CN102129173A - 一种光刻机投影物镜波像差现场测量方法 - Google Patents

一种光刻机投影物镜波像差现场测量方法 Download PDF

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一种光刻机投影物镜波像差现场测量方法，利用了一测量系统，该系统包括：光源，用于产生照明光束；照明系统，用于对照明光束进行调整；掩模台，能承载测试掩模并精确定位；投影物镜，能将测试掩模上的图形成像，且数值孔径可调；六维扫描工件台，能精确定位；图像传感器，被安装于六维扫描工件台上用于测量测试掩模上的图形的像，其中，照明系统能调整照明光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式。在测量时，先对空间像光强分布进行仿真和分析，在此基础上建立泽尼克系数的线性模型，再根据图像传感器测得的空间像利用线性模型进行拟合得出泽尼克系数。

Description

一种光刻机投影物镜波像差现场测量方法
技术领域
本发明涉及光刻机投影物镜波像差现场测量方法。
背景技术
在极大规模集成电路制造领域，用于光刻工艺的步进扫描投影光刻机是公知的。投影物镜系统是步进扫描投影光刻机中最重要的分系统之一。投影物镜的波像差使光刻机的光刻成像质量恶化，并造成光刻工艺窗口的减小。波像差可以分为奇像差和偶像差。其中，奇像差主要包括彗差和三波差，偶像差主要包括球差和像散。投影物镜的彗差使掩模上的图形曝光到硅片后发生成像位置偏移，该成像位置偏移量与图形尺寸和照明条件有关，因而，投影物镜的彗差是影响套刻精度的关键因素之一。彗差还可导致掩模上的对称图形在曝光、显影后在硅片上形成的图形不对称，从而影响光刻分辨率和线宽的均匀性。投影物镜的三波差使得动态随机存储器图形曝光显影后在硅片上形成的图形不对称，影响动态随机存储器的性能。投影物镜的球差造成图形的最佳焦面发生偏移，并使得不同尺寸、不同栅距的线条的最佳焦面不在一个平面上。投影物镜的像散主要使得互相垂直的线条的最佳焦面不在一个平面上。投影物镜偶像差的存在使得光刻成像系统的有效焦深缩小，对调焦调平系统的检测精度提出了更加苛刻的要求。随着光刻特征尺寸的不断减小，尤其是各种分辨率增强技术的使用，光刻机投影物镜的波像差对光刻成像质量的影响越来越突出。因此，快速、高精度的光刻机投影物镜波像差现场测量技术是不可或缺的。
TAMIS(TIS At Multiple Illumination Settings)技术是目前国际上用于检测光刻机投影物镜波像差的主要技术之一。(参见在先技术，Hans van der Laan，Marcel Dierichs，Henkvan Greevenbroek，Elaine McCoo，Fred Stoffels，Richard Pongers，Rob Willekers.“Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupilverification.”Proc.SPIE 2001，4346，394-407.)TAMIS技术采用的系统包括工件台以及安装在工件台上的透射式图像传感器、掩模台及测试掩模、照明系统和计算机等。其中透射式图像传感器由两部分构成：一套尺寸为亚微米级的孤立线以及一个方孔，孤立线与方孔下方均放置独立的光电二极管。其中孤立线包括X方向的孤立线和Y方向的孤立线，方孔用于补偿照明光源的光强波动。透射式图像传感器可以分别测量X方向线条和Y方向线条的成像位置。在TAMIS技术中，通过移动工件台使透射式图像传感器扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，可以得到标记的成像位置，再与理想成像位置比较后得到成像位置偏移量。在不同的投影物镜数值孔径和照明系统部分相干因子设置下测量掩模上各个标记的成像位置，得到不同照明条件下的视场内不同位置处的成像位置偏移量，然后利用数学模型进行计算后得到波像差相应的泽尼克系数。
TAMIS技术测量投影物镜的波像差时需要使用十种以上的照明设置，因此测量速度较慢。而且TAMIS技术可以测量的泽尼克系数的数量非常有限，仅局限于Z5，Z7，Z8，Z9，Z12，Z14，Z15，Z16，Z21，而且随着光刻特征尺寸的不断减小，TAMIS技术的测量精度也逐渐无法满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光刻机投影物镜波像差现场测量方法，本发明可以简化波像差测量流程，提高波像差测量精度，同时缩短测量时间。
一种光刻机投影物镜波像差现场测量的方法，利用了一测量系统，该系统包括用于产生照明光束的光源；能调整照明光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式的照明系统；能承载测试掩模并精确定位的掩模台；能将测试掩模上的图形成像且数值孔径可调的投影物镜；能精确定位的六维扫描工件台；被安装于六维扫描工件台上用于测量测试掩模上的图形的图像传感器；其特征在于该方法具有以下步骤：
(1)利用光刻仿真软件，计算测试掩模在12种照明方式和泽尼克系数Z5～Z37组合情况下的X-Z空间像平面光强分布图，对仿真得到的光强分布图进行主成份分析，得到一系列本征方程、本征值以及这些仿真得到光强分布图的主成份系数，利用多元线性回归的方法，建立1～25阶主成份系数与输入参数的线性模型，其中输入参数为数值孔径、部分相干因子、各项泽尼克系数及其和数值孔径和部分相干因子的交叉项；
(2)设置照明系统的部分相干因子和投影物镜的数值孔径NA，启动光源，光源发出的照明光经照明系统调整后得到相应的照明方式，并照射掩模台上的测试掩模，利用图像传感器扫描测试掩模上的测量标记经投影物镜所成的空间像；
(3)改变照明系统的部分相干因子和投影物镜的数值孔径NA，重复步骤(2)，直至图像传感器扫描完12种照明方式分别对应的12个空间像；
(4)利用步骤(1)得到的主成份分析结果，对测得的空间像光强分布进行主成份分解，得到1～25阶主成份系数，利用建立的线性模型，拟合得到表征投影物镜波像差的泽尼克系数Z5～Z37。
其中，在步骤(1)中利用下述方式建立线性模型：对仿真得到的光强分布图进行主成份分析，得到一系列本征方程U、本征值∑以及这些仿真得到光强分布图的主成份系数V，
I＝U·∑·V                                                    (1)
利用多元线性回归的方法，建立1～25阶主成份系数V与输入参数的线性模型，其中输入参数为数值孔径NAo、部分相干因子NAi、各项泽尼克系数Z5～Z37及其和数值孔径和部分相干因子的交叉项，
Vi＝[1 NAo NAi NAo·NAi]·RMi·[1 Z5 Z6 Z7 Z8 Z10ΛZ37]T  (i＝1，2……，25)  (2)
其中RMi为回归矩阵
为了简化线性模型，可以通过方差分析的方法，在不影响拟合精度的情况下将影响较小的项舍去，
建立泽尼克多项式的旋转矩阵，T0表示旋转0度，T90表示旋转90度，将基于垂直方向和水平方向孤立空建立的线性模型表示如下
其中，利用式(3)进行最小二乘法拟合，拟合得到表征投影物镜波像差的泽尼克系数Z5～Z37。
其中，所述主成份系数V是按对应本征值(latent)由大至小排列而取的主成分系数，阶数不限于25。
其中，所述的光源是汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源或放电等离子体光源等紫外、深紫外和极紫外光源。
其中，所述照明系统包括扩束透镜组，光束整形器和光束均匀器。
其中，所述照明方式包括传统照明、环形照明、二级照明、四级照明。
其中，所述的测试掩模可以是孤立线、孤立空、密集线或砖墙标记。
其中，所述的测试掩模上的标记图形的角度是垂直方向和水平方向旋转矩阵T表征任意角度的旋转，对应不同角度的掩模图形。特定角度的标记图形有助于提高对泽尼克系数的特定项的测量精度。
其中，所述投影物镜可以是全透射式投影物镜、折反式投影物镜或全反射式投影物镜。
本发明利用光刻仿真和多元统计分析的方法，建立光刻空间像与数值孔径、部分相干因子、表征波像差的泽尼克系数(Z5～Z37)的线性模型。然后再在1～12种照明设置情况下测量特定测试掩模在X-Z平面的空间像，利用上述线性模型拟合出33项泽尼克系数。本发明的测量方法简单，仅需使用12种照明设置中的一种或多种，占用光刻机机时极少，使投影物镜波像差的检测速度有显著的提高。本发明可以测量33项泽尼克系数，相对于TAMIS技术提高了测量泽尼克系数的数量。本发明的泽尼克系数测量精度也有明显的提高。本发明还可以通过变换照明方式，采用光瞳滤波等途径提高波像差的检测精度。
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：
图1所示为根据本发明的光刻机投影物镜波像差现场测量系统的结构示意图。
图2所示为通过仿真得到的空间像光强分布等高线图示例。
图3所示为通过仿真得到的空间像光强分布等高线图示例。
图4所示为第一个本征方程经处理后得到的二维等高线图形示例。
图5所示为第二个本征方程经处理后得到的二维等高线图形示例。
图6所示为第三个本征方程经处理后得到的二维等高线图形示例。
图7所示为第四个本征方程经处理后得到的二维等高线图形示例。
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所示为根据本发明的光刻机投影物镜波像差现场测量系统的结构示意图。该系统包括产生照明光束的光源1；用于调整所述光源发出的光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式的照明系统2；能承载测试掩模3并进行精确定位的掩模台4；能对测试掩模3上的图形(水平方向和垂直方向的孤立空)进行成像且数值孔径可调的投影物镜5；能精确定位的六维扫描工件台6；安装在六维扫描工件台6上用于测量测试掩模3上的图形成像的图像传感装置7。
所述的光源1可以是汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源和放电等离子体光源等紫外、深紫外和极紫外光源。
所述照明系统2包括扩束透镜组21、光束整形器22和光束均匀器23。
所述照明方式可以是传统照明、环形照明、二级照明或四级照明等。
所述的测试掩模可以是孤立线、孤立空、密集线或砖墙标记等。
所述投影物镜5可以是全透射式投影物镜、折反式投影物镜或全反射式投影物镜等。
利用上述系统进行光刻机投影物镜波像差现场测量的方法包括以下步骤：
利用光刻仿真软件(PROLITH、Solid-C等)，计算垂直方向孤立空图形在12种照明设置(即传统/环形照明、high/low数值孔径、high/middle/low部分相干因子的组合照明，但是本发明并不限于这些照明设置)和二千余种泽尼克系数(Z5～Z37)组合情况下的X-Z空间像平面光强分布图，图2和图3为仿真得到的空间像光强分布图示例。
对仿真得到的光强分布图进行主成份分析，得到一系列本征方程U、本征值∑以及这些仿真得到光强分布图的主成份系数V，如式(1)所示。第一阶到第四阶本征方程经转化为二维图形形式的示例，如图4、5、6、7所示。
I＝U·∑·V                        (1)
其中I为空间像光强。
利用多元线性回归的方法，建立1～25阶主成份系数V与输入参数(数值孔径NAo、部分相干因子NAi、各项泽尼克系数(Z5～Z37)及其和数值孔径和部分相干因子的交叉项)的线性模型，如式(2)所示。
Vi＝[1 NAo NAi NAoi·NAi]·RMi·[1 Z5 Z6 Z7 Z8 Z10ΛZ37]T  (i＝1，2……，25)  (2)
其中RMi为回归矩阵。为了简化线性模型，进一步可以通过方差分析的方法，在不影响拟合精度的情况下将影响较小的项舍去。
建立泽尼克多项式的旋转矩阵，T0表示旋转0度，T90表示旋转90度。因此可以将基于垂直方向和水平方向孤立空建立的线性模型表示为式(3)。式中TS表示照明设置。
Figure G2010100226902D00061
启动光刻机，光源1发出的照明光经照明系统2中的扩束透镜组21扩束后进入光束整形器22，得到所需要的照明方式，再进入光束均匀器23使照明光的光强均匀化；经光强均匀化后的照明光束照射掩模台4上的测试掩模3，通过垂向调节六维扫描工件台6使图像传感装置7扫描并记录测试掩模3上垂直方向孤立空与水平方向孤立空图形经投影物镜5所成空间像的光强分布；
通过改变照明系统2的部分相干因子、照明方式以及投影物镜5的数值孔径，重复上述步骤，直至采集完12种照明方式中的一种或多种下的空间像。
根据式(1)，对测得的空间像与由仿真得到的空间像的主成分(本征方程与本征值的积)进行最小二乘拟合，得到1～25阶主成份系数。再利用式(3)进行最小二乘法拟合，便可拟合得到表征投影物镜波像差的泽尼克系数(Z5～Z37)。
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 (10)

1.一种光刻机投影物镜波像差现场测量的方法，利用了一测量系统，该系统包括用于产生照明光束的光源；能调整照明光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式的照明系统；能承载测试掩模并精确定位的掩模台；能将测试掩模上的图形成像且数值孔径可调的投影物镜；能精确定位的六维扫描工件台；被安装于六维扫描工件台上用于测量测试掩模上的图形所成空间像的图像传感器；其特征在于该方法具有以下步骤：
(1)利用光刻仿真软件，计算测试掩模在12种照明方式和泽尼克系数Z5～Z37组合情况下的X-Z空间像平面光强分布图，对仿真得到的多个光强分布图进行主成份分析，得到一系列本征方程、本征值以及主成份系数，利用多元线性回归的方法，建立1～25阶主成份系数与输入参数的线性模型；其中输入参数为数值孔径、部分相干因子、各项泽尼克系数及其和数值孔径和部分相干因子的交叉项；
(2)设置照明系统的部分相干因子和投影物镜的数值孔径NA，启动光源，光源发出的照明光经照明系统调整后得到相应的照明方式，并照射掩模台上的测试掩模，利用图像传感器扫描测试掩模上的测量标记经投影物镜所成的空间像；
(3)改变照明系统的部分相干因子和投影物镜的数值孔径NA，重复步骤(2)，直至图像传感器扫描完12种照明方式分别对应的12个空间像；
(4)利用步骤(1)得到的主成份分析结果，对测得的空间像光强分布进行主成份分解，得到1～25阶主成份系数，利用建立的线性模型，拟合得到表征投影物镜波像差的泽尼克系数Z5～Z37。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中利用下述方式建立线性模型：对仿真得到的光强分布图进行主成份分析，得到一系列本征方程U、本征值∑以及这些仿真得到光强分布图的主成份系数V，
I＝U·∑·V                                                (1)
利用多元线性回归的方法，建立1～25阶主成份系数V与输入参数的线性模型，其中输入参数为数值孔径NAo、部分相干因子NAi、各项泽尼克系数Z5～Z37及其和数值孔径和部分相干因子的交叉项，
Vi＝[1 NAo NAi NAo·NAi]·RMi·[1 Z5 Z6 Z7 Z8 Z10 Λ Z37]T    (i＝1，2……，25)  (2)
其中RMi为回归矩阵
为了简化线性模型，可以通过方差分析的方法，在不影响拟合精度的情况下将影响较小的项舍去，
建立泽尼克多项式的旋转矩阵，T0表示旋转0度，T90表示旋转90度，将基于垂直方向和水平方向孤立空建立的线性模型表示如下
Figure F2010100226902C00021
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用式(3)进行最小二乘法拟合，拟合得到表征投影物镜波像差的泽尼克系数Z5～Z37。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述主成份系数是按对应本征值(latent)由大至小排列而取的主成分系数，阶数不限于25。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的光源是汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源或放电等离子体光源等紫外、深紫外和极紫外光源。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照明系统包括扩束透镜组，光束整形器和光束均匀器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照明方式包括传统照明、环形照明、二级照明、四级照明。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的测试掩模可以是孤立线、孤立空、密集线、密集空或砖墙标记。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的测试掩模上的标记图形的角度是垂直方向和水平方向，旋转矩阵T表征任意角度的旋转，对应不同角度的掩模图形。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述投影物镜可以是全透射式投影物镜、折反式投影物镜或全反射式投影物镜。
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