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1、华中科技大学 硕士学位论文 用于波像差检测的二元光栅掩模标记优化方法研究 姓名：王丽娟 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：刘世元 2011-01-17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 I 摘摘 要要 光刻机投影物镜波像差是影响步进扫描投影光刻机性能的重要指标。随着数值 孔径逐渐增大，为保证成像质量，要求投影物镜波像差足够小，因此对投影物镜波 像差检测精度提出了更高的要求。二元光栅掩模标记具有容易制造且成本较低等优 点，在波像差在线检测方法中获得了广泛使用；而一套对波像差灵敏的二元光栅掩 模标记可以降低在线检测的误差传播
2、率，从而提高波像差检测的精度。本学位论文 以此为研究背景，重点研究了面向波像差检测的二元光栅掩模标记优化方法。 利用部分相干成像的基本原理及波像差理论，通过比较完全相干成像和部分相 干成像正向模型，并结合波像差Zernike系数逆求算法，提出两种情况下波像差在线 检测技术的一般原理及对应检测流程。 基于误差传播原理和灵敏度分析方法，对交叉传递函数和空间像进行了波像差 灵敏度分析；并提出二元光栅掩模标记优化的目标函数。以完全相干成像情况下的 二元光栅掩模优化为例，分析比较了约束优化问题的直接解法和间接解法，选择了 合适的优化方法，并给出了用直接解法对部分相干成像情况进行二元光栅掩模进行 优化的结
3、果。 运用Matlab及Prolith仿真软件，分别在完全相干照明情况下及部分相干照明情况 下，分析并比较优化后二元光栅掩模组与随机选取掩模组用于波像差在线检测时的 精度。仿真结果表明，掩模优化后其对应的检测方法精度提高了近10倍，再一次验 证了用于波像差检测二元光栅掩模优化的必要性、可行性及实用性。 上述研究在控制光刻机成像质量、光刻分辨率及特征尺寸均匀性等方面具有广 阔的应用前景。 关键词关键词：波像差 在线检测 采样方案 二元光栅 掩模优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 II Abstract Wavefront aberra
4、tions of projection lens in optical lithographic systems are an important indicator of affecting the steppers performance. With the gradual increase of NA, the wavefront aberrations of projection lens meet more strict demand to ensure the quality of the image, which requires some further research on
5、 the principles and methods of measurement technique for wavefront aberrations in lithographic tools. Due to the advantage of easier producing and lower cost, binary grating mask have been wildly used in aberration metrology techniques. A set of binary grating marks with different pitches and orient
6、ations which are sensitive to wavefront aberrations can decrease the propagation of errors in Zernike coefficients, so that the aberration metrology method maintains a high accuracy estimate of wavefront. In a word, the optimization method of binary grating mask is crucial in aerial image based aber
7、ration measurement techniques. According to partial coherent illumination theory and the wavefront aberrations concept, methods and the detection processes for in-situ aberration measurement in optical lithographic systems are generalized by combining the imaging models and the inverse problem of Ze
8、rnike coefficients. Based on error propagation theory and sensitivity analysis, the cost functions of the optimization problem for different conditions are proposed individually by analysis the sensitivity of optic aberrations to TCC (transmission cross coefficient) and aerial image intensity. Takin
9、g coherent source illumination condition as an example, a suitable optimization method is selected from comparing the Constraint Optimal Direct Method and Constraint Optimal Indirect Method. And the results for partial coherent illumination are shown in this paper using the selected method. The opti
10、mization process is calculated by Matlab programming and the simulator Prolith. Meanwhile, the aberration measurement results for optimized masks and the random masks are compared in each illumination source separately. The accuracy of simulation work has demonstrated that the results obtained by th
11、e optimized grating masks are much better than those by the random ones. The results verify the feasibility of the optimization method. Keywords: wavefront aberrations, in-situ aberration measurement, binary grating mask, mask optimization method 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中
12、已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2011 年 1 月 17 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文
13、作者签名： 指导教师签名： 日期：2011 年 1 月 17 日 日期：2011 年 1 月 17 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源课题来源 本学位论文开展的研究工作，受到了国家 863 重大专项课题“光刻机投影物镜 波像差检测理论与方法”的资助，是该课题研究的重要组成部分。本论文研究还受 到国家自然科学基金（91023032, 51005091, 50775090） 、中央高校基本科研业务费专 项资金（2010ZD004）和新世纪优秀人才支持计划（N
14、CET-06-0639）的资助。 1.2 选选题题意义及意义及背景背景 随着特征尺寸的逐步缩小，光刻技术已成为半导体制造中的关键技术。其中， 光刻机投影物镜的波像差1-4是影响步进扫描投影光刻机性能的重要指标。它直接影 响到光刻机成像质量、光刻分辨率以及关键尺寸(CD, Critical Dimension)均匀性等关 键指标，因此光刻机投影物镜波像差是光刻机最主要的检测指标之一5-9。 按照摩尔定律高速发展的半导体产业中，为了提高光刻分辨率，光刻机投影物 镜的数值孔径(NA, Numerical Aperture)正逐步逼近其制造极限。在超高数值孔径下， 为保证成像质量、光刻分辨率以及 CD
15、 均匀性等关键指标，要求投影物镜的波像差 小于 10m（即对于 193nm 深紫外投影光源而言，应小于 2nm） ，这就要求波像差检 测精度更高，从而对波像差检测方法提出了更高的要求。目前已有的像质检测方法 无法获得波像差 Zernike 多项式中的高阶系数或者高阶系数的精度较低， 在投影物镜 波像差及其检测精度的要求不断提高的今天，必须进一步发展并完善新的波像差检 测原理和方法。 由于二元光栅掩模4, 10,11具有制造方便且成本较低的优点， 其被广泛应用于基于 空间像的投影物镜波像差在线检测技术。波像差在线检测技术12-27的核心在于在工 件台上集成有可以进行光电转换的传感器，并通过信号分
16、析模块实时处理检测数据， 快速、精确的重构得到投影物镜的波像差。二元光栅掩模标记决定了波像差在线检 测技术的灵敏度28-34及其误差传播率35-39。一套对波像差灵敏的二元光栅掩模标记 可以降低在线检测误差传播率，从而提高波像差检测的精度，改善波像差在线检测 技术。因此，在基于二元光栅掩模标记的投影物镜波像差在线检测技术中，二元光 栅掩模标记优化设计是其核心问题之一。 用于波像差检测的二元光栅掩模优化主要包括两个方面：目标函数的提出及优 化方法的选择。本文利用部分相干成像的基本原理40及波像差理论，研究了完全相 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 2 干照明和部分相干照明情况下波像差在线检测技术的一般原理及其对应的检测流 程。基于误差传播原理和灵敏度分析方法，对不同情况下的在线检测方法进行波像 差协方差分析41-42及
