CN102073217B - 一种波像差实时测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种波像差实时测量装置，具有：光源；分光镜，将光源发出的光分为第一光束和第二光束；照明系统，接收由分光镜发出的第一光束；物面小孔，接收由照明系统发出的光形成探测光源；物镜系统，用于对小孔进行成像；剪切光栅，位于物镜系统的像面，对小孔发出的探测光进行衍射；二维阵列光敏元件，其探测面上接收由剪切光栅生成的剪切干涉条纹，探测面与物镜光瞳面共轭；能量传感器，接收由分光镜发出的第二光束；同步控制与比较部件，通过信号线与光源、能量传感器和二维阵列光敏元件相连。在测量时通过同步控制与比较部件控制能量传感器和二维阵列光敏元件在同一时间间隔内进行同步的光能积分，并利用能量传感器的测量结果对二维阵列光敏元件的测量结果进行校准。

Description

一种波像差实时测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种波像差实时测量装置和方法，尤其涉及用于光刻设备中的波像差实时测量装置和方法。

背景技术

半导体行业的一个目标是在单个集成电路(IC)中集成更多的电子元件。要实现这个目标需不断地缩小元件尺寸，即不断地提高光刻投影系统的分辨率。物镜波像差是限制投影系统分辨率的重要因素，它是造成线宽变化的重要原因。

虽然物镜在加工制造和装配过程中都经过了严格的检验和优化，使其波像差最小化，在物镜系统集成到光刻机后进行实时的波像差测量仍然必要。这是因为镜片材料的老化或是物镜热效应会造成波像差，因此，在光刻机工作过程中需经常的测量波像差，并根据测量结果调整物镜中特定镜片的位置以减小波像差。若需在短时间范围内校正物镜热效应，则需更频繁地进行波像差测量。

实时测量波像差的一种方法是剪切干涉法，如CN1700099A、CN1523448A和CN1504831A中就使用了这样的方法。该方法使用曝光光束进行测量，在物面使用小孔产生探测光源，小孔经物镜成像到像面剪切光栅并在远场产生剪切干涉条纹，使用二维阵列光敏元件在物镜光瞳的共轭面记录干涉图像。测量过程中需改变光源与光栅的相对位置(移相)以获得不同相移条件下的干涉条纹，分析这些干涉图像可得到物镜波像差。干涉图像的测量精度决定了波像差测量的精度。影响干涉图案测量精度的因素主要来自于两个方面：一是二维阵列光敏元件的测量精度；二是光源的稳定性。当前，一些高性能的二维阵列光敏元件(图像传感器)的探测精度已经可以达到光子级别，因此，制约干涉图案测量精度的主要因素便是光源的稳定性。众所周知，目前光刻工艺中普遍采用的光源是KrF和ArF脉冲激光光源，这类光源的脉冲具有较大的抖动(典型的为15％)，因此，为了避免少量脉冲造成的剂量误差，二维阵列光敏元件必须接收足够多的脉冲数才能减小其受光源的影响。这样，波像差的测量精度受光源脉冲抖动程度和接收的脉冲数量的限制，在脉冲抖动程度不变的情况下必须增加接收的脉冲数量以提高测量的精度，因此测量的速度也受其测量精度的制约。

发明内容

本发明的目的在于提高实时波像差测量的准确性，减弱测量精度对接收脉冲数量的依赖，提高测量速度。

本发明采用了一种波像差实时测量装置，具有：

光源；

分光镜，将光源发出的光分为第一光束和第二光束；

照明系统，接收由分光镜发出的第一光束；

物面小孔，接收由照明系统发出的光形成探测光源，并与掩模台相连，可由掩模台带动移动；

物镜系统，用于对小孔进行成像；

剪切光栅，位于物镜系统的像面，对小孔发出的探测光进行衍射，并与工件台相连，可由工件台带动移动；

二维阵列光敏元件，其探测面上接收由剪切光栅生成的剪切干涉条纹，探测面与物镜光瞳面共轭；

能量传感器，接收由分光镜发出的第二光束；

同步控制与比较部件，通过信号线与光源、能量传感器和二维阵列光敏元件相连，能对光源、能量传感器的和二维阵列光敏元件进行控制。

其中，采用比较法进行校准，先用能量传感器测得的剂量值I_{energy_detector}与目标剂量值I_target作比较，计算其偏差 $\mathrm{\η}=\frac{I_{\mathrm{energy}\_\det \mathrm{ector}}-I_{t\arg \mathrm{et}}}{I_{t\arg \mathrm{et}}},$ 再对二维阵列光敏元件的剂量测量结果I_{image_sensor}进行补偿，补偿后的剂量测量结果为I＝I_{image_aensor}/(1+η)。

其中，物面小孔的形状为两个方向互相垂直的小光栅。

其中，剪切光栅的形状和物面小孔的形状相同，周期为物面小孔光栅的周期的1/M倍，其中M为物镜系统的倍率。

其中，物面小孔直接形成于掩模版上。

其中，在进行测量时，移动掩模台使第一光束通过一个方向的小孔光栅，移动工件台，使小孔成像到剪切光栅相同方向的光栅上。

其中，二维阵列光敏元件是涂敷量子转换层的CCD或CMOS图像传感器。

其中，二维阵列光敏元件是薄型背照CCD图像传感器。

一种利用上述测量装置的测量波像差的方法，其中，在测量时通过同步控制与比较部件控制光源的开启与关闭，同时控制能量传感器和二维阵列光敏元件在同一时间间隔内进行同步的光能积分，并利用能量传感器的测量结果对二维阵列光敏元件的测量结果进行校准。

其中，采用比较法进行校准，先用能量传感器测得结果I_{energy_detector}与目标剂量值I_target作比较，计算其偏差 $\mathrm{\η}=\frac{I_{\mathrm{energy}\_\det \mathrm{ector}}-I_{t\arg \mathrm{et}}}{I_{t\arg \mathrm{et}}},$ 再对二维阵列光敏元件的测量结果I_{image_sensor}进行补偿，补偿后的测量结果为I＝I_{image_sensor}/(1+η)。

其中，物面小孔的形状为两个方向互相垂直的小光栅。

其中，剪切光栅的形状和物面小孔的形状相同，周期为物面小孔光栅的周期的1/M倍，其中M为物镜系统的倍率。

其中，在进行测量时，移动掩模台使第一光束通过一个方向的小孔光栅，移动工件台，使小孔成像到剪切光栅相同方向的光栅上。

其中，所用的二维阵列光敏元件是涂敷量子转换层的CCD或CMOS图像传感器。

其中，所用的二维阵列光敏元件是薄型背照CCD图像传感器。

本发明采用了一个能量传感器实时测量光源能量变化，并通过同步控制与比较部件根据能量传感器的测量结果动态地校准二维阵列光敏器件的测量值，减少光源激光脉冲抖动的影响，从而提高实时波像差测量的准确性。同时，减弱了测量精度对接收脉冲数量的依赖，提高了测量速度。在此基础上，本发明还进一步使用高时间分辨率的二维阵列光敏器件进行测量，实现较少脉冲数下波像差的测量，从而提高实时波像差测量的速度与实时性，增加产率，减少脉冲浪费。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1所示为根据本发明的实施例的波像差实时测量装置的结构示意图；

图2所示为根据本发明的实施例的照明系统和能量传感器的结构示意图；

图3所示为一种典型的脉冲激光器的脉冲能量分布；

图4所示为图3所示的脉冲激光器模型的脉冲能量平均值的仿真计算结果；

图5所示为物面小孔的形状；

图6所示为二维阵列光敏元件的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

图1所示为本发明所采用的装置的示意图。图中11为光源，12为分光镜，将光源供给照明系统13的光分出一部分由能量传感器41探测。小孔33产生探测光源。小孔位于小孔面31。小孔面与物面重合。小孔面与掩模台21连接，并可随其运动。探测光经过物镜14后被剪切光栅34衍射，并在二维阵列光敏元件42探测面形成剪切干涉条纹，被其探测。剪切光栅34又叫像面光栅，其具有光栅面32。光栅面32与工件台22连接，并可随其运动。光栅面32与像面重合。二维阵列光敏元件42的探测面与物镜光瞳面15共轭。光源通过信号线61与同步控制与比较部件51连接；能量传感器41通过信号线62与同步控制与比较部件51连接；二维阵列光敏元件通过信号线63和同步控制与比较部件51连接。

测量过程中需通过控制掩模台21和工件台22的运动改变小孔与光栅的相对位置，即在不同的相移条件下使用二维光敏元件测量剪切干涉条纹。收集和分析不同相移条件下的图像信息以计算物镜波像差。激光脉冲的不均匀性将使在不同相移条件下测得的图案产生误差，测得的图案光强除了由于物镜波像差和相移条件形成的干涉图案外，也包括了光源剂量误差引起的光强变化，因而影响波像差测量的精度。为了改善这种状况，一种方法是使二维阵列光敏元件收集到足够多的脉冲数，使脉冲平均能量值趋于稳定，从而提高波像差测量的精度。然而这种方法需要更多的测量时间，降低了测量速度，影响了产率，同时减弱了波像差测量的实时性。然而，在物镜热效应校正和批内波像差校正中在波像差测量的实时性是一项重要的指标。

本实施例使用同步控制与比较部件51控制能量传感器41和二维阵列光敏元件42在同一时间间隔内进行测量，并利用能量传感器41的测量结果对二维阵列光敏元件42的测量结果进行校准，降低了光源激光脉冲不均匀性的影响，从而提高实时波像差测量的准确性。同时，这种方法也优于通过累计脉冲数来抑制脉冲不均匀性的方法，在很少的脉冲条件下也能获得足够高的测量精度，从而加快测量速度，提高测量的实时性，增加产率，减少脉冲浪费。

图2所示为本实施例中照明系统和能量传感器的结构示意图。如图所示，光源先由一个VA(可变衰减片)15进行强度调节，VA15后放置分光镜12，能量传感器41通过一个会聚透镜16接收由分光镜12分出的一部分光，由于这部分光随着光源自身变化和VA15设置的变化同步改变，因此，能量传感器41可以实时监测光源11的实际输出功率。这一实时光强信号通过信号线62被同步控制与比较部件51接收。分光镜12分出的另一部分光经过匀光系统17和照明镜组18等后为物面31提供照明。激光光源11通过信号线61与同步控制与比较部件51连接，提供实时的工作状态信息。同步控制与比较部件51通过信号线61和62对激光光源11和能量传感器41进行同步控制。

图2中使用的光源为脉冲激光器。当前光刻机中使用的主流光源为193nm的ArF脉冲激光器和248nm的KrF脉冲激光器。脉冲激光器通常都存在脉冲抖动的问题。图3示出了一种典型的脉冲激光器的脉冲能量分布。横轴为脉冲个数，纵轴为归一化的脉冲能量。脉冲激光器的单脉冲能量满足高斯分布，其3σ值为15％。图4是根据上述脉冲激光器模型，对该脉冲激光器脉冲能量平均值的仿真计算结果。从图4中可以看出，脉冲能量平均值偏差随着累计脉冲数的增加而减小，并趋于稳定。这就是通过增加累计脉冲数来抑制脉冲抖动对测量影响的方法原理。然而，从图中也可以看出，只有在脉冲数累计到一定大小时才能有效控制脉冲抖动。如在这次仿真中，若测量需要光源脉冲抖动小于2％，则探测器必须收集满＞50个脉冲；若测量需要光源脉冲抖动小于1％，则探测器必须收集满＞150个脉冲；若测量需要光源脉冲抖动小于0.5％或更高，则探测器必须收集满＞400个脉冲或更多。很显然，这是一种通过牺牲光源能量和测量时间以换取测量精度的方法。

在本实施例中，物面小孔可以直接用掩模版制成，小孔形状如图5所示，为两个方向互相垂直的小光栅。测量时，该掩模版可以上载到掩模台上，并随掩模台一起运动。剪切光栅形状同图5所示的小孔形状，其周期为物面小孔光栅的1/M倍，其中M为物镜的倍率。剪切光栅面积较大，相对于小孔面积，其光栅尺寸可视为无限大。剪切光栅可固定在工件台22上，并随工件台22一起运动。在进行波像差测量时，移动掩模台21使照明光源透过一个方向的小孔光栅；移动工件台，使小孔成像到相同方向的剪切光栅上。二维阵列光敏元件42位于剪切光栅下方足够远的地方，以形成远场探测条件。二维阵列光敏元件42的探测面与物镜光瞳共轭，剪切光栅产生的干涉条纹由二维阵列光敏元件42接收。沿图5中箭头方向移动掩模台21或工件台22，或同时移动两者，改变小孔与剪切光栅间的相对位置，即进行移相，使用二维阵列光敏元件42记录一组不同相移下的干涉条纹，即可分析计算箭头方向上光瞳面的波像差。移动掩模台21和工件台22，使用另一个方向的小孔光栅和剪切光栅，按照上述类似的方法，可测量光瞳面另一方向上的波像差，对两个方向上的波像差进行处理，可获得更高精度的波像差。

图6所示为二维阵列光敏元件42的结构示意图，该元件通过信号线63与同步控制与比较部件51相连。二维阵列光敏元件42优选采用涂敷量子转换层401的CCD或CMOS图像传感器。这是因为一般的光敏元件402只适合探测可见光，在光敏面上涂敷一层量子转换层401，可将193nm或248nm的DUV和VUV光转换成可见光。量子转换层可以是ZnO:Zn，ZnS:Cu.Al或Gd202S:Tb等荧光材料。选择荧光材料时需注意其发射谱线与图像传感器的响应谱线相匹配，以达到最佳的量子转换效率。二维阵列光敏元件42还优选采用薄型背照CCD图像传感器，这类传感器由于硅层厚度已被打磨至约15um的量级，使得DUV和VUV光子能很好的穿过多晶硅晶体而被探测到。

本实施例中，激光光源11、能量传感器41和二维阵列光敏元件42通过信号线和同步控制与比较部件51连接。测量时，由同步控制与比较部件51控制激光的开启与关闭，同时控制能量传感器41与二维阵列光敏元件42进行同步的光能积分。最后由同步控制与比较部件51根据能量传感器41的测量结果对二维阵列光敏元件42的测量值进行校准。校准方法可以采用比较法：先用能量传感器41测得的剂量值I_{energy_detector}与目标剂量值I_target作比较，计算其偏差 $\mathrm{\η}=\frac{I_{\mathrm{energy}\_\det \mathrm{ector}}-I_{t\arg \mathrm{et}}}{I_{t\arg \mathrm{et}}},$ 再对二维阵列光敏元件42的剂量测量结果I_{image_sensor}进行补偿，补偿后的剂量测量结果为I＝I_{image_sensor}/(1+η)。原则上，这样可以消除脉冲抖动对二维阵列光敏元件42的测量结果影响，使测量结果的精度与接收的脉冲数量无关，而只与能量传感器41和二维阵列光敏元件42的测量精度有关。若能量传感器41测量精度为0.2％，二维阵列光敏元件42的测量精度为0.5％，则经校准后的干涉条纹图案测量精度可达到0.54％。根据图4的仿真结果，若不用能量传感器41进行校准，要达到同样的测量精度，二维阵列光敏元件42需接收至少400个脉冲。很显然，测量时累计脉冲数越少，校准的效果越好，对波像差测量精度的提高越大。另一方面，采用能量校准的方案，消除了因提高测量精度而需要累计足够多脉冲的等待时间，加快了测量速度，提高了产率。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种波像差实时测量装置，具有：

光源；

分光镜，将光源发出的光分为第一光束和第二光束；

照明系统，接收由分光镜发出的第一光束；

物面小孔，接收由照明系统发出的光形成探测光源，并与掩模台相连，可由掩模台带动移动；

物镜系统，用于对小孔进行成像；

剪切光栅，位于物镜系统的像面，对小孔发出的探测光进行衍射，并与工件台相连，可由工件台带动移动；

二维阵列光敏元件，其探测面上接收由剪切光栅生成的剪切干涉条纹，探测面与物镜光瞳面共轭；

能量传感器，接收由分光镜发出的第二光束；

同步控制与比较部件，通过信号线与光源、能量传感器和二维阵列光敏元件相连，能对光源、能量传感器和二维阵列光敏元件进行控制。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：采用比较法进行校准，先用能量传感器测得的剂量值I_{energy_detector}与目标剂量值I_target作比较，计算其偏差

再对二维阵列光敏元件的剂量测量结果I_{image_sensor}进行补偿，补偿后的剂量测量结果为I＝I_{image_sensor}/(1+η)。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于：物面小孔的形状为两个方向互相垂直的小光栅。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于：剪切光栅的形状和物面小孔的形状相同，周期为物面小孔光栅的周期的1/M倍，其中M为物镜系统的倍率。

5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于：物面小孔直接形成于掩模版上。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于：在进行测量时，移动掩模台使第一光束通过一个方向的小孔光栅，移动工件台，使小孔成像到剪切光栅相同方向的光栅上。

7.如权利要求1～6中任意一个所述的测量装置，其特征在于：二维阵列光敏元件是涂敷量子转换层的CCD或CMOS图像传感器。

8.如权利要求1～6中任意一个所述的测量装置，其特征在于：二维阵列光敏元件是薄型背照CCD图像传感器。

9.一种利用权利要求1所述的测量装置测量波像差的方法，其特征在于：在测量时通过同步控制与比较部件控制能量传感器和二维阵列光敏元件在同一时间间隔内进行同步的光能积分，并利用能量传感器的测量结果对二维阵列光敏元件的测量结果进行校准。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：采用比较法进行校准，先用能量传感器测得的剂量值I_{energy_detector}与目标剂量值I_target作比较，计算其偏差

再对二维阵列光敏元件的剂量测量结果I_{image_sensor}进行补偿，补偿后的测量结果为I＝I_{image_sensor}/(1+η)。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：物面小孔的形状为两个方向互相垂直的小光栅。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：剪切光栅的形状和物面小孔的形状相同，周期为物面小孔光栅的周期的1/M倍，其中M为物镜系统的倍率。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：在进行测量时，移动掩模台使第一光束通过一个方向的小孔光栅，移动工件台，使小孔成像到剪切光栅相同方向的光栅上。

14.如权利要求9～13中任意一个所述的方法，其特征在于：所用的二维阵列光敏元件是涂敷量子转换层的CCD或CMOS图像传感器。

15.如权利要求9～13中任意一个所述的方法，其特征在于：所用的二维阵列光敏元件是薄型背照CCD图像传感器。

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