CN112130417A

CN112130417A - 一种波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机

Info

Publication number: CN112130417A
Application number: CN201910551270.4A
Authority: CN
Inventors: 董冠极; 马明英
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-12-25

Abstract

本发明涉及一种波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机，所述波像差测量方法包括：步骤(1)设置测量标记，所述测量标记包括位于投影物镜两端的物面光栅和像面光栅；步骤(2)提供一检测光束，使所述检测光束经所述物面光栅后被投影至所述像面光栅处，得到波像差测试图；步骤(3)改变所述物面光栅与所述像面光栅的相对位置，得到不同相移条件下的多个波像差测试图及测量标记的多个位置坐标；步骤(4)根据所述测量标记的多个位置坐标，计算所述测量标记的多个实际相移量；步骤(5)求解投影物镜的波前相位；步骤(6)计算得到投影物镜的波像差。本发明在测量波像差时，通过测量标记的实际位置求解波像差，提高了波像差的测量精度。

Description

一种波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机。

背景技术

半导体行业的一个目标是在单个集成线路(IC)中集成更多的电子元件。要实现这个目标需不断地缩小元件尺寸，即不断地提高光刻投影系统的分辨率。而物镜波像差是影响光学投影系统分辨率的重要因素，其是造成线宽变化的重要原因。

目前在线测量波像差的常用方法是剪切干涉法，该方法使用曝光光束进行测量，在物面使用小孔产生探测光源，小孔经物镜成像到像面光栅并在远场产生剪切干涉条纹，使用二维阵列光敏元件在物镜光瞳的共轭面记录干涉图像。测量过程中需要改变光源与光栅的相对位置(即移相)以获得不同的干涉图像，分析这些图像可得到波像差。但该方法未考虑光源与光栅的相对移动过程中移相偏差对波像差的影响，导致波像差检测精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波像差的测量方法、波像差测量装置及光刻机，旨在利用测量标记在移相时的实际相移量计算波像差，从而提高波像差的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供的一种波像差测量方法，包括：

步骤(1)设置测量标记，所述测量标记包括位于投影物镜两端的物面光栅和像面光栅；

步骤(2)提供一检测光束，使所述检测光束经所述物面光栅后被投影至所述像面光栅处，从而得到波像差测试图；

步骤(3)改变所述物面光栅与所述像面光栅的相对位置，得到不同相移条件下的多个波像差测试图及测量标记的多个位置坐标；

步骤(4)根据所述测量标记的多个位置坐标，计算所述测量标记的多个实际相移量；

步骤(5)根据测量标记的多个实际相移量，并结合所述波像差测试图求解投影物镜的波前相位；

步骤(6)根据投影物镜的波前相位，计算得到投影物镜的波像差。

可选地，所述物面光栅与所述像面光栅的周期相等。

可选地，在步骤(3)中，以预定的时间间隔来获取所述测量标记的多个位置坐标，且位置坐标包括x方向上的坐标和y方向上的坐标，x方向和y方向均垂直于投影物镜的轴线，且x方向垂直于y方向；其中：

测量标记在x方向上的实际相移量的计算公式为：

测量标记在y方向上的实际相移量的计算公式为：

式中：

为第i步相移时所述测量标记在x方向上的实际相移量；

为第i步相移时所述测量标记在x方向上的坐标平均值；

p为所述物面光栅和所述像面光栅的周期；

n为测量过程中光栅相移的总步数；

j为自然数，且j＝1,2，……，m；

m为第i步相移时采集测量标记的位置坐标的间隔次数；

x_oj为所述物面光栅在第i步相移位置时在x方向上的坐标值，x_ij为所述像面光栅在第i步相移位置时在x方向上的坐标值；

为第i步相移时所述测量标记在y方向上的实际相移量；

为第i步相移时所述测量标记在y方向上的坐标平均值；

y_oj为所述物面光栅在第i步相移位置时在y方向上的坐标值，y_ij为所述像面光栅在第i步相移位置时在y方向上的坐标值。

可选地，在步骤(2)中，利用一激光脉冲器提供所述检测光束，且在步骤(3)中，获取所述测量标记的位置坐标的时间间隔为所述激光脉冲器发射单个脉冲的时间，m为测量过程中所述激光脉冲器发射的脉冲数。

可选地，步骤(3)中，使所述物面光栅和所述像面光栅中的一个静止不动，而使所述物面光栅和所述像面光栅中的另一个移动，以改变所述物面光栅与所述像面光栅的相对位置。

可选地，所述物面光栅由对称设置的两个一维光栅组成，且两个所述一维光栅的栅格相互垂直。

可选地，所述像面光栅为二维光栅。

此外，为实现上述目的，本发明提供一种波像差测量装置，包括：测量标记、投影物镜、图像采集单元及位置测量机构；

所述测量标记包括分别设置于所述投影物镜两端的物面光栅和像面光栅；

所述图像采集单元用于采集一检测光束照射至所述物面光栅上后被所述投影物镜投影至所述像面光栅上形成的波像差测试图；

所述位置测量机构用于采集所述测量标记的位置坐标；

其中，当所述物面光栅与所述像面光栅的相对位置发生改变时，所述位置测量机构获取所述测量标记的多个位置坐标，以使一外部机构根据测量标记的多个位置坐标计算所述测量标记的多个实际相移量，进而利用所述测量标记的多个实际相移量以及所述波像差测试图求解投影物镜的波前相位，最终根据投影物镜的波前相位计算投影物镜的波像差。

可选地，还包括所述外部机构，所述外部机构为一主控机构，所述主控机构分别与所述图像采集单元和所述位置测量机构通讯连接。

可选地，所述像面光栅为二维光栅。

可选地，还包括物方台，用于承载所述物面光栅并带动所述物面光栅运动；和/或，

还包括像方台，用于承载所述像面光栅并带动所述像面光栅运动。

另外，为实现上述目的，本发明提供的一种光刻机，包括如前述的一种波像差测量装置。

与现有技术相比，本发明提供的一种波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机具有如下优点：

第一、在波像差的测量过程中，需要记录波像差测量图和相移过程中测量标记的实际位移，进而计算所述测量标记在相移时的实际相移量，利用该实际相移量来求解投影物镜波前相位继而得到波像差，这样消除了光源与光栅相对移动过程中移相偏差对波像差的影响，由此提高了波像差的测量精度。

第二、在波像差的测量过程中，优选控制像面光栅或物面光栅中的任一个移动，即通过一个光栅的移相步进引入附加相位获得不同的波像差测试图，使得测量过程中仅有一个光栅的位置坐标发生变化，从而简化波像差检测的计算过程。

附图说明

图1a是本发明一实施例中所采集的干涉图像上任一点的光强强度随物面光栅沿x向移动时的变化示意图；

图1b是本发明一实施例中的像面随像面光栅沿x向移动时产生的剪切干涉的效果示意图，其中像面光栅为二维光栅；

图2a是本发明根据一实施例提供的检测光束的光强分布图；

图2b是采用现有技术获得的检测光束的光强分布图；

图3a是本发明根据一实施例获得的检测光束的相位解算结果图；

图3b是采用现有技术中获得的检测光束的相位解算结果图；

图4是本发明根据一实施例提供的波像差的均方根值(RMS)对比图，其中a)是现有技术获得的波像差的RMS值，b)是本发明方法获得的波像差的RMS值，c)是设定的波像差的RMS值；

图5是本发明根据一实施例所提供的波像差测量装置的结构示意图。

图中：

10-测量标记；

11-物面光栅，12-像面光栅；

20-投影物镜；

30-图像采集单元；

40-位置测量机构；

50-主控机构；

60-光源；

70-第一基底；

80-第二基底。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机的实施例作进一步详细说明。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。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个及两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

本发明的核心思想在于提供一种波像差的测量方法，包括：

步骤(1)：设置测量标记，所述测量标记包括位于投影物镜两端的物面光栅和像面光栅；

步骤(2)：提供一检测光束，使所述检测光束经所述物面光栅后被投影至所述像面光栅处，从而得到波像差测试图；

步骤(3)：改变所述物面光栅与所述像面光栅的相对位置，得到不同相移条件下的多个波像差测试图及测量标记的多个位置坐标；

步骤(4)：根据所述测量标记的多个位置坐标，计算所述测量标记的多个实际相移量；

步骤(5)：根据测量标记的多个实际相移量，并结合所述波像差测试图求解投影物镜的波前相位；

步骤(6)：根据投影物镜的波前相位，计算得到投影物镜的波像差。

具体地，本发明实施例中，可采用横向剪切干涉法测量波像差。对于波像差的测试光路，可采用脉冲激光器发射检测光束经过物面光栅后得到不同级次的衍射光。由于投影物镜的遮挡，仅有+1、0、-1级衍射光透过投影物镜并汇聚于所述像面光栅上，所述像面光栅对所述+1、0和-1级衍射产生剪切干涉，使得物面光栅的+1级衍射光的-1级衍射光、-1级衍射光的+1级衍射光、0级衍射光的0级衍射光相互发生干涉，最终形成干涉条纹，该干涉条纹图像即可作为波像差测试图。

改变所述物面光栅与所述像面光栅的相对位置(即移相)来获取多幅不同的波像差测试图。对于同一个像素，多幅波像差测试图中的信号强度代表着相位变化，而该相位变化与所述物面光栅和像面光栅的相对位置有关。现有技术中，通过物面光栅与像面光栅间设定的相对相移量求取干涉条纹的信号强度，但实际上物面光栅与像面光栅移相时往往会产生偏差，导致设定的相移量与实际的相移量并不相等，由此，利用设定相移量求解信号强度时，求解值与实际的信号强度存在一定的差异，所以波像差的测量精度不高。然而，本发明通过测量物面光栅在移相时的实际位置来求解测量标记的实际相移量，并利用该实际相移量求解信号强度(或称对相位进行求解)，这样做提高了波像差的测量精度。

本发明实施例中所述测量标记与常规波像差测量方法中的测量标记的设定方式相类似。详细地，在投影物镜两端的分别设置有一物面和一像面，所述物面光栅可设置于所述物面上，所述像面光栅可设置于所述像面上。其中，所述物面光栅可包括两个对称设置的一维光栅，且两个所述一维光栅的栅格互相垂直；所述像面光栅可直接采用二维光栅。一般而言，所述一维光栅和所述二维光栅的周期相同，并且所述二维光栅的尺寸较一维光栅的尺寸要大，例如，二维光栅与一维光栅的尺寸呈比例关系，所述比例为投影物镜的放大倍率值。

在进行波像差测量时，可采用图像传感器例如CMOS图像传感器，记录所述波像差测试图，同时可采用距离传感器记录所述测量标记的位置坐标。

从方便操作和计算的角度，本实施例在测量过程中优选像面光栅或物面光栅中的任一个的位置发生移动来获取多幅波像差测试图，例如，所述像面光栅保持静止，所述物面光栅发生移动，即，本实施例通过物面光栅的移相步进引入不同相移条件下的多幅波像差测量图。如此，所述位置测量机构仅在初始时记录所述像面光栅的位置坐标，而后续测量过程中位置测量机构间隔地记录所述物面光栅的位置坐标即可。这里所述物面光栅和所述像面光栅的位置都是相对于所述投影物镜而言的，本文中所述的x轴和y轴为在垂直于投影物镜轴线的平面上的坐标系的坐标轴。另外，为便于统计，以脉冲激光器发射单个脉冲所需时间为间隔记录所述物面光栅的位置坐标，即反馈物面光栅和像面光栅的位置坐标的间隔次数为所述脉冲激光器发射的脉冲数量。

本发明的波像差测量方法的具体实现过程包括：

首先记录所述物面光栅和所述像面光栅的初始位置；随后脉冲激光器发射脉冲，物面光栅开始移相步进，且脉冲激光器每发射一个脉冲即记录一次所述物面光栅和所述像面光栅的当前位置坐标(以物面光栅移相步进、像面光栅保持静止为例，移相过程中像面光栅的位置坐标始终为初始坐标)。物面光栅移相步进后，采集到的干涉图像上任一点的光强强度随物面光栅沿x向移动而变化的示意图如图1a所示，像面随像面光栅沿x向移动而产生的剪切干涉效果如图1b所示。在整个测量过程中，所述脉冲激光器共发射了m个脉冲(m为大于或等于1的自然数)，与此同时，所述物面光栅进行了n步移相(n为大于或等于1的自然数)，获得了n幅波像差测试图。

接下来求解测量标记的实际相移量。依据时间相移法的原理，采用以下公式求算物面光栅在x方向上的实际相移量：

式中：

是物面光栅在x方向上的实际相移量；

是物面光栅在x方向上的设定相移量；

是物面光栅移相时在x方向上的相移误差；

为第i步相移时所述测量标记在x方向上的坐标平均值；应知晓的是，这里计算坐标平均值时，坐标值是可以为正，也可以为负。

p为物面光栅和像面光栅的周期；

j为自然数，且j＝1,2，……m；

m为第i步相移时采集物面光栅的位置坐标的间隔次数；

n为测量过程中光栅相移的总步数；

x_oj是第i步相移时物面光栅在x方向上的x轴坐标值，x_ij是第i步相移时像面光栅在x方向上的x轴坐标值。

同理，可求得物面光栅在y方向上的实际相移量：

式中：

是第i步相移时物面光栅在y方向上的实际相移量；

为第i步相移时所述测量标记在y方向上的坐标平均值；应知晓的是，这里计算坐标平均值时，坐标值可以为正，也可以为负。

y_oj是第i步相移时物面光栅在y方向上的y轴坐标值；

y_ij是第i步相移时像面光栅在y方向上的y轴坐标值；

p为物面光栅和像面光栅的周期；

j为自然数，且j＝1,2，……m；

m为第i步相移时采集物面光栅的位置坐标的间隔次数；

n为测量过程中光栅相移的总步数。

其中，将第i步相移时求得的测量标记的实际相移量与当前的波像差测试图相结合，从而求解投影物镜的波前相位。进而由该波前相位拟合得到泽尼克系数表征的投影物镜的波像差。应知晓，利用相移量和波像差测试图求解投影物镜的波前相位，并利用波前相位拟合计算波像差的具体方法是本领域技术人员所公知的内容，因而此处不再一一赘述。

另外，还应理解的是，前述计算公式中使用的物面光栅和像面光栅的位置坐标是两者处于同一坐标系中的坐标值(例如均是在投影物镜坐标系下的坐标值)。因此可在测量开始时选定一个共同参考系构建一个坐标系并且所述物面光栅和所述像面光栅均位于此坐标系中，如此，位置测量机构反馈的物面光栅和像面光栅的位置坐标可直接代入公式进行求解。

图2a示出了利用本发明方法获得的检测光束的光强分布图，图2b示出了利用现有技术获得的检测光束的光强分布图。图3a示出了物面光栅移相时利用本发明获得的检测光束的相位解算结果图，图3b则示出了物面光栅移相时利用现有技术获得的检测光束的相位解算结果图。图4示出了波像差的均方根值(RMS)对比图，其中a)是现有技术获得的RMS值，b)是本发明获得的RMS值，c)是设定的RMS值。与现有技术对比可知，在位置误差为±200nm的情况下，利用本发明获得的波像差的RMS值精度提高了9％，即本发明提供的波像差测量方法改善了干涉条纹的相位求解精度，从而提高了波像差的测量精度。

本发明中若以所述物面光栅保持静止而像面光栅运动来进行波像差测量，测量方法与前述方法相同，利用公式求解的为像面光栅的实际相移量；若所述物面光栅和所述像面光栅同时运动，则求解的为像面光栅与物面光栅间的实际相对相移量。

进一步地，本发明实施例还提供了一种波像差测量装置，尤其是光刻机中投影物镜的波像差测量装置。

如图5所示，所述波像差测量装置包括测量标记10、投影物镜20、图像采集单元30及位置测量机构40。所述测量标记10包括分别设置于投影物镜20两端的物面光栅11(上方)和像面光栅12(下方)。实际应用时，检测光束入射至物面光栅11(设置在掩模面上)后经投影物镜20被投影至像面光栅12处，从而得到干涉条纹。图像采集单元30用于记录干涉条纹以得到波像差测试图。位置测量机构40用于获取测量标记10的位置坐标(包括X坐标和Y坐标)。于是，通过改变物面光栅11与像面光栅12的相对位置，可以获取多幅不同相移条件下的波像差测试图，此过程中，还利用位置测量机构40得到测量标记10在每个相移步数下的位置坐标。进而利用一外部机构依据测量标记10的位置坐标求解测量标记10的实际相移量，并利用测量标记10的实际相移量与波像差测试图求解投影物镜的波前相位，最终根据投影物镜的波前相位计算所述投影物镜20的波像差。

进一步地，所述波像差测量装置还包括所述外部机构，所述外部机构为一主控机构50，主控机构50分别与图像采集单元30和位置测量机构40通讯连接。主控机构50用于控制图像采集单元30的工作并接收图像采集单元30反馈回的波像差测试图。主控机构50还用于控制位置测量机构40的工作并接收位置测量机构40反馈回的测量标记10的位置坐标。进而主控机构50利用测量标记10的位置坐标，并结合波像差测试图，计算得到投影物镜20的波像差。

位置测量机构40可为距离传感器等能够自动探测物面光栅11位移量(相对于投影物镜)的器件，通过所述距离传感器探测所述物面光栅11的位移量并结合所述物面光栅11的初始位置，从而可获得所述物面光栅11的当前位置坐标。而利用物面光栅11的初始位置与位移量以获取物面光栅11的当前位置坐标的方法是本领域技术人员所公知的内容，此处不再一一叙述。

所述波像差测量装置还可包括光源60，位于物面光栅11的上方，所述光源60用于提供所述检测光束，所述光源60例如是脉冲激光器。

进一步地，所述物面光栅11可包括两个对称设置的一维光栅(在与投影物镜20垂直的平面上)，且两个所述一维光栅的栅格相互垂直。进一步地，所述像面光栅12可选用二维光栅(在与投影物镜平行和垂直的平面上)。通常，所述像面光栅12的尺寸较所述物面光栅11的尺寸要大，例如，所述像面光栅12的尺寸与所述物面光栅11的尺寸呈线性比例关系，该比例可为投影物镜的放大倍率值。另外，本发明实施例对所述物面光栅11和所述像面光栅12的占空比不作限定，实际应用时，物面光栅11和像面光栅12的占空比可均为50％。此外，采用一维光栅作为物面光栅11时，所述一维光栅的栅格数量也没有明确的限定，但一般采用具有至少四个透光栅格的一维光栅。

所述物面光栅11可设置于所述投影物镜20的上方，相应地，所述像面光栅12设置于所述投影物镜20的下方。具体地，所述投影物镜20的上方设置有第一基底70(例如掩模板)，所述第一基底70优选是透光率较高的材料，例如是石英玻璃。所述物面光栅11可形成于所述第一基底70的下表面上(即，所述第一基底70的下表面为物面)，所述第一基底70的下表面上具有遮光层(图中未示出)，该遮光层的透光率优选小于等于2％(可近似看成是能够遮挡所有光线)，例如遮光层可为铬层，所述遮光层遮盖所述物面光栅11以外的区域。所述投影物镜20的下方设置有第二基底80，所述第二基底80优选是透光率较高的材料，例如是石英玻璃。所述像面光栅12可形成于所述第二基底80的上表面上(即，所述第二基底80的上表面为像面)，所述第二基底80的上表面上具有遮光层(图中未示出)，所述遮光层的透光率优选小于等于2％(可近似看成是能够遮挡所有光线)，例如遮光层可以是铬层，所述遮光层遮盖所述像面光栅12以外的区域。

所述图像采集单元30设置于所述第二基底80的下方，如此，所述检测光束被所述物面光栅11和像面光栅衍射后形成的干涉条纹图像能够被所述图像采集单元30采集。类似于传统的波像差测量装置，所述图像采集单元30可为一块CMOS采集芯片，根据所述光源60提供的检测光束的波长(例如检测光束的波长为193nm或248nm)，所述CMOS采集芯片的上表面可涂覆有一荧光转换层(图中未示出)。该CMOS采集芯片设置于一图像采集板卡(图中未示出)上，所述图像采集板卡为驱动板卡以驱动所述CMOS采集芯片采集波像差测试图。进一步地，所述图像采集单元与所述第二基底80的下表面间存在一空气间隙，以便于所述图像采集单元30采集的图像是远场的像。

进一步地，所述波像差测量装置还包括一物方台(图中未标注)，所述物方台用于承载所述第一基底70，并能够带动所述第一基底70运动，从而改变所述物面光栅11相对于所述像面光栅12的位置，即通过所述物方台带动所述第一基底70运动，实现所述物面光栅11的移相步进，进而引入附加相位获得不同相移条件下的波像差测试图。

所述波像差测量装置还可包括一像方台(图中未标注)，所述像方台用于承载所述第二基底80，并可带动所述第二基底80运动。即，本实施例中也可以通过所述第二基底80的运动改变所述物面光栅11与所述像面光栅12的相对位置从而获得多幅波像差测试图。当然，所述物面光栅11和所述像面光栅12同时运动也可以达到相同的目的。

进一步地，本发明实施例还提供了一种光刻机，其包括本发明实施例提供的波像差测量装置，用于利用波像差测量装置测量投影物镜的波像差，从而提高光刻机的加工精度。

综上所述，本发明的一种波像差测量方法、波像差测量装置及光刻机，通过在波像差测量过程中采集各步移相时所述物面光栅11的实际相移量进而求解所述测量标记10的实际相移量，并依据该测量标记10的实际相移量与波像差测试图求算投影物镜的波前相位，并利用该波前相位计算投影物镜的波像差。本方法充分考虑测量标记10在移相过程中的移相偏差，并将该移相偏差代入公式求解波像差，进而提高了波像差的测量精度。

虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。