TW201629636A - 具有波前量測裝置與光學波前操縱器的投影曝光裝置 - Google Patents

具有波前量測裝置與光學波前操縱器的投影曝光裝置 Download PDF

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Abstract

用於量測用於微影的投影透鏡(12)中之波前的波前量測裝置，包含一Moiré光柵設置(14)，其具有設計為分別設置於該投影透鏡(12)之物件平面(20)與像平面(22)上的物件光柵(16)與像光柵(18)，其中該物件光柵(16)與該像光柵(18)係以從該物件光柵(16)之成像(24)產生Moiré疊紋到該像平面(22)與該像光柵(18)上的方式以真實比例的方式彼此協調，其中該Moiré光柵設置(14)係以針對該物件平面(20)上物件場(26)與/或該像平面(22)上像場(28)之複數場點同時產生該Moiré疊紋的方式設計。

Description

具有波前量測裝置與光學波前操縱器的投影曝光裝置
本發明係關於一種投影曝光裝置，具有投影透鏡；波前量測裝置，其用於量測該投影透鏡中之波前；以及波前操縱器，其用於操縱該波前，該波前量測裝置包含一Moiré光柵設置，其具有設計為分別設置於該投影透鏡之物件平面與像平面上的物件光柵與像光柵，其中該物件光柵與該像光柵係以從該物件光柵之成像產生Moiré疊紋(superimposition pattern)到該像平面與該像光柵上的方式以真實比例的方式彼此協調。
從DE 10 2005 026 628 A1已習知一種波前量測裝置。
波前量測裝置在用於微影的投影曝光裝置中使用。微影是半導體與微系統工程中心技術之一，用於製造積體電路、半導體元件及其他電子產品。微影之基本概念在於藉助一個或複數個曝光製程將預定結構轉移到基板(例如矽晶圓)。前述預定結構通常包含形成於倍縮光罩(亦習知為光罩或圖罩)上的微米與/或奈米結構。該基板(晶圓)塗佈有光敏材料(光阻)。在曝光過程中，曝光光經由該倍縮光罩引導到投影透鏡，其中該曝光光在通過該投影透鏡後，最後到達基板作用於該光敏材料上。在後續顯影步驟中，基板以溶劑處理，使得在處理後，僅對應於倍縮光罩之預定結構的基板表面區域被光敏材料覆蓋；或反之，使得此類區域變得無覆蓋。最 後，再以蝕刻溶液去除該基板表面之無光阻區域的蝕刻步驟中，倍縮光罩之預定結構轉移到基板。
在半導體工程中，認為實現具有最小可能尺寸的結構至關重要，以增加單位面積上可積體的電路與/或半導體元件之數量，從而提升半導體元件之性能。可以微影方式實現的結構尺寸直接依投影透鏡之解析度能力而定，其中投影透鏡之解析度能力和曝光光之波長成反比。因此，使用來自光譜短波範圍的電磁輻射作為曝光光具優勢。如今，可能使用紫外(ultraviolets，UV)光、特別是真空紫外(vacuum ultraviolet，VUV)光作為具有193nm(奈米)波長的曝光光。此外，先前技術亦揭示使用具有約7nm或13.5nm波長的極紫外(extreme ultraviolet，EUV)光作為曝光光的微影系統。注意到用語「微影」應作廣義理解，且一般來說不僅關於小於1mm(公釐)範圍、亦關於小於1μm(微米)範圍的結構大小。特別是，微影甚至涵蓋在奈米範圍內的結構大小。
不過，使用UV、VUV及EUV光通常會導致光學成像像差，這可歸因於例如在投影透鏡中的光學元件之發熱。因此，該發熱與該曝光光之光能量和其波長成反比的事實相關聯。所以，光學元件在使用具有短波長的光時藉由高發熱輸入承載，從而導致前述光學元件之光學性質受損，例如光學元件之折射率、反射係數或透射係數。由此造成的成像像差包括球面像差、像散、彗形像差、像場彎曲及變形等單色成像像差。橫向色像差和縱向色像差等色成像像差，亦可由於此類過熱結果而出現。
在新穎微影製程中，為了提高解析度，通常需要執行複數個連續曝光製程。在此種情況下，對曝光品質而言，連續曝光製程之曝光結構關於彼此高度準確對準至關重要。這伴隨著側向結構定位所要求準確度的提高。
再者，重要的是投影透鏡之像平面與光阻盡可能準確對準，以抵消遠心度誤差，舉例來說於其中曝光位置在光傳播方向上變化。遠心 度誤差不可避免會導致對曝光準確度具有不良影響的側向像位置變化。
除了前述所提及原因之外，塗佈有光阻的半導體基板表面之不平整亦會導致成像品質受損。這通常會涉及藉由旋轉塗佈所施加的光阻，其具有由於施加製程的不均勻厚度。為了補償此類不均勻性之影響，必須準確調適投影透鏡對基板表面之焦點位置。
在此背景下，光學波前操縱器用於操縱曝光光之波前，從而影響像差之校正。舉例來說，從DE 10 2013 204 391 B3已習知一種光學波前操縱器，前述光學波前操縱器具有表面形狀與/或折射率分布可逆向變化的操縱器表面。因此，用於動態影響曝光光線之波前的波前操縱為可行。光學波前操縱器之另一範例包含複數可移動正負(positive-negative)非球面。再者，先前技術揭示具有鏡面反射鏡的光學波前操縱器，該鏡面反射鏡包含複數鏡面，其在各種情況下均可沿著至少一個空間方向藉由致動器系統移動及/或可繞著至少一個軸傾斜。
為使光學波前操縱器能以微影所要求的高可靠度作用，可靠的量測波前非常重要。基於所量測到的波前，光學波前操縱器係對應設定以實現所需像差校正。先前技術揭示一種適合決定遠心度、變形、彗形像差及/或像殼(image shell)像差的干涉波前量測方法。而且，已習知在引言中所提及類型之Moiré光柵設置可用於決定遠心度誤差。
不過，從先前技術已習知的波前量測裝置受到波長量測耗時的缺點影響。結果使得生產量損失提高，且曝光效率降低。而且，成像像差無法及時確定，因此光學波前操縱器之設定誤差無法近乎瞬間或完全消除。
因此，本發明之目的之一為開發一種在上述中所提及類型之投影曝光裝置，能達成使波前量測速度加快且生產量損失降低的效果，並 具有至少維持相同的量測準確度以能實現可靠同時有效的波前操縱。
根據本發明一實施例，此目的係藉由如申請專利範圍第1項之投影曝光裝置而達成。
根據本發明的投影曝光裝置之波前量測裝置，可和將位於物件平面中倍縮光罩上的結構成像到像平面中光阻塗佈基板表面上的微影投影透鏡進行交互作用。憑藉物件光柵設置於物件平面上且像光柵設置於像平面上，該物件光柵可由投影透鏡成像到該像平面上。物件光柵之所得成像稱為空中影像，並和同樣位於像平面上且作為該空中影像之參考光柵的像光柵重疊。由於物件光柵與像光柵以真實比例(true to scale)的方式彼此協調，因此空中影像除了可能的成像像差之外，亦以真實比例的方式與像光柵協調。空中影像與像光柵之重疊會產生依投影透鏡之光學性質而定的Moiré疊紋。具體而言，這意指和投影透鏡之光學性質相關聯的所有成像像差均轉移到該所得Moiré疊紋。投影透鏡之成像像差可藉由後續Moiré疊紋之偵測及/或分析而推斷。
在此種情況下，可能針對物件場與/或像場之至少兩個場點產生Moiré疊紋。所以，根據本發明的波前量測裝置使得可能在物件場與/或像場之複數場點處同時執行波前量測。
具優勢地，藉助波前量測裝置，由於量測並非在不同時間在各個別波點處執行，因此波前可以Moiré技術固有的高準確度同時高效進行量測。結果在曝光中的生產量損失降低。由於波前量測通常會在曝光暫停時進行，因此可縮短曝光暫停持續時間。
再者，根據本發明的投影曝光裝置之波前量測裝置對於波前之近場操縱具優勢，因為該光學波前操縱器可基於所偵測到Moiré疊紋在投影透鏡中有效進行控制或調節。由於Moiré技術之簡單性和穩定性，因此本發明對於簡化可靠的波前操縱特別具優勢。
又，該波前操縱器為閉迴路操作。
在本發明之範疇內，波前量測裝置可配置成僅量測波前之一部分，尤其是Zernike多項式之較低階數與特別是變形及/或散焦，而非整個波前或較高階數Zernike多項式，如同干涉波前量測裝置的情況。
在一個較佳配置中，複數場點為物件場與/或像場之有限數量之界定場點。
界定場點之數量可盡可能地多。此措施使波前量測能同時在投影透鏡之大部分或甚至整個物件與/或像場上方進行。具優勢地，藉助單一波前量測，可能針對該整個物件與/或像場推知投影透鏡之成像像差。
在另一較佳配置中，該物件光柵之成像與/或該像光柵可繞著關於投影透鏡之光軸的角度旋轉。
此措施實現空中影像之光柵定向(orientation)和像光柵之光柵定向之間角度之設定，其中物件光柵與/或投影透鏡可為此目的而相對於像光柵旋轉。相對於像光柵對應旋轉的空中影像依旋轉角度而出現。藉助以針對性方式設定的旋轉角度，成像像差可具優勢地基於所產生Moiré疊紋對於其旋轉對稱性進行檢驗。
在另一較佳配置中，該所產生Moiré疊紋由於物件光柵之成像之至少部分相干(coherent)重疊到具有像光柵的像平面上結果而出現。
此措施使得可能執行波前量測而在波前量測上無任何品質損失，甚至在物件光柵和像光柵之間部分不相干之情況下亦然。具優勢地，波前量測之穩定性與和其相關聯的可靠度提高。
在另一較佳配置中，該Moiré光柵設置具有繞射光柵，其中物件光柵之成像具有該繞射光柵所產生繞射之至少兩個不同階數之干涉。
此措施考慮在曝光製程中所發生且影響成像品質的繞射效應。具優勢地，繞射效應所相關的投影透鏡之那些成像像差由此可以Moiré疊紋的形式「儲存」。
在另一較佳配置中，該物件光柵與/或該像光柵具有「徑向 (radically)」延伸的複數光柵線。
徑向延伸的光柵線用於產生Moiré反差影像(contrast image)。此措施具優勢地實現結構解析度能力特別高的波前量測。
在另一較佳配置中，該物件光柵與/或該像光柵具有附帶交替單體定向(cell orientation)的複數光柵單體。
藉助該交替單體定向，在關於投影透鏡之光軸橫向延伸的平面上具有方向相關性的投影透鏡之光學性質，可隨之在所產生Moiré疊紋中列入考慮。所以，較佳為藉助光柵單體之單體定向之選擇，和前述投影透鏡之方向相關光學性質相關聯的不同成像像差可以簡單方式列入考慮。
在另一較佳配置中，該物件光柵與/或該像光柵之光柵結構具有週期性線性與/或週期性二維光柵結構。
藉助該週期性光柵結構，投影透鏡之成像像差、特別是變形在對應於波前量測之具優勢所提高靈敏度的Moiré疊紋上，變得特別明顯可見。借助於該線性與/或二維光柵結構，成像像差可在Moiré疊紋中視需要偵測到。
在另一較佳配置中，該波前量測裝置包含一評估單元，其用於偵測所產生Moiré疊紋以從前述圖案決定投影透鏡之成像像差。
此措施使得可能從所產生Moiré疊紋推斷投影透鏡之成像像差(例如變形)。具優勢地，決定成像像差特別簡單有效。
在另一較佳配置中，該評估單元設計為決定所產生Moiré疊紋之反差(contrast)影像、強度分布、相位分布、像場彎曲、像散及/或變形。
藉助於此措施，根據本發明的投影曝光裝置之波前量測裝置能對於其成像像差執行投影透鏡之定量檢驗。此具優勢地實現對於投影透鏡特別可靠的像差校正，或對於光學波前操縱器特別可靠的設定校正。
在另一較佳配置中，該波前量測裝置包含一螢光體元件，其直接布置於像光柵下游。
該螢光體元件用於光學放大所產生Moiré疊紋。具優勢地，因此可偵測到Moiré疊紋的準確度提高，使得波前量測結果特別可靠。
在另一較佳配置中，該波前量測裝置包含一散焦(defocus)系統，其用於散焦物件光柵之成像及/或用於散焦像光柵。
藉助根據本發明實施例的散焦系統，空中影像與/或像光柵之散焦可以針對性方式實現，使得平常難以藉由投影透鏡偵測到的成像像差(例如像場彎曲與/或固有散焦)具優勢地列入考慮。
在另一較佳配置中，該波前具有在Zernike階數Z2、Z3、Z4、Z5及Z6之至少一者中的像差。
在微影中使用Zernike階數(或Zernike係數)描繪像差之特性，其中像差之複雜度隨著Zernike階數提高。同時已習知低Zernike階數之像差比較高Zernike階數之像差更不穩定且更易受波動影響。由於所使用Moiré技術之快速性，儘管投影透鏡之成像像差不穩定或易受波動影響，本發明仍具優勢地實現可靠的波前量測。
在另一較佳配置中，該波前量測裝置係以藉助場解析焦點錯開(field-resolved focus stagger)量測與/或干涉量測，量測具有在Z2、Z3、Z4、Z5及Z6之至少一個Zernike階數中的像差之波前的方式設計。
此措施實現用於波前量測的結合量測技術。具優勢地，場解析焦點錯開量測與/或干涉量測之優點可由前述所提及Moiré技術之更多優點補足。
投影透鏡根據前述所說明一種或多種配置和波前量測裝置交互作用，並/或包含該波前量測裝置。投影透鏡可在投影曝光裝置中、特別是在UV與/或EUV微影中使用，較佳為可整合入前述裝置。
用於操縱投影透鏡中之波前的光學波前操縱器係以該光學波前操縱器可基於波前量測裝置之至少一個量測結果進行控制的方式，根據前述所說明一種或多種配置和該波前量測裝置交互作用。
波前操縱器可設置於投影透鏡內的中間影像中，或此類中間影像附近。
根據本發明的投影曝光裝置根據前述所說明一種或多種配置包含一光學波前操縱器與一波前量測裝置，其中該波前操縱器基於光學波前操縱器和該波前量測裝置之交互作用，校正投影透鏡中之波前以最佳化該投影透鏡之成像性能。
一種根據本發明用於操作投影曝光裝置的方法包含遞迴地最佳化光學波前操縱器之設定，其中該投影曝光裝置根據前述所說明一種或多種配置包含該光學波前操縱器與該波前量測裝置，其中遞迴地最佳化包含下列方法步驟：藉助波前量測裝置量測波前；評估該波前量測結果；以及基於該評估設定光學波前操縱器。
如此，波前量測裝置用作原位(in-situ)量測技術，較佳為在其操作過程中，和光學波前操縱器交互作用監測及最佳化投影透鏡之成像性能。舉例來說，結果校正了歸因於位於投影透鏡中透鏡元件之發熱的波前像差。具優勢地，投影透鏡之成像像差特別快速地偵測到及進行校正。
操縱波前較佳為在閉迴路中進行。
更多優點與特徵應可從下列說明與所附圖式變得顯而易見。
不言而喻，前述所提及特徵與下文尚待解說者不僅可在分別指示的結合中使用，亦可在其他結合中或藉由其自身使用，而不悖離本發明之範疇。
10a、10b‧‧‧波前量測裝置
12‧‧‧投影透鏡
14‧‧‧Moiré光柵設置；Moiré疊紋
16‧‧‧物件光柵
18‧‧‧像光柵
18d‧‧‧週期性一維像光柵
20‧‧‧物件平面
22‧‧‧像平面
24‧‧‧成像；空中影像
24a-c、24d‧‧‧空中影像
26‧‧‧物件場
28、28a-c‧‧‧像場
30‧‧‧光軸；軸
32‧‧‧評估單元
34‧‧‧偵測光學單元
36‧‧‧第一透鏡元件
38‧‧‧反射鏡
40‧‧‧第二透鏡元件
42‧‧‧攝影機
44‧‧‧螢光體元件
46‧‧‧控制單元
48‧‧‧光學波前操縱器；波前操縱器；操縱器
50a‧‧‧物件側透鏡元件
50b‧‧‧像側透鏡元件
52‧‧‧光闌
54‧‧‧光源；來源
56‧‧‧準直儀
58‧‧‧照明單元
60‧‧‧角度
62‧‧‧雙十字形
64‧‧‧光柵單體
100‧‧‧投影曝光裝置
106‧‧‧倍縮光罩
110‧‧‧微影步進機或掃描儀
112‧‧‧基板或晶圓
116‧‧‧晶圓台
118、120‧‧‧透鏡
124‧‧‧控制器或致動器
O‧‧‧原點
本發明之示例性具體實施例在所附圖式中例示出，並加以參考在下文中進行說明。在圖示中：圖1根據一個示例性具體實施例，顯示波前量測裝置之示意例示圖； 圖2A-C根據另一示例性具體實施例，顯示Moiré疊紋之示意例示圖；圖3根據另一示例性具體實施例，顯示在投影曝光裝置中的波前量測裝置之示意經向截面；圖4根據另一示例性具體實施例，顯示Moiré光柵設置之示意例示圖；圖5根據另一示例性具體實施例，顯示Moiré光柵設置之光柵結構之示意例示圖；圖6A根據另一示例性具體實施例，顯示Moiré光柵設置之光柵結構之示意例示圖；圖6B顯示和圖6A之Moiré光柵設置相關聯的Moiré疊紋之示意例示圖；圖7A-C根據具有整合散焦的另一示例性具體實施例，顯示Moiré疊紋之示意例示圖；圖8根據在波前之非旋轉對稱像差之情況下的另一示例性具體實施例，顯示複數Moiré疊紋之示意例示圖；圖9A-B根據另一示例性具體實施例，顯示具有線性光柵結構的Moiré光柵設置之Moiré疊紋之示意例示圖；圖9C根據另一示例性具體實施例，顯示具有二維光柵結構的Moiré光柵設置之Moiré疊紋之示意例示圖；圖10A-B根據另一示例性具體實施例，顯示具有二維光柵結構的Moiré光柵設置之Moiré疊紋之示意例示圖，其中物件光柵相對於像光柵旋轉；以及圖11顯示投影曝光裝置之示意圖式。
首先參照圖11將會說明投影曝光裝置100，例如微影步進機或掃描儀。
該投影曝光裝置包含一光源54，其用於產生例如在UV、VUV或EUV光譜範圍內的照明光；以及一照明單元58。照明單元58將來自光源54的光，引導到設置於投影透鏡12之物件平面20上的倍縮光罩106。倍縮光罩106包含一精細結構圖案，其藉由投影透鏡12成像到設置於像平面22中的基板或晶圓112上，藉此以來自來源54的光曝光該晶圓。晶圓112支撐在晶圓台116上。投影透鏡12包含像是透鏡與/或反射鏡的複數光學元件，其中示例性顯示兩個透鏡118與120。應可理解在投影透鏡12中光學元件之數量在運用上為兩個以上。在圖11中進一步顯示波前操縱器48，其用於操縱投影透鏡12中之波前以最佳化投影透鏡12之成像品質。控制器或致動器124控制或致動操縱器48。操縱器48可包含一個或多個光學元件，其可在光軸30之方向上位移，並/或垂直軸30。操縱器48之其他範例包括可變形光學元件與/或可加熱/冷卻以操縱波前的光學元件。
在下文中，將會說明投影曝光裝置100之更多態樣，特別是在可和波前操縱器48交互作用的投影曝光裝置100中使用的波前量測裝置之具體實施例。
圖1在非真實比例的高度示意例示圖中，顯示一般會和參考標記10a一起提供的波前量測裝置。波前量測裝置10a用於量測投影透鏡12中之波前，並包含一Moiré光柵設置14，其具有物件光柵16與像光柵18。物件光柵16設置於投影透鏡12之物件平面20上，其中像光柵18設置於投影透鏡12之像平面22上。
如圖1所示，光線(例示性顯示為箭頭)在到達像平面22上的像光柵18前，通過物件光柵16與投影透鏡12。在此種情況下，物件光柵16係由投影透鏡12成像到像平面22上成為空中影像24(以虛線例示性顯示)。不言而喻，該等光線為高度示意性例示，並非以真實比例的方式。再者，不 言而喻，此處所示空中影像24同樣為高度示意性。
在此處所示的示例性具體實施例中，物件光柵16與像光柵18皆為具有由分別相對於物件平面20與像平面22傾斜延伸之複數線組成的光柵結構。物件光柵16與像光柵18係以真實比例的方式彼此協調。這意指物件光柵16之光柵結構與像光柵18之光柵結構僅在其比例上彼此不同，使得物件光柵16之空中影像24和在像平面22上的像光柵18重疊以形成Moiré疊紋。
在物件平面20上，物件光柵16界定出物件場26，其中像光柵18在像平面22上界定出像場28。應注意投影透鏡12、物件平面20、像平面22、物件場26及像場28係例示為虛線，以清楚表示這些組件與平面並非波前量測裝置10a之結構件，而是僅和後者交互作用。
物件場26與像場28皆具有複數場點(field point)，各場點均分配通過物件光柵16、投影透鏡12及/或像光柵18的光之至少一個波前。再者，Moiré光柵設置14係以波前量測可在物件場26與/或像場28之複數、較佳為大量之界定場點處同時執行的方式設計。這憑藉Moiré疊紋係針對物件場26與/或像場28之至少兩個場點、較佳為大量之場點同時產生的事實而進行。借助於因此所產生的Moiré疊紋，可得出關於投影透鏡12之光學性質的結論，以(如適用)確定投影透鏡12之成像像差或實行校正措施。
圖2顯示由於空中影像24a-c和像場28a-c之重疊結果，因此分別出現的三種示例性Moiré疊紋。
在圖2A中，空中影像24a與像場28a在各種情況下均具有實質上週期性光柵結構，其中該等兩個光柵結構關於圖1所示投影透鏡12之光軸30相對於彼此稍微旋轉。如在圖2A中顯而易見，設置於兩個暗細長條紋之間形式為明亮細長條紋的Moiré疊紋，由空中影像24a和像場28a之重疊引起。條紋之縱向實質上分別垂直空中影像24a與像場28a之光柵線定向。此類Moiré疊紋指稱為旋轉Moiré。
圖2B顯示指稱為比例Moiré的另一Moiré疊紋。空中影像24b與像場28b之光柵結構之週期彼此略有不同。換言之，空中影像24b與像場28b之光柵結構具有不同「比例」，其中該等光柵結構並未相對於彼此旋轉。所得Moiré疊紋具有實質上平行光柵線且在亮暗之間變換的複數條紋。
在圖2C中，空中影像24c與像場28c之光柵結構並未相對於彼此旋轉，亦沒有不同的週期。所得Moiré疊紋對照圖2A、B所示範例，沒有條紋在亮暗之間變換。這涉及均勻或規則的Moiré疊紋，其強度(特別是隨時間)可改變或調整。為此目的，兩個光柵之一在垂直光柵線的方向上、特別是側向位移。
圖2A-C所示範例對關於可產生之所有Moiré疊紋的完整性不作任何主張，並僅用於示意性闡明本發明。依所產生Moiré疊紋而定，可能確認投影透鏡12是否偏離所需功能及到何種程度，使得在投影透鏡12之成像性質之設定上的改變可以針對性方式實現。
圖3顯示在投影曝光裝置100中使用的波前量測裝置10b之另一示例性具體實施例，其中除了圖1所示組件之外，包含一評估單元32，其用於偵測所產生Moiré疊紋。在此處所示的示例性具體實施例中，評估單元32包含一偵測光學單元34，其包含一第一透鏡元件36、一反射鏡38及一第二透鏡元件40；以及還有一攝影機42。評估單元32沿著投影透鏡12之光軸30布置於Moiré光柵設置14下游。在此種情況下，在光傳播方向上，反射鏡38布置於第一透鏡元件36下游，第二透鏡元件40布置於反射鏡38下游，且攝影機42布置於第二透鏡元件40下游。評估裝置32用於從所產生Moiré疊紋決定投影透鏡12之成像像差。在所示的示例性具體實施例中，再者，螢光體元件44、特別是螢光體層設置於Moiré光柵設置14和估計單元32之間。螢光體元件44用於光學放大所產生Moiré疊紋，使得後者可由評估單元32偵測到具有適用於微影的影像品質。
不言而喻，圖3所示評估單元32與螢光體元件44僅代表波前 量測裝置10b之許多可能配置之一。舉例來說，根據另一示例性具體實施例的評估單元32可具有不同數量之光學元件(透鏡元件、反射鏡、稜鏡等)。評估單元32之光學組件之設置亦可依示例性具體實施例而變化。根據另一示例性具體實施例，亦可使用不同的發光元件(例如磷光層)代替螢光體元件。
攝影機42藉助例示為虛線的線，在發信號方面係經由控制單元46連接到光學波前操縱器48。如由評估單元32決定的投影透鏡12之成像像差，係由基於所決定成像像差產生對應控制信號且傳送到光學波前操縱器48的控制單元46接收。所以，波前量測裝置10b能基於波前量測結果改變光學波前操縱器48之設定，使得成像像差抵消。根據另一示例性具體實施例，攝影機42包含一電荷耦合元件(CCD)攝影機，其中同樣可想像其他類型之攝影機或光電偵測器(例如互補金氧半導體(CMOS)光偵測器、光電二極體及/或光電晶體)。波前操縱器48可以閉迴路進行操作或控制。
光學波前操縱器48與波前量測裝置10b可在微影步進機或掃描儀110中提供，其中波前操縱器48基於光學波前操縱器48和波前量測裝置10b之交互作用，校正投影透鏡12中之波前以最佳化投影透鏡12之成像性能。特別是，波前操縱器48可設置於投影透鏡12之中間影像中或中間影像附近。
根據另一示例性具體實施例，在光學波前操縱器48之設定上的改變借助於波前量測裝置10b遞迴地執行。這意指每次遞迴均影響到波前量測，其結果後續由評估單元進行評估，其中控制單元46基於該評估結果將對應控制信號傳送到光學波前操縱器48。此遞迴程序可執行直到光學波前操縱器48獲取所需設定，且投影透鏡12達到所需成像品質。
投影透鏡12除了光學波前操縱器48之外包含更多光學元件，其中為了簡化，此處僅顯示設置於物件側透鏡元件50a和像側透鏡元件50b之間的物件側透鏡元件50a、像側透鏡元件50b及一個光闌(stop)52。不言而喻，投影透鏡12之光學元件之數量與/或設置可依示例性具體實施例而變 化。在所示的示例性具體實施例中，光學波前操縱器48接近物件場20設置，然而這對於本發明不應理解為限制性。原則上，亦可想像光學波前操縱器48之設置接近像場22或在投影透鏡12之中間影像中。
在特別是包含投影透鏡12的投影曝光裝置100之微影系統之操作過程中，分別設置於物件平面20與像平面22上的倍縮光罩106與基板112在圖3與圖1中未顯示。應注意Moiré光柵設置14可在倍縮光罩與/或基板併入投影曝光裝置的情況下及在相反情況下皆用於波前量測。
在此處所示的示例性具體實施例中，進入的光線從光源54出射，並在光線到達物件光柵16前藉助準直儀56瞄準。準直儀56為照明光學單元58之一部分，其中此處所示照明光學單元58僅為舉例。
圖4顯示Moiré光柵設置14之另一示例性具體實施例，其中物件光柵16之光柵定向可相對於像光柵18之光柵定向旋轉關於投影透鏡12之光軸30的角度60。物件光柵16之光柵定向在圖4中係由二維笛卡爾(Cartesian)坐標系統中的x與y軸例示性表示，其中投影透鏡12之光軸30垂直x軸與y軸所延展平面延伸通過原點O。像光柵18之光柵定向係由第二二維笛卡爾系統中的x'與y'軸例示性表示，相對於第一笛卡爾系統旋轉關於原點O的角度60，其中首先x軸相對於x'軸旋轉，其次y軸相對於y'軸旋轉。
根據一個示例性具體實施例，角度60可以1°、0.1°及/或0.01°之準確度設定。根據另一示例性具體實施例，自動角度設定在前述所提及的遞迴設定改變程序中整合，使得每次遞迴均執行不僅一次而是複數次連續Moiré量測，其中角度60增加及/或減少介於相鄰Moiré量測之間的可預設增量。根據另一示例性具體實施例，角度60的增量為15°之整數倍，較佳為45°、60°、90°或180°。
圖5顯示另一Moiré疊紋，其中物件光柵16與/或像光柵18具有複數矩形光柵段，其短邊沿著兩個同心圓排列。所以，物件光柵16與/或像光柵18具有切向延伸的線形光柵線。如圖2B所示，Moiré疊紋由於兩個線 形光柵之光柵週期皆稍微失調(detuning)結果而出現。數量級在亞毫米與/或微米範圍內的成像像差可列入考慮。在此處所示的示例性具體實施例中，物件光柵16與/或像光柵18附加配備複數雙十字形62，其用於物件光柵16和像光柵18之間的相對對準。
圖6A顯示Moiré光柵設置14之另一示例性具體實施例，其中物件光柵16與/或像光柵18具有附帶交替單體定向的複數光柵單體64。在此處所示的示例性具體實施例中，各光柵單體64均具有在亮暗之間變換的複數垂直或水平條紋。該單體定向在相鄰光柵單體64之間從垂直變換到水平，或從水平變換到垂直。對應的Moiré疊紋在圖6B中顯示，其中可看出由十字形與相加重疊亮暗條紋組成的複數十字光柵狀圖案結構。根據另一示例性具體實施例，該單體定向在相鄰光柵單體64之間改變非90°的角度，較佳為45°與/或135°。具優勢地，由此可能量測具有在Zernike階數Z5與Z6之至少一者中的像差之波前。
圖7A-C顯示三種Moiré反差影像，其中啟動藉助散焦系統的空中影像24與/或像光柵18之逐漸散焦。在針對圖7A的Moiré量測之情況下，該散焦微乎其微，其中可看到在朝向像中心的方向上從Moiré反差影像之邊緣延伸的低對比(low-contract)度環。在針對圖7B的Moiré量測之情況下，啟動1.5μm(微米)之散焦。所得Moiré反差影像在邊緣處具有薄的低對比度環，且在和該低對比度環有距離處的像中心具有圓形低對比度區。在針對圖7C的Moiré量測之情況下，啟動2.5μm之散焦，使得在Moiré反差影像中可看出環繞像中心的圓形低對比度區。從圖7A到圖7C，Moiré反差影像之焦點從像中心經由像場區變化到像邊緣。從此類Moiré反差影像開始，一系列成像像差(例如像場彎曲之曲線)均可以簡單方式決定。
圖7A-C各均顯示投影透鏡12之成像像差與/或Moiré疊紋14之錯誤配置可藉助以針對性方式啟動的散焦進行確認。
如搭配圖4所解說，可能基於相同Moiré光柵設置14之Moiré 疊紋，對於投影透鏡12之對稱性質檢驗其光學像差。這在下文圖8中藉由範例顯示。
圖8揭示四種Moiré疊紋，在其情況下，空中影像24(例示為實線)與像光柵18(例示為虛線)相對於彼此旋轉關於光軸30(圖1、圖2)的角度。該角度分別為0°、90°、180°及270°。根據一個示例性具體實施例，該角度之設定係由物件光柵16關於光軸30相對於像光柵18之旋轉實現。根據另一示例性具體實施例，該角度設定係由投影透鏡繞著光軸30之旋轉實現。
各Moiré疊紋均具有在亮暗之間變換的彎曲條紋。這和空中影像24受到歸因於投影透鏡之光學性質之受損的變形影響的事實相關聯。在旋轉對稱變形之情況下，Moiré量測產生無關於空中影像24和像光柵18之間角度的Moiré疊紋。對照旋轉對稱變形，在非旋轉對稱變形之情況下的Moiré量測(如圖8所示)，產生依空中影像24和像光柵18之間角度而表現不同的Moiré疊紋。
Moiré光柵設置14可以不同方式設計。圖9A顯示週期性一維物件光柵之空中影像24d，其中空中影像24d係由週期性一維像光柵18d和稍微相對於空中影像24d旋轉的光柵定向重疊。在此種情況下，出現在亮暗之間變換的弧形條紋，前述條紋在此處所示的示意例示圖中實質上水平延伸。類似的Moiré疊紋在圖9B中顯示，在其情況下，在亮暗之間變換的彎曲條紋在此處所示的示意例圖示中實質上垂直延伸。圖9A與圖9B的Moiré光柵設置指稱為交叉光柵。應注意用語「Moiré光柵設置」係關於在各種情況下均包含一方面至少一個物件光柵與/或至少一個空中影像，以及另一方面至少一個像光柵的光柵設置。
圖9C顯示來自由兩個交叉光柵組成之Moiré光柵設置14的Moiré疊紋。這涉及由圖9A與圖9B所示兩個光柵結構之相加總和引起的週期性二維光柵結構。所以，圖9C所示Moiré疊紋為圖9A與圖9B所示兩個Moiré疊紋之重疊。
圖10顯示Moiré疊紋之另兩個範例，在其情況下，各個空中影像24與各個像場28均相對於彼此旋轉，並具有週期性二維光柵結構。借助於結果所得到的Moiré干涉圖，對於投影透鏡12可能的成像像差可簡單且準確進行檢驗，例如漸變與/或三波圖(three-wave figure)。應注意用語「Moiré干涉圖」不應以嚴格物理意義理解，而是關於形狀類似於一般干涉圖案的Moiré疊紋。
根據另一示例性具體實施例，波前量測裝置10a、b實現Moiré量測之結合與不同類型之波前量測，例如場解析焦點錯開(field-resolved focus stagger)量測與/或干涉量測。所以，各個量測方法之優點均可結合以提高波前量測之準確度與可靠度。根據另一示例性具體實施例，場解析焦點錯開量測和Moiré量測結合，其中該場解析量測針對具有在Zernike階數Z4中的像差之波前執行，而波前之Moiré量測在物件場26與/或像場28之複數、較佳為所有場點處執行。
根據另一示例性具體實施例，Moiré量測和干涉量測結合，在倍縮光罩上省略用於物件光柵16與/或像光柵18內部干涉量測之量測標記的複數區域。此措施導致波前量測之穩定性提高，其中可容許在場曲線內、特別是長波場曲線內的某些資訊損失，而不會損失波前量測品質。
根據另一示例性具體實施例，所產生Moiré疊紋由於空中影像24和像光柵16之至少部分不相干重疊結果而出現。在從先前技術已習知的干涉波前量測方法中，嚴格相干重疊、特別是在相干長度內的重疊為必要，以使干涉圖案出現。與之對照，藉助本發明，即使在空中影像24和像光柵16之間不存在相干性，可靠的波前量測仍為可能。
根據另一示例性具體實施例，Moiré光柵設置14包含一繞射光柵。該繞射光柵用於產生進入的光之不同階數之繞射，其成像到像平面22上且彼此干涉。空中影像24由所涉及繞射之該等階數之干涉引起。
根據另一示例性具體實施例，評估單元32設計為決定下列成 像像差之至少一者：旋轉對稱像差、非旋轉對稱變形、彗形像差、散焦、像場彎曲、香蕉形狀(連續像場彎曲)。為此目的，評估單元32可基於所產生Moiré疊紋決定一系列物理變量，例如對比度分布與/或強度分布、相位移位、亮度分布等。
根據另一示例性具體實施例，Moiré對比度分布與/或Moiré相位係藉助將一段期間的乘積(product)強度平均而決定。在此種情況下，空中影像24之強度分布和像光柵16之強度分布相乘，該乘積在空中影像24之光柵週期期間積分。最後，該積分結果被空中影像24之光柵週期劃分。所得Moiré強度分布和數字1之總和成正比，且另一被加數含有Moiré對比度分布和Moiré相位角之餘弦之乘積。所以，可決定兩個物理變量之至少一者：Moiré對比度分布與Moiré相位。最後，投影透鏡12之變形可從所決定的Moiré相位決定。
上述用於決定相位移位的方法具有受限於干擾效應(例如諧波效應)的準確度。為提高Moiré相位決定之準確度，可實行一系列措施。舉例來說，可採用下列措施之一：使用多步驟配方、使用具有甚至較小光柵結構的Moiré光柵設置、使用壓電表(piezo-tables)、設定廣色彩Moiré疊紋、空間褶積及/或濾波、使用多條紋方法等。
根據另一示例性具體實施例，Moiré光柵設置14具有格子光柵。此措施具有所產生Moiré疊紋之Moiré條紋即使在旋轉對稱變形之情況下，仍呈現旋轉例如45°的優點。這和沿著物件場26與/或像場28之x與/或y軸不存在繞射階數的事實相關聯。因此，此措施針對投影透鏡之光學像差實現特別靈敏的偵測方法。
根據另一示例性具體實施例，Moiré光柵設置14具有附帶二維光柵結構的至少一個格子光柵(chequered grating)。此類Moiré光柵設置使得可能產生具有特別高準確度的多條紋Moiré疊紋。
在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形 式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。
10a‧‧‧波前量測裝置
12‧‧‧投影透鏡
14‧‧‧Moiré光柵設置；Moiré疊紋
16‧‧‧物件光柵
18‧‧‧像光柵
20‧‧‧物件平面
22‧‧‧像平面
24‧‧‧成像；空中影像
26‧‧‧物件場
28‧‧‧像場
30‧‧‧光軸；軸線

Claims (16)

  1. 一種用於曝光晶圓的微影投影曝光裝置，包含：一投影透鏡；一光學波前操縱器(48)，其用於操縱在該投影透鏡中之一波前；以及一波前量測裝置(10a、b)，其用於量測在該投影透鏡(12)中之一波前，該波前量測裝置(10a、b)包含一Moiré光柵設置(14)，其具有分別設置於該投影透鏡(12)之一物件平面(20)與一像平面(22)上的一物件光柵(16)與一像光柵(18)，其中該物件光柵(16)與該像光柵(18)係以從該物件光柵(16)之一成像(24)產生一Moiré疊紋(superimposition pattern)到該像平面(22)與該像光柵(18)上的一方式以真實比例的一方式彼此協調，其中該Moiré光柵設置(14)係以針對該物件平面(20)上一物件場(26)與/或該像平面(22)上一像場(28)之複數場點同時產生該Moiré疊紋的一方式設計，其中該光學波前操縱器(48)係以該光學波前操縱器可基於該波前量測裝置(10a、b)之至少一個量測結果進行控制的一方式和該波前量測裝置(10a、b)交互作用，其中該波前操縱器校正該投影透鏡(12)中之一波前以最佳化該投影透鏡(12)之成像性能，且其中該波前操縱器配置成在一閉迴路中進行控制。
  2. 如申請專利範圍第1項之投影曝光裝置，其中該等複數場點為該物件場(26)與/或該像場(28)之一有限數量之界定場點。
  3. 如申請專利範圍第1項第2項任一者之投影曝光裝置，其中該物件光柵(16)之成像(24)與/或該像光柵(18)可繞著關於該投影透鏡(12)之一光軸(30)的一角度旋轉。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項任一者之投影曝光裝置，其中該所產 生Moiré疊紋由於該物件光柵(16)之成像(24)之一至少部分相干重疊到具有該像光柵(18)的像平面(22)上結果而出現。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項任一者之投影曝光裝置，其中該Moiré光柵設置(14)具有一繞射光柵，其中該物件光柵(16)之成像(24)具有該繞射光柵所產生繞射之至少兩個不同階數之一干涉。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項任一者之投影曝光裝置，其中該物件光柵(16)與/或該像光柵(18)具有徑向延伸的複數光柵線。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項任一者之投影曝光裝置，其中該物件光柵(16)與/或該像光柵(18)具有附帶一交替單體定向的複數光柵單體(64)。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項任一者之投影曝光裝置，其中該物件光柵(16)與/或該像光柵(18)之一光柵結構具有一週期性線性與/或一週期性二維光柵結構。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項任一者之投影曝光裝置，特徵在於一評估單元(32)，其用於偵測該所產生Moiré疊紋以從前述圖案決定該投影透鏡(12)之一成像像差。
  10. 如申請專利範圍第9項之投影曝光裝置，其中該評估單元(32)設計為決定該所產生Moiré疊紋之一反差影像(contrast image)、一強度分布、一相位分布、一像場彎曲、像散及/或一變形。
  11. 如申請專利範圍第1項至第10項任一者之投影曝光裝置，特徵在於一螢光體元件(44)，其直接布置於該像光柵(18)下游。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項任一者之投影曝光裝置，特徵在於一散焦系統，其用於散焦該物件光柵(16)之成像(24)及/或用於散焦該像光柵(18)。
  13. 如申請專利範圍第1項至第12項任一者之投影曝光裝置，其中該波前具有在該等Zernike階數Z2、Z3、Z4、Z5及Z6之至少一者中的一像差。
  14. 如申請專利範圍第1項至第13項任一者之投影曝光裝置，其中該波前量測裝置係以藉助一場解析焦點錯開(field-resolved focus stagger)量測與/或一干涉量測，量測具有在Z2、Z3、Z4、Z5及Z6之至少一個Zernike階數中的一像差之波前的方式設計。
  15. 一種用於操作如申請專利範圍第1項至第14項任一者之投影曝光裝置的方法，其中該方法包含遞迴地最佳化該光學波前操縱器(48)之設定，其中下列方法步驟在每次遞迴中均執行：- 藉助該波前量測裝置(10a、b)量測一波前；- 評估該波前量測結果；以及- 基於該評估設定該光學波前操縱器(48)。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該光學波前操縱器係在一閉迴路中進行控制。
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