专利名称：光刻投影物镜波像差检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及光刻机，特别是一种用于光刻机的基于空间像主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统及检测方法。
背景技术：
投影物镜是光刻机系统的核心部件之一。投影物镜中的波像差会造成成像质量的恶化和工艺窗口的减小，从而降低产率。随着光刻技术的特征尺寸不断减小，光刻机投影物镜的像差容限变得越来越严苛。光刻投影物镜的波像差检测需求从低阶像差扩展到高阶像差，从在这种前提下，研发能够高精度检测低阶和高阶波像差的原位检测技术具有更加重要的意义。由于基于空间像的投影物镜波像差检测技术成本低且容易操作，基于空间像的波像差检测技术在最近几年得到了广泛发展。在众多基于空间像的波像差检测技术中，TAMIS技术是具有代表性的一种(参见在先技术1，H. van der Laan，Μ. Dierichs， H. van Greevenbroek, E.McCoo, F. Stoffels, R. Pongers and R. ffillekers, "Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupil verification, ” Proc. SPIE 4346，394-407 (2001))。TAMIS 检测技术通过检测二元掩模标记的空间像来提取像差。具体方式是，在一系列照明设置下检测标记的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量，用检测数据获得的偏移量向量和事先计算好的灵敏度矩阵来计算空间像。TAMIS技术采用二元掩模标记作为检测标记，在多种照明方式下进行检测。为了提升 TAMIS技术的检测精度，Fan Wang等和Zicheng Qiu等先后提出了基于相移光栅标记的光刻机投影物镜波像差原位检测技术(参见在先技术2，Fan Wang, Xiangzhao Wang, Mingying Ma, Dongqing Zhang, Weijie Shi and Jianming Hu,"Aberration measurement of projection optics in lithographic tools by use of an alternating phase-shifting mask, ” Appl. Opt. 45,281-287(2006).)和基于平移对称交替相移光栅标记的光刻机投影物镜彗差检测技术(参见在先技术 3，Zicheng Qiu, Xiangzhao Wang, Qiongyan Yuan, Fan Wang, "Coma measurement by use of an alternating phase-shifting mask mark with a specific phase width, "Appl. Opt. 48 (2), 261-269 (2009).) 以上两种技术分别提出了使用相移掩模光栅标记和使用更为复杂的平移对称交替相移光栅标记来提升检测精度。相比在先技术1，在先技术2的检测精度提升了 20%以上。相对在先技术2，在先技术3的检测精度又提高了 15%以上。这两种技术虽然都提升了检测精度，但只是在检测标记上进行了改进，检测原理仍然是基于TAMIS技术。因此其检测的像差种类仍然较少，检测的流程也无法简化。近年来，Nikon公司提出了一种基于多方向标记和空间像傅里叶分析的投影物镜波像差检测技术(参见在先技术 4，Suneyuki Hagiwara, Naoto Kondo, Irihama Hiroshi, Kosuke Suzuki and Nobutaka Magome, “ Development of aerial image based aberration measurement technique" , Proc. SPIE 5754,1659 (2005)) 该技术的检测标记为36个不同方向不同周期的光栅标记，测得的空间像通过傅里叶分析处理，在波像差和不同级次频谱的相位和幅度之间建立线性关系。这种技术由于专门设计了 36个方向周期各不相同的标记，检测像差的种类得以扩展，检测精度也获得很大提升。然而该技术的检测标记需要专门设计，提高了成本，通用性也下降。上海微电子装备有限公司(SMEE)的Anatoly Y. Burov等人提出了一种空间像的模型和其在波像差检测中的应用(参见在先技术5，Anatoly Y. Burov, Liang Li，Zhiyong Yang, Fan Wang, Lifeng Duan, 'Aerial image model and application to aberration measurement，，Proc. SPIE 7640，(2009) ) 采用20个主成分表示空间像，并根据各个主成分的系数得到33阶像差的20个组合作为表示像差的一种方法。这种方法不需要专门设计掩模标记，测量速度快，可以用来检测高阶像差。但是这种方法要求严格知道测量空间像的坐标，这就给对准提出了很高的要求，限制了这种方法的应用。
发明内容
本发明提供一种用于光刻机的基于空间像主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统及检测方法，该方法通过定心流程，补偿了光刻机空间像位置测量误差，提高了测试的重复精度。本发明的技术解决方案如下一种用于光刻机的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统，包括产生照明光束的照明光源；可以调整照明光强分布和部分相干因子大小的照明系统；用于承载掩模，并具有精确定位能力的掩模台；能将通过测试掩模上的检测标记的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台；安装在工件台上的像传感器，与所述像传感器相连并进行数据处理的计算机，其特点在于所述检测标记由一组分别位于O度和90度方向孤立空图形组成，图形的线宽为 250nm，周期为 3000nm ；所述的像传感器为CCD或透射像传感器，所述像传感器能够在水平方向和垂直方向进行扫描，水平方向和垂直方向定位精度都小于20nm。利用上述基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，包括以下步骤(1)仿真空间像集合确定需要求解的波像差种类为Z7 Z9，或者Z7 Z9和Z14 Z16，或者Z7 Z9 和其它像差共Nz种波像差；设置需要求解的波像差的幅值为a ；对于需要求解的波像差，通过统计方法BoX_Behnken设计像差组合得到一个矩阵B，B的每一行代表一种组合，B的每一列与一种需要求解的波像差对应，B的总行数就是设计的像差组合的总个数，每一组像差组合中需要求解的波像差的值即像差组合矩阵A = a · B中每行的值；投影物镜数值孔径为NA;设置照明方式为传统照明或环形照明，传统照明条件下部分相干因子为ο，环形照明条件下，部分相干因子为[o。ut，oin]，其中，o。ut表示外部相干因子，Qin表示为内部相干因子；设置掩模标记为O度方向和90度方向的宽为250nm的孤立空；设置空间像垂轴方向采集长度为w，采集步长为dw，采集范围与工件台中心对称，垂轴方向的采集位置构成了向量X，向量X的长度为Nx ；设置空间像沿轴向采集长度为h，采集步长为dh，采集范围与轴向中心对称，轴向采集位置构成了向量F，向量F的长度为Nf ；根据上述条件，采用Prolith 等光刻仿真软件进行仿真，得到在O度和90度条件下每组波像差对应的空间像，O度方向的所有空间像构成了 O度方向的空间像集合IMq，90度方向的所有空间像构成了 90度方向的空间像集合IM1 ；(2)主成分分析和线性回归分析对仿真的空间像集合IMtl进行主成分分析，得到0度方向的主成分矩阵&，0度方向的主成分系数矩阵Ctl ；对仿真的空间像集合IM1进行主成分分析，得到90度方向的主成分矩阵S1,90度方向的主成分系数矩阵C1 ；对主成分系数矩阵Ctl与BoX_Behnken得到的像差组合A进行线性回归，得到0度方向的回归矩阵RMtl ；对主成分系数矩阵C1与BoX_Behnken得到的像差组合A进行线性回归，得到90度方向的回归矩阵RM1 ；对主成分矩阵&与向量X和F进行拟合，得到拟合的样条插值函数f^ ；对主成分矩阵S1与向量X和F进行拟合，得到拟合的样条插值函数；(3)启动光刻机采集空间像按照仿真空间像时光刻机投影物镜NA、照明方式、部分相干因子、工件台和轴向的测量范围、工件台和轴向的测量点数设置光刻机的工作条件；加载带有上面所述检测标记的掩模板，启动光刻机，传感器采集该掩模上0度方向掩模标记和90度方向掩模标记所对应的空间像和/Lri以及实际测量位置，并输入计算机进行处理。其中，/二和都是大小为NxXNf的矩阵，/二和/Lri的名义位置就是向量X 和F对应的位置，名义位置与实测位置的偏移量就是定心误差，垂轴方向定心误差范围为 [-XSmax，XSmax],轴向定心误差范围为[-FSfflax, FSfflaJ ；(4)基于主成分拟合进行定心和求解波像差选取采集的0度方向的空间像/二，采用定心流程得到该空间像对应的主成分系数选取采集的90度方向的空间像，采用定心流程得到该空间像对应的主成分系数根据回归矩阵RMtl和RM1，主成分系数^和^，采用最小二乘法拟合得到建模的波像差。其中，NA范围为0. 45 0. 75。其中，幅值a范围为0. 1λ 0.2入。其中，照明方式为传统照明或者环形照明。其中，照明方式为传统照明时，部分相干因子σ范围为0.1 0.9。其中，照明方式为环形照明时，外部相干因子σ。ut范围为0. 2 0. 9，内部相干因子Oin范围为0. 1 0.8，其中，0_-(^不小于0. 1。其中，垂轴方向采集长度w为400nm 3000nm之间的任意值；垂轴方向采集步长 dw为Inm 200nm之间的任意值。其中，轴向方向采集长度h为2000nm IOOOOnm之间的任意值，轴向步长dh为 Inm 250nm之间的任意值。其中，垂轴方向定心误差范围[-X^iax, X^1J为[_400，400]歷。
其中，轴向方向定心误差范围[_remax，remax]为[-2000，2000]nm。其中，上面步骤中提到的采用定心流程求解和^,的步骤如下所述(1)根据XSmax，得到裁剪列数mMal和裁剪行数nreal分别为
权利要求
1.一种用于光刻机的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统，该系统包括产生照明光束的照明光源；照明系统；用于承载掩模，并具有精确定位能力的掩模台；能将通过测试掩模上的检测标记的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台；安装在工件台上的像传感器，与所述像传感器相连并进行数据处理的计算机；其特征在于所述检测标记由一组分别位于0度和90度方向孤立空图形组成，图形的线宽为250nm， 周期为3000nm ；所述的像传感器为CCD等光电转换器件，所述像传感器能够在水平方向和垂直方向进行扫描，水平方向和垂直方向定位精度都小于20nm。
2.利用权利要求1所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，包括以下步骤(1)仿真主成分拟合定心所需要的空间像确定需要求解的波像差种类为Z7 Z9，或者Z7 Z9和Z14 Z16，或者Z7 Z9和其它像差共Nz种波像差；设置需要求解的波像差的幅值为a ；对于需要求解的波像差，通过统计方法BoX_Behnken设计像差组合得到一个矩阵B，B的每一行代表一种组合，B的每一列与一种需要求解的波像差对应，B的总行数就是设计的像差组合的总个数，每一组像差组合中需要求解的波像差的值像差组合矩阵A = a · B中每行的值；投影物镜数值孔径为NA ； 设置照明方式为传统照明或环形照明，传统照明条件下部分相干因子为ο，环形照明条件下，部分相干因子为[o。ut，oin]，其中，o。ut表示外部相干因子，Qin表示为内部相干因子； 设置掩模标记为O度方向和90度方向的宽为250nm的孤立空；设置空间像垂轴方向采集长度为w，采集步长为dw，采集范围与工件台中心对称，垂轴方向的采集位置构成了向量X，向量X的长度为Nx ；设置空间像沿轴向采集长度为h，采集步长为dh，采集范围与轴向中心对称，轴向采集位置构成了向量F，向量F的长度为Nf ；根据上述条件，采用I^rolith等光刻仿真软件进行仿真，得到在0度和90度条件下每组波像差对应的空间像，0度方向的所有空间像构成了 0度方向的空间像集合IMq，90度方向的所有空间像构成了 90度方向的空间像集合 IM1 ；(2)主成分分析和线性回归分析对仿真的空间像集合IMtl进行主成分分析，得到0度方向的主成分矩阵&，0度方向的主成分系数矩阵Ctl ；对仿真的空间像集合IM1进行主成分分析，得到90度方向的主成分矩阵S1,90度方向的主成分系数矩阵C1 ；对主成分系数矩阵Ctl与BoX_Behnken得到的像差组合A进行线性回归，得到0度方向的回归矩阵RMtl ；对主成分系数矩阵C1与BoX_Behnken得到的像差组合A进行线性回归，得到90度方向的回归矩阵RM1 ；对主成分矩阵&与向量X和F进行拟合，得到拟合的样条插值函数f^ ；对主成分矩阵 S1与向量X和F进行拟合，得到拟合的样条插值函数；(3)启动光刻机采集空间像按照仿真空间像时光刻机投影物镜NA、照明方式、部分相干因子、工件台和轴向的测量范围、工件台和轴向的测量点数设置光刻机的工作条件；加载带有上面所述检测标记的掩模板，启动光刻机，传感器采集该掩模上0度方向掩模标记和90度方向掩模标记所对应的空间像和/Lri以及实际测量位置，并输入计算机进行处理。其中，/二和都是大小为NxXNf的矩阵，/二和/Lri的名义位置就是向量X 和F对应的位置，名义位置与实测位置的偏移量就是定心误差，垂轴方向定心误差范围为 [-XSmax，XSmax],轴向定心误差范围为[-FSfflax, FSfflaJ ；(4)基于主成分拟合进行定心和求解波像差对0度方向的空间像/二，采用定心流程得到其对应的主成分系数 ° ;对90度方向的空间像，采用定心流程得到其对应的主成分系数 根据回归矩阵RMc^P RM1，主成分系数^；；和，采用最小二乘法拟合得到需要求解的波像差。
3.根据权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于所述的NA范围为0. 1 0.9 ；所述的幅值a范围为0. 1 λ 0. 2 λ ； 所述的照明方式为传统照明或者环形照明所述的照明方式为传统照明时，部分相干因子 σ范围为0.1 0.9;所述的照明方式为环形照明时，外部相干因子o。ut范围为0.2 0.9，内部相干因子Qin范围为0.1 0.8，其中，0_-0^不小于0.1。
4.根据权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于所述的垂轴方向采集长度w为400nm 3000nm之间的任意值；垂轴方向采集步长dw为Inm 200nm之间的任意值。
5.根据权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于所述的轴向方向采集长度h为2000nm IOOOOnm之间的任意值， 轴向步长dh为Inm 125nm之间的任意值。
6.根据权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于所述的垂轴方向定心误差范围[-XSmax，XSmaJ为[-400，400]nm。
7.根据权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于所述的轴向方向定心误差范围[-FSmax，FSmaJ为[-2000，2000]nm。
8.利用权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于所述的定心流程包括如下步骤(1)根据XSmax，得到裁剪列数mreal和裁剪行数nMal分别为
9.根据利用权利要求8所述的拟合残差的计算方法，特征在于包括以下步骤(1)根据主成分和主成分系数^力，得到拟合的空间像‘为
10.根据权利要求2所述的基于主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，特征在于计算建模的波像差系数包含如下的步骤根据回归矩阵RMtl和RM1，得到总的回归矩阵RM
全文摘要
一种用于光刻机的基于空间像主成分拟合定心的光刻投影物镜波像差检测系统及检测方法，本发明通过主成分拟合找到空间像实测位置与名义位置的偏移量，从而得到空间像的主成分系数和波像差。所述方法首先是仿真一组空间像，对空间像进行主成分分析和线性回归得到主成分和回归矩阵，并得到主成分与仿真空间像坐标的样条插值函数。对X-Z面用像传感器扫描获得光刻机硅片面的空间像分布，首先通过定心流程得到该空间像实测位置与名义位置的偏移量，然后计算其对应的主成分系数。根据回归矩阵和主成分系数，采用最小二乘法拟合求解波像差。本发明补偿了空间像的定心误差，提高了求解的重复精度。
文档编号G01M11/02GK102200697SQ20111014855
公开日2011年9月28日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者彭勃, 徐东波, 段立峰, 王向朝, 闫观勇 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所