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专利名称：基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及光刻机，特别是一种用于光刻机的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统和方法。
背景技术：
投影物镜是光刻机系统的核心部件之一。投影物镜中的波像差会造成成像质量的恶化和エ艺窗ロ的减�。佣档筒�。随着光刻技术的特征尺寸不断减�。饪袒队拔锞档南癫钊菹薇涞迷嚼丛窖峡�。光刻投影物镜的波像差检测需求从低阶像差扩展到高阶像差，在这种前提下，研发能够高精度检测低阶和高阶波像差的原位检测技术具有更加重要的意义。由于基于空间像的投影物镜波像差检测技术成本低且容易操作，基于空间像 的波像差检测技术在最近几年得到了广泛发展。在众多基于空间像的波像差检测技术中，TAMIS技术是具有代表性的一种(參见在先技术I, H. van der Laan, M. Dierichs,H. van Greevenbroek, E. McCoo, F.Stoffels, R. Pongers and R. Willekers, “Aerialimage measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupilverification, ” Proc. SPIE4346, 394407 (2001) )。TAMIS 检测技术通过检测ニ元掩模标记的空间像来提取像差。具体方式是，在一系列照明设置下检测标记的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量，用检测数据获得的偏移量向量和事先计算好的灵敏度矩阵来计算空间像。TAMIS技术采用ニ元掩模标记作为检测标记，在多种照明方式下进行检測。为了提升TAMIS技术的检测精度，Fan Wang等和Zicheng Qiu等先后提出了基于相移光栅标记的光刻机投影物镜波像差原位检测技术(參见在先技术2,Fan Wang,Xiangzhao Wang,MingyingMa, Dongqing Zhang, Weijie Shi and Jianming Hu,“Aberration measurement ofprojection optics in lithographic tools by use of an alternating phase-smftingmask, ” Appl. Opt. 45，281-287 (2006).)和基于平移对称交替相移光栅标记的光刻机投影物镜彗差检测技术(參见在先技术 3, Zicheng Qiu, Xiangzhao Wang, Qiongyan Yuan, FanWang, “Coma measurement by use of an alternating phase-shifting mask marK witha specific phase width, ”Appl. Opt. 48 (2), 261-269 (2009) )。以上两种技术分别提出了使用相移掩模光栅标记和使用更为复杂的平移对称交替相移光栅标记来提升检测精度。相比在先技术1，在先技术2的检测精度提升了 20%以上。相对在先技术2，在先技术3的检测精度又提高了 15%以上。这两种技术虽然都提升了检测精度，但只是在检测标记上进行了改进，检测原理仍然是基于TAMIS技木。因此其检测的像差种类仍然较少，检测的流程也无法简化。近年来，Nikon公司提出了一种基于多方向标记和空间像傅里叶分析的投影物镜波像差检测技术(參见在先技术 4, Suneyuki Hagiwara, Naoto Kondo, Irihama Hiroshi,Kosuke Suzuki and Nobutaka Magome, ' Development of aerial image oasedaberration measurement technique " , Proc. SPIE5754,1659 (2005))。该技术的检测标记为36个不同方向不同周期的光栅标记，测得的空间像通过傅里叶分析处理，在波像差和不同级次频谱的相位和幅度之间建立线性关系。这种技术由于专门设计了 36个方向周期各不相同的标记，检测像差的种类得以扩展，检测精度也获得很大提升。然而该技术的检测标记需要专门设计，提高了成本，通用性也下降。上海微电子装备有限公司(SMEE)的Lifeng Duan等人提出了一种基于空间像主成分分析的波像差检测技术(參见在先技术5, Lifeng Duan;Xiangzhao Wang;Bourov,A. Y. ;Bo Peng;Peng Bu, “In situ aberration measurement technique oased onprincipal component analysis of aerial image，，,Opt. Express 19 (19) (2011))。该技术采用0°和90°的孤立空作检测标记，采用主成分分析和回归分析的方法建立空间像与泽尼克像差之间的线性关系。该技术不需要专门设计掩模标记，測量速度快，可用来检测高阶像差。然而主成分分析较为繁琐，使像差求解的流程较为复杂。

发明内容
本发明提供一种用于光刻机的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统和方法，该方法采用6方向孤立空作检测标记，通过对检测标记空间像的线性拟合得到波 像差。该方法检测标记简单，可测像差种类多，像差检测精度尚。本发明的技术解决方案如下一种用于光刻机的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统，包括产生照明光束的照明光源；调整照明光强分布和部分相干因子大小的照明系统；用于承载掩模，并具有精确定位能力的掩模台；将通过测试掩模上的检测标记的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的エ件台；安装在エ件台上的像传感器，与所述像传感器相连并进行数据处理的计算机，其特点在干所述检测标记由ー组分别位于O。、30°、45°、90°、135°、150°方向的孤立空图形组成，各个方向的图形的线宽都为CD nm，周期都为P nm；所述的像传感器为CCD或透射像传感器，所述像传感器能够在水平方向和垂轴方向进行扫描，水平方向和垂直方向定位精度都高于30nm。所述的孤立空的周期P的范围为1000nnT3000nm，所述的孤立空的宽度的取值范围为 IOOnm 彡 CD 彡 0. 25*P nm。利用上述基于空间像线性拟合的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，包括以下步骤(I)计算空间像的线性拟合矩阵无像差的拟合向量Itl和j阶泽尼克像差的拟合向量Tj (I ( j ( 37)的计算公式如下4 = j JJI f'. ) ■ IK I"め'.(1 g
-<X>T = \dfdg, (l< j <37)
—CO其中,: 表示光源，I■和;;是光源坐标，EcJPも分别为
Ec = J 0^7 Jexpj- '^^l- {f + f ) +g" NA2 z|exp(-/2^/'x)#'Ej =竽了Rj .0(7').exp{—今p (/ + /')" +g NA2 .zj.ex+W+/其中，0(f')表示0°方向检测标记的衍射谱，/和g是光瞳面坐标，A表示光刻机工作波长，NA是数值孔径，z表示离焦量，X表示像面坐标，Rj是j阶泽尼克多项式；采用具有数值运算功能的MATLAB软件，计算无像差的拟合向量Itl和j阶泽尼克像差的拟合向量Tj, I 37阶泽尼克像差对应的拟合向量构成线性拟合矩阵T T = [T1, T2, ...，T37](2)计算旋转矩阵转换矩阵及2 表示角度为的孤立空与O。孤立空的泽尼克像差关系，根据泽尼克多项式和孤立空角度例计算旋转矩阵，泽尼克多项式可以表示成与半径P有关的多项式 4f(P)和角度e有关的多项式 7(め的乘积ち(/X0)= A:(p]が;(0)用夂表示旋转矩阵中第p行和第q列的值，当％(句=埘，
RZ'^k"Z
K ，当{&)= COS(m句时，
Cosym(Pi) q = p
RZ(;;- { sin (Iinpi)，￠::(の=sin (m0)
I U，oihcr当￠:(0) = sin (/"の时，
cos (mq>;)，q = p
RZて;n ニく -sin(/,ゆ,),￠::,(0) = cos("7の 0, other
9根据上面公式，采用具有数值运算功能的MATLAB软件，得到孤立空方向供,为0°、30°、45°、90°、135° 和 150° 时的旋转矩阵分别为AZ' R7，、R7V和IU(3)启动光刻机采集空间像设置光刻机投影物镜NA、照明方式、部分相干因子、空间像的測量范围、空间像的测量步长光刻机的工作条件；加载带有上面所述检测标记的掩模板，启动光刻机，传感器采集该掩模板上0°、30°、45°、90°、135°和150°检测标记所对应的空间像分别为/丨，IトI3r, /,4，み5和ん6;4)对空间像进行线性拟合得到泽尼克像差
根据测量空间像和拟合矩阵，根据下列公式计算泽尼克像差Z= (S' S)-1 S, Ilinear其中，
7t!-Z01 \T-RZ^
「 n T _ I；-I0 T RZvh-^Unear ~ : ’S — , 。
Il-I0 [T-RZn与在先技术相比，本发明具有以下优点 I、只需要ー种照明设置，減少了測量空间像占用的光刻机机时，提高了像差检测的速度。2、所述检测标记为6方向、相同周期和相同宽度的ニ元孤立空，減少了标记的种类，而且不需要密集线掩�：拖嘁蒲谀＃档土搜谀Ｖ圃斐杀�。3、利用该技术可以检测像差Z2 Z37，増加了可测像差种类，提高了像差求解的精度。


图I是本发明所采用的基于空间像线性拟合的光刻投影物镜波像差检测系统结构示意2是本发明所采用的检测标记示意3是采用本发明的技术方案吋，泽尼克像差Z5的拟合向量图4是采用本发明的技术方案吋，泽尼克像差Z7的拟合向量图5是采用本发明的技术方案吋，泽尼克像差Z9的拟合向量
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进ー步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。先请參阅图1，图I是本发明采用的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统的结构示意图。由图可见，本发明采用的基于空间像线性拟合的光刻投影物镜波像差检测系统，包括照明光源1，照明系统2、测试掩模3、承载测试掩模3的掩模台4、测试掩模上的检测标记5、投影物镜6、エ件台7及安装在エ件台上的空间像传感器8、与エ件台相连的数据处理计算机9。空间像传感器在图中虚线框表示的范围内可以对空间像进行扫描，采集空间像数据。本发明采用的空间像传感器上自带通用数据接ロ，可直接与计算机相连采集和记录数据，然后将测得的数据代入模型求解。所述检测标记如图2所示,包括0°方向的检测标记51,30°方向的检测标记52,45°方向的检测标记53,90°方向的检测标记54,135°方向的检测标记55和150°方向的检测标记56。本实施例的标记的线宽⑶都为250nm，周期P都为3000nm。利用上述基于空间像线性拟合的光刻投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，包括如下几个步骤I)计算线性拟合矩阵
首先介绍空间像的成像公式。光刻机投影物镜的空间像/(夂A=)可由下式给出
('A 八\m ftへ /八/八八 八\八
X，ァ，zj= f J J \f,g\lcoh (f,g；x,y,zjdfdg
Luuo/j；V ； 1’
(I)依照此式(I)可以计算任意照明模式和掩模结构对应的空间像。其中， 表示光源，传统照明条件时，
/(/i) = ^^2 か+g、a(2)其中，O为部分相干因子。其中，Icoh(/, i, J，Z)表示光源上一点(7, g)单独照明时在像面卜J,-)点处产生的空间像分布，z表示离焦量，/可以表示为其对应的复振幅分布Ecoh[J, g-, x, j, 4幅值的平方，即，な(/i;vv,z) = |/W,,其中，复振幅ち。；;I/,ぎ;ズ，アス)的表达式为:Ecah (. ，尺;.リ':)~ J J 互( + /，g +ぎ)o(/ ,g ) expl-z'2Mfr| exp|-/2^-|/ x + g vjji//dg其中,たf =|7 + 7 j +(g+g)似2表不z方向的传播矢量,-表不光瞳函数，)表示掩模的衍射谱，光瞳函数可以表示成如下形式mf\g) = \eAlTW( '8t <1(5)
' 'q，otner其中，W表示波像差。波像差用泽尼克多项式来表示W=T'7 Z N (p,0)(4)其中，Zj是泽尼克像差，Rj是泽尼克多项式，泽尼克多项式可以表示成与半径有关的多项式(P)和与角度9有关的多项式 ;(め的乘积Ri{P^) = A{p)^；{e)(5)其中， I (句为I或cos (m 0 )或sin(m 0 ), n和m由泽尼克多项式阶数j决定。采用6个方向的孤立空作检测标记，任意方向的孤立空都可以看作是0度方向孤立空旋转得到的。对于O度方向孤立空，掩模的衍射谱具有如下的形式S(/^') = ^(/>(g)(6)因而空间像的复振幅可以化简为如下形式五-( ,g;ズ,ァトJ f o{f )-exp|/^r|/ + 7,g)|(7)expi-i2/rkf zj ■ exp|-i2^/ x| d:f像差较小时可以得到下面的近似关系QxV\i—W^\ + i — W = \ + — Y^1ZjRj{p,d)(8) 根据公式(I)，公式(7 )和公式(8 )得到 I (x, v, z) /u + > ’, ZjTj(9)其中，/0 = |p( i)机 |2< 4(10)
—00
"T* ~ .= | ,gy IRe^-EctEf}dfdg
—COI0和Tj.分别示无像差的拟合向量，和j阶泽尼克像差的拟合向量。其中，Ec = I <9(/')exp|—/亨^!— |/ + / ] +g NA1 zjexp^^/x)#'Ej. = ^jl Rj O(/') exp j-プ亨f ^ (テ + 7 ) + g NA2 - zj-exp|-/2^/ x|df采用具有数值运算功能的MATLAB软件，计算无像差的拟合向量I。和j阶泽尼克像差的拟合向量I。计算过程中，先保持离焦量不变，计算不同水平位置处的Itl和Tj的值；再改变离焦量，重新计算不同水平位置处的Itl和ハ。遍历空间像对应的所有离焦量和水平位置后就得到了拟合向量Itl和ハ。I 37阶泽尼克像差对应的拟合向量构成线性拟合矩阵T T = [T1, T2, T37]本实施例中，光刻机工作波长\为193nm，部分相干因子o为0. 65，NA为0. 75，得到的部分拟合向量如图3、图4和图5所示。2)计算旋转矩阵转换矩阵表示角度为奶的孤立空与0°孤立空的泽尼克像差关系。根据泽尼克多项式和孤立空角度巧计算旋转矩阵。用AZふ表示旋转矩阵中第P行和第q列的值，当
(め=I吋，
RZ:,qZ
当￠:;:(め=COS(W0)时，
.cos(—J, q = p
RZ,q =ベ sin (/ 7(/)) , O'" (0) = sin("沿)
0, other当￠::( 0) = siii(/ 6>)时，
cos(卿,)，g = p rzI - - sin (Jrupi)，￠: [6) = co%{md)
0, other根据上面公式，采用具有数值运算功能的MATLAB软件，得到孤立空方向約为0°、30° >45° >90° >135° 和 150° 时的旋转矩阵分别为、RZ、RZも、和173)启动光刻机采集空间像运行光刻机配套的伺服软件，按照仿真中的照明方式，照明參数，投影物镜NA，以及空间像采集范围，空间像采样点数等设置光刻机的參数。运行采集程序，先在一个离焦量下采集不同水平位置的空间像数据，然后改变离焦量，重新采集不同水平位置的空间像数据，直到完成了所有离焦量和水平位置处的空间像数据的采集。传感器采集该掩模上0°、30。、45。、90。、135。和150。检测标记所对应的空间像分别为/)，/； Zr3,广だ和采集完成以后检查数据文件是否正常生成，然后将所有数据文件上传至服务器，以便后续处理；4)对空间像进行线性拟合得到泽尼克像差根据测量空间像和拟合矩阵，根据下列公式计算泽尼克像差Z= (S' S)'S, Ilinear其中，
T1-I I \T-RZn~
J2-I 0 T-RZth
_8] Ilmear = V-ニ
レ.股'。
权利要求
1.一种用于光刻机的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统，包括产生照明光束的照明光源；调整照明光强分布和部分相干因子大小的照明系统；用于承载掩模，并具有精确定位能力的掩模台；将通过测试掩模上的检测标记的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜；承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的エ件台；安装在エ件台上的像传感器，与所述像传感器相连并进行数据处理的计算机，其特点在干 所述检测标记由ー组分别位于O。、30°、45°、90°、135°、150°方向的孤立空图形组成，各个方向的图形的线宽都为CD nm，周期都为P nm ； 所述的像传感器为CCD或透射像传感器，所述的像传感器能够在水平方向和垂轴方向进行扫描，水平方向和垂直方向定位精度都闻于30nm。
2.根据权利要求I所述的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统，其特征在于所述的孤立空周期P的范围为1000nnT3000nm，所述的孤立空宽度⑶的取值范围为IOOnm ^ CD ^ O. 25*P nm。
3.利用权利要求I或2所述的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统检测波像差的方法，包括以下步骤 (O计算空间像的线性拟合矩阵 无像差的拟合向量I0和j阶泽尼克像差的拟合向量Tj的计算公式如下 J0= SI2 -OD 其中，./(Λ )表示光源，,和&是光源坐标，Ec和分别为も=J °{/ )exp|_/X^"_ ド + テ)+g NA1 .2JexP(—,2;Γ/'λ·)#. Ejj-expj- ^^ - { + J J +g NA2 ·ζ^·εχρ|-/'2Λτ7χ|</7 其中，0(f')表示0°方向检测标记的衍射谱，/和g是光瞳面坐标，λ表示光刻机エ作波长，NA是数值孔径，ζ表示离焦量，X表示像面坐标，Rj是j阶泽尼克多项式； 采用具有数值运算功能的MATLAB软件，计算无像差的拟合向量I0和j阶泽尼克像差的拟合向量Ir将I 37阶泽尼克像差对应的拟合向量构成线性拟合矩阵T T = [T1, T2,…，T37]； (2)计算旋转矩阵 转换矩阵表示角度为界的孤立空与0°孤立空的泽尼克像差关系，根据泽尼克多项式和孤立空角度@计算旋转矩阵，泽尼克多项式表示为与半径□有关的多项式(P)和与角度□有关的多项式Φ;Β(巧的乘积ΙΙ[Ρ,θ) = �。�(ρ)Φ^(θ) 用表示旋转矩阵中第P行和第q列的值，当Φ:⑷=1吋，^ ^ qZ 当Φ-(句=COS(/K句时，cos("吸),q = pRZ';に;=< sin (nup,) , Φ"1 (Θ) = sin(ιαθ) O，other 当Φ;(め=sin(m6 )吋， cos (/7 ), q ニ p "Z;,. = —sin(—,)，Φ:(め=C0s(W) O3 olhcr 根据上面公式，釆用具有数值运算功能的MATLAB软件得到孤立空方向仍为0°、30°、45°、90°、135°和150°时的旋转矩阵分别为,Wiil、R7、RZ'、α7 八7和/;7 (3)启动光刻机采集空间像 设置光刻机投影物镜NA、照明方式、部分相干因子、空间像的測量范围、空间像的测量步长等光刻机的工作条件；加载带有上面所述检测标记的掩模板，启动光刻机，传感器采集该掩模板上0°、30°、45°、90°、135°和150°检测标记所对应的空间像分别为/,S I2r，/,3，/ I5M6rI 4)对空间像进行线性拟合得到泽尼克像差 根据测量空间像和拟合矩阵，根据下列公式计算泽尼克像差Z= (S' S)-1I-Si Ilinear其中， —r1-J \T-RZvr し=!い。,S=猜Jb-I0 [T-RZipi \
全文摘要
一种用于光刻机的基于空间像线性拟合的投影物镜波像差检测系统和方法。本发明采用6个方向孤立空作检测标记，通过对检测标记空间像的线性拟合来得到波像差。本发明首先建立描述0°孤立空空间像与泽尼克像差关系的线性拟合矩阵以及描述孤立空方向影响的旋转矩阵。然后通过空间像传感器扫描获得检测标记的空间像。再利用线性拟合矩阵和旋转矩阵对空间像进行最小二乘拟合得到泽尼克像差。本发明降低了检测标记的复杂程度，减少了像差检测的时间，增加了可测像差种类，提高了像差求解的精度。
文档编号G01M11/02GK102854757SQ20121030346
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者闫观勇, 王向朝, 徐东波 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所