一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测技术，通过设计一系列具有傅里叶远场频谱结构简单的标记掩模；用琼斯光瞳的pesudo－zernike展开法表征成像模型中投影物镜的PA，并由标记掩模衍射远场特性简化成像模型；根据离散化的成像模型，推导出成像光强与PA展开系数的二阶灵敏的矩阵，得到以下关系；对上式两边进行傅里叶变换，并同时提取其+1阶频谱信息，得到成像结果傅里叶变换+1阶谱与PA展开系数的二次解析关系；合理改变光源偏振照明方式、调整集成掩模版的位置、曝光区域及成像离焦量等参数，根据上述所得关系，建立二阶超定方程组，最终可通过成像的+1阶谱逆向求解出全视场每一个视场点的PA展开系数，实现光刻投影物镜全视场PA的在线检测。

【技术实现步骤摘要】
一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测方法
本专利技术属于高分辨率成像系统像差检测
，尤其涉及一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测方法。
技术介绍
目前超大数值孔径成像技术广泛应用于显微镜、望远镜及制备超大规模集成电路的浸没式光刻机中。随着制备工艺已走向22nm及以下节点，光刻机的数值孔径值大多都在1.35及以上，照明光源也为离轴偏振照明，并且在光刻仿真领域也已出现SMPO等对光源偏振态优化的算法。可见目前的工艺、技术及优化算法对偏振像差的测量精度和速度有了更高的要求，光刻机等大型超高数值孔径成像系统在装配及使用等过程产生的线上偏振像差不能由传统的线下测量检测到，所以需要开发一种快速、准确的在线检测成像系统投影物镜的偏振像差的方法，是对其进行实时控制或补偿的前提，对提高成像质量有着重要的意义。公开号为CN104281011A的中国专利申请，公开了一种获得高数值孔径成像系统偏振像差的方法。该方法采用偏振像差的物理光瞳表征方式对各种像差成分进行分解，通过测试不同测试掩模的图形偏移、焦面平移和特征尺寸误差等信息，建立其与偏振像差的一阶近似关系，最终获取成像系统的偏振信息。但该方法是建立了偏振像差与测量值的一阶近似关系，偏振像差的高阶项和耦合项对成像结果的影响都被忽略，使最终的测量精度不是很好。
技术实现思路
本专利技术提供一种高数值孔径成像系统偏振像差的在线检测方法，通过建立偏振像差与成像信息的二阶耦合关系，可以高精度的测量出成像系统的偏振像差的全部信息。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设计成像系统的标记掩模，所述标记掩膜为满足傅里叶远场频谱结构是离散化的标记掩模；步骤二、针对成像系统的成像模型的投影物镜部分，采用琼斯光瞳的pesudo-zernike展开法表征投影物镜部分的偏振像差；然后将步骤一设计的标记掩模衍射远场再代入到成像模型中，得到离散化的成像模型；步骤三、根据步骤二得到的成像模型，获得成像光强与偏振像差展开系数的二阶灵敏矩阵sij，由此将成像模型化简为关于偏振像差的二次型方程：其中ki和kj为偏振像差展开系数；jmax表示展开阶数；上角标*表示复共轭转置；对所述二次型方程等式两边做傅里叶变换，并同时提取其+1阶频谱信息，得到空间像+1阶谱与偏振像差展开系数的二次解析关系方程：其中，表示光强；上角标H表示转置复共轭；a、b、a'和b'表示偏振像差展开系数；当为X偏振照明时，ki和kj分别对应a和b；当为Y偏振照明时，ki和kj分别对应a'和b'；和分别表示X偏振照明时和Y偏振照明下从傅里叶变换后的二阶灵敏矩阵sij中提取出的+1阶谱灵敏度矩阵；步骤四，所述成像系统分别采用X偏振光源和Y偏振光源照明，获得光强信息；不断变化所述步骤一设计的标记掩模的周期和/或角度，测量得到多组光强信息，然后代入到步骤三建立的二次解析关系方程中，求解得到偏振像差展开系数，进而得到偏振像差。较佳的，所述步骤四中，采用非参数核回归法求解偏振像差展开系数。较佳的，所述标记掩模为一维密集线条二元标记掩模、相移标记掩模、衰减标记掩模或者正弦型标记掩模。较佳的，所述步骤四中，将步骤一设计的标记掩膜改变周期和/或摆放角度后，分布在一个掩膜板上；成像系统对各个标记掩膜成像后，得到多组光强信息。本专利技术具有如下有益效果：1)、本专利技术中所述的方法可以检测出成像系统投影物镜的全部偏振像差信息，利用成像系统的成像原理直接测量，不需要增加额外的光学元件，可测量投影物镜装配后的线上偏振像差信息。2)、本专利技术建立了成像系统投影物镜偏振像差与所得成像信息的非近似解析关系，其含有偏振像差的二次项及耦合项等高阶非线性项。具有很高的检测精度。3)、本专利技术通过改变掩模周期和角度等信息，可以考虑到整个光瞳面上的点的偏振信息，使得到的偏振像差更加准确。4)、本专利技术的方法适用于任意高数值孔径偏振(矢量)成像系统，包括但不限于高分辨显微镜、望远镜和用于制备超大集成电路的光刻系统。附图说明图1为本专利技术采用的光刻投影系统的结构示意图。图2为本专利技术设计的偏振像差检测标记集成掩模。图3为本实施例中光刻投影物镜偏振像差的设计值。图4为本实施例中的输入的偏振像差琼斯光瞳pesudo-zernike展开系数与本方法所检测到的偏振像差pesudo-zernike展开系数的对比。图5为本专利技术的方法流程图。其中，101-光源；102-测试掩模；103-掩模台；104-高数值孔径投影物镜；105-空间像强度分布传感器；106-工件台；107-数据处理系统。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。以光刻成像系统为例，本专利技术使用的光刻投影物镜偏振像差检测系统如图1所示，即本专利技术提供的偏振像差检测方法利用的就是成像系统本身，不需要添加额外的光学元件，可以实现偏振像差的在线检测。图2为该检测方法所涉及的标记掩模，包括但不限于一维密集线条二元(Bin)、相移(Alt)、衰减(Att)标记掩模和正弦型标记掩模及其他适用于该方法的具有衍射远场频谱简单离散的掩模。图201为一维密集线条二元(Bin)、相移(Alt)、衰减(Att)标记掩模和正弦型标记掩模，图202为把以上几类掩模改变周期和/或角度，布置在一个大掩膜板上形成的集成标记掩模。本专利技术的检测方法包括如下具体步骤：步骤一、设计光刻成像系统标记掩模，包括一维密集线条二元、相移、衰减标记掩模、正弦型标记掩模及其他具有傅里叶远场频谱结构简单且离散化的标记掩模。这类掩模的离散远场可以在后续过程中简化光刻仿真模型，使其具有离散化的形式。对于正弦掩模，我们在实际检测中采用随机编码的正弦型掩模，虽然它的空间像与理想掩模存在一定的误差，但随机编码产生的误差没有周期性，所以其衍射远场相比于理想正弦掩模只是多了一层背景噪声，其衍射级次仍与理想正弦掩模一致，在本专利技术中二者等价。步骤二、用pesudo-zernike基函数展开琼斯光瞳表征的偏振像差，代入矢量光刻成像模型。对于光刻成像系统，偏振像差可以用琼斯光瞳来表征，其数学形式为2×2的复数矩阵，形式如下：pesudo-zernike展开是泽尼克展开在复数域的扩展，可以把复函数正交展开，其形正交基底的式为：其中R为泽尼克多项式。根据这组基底，可以把一个复数展开为如下形式对于琼斯矩阵，pesudo-zernike基函数可以将其展开为：其中是待求的偏振像差展开系数。其也可以表示为fringe序数的形式{ai,bi,a'i,b'i|i∈{1,2,3,…}}}。本方法适用于多种高数值孔径成像系统，以光刻成像系统为例介绍方法的具体流程，对于其他成像系统只要更换相应的成像模型即可。在阿贝成像原理薄掩模近似情况下，光刻成像系统可以写成如下形式：其中(x,y,z),(f,g)，(fc,gc)分别为像面，瞳面和有效光源面的坐标。M为投影物镜的放大率。S为有效光源的分布函数，T为基尔霍夫近似下的掩模衍射远场，K为光刻系统中投影物镜部分的建模，具体形式如下：其中A为辐射度修正因子M0是大数值孔径物镜的出入瞳电矢量方向的修正；其中(α,β,γ)是物镜出瞳面坐标(f,g)处光场波矢的方向余弦，可以由(f,g)计算：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设计成像系统的标记掩模，所述标记掩膜为满足傅里叶远场频谱结构是离散化的标记掩模；步骤二、针对成像系统的成像模型的投影物镜部分，采用琼斯光瞳的pesudo‑zernike展开法表征投影物镜部分的偏振像差；然后将步骤一设计的标记掩模衍射远场再代入到成像模型中，得到离散化的成像模型；步骤三、根据步骤二得到的成像模型，获得成像光强与偏振像差展开系数的二阶灵敏矩阵sij，由此将成像模型化简为关于偏振像差的二次型方程：

【技术特征摘要】
1.一种全视场高数值孔径成像系统偏振像差在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设计成像系统的标记掩模，所述标记掩膜为满足傅里叶远场频谱结构是离散化的标记掩模；步骤二、针对成像系统的成像模型的投影物镜部分，采用琼斯光瞳的pesudo-zernike展开法表征投影物镜部分的偏振像差；然后将步骤一设计的标记掩模衍射远场再代入到成像模型中，得到离散化的成像模型；步骤三、根据步骤二得到的成像模型，获得成像光强与偏振像差展开系数的二阶灵敏矩阵sij，由此将成像模型化简为关于偏振像差的二次型方程：其中ki和kj为偏振像差展开系数；jmax表示展开阶数；上角标*表示复共轭转置；对所述二次型方程等式两边做傅里叶变换，并同时提取其+1阶频谱信息，得到空间像+1阶谱与偏振像差展开系数的二次解析关系方程：其中，表示光强；上角标H表示转置复共轭；a、b、a'和b'表示偏振像差展开系数；当为X偏振照明时，ki和kj分别对应a和b；当为Y偏振照明时，ki和kj...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳秋，李恩泽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11