专利名称：一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置及方法
技术领域：
本发明属于光学检测领域，涉及一种高分辨率光学成像系统波像差在线检测装置 及方法，尤其涉及一种针对高分辨率光刻机的投影物镜波像差在线检测装置及方法。
背景技术：
光学光刻技术作为集成电路制造的主流技术，在提高集成电路性能及推动半导体 产业快速发展方面，起着极为关键的作用。自20世纪60年代以来，集成电路一直遵循着 Intel公司创始人之一 Gordon Ε. Moore所提出的“摩尔定律”而快速发展，集成电路集成度 的快速提高主要得益于光学光刻技术的快速发展——自1987年第一台光刻机问世以来，光 刻曝光波长经历了 436nm(g-line)、365nm(i-line)、248nm(KrF)、及 193nm(ArF)的演变过 程；光刻工艺因子由以前的0. 8减小到极限值0. 25 ；光刻机核心部件投影物镜数值孔径由 最初的0. 32增加到现有的1. 35。基于这些发展，光刻所能达到的技术节点由最初的Ium发 展到至今的45nm。而投影物镜作为投影光刻机的核心部分，其特性直接决定了光刻传递图 形的能力，即成像的优劣。在早期光刻分辨率还不高、投影物镜的数值孔径还很小的时候， 人们在加工投影物镜的时候，直接利用PMI对其像质参数进行测量。但是，随着光刻分辨率增强技术的应用，光刻分辨率不断提高，尤其到2000年光 刻技术节点达到130nm时，投影物镜的像差容限要求应低于25m λ，否则投影物镜的像差对 CD控制的影响将十分明显，严重影响成像质量。另外，当投影物镜整机安装到光刻机中时， 由于运输、装配等影响也会对成像质量产生一定的影响。因此，如何在线检测、校正及控制 投影物镜系统的像质参数的问题，自此才真正引起了光刻界人士足够的重视。此外，随着超 精细加工水平的发展，投影物镜设计集成水平的提高，投影物镜像差容限逐渐减�。�2003 年达到ΙΟπιλ以下，自此低阶的几何像差如球差、慧差及像散仅仅能够预测其对测试图形 的影响而不能预测对实际图形的影响，为解决这一问题，高精度确定整个像差波前信息成 为必要。为此，如何快速、精确地在线检测、校正及控制投影物镜系统的波像差成为光刻界 人士致力研究的问题之一。从2007年开始，三大光刻公司先后推出了光刻分辨率达到45nm 的光刻机，其浸没投影物镜的数值孔径达到1.35，且投影物镜的残留波像差均达到6m λ以 下，这对实现投影物镜波像差的在线检测技术提出了更高的挑战和性能要求。现有的光刻机投影物镜波像差在线检测的主流技术主要基于光干涉原理的光刻 投影物镜波像差检测技术及基于Shack-Hartmarm波前传感技术。基于光干涉原理的光刻 投影物镜波像差检测技术的主要代表是ASML的基于横向剪切干涉仪(Lateral Shearing Interferometer，简称LSI)的技术及Canon公司的基于线衍射干涉仪(Line Diffraction Interferometer，简称LDI)的技术。此两种技术的主要缺点是为获得整个波前，需要转 换一维光栅面以实现在X、y两个方向上分别测量，一方面光栅在转换过程中会引入像散， 且难以校准，从而影响测量精度；另外，两次测量对测量速度也有一定影响。Nikon的基于 Shack-Hartmarm波前传感技术的主要缺点在于微透镜孔径的大小限制了检测的动态范围、 空间采样频率及波前采样能力。
在90年代，Primot等人提出了一种四光束横向剪切仪的结构，且已经被广泛的应 用到CO2等红外激光器的激光光束质量测量及红外透镜的波像差检测(波长从近红外到远 红外)等长波领域。在红外透镜的波像差检测中，四光束横向剪切干涉仪通过特殊结构设 计的正交位相光栅将入射的待测波前主要衍射到(+1，+1)、(+1，-1)、(-1，-1)及(-1，+1) 四束衍射光中，由此四束衍射光在其重叠区内进行干涉形成干涉条纹，并由位于TalbOt距 离处的CCD探测接收。在美国专利2008/0316448A1中，Canon提出了一种基于正交振幅或位相光栅剪切 干涉仪的光刻物镜波像差在线检测技术。此技术的工作原理是位于投影物镜物面的针孔掩 模板将来自照明系统的光波变成理想的球面波，其再经过透镜物镜及位于投影物镜像方的 准直物镜后入射到位于投影物镜出瞳面上的正交光栅上，在其重叠区内进行干涉形成干涉 条纹，并由位于Talbot距离处的CXD探测接收。前述的四光束剪切干涉仪及正交光栅剪切干涉仪，一方面可以同时实现同时测量 x、y方向差分波前的检测，弥补了前述ASML的LSI及Canon的LDI的不足。另一方面克服 了 Nikon的基于Shack-Hartmarm波前传感技术的动态范围小、空间采样频率及波前采样能 力低的缺点。但是，前述的四光束剪切干涉仪及正交光栅剪切干涉仪都是基于Talbot效 应，探测器只能在与光栅间距为(1 = ηρ7λ采集到干涉图。因此，此两种技术存在的缺点 在于一方面无法实现剪切干涉仪剪切比连续可调。剪切比是剪切干涉仪的一个关键技术 参数，对不同的待测波前，需要确定不同的剪切比以获得最优的检测灵敏度及检测精度，为 此，技术人员总希望设计的剪切干涉仪可以实现剪切比的连续可调性，这样就可以增加其 灵敏度，而且能够轻松获得针对不同检测对象所需要的剪切比。而基于Talbot效应的前述 两种装置，剪切比的大小为2p/D，其中ρ为光栅周期，D待测物镜出瞳直径。可以看出，在待 测物镜出瞳直径一定时，剪切比的大小与光栅的周期有关，为获得针对不同检测对象所需 要的剪切比，必须设计不同周期的光栅，且即使选择不同周期光栅也很难实现剪切比的连 续可调。另一方面，从Talbot距离公式d = np2/λ中可以看出，在短波领域(如193nm)，为了实现对光刻物镜波像差的在线检测，干涉仪应该具有较高的集成度，为此d的大小有 一定的限制。这样就要求光栅的周期很�。峁嵋虢洗蟮募负位鄄睿佣跋炝思觳獾� 精度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的光刻物镜波像差在线检测技术的缺点，以及弥补 基于Talbot效应的干涉仪的不足，在四光束干涉仪的基础上，提出了一种新的光刻机投影 物镜波像差在线检测装置及方法。本发明装置集成在光刻机中，能够实现对光刻物镜波像 差高速度、高精度的在线检测。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置，包括以下组成部件⑴漫射体集成在物方掩模板上，用于均勻照明投影物镜光瞳及扩大投影物镜光瞳照明区 域。(2)物方掩模板
在物方掩模板上，设有一个尺寸大于光刻机照明系统衍射极限分辨率的方孔，用 于选择测量视场点及提高光强透过率。(3)像方掩模板用于所述装置系统误差的校准。像方掩模板包括一个方孔，尺寸略大于所述物方掩模板上方孔在所述光刻物镜像 面上的像的尺寸。(4)准直物镜用于将投影物镜的出瞳共轭到有限远处，即共轭到光电探测器面 上。(5)剪切装置用于实现光波的剪切。剪切装置包括一个二维位相光栅，将经过所述准直物镜的平面波剪切成(+1，+1)、 (+1，-1)、(-1，-1)及(-1，+1)四束衍射光波。(6)轴向调节装置沿光轴方向移动光栅，从而实现剪切比的改变。(7)光电探测器用于采集所述四束衍射光波的干涉条纹。(8)存储器用于保存光电探测器所采集的干涉条纹强度信息、投影物镜在物方 掩模板上方孔规定的视场点未经标定的波像差、系统误差校准结果、各个视场点未经标定 的波像差测量结果、系统误差校准后的投影物镜全视场波像差，以及投影物镜各个补偿器 的调节量。(9)运算器用于根据存储器中数据计算装置系统误差，各个视场点未经标定的 波像差，系统误差校准后的投影物镜全视场波像差，以及投影物镜中各个补偿器的调整量。(10)控制器用于控制物方工件台和像方工件台改变所测量的投影物镜的视场 点，根据存储器中投影物镜各个补偿器调整量调整补偿器来校正像差。上述各组成部分的位置与连接关系如下漫射体集成在物方掩模板上。物方掩模板位于投影物镜的物面，并由光刻机中的 物方工件台固定支撑和驱动。物方掩模板的方孔要始终处于光刻机投影物镜的视场范围之 内，方孔所在位置即为本发明装置所测量的投影物镜的视场点。像方掩模板位于投影物镜的像面，并由光刻机中的像方工件台支撑和驱动。当在 线检测投影物镜波像差时，所述像方掩模板上的方孔与所述物方掩模板上的方孔在所述光 刻物镜像面上的像对准，此时获得的波像差信息包括投影物镜波像差Wp。和干涉仪的系统 误差wis。当进行系统误差校准时，纵向调节光刻机中的像方工件台的位置，使所述物方掩 模板上的方孔在所述光刻物镜离焦像面上的像的尺寸远大于所述像方掩模板上的方孔的 尺寸，此时获得的波像差信息只包括干涉仪系统误差wis。通过两次测量，得到投影物镜的 波像差wp。。准直物镜位于投影物镜的像面之后，且准直物镜的物方焦平面与投影物镜的像面 重合。准直物镜为物方远心结构，将投影物镜的出瞳共轭到有限远处。剪切装置位于投影物镜与所述光电探测器之间，并由轴向调节装置固定支撑，轴 向调节装置带动剪切装置沿着光轴方向进行移动，从而实现剪切比的连续可调。光电传感器(如CCD)位于光刻投影物镜的出瞳共轭面处。存储器分别同光电传感器、运算器、控制器相连接。控制器分别同轴向调节装置、 掩模工件台、硅片工件台以及投影物镜补偿器及照明系统相连接。连接方式可以采用数据线、电缆线等有线方式，也可采用红外传输、蓝牙等无线方式。使用本装置进行光刻机投影物镜波像差的检测并标定该装置系统误差的方法如 下步骤一、调节照明系统，使曝光光源发出的光束在投影物镜物方视场范围内均勻 的照明集成有漫射体物方掩模板。使用控制器驱动光刻机的物方工件台，调节物方工件台 的位置，使位于物方工件台上的物方掩模板位于投影物镜的物面处。照明系统的出射光束 均勻照明集成有漫射体的物方掩模板上的方孔，用于选择测量视场点。
步骤二、对投影物镜视场中物方掩模板的方孔所在视场点进行波像差在线检测， 并将测量结果保存到存储器中。使用控制器驱动像方工件台，调节像方工件台的位置，使位 于像方工件台上的像方掩模板位于投影物镜的像面处且像方掩模板上的方孔与物方掩模 板上的方孔经投影物镜所成的像进行对准。同时，调节准直物镜的轴向位置，使准直物镜的 物方焦点与位于像方掩模板上的方孔对准；轴向调节剪切装置的位置至所期待的位置；利 用光电探测器探测干涉图并保存到存储器中，并利用运算器对保存的干涉图进行处理，此 时获得的37项Zernike多项式表示的波像差包括投影物镜的波像差Wp。以及本装置引起的 系统误差Wis，将其存储在存储器中；步骤三、对本装置进行系统误差校准。即，在步骤二的基础上，使用控制器驱动像 方工件台，调节像方工件台的轴向位置，使所述物方掩模板上的方孔在所述光刻物镜离焦 像面上的像的尺寸远大于所述像方掩模板上的方孔的尺寸；利用光电探测器探测干涉图并 保存到存储器中，并利用运算器对保存的干涉图进行处理，此时获得的37项Zernike多项 式表示的波前信息仅指本发明装置引起的系统误差Wis，将其存储在存储器中；经步骤二和步骤三的两次测量，即可得到投影物镜在此视场点的波像差。步骤四、通过控制器移动物方工件台来改变物方掩模板上的方孔的位置，在此基 础上，通过控制器移动像方工件台，使像方掩模板位于投影物镜的像面处且像方掩模板上 方孔与物方掩模板上的方孔经投影物镜所成的像进行对准，从而改变所测量的投影物镜的 视场点。然后，调节准直物镜、剪切装置及光电探测器的位置至所期待的位置处，对新视场 点进行未经系统误差校准的波像差在线检测，并将测量结果保存在存储器中；步骤五、在步骤四的基础上，重复步骤三，通过两次测量从而得到新视场点的波像 差W' p。，并将测量结果保存在存储器中；重复步骤四及步骤五，直至完成投影物镜全视场波像差『^ (π = 1，2，3·_·)的测量， 并将结果保存在存储器中；运算器根据投影物镜全视场波像差^^ 0 = 1，2，3〃_)，利用敏感 度矩阵计算投影物镜中各个补偿器的调节量，并存入存储器；控制器根据存储器中各个补 偿器的调节量计算结果，自动调整投影物镜中各个补偿器，从而完成投影物镜的波像差校 正及控制。有益效果本发明所提出的光刻机投影物镜波像差在线检测装置，首先，可以实现剪切比的 连续可调，从而针对不同的待测物镜及同一待测物镜在不同的条件下进行在线检测时，可 以获得相对应的剪切比，从而提高了测量的灵敏度及测量精度；其次，利用方孔扩展光源提 高了曝光光源光强的利用率，弥补了采用点光源时投影物镜曝光时间长及干涉条纹对比度 低的不足，从而提高了测量速度和测量精度；最后，利用系统误差自校准技术，可以快速，高精度的获得投影物镜的波像差。
图1为本发明装置及光刻机的结构组成示意图；图2为本发明装置中的物方掩模板的结构示意图；图3为本发明装置中的像方掩模板的结构示意图；图4为本发明装置中剪切装置的结构示意图；图5为本发明装置中光电探测器处的四光束剪切波面示意图；其中，光刻机包括101-曝光光源、102-照明系统、103-掩模板、104-物方工件台、 105-投影物镜、106-硅片、107-像方工件台。检测装置包括201-漫射体、202-物方掩模板、202a_物方掩模板方孔、203-像方 掩模板、203a-像方掩模板方孔、204-准直物镜、205-剪切装置、206-轴向调节装置、207-光 电传感器、208-存储器、209-运算器、210-控制器。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。首先阐述光刻机的结构组成及工作原理。光刻机包括曝光光源101、照明系统 102、掩模板103、物方工件台104、投影物镜105、硅片106以及像方工件台107。光源101 发出的光经过照明系统102后，照明在掩模板103上，将掩模板103上的图案通过投影物镜 105，以步进-扫描的方式，缩小投影在涂有光刻胶的硅片106上，实现图案的转移。光源 101为波长约为193nm的ArF准分子激光或者波长约为248nm的KrF准分子激光。照明系 统102具有扩展光束、调节光束转向、形状的光学元件，以及勻光及调节光束相干因子的光 学元件，这样照明在掩模板103上的光束在投影物镜105视场范围内具有较理想的均勻性。 刻有待转移图案的掩模板103由物方工件台104支撑和驱动；涂有光刻胶的硅片106由像 方工件台107支撑和带动。掩模板103和硅片106位于投影物镜105的光学共轭面上。物 方工件台104和像方工件台107以不同的速率同步运动，以步进_扫描的方式将掩模板103 上的图案，通过投影物镜105精确地投影转移到涂有光刻胶的硅片107上。本发明通过在光刻机上集成一种新的投影物镜波像差在线检测装置，进行投影 物镜105波像差的在线检测、校正及控制，如图1所示。本发明装置包括201_漫射体、 202-物方掩模板、202a-物方掩模板方孔、203-像方掩模板、203a-像方掩模板方孔、204-准 直物镜、205-剪切装置、206-轴向调节装置、207-光电传感器、208-存储器、209-运算器、 210-控制器。其中，漫射体201集成在物方掩模板202上，且物方掩模板202开有一个尺寸大于光刻机照明系统102衍射极限分辨率的方孔202a，用于选择测量视场点。优选的，物方掩 模板202上方孔202a的尺寸与光电探测器207中形成的干涉图在x，y方向的对比度关系 为VX = Vy= sin (4 Ji zamx/pf)/(4 Ji zamx/pf)。其中，a 为方孔 202a 的尺寸；mx 为投影物 镜105的缩小倍率；f为准直物镜204的物方焦距；ρ为剪切装置205的周期；ζ为剪切装置 205到光电探测器207的距离。为此，为了获得较高对比度的干涉条纹，方孔202a尺寸的最 佳取值范围为pf/8zmx ^ a < pf/4zmx。
像方掩模板203位于像方工件台107上，且像方掩模板203开有一方孔203a用于 本发明装置系统误差的校准。像方掩模板203上方孔203a的尺寸略大于物方掩模板202 上方孔202a在投影物镜像面上像的尺寸，即 > a/m\其中，Bi为方孔203a的尺寸；准直物镜204位于投影物镜105的像面之后，且准直物镜204的物方焦平面与投 影物镜105的像面重合。准直物镜204为物方远心结构，将投影物镜105的出瞳共轭到光 电传感器207处。剪切装置205是一个正交位相光栅，如图4所示。正交位相光栅相邻透光部分的 位相差异为n，且光栅透光部分的尺寸大小为光栅周期的1/3。如此结构设计的光栅将经 过准直物镜204的平面波剪切成(+1，+1)、(+1，-1)、(-1，-1)及(_1，+1)四束衍射光波，前 述四束衍射光波在光电传感器207处的重叠区域内发生干涉，如图5所示，且剪切比的大小 为δ =s/D = 2Xz/pD，其中，s为前述四束衍射光波的剪切量；D为投影物镜105出瞳直 径的共轭尺寸；λ为光刻机曝光光源101的波长；ρ为剪切装置205的周期；ζ为剪切装置 205到光电探测器207的距离。从中可以看出，在投影物镜105出瞳直径的共轭尺寸D—定 时，选取并固定合适的光栅周期P，则剪切比S随着剪切装置205到光电探测器207的距 离ζ呈线性变化。由于针对不同的待测波前，需要确定不同的剪切比以获得最优的检测灵 敏度及检测精度，为此，当投影物镜105的波像差由于环境、结构及热影响发生改变时，可 利用控制器210驱动轴向调节装置206，调整剪切装置205到光电探测器207的距离ζ，从 而获得投影物镜105的波像差相适应的剪切比。轴向调节装置206，用于沿光轴方向移动光栅，从而实现剪切比的改变。光电传感器207，用于采集所述四束衍射光波的干涉条纹。存储器208，用于保存光电探测器207所采集的干涉条纹强度信息、投影物镜105 在物方掩模板上202方孔202a规定的视场点未经校准的波像差、系统误差校准结果、各个 视场点未经校准的波像差测量结果、系统误差校准后的投影物镜105全视场波像差，以及 投影物镜105各个补偿器的调节量。运算器209，用于根据存储器208中数据计算装置系统误差，各个视场点未经校准 的波像差，系统误差校准后的投影物镜105全视场波像差，以及投影物镜105中各个补偿器 的调整量。控制器210，用于控制物方工件台104和像方工件台107改变所测量的投影物镜 105的视场点，根据存储器208中投影物镜105各个补偿器调整量调整补偿器来校正投影物 镜105的像差。另外，控制器210用于控制轴向调节装置206，调整剪切装置205到光电探 测器207的距离z，从而获得投影物镜105的波像差相适应的剪切比。上述各组成部分的位置与连接关系如下漫射体201集成在物方掩模板202上，且物方掩模板202位于投影物镜105的物 面，并由光刻机中的物方工件台104固定支撑和驱动。物方掩模板202上的方孔202a要始 终处于光刻机投影物镜的视场范围之内，方孔202a所在位置即为本发明装置所测量的投 影物镜105的视场点。像方掩模板203位于投影物镜105的像面，并由光刻机中的像方工件台107支撑 和驱动。当在线检测投影物镜105的波像差时，所述像方掩模板203上的方孔203a与所述 物方掩模板202上的方孔202a在所述光刻物镜105像面上的像对准，此时获得的波像差信息包括投影物镜105的波像差Wp。和本发明装置的系统误差Wis。当进行系统误差校准时， 纵向调节光刻机中的像方工件台107的位置，使所述物方掩模板202上的方孔202a在所述 光刻物镜105离焦像面上的像的尺寸远大于所述像方掩模板上203的方孔203a的尺寸，此 时获得的波像差信息只包括本发明装置的系统误差Wis。通过两次测量从而得到投影物镜 105的波像差Wp。。准直物镜204位于投影物镜105的像面之后，且准直物镜204的物方焦平面与投 影物镜105的像面重合。准直物镜204为物方远心结构，将投影物镜105的出瞳共轭到有 限远处。剪切装置205位于投影物镜105与所述光电探测器207之间，并由轴向调节装置 206固定支撑，轴向调节装置206带动剪切装置205沿着光轴方向进行移动，从而实现剪切 比的连续可调。
光电传感器207 (如(XD)位于光刻投影物镜105的出瞳共轭面处。存储器208分别同光电传感器207、运算器209、控制器210相连接。控制器210 分别同轴向调节装置206、物方工件台104、像方工件台107以及投影物镜105补偿器及照 明系统102相连接。连接方式可以采用数据线、电缆线等有线方式，也可采用红外传输、蓝 牙等无线方式。使用上述装置进行光刻机投影物镜波像差的在线检测并校准该装置系统误差的 方法如下步骤一、在集成有本发明装置的光刻机上调节照明系统102，使来自所述照明系统 的曝光光源101发出的光束，在投影物镜105物方视场范围内均勻的照明集成有漫射体201 的物方掩模板202 ；使用控制器210驱动物方工件台104，调节物方工件台104的位置，使位 于物方工件台104上的物方掩模板202位于投影物镜105的物面处；照明系统102的出射 光束均勻照明集成有漫射体201的物方掩模板202上的方孔202a，用于选择测量视场点。步骤二、对投影物镜105视场中物方掩模板202的方孔202a所在视场点进行波像 差在线检测，并将测量结果保存到存储器208中。使用控制器210驱动像方工件台107，调 节像方工件台107的位置，使位于像方工件台107上的像方掩模板203位于投影物镜105的 像面处且像方掩模板203上的方孔203a与物方掩模板202上的方孔202a经投影物镜105 所成的像对准；并调节准直物镜105的轴向位置，使准直物镜105的物方焦点与位于像方掩 模板203上的方孔203a对准；利用轴向调节装置206沿光轴方向移动剪切装置205的位置 至所期待的位置；利用光电探测器207(如CCD)探测干涉图并保存到存储器208中。并利 用运算器209对保存的干涉图进行处理，此时获得的37项Zernike多项式表示的波像差包 括投影物镜105的波像差Wp。及本发明装置引起的系统误差Wis，并存储在存储器208中；步骤三、对本发明装置进行系统误差校准。在步骤二的基础上，使用控制器210驱动像方工件台107，调节像方工件台107的 轴向位置，使所述物方掩模板202上的方孔202a在所述光刻物镜105离焦像面上的像的尺 寸远大于所述像方掩模板203上的方孔203a的尺寸；利用光电探测器207 (如(XD)探测干 涉图并保存到存储器208中。并利用运算器209对保存的干涉图进行处理，此时获得的37 项Zernike多项式表示的波像差仅指本发明装置引起的系统误差Wis，并存储在存储器208 中；
通过步骤二和步骤三的两次测量就可以得到投影物镜105在此视场点的波像差。步骤四、通过控制器210移动物方工件台104来改变物方掩模板202上的方孔 202a的位置，在此基础上，通过控制器210移动像方工件台107，使像方掩模板203位于投 影物镜105的像面处且像方掩模板203上方孔203a与物方掩模板202上的方孔202a经投 影物镜105所成的像进行对准，从而改变所测量的投影物镜105的视场点。然后调节准直 物镜204、剪切装置205及光电探测器207的位置至所期待的位置处，对新视场点进行未经 系统误差校准的波像差在线检测，并将测量结果保存在存储器208中；
步骤五、在步骤四的基础上，重复步骤三，通过两次测量从而得到新视场点的波像 差W' p。，并将测量结果保存在存储器208中；重复步骤四及步骤五，直至完成投影物镜105全视场波像差W;。(" = 1,2,3···) 的测量，并结果保存在存储器208中；运算器209根据投影物镜105全视场波像差 Wnpo O = 1，2，3···)，利用敏感度矩阵计算投影物镜105中各个补偿器的调节量，并存入存储 器208 ；控制器210根据存储器208中各个补偿器的调节量计算结果，自动调整投影物镜 105中各个补偿器，从而完成投影物镜105的波像差校正及控制。虽然结合了附图描述了本发明的具体实施方式
，但是对于本领域技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的 保护范围。
权利要求
一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于包括以下组成部件(1)漫射体集成在物方掩模板上，用于均匀照明投影物镜光瞳及扩大投影物镜光瞳照明区域；(2)物方掩模板在物方掩模板上，设有一个尺寸大于光刻机照明系统衍射极限分辨率的方孔，用于选择测量视场点及提高光强透过率；(3)像方掩模板用于所述装置系统误差的校准；像方掩模板包括一个方孔，尺寸略大于所述物方掩模板上方孔在所述光刻物镜像面上的像的尺寸；(4)准直物镜用于将投影物镜的出瞳共轭到有限远处，即共轭到光电探测器面上；(5)剪切装置用于实现光波的剪切；剪切装置包括一个二维位相光栅，将经过所述准直物镜的平面波剪切成(+1，+1)、(+1，-1)、(-1，-1)及(-1，+1)四束衍射光波；(6)轴向调节装置沿光轴方向移动光栅，从而实现剪切比的改变；(7)光电探测器用于采集所述四束衍射光波的干涉条纹；(8)存储器用于保存光电探测器所采集的干涉条纹强度信息、投影物镜在物方掩模板上方孔规定的视场点未经标定的波像差、系统误差校准结果、各个视场点未经标定的波像差测量结果、系统误差校准后的投影物镜全视场波像差，以及投影物镜各个补偿器的调节量；(9)运算器用于根据存储器中数据计算装置系统误差，各个视场点未经标定的波像差，系统误差校准后的投影物镜全视场波像差，以及投影物镜中各个补偿器的调整量；(10)控制器用于控制物方工件台和像方工件台改变所测量的投影物镜的视场点，根据存储器中投影物镜各个补偿器调整量调整补偿器来校正像差；上述各组成部分的位置与连接关系如下漫射体集成在物方掩模板上；物方掩模板位于投影物镜的物面，并由光刻机中的物方工件台固定支撑和驱动；物方掩模板的方孔始终处于光刻机投影物镜的视场范围之内，方孔所在位置即为本发明装置所测量的投影物镜的视场点；像方掩模板位于投影物镜的像面，并由光刻机中的像方工件台支撑和驱动；当在线检测投影物镜波像差时，所述像方掩模板上的方孔与所述物方掩模板上的方孔在所述光刻物镜像面上的像对准，此时获得的波像差信息包括投影物镜波像差Wpo和干涉仪的系统误差Wis；当进行系统误差校准时，纵向调节光刻机中的像方工件台的位置，使所述物方掩模板上的方孔在所述光刻物镜离焦像面上的像的尺寸远大于所述像方掩模板上的方孔的尺寸，此时获得的波像差信息只包括干涉仪系统误差Wis；准直物镜位于投影物镜的像面之后，且准直物镜的物方焦平面与投影物镜的像面重合；准直物镜为物方远心结构，将投影物镜的出瞳共轭到有限远处；剪切装置位于投影物镜与所述光电探测器之间，并由轴向调节装置固定支撑，轴向调节装置带动剪切装置沿着光轴方向进行移动，实现剪切比的连续可调；光电传感器位于光刻投影物镜的出瞳共轭面处；存储器分别同光电传感器、运算器、控制器相连接；控制器分别同轴向调节装置、掩模工件台、硅片工件台以及投影物镜补偿器及照明系统相连接。
2.如权利要求1所述的一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于，所述 物方掩模板上方孔的尺寸与光电探测器中形成的干涉图在x，y方向的对比度关系为VX = Vy = sin (4 π zamx/pf)/(4 π Zamx/pf)，其中，a为方孔的尺寸，mx为投影物镜的缩小倍率， f为准直物镜204的物方焦距，ρ为剪切装置的周期；ζ为剪切装置到光电探测器的距离。
3.如权利要求2所述的一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于，方孔 尺寸的取值范围为pf/8zmx≤a < pf/4zmx。
4.如权利要求1所述的一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于，所述 剪切装置相邻透光部分的位相差异为η，且光栅透光部分的尺寸大小为光栅周期的1/3。
5.一种使用权利要求1所述装置进行光刻机投影物镜波像差的检测并标定该装置系 统误差的方法，其特征在于包括以下步骤步骤一、调节照明系统，使曝光光源发出的光束在投影物镜物方视场范围内均勻的照 明集成有漫射体物方掩模板；使用控制器驱动光刻机的物方工件台，调节物方工件台的位 置，使位于物方工件台上的物方掩模板位于投影物镜的物面处；照明系统的出射光束均勻 照明集成有漫射体的物方掩模板上的方孔，用于选择测量视场点；步骤二、对投影物镜视场中物方掩模板的方孔所在视场点进行波像差在线检测，并将 测量结果保存到存储器中；使用控制器驱动像方工件台，调节像方工件台的位置，使位于像 方工件台上的像方掩模板位于投影物镜的像面处且像方掩模板上的方孔与物方掩模板上 的方孔经投影物镜所成的像进行对准；同时，调节准直物镜的轴向位置，使准直物镜的物方 焦点与位于像方掩模板上的方孔对准；轴向调节剪切装置的位置至所期待的位置；利用光 电探测器探测干涉图并保存到存储器中，并利用运算器对保存的干涉图进行处理；此时获 得的37项Zernike多项式表示的波像差包括投影物镜的波像差Wp。以及本装置引起的系统 误差Wis，将其存储在存储器中；步骤三、对本装置进行系统误差校准，即，在步骤二的基础上，使用控制器驱动像方工 件台，调节像方工件台的轴向位置，使所述物方掩模板上的方孔在所述光刻物镜离焦像面 上的像的尺寸远大于所述像方掩模板上的方孔的尺寸；利用光电探测器探测干涉图并保存 到存储器中，并利用运算器对保存的干涉图进行处理，此时获得的37项Zernike多项式表 示的波前信息仅指本发明装置引起的系统误差Wis，将其存储在存储器中； 经步骤二和步骤三的两次测量，即可得到投影物镜在此视场点的波像差； 步骤四、通过控制器移动物方工件台来改变物方掩模板上的方孔的位置，在此基础上， 通过控制器移动像方工件台，使像方掩模板位于投影物镜的像面处且像方掩模板上方孔与 物方掩模板上的方孔经投影物镜所成的像进行对准，从而改变所测量的投影物镜的视场 点；然后，调节准直物镜、剪切装置及光电探测器的位置至所期待的位置处，对新视场点进 行未经系统误差校准的波像差在线检测，并将测量结果保存在存储器中；步骤五、在步骤四的基础上，重复步骤三，通过两次测量从而得到新视场点的波像差 W' p。，并将测量结果保存在存储器中；重复步骤四及步骤五，直至完成投影物镜全视场波像差0 = 1,2,3···)的测量，并将 结果保存在存储器中；运算器根据投影物镜全视场波像差^^ ( = 1，2，3…)，利用敏感度矩阵计算投影物镜中各个补偿器的调节量， 并存入存储器；控制器根据存储器中各个补偿器 的调节量计算结果，自动调整投影物镜中各个补偿器，从而完成投影物镜的波像差校正及 控制。
全文摘要
本发明公开了一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置及方法。漫射体集成在物方掩模板上，物方掩模板位于投影物镜的物面，并由光刻机中的物方工件台固定支撑和驱动，像方掩模板位于投影物镜的像面，并由光刻机中的像方工件台支撑和驱动。准直物镜位于投影物镜的像面之后，且准直物镜的物方焦平面与投影物镜的像面重合。剪切装置位于投影物镜与所述光电探测器之间，并由轴向调节装置固定支撑。光电传感器位于光刻投影物镜的出瞳共轭面处。本发明可实现剪切比的连续可调，提高了测量的灵敏度及测量精度；其次，利用方孔扩展光源提高了曝光光源光强的利用率，提高了测量速度和测量精度；最后，利用系统误差自校准技术，可快速、高精度的获得投影物镜的波像差。
文档编号G01M11/02GK101840164SQ20101017549
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者刘克, 李艳秋, 汪海 申请人:北京理工大学
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