CN103197512B - 光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法，所述检测方法使用的检测系统包括光源、照明系统、掩模台、包含检测标记的掩模、投影物镜、工件台、像传感器、用于掩模台与工件台的定位系统、数据处理系统及反馈控制系统。所述的检测方法采用偏振照明方式并选取大的投影物镜数值孔径进行检测，然后利用像传感器测量所述检测标记的成像位置偏移量与最佳焦面偏移量，再根据标定的偏振像差灵敏度系数计算所述投影物镜的偏振像差。本发明具有检测系统结构简单，偏振像差测量时间短，测量范围大的特点。

Description

光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法

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偏振像差原位检测方法。

背景技术

光刻技术是促进半导体集成电路微细化和高集成度化的核心技术，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，其中投影物镜光学系统是光刻机的重要分系统之一。在大数值孔径投影物镜与偏振光照明条件下，投影物镜偏振像差对光刻成像质量的影响不可忽略。光刻机投影物镜偏振像差对交替型相移掩模光栅图形成像质量的典型影响有图形特征尺寸误差、成像位置偏移与最佳焦面偏移等，严重影响光刻分辨率与套刻精度。快速、有效的偏振像差检测方法是减小和控制偏振像差不利影响的前提条件，对提高光刻成像质量具有重要意义。

SPIN-BLP技术是Canon公司开发的一种光刻机投影物镜偏振像差检测方法。参见在先技术1，Yoshihiro Shiode，Takeaki Ebiahara，“Study of polarizationaberration measurement using SPIN method，”Proc.SPIE，6154，615431，(2006)。SPIN-BLP技术结合了用于光刻机投影物镜标量像差检测的SPIN技术与BLP(Birefringence measurement by Linear Polarization of light)测量原理。其中SPIN技术参见在先技术2，Tsuneo Kanda，Yoshihiro Shiode，Ken-ichiro Shinoda，“0.85NAArF exposure system and performance，”Proc.SPIE，5040，789-800(2003)。SPIN技术的像差检测原理是光学系统的像差使得光束聚焦位置偏离理想位置，通过测量位置偏移量可以检测投影物镜像差。利用SPIN技术测量时需要在照明光源和掩模之间插入一块扩散板以获得部分相干因子为1的均匀照明。此外还需要特殊的SPIN检测掩模，掩模上层为对应视场的小孔，下层为抑制高频衍射的Yamato光栅标记。通过检测Yamato光栅标记的成像位置偏移量，确定通过光瞳上每一点的主光线的斜率从而计算出波像差的分布。BLP原理是指调整线偏振照明光偏振角度并利用SPIN技术测量相应的相位误差，根据偏振角度与相位误差的关系计算得到每个光瞳坐标处的相位延迟与快轴方向。

利用在先技术1、2检测投影物镜偏振像差时，需要增加检测用的扩散板，并且使用特殊的光栅检测标记，检测系统结构相对复杂。为了得到整个光瞳上的相位误差，除了改变偏振角度外还需要移动检测掩模重复测量，测量时间较长。此外测量误差随着偏振像差中相位延迟的增大而增大，因此在先技术1的偏振像差测量范围受到一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法，本发明以交替型相移掩模光栅图形为检测标记，通过测量大数值孔径投影物镜与偏振光照明条件下该检测标记空间像的成像位置偏移量与最佳焦面偏移量，可实现快速、有效的投影物镜偏振像差原位检测。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法，所述的检测方法使用的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(包括偏振照明方式)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系统实现精确定位的掩模台、包含偏振像差检测标记的掩模、能将掩模图形成像且数值孔径可调的大数值孔径投影物镜、能搭载硅片并利用定位系统实现精确定位的工件台、安装在工件台上的记录所述掩模空间像光强分布的像传感器、数据处理系统以及反馈控制系统。

所述的光源和照明系统用于实现部分相干因子可调的常规圆形照明方式，部分相干因子的取值范围为0.3～0.8。针对检测标记的图形方向实现X或Y方向偏振照明。

所述的投影物镜的数值孔径的取值范围为0.85～1.15。

所述的检测标记为两组交替型相移掩模光栅图形，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方向偏振像差，且光栅图形相邻透光区域相位差为180度，光栅的线空比为1∶1，针对所述照明方式和投影物镜数值孔径，最优的交替型相移掩模光栅图形检测标记是线宽w为45nm，光栅周期p为90nm的光栅。

所述的像传感器为CCD或光电二极管阵列。

上述光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法包括以下检测步骤：

①确定偏振像差的灵敏度系数：

所述的偏振像差采用泡利-泽尼克系数表示，将泡利矩阵复数系数a₀的相位光瞳分布利用泽尼克多项式进行分解，得到a₀相位项的泡利-泽尼克系数，其中彗差项和球差项分别记为偏振像差的Z_{7_a0}与Z_{9_a0}项，用泽尼克多项式分解泡利矩阵复数系数的光瞳分布获得偏振像差的其它泡利-泽尼克系数；

采用常规圆形照明方式下的Y方向偏振照明，部分相干因子的变化范围为0.3～0.8，步长为0.05，投影物镜的数值孔径选为0.85～1.15，步长为0.05，总共为77组照明条件，每种照明条件下，设定Z_{7_a0}的大小为0.02λ，λ为照明光源的波长，并且设定其它的偏振像差均为零，利用光刻仿真软件计算得到相应照明条件和像差系数下交替型相移掩模光栅图形检测标记在X方向上的成像位置偏移量(ΔX)，根据下列公式：

$S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{7\_a0}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·77),$

确定77组照明条件下偏振像差Z_{7_a0}的灵敏度系数；设定Z_{9_a0}的大小为0.02λ，其它条件相同，根据光刻仿真软件得到Z方向上最佳焦面偏移量ΔZ，按下列公式计算相应的灵敏度系数：

$S_{9\_a0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{9\_a0}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·77).$

利用光刻仿真软件得到的ΔX与ΔZ标定偏振像差a₀相位项的其它奇像差项和偶像差项，计算得到相应的偏振像差灵敏度系数：S_{5_a0}、S_{34_a0}和S_{37_a0}等；

偏振像差的泡利矩阵复数系数a₁的虚部项同样能引起交替型相移掩模光栅图形成像位置偏移与最佳焦面偏移，因此需要计算它的灵敏度系数：S_{5_a1}、S_{7_a1}、S_{34_a1}和S_{37_a1}等。

当投影物镜存在多种偏振像差时，与77组照明条件对应，由以上各灵敏度系数构成X和Z方向上的灵敏度矩阵S_X和S_Z：

$S_X=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{7\_a0}\left({\mathrm{NA}}_{77,}{\mathrm{\σ}}_{77}\right)& ....& S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right]$

$S_Z=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{5\_a0}\left({\mathrm{NA}}_{77,}{\mathrm{\σ}}_{77}\right)& ....& S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].$

②测量投影物镜偏振像差引起的ΔX与ΔZ：

所述的测量过程分为两个步骤：

(a)测量X方向上偏振像差奇像差项引起的ΔX：

设定照明系统为常规圆形照明方式并采用Y方向偏振照明，部分相干因子为0.3，投影物镜的数值孔径为0.85，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系统，数据处理系统提取空间像光强分布中X方向上最大光强对应的成像位置偏移量ΔX。保持投影物镜的数值孔径不变，增大照明系统的部分相干因子，增幅为0.05，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0.90并保持不变，再次测量部分相干因子在0.3～0.8之间变化的空间像光强分布，重复进行该测量过程直到获得投影物镜的数值孔径在0.85～1.15，部分相干因子在0.3～0.8之间变化的77组照明条件下的ΔX：

$\mathrm{\ΔX}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].$

(b)测量Z方向上偏振像差偶像差项引起的ΔZ：

对应步骤(a)中的77组照明条件，利用定位系统和反馈控制系统使像传感器沿Z方向移动并记录相应的空间像光强分布，数据处理系统提取77组照明条件下的空间像光强分布中Z方向上最大光强对应的最佳焦面偏移量ΔZ：

$\mathrm{\ΔZ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].$

③在不同数值孔径和部分相干因子的照明条件下，步骤②测量得到的ΔX、ΔZ与泡利-泽尼克系数表示的偏振像差之间具有如下关系：

ΔX＝S_X·PZ_X

ΔZ＝S_Z·PZ_Z，

其中PZ_X和PZ_Z分别代表影响交替型相移掩模光栅图形成像质量的偏振像差奇像差项泡利-泽尼克系数与偶像差项的泡利-泽尼克系数，具体如下：

${\mathrm{PZ}}_X=\left[\begin{array}{c}{Z}_{7\_a0}\\ ...\\ Z_{34\_a0}\\ Z_{7\_a1}\\ ...\\ Z_{34\_a1}\end{array}\right];$ ${\mathrm{PZ}}_Z=\left[\begin{array}{c}{Z}_{5\_a0}\\ ...\\ Z_{37\_a0}\\ Z_{5\_a1}\\ ...\\ Z_{37\_a1}\end{array}\right].$

④根据步骤①得到的灵敏度矩阵和步骤②得到的ΔX、ΔZ，计算投影物镜偏振像差的X方向上奇像差项与偶像差项泡利泽尼克系数：

PZ_X＝S_X ^-1·ΔX

PZ_Z＝S_Z ^-1·ΔZ.

⑤采用Y方向检测标记测量Y方向上的偏振像差：

将步骤①中的照明方式改为X方向偏振照明，其它设置相同，计算得到相应的灵敏度矩阵S_Y：

$S_Y=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{8\_a0}\left({\mathrm{NA}}_{77,}{\mathrm{\σ}}_{77}\right)& ....& S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].$

通过类似步骤②(a)中的测量过程得到77组照明条件下Y方向上的成像位置偏移量ΔY：

$\mathrm{\ΔY}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].$

根据步骤③④计算投影物镜偏振像差的Y方向上奇像差项泡利泽尼克系数：

PZ_Y＝S_Y ^-1·ΔY

其中，PZ_Y＝[Z_{8_a0}；...；Z_{35_a0}；Z_{8_a1}...；Z_{35_a1}].

本发明由于采用上述检测方案，与在先技术1、2相比，具有以下优点：

1、本发明采用光刻常用的交替型相移掩模光栅图形作为检测标记，且不需要增加其它检测元件，检测系统结构简单。

2、本发明能对整个光瞳进行偏振像差检测，不需要移动检测掩模标记重复测量，测量时间短。

3、本发明利用的偏振像差与交替型相移掩模光栅图形成像位置偏移、最佳焦面偏移之间的线性关系在大像差范围内也成立，偏振像差测量范围大。

附图说明

图1是本发明使用的投影物镜偏振像差检测系统结构示意图。

图2是本发明采用的偏振照明方式和检测标记示意图。

图3(a)、(b)分别是本发明采用的交替型相移掩模光栅图形与部分偏振像差奇像差项、偶像差项的线性关系。

图4(a)、(b)分别是本发明实施例中采用的检测标记在常规圆形照明方式下偏振像差Z_{7_a0}、Z_{9_a0}灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子的关系。

图5(a)、(b)分别是本发明实施例中采用的检测标记在常规圆形照明方式下偏振像差Z_{7_a1}、Z_{9_a1}灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子的关系。

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为本发明使用的投影物镜偏振像差检测系统结构示意图，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(包括偏振照明方式)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系统6实现精确定位的掩模台3、包含偏振像差检测标记5的掩模4、能将掩模图形成像且数值孔径可调的大数值孔径投影物镜7、能搭载硅片并利用定位系统10实现精确定位的工件台8、安装在工件台8上的记录所述掩模空间像光强分布的像传感器9、数据处理系统11以及反馈控制系统12。

所述的光源1和照明系统2中常规圆形照明的部分相干因子在0.3到0.8之间调整，并可实现X或Y方向偏振照明。曝光波长为193nm。

所述的检测标记5为两组交替型相移掩模光栅图形，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方向偏振像差，且光栅图形相邻透光区域相位差为180度，光栅的线空比为1∶1。所述的交替型相移掩模光栅图形检测标记是线宽w为45nm，光栅周期p为90nm的光栅。

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0.85到1.15之间调整。

所述的像传感器9为CCD或光电二极管阵列。

一种采用上述检测系统的光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法包括以下步骤：

①确定偏振像差的灵敏度系数：

为了说明所检测的投影物镜偏振像差，首先对其定义和分类进行介绍。采用大数值孔径投影物镜成像时，需要考虑投影物镜的矢量特性。通常用2×2的琼斯矩阵J描述投影物镜出射光场矢量E′与入射光场矢量E的关系，如下所示：

$E^{\′}=\left(\begin{array}{c}{E_x}^{\′}\\ {E_y}^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{J}_{\mathrm{xx}}& J_{\mathrm{xy}}\\ J_{\mathrm{yx}}& J_{\mathrm{yy}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right)=\mathrm{JE},---\left(1\right)$

其中J_ij(i，j＝x，y)描述入射j偏振分量与出射i偏振分量的耦合关系，且J_ij均为复数。与入射光场矢量相比，出射光场矢量受到投影物镜偏振特性的影响发生变化，描述该变化的琼斯矩阵即为投影物镜的偏振像差。根据线性代数可知，对于2×2的琼斯矩阵可用泡利矩阵进行分解：

$J=\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\mathrm{\σ}}_i=\left(\begin{array}{cc}{a}_0+a_1& a_2-{\mathrm{ia}}_3\\ a_2+{\mathrm{ia}}_3& a_0-a_1\end{array}\right),---\left(2\right)$

其中a_i(i＝0，1，2，3)是泡利矩阵的复数系数，四个泡利矩阵具体为：

${\mathrm{\σ}}_0=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right){\mathrm{\σ}}_1=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right){\mathrm{\σ}}_2=\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right){\mathrm{\σ}}_3=\left(\begin{array}{cc}0& -i\\ i& 0\end{array}\right).---\left(3\right)$

根据每个泡利矩阵的本征偏振态可知，系数a₀的幅值代表标量透过率，相位为标量波像差，而a₁～a₃的实部和虚部分别描述了不同本征偏振态之间的衰减和相位延迟。采用泽尼克多项式对整个光瞳上的泡利矩阵系数再次进行分解得到相应的泡利-泽尼克系数：

$\mathrm{Pd}(f,g)=\underset{m=1}{\overset{37}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{m\_\mathrm{Pd}}{R}_m(f,g),---\left(4\right)$

其中f，g为投影物镜出瞳的归一化频率，Pd为泡利矩阵系数的光瞳分布，包括a₀的幅值、相位以及a₁～a₃的实部和虚部的光瞳分布，R_m(f，g)是泽尼克多项式，Z_{m_Pd}是对应的偏振像差泡利-泽尼克系数。同样，根据泽尼克多项式的性质，泡利-泽尼克系数表示的偏振像差也有奇像差项与偶像差项，例如a₀的相位项中彗差Z_{7_a0}为奇像差项，它引起交替型相移掩模光栅图形出现成像位置偏移，而Z_{9_a0}为偶像差项，引起最佳焦面偏移。

图2为本发明采用的偏振照明方式和检测标记。对应X方向的交替型相移掩模光栅图形采用Y方向偏振照明，Y方向的光栅图形则采用X方向偏振照明。光栅图形相邻透光区域相位差为180度，光栅的线空比为1∶1，对其进行结构优化后光栅线宽w为45nm，光栅周期p为90nm。由于投影物镜偏振像差的影响，所述的交替型相移掩模光栅图形的空间像出现成像位置偏移与最佳焦面偏移，并且只有a₀的相位项以及a₁的虚部项会引起上述成像质量劣化。

如图3所示，成像位置偏移量ΔX、最佳焦面偏移量ΔZ与a₀的相位项以及a₁的虚部项的泡利-泽尼克系数之间具有线性关系，且该线性关系在较大的像差范围内(如-0.05λ～0.05λ)也成立。当投影物镜存在多种偏振像差时，ΔX、ΔZ与偏振像差泡利-泽尼克系数的关系可表示为：

ΔX＝S_{7_a0}Z_{7_a0}+...S_{34_a0}Z_{34_a0}+

S_{7_a1}Z_{7_a1}+...S_{34_a1}Z_{34_a1}    (5)

ΔZ＝S_{5_a0}Z_{5_a0}+...S_{37_a0}Z_{37_a0}+

S_{5_a1}Z_{5_a1}+...S_{37_a1}Z_{37_a1}，

其中S是偏振像差灵敏度系数，在不同的部分相干因子和数值孔径下，偏振像差灵敏度系数具有不同的数值。以检测标记51为例进行说明。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0.05，投影物镜7的数值孔径变化范围0.85～1.15，步长为0.05。以a₀相位项的彗差Z_{7_a0}为例，设定Z_{7_a0}的大小为0.02λ，λ为照明光源的波长，并且设定其它的偏振像差均为零，利用光刻仿真软件计算得到相应照明条件和像差系数下交替型相移掩模光栅图形检测标记51在X方向上的成像位置偏移量(ΔX)，根据下列公式：

$S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{7\_a0}},(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·77),---\left(6\right)$

确定77组照明条件下偏振像差Z_{7_a0}的灵敏度系数；利用光刻仿真软件得到的ΔX与ΔZ标定偏振像差a₀相位项的其它奇像差项和偶像差项，计算得到相应的偏振像差灵敏度系数：S_{5_a0}、S_{34_a0}和S_{37_a0}等；

偏振像差的泡利矩阵复数系数a₁的虚部项同样能引起交替型相移掩模光栅图形成像位置偏移与最佳焦面偏移，因此需要计算它的灵敏度系数：S_{5_a1}、S_{7_a1}、S_{34_a1}和S_{37_a1}等。

当投影物镜7存在多种偏振像差时，与77组照明条件对应，由以上各灵敏度系数构成X和Z方向上的灵敏度矩阵S_X和S_z：

$S_X=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{7\_a0}\left({\mathrm{NA}}_{77,}{\mathrm{\σ}}_{77}\right)& ....& S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right]$

$S_Z=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{5\_a0}\left({\mathrm{NA}}_{77,}{\mathrm{\σ}}_{77}\right)& ....& S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].---\left(7\right)$

②测量投影物镜偏振像差引起的ΔX与ΔZ：

所述的测量过程分为两个步骤：

(a)测量X方向上偏振像差奇像差项引起的ΔX：

设定照明系统2为常规圆形照明方式并采用Y方向偏振照明，部分相干因子为0.3，投影物镜7的数值孔径为0.85，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系统11，数据处理系统11提取空间像光强分布中X方向上最大光强对应的成像位置偏移量ΔX。保持投影物镜的数值孔径不变，增大照明系统的部分相干因子，增幅为0.05，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0.90并保持不变，再次测量部分相干因子在0.3～0.8之间变化的空间像光强分布，重复进行该测量过程直到获得投影物镜的数值孔径在0.85～1.15，部分相干因子在0.3～0.8之间变化的77组照明条件下的ΔX：

$\mathrm{\ΔX}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].---\left(8\right)$

(b)测量Z方向上偏振像差偶像差项引起的ΔZ：

对应步骤(a)中的77组照明条件，利用定位系统10以及反馈控制系统12使像传感器9沿Z方向移动并记录相应的空间像光强分布，数据处理系统11提取77组照明条件下的空间像光强分布中Z方向上最大光强对应的最佳焦面偏移量ΔZ：

$\mathrm{\ΔZ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].---\left(9\right)$

③在不同数值孔径和部分相干因子的照明条件下，步骤②测量得到的ΔX、ΔZ与泡利-泽尼克系数表示的偏振像差之间具有如下关系：

ΔX＝S_X·PZ_X    (10)

ΔZ＝S_Z·PZ_Z，

其中PZ_X和PZ_Z分别代表影响交替型相移掩模光栅图形成像质量的偏振像差奇像差项泡利-泽尼克系数与偶像差项的泡利-泽尼克系数，具体如下：

${\mathrm{PZ}}_X=\left[\begin{array}{c}{Z}_{7\_a0}\\ ...\\ Z_{34\_a0}\\ Z_{7\_a1}\\ ...\\ Z_{34\_a1}\end{array}\right];$ ${\mathrm{PZ}}_Z=\left[\begin{array}{c}{Z}_{5\_a0}\\ ...\\ Z_{37\_a0}\\ Z_{5\_a1}\\ ...\\ Z_{37\_a1}\end{array}\right].---\left(11\right)$

④根据步骤①得到的灵敏度矩阵和步骤②得到的ΔX、ΔZ，计算投影物镜7偏振像差的X方向上奇像差项与偶像差项泡利-泽尼克系数：

PZ_X＝S_X ^-1·ΔX    (12)

PZ_Z＝S_Z ^-1·ΔZ.

⑤采用检测标记52测量Y方向上的偏振像差：

将步骤①中的照明方式改为X方向偏振照明，其它设置相同，计算得到相应的灵敏度矩阵S_Y：

$S_Y=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{8\_a0}\left({\mathrm{NA}}_{77,}{\mathrm{\σ}}_{77}\right)& ....& S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].---\left(13\right)$

通过类似步骤②(a)中的测量过程得到77组照明条件下Y方向上的成像位置偏移量ΔY：

$\mathrm{\ΔY}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right].---\left(14\right)$

根据步骤③④计算投影物镜偏振像差的Y方向上奇像差项泡利-泽尼克系数：

PZ_Y＝S_Y ^-1·ΔY    (15)

其中，PZ_Y＝[Z_{8_a0}；...；Z_{35_a0}；Z_{8_a1}...；Z_{35_a1}].

下面给出本实施例中部分偏振像差灵敏度系数的仿真结果。

图4是在常规圆形照明条件下，采用Y方向偏振照明方式，a₀相位项的彗差Z_{7_a0}与球差Z_{9_a0}的灵敏度系数分别随数值孔径NA和部分相干因子σ的变化情况。图5是a₁虚部项的彗差Z_{7_a1}与球差Z_{9_a1}的灵敏度系数分别随数值孔径NA和部分相干因子σ的变化情况。上述实例的偏振像差Z_{7_a0}、Z_{9_a0}、Z_{7_a1}与Z_{9_a1}的检测精度分别达到了0.22nm、0.16nm、0.42nm与0.32nm。

由于本发明采用光刻常用的交替型相移掩模光栅图形作为检测标记，未增加其它检测元件，检测系统结构简单，测量过程中不需要移动检测掩模标记重复测量，偏振像差测量时间短，测量范围大。

Claims (3)

1.一种光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法，该方法使用的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)、搭载掩模并利用掩模台定位系统(6)实现精确定位的掩模台(3)、包含偏振像差检测标记(5)的掩模(4)、能将掩模图形成像且数值孔径可调的大数值孔径投影物镜(7)、能搭载硅片并利用工件台定位系统(10)实现精确定位的工件台(8)、安装在工件台(8)上的记录所述掩模空间像光强分布的像传感器(9)、数据处理系统(11)和反馈控制系统(12)，其特征在于所述的检测标记(5)为两组交替型相移掩模光栅图形，即交替型相移掩模光栅图形X方向检测标记(51)和交替型相移掩模光栅图形Y方向检测标记(52)，用于分别检测X方向和Y方向偏振像差，且光栅图形相邻透光区域相位差为180度，光栅的线空比为1:1，采用该检测标记的偏振像差原位检测方法包括以下步骤：

①确定偏振像差的灵敏度系数：

所述的偏振像差采用泡利-泽尼克系数表示，将泡利矩阵复数系数a₀的相位光瞳分布利用泽尼克多项式进行分解，得到a₀相位项的泡利-泽尼克系数，其中彗差项和球差项分别记为偏振像差的Z_{7_a0}与Z_{9_a0}项，用泽尼克多项式分解泡利矩阵复数系数的光瞳分布获得偏振像差的其它泡利-泽尼克系数；

采用常规圆形照明方式下的Y方向偏振照明，部分相干因子的变化范围为0.3～0.8，步长为0.05，投影物镜的数值孔径选为0.85～1.15，步长为0.05，总共为77组照明条件，每种照明条件下，设定Z_{7_a0}的大小为0.02λ，λ为照明光源的波长，并且设定其它的偏振像差均为零，利用光刻仿真软件计算得到相应照明条件和像差系数下交替型相移掩模光栅图形X方向检测标记(51)在X方向上的成像位置偏移量ΔX，根据下列公式：

$S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{7\_a0}},(i=\mathrm{1,2,3}...77),$

确定77组照明条件下偏振像差Z_{7_a0}的灵敏度系数；设定Z_{9_a0}的大小为0.02λ，其它条件相同，根据光刻仿真软件得到Z方向上最佳焦面偏移量ΔZ，按下列公式计算相应的灵敏度系数：

$S_{9\_a0}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{{\∂Z}_{9\_a0}},(i=\mathrm{1,2,3}...77),$

利用光刻仿真软件得到的ΔX与ΔZ标定泡利矩阵复数系数a₀相位项的其它奇像差项和偶像差项，计算得到相应的偏振像差灵敏度系数：S_{5_a0}、S_{34_a0}和S_{37_a0}；

偏振像差的泡利矩阵复数系数a₁的虚部项同样能引起交替型相移掩模光栅图形成像位置偏移与最佳焦面偏移，因此需要计算它的灵敏度系数：S_{5_a1}、S_{7_a1}、S_{34_a1}和S_{37_a1}；

当投影物镜存在多种偏振像差时，与77组照明条件对应，由以上各灵敏度系数构成X和Z方向上的灵敏度矩阵S_X和S_Z：

$S_X=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{7\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{34\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{7\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{34\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right]$

$S_Z=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{5\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{37\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{5\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{37\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right],$ ②测量投影物镜偏振像差引起的ΔX与ΔZ：

所述的测量过程分为两个步骤：

(a)测量X方向上偏振像差奇像差项引起的ΔX：

设定照明系统(2)为常规圆形照明方式并采用Y方向偏振照明，部分相干因子为0.3，投影物镜(7)的数值孔径为0.85，光照射交替型相移掩模光栅图形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)测量并记录交替型相移掩模光栅图形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系统(11)，数据处理系统(11)提取空间像光强分布中X方向上最大光强对应的成像位置偏移量ΔX，保持投影物镜的数值孔径不变，增大照明系统的部分相干因子，增幅为0.05，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0.90并保持不变，再次测量部分相干因子在0.3～0.8之间变化的空间像光强分布，重复进行该测量过程直到获得投影物镜的数值孔径在0.85～1.15，部分相干因子在0.3～0.8之间变化的77组照明条件下的ΔX：

$\mathrm{\ΔX}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔX}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right],$

(b)测量Z方向上偏振像差偶像差项引起的ΔZ：

对应步骤(a)中的77组照明条件，利用工件台定位系统(10)和反馈控制系统(12)使像传感器(9)沿Z方向移动并记录相应的空间像光强分布，数据处理系统(11)提取77组照明条件下的空间像光强分布中Z方向上最大光强对应的最佳焦面偏移量ΔZ：

$\mathrm{\ΔZ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔZ}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right],$

③在不同数值孔径和部分相干因子的照明条件下，步骤②测量得到的ΔX、ΔZ与泡利-泽尼克系数表示的偏振像差之间具有如下关系：

ΔX＝S_X·PZ_X

ΔZ＝S_Z·PZ_Z,

其中PZ_X和PZ_Z分别代表影响交替型相移掩模光栅图形成像质量的偏振像差奇像差项泡利-泽尼克系数与偶像差项泡利-泽尼克系数，具体如下：

${\mathrm{PZ}}_X=\left[\begin{array}{c}{Z}_{7\_a0}\\ ...\\ Z_{34\_a0}\\ Z_{7\_a1}\\ ...\\ Z_{34\_a1}\end{array}\right],$ ${\mathrm{PZ}}_Z=\left[\begin{array}{c}{Z}_{5\_a0}\\ ...\\ Z_{37\_a0}\\ Z_{5\_a1}\\ ...\\ Z_{37\_a1}\end{array}\right],$

④根据步骤①得到的灵敏度矩阵和步骤②得到的ΔX、ΔZ，计算投影物镜(7)偏振像差的X方向上奇像差项与偶像差项泡利-泽尼克系数：

PZ_X＝S_X ^-1·ΔX

PZ_Z＝S_Z ^-1·ΔZ,

⑤采用交替型相移掩模光栅图形Y方向检测标记(52)测量Y方向上的偏振像差：

将步骤①中的照明方式改为X方向偏振圆形照明，其它设置相同，计算得到相应的灵敏度矩阵S_Y：

$S_Y=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)& ...& S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ S_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)& & S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...& & & & & \\ S_{8\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{35\_a0}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& S_{8\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})& ...& S_{35\_a1}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right],$

通过类似步骤②(a)中的测量过程得到77组照明条件下Y方向上的成像位置偏移量ΔY：

$\mathrm{\ΔY}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_1,{\mathrm{\σ}}_1)\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_2,{\mathrm{\σ}}_2)\\ ...\\ \mathrm{\ΔY}({\mathrm{NA}}_{77},{\mathrm{\σ}}_{77})\end{array}\right],$

根据步骤③④计算投影物镜(7)偏振像差的Y方向上奇像差项泡利-泽尼克系数：

PZ_Y＝S_Y ^-1·ΔY

其中，PZ_Y＝[Z_{8_a0}；...；Z_{35_a0}；Z_{8_a1}...；Z_{35_a1}]。

2.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法，其特征在于所述的交替型相移掩模光栅图形检测标记是线宽w为45nm，光栅周期p为90nm的光栅。

3.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜偏振像差原位检测方法，其特征在于所述的像传感器(9)为CCD探测器或光电二极管阵列。