專利名稱：步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影光刻機(jī)中一種雜散光的原位檢測方法，特別涉及步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中雜散光的原位檢測方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展要求半導(dǎo)體元件的集成度越來越高，其電路圖樣越來越微細(xì)化。為提高光刻分辨率，光刻機(jī)的投影物鏡已經(jīng)成為衍射極限光學(xué)系統(tǒng)，這就對投影曝光的性能提出了很高的要求。眾所周知，光學(xué)成像系統(tǒng)的像面通常不僅接收成像光線，也接收到了非成像光線，到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)像面的非成像光線即為雜散光。雜散光的存在降低了成像對比度。雜散光主要是由鏡頭表面的粒子污染造成的。另外，盡管光學(xué)系統(tǒng)光路中透射元件大多鍍有增透膜，但光束在透射面上的反射也在所難免。光線在投射面間多次反射也是產(chǎn)生雜散光的主要原因之一。在投影光刻機(jī)中，雜散光不僅會(huì)降低成像對比度，減小光刻的工藝容限，還會(huì)引起線寬(CD)的變化。雜散光的大小受投影光刻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料及污染等因素的影響很大。即使在同一投影光刻系統(tǒng)中，不同時(shí)刻的雜散光也會(huì)不同。因此，對投影光刻系統(tǒng)中的雜散光進(jìn)行周期性的檢測是非常必要的。
發(fā)明人J.Kirk提出了一種光刻系統(tǒng)中雜散光的檢測方法(參見在先技術(shù)[1]，J.Kirk.“Scattered light in photolithographic lenses”，SPIE Vol.2197，p566-572，1994)。圖1給出了在先技術(shù)[1]中使用的掩模圖形。掩模圖形由不透光區(qū)域pad與透光區(qū)域Clear組成。上述結(jié)構(gòu)在掩模上形成陣列分布。雜散光系數(shù)由下式計(jì)算
Stray Light＝DClear/DPad(1)其中，DClear是清除透明區(qū)域Clear中的光刻膠所需要的曝光劑量，DPad是清除不透光區(qū)Pad內(nèi)的光刻膠所需要的曝光劑量。此方法利用了測試掩模，在不同曝光劑量下對硅片曝光，然后利用顯微鏡觀測顯影后的硅片，確定DClear與DPad。然后由式(1)計(jì)算雜散光系數(shù)。發(fā)明人Yao等提出了利用線寬評價(jià)雜散光的方法(參見在先技術(shù)[2]，Yao，Teruyoshi，Hanyu，Isamu，Kirikoshi，Katsuyoshi.“Test photomask，flare evaluation method，and flare compensation method”，歐洲專利申請?zhí)?,387,219A2)。此方法需要對硅片曝光顯影，用顯微鏡測量掩模圖形的線寬。在先技術(shù)[1]、[2]都是利用對硅片曝光的方法測量雜散光，因此測量精度會(huì)受到光刻膠工藝的影響。投影曝光系統(tǒng)的雜散光會(huì)隨時(shí)間變化，為了保證光刻機(jī)運(yùn)行在正常的狀態(tài)，需要經(jīng)常對其進(jìn)行檢測。在先技術(shù)[1]、[2]中的測量方法較為復(fù)雜，影響了光刻機(jī)的生產(chǎn)效率。另外，如果雜散光的大小超出了系統(tǒng)要求的指標(biāo)，需要區(qū)分雜散光的來源，根據(jù)雜散光的來源，采取相應(yīng)措施盡可能的消除雜散光，例如對光學(xué)鏡頭進(jìn)行清潔，更換光學(xué)元件等。在先技術(shù)[1]、[2]均只能測量雜散光的大小，不能區(qū)分雜散光的來源，也就無法為有針對性地消除雜散光提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中雜散光的原位檢測方法，主要解決現(xiàn)有方法均只能測量雜散光的大小，不能區(qū)分雜散光的來源的技術(shù)問題，與在先技術(shù)相比，本發(fā)明方法簡單，容易操作，能夠?qū)ζ毓庖晥鲋腥我庖稽c(diǎn)來自物面不同區(qū)域的雜散光進(jìn)行快速測量，可對雜散光的來源進(jìn)行分析，為采取消除雜散光措施提供了有效的依據(jù)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于通過四個(gè)狹縫刀口的準(zhǔn)確定位在物面(即掩模面)上限定一個(gè)光斑，此光斑通過投影物鏡成像在工件臺上，工件臺上的能量傳感器測得此光斑像的中心處的光強(qiáng)為I0，按照以上步驟依次完成M×N個(gè)光斑的測量，然后把狹縫打開，再次測量上述測量點(diǎn)的光強(qiáng)為I1，雜散光系數(shù)由公式(I1-I0)/I0計(jì)算，這樣就完成了整個(gè)視場中雜散光的測量，如果雜散光超出曝光系統(tǒng)要求的指標(biāo)，采用如下方法分析雜散光的來源利用特制掩模與兩個(gè)狹縫刀口限定一個(gè)光斑，此光斑經(jīng)過投影物鏡成像，工件臺上的能量傳感器測量像光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布，根據(jù)測得的光強(qiáng)分布分析雜散光是來自照明系統(tǒng)，還是來自投影物鏡。
也可利用兩個(gè)狹縫刀口與特制掩模來限定光斑，完成M×N個(gè)點(diǎn)光強(qiáng)I0測量后，移去掩模，把刀口打開到最大，再次測量上述測量點(diǎn)的光強(qiáng)I1，根據(jù)公式(I1-I0)/I0來計(jì)算的雜散光系數(shù)。
所述方法使用的系統(tǒng)包括產(chǎn)生投影光束的光源、能夠調(diào)整所述光源發(fā)出的光束的光強(qiáng)分布和部分相干因子的照明系統(tǒng)、掩模、能承載所述掩模并精確定位的掩模臺、用于對所述掩模成像且其數(shù)值孔徑可調(diào)節(jié)的投影物鏡、能承載硅片并可精確定位的工件臺和安置在工件臺上的能量傳感器；所述的照明系統(tǒng)中主要包含下列元件光束整形元件，勻光元件，四個(gè)可以精確定位且位于同一平面上的狹縫刀口，照明鏡組，轉(zhuǎn)折鏡；該狹縫刀口由位于同一平面上的四個(gè)刀口構(gòu)成，每個(gè)刀口在伺服電機(jī)控制下能夠精確定位；該掩模中間開有一條窄縫，窄縫外的其它區(qū)域均不透光。
所說的光源是汞燈或準(zhǔn)分子激光器。
所說的勻光元件是積分棒或蠅眼透鏡或衍射光學(xué)元件。
所說的能量傳感器是與光源的波長匹配的光電探測器。
所說的狹縫刀口為能夠?qū)崿F(xiàn)高精度移動(dòng)的光闌。
所說的工件臺、掩模臺為能夠納米精度移動(dòng)的平臺。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的雜散光原位檢測方法，利用狹縫刀口較大的行程范圍與快速準(zhǔn)確定位的特點(diǎn)，可以快捷地測量照明視場內(nèi)任何一點(diǎn)的雜散光，與在先技術(shù)相比，提高了測量效率。
2、本發(fā)明可在狹縫刀口的行程范圍內(nèi)定義任意大小的光斑尺寸，測量來自照明視場內(nèi)不同區(qū)域的雜散光。
3、本發(fā)明利用狹縫刀口與特制掩模配合的方法，不僅能夠測量雜散光的大小，還可以檢測光斑的光強(qiáng)分布。通過分析光斑的光強(qiáng)分布，可以區(qū)分雜散光的來源。根據(jù)雜散光的不同來源，采取相應(yīng)的措施消除雜散光。


圖1是在先技術(shù)1中測試掩模上的圖形。
圖2是依據(jù)本發(fā)明使用的曝光裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是刀口狹縫的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明中所用特制掩模的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明中工件臺上雜散光測試光斑位置與分布示意圖。
圖6是系統(tǒng)成完善像時(shí)，測得的光斑光強(qiáng)分布。
圖7是雜散光來源于投影物鏡時(shí)，測得的光斑光強(qiáng)分布。
圖8是雜散光來源于照明系統(tǒng)時(shí)，測得的光斑光強(qiáng)分布。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，不僅能夠測量雜散光的大小，而且可以分析雜散光的來源，為有針對性地采取消除雜散光措施提供了依據(jù)。所述方法使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括產(chǎn)生投影光束的光源1；能夠調(diào)整所述光源1發(fā)出的光束的光強(qiáng)分布和部分相干因子的照明系統(tǒng)2；掩模3；能承載所述掩模3并精確定位的掩模臺4；用于對所述掩模3成像且其數(shù)值孔徑可調(diào)節(jié)的投影物鏡5；能承載硅片并可精確定位的工件臺7和安置在工件臺7上的能量傳感器6。
所述的照明系統(tǒng)2中主要包含下列元件光束整形元件21，勻光元件23，四個(gè)可以精確定位且位于同一平面上的狹縫刀口24，照明鏡組25，27，轉(zhuǎn)折鏡22，26等。
掩模臺4與工件臺7可以在水平面上精確定位，并能夠高精度同步運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，工件臺7可以在垂向(Z向)精確移動(dòng)，使硅片始終位于投影物鏡5的焦平面內(nèi)。由對準(zhǔn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)硅片與掩模對準(zhǔn)。這樣，掩模3的圖案就可以精確的復(fù)制在硅片上的目標(biāo)區(qū)域。位于工件臺7上的能量傳感器6用于檢測工件臺7上曝光視場內(nèi)的光強(qiáng)，在本發(fā)明中用來原位檢測雜散光。
圖3是刀口狹縫的結(jié)構(gòu)示意圖。刀口狹縫由位于同一平面上的四個(gè)刀口(201，202，203，204)構(gòu)成，每個(gè)刀口在伺服電機(jī)控制下能夠精確定位。通過四個(gè)刀口的精確定位在掩模上限定照明光斑。為了對整個(gè)視場中的雜散光進(jìn)行檢測，四個(gè)刀口能夠在照明視場中的任意位置確定照明光斑20。假設(shè)此曝光系統(tǒng)的最大曝光視場為x0×y0，照明鏡組與投影物鏡的放大倍率分別為Mi與Mp，此曝光視場所對應(yīng)的狹縫大小為(x0×y0)/|Mi×Mp|。因此，要求刀口201與202的最大行程不小于y0/|Mi×Mp|，刀口203與204的最大行程不小于x0/|Mi×Mp|。
圖4是本發(fā)明中所使用的特制掩模的結(jié)構(gòu)示意圖。掩模3中間開有一條窄縫30，窄縫外的其它區(qū)域均不透光。
所說的光源1可以是汞燈、準(zhǔn)分子激光器等紫外、深紫外、極紫外光源。
所說的勻光元件23可以是積分棒、蠅眼透鏡、衍射光學(xué)元件等具有勻光作用的光學(xué)元件。
所說的能量傳感器6是與光源1的波長匹配的光電探測器。
所說的狹縫刀口為能夠?qū)崿F(xiàn)高精度移動(dòng)的光闌。
所說的工件臺、掩模臺為能夠納米精度移動(dòng)的平臺。
如圖2所示的結(jié)構(gòu)，光源1發(fā)出的光束經(jīng)所述照明系統(tǒng)2后照射在所述掩模3上。所述掩模3選擇性地透過一部分光線，這部分光線經(jīng)所述投影物鏡5后在像方焦平面上形成一個(gè)光斑。工件臺7上安裝的能量傳感器6測量所述光斑內(nèi)的光強(qiáng)。
測量雜散光大小的具體方法如下設(shè)置測試需要的系統(tǒng)參數(shù)，如投影物鏡5的數(shù)值孔徑，照明系統(tǒng)2的部分相干因子，以及光源1的脈沖頻率與脈沖能量等；設(shè)置狹縫刀口24的位置，以限定掩模3上照明光斑的大小(此時(shí)不放置掩模，可以視為一個(gè)完全透明的掩模)；設(shè)置照明視場內(nèi)測量點(diǎn)矩陣為Nx×Ny(Nx，Ny分別為照明視場內(nèi)X，Y方向上的測量點(diǎn)個(gè)數(shù))；光源1發(fā)出的光束經(jīng)照明系統(tǒng)2后，照射到掩模3表面；光線經(jīng)投影物鏡5將掩模3上的光斑成像在投影物鏡5的像方焦平面上；用能量傳感器6測量像光斑中心處的光強(qiáng)I0；改變狹縫刀口24位置來確定一系列測量點(diǎn)，依次測量各點(diǎn)上的光強(qiáng)為I0；然后把狹縫開到最大，再次測量上述各點(diǎn)的光強(qiáng)I1；雜散光系數(shù)可以根據(jù)公式(I1-I0)/I0計(jì)算。如果不是把狹縫開到最大，而是打開到任意大小，這樣可以測量曝光視場中來自照明視場中不同區(qū)域的雜散光。圖5是本發(fā)明中工件臺7上雜散光測試光斑分布示意圖。圖5(a)(b)(c)為第一、第二、第三個(gè)測量點(diǎn)的光斑位置。依次完成Nx×Ny個(gè)點(diǎn)[見圖5(d)]的光強(qiáng)測量。在把狹縫開到最大，此時(shí)工件臺7上得到如圖5(e)所示的視場光強(qiáng)分布。這樣就完成了雜散光大小的測量。如果雜散光的大小超出曝光系統(tǒng)要求的指標(biāo)，則必須分析雜散光的來源，為有針對性地采取消除雜散光的方法提供依據(jù)。
分析雜散光來源的方法如下設(shè)置測試需要的系統(tǒng)參數(shù)，如投影物鏡5的數(shù)值孔徑，照明系統(tǒng)2的部分相干因子，以及光源1的脈沖頻率與脈沖能量等；放入所述的掩模3；設(shè)置所述的狹縫刀口24的位置，狹縫刀口203、204與所述掩模3共同限定一個(gè)光斑，掩模上光斑的尺寸為A×B(A，B分別為光斑在X，Y方向上的寬度)；將光源1發(fā)出的光束經(jīng)照明系統(tǒng)2后，照射掩模3表面；光線經(jīng)過所述的投影物鏡5將把掩模上的光斑成像在投影物鏡5的像方焦平面上，像光斑的尺寸為(A/Mp)×(B/Mp)；用工件臺7上的能量傳感器6在XY平面內(nèi)掃描光斑，得到光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布；最后根據(jù)所測得的強(qiáng)度分布，來分析雜散光的來源。如果是沒有任何雜散光的理想系統(tǒng)，形成的完善像是一個(gè)邊界非常明晰的光斑分布圖，如圖6(a)所示。此時(shí)，光斑在平行于X、Y軸方向的光強(qiáng)曲線，如圖6(b)與(c)所示。如果雜散光是由于投影物鏡的污染或其它雜散光源造成的，則形成如圖7(a)所示的光斑分布，平行于X、Y軸方向的光強(qiáng)曲線如圖7(b)與(c)所示。如果雜散光是由于照明系統(tǒng)中鏡頭的污染或其他雜散光源引起的，則形成圖8(a)所示的光斑分布圖，所對應(yīng)的光強(qiáng)曲線如圖8(b)與(c)所示。另外，利用特制掩模與狹縫刀口相結(jié)合的方法，也能夠完成雜散光大小的測量，原理與上述雜散光大小的測量相同。只是利用兩個(gè)刀口與特制掩模來限定光斑，完成M×N個(gè)點(diǎn)光強(qiáng)I0測量后，移去掩模，把刀口打開到最大，再次測量上述測量點(diǎn)的光強(qiáng)I1。根據(jù)公式(I1-I0)/I0來計(jì)算的雜散光系數(shù)。
上述雜散光大小的測量方法與雜散光來源的分析方法除結(jié)合使用外，也可以單獨(dú)使用。例如，如果測得的雜散光大小并不超標(biāo)，光刻機(jī)能夠正常運(yùn)行，可以不用分析雜散光的來源。也可以單獨(dú)使用分析雜散光來源的方法，直接查找雜散光的來源，由此采取相應(yīng)的消除雜散光的措施。
以下通過一具體實(shí)施例闡述本發(fā)明方法
如圖2所示，光源1采用波長為248nm的準(zhǔn)分子激光器。光源1發(fā)出的激光光束經(jīng)照明系統(tǒng)2后照射在掩模3上。掩模3的結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用掩模3、狹縫刀口203與204限定掩模面的通光窗口。掩模3透過的光線經(jīng)投影物鏡5后在像方焦平面上形成一個(gè)光斑。能量傳感器6為Ophir光電探測器。照明鏡組與投影物鏡5的放大倍率Mi與Mp分別為-4與-1/4。掩模3中間開一條平行于X軸的窄縫30，窄縫寬度為4mm。為配合特制掩模運(yùn)動(dòng)，狹縫刀口203，204在X方向移動(dòng)，兩刀口構(gòu)成寬度為1mm的窄縫，窄縫平行于y軸向。刀口窄縫與掩模上的窄縫迭加，在工件臺7的曝光場中形成1mm×1mm大小的照明光斑，如圖5所示。利用能量傳感器6記錄各測量矩陣點(diǎn)的光強(qiáng)I0。然后把狹縫開到最大，移去掩模，再次測量每個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)I1。雜散光系數(shù)由公式(I1-I0)/I0算出。
能量傳感器6在上述1mm×1mm的光斑內(nèi)掃描，測得光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布。然后分析光斑在平行于X軸、Y軸方向的強(qiáng)度分布。如果理想系統(tǒng)，沒有任何雜散光，則形成的完善像是一個(gè)邊界非常明晰的光斑圖像，如圖6(a)所示，所對應(yīng)的兩條光強(qiáng)曲線，如圖6(b)與(c)所示。如果雜散光是由于投影物鏡的污染等原因造成的，則形成如圖7(a)所示的光強(qiáng)分布圖，所對應(yīng)的兩條光強(qiáng)曲線如圖7(b)與(c)所示。如果雜散光是由于照明系統(tǒng)中鏡頭的污染等原因造成的，則形成圖8(a)所示的光斑圖像，所對應(yīng)的光強(qiáng)曲線如圖8(b)與(c)所示。此時(shí)圖6、8、9中的物理量A、B大小為4mm，|Mp|為1/4，因此，光斑的大小為1mm×1mm。根據(jù)對光斑強(qiáng)度分布的測量，可以分析雜散光的來源，為采取消除雜散光措施提供依據(jù)。
綜上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于通過四個(gè)狹縫刀口的準(zhǔn)確定位在物面(即掩模面)上限定一個(gè)光斑，此光斑通過投影物鏡成像在工件臺上，工件臺上的能量傳感器測得此光斑像的中心處的光強(qiáng)為I0，按照以上步驟依次完成M×N個(gè)光斑的測量，然后把狹縫打開，再次測量上述測量點(diǎn)的光強(qiáng)為I1，雜散光系數(shù)由公式(I1-I0)/I0計(jì)算，這樣就完成了整個(gè)視場中雜散光的測量，如果雜散光超出曝光系統(tǒng)要求的指標(biāo)，采用如下方法分析雜散光的來源利用特制掩模與兩個(gè)狹縫刀口限定一個(gè)光斑，此光斑經(jīng)過投影物鏡成像，工件臺上的能量傳感器測量像光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布，根據(jù)測得的光強(qiáng)分布分析雜散光是來自照明系統(tǒng)，還是來自投影物鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于雜散光的測量中利用兩個(gè)狹縫刀口與特制掩模來限定光斑，完成M×N個(gè)點(diǎn)光強(qiáng)I0測量后，移去掩模，把刀口打開到最大，再次測量上述測量點(diǎn)的光強(qiáng)I1，根據(jù)公式(I1-I0)/I0來計(jì)算的雜散光系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于所述方法使用的系統(tǒng)包括產(chǎn)生投影光束的光源(1)、能夠調(diào)整所述光源(1)發(fā)出的光束的光強(qiáng)分布和部分相干因子的照明系統(tǒng)(2)、掩模(3)、能承載所述掩模(3)并精確定位的掩模臺(4)、用于對所述掩模(3)成像且其數(shù)值孔徑可調(diào)節(jié)的投影物鏡(5)、能承載硅片并可精確定位的工件臺(7)和安置在工件臺(7)上的能量傳感器(6)；所述的照明系統(tǒng)(2)中主要包含下列元件光束整形元件(21)，勻光元件(23)，四個(gè)可以精確定位且位于同一平面上的狹縫刀口(24)，照明鏡組(25，27)，轉(zhuǎn)折鏡(22，26)；該狹縫刀口(24)由位于同一平面上的四個(gè)刀口(201，202，203，204)構(gòu)成，每個(gè)刀口在伺服電機(jī)控制下能夠精確定位；該掩模(3)中間開有一條窄縫(30)，窄縫(30)外的其它區(qū)域均不透光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于所說的光源(1)是汞燈或準(zhǔn)分子激光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于所說的勻光元件(23)是積分棒或蠅眼透鏡或衍射光學(xué)元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于所說的能量傳感器(6)是與光源(1)的波長匹配的光電探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于所說的狹縫刀口(24)為能夠?qū)崿F(xiàn)高精度移動(dòng)的光闌。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中的雜散光原位檢測方法，其特征在于所說的工件臺(7)、掩模臺(4)為能夠納米精度移動(dòng)的平臺。
全文摘要
一種步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中雜散光的原位檢測方法。通過四個(gè)狹縫刀口的準(zhǔn)確定位在物面(即掩模面)上限定一個(gè)光斑并通過投影物鏡成像在工件臺上，能量傳感器測得光斑像中心處光強(qiáng)為I
文檔編號G01M11/00GK1655064SQ200510024229
公開日2005年8月17日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者郭立萍, 王向朝 申請人:上海微電子裝備有限公司