CN102200695A

CN102200695A - 一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置

Info

Publication number: CN102200695A
Application number: CN 201110128071
Authority: CN
Inventors: 李艳秋; 汪海; 刘克
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: CN102200695B

Abstract

本发明提供一种系统误差自校准的投影物镜波像差在线检测装置，能够实现对光刻机投影物镜波相差的高精度检测。采用设有方形针孔阵列的物方掩模板，通过方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，从而进一步提高了检测精度。利用针孔阵列滤波的系统误差自校准，通过在光刻机投影物镜的物面放置方孔掩模板和像面放置针孔阵列掩模板，在保证曝光光源利用率的同时，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，从而可以快速，高精度的获得投影物镜的波像差。

Description

一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置。

背景技术

随着光刻分辨力的提高，要求光刻机投影物镜的残留波像差也越来越小。ASML、Canon及Nikon三大公司在加工、集成光刻机投影物镜时，直接利用高精度位相测量干涉仪(Phase Measurement Interferometer，简称PMI)，如泰曼-格林干涉仪、菲索干涉仪对光刻机投影物镜的残留波像差进行检测。但是，实际中由于运输、装配等因素的影响，光刻机投影物镜波像差将发生改变而超出残留波像差值，此时光刻机投影物镜波像差对光刻分辨力造成很大影响。由于PMI结构比较复杂，难以集成到光刻机中，因此，开发高精度、高速度光刻机物镜波像差在线检测技术十分必要。通过在线检测光刻机投影物镜各视场的波像差，并利用灵敏度矩阵计算分析出对应各视场波像差的失调量，然后调整光刻机投影物镜，使光刻机投影物镜各视场的波像差实测值达到PMI检测的容限水平，保证最佳光刻分辨力成像。从2007年开始，三大光刻公司先后推出了光刻分辨率达到45nm的光刻机，其浸没式投影物镜的数值孔径达到1.35且投影物镜的残留波像差均达到6mλ以下，这对实现光刻机投影物镜波像差的在线检测技术提出了更高的挑战和性能要求。

现在主流的光刻机投影物镜波像差在线检测的技术主要基于光干涉原理的检测技术及基于夏克-哈特曼波前传感技术。其中基于光干涉原理检测的主要代表技术有ASML公司的ILIAS(Integrated Lens Interferometer At Scanner)技术和Canon公司的iPMI(in-situ Phase Measurement Interferometer)技术；ASML公司的ILIAS技术利用一维光栅剪切干涉仪，需要在x，y两个方向上检测，无法实现对像散的精确检测。Canon公司的iPMI技术基于线衍射干涉仪原理，需要物方掩模板上的狭缝和窗口与像方掩模板上的窗口和狭缝精确对准，此对准对检测速度影响显著。基于夏克-哈特曼波前传感技术的主要是Nikon公司的P-PMI(Portable phase measuring interferometer)技术，由于夏克-哈特曼技术中微透镜阵列限制了检测波前的采样能力，从而限制了检测精度。

针对前述三大光刻设备供应商所开发的检测技术存在的不足。本发明人于2010年5月13号提出的申请号为：201010175495.3的《一种光刻物镜波像差在线检测装置及方法》专利申请，其具有如下有益效果：首先，该装置通过调节剪切装置和光电探测器的间距，可以实现剪切比的连续可调，从而针对不同的待测物镜及同一待测物镜在不同的条件下进行在线检测时，可以获得相对应的剪切比，从而提高了测量的灵敏度及测量精度；其次，该装置利用方孔扩展光源(主要由漫射体和方孔掩模板形成)提高了曝光光源光强的利用率，弥补了采用点光源时投影物镜曝光时间长及干涉条纹对比度低的不足，从而提高了测量速度和测量精度；而且，该装置利用轴向移动像方方孔掩模板来实现对系统误差的校准。但是，由于该检测装置中采用方孔扩展光源，从而无法消除照明系统的残留像差，并且该装置通过轴向移动像方方孔掩模板校准系统误差，由于准直物镜物方工作距离限制了像方方孔掩模板的轴向移动范围，限制了像方方孔掩模板对光刻投影物镜波像差和照明系统的残留像差的空间滤波效果。由于前述两点不足，在一定程度上限制了正交位相光栅横向剪切干涉仪装置检测精度地进一步提高。

发明内容

本发明提出一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，能够消除照明系统残留的像差，实现对光刻物镜波像差高精度的在线检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，包括准直物镜、剪切装置、轴向调节装置、光电探测器、存储器、运算器、控制器、物方掩模板以及像方掩模板；

物方掩模板位于光刻机的物方工件台上，且设有方形针孔阵列A和方孔A，所述方形针孔阵列A上的针孔直径r₁小于光刻机的投影物镜的物方衍射极限尺寸，如公式(1)

r₁＜0.61λm^×/NA_i (1)

其中，λ为光刻机中曝光光源发出光波的波长，NA_i为光刻机中投影物镜的像方数值孔径，m^×为光刻机中投影物镜的缩小倍率；

像方掩模板位于光刻机的像方工件台上，且设有方形针孔阵列B和方孔B，所述方形针孔阵列B上的针孔直径r₂小于所述光刻投影物镜的像方衍射极限尺寸，如公式(2)

r₂＜0.61λ/NA_i (2)

方形针孔阵列A中每行第一个针孔和最后一个针孔的圆心距为l₁＝a₁-r₁，方孔A的边长为a₁，a₁≤pf/4zm^×；方形针孔阵列B中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₂＝a₂-r₂，方孔B的边长为a₂，a₂＝a₁·m^×≤pf/4z；其中，p为所述剪切装置的周期，f为所述准直物镜的焦距、z为所述剪切装置与光电探测器之间的间距；

所述方形针孔阵列A上每相邻两针孔之间距离d₁＞1.5r₁，所述方形针孔阵列B上每相邻两针孔之间距离d₂＞1.5r₂。

当检测光刻机中投影物镜视场点K的波像差时，使物方掩模板上的方形针孔阵列A的中心移动到光刻机中投影物镜的视场点K上，使像方掩模板上的方孔B与方形针孔阵列A在投影物镜的像面上的像重合，方形针孔阵列A中的各个针孔均将含有照明系统残留像差的入射光波衍射成理想的球面波，此时来自方形针孔阵列A的光波经过投影物镜入射到方孔B后，经过光刻机中准直物镜和剪切装置后形成干涉图，进而从干涉图中获取包括投影物镜视场点K的波像差和在线检测装置的系统误差的波像差Q。

当校准在线检测装置的系统误差时，使物方掩模板上的方孔A的中心移动到光刻机中投影物镜的视场点K上，使像方掩模板上的方形针孔阵列B与方孔A在投影物镜的像面上的像重合，来自方孔A的光波经过投影物镜入射到方形针孔阵列B后，方形针孔阵列B中各个针孔衍射产生的理想球面波经过光刻机中准直物镜和剪切装置后形成干涉图，进而从干涉图中获取包括在线检测装置的系统误差的波像差P。

通过波像差Q减去波像差P得到光刻机中投影物镜视场点K的波像差，实现了在线检测装置系统误差的自校准。

有益效果

本发明采用设有方形针孔阵列的物方掩模板，通过方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，从而进一步提高了检测精度。

其次，利用针孔阵列滤波的系统误差自校准，通过在光刻机投影物镜的物面放置方孔掩模板和像面放置针孔阵列掩模板，在保证曝光光源利用率的同时，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，从而可以快速，高精度的获得投影物镜的波像差。

附图说明

图1为本发明装置及光刻机的结构组成示意图；

图2为本发明装置中的物方掩模板的结构示意图；

图3为本发明装置中的像方掩模板的结构示意图；

图4为本发明装置中剪切装置的结构示意图；

图5为本发明装置中光电探测器处的四光束剪切波面示意图；

其中，101-曝光光源、102-照明系统、103-掩模板、104-物方工件台、105-投影物镜、106-硅片、107-像方工件台；201-物方掩模板、202-像方掩模板、203-准直物镜、204-剪切装置、205-轴向调节装置、206-光电探测器、207-存储器、208-运算器、209-控制器。

具体实施方式

下面结合附图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：

光刻机包括曝光光源101、照明系统102、掩模板103、物方工件台104、投影物镜105、硅片106以及像方工件台107；曝光光源101发出的光经过照明系统102后，照射在掩模板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。曝光光源101为波长约为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具有扩展光束、调节光束转向、形状的光学元件，以及调整照明均匀性和调节照明相干因子的光学元件，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。刻有待转移图案的掩模板103由物方工件台104支撑和驱动；涂有光刻胶的硅片106由像方工件台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。物方工件台104和像方工件台107以不同的速率同步运动，以步进-扫描的方式将掩模板103上的图案，通过投影物镜105精确地投影转移到涂有光刻胶的硅片106上。

本发明通过在光刻机上集成一种系统误差自校准的投影物镜波像差在线检测装置，实现对光刻机中投影物镜105波像差的在线检测、校正及控制。如图1所示，本发明在线检测装置包括：物方掩模板201、像方掩模板202、准直物镜203、剪切装置204、轴向调节装置205、光电探测器206、存储器207、运算器208、控制器209；具体连接关系为：物方掩模板201位于光刻机中投影物镜105的物方工作台104上，由光刻机中物方工作台104支撑和驱动，像方掩模板202位于光刻机中投影物镜105的像方工作台107上，由光刻机中像方工作台107支撑和驱动，准直物镜203位于投影物镜105的像面之后，且准直物镜203的物方焦平面与投影物镜105的像面重合，光电探测器206位于投影物镜105出瞳共轭面处，剪切装置204位于投影物镜105与光电探测器206之间，并由轴向调节装置205固定支撑，存储器207分别与光电探测器206、运算器208以及控制器209相连，控制器209分别同光刻机中的物方工作台、像方工作台、照明系统以及轴向调节装置205相连。

物方掩模板201位于物方工作台104上，如图2所示，物方掩模板201上设有方形针孔阵列A和方孔A，所述方形针孔阵列A上的针孔直径r₁小于投影物镜105的物方衍射极限尺寸，如公式(1)

r₁＜0.61λm^×/NA_i (1)

其中，λ为曝光光源101发出光波的波长，NA_i为投影物镜105的像方数值孔径，m^×为投影物镜105的缩小倍率。

若照明系统102的相干因子0≤σ＜1，曝光光源101发出的光经过照明系统102后，由方形针孔阵列A上各个针孔所产生的理想球面波之间会发生干涉，进而影响测量结果；因此调节照明系统102的相干因子σ≥1，且使方形针孔阵列A上相邻两针孔的间距d₁＝2r₁。此时曝光光源101发出的光经过照明系统102后，由方形针孔阵列A上各个针孔所产生的理想球面波之间不会发生干涉现象。同时为了避免方形针孔阵列A上各个针孔点源或方孔A上各个点源形成的干涉图形之间出现强度相抵的现象，要求所述方形针孔阵列A中每行第一个针孔和最后一个针孔的圆心距为l₁＝a₁-r₁，方孔A的边长为a₁，a₁≤pf/4zm^×，其中p为所述剪切装置204的周期，f为所述准直物镜203的焦距、z为所述剪切装置204与所述光电探测器206之间的间距。

像方掩模板202位于像方工件台107上，如图3所示，像方掩模板202设有方孔B和方形针孔阵列B。所述方形针孔阵列B上的针孔直径r₂小于所述光刻投影物镜的像方衍射极限尺寸，如公式(2)

r₂＜0.61λ/NA_i (2)

调节照明系统102的相干因子σ≥1，且使方形针孔阵列B上相邻两针孔的间距d₂＝2r₂，此时曝光光源101发出的光经过照明系统102，物方掩模板201上方孔A及投影物镜105后，由方形针孔阵列B上各个针孔所产生的理想球面波之间不会发生干涉现象。另外，为了避免方形针孔阵列B上各个针孔点源或方孔B上各个点源形成的干涉图形之间出现强度相抵的现象，要求所述方形针孔阵列B中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₂＝a₂-r₂，方孔B的边长都为a₂，a₂＝a₁·m^×≤pf/4z。

准直物镜203位于投影物镜105的像面之后，且准直物镜203的物方焦平面与投影物镜105的像面重合。准直物镜203为物方远心结构，将投影物镜105的出瞳共轭到光电探测器206处。

剪切装置204是一个正交位相光栅，如图4所示。正交位相光栅相邻透光部分的位相差异为π。而且光栅透光部分的尺寸大小为光栅周期的2/3。如此结构设计的光栅将经过准直物镜203的平面波剪切成(+1，+1)、(+1，-1)、(-1，-1)及(-1，+1)四束衍射光波，前述四束衍射光波在光电探测器206处的重叠区域内发生干涉，如图5所示。且剪切比的大小为δ＝s/D＝2λz/pD。其中，s为前述四束衍射光波的剪切量；D为投影物镜105出瞳直径的共轭尺寸；λ为光刻机曝光光源101的波长；p为剪切装置204的周期；z为剪切装置204到光电探测器206的距离。从公式中可以看出，在投影物镜105出瞳直径的共轭尺寸D一定时，选取并固定合适的光栅周期p，则剪切比δ随着剪切装置204到光电探测器206的距离z呈线性变化。由于，针对不同的待测波前，需要确定不同的剪切比以获得最优的检测灵敏度及检测精度。为此，在本发明装置中，当投影物镜105的波像差由于环境、结构及热影响发生改变时，可以利用控制器209驱动轴向调节装置205，调整剪切装置204到光电探测器206的距离z，从而获得投影物镜105的波像差相适应的剪切比。

轴向调节装置205，用于沿光轴方向移动光栅，从而实现剪切比的改变。

光电探测器206，用于采集所述四束衍射光波的干涉条纹。

存储器207，用于保存光电探测器206所采集的干涉条纹强度信息、投影物镜105在物方掩模板201上针孔阵列A规定的视场点未经校准的波像差、系统误差校准结果、各个视场点未经校准的波像差测量结果、系统误差校准后的投影物镜105全视场波像差，以及投影物镜105各个补偿器的调节量。

运算器208，用于根据存储器207中数据计算装置系统误差，各个视场点未经校准的波像差，系统误差校准后的投影物镜105全视场波像差，以及投影物镜105中各个补偿器的调整量。

控制器209，用于控制物方工件台104和像方工件台107改变所测量的投影物镜105的视场点，根据存储器207中投影物镜105各个补偿器调整量调整补偿器来校正投影物镜105的像差。另外，控制器209用于控制轴向调节装置205，调整剪切装置204到光电探测器206的距离z，从而获得投影物镜105的波像差相适应的剪切比。

本发明所述在线检测装置的工作过程为：

当对进行光刻机中投影物镜105视场点K的波像差检测时，本实施例中选取视场点K为中心视场点；利用控制器209驱动物方工件台104，使物方掩模板201上的方形针孔阵列A移动到光刻机中投影物镜105的中心视场点，同时，利用控制器209驱动像方工件台107，使像方掩模板202上的方孔B与方形针孔阵列A在投影物镜105的像面上的像重合。由于方形针孔阵列A中的各个针孔的直径均小于投影物镜105的物方衍射极限尺寸，所以针孔阵列A中的各个针孔均可以将含有照明系统102残留像差的入射光波衍射成理想的球面波，从而消除了照明系统残留像差。此时来自方形针孔阵列A的光波经过投影物镜105入射到方孔B后，经过所述准直物镜203和所述剪切装置204后在光电探测器206中形成干涉图，进而从干涉图中获取的用37项zernike多项式表示的波像差Q包括投影物镜中心视场点的波像差W_po和在线检测装置的系统误差W_is；

当校准在线检测装置的系统误差时，利用控制器209驱动物方工件台104，使物方掩模板201上的方孔A移动到光刻机中投影物镜105的视场点K上，本实施例中视场点K选取为中心视场点。同时，利用控制器209驱动像方工件台107，使像方掩模板202上的方形针孔阵列B与方孔A在投影物镜105的像面上的像重合。由于方形针孔阵列B中各个针孔直径均小于投影物镜105的像方衍射极限尺寸，则来自方孔A的包含有光刻机照明系统102残留像差的光波经过投影物镜105入射到方形针孔阵列B后，方形针孔阵列B中各个针孔均可将含有照明系统102的残留像差和投影物镜105中心视场点波像差的入射光波衍射成理想的球面波，从而消除了照明系统102的残留像差和投影物镜105中心视场点的波像差，即，方针孔阵列B对照明系统102的残留像差和投影物镜105中心视场点的波像差实现很好的空间滤波效果。前述方形针孔阵列B中各个针孔衍射产生的理想球面波经过所述准直物镜203和所述剪切装置204后在光电探测器206中形成干涉图，进而从干涉图中获取的用37项zernike多项式表示的波像差P只包括在线检测装置的系统误差W_is；

通过用37项zernike多项式表示的波像差Q减去用37项zernike多项式表示的波像差P得到投影物镜105中心视场点的波像差W_po，同时实现了在线检测装置系统误差的自校准。

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

1.一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，包括准直物镜、剪切装置、轴向调节装置、光电探测器、存储器、运算器、控制器、物方掩模板以及像方掩模板；其特征在于：

r₁＜0.61λm^×/NA_i (1)

r₂＜0.61λ/NA_i (2)

方形针孔阵列A中每行第一个针孔和最后一个针孔的圆心距为l₁＝a₁-r₁，方孔A的边长为a₁，a₁≤pf/4zm^×；方形针孔阵列B中每行第一个针孔与最后一个针孔的圆心距为l₂＝a₂-r₂，方孔B的边长为a₂，a₂＝a₁·m^×≤pf/4z；其中，p为所述剪切装置的周期，f为所述准直物镜的焦距、z为所述剪切装置与光电探测器之间的间距；所述方形针孔阵列A上每相邻两针孔之间距离d₁＞1.5r₁，所述方形针孔阵列B上每相邻两针孔之间距离d₂＞1.5r₂。

2.根据权利要求1所述一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于，当检测光刻机中投影物镜视场点K的波像差时，使物方掩模板上的方形针孔阵列A的中心移动到光刻机中投影物镜的视场点K上，使像方掩模板上的方孔B与方形针孔阵列A在投影物镜的像面上的像重合，方形针孔阵列A中的各个针孔均将含有照明系统残留像差的入射光波衍射成理想的球面波，此时来自方形针孔阵列A的光波经过投影物镜入射到方孔B后，经过光刻机中准直物镜和剪切装置后形成干涉图，进而从干涉图中获取包括投影物镜视场点K的波像差和在线检测装置的系统误差的波像差Q。

3.根据权利要求1所述一种系统误差自校准的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于，当校准在线检测装置的系统误差时，使物方掩模板上的方孔A的中心移动到光刻机中投影物镜的视场点K上，使像方掩模板上的方形针孔阵列B与方孔A在投影物镜的像面上的像重合，来自方孔A的光波经过投影物镜入射到方形针孔阵列B后，方形针孔阵列B中各个针孔衍射产生的理想球面波经过光刻机中准直物镜和剪切装置后形成干涉图，进而从干涉图中获取包括在线检测装置的系统误差的波像差P。