波像差测量装置与方法与流程

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种波像差测量装置与方法。

背景技术：

投影物镜波像差是影响光刻机成像质量的关键因素。对于高分辨率的光刻机投影物镜波像差，可采用干涉的方法进行测量。十字光栅横向剪切干涉仪是一种常用的利用干涉原理来进行投影物镜波像差检测的方法，其原理如图1所示，光线通过初始针孔1，产生衍射形成一个无像差的球面波。该球面波通过待测物镜2后，其波前将携带待测物镜2的波像差。在物镜像面空间的离焦面上，放置有二元光栅3。带有波像差的球面波经过二元光栅3后，在物镜像面衍射为0级和+/-1级光线。物镜像面放置有级次选择掩模4，该级次选择掩模4包含4个较大的窗口，其作用类似于空间滤波器。只有X轴与Y轴上衍射的+/-1级光线可以通过窗口，0级及其它级次的衍射光则被其滤掉。载有待测物镜2的波像差信息的+/-1级衍射光线相互干涉，其干涉条纹通过CCD 5进行记录，经过数据处理，即可还原待测物镜2波前，求解出物镜波像差。该方法的好处是直接于物镜瞳面进行波像差检测，检测精度高。采用级次选择掩模4，可通过一副干涉图像即可进行检测，检测时间短。

该方案的缺点在于：

1、物面采用初始针孔1进行测量，其上的小孔尺寸较小，制作满足要求的小孔难度高；

2、为产生理想球面波，小孔尺寸不能太大，因而使光强透过率低，降低了像面的测量的对比度；

3、参加干涉的光束汇聚于像面不同点，使得干涉区域较小，使测量噪声增大，精度降低。

技术实现要素：

本发明提供一种波像差测量装置与方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种波像差测量装置，包括：光源、照明系统、物面模块和像面探测单元，其中，所述物面模块包括物面光栅和物面级次选择板，所述像面探测单元包括像面光栅、像面级次选择板和探测器，所述物面光栅和像面光栅均采用二元相移光栅。

作为优选，所述物面光栅在第一方向和第二方向的周期均为P，且第二方向与第一方向垂直，所述物面光栅的每个周期包括两个透光区域和两个不透光区域，光束透过所述透光区域后附加1/2光波长的光程差。

作为优选，所述物面光栅位于所述物面的离焦处，且所述物面光栅的第一方向与X轴的成角度其中，大于等于0度小于等于180度。

作为优选，所述物面光栅为矩形、圆形或三角形。

作为优选，所述像面光栅在第一方向和第二方向的周期均为P×M，其中，M为物镜倍率，所述像面光栅的第一方向与X轴的夹角为

作为优选，所述物面级次选择板上设置有多个透光孔，所述透光孔为方形、圆形或三角形。

作为优选，所述透光孔的孔径大于1.22λ/NA_o，其中λ为入射光波长，NA_o为物方数值孔径。

作为优选，所述透光孔的孔径大于2df_o×NA_o小于h_o×λ/d_o-df_o×NA_o；其中，df_o为物面级次选择板的离焦量，h_o为物面光栅的离焦量，d_o为物面光栅的周期。

作为优选，所述像面级次选择板上设置有一个透光小孔，所述透光小孔为圆形或多边形。

作为优选，所述透光小孔的孔径大于2df_i×NA_i小于h_i×λ/d_i-2df_i×NA_i；其中，df_i为像面级次选择板的离焦量，h_i为像面光栅的离焦量，d_i为像面光栅的周期，NA_i为像方数值孔径，λ为入射波长。

作为优选，所述像面探测单元还包括：用于支撑所述像面光栅和像面级次选择板的光栅支撑单元，和用于控制所述探测器进行图像采集和传输的探测电路 板。

作为优选，所述物面光栅和物像级次选择板设置在同一掩模版上。

本发明还提供一种波像差测量方法，采用所述波像差测量装置，包括：设置照明窗口，使光源发出的照明光束照明至物面；将物面光栅移动至物面的视场中心，使照明光束照明物面光栅；移动像面光栅，使像面光栅处于像方的视场中心，并使物面光栅与像面光栅对准；开启探测器，采集干涉图像；探测器将采集到的干涉图像传输至主控计算机；主控计算机根据采集的图像求解物镜的波像差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、像面探测单元的像面光栅采用二元相移光栅，其衍射光中没有零级光，仅有正负1级光，提高了用于测量的光强，物面级次选择板不再考虑0级衍射光滤除作用，降低了工艺难度；

2、探测使用的物面光栅与物面级次选择板可制作在一个掩模版上，降低了系统得复杂度；

3、物面模块采用物面光栅与物面级次选择板，物面光栅的透过率远大于初始针孔，可降低像面采集时间，提高信号强度，提高测量速度与精度；

4、本发明中物面光栅的制作难度小于现有技术中初始针孔的制作难度，提高了装置的可加工制造性、节约成本；

5、本发明中物面光栅与像面光栅相匹配，使参与干涉的光束首先汇聚于一点，之后进行发散，干涉区域增大，可用于大NA测量，同时提高测量精度。

附图说明

图1为现有技术中波像差测量装置的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中波像差测量装置的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中物面光栅的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式中物面级次选择板的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式中像面光栅的结构示意图；

图6为本发明一具体实施方式中像面级次选择板的结构示意图；

图7为本发明一具体实施方式中波像差测量方法的流程示意图。

图1中：1-初始针孔、2-待测物镜、3-二元光栅、4-级次选择掩模、5-CCD。

图2～图6中：10-光源、20-照明系统、30-物面模块、301-物面光栅、302-物面级次选择板、3021-透光孔、40-像面探测单元、401-像面光栅、402-像面级次选择板、4021-透光小孔、403-光栅支撑单元、404-探测器、405-探测电路板、50-物镜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用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2所示，本发明提供的波像差测量装置包括：光源10、照明系统20、物面模块30和像面探测单元40，所述物面模块30包括物面光栅301和物面级次选择板302，所述像面探测单元40包括像面光栅401、像面级次选择板402和探测器404，所述物面光栅301和像面光栅401均采用二元相移光栅。具体地，所述光源10用于产生照明光束，所述照明系统20将所述照明光束投射到位于物面模块30的物面光栅301上并发生衍射，经过物面级次选择板302后，产生正负1级衍射光，该正负1级衍射光包括：x轴上的正负1级衍射光和y轴上的正负1级衍射光，该正负1级衍射光投射到物镜50，之后携带物镜50的波像差入射到像面光栅401，像面光栅401对入射的带有物镜50的波像差的正负1级衍射光进行二次衍射，具体为：x轴上的正1级衍射光产生的负1级二次衍射光，x轴上的负1级衍射光产生正1级二次衍射光，y轴上的正1级衍射光产生负1级二次衍射光，y轴上的负1级衍射光产生正1级二次衍射光；该正负1级二次衍射光汇聚于像面级次选择板402的透光小孔4021处，透过像面级次选择板402后重叠干涉，干涉图像被探测器404记录，根据记录得到的干涉图像可反算得到物镜50的波像差。

具体地，如图3所示，所述物面光栅301在第一方向和第二方向的周期均为P，且第二方向与第一方向垂直，该物面光栅301的每个周期包括两个透光区域和两个不透光区域，如图3中所示的黑色区域为不透光区域，灰色和白色区域为透光区域，光束透过所述透光区域后附加1/2光波长的光程差。且所述物面光栅301的第一方向与x轴的成角度其中，大于等于0度小于等于180度。

继续参照图3，所述物面光栅301位于所述物面的离焦处，对入射到其上的照明光束进行衍射，并使衍射光汇聚于物镜50像面处。当然，所述物面光栅301采用多种形状，包括圆形、圆形、三角形、矩形、菱形等。

如图4所示，所述物面级次选择板302上设置有多个透光孔3021，所述透光孔3021为方形、圆形或三角形。本实施例中以带有4个圆形透光孔3021为例说明，所述透光孔3021的孔径大于1.22λ/NA_o，其中λ为入射光波长，NA_o为物方数值孔径。进一步的，考虑到物面级次选择板302的离焦情况，所述透光孔3021的孔径大于2df_o×NA_o小于h_o×λ/d_o-df_o×NA_o；其中，df_o为物面级次选择板302的离焦量，h_o为物面光栅301的离焦量，d_o为物面光栅301的周期。

进一步的，所述物面光栅301和所述物面级次选择板302可以设置在同一掩模上，降低了系统复杂度。当然，所述物面光栅301和所述物面级次选择板302中心的位置应与物面光栅301衍射的正负1级衍射光斑中心位置重合。

请参照图1，并结合图5，所述像面探测单元40还包括：用于支撑所述像面光栅401和像面级次选择板402的光栅支撑单元403，和用于控制所述探测器404进行图像采集和传输的探测电路板405。

进一步的，如图5所示，所述像面光栅401在第一方向和第二方向的周期均为P×M，其中，M为物镜50倍率，所述像面光栅401的第一方向与x轴的夹角为

如图6所示，所述像面级次选择板402上设置有一个透光小孔4021，所述透光小孔4021为圆形或多边形。所述透光小孔4021的孔径大于2df_i×NA_i小于h_i×λ/d_i-2df_i×NA_i；其中，df_i为像面级次选择板402的离焦量，h_i为像面光栅401的离焦量，d_i为像面光栅401的周期，NA_i为像方数值孔径，λ为入射波长。

需要说明的是，若物面光栅301相对于物镜50最佳物面的离焦为h_o，则像面光栅401相对于物镜50最佳焦面的离焦为h_i＝h_o/M²，M为物镜50倍率。

请继续参照图1至图6，下面代入具体数值，详细说明本发明的波像差测量装置。

本实施例中，所述物面模块30中的物面光栅301的周期可选择为P＝12um，物面光栅301采用方形光栅，第一方向角度可以选择为0度。照明波长选择为248nm，物面数值孔径NA_o为0.175，物镜倍率M为0.25。物面级次选择板302 的透光孔3021为圆形，透光孔3021之间的距离为240um，透光孔3021的孔径为20um。物面级次选择板402位于物镜50的焦面位置处，物面光栅401距离物镜50的焦面(即物面级次选择板402)6.35mm；像面探测单元40中的像面光栅401的周期为3um(12um×0.25)，像面级次选择板402的透光小孔4021的大小为1um。像面光栅401的离焦为0.3985mm。

其中，物面光栅301周期的选择依据剪切距离，剪切距离取物面数值孔径的1/8.5，即0.0206。剪切距离即物面光栅301的1级衍射光衍射角度，从而得到物面光栅301的周期为248/0.0206＝12um，像面光栅401的周期是物面光栅301的0.25倍，即12×0.25＝3um。

如图7所示，本发明还提供一种波像差测量方法，具体包括：首先，设置照明窗口，使光源10发出的照明光束照明至物镜50的物面；接着，将物面光栅301移动至物面的视场中心，使照明光束照明物面光栅301；接着，移动像面光栅401，使像面光栅401处于像方的视场中心，并使物面光栅301与像面光栅401对准；开启探测器404，采集干涉图像；探测器404将采集到的干涉图像传输至主控计算机；主控计算机根据采集的图像求解物镜50的波像差。

光源10发出的光经过照明系统20后入射到物面模块30中的物面光栅301上，发生衍射。衍射光经过物面级次选择板302后，仅使正负1级衍射光通过。经过物镜50后，入射到像面探测单元40中的像面光栅401上，发生二次衍射。衍射后的光束经过像面级次选择板402后入射到探测器404上，根据记录得到的干涉图像可反算得到物镜50的波像差。

显然，本领域的技术人员可以对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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。