CN102253606B - 光刻机投影物镜奇像差原位检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机投影物镜奇像差原位检测系统和检测方法，所述系统包括光源、照明系统、掩模台、包含检测标记的掩模、投影物镜、工件台、像传感装置、用于位置控制的干涉仪及数据处理装置。所述的检测方法通过设置不同的部分相干因子和数值孔径，标定相应的投影物镜奇像差灵敏度系数，然后利用像传感装置测量所述检测标记的空间像峰值光强差值，再利用标定的奇像差灵敏度系数计算所述投影物镜的奇像差。本发明的优点是提高了光刻机投影物镜奇像差的检测精度。

Description

光刻机投影物镜奇像差原位检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机，尤其涉及一种光刻机投影物镜奇像差原位检测系统和检测方法。

背景技术

光刻技术是极大规模集成电路制造工艺中的核心技术，它影响着极大规模集成电路制造工艺所能实现的技术节点。步进扫描投影光刻机是用于光刻工艺的重要设备，其中投影物镜系统是光刻机的重要分系统之一。投影物镜波像差对光刻过程有重要影响。根据波像差分布特点，波像差可分为奇像差和偶像差，例如彗差和三波差即为奇像差，球差和像散则为偶像差。彗差和三波差导致掩模图形经过投影物镜成像后位置发生偏移、图形线宽不对称等，影响光刻机的套刻精度、增加光刻成像的CD不均匀性。随着光刻机的特征尺寸不断减小，光刻工艺对投影物镜波像差的检测和控制要求也愈来愈高，因此快速、高精度地检测投影物镜波像差，是降低和调整波像差的前提条件，对提高光刻成像质量具有重要意义。

TAMIS(TIS At Multiple Illumination Settings)技术是国际上用于检测投影物镜波像差的重要技术之一，它是一种基于空间像的检测技术。参见在先技术1，Hans van der Laan,Marcel Dierichs,Henk van Greevenbroek,Elaine McCoo,FredStoffels,Richard Pongers,Rob Willekers,“Aerial image measurement methodsfor fast aberration set-up and illumination pupil verification,”Proc.SPIE,4346,394-407(2001)。与其它基于曝光过程的检测技术相比，TAMIS技术具有快速、简单、可靠等优点。TAMIS技术的核心思想是利用二元掩模标记作为检测标记，检测标记在成像过程中受到投影物镜波像差的影响，成像位置发生偏移或最佳焦面发生偏移，且偏移量与光刻成像过程的照明条件、投影物镜数值孔径、像差大小等有关，因此改变投影物镜数值孔径和部分相干因子，通过测量不同光刻成像条件下的成像位置偏移量或最佳焦面偏移量，通过数值处理得到像差大小。该技术的彗差和球差测量精度在3σ标准下分别为2nm和3nm。由于TAMIS技术采用二元掩模，而奇像差引起二元掩模的成像位置偏移量相对于相移掩模较小，因此TAMIS技术的检测精度受到一定限制。

针对上述技术的不足，Fan Wang等人提出了一种基于相移掩模检测标记的像差检测技术。参见在先技术2，Fan Wang,Xiangzhao Wang,Mingying Ma,DongqingZhang,Weijie Shi,and Jianming Hu,“Aberration measurement of projectionoptics in lithographic tools by use of an alternating phase-shifting mask,”Appl.Opt.45,281-287(2006)。该技术采用180°的相移掩模光栅标记代替二元掩模标记进行像差检测。由于相移掩模光栅标记的像差灵敏度系数变化范围更大，因此检测精度得到较大的改善。

在先技术2利用相移掩模光栅标记检测像差时，忽略了光栅结构对测量精度的影响，因此Zicheng Qiu等人提出了一种基于非对称型相移掩模光栅标记的彗差检测方法。参见在先技术3，Zicheng Qiu,Xiangzhao Wang,Qiongyan Yuan and Fan Wang,“Coma measurement by use of an alternating phase-shifting mask mark witha specific phase width,”Appl.Opt,48,261-269(2009)。该方法通过优化相移掩模光栅标记的结构，设计了一种光栅线宽与相移宽度不同的非对称型光栅结构，从而使光栅的±3级衍射光缺级，提高了相移掩模光栅标记的像差灵敏度，进一步提高了像差检测精度。

在先技术1、在先技术2和在先技术3在检测投影物镜奇像差时，都是利用成像位置偏移量为测量对象，像差的测量精度受到位移测量工具和定位装置的精度的影响，限制了利用该技术的波像差检测精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻机投影物镜奇像差原位检测系统和检测方法，本发明考虑双线图形检测标记的空间像峰值光强差值的处理，以提高投影物镜奇像差的检测精度和检测速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机投影物镜奇像差原位检测系统，包括产生照明光束的光源、调整光源发出的光束的照明方式和部分相干因子并使光束均匀照明的照明系统、搭载掩模并利用定位装置实现精确定位的掩模台、包含检测标记的掩模、能将掩模图形成像且数值孔径可调的投影物镜、搭载硅片并利用定位装置实现精确定位的工件台、安装在工件台上的记录所述掩模成像的光强分布的像传感装置、数据处理装置。

所述的检测标记为两组双线图形，即X方向检测标记和Y方向检测标记，用于分别检测X方向和Y方向奇像差，且双线图形为透光区域，其余为不透光区域，所述的双线图形的线宽变化范围为150～300nm，两线之间不透光区域宽度的变化范围为100～300nm。

所述的光源和照明系统实现部分相干因子可调的传统照明和环形照明两种照明方式，传统照明中部分相干因子在0.3到0.8之间调整，环形照明中环带的外相干因子和内相干因子的差值为0.2，环中心相干因子在0.3到0.8之间调整。

所述的投影物镜的数值孔径在0.5到0.8之间调整。

所述的像传感器是CCD、光电二极管阵列或其它能实现光电信号转换的探测器阵列。

利用上述光刻机投影物镜奇像差原位检测系统进行光刻机投影物镜奇像差原位检测的方法，该方法包括以下步骤：

①确定奇像差的灵敏度系数：

所述的奇像差包括彗差、三波差、高阶彗差、高阶三波差，首先采用传统照明方式，部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1，投影物镜的数值孔径为0.5～0.8，步长为0.05，总共为42组照明条件，每种照明条件下，设定Z₇的大小为0.02λ，λ为照明光源的波长，并且设定其它的像差均为零，利用光刻仿真软件计算得到相应照明条件和像差系数下的双线图形峰值光强差值ΔI(NA_i,σ_i)，根据公式：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_7},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

从而可确定42组照明条件下的Z₇像差灵敏度系数。

利用相同方法可标定其它X方向奇像差Z₁₀，Z₁₄，Z₁₉，Z₂₃，Z₃₀，Z₃₄以及Y方向奇像差Z₈，Z₁₁，Z₁₅，Z₂₀，Z₂₄，Z₃₁和Z₃₅，并同样可以计算得到相应的灵敏度系数：

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{10}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{14}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{14}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{19}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{19}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

……

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_8},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{11}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{15}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{15}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{20}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{20}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

……

$S_{35}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{35}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

当投影物镜存在多种奇像差时，与42组照明条件对应，由以上各灵敏度系数构成X和Y方向上的灵敏度矩阵S_X和S_Y：

$S_X=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34}\left({\mathrm{NA}}_2{,\mathrm{\σ}}_2\right)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]$

$S_Y=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35}\left({\mathrm{NA}}_2{,\mathrm{\σ}}_2\right)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right];$

②测量投影物镜波像差引起的双线图形的峰值光强差值：

所述的测量过程分为两个步骤：（a）利用X方向检测标记测量X方向上奇像差引入的峰值光强差值；（b）利用Y方向检测标记测量Y方向上奇像差引入的峰值光强差值。步骤（a）中，设定照明系统为传统照明方式，部分相干因子为0.3，投影物镜的数值孔径为0.5，光照射X方向检测标记，经过投影物镜成像于像传感器，像传感器测量并记录X方向检测标记空间像的光强分布，结果输入到数据处理装置，不改变投影物镜的数值孔径，增大照明系统的部分相干因子，增幅为0.1，再次测量并记录相应的光强分布以待处理，当部分相干因子达到0.8时，改变投影物镜的数值孔径为0.55并保持不变，再次测量部分相干因子在0.3～0.8之间变化的光强分布，重复进行该测量过程，直到经过数据处理后获得投影物镜的数值孔径在0.5～0.8，部分相干因子在0.3～0.8之间变化的42组照明条件下的X方向上的双线图形的峰值光强差值：

${\mathrm{\ΔI}}_x=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]$

步骤（b）中，利用Y方向检测标记，并测量Y方向上的光强分布，其它过程与步骤（a）相同，同样得到42组照明条件下的Y方向上的双线图形的峰值光强差值：

${\mathrm{\ΔI}}_y=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]$

③在不同数值孔径和部分相干因子的照明条件下，峰值光强差值和泽尼克像差系数之间具有如下关系：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ {S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})}_{}& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right.\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{10}\\ \·\\ \·\\ \·\\ Z_{34}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ {S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})}_{}& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right.\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{11}\\ \·\\ \·\\ \·\\ Z_{35}\end{array}\right]$

即：

ΔI_x＝S_X·Z_x

ΔI_y＝S_Y·Z_y

其中Z_x和Z_y分别代表[Z₇ Z₁₀ Z₁₄ Z₁₉ Z₂₃ Z₃₀ Z₃₄]和[Z₈ Z₁₁ Z₁₅ Z₂₀ Z₂₄ Z₃₁ Z₃₅]，即X和Y方向上的奇像差。在峰值光强差值和泽尼克像差系数的关系式中，X和Y方向上各有7个待测未知数，因此还可以在步骤②中的42组照明条件下选取7个不同的数值孔径和部分相干因子的照明条件，并得到相应的峰值强度差值，以进一步提高像差检测速度。

根据步骤①得到的灵敏度矩阵和步骤②得到的峰值光强差值，计算得到投影物镜的各个奇像差大小：

$Z_x=S_X^{-1}\·{\mathrm{\ΔI}}_x$

$Z_y=S_Y^{-1}\·{\mathrm{\ΔI}}_y.$

本发明由于采用上述检测方案，与在先技术1、在先技术2和在先技术3相比，具有以下优点：

1、本发明采用的检测标记为双线图形，利用CCD、光电二极管阵列或其它能实现光电信号转换的探测器阵列即可测得所需光强分布，不需要进行复杂的位置标定或定位控制，且以空间像峰值光强差值代替成像位置偏移量的测量，简化了测量过程。

2、本发明采用的双线图形检测标记的结构针对相应的成像条件进行优化，进一步提高了检测精度。

3、本发明提出的检测系统和检测方法能够高精度地同时检测彗差、三波差、高阶彗差、高阶三波差等多种奇像差。

附图说明

图1是本发明光刻机投影物镜奇像差原位检测系统的结构示意图。

图2是本发明使用的检测标记示意图。

图3是本发明检测的双线图形空间像峰值光强差值。

图4是本发明利用的双线图形空间像峰值光强差值与奇像差的线性关系。

图5(a)、(b)分别是本发明实施例中采用的检测标记在传统照明方式下Z₇、Z₁₀灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图6(a)、(b)分别是本发明实施例中采用的检测标记在传统照明方式下Z₁₄、Z₁₉灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

图7(a)、(b)分别是本发明实施例中采用的检测标记在环形照明方式下Z₇、Z₁₀灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

图1为本发明光刻机投影物镜奇像差原位检测系统的结构示意图，由图可见，本发明光刻机投影物镜奇像差原位检测系统包括产生照明光束的光源1、调整光源1发出的光束的照明方式和部分相干因子并使光束均匀照明的照明系统2、搭载掩模并利用定位装置6实现精确定位的掩模台3、包含检测标记5的掩模4、能将掩模图形成像且数值孔径可调的投影物镜7、搭载硅片并利用定位装置10实现精确定位的工件台8、安装在工件台8上的记录所述掩模成像的光强分布的像传感装置9和数据处理装置11。

所述的光源1和照明系统2实现的照明方式包括传统照明、环形照明。传统照明的部分相干因子可在0.3到0.8之间调整，环形照明中环带的外相干因子和内相干因子的差值为0.2，环中心相干因子在0.3到0.8之间调整。曝光波长为193nm。

所述的检测标记5为两组双线图形，即X方向检测标记51和Y方向检测标记52，用于分别检测X方向和Y方向奇像差。双线图形为透光区域，其余为不透光区域，所述的双线图形的线宽变化范围为150-300nm，两线之间不透光区域宽度的变化范围为100-300nm。优化双线图形检测标记的结构得到线宽d为200nm，两线之间不透光区域宽度为100nm，即两线中心距离s为300nm。

所述的投影物镜7可以是全透射式投影物镜、折反射式投影物镜、全反射式投影物镜等。数值孔径可在0.5到0.8之间调整。

所述的像传感器9为CCD、光电二极管阵列或其它能实现光电信号转换的探测器阵列。

一种采用所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测系统进行光刻机投影物镜奇像差原位检测的方法。包括以下步骤：

①确定奇像差（彗差、三波差、高阶彗差、高阶三波差）的灵敏度系数：

为了说明所检测的波像差，首先对其定义和分类进行介绍。通常投影物镜的波像差由泽尼克多项式表示：

$\begin{array}{cc}W(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n\·R_n(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ}),& (n\∈Z)\end{array}$

$=Z_1+Z_2\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}+Z_3\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+Z_4({2\mathrm{\ρ}}^2-1)$             (1)

$+Z_5{\mathrm{\ρ}}^2\cos 2\mathrm{\θ}+Z_6{\mathrm{\ρ}}^2\sin 2\mathrm{\θ}+Z_7({3\mathrm{\ρ}}^2-2)\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}\text{'}$

$+Z_8({3\mathrm{\ρ}}^2-2)\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}+Z_9({6\mathrm{\ρ}}^4-{3\mathrm{\ρ}}^2+1)+\·\·\·$

其中ρ和θ分别为投影物镜出瞳面的归一化极坐标。根据波像差对成像的影响，可将其分为偶像差和奇像差。含有2nθ（n＝0,1,2…）函数的泽尼克多项式代表偶像差，含有（2n+1）θ（n＝0,1,2…）函数的泽尼克多项式代表奇像差。奇像差会改变XY成像面上的光强分布，引起成像位置偏移。图2为本发明采用的双线图形检测标记，其中双线图形为透光区域，其余为不透光区域，对其进行结构优化后线宽d为200nm，两线中心距离s为300nm。由于投影物镜奇像差的影响，所述的双线图形在XY平面上的空间像峰值光强产生不对称，即X方向上的奇像差，如Z₇，Z₁₀等，导致X方向上的峰值光强差值，Y方向上的奇像差，如Z₈，Z₁₁等，导致Y方向上的峰值光强差值。如图3所示，测量检测标记的峰值光强差值时，直接在垂轴面上扫描检测标记经过投影物镜所成的像。

如图4所示，峰值光强差值与奇像差（只是引起光强分布沿X或Y方向平移的Z₂和Z₃除外）具有线性关系，峰值光强差值与奇像差之间的关系可表示为：

ΔI_x＝S₇Z₇+S₁₀Z₁₀+S₁₄Z₁₄+S₁₉Z₁₉+S₂₃Z₂₃+S₃₀Z₃₀+S₃₄Z₃₄，        (2)

ΔI_y＝S₈Z₈S₁₁Z₁₁+S₁₅Z₁₅+S₂₀Z₂₀+S₂₄Z₂₄+S₃₁Z₃₁+S₃₅Z₃₅

其中S是像差灵敏度系数，在不同的部分相干因子和数值孔径下，像差灵敏度系数具有不同的数值，通过光刻仿真软件设置部分相干因子变化范围为0.3～0.8，步长为0.1，投影物的数值孔径变化范围0.5～0.8，步长为0.05。以彗差Z₇为例，针对以上每种成像条件（NA_i，σ_i）的像差灵敏度系数可定义为：

$S_7({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_7},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42),---\left(3\right)$

利用相同方法可标定其它X方向奇像差Z₁₀，Z₁₄，Z₁₉，Z₂₃，Z₃₀，Z₃₄以及Y方向奇像差Z₈，Z₁₁，Z₁₅，Z₂₀，Z₂₄，Z₃₁和Z₃₅，并同样可以计算得到相应的灵敏度系数：

$S_{10}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{10}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{14}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{14}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{19}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{19}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

……

$S_8({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_8},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{11}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{11}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{15}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{15}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

$S_{20}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{20}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)$

……

$S_{35}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{{\∂\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{35}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·42)---\left(4\right)$

由以上各灵敏度系数构成X和Y方向上的灵敏度矩阵S_X和S_Y：

$S_X=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34}\left({\mathrm{NA}}_2{,\mathrm{\σ}}_2\right)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]$

$S_Y=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35}\left({\mathrm{NA}}_2{,\mathrm{\σ}}_2\right)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right],---\left(5\right)$

②测量投影物镜波像差引起的双线图形的峰值光强差值：

所述的测量过程分为两个步骤：（a）利用X方向检测标记51测量X方向上奇像差引入的峰值光强差值；（b）利用Y方向检测标记52测量Y方向上奇像差引入的峰值光强差值。步骤（a）中，设定照明系统2为传统照明方式，部分相干因子为0.3，投影物镜7的数值孔径为0.5，光照射X方向检测标记51，经过投影物镜7成像于像传感器9，像传感器9测量并记录X方向检测标记51空间像的光强分布，结果输入到数据处理装置11，不改变投影物镜7的数值孔径，增大照明系统2的部分相干因子，增幅为0.1，再次测量并记录相应的光强分布以待处理，当部分相干因子达到0.8时，改变投影物镜的数值孔径为0.55并保持不变，再次测量部分相干因子在0.3～0.8之间变化的光强分布，重复进行该测量过程，直到经过数据处理后获得投影物镜的数值孔径在0.5～0.8，部分相干因子在0.3～0.8之间变化的42组照明条件下的X方向上的双线图形的峰值光强差值：

${\mathrm{\ΔI}}_x=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right],---\left(6\right)$

步骤（b）中，利用Y方向检测标记52，并测量Y方向上的光强分布，其它过程与步骤（a）相同，同样得到42组照明条件下的Y方向上的双线图形的峰值光强差值：

${\mathrm{\ΔI}}_y=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right],---\left(7\right)$

③在不同数值孔径和部分相干因子的照明条件下，峰值光强差值和泽尼克像差系数之间具有如下关系：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_x({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_7({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{10}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{34}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_7({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{10}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ {S_7({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})}_{}& S_{10}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{34}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right.\left[\begin{array}{c}{Z}_7\\ Z_{10}\\ \·\\ \·\\ \·\\ Z_{34}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔI}}_y({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_8({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{11}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& \·\·\·& S_{35}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_8({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{11}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ \·& & & \\ \·& & & \\ \·& & & \\ {S_8({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})}_{}& S_{11}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})& & S_{35}({\mathrm{NA}}_{42},{\mathrm{\σ}}_{42})\end{array}\right.\left[\begin{array}{c}{Z}_8\\ Z_{11}\\ \·\\ \·\\ \·\\ Z_{35}\end{array}\right],---\left(8\right)$

即：

ΔI_x＝S_X·Z_x，

ΔI_y＝S_Y·Z_y，     (9)

其中X_x和Z_y分别代表[Z₇ Z₁₀ Z₁₄ Z₁₉ Z₂₃ Z₃₀ Z₃₄]和[Z₈ Z₁₁ Z₁₅ Z₂₀ Z₂₄ Z₃₁ Z₃₅]，即X和Y方向上的奇像差。在峰值光强差值和泽尼克像差系数的关系式中，X和Y方向上各有7个待测未知数，因此还可以在步骤②中的42组照明条件下选取7个不同的数值孔径和部分相干因子的照明条件，并得到相应的峰值光强差值，以进一步提高像差检测速度。

根据步骤①得到的灵敏度矩阵和步骤②得到的峰值光强差值，计算得到投影物镜7的各个奇像差大小：

$Z_x=S_X^{-1}\·{\mathrm{\ΔI}}_x,$

$Z_y=S_Y^{-1}\·{\mathrm{\ΔI}}_y,---\left(10\right)$

像差的检测精度是由检测对象和灵敏度系数的变化范围决定的。

下面给出本实施例中部分奇像差灵敏度系数的仿真结果，利用光刻仿真软件设定单项像差大小为0.02λ，图5和图6是在传统照明条件下，Z₇、Z₁₀、Z₁₄和Z₁₉灵敏度系数分别随数值孔径NA和部分相干因子σ的变化，图7是在环形照明条件下Z₇、Z₁₀灵敏度系数分别随数值孔径NA和部分相干因子σ的变化。由于光强差值测量精度高，灵敏度系数的变化范围大，与基于成像位置偏移量的在先技术3相比，本发明在传统照明条件下Z₇和Z₁₄的测量精度分别提高了28.9%和66.7%。

Claims (6)

1.一种利用光刻机投影物镜奇像差原位检测系统进行光刻机投影物镜奇像差原位检测的方法，所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测系统，包括产生照明光束的光源（1）、调整光源（1）发出的光束的照明方式和部分相干因子并使光束均匀照明的照明系统（2）、搭载掩模并利用定位装置（6）实现精确定位的掩模台（3）、包含检测标记（5）的掩模（4）、能将掩模图形成像且数值孔径可调的投影物镜（7）、搭载硅片并利用定位装置（10）实现精确定位的工件台（8）、安装在工件台（8）上的记录所述掩模成像的光强分布的像传感装置（9）和数据处理装置（11），其特征在于所述的检测标记（5）为两组双线图形，即X方向检测标记（51）和Y方向检测标记（52），用于分别检测X方向和Y方向奇像差，且双线图形为透光区域，其余为不透光区域，所述的双线图形的线宽变化范围为150～300nm，两线之间不透光区域宽度的变化范围为100～300nm，其特征在于该方法包括以下步骤： 

①确定奇像差的灵敏度系数： 

所述的奇像差包括彗差、三波差、高阶彗差、高阶三波差，首先采用传统照明方式，部分相干因子的变化范围为0.3～0.8，步长为0.1，投影物镜的数值孔径为0.5～0.8，步长为0.05，总共为42组照明条件，每种照明条件下，设定Z₇的大小为0.02λ，λ为照明光源的波长，并且设定其它的像差均为零，利用光刻仿真软件计算得到相应照明条件和像差系数下的双线图形峰值光强差值ΔI(NA_i,σ_i)，根据公式： 

从而可确定42组照明条件下的Z₇像差灵敏度系数； 

利用相同方法标定其它X方向奇像差Z₁₀，Z₁₄，Z₁₉，Z₂₃，Z₃₀，Z₃₄以及Y方向奇像差Z₈，Z₁₁，Z₁₅，Z₂₀，Z₂₄，Z₃₁和Z₃₅，并同样可以计算得到相应的灵敏度系数： 

...... 

...... 

当投影物镜存在多种奇像差时，与42组照明条件对应，由以上各灵敏度系数构成X和Y方向上的灵敏度矩阵S_X和S_Y： 

②测量投影物镜波像差引起的双线图形的峰值光强差值： 

所述的测量过程分为两个步骤： 

(a)利用X方向检测标记(51)测量X方向上奇像差引入的峰值光强差值： 

设定照明系统(2)为传统照明方式，部分相干因子为0.3，投影物镜(7)的数值孔径为0.5，光照射X方向检测标记(51)，经过投影物镜(7)成像于像传感器(9)，像传感器(9)测量并记录X方向检测标记(51)空间像的光强分布，结果输入到数据处理装置(11)，不改变投影物镜的数值孔径，增大照明系统的部分相干因子，增幅为0.1，再次测量并记录相应的光强分布以待处理，当部分相干因子达到0.8时，改变投影物镜的数值孔径为0.55并保持不变，再次测量部分相干因子在 0.3～0.8之间变化的光强分布，重复进行该测量过程，直到经过数据处理后获得投影物镜的数值孔径在0.5～0.8，部分相干因子在0.3～0.8之间变化的42组照明条件下的X方向上的双线图形的峰值光强差值： 

(b)利用Y方向检测标记(52)测量Y方向上奇像差引入的峰值光强差值： 

利用Y方向检测标记(52)测量Y方向上的光强分布，其它过程与步骤(a)相同，同样得到42组照明条件下的Y方向上的双线图形的峰值光强差值： 

③在不同数值孔径和部分相干因子的照明条件下，峰值光强差值和泽尼克像差 

系数之间具有如下关系： 

即： 

ΔI_x＝S_X·Z_x

ΔI_y＝S_Y·Z_y

其中Z_x和Z_y分别代表[Z₇ Z₁₀ Z₁₄ Z₁₉ Z₂₃ Z₃₀ Z₃₄]和[Z₈ Z₁₁ Z₁₅ Z₂₀ Z₂₄ Z₃₁ Z₃₅]，即X和Y方向上的奇像差； 

④根据步骤①得到的灵敏度矩阵和步骤②得到的峰值光强差值，计算得到投影物镜(7)的各个奇像差大小： 

2.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于所述的光源(1)和照明系统(2)实现部分相干因子可调的传统照明和环形照明两种照明方式，传统照明中部分相干因子的取值范围为0.3～0.8，环形照明中环带的外相干因子和内相干因子的差值为0.2，环中心相干因子的取值范围为0.3～0.8。 

3.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于针对所述的照明方式，双线图形检测标记的线宽为200nm，两线中心距离为300nm。 

4.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于所述的投影物镜(7)的数值孔径的取值范围为0.5～0.8。 

5.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于所述的像传感器(9)为CCD、光电二极管阵列或其它能实现光电信号转换的探测器阵列。

6.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜奇像差原位检测方法，其特征在于在峰值光强差值和像差系数的关系式中，X和Y方向上各有7个待测未知数，在步骤②中的42组照明条件中选取7组不同的数值孔径和部分相干因子的照明条件，并得到相应的峰值强度差值，以进一步提高像差检测速度。 

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