專利名稱：光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術領域：
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擬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：
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量的惡化和工藝窗口的減小，從而降低產率。隨著光刻技術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成本低且容易操作，基于空間像的波像差檢測技術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中，TAMIS技術是具有代表性的一種(參見在先技術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 檢測技術通過檢測二元掩模標記的空間像來提取像差。具體方式是，在一系列照明設置下檢測標記的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量，用檢測數據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技術采用二元掩模標記作為檢測標記，在多種照明方式下進行檢測。為了提升 TAMIS技術的檢測精度，Fan Wang等和Zicheng Qiu等先后提出了基于相移光柵標記的光刻機投影物鏡波像差原位檢測技術(參見在先技術2，Fan 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記的光刻機投影物鏡彗差檢測技術(參見在先技術 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).) 以上兩種技術分別提出了使用相移掩模光柵標記和使用更為復雜的平移對稱交替相移光柵標記來提升檢測精度。相比在先技術1，在先技術2的檢測精度提升了 20%以上。相對在先技術2，在先技術3的檢測精度又提高了 15%以上。這兩種技術雖然都提升了檢測精度，但只是在檢測標記上進行了改進，檢測原理仍然是基于TAMIS技術。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記和空間像傅里葉分析的投影物鏡波像差檢測技術(參見在先技術 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)) 該技術的檢測標記為36個不同方向不同周期的光柵標記，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系。這種技術由于專門設計了 36個方向周期各不相同的標記，檢測像差的種類得以擴展，檢測精度也獲得很大提升。然而該技術的檢測標記需要專門設計，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用(參見在先技術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，并根據各個主成分的系數得到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計掩模標記，測量速度快，可以用來檢測高階像差。但是這種方法要求嚴格知道測量空間像的坐標，這就給對準提出了很高的要求，限制了這種方法的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于光刻機的基于空間像主成分擬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，提高了測試的重復精度。本發(fā)明的技術解決方案如下一種用于光刻機的基于主成分擬合定心的光刻投影物鏡波像差檢測系統(tǒng)，包括產生照明光束的照明光源；可以調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記的光束匯聚到硅片面且數值孔徑可調的投影物鏡；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行數據處理的計算機，其特點在于所述檢測標記由一組分別位于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擬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，B的總行數就是設計的像差組合的總個數，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；投影物鏡數值孔徑為NA;設置照明方式為傳統(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表示為內部相干因子；設置掩模標記為O度方向和90度方向的寬為250nm的孤立空；設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成了向量X，向量X的長度為Nx ；設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，軸向采集位置構成了向量F，向量F的長度為Nf ；根據上述條件，采用Prolith 等光刻仿真軟件進行仿真，得到在O度和90度條件下每組波像差對應的空間像，O度方向的所有空間像構成了 O度方向的空間像集合IMq，90度方向的所有空間像構成了 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矩陣Ctl ；對仿真的空間像集合IM1進行主成分分析，得到90度方向的主成分矩陣S1,90度方向的主成分系數矩陣C1 ；對主成分系數矩陣Ctl與BoX_Behnken得到的像差組合A進行線性回歸，得到0度方向的回歸矩陣RMtl ；對主成分系數矩陣C1與BoX_Behnken得到的像差組合A進行線性回歸，得到90度方向的回歸矩陣RM1 ；對主成分矩陣&與向量X和F進行擬合，得到擬合的樣條插值函數f^ ；對主成分矩陣S1與向量X和F進行擬合，得到擬合的樣條插值函數；(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設置光刻機的工作條件；加載帶有上面所述檢測標記的掩模板，啟動光刻機，傳感器采集該掩模上0度方向掩模標記和90度方向掩模標記所對應的空間像和/Lri以及實際測量位置，并輸入計算機進行處理。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)基于主成分擬合進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的主成分系數選取采集的90度方向的空間像，采用定心流程得到該空間像對應的主成分系數根據回歸矩陣RMtl和RM1，主成分系數^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XSmax，得到裁剪列數mMal和裁剪行數nreal分別為
權利要求
1.一種用于光刻機的基于主成分擬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記的光束匯聚到硅片面且數值孔徑可調的投影物鏡；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行數據處理的計算機；其特征在于所述檢測標記由一組分別位于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等光電轉換器件，所述像傳感器能夠在水平方向和垂直方向進行掃描，水平方向和垂直方向定位精度都小于20nm。
2.利用權利要求1所述的基于主成分擬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)仿真主成分擬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，B的總行數就是設計的像差組合的總個數，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；投影物鏡數值孔徑為NA ； 設置照明方式為傳統(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表示為內部相干因子； 設置掩模標記為O度方向和90度方向的寬為250nm的孤立空；設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成了向量X，向量X的長度為Nx ；設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，軸向采集位置構成了向量F，向量F的長度為Nf ；根據上述條件，采用I^rolith等光刻仿真軟件進行仿真，得到在0度和90度條件下每組波像差對應的空間像，0度方向的所有空間像構成了 0度方向的空間像集合IMq，90度方向的所有空間像構成了 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矩陣Ctl ；對仿真的空間像集合IM1進行主成分分析，得到90度方向的主成分矩陣S1,90度方向的主成分系數矩陣C1 ；對主成分系數矩陣Ctl與BoX_Behnken得到的像差組合A進行線性回歸，得到0度方向的回歸矩陣RMtl ；對主成分系數矩陣C1與BoX_Behnken得到的像差組合A進行線性回歸，得到90度方向的回歸矩陣RM1 ；對主成分矩陣&與向量X和F進行擬合，得到擬合的樣條插值函數f^ ；對主成分矩陣 S1與向量X和F進行擬合，得到擬合的樣條插值函數；(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設置光刻機的工作條件；加載帶有上面所述檢測標記的掩模板，啟動光刻機，傳感器采集該掩模上0度方向掩模標記和90度方向掩模標記所對應的空間像和/Lri以及實際測量位置，并輸入計算機進行處理。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)基于主成分擬合進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的主成分系數 ° ;對90度方向的空間像，采用定心流程得到其對應的主成分系數 根據回歸矩陣RMc^P RM1，主成分系數^；；和，采用最小二乘法擬合得到需要求解的波像差。
3.根據權利要求2所述的基于主成分擬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.根據權利要求2所述的基于主成分擬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.根據權利要求2所述的基于主成分擬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.根據權利要求2所述的基于主成分擬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.根據權利要求2所述的基于主成分擬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，FSmaJ為[-2000，2000]nm。
8.利用權利要求2所述的基于主成分擬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XSmax，得到裁剪列數mreal和裁剪行數nMal分別為
9.根據利用權利要求8所述的擬合殘差的計算方法，特征在于包括以下步驟(1)根據主成分和主成分系數^力，得到擬合的空間像‘為
10.根據權利要求2所述的基于主成分擬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包含如下的步驟根據回歸矩陣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擬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)明通過主成分擬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和波像差。所述方法首先是仿真一組空間像，對空間像進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的樣條插值函數。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，然后計算其對應的主成分系數。根據回歸矩陣和主成分系數，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:中國科學院上海光學精密機械研究所