光擴散器散射特性測量裝置及其方法

專利名稱：光擴散器散射特性測量裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及光刻技術領域，尤其涉及一種光擴散器散射特性測量裝置及其方法。
背景技術：
光刻技術是采用選定的輻射源(如紫外光源)對涂有輻射敏感物質的襯底(如硅 片)指定位置進行曝光以制造器件的技術。在半導體器件關鍵尺寸CD不斷縮小的趨勢下，提高光刻設備中光學系統的圖像 分辨率是關鍵。光刻設備中，光學系統包括照明系統和光刻投影物鏡。照明系統的光源波長λ、光刻投影物鏡的數值孔徑NA和工藝因子Kl是決定光學 系統分辨率的因素，光源波長λ的減小、數值孔徑NA的增大以及工藝因子Kl的減小都有 利于提高光學系統分辨率。光刻投影物鏡存在像差，如不做特別說明，本文中光刻投影物鏡的像差是指 物鏡的瞳面像差(即波像差)，一般以澤尼克多項式展開，也稱為澤尼克像差，有關澤 尼克像差的定義請參考美國University of Arizona (亞利桑那大學)相關Fringe Zernike Polynomials定義，它是澤尼克多項式的子集，一般取前37項，Fringe Zernike Polynomials排列順序與標準澤尼克多項式(Standard Zernike Polynomials)不同。像差的存在影響光刻投影物鏡的成像質量，并最終影響光刻工藝的成敗，因此，對 光刻投影物鏡的像差實施在線測量和原位測量是必須的。光刻投影物鏡的像差，一般是利 用透鏡干涉儀(Lens Interferometer)來測量，透鏡干涉儀的通用實施例基于剪切干涉測 量(《Optical Stop ^Testing》第 2 版，Daniel Malacara 著，ISBN 0-471-52232-5)原理。 一般可設定透鏡干涉儀在光瞳面上的單場點處通過測量光束的相位和透射光強來測量透 鏡的像差。目前，透鏡干涉儀已經成為光刻設備的標準配置，用于投影物鏡像差的在線測量 和原位測量，在光刻設備曝光過程中用于像差的實時監控和反饋校正。照明系統的照明方式包括傳統照明、環形照明、四極照明(包括坐標軸四極照 明、對角線四極照明)、雙極照明，還有客戶訂制照明。所有這些照明方式都是部分相干照 明，即相干因子σ滿足0< σ < 1。相干因子σ的定義是照明系統的數值孔徑NA與投 影物鏡的數值孔徑NA的比值
擬照明系統
擬投影物鏡 這樣，照明光束將不能充滿投影物鏡的整個光瞳，即 NA翻系統< NA投影物鏡這樣，投影物鏡光瞳面的某些沒有照明光的局部將無法實現像差的在線測量和原 位測量。所以，用于光刻設備的透鏡干涉儀必須包括一個光擴散器，才能實現投影物鏡像差 的在線測量和原位測量。用于光刻投影物鏡像差在線測量和原位測量的光擴散器的工作波長應該是光刻設備常用的193nm和248nm波長，因此該光擴散器也可以稱之謂深紫外光擴散器。該擴散 器的主要功能是將照明光束的孔徑角度擴散變大以充滿投影物鏡的光瞳，該光擴散器的主 要功能以其主要光學特性參數-散射角《來表征，散射角α定義為α = SirT1 (ΝΑ 投影物鏡)-SirT1(NAjwi^)0光擴散器的散射特性可以用光擴散器的散射角、光擴散器的透過率、光擴散器散 射角與入射角的關系、光擴散器對光刻投影物鏡光瞳非均勻性的改善等參數來表示，這些 參數的確定對光刻投影物鏡像差在線測量和原位測量至關重要，如果無法確定這些參數， 則在光刻設備中無法測量投影物鏡像差，如果確定這些參數不準確，則在光刻設備中測量 投影物鏡像差不準確。

發明內容
本發明的目的在于提供一種光擴散器散射特性測量裝置及其方法，對光擴散器的 各個散射特性參數都能進行測量。為了達到上述的目的，本發明提供一種光擴散器散射特性測量裝置，用于光擴散 器散射特性參數的測量，包括光源、照明物鏡、光擴散器運動平臺、探測器、探測器運動平臺 和探測器讀數裝置；所述光源、照明物鏡、光擴散器運動平臺和探測器運動平臺依次排列； 所述探測器設置在探測器運動平臺上；被測光擴散器設置在光擴散器運動平臺上；所述探 測器讀數裝置的輸入端與探測器的輸出端連接；所述光源、照明物鏡、被測光擴散器和探測 器同光軸設置；所述光源發出的光束經所述照明物鏡入射到所述被測光擴散器，入射到所 述被測光擴散器的光束經該被測光擴散器散射后由所述探測器接收，所述探測器探測經所 述被測光擴散器散射的光束的光強，并將光強信號傳輸給所述探測器讀數裝置，所述探測 器讀數裝置記錄數據，并根據記錄的數據計算相應的所述被測光擴散器的散射特性參數。上述光擴散器散射特性測量裝置，其中，所述光源為可調諧準分子激光光源。上述光擴散器散射特性測量裝置，其中，所述可調諧準分子激光光源發射193nm 波長的深紫外光時，所述照明物鏡的數值孔徑為0. 17 0. 05。上述光擴散器散射特性測量裝置，其中，所述可調諧準分子激光光源發射MSnm 波長的深紫外光時，所述照明物鏡的數值孔徑為0. 13 0. 04。上述光擴散器散射特性測量裝置，其中，所述探測器為互補金屬氧化物半導體探 測器，其感光像元表面涂敷有熒光轉換材料，能將深紫外光轉換為可見光。本發明的另一技術方案是上述光擴散器散射特性測量裝置的測量方法，包括以下 步驟步驟Si，根據測試項目調整光擴散器散射特性測量裝置的光路；步驟S2，打開光源， 光源發射光束入射到被測光擴散器，被測光擴散器對入射光束產生散射作用；步驟S3，探 測器探測被測光擴散器的散射光強，并將光強信號發送給探測器讀數裝置；步驟S4,探測 器讀數裝置記錄數據，并根據記錄的數據計算相應的散射特性參數。上述測量方法，其中，所述步驟Sl中測試項目指需要測量的光擴散器的散射特性 參數。上述測量方法，其中，所述光擴散器的散射特性參數包括擴散器的散射角、擴散器 的透過率、擴散器散射角與入射角的關系以及擴散器的對光刻投影物鏡光瞳非均勻性的改善。
上述測量方法，其中，所述步驟S3中探測器通過其感光像元表面涂敷的熒光轉換 材料將深紫外光轉換為可見光，對可見光光強進行探測。本發明的光擴散器散射特性測量裝置及其方法，對光擴散器的各個散射特性參數 都能進行測量，實現了一臺測量裝置多種測量功能，該測量裝置測量精確，有助于光刻投影 物鏡像差的準確在線測量和原位測量。


本發明的光擴散器散射特性測量裝置及其方法由以下的實施例及附圖給出。圖1是本發明光擴散器散射特性測量裝置實施例一的結構框圖。圖2是使用圖1所示測量裝置測量得到的一光擴散器樣品的散射光強分布圖。圖3是使用圖1所示測量裝置測量得到七個光擴散器樣品的透過率圖。圖4是使用圖1所示測量裝置測量得到四個光擴散器樣品的散射角與入射角關系 圖。圖5是本發明光擴散器散射特性測量裝置的測量方法的流程圖。
具體實施例方式以下將結合圖1 圖5對本發明的光擴散器散射特性測量裝置及其方法作進一步 的詳細描述。準確測量光擴散器的散射特性參數(如，光擴散器的散射角、光擴散器的透過率、 光擴散器散射角與入射角的關系、光擴散器對光刻投影物鏡光瞳非均勻性的改善)對光刻 投影物鏡像差在線測量和原位測量非常重要，本發明的目的就在于提供一種光擴散器散射 特性測量裝置，光擴散器的各個散射特性參數都可使用該測量裝置測量。參見圖1，本發明的光擴散器散射特性測量裝置包括光源101、照明物鏡102、光擴 散器運動平臺103、探測器104、探測器運動平臺105和探測器讀數裝置106 ；所述光源101、照明物鏡102、光擴散器運動平臺103和探測器運動平臺105依次 排列；所述探測器104設置在探測器運動平臺105上；被測光擴散器201設置在光擴散器運動平臺103上；所述探測器讀數裝置106的輸入端與探測器104的輸出端連接；所述光源101、照明物鏡102、被測光擴散器201和探測器104同光軸設置；所述光源101發出的光束經所述照明物鏡102入射到所述被測光擴散器201，入射 到所述被測光擴散器201的光束經該被測光擴散器201散射后由所述探測器104接收，所 述探測器104探測經所述被測光擴散器201散射的光束的光強，并將光強信號傳輸給所述 探測器讀數裝置106，所述探測器讀數裝置106記錄數據，并根據記錄的數據計算相應的所 述被測光擴散器201的散射特性參數。所述光源101為可調諧激光光源，例如可調諧準分子激光光源，該光源101發射深 紫外光波。所述照明物鏡102的數值孔徑NA是可變的，隨著所述光源101的波長不同，該照 明物鏡102的數值孔徑NA不同。
所述光擴散器運動平臺103用于承載被測光擴散器201，該光擴散器運動平臺103 為RZ —維旋轉平臺，所述被測光擴散器201與光擴散器運動平臺103的旋轉中心重合，轉 動所述光擴散器運動平臺103可改變入射到被測光擴散器201上入射光的入射角。所述探測器104為互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)探測器，該CMOS探測器的感光像元表面涂敷有熒光轉換材料，該熒 光轉換材料可將深紫外光波轉換為可見光波。所述探測器運動平臺105用以承載探測器104，該探測器運動平臺105為XY 二維 平移臺，驅動所述探測器104至合適的位置，以探測被測光擴散器201的散射光功率，獲得 被測光擴散器201散射特性。實施例一所述光源101采用工作氣體為氬氣(Ar)和氟氣(F)混合氣體的可調諧準分 子激光光源，該光源101輸出193nm波長的深紫外光，所述光源101的輸出光斑尺寸為 6mmX3mm，其重復頻率可在IOHz 500Hz范圍內調諧，其脈沖能量可在2mJ 5mJ范圍內調諧。針對所述光源101輸出193nm波長的深紫外光，所述照明物鏡102的數值孔徑NA 可在0. 17 0. 05范圍內調節，該照明物鏡102的視場為1mm。所述光擴散器運動平臺103的轉動度盤的最小刻度是1度。所述探測器運動平臺105的分度頭的最小刻度是1微米。 所述探測器104感光像元的尺寸是25umX 25um，感光面是512 X 512個感光像元的 陣列，該探測器104因其感光像元表面涂敷有熒光轉換材料，可將入射波長為193nm的深紫 外光轉換為可見光(例如，轉換為峰值波長為M5nm的綠光，可見光的波長由熒光轉換材料 決定)，這樣就可以由感光像元探測可見光的光功率。以下實驗數據是使用本實施例擴散器散射特性測量裝置測量的被測光擴散器的 各散射特性參數。圖2所示為一光擴散器樣品的散射光強分布圖，圖2中橫坐標表示入射到該被測 光擴散器的光束的入射角，單位為度，縱坐標表示入射光束通過該被測光擴散器后的光功 率，單位為納瓦nW。圖2中的點為測量數據點，曲線為擬合曲線，該曲線是對測量數據進行 高斯函數擬合得到的，采用的模型為f(x) =31*^ (-(0^131)/(31)~2)，其中，31表示高斯 函數的峰值，bl表示高斯函數峰值對應的X坐標位置，即中心位置。cl表示高斯函數值降 低到Ι/e倍峰值時對應的X坐標位置，即散射角度擬合結果顯示該被測光擴散器的散射特 性與高斯分布十分接近，其散射角為9. 251度。圖3所示為七個光擴散器樣品的透過率圖，圖3中橫坐標表示被測光擴散器的樣 品編號，縱坐標表示被測光擴散器的透過率。被測光擴散器的透過率的測量方法是，先不加 被測光擴散器探測光強Iin，然后加上被測光擴散器再次探測光強IOTT，(1_/1 )乂100%就 是透過率。從圖3可看出，樣品1 4號屬一類擴散器，透過率高一些；樣品5 7號屬另 一類擴散器，透過率低一些。圖4所示為四個光擴散器樣品的散射角與入射角關系圖，圖4中橫坐標表示被測 光擴散器的入射角，單位為度，縱坐標表示被測光擴散器的散射角，單位為度，圖4中四條 曲線是四個不同的光擴散器測試樣品的測試數據。從圖4可以看出，被測光擴散器的散射角與入射角基本上沒有關系，即對于不同入射角度的入射光，光擴散器的散射角度基本保 持不變。實驗測量發現，光刻投影物鏡光瞳分布的特點是光瞳中心和邊緣區域沒有照明 光，即照明光束沒有充滿投影物鏡光瞳，這樣將無法測量物鏡瞳面像差，此時物鏡光瞳的非 均勻性為100%，讓照明光束通過一散射角為4度的光擴散器后再射入光刻投影物鏡，再次 測量光刻投影物鏡光瞳的分布情況，發現光瞳中心和邊緣區域已經有照明光，即已經將光 刻投影物鏡光瞳充滿，這樣就可以測量光刻投影物鏡的瞳面像差，測得此時光刻投影物鏡 光瞳的非均勻性降低到64.6%，而用另一散射角為7度的光擴散器，可以將物鏡光瞳非均 勻性降到50. 1%。光刻投影物鏡光瞳非均勻性的定義為
權利要求
1.一種光擴散器散射特性測量裝置，其特征在于，用于光擴散器散射特性參數的測量， 包括光源、照明物鏡、光擴散器運動平臺、探測器、探測器運動平臺和探測器讀數裝置；所述光源、照明物鏡、光擴散器運動平臺和探測器運動平臺依次排列；所述探測器設置在探測器運動平臺上；被測光擴散器設置在光擴散器運動平臺上；所述探測器讀數裝置的輸入端與探測器的輸出端連接；所述光源、照明物鏡、被測光擴散器和探測器同光軸設置；所述光源發出的光束經所述照明物鏡入射到所述被測光擴散器，入射到所述被測光擴 散器的光束經該被測光擴散器散射后由所述探測器接收，所述探測器探測經所述被測光擴 散器散射的光束的光強，并將光強信號傳輸給所述探測器讀數裝置，所述探測器讀數裝置 記錄數據，并根據記錄的數據計算相應的所述被測光擴散器的散射特性參數。
2.如權利要求1所述的光擴散器散射特性測量裝置，其特征在于，所述光源為可調諧 準分子激光光源。
3.如權利要求2所述的光擴散器散射特性測量裝置，其特征在于，所述可調諧準分子 激光光源發射193nm波長的深紫外光時，所述照明物鏡的數值孔徑為0. 17 0. 05。
4.如權利要求2所述的光擴散器散射特性測量裝置，其特征在于，所述可調諧準分子 激光光源發射248nm波長的深紫外光時，所述照明物鏡的數值孔徑為0. 13 0. 04。
5.如權利要求3或4所述的光擴散器散射特性測量裝置，其特征在于，所述探測器為互 補金屬氧化物半導體探測器，其感光像元表面涂敷有熒光轉換材料，能將深紫外光轉換為 可見光。
6.一種如權利要求1所述的光擴散器散射特性測量裝置的測量方法，其特征在于，包 括以下步驟步驟Si，根據測試項目調整光擴散器散射特性測量裝置的光路；步驟S2，打開光源，光源發射光束入射到被測光擴散器，被測光擴散器對入射光束產生 散射作用；步驟S3，探測器探測被測光擴散器的散射光強，并將光強信號發送給探測器讀數裝置；步驟S4，探測器讀數裝置記錄數據，并根據記錄的數據計算相應的散射特性參數。
7.如權利要求6所述的測量方法，其特征在于，所述步驟Sl中測試項目指需要測量的 光擴散器的散射特性參數。
8.如權利要求7所述的測量方法，其特征在于，所述光擴散器的散射特性參數包括擴 散器的散射角、擴散器的透過率、擴散器散射角與入射角的關系以及擴散器的對光刻投影 物鏡光瞳非均勻性的改善。
9.如權利要求6所述的測量方法，其特征在于，所述步驟S3中探測器通過其感光像元 表面涂敷的熒光轉換材料將深紫外光轉換為可見光，對可見光光強進行探測。
全文摘要
本發明涉及光擴散器散射特性測量裝置及其方法，用于光刻投影物鏡像差在線測量和原位測量的光擴散器的散射特性參數測量，該測量裝置包括光源、照明物鏡、光擴散器運動平臺、探測器、探測器運動平臺和探測器讀數裝置；所述光源、照明物鏡、光擴散器運動平臺和探測器運動平臺依次排列；所述探測器設置在探測器運動平臺上；被測光擴散器設置在光擴散器運動平臺上；所述探測器讀數裝置的輸入端與探測器的輸出端連接；所述光源、照明物鏡、被測光擴散器和探測器同光軸設置。本發明的光擴散器散射特性測量裝置及其方法，對光擴散器的各個散射特性參數都能進行測量，實現了一臺測量裝置多種測量功能。
文檔編號G03F7/20GK102072809SQ20091019920
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者蔡燕民 申請人:上海微電子裝備有限公司