CN108020400A - 基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法 - Google Patents

基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法 Download PDF

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诸波尔
李思坤
王向朝
张恒
孟泽江
步扬
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Abstract

一种基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，本方法分为快速建模和像差提取两部分，快速建模部分首先设定投影物镜的偏振像差以及数值孔径等参数，然后分别在不同偏振照明方式下采用一元线性采样方式仿真空间像，并对仿真空间像进行主成分分析和多元线性回归分析，得到相应偏振照明方式下的主成分和回归矩阵；像差提取部分分别采集不同偏振照明方式下的实测空间像，对实测空间像进行主成分拟合得到主成分系数，联合不同偏振照明方式下得到的主成分系数和回归矩阵进行最小二乘法拟合得到实测空间像的泽尼克像差。本发明实现了光刻投影物镜泽尼克像差Z5～Z64的快速建模和高精度检测。

Description

基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法
技术领域
本发明涉及光刻投影物镜，特别是一种基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法。
背景技术
光刻机是极大规模集成电路制造的关键设备之一。投影物镜是光刻机最重要的分系统之一。投影物镜的波像差是影响光刻机套刻精度和成像分辨率的主要因素之一。随着光刻技术从干式发展至浸没式，高阶波像差(主要为Z38～Z64)的影响逐渐变得不可忽略，光刻机投影物镜的像差容限变得越来越严苛，对波像差检测的速度和精度要求也越来越高。为了满足光刻机套刻精度和成像分辨率等要求，研发一种快速、高精度的大数值孔径光刻投影物镜高阶波像差检测技术意义重大。
基于空间像测量的光刻投影物镜波像差检测技术是常见的一类技术，具有检测速度快、成本低，能实时检测光刻投影物镜波像差的优点。2016年，诸波尔等人提出了一种光刻投影物镜高阶波像差检测标记和检测方法(参见在先技术1，诸波尔，李思坤，王向朝，闫观勇，沈丽娜，张恒，孟泽江，“光刻投影物镜高阶波像差检测标记和检测方法”，专利申请号：201610029787.3，公开号:105629677A)。该方法采用Box-Behnken Design统计抽样方法，使用偏振光照明和矢量成像模型，建立了对大数值孔径光刻机投影物镜高阶波像差敏感的检测模型，实现了60阶泽尼克像差(Z5～Z64)的高精度检测，但该方法建立检测模型所需时间较长,不利于快速检测光刻投影物镜高阶波像差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，能够快速、高精度地检测大数值孔径光刻投影物镜的波像差。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，该方法采用的测量系统包括用于产生激光光束的光源、照明系统、用于承载测试掩模并拥有精确定位能力的掩模台、用于将掩模图形上的检测标记成像到硅片上的投影物镜系统、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台、安装在该工件台上的空间像传感器以及与空间像传感器相连的数据处理计算机。
所述的光源可以是传统照明、环形照明、二极照明、四极照明和自由照明光源，传统照明光源的部分相干因子为σ；环形照明光源的部分相干因子为[σout,σin]，σout表示外部相干因子，σin表示内部相干因子；二极照明的部分相干因子为[σout,σin]，σout表示外部相干因子，σin表示内部相干因子，极张角为θ；四极照明的部分相干因子为[σout,σin]，σout表示外部相干因子，σin表示内部相干因子，极张角为θ。
所述的照明系统用于调整所述光源产生的照明光场的光强分布及偏振状态。
所述的检测标记由8个具有不同方向取向的孤立空组成，8个不同的方向取向分别为0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和150°。
该方法包括快速建模和像差提取两个阶段。
快速建模阶段包括以下步骤：
1)采用一元线性采样方法设定60阶泽尼克像差Z5～Z64的组合ZU，并随机设定一组大数值孔径光刻机投影物镜的偏振像差PT。
2)选择光刻仿真参数：照明系统的照明方式及其部分相干因子，照明方式为偏振照明，照明光的偏振态可以是完全偏振，部分偏振和完全非偏振，光刻机曝光波长λ，投影物镜的数值孔径NA，设定NA的取值范围为NA≥0.93。
3)在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合。
4)空间像采集范围：X方向采集范围为[-L,L]，设定L的取值范围为300nm≤L≤3000nm，Z方向采集范围为[-F,F]，设定F的取值范围为2000nm≤F≤6000nm；空间像采集点数：X方向采集点数为M，设定M的取值范围为M≥20，Z方向采集点数为N，设定N的取值范围为N≥13。
5)采用不同的偏振照明方式，对于每一种偏振照明方式Pi(1≤i≤IN，IN≥2)，将上述步骤1)-步骤4)的参数输入计算机，使用公式①所示的矢量成像公式，采用光刻仿真软件进行仿真，得到该偏振照明方式下的仿真空间像集合AIUi。
其中，nimage为像方空间的折射率，J(f,g)为归一化的有效光源强度分布，H(f,g)为光瞳函数，O(f,g)为掩模的衍射谱，M0(f,g)为3×2的传输矩阵，E0为入射光的琼斯矢量，*表示共轭转置，x和y，f和g分别为归一化的像面坐标、光瞳面坐标，归一化公式如下：
其中，NA为投影物镜的数值孔径，λ为光刻机曝光波长，x和y，f和g分别为像面坐标、光瞳面坐标。
6)依次对每一种偏振照明方式Pi下的仿真空间像集合AIUi进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下:
AIUi＝PCi·Vi+ETi ③
其中，PCi为仿真空间像集合的主成分，Vi为对应的主成分系数，ETi为主成分分析残差。
7)将所述的主成分系数Vi和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算每一种偏振照明方式Pi下的线性回归矩阵RMi，公式如下：
Vi＝RMi·ZU+ERi ④
其中，ERi为拟合残差。
像差提取阶段包括以下步骤：
1)对待检测的光刻机进行参数设置，各参数值与快速建模阶段相同，具体包括选择光刻仿真参数：照明系统的照明方式、光源的部分相干因子、光刻机曝光波长λ和投影物镜的数值孔径NA；在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合。
2)启动光刻机，光源发出的照明光经过照明系统调整后得到与建模阶段相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，依次得到每一种偏振照明方式下的实测空间像，并输入所述计算机储存。
3)利用计算机对每一种偏振照明方式下的实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数Vi'，联合不同偏振照明方式下得到的主成分系数Vi'和线性回归矩阵RMi，按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻投影物镜的泽尼克像差，公式如下：
其中，E'R为反向拟合残差。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过采用多偏振照明方式和一元线性采样方式，既有效降低了采样数，简化了建模过程，又充分提取了空间像包含的波像差信息，提高了检测精度，最终实现了大数值孔径光刻投影物镜泽尼克像差Z5～Z64的快速建模和高精度检测。
附图说明
图1本发明所采用的检测系统结构图。
图2本发明所采用的照明方式示意图，其中，(a)是照明方式的结构，(b)是实施例1采用的照明光的偏振状态，(c)是实施例2采用的照明光的偏振状态。
图3本发明所采用的掩模标记结构示意图。
图4使用本发明测量得到的大数值孔径光刻投影物镜波像差精度图，其中，(a)是实施例1的结果，(b)是实施例2的结果。
具体实施方式1
下面结合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1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、用于承载测试掩模3并拥有精确定位能力的掩模台4、用于将掩模图形上的检测标记5成像到硅片上的投影物镜系统6、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台7、安装在该工件台7上的空间像传感器8以及与空间像传感器8相连的数据处理计算机9。
该方法包括快速建模和像差提取两个阶段。
快速建模阶段包括以下步骤：
1)采用一元线性采样方法设定[-0.02λ,0.02λ]幅值范围的32阶泽尼克像差Z5～Z36和[-0.01λ,0.01λ]幅值范围的28阶泽尼克像差Z37～Z64的组合ZU，并随机设定一组大数值孔径光刻投影物镜的偏振像差PT。
2)选定光刻仿真参数：照明系统的照明方式选取环形照明，其部分相干因子为[σout,σin]＝[0.9,0.7]，如图2(a)所示，光刻机曝光波长λ＝193nm，投影物镜的数值孔径NA＝1.35。
3)在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合，该组合有8个具有不同方向取向的孤立空，所述的8个孤立空的方向取向分别为0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和150°，如图3所示。
4)空间像采集范围：X方向采集范围为[-900nm,900nm]，Z方向采集范围为[-2000,2000]；空间像采集点数：X方向采集点数为61，Z方向采集点数为57。
5)采用两种不同的环形照明线偏振光照明方式，分别是线偏振光光矢量的振动方向与X轴方向平行的偏振照明方式P1和线偏振光光矢量的振动方向与Y轴方向平行的偏振照明方式P2，如图2(b)所示；对于每一种偏振照明方式Pi(i＝1,2)，将上述步骤1)-步骤4)的参数输入计算机，使用公式①所示的矢量成像公式，采用光刻仿真软件进行仿真，分别得到两种偏振照明方式下的仿真空间像集合AIUi(i＝1,2)。
其中，nimage为像方空间的折射率，J(f,g)为归一化的有效光源强度分布，H(f,g)为光瞳函数，O(f,g)为掩模的衍射谱，M0(f,g)为3×2的传输矩阵，E0为入射光的琼斯矢量，*表示共轭转置，x和y，f和g分别为归一化的像面坐标、光瞳面坐标，归一化公式如下：
其中，NA为投影物镜的数值孔径，λ为光刻机曝光波长，x和y，f和g分别为像面坐标、光瞳面坐标。
6)依次对每一种偏振照明方式Pi(i＝1,2)下的仿真空间像集合AIUi(i＝1,2)进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下:
AIUi＝PCi·Vi+ETi ③
其中，PCi(i＝1,2)为仿真空间像集合的主成分，Vi(i＝1,2)为对应的主成分系数，ETi(i＝1,2)为主成分分析残差。
7)将所述的主成分系数Vi(i＝1,2)和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算每一种偏振照明方式Pi(i＝1,2)下的线性回归矩阵RMi(i＝1,2)，公式如下：
Vi＝RMi·ZU+ERi ④
其中，ERi(i＝1,2)为拟合残差。
像差提取阶段包括以下步骤：
1)对待检测的光刻机进行参数设置，各参数值与快速建模阶段相同，具体包括选择光刻仿真参数：照明系统的照明方式、光源的部分相干因子、光刻机曝光波长λ和投影物镜的数值孔径NA；在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合。
2)启动光刻机，光源发出的照明光经过照明系统调整后得到与建模阶段相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，依次得到每一种偏振照明方式下的实测空间像，并输入所述计算机储存。
3)利用计算机对每一种偏振照明方式下的实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数Vi'(i＝1,2)，联合不同偏振照明方式下得到的主成分系数Vi'(i＝1,2)和线性回归矩阵RMi(i＝1,2)，按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻投影物镜的泽尼克像差，公式如下：
其中，E'R为反向拟合残差。
具体实施方式2
图1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、用于承载测试掩模3并拥有精确定位能力的掩模台4、用于将掩模图形上的检测标记5成像到硅片上的投影物镜系统6、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台7、安装在该工件台7上的空间像传感器8以及与空间像传感器8相连的数据处理计算机9。
该方法包括快速建模和像差提取两个阶段。
快速建模阶段包括以下步骤：
1)采用一元线性采样方法设定[-0.02λ,0.02λ]幅值范围的32阶泽尼克像差Z5～Z36和[-0.01λ,0.01λ]幅值范围的28阶泽尼克像差Z37～Z64的组合ZU，并随机设定一组大数值孔径光刻投影物镜的偏振像差PT。
2)选定光刻仿真参数：照明系统的照明方式选取环形照明，其部分相干因子为[σout,σin]＝[0.9,0.7]，如图2(a)所示，光刻机曝光波长λ＝193nm，投影物镜的数值孔径NA＝1.35。
3)在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合，该组合有8个具有不同方向取向的孤立空，所述的8个孤立空的方向取向分别为0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和150°，如图3所示。
4)空间像采集范围：X方向采集范围为[-900nm,900nm]，Z方向采集范围为[-2000,2000]；空间像采集点数：X方向采集点数为61，Z方向采集点数为57。
5)采用两种不同的环形照明偏振光照明方式，分别是线偏振光光矢量的振动方向与X轴方向平行的偏振照明方式P1和切向偏振照明方式P2，如图2(c)所示；对于每一种偏振照明方式Pi(i＝1,2)，将上述步骤1)-步骤4)的参数输入计算机，使用公式①所示的矢量成像公式，采用光刻仿真软件进行仿真，分别得到两种偏振照明方式下的仿真空间像集合AIUi(i＝1,2)。
其中，nimage为像方空间的折射率，J(f,g)为归一化的有效光源强度分布，H(f,g)为光瞳函数，O(f,g)为掩模的衍射谱，M0(f,g)为3×2的传输矩阵，E0为入射光的琼斯矢量，*表示共轭转置，x和y，f和g分别为归一化的像面坐标、光瞳面坐标，归一化公式如下：
其中，NA为投影物镜的数值孔径，λ为光刻机曝光波长，x和y，f和g分别为像面坐标、光瞳面坐标。
6)依次对每一种偏振照明方式Pi(i＝1,2)下的仿真空间像集合AIUi(i＝1,2)进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下:
AIUi＝PCi·Vi+ETi ③
其中，PCi(i＝1,2)为仿真空间像集合的主成分，Vi(i＝1,2)为对应的主成分系数，ETi(i＝1,2)为主成分分析残差。
7)将所述的主成分系数Vi(i＝1,2)和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算每一种偏振照明方式Pi(i＝1,2)下的线性回归矩阵RMi(i＝1,2)，公式如下：
Vi＝RMi·ZU+ERi ④
其中，ERi(i＝1,2)为拟合残差。
像差提取阶段包括以下步骤：
1)对待检测的光刻机进行参数设置，各参数值与快速建模阶段相同，具体包括选择光刻仿真参数：照明系统的照明方式、光源的部分相干因子、光刻机曝光波长λ和投影物镜的数值孔径NA；在掩模台上放置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合。
2)启动光刻机，光源发出的照明光经过照明系统调整后得到与建模阶段相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，依次得到每一种偏振照明方式下的实测空间像，并输入所述计算机储存。
3)利用计算机对每一种偏振照明方式下的实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数Vi'(i＝1,2)，联合不同偏振照明方式下得到的主成分系数Vi'(i＝1,2)和线性回归矩阵RMi(i＝1,2)，按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻投影物镜的泽尼克像差，公式如下：
其中，E'R为反向拟合残差。
本发明所提方法检测得到的光刻投影物镜的泽尼克像差如图4所示，其检测精度与在先技术1相当，检测得到的泽尼克像差的平均误差和标准差均在0.085nm以下，而建模速度提升了近30倍。
相对于在先技术，本发明通过采用多偏振照明方式和一元线性采样方式，既有效降低了采样数，简化了建模过程，大幅度地缩短了建模时间；又充分提取了空间像包含的波像差信息，提高了检测精度，最终实现了大数值孔径光刻投影物镜泽尼克像差Z5～Z64的快速建模和高精度检测。
以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，该方法采用的测量系统包括用于产生激光光束的光源(1)、照明系统(2)、用于承载测试掩模(3)并拥有精确定位能力的掩模台(4)、用于将掩模图形上的检测标记(5)成像到硅片上的投影物镜系统(6)、能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台(7)、安装在该工件台(7)上的空间像传感器(8)以及与空间像传感器(8)相连的数据处理计算机(9)；其特征在于，该方法包括快速建模和像差提取两个阶段；
所述的快速建模阶段包括以下步骤：
1)采用一元线性采样方法设定60阶泽尼克像差Z5～Z64的组合ZU,并随机设定一组偏振像差PT；
2)选择光刻仿真参数：照明系统的照明方式、光源的部分相干因子、光刻机曝光波长λ和投影物镜的数值孔径NA；
3)在掩模台上放置测试掩模(3)，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合；
4)设置空间像采集范围和采集点数：X方向采集范围为[-L,L]和采集点数为M，Z方向采集范围为[-F,F]和采集点数为N；
5)采用IN种不同的偏振照明方式Pi，1≤i≤IN，IN是大于1的正整数，将上述步骤1)-步骤4)的参数输入计算机，采用光刻仿真软件进行仿真，得到该偏振照明方式下的仿真空间像集合AIUi；
6)依次对每一种偏振照明方式Pi下的仿真空间像集合AIUi进行主成分分析，获取仿真空间像的主成分以及相应的主成分系数，公式如下:
AIUi＝PCi·Vi+ETi ③
其中，PCi为仿真空间像集合的主成分，Vi为对应的主成分系数，ETi为主成分分析残差；
7)将所述的主成分系数Vi和所述的泽尼克像差组合ZU作为已知数据，采用最小二乘法拟合方法计算每一种偏振照明方式Pi下的线性回归矩阵RMi，公式如下：
Vi＝RMi·ZU+ERi ④
其中，ERi为拟合残差；
所述的像差提取阶段包括以下步骤：
1)对待检测的光刻机进行参数设置，各参数值与快速建模阶段相同，具体包括选择光刻仿真参数：照明系统的照明方式、光源的部分相干因子、光刻机曝光波长λ和投影物镜的数值孔径NA；在掩模台上放置测试掩模(3)，该测试掩模上的测试标记为孤立空组合；
2)启动光刻机，光源发出的照明光经过照明系统调整后得到与快速建模阶段相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，依次得到每一种偏振照明方式下的实测空间像，并输入所述计算机储存；
3)利用计算机对每一种偏振照明方式下的实测空间像进行主成分拟合，得到实测空间像的主成分系数Vi'，联合不同偏振照明方式下得到的主成分系数Vi'和线性回归矩阵RMi，按照最小二乘法进行拟合，得到所测光刻投影物镜的泽尼克像差，公式如下：
其中，E'R为反向拟合残差。
2.根据权利要求1所述的基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，其特征在于，所述的光源是传统照明、环形照明、二极照明、四极照明或自由照明光源，传统照明光源的部分相干因子为σ；环形照明光源的部分相干因子为[σout,σin]，σout表示外部相干因子，σin表示内部相干因子；二极照明的部分相干因子为[σout,σin]，σout表示外部相干因子，σin表示内部相干因子，极张角为θ；四极照明的部分相干因子为[σout,σin]，σout表示外部相干因子，σin表示内部相干因子，极张角为θ；
所述的照明系统用于调整所述光源产生的照明光场的光强分布及偏振状态；
所述的检测标记由8个具有不同方向取向的孤立空组成，8个不同的方向取向分别为0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和150°。
3.根据权利要求1所述的基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，其特征在于，所述的偏振照明的偏振态是完全偏振，部分偏振或完全非偏振。
4.根据权利要求1所述的基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，其特征在于，所述的X方向采集范围L的取值范围为300nm≤L≤3000nm；Z方向采集范围F的取值范围为2000nm≤F≤6000nm；X方向采集点数M的取值范围为M≥20，Z方向采集点数N的取值范围为N≥13。
5.根据权利要求1所述的基于多偏振照明的光刻投影物镜高阶波像差检测方法，其特征在于，所述的投影物镜的数值孔径NA≥0.93。
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