专利名称：一种光瞳测量装置及图像处理方法
技术领域：
本发明涉及一种光刻曝光系统，且特别涉及光刻曝光系统中的一种光瞳测量装置及图像处理方法。
背景技术：
在光刻曝光系统中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。所以既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸的图形，又要保持合适的焦深。离轴照明技术可以提高焦深并且提高了分辨率。当今先进的光刻工艺要求使用离轴照明技术，包括环形照明、双极照明、四才及照明等。通过合理的选择与曝光图案相匹配的光瞳形貌可以最大限度的提高工艺窗口 ，这就要求照明系统具有可调节的光瞳形貌。
光刻照明系统通过DOE (Diffraction Optical Element)来产生光瞳平面内光束的空间强度分布，具体的实现方式，请参看中国专利CN1474235。该专利提供了一种光刻照明装置，该装置采用衍射片、变焦透4竟组、 一对凹凸互补的旋转三棱镜来产生连续可变的照明光瞳，这种方法在改变照明光瞳形貌时可以不损失光能。衍射光学元件DOE可以对入射的平行光进行相位调制，使光束偏折以在远场形成所需的诸如二才及、四极等照明光瞳形貌。
由以上描述可知，衍射光学元件、变焦透镜组和旋转三棱镜是产生照明光瞳形貌的关M:器件，衍射光学元件可以用二元光学的方法来实现，它对光束产生衍射作用，使照明光瞳形成所需的照明形貌；变焦透镜组的焦距可变，这样可以形成可调的照明相干因子；旋转三棱镜通过调节两个三棱镜的距离可以产生内外环可变的环形照明。
光刻曝光时要求具有理想的照明光瞳形貌，实际中，由于衍射光学元件的设计质量、照明系统的装调误差等原因，可能会引起照明光瞳质量变差。.图1说明了由于光束指向和照明系统的光轴有夹角时，会导致旋转三棱镜所产生的环
3形照明的3f不不同心。
以上所说的光瞳质量具体是指，衍射光学元件所产生的实际光瞳形貌和设计值之间的差异，光刻照明系统中照明光瞳质量主要包括x方向光瞳均匀性，y方向光瞳均匀性，和四极方向光瞳均匀性，另外，还有环形照明光瞳内外环的同心性等。x和y方向光瞳均匀性，分别是针对x方向和y方向上的二极照明，是指二极照明的两极照明强度之间的差异，如图2所示。如果照明光瞳有x或y方向的光瞳不均匀，这将导致在离焦的情况下光刻成《象的位置偏差，并会对套刻精度产生影响，而四极方向光瞳均匀性是指照明光瞳在四个象限的光瞳能量差异，四极方向光瞳的非均匀性，将会导致在刻接触孔形状时，会产生光刻线条的椭圓性，另外，光瞳质量还包括单个极本身的照明均匀性。
发明内容
为了克服已有技术中光刻曝光系统的光瞳质量检测不方便的问题，本发明提供一种能够方便检测光瞳质量的光瞳测量装置及图像处理方法
为了实现上述目的，本发明提出一种光瞳测量装置，包括傅里叶透镜；进光孔，位于所述傅里叶透镜一侧的焦面上；电荷耦合器件，位于所述傅里叶透镜另一侧的焦面上；图像处理系统，和所述电荷耦合器件相连。
可选的，所述光瞳测量装置和一控制台相连，由所述控制台控制所述光瞳测量装置的运动。
可选的，所述光瞳测量装置在光路方向上放置于一投影物4竟的一侧。可选的，所述投影物镜的另 一侧放置一掩膜板或一光瞳测试掩膜板。可选的，所述光瞳测试掩膜板上分布多个小孔。可选的，相邻所述小孔之间的距离相等。可选的，所述小孔的形状是圆形、方形或三角形。
为了实现上述目的，本发明还提出一种光瞳图像处理方法，包括如下步骤判断所述光瞳的类型；确定所述光瞳图像的中心；计算所述光瞳的能量；计算所述光瞳椭圆度、才及平衡性或同心性。
可选的，上述方法还包括一步进扫描过程，测量装置在像面的二维方向步进扫描，分别测量掩膜上多个小孔的光瞳质量，评估其对光刻线条均匀性的影响。可选的，所述光曈的类型包括圆孔照明光瞳、二才及照明光瞳、四才及照明光瞳和环形照明光瞳。
本发明所述的一种光瞳测量装置及图像处理方法的有益效果主要表现在本发明提供的光瞳测量装置可以在线的测量照明光瞳的光瞳质量，本发明提供的光瞳图像处理方法可以利用光瞳的形貌诊断光学系统的设计质量和装调误差。
图1为光刻曝光系统的结构示意图2为本发明光瞳测量装置的结构示意图3为本发明掩膜板的结构示意图4为本发明面阵CCD上测量的环形照明光瞳面示意图5为本发明光瞳测量装置进行光瞳测试的示意图6为本发明计算光瞳椭圆性所用的模板示意图7为本发明的二级照明光瞳形貌示意图8为本发明的四级照明光瞳形貌示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对发明作进一步的描述。
图1为光刻曝光系统的结构示意图，光刻曝光系统主要包括光源，用于提供照明光，光束传输系统，将光束传输入射在衍射光学元件(D0E)上，D0E将光束衍射入射进入照明系统，照明系统的光瞳上形成所需要的照明光瞳，并均匀的照射掩膜；投影物镜将掩膜上含有电路版的图像成像在硅片面上。在这里，照明系统的光瞳和投影物镜的光瞳之间具有共轭关系，若要测量照明光瞳很难在照明系统或投影物镜的光瞳面进行。本发明利用一傅立叶变换透镜，将硅片面上的像点一定距离处重新形成光瞳，形成的光瞳具有和照明光瞳共轭的关系，测量该光瞳的光瞳质量就可以评估照明光瞳的质量。
本发明具体是这样实现的
设置专用的光瞳测试掩膜，掩膜上均匀分布一定数量的小孔，小孔的形状可以是圆形，方形，三角形等，如图3所示。同样，在制造型的掩膜版上也可
5以设置这样小孔，用来作为测试掩膜。掩膜的小孔用来产生点光源。设置这样的掩膜的目的是可以对照明场内的多个点进行光瞳测试，这样可以评估不同照明视场点的光瞳质量。
在测试掩膜的像面上用光瞳测试装置进行测量。光瞳测试装置的典型结构
如图2所示，光瞳测量装置包括一小孔1,掩膜小孔的共扼像入射进入小孔1内，小孔1放置在傅立叶透镜2的前焦面上，傅立叶透镜2的后焦面用面阵CCD 3进行接收。这样，傅立叶变换透镜的后焦面和照明光瞳面成共轭的关系，测量CCD 3上的光瞳质量，将测量数据传输到图像处理系统5，就可以评估照明光瞳的质量。如图4所示，为在CCD平面上可测量到的环形照明光瞳的形貌。
在整个测量装置中，对光瞳测量精度起主要作用的是傅立叶变换透镜的设计质量，由傅立叶光学理论可知，当像点放置在傅立叶透镜的前焦面上时，在傅立叶透镜的后焦面将形成其瞳面。
傅立叶变换透镜要求对两对物象共轭位置校正像差。傅立叶变换透镜必须使无穷远入射的平行光束在后焦面上完善的成像；第二对必须控制像差的共轭平面是以输入面作为物体，对应的像在像方无穷远。傅立叶变换透镜要求设计像差小于四分之一波长，这样，保证测量的光瞳面为完善的照明光瞳面。
由于照明视场具有一定的大小，需要对照明视场内的多个点测量光瞳，这样才能评估整个照明场内的光瞳质量。本测量方法还包括一步进扫描过程，测量装置可以在像面上步进扫描，分别测量掩膜上多个小孔的光瞳质量，就可以评估曝光系统在整个照明场内的光瞳，本系统的总体结构示意图如图5所示，光线通过掩膜板111上的小孔出射到投影物镜112上，再进入本发明的光瞳测量装置113。
由CCD采集到测量点的光瞳信息后，需要对光瞳进行分析，以确定光瞳质
量。本发明还包括一种光瞳图像处理算法，图像处理算法用于对所采样的光瞳
进行分析，以得到二极照明和四极照明光瞳极平衡性、环形照明的同心性、光
瞳本身的均匀性等指标。
l.对于传统照明光瞳形貌，首先进行图像消噪，利用能量中心法算出光斑
的中心点C,以C作为光瞳的中心点。如图9所示为计算光瞳椭圆性所用的才莫板，
首先将模板的中心与光瞳中心C对准。分别将光瞳图像与(a)和(b)相乘。(a)为光瞳x方向透光的模板，(b)为光瞳y方向透光的才莫板，这样分别计算光瞳 在x和y方向上的能量，光瞳椭圆度定义为光瞳能量在x和y方向上的能量差
异，用公式表达为朋树c矽-J^。根据所测得的x和y能量，就可以计算光 瞳椭圆度。
2.对于二极照明光瞳，影响光瞳的主要指标是极平衡性，首先寻找光瞳图 像的中心，然后分别求得两极光瞳的能量，利用公式
Non — balance =
求得二极光暧极平衡性。
3. 对于四极照明光瞳，先算出光瞳能量的中心点C，过C点做分界线，将光 斑分解为4象限，分别计算各象限的光能量大小Ei、 E2、 E3和E"根据公
式Non - balance =腿(Wmi,"』(4))计算四极光瞳极平衡性。 max(￡())...￡(4)) + min(五w…五w)
4. 对于环形照明光瞳形貌，首先计算出光瞳能量的中心点，然后利用数学 形态学图像处理算法，寻找光瞳内外环的边界，分别寻找内外环的几何 中心，并评估环形照明内外环的同心性。
5. 光瞳测试装置在照明视场内沿x和y方向做二维移动，寻找照明视场内 各个像点，并获得各个像点的光瞳图像，通过对每个光瞳进行处理，可 以获得整个照明视场的光瞳差异。并且可以评估这种光瞳差异性所造成 的光刻线条均匀性(CDU)影响。
通过上述的照明光瞳测量装置，可以实现如下的功能
1. 在一定的sigma (照明相干因子)设置下，测量照明光瞳的形貌，利用数 字图像处理的方法分析照明光瞳的均勻性，极平衡性等指标，可以评估 衍射光学元件的性能。
2. 通过在一组sigma范围下测量光瞳形貌，可以检测变焦透镜的变焦范围， 并可以诊断光学系统的装调误差。
3. 通过测量环形照明的内外环的同心性，并结合照明远心测量，可以寻找 最佳的入射光束方向。
通过在照明-f见场内的不同点来测量照明光瞳，可以测量整个照明视场的光瞳差异。并且可以评估这种光瞳差异性所造成的CDU影响。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各 种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
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权利要求
1. 一种光瞳测量装置，其特征在于包括傅里叶透镜；进光孔，位于所述傅里叶透镜一侧的焦面上；电荷耦合器件，位于所述傅里叶透镜另一侧的焦面上；图像处理系统，和所述电荷耦合器件相连。
2. 根据权利要求1所述一种光瞳测量装置，其特征在于所述光瞳测量装置 和一控制台相连，由所述控制台控制所述光瞳测量装置的运动。
3. 根据权利要求l所述一种光瞳测量装置，其特征在于所述光瞳测量装置 在光路方向上放置于一投影物镜的一侧。
4. 根据权利要求3所述一种光瞳测量装置，其特征在于所述投影物镜的另 一侧放置一掩膜板。
5. 根据权利要求4所述一种光瞳测量装置，其特征在于所述掩膜板上分布 多个小孔。
6. 根据权利要求5所述一种光瞳测量装置，其特征在于相邻所述小孔之间 的距离相等。
7. 根据权利要求5所述一种光瞳测量装置，其特征在于所述小孔的形状是 圆形、方形或三角形。
8. —种光瞳图像处理方法，其特征在于包括如下步骤 判断所述光瞳的类型；确定所述光瞳图像的中心； 计算所述光瞳的能量； 计算所述光瞳椭圆度、极平衡性或同心性。
9. 根据权利要求8所述一种光瞳图像处理方法，其特征在于还包括一步进 扫描过程，测量装置在像面的二维方向步进扫描，分别测量掩膜上多个小孔的 光瞳质量，评估其对光刻线条均匀性的影响。
10. 根据权利要求8所述一种光瞳图像处理方法，其特征在于所述光瞳的类 型包括圓孔照明光瞳、二^L照明光瞳、四才及照明光瞳和环形照明光瞳。
全文摘要
本发明提出一种光瞳测量装置，包括傅里叶透镜；进光孔，位于所述傅里叶透镜一侧的焦面上；电荷耦合器件，位于所述傅里叶透镜另一侧的焦面上；图像处理系统，和所述电荷耦合器件相连，本发明提供一种光刻曝光系统光瞳测量装置，可以在线的测量照明光瞳的光瞳质量，并可以利用光瞳的形貌诊断光学系统的设计质量和装调误差。
文档编号G03F7/20GK101487987SQ200910046820
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者勇 郭 申请人:上海微电子装备有限公司