CN102608870B - 波像差测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种波像差测量装置及其测量方法，照明系统产生照明光束；物面小孔包括至少两个物面小孔标记，所述至少两个物面小孔标记沿第一方向排列，所述物面小孔标记包括两个物面小孔子标记，所述两个物面小孔子标记沿第二方向排列，第一方向和第二方向垂直，所述两个物面小孔子标记的光栅方向分别沿X方向和沿Y方向，所述照明光束照射到所述物面小孔形成测量光束；所述测量光束通过投影物镜后入射到像面剪切光栅，形成剪切干涉图案；多次改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置，二维阵列光敏元件获得两个方向上的多个剪切干涉图案以计算投影物镜的波像差。所述波像差测量装置及其测量方法能够测量多视场点波像差，实现光刻装置多视场点波像差的并行测量，测量速度快，实时性高。

Description

波像差测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及波像差测量领域，特别涉及光刻装置多视场点波像差测量装置及其测量方法。

背景技术

半导体行业的一个目标是在单个集成线路(IC)中集成更多的电子元件。要实现这个目标需不断地缩小元件尺寸，即不断地提高光刻投影系统的分辨率。物镜波像差是限制投影系统分辨率的重要因素，它是造成线宽变化的重要原因。

虽然物镜在加工制造和装配过程中都经过了严格的检验和优化，使其波像差最小化，但在物镜系统集成到光刻机后进行在线的波像差测量仍然必要。这是因为镜片材料的老化或者物镜热效应会造成波像差，因此，在光刻机工作过程中需经常的测量波像差，并根据测量结果调整物镜中特定镜片的位置以减小波像差。若需在短时间范围内校正物镜热效应，则需更频繁地进行波像差测量，这时波像差测量的实时性尤为重要。在线测量波像差的一种方法是移相剪切干涉法。该方法使用曝光光束进行测量，在物面使用小孔产生探测光源，小孔经物镜成像到像面剪切光栅并在远场产生剪切干涉条纹，使用二维阵列光敏元件在物镜光瞳的共轭面记录干涉图像。测量过程中需改变光源与光栅的相对位置(移相)以获得不同移相条件下的干涉条纹，分析这些干涉图像可得到物镜波像差。为了重建完整的波前信息，需在每个视场点同时测量两个相互垂直方向上的位相信息，也可测量多个方向上的位相信息，例如测量夹角互为120度的三个方向上的位相信息。同时，为了获得整个物镜视场范围内的波像差信息，需对选定的场点进行逐个测量。这样，使用该方法对整个视场进行波像差测量的时间正比于以下几个因素：1、场点数目Nf；2、测量的方向数(至少2个)Nd；3、每个方向上的移相步数Np，则理论测量时间T_theory与Nf×Nd×Np成正比例。为了保证一定的测量精度，上述每个项目的测量数量必须保持在一定的下限以上。以往的移相剪切法测波像差采用串行测量的方法，即依次测量每个视场点，在测量每个视场点时依次测量该视场点的两个方向，在测量每个方向时依次进行移相操作。因此，实际测量时间T_measure＞＝理论测量时间T_theory。由于无法进一步缩短波像差测量的时间，这种串行测量方法将影响光刻机产率和波像差测量的实时性。

现有技术中用移相剪切法串行测量每个视场点的波像差，不能满足光刻装置对波像差测量的实时性要求，不能在较短时间内校正物镜的热效应，对产率产生了较大影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有移相剪切法测量光刻装置波像差测量时间长，不能满足实时性需求的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供波像差测量装置，包括：

照明系统，产生照明光束；

物面小孔，包括至少两个物面小孔标记，所述至少两个物面小孔标记沿第一方向排列，所述物面小孔标记包括两个物面小孔子标记，所述两个物面小孔子标记沿第二方向排列，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述两个物面小孔子标记的光栅方向分别沿X方向和沿Y方向，照明光束照射到上述物面小孔形成测量光束；

投影物镜；

像面剪切光栅，上述测量光束通过投影物镜后入射到像面剪切光栅，形成剪切干涉图案；

二维阵列光敏元件，用于接收上述剪切干涉图案。

进一步，物面小孔位于物面小孔板上，物面小孔板与掩模台连接，掩模台带动物面小孔板移动。

像面剪切光栅位于像面剪切光栅板上，像面剪切光栅板与工件台连接，工件台带动像面

优选的，所述像面剪切光栅是棋格状光栅。

进一步，相邻的所述物面小孔标记中的两个物面小孔子标记的排列方向不同。

优选的，所述像面剪切光栅包括至少一个像面剪切光栅标记组，所述像面剪切光栅标记组包括至少两个像面剪切光栅标记，所述至少两个像面剪切光栅标记沿第一方向排列，所述至少一个像面剪切光栅标记组沿第二方向排列，所述至少两个像面剪切光栅标记的光栅方向分别沿X方向和沿Y方向。

沿第一方向和沿第二方向相邻的所述至少两个像面剪切光栅标记排列方向不同。

进一步，所述物面小孔标记的间距等于待测视场点间隔。

所述物面小孔标记的间距与所述像面剪切光栅标记组的间距的比值等于投影物镜的投影倍率M。

所述物面小孔子标记的周期与所述像面剪切光栅标记的周期的比值等于投影物镜的投影倍率M。

优选的，所述X方向和所述Y方向垂直。

优选的，所述物面小孔子标记为狭缝光栅。

所述像面剪切光栅标记为狭缝光栅。

进一步，还包括数据处理单元，对二维阵列光敏元件接收的信息进行处理，计算出投影物镜波像差。

本发明还提供一种波像差测量方法，该测量方法使用上述波像差测量装置，包括：

多次改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置，获得两个方向上的多个剪切干涉图案；

二维阵列光敏元件接收上述多个剪切干涉图案；

根据多个剪切干涉图案，计算所述投影物镜的波像差。

优选的，沿与所述物面小孔子标记的光栅方向和所述像面剪切光栅标记的光栅方向成45°的方向改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置。

优选的，沿与所述物面小孔子标记的光栅方向和所述像面剪切光栅标记的光栅方向成0°或者90°的方向改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置。

与现有技术相比，本发明波像差测量装置极大提高了波像差测量速度，增强了测量的实时性。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明波像差测量装置实施方式示意图；

图2是本发明图1所示波像差测量装置的物面小孔第一种实施方式示意图；

图3是本发明图1所示波像差测量装置的像面剪切光栅第一种实施方式示意图；

图4是本发明图1所示波像差测量装置的像面剪切光栅第二种实施方式示意图；

图5是本发明图1所示波像差测量装置的像面剪切光栅第三种实施方式示意图；

图6是本发明图1所示波像差测量装置的物面小孔第二种实施方式示意图；

图7是本发明图1所示波像差测量装置的像面剪切光栅第四种实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

参照图1，本发明波像差测量装置包括：

照明系统11，产生照明光；

物面小孔板31，其上具有物面小孔35；

像面剪切光栅板32，其上具有像面剪切光栅36；

二维阵列光敏元件33和数据处理单元34。

上述波像差测量装置在实施方式中，物面小孔板31位于光刻机照明系统11的下方，投影物镜13的物面上，与掩模台21连接，并能随掩模台21一起运动。物面小孔板31接收来自照明系统11的照明光，通过物面小孔35产生理想点光源，理想点光源发出的测量光束进入投影物镜13。携带投影物镜光瞳12的波像差信息的测量光束被投影物镜13汇聚到像面剪切光栅板32。像面剪切光栅板32位于投影物镜13的像面，与工件台22连接，并能随工件台22一起运动。汇聚的测量光束经过像面剪切光栅后形成剪切干涉图案，被位于远场的二维阵列光敏元件33探测到。通过上述测量流程，在每个视场点测量不同方向、不同移相位置的干涉图案，并传输到数据处理单元34，经过计算处理获得投影物镜光瞳12的波像差信息。

在具体实施方式中，通过改变物面小孔35和像面剪切光栅36的相对位置进行移相，即通过运动掩模台21或工件台22，或同时运动掩模台21和工件台22，改变与其连接的物面小孔板31和像面剪切光栅板32的相对位置。

由于二维阵列光敏元件33位于像面剪切光栅36的远场探测面，即夫琅和费衍射近似区，因此二维阵列光敏元件33的探测面与像面剪切光栅36之间为傅立叶变换关系。这样，像面剪切光栅36上测量标记的位置变化等同于二维阵列光敏元件33上接收光束的位相变化。

参照图2，物面小孔35的一种可选实施方式包括至少两个物面小孔标记37。物面小孔标记37包括至少两个光栅方向不同的物面小孔子标记，物面小孔子标记的的编号规定如下：O代表物面Object，数字1至n代表第1至n个待测视场点，X和Y代表两个互相垂直的方向。每个物面小孔标记对应一个待测视场点。对于每个待测视场点，均需至少两个不同方向的物面小孔子标记来完成波像差的测量。测试的视场点数目n由实际测试需求决定。相邻视场点的物面小孔标记内的物面小孔子标记的分布方向不同，例如第一物面小孔标记分布为上面Y方向物面小孔子标记O1Y、下面X方向物面小孔子标记O1X，则与第一物面小孔标记相邻的第二物面小孔标记分布为上面X方向物面小孔子标记O2X、下面Y方向物面小孔子标记O2Y。X和Y方向也可为不相垂直的两个方向，各个物面小孔标记可为横向排列，也可为纵向排列，与视场方向一致。一个物面小孔标记37内的物面小孔子标记的排列方向与各个物面小孔标记37的排列方向垂直。

对于图2中的物面小孔标记，像面剪切光栅36包括下面几种优选实施例，像面剪切光栅36至少包括两个像面剪切光栅标记，像面剪切光栅标记的编号规定如下：I代表像面Image，X和Y代表两个不同的标记方向，数字为实施方式的编号，实施方式编号后的数字代表像面剪切光栅标记的行号。

参照图3，像面剪切光栅36的第一种实施方式包括两个像面剪切光栅标记，优选的实施方式是像面剪切光栅标记为线性光栅标记，其线条为狭缝标记，光栅方向分别为X方向和Y方向，优选实施方式是X方向和Y方向垂直。物面小孔标记光栅与该线性光栅标记的周期之间的比例为物镜倍率M。IY1和IX1之间的距离为物面小孔标记不同视场点间距除以物镜倍率M。一般而言，像面光栅是物面光栅的1/4，但为了保证剪切干涉效果，像面光栅可能稍大。像面剪切光栅36的第二种实施方式如图4所示，这里光栅方向X和Y方向交换了方向。由图3和图4的实施例可知，物面的两排物面小孔标记也可以交换位置。像面剪切光栅36的第三种实施方式如图5所示，该实施方式是图三所示实施方式的变型，由两个图三所示的像面剪切光栅组合而成，但第二行的像面剪切光栅标记与第一行的像面剪切光栅标记的排列方向相反，成180°旋转。这些标记的周期和标记间距与物面小孔间满足物镜倍率关系，即物面小孔标记的间距与像面剪切光栅标记组的间距的比值等于投影物镜的投影倍率M，物面小孔子标记的周期与像面剪切光栅标记的周期的比值等于投影物镜的投影倍率M。进一步，图3至图5中像面剪切光栅实施例中每一行的标记数量最多可以和物面小孔标记数量一样多，即n个，但是囿于二维阵列光敏元件放置空间、功耗及其自身物理探测面积的限制较难实施。因此，在本专利仅列举优选实施方式。

在上述实施方式中，测量流程如下：若使用图3中的像面剪切光栅进行测量，则可以同时测量视场点1的Y向和视场点2的X向，因此，若有n个视场点，n为偶数时，第一行标记需测量n/2次，n为奇数时，第一行标记需测量n/2+1次，即最后一个标记需单独用Y向进行测量。在偶数个视场点情况下，对第二行标记则首尾两个标记均需单独测量，因此测量次数为n/2+1次；n为奇数时的测量次数也为n/2+1。这样，在偶数个视场点情况下，该实施例所需测量次数为n+1次；在奇数个视场点情况下，该实施例所需测量次数为n+2次。对比传统的测量方法，需对每个视场点的2个方向分别测量，测量次数为2n次。只要在测量视场点数大于2个的情况下，本实施例中的测量方法将更快速，实时性更高。图4、5所示实施例与图3所示实施例类似。图5所示实施例的测量次数为n/2(偶数个视场点)或n/2+1(奇数个视场点)，具有更快的速度。由上述分析可知，增加每行像面剪切光栅标记的数量即可获得更快的测量速度。但一般而言，光刻机物镜视场面积较大，无法一次进行完全测量，因此需在像面测量点数量与实际情况间做权衡，2个视场点2个方向并行测量是较优且较易实施的情况。

当X、Y方向为垂直的两个方向时，为了实现上述快速的测量方法，在进行移相测量时不使用以往的垂直于线性光栅标记方向的移相方法，而使用与线性光栅标记方向成45度角的移相方法。若一次测量中需移相m步，即每次移相的距离为p/m，其中p为光栅周期，则在本实施例中每次移相距离为使用这种移相方法可以同时在两个垂直方向实现移相操作，这可以进一步提高波像差测量的实时性。

进一步，物面小孔也可以采用其他实施方式，参见图6，物面小孔35的另一种可选实施方式包括至少两个物面小孔标记，物面小孔标记37包括至少两个不同方向的物面小孔子标记，与图2所示的物面小孔不同的是，每个物面小孔标记37内的物面小孔子标记的排列方向均是相同的。在这种情况下，相应的像面剪切光栅如图7所示，为棋格状光栅ICB(ChessBoard)。该光栅的周期与物面小孔子标记匹配，两者之比等于物镜倍率M。图7中显示了物面小孔子标记O1Y、O2Y和O1X、O2X投影到像面剪切光栅的情形。在本实施例中，可以对同一排的不同视场点的标记进行同时测量，如同时对O1Y和O2Y进行测量，或同时对O1X和O2X进行测量，但是不能同时测量O1Y、O2Y和O1X、O2X这两个视场点的四个标记。因为，测量O1Y和O2Y时需进行垂直于Y向的移相，测量O1X和O2X时需进行垂直于X向的移相，而不能同时对这两个方向进行移相。这样本实施例一次只能测量多个视场点的一个方向，通过增加一次测量的视场点数目提高测量速度。而不像实施例1中，可以同时测量多个视场点的2个方向。这是本实施例不同于实施例1的地方之一。由于本实施例只能同时测量同一排的不同视场点标记，若同时测量2个视场点，则在偶数个视场点情况下需测量n次，奇数情况下需测量n+2次。好于传统串行测量方法的2n次。很显然，同时测量的视场点越多，测量速度越快，但需针对光刻机实际情况做出权衡。

使用棋格状光栅时，实际得到的剪切干涉图案都包括了两个方向，但对于每次测量只有一个方向的剪切干涉图案是有用的，因此在测量时还用沿移相方向的垂直方向对干涉图像积分，以平均掉另一方向的剪切干涉图案，获得需要的图案。

在本实施例中，物面小孔使用如图2的光栅标记，像面选用如图7的剪切光栅标记。测量时以选择如图3、4或5的测量方式进行测量。其测量效率同实施例1中的分析。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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 (16)

1.一种使用波像差测量装置的波像差测量方法，所述波像差测量装置包括：照明系统，产生照明光束；物面小孔，包括至少两个物面小孔标记，所述至少两个物面小孔标记沿第一方向排列，所述物面小孔标记包括两个物面小孔子标记，所述两个物面小孔子标记沿第二方向排列，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述两个物面小孔子标记的光栅方向分别沿X方向和沿Y方向，所述照明光束照射到所述物面小孔形成测量光束；投影物镜；像面剪切光栅，所述测量光束通过所述投影物镜后入射到所述像面剪切光栅，形成剪切干涉图案；以及二维阵列光敏元件，用于接收所述剪切干涉图案； 

使用波像差测量装置的波像差测量方法包括： 

多次改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置，获得两个方向上的多个剪切干涉图案；其特征在于，可同时对至少两个视场点进行测量，以同时获得每一视场点中至少一个视场方向的剪切干涉图案； 

所述二维阵列光敏元件接收所述多个剪切干涉图案； 

根据所述多个剪切干涉图案，计算所述投影物镜的波像差。 

2.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述物面小孔位于物面小孔板上，所述物面小孔板与掩模台连接，所述掩模台带动所述物面小孔板移动。 

3.根据权利要求2所述的波像差测量方法，其特征在于，所述像面剪切光栅位于像面剪切光栅板上，所述像面剪切光栅板与工件台连接，所述工件台带动所述像面剪切光栅板移动。 

4.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述像面剪切光栅是棋格状光栅。 

5.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，相邻的所述物面小孔标记中的两个物面小孔子标记的排列方向不同。 

6.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述像面剪切光栅包括至少一个像面剪切光栅标记组，所述像面剪切光栅标记组包括至少两个像面剪切光栅标记，所述至少两个像面剪切光栅标记沿第一方向排列，所述至少一个像面剪切光栅标记组沿第二方向排列，所述至少两个像面剪切光栅标记的光栅方向分别沿X方向和沿Y方向。 

7.根据权利要求6所述的波像差测量方法，其特征在于，沿第一方向和沿第二方向相邻的所述至少两个像面剪切光栅标记排列方向不同。 

8.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述物面小孔标记的间距等于 待测视场点间隔。 

9.根据权利要求6所述的波像差测量方法，其特征在于，所述物面小孔标记的间距与所述像面剪切光栅标记组的间距的比值等于投影物镜的投影倍率M。 

10.根据权利要求6所述的波像差测量方法，其特征在于，所述物面小孔子标记的周期与所述像面剪切光栅标记的周期的比值等于投影物镜的投影倍率M。 

11.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述X方向和所述Y方向垂直。 

12.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述物面小孔子标记为狭缝光栅。 

13.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，所述像面剪切光栅为狭缝光栅。 

14.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，还包括数据处理单元，对所述二维阵列光敏元件接收的信息进行处理，计算出投影物镜波像差。 

15.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，沿与所述物面小孔子标记的光栅方向和所述像面剪切光栅的光栅方向成45°的方向改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置。 

16.根据权利要求1所述的波像差测量方法，其特征在于，沿与所述物面小孔子标记的光栅方向和所述像面剪切光栅的光栅方向成0°或者90°的方向改变所述物面小孔和所述像面剪切光栅的相对位置。