一种成像光学系统像差现场测量方法及装置
专利汇可以提供一种成像光学系统像差现场测量方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种成像光学系统像差现场测量方法及装置，通过测量特定掩模标记所成的 光刻 机投影物镜空间像，通过对 光刻机 投影物镜空间像进行分析得到投影物镜像差。本方法相对于现有方法可大幅提高测量速度，克服 现有技术 存在的像差的测定时间长的缺点。，下面是一种成像光学系统像差现场测量方法及装置专利的具体信息内容。
1、一种成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：将 光源发出的光束经过照明系统调整后，照射于掩模；所述掩模选择性地透过一 部分光线；这样透过的光线经过成像光学系统将所述掩模上的图案成像；利用 空间像传感器获得投影物镜空间像；利用获得的空间像与仿真计算得出的特定 条件下的空间像进行匹配，并根据匹配结果计算得到投影物镜波像差。
2、根据权利要求1所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述掩模是二元掩模或相移掩模。
3、根据权利要求2所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述相移掩模是交替相移掩模、衰减相移掩模或无铬相移掩模。
4、根据权利要求1所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述图案由一个或数个三线线条、双线线条、多线线条或者接触孔构成。
5、根据权利要求1所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述光源是汞灯或者是准分子激光器。
6、根据权利要求1所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述光源是紫外光源或深紫外光源或极紫外光源。
7、根据权利要求1所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述波像差包括彗差、球差、像散、三波差中的一种或几种。
8、根据权利要求1所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述利用获得的空间像与仿真计算得出的特定条件下的空间像进行匹配，并根 据匹配结果计算得到投影物镜波像差的方法，可以是测量成像光学系统不同出 瞳面处的光强分布下的空间像，分别与仿真计算得出的相应条件下的空间像进 行匹配，并根据匹配结果计算得到投影物镜波像差。
9、根据权利要求8所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，可以使用包括不同特征尺寸与形状的 标记的掩模作为所述掩模来实现。
10、根据权利要求9所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述特征尺寸包括标记中各组成部分的大小、间距。
11、根据权利要求8所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，通过改变物镜数值孔径来实现。
12、根据权利要求8所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于， 所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，通过改变照明部分相干因子或照明方 式来实现。
13、权利要求12所述的成像光学系统像差现场测量方法，其特征在于，所 述照明方式是传统照明、环形照明、二级照明或四级照明。
14、一种成像光学系统像差测量装置，其特征在于，包括：
产生投影光束的光源；
用于调整所述光源发出的光束的光强分布的照明系统；
用于将掩模图案成像的成像光学系统；
承载所述掩模并精确定位的掩模台；
能精确定位的工件台；
可测量成像光学系统空间像的像传感器；
所述光源发出的光束经过所述照明系统调整后，照射于所述掩模；所述掩 模选择性地透过一部分光线；透过的光线经过所述成像光学系统将所述掩模上 的图案成像；所述像传感器获得投影物镜空间像。
15、根据权利要求14所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述掩模是二元掩模或相移掩模。
16、根据权利要求15所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述相移掩模是交替相移掩模、衰减相移掩模或无铬相移掩模。
17、根据权利要求14所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述图案由一个或数个三线线条、双线线条、多线线条或接触孔构成。
18、根据权利要求14所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述光源是汞灯，或者是准分子激光器。
19、根据权利要求14所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述光源是紫外光源、深紫外光源或极紫外光源。
20、根据权利要求14所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述波像差包括彗差、球差、像散、三波差中的一种或几种。
21、根据权利要求14所述的成像光学系统像差测量装置，其特征在于，所 述装置的照明方式是传统照明、环形照明、二级照明或四级照明。
技术领域
本发明涉及成像光学系统像差的现场测量方法，特别是涉及光刻机成像光 学系统像差现场测量方法。
背景技术
在现有技术中，将形成于各种掩模上的图样，用曝光光线照明，中间经由 成像光学系统将前述图样复制到涂布有光刻胶的晶片、玻璃基板等基板上的曝 光装置是公知的。
近年来，半导体元件越来越高集成化，要求其电路图样进一步微细化。随 着光刻特征尺寸的变小，尤其是离轴照明与相移掩模的使用，像差对光刻质量 的影响变得越来越突出。因此光刻机投影成像光学系统的现场测量技术不可或 缺。
成像光学系统像差的测量，通常以如下方式进行。以下以投影物镜系统为 例。即，将像差测量用掩模放置在物面上，将形成掩模上的规定图样成像于投 影物镜系统的像上的前述基板上，将所成的像进行显影。然后利用扫描电子显 微镜(SEM)对已显影的像进行测量，根据测量结果求出前述投影物镜光学系 统的像差，参见现有技术1，“Novel aberration monitor for optical lithography.”Proc. SPIE 1999，3679，77-86。
但是，在前述技术的方法中，由于光刻胶涂布不均匀，显影不均匀等处理 工艺误差，使得前述像差的测量精度不能充分保证。而且利用SEM进行观察前， 需要对硅片进行前处理，如显影工艺，因此对于像差的测定需要很长的时间。
为了避免这些问题，人们提出了利用透射式像传感器(TIS)对前述投影物 镜波像差进行测量的方法，即TAMIS技术，参见现有技术2，“Aerial image measurement methods for fast aberration set-up and illumination pupil verification.” Proc.SPIE 2001，4346，394-407。TIS由两种探测器构成：一套亚微米级的孤立线 以及一个方孔，孤立线与方孔下方均放置独立的光电二极管。其中孤立线包括X 方向的孤立线与Y方向的孤立线两种，不同方向的孤立线分别用于测量不同方 向线条的成像位置。方孔用于补偿照明光源的光强波动。TIS可以测量X方向 线条成像位置(Y，Zy)，Y方向线条成像位置(Y，Zy)。
将像差测定用二元掩模放置在掩模台上，该掩模上有形状类似于TIS的标 记。测量彗差采用的标记是的密集线条，而测量球差采用是孤立线条。通过移 动工件台使TIS扫描掩模上标记经投影物镜所成的像，可以得到标记的成像位 置(x，y，zx，zy)，并与理想位置比较后得到成像位置偏移量(ΔX，ΔY，ΔZx，ΔZy)。 在不同的NA与σ下测量掩模上各个标记的成像位置，得到不同的照明条件下 的视场内不同位置处的成像位置偏移量，然后利用数学模型进行计算后得到波 像差相应的Zernike系数。但随着光刻技术的发展，对像差测量速度的要求也不 断提高，该测量技术正逐渐不能满足速度上要求。
发明内容
为了达到上述的目的，本发明提供一种成像光学系统像差现场测量方法， 包括以下步骤：将光源发出的光束经过照明系统调整后，照射于掩模；该掩模 选择性地透过一部分光线；这样透过的光线经过成像光学系统将该掩模上的图 案成像；利用空间像传感器获得投影物镜空间像；利用获得的空间像与仿真计 算得出的特定条件下的空间像进行匹配，并根据匹配结果计算得到投影物镜波 像差。
该掩模可以是二元掩模，也可以是相移掩模。该相移掩模可以是交替相移 掩模、衰减相移掩模、无铬相移掩模，还可以是其他相移掩模。
该图案由一个或数个三线线条、双线线条、多线线条或接触孔构成。
该光源可以是汞灯或准分子激光器。
该光源可以是紫外光源、深紫外光源或极紫外光源。
该波像差包括彗差、球差、像散、三波差中的一种或几种。
该利用获得的空间像与仿真计算得出的特定条件下的空间像进行匹配，并 根据匹配结果计算得到投影物镜波像差的方法，可以是测量成像光学系统不同 出瞳面处光强分布条件下的空间像，分别与仿真计算得出的相应条件下的空间 像进行匹配，并根据匹配结果计算得到投影物镜波像差。该成像光学系统出瞳 面处的光强分布，可以使用包括不同特征尺寸与形状的标记的掩模作为该掩模 来实现，该特征尺寸包括标记中各组成部分的大小、间距。该成像光学系统出 瞳面处的光强分布，可以使用改变物镜数值孔径来实现。该成像光学系统出瞳 面处的光强分布，还可以通过改变照明部分相干因子或照明方式来实现，该照 明方式可以是传统照明，可以是环形照明、二级照明或四级照明。
本发明还提供一种成像光学系统像差测量装置，包括：产生投影光束的光 源；用于调整该光源发出的光束的光强分布的照明系统；用于将掩模图案成像 的成像光学系统；承载该掩模并精确定位的掩模台；能精确定位的工件台；可 测量成像光学系统空间像的像传感器。该光源发出的光束经过该照明系统调整 后，照射于该掩模；该掩模选择性地透过一部分光线；透过的光线经过该成像 光学系统将该掩模上的图案成像；该像传感器获得投影物镜空间像。
本发明的成像光学系统像差现场测量方法及装置，通过测量特定掩模标记 所成的光刻机投影物镜空间像，通过对光刻机投影物镜空间像进行分析得到投 影物镜像差。本方法相对于现有方法可大幅提高测量速度，克服现有技术存在 的像差的测定时间长的缺点。TAMIS测量波像差方法需要在10个不同照明设置 下测量成像位置偏移量，耗时约4小时左右。由于本测量方法采用的数据为原 始数据，因此保留了TIS测量的尽可能大的信息量，因此采用本方法通常仅需 要在1-3种照明设置下测量空间像，耗时仅为TAMIS技术的10％至30％。实验 结果表明，使用同样系统的情况下，本方法测量球差与彗差的重复精度为2nm， 基本与TAMIS测量重复精度相同。
附图说明
图1为本发明的曝光装置结构示意图；
图2为理想的投影物镜空间像；
图3a和图3b为像传感器测得的投影物镜空间像。
附图中：LS、光源；IL、照明系统；PL、成像光学系统；R、掩模；RS、 掩模台；W、硅片；WS、工件台；TIS、像传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明所使用的系统包括：产生投影光束的光源LS；用于调 整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统IL；能将掩模图 案成像且其数值孔径可以调节的成像光学系统PL；能承载所述掩模R并精确定 位的掩模台RS；能承载硅片W并精确定位的工件台WS；安装在所述工件台 WS上的测量标记成像位置的像传感器TIS。
本发明光刻机成像光学系统像差现场测量方法包括以下步骤：将所述汞灯 或准分子激光器LS发出的光束经过照明系统IL调整后，照射于掩模R；掩模R 选择性地透过一部分光线；透过的光线经过成像光学系统PL将掩模上的图案成 像；通过使用TIS测量掩模上特定图形所成的空间像；可测量在一组或多组光 瞳光强分布情况下的空间像，而后使用特定算法计算各种波像差。
投影物镜的波像差是指实际波前与理想波前在物镜出瞳面上的光程差。波 像差可分解为Zernike多项式的形式，
w(ρ，θ)＝Z1+Z2·ρcosθ+Z3·ρsinθ+Z4·(2ρ2-1)+Z5·ρ2cos2θ+Z6·ρ2sin2θ
+Z7(3ρ3-2ρ)cosθ+Z8(3ρ3-2ρ)sinθ+Z9·(6ρ4-6ρ4+1)+……
其中ρ与θ为出瞳面上的归一化极坐标。Z2与Z3项表征波前倾斜。Z4项表 征焦面偏移，Z5与Z6项表征三阶像散，Z7表征X方向的三阶彗差，Z8表征Y方 向的三阶彗差，Z9表征三阶球差。
根据像差对成像质量的影响，可以将Z5以上的像差分为两部分。Zernike多 项式中ρ与2nθ(n＝0，1，2，3...)的函数对应的像差，称为偶像差。偶像差主要包 括像散(Z5，Z6，Z12，Z13)与球差(Z9，Z16)等。偶像差主要影响空间像的Z向(轴 向)位置。Zernike多项式中ρ与(2n+1)θ的函数对应的像差，称为奇像差。奇像 差主要包括彗差(Z7，Z8，Z14，Z15)与三波差(Z10，Z16)等。奇像差主要影响空间 像在XY平面内的(垂向)位置与光强分布。
例如，对于孤立线条，理想的投影物镜成像光强分布如图2所示，图中横 轴为光刻机坐标系中的水平方向，纵轴为光刻机坐标系中的竖直方向。像传感 器测量得到的投影物镜成像光强分布如图3a所示。通过对两幅图像的比较，对 仿真获得图像采用迭代寻优的算法，可以获得空间像最接近的特定条件下的仿 真结果如图3b。此时图3b的波像差即为需要求解的波像差。
具体的算法步骤可以是：
1、利用空间像传感器测量一定照明条件与投影物镜数值孔径设置情况下， 某一特定图形的空间像。
2、设定投影物镜波像差初始值，该初始值可为光刻机投影物镜波像差的离 线标定结果，或者为0。
3、利用光刻仿真软件(如Prolith、SOLID-C等)计算得到一定Zernike系 数设置下的空间像传感器测得的特定图形的空间像
4、在光刻仿真软件中改变一定的单项Zernike系数波像差，计算该条件下 的空间像。得到空间像与各项Zernike系数变化的导数关系。
5、计算目前仿真得到的空间像与测得空间像之间的差异。如差异超过容限， 根据第4步计算得到的空间像与各项Zernike系数变化的导数关系，改变Zernike 系数设置，重复步骤3-5的动作。如差异小于容限，则此时的各项Zernike系数 即为投影物镜波像差。
计算过程中，可采用共轭梯度法、退火算法等多种优化算法进行波像差计 算，目前利用上述方法测量投影物镜波像差测量精度可达到2nm。
下面是另一种具体的算法步骤：
1、利用空间像传感器测量一定照明条件与投影物镜数值孔径设置情况下， 多个不同特定图形的空间像。
2、设定投影物镜波像差初始值，该初始值可为光刻机投影物镜波像差的离 线标定结果，或者为0。
3、利用光刻仿真软件(如Prolith、SOLID-C等)计算得到一定Zernike系 数设置下的空间像传感器测得的多个不同特定图形的空间像
4、在光刻仿真软件中改变一定的单项Zernike系数波像差，计算该条件下 的空间像。得到多个不同空间像与各项Zernike系数变化的导数关系。
5、计算目前仿真得到的空间像与测得空间像之间的差异。如差异超过容限， 根据第4步计算得到的空间像与各项Zernike系数变化的导数关系，改变Zernike 系数设置，重复步骤3-5的动作。如差异小于容限，则此时的各项Zernike系数 即为投影物镜波像差。
下面还提供一种可实现的具体的算法步骤：
1、利用空间像传感器测量多种照明条件与投影物镜数值孔径设置情况下， 多个不同特定图形的空间像。
2、设定投影物镜波像差初始值，该初始值可为光刻机投影物镜波像差的离 线标定结果，或者为0。
3、利用光刻仿真软件(如Prolith、SOLID-C等)计算得到一定Zernike系 数设置下的空间像传感器测得的多个不同特定图形的空间像
4、在光刻仿真软件中改变一定的单项Zernike系数波像差，计算该条件下 的空间像。得到多个不同空间像与各项Zernike系数变化的导数关系。
5、计算目前仿真得到的空间像与测得空间像之间的差异。如差异超过容限， 根据第4步计算得到的空间像与各项Zernike系数变化的导数关系，改变Zernike 系数设置，重复步骤3-5的动作。如差异小于容限，则此时的各项Zernike系数 即为投影物镜波像差。
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