一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法，其作用是實時檢測光刻機系統(tǒng)的硅片位置，完成硅片的高精度調(diào)平和調(diào)焦。檢測系統(tǒng)利用硅片離焦引起的光柵泰伯效應的“自成像”位相變化，完成光刻機硅片的高精度檢焦：硅片位于焦面位置時，光柵成像波前為平面波前；硅片離焦時，其成像波前為球面波前。該檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的抗干擾能力和較好的工藝適應性。
【專利說明】一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法，用于光刻機硅片的高精度調(diào)平調(diào)焦，屬于微電子設備及微細加工領域。

【背景技術】
[0002]以大規(guī)模集成電路為核心的微電子技術按照“一代技術、一代設備、一代器件”的發(fā)展規(guī)律快速發(fā)展，隨著納米器件的出現(xiàn)，對微細加工及微納檢測技術提出了新的要求。光學投影光刻技術是利用光學投影原理，通過投影物鏡將掩模版上的高分辨力圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。由于光學投影光刻技術既能具有接觸式光刻的高分辨力，又避免損傷和玷污掩模版。作為應用領域最廣、技術更新快和生命力強的微細加工技術，光學投影光刻技術是驅(qū)動微電子技術進步的核心，目前大規(guī)模集成電路多采用該技術。
[0003]光刻投影光刻機種，投影物鏡的分辨力和焦深是影響投影曝光系統(tǒng)的關鍵參數(shù)。隨著光刻機分辨力的提聞，其焦深急劇減小；同時，為提聞投影光刻機的生廣效率，娃片曝光場面積逐漸增大。因此，高精度投影光刻機對系統(tǒng)的調(diào)焦精度提出了新的要求。
[0004]傳統(tǒng)投影曝光光刻機中，由于焦深較長，多采用CCD檢焦技術和PSD傳感器檢焦技術。利用狹縫成像，通過計算狹縫在探測器中的位移變化計算硅片的離焦量。這兩類檢測方法總體上測量系統(tǒng)較簡單，操作簡便易行；但測量精度偏低，不能滿足高精度光刻對檢焦的需求。
[0005]隨著光刻系統(tǒng)分辨力的提高及曝光視場的增大，調(diào)平調(diào)焦測量系統(tǒng)進一步采用多點檢測原理，通過測量多點的高度值可計算出硅片的傾斜量。其中，以日本Nikon公司為主，光源出射光經(jīng)過狹縫列陣后被硅片表明反射，成像于探測器上。當硅片處于理想狀態(tài)時，成像光斑位于四象限探測器中心，四個象限的光強相等。檢測系統(tǒng)采用狹縫陣列，通過掃描測量能覆蓋整個曝光視場；但需進一步優(yōu)化檢測算法以提高其檢測精度。
[0006]隨著上世紀光柵檢測技術的發(fā)展，基于光柵莫爾條紋檢測技術也被應用于投影光刻系統(tǒng)的檢焦測量。當光柵和探測器相對位置不變的情況下，硅片位置的變化會引起莫爾條紋信號發(fā)生變化，通過測量莫爾條紋變化信息即可完成硅片離焦量測量。該方法雖具有較高的檢測精度；但系統(tǒng)抗干擾能力較弱，對環(huán)境有較高的要求。
[0007]總體而言，目前報道的檢焦方法，系統(tǒng)抗干擾能力不高；不能兼顧檢焦精度和效率。針對投影光刻機未來的高精度檢焦需求，本發(fā)明介紹一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法，滿足光刻機的精度和測量效率要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法，適用于各類光刻機的高精度調(diào)平調(diào)焦。
[0009]本發(fā)明采用的技術方案為:一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法，其特征在于:檢測系統(tǒng)由光源1、光束準直擴束系統(tǒng)2、透鏡組Lens_l和Lens_2組成的4f光學系統(tǒng)、被測硅片3、衍射光柵4和CXD探測器5組成。透鏡組Lens_l和Lens_2組成的4f光學系統(tǒng):當被測硅片3位于4f系統(tǒng)的共焦面上時，準直擴束系統(tǒng)2的出射平面波前經(jīng)過4f光學系統(tǒng)后仍為平面波前，并通過衍射光柵4形成其泰伯自成像；當被測硅片3離焦時，準直擴束系統(tǒng)2的出射平面波前經(jīng)過4f光學系統(tǒng)后為球面波前，衍射光柵4的泰伯自成像的周期和位相產(chǎn)生差異。通過CXD探測器5完成平面和球面波前的泰伯自成像測量，即可完成硅片的檢焦測量。
[0010]所述的檢焦方法，其特征在于:當被測硅片3位于4f系統(tǒng)的共焦位置時，平面波前通過衍射光柵4成像，根據(jù)光柵衍射原理，平面波前A入射光柵時，CXD探測器5中形成周期性的干涉條紋即泰伯自成像周期與光柵4周期P相同；當被測硅片3離焦時，CCD探測器5中產(chǎn)生由球面波前產(chǎn)生的干涉條紋，分析其周期為:
L — 22
[0011]P = P 土 S +P
LΓ
[0012]其中光柵4位于透鏡組Lens_2的后焦面位置，L為球面波前會聚中心與光柵距離，s為硅片離焦量，f為透鏡組Lens_2的焦距。通過測量光柵4的泰伯自成像周期其相位差，即可完成被測硅片3的高精度檢焦。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0014](I)本發(fā)明所述的方法采用普通朗奇光柵和4f光學系統(tǒng)，即可完成硅片的檢焦測量，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、較高抗干擾能力等優(yōu)點。
[0015](2)通過理論分析，硅片離焦不僅導致泰伯自成像周期差異，還產(chǎn)生相應的相位變化，通過相應的相位解析算法即可獲得較高的檢焦精度，該方法具有較高的工程實用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發(fā)明所述的基于光柵泰伯效應的檢焦方法，其具體測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和檢測原理以附圖形式作進一步闡述:
[0017]圖1為本發(fā)明所述的檢焦方法使用的檢焦系統(tǒng)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明所述的檢焦方法中離焦時系統(tǒng)元件位置示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明所述的檢焦方法中光柵泰伯自成像，其中(a)為硅片離焦時的球面波前泰伯自成像；(b)為硅片位于焦面位置時的平面波前泰伯自成像。

【具體實施方式】
[0020]為實現(xiàn)光刻系統(tǒng)中硅片在線精密檢焦測量，本項目基于光柵泰伯效應，通過分析泰伯效應的干涉條紋相位分布，完成硅片的高精度檢焦測量，檢焦系統(tǒng)如圖1所示。
[0021]本發(fā)明所述的基于光柵泰伯效應、應用于高精度光刻機的檢焦方法，其特征在于:檢測系統(tǒng)由光源1、光束準直擴束系統(tǒng)2、透鏡組Lens_l和Lens_2組成的4f光學系統(tǒng)、被測硅片3、衍射光柵4和CXD探測器5組成。透鏡組Lens_l和Lens_2組成的4f光學系統(tǒng):當被測硅片3位于4f系統(tǒng)的共焦面上時，準直擴束系統(tǒng)2的出射平面波前經(jīng)過4f光學系統(tǒng)后仍為平面波前，并通過衍射光柵4形成其泰伯自成像；當被測硅片3離焦時，準直擴束系統(tǒng)2的出射平面波前經(jīng)過4f光學系統(tǒng)后為球面波前，衍射光柵4的泰伯自成像的周期和位相產(chǎn)生差異。通過CXD探測器5完成平面和球面波前的泰伯自成像測量，即可完成硅片的檢焦測量。
[0022]所述的檢焦方法，其特征在于:當被測硅片3位于4f系統(tǒng)的共焦位置時，平面波前通過衍射光柵4成像，根據(jù)光柵衍射原理，平面波前A入射光柵時，CXD探測器5中形成周期性的干涉條紋即泰伯自成像周期與光柵4周期P相同；當被測硅片3離焦時，CCD探測器5中產(chǎn)生由球面波前產(chǎn)生的干涉條紋，分析其周期為:
L — Z2"
[0023]Ps = -Tl P = S -? P
LJ-
[0024]其中光柵4位于透鏡組Lens_2的后焦面位置，L為球面波前會聚中心與光柵距離，s為硅片離焦量，f為透鏡組Lens_2的焦距。通過測量光柵4的泰伯自成像周期其相位差，即可完成被測硅片3的高精度檢焦。
[0025]具體地，當硅片存在離焦量h時，被測硅片3的反射波前相對于透鏡組Lens_2存在軸向離焦s和垂軸離焦Si，如圖2所示。
[λ' = 2/zsin O
[0026]j, =2S0
[0027]由于硅片的離焦，透鏡組Lens_2的出射波前為球面波前，根據(jù)牛頓公式，其球面波前的曲率中心為:
[0028]L = f2/s
[0029]檢測系統(tǒng)中，衍射光柵4與透鏡組Lens_2后焦面間距為AL，由于硅片離焦量較小，L? Δ L0根據(jù)衍射光學理論,光柵4的入射波前位相分布為:..(X-1hco^eY + V2(.V-2/? cos 6^)" + V2
[0030]U1 (.V, V') -.4 exp -1k----——:^ ? A exp -1k----:-
[0031]其中，Θ為檢焦系統(tǒng)光軸與硅片表面的夾角，A為入射波前振幅，k為波矢量2 Ji/λ 0
[0032]光柵衍射方程為:
/ λ
Σ/7 X*

cn exp ?2π— ? = 0,±1,±2...I P J
[0034]其中η為光柵衍射光級次，Cn為相應級次的衍射光強比，ρ為光柵周期。由于朗奇光柵占空比為50%，其偶數(shù)級次衍射光產(chǎn)生“缺級”，3級及以上的高級次衍射光強相對較弱，衍射光柵4的出射波前由O級和±1級衍射光組成:
,、 (x-2hcos0Y + y2
?/2 (λ., Vj = C0J* exp -1k^-—~—

(j - 2//cos +y2 λ(χ-2//cos θ)~ + y2 λ
+C1 ^4.exp -1k------ + ?κ—λ: +C1^leexp -1k-------1k—χ
2Lρ2Lρ
[0035]Lr」Lr」
「 fr; Y-
r , ,..2 ,1x-2h cos θ ±——+>?2?
,.(x~2hcosff) +γIvρ JLX-
=C11A.exp -1k---- +C1J^exp -1k----+ ik——-
°2L1ILIp1
[0036]由球面波傳播原理，當衍射光柵4與CXD探測器5間距z為泰伯距離的整數(shù)倍z=mp/ λ 2時，探測器像面上光波前位相分布為:
,、 (χ-2/? COS^)' + γ2
U, (x,y) = c0A.exp -1k^-2(L-z)- +
[0037]x-2hco&0±— + V,
,.八P J., LA-
c, A.exp -m --；-:----l.ik ——-12(L-z)2/r
[0038]分析結(jié)果表明，被測硅片3存在離焦h時，CXD探測器上出現(xiàn)周期性的干涉條紋，如圖3(a)所示。條紋周期為:
L-z
[0039]ps =^-P

Lj
[0040]當被測硅片3離焦h為O時，衍射光柵4的出射波前同樣由O級和土 I級衍射光組成:
Aλ
[0041]U2 (x, j) = C0^+ C1^?exp -1k—x +C1^?exp ik—x
"^Li3」 L ρ _
[0042]分析計算結(jié)果表明:硅片不存在離焦時，CCD探測器5中的干涉條紋周期與光柵周期P相同。通過測量干涉條紋即光柵泰伯自成像的位相變化，即可完成被測硅片3的檢焦測量。
[0043]總體上，本發(fā)明所述的基于光柵泰伯效應的檢焦方法，具有較強的抗干擾能力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高精度和高效率等優(yōu)點，滿足高精度光刻機需求。本發(fā)明未詳細闡述的技術和原理屬于本發(fā)明領域人員所公知的技術。
【權利要求】
1.一種基于光柵泰伯效應的檢焦方法，其特征在于:檢測系統(tǒng)由光源(1)、光束準直擴束系統(tǒng)(2)、第一透鏡組(Lens_l)和第二透鏡組(Lens_2)組成的4f光學系統(tǒng)、被測娃片(3)、衍射光柵(4)和(XD探測器(5)組成；第一透鏡組(Lens_l)和第二透鏡組(Lens_2)組成的4f光學系統(tǒng):當被測硅片(3)位于4f系統(tǒng)的共焦面上時，準直擴束系統(tǒng)(2)的出射平面波前經(jīng)過4f光學系統(tǒng)后仍為平面波前，并通過衍射光柵(4)形成其泰伯自成像；當被測硅片(3)離焦時，光束準直擴束系統(tǒng)(2)的出射平面波前經(jīng)過4f光學系統(tǒng)后為球面波前，衍射光柵⑷的泰伯自成像的周期和位相產(chǎn)生差異，通過(XD探測器(5)完成平面和球面波前的泰伯自成像測量，即可完成硅片的檢焦測量。
2.根據(jù)權利要求1所述的檢焦方法，其特征在于:當被測硅片(3)位于4f光學系統(tǒng)的共焦位置時，平面波前通過衍射光柵(4)成像，根據(jù)光柵衍射原理，平面波前A入射光柵時，CCD探測器(5)中形成周期性的干涉條紋即泰伯自成像周期與衍射光柵(4)周期p相同；當被測硅片(3)離焦時，CCD探測器(5)中產(chǎn)生由球面波前產(chǎn)生的干涉條紋，分析其周期為: L-zz P =~^P = P土S7P LJ- 其中衍射光柵(4)位于第二透鏡組(Lens_2)的后焦面位置，L為球面波前會聚中心與光柵距離，s為硅片離焦量，f為第二透鏡組(Lens_2)的焦距，通過測量衍射光柵(4)的泰伯自成像周期其相位差，即可完成被測硅片(3)的高精度檢焦。
【文檔編號】G03F7/20GK104238284SQ201410500277
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權日:2014年9月25日
【發(fā)明者】朱咸昌, 胡松, 趙立新 申請人:中國科學院光電技術研究所