专利名称：成像光学系统像差的现场测量方法
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的像差的现场测量方法。
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。(在先技术1，16.Peter Dirksen，Casper A.Juffermans，Ruud J.Pellens，Mireille Maenhoudt，PeterDebisschop.“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。(在先技术2，Van der Laan，Hans，Dierichs，Marcel，van Greevenbroek，Henk，McCoo，Elaine，Stoffels，Fred，Pongers，Richard，Willekers，Rob.“Aerial imagemeasurement 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相应的Zernike系数Z2、Z3、Z4、Z5、Z7，Z8，Z14，Z15，Z9，Z16，Z12，Z21。但随着光刻技术的发展，对像差测量精度的要求也不断提高，该测量技术正逐渐不能满足精度上要求。
发明内容
本发明系针对上述现有技术存在的问题而作，本发明的目的在于提供一种高精度的现场测量成像光学系统球差、彗差、像散中至少一种像差的方法。
本发明提供了一种成像光学系统像差的现场测量方法，所述方法所使用的系统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和部分相干因子的照明系统；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；能承载所述掩模并精确定位的掩模台；能承载硅片并精确定位的工件台；安装在所述工件台上的测量标记成像位置的像传感器，所述方法包括以下步骤标定所述成像光学系统的灵敏度矩阵；将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；这样透过的光线经过所述成像光学系统将掩模上的图案成像；用所述像传感器测量掩模上的图案成像位置附近的空间像三维光强分布，可以得到成像位置轴向漂移和成像位置横向漂移；通过改变所述成像光学系统的数值孔径和通过调整所述照明系统以改变光束的部分相干因子，测量得到多组所述成像位置漂移量，而后使用所述灵敏度矩阵计算球差、彗差、像散中至少一种像差，其特点在于，通过改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布来提高所述测量的精度。
所述的成像光学系统像差的现场测量方法，较好的是，通过使用相移掩模作为所述掩模，或通过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，或对所述成像光学系统出瞳面的光进行光瞳滤波以改变不同空间频率光的光强或/与位相三种方法中的至少一种方法来进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。
所述的成像光学系统像差的现场测量方法，较好的是，所述相移掩模为衰减相移掩模、交替相移掩模、无铬型相移掩模、边缘增强型相移掩模中的任意一种。
所述的成像光学系统像差的现场测量方法，较好的是，通过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进行所述的成像光学系统出瞳面处的光强分布的改变。
所述的成像光学系统像差的现场测量方法，较好的是，所述特征尺寸包括标记中各组成部分的大小、间距。
所述的成像光学系统像差的现场测量方法，较好的是，所述光源为汞灯或准分子激光器等紫外、深紫外、极紫外光源。
通过改变成像光学系统出瞳面处的光强分布，可以提高灵敏度矩阵的灵敏度，从而提高像差的测量精度。
图1为依据本发明实施例的曝光装置的结构示意图。
图2a为发明所用标记的示意图。
图2b为图2a中Wx沿XZ平面的平面图以及Wy沿YZ平面的剖面图。
图3a与图3b为在其它Zernike系数为零，Z7与NA大小一定的条件下，比较了使用相移掩模(图3b)和未使用相移掩模(图3a)的情况下，由仿真软件得出的内外部分相干因子与成像位置横向偏移量的关系图。
图4为在其它Zernike系数为零，Z7、数值孔径、外部分相干因子大小一定的条件下，由仿真软件得出的标记特征尺寸、内部分相干因子与成像位置横向偏移量的关系图。
图5a与图5b为在其它Zernike系数为零，Z7与NA大小一定的条件下，比较了使用光瞳滤波(图5b)和未使用光瞳滤波(图5a)的情况下，由仿真软件得出的内外部分相干因子与成像位置横向偏移量的关系图。
具体实施例方式进行成像光学系统像差现场测量的系统包括光源、调整所述光源发出的光的照明系统、用所述照明系统调整后的光照射的掩模、放置所述掩模的掩模台、用于对所述掩模成像的成像光学系统、工件台和安置在所述工件台上的透射式像传感器。
所述光源(汞灯或准分子激光器)发出的光直接进入所述照明系统后，或经过一定方式调整(如扩束)后进入所述照明系统。所述照明系统中具有可改变照明光束光强分布，从而调整内外部分相干因子的元件。所述照明系统中通常还有大量的其它元件如积分棒等。这样照明在所述掩模上的光有预期的空间频率分布以及较理想均匀性。
光束经所述照明系统后照射在所述掩模上。所述掩模放置于所述掩模台上。所述掩模选择性地透过一部分光线，这部分光线经所述成像光学系统后聚焦于一硅片上的目标位置。所述硅片放置于工件台上。在干涉仪的定位下，所述工件台可以精确地移动。同时通过某些对准方法可以使得所述工件台与所述掩模台同成像光学系统的光轴对准。这样，所述掩模上的图案就可以精确地复制在所述硅片上的所述目标区域中。此外，所述工件台上安装有所述透射式像传感器，用于测量所述掩模上相似标记空间像的位置。
实施例1图1为依据本发明实施例的曝光装置的结构示意图。如图1所示，激光器LS(准分子激光器)发出的激光直接进入照明系统IL，或经过一定方式调整(如扩束)后进入照明系统。照明系统IL中具有可改变照明光束光强分布，从而调整内外部分相干因子的元件。照明系统中通常还有大量的其它元件如积分棒等。这样照明在掩模R上的光有预期的空间频率分布以及较理想均匀性。
光束经照明系统后照射的掩模R上。掩模R放置于掩模台RS上。掩模R选择性的透过一部分光线，这部分光线经具有调整数值孔径功能的投影物镜PL后聚焦于硅片W上的目标位置。硅片W放置于工件台WS上。在干涉仪IF的定位下，工件台WS可以精确的移动。同时通过某些对准方法可以使得工件台WS与掩模台RS同成像光学系统的光轴对准。这样，掩模R上的图案就可以精确的复制在硅片上W的目标区域中。此外，工件台WS上安装有透射式像传感器TIS，它可用于测量掩模上相似标记空间像的位置，关于TIS的进一步描述参见美国专利4,540,277。
投影物镜像差可以描述为物镜出瞳面上的波像差，即实际波前相对于理想波前的偏离。波像差可分解为Zernike多项式的形式，见(1)式。式中ρ和θ为出瞳面上归一化的极坐标。其中，Z2和Z3项表征像面的倾斜。Z4项表征离焦量，Z5和Z6表征不同方向的三阶像散。其他含cosθ、sinθ的项分别对应于子午和弧矢方向上的三阶、五级及各项高级彗差。其他不含θ的项对应于轴向的三阶、五级及高级球差，具体的各种Zernike系数对应的像差形式见下表
w(ρ，θ) +Z12·(4ρ4-3ρ2)cos2θ＝Z1+Z13·(4ρ4-3ρ2)sin2θ+Z2·ρcosθ+Z14·(10ρ5-12ρ3+3ρ)cosθ+Z3·ρsinθ+Z15·(10ρ5-12ρ3+3ρ)sinθ+Z4·(2ρ2-1) +Z16·(20ρ6-30ρ4+12ρ2-1)+Z5·ρ2cos2θ +Z17·ρ4cos4θ+Z6·ρ2sin2θ +Z18·ρ4sin4θ+Z7·(3ρ3-2ρ)cosθ +Z19·(5ρ5-4ρ3)cos3θ+Z8·(3ρ3-2ρ)sinθ +Z20·(5ρ5-4ρ3)sin3θ+Z9·(6ρ4-6ρ2+1) +Z21·(15ρ6-20ρ4+6ρ2)cos2θ+Z10·ρ3cosθ +Z22·(15ρ6-20ρ4+6ρ2)sin2θ+Z11·ρ3sinθ +Λ(1)波前的偏离对成像的影响表现为实际所成像对于理想高斯像的偏离和变形。在远心照明情况下，根据这样一种表现形式可以定义两类像差偶像差和奇像差。偶像差是指波前偏离相对于光轴是对称的，例如球差、像散，它使得近轴光线和边缘光线有不同的像点，这样成像位置就产生了轴向漂移。相反，奇像差的波前偏离相对于光轴是不对称的，例如彗差，它使得成像位置发生横向偏移。改变物镜数值孔径NA和部分相干因子σ，则物镜所成像位置的轴向漂移量和横向漂移量会发生变化，其变化量是数值孔径NA和部分相干因子σ的函数。
本发明通过透射像传感器检测出不同数值孔径NA与不同部分相干因子σ下的成像位置轴向漂移量和成像位置横向漂移量，然后计算出相应的Zernike系数。即在不同的NA与σ下测量掩模版上各个标记的空间像位置，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(ΔX，ΔY，ΔZ)，然后利用数学模型进行分析后得到视场内不同位置处的Zernike系数Z2，Z3，Z7，Z8，Z14，Z15，Z4，Z5，Z9，Z16，Z12，Z21。
子午彗差即X方向的彗差可以导致成像位置的X方向偏移，偏移量除了与彗差大小有关外，还与部分相干因子与数值孔径有关。偏移量可以表示为ΔX(NA,σ)=∂ΔX(NA,σ)∂Z2·Z2+∂ΔX(NA,σ)∂Z7·Z7+∂ΔX(NA,σ)∂Z14·Z14---(2)]]>其中□X(NA，σ)是在给定的数值孔径和部分相干因子下透射像传感器检测到的成像位置X方向漂移量，Z2，Z7，Z14是要计算的Zernike系数，分别表示波前倾斜、X向三阶彗差、X向五级彗差。对于不同的NA和σ，分别计算出ΔX对Z2，Z7，Z14的偏导数，可以得到如下矩阵方程组ΔX(NA1,σ1)ΔX(NA2,σ2)MM=∂ΔX(NA1,σ1)∂Z2∂ΔX(NA1,σ1)∂Z7∂ΔX(NA1,σ1)∂Z14∂ΔX(NA2,σ2)∂Z2∂ΔX(NA2,σ2)∂Z7∂ΔX(NA2,σ2)∂Z14MMMMMMZ2Z7Z14---(3)]]>
方程组(3)可简写为Mρ=Sω·Zρ.]]>其中M是在不同NA、σ下透射像传感器检测到的成像位置X向漂移量，S是灵敏度矩阵，Z是要求解的Zernike系数向量。这样，通过透射像传感器测量不同NA和σ情况下的成像位置X向漂移量可计算对应于X向彗差的Zernike系数(Z2、Z7、Z14)。同理，通过透射像传感器测量不同NA和σ情况下的成像位置Y向漂移量可计算对应于Y向彗差的Zernike系数(Z3、Z8、Z15)。通过透射像传感器测量不同NA和σ情况下的不同方向线条成像位置Z向漂移量的平均值(ΔZs＝(ΔZx+ΔZy)/2)可计算对应于球差的Zernike系数(Z4、Z9、Z16)。不同方向线条成像位置Z向漂移量的的差异(ΔZa＝(ΔZx+ΔZy)/2)可计算对应于像散的Zernike系数(Z5、Z12、Z21)。
灵敏度矩阵S可使用光刻仿真软件进行计算。如取Zernike系数Z7为1nm而其他Zernike系数为零，利用光刻仿真软件计算出此时的□X，则可将此时的□X作为□X对Z7的偏导数，并把它定义为灵敏度s，即s1,Z7=∂ΔX(NA1,σ1)∂Z7---(4)]]>因此灵敏度矩阵的精确度与灵敏度的高低是各项Zernike系数的测量精度的关键因素。
图2a为发明中采用标记的示意图。图2a中Wx用于测量Y方向线条对应最大光强位置(X，Zx)，Wy用于测量X方向线条对应最大光强位置(Y，Zy)。Wx沿XZ平面的剖面图以及Wy沿YZ平面的剖面图均如图2b所示。图2b中，1为掩模基底，通常为石英。2为基底上的不透光的涂层，通常为铬。3为掩模放置环境，通常为空气。f为标记的特征尺寸。相邻两个透光位置厚度差为d，d＝λ/2Δn。其中λ为曝光波长，Δn为1与3的折射率差。
使用上述标记后，在NA与σ相同的情况下得到的成像位置偏移量(ΔX，ΔY，ΔZs，ΔZa)会发生变化。当使用相移掩模时，其效应是使0阶衍射光削弱，而其它级次衍射光增强，也就是说光瞳面上的光强分布会发生变化。当物镜有像差时，光瞳面上各点的光程差不相同。因此，成像位置偏移量将发生变化。
使用相移掩模时，其效应是使0阶衍射光削弱，而其它级次衍射光增强。恰当的使用相移掩模可以使光瞳面上的光强分布十分集中。此时可以通过改变不同的照明条件使不同空间频率的光强增强。对于Zernike系数中Z7、Z8、Z9、Z12，入射在光瞳面最边缘的光的成像位置偏差与中心位置的光的成像位置偏移量相差最大。对于Zernike系数中Z14、Z15、Z16、Z21是入射在较靠近光瞳面边缘的光的成像位置偏差与中心位置的光的成像位置偏差相差最大。因此使用相移掩模，将增加成像位置偏差的变化范围。
图3在其它Zernike系数为零，Z7与NA大小一定的条件下，比较了使用相移掩模(图3b)和未使用相移掩模(图3a)的情况下，由仿真软件得出的ΔX随内外部分相干因子变化的情况。由图3可以看出，使用相移掩模使得在Z7一定情况下，不同部分相干因子条件下ΔX的变化范围增加。同样地，当部分相干因子一定时，相移掩模的使用也使ΔX的变化范围增加。由(4)式可以看出，ΔX的变化范围增加使得灵敏度Sz7的变化范围增加。
对于其它各项Zernike系数，使用相移掩模同样也使得该项Zernike系数相应的灵敏度变化范围增加。这也就是说，当使用了相移掩模后，各项灵敏度随NA和σ的变化范围增加。如250nm的密集线条的构成的标记，采用相移掩模后，灵敏度变化范围将增加21.9％。可以预见，适当的选择NA和σ，能提高灵敏度矩阵S的灵敏度。
由于使用相移掩模能增加对比度，也就是说最大光强与最小光强差将增加，因此TIS测量光强精度与工件台干涉仪测量精度一定的情况下，成像位置偏移量的测量将更精确。
使用相移掩模能同时提高灵敏度矩阵的灵敏度与成像位置偏移量的测量精度。使用相移掩模可以提高像差的测量精度百分之几十量级。
实施例2除了改变NA和σ以外，通过改变标记的特征尺寸同样也可以改变衍射光的空间频率分布，即改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，从而使灵敏度矩阵发生改变。图4显示了在其它Zernike系数为零，Z7、数值孔径、外部分相干因子大小一定的条件下，标记特征尺寸、内部分相干因子与成像位置偏移量ΔX的关系。由图4可以看出，不同内部分相干因子条件下，使用不同特征尺寸的标记将使ΔX的变化范围增加。同样地，当内部分相干因子与数值孔径一定或内外部分相干因子一定时，使用不同特征尺寸的标记也将使ΔX的变化范围增加。由(4)式可以看出，ΔX的变化范围增加使得灵敏度Sz7的变化范围增加。
对于其它各项Zernike系数，使用不同特征尺寸的标记同样也使得该项Zernike系数相应的灵敏度变化范围增加。这也就是说，当使用了不同特征尺寸的标记后，各项灵敏度随NA和σ的变化范围增加。
因此在掩模上同时制作标记的特征尺寸，将使得灵敏度矩阵更为灵敏，从而提高测量精度。此时灵敏度矩阵成为NA、σ和特征尺寸f的函数S(NA，σ，f)。
实施例3除了改变NA和σ以外，通过光瞳滤波设定可以适当的选择从出瞳出射的光线，即改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布，从而改变光的空间频率分布，从而使灵敏度矩阵发生改变。由于改变光瞳滤波设定可以选择光瞳上任意位置的出射光线，因此这种方法使得成像位置偏移量的变化量更大。
图5在其它Zernike系数为零，Z7、数值孔径大小一定的条件下，比较了使用光瞳滤波(图5b)和未使用光瞳滤波(图5a)的情况下，部分相干因子与成像位置偏移量ΔX的关系。由图5可以看出，数值孔径大小一定的条件下，使用光瞳滤波将使ΔX的变化范围增加。同样地，内部分相干因子或外部分相干因子一定时，使用光瞳滤波设定也将使ΔX的变化范围增加。由(4)式可以看出，ΔX的变化范围增加使得灵敏度Sz7的变化范围增加。
对于其它各项Zernike系数，使用不同光瞳滤波设定同样也使得该项Zernike系数相应的灵敏度变化范围增加。这也就是说，当使用了不同光瞳滤波设定后，各项灵敏度随NA和σ变化的范围增加。
因此改变光瞳滤波设定，将使得灵敏度矩阵更为灵敏，从而提高测量精度。
在上述实施方式中，使用的光源为汞灯或准分子激光器等紫外、深紫外、极紫外光源。使用的成像光学系统为投影物镜，但是对于其它成像光学系统也可同样进行测量。此外，使用相移掩模、使用多种特征尺寸的掩模、光瞳滤波设置方法可单独使用也可组合使用。
权利要求
1.一种成像光学系统像差的现场测量方法，所述方法所使用的系统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和部分相干因子的照明系统；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；能承载所述掩模并精确定位的掩模台；能承载硅片并精确定位的工件台；安装在所述工件台上的测量标记成像位置的像传感器，所述方法包括以下步骤标定所述成像光学系统的灵敏度矩阵；将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；这样透过的光线经过所述成像光学系统将掩模上的图案成像；用所述像传感器测量掩模上的图案成像位置附近的空间像三维光强分布，可以得到成像位置偏移量；通过改变所述成像光学系统的数值孔径和/或通过调整所述照明系统以改变部分相干因子，测量得到多组所述成像位置偏移量，而后使用所述灵敏度矩阵计算球差、彗差、像散中至少一种像差，其特征在于，通过改变所述成像光学系统出瞳面处的光强分布来提高所述测量的精度。
2.按照权利要求1所述的成像光学系统像差的现场测量方法，其特征在于，通过使用相移掩模作为所述掩模，或通过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，或对所述成像光学系统出瞳面的光进行光瞳滤波以改变不同空间频率光的光强或/与位相，三种方法中的至少一种方法用来进行所述的成像光学系统出瞳面处光强分布的改变。
3.按照权利要求2所述的成像光学系统像差的现场测量方法，其特征在于，所述相移掩模为衰减相移掩模、交替相移掩模、无铬型相移掩模、边缘增强型相移掩模中的任意一种。
4.按照权利要求2所述的成像光学系统像差的现场测量方法，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。
5.按照权利要求1-4中任一项所述的成像光学系统像差的现场测量方法，其特征在于，所述光源为汞灯或准分子激光器等紫外、深紫外、极紫外光源。
全文摘要
一种通过测量光刻机成像光学系统成像位置偏差来现场测量该系统的球差、彗差、像散中至少一种像差的方法。根据在不同数值孔径和部分相干因子的情况下测得的成像位置偏移量，计算得出球差、彗差、像散中至少一种像差。通过改变所述成像光学系统出瞳面的光强分布，增加所述像差的测量精度。
文档编号H01L21/02GK1570585SQ20041001803
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月29日 优先权日2004年4月29日
发明者王帆, 王向朝 申请人:上海微电子装备有限公司