CN104199258A - 一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，其作用是实时检测光刻机系统的硅片位置，完成硅片的高精度调平和调焦。检测系统通过二维光栅在子午面和弧矢面由两类不同频率的光栅剪切干涉，根据测量子午和弧矢面内4个区域的干涉条纹位相差异，计算相应区域的高度差，从而完成光刻机硅片的高精度检焦。该检测系统具有剪切干涉系统共光路特性，系统结构简单，具有较高的抗干扰能力和较好的工艺适应性；利用相应探测器同时完成硅片曝光区域边缘4个位置高度差测量，同步完成硅片的检焦和调平测量，适用于大面积曝光系统的高精度、实时性测量。

Description

一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法

技术领域

本发明涉及的一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，用于光刻机硅片的高精度调平调焦，属于微电子设备及微细加工领域。

背景技术

以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微细加工及微纳检测技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。物镜的分辨力和焦深是影响投影曝光系统的关键参数，根据瑞利判据，计算物镜分辨力和焦深为：

R＝k₁λ/NA

DOF＝k₂λ/NA²

提高投影光刻的分辨力主要通过使用波长越来越短的曝光光源和提高物镜系统的数值孔径NA来实现。目前投影光刻机曝光波长λ从紫外光源(g线、i线)、深紫外(ArF)，向极紫外(EUV)方向发展；投影物镜NA从早期的0.2、0.8发展到浸没式投影光刻的1.35以上。光刻分辨力的提高是以牺牲焦深为代价，随着光刻分辨力的提高，投影物镜系统的焦深急剧减小，虽然采用分辨力增强技术可进一步提高分辨力，但对焦深的改善有限。因此，高精度光刻机对系统的调焦精度提出了新的要求。

光刻机中的调平调焦测量传感器多采用光学传感技术，具有快捷性、非接触性等特点。早期投影光刻机中，由于焦深较长，多采用光度检焦和CCD检焦技术。利用狭缝成像，通过计算狭缝在探测器中的位移变化计算硅片的离焦量。这两类检测方法总体上测量系统较简单，操作简便易行；但测量精度偏低，不能满足高精度光刻对检焦的需求。

随着光刻系统分辨力的提高及曝光视场的增大，调平调焦测量系统进一步采用多点检测原理，通过测量多点的高度值可计算出硅片的倾斜量。其中，以日本Nikon公司为主，光源出射光经过狭缝列阵后被硅片表明反射，成像于探测器上。当硅片处于理想状态时，成像光斑位于四象限探测器中心，四个象限的光强相等。检测系统采用狭缝阵列，通过扫描测量能覆盖整个曝光视场；但需进一步优化检测算法以提高其检测精度。

随着上世纪光栅检测技术的发展，基于光栅Talbot效应产生的莫尔条纹检测技术也被应用于投影光刻系统的检焦测量。当两个周期相当的衍射光栅间距满足Talbot距离时，两光栅产生莫尔条纹。当光栅和探测器相对位置不变的情况下，硅片位置的变化引起莫尔条纹信号发生变化，通过测量莫尔条纹变化信息可完成硅片离焦量测量。该方法虽具有较高的检测精度；但系统抗干扰能力较弱，对环境有较高的要求。

总体而言，目前报道的检焦方法，系统抗干扰能力不高；在大面积曝光系统中不能兼顾检焦精度和效率。针对投影光刻机未来的高分辨力、大视场发展需求，本发明介绍一种基于二维双频光栅剪切干涉的检焦方法，满足光刻机的精度和测量效率要求。

发明内容

本发明提出一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，适用于各类光刻机的高精度调平调焦。基于剪切干涉原理，本发明所述的检焦方法优势表现在：采用共光路剪切干涉测量，测量环境对系统影响较小，在无防震条件下可产生清晰条纹，具有较高的抗干扰能力；共光路系统采用自比较干涉，无需参考面，系统结构简单；测量灵敏度高，应用范围广泛。

本发明采用的技术方案为：一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，其特征在于：检焦系统由光源及扩束准直系统、二维双频光栅G1、第一透镜L1和第二透镜L2组成的前置物镜组Ⅰ、第三透镜L3和第四透镜L4组成的后置物镜组Ⅱ组成。光源出射光经过准直扩束后以平面波前入射二维双频光栅G1，二维双频光栅G1同级次的高频衍射光束和低频衍射光束产生微小错位，形成剪切干涉。经过前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ后，携带有硅片不同区域的高度信息的光束在CCD探测器中干涉成像，通过测量不同区域干涉条纹的位相差完成其对应的高度测量，从而完成硅片的检焦测量。

所述的检焦方法，其特征在于：前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ构成一个4f系统，硅片位于其共焦面。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测面(即硅片面)位于4f系统的共焦面时，双频光栅的高频和低频衍射光束产生“拍频”，剪切区域由两束斜入射的平面波前干涉产生干涉条纹；当被测面处于离焦位置或硅片不同位置存在起伏时，剪切区域由球面波前产生“拍频”形成干涉条纹，根据条纹位相差异完成检焦测量。

所述的检焦方法，其特征是：利用傅里叶光学理论分析双频光栅剪切干涉测量的条纹分布。

$I(x,y)=I_1^2+I_2^2+2I_1{I}_2\cos \left[2\mathrm{\π}(\frac{1}{p_1}-\frac{1}{p_2})(x\±h\cos \mathrm{\β})\right]$

其中，I₁和I₂分别为双频光栅的低频和高频衍射光强，p₁和p₂为双频光栅的周期，剪切干涉条纹相位与成像物镜组焦距f，光栅参数p₁和p₂，光束入射角β以及硅片离焦量h相关。合理设计检测系统参数，即可建立剪切干涉条纹相位与硅片离焦量h间的理论模型，通过解析条纹的相位即可完成硅片检焦测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)该检测系统具有剪切干涉系统共光路特性，系统结构简单，具有较高的抗干扰能力和较好的工艺适应性。

(2)利用相应探测器同时完成硅片曝光区域边缘4个位置高度差测量，同步完成硅片的检焦和调平测量，适用于大面积曝光系统的高精度、实时性测量。

附图说明

本发明所述的基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，其具体测量系统结构和检测原理以附图形式作进一步阐述：

图1为本发明所述的检焦方法系统示意图。

图2为本发明所述的检焦方法中二维双频光栅剪切干涉原理示意图。

图3为本发明所述的检焦方法中双频光栅拍频示意图，其中(a)为双频光栅调制曲线；(b)为双频光栅拍频示意图。

具体实施方式

为实现光刻系统中大面积曝光面积的硅片在线精密检焦测量，本项目采用双频光栅进行剪切干涉，通过分析系统剪切干涉条纹相位分布，完成硅片不同区域位移测量，从而完成整个硅片表面的检焦测量，检焦系统如图1所示。

具体地，本发明所述的基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，其特征在于：检焦系统由光源及扩束准直系统、二维双频光栅G1、第一透镜L1和第二透镜L2组成的前置物镜组Ⅰ、第三透镜L3和第四透镜L4组成的后置物镜组Ⅱ组成。光源出射光经过准直扩束后以平面波前入射二维双频光栅G1，二维双频光栅G1同级次的高频衍射光束和低频衍射光束产生微小错位，形成剪切干涉。经过前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ后，携带有硅片不同区域的高度信息的光束在CCD探测器中干涉成像，通过测量不同区域干涉条纹的位相差完成其对应的高度测量，从而完成硅片的检焦测量。

所述的检焦方法，其特征在于：前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ构成一个4f系统，硅片位于其共焦面。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测面(即硅片面)位于4f系统的共焦面时，双频光栅的高频和低频衍射光束产生“拍频”，剪切区域由两束斜入射的平面波前干涉产生干涉条纹；当被测面处于离焦位置或硅片不同位置存在起伏时，剪切区域由球面波前产生“拍频”形成干涉条纹，根据条纹位相差异完成检焦测量。

所述的检焦方法，其特征是：利用傅里叶光学理论分析双频光栅剪切干涉测量的条纹分布。

$I(x,y)=I_1^2+I_2^2+2I_1{I}_2\cos \left[2\mathrm{\π}(\frac{1}{p_1}-\frac{1}{p_2})(x\±h\cos \mathrm{\β})\right]$

其中，I₁和I₂分别为双频光栅的低频和高频衍射光强，p₁和p₂为双频光栅的周期。分析结果表明，剪切干涉条纹相位与成像物镜组焦距f，光栅参数p₁和p₂，光束入射角β以及硅片离焦量h相关。合理设计检测系统参数，即可建立剪切干涉条纹相位与硅片离焦量h间的理论模型，通过解析条纹的相位即可完成硅片检焦测量。

系统检焦过程分为粗检焦和精检焦两部分：利用中心0级衍射光束成像，根据CCD检焦技术完成系统的粗检焦，将硅片离焦量控制在精检焦检测范围内；利用子午面和弧矢面对称的4各区域剪切干涉图样的相位分析，完成系统的精检焦，如图2所示。CCD检焦技术根据硅片离焦引起的光斑位移完成检焦测量，广泛应用于早期光刻机中，技术较成熟。本检测系统的核心在于CCD粗检焦的基础上，利用二维双频光栅剪切干涉完成系统的纳米级精检焦。

光源出射光经过准直扩束后，通过孔径光阑后以平面波前入射双频光栅。双频光栅同级次的高频衍射光束和低频衍射光束产生微小错位，形成剪切干涉。成像物镜组L1和L2对称分布于硅片两侧，形成4f检测系统：当被测面(硅片面)位于4f系统的共焦面时，双频光栅的高频和低频衍射光束产生“拍频”，剪切区域由两束斜入射的平面波前干涉产生干涉条纹；当被测面处于离焦位置或硅片不同位置存在起伏时，剪切区域由球面波前产生“拍频”形成干涉条纹，如图3所示。

检测系统采用经典的三角法进行测量，当使用二维双频光栅时，在系统子午面和弧矢面对称区域形成剪切干涉。通过分析对条纹进行位相解析，配合精密工件台移动对整个硅片表面进行扫描测量，从而完成硅片曝光面积内的整场检焦测量。以子午面作为分析对象，平面波前通过双频光栅时，由于存在两类不同衍射频率，其出射波前为：

$U(x_g,y_g)=A\·c_0+A\·c_n\exp \left(i2\mathrm{n\π}\frac{x_g}{p_1}\right)+A\·c_n\exp \left(i2\mathrm{n\π}\frac{x_g}{p_2}\right),n=\±1,\±2...$

其中，p₁和p₂为双频光栅周期。

当硅片位于透镜组L1的焦面上时，根据傅里叶光学理论和4f系统成像规律，硅片表面位相分布为：

$U(x,y)=U(-x_g,-y_g)=A\·c_0+A\·c_n\exp (-i2\mathrm{n\π}\frac{x}{p_1})+A\·c_n\exp (-i2\mathrm{n\π}\frac{x}{p_2})$

计算硅片位于焦面位置时的剪切干涉条纹为：

$I(x,y)=I_1^2+I_2^2+2I_1{I}_2\cos \left[2\mathrm{\π}(\frac{1}{p_1}-\frac{1}{p_2})x\right]$

由三角法测量原理，硅片离焦或表面存在微小起伏h与波前离焦量s间转换关系为s＝2hsinβ。硅片离焦或微小起伏将导致波前在光轴和垂直光轴方向产生位移2hsinβ和2hcosβ，垂直光轴方向导致剪切区域的移动，而不会对干涉条纹的相位产生改变。分析双频光栅的+1级衍射光束，首先不考虑光波前的垂轴移动，硅片表面出射球面波前位相分布为：

$U(x_1,y_1)=A{c}_1\exp \left\{\mathrm{ik}\frac{{[x_1-f\frac{\mathrm{\λ}}{p_1}]}^2+y_1^2}{2(f\±s)}\right\}+A{c}_1\exp \left\{\mathrm{ik}\frac{{[x_1-f\frac{\mathrm{\λ}}{p_2}]}^2+y_1^2}{2(f\±s)}\right\}$

根据透镜对波前的位相调制，探测器接收的波前位相分布为： $\begin{array}{c}U(x_1,y_1)=a_1\exp \{-\mathrm{ik}\frac{s}{2f(f\±s)}[{(x_1-f\frac{\mathrm{\λ}}{p_1}+\frac{f(f\±s)}{s}\frac{\mathrm{\λ}}{p_1})}^2+y_1^2\left]\right\}\\ +a_2\exp \{-\mathrm{ik}\frac{s}{2f(f\±s)}[{(x_1-f\frac{\mathrm{\λ}}{p_2}+\frac{f(f\±s)}{s}\frac{\mathrm{\λ}}{p_2})}^2+y_1^2\left]\right\}\end{array}$

根据三角法测量原理，硅片台向上移动时，h为正，s为负，即：s＝-2hsinβ；s_垂轴＝2hcosβ，综合分析波前的垂轴移动，硅片离焦或表面存在微小起伏时，干涉条纹光强分布为：

分析结果表明：剪切干涉条纹相位与成像物镜组焦距f，光栅参数p₁和p₂以及硅片离焦量h相关。合理设计检测系统参数，即可建立剪切干涉条纹相位与硅片离焦量h间的理论模型，通过解析相位即可完成硅片检测测量。

检焦系统通过粗检焦和精检焦两个步骤完成硅片的高精度检焦。检焦系统中央0级光斑具有较高的能量，利用三角法，通过CCD中采集的0级光斑衍射像移动距离，完成系统粗检焦测量：

γ＝2hcosβ

式中，γ为CCD探测系统的位移分辨力，由CCD分辨力和探测镜头放大倍率确定。选用分辨力为10μm的探测器和放大率为10^×的探测镜头，即探测系统的位移分辨力为1μm，计算其粗检焦精度为±0.6μm。

系统的精检焦的检测精度取决于相位解析算法的相位解析精度，理想状态下即硅片处于完全水平位置，4个区域的干涉条纹位相相同；当硅片存在一定倾斜或变形时，探测器中4个区域的干涉条纹位相存在差异，通过分析位相差完成硅片面的高精度调平调焦。以子午面+1级剪切干涉条纹为例，采用傅里叶变换算法，添加5％的相对噪声，通过对理想条纹和含噪声条纹相位解析比对，完成检测系统干涉条纹相位解析，解析精度可达0.01rad；选用周期p₁、p₂为0.5μm和0.6μm的双频光栅；系统光栅以30°入射角β入射，计算由相位解析引起的检测系统的离焦检测精度为2.8nm。

由于相位解析算法的限制，当条纹变化一个周期时，即系统超出检测范围，不能完成其检焦测量。计算该检测系统检焦范围为±1.7μm：

$2h\cos \mathrm{\β}\≤\mathrm{abs}(\frac{1}{p_1}-\frac{1}{p_2})$

通过对系统的粗检焦和精检焦进行详细分析，检测系统可先通过中心区域光斑将硅片离焦量控制在系统精检焦范围内，再利用边缘剪切区域的条纹位相解析完成系统的纳米级精检焦测量。粗检焦过程中只利用放大探测镜头进行光斑检测，无需采用差值细分等算法即可满足测量要求，提高了系统的检焦效率，满足实时性检焦要求。合理优化双频光栅和系统光束入射角对检焦精度有一定程度的提高；系统的检测精度主要由相位解析精度确定，后续开展高精度相位解析算法研究可进一步提高系统检焦精度，将系统检焦精度提升至亚纳米级。

总体上，本发明所述的基于二维双频光栅剪切干涉的检焦方法，具有较强的抗干扰能力、系统结构简单、高精度和高效率等优点，满足高精度光刻机需求。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。

Claims (4)

1.一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，其特征在于：检焦系统由光源及扩束准直系统、二维双频光栅(G1)、第一透镜(L1)和第二透镜(L2)组成的前置物镜组Ⅰ、第三透镜(L3)和(L4)组成的后置物镜组Ⅱ组成；光源出射光经过准直扩束后以平面波前入射二维双频光栅(G1)，二维双频光栅(G1)同级次的高频衍射光束和低频衍射光束产生微小错位，形成剪切干涉，经过前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ后，携带有硅片不同区域的高度信息的光束在CCD探测器中干涉成像，通过测量不同区域干涉条纹的位相差完成其对应的高度测量，从而完成硅片的检焦测量。

2.根据权利要求1所述的检焦方法，其特征在于：前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ构成一个4f系统，硅片位于其共焦面。

3.根据权利要求1所述的检焦方法，其特征在于：当被测面即硅片面位于4f系统的共焦面时，双频光栅的高频和低频衍射光束产生“拍频”，剪切区域由两束斜入射的平面波前干涉产生干涉条纹；当被测面处于离焦位置或硅片不同位置存在起伏时，剪切区域由球面波前产生“拍频”形成干涉条纹，根据条纹位相差异完成检焦测量。

4.根据权利要求1所述的检焦方法，其特征在于：利用傅里叶光学理论分析双频光栅剪切干涉测量的条纹分布，

$I(x,y)=I_1^2+I_2^2+2I_1{I}_2\cos \left[2\mathrm{\π}(\frac{1}{p_1}-\frac{1}{p_2})(x\±h\cos \mathrm{\β})\right]$

其中，I₁和I₂分别为双频光栅的低频和高频衍射光强，p₁和p₂为双频光栅的周期，剪切干涉条纹相位与成像物镜组焦距f，光栅参数p₁和p₂，光束入射角β以及硅片离焦量h相关，合理设计检测系统参数，即可建立剪切干涉条纹相位与硅片离焦量h间的理论模型，通过解析条纹的相位即可完成硅片检焦测量。