CN108181791B - 用探头步进扫描实现ArF准分子激光光强均匀性检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是光学投影曝光光刻及设计或调试中采用探头步进扫描法实现对ArF准分子激光光强的均匀性分布情况的检测。由于每次检测的准分子激光光强空间分布不可以避免要受到激光脉冲时间不均匀性影响，因此在时序逻辑的控制下，在一定时间内同时测量一定数目的激光脉冲的总能量和扫描光场中各探测点的分能量，以分能量与总能量之比来衡量光强的均匀性分布情况。本发明具有检测精度高，检测参数可调，可满足不同精度要求的检测要求，实现脉冲激光光强均匀性检测，同时可用于需要对脉冲激光光强分布均匀性检测的其他领域。

Description

用探头步进扫描实现ArF准分子激光光强均匀性检测的方法

技术领域

本发明涉及光学投影曝光光刻中对准分子激光光强均匀性的测量方法，特别是涉及采用探针步进扫描法消除ArF激光的时间不均匀性干扰，测量准分子激光光强均匀性。

背景技术

准分子激光器由于其良好的特性，在光学投影曝光光刻技术、激光镀膜、医学等领域获得了广泛应用。光学投影曝光光刻技术是光刻技术中应用最为广泛、生命力最为顽强的技术，被应用在超大规模集成电路制造中。在光学投影曝光光刻技术，要求掩模面和硅片面的光强分布必须高度均匀。光强的均匀性直接影响着光刻质量。准分子激光器输出的光束需要经过照明系统扩束、整形、均匀化后才能用于光刻。因此，对照明系统输出激光进行光强均匀性测量，为照明系统和光刻物镜的设计提供可靠的参数和反馈，是光刻机研制与生产过程中必不可少的环节。

目前，对准分子激光光强均匀性进行检测，可以采用传感器阵列检测法、CCD检测法、探头步进扫描法等。由于光学曝光投影光刻系统视场面积大、光强呈梯形分布，所用的准分子激光波长位于紫外波段，且脉冲宽度窄、单个脉冲能量高。传感器阵列检测法中所用到的分立传感器数目众多，其空间分辨力有限。探测单元所使用的传感器性能参数不可能做到完全一致，且每个通道使用单独的电路设计，电路特性（如放大器特性、ADC分辨率、电阻阻值等）也不完全相同，所检测的光强分布情况可靠性极低。CCD检测法中为了获得极高的光强均匀性分布，对成像系统的成像质量要求很高。对于CCD要选择能响应紫外波长的CCD，同时具有足够的灵敏度与动态范围。为了保证探测精度，CCD像素要足够高，像元之间的差异尽量小，空间响应均匀性要足够好。探头步进扫描检测法则是使用单一传感器在光场中做扫描运动，在每个扫描点上进行一次光强检测，最后通过数据处理获得原始光强分布。只要选择感光面积适当的光电传感器、控制扫描步长，即可对大面积光场进行扫描检测。与阵列传感器相比，使用单一传感器具有明显的优势。该方法可以避免阵列探测器通道特性差异所引起的检测不可靠性，具有很高的检测精度。与CCD检测相比，探头步进扫描检测还可以避免CCD感光像元间的差异，降低系统误差。因此，探头步进扫描法是光学曝光光刻系统光强均匀性检测的有效方法。

在探头步进扫描检测过程中，探头移动到光场某一位置，在一定曝光时间内对一定数目的激光脉冲的光强进行积分探测，测量完成后数据被送到计算机终端，同时计算机终端控制位移台将探头移动到下一探测位置，以此重复。然而激光脉冲具有时间不均匀性，即光脉冲参数会随着时间的变化而变化。激光输出频率不稳定、单个脉冲的能量在一定范围内存在波动，都将对准分子激光光强的空间均匀性分布的测量结果产生影响，干扰对光强均匀性分布的评估。因此，在对准分子激光光强进行均匀性测量时，必须消除激光器光脉冲的时间不均匀性的影响。

发明内容

本发明的目的是针对光学投影曝光光刻系统的光强均匀性检测中，每次检测的准分子激光光强空间分布不可以避免要受到激光脉冲时间不均匀性影响，提出基于探头步进扫描的在一定积分时间内测量相对光强的方法。这种方法能很好消除激光脉冲时间不均匀性的影响，获得准确反映激光脉冲光强的空间分布，能够使测量结果达到较高的测量精度，准确可靠地为光刻照明系统的的光学设计、修正提供反馈和数据参考。

本发明是采用下述技术方案来实现的：

如果能够实时追踪到整个光场能量的时间特性，便可以通过一定算法消除时间因子。为此，在照明系统的前端，使用一套“能量引出装置”从主光路中引出部分能量，并使用一套探测装置对该部分光场进行探测，以此反映准分子激光器输出的整个光场的总能量。

同时，使用另一套探测装置在掩模面和硅片面对照明系统或光刻物镜输出的激光光场进行步进扫描探测，获得相应光场中光强的分布。只要在光场各点让两套探测装置同时在一定时间内对一定数目的激光脉冲进行探测，获得的各探测点的光能量与相应时间内激光的总能量之比即是消除了时间不均匀性影响后的光场均匀性分布情况。

为了很好地实现这个思想，本发明采用一个同步时序控制电路板和两个能量探测信号处理电路板。同步控制电路控制两个能量探测信号处理电路同步工作。由于是在一定时间内对一定数目的脉冲激光进行能量探测，需要获得与激光脉冲同步的时序，为此，在总能量探测信号处理电路板上增加了激光脉冲探测及整形电路模块。将该时序作为时序控制电路板的基本工作时钟，同步时序控制电路的任何一个动作都是以此工作时钟为基准进行的。当同步时序控制电路检测到首个激光脉冲后，启动两个能量探测信号处理电路工作，对激光脉冲能量进行积分，同时启动对脉冲进行计数。当计数达到预设值后，立即停止积分并对积分结果进行AD转换。然后对能量探测信号处理电路中的积分模块进行放电复位，对计数器进行归零。在对本次探测结果进行处理的同时，同步时序控制电路控制步进装置移动到下一个测量位置，为下一次测量做好准备。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明使用探头步进扫描法实现对准分子激光的能量进行探测，由于可对扫描步长在一定范围内进行动态调整，因此可以根据实际需要，灵活设定扫描步长，实现不同精度要求的光能量分布均匀性检测。

2.本发明通过探测相对光强分布来获得光强的均匀性分布，可很好的消除准分子激光脉冲时间不均匀性的影响，抗干扰能力更强，检测数据更可靠。

3.本发明使用专门设计的同步控制系统，能实时控制两个能量探测电路的工作，控制电路的基准时钟来自激光脉冲本身，通过激光脉冲来触发对能量的累积探测，实现了高可靠性的同步控制。

本发明源于对光学投影曝光光刻的照明系统输出光能量分布情况的检测，同时可以应用到光刻以外的其他需要对光强能量均匀性分布进行检测的领域，具有很好的普遍适用性。

附图说明

图1准分子激光投影光刻照明系统示意图。

图2探头步进扫描探测示意图。

图3激光脉冲时间不均匀性示意图。

图4两套能量探测装置探测位置示意图。

图5激光脉冲探测及整形电路原理框图。

图6同步控制时序图。

图7基于激光脉冲计数器的同步控制时序产生原理图。

图8能量探测信号处理电路板简单功能框图。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明主要是用于对光学投影曝光光刻系统的照明系统输出的激光光强均匀性分布进行高精度检测，为照明系统的光学设计、修正提供反馈和参考。图1是准分子激光投影光刻照明系统示意图。从图中可以看出，光学投影曝光光刻的照明系统是一个复杂的光学系统，由光源、传输光路、光束漂移校正、光束扩束整形、能量探测与剂量控制、照明均匀器、掩模光栏等组成。主要功能是实现激光扩束、高均匀高强度照明、改变部分相干因子等。本发明装置在“光束位置指向探测”处获取激光脉冲同步信号，经过整形后作为同步控制时序电路的基准时钟。在“能量探测”处探测激光总能量，同时在掩模面和硅片面分别对激光光场进行步进扫描，以获取激光光场各点的分能量。分能量与总能量作比，即可消除时间不均匀性干扰并以此相对光强反映光强均匀性分布情况。

图2是探头步进扫描检测示意图。紫外探头固定于精密二维位移平台上，位移台在控制逻辑的驱动下带动探头按照预定的路径做扫描运动，每扫描到一个位置进行一次探测采集，信号经过电路处理最终到达控制终端，经过软件处理即可得到原始的光场分布，并进行后续的数据分析。由于探头所使用的紫外探测器的响应可以到达很高，探测器感光面的响应不均匀性可以做到很好，结合精密的电路设计，可以满足检测精度的要求。同时位移台的扫描路径与步进量均可编程，因此该系统具有很高的灵活性。考虑到扫描探测的总测量时间要比阵列探测器长，可以通过优化扫描步长与数据处理算法来缩短总测量时间。

图3是激光脉冲时间不均匀性示意图。在理想情况下，激光波形应该是周期性的、能量相等的矩形波。而实际由于激光器外部噪声和激光器内部工作参数的变化，激光的频率会有一定微小变化，但这种情况只要不超出一定的容限是可以允许的。同时每个脉冲也不是标准的矩形，存在一定的上升时间与毛刺，每个脉冲包含的能量（波形所包含的面积）也因此不同。因此，设光强表达式为：

（1）

可见光强不仅仅是空间的函数，同时也是时间的函数，为时间项。

均匀性检测结果是为照明系统的光学设计、修正提供反馈和参考依据，由于光强分布的空间坐标系与照明系统的空间坐标系是一一对应的，因此只有光强的空间分布信息对照明系统是有用的。而探测器所探测的光强值既包含了光强的空间不均匀性信息，也包含了时间不均匀性信息。如果我们能够实时追踪到整个光场能量的时间特性，便可以通过一定的算法消除时间因子。

为了探测整个光场的能量，“能量引出装置”从主光路中引出部分能量，并使用一套探测装置对整个光场能量进行探测。另一套探测装置在掩模面或硅片面对光场各点进行步进扫描，以获取光场中各点的分能量。如图4所示是两套能量探测装置探测位置示意图。两套探测装置中，探测总能量的探头为ES（Energy Sensor），探测光场中各点能量的探头为SS（Spot Sensor）。为了使ES探测到整个视场的能量，同时不影响整个系统的工作，在照明系统前端主光路中我们增加一套能量引出装置（分束装置）用以引出整个照明视场，然后通过一套光学成像装置将整个光场投射到ES上。同时，在掩模面或硅片面处放置我们之前提到的点扫描探测装置SS，对光场进行扫描探测。两套装置同步工作。

若照明系统与能量引出装置的光学透过率均为100%，我们把整个光场细分为M×N个有限小区域，SS在光场中做扫描运动，当SS位于光场某一区域时，在时间（）内测得的能量值为：

（2）

ES测量整个照明视场的光强，测得的总能量为：

（3）

由(2)可得：

（4）

同理，由(3)可以得：

（5）

于是可以得到相对光强值：

（6）

可见只是空间位置的函数，相对光强即可反映整个光场的空间不均匀性。到此就可以完全消除激光器时间不均匀性对检测的影响。

在不考虑照明系统（能量引出装置）的透过率的情况下，对于式（6）有

（7）

为一极小值。在测量过程中我们希望

（8）

在考虑透过率的情况下，实际的相对光强值为：

（9）

系数为照明系统与能量引出装置的光学透过率比值，通过控制能量引出比可改变值的大小，使相对光强为一趋于1的值。

图5是激光脉冲探测及整形电路原理框图。激光脉冲探测及整形电路为同步时序控制电路提供基准时钟，让各个系统正在实现与光脉冲同步工作。脉冲探测器位于能量引出装置引出的部分光场中，由于激光本身波动以及探测器的响应度等问题，从能量引出模块引出的激光波形不是标准的矩形波，而是呈一定程度的起伏变化。探测器的感应电流经过I/V转换、电压放大，最后通过电压比较器得到标准的激光脉冲波形。其频率与激光脉冲频率完全一致。

图6是同步可控制时序图。同步控制时序在具体测量过程中主要控制积分电路中模拟开关S1、S2的开启与关闭和模数转换，以此来控制放电回路的接入与断开。ST为启动信号，用于开启测量，该信号可由主控芯片的I/O端口产生。SCS为检测系统工作所需同步控制时序信号，用于控制每次测量中的积分与放电操作。为AD转换开启信号，用于开启AD转换。为激光脉冲频率，为一次测量时间，n为一次测量所包含的激光脉冲数目。当主控芯片发出ST时，开启检测过程，同时SCS信号有效，在SCS信号高电平内开关S1、 S2断开放电回路，探测器开始探测，SCS高电平持续n个激光脉冲周期完成一次测量，探测的电压输出被保存在采样保持电路中。在SCS下降沿触发产生AD转换信号开启AD转换，同时开关S1、S2接通放电回路，对积分电容放电，准备下一位置测量。在SCS低电平期间完成AD转换、数据通信、数据处理等工作，同时位移台完成扫描运动、使探头移动到下一个探测位置。在此期间除了开启测量人为控制以外，其他操作均由程序自动实现。

图7是与图6对应的基于激光脉冲计数器的同步控制时序逻辑设计。在这里我们将激光脉冲翻转（可通过放大倍数为A=1的反相放大器来实现），其目的是保证在测量过程中无论何时开启检测使每次检测的激光脉冲个数为恒定值n，避免激光脉冲过窄引起的脉冲丢失现象。触发器Q1的置1端与清0端分别接主控芯片的I/O端口，主控芯片输出到该端口的信号被定义为ST信号，即测量开启信号。Q1的时钟输入端接计数比较器的输出端，其输出信号Counter Out如图所示为一正脉冲，表示一次计数结束（完成一次检测），通过对CounterOut信号的取反可得到AD转换的开启信号。开始测量时，通过主控芯片对触发器D1进行“清0-置1-使能”操作，其对应的ST信号为“10-01-11”，其输出信号Q1使能触发器D2、D3，与激光脉冲进行或运算，输出接D2的时钟输入端，这样可以保证只有在ST信号有效的情况下激光脉冲才能被检测到。触发器D2被设置成二分频工作模式，其输出Q2的上升沿触发D3产生同步控制信号SCS。对激光进行二分频后可以保证SCS信号在第0个激光脉冲结束时有效，因此为了保证探测的脉冲数目为n，须将计数器的计数值设置成n+1，在测量时跳过第一个脉冲。一次测量完成后（计数完成后），计数器输出端输出Counter Out信号，经过非门产生信号开启AD转换。同时，主控芯片I/O口判断Counter Out信号是否为1，如果为1表示一次测量完成，程序自动设置ST信号为“清0”状态，待位移台完成位移操作后，ST再次被设置为“置1-使能”工作状态，进行下一次检测。

图8能量探测信号处理电路板简单功能框图。在一定时间内，ES和SS分别将探测到的光强线性转换成电流信号，经过I/V（电流/电压）转换后，进行前置放大，在探测时间内对这个电压进行积分。探测时间结束后对积分结果进行AD转换，并将AD转换的结果送到计算机进行处理和存储。

Claims (6)

1.一种适用于光学投影曝光光刻中用探头步进扫描对ArF准分子激光光强均匀性检测的方法，其特征在于，应用脉冲检测装置获取激光脉冲作为计数对象和计数触发信号，在同步时序逻辑的控制下，在一定时间内同时测量一定数目的激光脉冲的总能量和步进扫描光场中各探测点的分能量，计算分能量与总能量之比，以此来消除激光脉冲的时间不均匀性对光强的空间分布均匀性的测量结果的影响。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说脉冲检测装置，是用激光脉冲探测器将光信号转换成电流信号，通过电流/电压转换，电压放大和比较，获得与光脉冲同步的标准的脉冲波形；或者直接用输出是电压信号的激光脉冲探测器将光信号转换成激光脉冲的电压信号，通过电压比较后获得与光脉冲同步的标准的脉冲波形。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说同步时序逻辑，是指计数机或者微控制器启动测量后的第一个激光脉冲通过触发器组触发关断积分器的放电回路，积分器开始积分，同时脉冲计数器开始计数，当计数达到预置数目以后，输出一个数模转换开启信号，对积分结果进行模数转换，同时触发开启积分器的放电回路，结束本次测量并为下一个位置的测量做准备。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的测量的能量，是指在同步时序逻辑控制下，采用激光能量探测器将光能量转换成电信号，并对计数器预置数目的脉冲信号进行积分运算，以积分运算结果作为该次测量的能量。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说的分能量，是指在光刻机的掩模面或硅片面步进扫描探测获得光场中各点光强；所说的总能量，是指在光刻机的照明系统的主光路中安装分束装置，将部分光从主光路中分离出，并采用激光能量探测器探测该部分光能量，以此计算激光总能量。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所说光强均匀性，是通过计算机编程，将光场中各扫描点的分能量与对应总能量作比获得相对光强，以相对光强衡量光强均匀性，并通过计算机程序绘出均匀性分布图。