光刻物镜系统波像差横向剪切干涉绝对检测方法研究

发布时间：2020-05-30 21:08

【摘要】：光刻技术是集成电路制造中的一种精密的微细加工技术,它决定着一个国家半导体产业的发展。而投影光刻物镜是光刻设备中的核心组件,用于完成图形从掩模到硅片上的传递,其成像质量会直接影响光刻机的特征线宽。光学传递函数虽然可以评价镜头的成像质量,但是投影光刻物镜属于极小像差光学系统,只有通过波像差检测的手段才能准确反映出系统的像质。面向高NA高精度投影光刻物镜的研制,超高精度的系统波像差检测设备可以为物镜的装调提供指导意义。国外的三大光刻物镜制造厂商均有自主研发的光刻物镜系统波像差检测方法,分为以下三类:哈特曼-夏克(H-S)法、点衍射干涉法和光栅剪切干涉法。这三类方法是对波前斜率或波前曲率的测量,不需要考虑高精度参考面加工带来的难题。但是对于193nm工作波长的高NA光刻物镜系统波像差检测,H-S法的检测精度受到限制,很难实现亚纳米的检测精度;点衍射法所需的针孔空间滤波器的直径会随着波长减小而减小,很难获取到理想的球面波前;而光栅剪切法原理简单,容易在实验室实现设备搭建。用计算机软件完成复杂的波前重构后,光栅剪切法可以实现亚纳米级检测精度的要求。因此,论文根据国内的迫切需要,开展光刻物镜系统波像差横向剪切干涉绝对检测方法的研究工作,为实现光刻物镜系统波像差超高精度检测提供理论依据和实现方法。具体研究内容如下:(1)研究了适用于横向剪切干涉的旋转绝对检测方法,在传统方法的基础上,根据系统误差变化量和旋转角度的关系,提出了三步平均算法和加权三步平均算法;仿真中用恒定系统误差和存在偏心误差这两种情况,验证了算法的精度;实验通过传统的旋转法得到系统波像差RMS的检测精度为0.91nm,而三步平均算法和加权三步平均算法的计算结果分别可以达到0.71nm和0.54nm。(2)针对实验设备的偏心问题,提出了一种抑制偏心误差影响的两步算法。该算法先通过旋转平均法确定偏心误差最小的角度位置,再通过最优旋转角度的选择来使偏心误差的影响降到最小;仿真用有无偏心误差影响的两种情况证明了算法的有效性;实验对比表明,误差免疫法采用的角度(90°,135°和180°)位置获得的系统波像差数据与初始位置的残差图RMS分别为2.01nm、4.89nm和7.78nm;而两步算法采用角度(315°和90°)获得的数据与初始位置残差图RMS为1.46nm和4.16nm。对两步算法标定物镜旋转一周在各个角度位置的系统波像差不确定度矩阵进行评估,其标准差为2nm。(3)针对物镜在所有旋转测量角度位置的偏心问题,提出了基于旋转测量偏心量的拟合算法:先利用偏心影响小的角度通过单次旋转法拟定出物镜系统波像差的真实值,再利用最小二乘法补偿出物镜在各个角度位置的系统波像差。通过仿真和实验对算法进行了验证,新算法标定物镜旋转一周在各个角度位置的系统波像差不确定度矩阵的标准差为0.097nm。与两步算法相比,新算法可以有效地抑制偏心影响。
【图文】：

结构图,光刻机,双工,结构图

图 1.1ASML 的双工作台 Twinscan 光刻机结构图Figure 1.1 Schematic of Twinscan mask aligners manufactured by ASML光刻物镜的成像质量要求极其严格，将直接影响光刻的特征线宽aracteristic Linewidth)。其分辨率决定了芯片的节点(node)尺寸，可以表示为：R kNA ...（1.1）其中 R 代表光刻物镜的分辨率，k 是光刻的工艺因子，λ 是光刻物镜的工作，NA 是数值孔径。由式(1.1)可以看出，光刻物镜正朝着高数值孔径，小工子和工作波长的方向发展。光刻物镜是一个结构十分复杂的光学系统，其整个研制过程必然要经过以下主要步骤：最初由软件设计出来的光学系统，一般都会提供每个光学元件的指标，比如它的面形、曲率半径、数值孔径、光学材料以及不同元件的公差；在此之后，光学车间会根据说明书上提供的各类光学元件的指标对零件通

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图 1.2 Nikon 公司研制的光刻物镜Figure 1.2 Lithography lens manufactured by Nikon Corp1.1.2 光刻物镜系统波像差检测的意义为了更清楚地阐述光刻物镜系统波像差检测[9-14]的意义，首先引入波前念。光的波前是指光在介质中传播的时候，，在某一时候刚开始移动的点所组面，可以说是一种波阵面（在波动过程中，我们把波阵面当中传播在最前面阵面叫做波前。所以任意时刻都只有一个波前）。它代表着此刻光能量所达空间位置，相同波前上的各点都具有相同的相位。在几何光学中，我们可以把光线看作波阵面的法线，所以从物点发出的光束相当于球面波。这个球面波经过光学系统的时候，它的曲率发生了改变如果这是一个理想的光学系统，它则会形成另外一个球面波。在实际的光学中都会存在着或多或少的像差，经过它的出射波面也都会发生变形。我们把波面与理想波面之间发生的偏离称为波像差(Wavefront Aberration)，也可以
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405

【参考文献】