λ为光刻机的曝光波长，m为投影物镜的倍率，d为分束装置中光栅的周期常数，z₁为分束装置与物方掩模板在光轴方向上的间距，以实现投影物镜波像差的测量及装置精度的标定。

5.根据权利要求1所述的具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述三个圆孔的直径φ都小于所述投影物镜衍射极限分辨率，满足φ＝λ/2NA，其中λ为所述光刻机的曝光波长，NA为投影物镜的像方数值孔径。

6.根据权利要求1所述的具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：标定所述装置测量精度的方法，包括如下步骤：

步骤一、在装有所述装置的光刻机上调节照明系统，使光源发出的光束在投影物镜视场范围内均匀的照明掩模板；移动掩模工件台，带动物方掩模板进行移动，使物方掩模板位于掩模板所在的投影物镜的物面；照明系统的出射光束均匀照明物方掩模板，经过物方掩模板上的圆孔进行空间滤波，消除照明系统的像差；

步骤二、使用第二圆孔衍射的球面参考波和第三圆孔衍射的球面参考波进行测量，得到测量结果W^‖，并将结果保存在存储器中：利用分束装置中的第一光栅对物方掩模板上的圆孔的出射光束进行分束；光束通过第一光栅的周期结构后，出射角度不同的各个级次衍射光束经过投影物镜后，携带了投影物镜的波像差信息，在投影物镜的像面上形成若干个衍射级次；像方掩模板由硅片工件台支撑和驱动，移动硅片工件台，使像方掩模板位于投影物镜的像面，并使第三圆孔对准像面处的0级衍射光以产生球面波，使第二圆孔对准像面处的+1或-1级衍射光以产生球面波；

两束球面波发生双光束干涉，在光电传感器上形成干涉条纹，光电传感器记录干涉条纹的强度信息并存储在存储器中；控制器控制移相装置驱动分束装置在垂直于第一光栅刻线的方向上平移，从而在第一光栅的±1级次衍射光中引入相位差，利用光电传感器采集移相后的干涉条纹，储存在存储器中；重复此过程，在存储器中存储多幅移相的干涉条纹；

利用运算器根据中多幅移相干涉条纹的强度信息，计算出37项Zernike多项式表示的第二圆孔和第三圆孔衍射的两个球面参考波测量结果W^‖，并存储在存储器中；

步骤三、使用第一圆孔衍射的球面参考波和第三圆孔衍射的球面参考波进行测量，得到测量结果W^⊥，并将结果保存在存储器中：利用分束装置中的第二光栅代替第一光栅，用第一圆孔代替第二圆孔，重复步骤二，得到37项Zernike多项式表示的第一圆孔和第三圆孔衍射的两个球面参考波测量结果W^⊥，并存储在存储器中；

步骤四、标定所述装置的测量精度：利用Zernike多项式在单位圆内具有正交特性以及奇偶对称性质，运算器根据W^‖和W^⊥，计算出W^‖中所包含的Zernike多项式表示的系统误差W_e，并存储在存储器中；运算器计算出37项Zernike多项式表示的表征所述装置测量精度的球面参考波误差W_R＝W^‖-W_e，并存储在存储器中。

7.根据权利要求6所述的具有标定精度功能的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：标定所述装置测量精度的方法的步骤四中根据W^‖和W^⊥，计算W^‖中所包含的Zernike多项式表示的系统误差W_e，并最终得到37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R的方法如下：

[1]37项Zernike多项式表示的W^‖为：

其中，a_n ^‖为37项Zernike多项式对应项系数，z_n为37项Zernike多项式；37项Zernike多项式表示的W^⊥为：

其中，a_n ^⊥为37项Zernike多项式对应项系数；

[2]对W^‖和W^⊥作差，得到两次测量结果的差值W^Δ表示为：

其中 $a_n^{\mathrm{\Δ}}=a_n^{\left|\right|}-a_n^{\⊥},(n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,36);$

[3]计算标定装置的测量精度时引入的系统误差W_e：W_e由两部分组成，即：

W_e＝W_s+W_t，其中W_s为测试波和参考波横向错位所引入的慧差，W_t为光电传感器倾斜所导致的像散；W_s计算为W_t计算为

$W_t=0.5(a_{\mathrm{\Δ}}^4-a_{\mathrm{\Δ}}^5)\·z_4+0.5(a_{\mathrm{\Δ}}^4+a_{\mathrm{\Δ}}^5)\·z_5;$

得到装置测量精度标定结果W_R：37项Zernike多项式表示的表征装置测量精度的球面参考波误差W_R＝W^‖-W_e。

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