CN203133474U - 投影物镜波像差在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种投影物镜波像差在线检测装置，包括光源(LA)、投影物镜(PO)、参考标记(RP)、探测器(DE)、掩模板(MA)。掩模板(MA)用于将由所述光源(LA)出射的激光转换为两束相干光，该两束相干光经所述投影物镜(PO)后在所述投影物镜(PO)的焦平面处发生干涉，产生干涉条纹；该干涉条纹经过所述参考标记(RP)后照射在所述探测器(DE)上，转化为电信号；根据该电信号的强度得到所述干涉条纹的位置偏移量，再根据偏移量的大小可得到所述投影物镜(PO)的波像差。本实用新型能够测量全部37项Zernike系数，简化了测试流程和波像差计算方法，提高了测量精度。

Description

投影物镜波像差在线检测装置

技术领域

本实用新型光记录技术领域，具体涉及光刻机的投影物镜的波像差在线测量装置，特别是基于双光束干涉的投影物镜波像差在线检测装置。 

背景技术

投影物镜的波像差会影响曝光线条的成像质量，如球差会影响光刻机的分辨力，彗差会影响线条的不对称性和套刻精度，像散会影响X、Y两个方向的成像线条不均匀性。随着光刻机特征尺寸越来越小，对投影物镜的波像差要求也越来越严格，不但要求低级像差(如球差、彗差和像散)很小，而且还对高级像差(高达37项Zernike系数)提出严格的要求，这就要求投影物镜波像差在线测量装置能够同时测量全部波像差，以便实时调整投影物镜的波像差，以满足光刻工艺的需求。 

现有技术1(Hans van der laan，Marcel Dierichs，Henk van Greevenbroek，etc.“Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupil verification”，Proc.SPIE2001，4346，394-407)提出了一种基于透射像传感器(TIS)的测量方法，TIS是由测量标记和方孔以及光强探测器组成，方孔用于测量光源强度的变化，用来归一化测量信号，以消除光源强度波动对测量结果的影响。不同照明模式的光束照射测量标记，因为受到投影物镜波像差的影响，成像标记的水平位置和垂直位置会发生改变，利用光强探测器测出标记像的位置偏移量，再利用软件仿真出的位置对波像差的灵敏度矩阵，即可得到投影物镜的波像差。该方法测量波像差结构简单，易于集成在光刻机内部，但是只能测量投影物镜的低级像差(低级Zernike系数)，包括球差(Z4，Z9，Z16)、X方向彗差(Z2，Z7，Z14)、Y方向彗差(Z3，Z8，Z15)和像散(Z5，Z12，Z21)，不能测出全部37项Zernike系数。 

ASML公司的专利US6646729B2利用FOCAL(FOcus CALibration use alignment system)技术和DISTO(Distortion-measuring technique)技术，测出标记像的垂直和水平偏移量，求出投影物镜的波像差，上海微电子装备有限公司(SMEE)的专利CN100474115C、CN1312464C、CN101241312B，以及上海光学精密机械研究所的专利CN100428058C、CN100561359C、CN101551594B在掩膜设计和测试方法对现有技术1进行改进，提高了波像差的测试精度，但仍不能测出全部37项Zernike系数。 

为了精确检测投影物镜的低级和高级波像差，NIKON公司提出一种AIS技术(现有技术2：Jacek.K.Tyminski，Tsuneyuki Hagiwara，Naoto Kondo，etc.Aerial Image Sensor：In-Situ Scanner Aberration Monitor.Proc.Of SPIEVol.6152)，其在高相干光照明条件下，照射具有不同周期和不同方向(0°，30°，45°，90°，120°，135°)的36种光栅标记的掩模板，经过光栅的光束衍射出不同级次的光，利用+1，-1和0级光干涉得到光栅标记的像，利用探测器得到光栅像的实际位置，计算像与理想像的偏离，再利用部分相干成像理论得到投影物镜的波像差。不同周期不同方向的光栅标记完成对整个光瞳面波像差的测量，因此可以得到投影物镜全部37项Zernike系数，但是这种技术要求探测器上参考的标记方向也需要有多个方向，要求工件台沿着多个方向扫描探测，对探测器和工件台的性能要求高，另外，波像差还原算法复杂，不易提高测量精度。 

实用新型内容

(一)要解决的技术问题 

本实用新型所要解决的技术问题是提出一种用于光刻机的投影物镜波像差的在线测量装置，以克服现有技术只能测量投影物镜的低级像差，或者是能测量全部像差但测量流程和方法复杂的缺点。 

(二)技术方案 

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种投影物镜波像差在线检测装置，包括光源、投影物镜、参考标记和探测器，所述光源用于出射激光，所述装置还包括掩模板，由所述光源出射的激光经由该掩模板后入射到所 述投影物镜；所述掩模板包括用于形成干涉条纹的测试标记，测试标记构成位相光栅图案；所述参考标记设置在所述投影物镜的焦平面处，构成振幅型光栅图案，该振幅型光栅的周期是所述测试标记的位相光栅的两倍，且其尺寸与位相光栅的尺寸之比为投影物镜的放大倍数；所述探测器设置在所述光路中参考标记的后方；其中，所述掩模板用于将由所述光源出射的激光转换为两束相干光，该两束相干光经所述投影物镜后在所述投影物镜的焦平面处发生干涉，产生干涉条纹；该干涉条纹经过所述参考标记后照射在所述探测器上，转化为电信号；根据该电信号的强度，可得到所述干涉条纹的位置偏移量，再根据偏移量的大小可得到所述投影物镜的波像差。 

(三)有益效果 

本实用新型的投影物镜波像差的测量装置通过双光束干涉法，能够测量全部37项Zernike系数，简化了测试流程和波像差计算方法，提高了测量精度。 

附图说明

图1是光刻机投影物镜波像差检测装置示意图； 

图2是掩模板产生垂直和倾斜相干光的光路图； 

图3是相干光垂直照射在位相光栅时的波像差测量光路图； 

图4是因像差导致干涉像与理想像位置偏差； 

图5是相干光倾斜照射在位相光栅时的波像差测量光路图； 

图6是掩模板上位相光栅的空间分布图； 

图7是衍射光束经过光瞳面对波像差均匀采样时光瞳面上的所有光束投影点的示意图； 

图8是微棱镜阵列改变相干光入射角度的光路图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。 

图1是本实用新型的光刻机投影物镜波像差在线测量装置的结构示意图。如图1图1所示，该装置包括光源LA、照明系统IL、掩模板MA、投影物镜PO、参考标记RP、探测器DE和工件台ST。光源LA用于发射激光，其所发射的激光经过反射镜MI照射到照明系统IL上，照明系统IL将该激光进行扩束、整形、均匀化后照在掩模板MA上，掩模板MA上有一套照明光路，将部分相干的照明光束转换为两束相干光，该两束相干光经过投影物镜PO后在投影物镜PO的焦平面处发生干涉，产生干涉条纹。参考标记RP设置在投影物镜PO的焦平面处，探测器DE设置在激光光路中参考标记RP的后方，参考标记RP和探测器DE共同安装在可移动的工件台ST上。 

掩模板MA包括用于形成干涉条纹的测试标记，测试标记可以构成一种位相光栅图案，参考标记RP构成振幅型光栅图案，该振幅型光栅的周期是所述测试标记构成的位相光栅图案的位相光栅的周期乘以所述投影物镜PO的放大倍数的二分之一。 

由此，干涉条纹经过参考标记RP后照射在探测器DE上，转化为电信号。当投影物镜PO存在波像差时，两束相干光之间被引入一个位相差，导致干涉条纹位置发生移动，当工件台ST移动时，根据电信号的强度，即可判断干涉条纹的位置偏移量，再根据偏移量的大小，即可得到投影物镜的波像差。 

实施例1 

图2是掩模板MA产生垂直和倾斜相干光的光路图。如 

图2所示，本实用新型的掩模板MA包括沿光路方向依次设置的扩散片1、第一透镜2、空间滤波器3、第二透镜4和测试标记5。照明系统IL出射的激光光束首先照射在掩模板MA的扩散片1上，扩散片1的主要作用是进一步均匀化激光光束，扩散片1可以是普通扩散片，或者是全息扩散片、DOE(衍射光学元件)、微透镜阵列等，经过扩散片1的光束经过第一透镜2、空间滤波器3和第二透镜4照射在测试标记5上，第一透镜2和第二透镜4构成一个透镜组，使入射的光束形成远心光路，空间滤波器3设置于透镜组的光瞳面处。滤波器3上设置有小孔，小孔的作用是 在测试标记5上产生相干光，并且，小孔的位置还能够决定照明光束的角度，当小孔在光瞳面中心时，光线准直照射，如 

图2中的A图所示；当小孔不在光瞳面中心时，光线倾斜照明，如 

图2中B图所示。小孔的大小设置为微米级。 

该实施例1中的测试标记5构成多个位相光栅图案，每个位相光栅图案的周期均为d。位相光栅图案的位相分布例如为余弦分布，其衍射级次只存在-1，+1级。当然，位相光栅图案的位相分布也可为其他分布，但须使其衍射能量主要集中在-1，+1级上。所述多个位相光栅图案在X方向和Y方向上排列，且在X方向排列的位相光栅图案的衍射条纹在X方向上分布，在Y方向排列的位相光栅图案的衍射条纹在Y方向上分布，X、Y方向是在测试标记平面上的两个相互垂直的方向。 

由此，经过滤波器3和透镜组的相干光照射在掩模板MA的测试标记5，两个衍射级次的衍射光的衍射角分别为θ₁和θ₂。， 

图3是相干光垂直照射在位相光栅图案时的波像差测量光路图。如图3所示，当所述相干光垂直照射在位相光栅图案上时，根据光栅方程可得： 

dsinθ₁＝-λ                                  (1) 

dsinθ₂＝λ                                   (2) 

当投影物镜没有波像差时，两束衍射光6和7照射在投影物镜PO的像方焦平面上的电场强度可表示为： 

$E_1=e^{j2\mathrm{\π}\·M\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\λ}}\·x}---\left(3\right)$

$E_2=e^{j2\mathrm{\π}\·M\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{\λ}}\·x}---\left(4\right)$

其中M为投影物镜PO的放大倍数的倒数，光束经过投影物镜PO时，分别经过光瞳面上的b和c两点，如果投影物镜存在波像差，光线经过b和c两点时会引入位相延迟，设引入的位相延迟分别为φ₂和φ₃，此时，两束光6和7的电场强度分布可表示为： 

${E_1}^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}\·M\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\λ}}\·x}\·e^{j{\mathrm{\φ}}_2}---\left(5\right)$

${E_2}^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}\·M\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{\λ}}\·x}\·e^{j{\mathrm{\φ}}_3}---\left(6\right)$

两束光在投影物镜PO焦平面处发生干涉，电场强度为： 

$E={E_1}^{\′}+{E_2}^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}\·M\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\λ}}\·x}\·e^{j{\mathrm{\φ}}_2}+e^{j2\mathrm{\π}\·M\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{\λ}}\·x}\·e^{j{\mathrm{\φ}}_3}---\left(7\right)$

将式(1)，(2)带入式(7)，可得： 

$E=2e^{\mathrm{j\φ}}{e}^{i\frac{{\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_2}{2}}\cos (\frac{2\mathrm{\πM}}{d}x+\frac{{\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_2}{2})---\left(8\right)$

则光强分布为： 

$I=E^2=2+2\cos (\frac{4\mathrm{\πM}}{d}x+({\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_2))---\left(9\right)$

当投影物镜没有像差时，光强分布为： 

$I_0=2+2\cos \left(\frac{4\mathrm{\πM}}{d}x\right)---\left(10\right)$

在该实施例中，参考标记RP构成振幅型光栅图案，该振幅型光栅的周期是所述测试标记构成的位相光栅图案的位相光栅的周期乘以所述投影物镜PO的放大倍数的二分之一。 

当工件台ST移动时，参考标记RP沿着干涉条纹的方向扫描，当光强探测器DE的能量达到最大值时，工件台ST移动的位移即为实际光强分布与理想光强分布的偏差Δx，如图4所示，则b、c两点的位相差为 

${\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_2=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}\mathrm{\Δx}---\left(11\right)$

当从掩模MA出射的相干光以入射角度β(β＞0)倾斜照在测试标记5的位相光栅图案上时，如图5所示，根据光栅方程可得： 

dsinθ₁+dsinβ＝-λ                                      (12) 

dsinθ₂+dsinβ＝λ                                      (13) 

因为衍射角不同，光线经过投影物镜的位置不同，选择合适的倾角，使得+1级衍射光线9和垂直照射时的-1级衍射光线6重合，则两束衍射光线引入的位相分别为φ₁和φ₂，经过推导，可以得到和式(11)相同的结果： 

${\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}\mathrm{\Δ}{x}_1---\left(14\right)$

因此，通过改变入射光线的入射角，即可得到投影物镜(PO)的光瞳面所有光束投影点(如图7.所示)沿X方向的差分： 

${\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}{\mathrm{\Δx}}_1$

${\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_2=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}{\mathrm{\Δx}}_2$

${\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}{\mathrm{\Δx}}_n---\left(15\right)$

将式(15)差分形式近似为微分形式，即可得到： 

$s\frac{\∂W({\mathrm{\ρ}}_x,{\mathrm{\ρ}}_y)}{{\∂\mathrm{\ρ}}_x}=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔX}}---\left(16\right)$

其中

为所有偏移量组成的矩阵，s为-1，+1干涉级在光瞳面上的距离。 

同理，用不同方向的光束照明Y方向的位相光栅，即可得到Y方向波像差与偏移量之间的方程： 

$s\frac{\∂W({\mathrm{\ρ}}_x,{\mathrm{\ρ}}_y)}{{\∂\mathrm{\ρ}}_y}=-\frac{4\mathrm{\πM}}{d}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔY}}---\left(17\right)$

将式(16)、(17)进行数值积分，即可得到投影物镜波像差W(ρ_x，ρ_y)。应该说明的是，为了能够求出投影物镜波像差全部37项Zernike系数，至少需要36组照明条件(不同照明方向)，因此，掩模板MA的测试标记5需要至少存在36组X方向，36组Y方向的位相光栅图案，如图6所示，每个位相光栅图案对应不同方向的照明模式，不同方向的照明模式通过改变空间滤波器3上的小孔位置来实现。 

图7是衍射光束经过光瞳面对波像差均匀采样时光瞳面上的所有光束投影点示意图。其中黑点为衍射光束在投影物镜光瞳面的位置。相干光束的方向角决定着光线在光瞳面的位置，优先选择能够实现投影物镜光瞳面均匀采样的相干光束方向角，如图7所示。应该说明的是，对于光瞳面的不均匀采样，可通过数据插值的方法获得整个光瞳面的波像差，但会增加算法的复杂性。 

实施例2 

本实用新型的投影物镜波像差检测装置的关键在于在掩模位置产生两束相干光束。实施例1中利用位相光栅来实现，这样光束经过投影物镜 时附加了两个点处的像差，而且两个点可以沿着光瞳面扫描采样，从而得到整个投影物镜的波像差。实施例1中在掩模板的照明光路利用每个小孔不同位置完成扫描采样，在本实施例2中则采用一种利用微棱镜阵列的方法完成对光束方向的改变，从而实现衍射光束对光瞳面的采样。 

在该实施例2中，掩模板MA也包括沿光路方向依次设置的扩散片1、第一透镜2、空间滤波器3、第二透镜4、微棱镜阵列11和多个测试标记12，其中，空间滤波器3设置于由所述第一透镜2、第二透镜4构成的透镜组的光瞳面处，且其上具有小孔(图中未示出，和实施例1中一样)。测试标记12也与实施例1中的测试标记5相仿，形成为位相光栅图案。与实施例1不同的是，小孔的位置固定，将照明系统IL出射的部分相干光束转化为垂直照射的相干光10，如图8所示，相干光10经过微棱镜阵列11后照射在测试标记12上，衍射出两束相干光束后经过投影物镜PO照在探测器DE上(图8中未画出)。具体测量方法和实施例1一样。在本实施例中，每个微棱镜对应一个位相光栅图案的测试标记12，每个测试标记12上面的棱镜角度θ不同，这样垂直照在棱镜上的光束，经过棱镜后将产生偏转，偏转角β可以表示为： 

$\sin \mathrm{\β}=(\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}-\cos \mathrm{\θ})\·\sin \mathrm{\θ}---\left(18\right)$

其中n为棱镜的折射率，当棱镜角度比较小时，偏转角β可以表示为： 

β＝(n-1)θ                                   (19) 

其中偏转角决定光线在光瞳面上的位置，利用式(18)或(19)即可得到棱镜的倾角，应该说明的是，微棱镜阵列11的微棱镜可以在测试标记12的位相光栅12图案上面，也可以和测试标记12的位相光栅图案粘在一起。为了消除微棱镜角度加工误差对测量精度的影响，测试前应测量经过微棱镜的光线在光瞳面上的实际位置，逐一校正因棱镜倾角造成的误差。 

在该实施例2中，使用的是折射棱镜完成光束的偏转，但是本实用新型不限于此，也可以使用反射镜来实现，或者使用动态摆镜完成光线偏转。 

本实用新型中利用相干光照明位相光栅，且位相光栅的衍射光线只存在-1、+1级，因此，影响光栅干涉像位置偏移量只是与衍射光栅经过光瞳面的两个点位置处的像差有关，而现有技术1和现有技术2中使用部分相 干照明和多级光干涉，光线经过光瞳面的区域是一个面，面内所有像差均影响光栅像的位置。相比现有技术1和现有技术22，本实用新型不但能够测量全部37项Zernike系数，而且测量方法简单，测量精度高。 

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种投影物镜波像差在线检测装置，包括光源(LA)、投影物镜(PO)、参考标记(RP)和探测器(DE)，所述光源(LA)用于出射激光，其特征在于： 

所述装置还包括掩模板(MA)，由所述光源(LA)出射的激光经由该掩模板(MA)后入射到所述投影物镜(PO)； 

所述掩模板(MA)包括用于形成干涉条纹的测试标记，测试标记构成位相光栅图案； 

所述参考标记(RP)设置在所述投影物镜(PO)的焦平面处，构成振幅型光栅图案； 

所述探测器(DE)设置在所述光路中参考标记(RP)的后方； 

其中，所述掩模板(MA)能够将由所述光源(LA)出射的激光转换为两束相干光，该两束相干光经所述投影物镜(PO)后在所述投影物镜(PO)的焦平面处发生干涉，产生干涉条纹；该干涉条纹经过所述参考标记(RP)后照射在所述探测器(DE)上。 

2.如权利要求1所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述振幅型光栅图案的振幅型光栅的周期是所述测试标记构成的位相光栅图案的位相光栅的周期乘以所述投影物镜(PO)的放大倍数的二分之一。 

3.如权利要求1所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于： 

所述掩模板(MA)包括沿光路方向依次设置的第一透镜(2)、空间滤波器(3)、第二透镜(4)和测试标记(5)，其中， 

所述空间滤波器(3)设置于由所述第一透镜(2)、第二透镜(4)构成的透镜组的光瞳面处，且其上具有小孔，该小孔用于将所述激光转化为相干光； 

所述测试标记(5)包括多个在X方向上Y方向排列的位相光栅图案，且在X方向排列的位相光栅图案的衍射条纹在X方向上分布，在Y方向排列的位相光栅图案的衍射条纹在Y方向上分布，且各位相光栅图案的衍射能量集中在-1，+1级上，所述X、Y方向是在测试标记平面上的两个相 互垂直的方向，每个位相光栅图案对应不同方向的照明模式，不同方向的照明模式通过改变所述空间滤波器3上的小孔位置来实现。 

4.如权利要求3所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述掩模板(MA)还包括扩散片(1)，其设置于光路中所述第一透镜(2)的前方。 

5.如权利要求3所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述测试标记5至少包括36组X方向，36组Y方向的位相光栅图案。 

6.如权利要求5所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述两束相干光的方向选择为使所述投影物镜(PO)的光瞳面能够均匀采样的方向。 

7.如权利要求1所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述掩模板(MA)包括沿光路方向依次设置的第一透镜(2)、空间滤波器(3)、第二透镜(4)、光束偏折元件阵列(11)和多个位相光栅(12)，其中， 

所述空间滤波器(3)设置于由所述第一透镜(2)、第二透镜(4)构成的透镜组的光瞳面处，且其上具有小孔，该小孔的位置固定，用于将所述激光转化为垂直出射的相干光，所述相干光经过所述光束偏折元件阵列(11)后照射在所述位相光栅(12)上，衍射出两束相干光束。 

8.如权利要求7所述的所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述光束偏折元件阵列(11)包括多个光束偏折元件，每个光束偏折元件对应一个位相光栅(12)，且每个光束偏折元件对光束的偏转角不同。 

9.如权利要求8所述的所述的投影物镜波像差在线检测装置，其特征在于：所述光束偏折元件阵列(11)为折射棱镜、反射镜或动态摆镜。 

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