CN104181779A - 一种光学系统波像差检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学系统波像差检测装置，该光学系统波像差检测装置中照明模块将光源发出的光线均匀投射至光学系统物面上。针孔阵列位于光学系统的物面位置，具有空间扩展和空间分割的作用。剪切光栅安装在光学系统的像面位置。通过精动台带动剪切光栅进行横向移动，实现相移功能。利用准直光学镜组，将携带光学系统波像差信息的同心球面波剪切转换为平面波剪切。利用探测器记录相移过程中的剪切干涉图光场信息。本发明使用针孔阵列提高了检测系统光能；利用光栅实现剪切干涉。通过光栅横向移动进行相移；利用准直光学镜组将球面干涉转换为平面干涉，消除了平面探测器接收球面干涉的误差；实现了光学系统波像差的高精度检测。

Description

一种光学系统波像差检测装置

技术领域

本发明涉及一种光学系统波像差检测装置，尤其涉及光刻投影物镜波像差的高精度检测。 

背景技术

光学光刻是现代超大规模集成电路的最主要生产方法。随着需要的发展，光学投影光刻技术是目前大规模低成本生产大规模集成电路的最有效方法，该技术生产效率高，技术成熟稳定。广泛应用于平板显示、半导体照明等半导体产业。随着超大规模集成电路(VLSI)的发展，其集成度越来越高，其关键尺寸也变得越来越小，现在主流电子产品关键尺寸都在28nm，正向22nm大规模低成本化发展。这对光刻机曝光系统的光学性能提出了更高的要求。高精度生产要求，其前提基础是高精的检测方法和装置。只有检测的准确，才能确保生产加工的精度。 

光刻对曝光系统的光学性能要求很高，在光刻机工作过程中，气压、温度、振动等很多因素都会影响光刻机曝光系统的光学性能，导致曝光系统波像差产生剧烈变化，且这个变化是一个动态过程，有很大的随机性。这就要求光刻机在使用过程中，必须对其光学性能进行在线实时监测，并反馈给闭环控制系统，进行曝光系统光学性能调整。光刻机生产效率很高，现在主流光刻机生产效率都在200多片每小时，这就对监测系统的实时性提出很高的要求。所以这就要求曝光光学系统光学性能在线原位检测系统测量速度快、测量精度高，且易于集成安置在光刻机中。 

标示光刻曝光系统性能最重要的一个评价参数就是曝光系统波像差，必须对此参数进行高精度测量。光刻光学系统波像差检测方法经历了基于光刻胶曝光的方法、基于空中像的方法和在线相位测量干涉仪(PMI)三个阶段。基于光刻胶曝光检测的方法可以完全了解光刻机曝光产品的性能，但是检测周期长，对于一些比较固定的参量有很大的意义。但光刻机波像差时刻都在变化，曝光方法检测周期太长，无法满足实时监测要求；基于空中像的检测方法检测精度相对较低，也无法满足光刻曝光系统的波像差检测要求；目前，三大光刻机生产厂商都采用在线相位干涉测量的方法测量光刻曝光系统的波像差。如Nikon公司使用哈特曼检测方法、Canon公司使用线衍射干涉法、Asml公司使用横向剪切干涉 法。哈特曼检测方法中对于针孔要求很高，且其检测精度与使用的微透镜阵列维数有很大关系。现在微透镜阵列的加工工艺决定其维数不会太高，这也就直接影响了哈特曼检测方法的检测精度。 

用光照射尺寸很小的孔，在其后一定范围内可以得到近乎理想球面波，如哈特曼检测方法。这种方法比较简单，原理分析相对容易。但是对于该尺寸很小的孔，其制作和加工工艺要求很高，且由于该孔尺寸很小，透过的能量很少，不利于后续部件工作。 

在专利CN201210154523中，采用针孔产生的理想球面波，经过被检系统后，变为携带被检系统波像差信息的非理想球面波，再经二维棋盘光栅产生同心球面波进行剪切干涉，后利用棋盘光栅后的探测器记录干涉场信息。为了产生理想球面波，对针孔尺寸有严格要求，必须控制在波长量级。且由于是同心类球面波进行剪切干涉，其剪切干涉场是空间球面。探测器接收面是平面，利用平面接收球面干涉图像，势必会产生一定的误差。对于光刻曝光系统波像差检测的超高精度检测要求，这种误差必须加以考虑并消除。 

发明内容

为了克服上述专利中检测装置的缺陷，提高检测精度，本发明的目的是提供一种光学系统波像差测量装置，消除检测过程中光能能量过低、像面对比度差、平面探测器接收球面干涉场产生的接收误差等缺点，从而提高检测精度，减少检测时间。 

为了增加检测装置光路的光能能量，本发明将上述专利中的小孔改为小孔阵列，增加进入检测光路中的光能能量。 

为了消除平面探测器接收球面干涉场时产生的误差，本发明利用小像差准直光学系统将光栅产生的同心球面波干涉转换成重叠平面波干涉，从而将球面干涉场转换成平面干涉场。从原理上消除平面探测器接收球面干涉场时产生的误差。 

为了实现上述目的，本发明提供的光学系统波像差测量装置，包括光源模块、照明模块、针孔阵列模块、被测光学系统、光栅模块、剪切干涉模块、驱动控制模块和数据处理模块。光源模块发出的光依次经过针孔阵列模块、被测光学系统、光栅模块、剪切干涉模块，控制模块控制针孔阵列模块和光栅模块，控制模块还接收剪切干涉模块的探测数据，控制模块将该探测数据传送至数据处理模块进行处理。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的光源模块可以是激光器，也可以是相干性较好的其他单色光源。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的照明模块包括依次放置的散射板、准直镜组、偏振器件、聚焦镜组。其中准直镜组和聚焦镜组可以是透镜组，也可以是反射镜组，也可以是透镜和反射镜组成的折反射混合镜组。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的针孔阵列模块包括针孔阵列、对准标记和平移台。其中针孔阵列中单个针孔的形状包括但不限于圆形，也可以是矩形、三角形、六边形等；针孔阵列中针孔的排布具有特定规律。可以从左到右为两个针口，三个针孔，四个针孔；具体排布方式包括但不限于下文中所列出的如图3所示排布方式，也可以呈辐射状排布。平移台可以带动针孔阵列实现三维平移。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的被测光学系统必须是有限共轭光学系统。被测光学系统形式可以是全透射光学系统，也可以是纯反射光学系统，也可以是折反射混合光学系统。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的光栅模块包括剪切光栅、对准标记和平移台。其中剪切光栅为相位型光栅，放置于针孔阵列相对于被测光学系统的共轭位置，其中平移台可以实现三个方向的高精度移动，以实现剪切光栅的轴向位置调整和垂轴方向移动，带动剪切光栅实现移相功能。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的剪切干涉模块包括依次放置的准直转换镜组和探测器。其中准直转换镜组可以是透镜组，也可以是反射镜组，也可以是透镜和反射镜组成的折反射混合镜组。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的驱动控制模块包括平移台驱动控制器和探测器控制器。 

本发明提供的光学系统波像差测量装置的数据处理模块包括数据处理软件，用于数据处理和波前复原。 

本发明所述装置与上述专利所述装置相比，其优点在于： 

1)、采用针孔阵列，进行空间扩展和空间分割，增加了检测光能，提高了像面图像信息对比度，从而可以提高检测精度。 

2)、利用准直光学系统，将球面波剪切转换成平面波剪切。与探测器的接收平面相吻合，消除了平面探测器接收球面干涉场的误差，去掉了软件校正环节，提高了检测精度。将球面波剪切转换成平面波剪切，可以从原理上解决剪切干涉过程中，由于入射角的不同，而引起的剪切比的变化，降低了波前复原的难度。 

附图说明

图1为光学系统波像差测量装置的示意图。 

图2为针孔阵列排布示意图。 

图3为类光栅针孔阵列示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。 

在DUV曝光光学系统中，光源101一般为ArF、KrF准分子激光器，其发射的波长分别为193nm、248nm；在其他光学检测中，可以使用出射波入为632.8nm的He-Ne激光器，也可以使用其他的激光。 

照明模块101包括散射板211、准直镜组212、偏振器件213和聚焦镜组214，具有消除激光散斑、降低激光光束空间相干性、光束准直、偏振特性调整和均匀照明等功能。如图1所示，光源201发出的激光束进入照明模块102，经过散射板211发散。散射板211发散激光束，并消除激光散斑现象和降低激光空间相干性、提高光束均匀性。散射板211放置于准直镜组212前焦面上。发散后的光束经过准直镜组212准直后，成为平行光束。平行光束入射至偏振器件213，经偏振器件213调整光束偏振特性后，入射至聚焦镜组214。聚焦镜组214对入射的光行光束进行聚焦，使之成为一个很小的光斑。 

针孔阵列模块102包括针孔阵列221、对准标记222和平移台223。其中针孔阵列221中单个针孔的形状包括但不限于圆形，也可以是矩形、三角形、六边形等；针孔阵列221中针孔的排布具有特定规律。具体排布方式包括但不限于下文中所列出的如图3所示排布方式，也可以呈辐射状排布。不同针孔形状和不同排布方式，会在针孔阵列后产生不同的光场分布。光场分布可以用入射光场乘以针孔阵列的透过函数得到。如图3所示圆形针孔的光栅状分布，可以实现光场的空间分割，其透过函数可以表示为： 

$\mathrm{\τ}(x,y)=\mathrm{circ}\left(\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{r_o}\right)\×[\frac{1}{a\×b}\mathrm{comb}\left(\frac{x}{a}\right)\×\mathrm{comb}\left(\frac{y}{a}\right)]\×[\mathrm{Rect}\left(\frac{x}{a}\right)\×\frac{1}{x_0}\×\mathrm{comb}\left(\frac{x}{x_0}\right)]$

其中τ(x,y)为透过函数。x，y为入射光场中点的坐标，r₀为针孔尺寸，a为沿X轴方向针孔与针孔之间的距离，b为沿Y轴方向针孔与针孔之间的距离。x₀为针孔阵列中各子阵列之间的距离。Circ()为圆域函数，Comb()为梳状函数，Rect()为矩形函数。针孔阵列221中每个针孔大小相等，为被测光学系统的孔径光阑口径；对于光刻系统即要求各个针孔的直径d<λ/2NA_O，λ为检测中使用的光源波长，NA_O为被测光刻物镜的物方数值孔径。针孔阵列221的整体尺寸必须满足理想成像的要求，即n*d<NA_I*y’/NA_O,n为针孔阵列221中针孔的个数。对准标记222与针孔阵列221之间的距离在使用之前已经标定，是一个确定的数值。通过对准标记222与理想位置之间的偏离量，从而确定针孔阵列221的位置，为平移台223提供移动量。平移台223可以带动针孔阵列221实现三维移动。 

光栅模块104包括剪切光栅241、对准标记242和平移台243。其中剪切光栅241为相位型光栅，放置于针孔阵列221相对于被测光学系统231的共轭位置。光波场经过剪切光栅241发生衍射，从而产生多个部分重叠的同心类球面光波场，在剪切光栅241后的区 域发生干涉。对准标记242位于剪切光栅241的基板上，用于剪切光栅241位置的对准和调整。平移台243可以实现三个方向的高精度移动，以实现剪切光栅241的轴向位置调整和垂轴方向移动，带动剪切光栅241实现移相功能。 

剪切干涉模块105包括准直转换透镜251和探测器252。其中准直转换透镜251位于剪切光栅241后方，与剪切光栅241的距离等于准直转换透镜251的焦距。其作用为将剪切光栅241产生的同心类球面光波场转换成类平面光波场。类平面光波场在准直转换透镜251后的区域发生剪切干涉。探测器252为光强探测器，接收平面光波场的剪切干涉图样。 

控制模块106包括平移台驱动控制器261和数据处理器262。其中平移台驱动控制器262用于驱动和控制平移台223和平移台243。数据处理器262还接收探测器252的探测数据，数据处理器262将该探测数据传送至数据处理模块107，数据处理器262是运行数据处理软件271的硬件，可以是普通计算机，也可以是大型处理器。 

数据处理模块107包括数据处理软件271。数据处理软件271对控制器252采集到的数据进行分析和处理，利用逆向求解算法求解被测光学系统的波像差。 

Claims (10)

1.一种光学系统波像差检测装置，其特征在于，该装置包括：光源模块(100)、照明模块(101)、针孔阵列模块(102)、被测光学系统(103)、光栅模块(104)、剪切干涉模块(105)、控制模块(106)和数据处理模块(107)；光源模块(100)发出的光依次经过针孔阵列模块(102)、被测光学系统(103)、光栅模块(104)、剪切干涉模块(105)，控制模块(106)控制针孔阵列模块(102)和光栅模块(104)，控制模块(106)还接收剪切干涉模块(105)的探测数据，控制模块(106)将该探测数据传送至数据处理模块(107)进行处理。

2.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的光源模块(100)可以是激光器，也可以是其他单色光源。

3.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的照明模块(101)包括依次放置的散射板(211)、准直镜组(212)、偏振器件(213)、聚焦镜组(214)，其中准直镜组(212)和聚焦镜组(214)可以是透镜组，也可以是反射镜组，也可以是透镜和反射镜组成的折反射混合镜组。

4.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的针孔阵列模块(102)包括针孔阵列(221)、对准标记(222)和平移台(223)，其中对准标记(222)用于确定针孔阵列(221)的位置坐标，平移台(223)可以带动针孔阵列(221)实现三维平移。

5.如权利要求4所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的针孔阵列(221)，针孔形状包括但不限于圆形，也可以是矩形、三角形、六边形。

6.如权利要求4所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的针孔阵列(221)，针孔阵列(221)中针孔的排布可以从左到右为两个针孔，三个针孔，四个针孔；也可以呈辐射状排布。

7.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的被测光学系统(231)是有限共轭光学系统，被测光学系统形式(231)可以是全透射光学系统，也可以是纯反射光学系统，也可以是折反射混合光学系统。

8.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的光栅模块(104)包括剪切光栅(241)、对准标记(242)和平移台(243)，其中剪切光栅(241)为相位型光栅，放置于针孔阵列(221)相对于被测光学系统(231)的共轭位置，其中平移台(243)可以实现高精度三维平移，平移台(243)可以实现三个方向的高精度移动，以实现剪切光栅(241)的轴向位置调整和垂轴方向移动，带动剪切光栅(241)实现相移功能。

9.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的剪切干涉模块(105)包括依次放置的准直转换镜组(251)和探测器(252)，其中准直转换镜组(251)可以是透镜组，也可以是反射镜组，也可以是透镜和反射镜组成的折反射混合镜组。

10.如权利要求1所述的光学系统波像差检测装置，其特征在于：所述的驱动控制模块(106)包括平移台驱动控制器(261)和探测器控制器(262)；所述的数据处理模块(107)包括数据处理软件(271)，用于数据处理和波前复原。