CN112034688B - 提高检测速度的投影物镜波像差检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种投影物镜波像差检测装置及检测方法，该投影物镜波像差检测装置包括光源及照明系统、物面光栅、物面位移台、被测投影物镜、像面光栅、二维光电传感器、像面位移台和控制处理单元。本发明通过物面光栅采用周期增大1倍的振幅相位混合光栅，抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次，像面光栅可采用棋盘光栅，降低了系统成本，提高了波像差检测速度和精度。

Description

提高检测速度的投影物镜波像差检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光学测量、光刻机技术领域，特别是一种提高检测速度的投影物镜波像差检测装置及检测方法。
背景技术
Ronchi光栅剪切干涉仪具有共光路、没有空间光程差、不需要单独的理想参考波面、精度高、灵敏度高、结构简单等优点；是测量光学系统波像差的一种有效手段。特别是对于高端投影光刻机，该剪切干涉仪是高端投影光刻机的投影物镜波像差原位及离线检测的主要技术方案之一。
与普通的两束光之间的干涉不同，在Ronchi剪切干涉仪的干涉场中，由于像面光栅的衍射，存在多级高阶衍射光，多级衍射光之间可以发生干涉。通过采用空间非相干照明，并采用物面光栅对光源相干性进行调制，可以抑制高阶衍射光之间的干涉，简化干涉场，使波像差检测成为可能。
在先技术1(参见Joseph Braat,Augustus J.E.Janssen.Improved Ronchi testwith extended source,Journal of the Optical Society of America AVoI.16.No.1.1999，pp:131-140.)提出用扩展光源改进的光栅剪切干涉仪。在被测光学系统的物面采用占空比为1:1的一维光栅，像面采用一维准余弦光栅抑制高阶衍射，从而只采用±1级衍射光与0级光大干涉进行相位提取。由于剪切干涉至少需要获得两个正交剪切方向的剪切波前才能重建原始波前，因此，采用该方案时物像面光栅均需要切换。
在先技术2(参见Ulrich Wegmann,Helmut Haidner,Martin Schriever,APPARATUS FOR WAVEFRONT DETECTION,US 7333216,2001)将类似于在先技术1的剪切干涉用于光刻机投影物镜波像差检测。提出物面采用二维光栅，并提出了多通道波像差检测方案。
在先技术3(参见Johannes Jacobus Matheus Baselmans,Marco Hugo PetrusMoers,Hans Van Der Laan,et al.,Lithographic projection apparatus,a gratingmodule,a sensor module,a method of measuring wave front aberrations,UnitedStates Patent,6650399,2002)提出物面可以采用二维光栅，但会使得在一个剪切方向的相移过程中，必须增加另一个方向的扫描过程，使得测量过程复杂，并且对脉冲光源的能量稳定性敏感。因此物面采用两个方向的一维光栅，像面采用了两个方向的狭缝。
在先技术4(参见Helmut Haidner,Wolfgang Emer,Rainer Hoch,et al.,Deviceand method for wavefront measurement of an optical imaging system by means ofphase-shifting interferometry,US 7417745,2004)对上述技术的相移算法进行了叙述，针对物面采用一维光栅，像面采用二维光栅，且物面光栅周期基于被测投影物镜倍率与像面光栅周期匹配；其像面采用了二维光栅，从而在测量过程中，可以不进行像面光栅的切换。
在先技术5(参见Sherman K.Poultney,Tailored reflecting diffractor forEUV lithographic system aberration measurement,US6867846,2004)将类似技术应用于EUV光刻投影物镜波像差检测。提出物面采用两个正交方向的一维光栅，像面采用棋盘光栅；且物面光栅的周期乘以被测投影物镜倍率，等于像面光栅周期；或者物面光栅周期乘以2，再乘以被测投影物镜倍率，等于像面光栅周期；物面光栅的占空比为1:1；当物面光栅周期基于被测投影物镜倍率与像面光栅周期匹配时，像面光栅0级衍射分别与±1级衍射干涉，而±1级衍射光之间不干涉；当物面光栅周期的2倍基于被测投影物镜倍率与像面光栅周期匹配时，像面光栅±1级衍射光相互干涉，而0级衍射光与±1级衍射光不干涉；从而简化了干涉信号处理。
在先技术6(王帆，马明英，投影物镜波像差测量装置和方法，CN102081308B)，和在先技术7(马明英，王帆，测量投影物镜波像差的装置及方法，CN102768471A)，对物像面光栅结构进行了更改，物像面均采用一维光栅标记，且像面光栅标记的周期基于被测投影物镜倍率与物面光栅标记的周期相匹配，即像面光栅的标记周期为物面光栅的标记周期的M倍，其中M为被测投影物镜的倍率。
上述在先技术物面光栅采用普通的振幅光栅，虽然易于加工，但对光栅衍射的调控自由度受到一定限制，其对光源空间相干性的调制体现在其振幅分布的傅里叶变换，在先技术的物面光栅仍然存在多级衍射，使得像面光栅的0级可以和多个高阶衍射级次分别干涉，或者其他多组衍射级次可以分别干涉，干涉场仍然比较复杂，需要采用16步、32步、甚至64步相移技术实现准确的剪切相位提取，降低了测量速度，影响了检测精度。
在先技术8(唐锋，彭常哲等，投影物镜波像差检测装置及检测方法，CN201910664574.1)也对Ronchi剪切干涉仪物像面光栅结构进行了更改；通过在物面采用正弦光栅，使得干涉场仅存在0级与+1级，0级与-1级发生干涉，使得投影物镜波像差检测装置可以采用经典相移干涉技术，降低了相位提取的复杂性，提高了波像差检测的检测速度和精度；或者通过像面光栅采用抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的二维振幅相位混合光栅，使得干涉场仅存在+1级与-1级间的干涉，降低了干涉场的复杂性，也提高了检测速度和精度。但正弦光栅的加工较为困难，成本较高；而像面光栅的周期较小，二维振幅相位混合光栅的加工成本也会较高，光栅加工精度也会受到一定影响。因此，如何在能够降低光栅加工成本的条件下，降低Ronchi剪切干涉仪干涉场的复杂性，使得能够利用经典相移干涉算法进行相位提取，提高检测速度和精度，仍然是该领域存在的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供投影物镜波像差检测装置及检测方法，通过物面光栅采用周期增大1倍的振幅相位混合光栅，抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次，像面光栅可采用棋盘光栅，降低了干涉场的复杂性，提高了波像差检测速度和精度。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种投影物镜波像差检测装置，该装置包括光源及照明系统、物面光栅、物面位移台、被测投影物镜、像面光栅、二维光电传感器、像面位移台和控制处理单元；所述的物面光栅由物面位移台承载，所述的像面光栅和二维光电传感器由像面位移台承载，沿所述的光源及照明系统输出空间非相干光方向依次是所述的物面光栅、被测投影物镜、像面光栅、二维光电传感器，所述的物面光栅位于被测投影物镜的物方视场内，被所述的光源及照明系统均匀照明，照明数值孔径充满被测投影物镜的物方数值孔径范围；所述的像面光栅位于被测投影物镜的像方视场，所述的物面光栅成像在所述的像面光栅上；所述的二维光电传感器接收所述的像面光栅的多级衍射光产生的干涉条纹，接收范围包含被测投影物镜的像方数值孔径；所述的控制和处理单元分别与所述的控制物面位移台、像面位移台、二维光电传感器相连并控制其工作；其特点在于：
所述的物面光栅包含的一对剪切衍射方向分别为X方向和Y方向的光栅；所述的剪切衍射方向即采用该物面光栅时，像面光栅衍射光产生剪切干涉的剪切方向；所述的物面光栅是在剪切衍射方向抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的振幅相位混合光栅；所述的物面光栅在剪切衍射方向的周期除以2，再乘以被测投影物镜在其剪切衍射方向的放大倍数等于所述的像面光栅在该衍射方向的周期；所述的被测投影物镜在X或Y方向的放大倍数是指成像物体在像面所成的像沿X或Y方向的长度除以成像物体在物面沿对应方向的长度；所述的像面光栅是非零偶数级衍射级次缺级的二维光栅，同时产生X方向和Y方向的衍射光，并且存在0，±1级衍射。
所述的物面光栅为一维光栅或二维光栅。
所述的物面光栅为一维振幅相位混合光栅，由振幅光栅和相位光栅组成；所述的振幅光栅的周期是所述的相位光栅的周期的一半，所述的物面光栅的周期等于相位光栅的周期；所述的振幅光栅通光部分的宽度是振幅光栅周期的2/3；所述的相位光栅存在第一台阶区域和第二台阶区域，第一台阶区域和第二台阶区域的宽度相同，第一台阶区域和第二台阶区域之间的相位梯度为π。
所述的物面光栅为一维振幅相位混合光栅，由振幅光栅和相位光栅组成；所述的振幅光栅的周期是所述的相位光栅的周期的一半，所述的物面光栅的周期等于相位光栅的周期；所述的振幅光栅通过随机二值化编码使得透过率满足正弦函数的绝对值分布；所述的相位光栅存在第一台阶区域和第二台阶区域，第一台阶区域和第二台阶区域的宽度相同，第一台阶区域和第二台阶区域之间的相位梯度为π。
所述的像面光栅是振幅型二维棋盘光栅或正交光栅。
所述的物面光栅是透射式光栅或反射式光栅。
所述的物面光栅包含多对剪切衍射方向分别为X方向和Y方向的光栅，位于被测投影物镜的不同视场点位置，成像至多组像面光栅，产生与多个视场点相对应的多个分立的干涉信息，由所述的二维光电传感器接收，同时测量不同视场点位置的波像差。
所述的物面光栅包含多对在剪切衍射方向周期不同的光栅，所述的像面光栅包含周期与物面光栅在剪切衍射方向不同周期的分别匹配的多个二维光栅，实现不同剪切率的波像差检测。
上述投影物镜波像差检测装置的工作原理为，物面光栅为在剪切衍射方向抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的振幅相位混合光栅(参见在先技术9：Primot J,Guérineau N.Extended Hartmann test based on the pseudoguiding property of aHartmann mask completed by a phase chessboard[J].Applied optics,2000,39(31):5715-5720；在先技术10：Ling T,Liu D,Yue X,et al.Quadriwave lateral shearinginterferometer based on a randomly encoded hybrid grating[J].Optics letters,2015,40(10):2245-2248)，物面光栅抑制+1，-1级衍射以外的其他衍射；并且由于物面光栅周期和像面光栅周期的倍率关系，使得像面光栅的衍射光中，仅有衍射级次差别为1的衍射光间才能发生干涉，由于像面光栅的非零偶数级次衍射缺级，因此，仅存在0级与+1级、0级与-1级的干涉，无其他干涉噪声，可以采用经典的相移干涉技术进行剪切相位提取，技术简单，测量速度快，精度高；所述的经典的相移干涉技术参见(在先技术11：Optical ShopTesting.Edited by Daniel Malacara.Published by John Wiley&Sons,Wiley Seriesin Pure and Applied Optics)；物面光栅在与剪切衍射方向垂直的方向，采用在先技术8的结构，抑制该方向的空间相干性，这时物面光栅是二维光栅。
采用上述所述的投影物镜波像差检测装置进行被测投影物镜波像差的检测方法，该方法包括下列步骤：
1)移动所述的物面位移台，将物面光栅中剪切衍射方向为X方向的光栅移动至被测投影物镜要测试的视场点位置；移动像面位移台，使所述的物面光栅成像在像面光栅上，形成干涉条纹，并由所述的二维光电传感器接收到干涉图；
2)沿X方向移动所述的物面位移台或像面位移台，获得相移干涉图，按现有方法计算得到X方向剪切相位；
3)移动所述的物面位移台，将所述的物面光栅切换为剪切衍射方向为Y方向的光栅，二维光电传感器接收到干涉图；
4)沿Y方向移动所述的物面位移台或像面位移台，获得相移干涉图，按现有方法计算得到Y向剪切相位；
5)采用X和Y两个方向的剪切相位，进行剪切干涉波前重建，得到被测投影物镜在该视场点的波像差。
本发明的技术效果是：
1)相比在先技术，物面光栅周期至少增大了1倍，降低了加工难度，降低了加工成本，提高了加工精度；
2)通过物面光栅采用抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的振幅相位混合光栅，使得干涉场仅存在像面光栅0级与+1级，0级与-1级发生干涉，使得投影物镜波像差检测装置可以采用经典相移干涉技术，降低了相位提取的复杂性，提高了波像差检测的检测速度和精度。
附图说明
图1为本发明投影物镜波像差检测装置的示意图。
图2为本发明物面光栅实施例的示意图。
图3为本发明像面光栅第一实施例的示意图。
图4为本发明像面光栅第二实施例的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明投影物镜波像差检测装置的示意图，由图可见，本发明投影物镜波像差检测装置包括光源及照明系统1、物面光栅2、物面位移台3、被测投影物镜4、像面光栅5、二维光电传感器6、像面位移台7和控制处理单元8；所述的光源及照明系统1输出空间非相干光，所述的物面光栅2位于被测投影物镜4的物方视场内，并被光源及照明系统1均匀照明，照明数值孔径充满被测投影物镜4的物方数值孔径范围；所述的物面光栅2由物面位移台3承载并进行位置调整；所述的像面光栅5位于被测投影物镜4的像方视场，所述的物面光栅3成像在所述的像面光栅5上；所述的二维光电传感器6位于像面光栅5沿光传输方向的后侧，接收像面光栅5的多级衍射光产生的干涉条纹，接收范围包含被测投影物镜4的像方数值孔径；所述的像面光栅5和二维光电传感器6由像面位移台7承载并进行位置调整；控制和处理单元8控制物面位移台3、像面位移台7、二维光电传感器6的工作，对干涉条纹进行处理，获得被测投影物镜4的波像差；所述的物面光栅2包含一对剪切衍射方向分别为X方向和Y方向的光栅；所述的剪切衍射方向即采用该物面光栅时，像面光栅衍射光产生剪切干涉的剪切方向；所述的物面光栅2是在剪切衍射方向抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的振幅相位混合光栅；所述的物面光栅2在剪切衍射方向的周期除以2，再乘以被测投影物镜4在其剪切衍射方向的放大倍数等于所述的像面光栅5在该衍射方向的周期；所述的被测投影物镜4在X或Y方向的放大倍数是指成像物体在像面所成的像沿X或Y方向的长度除以成像物体在物面沿对应方向的长度；所述的像面光栅5是非零偶数级衍射级次缺级的二维光栅，同时产生X方向和Y方向的衍射光，并且存在0，±1级衍射。被测投影物镜4的工作波长为193nm，像方数值孔径为0.75，被测投影物镜4在X或Y方向的放大倍数相同，为1/4；像面光栅5在X和Y两个方向的周期相同，为10μm；物面光栅2的周期为80μm。
图2(a)为所发明的物面光栅2第一实施例的示意图，该物面光栅2包含剪切衍射方向为X方向的光栅201，和剪切衍射方向为Y方向的光栅202，光栅201和光栅202均为一维光栅；该物面光栅2为一维振幅相位混合光栅，由振幅光栅和相位光栅组成，如光栅201由振幅光栅201-A和相位光栅201-B组成；所述的振幅光栅的周期是所述的相位光栅的周期的一半，所述的物面光栅2的周期等于相位光栅的周期；所述的振幅光栅通光部分的宽度是振幅光栅周期的2/3；所述的相位光栅201-B存在第一台阶区域和第二台阶区域，第一台阶区域和第二台阶区域的宽度相同，第一台阶区域和第二台阶区域之间的相位梯度为π；如相位光栅201-B的第一台阶区域201-B1和第二台阶区域201-B2之间的相位梯度为π。
图2(b)为所发明的物面光栅2第二实施例的示意图，该物面光栅2包含剪切衍射方向为X方向的光栅201，和剪切衍射方向为Y方向的光栅202，光栅201和光栅202均为一维光栅；该物面光栅2为一维振幅相位混合光栅，由振幅光栅和相位光栅组成；所述的振幅光栅的周期是所述的相位光栅的周期的一半，所述的物面光栅的周期等于相位光栅的周期；所述的振幅光栅通过随机二值化编码使得透过率满足正弦函数的绝对值分布；所述的相位光栅存在第一台阶区域和第二台阶区域，第一台阶区域和第二台阶区域的宽度相同，第一台阶区域和第二台阶区域之间的相位梯度为π。
图3为本发明像面光栅5第一实施例的示意图，像面光栅5是振幅型二维棋盘光栅，存在0，±1级，±3级等衍射；图4为本发明像面光栅5第二实施例的示意图，像面光栅5是振幅型正交光栅，存在0，±1级，±3级等衍射。
物面光栅2是透射式光栅或反射式光栅。
物面光栅2包含多对剪切衍射方向分别为X方向和Y方向的光栅，位于被测投影物镜4的不同视场点位置，成像至多组像面光栅，产生与多个视场点相对应的多个分立的干涉信息，由所述的二维光电传感器6接收，同时测量不同视场点位置的波像差。
物面光栅2包含多对在剪切衍射方向周期不同的光栅，像面光栅5包含周期与物面光栅2在剪切衍射方向不同周期分别匹配的多个二维光栅，以实现不同剪切率的波像差检测，用以调整测量动态范围及测量分辨率。
采用所述的投影物镜波像差检测装置进行被测投影物镜4波像差检测的方法，包括下列步骤：
1)移动物面位移台3，将物面光栅2中剪切衍射方向为X方向的光栅201移动至被测投影物镜4要测试的视场点位置；移动像面位移台7，使得物面光栅2成像至像面光栅5上；形成干涉条纹，并由二维光电传感器6接收干涉图；
2)沿X向移动物面位移台3或像面位移台7，获得相移干涉图，计算得到X向剪切相位；
3)移动物面位移台3，将物面光栅2切换为剪切衍射方向为Y方向的光栅202，二维光电传感器6接收到干涉图；
4)沿Y向移动物面位移台3或像面位移台7，获得相移干涉图，计算得到Y向剪切相位；
5)采用X和Y两个方向的剪切相位，进行剪切干涉波前重建，得到被测投影物镜4在该视场点的波像差。
上述实施例具有以下技术效果：
(1)相比在先技术，物面光栅周期至少增大了1倍，降低了加工难度，降低了加工成本，提高了加工精度；
(2)通过物面光栅采用抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的振幅相位混合光栅，使得干涉场仅存在像面光栅0级与+1级，0级与-1级发生干涉，使得投影物镜波像差检测装置可以采用经典相移干涉技术，降低了相位提取的复杂性，提高了波像差检测的检测速度和精度。
本发明投影物镜波像差检测装置作为原位波像差检测系统用于投影光刻机，检测速度更快，精度更高，降低了原位波像差检测对产率的影响。

Claims (9)

1.一种投影物镜波像差检测装置，该装置包括光源及照明系统(1)、物面光栅(2)、物面位移台(3)、被测投影物镜(4)、像面光栅(5)、二维光电传感器(6)、像面位移台(7)和控制处理单元(8)；所述的物面光栅(2)由物面位移台(3)承载，所述的像面光栅(5)和二维光电传感器(6)由像面位移台(7)承载，沿所述的光源及照明系统(1)输出空间非相干光方向依次是所述的物面光栅(2)、被测投影物镜(4)、像面光栅(5)、二维光电传感器(6)，所述的物面光栅(2)位于被测投影物镜(4)的物方视场内，被所述的光源及照明系统(1)均匀照明，照明数值孔径充满被测投影物镜(4)的物方数值孔径范围；所述的像面光栅(5)位于被测投影物镜(4)的像方视场，所述的物面光栅(2)成像在所述的像面光栅(5)上；所述的二维光电传感器(6)接收所述的像面光栅(5)的多级衍射光产生的干涉条纹，接收范围包含被测投影物镜(4)的像方数值孔径；所述的控制处理单元(8)分别与所述的物面位移台(3)、像面位移台(7)、二维光电传感器(6)相连并控制其工作，其特征在于：
所述的物面光栅(2)包含的一对剪切衍射方向分别为X方向和Y方向的光栅；所述的剪切衍射方向即采用该物面光栅时，像面光栅(5)衍射光产生剪切干涉的剪切方向；所述的物面光栅(2)是在剪切衍射方向抑制±1级衍射级次以外的其他衍射级次的振幅相位混合光栅；所述的物面光栅(2)在剪切衍射方向的周期除以2，再乘以被测投影物镜(4)在其剪切衍射方向的放大倍数等于所述的像面光栅在该衍射方向的周期；所述的被测投影物镜(4)在X或Y方向的放大倍数是指成像物体在像面所成的像沿X或Y方向的长度除以成像物体在物面沿对应方向的长度；所述的像面光栅(5)是非零偶数级衍射级次缺级的二维光栅，同时产生X方向和Y方向的衍射光，并且存在0，±1级衍射。
2.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的物面光栅(2)为一维光栅或二维光栅。
3.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的物面光栅(2)为一维振幅相位混合光栅，由振幅光栅和相位光栅组成；所述的振幅光栅的周期是所述的相位光栅的周期的一半，所述的物面光栅(2)的周期等于相位光栅的周期；所述的振幅光栅通光部分的宽度是振幅光栅周期的2/3；所述的相位光栅存在第一台阶区域和第二台阶区域，第一台阶区域和第二台阶区域的宽度相同，第一台阶区域和第二台阶区域之间的相位梯度为π。
4.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的物面光栅(2)为一维振幅相位混合光栅，由振幅光栅和相位光栅组成；所述的振幅光栅的周期是所述的相位光栅的周期的一半，所述的物面光栅(2)的周期等于相位光栅的周期；所述的振幅光栅通过随机二值化编码使得透过率满足正弦函数的绝对值分布；所述的相位光栅存在第一台阶区域和第二台阶区域，第一台阶区域和第二台阶区域的宽度相同，第一台阶区域和第二台阶区域之间的相位梯度为π。
5.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的像面光栅(5)是振幅型二维棋盘光栅或正交光栅。
6.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的物面光栅(2)是透射式光栅或反射式光栅。
7.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的物面光栅(2)包含多对剪切衍射方向分别为X方向和Y方向的光栅，位于被测投影物镜(4)的不同视场点位置，成像至多组像面光栅(5)，产生与多个视场点相对应的多个分立的干涉信息，由所述的二维光电传感器(6)接收，同时测量不同视场点位置的波像差。
8.根据权利要求1所述的投影物镜波像差检测装置，其特征在于，所述的物面光栅(2)包含多对在剪切衍射方向周期不同的光栅，所述的像面光栅(5)包含周期与物面光栅(2)在剪切衍射方向不同周期的分别匹配的多个二维光栅，实现不同剪切率的波像差检测。
9.采用权利要求1至8任一项所述的投影物镜波像差检测装置进行被测投影物镜(4)波像差的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)移动所述的物面位移台(3)，将物面光栅(2)中剪切衍射方向为X方向的光栅(201)移动至被测投影物镜(4)要测试的视场点位置；移动像面位移台(7)，使所述的物面光栅(2)成像在像面光栅(5)上，形成干涉条纹，并由所述的二维光电传感器(6)接收到干涉图；
2)沿X方向移动所述的物面位移台(3)或像面位移台(7)，获得相移干涉图，按现有方法计算得到X方向剪切相位；
3)移动所述的物面位移台(3)，将所述的物面光栅(2)切换为剪切衍射方向为Y方向的光栅(202)，二维光电传感器(6)接收到干涉图；
4)沿Y方向移动所述的物面位移台(3)或像面位移台(7)，获得相移干涉图，按现有方法计算得到Y向剪切相位；
5)采用X和Y两个方向的剪切相位，进行剪切干涉波前重建，得到被测投影物镜(4)在该视场点的波像差。
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