CN100559280C - 一种物镜检验装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种物镜检测装置以及方法。现有技术通过在覆盖有光阻的晶圆上多次曝光来进行物镜检测致使检测过程复杂且效率低下。本发明的物镜检测装置包括光源，掩模台，工件台，物镜框架，分别用于驱动掩模台和工件台运动的掩模台驱动装置和工件台驱动装置，分别设置在掩模台与工件台上且具有多个对应的对准图形的第一和第二掩模，用于探测透过第二掩模上的对准图形的光的强度和该些对准图形位置的探测模块，用于控制驱动第一与第二掩模对准以及在两者对准后控制工件台驱动装置驱动工件台进行扫描运动的控制模块，以及用于将扫描运动中所探测到的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数的处理模块。采用本发明可简化物镜的测量过程。

Description

一种物镜检验装置以及方法

技术领域

本发明涉及物镜的检验，特别涉及一种物镜检验装置以及方法。

背景技术

在半导体制造领域中，光刻是最重要的工序，现业界通常使用单倍的成像物镜进行曝光，并且需通过多次曝光才能形成所需的半导体器件的图形，在此过程中，需确保每次曝光时的套刻精度，而套刻精度与光刻投影物镜的成像质量密切相关。光刻投影物镜的成像质量受物镜的成像质量参数的影响，其中，该成像质量参数包括物镜放大率偏差、畸变参数和场曲参数，成像质量参数的数值越小，投影物镜的成像质量越好。

投影物镜在设计时可以设计出很高的成像质量，但在光学加工和装调的过程中都会使其光学成像质量受到影响。故在将投影物镜装设到光刻机之前，需对物镜的成像质量参数即放大率偏差、畸变参数和场曲参数进行检测。

现通常使用投影物镜和具有对准图形的掩模对覆盖有光阻的晶圆进行多次曝光，然后依据曝光后的图形来得到投影物镜的参数。专利号为US6947119的一美国专利，其提供了一种上述的检测物镜的方法，该方法主要先通过使用一具有如图1所示的标记图形的掩模1对一覆盖有光阻的晶圆进行曝光，其中，该掩模1上的标准图形的相邻两行分别为小实心方块标记10和大空心方块标记11，然后遮蔽掩模使仅留下掩模中部的四个小实心方块标记10和两个大空心方块标记11(如图2所示)，之后使用上述遮蔽后的掩模1在已曝光的晶圆上进行扫描曝光，形成7*18个小实心方块标记10套在大空心方块11中的图形方阵。最后依据所形成的图形方阵计算出影响投影物镜成像质量的成像质量参数。

但上述专利号为US6947119的美国专利的检测物镜的方法存在以下问题：首先需要经过多次曝光，故需进行多次掩模和晶圆之间的对准，特别是用如图2所示的图形进行扫描曝光时，其对对准精度的要求更高，故需花费过多的时间进行精确对准，如此将使检测过程复杂且使检测效率低下；另外，该多次曝光的误差会成倍累计，故会对测试的准确性造成影响；再者，该方法不能用来直接测量物镜的场曲。

因此，如何提供一种投影物镜测试装置和方法来准确高效的测得投影物镜的成像质量参数，已成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物镜检测装置以及方法，通过所述装置以及方法无需进行曝光和在大范围内进行精确定位，可简化检测过程，并提高检测效率。

本发明的目的是这样实现的：一种物镜检测装置，用于检测物镜的成像质量参数，其包括光源、掩模台、工件台、用于放置待检测物镜的物镜框架、分别用于驱动掩模台和工件台运动的掩模台驱动装置和工件台驱动装置，该物镜检测装置还包括：第一掩模和第二掩模，其分别设置在该掩模台和该工件台上且具有多个对应的对准图形，并分别随该掩模台和该工件台一起运动；探测模块，设置在该第二掩模下，用于探测透过该第二掩模上的对准图形的光的强度和该些对准图形的位置；控制模块，用于控制掩模台驱动装置和工件台驱动装置分别驱动掩模台和工件台运动以使第一掩模与第二掩模对准，且在第一与第二掩模对准后控制工件台驱动装置驱动工件台在一预设区域内进行扫描运动；处理模块，用于将探测模块在工件台进行扫描运动时所探测的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数。

在上述的物镜检测装置中，该探测模块包括光强探测单元和位置探测单元，其中，该光强探测单元用于探测透过该第二掩模上的对准图形的光的强度，该位置探测单元用于探测该第二掩模上的对准图形的位置。

在上述的物镜检测装置中，该光强探测单元的数量与第二掩模上的对准图形数量相同，且该光强探测单元和第二掩模上的对准图形一一对应。

在上述的物镜检测装置中，该待检测物镜具有一名义放大率。

在上述的物镜检测装置中，该第一掩模和第二掩模上的对准图形成一预定比例，该预定比例等于物镜的名义放大率。

在上述的物镜检测装置中，该预设区域覆盖第一块掩模上的所有对准图形通过物镜所成的空间实像。

在上述的物镜检测装置中，该成像质量参数包括放大率偏差、畸变参数以及场曲参数。

本发明还提供一种应用上述物镜检测装置进行物镜检验的方法，该方法包括以下步骤：(1)将待检测物镜设置在该物镜框架上，并开启光源使第一掩模上的对准图形经过物镜成像；(2)控制掩模台驱动装置和工件台驱动装置分别驱动掩模台和工件台运动以使第一掩模与第二掩模对准；(3)控制工件台驱动装置驱动工件台在该预设区域内进行扫描运动；(4)在工件台进行扫描运动时探测透过该第二掩模上的对准图形的光的强度和该对准图形的位置；(5)将所探测到的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数。

与现有技术中通过在覆盖有光阻的晶圆进行多次曝光，然后依据所形成的对准图形的偏移来检测透镜相比，本发明的物镜检测装置和方法通过分别在掩模台与工件台上设置具有多个对应的对准图形的第一与第二掩模，然后驱动工件台进行扫描运动来捕获第一掩模上的对准图形的空间实像的位置，依据该空间实像和理想成像位置计算出物镜的成像质量参数，如此可避免曝光过程中的多次对准以及由此产生的累积误差，降低对工件台的运动范围和定位要求，大大的简化了检测过程，提高了检测效率，节约了检测成本。

附图说明

本发明的物镜检测装置以及方法由以下的实施例及附图给出。

图1为现有技术中进行曝光的掩模的主视图；

图2为现有技术中被遮蔽后的掩模的主视图；

图3为本发明的物镜检测装置的组成结构示意图；

图4为本发明的第一掩模的主视图；

图5为第一掩模上的对准图形的放大示意图；

图6为本发明的物镜检测方法的流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的物镜检测装置以及方法作进一步的详细描述。

参见图3，本发明的物镜检测装置3用于检测待检测物镜40，所述物镜检测装置3包括光源30、物镜框架31、掩模台32、工件台33、掩模台驱动装置34、工件台驱动装置35、第一掩模36、第二掩模37、探测模块38、控制模块39和处理模块310。

所述待检测物镜40具有名义放大率和成像质量参数最大值，其中，所述成像质量参数最大值是通过检验者目测恰无法检测出的其成像质量问题的物镜的成像质量参数，当物镜的成像质量参数大于所述成像质量参数最大值时均可通过检验者目测发现其成像质量问题，当物镜的成像质量参数小于所述成像质量参数最大值时，通过检验者目测均检测不出其成像质量问题；所述物镜的成像质量参数最大值包括放大率偏差最大值Mmax、畸变参数最大值Dmax以及场曲参数最大值Nmax。在本实施例中，所述名义放大率为4。

以下对本发明物镜检测装置3的上述构件进行详细说明。

光源30用于提供检测物镜40的检测用光源，现通常使用的光源30为紫外光源。

物镜框架31用于放置待检测物镜40。

掩模台32和工件台33分别设置在物镜框架31两侧，且掩模台32设置在靠近光源30的一侧。

掩模台驱动装置34和工件台驱动装置35分别用于驱动掩模台32和工件台33在三维空间内运动。

第一掩模36和第二掩模37，其分别设置在掩模台32与工件台33上且具有多个对应的对准图形。所述第二掩模37与第一掩模36的对准图形的比例为所述名义放大率，所述对准图形可实施为十字型或包括一垂直光栅和一水平光栅的图形，其中，所述垂直光栅旋转90度后与水平光栅重合，光栅线条的宽度通常大于或等于投影物镜的分辨率。

参见图4，显示了第一掩模36的主视图，如图所示，第一掩模36上具有81个对准图形36a。

参见图5，显示了对准图形36a的放大图，如图所示，所述对准图形36a1为对准图形36a实施为十字型时的放大图，对准图形36a2为对准图形36a实施为包括一垂直光栅和一水平光栅时的放大图。

第二掩模37上的对准图形的数量、分布和形状均与第一掩模36相同，故在此不再对第二掩模37上的对准图形进行详述。

在本实施例中，所述第一掩模36和第二掩模37采用相同的材料制作。所述第一掩模36通过实际放大率等于名义放大率的理想物镜所成的像与第二掩模37上的对准图形完全吻合。

探测模块38，设置在所述第二掩模37下，用于探测透过所述第二掩模37上的对准图形的光的强度和所述对准图形(即第一块掩模上的对准图形通过物镜所成的空间实像)的位置，所述探测模块38包括光强探测单元(未图示)和位置探测单元(未图示)，所述光强探测单元的数量与第二掩模上的对准图形数量相同，且所述光强探测单元和第二掩模上的对准图形一一对应，其中，所述位置探测单元用于探测所述对准图形(即第一块掩模上的对准图形通过物镜所成的空间实像)的位置，所述光强探测单元用于探测透过所述对准图形的光的强度。

控制模块39，用于控制掩模台驱动装置34和工件台驱动装置35分别驱动掩模台32和工件台33运动以使第一掩模36与第二掩模37对准，且在两者对准后控制工件台驱动装置35驱动工件台33在一预设区域内进行扫描运动，当所述第一掩模36通过实际放大率等于名义放大率的理想物镜所成的像与第二掩模37上的对准图形吻合时所述第一掩模36与第二掩模37对准。

在此，所述预设区域为一长方体区域，且其覆盖第一块掩模36上的所有对准图形36a通过物镜40所成的空间实像，所述预设区域的大小依据成像质量参数最大值确定，即由放大率偏差最大值Mmax、畸变参数最大值Dmax以及场曲参数最大值Nmax确定，该长方体的高度大于Nmax，该长方体的长宽高的大小至少确保第一掩模的对准图形的实际成像位置在该长方体区域内。

所述控制模块39在控制工件台驱动装置35开始驱动工件台33在所述预设区域内进行扫描运动时，发送一启动触发信号至探测模块38，探测模块38开始探测透过第二掩模37上的对准图形的光的强度和所述对准图形的位置，所述控制模块39在控制工件台驱动装置35驱动工件台33在所述预设区域内进行扫描运动结束时，发送一停止触发信号至探测模块38，探测模块38停止探测透过第二掩模37上的对准图形的光的强度和所述对准图形的位置。

处理模块310，用于将探测模块38在工件台33在预设区域进行扫描运动时所探测到的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数，其中，所述处理程序先找出透过第二掩模37的每一对准图形的光的最强光强，其中，所述最强光强所对应的位置即为第一掩模上的对准图形的实际成像位置，之后依据所有对准图形的实际成像位置和所述第一掩模36上的对准图形的理想成像位置计算出放大率偏差、畸变参数和场曲参数。

在上述透镜检测装置1的第一掩模36与第二掩模37分别设置在掩模台32与工件台33上后，开始使用本发明的物镜检测装置3对待检测物镜进行检测。

参见图6，结合参见图3，本发明的物镜检测方法首先进行步骤S60，将所述待检测物镜40设置在所述物镜框架31上。

接着继续步骤S61，开启光源30使第一掩模36上的对准图形36a通过透镜40成像在工件台33侧。参见图5，对准图形36a可实施为如36a1和36a2所示的图形，在本实施例中对准图形36a实施为36a2。

接着继续步骤S62，控制掩模台驱动装置34和工件台驱动装置35分别驱动掩模台32和工件台33运动以使第一掩模36与第二掩模37对准。

接着继续步骤S63，控制工件台驱动装置34驱动工件台33在一预设区域内进行扫描运动。

接着继续步骤S64，在工件台进行扫描运动时探测透过所述第二掩模37上的对准图形的光的强度和所述对准图形的位置。

接着继续步骤S65，将所探测到的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数。

在本实施例中，所述处理程序先在所探测的数据中找出透过第二掩模37的81个对准图形的光在整个预设区域中的最强光强所对应的位置参数(即该第一掩模36的81个对准图形的空间实像)，场曲参数是依据该位置参数的Z方向分量得到的，具体过程如下：由于第一掩模36的81个对准图形的空间实像处于不同的Z向高度，故在工件台扫描时，每个对准图形空间实像的Z高度都确定，通过这81个对准图形的Z高度就可得出物镜的像场弯曲情况即得出场曲参数，所述场曲参数即为该第一掩模36的81个对准图形的空间实像的Z方向分量的最大和最小值之差。

而在计算放大率偏差和畸变参数时，需通过空间实像与理想像的水平位置偏差进行计算。驱动工件台在预设区域中扫描该第一掩模36上的81个对准图形的空间实像时，就可以得到81个空间实像的水平位置参数，而81个理想像即掩模版37上的对准图形的水平位置是已知的(不需要精确测量，因为对放大率的影响很小)，如此即可计算出空间实像与理想像的水平位置偏差E(n)。

由于物镜通常对3阶畸变比较关心，所以需要专门把三阶畸变系数求出来。

首先，定义第一掩模36上对准图形相对参考中心位置的位置偏差为L(n)，则位置偏差E(n)、L(n)、放大率偏差和畸变参数的关系如下公式所示：

E(n)＝M×L(n)+D3×L(n)^3+D(n)        (1)

其中，N的取值范围为从1到81，其代表对准图形的编号；M代表物镜的放大倍率；D3表示物镜的3阶畸变系数；D(n)代表第n个对准图形的残余畸变；L(n)表示的第n个对准图形相对参考中心位置的位置偏差。

将81个对准图形的水平位置偏差和它们在掩模版中的位置代入公式(1)即可得到以下方程组：

E(1)＝M×L(1)+D3×L(1)^3

E(2)＝M×L(2)+D3×L(2)^3

E(3)＝M×L(3)+D3×L(3)^3

E(4)＝M×L(4)+D3×L(4)^3

……………

对以上方程组进行最小二乘拟和，即可得到最优的M_GLC和D3_GLC。

然后使用这个M_GLC和D3_GLC代入公式(1)来求每个点的残差大小，详细求解过程如以下方程组所示：

D(1)＝E(1)-M_GLC×L(1)+D3_GLC×L(1)^3

D(2)＝E(2)-M_GLC×L(2)+D3_GLC×L(2)^3

D(3)＝E(3)-M_GLC×L(3)+D3_GLC×L(3)^3

D(4)＝E(4)-M_GLC×L(4)+D3_GLC×L(4)^3

…………………

这样就能得到M_GLC，D3_GLC和每个点的残差D(n)，物镜的放大率偏差就是取M_GLC，而畸变参数取所有D3×L(n)+D(n)中的最大值。

综上所述，本发明的物镜检测装置和方法通过分别在掩模台与工件台上设置具有多个对应的对准图形的第一与第二掩模，然后驱动工件台进行扫描运动来捕获第一掩模上的对准图形的空间实像的位置，依据该空间实像和理想成像位置计算出物镜的成像质量参数，如此可避免曝光过程中的多次对准以及由此产生的累积误差，降低对工件台的运动范围和定位要求，大大的简化了检测过程，提高了检测效率，节约了检测成本。

Claims (6)

1、一种物镜检测装置，用于检测物镜的成像质量参数，其包括光源、掩模台、工件台、用于放置待检测物镜的物镜框架、分别用于驱动掩模台和工件台运动的掩模台驱动装置和工件台驱动装置，其特征在于，该物镜检测装置还包括：第一掩模和第二掩模，其分别设置在该掩模台和该工件台上且具有多个对应的对准图形，并分别随该掩模台和该工件台一起运动，该第一掩模和第二掩模上的对准图形成一预定比例，该预定比例等于所述物镜的名义放大率；探测模块，设置在该第二掩模下，用于探测透过该第二掩模上的对准图形的光的强度和该些对准图形的位置；控制模块，用于控制掩模台驱动装置和工件台驱动装置分别驱动掩模台和工件台运动以使第一掩模与第二掩模对准，且在第一与第二掩模对准后控制工件台驱动装置驱动工件台在一预设区域内进行扫描运动；处理模块，用于将探测模块在工件台进行扫描运动时所探测的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数。

2、如权利要求1所述的物镜检测装置，其特征在于，该探测模块包括光强探测单元和位置探测单元，其中，该光强探测单元用于探测透过该第二掩模上的对准图形的光的强度，该位置探测单元用于探测该第二掩模上的对准图形的位置。

3、如权利要求2所述的物镜检测装置，其特征在于，该光强探测单元的数量与第二掩模上的对准图形数量相同，且该光强探测单元和第二掩模上的对准图形一一对应。

4、如权利要求1所述的物镜检测装置，其特征在于，该预设区域覆盖第一掩模上的所有对准图形通过物镜所成的空间实像。

5、如权利要求1所述的物镜检测装置，其特征在于，该成像质量参数包括放大率偏差、畸变参数以及场曲参数。

6、一种应用如权利要求1所述的物镜检测装置的物镜检验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将待检测物镜设置在该物镜框架上，并开启光源使第一掩模上的对准图形经过物镜成像；(2)控制掩模台驱动装置和工件台驱动装置分别驱动掩模台和工件台运动以使第一掩模与第二掩模对准；(3)控制工件台驱动装置驱动工件台在该预设区域内进行扫描运动；(4)在工件台进行扫描运动时探测透过该第二掩模上的对准图形的光的强度和该对准图形的位置；(5)将所探测到的数据运行一处理程序以得到待检测物镜的成像质量参数。

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