光刻机原位多通道成像质量检测装置及方法技术领域
本发明涉及光刻机，特别是一种光刻机原位多通道成像质量检测装置及方法。
背景技术
光刻机是极大规模集成电路制造的核心设备之一。投影物镜是光刻机最重要的
分系统之一。投影物镜的成像质量是决定光刻线条质量的关键因素之一。随着光刻
节点向1x nm分辨率以下发展，要求产率达到250wph。产率的提高造成光刻机掩模
热效应和投影物镜热像差，影响光刻机套刻精度和投影物镜成像质量。要求能够实
时测量光刻系统的畸变、场曲及波像差。
一般光刻机采用不同的传感器检测畸变、场曲及波像差参数。畸变和场曲参数
通过光刻机对准系统的扫描实现；波像差采用原位波像差传感器实现，通过扫描实
现全视场波像差检测。荷兰ASML公司报道了一种多通道像质传感器(参考在先技
术[1]，Wim de Boeij,Remi Pieternella,et al.,Extending immersion lithography down to
1x nm production nodes.Proc.of SPIE Vol.8683,86831L(2013))，替代了原有的TIS
同轴对准及畸变、场曲等初级像差检测功能，同时能够实现光刻投影物镜7个视场点
波像差的并行检测，波前检测结果从Z5～Z37Zernike系数扩展至Z2～Z64Zernike系
数。
但是，由于探测器像素有限，同时探测7个视场点的波像差必然导致每个视场点
有效探测像素数的降低，在保证波像差检测空间分辨率的前提下(检测至Z64Zernike
系数)，很难提高检测并行通道数。而提高检测并行通道数能够提高畸变、场曲检
测精度，提高热效应预测的准确性。
另一方面，原位成像质量检测速度是影响光刻机产率的重要因素，提高原位成
像质量检测速度也是原位成像质量检测传感器改进的重要方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光刻机原位多通道成像质量检测装置及方法，以快
速地原位检测光刻机投影物镜的波像差及畸变、场曲。
本发明的技术解决方案如下：
一种光刻机原位多通道成像质量检测装置，该装置包括光刻机的光源、照明系
统、掩模台、投影物镜、工件台和计算机，其特点在于，还包括物面光栅板和波像
差传感器；所述的物面光栅板置于掩模台上，所述的波像差传感器置于工件台上，所
述的波像差传感器与计算机相连；
所述的物面光栅板由n组占空比为50％的物面光栅组成；每组物面光栅包括光
栅线沿y方向的第一光栅和光栅线沿x方向的第二光栅，周期为PoX；
所述的波像差传感器包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅板、小孔阵列和
二维光电传感器；
所述的像面光栅板包括n组占空比50％的像面光栅，周期为PiX；
所述的第一光栅和第二光栅的周期PoX与所述的像面光栅的周期PiX满足如下关
系；
PoX＝PiX·M
其中，M为光刻机投影物镜(5)的成像放大倍数，PiX由剪切率sX、光源波长λ和
光刻机投影物镜的数值孔径NA决定：
所述的物面光栅板上每组物面光栅之间的间距do与像面光栅板上每个像面光栅
之间的间距di满足如下关系：
物面光栅板上每组物面光栅的第一光栅和第二光栅之间的间距相等，物面光栅
的组数与像面光栅的数目相等，皆为n，所述的n为大于1的自然数。
所述的第一光栅和第二光栅是相位光栅或振幅光栅型的一维反射式光栅或者一
维透射式光栅。
所述的小孔阵列的周期等于所述的光电二维传感器的像素周期，小孔阵列的小
孔位置与所述的光电二维传感器的像素位置一一对应，所述的光电二维传感器像素
大小与所述的小孔阵列的小孔的直径的比值为S。
所述的二维光电传感器是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或二维
光电探测器阵列。
所述的像面光栅为相位光栅或振幅光栅型的二维透射式光栅。
利用上述光刻机原位多通道成像质量检测装置的检测方法，包括下列步骤：
①将所述的物面光栅板置于掩模台上，调节掩模台，使所述的物面光栅板的n
组第一光栅位于光刻机投影物镜的物方视场位置；
②由光源发出的光经过照明系统的调整后，均匀照明所述的物面光栅板的n组
第一光栅；
③将波像差传感器置于工件台上，调节工件台，使像面光栅板位于光刻机投影
物镜的像面上；
④调整工件台，使n组像面光栅分别与n组物面光栅的第一光栅经过光刻机投
影物镜所成的像对准；
⑤采用相移技术，沿x方向多次移动所述的工件台，每次移动后所述的波像差
传感器采集一幅剪切干涉图输入所述的计算机，所述的计算机从采集得到的干涉图
中计算得到n个视场点位置的x方向剪切相位信息；
⑥调整掩模台，使物面光栅板的n组第二光栅分别运动至n组第一光栅的位置，
n组第二光栅经过光刻机投影物镜所成的像与n组像面光栅分别对准；
⑦采用相移技术，沿y方向多次移动工件台，每次移动后所述的波像差传感器
采集一幅剪切干涉图并输入所述的计算机，该计算机从采集得到的干涉图中计算得
到n个视场点位置的y方向剪切相位信息；
⑧将步骤⑤、⑦得到的剪切相位信息解包裹，分别得到光刻机投影物镜在n个
视场点位置的x方向和y方向的剪切波前ΔWx和ΔWy，将所述的剪切波前进行重建，
获得光刻机投影物镜在n个视场点位置的波像差；从n个视场点位置的波像差的波
面倾斜和离焦数据计算光刻机投影物镜的畸变和场曲。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明在波像差传感器中引入了小孔阵列，采用小孔阵列将成像质量原位检
测的空间分辨率提高了S2倍，从而有效降低了每个通道二维光电传感器使用的像素
数，提高了成像质量并行检测通道数，并行检测通道最大可以提高S2倍
2)由于每个通道二维光电传感器使用的像素数的减小，减小了数据运算量，从
而提高了检测速度，检测速度最大可以提高S2倍。
3)通过多通道同时检测，使得波像差传感器具备了同时检测畸变与场曲等像质
参数的能力。
附图说明
图1本发明光刻机原位多通道成像质量检测装置结构图。
图2本发明物面光栅板示意图。
图3本发明的波像差传感器结构示意图。
图4本发明的涉及到的像面光栅板示意图。
图5相当于无小孔阵列的检测误差。
图6相当于加小孔阵列的检测误差。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施实例限制本发
明的保护范围。
图1是本发明的光刻机原位多通道成像质量检测装置结构图。本发明光刻机原
位多通道成像质量检测装置包括光刻机的光源1、照明系统2、掩模台4、光刻机投
影物镜5、工件台7，还包括置于掩膜台4上的物面光栅板3和置于工件台7上的波
像差传感器6以及与波像差传感器6相连的数据处理计算机8；本实施例的光源1
的波长为193nm；n＝14，所述的物面光栅板3由14组周期为41.52μm且占空比为
50％的物面光栅组成(参见图2)，包括光栅线沿y方向的第一光栅3A1～3N1和光栅
线沿x方向的第二光栅3A2～3N2；所述的像面光栅板601包括14组占空比50％的像
面光栅601A～601N；像面光栅601A～601N采用二维棋盘光栅；像面光栅601A～601N
的周期为10.38μm；物面光栅与像面光栅均为透射式振幅光栅；光刻机投影物镜5
的数值孔径为0.93，光刻机投影物镜5的成像放大倍数为1/4，剪切率为1％；波像
差传感器6(参见图3)包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅板601、小孔阵列
602和二维光电传感器603；二维光电传感器603采用CMOS相机，像素大小5.6μm
×5.6μm，像素个数2040×1084；小孔阵列602的小孔直径为1.4μm，用CMOS相
机像素大小与小孔直径比值为4，小孔阵列602的周期等于光电二维传感器603的
像素周期5.6μm；像面光栅601上相邻二维光栅601X之间的间距为1.5mm；物面光
栅板3上相邻第一光栅之间的间距和相邻第二光栅之间的间距相等，为6mm；物面
光栅板3上每组物面光栅的第一光栅3X1和第二光栅3X2之间的间距相等，为3mm。
所述的物面光栅板3由14组周期皆为Po且占空比为50％的物面光栅组成；每组
物面光栅包括光栅线沿y方向的第一光栅3X1和光栅线沿x方向的第二光栅3X2；
所述X为每组光栅的编号，用A、B、C、…、N表示，如A组物面光栅的第一光
栅3A1和第二光栅3A2，B组物面光栅的第一光栅3B1和第二光栅3B2；
所述的第一光栅3X1和第二光栅3X2是相位光栅或振幅光栅型的衍射光栅；
所述的第一光栅3X1和第二光栅3X2是反射式光栅或透射式光栅；
所述的波像差传感器6包括沿光束传播方向依次放置的像面光栅板601、小孔
阵列602和二维光电传感器603；
所述的像面光栅板601(参见图4)包括14组周期相同且占空比为50％的像面
光栅601X，所述X为每组光栅的编号，用A、B、C等表示；
所述的像面光栅601X为棋盘光栅型的二维透射式光栅；
所述的像面光栅601X是相位光栅或振幅光栅型的衍射光栅；
所述的物面光栅板3上的所述的第一物面光栅3X1、第二物面光栅3X2的周期Po
与所述的像面光栅601X的周期Pi满足如下关系：
Po＝Pi·M，
其中，M为光刻机投影物镜5的成像放大倍数；Pi由剪切率s、光源波长λ和光刻
机投影物镜数值孔径NA决定；
所述的物面光栅板3上每组物面光栅之间的间距do与像面光栅板601上每组像
面光栅之间的间距di满足如下关系：
所述的物面光栅板3上物面光栅的第一光栅3X1与第二光栅3X2之间的间距相
等。
所述的小孔阵列602上小孔的周期等于光电二维传感器603上像素的周期，小
孔位置与光电二维传感器的像素位置一一对应，小孔直径为光电二维传感器603像
素大小的1/4；
所述的掩模台4是将物面光栅板3移入光刻机投影物镜5的物方光路的位移台；
所述的工件台7是将所述的波像差传感器6移入光刻机投影物镜5的像方光路，
并带动波像差传感器6运动的位移台；
所述的二维光电传感器603是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM，或
二维光电探测器阵列，其探测面上接收像面光栅601X生成并由小孔阵列602进行
采样得到的剪切干涉图像；
所述的计算机8用于控制波像差检测过程、存储测量数据，并对干涉图进行处
理与分析。
采用上述光刻机原位多通道成像质量检测装置的检测方法，该方法的步骤如下：
(1)将物面光栅板置于掩模台上，调节掩模台，使14组第一光栅3X1位于光刻
机投影物镜需要测量的物方视场位置；
(2)由光源发出的光经过照明系统的调整后，均匀照明物面光栅板的14组第一光
栅3X1；
(3)将波像差传感器6置于工件台7上，调节工件台7，使像面光栅板601位于
光刻机投影物镜5的像面上；
(4)调整工件台，使14组像面光栅601X分别与14组物面光栅的第一光栅3X1
经过光刻机投影物镜所成的像对准；
(5)利用相移技术，沿x方向多次移动工件台7，每次移动后波像差传感器603
采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到的14个视场点位置在
x方向上的剪切相位信息；
(6)调整掩模台4，使物面光栅板的14组第二光栅3X2分别运动至14组第一光
栅3X1的位置，14组第二光栅3X2经过光刻机投影物镜所成的像与14组像
面光栅601X分别对准；
(7)采用相移技术，沿y方向多次移动工件台7进行测量，每次移动后波像差传
感器603采集一幅剪切干涉图，从采集得到的干涉图中计算得到的14个视场
点位置在y方向上的剪切相位信息；
(8)将步骤(5)、(7)得到的剪切相位信息解包裹，分别得到光刻机投影物镜在
14个视场点位置的x方向和y方向的剪切波前ΔWx和ΔWy，将剪切波前进行
重建，得到光刻机投影物镜在14个视场点位置的波像差；从14个视场点位
置的波像差的波面倾斜和离焦数据计算光刻机投影物镜的畸变和场曲。
本发明利用小孔阵列对波像差进行采样，将检测空间分辨率提高了S2倍。采用
一个256像素×256像素的波像差(均方根值为0.0995λ)进行仿真。在其差分波前
中每4个像素取平均值，相当于没有加小孔阵列，得到64像素×64像素的差分波前，
将差分波前进行重建，误差见图5，其误差均方根值为0.0141λ；对该波像差的差分
波前进行采样，每4个像素选一个像素，相当于在探测器上增加小孔阵列，得到64
像素×64像素的差分波前，将差分波前进行重建，误差见图6，其均方根值误差为
0.0001λ。
本实施例验证了本发明装置及方法，将投影物镜波像差检测分辨率提高了16
倍，因此，光刻机原位多通道成像质量检测装置的通道数最大能够提高16倍，检测
速度最大也能提高16倍。通过多通道同时检测，使得波像差传感器具备了同时检测
畸变与场曲等像质参数的能力。