專利名稱：光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機，特別是一種用于光刻機的基于空間像主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術(shù)：
投影物鏡是光刻機系統(tǒng)的核心部件之一。投影物鏡中的波像差會造成成像質(zhì)量的惡化和工藝窗口的減小，從而降低產(chǎn)率。隨著光刻技術(shù)的特征尺寸不斷減小，光刻機投影物鏡的像差容限變得越來越嚴(yán)苛。光刻投影物鏡的波像差檢測需求從低階像差擴展到高階像差，從在這種前提下，研發(fā)能夠高精度檢測低階和高階波像差的原位檢測技術(shù)具有更加重要的意義。由于基于空間像的投影物鏡波像差檢測技術(shù)成本低且容易操作，基于空間像的波像差檢測技術(shù)在最近幾年得到了廣泛發(fā)展。在眾多基于空間像的波像差檢測技術(shù)中，TAMIS技術(shù)是具有代表性的一種(參見在先技術(shù)1，H. van der Laan，Μ. Dierichs， H. van Greevenbroek, E.McCoo, F. Stoffels, R. Pongers and R. ffillekers, "Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupil verification, ” Proc. SPIE 4346，394-407 (2001))。TAMIS 檢測技術(shù)通過檢測二元掩模標(biāo)記的空間像來提取像差。具體方式是，在一系列照明設(shè)置下檢測標(biāo)記的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量，用檢測數(shù)據(jù)獲得的偏移量向量和事先計算好的靈敏度矩陣來計算空間像。TAMIS技術(shù)采用二元掩模標(biāo)記作為檢測標(biāo)記，在多種照明方式下進(jìn)行檢測。為了提升 TAMIS技術(shù)的檢測精度，F(xiàn)an Wang等和Zicheng Qiu等先后提出了基于相移光柵標(biāo)記的光刻機投影物鏡波像差原位檢測技術(shù)(參見在先技術(shù)2，F(xiàn)an Wang, Xiangzhao Wang, Mingying Ma, Dongqing Zhang, Weijie Shi and Jianming Hu,"Aberration measurement of projection optics in lithographic tools by use of an alternating phase-shifting mask, ” Appl. Opt. 45,281-287(2006).)和基于平移對稱交替相移光柵標(biāo)記的光刻機投影物鏡彗差檢測技術(shù)(參見在先技術(shù) 3，Zicheng Qiu, Xiangzhao Wang, Qiongyan Yuan, Fan Wang, "Coma measurement by use of an alternating phase-shifting mask mark with a specific phase width, "Appl. Opt. 48 (2), 261-269 (2009).) 以上兩種技術(shù)分別提出了使用相移掩模光柵標(biāo)記和使用更為復(fù)雜的平移對稱交替相移光柵標(biāo)記來提升檢測精度。相比在先技術(shù)1，在先技術(shù)2的檢測精度提升了 20%以上。相對在先技術(shù)2，在先技術(shù)3的檢測精度又提高了 15%以上。這兩種技術(shù)雖然都提升了檢測精度，但只是在檢測標(biāo)記上進(jìn)行了改進(jìn)，檢測原理仍然是基于TAMIS技術(shù)。因此其檢測的像差種類仍然較少，檢測的流程也無法簡化。近年來，Nikon公司提出了一種基于多方向標(biāo)記和空間像傅里葉分析的投影物鏡波像差檢測技術(shù)(參見在先技術(shù) 4，Suneyuki Hagiwara, Naoto Kondo, Irihama Hiroshi, Kosuke Suzuki and Nobutaka Magome, “ Development of aerial image based aberration measurement technique" , Proc. SPIE 5754,1659 (2005)) 該技術(shù)的檢測標(biāo)記為36個不同方向不同周期的光柵標(biāo)記，測得的空間像通過傅里葉分析處理，在波像差和不同級次頻譜的相位和幅度之間建立線性關(guān)系。這種技術(shù)由于專門設(shè)計了 36個方向周期各不相同的標(biāo)記，檢測像差的種類得以擴展，檢測精度也獲得很大提升。然而該技術(shù)的檢測標(biāo)記需要專門設(shè)計，提高了成本，通用性也下降。上海微電子裝備有限公司(SMEE)的Anatoly Y. Burov等人提出了一種空間像的模型和其在波像差檢測中的應(yīng)用(參見在先技術(shù)5，Anatoly Y. Burov, Liang Li，Zhiyong Yang, Fan Wang, Lifeng Duan, 'Aerial image model and application to aberration measurement，，Proc. SPIE 7640，(2009) ) 采用20個主成分表示空間像，并根據(jù)各個主成分的系數(shù)得到33階像差的20個組合作為表示像差的一種方法。這種方法不需要專門設(shè)計掩模標(biāo)記，測量速度快，可以用來檢測高階像差。但是這種方法要求嚴(yán)格知道測量空間像的坐標(biāo)，這就給對準(zhǔn)提出了很高的要求，限制了這種方法的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于光刻機的基于空間像主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)及檢測方法，該方法通過定心流程，補償了光刻機空間像位置測量誤差，提高了測試的重復(fù)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于光刻機的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)，包括產(chǎn)生照明光束的照明光源；可以調(diào)整照明光強分布和部分相干因子大小的照明系統(tǒng)；用于承載掩模，并具有精確定位能力的掩模臺；能將通過測試掩模上的檢測標(biāo)記的光束匯聚到硅片面且數(shù)值孔徑可調(diào)的投影物鏡；能承載硅片并具有三維掃描能力和精確定位能力的工件臺；安裝在工件臺上的像傳感器，與所述像傳感器相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算機，其特點在于所述檢測標(biāo)記由一組分別位于O度和90度方向孤立空圖形組成，圖形的線寬為 250nm，周期為 3000nm ；所述的像傳感器為CCD或透射像傳感器，所述像傳感器能夠在水平方向和垂直方向進(jìn)行掃描，水平方向和垂直方向定位精度都小于20nm。利用上述基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，包括以下步驟(1)仿真空間像集合確定需要求解的波像差種類為Z7 Z9，或者Z7 Z9和Z14 Z16，或者Z7 Z9 和其它像差共Nz種波像差；設(shè)置需要求解的波像差的幅值為a ；對于需要求解的波像差，通過統(tǒng)計方法BoX_Behnken設(shè)計像差組合得到一個矩陣B，B的每一行代表一種組合，B的每一列與一種需要求解的波像差對應(yīng)，B的總行數(shù)就是設(shè)計的像差組合的總個數(shù)，每一組像差組合中需要求解的波像差的值即像差組合矩陣A = a · B中每行的值；投影物鏡數(shù)值孔徑為NA;設(shè)置照明方式為傳統(tǒng)照明或環(huán)形照明，傳統(tǒng)照明條件下部分相干因子為ο，環(huán)形照明條件下，部分相干因子為[o。ut，oin]，其中，o。ut表示外部相干因子，Qin表示為內(nèi)部相干因子；設(shè)置掩模標(biāo)記為O度方向和90度方向的寬為250nm的孤立空；設(shè)置空間像垂軸方向采集長度為w，采集步長為dw，采集范圍與工件臺中心對稱，垂軸方向的采集位置構(gòu)成了向量X，向量X的長度為Nx ；設(shè)置空間像沿軸向采集長度為h，采集步長為dh，采集范圍與軸向中心對稱，軸向采集位置構(gòu)成了向量F，向量F的長度為Nf ；根據(jù)上述條件，采用Prolith 等光刻仿真軟件進(jìn)行仿真，得到在O度和90度條件下每組波像差對應(yīng)的空間像，O度方向的所有空間像構(gòu)成了 O度方向的空間像集合IMq，90度方向的所有空間像構(gòu)成了 90度方向的空間像集合IM1 ；(2)主成分分析和線性回歸分析對仿真的空間像集合IMtl進(jìn)行主成分分析，得到0度方向的主成分矩陣&，0度方向的主成分系數(shù)矩陣Ctl ；對仿真的空間像集合IM1進(jìn)行主成分分析，得到90度方向的主成分矩陣S1,90度方向的主成分系數(shù)矩陣C1 ；對主成分系數(shù)矩陣Ctl與BoX_Behnken得到的像差組合A進(jìn)行線性回歸，得到0度方向的回歸矩陣RMtl ；對主成分系數(shù)矩陣C1與BoX_Behnken得到的像差組合A進(jìn)行線性回歸，得到90度方向的回歸矩陣RM1 ；對主成分矩陣&與向量X和F進(jìn)行擬合，得到擬合的樣條插值函數(shù)f^ ；對主成分矩陣S1與向量X和F進(jìn)行擬合，得到擬合的樣條插值函數(shù)；(3)啟動光刻機采集空間像按照仿真空間像時光刻機投影物鏡NA、照明方式、部分相干因子、工件臺和軸向的測量范圍、工件臺和軸向的測量點數(shù)設(shè)置光刻機的工作條件；加載帶有上面所述檢測標(biāo)記的掩模板，啟動光刻機，傳感器采集該掩模上0度方向掩模標(biāo)記和90度方向掩模標(biāo)記所對應(yīng)的空間像和/Lri以及實際測量位置，并輸入計算機進(jìn)行處理。其中，/二和都是大小為NxXNf的矩陣，/二和/Lri的名義位置就是向量X 和F對應(yīng)的位置，名義位置與實測位置的偏移量就是定心誤差，垂軸方向定心誤差范圍為 [-XSmax，XSmax],軸向定心誤差范圍為[-FSfflax, FSfflaJ ；(4)基于主成分?jǐn)M合進(jìn)行定心和求解波像差選取采集的0度方向的空間像/二，采用定心流程得到該空間像對應(yīng)的主成分系數(shù)選取采集的90度方向的空間像，采用定心流程得到該空間像對應(yīng)的主成分系數(shù)根據(jù)回歸矩陣RMtl和RM1，主成分系數(shù)^和^，采用最小二乘法擬合得到建模的波像差。其中，NA范圍為0. 45 0. 75。其中，幅值a范圍為0. 1λ 0.2入。其中，照明方式為傳統(tǒng)照明或者環(huán)形照明。其中，照明方式為傳統(tǒng)照明時，部分相干因子σ范圍為0.1 0.9。其中，照明方式為環(huán)形照明時，外部相干因子σ。ut范圍為0. 2 0. 9，內(nèi)部相干因子Oin范圍為0. 1 0.8，其中，0_-(^不小于0. 1。其中，垂軸方向采集長度w為400nm 3000nm之間的任意值；垂軸方向采集步長 dw為Inm 200nm之間的任意值。其中，軸向方向采集長度h為2000nm IOOOOnm之間的任意值，軸向步長dh為 Inm 250nm之間的任意值。其中，垂軸方向定心誤差范圍[-X^iax, X^1J為[_400，400]歷。
其中，軸向方向定心誤差范圍[_remax，remax]為[-2000，2000]nm。其中，上面步驟中提到的采用定心流程求解和^,的步驟如下所述(1)根據(jù)XSmax，得到裁剪列數(shù)mMal和裁剪行數(shù)nreal分別為
權(quán)利要求
1.一種用于光刻機的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括產(chǎn)生照明光束的照明光源；照明系統(tǒng)；用于承載掩模，并具有精確定位能力的掩模臺；能將通過測試掩模上的檢測標(biāo)記的光束匯聚到硅片面且數(shù)值孔徑可調(diào)的投影物鏡；能承載硅片并具有三維掃描能力和精確定位能力的工件臺；安裝在工件臺上的像傳感器，與所述像傳感器相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算機；其特征在于所述檢測標(biāo)記由一組分別位于0度和90度方向孤立空圖形組成，圖形的線寬為250nm， 周期為3000nm ；所述的像傳感器為CCD等光電轉(zhuǎn)換器件，所述像傳感器能夠在水平方向和垂直方向進(jìn)行掃描，水平方向和垂直方向定位精度都小于20nm。
2.利用權(quán)利要求1所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，包括以下步驟(1)仿真主成分?jǐn)M合定心所需要的空間像確定需要求解的波像差種類為Z7 Z9，或者Z7 Z9和Z14 Z16，或者Z7 Z9和其它像差共Nz種波像差；設(shè)置需要求解的波像差的幅值為a ；對于需要求解的波像差，通過統(tǒng)計方法BoX_Behnken設(shè)計像差組合得到一個矩陣B，B的每一行代表一種組合，B的每一列與一種需要求解的波像差對應(yīng)，B的總行數(shù)就是設(shè)計的像差組合的總個數(shù)，每一組像差組合中需要求解的波像差的值像差組合矩陣A = a · B中每行的值；投影物鏡數(shù)值孔徑為NA ； 設(shè)置照明方式為傳統(tǒng)照明或環(huán)形照明，傳統(tǒng)照明條件下部分相干因子為ο，環(huán)形照明條件下，部分相干因子為[o。ut，oin]，其中，o。ut表示外部相干因子，Qin表示為內(nèi)部相干因子； 設(shè)置掩模標(biāo)記為O度方向和90度方向的寬為250nm的孤立空；設(shè)置空間像垂軸方向采集長度為w，采集步長為dw，采集范圍與工件臺中心對稱，垂軸方向的采集位置構(gòu)成了向量X，向量X的長度為Nx ；設(shè)置空間像沿軸向采集長度為h，采集步長為dh，采集范圍與軸向中心對稱，軸向采集位置構(gòu)成了向量F，向量F的長度為Nf ；根據(jù)上述條件，采用I^rolith等光刻仿真軟件進(jìn)行仿真，得到在0度和90度條件下每組波像差對應(yīng)的空間像，0度方向的所有空間像構(gòu)成了 0度方向的空間像集合IMq，90度方向的所有空間像構(gòu)成了 90度方向的空間像集合 IM1 ；(2)主成分分析和線性回歸分析對仿真的空間像集合IMtl進(jìn)行主成分分析，得到0度方向的主成分矩陣&，0度方向的主成分系數(shù)矩陣Ctl ；對仿真的空間像集合IM1進(jìn)行主成分分析，得到90度方向的主成分矩陣S1,90度方向的主成分系數(shù)矩陣C1 ；對主成分系數(shù)矩陣Ctl與BoX_Behnken得到的像差組合A進(jìn)行線性回歸，得到0度方向的回歸矩陣RMtl ；對主成分系數(shù)矩陣C1與BoX_Behnken得到的像差組合A進(jìn)行線性回歸，得到90度方向的回歸矩陣RM1 ；對主成分矩陣&與向量X和F進(jìn)行擬合，得到擬合的樣條插值函數(shù)f^ ；對主成分矩陣 S1與向量X和F進(jìn)行擬合，得到擬合的樣條插值函數(shù)；(3)啟動光刻機采集空間像按照仿真空間像時光刻機投影物鏡NA、照明方式、部分相干因子、工件臺和軸向的測量范圍、工件臺和軸向的測量點數(shù)設(shè)置光刻機的工作條件；加載帶有上面所述檢測標(biāo)記的掩模板，啟動光刻機，傳感器采集該掩模上0度方向掩模標(biāo)記和90度方向掩模標(biāo)記所對應(yīng)的空間像和/Lri以及實際測量位置，并輸入計算機進(jìn)行處理。其中，/二和都是大小為NxXNf的矩陣，/二和/Lri的名義位置就是向量X 和F對應(yīng)的位置，名義位置與實測位置的偏移量就是定心誤差，垂軸方向定心誤差范圍為 [-XSmax，XSmax],軸向定心誤差范圍為[-FSfflax, FSfflaJ ；(4)基于主成分?jǐn)M合進(jìn)行定心和求解波像差對0度方向的空間像/二，采用定心流程得到其對應(yīng)的主成分系數(shù) ° ;對90度方向的空間像，采用定心流程得到其對應(yīng)的主成分系數(shù) 根據(jù)回歸矩陣RMc^P RM1，主成分系數(shù)^；；和，采用最小二乘法擬合得到需要求解的波像差。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于所述的NA范圍為0. 1 0.9 ；所述的幅值a范圍為0. 1 λ 0. 2 λ ； 所述的照明方式為傳統(tǒng)照明或者環(huán)形照明所述的照明方式為傳統(tǒng)照明時，部分相干因子 σ范圍為0.1 0.9;所述的照明方式為環(huán)形照明時，外部相干因子o。ut范圍為0.2 0.9，內(nèi)部相干因子Qin范圍為0.1 0.8，其中，0_-0^不小于0.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于所述的垂軸方向采集長度w為400nm 3000nm之間的任意值；垂軸方向采集步長dw為Inm 200nm之間的任意值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于所述的軸向方向采集長度h為2000nm IOOOOnm之間的任意值， 軸向步長dh為Inm 125nm之間的任意值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于所述的垂軸方向定心誤差范圍[-XSmax，XSmaJ為[-400，400]nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于所述的軸向方向定心誤差范圍[-FSmax，F(xiàn)SmaJ為[-2000，2000]nm。
8.利用權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于所述的定心流程包括如下步驟(1)根據(jù)XSmax，得到裁剪列數(shù)mreal和裁剪行數(shù)nMal分別為
9.根據(jù)利用權(quán)利要求8所述的擬合殘差的計算方法，特征在于包括以下步驟(1)根據(jù)主成分和主成分系數(shù)^力，得到擬合的空間像‘為
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)檢測波像差的方法，特征在于計算建模的波像差系數(shù)包含如下的步驟根據(jù)回歸矩陣RMtl和RM1，得到總的回歸矩陣RM
全文摘要
一種用于光刻機的基于空間像主成分?jǐn)M合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)及檢測方法，本發(fā)明通過主成分?jǐn)M合找到空間像實測位置與名義位置的偏移量，從而得到空間像的主成分系數(shù)和波像差。所述方法首先是仿真一組空間像，對空間像進(jìn)行主成分分析和線性回歸得到主成分和回歸矩陣，并得到主成分與仿真空間像坐標(biāo)的樣條插值函數(shù)。對X-Z面用像傳感器掃描獲得光刻機硅片面的空間像分布，首先通過定心流程得到該空間像實測位置與名義位置的偏移量，然后計算其對應(yīng)的主成分系數(shù)。根據(jù)回歸矩陣和主成分系數(shù)，采用最小二乘法擬合求解波像差。本發(fā)明補償了空間像的定心誤差，提高了求解的重復(fù)精度。
文檔編號G01M11/02GK102200697SQ20111014855
公開日2011年9月28日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者彭勃, 徐東波, 段立峰, 王向朝, 閆觀勇 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所