[发明专利]一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法

说明书

技术领域

本发明涉及的一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，用于光刻机硅片的高精度检焦，属于微电子设备及微细加工领域。

背景技术

以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微细加工及微纳检测技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。物镜的分辨力和焦深是影响投影曝光系统的关键参数，根据瑞利判据，计算物镜分辨力和焦深为：

R＝k₁λ/NA

DOF＝k₂λ/NA²

提高投影光刻的分辨力主要通过使用波长越来越短的曝光光源和提高物镜系统的数值孔径NA来实现。目前投影光刻机曝光波长λ从紫外光源(g线、i线)、深紫外(ArF)，向极紫外(EUV)方向发展；投影物镜NA从早期的0.2、0.8发展到浸没式投影光刻的1.35以上。光刻分辨力的提高是以牺牲焦深为代价，随着光刻分辨力的提高，投影物镜系统的焦深急剧减小，虽然采用分辨力增强技术可进一步提高分辨力，但对焦深的改善有限。因此，高精度光刻机对系统的调焦精度提出了新的要求。

光刻机中的调平调焦测量传感器多采用光学传感技术，具有快捷性、非接触性等特点。早期投影光刻机中，由于焦深较长，多采用光度检焦和CCD检焦技术。利用狭缝成像，通过计算狭缝在探测器中的位移变化计算硅片的离焦量。这两类检测方法总体上测量系统较简单，操作简便易行；但测量精度偏低，不能满足高精度光刻对检焦的需求。随着光刻系统分辨力的提高及曝光视场的增大，调平调焦测量系统进一步采用多点检测原理，以日本Nikon公司为主，通过测量多点的高度值可计算出硅片的倾斜量。光源出射光经过狭缝列阵后被硅片表明反射，成像于探测器上。当硅片处于理想状态时，成像光斑位于四象限探测器中心，四个象限的光强相等。检测系统采用狭缝阵列，通过扫描测量能覆盖整个曝光视场；但需进一步优化检测算法以提高其检测精度。

随着上世纪光栅检测技术的发展，基于光栅Talbot效应产生的莫尔条纹检测技术也被应用于投影光刻系统的检焦测量。当两个周期相当的衍射光栅间距满足Talbot距离时，两光栅产生莫尔条纹。当光栅和探测器相对位置不变的情况下，硅片位置的变化引起莫尔条纹信号发生变化，通过测量莫尔条纹变化信息可完成硅片离焦量测量。该方法虽具有较高的检测精度；但系统抗干扰能力较弱，对环境有较高的要求。

2004年MIT的Euclid E.Moon等人提出了基于啁啾光栅的间隙测量用于光刻机检焦测量，获得纳米级检测精度；但受图形处理算法和相位解析算法限制，系统实时性较差，检测效率偏低。

2007年，美国的研究人员提出了一种利用空气动力学原理进行焦面测量，这种气动间隙检测方式的基本思路是，通过喷头向被测表面喷气，间隙量的变化就导致喷嘴回压和气流的变化，利用压力传感器或流量计测量，最后反演间隙量。由于受环境影响较大，该方法有在实验室获得原理验证的报道，但在实际的样机上，还没有取得成功的应用。

基于空间光调制原理的纳米级检焦技术被广泛应用于先进光刻机的精密检焦测量。测量系统由宽光谱照明，远心成像系统，空间光调制和探测系统组成。该检测方法具有较高的测量精度，满足高精度光刻机的需求；但系统总体结构较复杂，采用逐点扫描的检测方式，检测效率较低。

随着我国微细加工技术的发展，光刻机调焦技术成为新的研究热点。目前国内研究光刻调焦技术的包括中科院光电所、上海微电子装备有限公司、华中科技大学和中科院上海光机所等研究单位。

其中，上海微电子装备有限公司利用PSD技术用于检焦测量。激光光束被准直后通过狭缝成像在硅片上，经硅片表面和反射镜反射后成像在PSD上。通过工件台移动扫描整个硅片表面，完成整个硅片测量，利用扫描的硅片高度信息计算硅片离焦量，从而保证系统的整体调焦精度。

华中科技大学的尹作海等人利用线阵CCD探测器完成光刻机的检焦测量。中科院光电技术研究所是较早开展微电子装备相关技术研制的单位之一，在0.8μm光刻机研制项目中采用莫尔条纹的办法实现80nm的检焦精度。

总体而言，目前报道的检焦方法，不易兼顾结构系统简易性和检测精度；在大面积曝光系统中不能兼顾检焦精度和效率。针对投影光刻机未来的高分辨力、大视场发展需求，本发明介绍一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，满足光刻机的检焦精度和效率要求。

发明内容