专利名称：基于空间像自定心的投影物镜波像差检测方法
技术领域：
本发明涉及光刻机，尤其涉及一种基于空间像自定心的投影物镜波像差检测方法。
背景技术：
光刻机是当今世界制造极大规模集成电路最为关键的设备之一。投影物镜作为光刻机的最重要组成部分之一，它的成像质量直接决定光刻机的性能。如何快速、精确的检测光刻机投影物镜的波像差是光刻机技术中最重要的问题之一。波像差可以按奇偶分为两类，其中，奇像差会引起空间像的成像位置偏移，并导致空间像对称位置的特征尺寸 ⑶(Critical Dimensions)不对称等形状改变；偶像差则会引起空间像的焦面偏移，并导致空间像离轴位置的CD不均衡等形状改变。当投影物镜有波像差存在时，将造成光刻成像质量的恶化和工艺窗口的减小，特别是随着光刻的特征尺寸不断减小，光刻机投影物镜波像差对光刻成像质量的影响越来越突出。研发快速，高精度的投影物镜波像差检测技术具有重要的意义。TAMIS(The transmission image sensor (TIS) at multiple illumination settings)技术是目前国际上获得广泛认可的投影物镜波像差检测技术之一。具有简便、可靠等特性(参见在先技术 1，H. van der Laan, Μ. Dierichs, H. vanGreevenbroek, Ε. McCoo, F.Stoffels, R. Pongers and R. ffillekers, "Aerialimage measurement methods for fast aberration set-up and illuminationpupil verification, "Proc. SPIE 4346, 394-407(2001).)。TAMIS技术采用二元检测标记孤立线以及一个方孔，其中孤立线包括 X，Y两个方向，分别用于检测两个方向的成像位置偏移量和最佳焦面偏移量，方孔用于补偿照明光源的光强波动。通过安装在工件台上的透射式图像传感器扫描得到检测标记的成像位置，再与理想成像位置比较后得到成像位置偏移量和最佳焦面偏移量，然后利用数学模型计算对应的彗差和球差。TAMIS技术测量波像差时，由于使用有限的空间像位置偏移信息，而忽略了大量的空间像的形状改变信息，所以其测量精度相对较低。又由于TAMIS技术测量投影物镜的波像差时需要使用十种以上的照明设置，因此测量速度较慢。而且TAMIS 技术可以测量的泽尼克系数的数量非常有限，仅局限于低阶9个泽尼克像差，随着光刻特征尺寸的不断减小，波像差测量精度的不断提高，TAMIS技术的测量精度、速度和泽尼克像差的种类均无法满足波像差测量要求。基于空间像主成份分析的波像差检测技术是一种新近提出的投影物镜波像差现场检测技术。该技术具有求解精度高，噪声容限大的特点(参见在先技术2，Anatoly Y.Bourov, Liang Li， Zhiyong Yang， Fan Wang, Lifeng Duan，“Aerialimage model and application to aberration measurement，，，Proc· SPIE 7640, 765032 (2010).)。在先技术2是一种基于物理仿真和统计分析的波像差检测技术。它首先利用物理仿真对空间像进行主成份分析，然后建立主成份系数与数值孔径NA (Numerical Aperture)，照明参数，泽尼克像差之间的回归矩阵，以仿真和统计分析得到的主成份矩阵和回归矩阵作为模型，对实测空间像进行主成份分解和泽尼克像差回归运算，实现对投影物镜的现场检测。在先技术 2理论上可以测量& A7共33阶泽尼克像差，而且与在先技术1相比具有更高的像差测量精度和更快的测量速度。但是，由于在先技术2需要对多种照明方式进行模型训练，并联合多种照明方式求解像差，存在建模复杂，实测速度相对较慢的问题。又由于在先技术2在对空间像进行定心的过程中，误差较大，速度较慢，从而影响了泽尼克像差的求解精度和速度。所谓定心，就是从实测的空间像求得其真实坐标原点位置的过程。定心存在误差会直接影响对空间像进行主成份分解的精度，从而影响波像差的求解精度。在先技术2的空间像定心方法是小范围匹配法，即选取模型主成份的局部区域分解实测空间像的等尺寸区域，以实测与拟合的残差最小为原则，遍历空间像的全部或局部，从而找到最优的匹配位置完成定心。这种方法主要存在以下三个问题第一也是所有遍历方法的普遍问题，即耗费大量时间做搜索比较工作，而且该方法每次搜索时都要对所选区域进行一次主成份分解；第二是选取的模型主成份查询区域要很好地表征整幅空间像的特征，而且尺寸要适当，过小则无法包含足够的特征信息，而过大又将造成求解时间的浪费；第三是遍历的步长，大步长遍历只能粗糙的求得匹配位置，无法达到精确定心的目的，小步长又将大量消耗定心时间。所以这种方法由于存在匹配区域的选取，遍历步长的确定等问题影响了泽尼克像差求解的精度和速度，实际测量中并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空间像自定心算法的投影物镜波像差检测方法， 该方法简化了波像差测量流程，在提高波像差测量精度的同时，缩短测量时间。本发明的技术解决方案如下一种基于空间像自定心的投影物镜波像差检测方法，该方法利用的系统包括产生照明光束的照明光源；能调整照明光源发出光束的束腰尺寸，光强分布，部分相干因子和照明方式的照明系统；能承载测试掩模并拥有精确步进和定位能力的掩模台；能将测试掩模上的检测标记按照一定比例缩放成像的投影物镜；能精确步进和定位的工件台；安装在工件台上的用于采集检测标记所成空间像的图像传感装置；与所述图像传感装置相连的用于光刻机控制，数据采集和处理的计算机，其特征在于该方法所述的照明系统的照明方式是传统照明方式，部分相干因子O是0.8;所述的测试掩模应具有便于最大光强定心的特征，是孤立线、孤立空、或中线宽于边线的3线，5线检测标记；所述的检测标记包含0度，90 度两个方向的检测标记；该方法包括如下步骤①建立仿真空间像训练库AIB (Aerial Image Training Base)首先，调用MATLAB按照BoX_Behnken design的统计方式根据公式(1)设计泽尼克像差训练、库 ZB (Zernike Aberration Training Base), Box_Behnkendesign 是一种统计设计方法，它的设计原则是每次只有两个元素取非零值，泽尼克像差变化范围为-0. 1 λ 0. 1 λ，ZB = 0. I^BBdesign(ZN) (ZN = 3,4, —,33) (1)
其中，ZN表示模型使用泽尼克像差的个数，因为BBdesign理论上可以设计的泽尼克像差的个数观最少为3个，而本方法可以求解\ Z37共33项泽尼克系数，所以ZN的取值是3到33的整数，得到的观是一个N行ZN列的矩阵，N是一个与ZN相关的量，ZB的
每一行表示一组训练用的泽尼克像差。然后，选取泽尼克像差训练库观的第一行作为训练用像差，输入光刻仿真软件 (PR0LITH、Solid-C等)的光瞳函数中，再设定仿真软件的各项参数，包括照明光源的波长、 照明方式及部分相干因子ο、投影物镜的数值孔径、空间像的采样范围、采样点数等，其中本发明使用的照明方式为传统照明，部分相干因子ο为0.8，将0度检测标记仿真成像在 F-X平面，得到第一幅空间像。再对进行定心处理首先用MATLAB的命令max和find找到碎°的最大光强值及最大光强值在碎°中的位置，再将此位置作为优化函数Fminsearch的搜索起始点，找到精确的最大光强位置，最后根据最大光强位置插值出新的空间像^4”，插值出的新空间像
该使最大光强位于整幅空间像的图像中心。然后，依次代入观中的各组泽尼克像差生成仿真空间像并做定心和插值处理，要求每幅空间像《(°插值得到的新空间像都有相同的尺寸。同法，将90度检测标记仿真成像在F-Y平面，并进行定心和插值处理。最后，将所有定心和插值后的空间像按照公式(2)排列组成仿真空间像训练库 AIB
权利要求
1. 一种基于空间像自定心的投影物镜波像差检测方法，该方法利用的系统包括产生照明光束的照明光源(1)；能调整照明光源(1)发出光束的束腰尺寸，光强分布，部分相干因子和照明方式的照明系统O)；能承载测试掩模(3)并拥有精确步进和定位能力的掩模台；能将测试掩模( 上的检测标记( 按照一定比例缩放成像的投影物镜(6)；能精确步进和定位的工件台(7)；安装在工件台(7)上的用于采集检测标记(5)所成空间像的图像传感装置(8)；与所述图像传感装置相连的用于光刻机控制，数据采集和处理的计算机(9)，其特征在于该方法所述的照明系统O)的照明方式是传统照明方式，部分相干因子 σ是0. 8 ；所述的测试掩模(3)应具有便于最大光强定心的特征，是孤立线、孤立空、或中线宽于边线的3线，5线检测标记；所述的检测标记(5)包含0度，90度两个方向的检测标记； 该方法包括如下步骤①建立仿真空间像训练库AIB首先，调用MATLAB按照BoX_Behnken design (以下简称为BBdesign)的统计方式根据公式(1)设计泽尼克像差训练库ZB，泽尼克像差的变化范围为-0. 1 λ 0. 1 λ， ZB = 0. I^BBdesign(ZN) (ZN = 3,4, —,33) (1)其中，ZN表示泽尼克像差训练库模型选用的泽尼克像差的个数，因为BBdesign理论上可以设计的泽尼克像差的个数观最少为3个，而本方法可以求解 τ、 共33项泽尼克系数，所以ZN的取值是3到33的整数，所述的观是一个N行ZN列的矩阵，N是一个与ZN 相关的量，ZB的每一行表示一组训练用的泽尼克像差；然后，选取泽尼克像差训练库观的第一行作为训练用像差，输入光刻仿真软件 (PR0LITH、Solid-C等)的光瞳函数中，再设定仿真软件的各项参数，包括照明光源的波长、 照明方式及部分相干因子ο、投影物镜的数值孔径、空间像的采样范围、采样点数，其中本发明使用的照明方式为传统照明，部分相干因子。为0.8，将0度检测标记仿真成像在F-X 平面，得到第一幅空间像再对进行定心处理首先用MATLAB的命令max和find找到的最大光强值及最大光强值在碎°中的位置，再将此位置作为优化函数Fminsearch的搜索起始点，找到精确的最大光强位置，最后根据最大光强位置插值出新的空间像^4”，插值出的空间像最大光强位于整幅仿真空间像的图像中心；然后，依次代入观中的各组泽尼克像差生成仿真空间像并做定心和插值处理，要求每幅空间像叫°插值得到的仿真空间像都有相同的尺寸；同法，将90度检测标记仿真成像在F-Y平面，并进行定心和插值处理；最后，将所有定心和插值后的空间像^^按照公式(2)排列组成仿真空间像训练库AIB _ AIB0 _AIB = [aib-_②建立仿真空间像训练库AIB与泽尼克像差训练库观间的线性关系模型 该模型包含主成份矩阵PCM和泽尼克回归矩阵ZRM ；首先，对仿真空间像训练库AIB按照公式(3)进行主成份分析，得到一系列训练空间像的主成份矩阵PCM、本征值Latent和主成份系数PCc [PCc, PCM, Latent] = princomp (AIB)(3)它们之间存在如下的关系AIB = PCM · PCc(4)再按照公式(5)和(6)建立从主成份系数PCc到泽尼克像差训练库观的泽尼克回归矩阵ZRM [bj, R/] = regress (PCcj, [IZBjDj = 1,2,…，N (5) ZRM = Cb1 b2...bj …bN]T (6)其中，N是 的行数，R/是拟合优度，是函数regrress的返回值，用于评估ZRM的第j 行的拟合质量；它们之间存在如下的关系 PCc = ZRM · ZB (7)结合方程(4)和(7)，仿真空间像训练库AIB与泽尼克像差训练库观间的线性关系模型可以按照公式(8)简单表示 AIB = PCM · ZRM · ZB (8)③采集实测空间像运行光刻机配套的伺服软件，按照步骤①中生成仿真空间像训练库AIB时使用的参数条件设置光刻机的各项参数，包括照明光源的波长、照明方式及部分相干因子、投影物镜的数值孔径、空间像的采样范围、采样点数以及各个视场点空间像的采样次数等参数；运行空间像采集程序，图像传感装置(8)对所有视场点的两个方向检测标记(5)的空间像进行采集，将采集的空间像输入计算机(9)中的MATLAB软件，使用.mat格式存储，建立实测空间像库AIBR ；④对实测空间像库AIBR进行预处理生成待测空间像库AIBS对实测空间像库AIBR进行的预处理是指对AIBR中的每一幅实测空间像AIBIij进行的预处理，包括三个步骤第一步是平滑降噪处理，第二步是最大光强位置定心，第三步是插值重构；首先，对实测空间像AIBIij进行平滑降噪，使用B型样条滤波的方法，利用MATLAB中的 spaps函数实现；然后，对平滑降噪后的实测空间像AIBIij使用MATLAB的命令max和find找到最大光强值及最大光强值在AIBIij中的位置，再将此位置作为优化函数Fminsearch的搜索起始点， 找到精确的最大光强位置完成定心；最后，根据最大光强位置插值出新的空间像，即待测空间像AIBSj, AIBh的最大光强位于整幅空间像的图像中心，并且AIBh的尺寸与空间像训练库AIB中的空间像尺寸保持一致，最后将所有的待测空间像AIBh组合起来构成待测空间像库AIBS ；⑤实测空间像的像差求解首先，利用步骤②中得到的主成份矩阵PCM，对待测空间像库AIBS中的每一幅待测空间像AIBh按下列矩阵方程式(9)进行主成份分解，得到待测空间像的主成份系数PCcS: PCcSj = (PCMt · PCM)· (PCMt · AIBSj) j = 1,2,…，M (9) 其中，PCMt表示PCM的转置，AIBSj为待测空间像库AIBS中的第j幅空间像，M是待测空间像库AIBS中空间像的总数；然后，利用步骤②中得到的拟合优度R2值评估泽尼克回归矩阵ZRM，选取所有Ri2大于 0. 9的泽尼克回归矩阵ZRM的行向量ZRMi,组成新的泽尼克回归矩阵ZRMU ；最后，使用最小二乘法，按照公式(10)解得表征投影物镜成像质量的泽尼克波像差ZS ZSj = (ZRMUt · ZRMur1 · (ZRMUt · PCcSj) j = 1,2,…，M (10)其中，ZRMUt表示ZRMU的转置，PCc^为待测空间像AIB^的主成份系数，M是待测空间像库AIBS中空间像的总数。
全文摘要
一种基于空间像自定心的投影物镜波像差检测方法，通过最大光强位置对仿真和实测空间像进行定心，然后对仿真空间像进行主成份分析得到主成份矩阵，再建立主成份系数与泽尼克系数之间的回归矩阵，最后利用主成份矩阵和回归矩阵求解实测空间像的波像差。本发明的优点是提出了一种简易的空间像定心方法，使基于空间像主成份分析的波像差检测方法的检测速度和精度都得到了明显提高。
文档编号G03F7/20GK102231048SQ20111017262
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者彭勃, 杨济硕, 步扬, 殷立峰, 王向朝 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所