CN102540745A - 一种基于空间像主成分控制的曝光系统 - Google Patents

Abstract

一种基于空间像主成分控制的光刻曝光系统，沿光传播方向依序包括照明器、掩模版、投影物镜及硅片台，在该硅片台上布置用于测量空间像信息的测量单元，在该投影物镜中设置有至少一个位置可调的可动镜片，其特征在于，还包括一控制模块，该控制模块依据该测量单元所测量到的空间像信息建立该投影物镜中的可动镜片的位置到空间像主成分的转换矩阵，并根据该转换矩阵计算出该可动镜片的位置调整量以控制该可动镜片位移。

Description

一种基于空间像主成分控制的曝光系统

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及光刻机中的曝光系统。

背景技术

在现有的光刻设备中，为了保证曝光效果良好，特征尺寸的均匀性能够满足工艺要求，通常需要尽可能减小投影光学系统的波像差，同时尽可能减小光学视场中波像差的分布差异，以保证在成像端空间光强的分布特性尽可能接近理想状态。同时，由于使用环境变化造成的波像差等光学系统性能参数的漂移，以及曝光图形的工艺特征、照明器设置等因素的影响，在光刻机的使用过程中，需要在镜头内部设置一系列的可动镜片，根据实际使用情况调整可动镜片的位置及倾角，使得波像差满足曝光需求。由于光刻过程需要动态并且及其精确的控制投影物镜的像差，光刻机的光学系统设计异常困难。

在K1因子小于0.5的光刻机中，波像差需要根据每一项Zernike系数进行约束并控制，控制矩阵如下示意。

由于需要独立控制的Zernike系数项比较多，导致投影物镜镜片的可动自由度数量较多，由可动自由度到Zernike系数的转换矩阵庞大，投影物镜的制造装配难度极大，控制转换矩阵的设计和标定极其困难。

同时，通常的投影物镜仅仅针对波像差进行设计和控制，没有建立由波像差到硅片面像质的转换关系，因此无法实现由可动镜片面型及调整量到硅片面像质的完整闭环控制。通常的做法是尽可能通过可动镜片补偿的方式，使Zernike系数尽可能小，一方面增加了投影物镜设计和调整的难度；另一方面也无法完全保证硅片面的曝光像质。

发明内容

本发明将投影物镜的控制对象由Zernike系数转化为像方空间像的空间光强分布特性。通过空间像主成分分析的方法，将投影物镜像方的空间光强分布特性用一系列的主成分进行描述，建立投影物镜各镜片的位置到空间像各个主成分光强权重的转换关系，进而通过调整镜头内部可动镜片位置的方式，直接控制像方的空间光强分布特性。

一种基于空间像主成分控制的光刻曝光系统，沿光传播方向依序包括照明器、掩模版、投影物镜及硅片台，在该硅片台上布置用于测量空间像信息的测量单元，在该投影物镜中设置有至少一个位置可调的可动镜片，其中，还包括一控制模块，该控制模块依据该测量单元所测量到的空间像信息建立该投影物镜中的可动镜片的位置到空间像主成分的转换矩阵，并根据该转换矩阵计算出该可动镜片的位置调整量以控制该可动镜片位移。

其中，该控制模块包括用于从该空间像信息中提取空间像主成分的物理模型，用于回归分析以获取空间像主成分权重的算法模块，用于存储计算结果和该转换矩阵的存储模块。

其中，当光刻工艺及曝光图形改变时，该系统可以重新计算相应的空间像主成分及控制投影物镜的转换矩阵。

上述光刻曝光系统的控制矩阵的标定方法，包括：

步骤一，利用Abbe成像原理建立光刻成像的物理模型，用于计算光刻机硅片端的空间成像光强分布；

步骤二，利用步骤一建立的物理模型，定义实际系统所设定的照明方式、曝光波长和数值孔径计算无像差系统的空间像；

步骤三，利用步骤一建立的物理模型，计算所有典型的带像差系统空间像，作为下一步骤中主成分分析的样本；

步骤四，利用统计学中的主成分分析方法并基于上一步骤获得的空间成像样本，计算所有典型的带像差系统空间像的主成分，并存储于存储模块中；

步骤五，逐一移动投影物镜中的可动镜片，利用硅片台上布置的空间像传感器，测量镜片设置不同位置时的空间像光强分布特性，利用线性回归的方法，建立并标定由可动镜片位置<E_i>到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵S_(mk)，其中，空间像传感器可以实现空间光强分布的测量，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{PC}}_1\\ {\mathrm{PC}}_2\\ M\\ {\mathrm{PC}}_k\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccc}{s}_{11}& s_{21}& s_{31}& s_{41}& s_{51}& \mathrm{\&Lambda;}& s_{m1}\\ s_{12}& s_{22}& s_{32}& s_{42}& s_{52}& \mathrm{\&Lambda;}& s_{m2}\\ M& M& M& M& M& O& M\\ s_{1k}& s_{2k}& s_{3k}& s_{4k}& s_{5k}& \mathrm{\&Lambda;}& s_{\mathrm{mk}}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\\ E_4\\ E_5\\ M\\ E_m\end{array}\right).$

利用根据上述方法获得的控制矩阵进行成像质量控制的方法，包括：

步骤一，利用空间像传感器获取待曝光图形所成的空间像光强分布；

步骤二，利用存储模块中所存储的空间像主成分，计算实际空间像到空间像主成分的线性回归系数；

步骤三，利用可动镜片位置<E_i>到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵S_(mk)，计算补偿上步骤所求解析数的可动镜片补偿量；

步骤四，移动可动镜片，实现成像质量控制。

上述光刻曝光系统的控制矩阵的标定方法，包括：

步骤一，利用Abbe成像原理建立光刻成像的物理模型，用于计算光刻机硅片端的空间成像光强分布；

步骤二，利用步骤一建立的物理模型，定义实际系统所设定的照明方式、曝光波长和数值孔径计算无像差系统的空间像；

步骤三，利用步骤一建立的物理模型，计算所有典型的带像差系统空间像，作为下一步骤中主成分分析的样本；

步骤四，利用统计学中的主成分分析方法并基于上一步骤获得的空间成像样本，计算所有典型的带像差系统空间像的主成分，并存储于存储模块中；

步骤五，根据带像差空间像样本所采用的泽尼克系数，利用线性回归的方法，建立并标定由泽尼克系数到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵U_(pk)

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{PC}}_1\\ {\mathrm{PC}}_2\\ M\\ {\mathrm{PC}}_k\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccc}{u}_{11}& u_{21}& u_{31}& u_{41}& u_{51}& \mathrm{\&Lambda;}& u_{p1}\\ u_{12}& u_{22}& u_{32}& u_{42}& u_{52}& \mathrm{\&Lambda;}& u_{p2}\\ M& M& M& M& M& O& M\\ u_{1k}& u_{2k}& u_{3k}& u_{4k}& u_{5k}& \mathrm{\&Lambda;}& u_{\mathrm{pk}}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\\ Z_4\\ Z_5\\ M\\ Z_p\end{array}\right);$

步骤六，逐一移动投影物镜中的可动镜片，利用硅片台上布置的波像差传感器，测量镜片设置不同位置时的波像差泽尼克系数，利用线性回归的方法，建立并标定由可动镜片位置<E_i>到泽尼克系数<Z_i>之间的转换矩阵V_(mp)；

$\left(\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ M\\ Z_p\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccc}{v}_{11}& v_{21}& v_{31}& v_{41}& v_{51}& \mathrm{\&Lambda;}& v_{m1}\\ v_{12}& v_{22}& v_{32}& v_{42}& v_{52}& \mathrm{\&Lambda;}& v_{m2}\\ M& M& M& M& M& O& M\\ v_{1p}& v_{2p}& v_{3p}& v_{4p}& v_{5p}& \mathrm{\&Lambda;}& v_{\mathrm{mp}}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\\ E_4\\ E_5\\ M\\ E_m\end{array}\right)$

步骤七，将两个转换矩阵V_(mp)与U_(pk))相乘，得到由可动镜片位置<E_i>到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵S_(mk)。

利用上述方法获得的空间像主成分进行成像质量控制的方法，包括：

步骤一，利用波像差传感器获取投影物镜的泽尼克系数；

步骤二，利用存储模块中所存储的转换矩阵U_(pk)，计算使空间像像质最优的泽尼克系数<Z_i>；

步骤三，利用存储模块中所存储的转换矩阵V_(mp)，计算投影物镜可动镜片补偿量<E_i>；

步骤四，移动可动镜片，实现成像质量控制。

本发明用空间像光强分布的主成分描述光刻机的成像质量需求，并在投影物镜中设置一系列的可动镜片，根据投影物镜镜片位置参数到空间像主成分的转换关系建立投影物镜控制矩阵，在光刻曝光过程中，以此转换矩阵控制投影物镜可动镜片的位置，实现空间像光强分布的最优化。

相对于原有技术及方法，本发明所述技术及方法有如下主要优点：

1、在特定曝光图形下，空间像主成分的数量远小于Zernike系数的数量，一定程度上降低了投影物镜的设计制造难度及镜头本身可动镜片的运动自由度；

2、投影镜头控制矩阵的维度较控制泽尼克系数的方法小，控制矩阵的标定及曝光过程中实施控制的难度降低；

3、可以确定从投影镜头镜片参数到空间成像光强分布特征的完整转换关系，像质的控制效果更好。

附图说明

图1所示为根据本发明的光刻曝光系统的结构示意图；

图2所示为空间像主成分分析结果的示意；

图3所示为对空间像进行正交分解为若干主成分的示意图；

图4所示为根据本发明的一个实施例进行控制矩阵标定计算的示意图；

图5所示为根据本发明的一个实施例进行像质控制的流程图；

图6所示为根据本发明的另一个实施例进行控制矩阵标定计算的示意图；

图7所示为根据本发明的另一个实施例进行像质控制的流程图；

图8所示为根据本发明的一个实施例进行像质控制的控制矩阵示意图；

图9所示为根据本发明的另一个实施例进行像质控制的控制矩阵示意图；

图10所示为根据本发明的另一个实施例进行像质控制的控制矩阵示意图。

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。

实施例一

如图1所示，根据本发明的光刻曝光系统由照明器7、硅片台9、投影镜头1、掩模版8及曝光系统控制模块4构成的光刻曝光系统，用于将掩模版2上的图形投影到硅片台9所承载的硅片上。

如图1所示，在硅片台7上布置用于测量空间像的二维或三维光强分布的空间像传感器201。在投影镜头1中设置若干位置可调的可动镜片101，调整可动镜片101的位置，投影镜头的波像差及成像效果会发生改变。

如图2所示，根据本发明的光刻曝光系统控制模块4，由基于Abbe成像原理的空间像物理模型401，用于主成分分析的算法模块402，用于回归分析方法的算法模块403、用于存储计算结果及控制矩阵的存储模块404构成。

主成分分析是统计学中的一种通用方法，在工程应用中，常用于信号的特征提取。对于同一个系统在不同激励下产生的不同响应信号，将其合并整理成一个样本矩阵，矩阵中的每一列向量，对应不同的响应信号，运用矩阵运算中的奇异值分解方法，可以得到这一组不同响应信号所具有的共同特征(主成分)，且各个特征相互正交。同时，该系统所有可能产生的响应信号，均可以用这一组特征(主成分)加权线性叠加的方式复现。相关原理及应用的详细描述，在统计学或信号处理的专著中均有所描述。

本发明采用主成分分析方法，对特定掩模及照明设置下的光刻成像光强分布特征进行分析运算，得到非理想投影物镜成像的所有光强分布特征(主成分)。如图3所示，等号左侧为某一个非理想的空间成像801，等号右侧为主成分分析所识别出来的所有特征主成分，其中第一个主成分为理想投影物镜所成的空间像8，其余主成分802可理解为投影物镜中的各种相差对成像造成的空间光强分布变化。非理想投影物镜所成的空间像801可以表达为所有主成分的加权线性叠加。由于光刻工艺要求所成的空间像尽可能接近理想无像差空间像8，因此，等式右侧第二个及以后的主成分802，其权重需要控制到尽可能接近于0。

控制矩阵的标定方法为：

如图4所示，利用Abbe成像原理，建立光刻成像的物理模型401；根据定义的照明方式、曝光波长和数值孔径，计算无像差系统的空间成像8；多次随机输入波像差803，获得有像差系统的空间像801；将所有计算得到的空间像进行主成分分析，识别有像差系统空间像的主成分802；逐一移动投影物镜1中的可动镜片101，用空间像传感器201逐一测量投影物镜1所成的空间像801；根据所获得的空间像801、空间像的主成份802及可动镜片101的位移量804，利用回归分析方法的算法模块403，计算各主成分权重到投影物镜可动镜片位移量的回归矩阵，该矩阵即为本发明像质控制过程中所采用的转换矩阵S_(mk)(m＞k)301。

综上所述，由投影镜头镜片位置到硅片面像质的完整传递关系得以确定，可以据此关系，在曝光系统中对硅片面像质进行控制。

其方法及步骤如下：

如图5所示，在实际曝光生产中，定期用空间像传感器209测量空间像；利用回归分析算法模块403，结合保存在存储模块中的空间像主成分，计算需要补偿的空间像主成分权重802；根据标定的转换矩阵301，计算出投影镜头1中，各个可动镜片101的位置调整量804，最终实现硅片面曝光效果的控制。

由于各种不同特征的图形和照明方式，空间像的主成分802不同，与主成分权重相关的所有转换关系和转换矩阵随之发生变化。实际应用中，须针对每一种曝光工况，标定相关转换矩阵301，经过标定的所有转换矩阵存储于存储模块404中，供控制过程调用。

实施例二

由于不同的光刻机其相关传感器的配置可能有所不同，当光刻机本身配置了波像差传感器202时，可以采用以下实施方式。

控制矩阵的标定方法为：

如图6所示，利用Abbe成像原理，建立光刻成像的物理模型401；根据定义的照明方式、曝光波长和数值孔径，计算无像差系统的空间成像8；多次随机输入波像差803，获得有像差系统的空间像801；将所有计算得到的空间像进行主成分分析，识别有像差系统空间像的主成分802；利用回归分析方法的算法模块403，计算空间像主成分802到波像差803之间的转换矩阵U_(pk)302，并保存在存储器404中；同时，逐一移动投影物镜1中的可动镜片101，用波像差传感器202测量泽尼克系数803；利用回归分析方法的算法模块403，计算波像差803到投影物镜可动镜片位移量804之间的的回归矩阵V_(mp)303；两矩阵相乘即为本发明像质控制过程中所采用的转换矩阵S_(mk)(m＞k)301。

其控制方法及步骤如下：

如图7所示，在实际曝光生产中，定期用波像差传感器202测量泽尼克系数803；根据转换矩阵U_(pk)302，计算需要补偿的空间像主成分802；根据标定的转换矩阵301，计算出投影镜头1中，各个可动镜片101的位置调整量804，最终实现硅片面曝光效果的控制。

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 (7)

1.一种基于空间像主成分控制的光刻曝光系统，沿光传播方向依序包括照明器、掩模版、投影物镜及硅片台，在该硅片台上布置用于测量空间像信息的测量单元，在该投影物镜中设置有至少一个位置可调的可动镜片，其特征在于，还包括一控制模块，该控制模块依据该测量单元所测量到的空间像信息建立该投影物镜中的可动镜片的位置到空间像主成分的转换矩阵，并根据该转换矩阵计算出该可动镜片的位置调整量以控制该可动镜片位移。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，该控制模块包括用于从该空间像信息中提取空间像主成分的物理模型，用于回归分析以获取空间像主成分权重的算法模块，用于存储计算结果和该转换矩阵的存储模块。

3.根据权利要求1或2的系统，其中，当光刻工艺及曝光图形改变时，该系统可以重新计算相应的空间像主成分及控制投影物镜的转换矩阵。

4.一种权利要求1中的光刻曝光系统的控制矩阵的标定方法，包括：

步骤一，利用Abbe成像原理建立光刻成像的物理模型，用于计算光刻机硅片端的空间成像光强分布；

步骤二，利用步骤一建立的物理模型，定义实际系统所设定的照明方式、曝光波长和数值孔径计算无像差系统的空间像；

步骤三，利用步骤一建立的物理模型，计算所有典型的带像差系统空间像，作为下一步骤中主成分分析的样本；

步骤四，利用统计学中的主成分分析方法并基于上一步骤获得的空间成像样本，计算所有典型的带像差系统空间像的主成分，并存储于存储模块中；

步骤五，逐一移动投影物镜中的可动镜片，利用硅片台上布置的空间像传感器，测量镜片设置不同位置时的空间像光强分布特性，利用线性回归的方法，建立并标定由可动镜片位置<E_i>到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵S_(mk)，其中，空间像传感器可以实现空间光强分布的测量，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{PC}}_1\\ {\mathrm{PC}}_2\\ M\\ {\mathrm{PC}}_k\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccc}{s}_{11}& s_{21}& s_{31}& s_{41}& s_{51}& \mathrm{\&Lambda;}& s_{m1}\\ s_{12}& s_{22}& s_{32}& s_{42}& s_{52}& \mathrm{\&Lambda;}& s_{m2}\\ M& M& M& M& M& O& M\\ s_{1k}& s_{2k}& s_{3k}& s_{4k}& s_{5k}& \mathrm{\&Lambda;}& s_{\mathrm{mk}}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\\ E_4\\ E_5\\ M\\ E_m\end{array}\right).$

5.利用根据权利要求4的方法获得的控制矩阵进行成像质量控制的方法，包括：

步骤一，利用空间像传感器获取待曝光图形所成的空间像光强分布；

步骤二，利用存储模块中所存储的空间像主成分，计算实际空间像到空间像主成分的线性回归系数；

步骤三，利用可动镜片位置<E_i>到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵S_(mk)，计算补偿上步骤所求解析数的可动镜片补偿量；

步骤四，移动可动镜片，实现成像质量控制。

6.一种权利要求1中的光刻曝光系统的控制矩阵的标定方法，包括：

步骤一，利用Abbe成像原理建立光刻成像的物理模型，用于计算光刻机硅片端的空间成像光强分布；

步骤二，利用步骤一建立的物理模型，定义实际系统所设定的照明方式、曝光波长和数值孔径计算无像差系统的空间像；

步骤三，利用步骤一建立的物理模型，计算所有典型的带像差系统空间像，作为下一步骤中主成分分析的样本；

步骤四，利用统计学中的主成分分析方法并基于上一步骤获得的空间成像样本，计算所有典型的带像差系统空间像的主成分，并存储于存储模块中；

步骤五，根据带像差空间像样本所采用的泽尼克系数，利用线性回归的方法，建立并标定由泽尼克系数到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵U_(pk)

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{PC}}_1\\ {\mathrm{PC}}_2\\ M\\ {\mathrm{PC}}_k\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccc}{u}_{11}& u_{21}& u_{31}& u_{41}& u_{51}& \mathrm{\&Lambda;}& u_{p1}\\ u_{12}& u_{22}& u_{32}& u_{42}& u_{52}& \mathrm{\&Lambda;}& u_{p2}\\ M& M& M& M& M& O& M\\ u_{1k}& u_{2k}& u_{3k}& u_{4k}& u_{5k}& \mathrm{\&Lambda;}& u_{\mathrm{pk}}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\\ Z_4\\ Z_5\\ M\\ Z_p\end{array}\right);$

步骤六，逐一移动投影物镜中的可动镜片，利用硅片台上布置的波像差传感器，测量镜片设置不同位置时的波像差泽尼克系数，利用线性回归的方法，建立并标定由可动镜片位置<E_i>到泽尼克系数<Z_i>之间的转换矩阵V_(mp)；

$\left(\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ M\\ Z_p\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccc}{v}_{11}& v_{21}& v_{31}& v_{41}& v_{51}& \mathrm{\&Lambda;}& v_{m1}\\ v_{12}& v_{22}& v_{32}& v_{42}& v_{52}& \mathrm{\&Lambda;}& v_{m2}\\ M& M& M& M& M& O& M\\ v_{1p}& v_{2p}& v_{3p}& v_{4p}& v_{5p}& \mathrm{\&Lambda;}& v_{\mathrm{mp}}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\\ E_4\\ E_5\\ M\\ E_m\end{array}\right)$

步骤七，将两个转换矩阵V_(mp)与U_(pk))相乘，得到由可动镜片位置<E_i>到空间像主成分<PC_i>之间的转换矩阵S_(mk)。

7.利用根据权利要求6的方法获得的空间像主成分进行成像质量控制的方法，包括：

步骤一，利用波像差传感器获取投影物镜的泽尼克系数；

步骤二，利用存储模块中所存储的转换矩阵U_(pk)，计算使空间像像质最优的泽尼克系数<Z_i>；

步骤三，利用存储模块中所存储的转换矩阵V_(mp)，计算投影物镜可动镜片补偿量<E_i>；

步骤四，移动可动镜片，实现成像质量控制。

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