光刻投影物镜波像差和成像最佳焦面的检测方法技术

一种光刻投影物镜波像差和成像最佳焦面的检测方法，通过对特殊设计的二维检测标记在最佳焦面位置的仿真空间像进行主成分分析和多元线性回归，提取出包含像差影响的空间像的主成分和线性回归矩阵，利用主成分拟合实测空间像，以拟合残差的均方根最小为判断依据实现对光刻成像最佳焦面的快速、低成本检测，以回归矩阵拟合主成分系数，实现对波像差的快速、高精度原位检测。本发明专利技术仅需采集检测标记在不同焦深位置的空间像实现最佳焦面的检测，利用最佳焦面位置的空间像实现波像差高精度检测。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种，通过对特殊设计的二维检测标记在最佳焦面位置的仿真空间像进行主成分分析和多元线性回归，提取出包含像差影响的空间像的主成分和线性回归矩阵，利用主成分拟合实测空间像，以拟合残差的均方根最小为判断依据实现对光刻成像最佳焦面的快速、低成本检测，以回归矩阵拟合主成分系数，实现对波像差的快速、高精度原位检测。本专利技术仅需采集检测标记在不同焦深位置的空间像实现最佳焦面的检测，利用最佳焦面位置的空间像实现波像差高精度检测。【专利说明】
本专利技术涉及光刻机，尤其是一种。
技术介绍
光刻机推动着芯片按照摩尔定律不断向着更高集成度发展。随着光刻分辨率越来越接近衍射极限，投影物镜波像差对成像的影响也越来越显著，造成光刻成像质量劣化、工艺窗口减小等问题。光刻机环境中的温度、湿度、振动、应力等因素均能够造成波像差的改变。随着投影物镜数值孔径的不断增大，光刻成像的焦深也越来越小。焦深很小的情况下硅片形貌对光刻图形质量的影响越来越明显。通过精确地检测光刻成像最佳焦面并调整硅片的位置，能有效利用焦深，增大工艺窗口、提高光刻图形质量。因此必须研发快速、高精度的投影物镜波像差及最佳焦面原位检测技术。基于空间像主成分分析的波像差检测技术(在先技术l，Lifeng Duan, XiangzhaoWang,Anatoly Bourovj Bo Peng and Peng Buj In situ aberration measurementtechnique based on principal component analysis of aerial image, Optics Express.19(19),18080-18090(2011))是一种新近提出的投影物镜波像差原位检测技术。该技术通过主成分分析和线性回归方法建立了主成分系数与Zernike像差之间的线性关系，根据线性关系从空间像中提取出投影物镜波像差信息，具有检测速度快、求解精度高的特点。为进一步提高该技术的检测速度、精度及测量范围，后续又对该方法的空间像降噪方法(在先技术2，Jishuo Yang, Xiangzhao Wang, Sikun Li，Lifeng Duanj Anatoly Y.Bourovj AndreasErdmann，Adaptive denoising method to improve aberration measurementperformance, Optics Communications, 2013，308 (I)，228-236)，照明模式(在先技术 3，Guanyong Yanj Xiangzhao Wang，Sikun Li，Jishuo Yang,Dongbo Xu，Lifeng Duanj AnatolyY.Bourovj Andreas Erdmann, In situ aberration measurement technique based on anaerial image with an optimized source, Optical Engineering.2013，52 (6)，063602)以及主成分系数与Zernike像差之间的关系模型(在先技术4，Jishuo Yang, XiangzhaoWang,Sikun Li，Lifeng Duanj Guanyong Yanj Dongbo Xuj Anatoly Y.Bourovj AndreasErdmann，High—order aberration measurement technique based on a quadraticZernike model with optimized source, Optical Engineering.2013，52 (5)，053603)等关键技术环节进行了改进。但在先技术均只能检测投影物镜的波像差，无法同时实现对最佳焦面的检测。利用最佳焦面位置的空间像进行波像差检测，可有效提高基于空间像主成分分析的投影物镜波像差检测方法的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，通过对检测标记在最佳焦面位置的仿真空间像进行主成分分析和多元线性回归，提取出包含像差影响的空间像的主成分和线性回归矩阵，利用主成分拟合实测空间像，以拟合残差的均方根最小为判断依据实现对光刻成像最佳焦面的快速、低成本检测，以回归矩阵拟合主成分系数，实现波像差原位检测，通过利用最佳焦面位置的空间像，提高波像差检测精度。本专利技术的技术解决方案如下:一种，该方法利用的检测系统包括:照明光源、照明系统、承载测试掩模的掩模台、位于测试掩模上的检测标记，能够将检测标记缩小成像的投影物镜、工件台、安装在工件台上的空间像传感器和与所述空间像传感器相连的计算机，其特点在于该方法包括如下步骤:( I)建立仿真训练用空间像集合頂:首先，采用泽尼克多项式表示投影物镜的波像差，取33阶泽尼克系数即Z5~Z37 ；每个系数代表一种特定的波像差种类；设置波像差的幅值为A，A小于0.2范围内取值，单位是λ，λ表示照明光源的波长；按照统计方法Box_Behnken design设计波像差组合,得到训练用泽尼克系数矩阵，又称像差组合矩阵Z1:ZI =A WBdesign(ZN) ,ZN表示训练用泽尼克系数的个数，其取值范围为3~33 ；BBdesign O表示Box_Behnkendesign对应的函数；ZI的每一行代表一种波像差种类组合，ZI的每一列与一种波像差对应，ZI的总行数就是所述的波像差组合的总个数，每一组波像差组合中波像差的值即像差组合矩阵ZI中每行的值；然后，将像差组合矩阵ZI的每组训练用泽尼克系数输入商用光刻仿真软件，再设定照明光源的波长、照明方式及部分相干因子、投影物镜的数值孔径、空间像的采样范围、采样点数；将相位环检测标记仿真成像在最佳焦面位置的χ-y平面上，表示最佳焦面内的空间像；将最佳焦面内空间像转换成列向量aij，其中，下标j表示第j幅空间像，也即ZI的行数编号；`最后，将所有空间像按照下式排列成训练用仿真空间像集合頂:IM= Iiai1 ai2...aij...aiN]；(2)主成分分析:对所述的训练用仿真空间像集合頂进行主成分分析，得到一系列相互正交的空间像主成分；用有限阶主成分与主成分系数乘积叠加的形式表示空间像集合:【权利要求】1.一种，该方法利用的检测系统包括:照明光源(I)、照明系统(2 )、承载测试掩模(3 )的掩模台(4)、位于测试掩模(3 )上的检测标记(5)，能够将检测标记缩小成像的投影物镜(6)、工件台(7)、安装在工件台上的空间像传感器(8)和与所述空间像传感器相连的计算机(9)，其特征在于该方法包括如下步骤: (1)建立仿真训练用空间像集合頂: 首先，采用泽尼克多项式表示投影物镜的波像差，取33阶泽尼克系数即Z5~Z37 ;每个系数代表一种特定的波像差种类；设置波像差的幅值为A，A小于0.2范围内取值，单位是λ，λ表示照明光源的波长；按照统计方法Box_Behnken design设计波像差组合,得到训练用泽尼克系数矩阵，又称像差组合矩阵Z1:ZI =A WBdesign(ZN) ,ZN表示训练用泽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光刻投影物镜波像差和成像最佳焦面的检测方法，该方法利用的检测系统包括：照明光源（1）、照明系统（2）、承载测试掩模（3）的掩模台（4）、位于测试掩模（3）上的检测标记（5），能够将检测标记缩小成像的投影物镜（6）、工件台（7）、安装在工件台上的空间像传感器（8）和与所述空间像传感器相连的计算机（9），其特征在于该方法包括如下步骤：（1）建立仿真训练用空间像集合IM：首先，采用泽尼克多项式表示投影物镜的波像差，取33阶泽尼克系数即Z5～Z37；每个系数代表一种特定的波像差种类；设置波像差的幅值为A，A小于0.2范围内取值，单位是λ，λ表示照明光源的波长；按照统计方法Box_Behnken?design设计波像差组合，得到训练用泽尼克系数矩阵，又称像差组合矩阵ZI：ZI＝A·BBdesign(ZN)，ZN表示训练用泽尼克系数的个数，其取值范围为3～33；BBdesign()表示Box_Behnkendesign对应的函数；ZI的每一行代表一种波像差种类组合，ZI的每一列与一种波像差对应，ZI的总行数就是所述的波像差组合的总个数，每一组波像差组合中波像差的值即像差组合矩阵ZI中每行的值；然后，将像差组合矩阵ZI的每组训练用泽尼克系数输入商用光刻仿真软件，再设定照明光源的波长、照明方式及部分相干因子、投影物镜的数值孔径、空间像的采样范围、采样点数；将相位环检测标记仿真成像在最佳焦面位置的x?y平面上，表示最佳焦面内的空间像；将最佳焦面内空间像转换成列向量aij，其中，下标j表示第j幅空间像，也即ZI的行数编号；最后，将所有空间像按照下式排列成训练用仿真空间像集合IM：IM＝[ai1?ai2?…?aij?…?aiN]；（2）主成分分析：对所述的训练用仿真空间像集合IM进行主成分分析，得到一系列相互正交的空间像主成分；用有限阶主成分与主成分系数乘积叠加的形式表示空间像集合：IM(x,y,z;Z)=Σj=1mPj(x,y,z)·Cj(Z)+ET,]]>其中，IM与像空间坐标(x,y,z)以及泽尼克系数Z有关，P表示主成分，C表示主成分系数，ET表示将空间像集合IM展开到m阶主成分时的舍位误差；（3）采集第一幅空间像：启动光刻机；按照步骤（1）中生成训练用仿真空间像集合IM时使用的参数设置光刻机的各项参数；加载带有所述的相位环检测标记的测试掩模，利用计算机控制空间像传感器对检测标记经过投影物镜投影后所成的空间像进行采集，在沿着空间像焦深方向即z方向的初始位置z1处采集一幅x?y方向的空间像，经过计算机处理，生成归一化的空间像光强数据为AI1；（4）最佳焦面测定：①设定最佳焦面判断依据RMS的初始值RMS0，传感器在z方向的步进间隔为D，最佳焦面的检测精度为AC；计算机控制空间像传感器沿着空间像焦深方向，即z方向自初始位置z1处开始以D为步进间隔依次采集第n幅空间像，n>2，其中第n幅空间像表示为AIn，对应位置为zn；②根据最小二乘法，拟合第n幅实测空间像AIn得到实测主成分系数Cn，然后计算空间像拟合残差En：En=AIn-Σj=1mPj·Cnj(Z),]]>计算拟合残差的均方根RMSn；将RMSn的值赋予当前的RMS；③空间像传感器按照步进间隔D步进至下一个位置zn+1位置处采集空间像AIn+1，计算拟合残差的均方根RMSn+1，比较RMSn+1和当前的RMS，当RMSn+1小于当前RMS的值，则将RMSn+1的值赋予为当前的RMS，并重复步骤③，当该均方根值大于当前的RMS时，转至步骤④，④将所述的D与所述的最佳焦面的检测精度AC进行比较，当所述的D大于AC时，转至步骤⑤，当D≤AC时停止，此时的位置即为光刻成像的最佳焦面位置；⑤将RMSn?1的值赋予当前的RMS，将空间像传感器反向步进至zn?1位置，减小空间像传感器的步进间隔设为D＝D/2，自zn?1位置处开始以D为步进间隔采集第n幅空间像，重复步骤②～④过程；（5）多元线性回归：使用多元线性回归分析方法建立所述的的训练用泽尼克系数Z和所述的主成分系数Cj(Z)之间的线性关系：Cj(Z)＝R·Z+ER，其中，R是多元线性回归矩阵；（6）求解波像差：利用步骤（2）中得到的主成分矩阵P拟合步骤（4）中得到的最佳焦面位置实测空间像AI得到主成分系数：C＝(PT·P)?1·(PT·AI)，利用步骤（5）中得到的回归矩阵R拟合主成分系数，得到待测泽尼克系数：Z＝(RT·R)?1·(RT·C)。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李思坤，王向朝，杨济硕，闫冠勇，李兆泽，
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
国别省市：