CN103217872B - 光刻机用微透镜阵列的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机用微透镜阵列的检测装置和检测方法，检测装置的过程包括准分子激光器，沿该准分子激光器的输出光束方向依次是同轴的扩束镜、能量衰减片、光阑、聚光镜和图像传感器，所述的微透镜阵列置于二维电动平台上，所述的微透镜阵列的后焦面与所述的聚光镜的前焦面重合；所述的图像传感器位于所述的聚光镜的后焦面，所述的图像传感器的输出端与计算机的输入端相连。本发明可以精确测量光刻机照明系统中微透镜阵列的不均匀性和能量利用率，可以完整的获得全口径微透镜形成的远场光斑图像。

Description

光刻机用微透镜阵列的检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机，特别是一种光刻机用微透镜阵列的检测装置和检测方法。

背景技术

随着科学技术的进步，当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展。微透镜阵列由于体积小、质量轻、便于阵列化等优点，是一种目前应用十分广泛的微光学元件。微透镜阵列器件在大规模集成电路制造设备——光刻机照明系统、焦平面集光、激光准直、大面阵显示、光效率增强、光计算、微型扫描，全景成像等方面，获得越来越广泛的应用，比如光刻设备照明系统中的光束均匀器，投影光学引擎的光束均匀器、人工复眼、Shack-Hartman波前传感器等。微透镜阵列的不均匀性和能量利用率对其应用有着关键性决定作用。

评价光刻机照明系统性能优劣的一项重要指标是照明均匀性，良好的照明均匀性能够提高整个光刻系统的特征尺寸均匀性（ΔCD）。如果照明均匀性不好，就会造成掩模面曝光线条的粗细不均匀，严重影响光刻机的性能。其次，光刻系统中的紫外准分子激光光源，其线宽很窄，目的是降低投影物镜的色差，所以激光器的功率较低；同时，光刻机曝光系统中的光学元件数量多、工作距离长，整体的透过率较低。微透镜阵列是影响整机透过率的重要因素，主要原因是微透镜阵列的衍射会引起照明光场边缘塌边，为了保证整个照明光场的均匀性，边缘光场需要被遮挡，从而降低了能量利用率。因此，需要对光刻机用微透镜阵列的不均匀性和能量利用率进行测量。

光刻机中微透镜阵列的测量一直比较困难，原因是：1、有较大的光学口径，很难制造相同口径且像差较小的聚光镜系统对微透镜阵列的光束特性进行测量；2、在光刻机照明系统聚光镜焦面上的照明光场的尺寸较大，无法通过传感器直接进行测量；3、由于光刻机中微透镜阵列的工作波长是深紫外光波，使得测量很不方便；4、光刻机照明系统中照明模式较多，从而使得微透镜阵列的测量方法复杂。因此，针对光刻机中微透镜阵列的上述特点，需要设计相应的测量装置，解决大口径、深紫外波段、不同照明模式的微透镜阵列的测量问题。

在先专利“微透镜阵列结构参数及面形畸变的快速检测方法”（中国发明专利：CN1553139A）通过采集一定距离处光通过微透镜阵列后的衍射光斑，并测量微透镜衍射光斑的各方向尺寸，计算得到微透镜的矢高、焦距和输出数值孔径。因为这种方法没有通过聚光镜会聚微透镜阵列发出的各子光束，并且没有测量光场分布，无法测量非均匀性和能量利用率，所以不能用于光刻机中微透镜阵列的测量。

本文提出一种光刻机用微透镜阵列检测装置，可以用来检测微透镜阵列不同区域范围内形成的远场光斑的不均匀性和能量利用率，微透镜阵列不同区域可对应于光刻机照明系统的不同照明模式和不同相干因子。光刻机照明系统不同照明模式有传统照明、环形照明、二极照明、四极照明等照明模式，即照射到微透镜阵列上的光束有不同面积和形状，而该检测装置采用小口径测量光路测量全口径的微透镜阵列形成远场光斑的不均匀性和能量利用率。

发明内容

本发明的目的为了克服上述在先技术的不足，提供一种光刻机用微透镜阵列的检测装置和检测方法，用来检测光刻机照明系统中微透镜阵列形成的远场光斑的不均匀性和能量利用率。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机用微透镜阵列检测装置，其特点在于包括准分子激光器，沿该准分子激光器的输出光束方向依次是同轴的扩束镜、能量衰减片、光阑、聚光镜和图像传感器，所述的微透镜阵列置于二维电动平台上，所述的微透镜阵列的后焦面与所述的聚光镜的前焦面重合；所述的图像传感器位于所述的聚光镜的后焦面，所述的图像传感器的输出端与计算机的输入端相连。

利用上述的微透镜阵列光学检测装置对微透镜阵列的检测方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将待测的微透镜阵列置于二维电动平台上，开启所述的准分子激光器，调整所述的能量衰减片和光阑，使所述的准分子激光器发出的激光，经扩束镜、能量衰减片、光阑后形成所需要的通光口径的测量光束；

②该测量光束照射在所述的待测微透镜阵列的第k小区域，经过该k小区域的微透镜阵列的分割，经所述的聚光镜的会聚形成远场光斑被所述的图像传感器（7）探测，经过图像处理系统，获得待测微透镜阵列在该k小区域内形成光斑的光强E_k，称为远场光斑光强；

③移动二维电动平台，重复步骤②，获得微透镜阵列另一区域内形成的光斑的光强分布，直至获得所述的微透镜阵列所有小区域光斑的光强分布，输入计算机，该计算机利用比较法得出远场光斑光强的最大值E_max=max(E_k)和最小值E_min=min(E_k)；

④所述的计算机叠加不同照射区域光斑的光强分布得到有效区域二维光强分布和远场光斑区域总的光强分布计算E_z时，对于第k小区域光强E_k≤0.5%E_max时应该舍去；

⑤最后计算待测微透镜阵列的不均匀性和能量利用率：

按下式计算微透镜阵列的不均匀性：

$\mathrm{\η}=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{E_{\max }+E_{\min }}\×100\%$

其中，E_max和E_min分别为远场光斑光强的最大值和最小值，其中E_max=max(E_k)，E_min=min(E_k)，E_k为远场光斑区域内第k个小区的光强值；

按下式计算微透镜阵列的能量利用率：

$\mathrm{\τ}=\frac{E_0}{E_z}\×100\%.$

本发明与在先技术相比具有以下技术效果：

1、借助图像传感器的高灵敏度和高空间分辨率，本发明可以精确测量光刻机照明系统中微透镜阵列的不均匀性和能量利用率。

2、本发明采用扫描式测量方法，利用小口径测量光路精确的测量微透镜阵列全口径形成的远场光斑不均匀性和能量利用率，降低了测量成本，并为实现不同照明模式下的探测提供便捷快速的方法。

3、将采集到的多幅图像利用图像合成的方法，可以完整的获得全口径微透镜形成的远场光斑图像。

附图说明

图1为本发明微透镜阵列检测装置示意图

图2为光刻机照明系统传统照明（a）、环形照明（b）、二极照明（c）、四极照明（d）模式示意图

图3为微透镜阵列传统照明和环形照明模式下移动轨迹示意图

图4为微透镜阵列二极照明和四极照明模式下移动轨迹示意图

图5为图像处理流程图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不应以此限定本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明微透镜阵列检测装置示意图，由图可见，本发明光刻机用微透镜阵列检测装置，包括准分子激光器1，沿该准分子激光器1的输出光束方向依次是同轴的扩束镜2、能量衰减片3、光阑4、聚光镜6和图像传感器7，所述的微透镜阵列5置于二维电动平台9上，所述的微透镜阵列5的后焦面与所述的聚光镜6的前焦面重合；所述的图像传感器7位于所述的聚光镜6的后焦面，所述的图像传感器7的输出端与计算机8的输入端相连。

利用上述的微透镜阵列光学检测装置对微透镜阵列的检测方法，包括下列步骤：

①将待测的微透镜阵列5置于二维电动平台9上，开启所述的准分子激光器1，调整所述的能量衰减片3和光阑4，使所述的准分子激光器1发出的激光，经扩束镜2、能量衰减片3、光阑4后形成所需要的通光口径的测量光束；

②该测量光束照射在所述的待测微透镜阵列的第k小区域，经过该k小区域的微透镜阵列的分割，经所述的聚光镜6的会聚形成远场光斑被所述的图像传感器7探测，经过图像处理系统，获得待测微透镜阵列5在该k小区域内形成光斑的光强E_k，称为远场光斑光强；

③移动二维电动平台，重复步骤②，获得微透镜阵列另一区域内形成的光斑的光强分布，直至获得所述的微透镜阵列所有小区域光斑的光强分布，输入计算机8,该计算机利用比较法得出远场光斑光强的最大值E_max=max(E_k)和最小值E_min=min(E_k)；

④所述的计算机叠加不同照射区域光斑的光强分布得到有效区域二维光强分布和远场光斑区域总的光强分布计算E_z时，对于第k小区域光强E_k≤0.5%E_max时应该舍去；

⑤最后计算待测微透镜阵列的不均匀性和能量利用率：

按下式计算微透镜阵列的不均匀性：

$\mathrm{\η}=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{E_{\max }+E_{\min }}\×100\%;$

按下式计算微透镜阵列的能量利用率：

$\mathrm{\τ}=\frac{E_0}{E_z}\×100\%.$

下面是本发明一个具体实施例的结构和参数：

准分子激光器1选用加拿大MPB Communications公司的Excimer LaserPSX-100型ArF准分子激光器，该激光器中心波长为193.368nm，最大脉冲能量4mJ（10Hz），出射光斑尺寸为3mm×3mm。

扩束镜2的放大倍率为9倍，扩束后的激光出射口径为Ф25mm，可通过不同的光阑4获得不同的通光口径，通光口径可选的直径大小分别为Ф2mm，Ф5mm，Ф8mm，Ф10mm，Ф12mm，本实施例中选用Ф5mm。

衰减片3选取如下：由于Excimer LaserPSX-100型ArF准分子激光器最大脉冲能量为4mJ，平均功率40mW，假定打在100000个像素点上，每个像素上的最大平均功率为0.0004mW。而图像传感器7选用的是美国Princeton仪器公司的PIXIS1024BUV CCD相机，该相机满井电荷为250000electron/s，量子效率按30%计算，入射到CCD相机上的饱和光强E=250000÷30%×E₀，单光子能量E₀=hν=hc/λ=6.626×10^-34×3×10⁸/(193×10^-9)J=1.9878×10^-16J，所以入射到CCD相机上的饱和光强E=250000÷30%×E₀=1.66×10^-10J/s≈1.66×10^-7mW。因此，选用的衰减片3光能量衰减率为1/1000、1/100、1/20。

聚光镜6为自行设计的测量用聚光镜，由于图像传感器7成像区域尺寸为焦距为13.3mm×13.3mm，通常选取有效光斑区域尺寸约为成像区域尺寸的2/3，待测微透镜阵列5透镜单元尺寸长宽比值为3:1，则有效区域尺寸计算为10.137mm×3.354mm，待测微透镜阵列5出射孔径角为9°×3°，根据前面所述聚光镜的焦距选取要求小于M/sinθ，可以计算出聚光镜的焦距为32mm。

所选择的二维电动平台9为商品化电动位移台，其运动方向为X和Y方向，X和Y方向上的运动行程均为200mm，由于微透镜阵列5的通光口径为126mm，可测量微透镜阵列5的通光面积为150mm×150mm，这样可以保证微透镜阵列5整个通光口径范围内的测量。

图2为光刻机照明系统产生的4种不同照明模式，即传统照明、环形照明、二极照明和四极照明。不同的照明模式下微透镜阵列的移动轨迹是不同的，微透镜阵列在不同照明模式下的移动轨迹如下所述：

①将微透镜阵列固定在图1所示的检测装置中。在传统和环形照明模式下，微透镜阵列的移动轨迹在二维电动平台的带动下按照图3所示的每个小圆的中心坐标移动，图中的每个小圆表示光源经过聚光镜之后照射在微透镜阵列上的圆形光斑，小圆的半径等于光阑的半径。图中小圆01中心坐标为二维电动平台移动的起始坐标；然后，二维电动平台移动到小圆02的中心坐标；接着，二维电动平台移动到小圆03的中心坐标，以此类推，二维电动平台沿着虚线圆I逆时针运动一周，直到移动到小圆00的中心坐标，虚线圆I为小圆01、02、03……00的圆心形成的圆。二维电动平台沿着虚线圆I所在小圆中心坐标运动完之后，转到虚线圆II所在的小圆11的中心坐标；接着，二维电动平台移动到小圆12的中心坐标，依次类推，二维电动平台沿着虚线圆II逆时针运动一周，直到移动到小圆10的中心坐标。二维电动平台沿着虚线圆II所在小圆中心坐标运动完之后，转到虚线圆III所在的小圆21的中心坐标，重复以上运动方式，直到满足停止条件。传统照明的停止条件为，移动到图2（a）所示的圆心，但不能产生重叠。环形照明的停止条件为，移动到图2（b）所示内圆。

②在二极和四极照明模式下，微透镜阵列按照图4所示的小圆的中心坐标形成的轨迹移动。图中极a所在小圆001中心坐标为二维电动平台移动的起始坐标；然后，二维电动平台移动到小圆002的中心坐标；接着，二维电动平台移动到小圆003的中心坐标，虚线圆弧C由小圆001、002、003圆心组成。以此类推，二维电动平台移动到小圆004的中心坐标，重复以上运动方式，二维电动平台沿着虚线圆弧D、E、F所在的小圆中心移动，完成极a的扫描。然后以最近的移动距离移动到相对的极b，在该极里从里到外重复上面的运动，完成后，若为二极照明则结束；若为四极照明再以最近距离逆时针移动到距离其最近的极c，在该极运动完成后以最近的距离移动到其相对的极d，直至完成最终的扫描任务。

当完成整个微透镜阵列的扫描后，将得到的所有图像进行处理，图像处理流程图如图5所示，其具体步骤如下：

①按照图片拍摄的时间顺序依次读取图片；

②将得到的所有图片合成叠加成一副图片，此图片即为全口径微透镜阵列匀光后的光强分布图；

③将合成后的图像进行预处理（去噪、图像增强等）、二值化、特征提取等过程，最终得到有效光斑区域；

④将得到的有效光斑区域进行区域分割；

图像传感器的成像区域为13.3mm×13.3mm，分辨率为1024×1024；图像传感器上光斑的有效尺寸为10.137mm×3.354mm。计算不均匀性时，以4×4个CCD像元采集到的平均光强作为采样点，其采样单元尺寸为0.0533mm×0.0533mm。因此，整个有效光斑占有780×258个像素单元，即192×64个采样单元。

⑤计算微透镜阵列的不均匀性：

完成对图像的采样后，图像传感器可以得到采集到的数据，将该数据使用Matlab软件处理统计所有采样单元中光强最大值E_max和光强最小值E_min，按照公式计算出微透镜阵列的不均匀性。

⑥计算微透镜阵列的能量利用率：

根据测量到的光强分布，对有效区域780×258个像元的光强进行累加得到E₀，对CCD相机整个像元探测到的光强进行累加得到E_z，其中对于远场区域第k小区域光强值E_k≤0.5%E_max时应该舍去。根据计算微透镜阵列的能量利用率。

Claims (2)

1.一种光刻机用微透镜阵列检测装置，包括准分子激光器(1)，沿该准分子激光器(1)的输出光束方向依次是同轴的扩束镜(2)、能量衰减片(3)、光阑(4)、聚光镜(6)和图像传感器(7)，所述的微透镜阵列(5)置于二维电动平台(9)上，所述的微透镜阵列(5)的后焦面与所述的聚光镜(6)的前焦面重合；所述的图像传感器(7)位于所述的聚光镜(6)的后焦面，所述的图像传感器(7)的输出端与计算机(8)的输入端相连。

2.利用权利要求1所述的微透镜阵列检测装置对微透镜阵列的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待测的微透镜阵列(5)置于二维电动平台(9)上，开启所述的准分子激光器(1)，调整所述的能量衰减片(3)和光阑(4)，使所述的准分子激光器(1)发出的激光，经扩束镜(2)、能量衰减片(3)、光阑(4)后形成所需要的通光口径的测量光束；

②该测量光束照射在所述的待测微透镜阵列的第k小区域，经过该k小区域的微透镜阵列的分割，经所述的聚光镜(6)的会聚形成远场光斑被所述的图像传感器(7)探测，经过图像处理系统，获得待测微透镜阵列(5)在该k小区域内形成光斑的光强E_k，称为远场光斑光强；

③移动二维电动平台，重复步骤②，获得微透镜阵列另一区域内形成的光斑的光强分布，直至获得所述的微透镜阵列所有小区域光斑的光强分布，输入计算机(8),该计算机利用比较法得出远场光斑光强的最大值E_max＝max(E_k)和最小值E_min＝min(E_k)；

④所述的计算机叠加不同照射区域光斑的光强分布得到有效区域二维光强分布和远场光斑区域总的光强分布计算E_z时，对于第k小区域光强E_k≤0.5％E_max时应该舍去；

⑤最后计算待测微透镜阵列的不均匀性和能量利用率：

按下式计算微透镜阵列的不均匀性：

$\mathrm{\η}=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{E_{\max }+E_{\min }}\×100\%$

按下式计算微透镜阵列的能量利用率：

$\mathrm{\τ}=\frac{E_0}{E_z}\×100\%.$