CN102621819A

CN102621819A - 光刻机投影物镜大像差检测方法

Info

Publication number: CN102621819A
Application number: CN2012101059126A
Authority: CN
Inventors: 段立峰; 王向朝; 徐东波
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: CN102621819B

Abstract

一种光刻机投影物镜大像差检测方法。该方法采用多级Box-Behnken Design抽样方法，并通过空间像主成分分析实现对光刻投影物镜大波像差的检测。本发明方法在像差幅值大于0.1λ时，能够使像差的检测精度提高30％以上。

Description

光刻机投影物镜大像差检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机投影物镜像差，特别是一种光刻机投影物镜大像差检测方法。

背景技术

投影物镜的像差是影响投影式光刻机光刻分辨率和套刻精度的一个重要因素。随着光刻特征尺寸的不断变小，尤其是离轴照明与相移掩模的使用，投影物镜波像差的影响变得越来越突出。投影物镜是一个十分庞大的复杂系统，工作过程中环境的变化和自身重力的影响都会使得物镜像质恶化。因此光刻机投影物镜像差的测量技术不可或缺。

在以前的工作中，我们提出了一种基于空间像主成分分析的光刻投影物镜波像差检测技术，即AMAI-PCA技术(参见在先技术[1]，Lifeng Duan，XiangzhaoWang，Anatoly Y.Bourov，Bo Peng，and Peng Bu，“In situ aberration measurementtechnique based on principal component analysis of aerial image，”Opt.Express 19，18080-18090(2011)，)。过去的工作中，我们采用基于Box-Behnken Design(BBD)方法(参见在先技术[2]，G.E.P. Box and D.W.Behnken，“Some new three leveldesigns for the study ofquantitative variables，”Technometrics 2(4)，455-475(1960)，)，对泽尼克像差空间进行抽样，采用该方法可对20nm范围内的波像差进行准确的求解。在数值孔径为0.75的ArF光刻机上的实际试验表明，AMAI-PCA技术的测试重复性(1σ)可达0.5nm，根据AMAI-PCA技术检测结果校正波像差，能够有效的改善硅片曝光结果。但在一些特殊情况下，例如光刻机集成测试之初，由于长途运输及环境变化等原因导致投影物镜波像差严重恶化，波像差最差可达到0.2λ以上。该技术的缺点在于其测量范围小，当波像差超过0.1λ范围时，求解精度将随着波像差的增大而降低，无法适应光刻机集成测试之初的像差测试需求。因此需要一种原位检测技术，能够对大范围的波像差进行快速、准确的测量，以优化投影物镜成像质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光刻机投影物镜大像差检测方法。利用多级BBD抽样方式，对泽尼克空间进行抽样，构建空间像集合，并通过主成分分析方法实现对泽尼克幅值大于0.1λ的大波像差进行检测。相对于在先技术[1]，本方法泽尼克像差的求解精度提高了30％以上，有效提高了大像差下泽尼克系数的求解精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机投影物镜大像差检测方法，该方法采用的测量系统包括用于产生照明光束的光源、能调整照明光束的束腰、光强分布，部分相干因子和照明方式的照明系统、掩模台、投影物镜、能精确定位的六维扫描工件台、安装在六维扫描工件台上的空间像传感器以及与工件台相连的数据处理计算机，其特点在于本方法包括以下步骤：

①设定泽尼克像差抽样组合方式：

通过BBD设计得到一个矩阵M，选取0～1区间的n个数值分别乘上矩阵M得到不同幅值的矩阵分别为M₁，M₂，…，M_n，n为正整数；采用公式(1)组合方式进行组合，则得到本方法所需要的多级BBD矩阵：

矩阵M_多乘上建模所需的泽尼克系数幅值为0.1λ、0.2λ、或0.3λ，即为所需要的泽尼克像差抽样组合方式，即多级BBD的泽尼克系数组合，其中λ为光刻机激光器的使用波长；

②仿真空间像集合的建立：

选定光刻机的参数：照明系统的照明方式及其部分相干因子，光刻机激光器的使用波长为λ，投影物镜的数值孔径NA，在掩模台上的安置测试掩模，该测试掩模上的测试标记由一组图形位于0°方向和图形位于90°方向的孤立空组成；空间像采集范围：X方向采集范围为[-L，L]，Z方向采集范围为[-F，F]；空间像采样点数：X方向采样点数为M，Z方向采集采样点数为N；将上述参数设计和所述的多级BBD的泽尼克系数组合输入计算机，采用PROLITH光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIM；

③仿真空间像集合的主成分分析和线性回归分析：

对仿真空间像集合AIM进行主成分分析，得到仿真空间像的主成分系数V和主成分PC，把得到的主成分系数V和所述的泽尼克系数组合采用常规方法进行线性回归分析，得到主成分系数与泽尼克系数之间的线性回归矩阵，再通过回归矩阵建立仿真空间像与泽尼克系数之间的线性关系模型；

④启动光刻机采集空间像：

对待检测的光刻机的投影物镜的参数进行设置，参数同步骤②；启动光刻机，光源发出的照明光经照明系统调整后得到相应的照明方式，并照射到掩模台上，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的空间像，检查测量结果无误后，将实测空间像输入所述计算机储存；

⑤泽尼克像差的求解：

计算机对所述的实测空间像，同步骤③所述的主成分PC按照常规方法进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数，该实测空间像的主成分系数同步骤③中得到的线性回归矩阵，按常规方法进行最小二乘拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差。

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种光刻机投影物镜大像差检测方法，使用多级BBD抽样方式进行建模计算。实验说明，当像差幅值大于0.1λ时，使用多级BBD的AMAI-PCA方法能使泽尼克像差求解精度相对于传统BBD方法提高30％以上。

附图说明

图1：本发明所采用的光刻机投影物镜大像差检测方法系统结构示意图

图2：传统BBD抽样方式示意图

图3：本发明所采用的多级BBD抽样方式示意图

图4：利用本发明的二级BBD、四级BBD同BBD三种建模方式下Zenike像差为±0.2λ时的求解精度比较

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，但不以此实施实例限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明采用的测量系统结构示意图。由图1可见，该系统包括产生照明光束的光源1，用于调整所属光源发出光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式的照明系统2、能精确定位的掩模台3、数值孔径可调的投影物镜4、能精确定位的六维扫描工件台6及安装在六维扫描工件台上的空间像传感器5，与工件台相连的数据处理计算机7。本发明采用的空间像传感器上自带通用数据接口，可直接与计算机相连采集和记录数据。

具体测量过程包含以下五个步骤：

①设定泽尼克像差抽样组合方式：

通过BBD设计得到一个矩阵M，均匀选取0～1区间的2个数值0.5和1，分别乘上矩阵M得到不同幅值的矩阵分别为M₁，M₂，采用(1)式组合方式进行组合，则得到本方法所需要的二级BBD矩阵；同样均匀选取0～1区间的4个数值0.25，0.5，0.75和1，分别乘上矩阵M得到不同幅值的矩阵分别为M₃，M₁，M₂，M₂，采用(2)式组合方式进行组合，则得到本方法所需要的四级BBD矩阵：

3因素下二级BBD设计得到的矩阵可以表示为

3因素四级BBD抽样方式如图3所示，可以看出，相对于传统BBD抽样方式(图2)，多级BBD抽样方式细化了很多。

矩阵M_2级，M_4级和M分别乘上建模所需的泽尼克系数幅值0.2λ，即为所需要的二级BBD，四级BBD和BBD泽尼克像差抽样组合方式，其中λ为光刻机激光器的使用波长，为193nm；

②仿真空间像集合的建立：

选定光刻机的参数：照明系统的照明方式为传统照明方式，其部分相干因子为0.65，光刻机激光器使用波长为193nm，投影物镜的数值孔径NA为0.75，在掩模台上的安置测试掩模，该测试掩模上的测试标记由一组图形位于0°方向和图形位于90°方向的孤立空组成；空间像采集范围：X方向采集范围为[-900nm，900nm]，Z方向采集范围为[-3500nm，3500nm]；空间像采样点数：X方向采样点数为61，Z方向采集采样点数为57；将上述参数设计和所述的二级BBD、四级BBD和BBD的泽尼克系数组合输入计算机，采用PROLITH光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIM_2BBD，AIM_4BBD和AIM_BBD；

③仿真空间像集合的主成分分析和线性回归分析：

对仿真空间像集合AIM_2BBD，AIM_4BBD和AIM_BBD分别进行主成分分析，得到各自仿真空间像集合的主成分系数V_2BBD，V_4BBD和V_BBD及其对应的主成分PC_2BBD，PC_4BBD和PC_BBD，把不同级次BBD下得到的主成分系数V_2BBD，V_4BBD和V_BBD和其对应级次的泽尼克系数组合采用常规方法进行线性回归分析，得到不同级次下主成分系数与泽尼克系数之间的线性回归矩阵RM_2BBD，RM_4BBD和RM_BBD，再通过这些不同级次下的回归矩阵建立不同级次BBD下仿真空间像与泽尼克系数之间的线性关系模型；

④启动光刻机采集空间像：

⑤泽尼克像差的求解：

计算机对所述的实测空间像，同步骤③所述的不同BBD级次下的主成分PC_2BBD，PC_4BBD和P_CBBD按照常规方法进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数，该实测空间像的主成分系数同步骤③中得到不同级次下的线性回归矩阵RM_2BBD，RM_4BBD和RM_BBD，按常规方法进行最小二乘拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差。

把求解得到的泽尼克像差值同投影物镜真实的泽尼克像差值进行对比，可以得到不同级次BBD抽样方式下泽尼克像差的求解误差。其中求解得到的Z₇～Z₉，Z₁₄～Z₁₆的求解误差如图4所示，可以看出本发明提出的投影物镜大像差检测方法可以很好的提高大像差下泽尼克像差的求解精度。在大像差条件下，相对于传统BBD下的AMAI-PCA方法，本发明方法检测的泽尼克像差的精度可以提高30％以上。

Claims

1.一种光刻机投影物镜大像差检测方法，该方法采用的测量系统包括用于产生照明光束的光源(1)、能调整照明光束的束腰、光强分布，部分相干因子和照明方式的照明系统(2)、掩模台(3)、投影物镜(4)、能精确定位的六维扫描工件台(5)、安装在六维扫描工件台上的空间像传感器(6)以及与工件台相连的数据处理计算机，其特征在于本方法包括以下步骤：

①设定泽尼克像差抽样组合方式：

②仿真空间像集合的建立：

③仿真空间像集合的主成分分析和线性回归分析：

④启动光刻机采集空间像：

⑤泽尼克像差的求解：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的照明方式为传统照明，环形照明，二极照明和四极照明。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述投影物镜为全透射式投影物镜。