[发明专利]一种光刻机投影物镜波像差在线检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种高分辨率光学成像系统波像差在线检测装置及方法，尤其涉及一种针对高分辨率光刻机的投影物镜波像差在线检测装置及方法。

背景技术

光学光刻技术作为集成电路制造的主流技术，在提高集成电路性能及推动半导体产业快速发展方面，起着极为关键的作用。自20世纪60年代以来，集成电路一直遵循着Intel公司创始人之一Gordon E.Moore所提出的“摩尔定律”而快速发展，集成电路集成度的快速提高主要得益于光学光刻技术的快速发展——自1987年第一台光刻机问世以来，光刻曝光波长经历了436nm(g-line)、365nm(i-line)、248nm(KrF)、及193nm(ArF)的演变过程；光刻工艺因子由以前的0.8减小到极限值0.25；光刻机核心部件投影物镜数值孔径由最初的0.32增加到现有的1.35。基于这些发展，光刻所能达到的技术节点由最初的1um发展到至今的45nm。而投影物镜作为投影光刻机的核心部分，其特性直接决定了光刻传递图形的能力，即成像的优劣。在早期光刻分辨率还不高、投影物镜的数值孔径还很小的时候，人们在加工投影物镜的时候，直接利用PMI对其像质参数进行测量。

但是，随着光刻分辨率增强技术的应用，光刻分辨率不断提高，尤其到2000年光刻技术节点达到130nm时，投影物镜的像差容限要求应低于25mλ，否则投影物镜的像差对CD控制的影响将十分明显，严重影响成像质量。另外，当投影物镜整机安装到光刻机中时，由于运输、装配等影响也会对成像质量产生一定的影响。因此，如何在线检测、校正及控制投影物镜系统的像质参数的问题，自此才真正引起了光刻界人士足够的重视。此外，随着超精细加工水平的发展，投影物镜设计集成水平的提高，投影物镜像差容限逐渐减小，至2003年达到10mλ以下，自此低阶的几何像差如球差、慧差及像散仅仅能够预测其对测试图形的影响而不能预测对实际图形的影响，为解决这一问题，高精度确定整个像差波前信息成为必要。为此，如何快速、精确地在线检测、校正及控制投影物镜系统的波像差成为光刻界人士致力研究的问题之一。从2007年开始，三大光刻公司先后推出了光刻分辨率达到45nm的光刻机，其浸没投影物镜的数值孔径达到1.35，且投影物镜的残留波像差均达到6mλ以下，这对实现投影物镜波像差的在线检测技术提出了更高的挑战和性能要求。

现有的光刻机投影物镜波像差在线检测的主流技术主要基于光干涉原理的光刻投影物镜波像差检测技术及基于Shack-Hartmann波前传感技术。基于光干涉原理的光刻投影物镜波像差检测技术的主要代表是ASML的基于横向剪切干涉仪(Lateral Shearing Interferometer，简称LSI)的技术及Canon公司的基于线衍射干涉仪(Line Diffraction Interferometer，简称LDI)的技术。此两种技术的主要缺点是：为获得整个波前，需要转换一维光栅面以实现在x、y两个方向上分别测量，一方面光栅在转换过程中会引入像散，且难以校准，从而影响测量精度；另外，两次测量对测量速度也有一定影响。Nikon的基于Shack-Hartmann波前传感技术的主要缺点在于微透镜孔径的大小限制了检测的动态范围、空间采样频率及波前采样能力。

在90年代，Primot等人提出了一种四光束横向剪切仪的结构，且已经被广泛的应用到CO₂等红外激光器的激光光束质量测量及红外透镜的波像差检测(波长从近红外到远红外)等长波领域。在红外透镜的波像差检测中，四光束横向剪切干涉仪通过特殊结构设计的正交位相光栅将入射的待测波前主要衍射到(+1，+1)、(+1，-1)、(-1，-1)及(-1，+1)四束衍射光中，由此四束衍射光在其重叠区内进行干涉形成干涉条纹，并由位于Talbot距离处的CCD探测接收。

在美国专利2008/0316448A1中，Canon提出了一种基于正交振幅或位相光栅剪切干涉仪的光刻物镜波像差在线检测技术。此技术的工作原理是位于投影物镜物面的针孔掩模板将来自照明系统的光波变成理想的球面波，其再经过透镜物镜及位于投影物镜像方的准直物镜后入射到位于投影物镜出瞳面上的正交光栅上，在其重叠区内进行干涉形成干涉条纹，并由位于Talbot距离处的CCD探测接收。