CN102072809B - 光扩散器散射特性测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光扩散器散射特性测量装置及其方法，用于光刻投影物镜像差在线测量和原位测量的光扩散器的散射特性参数测量，该测量装置包括光源、照明物镜、光扩散器运动平台、探测器、探测器运动平台和探测器读数装置；所述光源、照明物镜、光扩散器运动平台和探测器运动平台依次排列；所述探测器设置在探测器运动平台上；被测光扩散器设置在光扩散器运动平台上；所述探测器读数装置的输入端与探测器的输出端连接；所述光源、照明物镜、被测光扩散器和探测器同光轴设置。本发明的光扩散器散射特性测量装置及其方法，对光扩散器的各个散射特性参数都能进行测量，实现了一台测量装置多种测量功能。

Description

光扩散器散射特性测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，尤其涉及一种光扩散器散射特性测量装置及其方法。 

背景技术

光刻技术是采用选定的辐射源(如紫外光源)对涂有辐射敏感物质的衬底(如硅片)指定位置进行曝光以制造器件的技术。 

在半导体器件关键尺寸CD不断缩小的趋势下，提高光刻设备中光学系统的图像分辨率是关键。光刻设备中，光学系统包括照明系统和光刻投影物镜。 

照明系统的光源波长λ、光刻投影物镜的数值孔径NA和工艺因子K1是决定光学系统分辨率的因素，光源波长λ的减小、数值孔径NA的增大以及工艺因子K1的减小都有利于提高光学系统分辨率。 

光刻投影物镜存在像差，如不做特别说明，本文中光刻投影物镜的像差是指物镜的瞳面像差(即波像差)，一般以泽尼克多项式展开，也称为泽尼克像差，有关泽尼克像差的定义请参考美国University of Arizona(亚利桑那大学)相关Fringe Zernike Polynomials定义，它是泽尼克多项式的子集，一般取前37项，Fringe Zernike Polynomials排列顺序与标准泽尼克多项式(StandardZernike Polynomials)不同。 

像差的存在影响光刻投影物镜的成像质量，并最终影响光刻工艺的成败，因此，对光刻投影物镜的像差实施在线测量和原位测量是必须的。光刻投影物镜的像差，一般是利用透镜干涉仪(Lens Interferometer)来测量，透镜干涉仪的通用实施例基于剪切干涉测量(《Optical Stop Testing》第2版，DanielMalacara著，ISBN 0-471-52232-5)原理。一般可设定透镜干涉仪在光瞳面上的单场点处通过测量光束的相位和透射光强来测量透镜的像差。目前，透镜干涉仪已经成为光刻设备的标准配置，用于投影物镜像差的在线测量和原位测量， 在光刻设备曝光过程中用于像差的实时监控和反馈校正。 

照明系统的照明方式包括：传统照明、环形照明、四极照明(包括坐标轴四极照明、对角线四极照明)、双极照明，还有客户订制照明。所有这些照明方式都是部分相干照明，即相干因子σ满足：0＜σ＜1。相干因子σ的定义是照明系统的数值孔径NA与投影物镜的数值孔径NA的比值： 

这样，照明光束将不能充满投影物镜的整个光瞳，即： 

NA_照明系统＜NA_投影物镜

这样，投影物镜光瞳面的某些没有照明光的局部将无法实现像差的在线测量和原位测量。所以，用于光刻设备的透镜干涉仪必须包括一个光扩散器，才能实现投影物镜像差的在线测量和原位测量。 

用于光刻投影物镜像差在线测量和原位测量的光扩散器的工作波长应该是光刻设备常用的193nm和248nm波长，因此该光扩散器也可以称之谓深紫外光扩散器。该扩散器的主要功能是将照明光束的孔径角度扩散变大以充满投影物镜的光瞳，该光扩散器的主要功能以其主要光学特性参数——散射角α来表征，散射角α定义为： 

α＝sin^-1(NA_投影物镜)-sin^-1(NA_照明系统)。 

光扩散器的散射特性可以用光扩散器的散射角、光扩散器的透过率、光扩散器散射角与入射角的关系、光扩散器对光刻投影物镜光瞳非均匀性的改善等参数来表示，这些参数的确定对光刻投影物镜像差在线测量和原位测量至关重要，如果无法确定这些参数，则在光刻设备中无法测量投影物镜像差，如果确定这些参数不准确，则在光刻设备中测量投影物镜像差不准确。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种光扩散器散射特性测量装置及其方法，对光扩散器的各个散射特性参数都能进行测量。 

为了达到上述的目的，本发明提供一种光扩散器散射特性测量装置，用于光扩散器散射特性参数的测量，包括光源、照明物镜、光扩散器运动平台、探测器、探测器运动平台和探测器读数装置；所述光源、照明物镜、光扩散器运动平台和探测器运动平台依次排列；所述探测器设置在探测器运动平台上；被测光扩散器设置在光扩散器运动平台上；所述探测器读数装置的输入端与探测器的输出端连接；所述光源、照明物镜、被测光扩散器和探测器同光轴设置；所述光源发出的光束经所述照明物镜入射到所述被测光扩散器，入射到所述被测光扩散器的光束经该被测光扩散器散射后由所述探测器接收，所述探测器探测经所述被测光扩散器散射的光束的光强，并将光强信号传输给所述探测器读数装置，所述探测器读数装置记录数据，并根据记录的数据计算相应的所述被测光扩散器的散射特性参数。 

上述光扩散器散射特性测量装置，其中，所述光源为可调谐准分子激光光源。 

上述光扩散器散射特性测量装置，其中，所述可调谐准分子激光光源发射193nm波长的深紫外光时，所述照明物镜的数值孔径为0.17～0.05。 

上述光扩散器散射特性测量装置，其中，所述可调谐准分子激光光源发射248nm波长的深紫外光时，所述照明物镜的数值孔径为0.13～0.04。 

上述光扩散器散射特性测量装置，其中，所述探测器为互补金属氧化物半导体探测器，其感光像元表面涂敷有荧光转换材料，能将深紫外光转换为可见光。 

本发明的另一技术方案是使用上述光扩散器散射特性测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：步骤S1，根据测试项目调整光扩散器散射特性测量装置的光路；步骤S2，打开光源，光源发射光束入射到被测光扩散器，被测光扩散器对入射光束产生散射作用；步骤S3，探测器探测被测光扩散器的散射光强，并将光强信号发送给探测器读数装置；步骤S4，探测器读数装置记录数据，并根据记录的数据计算相应的散射特性参数。 

上述测量方法，其中，所述步骤S1中测试项目指需要测量的光扩散器的散射特性参数。 

上述测量方法，其中，所述光扩散器的散射特性参数包括光扩散器的散射角、光扩散器的透过率、光扩散器散射角与入射角的关系以及光扩散器的对光刻投影物镜 光瞳非均匀性的改善。 

上述测量方法，其中，所述步骤S3中探测器通过其感光像元表面涂敷的荧光转换材料将深紫外光转换为可见光，对可见光光强进行探测。 

本发明的光扩散器散射特性测量装置及其方法，对光扩散器的各个散射特性参数都能进行测量，实现了一台测量装置多种测量功能，该测量装置测量精确，有助于光刻投影物镜像差的准确在线测量和原位测量。 

附图说明

本发明的光扩散器散射特性测量装置及其方法由以下的实施例及附图给出。 

图1是本发明光扩散器散射特性测量装置实施例一的结构框图。 

图2是使用图1所示测量装置测量得到的一光扩散器样品的散射光强分布图。 

图3是使用图1所示测量装置测量得到七个光扩散器样品的透过率图。 

图4是使用图1所示测量装置测量得到四个光扩散器样品的散射角与入射角关系图。 

图5是本发明光扩散器散射特性测量装置的测量方法的流程图。 

具体实施方式

以下将结合图1～图5对本发明的光扩散器散射特性测量装置及其方法作进一步的详细描述。 

准确测量光扩散器的散射特性参数(如，光扩散器的散射角、光扩散器的透过率、光扩散器散射角与入射角的关系、光扩散器对光刻投影物镜光瞳非均匀性的改善)对光刻投影物镜像差在线测量和原位测量非常重要，本发明的目的就在于提供一种光扩散器散射特性测量装置，光扩散器的各个散射特性参数都可使用该测量装置测量。 

参见图1，本发明的光扩散器散射特性测量装置包括光源101、照明物镜102、光扩散器运动平台103、探测器104、探测器运动平台105和探测器读数装置106； 

所述光源101、照明物镜102、光扩散器运动平台103和探测器运动平台105依次排列； 

所述探测器104设置在探测器运动平台105上； 

被测光扩散器201设置在光扩散器运动平台103上； 

所述探测器读数装置106的输入端与探测器104的输出端连接； 

所述光源101、照明物镜102、被测光扩散器201和探测器104同光轴设置； 

所述光源101发出的光束经所述照明物镜102入射到所述被测光扩散器201，入射到所述被测光扩散器201的光束经该被测光扩散器201散射后由所述探测器104接收，所述探测器104探测经所述被测光扩散器201散射的光束的光强，并将光强信号传输给所述探测器读数装置106，所述探测器读数装置106记录数据，并根据记录的数据计算相应的所述被测光扩散器201的散射特性参数。 

所述光源101为可调谐激光光源，例如可调谐准分子激光光源，该光源101发射深紫外光波。 

所述照明物镜102的数值孔径NA是可变的，随着所述光源101的波长不同，该照明物镜102的数值孔径NA不同。 

所述光扩散器运动平台103用于承载被测光扩散器201，该光扩散器运动平台103为RZ一维旋转平台，所述被测光扩散器201与光扩散器运动平台103的旋转中心重合，转动所述光扩散器运动平台103可改变入射到被测光扩散器201上入射光的入射角。 

所述探测器104为互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)探测器，该CMOS探测器的感光像元表面涂敷有荧光转换材料，该荧光转换材料可将深紫外光波转换为可见光波。 

所述探测器运动平台105用以承载探测器104，该探测器运动平台105为XY二维平移台，驱动所述探测器104至合适的位置，以探测被测光扩散器201的散射光功率，获得被测光扩散器201散射特性。 

实施例一： 

所述光源101采用工作气体为氩气(Ar)和氟气(F)混合气体的可调谐准 分子激光光源，该光源101输出193nm波长的深紫外光，所述光源101的输出光斑尺寸为6mm×3mm，其重复频率可在10Hz～500Hz范围内调谐，其脉冲能量可在2mJ～5mJ范围内调谐。 

针对所述光源101输出193nm波长的深紫外光，所述照明物镜102的数值孔径NA可在0.17～0.05范围内调节，该照明物镜102的视场为1mm。 

所述光扩散器运动平台103的转动度盘的最小刻度是1度。 

所述探测器运动平台105的分度头的最小刻度是1微米。 

所述探测器104感光像元的尺寸是25um×25um，感光面是512×512个感光像元的阵列，该探测器104因其感光像元表面涂敷有荧光转换材料，可将入射波长为193nm的深紫外光转换为可见光(例如，转换为峰值波长为545nm的绿光，可见光的波长由荧光转换材料决定)，这样就可以由感光像元探测可见光的光功率。 

以下实验数据是使用本实施例扩散器散射特性测量装置测量的被测光扩散器的各散射特性参数。 

图2所示为一光扩散器样品的散射光强分布图，图2中横坐标表示入射到该被测光扩散器的光束的入射角，单位为度，纵坐标表示入射光束通过该被测光扩散器后的光功率，单位为纳瓦nW。图2中的点为测量数据点，曲线为拟合曲线，该曲线是对测量数据进行高斯函数拟合得到的，采用的模型为：f(x)＝a1*exp(-((x-b1)/c1)^2)，其中，a1表示高斯函数的峰值，b1表示高斯函数峰值对应的X坐标位置，即中心位置。c1表示高斯函数值降低到1/e倍峰值时对应的X坐标位置，即散射角度拟合结果显示该被测光扩散器的散射特性与高斯分布十分接近，其散射角为9.251度。 

图3所示为七个光扩散器样品的透过率图，图3中横坐标表示被测光扩散器的样品编号，纵坐标表示被测光扩散器的透过率。被测光扩散器的透过率的测量方法是，先不加被测光扩散器探测光强I_IN，然后加上被测光扩散器再次探测光强I_OUT，(I_OUT/I_IN)×100％就是透过率。从图3可看出，样品1～4号属一类扩散器，透过率高一些；样品5～7号属另一类扩散器，透过率低一些。 

图4所示为四个光扩散器样品的散射角与入射角关系图，图4中横坐标表示被测光扩散器的入射角，单位为度，纵坐标表示被测光扩散器的散射角，单 位为度，图4中四条曲线是四个不同的光扩散器测试样品的测试数据。从图4可以看出，被测光扩散器的散射角与入射角基本上没有关系，即对于不同入射角度的入射光，光扩散器的散射角度基本保持不变。 

实验测量发现，光刻投影物镜光瞳分布的特点是光瞳中心和边缘区域没有照明光，即照明光束没有充满投影物镜光瞳，这样将无法测量物镜瞳面像差，此时物镜光瞳的非均匀性为100％，让照明光束通过一散射角为4度的光扩散器后再射入光刻投影物镜，再次测量光刻投影物镜光瞳的分布情况，发现光瞳中心和边缘区域已经有照明光，即已经将光刻投影物镜光瞳充满，这样就可以测量光刻投影物镜的瞳面像差，测得此时光刻投影物镜光瞳的非均匀性降低到64.6％，而用另一散射角为7度的光扩散器，可以将物镜光瞳非均匀性降到50.1％。光刻投影物镜光瞳非均匀性的定义为： 

$\mathrm{Ununiformity}=\frac{P_{\max }-P_{\min }}{P_{\max }+P_{\min }}*100\%$

其中，P_max为光瞳内光强最大值，P_min为光瞳内光强最小值。 

可见，使用本实施例的光扩散器散射特性测量装置对光扩散器的各个散射特性参数都能进行测量，即用一台测量装置就能完成光扩散器散射特性的测量，不需要针对光扩散器不同散射特性参数使用不同测量装置，实现了一台测量装置多种测量功能。 

本实施例的光扩散器散射特性测量中的可调谐准分子激光光源、照明物镜、光扩散器运动平台、探测器、探测器运动平台和探测器读数装置均为精密仪器，光扩散器运动平台能精确控制被测光扩散器的位置，探测器运动平台能精确控制探测器的位置，因此该测量装置测量精确，有助于光刻投影物镜像差的准确在线测量和原位测量。 

实施例二： 

所述光源101采用工作气体为氪气(Kr)和氟气(F)混合气体的可调谐准分子激光光源，该光源101输出248nm波长的深紫外光，所述光源101的输出光斑尺寸为6mm×3mm，其重复频率可在10Hz～500Hz范围内调谐，其脉冲能量可 在2mJ～5mJ范围内调谐。 

针对所述光源101输出248nm波长的深紫外光，所述照明物镜102的数值孔径NA可在0.13～0.04范围内调节，该照明物镜102的视场为1mm。 

所述光扩散器运动平台103的转动度盘的最小刻度是1度。 

所述探测器运动平台105的分度头的最小刻度是1微米。 

所述探测器104感光像元的尺寸是25um×25um，感光面是512×512个感光像元的阵列，该探测器104因其感光像元表面涂敷有荧光转换材料，可将入射波长为248nm的深紫外光转换为可见光(例如，转换为峰值波长为545nm的绿光)，这样就可以由感光像元探测可见光的光功率。 

参见图5，上述光扩散器散射特性测量装置测量光扩散器散射特性参数的方法包括以下步骤： 

步骤S1，根据测试项目调整光扩散器散射特性测量装置的光路； 

所述测试项目指需要测量的光扩散的散射特性参数，例如，光扩散器的散射角、光扩散器的透过率、光扩散器散射角与入射角的关系、光扩散器对光刻投影物镜光瞳非均匀性的改善等； 

所述光源、照明物镜、被测光扩散器和探测器均应调整为同光轴的光学器件； 

选择所述光源的工作气体(这决定了光源的波长)、调节照明物镜的数值孔径NA的大小； 

调节所述光扩散器运动平台的转动角度，以确定光在被测扩散器的入射角； 

步骤S2，触发光源照射被测光扩散器，被测光扩散器对光产生散射作用； 

所述光源发射深紫外光波； 

步骤S3，探测器探测被测光扩散器的散射光强，并将光强信号发送给探测器读数装置； 

由于所述光源发射的是深紫外光波，所述探测器先将深紫外光转换为可见光，再对可见光的光强进行探测； 

所述探测器将深紫外光转换为可见光的方法是，在所述探测器的感光像元表面涂敷有荧光转换材料，荧光转换材料决定转换后可见光的波长范围； 

步骤S4，探测器读数装置记录数据，并根据记录的数据计算相应的散射特性参数。 

以测量光扩散器的散射角与入射角关系为例说明上述光扩散器散射特性测量装置的测量方法。 

本发明测量方法包括以下步骤： 

步骤S1′，根据测试项目调整光扩散器散射特性测量装置的光路； 

所述光源采用可调谐准分子激光光源、所述照明物镜采用数值孔径NA可变的照明物镜，所述光扩散器运动平台采用RZ一维旋转平台，所述探测器采用CMOS探测器，所述探测器运动平台采用XY二维平移台； 

选择氩气(Ar)和氟气(F)混合气体作可调谐准分子激光光源的工作气体，则该可调谐准分子激光光源输出193nm波长的深紫外光； 

调节所述照明物镜的数值孔径NA，使其数值孔径NA的取值范围为0.17～0.05； 

调整可调谐准分子激光光源、照明物镜、被测光扩散器和CMOS探测器的高度，使可调谐准分子激光光源、照明物镜、被测光扩散器和CMOS探测器同光轴；调整被测光扩散器的高度是通过调整RZ一维旋转平台的高度实现的，调整CMOS探测器的高度是通过调整XY二维平移台的高度实现的； 

调节RZ一维旋转平台的转动角度，确定被测光扩散器的入射角； 

步骤S2′，触发可调谐准分子激光光源照射被测光扩散器，被测光扩散器对可调谐准分子激光光源发射的深紫外光产生散射作用； 

步骤S3′，CMOS探测器通过其感光像元表面涂敷的荧光转换材料将193nm波长的深紫外光转换为可见光，CMOS探测器的像面探测可见光的光强，并将该光强信号发送给探测器读数装置； 

步骤S4′，探测器读数装置记录数据，并根据记录的数据计算该入射角下被测光扩散器的散射角； 

步骤S5′，调节RZ一维旋转平台的转动角度，改变被测光扩散器的入射角，CMOS探测器将再次探测的可见光的光强信号发送给探测器读数装置； 

步骤S6′，探测器读数装置记录数据，并根据数据计算新入射角下被测光 扩散器的散射角； 

步骤S7′，返回步骤S5′，探测器读数装置得到一组入射角和对应散射角的数据，探测器读数装置根据这组数据绘制被测光扩散器散射角与入射角的关系图(如图4所示)。 

Claims (9)

1.一种光扩散器散射特性测量装置，其特征在于，用于光扩散器散射特性参数的测量，包括光源、照明物镜、光扩散器运动平台、探测器、探测器运动平台和探测器读数装置；

所述光源、照明物镜、光扩散器运动平台和探测器运动平台依次排列；

所述探测器设置在探测器运动平台上；

被测光扩散器设置在光扩散器运动平台上；

所述探测器读数装置的输入端与探测器的输出端连接；

所述光源、照明物镜、被测光扩散器和探测器同光轴设置；

所述光源发出的光束经所述照明物镜入射到所述被测光扩散器，入射到所述被测光扩散器的光束经该被测光扩散器散射后由所述探测器接收，所述探测器探测经所述被测光扩散器散射的光束的光强，并将光强信号传输给所述探测器读数装置，所述探测器读数装置记录数据，并根据记录的数据计算相应的所述被测光扩散器的散射特性参数。

2.如权利要求1所述的光扩散器散射特性测量装置，其特征在于，所述光源为可调谐准分子激光光源。

3.如权利要求2所述的光扩散器散射特性测量装置，其特征在于，所述可调谐准分子激光光源发射193nm波长的深紫外光时，所述照明物镜的数值孔径为0.17～0.05。

4.如权利要求2所述的光扩散器散射特性测量装置，其特征在于，所述可调谐准分子激光光源发射248nm波长的深紫外光时，所述照明物镜的数值孔径为0.13～0.04。

5.如权利要求3或4所述的光扩散器散射特性测量装置，其特征在于，所述探测器为互补金属氧化物半导体探测器，其感光像元表面涂敷有荧光转换材料，能将深紫外光转换为可见光。

6.一种使用如权利要求1所述的光扩散器散射特性测量装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，根据测试项目调整光扩散器散射特性测量装置的光路；

步骤S2，打开光源，光源发射光束入射到被测光扩散器，被测光扩散器对入射光束产生散射作用；

步骤S3，探测器探测被测光扩散器的散射光强，并将光强信号发送给探测器读数装置；

步骤S4，探测器读数装置记录数据，并根据记录的数据计算相应的散射特性参数。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中测试项目指需要测量的光扩散器的散射特性参数。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述光扩散器的散射特性参数包括光扩散器的散射角、光扩散器的透过率、光扩散器散射角与入射角的关系以及光扩散器的对光刻投影物镜光瞳非均匀性的改善。

9.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中探测器通过其感光像元表面涂敷的荧光转换材料将深紫外光转换为可见光，对可见光光强进行探测。

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