CN1655064A - 步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法 - Google Patents

Abstract

一种步进扫描投影光刻机中杂散光的原位检测方法。通过四个狭缝刀口的准确定位在物面(即掩模面)上限定一个光斑并通过投影物镜成像在工件台上，能量传感器测得光斑像中心处光强为I₀，依次完成M×N个光斑的测量，然后狭缝打开，测量上述测量点光强为I₁，杂散光系数由公式(I₁－I₀)/I₀计算，完成整个视场中杂散光测量，若杂散光超出曝光系统要求的指标，分析杂散光来源：利用特制掩模与两个狭缝刀口限定一光斑，此光斑经投影物镜成像，能量传感器测量像光斑内的光强分布，根据测得的光强分布分析杂散光是来自照明系统还是投影物镜。它解决现有方法均只能测量杂散光的大小，不能区分杂散光来源的技术问题，为采取消除杂散光措施提供了有效依据。

Description

步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法

技术领域

本发明涉及投影光刻机中一种杂散光的原位检测方法，特别涉及步进扫描投影光刻机中杂散光的原位检测方法。

背景技术

半导体技术的发展要求半导体元件的集成度越来越高，其电路图样越来越微细化。为提高光刻分辨率，光刻机的投影物镜已经成为衍射极限光学系统，这就对投影曝光的性能提出了很高的要求。众所周知，光学成像系统的像面通常不仅接收成像光线，也接收到了非成像光线，到达光学系统像面的非成像光线即为杂散光。杂散光的存在降低了成像对比度。杂散光主要是由镜头表面的粒子污染造成的。另外，尽管光学系统光路中透射元件大多镀有增透膜，但光束在透射面上的反射也在所难免。光线在投射面间多次反射也是产生杂散光的主要原因之一。在投影光刻机中，杂散光不仅会降低成像对比度，减小光刻的工艺容限，还会引起线宽(CD)的变化。杂散光的大小受投影光刻系统的结构、材料及污染等因素的影响很大。即使在同一投影光刻系统中，不同时刻的杂散光也会不同。因此，对投影光刻系统中的杂散光进行周期性的检测是非常必要的。

发明人J.Kirk提出了一种光刻系统中杂散光的检测方法(参见在先技术[1]，J.Kirk.“Scattered light in photolithographic lenses”，SPIE Vol.2197，p566-572，1994)。图1给出了在先技术[1]中使用的掩模图形。掩模图形由不透光区域pad与透光区域Clear组成。上述结构在掩模上形成阵列分布。杂散光系数由下式计算

Stray Light＝D_Clear/D_Pad                                       (1)

其中，D_Clear是清除透明区域Clear中的光刻胶所需要的曝光剂量，D_Pad是清除不透光区Pad内的光刻胶所需要的曝光剂量。此方法利用了测试掩模，在不同曝光剂量下对硅片曝光，然后利用显微镜观测显影后的硅片，确定D_Clear与D_Pad。然后由式(1)计算杂散光系数。发明人Yao等提出了利用线宽评价杂散光的方法(参见在先技术[2]，Yao，Teruyoshi，Hanyu，Isamu，Kirikoshi，Katsuyoshi.“Test photomask，flare evaluation method，and flare compensation method”，欧洲专利申请号：1,387,219A2)。此方法需要对硅片曝光显影，用显微镜测量掩模图形的线宽。在先技术[1]、[2]都是利用对硅片曝光的方法测量杂散光，因此测量精度会受到光刻胶工艺的影响。投影曝光系统的杂散光会随时间变化，为了保证光刻机运行在正常的状态，需要经常对其进行检测。在先技术[1]、[2]中的测量方法较为复杂，影响了光刻机的生产效率。另外，如果杂散光的大小超出了系统要求的指标，需要区分杂散光的来源，根据杂散光的来源，采取相应措施尽可能的消除杂散光，例如对光学镜头进行清洁，更换光学元件等。在先技术[1]、[2]均只能测量杂散光的大小，不能区分杂散光的来源，也就无法为有针对性地消除杂散光提供依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种步进扫描投影光刻机中杂散光的原位检测方法，主要解决现有方法均只能测量杂散光的大小，不能区分杂散光的来源的技术问题，与在先技术相比，本发明方法简单，容易操作，能够对曝光视场中任意一点来自物面不同区域的杂散光进行快速测量，可对杂散光的来源进行分析，为采取消除杂散光措施提供了有效的依据。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：通过四个狭缝刀口的准确定位在物面(即掩模面)上限定一个光斑，此光斑通过投影物镜成像在工件台上，工件台上的能量传感器测得此光斑像的中心处的光强为I₀，按照以上步骤依次完成M×N个光斑的测量，然后把狭缝打开，再次测量上述测量点的光强为I₁，杂散光系数由公式(I₁-I₀)/I₀计算，这样就完成了整个视场中杂散光的测量，如果杂散光超出曝光系统要求的指标，采用如下方法分析杂散光的来源：

利用特制掩模与两个狭缝刀口限定一个光斑，此光斑经过投影物镜成像，工件台上的能量传感器测量像光斑内的光强分布，根据测得的光强分布分析杂散光是来自照明系统，还是来自投影物镜。

也可利用两个狭缝刀口与特制掩模来限定光斑，完成M×N个点光强I₀测量后，移去掩模，把刀口打开到最大，再次测量上述测量点的光强I₁，根据公式(I₁-I₀)/I₀来计算的杂散光系数。

所述方法使用的系统包括：产生投影光束的光源、能够调整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统、掩模、能承载所述掩模并精确定位的掩模台、用于对所述掩模成像且其数值孔径可调节的投影物镜、能承载硅片并可精确定位的工件台和安置在工件台上的能量传感器；

所述的照明系统中主要包含下列元件：光束整形元件，匀光元件，四个可以精确定位且位于同一平面上的狭缝刀口，照明镜组，转折镜；

该狭缝刀口由位于同一平面上的四个刀口构成，每个刀口在伺服电机控制下能够精确定位；

该掩模中间开有一条窄缝，窄缝外的其它区域均不透光。

所说的光源是汞灯或准分子激光器。

所说的匀光元件是积分棒或蝇眼透镜或衍射光学元件。

所说的能量传感器是与光源的波长匹配的光电探测器。

所说的狭缝刀口为能够实现高精度移动的光阑。

所说的工件台、掩模台为能够纳米精度移动的平台。

本发明与在先技术相比，具有以下优点：

1、本发明的杂散光原位检测方法，利用狭缝刀口较大的行程范围与快速准确定位的特点，可以快捷地测量照明视场内任何一点的杂散光，与在先技术相比，提高了测量效率。

2、本发明可在狭缝刀口的行程范围内定义任意大小的光斑尺寸，测量来自照明视场内不同区域的杂散光。

3、本发明利用狭缝刀口与特制掩模配合的方法，不仅能够测量杂散光的大小，还可以检测光斑的光强分布。通过分析光斑的光强分布，可以区分杂散光的来源。根据杂散光的不同来源，采取相应的措施消除杂散光。

附图说明

图1是在先技术1中测试掩模上的图形。

图2是依据本发明使用的曝光装置结构示意图。

图3是刀口狭缝的结构示意图。

图4是本发明中所用特制掩模的结构示意图。

图5是本发明中工件台上杂散光测试光斑位置与分布示意图。

图6是系统成完善像时，测得的光斑光强分布。

图7是杂散光来源于投影物镜时，测得的光斑光强分布。

图8是杂散光来源于照明系统时，测得的光斑光强分布。

具体实施方式

本发明提供了一种步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，不仅能够测量杂散光的大小，而且可以分析杂散光的来源，为有针对性地采取消除杂散光措施提供了依据。所述方法使用的系统结构如图2所示，包括：产生投影光束的光源1；能够调整所述光源1发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统2；掩模3；能承载所述掩模3并精确定位的掩模台4；用于对所述掩模3成像且其数值孔径可调节的投影物镜5；能承载硅片并可精确定位的工件台7和安置在工件台7上的能量传感器6。

所述的照明系统2中主要包含下列元件：光束整形元件21，匀光元件23，四个可以精确定位且位于同一平面上的狭缝刀口24，照明镜组25，27，转折镜22，26等。

掩模台4与工件台7可以在水平面上精确定位，并能够高精度同步运动。同时，工件台7可以在垂向(Z向)精确移动，使硅片始终位于投影物镜5的焦平面内。由对准系统可以实现硅片与掩模对准。这样，掩模3的图案就可以精确的复制在硅片上的目标区域。位于工件台7上的能量传感器6用于检测工件台7上曝光视场内的光强，在本发明中用来原位检测杂散光。

图3是刀口狭缝的结构示意图。刀口狭缝由位于同一平面上的四个刀口(201，202，203，204)构成，每个刀口在伺服电机控制下能够精确定位。通过四个刀口的精确定位在掩模上限定照明光斑。为了对整个视场中的杂散光进行检测，四个刀口能够在照明视场中的任意位置确定照明光斑20。假设此曝光系统的最大曝光视场为x₀×y₀，照明镜组与投影物镜的放大倍率分别为M_i与M_p，此曝光视场所对应的狭缝大小为(x₀×y₀)/|M_i×M_p|。因此，要求刀口201与202的最大行程不小于y₀/|M_i×M_p|，刀口203与204的最大行程不小于x₀/|M_i×M_p|。

图4是本发明中所使用的特制掩模的结构示意图。掩模3中间开有一条窄缝30，窄缝外的其它区域均不透光。

所说的光源1可以是汞灯、准分子激光器等紫外、深紫外、极紫外光源。

所说的匀光元件23可以是积分棒、蝇眼透镜、衍射光学元件等具有匀光作用的光学元件。

所说的能量传感器6是与光源1的波长匹配的光电探测器。

所说的狭缝刀口为能够实现高精度移动的光阑。

所说的工件台、掩模台为能够纳米精度移动的平台。

如图2所示的结构，光源1发出的光束经所述照明系统2后照射在所述掩模3上。所述掩模3选择性地透过一部分光线，这部分光线经所述投影物镜5后在像方焦平面上形成一个光斑。工件台7上安装的能量传感器6测量所述光斑内的光强。

测量杂散光大小的具体方法如下：设置测试需要的系统参数，如投影物镜5的数值孔径，照明系统2的部分相干因子，以及光源1的脉冲频率与脉冲能量等；设置狭缝刀口24的位置，以限定掩模3上照明光斑的大小(此时不放置掩模，可以视为一个完全透明的掩模)；设置照明视场内测量点矩阵为N_x×N_y(N_x，N_y分别为照明视场内X，Y方向上的测量点个数)；光源1发出的光束经照明系统2后，照射到掩模3表面；光线经投影物镜5将掩模3上的光斑成像在投影物镜5的像方焦平面上；用能量传感器6测量像光斑中心处的光强I₀；改变狭缝刀口24位置来确定一系列测量点，依次测量各点上的光强为I₀；然后把狭缝开到最大，再次测量上述各点的光强I₁；杂散光系数可以根据公式(I₁-I₀)/I₀计算。如果不是把狭缝开到最大，而是打开到任意大小，这样可以测量曝光视场中来自照明视场中不同区域的杂散光。图5是本发明中工件台7上杂散光测试光斑分布示意图。图5(a)(b)(c)为第一、第二、第三个测量点的光斑位置。依次完成N_x×N_y个点[见图5(d)]的光强测量。在把狭缝开到最大，此时工件台7上得到如图5(e)所示的视场光强分布。这样就完成了杂散光大小的测量。如果杂散光的大小超出曝光系统要求的指标，则必须分析杂散光的来源，为有针对性地采取消除杂散光的方法提供依据。

分析杂散光来源的方法如下：设置测试需要的系统参数，如投影物镜5的数值孔径，照明系统2的部分相干因子，以及光源1的脉冲频率与脉冲能量等；放入所述的掩模3；设置所述的狭缝刀口24的位置，狭缝刀口203、204与所述掩模3共同限定一个光斑，掩模上光斑的尺寸为A×B(A，B分别为光斑在X，Y方向上的宽度)；将光源1发出的光束经照明系统2后，照射掩模3表面；光线经过所述的投影物镜5将把掩模上的光斑成像在投影物镜5的像方焦平面上，像光斑的尺寸为(A/M_p)×(B/M_p)；用工件台7上的能量传感器6在XY平面内扫描光斑，得到光斑内的光强分布；最后根据所测得的强度分布，来分析杂散光的来源。如果是没有任何杂散光的理想系统，形成的完善像是一个边界非常明晰的光斑分布图，如图6(a)所示。此时，光斑在平行于X、Y轴方向的光强曲线，如图6(b)与(c)所示。如果杂散光是由于投影物镜的污染或其它杂散光源造成的，则形成如图7(a)所示的光斑分布，平行于X、Y轴方向的光强曲线如图7(b)与(c)所示。如果杂散光是由于照明系统中镜头的污染或其他杂散光源引起的，则形成图8(a)所示的光斑分布图，所对应的光强曲线如图8(b)与(c)所示。另外，利用特制掩模与狭缝刀口相结合的方法，也能够完成杂散光大小的测量，原理与上述杂散光大小的测量相同。只是利用两个刀口与特制掩模来限定光斑，完成M×N个点光强I₀测量后，移去掩模，把刀口打开到最大，再次测量上述测量点的光强I₁。根据公式(I₁-I₀)/I₀来计算的杂散光系数。

上述杂散光大小的测量方法与杂散光来源的分析方法除结合使用外，也可以单独使用。例如，如果测得的杂散光大小并不超标，光刻机能够正常运行，可以不用分析杂散光的来源。也可以单独使用分析杂散光来源的方法，直接查找杂散光的来源，由此采取相应的消除杂散光的措施。

以下通过一具体实施例阐述本发明方法：

如图2所示，光源1采用波长为248nm的准分子激光器。光源1发出的激光光束经照明系统2后照射在掩模3上。掩模3的结构如图4所示。利用掩模3、狭缝刀口203与204限定掩模面的通光窗口。掩模3透过的光线经投影物镜5后在像方焦平面上形成一个光斑。能量传感器6为Ophir光电探测器。照明镜组与投影物镜5的放大倍率M_i与M_p分别为-4与-1/4。掩模3中间开一条平行于X轴的窄缝30，窄缝宽度为4mm。为配合特制掩模运动，狭缝刀口203，204在X方向移动，两刀口构成宽度为1mm的窄缝，窄缝平行于y轴向。刀口窄缝与掩模上的窄缝迭加，在工件台7的曝光场中形成1mm×1mm大小的照明光斑，如图5所示。利用能量传感器6记录各测量矩阵点的光强I₀。然后把狭缝开到最大，移去掩模，再次测量每个点的光强I₁。杂散光系数由公式(I₁-I₀)/I₀算出。

能量传感器6在上述1mm×1mm的光斑内扫描，测得光斑内的光强分布。然后分析光斑在平行于X轴、Y轴方向的强度分布。如果理想系统，没有任何杂散光，则形成的完善像是一个边界非常明晰的光斑图像，如图6(a)所示，所对应的两条光强曲线，如图6(b)与(c)所示。如果杂散光是由于投影物镜的污染等原因造成的，则形成如图7(a)所示的光强分布图，所对应的两条光强曲线如图7(b)与(c)所示。如果杂散光是由于照明系统中镜头的污染等原因造成的，则形成图8(a)所示的光斑图像，所对应的光强曲线如图8(b)与(c)所示。此时图6、8、9中的物理量A、B大小为4mm，|Mp|为1/4，因此，光斑的大小为1mm×1mm。根据对光斑强度分布的测量，可以分析杂散光的来源，为采取消除杂散光措施提供依据。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1、一种步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：通过四个狭缝刀口的准确定位在物面(即掩模面)上限定一个光斑，此光斑通过投影物镜成像在工件台上，工件台上的能量传感器测得此光斑像的中心处的光强为I₀，按照以上步骤依次完成M×N个光斑的测量，然后把狭缝打开，再次测量上述测量点的光强为I₁，杂散光系数由公式(I₁-I₀)/I₀计算，这样就完成了整个视场中杂散光的测量，如果杂散光超出曝光系统要求的指标，采用如下方法分析杂散光的来源：

利用特制掩模与两个狭缝刀口限定一个光斑，此光斑经过投影物镜成像，工件台上的能量传感器测量像光斑内的光强分布，根据测得的光强分布分析杂散光是来自照明系统，还是来自投影物镜。

2、根据权利要求1所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：杂散光的测量中利用两个狭缝刀口与特制掩模来限定光斑，完成M×N个点光强I₀测量后，移去掩模，把刀口打开到最大，再次测量上述测量点的光强I₁，根据公式(I₁-I₀)/I₀来计算的杂散光系数。

3、根据权利要求1或2所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：所述方法使用的系统包括：产生投影光束的光源(1)、能够调整所述光源(1)发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统(2)、掩模(3)、能承载所述掩模(3)并精确定位的掩模台(4)、用于对所述掩模(3)成像且其数值孔径可调节的投影物镜(5)、能承载硅片并可精确定位的工件台(7)和安置在工件台(7)上的能量传感器(6)；

所述的照明系统(2)中主要包含下列元件：光束整形元件(21)，匀光元件(23)，四个可以精确定位且位于同一平面上的狭缝刀口(24)，照明镜组(25，27)，转折镜(22，26)；

该狭缝刀口(24)由位于同一平面上的四个刀口(201，202，203，204)构成，每个刀口在伺服电机控制下能够精确定位；

该掩模(3)中间开有一条窄缝(30)，窄缝(30)外的其它区域均不透光。

4、根据权利要求3所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：所说的光源(1)是汞灯或准分子激光器。

5、根据权利要求3所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：所说的匀光元件(23)是积分棒或蝇眼透镜或衍射光学元件。

6、根据权利要求3所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：所说的能量传感器(6)是与光源(1)的波长匹配的光电探测器。

7、根据权利要求3所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：所说的狭缝刀口(24)为能够实现高精度移动的光阑。

8、根据权利要求3所述的步进扫描投影光刻机中的杂散光原位检测方法，其特征在于：所说的工件台(7)、掩模台(4)为能够纳米精度移动的平台。

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