光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法
阅读说明：本技术 光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法 (Photoetching machine, pupil surface transmittance distribution detection device and detection method ) 是由 孙文凤 尹光才 田毅强 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法,所述瞳面透过率分布检测装置中的所述图像传感器和所述功率计均设置于一物镜的像面上。其中,一光束沿第一光路或第二光路传播至所述物镜的像面上,且所述光束具有一预设光束角。所述图像传感器用于测量经所述第一光路的所述光束的照明光瞳信息。所述功率计用于测量经所述第二光路的所述光束的像面光瞳信息。所述数据处理器根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息得到所述瞳面的透过率分布。因所述光束预设的光束角能够使得图像传感器能够不受物镜的影响,在像面上获取所述照明光瞳信息,从而能够实现瞳面透过率分布的高精度在线测量,有助于准确掌握物镜的像质状态,提高成像质量。(The invention provides a photoetching machine, a pupil surface transmittance distribution detection device and a detection method. A light beam propagates to the image surface of the objective lens along the first optical path or the second optical path, and the light beam has a preset beam angle. The image sensor is used for measuring illumination pupil information of the light beam passing through the first light path. The power meter is used for measuring image plane pupil information of the light beam passing through the second light path. And the data processor obtains the transmittance distribution of the pupil surface according to the illumination pupil information and the image surface pupil information. The image sensor can be free from the influence of the objective lens due to the preset beam angle of the light beam, and the illumination pupil information is acquired on the image plane, so that the high-precision online measurement of the pupil plane transmittance distribution can be realized, the image quality state of the objective lens can be accurately mastered, and the imaging quality is improved.)
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法。
背景技术
随着投影光刻技术的发展，光刻机的投影光学系统性能逐步提高，目前光刻机已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。用光刻机制造集成电路芯片时要求投影物镜具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备。为了满足对投影物镜较高分辨率的要求，需要提高投影物镜的像方数值孔径(NA)。然而，采用大数值孔径的投影物镜导致偏振光对光刻结果的影响变得明显，对不同方向的线条使用不同的偏振态光进行曝光，可以极大的提高光刻效果。
专利US7728975B1在2010年提出一种偏振参数检测评估方法，基于瞳面单点琼斯矩阵和标量线性叠加系数，获取整个系统的偏振特性。专利US20170010539A1在2017年提出一种检测投影光学偏振参数的装置，通过在物面放置多个测量掩膜和偏振改变元件来解决专利US7286245B2中多次测量过程中环境造成的影响。以上方法都适用于投影物镜集成到光刻机整机之前的离线状态。但由于偏振检测装置有旋转波片部件体积大，该方案不能直接放入光刻机系统里测量，且该方案的测试时间长，高产率的光刻机当前配置中都不配置投影物镜偏振参数检测装置。然而，在光刻机实际工作过程中，需要检测随着物镜工作时间增加的相应的投影物镜偏振参数，进而优化工艺窗口。
随着超高NA成像系统的应用工况增多，并且物镜工作时间也在增加，不同场点的成像系统瞳面透过率分布(Pupil Transmittance Distribution，PTD)不同，会导致远心、光瞳平衡性等指标恶化，而其最重要的影响在于会直接影响衍射光相对于零级衍射光的光强，进而影响成像对比度。在自由照明评估中，必须先扣除成像系统瞳面透过率分布的影响才能准确得到照明实现的精确性。因此，成像系统瞳面透过率分布必须能够被测量。
专利US9261402B2提供一种直接测量投影物镜瞳面透过率特性的方法，在掩膜面空间提供一种掩膜图形阵列，每个阵列里的图形包含楔形平板和小孔图形，以实现在照明面不同角度的光束入射到物镜的不同瞳面位置区域，通过多次测量然后拼接完整的瞳面透过率分布，实现物镜瞳面透过率的测量。这种测量方法也是借助光刻机硅片面上的图像传感器(IS)来实现瞳面光强测量，但是图像传感器受入射光线大角度的影响，图像传感器测试光强的精度并不高，并且多次拼接测量也会导致时间上的差异并且耗时，总体测试精度不会非常高。
因此，需要一种能够高精度在线测量成像系统瞳面透过率分布及其变化量的装置及测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法，以解决光刻机无法高精度在线测量成像系统瞳面透过率分布及其变化量的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种瞳面透过率分布检测装置，所述瞳面透过率分布检测装置包括图像传感器、功率计和数据处理器；所述图像传感器和所述功率计均设置于一物镜的像面上；其中，
一光束沿第一光路或第二光路传播至所述物镜的像面上，所述光束具有一预设光束角；所述图像传感器用于测量经所述第一光路的所述光束的照明光瞳信息；所述功率计用于测量经所述第二光路的所述光束的像面光瞳信息；
所述数据处理器根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息得到所述瞳面的透过率分布。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述图像传感器的感光面上设置有一层金刚石荧光膜。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述光束角满足如下公式：
0≤sinθ<0.3；
其中，θ为光束角。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述光束角为所述光束中相同光强度的光之间的最大矢径夹角；其中，所述光强度为所述光束的中心轴线上光强度的10％或50％。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述第一光路为所述光束经所述物镜传输至所述物镜的像面上。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述第二光路为所述光束依次经过一掩膜板和所述物镜后，传输至所述物镜的像面上。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述掩膜板上设有光栅掩膜图形，所述光束经过所述光栅掩膜图形发生衍射并产生衍射光，所述衍射光包括零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测装置中，所述像面光瞳信息包括所述零级衍射光、所述正一级衍射光和所述负一级衍射光的能量分布。
基于同一发构思，本发明还提供一种光刻机，所述光刻机包括照明单元、掩膜台、物镜、工件台和所述瞳面透过率分布检测装置；其中，
所述照明单元用于提供所述光束；
所述掩膜台用于承载掩膜板；
所述物镜用于接收经所述第一光路或所述第二光路的所述光束，所述光束经过所述物镜内的瞳面后投射至所述物镜的像面上；
所述工件台设置于所述物镜的像面上，所述工件台用于承载硅片；
所述瞳面透过率分布检测装置中的所述图像传感器和所述功率计均设置于所述工件台上，用于检测所述瞳面透过率分布。
可选的，在所述的光刻机中，所述照明单元为一发光器，所述发光器的出光面与所述物镜内的瞳面为共轭面。
可选的，在所述的光刻机中，所述光刻机还包括位置调节件，所述位置调节件用于分别驱动所述物镜和所述掩膜台以实现所述物镜和所述掩膜台在垂直方向上的位置调节。
可选的，在所述的光刻机中，所述的光刻机还包括固定件，所述固定件用于固定所述物镜。
基于同一发明构思，本发明还提供一种瞳面透过率分布检测方法，所述瞳面透过率分布检测方法包括：
所述光束经所述第一光路传输至所述物镜的像面上，所述图像传感器获取照明光瞳信息；
所述光束经所述第二光路传输至所述物镜的像面上，所述功率计获取像面光瞳信息；
更换不同相位和不同周期的掩膜板，分别获取所述像面光瞳信息；
根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息获得所述瞳面透过率分布。
可选的，在所述的瞳面透过率分布检测方法中，所述瞳面透过率分布计算公式如下：
T(x,y)＝F2(x,y)/F1(Px,Py)；
其中，T(x,y)为瞳面透过率分布；
F2(x,y)为像面光瞳信息；
F1(Px,Py)为照明光瞳信息。
综上，本发明提供一种光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法，所述瞳面透过率分布检测装置包括图像传感器、功率计和数据处理器。所述图像传感器和所述功率计均设置于一物镜的像面上。其中，一光束沿第一光路或第二光路传播至所述物镜的像面上，且所述光束具有一预设光束角。所述图像传感器用于测量经所述第一光路的所述光束的照明光瞳信息。所述功率计用于测量经所述第二光路的所述光束的像面光瞳信息。所述数据处理器根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息得到所述瞳面的透过率分布。因所述光束预设的所述光束角能够使得所述图像传感器不受所述物镜的影响，在像面上获取所述照明光瞳信息，所以本发明提供的所述瞳面透过率分布检测装置能够实现瞳面透过率分布的高精度在线测量，有助于准确掌握物镜的像质状态，提高成像质量。
附图说明
图1是本发明实施例一的瞳面透过率分布检测装置结构示意图；
图2是本发明实施例一的衍射光传播路径示意图；
图3是本发明实施例一的光刻机结构示意图；
图4是本发明实施例一的衍射光传播示意图；
图5是本发明实施例一的不同周期和方位角的掩膜图形所对应的瞳面和视场点示意图；
图6是本发明实施例一的视场点分布图；
图7是本发明实施例一的瞳面坐标系和视场点坐标系示意图；
图8是本发明实施例一的瞳面采样点分布图；
图9是本发明实施例二的瞳面采样点分布图；
图10是本发明实施例二的视场点分布图；
其中，附图标记说明：
10-瞳面透过率分布检测装置；100-功率计；101-图像传感器；102-数据处理器；
20-照明单元；
30-掩膜台；31-掩膜板；
40-物镜；41-瞳面；42-采样点；43-瞳面坐标系；
50-工件台；51-硅片；52-点能量探测器；53-位置传感器；54-视场点坐标系；55-视场点；
60-位置调节件；70-固定件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法，作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
<实施例一>
本实施例一种瞳面透过率分布检测装置，请参阅图1-2，所述瞳面透过率分布检测装置10包括功率计100、图像传感器101、和数据处理器102。所述图像传感器101和所述功率计100均设置于所述物镜40的像面上，即所述工件台50上，所述工件台50设置于所述物镜40的像面上。其中，一光束沿第一光路或第二光路传播至所述物镜40的像面上，且所述光束具有一预设光束角。所述图像传感器101用于测量经所述第一光路的所述光束的照明光瞳信息；所述功率计100用于测量经所述第二光路的所述光束的像面光瞳信息。所述数据处理器102根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息得到所述瞳面透过率分布。进一步的，所述第一光路为所述光束经所述物镜40传输至所述物镜40的像面上。所述第二光路为所述光束依次经过一掩膜板31和所述物镜40后，传输至所述物镜40的像面上。
本实施例提供的所述瞳面透过率分布检测装置适用于特殊的光照模式，其中所述光束的所述光束角θ满足如下公式：0≤sinθ<0.3，即所述光束角θ大于或等于0度且小于18度。其中，所述光束角是指所述光束中相同光强度的光之间的最大矢径夹角。根据美国照明工程学会(IES)的认定标准，所述光束角为所述光束的中心轴线上光强度的10％的光的最大矢径夹角。根据国际照明委员会(CIE)的认定标准，所述光束角为所述光束的中心轴线上光强度的50％的光的最大矢径夹角。进一步的，所述光束角θ优选为接近于0，即理想状态下所述光束等于平行光，所述平行光垂直照射于所述物镜40或所述掩膜板31。
为了进一步获取高精度的测量结果，所述图像传感器101为基于金刚石荧光材料的图像传感器。在本申请实施例中，所述图像传感器101的感光面上设置有一层金刚石荧光膜。由于光刻设备中自带的图像传感器(IS)，图像传感器内部有一空气间隙，所述空气间隙不能被很容易的吹洗。因此，所述空气间隙内能够存有相当多的氧和水来吸收辐射。这对于更大角度的入射光来说，会增长光束经过空气的路径长度。因此，信号会丢失，检测效果差。
然而，基于金刚石荧光材料的图像传感器101可以解决这个问题。金刚石是W族元素，和Si一样，可作为半导体材料。金刚石材料拥有所有固体材料中最高导热性，从而在金刚石晶体内部导致有辐射吸收造成的热负荷能快速散热。另外，金光石荧光材料具有宽禁带，宽禁带的能量对应220nm的波长的光子能量，而且可以吸收紧接在厚度大约1um的曝光表面下方的DUV辐射(具有短于220nm的波长，对于ArF激光器波长为193nm)。进一步的，金刚石荧光材料的选择包括但不限于单晶合成化学气相沉积材料，采用化学气相沉生长单晶材料，特质与天然型IIa金刚石相当并且具备很低的氮亲杂质；光学级合成多晶化学气相沉金刚石；天然型的IIa金刚石；掺杂Ib型单晶合成高压高温生长的金刚石；多晶热级化学气相沉金刚石；掺B的合成多晶化学气相沉金刚石；天然型的IIb(例如掺B)金刚石。
进一步的，本实施例中金刚石荧光材料优选为单晶合成化学气相沉积材料或光学级合成多晶化学气相沉积金刚石，可实现193nm辐射波长的荧光转换。
请参阅图2～4，当所述光束沿第二光路传播时，所述光束经设置于掩膜台30上的一个掩膜板31会发生衍射，进而形成衍射光，所述衍射光包括零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光。所述衍射光传输至所述物镜40，并照射于在所述物镜40内的瞳面上，在所述瞳面上形成第一光斑，如图4所示。所述衍射光经过所述物镜40，相应地在所述像面上形成第二光斑。其中，所述第二光斑携带有所述物镜40内瞳面信息，因此所述功率计100检测的所述像面光瞳信息包括所述第二光斑的能量分布，即像面上零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光的能量分布。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种光刻机，请参阅图3-4，所述光刻机包括瞳面透过率分布检测装置10、照明单元20、掩膜台30、物镜40和工件台50。其中，所述照明单元20用于提供光束并调节光束波长。所述掩膜台30用于承载掩膜板31。所述物镜40用于经所述第一光路或所述第二光路的所述光束，所述光束经过所述物镜40内的瞳面后投射至所述物镜40的像面上。所述工件50设置于所述物镜40的像面上，所述工件台50用于承载硅片51。所述瞳面透过率分布检测装置10中的所述图像传感器101和所述功率计100均设置于所述工件台50上，用于检测所述瞳面透过率分布。
进一步的，所述照明单元20为一发光器，能够提供均匀光束。所述发光器的出光面与所述瞳面41互为共轭面。
所述光刻机还包括位置调节件60，所述位置调节件60能够分别驱动所述物镜40和所述掩膜台30以实现所述物镜40和所述掩膜台30在垂直方向上的位置调节。即保证所述物镜40的中心光轴与所述掩膜台30的中心位置对准。此外，所述的光刻机还包括固定件70，所述固定件70用于固定所述物镜40。
进一步的，所述工件台上还设有点能量探测器52，位置传感器53以及各种体积较小的传感器，均用于检测整机和曝光系统的性能。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种瞳面透过率分布检测方法，使用所述光刻机，所述瞳面透过率分布检测方法包括：首先，所述光束经所述第一光路传输至所述物镜40的像面上，所述图像传感器101获取照明光瞳信息。然后，所述光束经所述第二光路传输至所述物镜的像面上，所述功率计获取像面光瞳信息；更换不同相位和不同周期的掩膜板，分别获取所述像面光瞳信息。最后，根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息获得所述瞳面透过率分布。
其中，所述掩膜板31上设有光栅掩膜图形，所述光栅掩膜图形为周期性结构。在光束的半径较小的照明模式下，所述光束几乎能够垂直入射至所述掩膜台30上。在检测照明光瞳信息时，由于所述光束几乎垂直入射至所述物镜40中，因此，可认为所述物镜40对光束的影响较小，所述图像传感器101能够获取较为精准的照明光瞳信息。在检测所述像面光瞳信息时，所述照明单元20提供的所述光束经所述掩膜板31发生衍射，并形成零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光。所述零级衍射光、所述正一级衍射光和所述负一级衍射光为多角度光线，所述衍射光多角度照射在所述瞳面上。所述衍射光经过所述物镜40后，投射于所述硅片51上，并在所述硅片51上成像，所述功率计100能够获取所述像面上的所述零级衍射光、所述正一级衍射光和所述负一级衍射光的能量分布，以及所述衍射光的总能量值。
为了更加精准的获取瞳面透过率分布，在所述像面上可选定多个视场点55。每一所述视场点55对应一个瞳面信息。因此，在检测一个视场点55的瞳面透过率分布时，需要对不同周期和不同相位的掩膜板31进行测量。如图5所示，所述掩膜板31a-31d为相同周期但相位不同，其相位分别逆时针相差0度、45度、90度和135度。当光束分别经过所述掩膜图形31a-31d时，会在所述瞳面41对应的区域形成所述第一光斑(如图5所示的41a-41d)，且在所述硅片51上对应的视场点上形成第二光斑(如图5所示的51a-51d)。此外，如图5所示的掩膜板31e和31f相位相同但周期不同。进一步的，根据瞳面透过率分布的不同精度需求，可以设计更多种的相位和周期。
因此，在检测所述瞳面透过率分布时，具体为：
步骤一：让所述光束经过第一光路以获取照明光瞳信息。即，所述照明单元20提供的光束经过物镜40投射至像面上，图像传感器101获取照明光瞳信息。
步骤二：让所述光束经过第二光路以获取像面光瞳信息。即，提供一个所述掩膜板31并置于掩膜台30上。所述硅片51设置于所述工件台50上。对准所述物镜40与所述掩膜台30的位置、所述物镜40与所述掩膜台30的位置，调节照明单元20的光束波长，以适应所述物镜40的工作波长。所述照明单元20提供的光束经过所述掩膜板31a时发生衍射并产生衍射光，所述衍射光穿过所述物镜40内的所述瞳面，并在所述瞳面形成所述第一光斑，进而成像于所述硅片51上，在所述硅片51上形成第二光斑。
所述第一光斑包括零级衍射光斑、正一级衍射光斑以及负一级衍射光斑，每一衍射光斑均为所述瞳面41的采样点。所述第二光斑的能量分布携带有所述瞳面41的采样点能量分布信息。同时，为便于数据化处理，利用所述瞳面上的所有采样点的能量分布替代所述瞳面的能量分布。所述功率计100获取所述第二光斑的能量分布以作为像面光瞳信息。
步骤三：更换周期相同且相位不同的所述掩膜板31，例如掩膜板31b。重复执行步骤二，直至完成所有设定的相位的掩膜板31的测量，例如相位分别为0度的掩膜板31a、45度的掩膜板31b、90度的掩膜板31c和135度的掩膜板31d。
步骤四：更换周期不同的所述掩膜板31，重复执行步骤二至步骤三，直至完成所有设定周期的掩膜板31的测量，例如掩膜板31e和掩膜板31f，以完成像面上一个视场点55的瞳面透过率分布的检测。本实例中选取三种周期和四种相位，因此完成一个视场点55的测量，需要12个掩膜板，且需要测量12次。
步骤五：更换至另一所述视场点55，重复执行步骤一至步骤四，直至完成所有设定的所述视场点55的瞳面透过率分布的检测。请参阅图6，本实施例中选取35个视场点55，故完成所有视场点55的检测需进行420次测量。
步骤六：根据所获得所述像面光瞳信息和所述照明光瞳信息计算出所述瞳面透过率分布。
请参阅图7，设定瞳面坐标系(Px,Py)43和视场点坐标系(x,y)53，其中，因所述衍射光照射于所述瞳面41的角度不同，所以所述瞳面坐标系(Px,Py)43为角频坐标。进而，得到所述瞳面透过率分布计算公式如下：
T(x,y)＝F2(x,y)/F1(Px,Py)；
其中，T(x,y)为瞳面透过率分布；
F2(x,y)为像面光瞳信息；
F1(Px,Py)为照明光瞳信息。
进一步的，每一衍射光斑均为所述瞳面41上的采样点42，请参阅图8，所述瞳面41半径为1sigma。本实施例中每一视场点对应的采样点为24个，其中位于圆心的为零级衍光斑，所述零级衍射光斑作为各采样点的参考量。所述采样点42为正一级衍射光斑或负一级衍射光斑。本实施例应用在1.35NA浸没成像系统上，按照1.35NA浸没光刻成像需求的光瞳测试及控制需求，本实施例选取相邻的采样点42间距为0.3sigma。沿所述瞳面41上一检测区域的径向上选取的采样点42从圆心到边界依次为0.3sigma、0.6sigma和0.9sigma。对应设计掩膜板31的周期依次为1520nm、800nm和600nm。进一步的，所述掩膜图形总体尺寸为掩膜面50um，占空比50％。
<实施例二>
与上述实施例一所不同的是，请参阅图9～10，本实施例二应用在0.85NA干法成像系统上，按照0.85NA干法光刻成像需求的光瞳测试及控制需求，本实施例选取相邻的采样点42间距为0.3sigma。如图9所示，沿所述瞳面41上一检测区域的径向上选取的采样点42从圆心到边界依次为0.3sigma、0.6sigma和0.9sigma。对应设计掩膜板31的周期依次为2830nm，1510nm和1130nm。在0.85NA干法成像系统中，辐射波长为248nm，基于金刚石荧光材料的图像传感器可选用掺杂有高能级氮原子的金刚石荧光材料(例如IB类型高压高温HPHT金刚石)。其中，本实施例二未描述的部分可相应参考实施例一，本实施例二不再赘述。
综上，实施例一和实施例二提供一种光刻机、瞳面透过率分布检测装置及检测方法，所述瞳面透过率分布检测装置10中所述功率计100能够获取像面光瞳信息，所述图像传感器101获取照明光瞳信息。所述数据处理器102根据所述照明光瞳信息和所述像面光瞳信息得到所述瞳面透过率分布。其中，因所述光束的所述光束角θ非常小，所以所述图像传感器能够不受所述物镜的影响，并在像面上获取所述照明光瞳信息，从而能够实现实现瞳面透过率分布的高精度在线测量。此外，所述图像传感器101的感光面上设置有一层金刚石荧光膜，所述金刚石荧光膜能够增大所述图像传感器101的探测角度，提高测量精度。因此，所述瞳面透过率分布检测装置10不仅能够实现瞳面透过率分布的在线测量，还能够提高测量精度，进而能够准确掌握物镜的像质状态，提高成像质量。
需要说明的是，本说明书中两个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，两个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，两个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
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