CN106324995A - 光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置及方法 - Google Patents

光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置及方法，该装置包括用于产生激光光束的光源，沿光束传播方向依次是照明系统、物面光栅板、能承载物面光栅板并拥有精确定位能力的掩模台、光刻机投影物镜、波像差传感器、能承载波像差传感器并具有XYZ三维扫描能力和精确定位能力的工件台。利用该装置实时原位检测光刻机投影物镜的波像差，提高了波像差检测速度和空间分辨率。

Description

光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置及方法
技术领域
本发明涉及光刻机，特别是一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置及方法。
背景技术
光刻机是极大规模集成电路制造的核心设备之一。投影物镜是光刻机最重要的分系统之一。投影物镜的波像差影响光刻机的成像质量，造成成像对比度降低，工艺窗口缩小。随着光刻技术从干式发展至浸没式，光刻机投影物镜的波像差容限变得越来越严苛，对波像差检测精度的要求也越来越高。
Van De Kerkhof等人提出一种通过在光刻机掩模平台和硅片平台上集成基于朗奇剪切干涉原理的波像差检测装置(参考在先技术[1]，Van De Kerkhof,M.,et al.,Fulloptical column characterization of DUV lithographic projection tools.OpticalMicrolithography Xvii,Pts 1-3,2004.5377:p.1960-1970)，实现了光刻机投影物镜波像差原位检测。该装置进行原位检测的空间分辨率由探测器像素个数决定；其波像差干涉图探测器安装在光刻机的工件台上，波像差干涉图探测器工作时产生的热量将给光刻机工件台带来较大的热载荷，影响工件台的长期稳定性。探测器像素个数越多，检测空间分辨率越高，同时产生的热量也越大。这形成了一对矛盾。并且，探测器像素个数越多，探测时间和计算时间也越长，影响检测速度。而光刻节点发展至1X纳米以下时，光刻机投影物镜波像差需要检测至64项Zernike系数，即检测空间分辨率要求提高；检测速度要求也进一步提高，以实现热像差控制。
如果能采用较少的干涉图探测器像素个数，实现高空间分辨率波像差检测，则能兼顾工件台热载荷控制以及检测速度，满足高端光刻机原位波像差检测的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置及方法，实时原位检测光刻机投影物镜的波像差，并提高检测分辨率。
本发明的技术解决方案如下：
一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，包括用于产生激光光束的光源、照明系统、物面光栅板、能承载物面光栅板并拥有精确定位能力的掩模台、光刻机投影物镜、波像差传感器、能承载波像差传感器并具有XYZ三维扫描能力和精确定位能力的工件台和计算机；
上述各部件的连接关系如下：
沿光束传播方向依次是所述的照明系统、物面光栅板、光刻机投影物镜和波像差传感器；
所述的物面光栅板置于掩模台上，所述的波像差传感器置于工件台上，所述的波像差传感器与计算机相连；
所述的物面光栅板由两个周期为Po且占空比为50％的物面光栅组成，两个物面光栅分别是光栅线沿y方向的第一光栅和光栅线沿x方向的第二光栅；
所述的波像差传感器包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅、小孔阵列和二维光电传感器；
所述的第一光栅和第二光栅的周期Po与所述的像面光栅的周期Pi满足如下关系；
Po＝Pi·M
其中，M为光刻机投影物镜的成像放大倍数。
所述的第一光栅和第二光栅是相位光栅或振幅光栅或振幅相位相结合等其他类型的一维衍射光栅；
所述的像面光栅是占空比为50％的棋盘光栅等二维透射式光栅；
所述的像面光栅是相位光栅或振幅光栅或振幅相位相结合等其他类型的衍射光栅；
所述的小孔阵列的周期等于光电二维传感器的像素周期，小孔位置与光电二维传感器的像素位置一一对应，小孔直径为光电二维传感器像素大小的1/N，N为采样频率；
所述的掩模台是将物面光栅板移入光刻机投影物镜的物方光路的位移台；
所述的工件台是将所述的波像差传感器移入光刻机投影物镜的像方光路，并带动波像差传感器运动的位移台；
所述的二维光电传感器是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列，其探测面上接收像面光栅生成并由小孔阵列进行采样得到的剪切干涉条纹；
所述的计算机用于控制波像差检测过程、存储测量数据，并对干涉图进行处理与分析。
一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置的波像差原位检测方法，包括下列步骤，
(1)将物面光栅板置于掩模台上，调节掩模台，使第一光栅位于光刻机投影物镜需要测量的物方视场位置；
(2)由光源发出的光经过照明系统的调整后，均匀照明物面光栅板的第一光栅；
(3)将波像差传感器置于工件台上，调节工件台，使像面光栅位于光刻机投影物镜的像面上；
(4)利用现有技术调整工件台，使像面光栅与第一光栅经过光刻机投影物镜所成的像对准；
(5)利用现有相移技术，沿x方向移动工件台进行多次测量，每次移动后波像差传感器采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到相位信息；
(6)利用现有技术调整掩模台，使物面光栅板的第二光栅运动至第一光栅位置，第二光栅经过光刻机投影物镜所成的像与像面光栅对准；
(7)采用现有相移技术，沿y方向移动工件台进行多次测量，每次移动后波像差传感器采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到相位信息；
(8)将步骤(5)、(7)得到的相位信息采用现有技术解包裹，分别得到光刻机投影物镜在x方向和y方向的差分波前ΔWx和ΔWy，将差分波前采用现有波前重建技术进行重建，获得光刻机投影物镜的波像差。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
1)利用小孔阵列对光刻机的波像差进行采样，将实时原位检测空间分辨率提高了N2倍。
2)可以采用低像素个数的光电二维传感器用于实现波像差检测，降低工作发热量及提高检测速度。
附图说明
图1相当于无小孔阵列的检测误差。
图2相当于加小孔阵列的检测误差。
图3本发明的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置结构图。
图4本发明涉及到的物面光栅板。
图5本发明的波像差传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合仿真结果、实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施实例限制本发明的保护范围。
图3是本发明采用的检测系统结构示意图。产生激光光束的光源1、照明系统2、物面光栅板3、用于承载物面光栅板3并拥有精确定位能力的掩模台4、用于将物面光栅成像到硅片上的光刻机投影物镜5、波像差传感器6、能承载波像差传感器6并具有XYZ三维扫描能力和精确定位能力的工件台7以及与波像差传感器6相连的数据处理计算机8；光源1的波长为193nm，物面光栅为一维振幅光栅，周期为41.52μm，光刻机投影物镜5的数值孔径为0.93，光刻机投影物镜5的成像放大倍数为1/4，像面光栅为二维棋盘光栅，周期为10.38μm；波像差传感器6包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅601、小孔阵列602和二维光电传感器603；二维光电传感器603采用CMOS相机，像素大小7.4μm×7.4μm，像素个数640×480；小孔阵列602的小孔直径为1.85μm，采样频率N＝4，小孔阵列602的周期等于光电二维传感器603的像素周期7.4μm；
所述的物面光栅板3由两个周期为Po且占空比为50％的物面光栅组成，两个物面光栅分别是光栅线沿y方向的第一光栅301和光栅线沿x方向的第二光栅302。
所述的第一光栅301和第二光栅302是相位光栅或振幅光栅或振幅相位相结合等其他类型的一维衍射光栅。
所述的波像差传感器6包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅板601、小孔阵列602和二维光电传感器603。
所述的物面光栅的周期Po与所述的像面光栅601的周期Pi满足如下关系；
Po＝Pi·M
其中，M为光刻机投影物镜5的成像放大倍数；
所述的像面光栅601是占空比为50％的棋盘光栅等二维透射式光栅；
所述的像面光栅601是相位光栅或振幅光栅或振幅相位相结合等其他类型的衍射光栅；
所述的小孔阵列602的周期等于光电二维传感器603的像素周期，小孔位置与光电二维传感器的像素位置一一对应，小孔直径为光电二维传感器603像素大小的1/N，N为采样频率；
所述的掩模台4是将物面光栅板3移入光刻机投影物镜5的物方光路的位移台；
所述的工件台7是将所述的波像差传感器6移入光刻机投影物镜5的像方光路，并带动波像差传感器6运动的位移台；
所述的二维光电传感器603是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列，其探测面上接收像面光栅601生成并由小孔阵列602进行采样得到的剪切干涉条纹；
所述的计算机8用于控制波像差检测过程、存储测量数据，并对干涉图进行处理与分析。
一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置的波像差原位检测方法，包括下列步骤，
(1)将物面光栅板3置于掩模台4上，调节掩模台4，使第一光栅301位于光刻机投影物镜5需要测量的物方视场位置；
(2)由光源1发出的光经过照明系统2的调整后，均匀照明物面光栅板3的第一光栅301；
(3)将波像差传感器6置于工件台7上，调节工件台7，使像面光栅601位于光刻机投影物镜5的像面上；
(4)利用现有技术调整工件台7，使像面光栅601与第一光栅301经过光刻机投影物镜5所成的像对准；
(5)利用现有相移技术，沿x方向移动工件台7进行多次测量，每次移动后波像差传感器6采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到相位信息；
(6)利用现有技术调整掩模台4，使物面光栅板3的第二光栅302运动至第一光栅301位置，第二光栅302经过光刻机投影物镜5所成的像与像面光栅601对准；
(7)采用现有相移技术，沿y方向移动工件台7进行多次测量，每次移动后波像差传感器6采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到相位信息；
(8)将步骤(5)、(7)得到的相位信息采用现有技术解包裹，分别得到光刻机投影物镜5在x方向和y方向的差分波前ΔWx和ΔWy，将差分波前采用现有波前重建技术进行重建，获得光刻机投影物镜5的波像差。
本发明利用小孔阵列对波像差进行采样，将实时原位检测空间分辨率提高了N2倍。采用一个256像素×256像素的波像差(均方根值为0.0995λ)进行仿真。在其差分波前中每4个像素取平均值，相当于没有加小孔阵列，得到64像素×64像素的差分波前，采用现有技术将差分波前进行重建，误差见图1，其误差均方根值为0.0141λ；对该波像差的差分波前进行采样，每4个像素选一个像素，相当于在探测器上增加小孔阵列，得到64像素×64像素的差分波前，采用现有技术将差分波前进行重建，误差见图2，其均方根值误差为0.0001λ。
经实验验证，本发明装置及方法，将投影物镜波像差检测分辨率提高了16倍。或者同等条件下，像素个数可以减小至1/16，即检测速度提高16倍。

Claims (9)

1.一种光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，该装置包括用于产生激光光束的光源(1)、照明系统(2)、物面光栅板(3)、能承载物面光栅板(3)并拥有精确定位能力的掩模台(4)、光刻机投影物镜(5)、波像差传感器(6)、能承载波像差传感器(6)并具有XYZ三维扫描能力和精确定位能力的工件台(7)和计算机(8)；
上述各部件的连接关系如下：
沿光束传播方向依次是所述的照明系统(2)、物面光栅板(3)、光刻机投影物镜(5)和波像差传感器(6)；
所述的物面光栅板(3)置于掩模台(4)上，所述的波像差传感器(6)置于工件台(7)上，所述的波像差传感器(6)与计算机(8)相连；
所述的物面光栅板(3)由两个周期为Po且占空比为50％的物面光栅组成，两个物面光栅分别是光栅线沿y方向的第一光栅(301)和光栅线沿x方向的第二光栅(302)；
所述的波像差传感器(6)包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅(601)、小孔阵列(602)和二维光电传感器(603)；
所述的第一光栅(301)和第二光栅(302)的周期Po与所述的像面光栅(601)的周期Pi满足如下关系；
Po＝Pi·M
其中，M为光刻机投影物镜的成像放大倍数。
2.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的第一光栅(301)和第二光栅(302)是相位光栅、振幅光栅或振幅相位相结合的一维衍射光栅。
3.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的像面光栅(601)是占空比为50％的相位光栅、振幅光栅或振幅相位相结合的衍射光栅，或者棋盘光栅等二维透射式光栅。
4.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的小孔阵列(602)的周期等于光电二维传感器(603)的像素周期，小孔位置与光电二维传感器的像素位置一一对应，小孔直径为光电二维传感器(603)像素大小的1/N，N为采样频率。
5.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的掩模台(4)是将物面光栅板(3)移入光刻机投影物镜(5)的物方光路的位移台。
6.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的工件台(7)是将所述的波像差传感器(6)移入光刻机投影物镜(5)的像方光路，并带动波像差传感器(6)运动的位移台。
7.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的计算机(8)用于控制波像差检测过程、存储测量数据，并对干涉图进行处理与分析。
8.根据权利要求1所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置，其特征在于，所述的二维光电传感器(603)是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维光电探测器阵列，其探测面上接收像面光栅(601)生成并由小孔阵列(602)进行采样得到的剪切干涉条纹。
9.一种利用权利要求1-8任一所述的光刻机原位快速高空间分辨率波像差检测装置的进行波像差原位检测的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤，
①将物面光栅板(3)置于掩模台(4)上，调节掩模台(4)，使第一光栅(301)位于光刻机投影物镜(5)需要测量的物方视场位置；
②由光源(1)发出的激光光束经过照明系统(2)的调整后，均匀照明物面光栅板(3)的第一光栅(301)；
③将波像差传感器(6)置于工件台(7)上，调节工件台(7)，使像面光栅(601)位于光刻机投影物镜(5)的像面上；
④利用现有技术调整工件台(7)，使像面光栅(601)与第一光栅(301)经过光刻机投影物镜(5)所成的像对准；
⑤采用现有相移技术，沿x方向移动工件台(7)进行多次测量，每次移动后波像差传感器(6)采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到相位信息；
⑥调整掩模台(4)，使物面光栅板(3)的第二光栅(302)运动至第一光栅(301)位置，第二光栅(302)经过光刻机投影物镜(5)所成的像与像面光栅(601)对准；
⑦采用现有相移技术，沿y方向移动工件台(7)进行多次测量，每次移动后波像差传感器(6)采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到相位信息；
⑧将步骤⑤、⑦得到的相位信息分别解包裹，得到光刻机投影物镜(5)在x方向和y方向的差分波前ΔWx和ΔWy，利用现有波前重建算法对差分波前进行重建，即获得光刻机投影物镜(5)的波像差。
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