CN103439868B - 一种投影物镜数值孔径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影物镜数值孔径的测量装置及方法，包括：物面上放置的小孔阵列，像面上放置的一个可以在xyz向的高精度步进工件台，在工件台上安装波像差测量装置。测量方法包括如下步骤：将小孔阵列放置在物面上；将波前探测器放置在物镜像面位置；设置物镜NA使用照明光束照明掩模；使测试台在Z方向运动，使用波前探测器找到波像差最小的位置；记录下此时的波像差值及坐标位置；改变测试台位置和照明光束，重复前述两步，直到所有视场点的最小WFE值及坐标均被测得；计算投影物镜的数值孔径。使用本发明的一种原位测量投影物镜数值孔径的方法，实现了物镜数值孔径的原位与在线测量，同时测量方法简单、方便。

Description

一种投影物镜数值孔径测量装置及方法

技术领域

本发明属于投影光学系统性能检测领域，特别涉及一种投影物镜数值孔径的检测方法。

背景技术

投影物镜的数值孔径是衡量投影物镜性能的一项关键指标。目前，投影物镜数值孔径离线测量方法比较多，但是投影物镜安装到光刻机后，其性能相对于未安装之前会有一定的变化，因此投影物镜数值孔径的原位测量对于保证数值孔径的设置精度具有重要的意义。

另外，简单、快捷的测量数值孔径也是十分必要的，因为高精度光刻系统必须尽量排除环境变化的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种投影物镜数值孔径测量装置及方法，该方法可以在投影物镜集成到光刻机之后实现投影物镜数值孔径的原位与在线测量，实现了简单、快捷的对数值孔径进行在线与原位测量。

本发明采用的技术方案为：一种投影物镜数值孔径测量装置，包括：小孔阵列，安装在物面支撑单元104；投影物镜，照明系统出射的光经过小孔阵列投射到投影物镜；工件台，位于物镜的像面，沿xyz向高精度步进；波像差测量装置，安装在工件台上，记录波像差最小的位置106处的波像差和偏移波像差最小的位置106处的波像差。

其中，所述的波像差测量装置为哈特曼波前传感器或干涉仪。

本发明另外提供一种投影物镜数值孔径测量方法，其步骤：

S1:将小孔阵列放置在物面上；

S2:将波前探测器放置在物镜像面位置；

S3:设置物镜NA,使用照明光束照明掩模；

S4:使测试台在Z方向运动，使用波前探测器找到波像差最小的位置，记录此时的波像差值及Z向坐标位置；

S5:使波前探测器处于一定的离焦位置，记录此时的波像差和Z向坐标位置；

S6:计算投影物镜的数值孔径。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、使用本发明的一种原位测量投影物镜数值孔径的方法，实现了物镜数值孔径的原位与在线测量，同时测量方法简单、方便。

2、使用本发明的一种原位测量投影物镜数值孔径的方法，测量过程简便，计算简单，有效避免引入额外的误差。

附图说明

图1为实现本发明提供检测方法的一个系统平台的示意图；

图2为波面分解示意图；

图3为针孔的示意图；

图4为针孔阵列的示意图；

图5为波像差最小位置处的波面；

图6为离焦为100纳米时的波面；

图7为离焦为200纳米时的波面。

图8为本发明提供检测方法的流程图示意图。

具体实施方式

以下将结合一个较佳的实施例对本发明的投影物镜数值孔径的测量方法作进一步的详细描述。

图1所示为本发明投影物镜数值孔径的测量结构原理图。投影物镜101的物面上小孔阵列105安装在物面支撑单元104上。从照明系统出来的光线经过小孔阵列105后投射在投影物镜101，光线从投影物镜101出射后进入安装在工件台102上的波前测量装置103。移动工件台102，记录下波像差最小的位置106的Z向坐标位置，以及此处的波像差，移动工件台102使得波像差检测装置偏移、波像差最小的位置106处一个距离，测量该处的波像差及Z向坐标位置。

本发明的测量原理如下：每个波面都可以分解为最佳焦面位置处的波面和一个离焦项的组合，如图2所示。像面上一定量的离焦Δz（单位为nm）和其引入的相位误差w_d（以λ为单位）之间的关系可以用下式表示：

$w_d=\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{1-r^2}-1)---\left(1\right)$

其中，r是出瞳面内的半径，且和归一化半径有以下的关系：

r＝NA·ρ        （2）

则对（1）式进行劳林级数展开，可以表示为：

$w_d=-\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{2}{r}^2+\frac{1}{2^3}{r}^4+\frac{1}{2^4}{r}^6+\frac{5}{2^7}{r}^8+\frac{7}{2^8}{r}^{10}+\frac{21}{2^{10}}{r}^{12}+...)---\left(3\right)$

根据（3）可以得到

$\mathrm{NA}\≈\sqrt{\frac{2({\mathrm{WFE}}_{\mathrm{defocus}}-{\mathrm{WFE}}_0)}{Z_{\mathrm{defocus}}-Z_0}}---\left(4\right)$

其中，WFE_defocus为离焦面上的波像差（WFE）值，WFE₀为最佳焦面的WFE值，Z_defocus为离焦面Z向位置，Z₀为最佳焦面Z向位置。

图3为针孔示意图，图中201为透光区域，202为针孔标记的宽度。图4是针孔阵列的示意图。

当工件台上的波前探测器选用哈特曼波前传感器时，可实现投影物镜数值孔径的在线测量。其在线测量的流程包括如下步骤：让工件台沿Z向上下移动，用哈特曼波像差检测仪寻找波像差值最小的位置，并记下该位置以及波像差，然后工件台移动到一个离焦位置，记录离焦位置和波像差，带入（4）计算投影物镜数值孔径的值。系统将测量得到的数值孔径和设定值比较，可根据差值调整数值孔径设置。

当工件台上的波前探测器选用干涉仪时，可实现投影物镜数值孔径的在线测量。其在线测量的流程包括如下步骤：让工件台沿Z向上下移动，用干涉仪寻找波像差值最小的位置，并记下该位置以及波像差，然后工件台移动到一个离焦位置，记录离焦位置和波像差，带入（）计算投影物镜数值孔径的值。系统将测量得到的数值孔径和设定值比较，可根据差值调整数值孔径设置。

实施例1

本节描述采用本发明进行数值孔径测量的具体实施方式，照明方式设置为传统照明，设置物镜NA=0.75。沿Z向移动工件台，用波像差检测仪对各个位置的波像差进行测量，找到波像差最小的位置，记录下该处Z向上的位置。图5是波像差最小时候系统的波像差。然后沿Z向移动工件台，使得相对于波像差最小的位置离焦100纳米，记录该点的位置和波像差值，图6是离焦100纳米的时候系统的波像差，根据物镜数值孔径计算公式（4）可以计算数值孔径为0.7478。

实施例2

本节描述采用本发明进行数值孔径测量的具体实施方式，照明方式设置为传统照明，设置物镜NA=0.75。沿Z向移动工件台，用波像差检测仪对各个位置的波像差进行测量，找到波像差最小的位置，记录下该处Z向上的位置。图5是波像差最小时候系统的波像差。然后沿Z向移动工件台，使得相对于波像差最小的位置离焦200纳米，记录该点的位置和波像差值，图7是离焦200纳米的时候系统的波像差，根据物镜数值孔径计算公式可以计算数值孔径为0.7492。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述内容做的任何变更、修饰均属于权利要求书的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用投影物镜数值孔径测量装置进行投影物镜数值孔径测量方法，所述的投影物镜数值孔径测量装置，包括：小孔阵列，安装在物面支撑单元(104)；投影物镜，照明系统出射的光经过小孔阵列投射到投影物镜；工件台，位于物镜的像面，沿xyz向高精度步进；波像差测量装置，安装在工件台上，记录波像差最小的位置(106)处的波像差和偏移波像差最小的位置(106)处的波像差，所述的波像差测量装置为哈特曼波前传感器或干涉仪，其特征在于：该方法利用每个波面都可以分解为最佳焦面位置处的波面和一个离焦项的组合，像面上一定量的离焦△z和其引入的相位误差w_d之间的关系用下式表示：

$w_d=\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{1-r^2}-1)---\left(1\right)$

其中，相位误差w^d以λ为单位，r是出瞳面内的半径，且和归一化半径有以下的关系：

r＝NA·ρ   (2)

则对(1)式进行劳林级数展开，可以表示为：

$w_d=-\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{2}{r}^2+\frac{1}{2^3}{r}^4+\frac{1}{2^4}{r}^6+\frac{5}{2^7}{r}^8+\frac{7}{2^8}{r}^{10}+\frac{21}{2^{10}}{r}^{12}+...)---\left(3\right)$

根据(3)可以得到：

$\mathrm{NA}\≈\sqrt{\frac{2({\mathrm{WFF}}_{\mathrm{defocus}}-{\mathrm{WFE}}_0)}{Z_{\mathrm{defocus}}-Z_0}}---\left(4\right)$

其中，WFE_defocus为离焦面上的波像差(WFE)值，WFE₀为最佳焦面的波像差(WFE)值，Z_defocus为离焦面Z向位置，Z₀为最佳焦面Z向位置；

该方法包括步骤：

步骤S1:将小孔阵列放置在物面上；

步骤S2:将波前探测器放置在物镜像面位置；

步骤S3:设置物镜NA,使用照明光束照明掩模；

步骤S4:使测试台在Z方向运动，使用波前探测器找到波像差最小的位置，记录此时的波像差值及Z向坐标位置；

步骤S5:使波前探测器处于一定的离焦位置，记录此时的波像差和Z向坐标位置；

步骤S6:计算投影物镜的数值孔径；

当工件台上的波前探测器选用哈特曼波前传感器时，可实现投影物镜数值孔径的在线测量，其在线测量的流程包括如下步骤：让工件台沿Z向上下移动，用哈特曼波像差检测仪寻找波像差值最小的位置，并记下该位置以及波像差，然后工件台移动到一个离焦位置，记录离焦位置和波像差，带入(4)计算投影物镜数值孔径的值，系统将测量得到的数值孔径和设定值比较，可根据差值调整数值孔径设置；

当工件台上的波前探测器选用干涉仪时，可实现投影物镜数值孔径的在线测量，其在线测量的流程包括如下步骤：让工件台沿Z向上下移动，用干涉仪寻找波像差值最小的位置，并记下该位置以及波像差，然后工件台移动到一个离焦位置，记录离焦位置和波像差，带入(4)计算投影物镜数值孔径的值，系统将测量得到的数值孔径和设定值比较，可根据差值调整数值孔径设置。