基于空间像频谱的光刻投影物镜波像差检测方法技术

一种基于空间像频谱的光刻投影物镜波像差检测方法，本发明专利技术的特点在于通过频谱匹配进行空间像定心和波像差求解。本发明专利技术方法包括1)使用光刻仿真软件PROLITH计算不同泽尼克像差组合对应的仿真空间像，对每幅空间像进行傅里叶变换；2)对仿真空间像频谱集合进行主成分分析，通过线性回归分析在主成分系数和泽尼克系数之间建立回归矩阵；3)运行光刻机的空间像采集程序，完成实测空间像的采集；4)使用频谱定心方法对实测空间像进行定心，将实测空间像的频谱修正为理想位置空间像对应频谱；5)计算投影物镜波像差。本发明专利技术可避免空间像差值带来的误差，简化了测试流程，提高了测试精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光刻机投影物镜波像差原位检测技术，尤其涉及一种基于空间像频谱的光刻投影物镜波像差的检测方法。
技术介绍
投影物镜是光刻机系统的核心部件之一。投影物镜中的波像差会造成成像质量的恶化和工艺窗口的减小，从而降低产率。在所有波像差之中，奇像差引起成像位置偏移， 并导致成像图形线宽不对称，增加CD不均勻性。偶像差会降低有效焦深，并引起不同周期的图形之间的最佳焦面差别。随着光刻技术的特征尺寸不断减小，光刻机投影物镜的像差容限变得越来越严苛。光刻投影物镜的波像差检测需求从低阶像差扩展到高阶像差，在这种前提下，研发能够高精度检测低阶和高阶泽尼克像差的原位检测技术具有更加重要的意义。由于基于空间像的投影物镜波像差检测技术成本低且容易操作，基于空间像的波像差检测技术在最近几年得到了广泛发展。在众多基于空间像的波像差检测技 术中，TAMIS(The transmission image sensor (TIS) at multiple illumination settings)技术是具有代表性的一种。(参见在先技术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 检测技术通过检测二元掩模标记的空间像来提取像差。具体方式是，在一系列照明设置下检测标记的最佳焦面偏移量和成像位置偏移量，用检测数据获得的偏移量和事先计算好的灵敏度矩阵来计算空间像。 TAMIS技术采用二元掩模标记作为检测标记，在多种照明方式下进行检测。为了提升TAMIS 技术的检测精度，Fan Wang等和Zicheng Qiu等先后提出了基于相移光栅标记的光刻机投影物镜波像差原位检测技术(参见在先技术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).)和基于平移对称交替相移光栅标记的光刻机投影物镜彗差检测技术(参见先技术 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).) 以上两种技术分别提出了使用相移掩模光栅标记和使用更为复杂的平移对称交替相移光栅标记来提升检测精度。相比先技术1，先技术2的检测精度提升了 20%以上。相对先技术2，先技术3的检测精度又提高了 15%以上。这两种技术虽然都提升了检测精度，但只是在检测标记上进行了改进，检测原理仍然是基于TAMIS技术。因此其检测的像差种类仍然较少，检测的流程也无法简化。今年来，Nikon公司提出了一种基于多方向标记和空间像傅里叶分析的投影物镜波像差检测技术。(参见先技术 4，Suneyuki Hagiwara, Naoto Kondo, Irihama Hiroshi,5Kosuke Suzuki and Nobutaka Magome, “ Development of aerial image based aberration measurement technique" , Proc. SPIE 5754,1659 (2005)) 该技术的检测标记为36个不同方向、不同周期的光栅标记，测得的空间像通过傅里叶分析处理，在泽尼克像差和不同级次频谱的相位和幅度之间建立线性关系。这种技术由于专门设计了 36个方向周期各不相同的标记，检测像差的种类得以扩展，检测精度也获得很大提升。然而该技术的检测标记需要专门设计，提高了成本，通用性也有所下降。通过改进空间像的处理方式能够更为有效的提取波像差在空间像中的影响，在空间像的改变量和泽尼克像差之间直接建立起线性关系。通过这种手段实现的波像差检测技术可以高精度的测量低阶和高阶泽尼克像差，并且检测精度对掩模结构的依赖也大大降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种，以避免空间像差值带来的误差，简化测试流程，提高测试精度。本专利技术的技术解决方案如下一种基于空间像频谱定心的投影物镜波像差检测方法，本方法利用投影物镜波像差检测系统进行检测，该系统包括产生照明光束的照明光源；可以调整照明光强分布和部分相干因子大小的照明系统；用于承载掩模，并具有精确定位能力的掩模台；能将通过测试掩模上的检测标记的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台；安装在工件台上的像传感器，与所述像传感器相连并进行数据处理的计算机，所述像传感器在垂直于光轴和平行于光轴方向扫描，采集TL 面内的空间像，其特点在于该方法包括以下步骤1)使用光刻仿真软件PR0LITH计算不同泽尼克像差组合对应的仿真空间像，对每幅空间像进行傅里叶变换得到空间像频谱集合根据实验采集空间像的详细参数，包括照明方式，照明参数，空间像的水平方向和竖直方向采集范围，空间像的水平方向和竖直方向采集点数以及泽尼克像差的变化范围， 以及需要测试的泽尼克像差的种类，设置PR0LITH的各项参数，通过BB design方法生成泽尼克像差组合；将掩模方向设置为0°，运行PR0LITH，得到上述泽尼克像差组合对应的多幅空间像，对每幅空间像进行傅里叶变换得到空间像频谱，将所有生成的空间像频谱分别排成一列并组合成仿真空间像频谱集合，设仿真空间像的像素点个数为M个，BB design得到的组合个数为N个，则最后生成0°方向掩模对应的仿真空间像频谱集合权利要求1. 一种基于空间像频谱定心的投影物镜波像差检测方法，本方法利用投影物镜波像差检测系统进行检测，该系统包括产生照明光束的照明光源(1)；可以调整照明光强分布和部分相干因子大小的照明系统O)；用于承载掩模(3)，并具有精确定位能力的掩模台； 能将通过测试掩模( 上的检测标记( 的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜 (6)；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台(7)；安装在工件台上的像传感器(8)，与所述像传感器(8)相连并进行数据处理的计算机(9)，所述像传感器(8)在垂直于光轴和平行于光轴方向扫描，采集)(Z面内的空间像，其特征在于该方法包括以下步骤1)使本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于空间像频谱定心的投影物镜波像差检测方法，本方法利用投影物镜波像差检测系统进行检测，该系统包括产生照明光束的照明光源（１）；可以调整照明光强分布和部分相干因子大小的照明系统（２）；用于承载掩模（３），并具有精确定位能力的掩模台（４）；能将通过测试掩模（３）上的检测标记（５）的光束汇聚到硅片面且数值孔径可调的投影物镜（６）；能承载硅片并具有三维扫描能力和精确定位能力的工件台（７）；安装在工件台上的像传感器（８），与所述像传感器（８）相连并进行数据处理的计算机（９），所述像传感器（８）在垂直于光轴和平行于光轴方向扫描，采集ＸＺ面内的空间像，其特征在于该方法包括以下步骤：１）使用光刻仿真软件ＰＲＯＬＩＴＨ计算不同泽尼克像差组合对应的仿真空间像，对每幅空间像进行傅里叶变换得到空间像频谱集合：根据实验采集空间像的详细参数，包括照明方式，照明参数，空间像的水平方向和竖直方向采集范围，空间像的水平方向和竖直方向采集点数以及泽尼克像差的变化范围，以及需要测试的泽尼克像差的种类，设置ＰＲＯＬＩＴＨ的各项参数，通过ＢＢ　ｄｅｓｉｇｎ方法生成泽尼克像差组合；将掩模方向设置为０°，运行ＰＲＯＬＩＴＨ，得到上述泽尼克像差组合对应的多幅空间像，对每幅空间像进行傅里叶变换得到空间像频谱，将所有生成的空间像频谱分别排成一列并组合成仿真空间像频谱集合，设仿真空间像的像素点个数为Ｍ个，ＢＢ　ｄｅｓｉｇｎ得到的组合个数为Ｎ个，则最后生成０°方向掩模对应的仿真空间像频谱集合：将掩模方向设置为９０°，得到９０°方向的仿真空间像频谱集合：２）对仿真空间像频谱集合进行主成分分析，通过线性回归分析在主成分系数和泽尼克系数之间建立回归矩阵：以对０°仿真空间像频谱的处理为例，首先对０°方向仿真空间像频谱集合进行主成分分解，得到０°方向仿真空间像频谱对应的主成分与主成分系数，表示如下：［Ｃｏｅｆｆ０°，Ｓｃｏｒｅ０°，Ｌａｔｅｎｔ０°］＝ｐｒｉｎｃｏｍｐ（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ０°）其中Ｃｏｅｆｆ０°是０°方向的主成分系数，Ｓｃｏｒｅ０°是０°方向的主成分，Ｌａｔｅｎｔ０°是０°方向的本征值，反应对应主成分的权重大小。接下来对主成分系数和ＢＢ　ｄｅｓｉｇｎ设计得到的泽尼克像差组合ＢＢＧｒｏｕｐ之间进行回归分析：第ｉ行主成分系数，为对应的回归系数，将所有回归系数依次组合，得到０°方向的回归矩阵：按照与上述步骤完全相同方式处理９０°方向的仿真空间像频谱可以得到９０°方向对应的回归矩阵：３）运行光刻机的空间像采集程序，完成实测空间像的采集：运行光刻机配套的伺服软件，设置照明方式，照明参数，投影物镜ＮＡ，装载载有检测标记的掩模，完成在硅片面上所有视场点上两个方向标记的空间像采集，Ｌ个视场点上的０°空间像集合表示为：其中，表示第ｋ个场点的０°方向的实测空间像；Ｌ个视场点上的９０°方向的实测空间像集合表示为：４）使用频谱定心方法对实测空间像进行定心，将实测空间像的频谱修正为理想位置空间像对应频谱：首先对所述的实测空间像进行傅里叶变换得到实测空间像频谱，对第ｋ个视场点０°方向的空间像做傅里叶变换得到实测空间像频谱的过程表示为将所述的实测空间像频谱乘以相位因子得到包含位移量的实测空间像频谱：其中，ｘ，ｚ是实测空间像频谱对应的位移量，ｆｘ，ｆｚ是实测空间像频谱垂轴方向和轴向方向的频率间隔，将所述的实测空间像频谱进行压栈处理：将进行了压栈处理的实测空间像频谱除以步骤２）所述的主成分得到实测空间像频谱对应的主成分系数：利用下式计算实测空间像频谱和所述的主成分与所述的实测空间像频谱主成分系数乘积之间的残差，改变ｘ，ｚ的值，残差最小时的ｘ，ｚ值，即为实测空间像偏心位置［ｚｓｈｉｆｔ，ｘｓｈｉｆｔ］其中是Ｓｃｏｒｅ０°矩阵中的第ｊ列，而则表示分解所得的实测空间像频谱主成分系数ＣｏｅｆｆＥｘ０°中第ｊ个系数，Ｈ表示定心时所取的所述的主成分的个数，其取值由求解的泽尼克像差种类决定；确定实测空间像的偏移位置后，在频谱上乘以相应的相位偏移从而将所述的实测空间像频谱修正为无偏心的理想空间像频谱通过压栈操作将修正后的频谱重新排成一列，则所有视场点上的经过修正的实测空间像频谱集合Ｓｐｅｃｔｒｕｍ０°为：５）计算投影物镜波像差：通过下式求解所有视场点上实测空间像频谱对应的主成分系数：ＰＣＣｏｅｆｆ０°＝Ｓｃｏｒｅ０°＼Ｓｐｅｃｔｒｕｍ０°然后用以下公式计算得到投影物镜０°方向的波像差：Ｚ０°＝ＲＭ０°＼ＰＣＣｏｅｆｆ０°，同样投影物镜９０°方向波像差：Ｚ９０°＝ＲＭ９０°＼ＰＣＣｏｅｆｆ９０°。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勃，王向朝，杨济硕，闫观勇，徐东波，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
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