专利名称：光刻机投影物镜偶像差原位检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及光刻机，特别是一种光刻机投影物镜偶像差原位检测系统及检测方法。
背景技术：
在极大规模集成电路制造领域，用于光刻工艺的步进扫描投影光刻机是公知的。投影物镜系统是步进扫描投影光刻机中最重要的分系统之一。投影物镜的波像差使光刻机的光刻成像质量恶化，并造成光刻工艺容限的减小。波像差可以分为奇像差和偶像差。其中，奇像差主要包括彗差和三波差，偶像差主要包括球差和像散。投影物镜的彗差使掩模上的图形曝光到硅片后发生成像位置偏移，该成像位置偏移量与图形尺寸和照明条件有关，因而，投影物镜的彗差是影响套刻精度的关键因素之一。彗差还会导致掩模上的对称图形在曝光、显影后在硅片上形成的图形不对称，从而影响光刻分辨率和线宽的均匀性。投影物镜的三波差使动态随机存储器图形曝光显影后在硅片上形成的图形不对称，影响动态随机存储器的性能。投影物镜的球差造成图形的最佳焦面发生偏移，并使不同尺寸、不同栅距的线条的最佳焦面不在一个平面上。投影物镜的像散主要使互相垂直的线条的最佳焦面不在一个平面上。投影物镜偶像差的存在使光刻成像系统的有效焦深缩小，对调焦调平系统的检测精度提出了更加苛刻的要求。随着光刻特征尺寸的不断减小，尤其是各种分辨率增强技术的使用，偶像差对光刻成像质量的影响越来越突出。因此，快速、高精度的光刻机投影物镜偶像差原位检测系统及检测方法是不可或缺的。
TAMIS(TIS At Multiple Illumination Settings)技术是目前国际上用于检测光刻机投影物镜彗差的主要技术之一。参见在先技术1，Hans van der Laan，Marcel Dierichs，Henk van Greevenbroek，Elaine McCoo，Fred Stoffels，Richard Pongers，Rob Willekers.“Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupilverification.”Proc.SPIE 2001，4346，394-407。TAMIS技术采用的系统包括工件台以及安装在工件台上的透射式像传感器、掩模台及测试掩模、照明系统和计算机等。其中透射式像传感器由两部分构成一套尺寸为亚微米级的孤立线和一个方孔，孤立线与方孔下方均放置独立的光电二极管。其中孤立线包括X方向的孤立线和Y方向的孤立线，方孔用于补偿照明光源的光强波动。透射式像传感器可以分别测量X方向线条和Y方向线条的三维成像位置。在TAMIS技术中，通过移动工件台使透射式像传感器扫描掩模上X方向测试标记和Y方向测试标记经投影物镜所成的像，可以得到标记的轴向成像位置，再与理想成像位置比较后得到轴向成像位置偏移量(ΔZX(NA，σ)，ΔZY(NA，σ))。在不同的投影物镜数值孔径和照明系统部分相干因子设置下测量掩模上各个标记的成像位置，得到不同照明条件下的视场内不同位置处的成像位置偏移量ΔZX(NAi，σi)，ΔZY(NAi，σi)，(i＝1，2，3…n)，然后利用数学模型进行计算后得到偶像差相应的泽尼克系数Z9、Z12、Z16、Z21。
由于透射式像传感器具有特殊的结构，因此测试标记的形状一般需设计为透射式像传感器某个分支的形状，因此测试标记的设计受到了一定的限制。此外，在成像位置偏移量的测量过程中，需要通过移动工件台使透射式像传感器对掩模上测试标记经投影物镜所成的像进行三维扫描，因此测量时间相对较长。
TAMIS技术采用的测试掩模为二元掩模，相对于各种相移掩模，偶像差对二元掩模成像位置偏移的影响较小。因此TAMIS技术使用二元掩模进行偶像差检测，灵敏度系数的变化范围较小，导致偶像差检测的精度有限。
针对TAMIS技术存在的不足，FAN WANG等人提出了一种基于移相掩模标记的光刻机投影物镜偶像差原位检测技术。参见在先技术2，Fan Wang，XiangzhaoWang，Mingying Ma，Dongqing Zhang，Weijie Shi and Jianming Hu，“Aberrationmeasurement of projection optics in lithographic tools by use of an alternatingphase-shifting mask，”Appl.Opt.45，281-287(2006)，该技术采用水平方向和垂直方向的交替型移相光栅标记取代TAMIS技术中采用的二元光栅标记进行偶像差的检测。交替型移相光栅标记的偶像差灵敏度系数变化范围更大，检测精度较TAMIS技术有明显的提高。
在先技术1和在先技术2在检测球差时，球差所造成的最佳焦面偏移量是水平方向线条的最佳焦面偏移量和垂直方向线条的最佳焦面偏移量的平均值，而忽略了45°方向和135°方向线条最佳焦面偏移量的影响。在先技术1和在先技术2在检测像散时，只考虑了水平/垂直像散(Z12、Z21)，而忽略了±45°像散(Z13、Z22)。然而，随着集成电路图形特征尺寸的不断减小，集成电路图形密度不断提高，集成电路图形也愈加复杂，45°方向和135°方向线条更广泛地应用于集成电路设计之中，尤其是存储器件的设计之中。因此，在检测光刻机投影物镜偶像差时，必须测量45°方向和135°方向线条的最佳焦面偏移量，从而测得±45°像散(Z13、Z22)，并使球差的检测精度得以提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种光刻机投影物镜偶像差原位检测系统及检测方法，本发明要全面考虑0°、45°、90°、135°方向线条的最佳焦面偏移的处理，提高偶像差检测的精度，同时提高偶像差的检测速度。
本发明的技术解决方案如下 一种光刻机投影物镜偶像差原位检测系统，包括产生照明光束的光源，用于调整所述光源发出的光束的束腰尺寸、光强分布和部分相干因子和照明方式的照明系统，能承载测试掩模并精确定位的掩模台，能将掩模图形成像且其数值孔径可调的投影物镜，能精确定位的工件台，安装在工件台上的测量测试掩模上的图形成像位置的像传感装置，其特点是所述测试掩模由0°方向偶像差测量标记、45°方向偶像差测量标记、90°方向偶像差测量标记和135°方向偶像差测量标记组成，所述的0°方向偶像差测量标记、45°方向偶像差测量标记、90°方向偶像差测量标记和135°方向偶像差测量标记为移相光栅标记，所述像传感装置由依次相连的孔径光阑、成像物镜、光电探测器、数据采集卡和计算机组成。
所述的移相光栅标记为交替型移相光栅标记，或衰减型移相光栅标记，或无铬移相光栅标记。
所述的光电探测器是CCD，或光电二极管阵列。
利用上述光刻机投影物镜偶像差原位检测系统进行光刻机投影物镜偶像差原位检测的方法，该方法包括以下步骤 ①光源发出的照明光经照明系统照射掩模台上的测试掩模，该测试掩模上的0°方向偶像差测量标记、45°方向偶像差测量标记、90°方向偶像差测量标记和135°方向偶像差测量标记经投影物镜成像在所述的像传感装置的孔径光阑的表面；所述的0°方向偶像差测量标记、45°方向偶像差测量标记、90°方向偶像差测量标记和135°方向偶像差测量标记的像通过孔径光阑滤波后经成像物镜成像在光电探测器表面并被转换为电信号，该电信号被数据采集卡采集后送入所述的计算机进行数据处理；得到在当前数值孔径NA和部分相干因子σ条件下，0°方向偶像差测量标记的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ31(NA，σ)，45°方向偶像差测量标记的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ32(NA，σ)，90°方向偶像差测量标记的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ33(NA，σ)以及135°方向偶像差测量标记的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ34(NA，σ)； ②球差引起的最佳焦面偏移量是0°方向偶像差测量标记、45°方向偶像差测量标记、90°方向偶像差测量标记和135°方向偶像差测量标记的最佳焦面偏移量的平均值，由下式表示 H/V像散引起的最佳焦面偏移量是0°方向偶像差测量标记的最佳焦面与90°方向偶像差测量标记的最佳焦面之间的距离，由下式表示 ±45°像散引起的最佳焦面偏移量是45°方向偶像差测量标记的最佳焦面与135°方向偶像差测量标记的最佳焦面之间的距离，由下式表示 ③通过改变照明系统的部分相干因子σ、照明方式以及投影物镜的数值孔径NA，利用所述像传感装置测得多组所述最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，ΔZaH/V(NAi，σi)和ΔZa±45(NAi，σi)，式中i＝1，2，3…n； ④利用光刻仿真软件标定在不同的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下所述的投影物镜的偶像差灵敏度系数S1(NAi，σi)，S2(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)和S9(NAi，σi)，由下列公式定义 其中，ΔZs(NAi，σi)，ΔZaH/V(NAi，σi)和ΔZa±45(NAi，σi)为不同数值孔径和部分相干因子下的最佳焦面偏移量，Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21为偶像差的泽尼克系数。
⑤不同数值孔径NA和部分相干因子σ条件下测得的最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，ΔZaH/V(NAi，σi)，ΔZa±45(NAi，σi)(i＝1，2，3……n)与灵敏度系数S1(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)，S9(NAi，σi)以及表征偶像差的泽尼克系数Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21之间的关系由下式表示 利用最小二乘法求解上述三式，即得到与投影物镜的偶像差相关泽尼克系数Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21； ⑥通过精密调节六维扫描平台，将测试掩模上的0°方向偶像差测量标记、45°方向偶像差测量标记、90°方向偶像差测量标记和135°方向偶像差测量标记移动到投影物镜的视场的不同位置，重复上述步骤①～⑤，实现表征投影物镜不同视场位置偶像差的泽尼克系数Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21的测量。
所述的灵敏度系数的标定方法是在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S1(NAi，σi)时，设定Z4一定值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由Z4引起的最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，则此时的灵敏度系数S1(NAi，σi)即为ΔZs(NAi，σi)与Z4之比，所述的S2(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)和S9(NAi，σi)的标定方法与S1(NAi，σi)相似。
本发明由于采用了上述技术方案，与在先技术相比，具有以下优点和积极效果 1.本发明通过0°、45°、90°、135°四个方向的交替型移相光栅标记最佳焦面偏移量测量，全面考虑了各个方向线条的最佳焦面偏移量，从而提高了球差的检测精度。
2.本发明通过测量45°方向和135°方向线条最佳焦面偏移量，实现了±45°像散的检测。
3.本发明的测试掩模中采用了线空比优化的移相光栅标记，对偶像差更为敏感，可以提高偶像差差检测的精度。
4.本发明测量标记最佳焦面偏移量时，无需对掩模上测试标记经投影物镜所成的像进行三维扫描，利用六维扫描平台精确调平后，直接在轴向扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，从而得到测试标记的最佳焦面偏移量。
5.本发明还可通过变换照明方式，使用光瞳滤波等方法使偶像差灵敏度系数变换范围增大，从而提高了偶像差检测精度。
图1是本发明光刻机投影物镜偶像差原位检测系统的结构示意图。
图2是本发明所使用测试掩模上的测试标记的示意图。
图3是本发明采用的像传感装置结构示意图。
图4是本发明实施例中采用的测试标记的Z9灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。
图5是本发明实施例中采用的测试标记的Z16灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。
图6是本发明实施例中采用的测试标记的Z12/Z13灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。
图7是本发明实施例中采用的测试标记的Z21/Z22灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。
具体实施例方式 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明光刻机投影物镜偶像差原位检测系统，如图1所示。该系统包括产生照明光束的光源1；用于调整所述光源发出的光束的束腰尺寸、光强分布、部分相干因子和照明方式的照明系统2；能承载测试掩模3并精确定位的掩模台4；能将测试掩模3上的图形成像且数值孔径可调的投影物镜5；能精确定位的六维扫描平台6；安装在六维扫描平台6上用于测量测试掩模3上的图形成像位置的像传感装置7。
所述的光源1可以是汞灯、准分子激光器、激光等离子体光源和放电等离子体光源等紫外、深紫外和极紫外光源。
所述照明系统2包括扩束透镜组21，光束整形器22和光束均匀器23。
所述照明方式包括传统照明、环形照明、二级照明、四级照明等。
如图2所示，所述的测试掩模3上，包含0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34。
所述0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34是交替型移相光栅标记，或衰减型移相光栅标记，或无铬移相光栅标记等，其线空比可通过优化，达到最大的偶像差灵敏度。
所述投影物镜5可以是全透射式投影物镜、折反式投影物镜、全反射式投影物镜等。
如图3所示，所述像传感装置7由依次相连的孔径光阑71、成像物镜72、光电探测器73、数据采集卡74和计算机75组成。
所述光电探测器73可以是CCD、光电二极管阵列或其它具有光电信号转换功能的探测器阵列。测量标记最佳焦面偏移量时，无需对掩模上测试标记经投影物镜所成的像进行三维扫描，利用六维扫描平台6精确调平后，直接在轴向扫描掩模上测试标记经投影物镜所成的像，从而得到测试标记的最佳焦面偏移量。
一种采用所述的光刻机投影物镜偶像差原位检测系统进行光刻机投影物镜偶像差原位检测的方法。包括以下步骤 光源1发出的照明光经照明系统2中的扩束透镜组21扩束后进入光束整形器22，得到所需要的照明方式，再进入光束均匀器23使照明光的光强均匀化；经光强均匀化后的照明光束照射掩模台4上的测试掩模3，通过调节六维扫描平台6使测试掩模3上的0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34经投影物镜5成像在安装在六维扫描平台6的像传感装置7上的孔径光阑71表面；0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的像通过孔径光阑71滤波后经成像物镜72成像在光电探测器73表面并被转换为电信号，该信号被数据采集卡74采集后送入计算机75进行数据处理，通过计算可得到在当前数值孔径NA和部分相干因子σ条件下，0°方向偶像差测量标记31的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ31(NA，σ)，45°方向偶像差测量标记32的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ32(NA，σ)，90°方向偶像差测量标记33的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ33(NA，σ)，以及135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ34(NA，σ)；通过改变照明系统2的部分相干因子、照明方式以及投影物镜5的数值孔径，利用所述像传感装置7测得多组所述最佳焦面偏移量ΔZ31(NAi，σi)，ΔZ32(NAi，σi)，ΔZ33(NAi，σi)，ΔZ34(NAi，σi)(i＝1，2，3…n)；利用光刻仿真软件标定在不同的数值孔径和部分相干因子条件下所述投影物镜5的偶像差灵敏度系数S1(NA，σ)和S2(NA，σ)；利用所述偶像差灵敏度系数计算得到与投影物镜5的偶像差有关的泽尼克系数的大小。详细的标定与计算的过程如下所述。
投影物镜的波像差通常由泽尼克多项式来表示 其中，ρ，θ为物镜出瞳面的归一化极坐标。泽尼克系数Z9和Z16分别表示三阶球差和五阶球差，Z4与Z5分别三阶的H/V像散和±45°像散，Z12与Z21分别五阶的H/V像散和±45°像散，Z21与Z22分别七阶的H/V像散和±45°像散。在忽略高阶像差的情况下，偶像差引起的图形最佳焦面偏移量可表示为 ΔZs(ρ)∝Z4+Z9(3ρ2-1.5)+Z16(10ρ4-10ρ2+1)，(2) 其中，ΔZs(ρ)是球差引起的最佳焦面偏移量，ΔZaH/V(ρ)是由H/V像散引起的最佳焦面偏移量，ΔZa±45(ρ)是由±45°像散引起的最佳焦面偏移量。由(2)～(4)式可看出，偶像差对图形最佳焦面偏移的影响依赖于测量标记在光瞳面的频谱分布。
球差引起的最佳焦面偏移量是0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面偏移量的平均值，可由下式计算 H/V像散引起的最佳焦面偏移量是0°方向偶像差测量标记31的最佳焦面与90°方向偶像差测量标记33的最佳焦面之间的距离 ±45°像散引起的最佳焦面偏移量是45°方向偶像差测量标记32的最佳焦面与135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面之间的距离 与此同时，偶像差引起的测量标记最佳焦面偏移量还取决于投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子。在偶像差一定的情况下，改变投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子将使不同空间频率的光线的光强分布发生变化，从而使偶像差引起的测量标记最佳焦面发生变化。调节光束整形器22改变照明系统的部分相干因子和照明方式，并调节投影物镜5的数值孔径，由偶像差引起的最佳焦面偏移量可表示为 ΔZs(NAi，σi)＝S1(NAi，σi)Z4+S2(NAi，σi)Z9+S3(NAi，σi)Z16，(i＝1，2，3……n)，(8) 其中，ΔZs(NAi，σi)为在给定的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下球差引起的最佳焦面偏移量，ΔZaH/V(NAi，σi)为在给定的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下H/V像散引起的最佳焦面偏移量，ΔZa±45(NAi，σi)为在给定的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下±45°像散引起的最佳焦面偏移量。S1(NAi，σi)，S2(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)和S9(NAi，σi)为偶像差灵敏度系数，由下列公式定义 灵敏度系数随投影物镜的数值孔径和照明系统的部分相干因子变化，可利用光刻仿真软件标定得到。如标定在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S1(NAi，σi)时，可设定一定的Z4值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由Z4引起的最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，则此时的灵敏度系数S1(NAi，σi)可即为ΔZs(NAi，σi)与Z4之比，S2(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)和S9(NAi，σi)的标定方法与S1(NAi，σi)相似。
在一系列不同的数值孔径和部分相干因子设置下，通过安装在六维扫描平台6上的像传感装置7探测测试掩模3上0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的空间像可以得到其光强分布并计算得到最佳焦面偏移量，可由以下矩阵方程表示 上述方程为超定方程，可通过最小二乘法求解。利用像传感装置7在一系列数值孔径和部分相干因子设置下测量视场内不同位置处0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面偏移量，利用标定的灵敏度系数可以计算得到视场内相应位置的泽尼克系数Z9，Z16，Z12，Z13，Z21和Z22。
本发明实施例的系统结构如图1所示，光源1采用波长为193nm的ArF准分子激光器，照明系统2提供的照明方式为传统照明，部分相干因子变化范围为0.3～0.8。投影物镜5的数值孔径变化范围为0.5～0.8。测试掩模3上的0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34均为线宽为250nm的交替型移相光栅标记，其线空比为1∶m。投影物镜5是全透射式投影物镜。图3中的光电探测器73为光电二极管阵列。
以90°方向偶像差测量标记33为例，其复透过率函数为 其中，w为交替型移相光栅的线宽。交替型移相光栅在物镜光瞳面的频谱分布为其复透过率函数的傅里叶变换 其中fx＝sinθ/λ，为空间频率变量。
由(24)式可知，交替型移相光栅的频谱分布取决于光栅的线空比。当光栅的线空比为1∶2时，只有±1级和±5级衍射光可以进入光瞳，而且±5级衍射光恰好位于光瞳中偶像差影响最大的区域，因此可以获得较大的偶像差灵敏度系数变化范围，适于用于偶像差检测。因此，在本实施例中，图3中的0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34均采用线空比为1∶2的交替型移相光栅。
在本实施例中，通过在不同的数值孔径和部分相干因子条件下测量0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面偏移量，利用(5)～(7)和(20)～(22)式计算得到与偶像差相关的泽尼克系数。
灵敏度系数的变化范围是影响偶像差检测精度的关键因素。下面给出本实施例部分偶像差灵敏度系数的仿真结果。图4为本发明采用测试掩模3上的0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面偏移量的平均值的Z9灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。图5为本发明采用测试掩模3上的0°方向偶像差测量标记31、45°方向偶像差测量标记32、90°方向偶像差测量标记33、135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面偏移量的平均值的Z16灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。图6为本发明采用测试掩模3上0°方向偶像差测量标记31的最佳焦面与90°方向偶像差测量标记33的最佳焦面之间距离的Z12/Z13灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。图7为本发明采用测试掩模3上45°方向偶像差测量标记32的最佳焦面与135°方向偶像差测量标记34的最佳焦面之间的距离的Z21/Z22灵敏度系数与数值孔径、部分相干因子之间的关系。
实验结果表明，本发明提高了偶像差检测精度和检测速度。
权利要求
1.一种光刻机投影物镜偶像差原位检测系统，包括产生照明光束的光源(1)，用于调整所述光源(1)发出的光束的束腰尺寸、光强分布和部分相干因子和照明方式的照明系统(2)，能承载测试掩模(3)并精确定位的掩模台(4)，能将掩模图形成像且其数值孔径可调的投影物镜(5)，能精确定位的工件台(6)，安装在工件台(6)上的测量测试掩模(3)上的图形成像位置的像传感装置(7)，其特征在于所述测试掩模(3)由0°方向偶像差测量标记(31)、45°方向偶像差测量标记(32)、90°方向偶像差测量标记(33)和135°方向偶像差测量标记(34)组成，所述的0°方向偶像差测量标记(31)、45°方向偶像差测量标记(32)、90°方向偶像差测量标记(33)和135°方向偶像差测量标记(34)的移相光栅标记，所述像传感装置(7)由依次相连的孔径光阑(71)、成像物镜(72)、光电探测器(73)、数据采集卡(74)和计算机(75)组成。
2.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜偶像差原位检测系统，其特征在于所述的移相光栅标记为交替型移相光栅标记，或衰减型移相光栅标记，或无铬移相光栅标记。
3.根据权利要求1所述的光刻机投影物镜偶像差原位检测系统，其特征在于所述的光电探测器(73)是CCD，或光电二极管阵列。
4.利用权利要求1所述的光刻机投影物镜偶像差原位检测系统进行光刻机投影物镜偶像差原位检测的方法，其特征在于该方法包括以下步骤
①光源(1)发出的照明光经照明系统(2)照射掩模台(4)上的测试掩模(3)，测试掩模(3)上所述的0°方向偶像差测量标记(31)、45°方向偶像差测量标记(32)、90°方向偶像差测量标记(33)和135°方向偶像差测量标记(34)经投影物镜(5)成像在安装在六维扫描平台(6)的像传感装置(7)上孔径光阑(71)的表面；所述的0°方向偶像差测量标记(31)、45°方向偶像差测量标记(32)、90°方向偶像差测量标记(33)和135°方向偶像差测量标记(34)的像通过孔径光阑(71)滤波后经成像物镜(72)成像在光电探测器(73)表面并被转换为电信号，该电信号被数据采集卡(74)采集后送入所述的计算机(75)进行数据处理；得到在当前数值孔径NA和部分相干因子σ条件下，0°方向偶像差测量标记(31)的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ31(NA，σ)，45°方向偶像差测量标记(32)的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ32(NA，σ)，90°方向偶像差测量标记(33)的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ33(NA，σ)以及135°方向偶像差测量标记(34)的最佳焦面与理想焦面之间的偏移量ΔZ34(NA，σ)；
②球差引起的最佳焦面偏移量是0°方向偶像差测量标记(31)、45°方向偶像差测量标记(32)、90°方向偶像差测量标记(33)和135°方向偶像差测量标记(34)的最佳焦面偏移量的平均值，由下式表示
H/V像散引起的最佳焦面偏移量是0°方向偶像差测量标记(31)的最佳焦面与90°方向偶像差测量标记(33)的最佳焦面之间的距离，由下式表示
±45°像散引起的最佳焦面偏移量是45°方向偶像差测量标记(32)的最佳焦面与135°方向偶像差测量标记(34)的最佳焦面之间的距离，由下式表示
③通过改变照明系统(2)的部分相干因子σ、照明方式以及投影物镜(5)的数值孔径NA，利用所述像传感装置7测得多组所述最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，ΔZaH/A(NAi，σi)和ΔZa±45(NAi，σi)式中i＝1，2，3…n，n为正整数，以下相同；
④利用光刻仿真软件标定在不同的数值孔径NA和部分相干因子σ条件下所述的投影物镜(5)的偶像差灵敏度系数S1(NAi，σi)，S2(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)和S9(NAi，σi)，由下列公式定义
其中，ΔZs(NAi，σi)，ΔZaH/V(NAi，σi)和ΔZa±45(NAi，σi)为不同数值孔径和部分相干因子下的最佳焦面偏移量，Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21为偶像差的泽尼克系数；
⑤不同数值孔径NA和部分相干因子σ条件下测得的最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，ΔZaH/V(NAi，σi)，ΔZa±45(NAi，σi)与灵敏度系数S1(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)，S9(NAi，σi)以及表征偶像差的泽尼克系数Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21之间的关系由下式确定
利用最小二乘法求解上述三式，即得到与投影物镜(5)的偶像差相关泽尼克系数Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21；
⑥调节六维扫描平台(6)，将测试掩模(3)上的0°方向偶像差测量标记(31)、45°方向偶像差测量标记(32)、90°方向偶像差测量标记(33)和135°方向偶像差测量标记(34)移动到投影物镜(5)的视场的不同位置，重复上述步骤①～⑤，实现表征投影物镜不同视场位置偶像差的泽尼克系数Z4、Z5、Z6、Z9、Z12、Z13、Z21和Z21的测量。
5.根据权利要求4所述的光刻机投影物镜偶像差原位检测的方法，其特征在于所述的灵敏度系数的标定方法是在一定的数值孔径和部分相干因子条件下的灵敏度系数S1(NAi，σi)时，设定Z4一定值而取其它泽尼克系数为零，使用光刻仿真软件仿真计算得到由Z4引起的最佳焦面偏移量ΔZs(NAi，σi)，则此时的灵敏度系数S1(NAi，σi)即为ΔZs(NAi，σi)与Z4之比，所述的S2(NAi，σi)，S3(NAi，σi)，S4(NAi，σi)，S5(NAi，σi)，S6(NAi，σi)，S7(NAi，σi)，S8(NAi，σi)和S9(NAi，σi)的标定方法与S1(NAi，σi)相似。
全文摘要
一种光刻机投影物镜偶像差原位检测系统及检测方法，所述系统包括光源、照明系统、测试掩模、掩模台、投影物镜、工件台、安装在所述工件台上的像传感装置、数据采集卡以及计算机。所述像传感装置包括孔径光阑、成像物镜、光电探测器。所述测试掩模包含一种用于偶像差原位检测的测试标记，由0°、45°、90°、135°四个方向的移相光栅标记组成，光栅的线空比经过优化，达到最大的像差灵敏度。所述的检测方法，是在不同的数值孔径和部分相干因子设置下，通过像传感装置测量所述测试标记的最佳焦面偏移量，然后标定所述投影物镜的偶像差灵敏度系数，再利用偶像差灵敏度系数计算得到所述投影物镜的偶像差。本发明的优点是提高了偶像差的检测精度。
文档编号G03F7/20GK101221372SQ20081003310
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者袁琼雁, 王向朝, 邱自成 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所