CN111381449B - 波像差测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波像差测量装置及其方法，用于测量待测投影物镜模块的波像差，包括设置在所述待测投影物镜模块两端的物面模块和像面模块；所述物面模块和所述像面模块均包括光栅标记及孔标记，利用孔标记透过的光束所获得的剂量校正光斑图对波像差测试图进行剂量校正以获得准确的波像差，保证了参考光和测试光的光路一致性以及检测模块对测试光和参考光探测的一致性，同时可通过调整聚光模块的位置改变剂量校正光斑图中光斑的尺寸，降低对波像差测试图的影响，提高了波像差测量的效率和精度以及测量的准确性。

Description

波像差测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种波像差测量装置及其方法。

背景技术

波像差，由于实际光学系统存在像差，球面波经光学系统后所形成的波面已不是球面，这种实际波面与理想波面的之间的光程差即为波像差，对于一般的光学系统，几何像差可简单直观地评价光学系统质量，但对于高像质要求的光学系统，必须进一步研究光波的波面经光学系统后的变形情况，波像差越小，系统的成像质量越好。

在光刻过程中，光刻机使用的透镜由于热效应，其透过率会有波动。在波像差测量中，进行单个视场点一次波像差测量的时间大于1分钟，1分钟内透镜的热效应将会带来0.1％的透过率变化。有些波像差测量装置中用于校正剂量的参考光从光源后引出，只考虑了激光脉冲光源的能量波动，未考虑照明的中继透镜组和投影物镜对剂量波动的影响。

另外，不同检测模块的测试精度和灵敏度通常不相同，接收同样能量的照明光束，输出的信号强度值会有差异。在高精度的波像差测量中，特别是在浸没光刻机中，检测模块的响应非线性的2％将会给系统带来0.01nm的误差。现有的一些波像差测量装置中用于探测测试光和参考光的检测模块不同，导致降低了剂量校正的正确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波像差测量装置及其方法，能够解决由激光脉冲光源的能量不稳定、照明中继透镜组和投影物镜的透过率变化而引起的剂量波动对投影物镜波像差测量影响的问题，并解决剂量补偿过程中，测试光和参考光所使用的探测传感器不同而降低剂量校准正确性的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种波像差测量装置，用于测量待测投影物镜模块的波像差，包括设置在所述待测投影物镜模块两端的物面模块和像面模块，所述物面模块包括设置于一掩膜板上的物面标记组，所述像面模块包括设置于一基板上的像面标记组，所述物面标记组与所述像面标记组均包括光栅标记及孔标记，一光束照射至所述物面标记组的光栅标记及孔标记上后，被所述待测投影物镜模块分别投影至所述像面标记组的光栅标记及孔标记上，一检测模块分别从所述像面标记组的光栅标记及孔标记透过的光束中获得波像差测试图及剂量校正光斑图，根据所述剂量校正光斑图校正所述波像差测试图以获取所述待测投影物镜模块的波像差。

可选的，所述波像差测量装置还包括对准所述基板的孔标记的聚光模块，所述聚光模块设置于所述基板与所述检测模块之间或者所述待测投影物镜模块与所述基板之间，通过调整所述聚光模块相对于所述检测模块的距离以调整所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

可选的，所述聚光模块靠近所述检测模块时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸增大；所述聚光模块远离所述检测模块时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸减小。

可选的，所述光栅标记与所述孔标记的中心等高，且所述光栅标记与所述孔标记之间有间距。

可选的，所述光栅标记包括两个对称设置的光栅，且两个所述光栅的栅格垂直。

可选的，两个所述光栅均为一维光栅。

可选的，所述孔标记为圆形孔或方形孔。

可选的，所述物面标记组包括物面光栅标记及物面孔标记，所述像面标记组包括像面光栅标记及像面孔标记，所述像面光栅标记的周期T1为所述物面光栅标记的周期T2的M倍，所述像面光栅标记与所述像面孔标记之间的距离L1为所述物面光栅标记与所述物面孔标记之间的距离L2的M倍，所述像面孔标记的直径D1大于所述物面孔标记的直径D2的M倍，其中，M为述待测投影物镜模块的放大率。

本发明还提供了一种波像差测量方法，包括：

提供如上所述的波像差测量装置；

一光束照射至物面标记组的光栅标记及孔标记上，并由待测投影物镜模块分别投影至像面标记组的光栅标记及孔标记上；

移动所述物面标记组以使检测模块获取多个波像差测试图及剂量校正光斑图；

根据多个所述剂量校正光斑图校正所述波像差测试图获取所述待测投影物镜模块的波像差。

可选的，在移动所述物面标记组之前，调整聚光模块相对于所述检测模块的距离以调整所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

可选的，根据如下公式对所述波像差测试图中任一像素的信号强度值进行校正：

其中，I_n为第n个波像差测试图中某一像素的信号强度值；

为第n个剂量校正光斑图中所有像素的信号强度的平均值；

为第一个剂量校正光斑图中所有像素的信号强度的平均值；I_n'为校正后的第n个波像差测试图中任一像素的信号强度值。

本发明通过在掩模板和基板上分别设置的孔标记，利用该组标记透过的光束作为参考光所获得的剂量校正光斑图对波像差测试图进行剂量校正，以获得准确的波像差，保证了参考光和测试光的光路一致性，消除了照明中继透镜组和投影物镜的透过率变化引起的波像差测量误差，并且克服了光源剂量波动对投影物镜波像差测量的影响，提高了波像差测量的效率和精度。进一步的，可通过调整聚光模块相对于检测模块的位置以改变剂量校正光斑图中光斑的大小，降低对波像差测试图的影响；通过使用同一检测模块的不同区域对测试光和参考光进行探测，保证了测试光和参考光探测的一致性，提高了波像差测量中剂量校正的正确性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的波像差测量装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的物面光栅标记和物面孔标记的示意图；

图3为本发明实施例提供的像面光栅标记和像面孔标记的示意图；

图4为本发明实施例提供的检测模块获得的剂量校正光斑图和波像差测试图；

图5为本发明实施例二提供的波像差测量装置的示意图；

图中：1-物面模块；11-掩模板；12-物面光栅标记；121-物面第一光栅；122-物面第二光栅；13-物面孔标记；2-待测投影物镜模块；3-像面模块；31-像面孔标记；32-像面光栅标记；321-像面第一光栅；322-像面第二光栅；33-基板；41-检测模块；42-聚光模块；43-剂量校正光斑图；44-波像差测试图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提供了一种波像差测量装置，用于测量待测投影物镜模块2的波像差，包括设置在所述待测投影物镜模块2两端的物面模块1和像面模块3，所述物面模块1包括设置于一掩膜板11上的物面标记组，所述像面模块3包括设置于一基板33上的像面标记组，所述物面标记组与所述像面标记组均包括光栅标记及孔标记，一光束照射至所述物面标记组的光栅标记及孔标记上后，被所述待测投影物镜模块2分别投影至所述像面标记组的光栅标记及孔标记上，一检测模块41分别从所述像面标记组的光栅标记及孔标记透过的光束中获得波像差测试图及剂量校正光斑图，根据所述剂量校正光斑图校正所述波像差测试图以获取所述待测投影物镜模块2的波像差。

具体的，所述物面标记组包括物面光栅标记12和物面孔标记13，所述像面标记组包括像面光栅标记32和像面孔标记31，一测试光依次经过所述掩模板11上的物面光栅标记12、待测投影物镜模块2及基板33上的像面光栅标记32后成像于所述检测模块41上，以获得波像差测试图；一参考光依次经过所述掩模板11上的物面孔标记13、待测投影物镜模块2及基板33上的像面孔标记31后成像于所述检测模块41上，以获得剂量校正光斑图，根据所述剂量校正光斑图对所述波像差测试图进行校正计算以获取所述待测投影物镜模块2的波像差。

进一步的，所述波像差测量装置还包括对准所述基板33的孔标记的聚光模块42，所述聚光模块42设置于所述基板33与所述检测模块41之间或者所述待测投影物镜模块2与所述基板33之间，通过调整所述聚光模块42相对于所述检测模块41的距离以调整所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

具体的，所述聚光模块42具有对光束进行聚焦的作用，设置于所述待测投影物镜模块2与所述检测模块41之间，且其位置不固定，可根据所需照射在检测模块41上的光斑的大小移动位置，改变所述聚光模块42相对于所述检测模块41的距离，在本实施例中所述聚光模块42以透镜为例，见图1，所述聚光模块42设置于所述基板33与所述检测模块41之间，从基板33透射过来的光束经聚光模块42汇聚后成像于检测模块41上，改变所述聚光模块42相对于所述检测模块41的距离，可改变成像于检测模块41上的剂量校正光斑图中光斑的尺寸，从而降低对波像差测试图的干扰，提高波像差测量的效率和精度。

另外，所述聚光模块42还可以设置于所述待测投影物镜模块2与所述基板33之间，如图5所示，此种设置更便于安装和调节，同样，调节所述聚光模块42相对于所述检测模块41的距离，从待测投影物镜模块2透射过来的光束经聚光模块42汇聚后经过所述基板33最终成像于检测模块41上，可以改变成像于检测模块41上的剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

其中，所述聚光模块42靠近所述检测模块41时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸增大；所述聚光模块42远离所述检测模块41时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸减小。

进一步的，所述掩模板11由透光的石英玻璃制成，且所述掩模板11的底部涂敷有不透光材料。所述掩模板11的形状、尺寸和重量需满足相应光刻机的掩模台和掩模传输的要求，所述掩模板11底部涂敷有不透光材料，例如采用铬，物面光栅标记12和物面孔标记13通过去掉不透光材料的方法制成。

进一步的，所述基板33与所述检测模块41之间有间隙。所述检测模块41位于所述基板33的下方，且与所述基板33之间设置有一定的间隙，以形成远场探测条件。所述基板33的制作可采用和掩模板11类似的方法，且像面光栅标记32和像面孔标记31也通过去掉不透光材料的方法制成。所述检测模块41为高信噪比和高动态范围的面阵图像采集元件，要求其感光区域足够大，能同时探测到波像差测试图和剂量校正光斑图。

具体的，所述光束照射至掩模板11上，经过设置于掩模板11上的物面光栅标记12发生衍射，测试光经过所述待测投影物镜模块2后，汇聚于像面上的像面光栅标记32上发生剪切干涉，形成剪切干涉条纹，由检测模块41的探测面记录干涉图像，即所述波像差测试图，测量过程中需改变光源与物面光栅标记12的相对位置(移相)以获得不同的干涉条纹，分析这些波像差测试图的图像可得到所述待测投影物镜模块2的波像差。这里所述光源可以为激光脉冲光源。

进一步的，所述光栅标记与所述孔标记的中心等高，且所述光栅标记与所述孔标记之间有间距。具体的，参阅图2，所述物面光栅标记12与所述物面孔标记13在x方向间隔一定距离，在y方向的高度位置相同，即所述物面光栅标记12的中心与所述物面孔标记13的中心位于同一水平面上，xy平面为水平面。参阅图3，所述像面光栅标记32与所述像面孔标记31的中心位于同一水平面上，并且在x方向间隔一定距离。

进一步的，所述光栅标记包括两个对称设置的光栅，且两个所述光栅的栅格垂直。并且两个所述光栅均为一维光栅。具体的，参阅图2，所述物面光栅标记12包括衍射方向相互垂直的两个光栅，分别为物面第一光栅121和物面第二光栅122，且所述物面第一光栅121为45°光栅，所述物面第二光栅122为135°光栅，所述光栅的占空比为1：1。所述物面第一光栅121及所述物面第二光栅122的透光线条至少大于等于4个，本实施例中，所述物面光栅标记12中的物面第一光栅121及物面第二光栅122各包括5个透光栅格。参阅图3，所述像面光栅标记32同样包括两个对称设置的光栅，衍射方向相互垂直，分别为像面第一光栅321和像面第二光栅322，所述像面第一光栅321为45°光栅，所述像面第二光栅322为135°光栅。

进一步的，所述孔标记为圆形孔或方形孔。具体的，参阅图2及图3，本实施例中所述物面孔标记13与所述像面孔标记31均为一圆形透光孔，其中，所述物面孔标记13的尺寸与所述物面光栅标记12的单个所述光栅的尺寸相近，且所述物面孔标记13的外缘尺寸与所述物面光栅标记12的外缘尺寸相比不超过10％，以保证所述物面孔标记13能够接收到同样的能量的光强。所述孔标记还可以是各种其他形状的小孔，例如方孔，本实施例中，优选圆孔。

进一步的，所述像面光栅标记32的周期T1为所述物面光栅标记12的周期T2的M倍，所述像面光栅标记32与所述像面孔标记31之间的距离L1为所述物面光栅标记12与所述物面孔标记13之间的距离L2的M倍，所述像面孔标记31的直径D1大于所述物面孔标记13的直径D2的M倍，其中，M为述待测投影物镜模块2的放大率。

具体的，通常光刻机的待测投影物镜模块2成像使物像颠倒，所以所述像面光栅标记32及像面孔标记31与所述物面光栅标记12和物面孔标记13彼此成镜像比例关系，所述比例为待测投影物镜模块2的放大率M。如图2及图3所示，所述像面孔标记31的直径D1大于所述物面孔标记13的直径D2的M倍，即D1＞M·D2，以便在波像差测量中进行移相时，所述像面孔标记31不会遮挡物面孔标记13透过的参考光。测量时，所述检测模块41同时记录通过像面光栅标记32与通过像面孔标记31的光强，通过像面光栅标记32的测试光可以获得波像差测试图，通过像面孔标记31的参考光可以获得剂量校正光斑图。

本发明还提供了一种波像差测量方法，包括：

提供如上所述的波像差测量装置；

一光束照射至物面标记组的光栅标记及孔标记上，并由待测投影物镜模块分别投影至像面标记组的光栅标记及孔标记上；

移动所述物面标记组以使检测模块获取多个波像差测试图及剂量校正光斑图；

根据多个所述剂量校正光斑图校正所述波像差测试图获取所述待测投影物镜模块的波像差。

具体的，波像差的测试采用横向剪切干涉方法。对于波像差的测试光路，所述光源模块发出的测试光经过掩模板11上的物面光栅标记12后得到不同级次的衍射光。由于待测投影物镜模块2的遮挡，仅有+1、0、-1级衍射光透过待测投影物镜模块2并汇聚于所述基板33的像面光栅标记32上。由于像面光栅标记32的周期和物面光栅标记12的周期比为待测投影物镜模块2的放大率M，并且位置共轭，所以像面光栅标记32对物面光栅标记12的+1、0、-1级衍射产生了剪切干涉，使得物面光栅标记12的+1级衍射光的-1衍射级光、-1级衍射光的+1衍射级光、0级衍射光的0衍射级光相互发生干涉，最终在检测模块41上获得波像差测试图，如图4中的44。

通过物面光栅标记12的移相步进引入已知的附加位相得到多幅波像差测试图，再对这些图像进行拟合得到波像差。对于同一个像素，多幅波像差测试图中的信号强度差异代表着位相变化。理想情况下，信号强度差异仅与物面光栅标记12的移相步进有关。但是，在测量过程中，照明系统中的激光脉冲能量会有起伏，照明中继透镜组和待测投影物镜模块2的热效应会引起透过率的变化，这些变化将导致像素信号强度的变化，最终将转化为像素位相的变化，降低波像差测试精度。

本发明中的波像差测量方法采用参考光对每一幅波像差测试图进行校正处理后的图像，再用于计算波像差。对于参考光路，所述光源模块发出的光束经过掩模板11上的物面孔标记13、待测投影物镜模块2、透过基板33上的像面孔标记31后成像于检测模块41上，得到剂量校正光斑图，如图4中的43。也就是说，通过设置于所述掩模板11上的物面光栅标记12和设置于所述标准板上的像面光栅标记32，可用于进行波像差检测；通过设置于所述掩模板11上的物面孔标记13和设置于所述标准板上的像面孔标记31，可用于进行剂量检测，以对波像差进行校正。

进一步的，在移动所述物面标记组之前，调整聚光模块相对于所述检测模块的距离以调整所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

这样，对形成的剂量校正光斑图中的光斑可以根据需要调整其大小，当所述聚光模块42靠近所述检测模块41时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸增大；当所述聚光模块42远离所述检测模块41时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸减小；通过此方式降低参考光斑对波像差测试图的干扰，使其不会影响到波像差测试图，提高测量精度。移相前，调整聚光模块42的相当于所述检测模块41的位置，一次调整后，即可进行后续的移相工作。

测量过程中，移动所述物面标记组以使检测模块获取多个波像差测试图及剂量校正光斑图。即改变所述物面光栅标记12及所述物面孔标记13的移相步进，具体的，可以通过移动掩模台，使设置于所述掩模台上的掩模板11随之移动，以改变物面光栅标记12与像面光栅标记32之间的相对位置，在不同移相条件下使检测模块41测量剪切干涉条纹，收集和分析不同移相条件下的图像信息可以计算待测投影物镜模块2的波像差。对于每次测量，所述物面光栅标记12每次移相，检测模块41将同时采集到波像差测试图和剂量校正光斑图，通过检测模块41可以获取n幅波像差测试图与n幅剂量校正光斑图。根据获取的n幅剂量校正光斑图计算修正值，以对所述波像差测试图进行校正，之后再进行波像差拟和以计算波像差，即可消除剂量波动对波像差测量结果的影响，提高波像差的测量精度。

进一步的，根据如下公式对所述波像差测试图中任一像素的信号强度值进行校正：

其中，波像差测量移相n步，I_n为第n个波像差测试图中某一像素的信号强度值；

为第n个剂量校正光斑图中所有像素的信号强度的平均值；

为第一个剂量校正光斑图中所有像素的信号强度的平均值；I_n'校正后的第n个波像差测试图中任一像素的信号强度值。

由上式即可对获得的波像差测试图进行校正，根据校正后的像素信号强度值进行拟合计算得到最终的波像差。

综上，在本发明实施例提供的波像差测量装置及其方法中，通过在掩模板和基板上分别设置的孔标记，利用该组标记透过的光束作为参考光所获得的剂量校正光斑图来对波像差进行剂量校正，保证了参考光和测试光的光路一致性，消除了照明中继透镜组和投影物镜的透过率变化引起的波像差测量误差，并且克服了光源剂量波动对待测投影物镜模块波像差测量的影响，提高了波像差测量的效率和精度。进一步的，可通过调整聚光模块相对于检测模块的位置以改变剂量校正光斑图中光斑的大小，降低对波像差测试图的影响；通过使用同一检测模块的不同区域对测试光和参考光进行探测，保证了测试光和参考光探测的一致性，提高了波像差测量中剂量校正的正确性。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波像差测量装置，用于测量待测投影物镜模块的波像差，其特征在于，包括设置在所述待测投影物镜模块两端的物面模块和像面模块，所述物面模块包括设置于一掩膜板上的物面标记组，所述像面模块包括设置于一基板上的像面标记组，所述物面标记组与所述像面标记组均包括光栅标记及孔标记，一光束照射至所述物面标记组的光栅标记及孔标记上后，被所述待测投影物镜模块分别投影至所述像面标记组的光栅标记及孔标记上，一检测模块分别从所述像面标记组的光栅标记及孔标记透过的光束中获得波像差测试图及剂量校正光斑图，根据所述剂量校正光斑图校正所述波像差测试图以获取所述待测投影物镜模块的波像差；

所述波像差测量装置还包括对准所述基板的孔标记的聚光模块，所述聚光模块设置于所述基板与所述检测模块之间或者所述待测投影物镜模块与所述基板之间，通过调整所述聚光模块相对于所述检测模块的距离以调整所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

2.如权利要求1所述的波像差测量装置，其特征在于，所述聚光模块靠近所述检测模块时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸增大；所述聚光模块远离所述检测模块时，所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸减小。

3.如权利要求1所述的波像差测量装置，其特征在于，所述光栅标记与所述孔标记的中心等高，且所述光栅标记与所述孔标记之间有间距。

4.如权利要求3所述的波像差测量装置，其特征在于，所述光栅标记包括两个对称设置的光栅，且两个所述光栅的栅格垂直。

5.如权利要求4所述的波像差测量装置，其特征在于，两个所述光栅均为一维光栅。

6.如权利要求3所述的波像差测量装置，其特征在于，所述孔标记为圆形孔或方形孔。

7.如权利要求1所述的波像差测量装置，其特征在于，所述物面标记组包括物面光栅标记及物面孔标记，所述像面标记组包括像面光栅标记及像面孔标记，所述像面光栅标记的周期T1为所述物面光栅标记的周期T2的M倍，所述像面光栅标记与所述像面孔标记之间的距离L1为所述物面光栅标记与所述物面孔标记之间的距离L2的M倍，所述像面孔标记的直径D1大于所述物面孔标记的直径D2的M倍，其中，M为所 述待测投影物镜模块的放大率。

8.一种波像差测量方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求1-7中任一项所述的波像差测量装置；

一光束照射至物面标记组的光栅标记及孔标记上，并由待测投影物镜模块分别投影至像面标记组的光栅标记及孔标记上；

移动所述物面标记组以使检测模块获取多个波像差测试图及剂量校正光斑图；

根据多个所述剂量校正光斑图校正所述波像差测试图获取所述待测投影物镜模块的波像差。

9.如权利要求8所述的波像差测量方法，其特征在于，在移动所述物面标记组之前，调整聚光模块相对于所述检测模块的距离以调整所述剂量校正光斑图中光斑的尺寸。

10.如权利要求8所述的波像差测量方法，其特征在于，根据如下公式对所述波像差测试图中任一像素的信号强度值进行校正：

其中，I_n为第n个波像差测试图中某一像素的信号强度值；

为第n个剂量校正光斑图中所有像素的信号强度的平均值；

为第一个剂量校正光斑图中所有像素的信号强度的平均值；I_n'为校正后的第n个波像差测试图中任一像素的信号强度值。

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