CN102193338A - 用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置及方法，能够实现对投影物镜波像差高精度的检测。具体过程为：在投影物镜波像差检测时，利用位于投影物镜上方的第一扩展光源板上的圆形针孔阵列产生理想的球面波，消除了照明系统对光刻机投影物镜波像差检测的影响；在进行系统误差标定时，利用位于投影物镜下方的第二扩展光源板上的圆形针孔阵列产生理想的球面波，实现了对待测照明系统残留像差和投影物镜波像差的空间滤波。本发明圆形针孔阵列上包括多个针孔，使得光源的利用率高，同时光束在传播的过程中损耗小，从而提高了测量的精度。

Description

用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对投影光学系统的光学性能进行现场测量的装置，特别涉及一种采用扩展光源照明的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，属于光学测量技术领域。

背景技术

在大规模集成电路的制备过程中，通常使用光刻机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。如图1所示，现有光刻机通常包括用于产生投影光束的光源101；用于调整光源发出的光束部分相干因子和偏振态的照明系统102；能将掩模图案成像在硅片106上的投影物镜105；能承载所述掩模103并精确定位的掩模台104；能承载所述硅片106并精确定位的硅片台107。

目前，光刻机的主流技术——ArF光刻技术已经发展到65nm以下技术节点，为了满足低工艺因子ArF光刻技术特征尺寸控制的要求，高数值孔径投影物镜波像差通常要控制在10mλrms(λ＝193nm)以内，因此需要在光刻机中集成光刻机投影物镜波像差现场测量装置，以快速、高精度地实现对投影物镜的全视场波像差现场测量。

美国专利US6914665和US6975387公开了一种通过在光刻机硅片台上集成基于Shack-Hartmann波前传感器原理的波像差测量装置，实现光刻机投影物镜的波像差现场测量。文献《Portable phase measuring interferometer usingShack-Hartmann method》(Proc.SPIE，2003，5038：726～732)对该装置的波像差测量和系统误差标定方法进行了详细论述。但是该装置存在体积大造价高以及测量精度低等问题。

针对上述现有技术的不足，本发明人于2009年7月20日申请的专利号为：ZL200910089426.8的《一种光刻机投影物镜波像差的现场测量装置》专利，其包括一个位于掩模台上的针孔掩模板。该现场测量装置集成于光刻机上，通过调节光刻机照明系统的部分相干因子和偏振态，使得照明光束均匀照射在掩模上。利用光束的反射原理，完成对该现场测量装置系统误差的标定；之后通过移动针孔掩模板和硅片台的测量位置，完成光刻机上投影物镜多个视场点波像差的现场测量。但是，上述现场测量装置存在以下问题：第一，其采用包含单个针孔的针孔掩模板对光束进行空间滤波，由于针孔透光面积的限制导致光透过率差，光源的利用率低，影响了测量精度。第二，其采用分束镜以及反射镜来改变光束的光路，光束在传播的过程中损耗较大。

发明内容

本发明的目的是为了实现光刻机投影物镜波像差的现场测量，提出一种采用扩展光源照明的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，利用该装置测量投影物镜波像差的测量精度高。

实现本发明的技术方案如下：

一种用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，包括第一扩展光源板、第二扩展光源板、准直物镜、衍射光学元件以及光电传感器；其中，第一扩展光源板位于光刻机掩模台上且与投影物镜的物面重合，第二扩展光源板位于光刻机硅片台上且与投影物镜的像面重合，准直物镜位于第二扩展光源板沿光刻机投影物镜光轴方向的下游，且准直物镜的物方焦面与投影物镜像面重合，衍射光学元件位于准直物镜的像方位置，光电传感器位于衍射光学元件光束出射方向的焦平面上；

第一扩展光源板上设有圆形针孔阵列A和圆形窗口A；所述圆形窗口A的尺寸应小于或者等于投影物镜物方视场的等晕区的尺寸，即圆形窗口A的直径D₁≤pz/2fm，p为衍射光学元件的周期常数，z为衍射光学元件与光电传感器沿投影物镜光轴方向的间距，f为准直物镜的焦距，m为投影物镜的缩小倍率；圆形针孔阵列A中的每一个针孔大小相等，各针孔直径d₁小于所述投影物镜物方衍射极限分辨率，即d₁＜λ/2NA_o，λ为光刻机上光源发出光波的波长，NA_o为投影物镜的物方数值孔径；

第二扩展光源板上设有圆形针孔阵列B和圆形窗口B；所述圆形窗口B的尺寸应小于或者等于投影物镜像方视场的等晕区的尺寸，即圆形窗口B的直径D₂≤pz/2f；圆形针孔阵列B中的每一个针孔的大小相等，各针孔直径d₂小于所述投影物镜像方衍射极限分辨率，即d₂＜λ/2NA_i，NA_i为投影物镜的像方数值孔径，且NA_i＝NA_o/m；

当检测光刻机中投影物镜视场点K的波像差时，使第一扩展光源板上的圆形针孔阵列A的圆心与视场点K重合，使第二扩展光源板上的圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A在投影物镜像面上所成像的中心重合；

当校准在线检测装置的系统误差时，使第一扩展光源板的圆形窗口A的圆心与投影物镜的视场点O重合，使第二扩展光源板上圆形针孔阵列B的圆心与圆形窗口A在投影物镜像面上所成像的中心重合。

本发明所述衍射光学元件由周期常数为p的微镜阵列或微孔阵列组成。

本发明所述圆形针孔阵列A的直径小于或者等于圆形窗口A的直径；圆形针孔阵列B的直径小于或等于圆形窗口B的直径。

本发明所述圆形针孔阵列A中每相邻两针孔的圆心距相等为L₁≥λ/NA_o；圆形针孔阵列B中每相邻两针孔的圆心距相等为L₂≥λ/NA_i。

一种利用上述现场测量装置的测量方法，具体步骤为：

步骤一、调节光刻机照明系统，使光束均匀照射于投影物镜的物面上；

步骤二、移动掩模台使得位于掩模台上的第一扩展光源板上的圆形窗口A的圆心与投影物镜的视场点O重合，移动第二扩展光源板使得圆形针孔阵列B的圆心与圆形窗口A在投影物镜像面所成的像的中心重合，并且调节准直物镜使其中心视场点与圆形针孔阵列B的圆心重合；对此时光电传感器上形成多个像点位置的偏移进行波面重建，得到包括现场测量装置系统误差的波像差W_sys；

步骤三、移动掩模台使得位于掩模台上的第一扩展光源板的圆形针孔阵列A的圆心与投影物镜视场点K重合，移动第二扩展光源板使得圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A在投影物镜像面所成像的中心重合，并且调节准直物镜使其中心视场点与圆形窗口B的圆心重合；对此时光电传感器上形成多个像点位置的偏移进行波面重建，得到包括投影物镜在视场点K的波像差以及现场测量装置系统误差的波像差W_k′；

步骤四、通过调节光刻机掩模台和硅片台来切换所需测量的视场点，重复步骤三直至完成投影物镜全视场波像差的测量，最终得到所有视场点的波像差W_i′(i＝1，L L，n)，i为所测量的视场点的序号，n为所需测量的视场点的个数；

步骤五、投影物镜上各视场点经过校正之后的波像差W_i＝W_i′-W_sys。

有益效果

本发明在投影物镜波像差检测时，利用位于投影物镜上方的第一扩展光源板上的圆形针孔阵列产生理想的球面波，消除了照明系统对光刻机投影物镜波像差检测的影响，且圆形针孔阵列上包括多个针孔，使得光源的利用率高，同时光束在传播的过程中损耗小，从而提高了测量精度。

其次，在进行系统误差标定时，利用位于投影物镜下方的第二扩展光源板上的圆形针孔阵列产生理想的球面波，实现了对待测照明系统残留像差和投影物镜波像差的空间滤波，且圆形针孔阵列上包括多个针孔，使得光源的利用率高，同时光束在传播的过程中损耗小，从而提高了测量的精度。

附图说明

图1为现有光刻机的结构示意图。

图2为本具体实施方式中波像差现场测量装置的结构示意图。

图3为本具体实施方式中第一扩展光源板的结构示意图。

图4为本具体实施方式中第二扩展光源板的结构示意图。

其中，101-光源、102-照明系统、103-掩模、104-掩模台、105-投影物镜、106-硅片，107-硅片台。

201-第一扩展光源板、202-第二扩展光源板、203-准直物镜、204-衍射光学元件、205-光电传感器。

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说明。

首先介绍光刻机系统，其结构示意图如图1所示，包括：光源101、照明系统102、掩模103、掩模台104、投影物镜105、硅片106以及硅片台107。

光刻机的工作原理如下：光源101发出的光经过照明系统102后，照射在掩模103上，将掩模103上的图案通过投影物镜105，以“步进-扫描”方式，缩小投影在涂有光刻胶的硅片106上，从而实现图案的转移。其中，光源101为准分子激光光源，如波长约为193nm的ArF准分子激光器或波长约为248nm的KrF准分子激光器。照明系统102为具有调节照明光束部分相干因子以及光束偏振态的光学元器件。刻有待转移的电路图案的掩模103，它由掩模台104支撑和驱动。涂有光刻胶的硅片106由硅片台107支撑和驱动。掩模103和硅片106位于投影物镜105的光学共轭面上。掩模台104和硅片台107以不同的速率同步扫描运动，通过“步进-扫描”方式将掩模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。投影物镜105的波像差，特别是其中的高级像差，会严重影响转移的图案特征尺寸的控制精度。

本发明装置的设计原理是：在光刻机系统中集成基于shack-hartmann像传感器原理的投影物镜波像差测量装置，用于投影物镜波像差的现场测量。本发明测量装置采用扩展光源照明，在现场测量投影物镜的波像差时，利用置于投影物镜下方的第二扩展光源板上的圆形针孔阵列，使其产生理想球面波以消除照明系统残留像差和投影物镜波像差，在进行系统标定时，利用置于投影物镜上方的第一扩展光源板上的圆形针孔阵列，使其产生理想球面波以消除照明系统的残留像差，进而使测量的投影物镜波像差具有较高的精度。

如图2所示，本具体实施方式中的波像差现场测量装置200包括：(1)位于掩模台103上的第一扩展光源板201，通过调节掩模台103使其与投影物镜的物面重合，其中，可通过微纳加工技术在铬掩模板上制备第一扩展光源板201的微结构。(2)位于硅片台107一侧的第二扩展光源板202，其与投影物镜的像面重合，其中，可通过微纳加工技术在铬掩模板上制备第二扩展光源板的微结构。(3)位于第二扩展光源板202沿投影物镜105光轴方向的下游的准直物镜203，且准直物镜203的物方焦面与投影物镜105像面重合，物方数值孔径不小于投影物镜105的像方数值孔径，入瞳尺寸不小于投影物镜105出瞳尺寸，优选为两者尺寸相等，入瞳位置与投影物镜105的出瞳瞳位置越接近越好，优选为两者位置重合。其中，上述准直物镜203可采用全折射或折返式系统。(4)位于准直物镜203像方位置的衍射光学元件204，衍射光学元件204可由周期常数为p的微镜阵列或微孔阵列组成，其有效通光区域不小于准直物镜105的出瞳尺寸，优选为两者尺寸相等；衍射光学元件204的位置与准直物镜203的出瞳位置越接近越好，优选为两者位置重合。(5)位于衍射光学元件204光束出射方向的焦平面上的光电传感器205，光电传感器205的有效像元区域不小于衍射光学元件的有效通光区域；其中，上述光电传感器205可采用如CCD。

如图3所示，第一扩展光源板201上设有一个圆形针孔阵列A和一个圆形窗口A。圆形窗口A的所定义的圆形区域必须包含在投影物镜105物方视场的等晕区之内，圆形窗口A的直径D₁≤pz/2fm，p为衍射光学元件204的周期常数，z为衍射光学元件204与光电传感器205沿投影物镜105光轴方向的间距，f为准直物镜203的焦距，m为投影物镜105的缩小倍率。圆形针孔阵列A中的每一个针孔大小相等，各针孔直径d₁小于所述投影物镜物方衍射极限分辨率，即d₁＜λ/2NA_o，λ为光刻机100上光源发出光波的波长，NA_o为投影物镜105的物方数值孔径。圆形针孔阵列A的直径小于或等于圆形窗口A的直径。圆形针孔阵列A中每相邻两针孔的圆心距相等为L₁，L₁大于照明系统102投射到投影物镜105物面光束的空间相干长度，即L₁≥λ/NA_o。

如图4所示，第二扩展光源板202上设有一个圆形针孔阵列B和一个圆形窗口B；圆形窗口B的所定义的圆形区域必须包含在投影物镜105像方视场的等晕区之内，圆形窗口B的直径D₂≤pz/2f。圆形针孔阵列B中每一个针孔的大小相等，各针孔直径d₂≤λ/2NA_i，NA_i为所述投影物镜105的像方数值孔径，满足关系式NA_i＝NA_o/m；圆形针孔阵列B的直径小于或等于圆形窗口B的直径；圆形针孔阵列B中每相邻两针孔的圆心距相等为L₂，L₂大于投射到投影物镜105像面光束的空间相干长度，一般应满足L₂≥λ/NA_i。

当使用所述装置200检测投影物镜105视场点K的波像差时，通过移动掩模台104使第一扩展光源板201上的圆形针孔阵列A的圆心与视场点K重合，移动第二扩展光源板202使得圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A在投影物镜105像面上所成像的中心重合，通过移动准直物镜203使其中心视场点与圆形窗口B的圆心重合。光刻机100的照明系统102出射光束经过圆形针孔阵列A滤波后消除了照明系统102的残留像差，形成多个理想球面波，圆形针孔阵列A中针孔所排布的圆形区域的圆心即为所测量的视场点K。经过投影物镜105后的光束携带了投影物镜105处于视场点K的波像差以及现场测量装置系统误差，在投影物镜105的像面上形成了圆形针孔阵列A的像。圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A的像的中心重合，对光束不产生影响；光束经圆形窗口B后由准直物镜203整形为平行光束；平行光束经过衍射光学元件204后，在光电传感器205上形成多个像点，每一个像点对应衍射光学元件204上的一个子孔径；利用各个子孔径内像点位置的偏移，经过波面重建，得到37项Zernike多项式表示的包含投影物镜视场点K的波像差和现场测量装置系统误差的波像差W_k′。

当标定所述装置200的系统误差时，通过移动掩模台104使第一扩展光源板201的圆形窗口A的圆心与投影物镜105的视场点O重合，移动第二扩展光源板202使得圆形针孔阵列B的圆心与圆形窗口A在投影物镜105像面上所成像的中心重合，通过移动准直物镜203使其中心视场点与圆形针孔阵列B的圆心重合。光刻机100的照明系统102出射光束经过圆形窗口A，再经过投影物镜105，在投影物镜105的像面形成了圆形窗口A的像。圆形针孔阵列B对入射光束进行空间滤波，消除了照明系统残留像差和投影物镜波像差，产生携带现场测量装置系统误差的理想球面波。理想球面波经过准直物镜203后整形为平行光束；平行光束经过衍射光学元件204后，在光电传感器205上形成多个像点，每一个像点对应衍射光学元件204的一个子孔径；利用各个子孔径内像点位置的偏移，经过波面重建，得到37项Zernike多项式表示的包括装置200的系统误差的波像差W_sys。

采用本装置200进行投影物镜100全视场波像差测量的过程如下：

步骤一、照明系统102具有调节照明光束部分相干因子和偏振态的功能，光源101发出的光束首先经过照明系统102整形，使光束均匀照射于掩模103所在的平面上。

步骤二、进行装置200的系统误差标定：移动掩模台104使得位于掩模台104上的第一扩展光源板201上的圆形窗口A的圆心与投影物镜105的视场点O重合，移动第二扩展光源板202使得圆形针孔阵列B的圆心与圆形窗口A在投影物镜105像面所成的像的中心重合，并且调节准直物镜203使其中心视场点与圆形针孔阵列B的圆心重合。光刻机100上的照明系统102出射光束经过圆形窗口A，再经过投影物镜105，在投影物镜105的像面上形成了圆形窗口A的像。圆形针孔阵列B上的针孔对入射光束进行空间滤波，产生理想球面波，消除了照明系统残留像差和投影物镜波像差；理想球面波经过准直物镜203后整形为平行光束；平行光经过衍射光学元件204之后，在光电传感器205上形成多个像点，每一个像点对应衍射光学元件204的一个子孔径；利用各个子孔径内像点位置的偏移，经过波面重建，得到37项Zernike多项式表示的包括装置200的系统误差的波像差W_sys。系统误差标定只需要在安装时标定一次，标定时视场点O可以进行任意选取。

步骤三、测量投影物镜105视场点K的波像差：移动掩模台104使得位于掩模台104上的第一扩展光源板201的圆形针孔阵列A的圆心与投影物镜105视场点K重合，移动第二扩展光源板202使得圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A在投影物镜105像面所成像的中心重合，并且调节准直物镜203使其中心视场点与圆形窗口B的圆心重合。光刻机100的照明系统102出射光束经过圆形针孔阵列A上的针孔滤波后消除了照明系统102的残留像差，形成多个理想球面波，圆形针孔阵列A中针孔所排布的圆形区域的圆心即为所测量的视场点K；经过投影物镜105后携带了投影物镜105在视场点K的波像差信息，在投影物镜105的像面形成了圆形针孔阵列A的像；圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A的像的中心重合，对入射的光束不产生影响。光束经圆形窗口B后由准直物镜203整形为平行光；平行光经过衍射光学元件204后，在光电传感器205上形成多个像点，每一个像点对应衍射光学元件204的一个子孔径；利用各个子孔径内像点位置的偏移，经过波面重建，得到37项Zernike多项式表示的包括投影物镜105在视场点K的波像差以及装置200的系统误差的波像差W_k′。

步骤四、进行投影物镜105全视场的波像差现场测量：根据预先设定的投影物镜105的波像差测量位置，通过调节掩模台104和硅片台107来切换所需测量的视场点，每个视场点的测量均按照步骤三所述过程，直至完成投影物镜105全视场波像差的测量，最终得到37项Zernike多项式表示的所有视场点的波像差W_i′(i＝1，L L，n)，i为所测量的视场点的序号，n为所需测量的视场点的个数。

步骤五、投影物镜105上各视场点经过校正之后的波像差W_i(i＝1，L L，n)可计算为W_i＝W_i′-W_sys，即通过W_i′和W_sys中对应项的Zernike系数相减计算W_i。自此完成了光刻机投影物镜全视场波像差的现场测量。然后，根据投影物镜105全视场波像差W_i(i＝1，L L，n)，利用预先设定的投影物镜105的敏感度矩阵，计算投影物镜105中预先设定的各补偿器的调节量。根据各补偿器的调节量的计算结果，调整投影物镜105中的各补偿器，就可以完成投影物镜105的波像差校正。

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 (5)

1.一种用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，其特征在于，包括第一扩展光源板、第二扩展光源板、准直物镜、衍射光学元件以及光电传感器；其中，第一扩展光源板位于光刻机掩模台上且与投影物镜的物面重合，第二扩展光源板位于光刻机硅片台上且与投影物镜的像面重合，准直物镜位于第二扩展光源板沿光刻机投影物镜光轴方向的下游，且准直物镜的物方焦面与投影物镜像面重合，衍射光学元件位于准直物镜的像方位置，光电传感器位于衍射光学元件光束出射方向的焦平面上；

第一扩展光源板上设有圆形针孔阵列A和圆形窗口A；所述圆形窗口A的尺寸应小于或者等于投影物镜物方视场的等晕区的尺寸，即圆形窗口A的直径D₁≤pz/2fm，p为衍射光学元件的周期常数，z为衍射光学元件与光电传感器沿投影物镜光轴方向的间距，f为准直物镜的焦距，m为投影物镜的缩小倍率；圆形针孔阵列A中的每一个针孔大小相等，各针孔直径d₁小于所述投影物镜物方衍射极限分辨率，即d₁＜λ/2NA_o，λ为光刻机上光源发出光波的波长，NA_o为投影物镜的物方数值孔径；

第二扩展光源板上设有圆形针孔阵列B和圆形窗口B；所述圆形窗口B的尺寸应小于或者等于投影物镜像方视场的等晕区的尺寸，即圆形窗口B的直径D₂≤pz/2f；圆形针孔阵列B中的每一个针孔的大小相等，各针孔直径d₂小于所述投影物镜像方衍射极限分辨率，即d₂＜λ/2NA_i，NA_i为投影物镜的像方数值孔径，且NA_i＝NA_o/m；

当检测光刻机中投影物镜视场点K的波像差时，使第一扩展光源板上的圆形针孔阵列A的圆心与视场点K重合，使第二扩展光源板上的圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A在投影物镜像面上所成像的中心重合；

当校准在线检测装置的系统误差时，使第一扩展光源板的圆形窗口A的圆心与投影物镜的视场点O重合，使第二扩展光源板上圆形针孔阵列B的圆心与圆形窗口A在投影物镜像面上所成像的中心重合。

2.根据权利要求1所述的用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，其特征在于，所述衍射光学元件由周期常数为p的微镜阵列或微孔阵列组成。

3.根据权利要求1所述的用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，其特征在于，所述圆形针孔阵列A的直径小于或者等于圆形窗口A的直径；圆形针孔阵列B的直径小于或等于圆形窗口B的直径。

4.根据权利要求1所述的用扩展光源的光刻机投影物镜波像差现场测量装置，其特征在于，所述圆形针孔阵列A中每相邻两针孔的圆心距相等为L₁≥λ/NA_o；圆形针孔阵列B中每相邻两针孔的圆心距相等为L₂≥λ/NA_i。

5.一种如权利要求1所述现场测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、调节光刻机照明系统，使光束均匀照射于投影物镜的物面上；

步骤二、移动掩模台使得位于掩模台上的第一扩展光源板上的圆形窗口A的圆心与投影物镜的视场点O重合，移动第二扩展光源板使得圆形针孔阵列B的圆心与圆形窗口A在投影物镜像面所成的像的中心重合，并且调节准直物镜使其中心视场点与圆形针孔阵列B的圆心重合；对此时光电传感器上形成多个像点位置的偏移进行波面重建，得到包括现场测量装置系统误差的波像差W_sys；

步骤三、移动掩模台使得位于掩模台上的第一扩展光源板的圆形针孔阵列A的圆心与投影物镜视场点K重合，移动第二扩展光源板使得圆形窗口B的圆心与圆形针孔阵列A在投影物镜像面所成像的中心重合，并且调节准直物镜使其中心视场点与圆形窗口B的圆心重合；对此时光电传感器上形成多个像点位置的偏移进行波面重建，得到包括投影物镜在视场点K的波像差以及现场测量装置系统误差的波像差W_k′；

步骤四、通过调节光刻机掩模台和硅片台来切换所需测量的视场点，重复步骤三直至完成投影物镜全视场波像差的测量，最终得到所有视场点的波像差W_i′(i＝1，L L，n)，i为所测量的视场点的序号，n为所需测量的视场点的个数；

步骤五、投影物镜上各视场点经过校正之后的波像差W_i＝W_i＇-W_sys。

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