专利名称：干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种干涉仪，特别涉及在半导体元件、液晶显示元件等微型器件制造工艺中的光刻机投影物镜波像差检测的干涉仪。
背景技术：
近年来，在半导体光刻领域，投影光刻技术的不断进步，线条向更精细方向推进，目前芯片关键尺寸已能达到90nm～65nm的光刻分辨能力。光刻系统中的光学投影物镜的成像质量是影响光刻分辨力的关键因素。投影物镜在设计时可以达到很高的质量，但在光学加工、装调和运输的过程中都会影响物镜的光学质量，这就需要有离线的光学检测方法来保证物镜在工作现场工作时有较好的成像质量；另外即使在工作现场已经安装调试到很高的精度，但是随之环境变化，或曝光对玻璃材料的辐射影响，都会导致光学成像质量的改变，这就需要一个能在线检测物镜成像质量变化的检测系统。
目前投影物镜检测系统有很多种方法，如蔡司公司采用的PMI干涉仪或有的公司采用Hartmann方法等进行的离线检测方法。还有如Nikon公司设计了一种使用Hartmann方法进行的在线检测方法，如美国专利US6975387所示，该在线检测方法采用外界倍频的激光器，产生连续光源，经过照明系统照到掩模台的掩模版上，测量投影物镜的成像质量时，掩模版上有一个用于产生标准球面波的针孔，这个标准球面波经过被测投影物镜后聚焦在工件台上，工件台旁边有一个Hartmann探测器，该探测器能将标准球面波转换为平行波前，并经过透镜阵列会聚到电荷耦合器件图像传感器(CCD)上。在测量投影物镜的成像质量的时候，如果投影物镜存在像差时，这个像差就会反映到经过Hartmann传感器后面的平面波前上，通过比较理想平面波和非理想平面波在经过透镜阵列后的会聚点的位置，就可以得到个非标准平面波的波前斜率变化，通过测量平面波的波前斜率，推导出平面波的波前误差。但是该在线检测物镜方法的主要缺点是1.需要引入额外的光源来进行测量；2.使用Hartmann传感器是对波前进行抽样检测，由于制造的限制，Hartmann空间采样率不能太高，所以不能测量投影物镜的高级像差。3.CCD制造要求严格，由于Hartmann传感器的精度直接由CCD上的斑点中心位置确定，如果CCD制造本身存在尺寸误差，这样必然会导致中心点的位置误差。4.阵列透镜的制造困难，它引入的光学误差影响斑点的定位精度。5.另外为了测量精度，还需要提高阵列透镜的焦距长度，这样同时也会带来Hartmann传感器和CCD的尺寸变大。6.斑点的位置确定的算法复杂，它的模型受较多因素如CCD特性阵列透镜的像差等影响而难以确定。另外，在美国专利US6573997中描述了一种利用光栅实现相移点衍射干涉来检测物镜的方法，这种方法能有效的测量接近衍射极限的物镜像差情况，但是它需要使用两个光栅实现分光，光栅制作与装配都很困难，不适合在光刻机上集成，另外这种方法是不能在同一时间实现相移，所以对光源需要进行精确控制。
为了提高物镜检测在线的精度以满足更高的光刻成像要求，本发明提出一种准确、方便的光刻机投影物镜的在线检测方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干涉仪，该干涉仪不仅检测精度高，而且制造简单且操作方便。
为了达到所述的目的，本发明提供了一种干涉仪，其中，包括第一偏振分光镜，分位于第一偏振分光镜入光面一侧的分别用于引入参考光和测量光的两个准直透镜组，位于第一偏振分光镜出光面的第二、第三偏振分光镜，第一偏振分光镜与第三偏振分光镜之间配置二分之一波片和四分之一波片，第一偏振分光镜与第二偏振分光镜之间配置四分之一波片。
在上述的干涉仪中，所述的参考光和测量光是相干光。
在上述的干涉仪中，所述的第二、第三偏振分光镜的出光面上配置电荷耦合器件图像传感器。
在上述的干涉仪中，所述的电荷耦合器件图像传感器与准直透镜组之间光学距离相同。
在上述的干涉仪中，所述的准直透镜组为组为聚焦透镜且使入射的球面波变为平面波进入第一偏振分光镜。
在上述的干涉仪中，所述第一偏振分光镜与第二偏振分光镜之间配置的四分之一波片靠近第二偏振分光镜，所述二分之一波片靠近第一偏振分光镜。。
在上述的干涉仪中，所述第一、第二、第三偏振分光镜、二分之一波片、四分之一波片和电荷耦合器件图像传感器的表面均为平面。
在上述的干涉仪中，所述的电荷耦合器件图像传感器可以同时采集数据。
本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果1.可以显著提高光学系统的波前空间采用率，能反映更多的波前中高频的细节；2.本发明具有PMI(相移测量干涉仪)干涉仪的优点，同时不需要标准参考镜，而是通过小孔实现标准球面波前；3.本发明不需要激光光源有良好的相干性，且可以直接使用现有的激光脉冲光源。
4.本发明的检测方法对CCD的尺寸线性度和噪声要求降低，从而可以大大提高波前系统的波前误差敏感性和检测精度。
通过以下对本发明一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1为本发明的投影物镜检测装置的结构示意图；图2为图1的投影物镜检测装置中的干涉仪的内部结构示意图；图3是本发明的一种投影物镜检测方法的流程图；图4是本发明的另一种投影物镜检测方法的流程图。
具体实施例方式
以下将对本发明的干涉仪作进一步的详细描述。
本发明的物镜检测装置是在现有光刻机的基础上对工件台和激光传输光路进行改造，采用参考光和测量光进行瞬间相干的方法，消除测量光源的波动对光学测量的影响，实现投影物镜的在线检测。具体装置如下首先请参阅图1，图1是本发明的一个实施例的投影物镜检测系统的总体结构图。光刻机的光源9通过底部模块、传输光路10和照明系统1后，照到掩模版2上，然后通过投影物镜4成像在硅片面11上。本发明的测量光也通过这样的光路来传输，在掩模台3上放置的是针孔掩模版2，产生标准球面波前，在物镜的像面上使用干涉仪6接收。
干涉仪6装配在工件台5的一个角上，它可以被工件台5移到投影物镜4的视场的任意位置，干涉仪6的具体结构如图2所示，干涉仪会聚透镜23b的焦点就是物镜的像面21位置，干涉仪6的参考光源通过激光传输光路10中的分光镜8引入，从分光镜8分光出来的光波前耦合到光纤12中，上述光波前通过光纤12和其它线缆一起被传输到工件台上的干涉仪6中。为了产生高质量的参考球面波前，将光纤出射处的光再耦合到针孔平板22中，针孔平板22的小孔尺寸取衍射极限的爱里斑尺寸大小，这样经过小孔后就能得到高质量的球面波前。
经过投影物镜4出射的测量波前和参考光波前，参考光和测量光为相干光，分别进入干涉仪6的测量波前入口和参考光波前入口后，首先都经过两个准直透镜组23a、23b，准直透镜组23a、23b为聚焦透镜，聚焦透镜23a、23b使入射的球面波变为平面波后进入第一偏振分光镜24。从偏振分光镜24出射的光分成偏振方向互相垂直的S光(偏振方向和入射面垂直的光)和P光(偏振方向与入射面平行的光)。由于参考光和测量光从偏振分光镜的两个方向入射，所以经过偏振分光镜的两束光都包含S光和P光。
干涉仪6包括第一偏振分光镜24，位于第一偏振分光镜24入光面一侧的分别用于引入参考光波前和测量光波前的两个聚焦透镜23a、23b，位于第一偏振分光镜24出光面一侧的第二偏振分光镜25、第三偏振分光镜28，第一偏振分光镜24与第三偏振分光镜28之间配置二分之一波片26和四分之一波片27a，第一偏振分光镜24与第二偏振分光镜25之间配置四分之一波片27b，且第二分光镜25、第三偏振分光镜28的出光面上配置四个电荷耦合器件图像传感器29a、29b、29c、29d。其中，第一偏振分光镜24与第三偏振分光镜28之间配置的四分之一波片27a靠近第三偏振分光镜28，所述二分之一26波片靠近第一偏振分光镜24，且第一偏振分光镜24、第二偏振分光镜25、第三偏振分光镜28、二分之一波片26、四分之一波片27a、27b和电荷耦合器件图像传感器29a、29b、29c、29d的表面均为平面。准直透镜组23a、23b与四个电荷耦合器件图像传感器29a、29b、29c、29d之间光学距离相同，且四个电荷耦合器件图像传感器29a、29b、29c、29d可以同时采集数据。
参考光的S光和测量光的P光，从第一偏振分光镜24下边出射，先经过一个四分之一波片27b将两种偏振光之间都引入90度相移，设原来参考光和被测光之间的位相为X和Y，经过这个四分之一波片27b后，由于它们之间的偏振方向垂直，四分之一波片27b的光轴和这两个偏振方向都是45度，所以经过四分之一波片27b(分光轴和四分之一波片一致)后，它们的相位变化为参考光部分变为X和X+45度；测量光部分变为Y和Y-45度(不考虑共路部分的相移)。经过下面的第二偏振分光镜25后，S和P光分别进入两个CCD 29c和29d，它们之间的相移分别是X-Y和X-Y+90度。
而参考光的P光和测量光的S光，从第一偏振分光镜24右边出射，先经过一个二分之一波片26(慢轴方向和参考光的方向一直)将两种偏振光之间都引入半波长相移，这样两束互相垂直偏振光之间的位相变为X+180和Y，这两束光再经过这个四分之一波片27a后(光轴和两个偏振光成45度)，两束光的位相分别变为X+180和X+180+45；Y和Y-45度；再经过后面的第三偏振分光镜28(分光轴和四分之一波片一致)后，分解成S光和P光分别进入29b和29a。它们之间的相移分别是X-Y+180和X-Y+270度；从上分析得到四个CCD接收到的参考光和测量光之间的相移分别是X-Y，X-Y-90，X-Y-180，X-Y+270度。利用这四个CCD采集的四幅图像就可以计算波前，参考波面与被检波面相干，干涉场的光强分布可以表示为I(x，y，t)＝Id(x，y)+Ia(x，y)cos[φ(x，y)-δ(t)](2-1)式中，Id(x，y)为干涉场的直流光强分布；Ia(x，y)为干涉场的交流光强分布；φ(x，y)为被检波面与参考波面的相位差分布，即PMI的测量对象；δ(t)为两干涉光路中的可变相位。
通过上面的方法改变相位δ(t)，测量四幅相位变化的干涉图中的光强分布I(x，y，t)，并对φ(x，y)进行精确求解。
式(2-1)可改写为I(x，y，δi)＝a0(x，y)+a1(x，y)cosδi+a2(x，y)sinδi式中a0(x，y)＝Id(x，y)a1(x，y)＝Ia(x，y)cos[φ(x，y)]a2(x，y)＝-Ia(x，y)sin[φ(x，y)]被测相位φ(x，y)可以通过a2(x，y)与a1(x，y)的比值求得φ(x,y)=arctg(a2(x,y)a1(x,y))]]>对于本发明的四步相移δ1＝0，δ2＝π/2，δ3＝π，δ4＝3π/2，带入以上公式得到φ(x,y)=arctg(I4(x,y)-I2(x,y)I1(x,y)-I3(x,y))]]>上式中I1、I2、I3、I4分别四幅图像中的光强值，这样通过每个象素位置的四个光强值得到波前每个点的相位值，最好通过拟和得到整个波前的相位值。
本发明的干涉仪除了具有上述测量物镜的成像外，还可以用来直接检测物镜的NA(NA表示光刻机投影物镜的数值孔径)和照明光瞳的光强分布。测量方法如下通过分析干涉仪的任意一个CCD上接收到的图像；假设干涉仪的聚焦透镜的焦距为f，如果在CCD上接收到的圆形光斑的大小为D，那么物镜的NA为sin(atan(D/(2f)))。另外根据CCD上接收到的具体图像的特征来分析物镜照明的相干性和离轴照明(二极，四极，环形)的特性。本发明由于采用偏振分光镜，它可以方便的检测物镜的波前的偏振信息。当物镜的NA较大时，由于在透镜表面的入射角不同，会导致较大的偏振相关损耗。通过本发明的干涉仪能准确测量这些偏振信息。为分析成像质量提供更全面的信息。
图3是本发明的一种物镜检测方法的流程图，具体说是检测物镜像差的流程图。如图3所示，首先开启工件台，将工件台移到指定的位置，然后给光刻机的光源发出指令进行照明，同时干涉仪接受四个CCD采集到的图像，再对四幅图像利用相干的方法运算处理得到真正的相移信息，并通过四幅相移信息图像还原为波前误差信息，最后判断此时的波前是否处于最佳位置，如果波前是处于最佳位置的话，进行波前的特征显示；如果波前不是处于最佳位置的话，则回到将工作台移到指定的位置的步骤，并继续执行以上步骤直到波前处于最佳位置。
图4是本发明的另一种物镜检测方法的流程图，具体说是检测物镜畸变和放大率的流程图。该方法是在掩模台上放置带有针孔阵列的掩模，移动工件台，让工件台带着干涉仪在最佳像面扫描这些小孔，当成像波前质量最好时，记录工件台的实际水平位置，来代表掩模上该点的像的位置。重复上述步骤直到所有针孔被扫描结束。通过测量掩模上不同孔的点的像面位置，然后通过比较这些像面位置偏差和它们在掩模上的实际位置，对它们进行拟和得到一个曲线，线性部分为物镜的放大率偏差，非线性部分可以看作是物镜的畸变。
当测量放大率和畸变的时候，如果工件台倾斜，干涉仪上接收到的条纹形状不会发生变化，这是因为当工件台倾斜时，参考光源也发生同样的倾斜，这两步分倾斜在相干的时候被抵消掉。而如果像点在水平方向移动的时候，干涉仪的条纹就马上能出现倾斜波面的条纹。假设聚焦透镜的焦距为f，CCD上图像的直径为D，出现的条纹数为n，波长为λ，那么横向位移d的大小约为n×λ×f/D；所以可以直接通过条纹的变化来推测像点的水平位置，从而可排除工件台的倾斜的影响。
同理，本发明利用图4的物镜检测方法还能用来测量最佳像面的位置和场曲的信息。当干涉仪在垂向测量设备(图1中的7)的控制下进行垂向移动，找到波前误差最小的位置就是最佳像面的位置。而通过测量不同视场位置的垂向位置就能得到物镜场曲的信息。
作为本发明的光学检测方法和装置的光源可为连续或脉冲光，不需要专门外界测量光来实现连续测量光源，且由于光纤的长度可以调节，并且四个CCD接收到的光程基本一致，所以光源可以不需要有很好的相干性，它可为深紫外波长或其它波段的光源进行检测。
采用本发明的物镜检测方法和装置，可以显著提高光学系统的波前空间采用率，能反映更多的波前中高频的细节，且具有PMI干涉仪的优点，同时不需要标准参考镜，而是通过小孔实现标准球面波前；此外，本发明的检测方法对CCD的尺寸线性度和噪声要求降低，从而可以大大提高波前系统的波前误差敏感性和检测精度。
以上介绍的仅仅是基于本发明的一个个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的方法作本技术领域内熟知的步骤的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1.一种干涉仪，其特征在于，包括第一偏振分光镜，位于第一偏振分光镜入光面一侧的分别用于引入参考光和测量光的两个准直透镜组，位于第一偏振分光镜出光面的第二、第三偏振分光镜，第一偏振分光镜与第三偏振分光镜之间配置二分之一波片和四分之一波片，第一偏振分光镜与第二偏振分光镜之间配置四分之一波片。
2.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于所述的参考光和测量光是相干光。
3.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于所述的第二、第三偏振分光镜的出光面上配置电荷耦合器件图像传感器。
4.如权利要求3所述的干涉仪，其特征在于所述的电荷耦合器件图像传感器与准直透镜组之间光学距离相同。
5.如权利要求1或4所述的干涉仪，其特征在于所述的准直透镜组为组为聚焦透镜且使入射的球面波变为平面波进入第一偏振分光镜。
6.如权利要求1所述的投影物镜的检测装置，其特征在于所述第一偏振分光镜与第二偏振分光镜之间配置的四分之一波片靠近第二偏振分光镜，所述二分之一波片靠近第一偏振分光镜。
7.如权利要求1所述的投影物镜的检测装置，其特征在于所述第一、第二、第三偏振分光镜、二分之一波片、四分之一波片和电荷耦合器件图像传感器的表面均为平面。
8.如权利要求1所述的投影物镜的检测装置，其特征在于所述的电荷耦合器件图像传感器可以同时采集数据。
全文摘要
本发明公开了一种用于光刻机投影物镜检测的干涉仪。本发明的干涉仪包括第一偏振分光镜，分位于第一偏振分光镜入光面一侧的分别用于引入参考光和测量光的两个准直透镜组，位于第一偏振分光镜出光面的第二、第三偏振分光镜，第一偏振分光镜与第三偏振分光镜之间配置二分之一波片和四分之一波片，第一偏振分光镜与第二偏振分光镜之间配置四分之一波片。利用本发明的干涉仪可准确得测得物镜的波前误差、放大率、畸变、场曲，并可减小光学检测元件的尺寸，而且制造简单，检测精度高且操作方便。
文档编号G01J9/00GK101082776SQ20071004362
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月10日 优先权日2007年7月10日
发明者刘国淦, 段立峰 申请人:上海微电子装备有限公司