专利名称：基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法
技术领域：
本发明涉及光刻机投影物镜像差，特别是一种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法。
背景技术：
在集成电路制造领域，将掩模上的图案经由成像系统转移到硅片上的投影成像光刻机是公知的。投影物镜系统是光刻机中的关键分系统之一。投影物镜像差是影响光刻机成像质量的重要因素。投影物镜波像差可以分为奇像差与偶像差。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。奇像差使曝光到硅片上的图形位置发生变化，从而引起套刻误差。偶像差使曝光的图形的最佳焦面发生变化，从而影响光刻机的分辨率。随着光刻特征尺寸的不断变小，尤其是分辨率增强技 术的使用，投影物镜像差对光刻质量的影响变得越来越明显。因此，为保证光刻机的套刻精度及分辨率满足要求，全面、高精度的波像差检测技术不可或缺。在以前的工作中，我们提出了一种基于空间像主成分分析的光刻投影物镜波像差检测技术(参见在先技术[I]，Lifeng Duan, Xiangzhao Wang, Anatoly Y. Bourov, BoPeng, and Peng Bu, “In situ aberration measurement technique based on principalcomponent analysis ofaerial image,，，Opt. Express 19,18080-18090(2011),)。在先技术采用水平和竖直两个方向的测试标记，在一种照明模式下，测试标记经投影物镜形成空间像，之后利用位于工件台上的透射式像传感器获取掩模测试标记在不同照明条件下的空间像光强分布，并根据空间像光强反演计算投影物镜的波像差。在先技术检测精度高，速度快；但由于掩模测试标记只有两个方向，只能用于检测低阶像差z5，Z7, Z8, Z9, Z14, Z15, Z16，无法对更高阶泽尼克像差进行检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法。通过安装在工件台上的图像传感器测量具有不同取向的掩模标记空间像光强分布，能够用于检测Z5-Z37共33项泽尼克像差。本发明的技术解决方案如下—种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法，该方法采用的测量系统包括用于产生照明光束的光源、能调整照明方式以及照明数值孔径的照明系统、用于承载测试掩模并能实现精确定位的掩模台、用于将掩模图形成像到硅片上的投影物镜系统、能精确定位的六维扫描工件台、安装在六维扫描工件台上的空间像传感器以及与工件台相连的数据处理计算机，其特征在于本方法包括以下步骤①仿真空间像集合的建立采用传统Box-Behnken Design统计抽样方式或其它统计抽样方式设定泽尼克系数Z5 Z37的组合ZM。选定光刻机的参数照明系统的照明方式及其部分相干因子，光刻机激光器的使用波长为X，投影物镜的数值孔径NA，在掩模台上的安置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立线条组合或孤立空组合，该组合包括m个孤立线条或孤立空且每个孤立线条或孤立空具有不同的方向取向。所述的m个孤立线条或孤立空的不同方向取向为 O。, 180° /N, 2X180° /N, 3X180° /N， ，(N_l) X 180。/N，180。共 N+1 个方向取向中的任意m个方向，其中m和N均为大于等于6的正整数且m彡N;空间像采集范围X方向采集范围为[-L，L]，Z方向采集范围为[-F，F];空间像采样点数X方向采样点数为M，Z方向采集采样点数为N ;将上述参数设计和泽尼克系数组合ZM输入计算机，采用PROLITH或其它光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIM ；②空间像特征系数与泽尼克系数之间灵敏度矩阵的标定对仿真空间像集合AM进行传统主成分分析，获取可以表征空间像的主成 分以及相应的特征系数。对仿真空间像集合AIM使用公式(I)进行传统主成分分析AIM = PC V (I) 其中，PC为主成分分析得到的仿真空间像集合的主成分，V表示仿真空间像集合的对应的特征系数；将所述的特征系数V以及所述的泽尼克系数组合ZM作为已知数据，采用常规最小二乘法拟合方法使用公式(2)计算灵敏度矩阵S V = ZM .S (2)其中，即为标定的空间像特征系数与泽尼克系数之间的灵敏度矩阵。③启动光刻机采集空间像对待检测的光刻机的投影物镜的参数进行设置，参数同步骤①；启动光刻机，光源发出的照明光经照明系统调整后得到相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，检查测量结果无误后，将实测空间像输入所述计算机储存；④泽尼克像差的求解计算机对所述的实测空间像，按照常规方法进行主成分拟合，得到实测空间像的特征系数，该实测空间像的特征系数同步骤②中得到的灵敏度矩阵S，按常规方法进行最小二乘拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差。 所述的设定光刻机照明模式包括传统照明与离轴照明。所述的L的取值范围为3000nm彡L彡450nm ;F的取值范围为5000nm彡F彡2000nm ；M的取值范围为M彡20，N的取值范围为N彡13。所述的光源包括汞灯，193nm激光光源、248nm激光光源，157nm激光光源，EUV光源。所述的图像传感器包括CMOS，CXD或光电二极管。所述的移动工件台包括在x、y平面内沿任意方向进行的移动与沿z方向的移动。所述投影物镜为全透射式、全反射式及折反式投影物镜，投影物镜的数值孔径值为0彡NA彡I。与在先技术相比，本发明具有以下优点本发明提出了一种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法，通过采用多方向的测试掩模标记，增加了对投影物镜光瞳的采样信息，可全部高精度的检测泽尼克像差 Z5_Z37°
图I本发明所采用的基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法系统结构图。图2本发明所采用的掩模标记的结构示意图。图3使用本发明测量得到的投影物镜波像差精度图。
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，但不应以此实施实例限制本发明的保护范围。 先请参阅图1，图I是本发明采用的测量系统结构示意图。产生照明光束的光源1，用于调整所属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2，等够承载测试掩模3并能实现精确定位的掩模台4，用于将掩模图形成像到硅片上且数值孔径可调的投影物镜5，能精确定位的六维扫描工件台6及安装在六维扫描工件台上的空间像传感器7，与工件台相连的数据处理计算机8。具体测量过程包含以下四个步骤①仿真空间像集合的建立采用传统Box-Behnken Design统计抽样方式设定泽尼克系数Z5 Z37的组合ZM。选定光刻机的参数照明系统的照明方式为离轴照明方式中的环形照明，其部分相干因子为[O wt O in] =
，光刻机激光器的使用波长为193nm，投影物镜的数值孔径NA为0. 75，在掩模台上的安置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立线条组合，该组合包括8个孤立线条且每个孤立线条具有不同的方向取向。所述的8个孤立线条的不同方向取向为0° ,30°，45° ,60° ,90° ,120° ,135° ,150°，如图2所示；空间像采集范围X方向采集范围为[_900nm，900nm]，Z方向采集范围为[_3500nm，3500nm];空间像采样点数X方向采样点数为61，Z方向采集采样点数为57 ;将上述参数设计和泽尼克系数组合ZM输入计算机，采用PROLITH或其它光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AM ；②空间像特征系数与泽尼克系数之间灵敏度矩阵的标定对仿真空间像集合AM进行传统主成分分析，获取可以表征空间像的主成分以及相应的特征系数。对仿真空间像集合AIM进行传统主成分分析可以使用公式(I)进行。AIM = PC V (3)其中，PC为主成分分析得到的仿真空间像集合的主成分，V表示仿真空间像集合的对应的特征系数。将式(I)中所述的特征系数V以及步骤①中所述的泽尼克系数组合ZM作为已知数据，采用常规最小二乘法拟合方法计算灵敏度矩阵。计算灵敏度矩阵使用公式(2)进行V = ZM S (4)其中，S即为标定的空间像特征系数与泽尼克系数之间的灵敏度矩阵。③启动光刻机采集空间像对待检测的光刻机的投影物镜的参数进行设置，参数同步骤①；启动光刻机，光源发出的照明光经照明系统调整后得到相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，检查测量结果无误后，将实测空间像输入所述计算机储存；④泽尼克像差的求解计算机对所述的实测空间像，同步骤②所述的主成分PC按照常规方法进行主成分拟合，得到实测空间像的特征系数，该实测空间像的特征系数同步骤②中得到的灵敏度矩阵S，按常规方法进行最小二乘拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差，求解结果 如图3所示。相对于在先技术[I]，本方法可以更为全面的高精度检测投影物镜波像差。
权利要求
1.一种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法，该方法采用的测量系统包括用于产生照明光束的光源(I)、能调整照明方式以及照明数值孔径的照明系统(2)、用于承载测试掩模(3)并能实现精确定位的掩模台(4)、用于将掩模图形成像到硅片上的投影物镜系统(5)、能精确定位的六维扫描工件台(6)、安装在六维扫描工件台上的空间像传感器(7)以及与工件台相连的数据处理计算机(8)，其特征在于本方法包括以下步骤 ①仿真空间像集合的建立 采用传统Box-Behnken Design统计抽样方式或其它统计抽样方式设定泽尼克系数Z5 Z37的组合ZM ;选定光刻机的参数照明系统的照明方式及其部分相干因子，光刻机激光器的使用波长为、，投影物镜的数值孔径NA ;在掩模台上的安置测试掩模，该测试掩模上的测试标记为孤立线条组合或孤立空组合，该组合包括m个孤立线条或孤立空且每个孤立线条或孤立空具有不同的方向取向；所述的m个孤立线条或孤立空的不同方向取向为O。, 180° /N, 2X180° /N, 3X180° /N，…，(N_l) X 180。/N，180。共 N+1 个方向中的任意m个方向，其中m和N均为大于等于6的正整数且m彡N ;空间像采集范围X方向采集范围为[_L，L]，Z方向采集范围为[_F，F];空间像采样点数X方向采样点数为M，Z方向采集采样点数为N ;将上述参数设计和泽尼克系数组合ZM输入计算机，采用PR0LITH或其它光刻仿真软件进行仿真，得到仿真空间像集合AIM ； ②空间像特征系数与泽尼克系数之间灵敏度矩阵的标定 对仿真空间像集合AIM进行传统主成分分析，获取表征空间像的主成分以及相应的特征系数；使用公式(I)对仿真空间像集合AIM进行主成分分析； AIM = PC V (I) 其中，PC为仿真空间像集合的主成分，V为对应的特征系数； 将所述的特征系数V和所述的泽尼克系数组合ZM作为已知数据，采用常规最小二乘法拟合方法按公式(2)计算灵敏度矩阵S V = ZM S (2) ③启动光刻机采集空间像 对待检测的光刻机进行参数设置，参数同步骤①；启动光刻机，光源发出的照明光经照明系统调整后得到相应的照明方式，照射到掩模台上的测试掩模，利用空间像传感器测量经投影物镜汇聚的多方向测试标记对应的空间像，检查测量结果无误后，将实测空间像输入所述计算机储存； ④泽尼克像差的求解 计算机对所述的实测空间像，进行主成分拟合，得到实测空间像的特征系数，该实测空间像的特征系数同步骤②中得到的灵敏度矩阵S，按常规方法进行最小二乘拟合，得到所测光刻机投影物镜的泽尼克像差。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的设定光刻机照明模式包括传统照明与离轴照明。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的L的取值范围为3000nm≤L≤450nm ；F的取值范围为5000nm≤F≤2000nm ；M的取值范围为M彡20，N的取值范围为N≥13。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的光源包括汞灯，193nm激光光源、248nm激光光源，157nm激光光源，EUV光源。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的图像传感器包括CMOS，CCD或光电二极管。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的移动工件台包括在x、y平面内沿任意方向进行的移动与沿z方向的移动。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述投影物镜为全透射式、全反射式及折反式投影物镜，投影物镜的数值孔径值为O < NA < I。
全文摘要
一种基于空间像检测的投影物镜波像差原位测量方法，该方法通过安装在工件台上的图像传感器测量具有不同方向取向的掩模标记对应的空间像光强分布，之后通过标定好的灵敏度矩阵计算得到投影物镜波像差。灵敏度矩阵可利用光刻物理仿真软件进行标定。相比于在先技术，本方法可以更为全面的检测投影物镜波像差。
文档编号G03F7/20GK102681358SQ201210115759
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者徐东波, 段立峰, 王向朝 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所