对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置与检测方法与流程

本发明涉及光刻机，具体为一种对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置及其检测方法。

背景技术：

ronchi光栅剪切干涉仪具有共光路、没有空间光程差、不需要单独的理想参考波面、精度高、灵敏度高、结构简单等优点；是测量光学系统波像差的一种有效手段。特别是对于高端投影光刻机，剪切干涉仪是投影物镜波像差原位及离线检测的主要技术方案之一。

在先技术1(josephbraat,augustusj.e.janssen.improvedronchitestwithextendedsource,journaloftheopticalsocietyofamericaavoi.16.no.1.1999，pp:131-140。)提出用扩展光源改进的光栅剪切干涉仪。在被测光学系统的物面采用占空比为1:1的一维光栅，像面采用一维准余弦光栅抑制高阶衍射，从而只采用±1级衍射光与0级光干涉进行相位提取。由于剪切干涉至少需要获得两个正交剪切方向的剪切波前才能重建原始波前，因此，采用该方案时物像面光栅均需要切换。

在先技术2(ulrichwegmann,helmuthaidner,martinschriever,apparatusforwavefrontdetection,us7333216,2001)将类似于在先技术1的剪切干涉用于光刻机投影物镜波像差检测。提出物面采用二维光栅，并提出了多通道波像差检测方案；即在物像面多个共轭视场点位置放置检测标记，探测器同时接收多个视场点的干涉图，同时得到多个视场点位置的波像差。

在先技术3(helmuthaidner,wolfgangemer,rainerhoch,etal.,deviceandmethodforwavefrontmeasurementofanopticalimagingsystembymeansofphase-shiftinginterferometry,us7417745,2004)对上述在先技术的相移算法进行了叙述，针对物面采用一维光栅，像面采用二维光栅，且物面光栅周期基于被测投影物镜倍率与像面光栅周期匹配；其像面采用了二维光栅，从而在测量过程中，可以不进行像面光栅的切换。在先技术4(卢云君，唐锋，王向朝，光栅剪切干涉光学成像系统波像差检测方法，中国发明专利申请201910183242.1)和在先技术5(唐锋，彭常哲，王向朝，卢云君，李鹏，投影物镜投影物镜波像差检测装置及检测方法，中国发明专利申请201910664574.1)对该技术的相移检测方法，光栅结构等进行了改进。

上述技术主要应用于投影光刻机原位检测及其投影物镜的离线检测。投影光刻机光源的波长有365nm、248nm、193nm，及13.5nm，其中248nm、193nm，及13.5nm波长均采用脉冲式光源，每个光脉冲间的能量会存在一定的波动。在光刻机中，为了实现曝光过程中每次曝光的剂量一致，需要复杂的剂量控制系统；同样在波像差检测过程中，也需要每一帧相移干涉图光积分过程中光源的输出能量相等，即剂量控制，增加了系统的复杂性；并且，剂量控制误差会影响每一副相移干涉图的强度，造成相位提取误差，影响波像差检测精度。此外，为了实现较好的剂量控制，需要光积分过程有足够多的光脉冲，也使得测量时间变长，影响测量速度。也就是波像差检测系统的复杂程度、检测精度、速度仍有改善的空间。

在先技术2的多通道波像差检测装置在结构组成上是单通道检测装置在空间上的组合，可以认为是多个独立的单通道检测系统同步工作，其优点主要在于实现了多通道并行检测，以及由于并行检测所带来的可实现畸变检测、整体检测速度提高等优势。每个通道的波像差检测方法并未改变，因此也存在上述控制系统复杂，检测精度受光源光功率波动影响，以及检测速度有待提升的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置与检测方法，使波像差检测过程不受光源光功率波动的影响，降低系统控制的复杂性，提高检测精度和检测速度。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置，该装置包括光源及照明系统、物面标记板、物面位移台、被测投影物镜、像面标记板、二维光电传感器、像面位移台和控制处理单元；所述的光源及照明系统输出空间非相干光；所述的物面标记板位于被测投影物镜的物面；所述的物面标记板由物面位移台承载并进行位置调整；所述的像面标记板位于被测投影物镜的像面；所述的二维光电传感器位于像面标记板沿光传输方向的后侧，接收通过像面标记板的光信号，接收范围包含被测投影物镜的像方数值孔径；所述的像面标记板和二维光电传感器由像面位移台承载并进行位置调整；控制处理单元控制物面位移台、像面位移台、二维光电传感器工作，并对二维光电传感器信号进行处理，获得被测投影物镜的波像差；其特点在于：

所述的物面标记板包含一对或多对剪切衍射方向分别为x方向和y方向的物面波像差测试光栅，以及一对物面光强测试标记；所述的物面波像差测试光栅和物面光强测试标记位于物方视场内，并被光源及照明系统均匀照明，物面波像差测试光栅的照明数值孔径充满被测投影物镜的物方数值孔径范围；所述的物面波像差测试光栅对之间的距离与物面光强测试标记对之间的距离相等；

所述的像面标记板包含与物面波像差测试光栅配套使用的一组或多组像面剪切光栅和与物面光强测试标记配套使用的像面通光孔；所述的像面剪切光栅的剪切衍射方向为x方向和y方向；所述的物面波像差测试光栅、物面光强测试标记、像面剪切光栅和像面通光孔配套使用，配套使用的物面波像差测试光栅和物面光强测试标记之间的间距，与对应的像面剪切光栅和像面通光孔之间的间距，满足被测投影物镜的倍率关系，使得移动所述的物面位移台和像面位移台，能够使x方向的物面波像差测试光栅和一个物面光强测试标记，通过被测投影物镜，分别成像至像面剪切光栅和像面通光孔位置，也能够使y方向的物面波像差测试光栅和另一个物面光强测试标记，通过被测投影物镜，分别成像至像面剪切光栅和像面通光孔位置；所述的成像至像面剪切光栅的光产生多级衍射并形成剪切干涉条纹，所述的剪切衍射方向即采用物面波像差测试光栅时，像面剪切光栅衍射光产生剪切干涉的剪切方向；所述的成像至像面通光孔的光，通过像面通光孔，形成一个出射光斑；所述的通过像面剪切光栅形成的干涉条纹和通过像面通光孔的出射光斑同时由二维光电传感器接收，且接收像素区域不同。

所述的物面光强测试标记是光栅，或通光孔，或任意通光图形区域。

所述的一组像面剪切光栅是一个二维光栅，或两个相互正交的一维光栅。

所述的物面标记板包含多对物面波像差测试光栅时，像面标记板包含的不同组像面剪切光栅间的间距，与不同对物面波像差测试光栅间的间距，满足被测投影物镜的倍率关系，以使得物面波像差测试光栅与像面剪切光栅能够处于共轭位置，同时测量多个视场点的波像差。

所述的二维光电传感器是采用全局电子快门的ccd或cmos相机。

采用所述的对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置进行波像差检测的方法，包括下列步骤：

1)移动物面位移台，将物面标记板中剪切衍射方向为x方向的物面波像差测试光栅移动至被测投影物镜要测试的视场点位置；移动像面位移台，使得物面波像差测试光栅成像至像面剪切光栅上，形成x剪切方向的干涉图，并由二维光电传感器接收，接收到的x剪切方向的干涉图记录为ix0；同时，物面光强测试标记成像至像面通光孔位置，形成出射光斑，并由二维光电传感器的另一个区域接收，出射光斑有效探测区域的平均值记录为光强探测值rx0；

2)沿x方向移动物面位移台或像面位移台，获得x剪切方向的多副相移干涉图ixoi，以及与每幅相移干涉图对应的光强探测值rxi，其中i＝1,2,3,…,n，n为正整数；基于光强探测值rxi与rx0对每一副相移干涉图ixoi的值进行修正，得到修正后的x剪切方向的相移干涉图ixi，

然后由x剪切方向的相移干涉图ix0及ixi，计算得到x方向剪切相位；

3)移动物面位移台，将物面波像差测试光栅切换为剪切衍射方向为y方向的光栅，当像面剪切光栅为一维光栅时，同时切换像面剪切光栅，二维光电传感器接收到y剪切方向的干涉图iy0，同时在二维光电传感器的另一个区域接收到光强探测值ry0；

4)沿y方向移动物面位移台或像面位移台，获得y剪切方向的多副相移干涉图iyoi，以及与每幅相移干涉图对应的光强探测值ryi，其中i＝1,2,3,…,n，n为正整数；基于光强探测值ryi与ry0对每一副相移干涉图iyoi的值进行修正，得到修正后的y剪切方向的相移干涉图iyi，

然后由y剪切方向的相移干涉图iy0及iyi，计算得到y方向剪切相位；

5)采用x和y两个方向的剪切相位，进行剪切干涉波前重建，得到被测投影物镜在所测试视场点的波像差。

所述的x剪切方向的干涉图和y剪切方向的干涉图是单通道干涉图或多通道干涉图，单通道干涉图为一个视场点对应的干涉图，多通道干涉图分为若干个相互分离的子干涉图区域，每个子干涉图为一个视场点对应的干涉图。

本发明的技术原理是，对在先技术1～在先技术5的装置结构和检测方法进行了改进，采用二维光电传感器的一部分区域接收剪切干涉图，而另一部分区域接收光强信息，因此光强探测值对应了干涉图光积分时间段内的光源光强波动情况，二维光电传感器采用全局电子快门时，光强测试结果的对应精度更高；从而采用光强信息可精确修正每一副相移干涉图对应的光强波动误差，使得所述的投影物镜波像差检测装置对光源光强波动不敏感；相当于对在先技术中波像差检测通道的之外增加了参考通道；本发明所述的物面波像差测试光栅、像面剪切光栅均可以采用在先技术的设计，修正后的相移干涉图的处理方法也与在先技术相同，即可以用于单通道波像差检测装置，也可以用于多通道波像差检测装置。

本发明的技术效果是：

由于所述的投影物镜波像差检测装置对光源光强波动不敏感，因此一方面提高了检测精度，另一方面不需要复杂的剂量控制系统，以及高稳定性的光源，降低了系统的复杂度和成本；此外，当光源光功率足够时，可以缩短每幅相移干涉图的光积分时间，提高检测速度。

附图说明

图1为本发明对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置的示意图。

图2为所发明的物面标记板第一个实施例的示意图。

图3为所发明的像面标记板第一个实施例的示意图。

图4为所发明的像面标记板第二个实施例的示意图。

图5为本发明对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置的二维光电传感器接收到的图像的第一个示意图。

图6为所发明的物面标记板第二个实施例的示意图。

图7为所发明的像面标记板第三个实施例的示意图。

图8为本发明对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置的二维光电传感器接收到的图像的第二个示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置的示意图，该装置包括光源及照明系统1、物面标记板2、物面位移台3、被测投影物镜4、像面标记板5、二维光电传感器6、像面位移台7和控制处理单元8；所述的光源及照明系统1输出空间非相干光；所述的物面标记板2位于被测投影物镜4的物面；所述的物面标记板2由物面位移台3承载并进行位置调整；所述的像面标记板5位于被测投影物镜4的像面；所述的二维光电传感器6位于像面标记板5沿光传输方向的后侧，接收通过像面标记板5的光信号，接收范围包含被测投影物镜4的像方数值孔径；所述的像面标记板5和二维光电传感器6由像面位移台7承载并进行位置调整；控制处理单元8控制物面位移台3、像面位移台7、二维光电传感器6工作，对二维光电传感器6信号进行处理，获得被测投影物镜4的波像差；所述的二维光电传感器6是采用全局电子快门的cmos相机。

图2为所发明的物面标记板2第一个实施例的示意图，所述的物面标记板2包含一对剪切衍射方向分别为x方向和y方向的物面波像差测试光栅2g_x、2g_y，以及一对物面光强测试标记2r1、2r2；所述的物面波像差测试光栅2g_x、2g_y和物面光强测试标记2r1、2r2位于物方视场内，并被光源及照明系统1均匀照明，照明数值孔径充满被测投影物镜4的物方数值孔径范围；所述的物面波像差测试光栅对2g_x、2g_y之间的距离与物面光强测试标记对2r1、2r2之间的距离相等；所述的物面光强测试标记2r1、2r2是光栅。

图3为所发明的像面标记板5第一个实施例的示意图，所述的像面标记板5包含与图2中物面波像差测试光栅2g_x、2g_y配套使用的一个像面剪切光栅5g和与物面光强测试标记2r1、2r2配套使用的像面通光孔5r；所述的像面剪切光栅5g是一个二维光栅，其剪切衍射方向为x方向和y方向；所述的物面波像差测试光栅、物面光强测试标记、像面剪切光栅和像面通光孔配套使用，物面波像差测试光栅2g_x和物面光强测试标记2r1之间的间距，与物面波像差测试光栅2g_y和物面光强测试标记2r2之间的间距相等，且与像面剪切光栅5g和像面通光孔5r之间的间距，满足被测投影物镜4的倍率关系，使得移动所述的物面位移台3和像面位移台7，能够使x方向的物面波像差测试光栅2g_x和一个物面光强测试标记2r1，通过被测投影物镜4，分别成像至像面剪切光栅5g和像面通光孔5r位置，也能够使y方向的物面波像差测试光栅2g_y和另一个物面光强测试标记2r2，通过被测投影物镜，分别成像至像面剪切光栅5g和像面通光孔5r位置；所述的成像至像面剪切光栅5g的光产生多级衍射并形成剪切干涉条纹；采用物面波像差测试光栅2g_x时，像面剪切光栅5g的剪切衍射方向为x方向，采用物面波像差测试光栅2g_y时，像面剪切光栅5g的剪切衍射方向为y方向，即剪切衍射方向是像面剪切光栅5g衍射光产生剪切干涉的剪切方向；所述的成像至像面通光孔5r的光，全部通过像面通光孔5r，形成一个出射光斑。

图4为所发明的像面标记板5第二个实施例的示意图，所述的像面标记板5包含与图2中物面波像差测试光栅2g_x、2g_y配套使用的一组像面剪切光栅5g_x、5g_y和与物面光强测试标记2r1、2r2配套使用的像面通光孔5r1、5r2；所述的像面剪切光栅5g_x、5g_y是两个相互正交的一维光栅，像面剪切光栅5g_x的剪切衍射方向为x方向，像面剪切光栅5g_y的剪切衍射方向为y方向；所述的物面波像差测试光栅、物面光强测试标记、像面剪切光栅和像面通光孔配套使用，物面波像差测试光栅2g_x和物面光强测试标记2r1之间的间距，与像面剪切光栅5g_x和像面通光孔5r1之间的间距，满足被测投影物镜的倍率关系，物面波像差测试光栅2g_y和物面光强测试标记2r2之间的间距，与像面剪切光栅5g_y和像面通光孔5r2之间的间距，满足被测投影物镜的倍率关系，使得移动所述的物面位移台3和像面位移台7，能够使x方向的物面波像差测试光栅2g_x和一个物面光强测试标记2r1，通过被测投影物镜4，分别成像至像面剪切光栅5g_x和像面通光孔5r1位置，也能够使y方向的物面波像差测试光栅2g_y和另一个物面光强测试标记2r2，通过被测投影物镜4，分别成像至像面剪切光栅5g_y和像面通光孔5r2位置；所述的成像至像面剪切光栅的光产生多级衍射并形成剪切干涉条纹，所述的剪切衍射方向即采用物面波像差测试光栅时，像面剪切光栅衍射光产生剪切干涉的剪切方向；该实施例物面波像差测试光栅2g_x、2g_y不能同时分别成像到像面剪切光栅5g_x、5g_y位置，以避免产生干涉条纹之间的干扰。

图5为采用图2、图3实施例时，所发明的投影物镜波像差检测装置的二维光电传感器6接收到的图像的示意图，所述的通过像面剪切光栅5g形成的干涉条纹6i和通过像面通光孔5r的出射光斑6r同时由二维光电传感器6接收，且接收像素区域不同。

图6为所发明的物面标记板2第二个实施例的示意图，所述的物面标记板2包含两对剪切衍射方向分别为x方向和y方向的物面波像差测试光栅2g1_x、2g1_y，与2g2_x、2g2_y，以及一对物面光强测试标记2r1、2r2；所述的物面波像差测试光栅2g1_x、2g1_y、2g2_x、2g2_y和物面光强测试标记2r1、2r2位于物方视场内，并被光源及照明系统1均匀照明，照明数值孔径充满被测投影物镜4的物方数值孔径范围；第一对物面波像差测试光栅2g1_x、2g1_y之间的距离，第二对物面波像差测试光栅2g2_x、2g2_y之间的距离，物面光强测试标记2r1、2r2之间的距离，三者相等；所述的物面光强测试标记2r1、2r2是光栅。

图7为所发明的像面标记板第三个实施例的示意图，所述的像面标记板5包含与图6中物面波像差测试光栅2g1_x、2g1_y、2g2_x、2g2_y配套使用的两组像面剪切光栅5g1、5g2和与物面光强测试标记2r1、2r2配套使用的像面通光孔5r；所述的像面剪切光栅5g1、5g2是二维棋盘光栅，其剪切衍射方向为x方向和y方向；移动所述的物面位移台3和像面位移台7，能够使x方向的物面波像差测试光栅2g1_x、2g2_x和一个物面光强测试标记2r1，通过被测投影物镜4，分别成像至像面剪切光栅5g1、5g2和像面通光孔5r位置，也能够使y方向的物面波像差测试光栅2g1_y、2g2_y和另一个物面光强测试标记2r2，通过被测投影物镜4，分别成像至像面剪切光栅5g1、5g2和像面通光孔5r位置；所述的成像至像面剪切光栅的光产生多级衍射并形成剪切干涉条纹，所述的剪切衍射方向即采用物面波像差测试光栅时，像面剪切光栅衍射光产生剪切干涉的剪切方向。

图6、图7实施例中，物面标记板2包含多对物面波像差测试光栅，像面标记板5包含的不同组像面剪切光栅5g1、5g2；物面波像差测试光栅2g1_x、2g2_x之间的间距和物面波像差测试光栅2g1_y、2g2_y之间的间距相等；像面剪切光栅5g1、5g2之间的间距，与物面波像差测试光栅2g1_x、2g2_x之间的间距，满足被测投影物镜4的倍率关系，以使得物面波像差测试光栅与像面剪切光栅(像面剪切光栅5g1、5g2与物面波像差测试光栅2g1_x、2g2_x，及像面剪切光栅5g1、5g2与物面波像差测试光栅2g1_y、2g2_y)能够处于共轭位置，同时测量多个视场点的波像差。

图8为采用图6、图7实施例时，所发明的投影物镜波像差检测装置的二维光电传感器6接收到的图像的示意图，所述的通过像面剪切光栅5g1、5g2分别形成的干涉条纹6i1、6i2和通过像面通光孔5r的出射光斑6r同时由二维光电传感器6接收，且接收像素区域不同。

采用所述的对光强波动不敏感的投影物镜波像差检测装置进行波像差检测的方法，包括下列步骤：

1)移动物面位移台3，将物面标记板2中剪切衍射方向为x方向的物面波像差测试光栅移动至被测投影物镜4要测试的视场点位置；移动像面位移台7，使得物面波像差测试光栅成像至像面剪切光栅上，形成x剪切方向的干涉图，并由二维光电传感器6接收，接收到的x剪切方向的干涉图记录为ix0；同时，物面光强测试标记成像至像面通光孔位置，形成出射光斑，并由二维光电传感器6的另一个区域接收，出射光斑有效探测区域的平均值记录为光强探测值rx0；

2)沿x向移动物面位移台3或像面位移台7，获得x剪切方向的多副相移干涉图ixoi，以及与每幅相移干涉图对应的光强探测值rxi，其中i＝1,2,3,…,n，n为正整数；基于光强探测值rxi与rx0对每一副相移干涉图ixoi的值进行修正，得到修正后的x剪切方向的相移干涉图ixi，

然后由x剪切方向的相移干涉图ix0及ixi，计算得到x方向剪切相位；

3)移动物面位移台3，将物面波像差测试光栅切换为剪切衍射方向为y方向的光栅，当像面剪切光栅为一维光栅时，同时切换像面剪切光栅，二维光电传感器6接收到y剪切方向的干涉图iy0，同时在二维光电传感器6的另一个区域接收到光强探测值ry0；

4)沿y向移动物面位移台3或像面位移台7，获得y剪切方向的多副相移干涉图iyoi，以及与每幅相移干涉图对应的光强探测值ryi，其中i＝1,2,3,…,n，n为正整数；基于光强探测值ryi与ry0对每一副相移干涉图iyoi的值进行修正，得到修正后的y剪切方向的相移干涉图iyi，

然后由y剪切方向的相移干涉图iy0及iyi，计算得到y方向剪切相位；

5)采用x和y两个方向的剪切相位，进行剪切干涉波前重建，得到被测投影物镜4在所测试视场点的波像差。

所述的x剪切方向的干涉图和y剪切方向的干涉图是单通道干涉图或多通道干涉图，单通道干涉图为一个视场点对应的干涉图，多通道干涉图分为若干个相互分离的子干涉图区域，每个子干涉图为一个视场点对应的干涉图；图5实施例中6i为单通道干涉图，图8实施例中，6i1和6i2位多通道干涉图。

在先技术1～在先技术5的物面波像差测试光栅、像面剪切光栅参数，数据处理方法可以用于本发明实施例。

上述实施例具有以下技术效果：投影物镜波像差检测装置对光源光强波动不敏感，一方面提高了检测精度，另一方面不需要复杂的剂量控制系统，降低了系统的复杂度和成本；缩短了每幅相移干涉图的光积分时间，提高了检测速度。