專利名稱：基于空間像自定心的投影物鏡波像差檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機(jī)，尤其涉及一種基于空間像自定心的投影物鏡波像差檢測方法。
背景技術(shù)：
光刻機(jī)是當(dāng)今世界制造極大規(guī)模集成電路最為關(guān)鍵的設(shè)備之一。投影物鏡作為光刻機(jī)的最重要組成部分之一，它的成像質(zhì)量直接決定光刻機(jī)的性能。如何快速、精確的檢測光刻機(jī)投影物鏡的波像差是光刻機(jī)技術(shù)中最重要的問題之一。波像差可以按奇偶分為兩類，其中，奇像差會(huì)引起空間像的成像位置偏移，并導(dǎo)致空間像對稱位置的特征尺寸 ⑶(Critical Dimensions)不對稱等形狀改變；偶像差則會(huì)引起空間像的焦面偏移，并導(dǎo)致空間像離軸位置的CD不均衡等形狀改變。當(dāng)投影物鏡有波像差存在時(shí)，將造成光刻成像質(zhì)量的惡化和工藝窗口的減小，特別是隨著光刻的特征尺寸不斷減小，光刻機(jī)投影物鏡波像差對光刻成像質(zhì)量的影響越來越突出。研發(fā)快速，高精度的投影物鏡波像差檢測技術(shù)具有重要的意義。TAMIS(The transmission image sensor (TIS) at multiple illumination settings)技術(shù)是目前國際上獲得廣泛認(rèn)可的投影物鏡波像差檢測技術(shù)之一。具有簡便、可靠等特性(參見在先技術(shù) 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技術(shù)采用二元檢測標(biāo)記孤立線以及一個(gè)方孔，其中孤立線包括 X，Y兩個(gè)方向，分別用于檢測兩個(gè)方向的成像位置偏移量和最佳焦面偏移量，方孔用于補(bǔ)償照明光源的光強(qiáng)波動(dòng)。通過安裝在工件臺上的透射式圖像傳感器掃描得到檢測標(biāo)記的成像位置，再與理想成像位置比較后得到成像位置偏移量和最佳焦面偏移量，然后利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算對應(yīng)的彗差和球差。TAMIS技術(shù)測量波像差時(shí)，由于使用有限的空間像位置偏移信息，而忽略了大量的空間像的形狀改變信息，所以其測量精度相對較低。又由于TAMIS技術(shù)測量投影物鏡的波像差時(shí)需要使用十種以上的照明設(shè)置，因此測量速度較慢。而且TAMIS 技術(shù)可以測量的澤尼克系數(shù)的數(shù)量非常有限，僅局限于低階9個(gè)澤尼克像差，隨著光刻特征尺寸的不斷減小，波像差測量精度的不斷提高，TAMIS技術(shù)的測量精度、速度和澤尼克像差的種類均無法滿足波像差測量要求。基于空間像主成份分析的波像差檢測技術(shù)是一種新近提出的投影物鏡波像差現(xiàn)場檢測技術(shù)。該技術(shù)具有求解精度高，噪聲容限大的特點(diǎn)(參見在先技術(shù)2，Anatoly Y.Bourov, Liang Li， Zhiyong Yang， Fan Wang, Lifeng Duan，“Aerialimage model and application to aberration measurement，，，Proc· SPIE 7640, 765032 (2010).)。在先技術(shù)2是一種基于物理仿真和統(tǒng)計(jì)分析的波像差檢測技術(shù)。它首先利用物理仿真對空間像進(jìn)行主成份分析，然后建立主成份系數(shù)與數(shù)值孔徑NA (Numerical Aperture)，照明參數(shù)，澤尼克像差之間的回歸矩陣，以仿真和統(tǒng)計(jì)分析得到的主成份矩陣和回歸矩陣作為模型，對實(shí)測空間像進(jìn)行主成份分解和澤尼克像差回歸運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對投影物鏡的現(xiàn)場檢測。在先技術(shù) 2理論上可以測量& A7共33階澤尼克像差，而且與在先技術(shù)1相比具有更高的像差測量精度和更快的測量速度。但是，由于在先技術(shù)2需要對多種照明方式進(jìn)行模型訓(xùn)練，并聯(lián)合多種照明方式求解像差，存在建模復(fù)雜，實(shí)測速度相對較慢的問題。又由于在先技術(shù)2在對空間像進(jìn)行定心的過程中，誤差較大，速度較慢，從而影響了澤尼克像差的求解精度和速度。所謂定心，就是從實(shí)測的空間像求得其真實(shí)坐標(biāo)原點(diǎn)位置的過程。定心存在誤差會(huì)直接影響對空間像進(jìn)行主成份分解的精度，從而影響波像差的求解精度。在先技術(shù)2的空間像定心方法是小范圍匹配法，即選取模型主成份的局部區(qū)域分解實(shí)測空間像的等尺寸區(qū)域，以實(shí)測與擬合的殘差最小為原則，遍歷空間像的全部或局部，從而找到最優(yōu)的匹配位置完成定心。這種方法主要存在以下三個(gè)問題第一也是所有遍歷方法的普遍問題，即耗費(fèi)大量時(shí)間做搜索比較工作，而且該方法每次搜索時(shí)都要對所選區(qū)域進(jìn)行一次主成份分解；第二是選取的模型主成份查詢區(qū)域要很好地表征整幅空間像的特征，而且尺寸要適當(dāng)，過小則無法包含足夠的特征信息，而過大又將造成求解時(shí)間的浪費(fèi)；第三是遍歷的步長，大步長遍歷只能粗糙的求得匹配位置，無法達(dá)到精確定心的目的，小步長又將大量消耗定心時(shí)間。所以這種方法由于存在匹配區(qū)域的選取，遍歷步長的確定等問題影響了澤尼克像差求解的精度和速度，實(shí)際測量中并不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于空間像自定心算法的投影物鏡波像差檢測方法， 該方法簡化了波像差測量流程，在提高波像差測量精度的同時(shí)，縮短測量時(shí)間。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于空間像自定心的投影物鏡波像差檢測方法，該方法利用的系統(tǒng)包括產(chǎn)生照明光束的照明光源；能調(diào)整照明光源發(fā)出光束的束腰尺寸，光強(qiáng)分布，部分相干因子和照明方式的照明系統(tǒng)；能承載測試掩模并擁有精確步進(jìn)和定位能力的掩模臺；能將測試掩模上的檢測標(biāo)記按照一定比例縮放成像的投影物鏡；能精確步進(jìn)和定位的工件臺；安裝在工件臺上的用于采集檢測標(biāo)記所成空間像的圖像傳感裝置；與所述圖像傳感裝置相連的用于光刻機(jī)控制，數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)，其特征在于該方法所述的照明系統(tǒng)的照明方式是傳統(tǒng)照明方式，部分相干因子O是0.8;所述的測試掩模應(yīng)具有便于最大光強(qiáng)定心的特征，是孤立線、孤立空、或中線寬于邊線的3線，5線檢測標(biāo)記；所述的檢測標(biāo)記包含0度，90 度兩個(gè)方向的檢測標(biāo)記；該方法包括如下步驟①建立仿真空間像訓(xùn)練庫AIB (Aerial Image Training Base)首先，調(diào)用MATLAB按照BoX_Behnken design的統(tǒng)計(jì)方式根據(jù)公式(1)設(shè)計(jì)澤尼克像差訓(xùn)練、庫 ZB (Zernike Aberration Training Base), Box_Behnkendesign 是一種統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)方法，它的設(shè)計(jì)原則是每次只有兩個(gè)元素取非零值，澤尼克像差變化范圍為-0. 1 λ 0. 1 λ，ZB = 0. I^BBdesign(ZN) (ZN = 3,4, —,33) (1)
其中，ZN表示模型使用澤尼克像差的個(gè)數(shù)，因?yàn)锽Bdesign理論上可以設(shè)計(jì)的澤尼克像差的個(gè)數(shù)觀最少為3個(gè)，而本方法可以求解\ Z37共33項(xiàng)澤尼克系數(shù)，所以ZN的取值是3到33的整數(shù)，得到的觀是一個(gè)N行ZN列的矩陣，N是一個(gè)與ZN相關(guān)的量，ZB的
每一行表示一組訓(xùn)練用的澤尼克像差。然后，選取澤尼克像差訓(xùn)練庫觀的第一行作為訓(xùn)練用像差，輸入光刻仿真軟件 (PR0LITH、Solid-C等)的光瞳函數(shù)中，再設(shè)定仿真軟件的各項(xiàng)參數(shù)，包括照明光源的波長、 照明方式及部分相干因子ο、投影物鏡的數(shù)值孔徑、空間像的采樣范圍、采樣點(diǎn)數(shù)等，其中本發(fā)明使用的照明方式為傳統(tǒng)照明，部分相干因子ο為0.8，將0度檢測標(biāo)記仿真成像在 F-X平面，得到第一幅空間像。再對進(jìn)行定心處理首先用MATLAB的命令max和find找到碎°的最大光強(qiáng)值及最大光強(qiáng)值在碎°中的位置，再將此位置作為優(yōu)化函數(shù)Fminsearch的搜索起始點(diǎn)，找到精確的最大光強(qiáng)位置，最后根據(jù)最大光強(qiáng)位置插值出新的空間像^4”，插值出的新空間像
該使最大光強(qiáng)位于整幅空間像的圖像中心。然后，依次代入觀中的各組澤尼克像差生成仿真空間像并做定心和插值處理，要求每幅空間像《(°插值得到的新空間像都有相同的尺寸。同法，將90度檢測標(biāo)記仿真成像在F-Y平面，并進(jìn)行定心和插值處理。最后，將所有定心和插值后的空間像按照公式(2)排列組成仿真空間像訓(xùn)練庫 AIB
權(quán)利要求
1. 一種基于空間像自定心的投影物鏡波像差檢測方法，該方法利用的系統(tǒng)包括產(chǎn)生照明光束的照明光源(1)；能調(diào)整照明光源(1)發(fā)出光束的束腰尺寸，光強(qiáng)分布，部分相干因子和照明方式的照明系統(tǒng)O)；能承載測試掩模(3)并擁有精確步進(jìn)和定位能力的掩模臺；能將測試掩模( 上的檢測標(biāo)記( 按照一定比例縮放成像的投影物鏡(6)；能精確步進(jìn)和定位的工件臺(7)；安裝在工件臺(7)上的用于采集檢測標(biāo)記(5)所成空間像的圖像傳感裝置(8)；與所述圖像傳感裝置相連的用于光刻機(jī)控制，數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)(9)，其特征在于該方法所述的照明系統(tǒng)O)的照明方式是傳統(tǒng)照明方式，部分相干因子 σ是0. 8 ；所述的測試掩模(3)應(yīng)具有便于最大光強(qiáng)定心的特征，是孤立線、孤立空、或中線寬于邊線的3線，5線檢測標(biāo)記；所述的檢測標(biāo)記(5)包含0度，90度兩個(gè)方向的檢測標(biāo)記； 該方法包括如下步驟①建立仿真空間像訓(xùn)練庫AIB首先，調(diào)用MATLAB按照BoX_Behnken design (以下簡稱為BBdesign)的統(tǒng)計(jì)方式根據(jù)公式(1)設(shè)計(jì)澤尼克像差訓(xùn)練庫ZB，澤尼克像差的變化范圍為-0. 1 λ 0. 1 λ， ZB = 0. I^BBdesign(ZN) (ZN = 3,4, —,33) (1)其中，ZN表示澤尼克像差訓(xùn)練庫模型選用的澤尼克像差的個(gè)數(shù)，因?yàn)锽Bdesign理論上可以設(shè)計(jì)的澤尼克像差的個(gè)數(shù)觀最少為3個(gè)，而本方法可以求解 τ、 共33項(xiàng)澤尼克系數(shù)，所以ZN的取值是3到33的整數(shù)，所述的觀是一個(gè)N行ZN列的矩陣，N是一個(gè)與ZN 相關(guān)的量，ZB的每一行表示一組訓(xùn)練用的澤尼克像差；然后，選取澤尼克像差訓(xùn)練庫觀的第一行作為訓(xùn)練用像差，輸入光刻仿真軟件 (PR0LITH、Solid-C等)的光瞳函數(shù)中，再設(shè)定仿真軟件的各項(xiàng)參數(shù)，包括照明光源的波長、 照明方式及部分相干因子ο、投影物鏡的數(shù)值孔徑、空間像的采樣范圍、采樣點(diǎn)數(shù)，其中本發(fā)明使用的照明方式為傳統(tǒng)照明，部分相干因子。為0.8，將0度檢測標(biāo)記仿真成像在F-X 平面，得到第一幅空間像再對進(jìn)行定心處理首先用MATLAB的命令max和find找到的最大光強(qiáng)值及最大光強(qiáng)值在碎°中的位置，再將此位置作為優(yōu)化函數(shù)Fminsearch的搜索起始點(diǎn)，找到精確的最大光強(qiáng)位置，最后根據(jù)最大光強(qiáng)位置插值出新的空間像^4”，插值出的空間像最大光強(qiáng)位于整幅仿真空間像的圖像中心；然后，依次代入觀中的各組澤尼克像差生成仿真空間像并做定心和插值處理，要求每幅空間像叫°插值得到的仿真空間像都有相同的尺寸；同法，將90度檢測標(biāo)記仿真成像在F-Y平面，并進(jìn)行定心和插值處理；最后，將所有定心和插值后的空間像^^按照公式(2)排列組成仿真空間像訓(xùn)練庫AIB _ AIB0 _AIB = [aib-_②建立仿真空間像訓(xùn)練庫AIB與澤尼克像差訓(xùn)練庫觀間的線性關(guān)系模型 該模型包含主成份矩陣PCM和澤尼克回歸矩陣ZRM ；首先，對仿真空間像訓(xùn)練庫AIB按照公式(3)進(jìn)行主成份分析，得到一系列訓(xùn)練空間像的主成份矩陣PCM、本征值Latent和主成份系數(shù)PCc [PCc, PCM, Latent] = princomp (AIB)(3)它們之間存在如下的關(guān)系A(chǔ)IB = PCM · PCc(4)再按照公式(5)和(6)建立從主成份系數(shù)PCc到澤尼克像差訓(xùn)練庫觀的澤尼克回歸矩陣ZRM [bj, R/] = regress (PCcj, [IZBjDj = 1,2,…，N (5) ZRM = Cb1 b2...bj …bN]T (6)其中，N是 的行數(shù)，R/是擬合優(yōu)度，是函數(shù)regrress的返回值，用于評估ZRM的第j 行的擬合質(zhì)量；它們之間存在如下的關(guān)系 PCc = ZRM · ZB (7)結(jié)合方程(4)和(7)，仿真空間像訓(xùn)練庫AIB與澤尼克像差訓(xùn)練庫觀間的線性關(guān)系模型可以按照公式(8)簡單表示 AIB = PCM · ZRM · ZB (8)③采集實(shí)測空間像運(yùn)行光刻機(jī)配套的伺服軟件，按照步驟①中生成仿真空間像訓(xùn)練庫AIB時(shí)使用的參數(shù)條件設(shè)置光刻機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括照明光源的波長、照明方式及部分相干因子、投影物鏡的數(shù)值孔徑、空間像的采樣范圍、采樣點(diǎn)數(shù)以及各個(gè)視場點(diǎn)空間像的采樣次數(shù)等參數(shù)；運(yùn)行空間像采集程序，圖像傳感裝置(8)對所有視場點(diǎn)的兩個(gè)方向檢測標(biāo)記(5)的空間像進(jìn)行采集，將采集的空間像輸入計(jì)算機(jī)(9)中的MATLAB軟件，使用.mat格式存儲(chǔ)，建立實(shí)測空間像庫AIBR ；④對實(shí)測空間像庫AIBR進(jìn)行預(yù)處理生成待測空間像庫AIBS對實(shí)測空間像庫AIBR進(jìn)行的預(yù)處理是指對AIBR中的每一幅實(shí)測空間像AIBIij進(jìn)行的預(yù)處理，包括三個(gè)步驟第一步是平滑降噪處理，第二步是最大光強(qiáng)位置定心，第三步是插值重構(gòu)；首先，對實(shí)測空間像AIBIij進(jìn)行平滑降噪，使用B型樣條濾波的方法，利用MATLAB中的 spaps函數(shù)實(shí)現(xiàn)；然后，對平滑降噪后的實(shí)測空間像AIBIij使用MATLAB的命令max和find找到最大光強(qiáng)值及最大光強(qiáng)值在AIBIij中的位置，再將此位置作為優(yōu)化函數(shù)Fminsearch的搜索起始點(diǎn)， 找到精確的最大光強(qiáng)位置完成定心；最后，根據(jù)最大光強(qiáng)位置插值出新的空間像，即待測空間像AIBSj, AIBh的最大光強(qiáng)位于整幅空間像的圖像中心，并且AIBh的尺寸與空間像訓(xùn)練庫AIB中的空間像尺寸保持一致，最后將所有的待測空間像AIBh組合起來構(gòu)成待測空間像庫AIBS ；⑤實(shí)測空間像的像差求解首先，利用步驟②中得到的主成份矩陣PCM，對待測空間像庫AIBS中的每一幅待測空間像AIBh按下列矩陣方程式(9)進(jìn)行主成份分解，得到待測空間像的主成份系數(shù)PCcS: PCcSj = (PCMt · PCM)· (PCMt · AIBSj) j = 1,2,…，M (9) 其中，PCMt表示PCM的轉(zhuǎn)置，AIBSj為待測空間像庫AIBS中的第j幅空間像，M是待測空間像庫AIBS中空間像的總數(shù)；然后，利用步驟②中得到的擬合優(yōu)度R2值評估澤尼克回歸矩陣ZRM，選取所有Ri2大于 0. 9的澤尼克回歸矩陣ZRM的行向量ZRMi,組成新的澤尼克回歸矩陣ZRMU ；最后，使用最小二乘法，按照公式(10)解得表征投影物鏡成像質(zhì)量的澤尼克波像差ZS ZSj = (ZRMUt · ZRMur1 · (ZRMUt · PCcSj) j = 1,2,…，M (10)其中，ZRMUt表示ZRMU的轉(zhuǎn)置，PCc^為待測空間像AIB^的主成份系數(shù)，M是待測空間像庫AIBS中空間像的總數(shù)。
全文摘要
一種基于空間像自定心的投影物鏡波像差檢測方法，通過最大光強(qiáng)位置對仿真和實(shí)測空間像進(jìn)行定心，然后對仿真空間像進(jìn)行主成份分析得到主成份矩陣，再建立主成份系數(shù)與澤尼克系數(shù)之間的回歸矩陣，最后利用主成份矩陣和回歸矩陣求解實(shí)測空間像的波像差。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提出了一種簡易的空間像定心方法，使基于空間像主成份分析的波像差檢測方法的檢測速度和精度都得到了明顯提高。
文檔編號G03F7/20GK102231048SQ20111017262
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者彭勃, 楊濟(jì)碩, 步揚(yáng), 殷立峰, 王向朝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所