光刻物鏡極平衡的綜合調制

光刻物鏡極平衡的綜合調制

1光仿真結果分析對于深度紫外的光刻成像，光瞳孔的極端平衡指數(shù)用于評估光刻光源傅立葉譜光譜光譜的曝光強度的對稱性和平整性。影響因素主要包括：1）材料和膜層的透射率的均勻性；2）光學元件的安裝和制造缺陷；3）在照明系統(tǒng)和物鏡匹配過程中，產生的遠心誤差。它們對光瞳極平衡性的調制效果也不盡相同:其中因素1)主要影響各視場點光瞳強度的對比度差異,尤以對軸外視場點的影響最為顯著,但對角空間光瞳的旋轉對稱性分布不產生任何影響;而因素2)中的裝調失配(尤其是傾斜與偏心失配)將對旋轉對稱性產生重要影響,表現(xiàn)為光瞳形狀的整體偏移;對于因素3),在照明系統(tǒng)與物鏡系統(tǒng)集成過程中,由于照明系統(tǒng)在掩模面的遠心度與物鏡的物方遠心度設計值存在差異,匹配后所引入的像方遠心誤差將重新定義成像光錐的指向,這將產生與因素2)相類似的光瞳形狀的整體偏移。曝光系統(tǒng)的遠心匹配誤差與極平衡分別為兩個相對獨立的評價準則,但業(yè)內并無明確界定。極平衡性指標主要評價由因素1)與因素2)對光瞳分布的貢獻,而事實上,遠心匹配誤差將對所有視場(FOV)點的光瞳極平衡性進行二次調制,使之在原有分布的基礎上產生一個附加的光瞳偏心。這樣,因素2)與因素3)對極平衡性的貢獻將耦合在一起而無法分辨,系統(tǒng)的遠心度指標也難以從極平衡性的測量結果中直接反演出來。光刻物鏡的物方遠心設計值要與照明系統(tǒng)的遠心相匹配才能有效約束整個曝光系統(tǒng)的遠心度。物鏡名義上為雙遠心系統(tǒng),其物、像方均應具備理想遠心,但受制于物鏡設計水平以及照明系統(tǒng)在掩模面的遠心輸入,在照明系統(tǒng)與投影物鏡的光路匹配過程中將在像方(硅片)引入遠心偏差,通常為毫弧度量級。該遠心偏差不僅對成像對比度產生影響,而且引起光瞳強度質心的偏移,在系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)將與光瞳強度測量結果發(fā)生耦合,繼而干擾光瞳極平衡性指標正確測量。因此,有必要將被遠心所調制的這部分光瞳分布進行解耦,通過數(shù)值處理方法從已耦合的仿真或測量數(shù)據(jù)中分離遠心度和極平衡性指標。本文在仿真層面,對光瞳指標的遠心偏差予以解耦和標定。針對數(shù)值孔徑(NA)0.75物鏡設計方案的光瞳仿真結果,通過Matlab外部程序調用光學設計軟件CodeV對光瞳數(shù)據(jù)進行解耦運算。分別采用遠心標定和質心標定兩種方法對極平衡指標進行修正與評價,并對結果進行分析比較。2光度指數(shù)與遠心度的結合和分解2.1角平面劃分方法離軸照明模式用于分辨率增強技術,光瞳極平衡性即是對物鏡照明模式特別是離軸照明模式的輻射強度對稱性的一個強力約束。合格的投影光刻系統(tǒng),其全視場所有視場點均須具備良好的光強一致性,以保障刻線的對比度及分辨率。圖1為光瞳角空間的一種劃分方法,表征硅片上任一視場點輻強度分布,坐標軸H和V將角平面劃分為四個象限。其中象限1、4合為H+區(qū)域,2、3象限合為H-區(qū)域,1、2合為V+區(qū)域,3、4合為V-區(qū)域。相應的,可將極平衡劃分為H方向、V方向和四象限(Quad)共三個指標,分別表征光瞳面正負場間及象限間的光強偏差。可定義極平衡性的一種評價方法式中是角平面中第i個區(qū)域的光強積分,i可根據(jù)角平面劃分方法對號入座,例如,對于H方向極平衡性劃分為H+、H-;對于V方向極平衡性劃分為V+、V-;對于Quad極平衡性劃分為1、2、3、4。一般,極平衡性需低于4%,對于高NA物鏡則要求更為嚴格。2.2光瞳的三維光野對于曝光系統(tǒng)的遠心度,可從能量質心或成像主光線的層面給出不同的定義,且不同定義下所對應的遠心度在數(shù)值上存在一定差異。嚴格來講,以能量質心定義的遠心度應更為準確,但由于研究對象為遠心度耦合前后的光強分布的相對變化,因此以何種方式定義遠心度并不影響光瞳指標的解耦與標定。因此,以視場點成像主光線與系統(tǒng)光軸的夾角定義為該視場點的遠心度。攜帶照明系統(tǒng)遠心度的入射光光束將在掩模面重新定義物鏡的物主光線方向,繼而經(jīng)物鏡傳遞,重新定義曝光系的像方遠心度。圖2為光學系統(tǒng)子午面內遠心度傳遞示意圖,其中物、像方光錐中心實線分別代表物、像方主光線方向;虛線代表平行于光軸的理想遠心方向。在數(shù)值孔徑約束下的成像光錐,將以像點F′i為轉動中心產生一個微小的偏轉角度θ′i,于是,F′i視場點的光強探測方向與實際能量傳輸方向(光錐主光線方向)就發(fā)生了偏離,表現(xiàn)為光瞳偏心。光強的探測方向受到遠心度匹配方向的調制,其角度偏差即為光錐轉軸與系統(tǒng)光軸的夾角θ′i,即子午面的像方遠心度。三維情況下,如圖3所示,硅片面上,cone1′為理想遠心光錐,其對稱軸指向為光強探測方向;cone2′為受到遠心度調制的實際成像光錐,其對稱軸指向為實際的光強投影方向。兩轉軸之間的夾角為θ′i,可進一步分解為水平方向的角度變化ΔH和垂直方向的角度變化ΔV。利用該角度關系對硅片面光強數(shù)據(jù)重新進行取向修正,可剔除遠心度的影響,解調得到光瞳數(shù)據(jù)。一種極端情況,cone2′對應最大孔徑角時,光錐邊緣將由于孔徑光闌的遮擋而受到裁剪,真正參與成像的光束為cone1′和cone2′的交集部分。事實上,光錐的傾斜不足以產生可觀的光瞳裁剪,而且攜帶照明信息的光瞳填充比受到部分相干因子的調制,不會充滿孔徑光闌?？赏ㄟ^兩種技術路線獲得ΔH和ΔV。第一種,通過計算像方遠心度繼而分解為子午方向和弧矢方向的遠心分量;第二種:通過輻射強度的質心位置標定直接獲取。光學設計軟件CodeV的內建算法可獲得子午與弧矢方向的遠心度分量。已知掩模面共軛視場點坐標(x′,y′,z′)及其主光線的方向余弦(L′,M′,N′),則有式中f是由物鏡光學結構與材料折射率所定義的傳遞方程。ΔH和ΔV可通過外部自定義程序調用CodeV執(zhí)行宏語言命令而求解得到。對于光強質心(H0,V0)的標定,可直接從非序列光線追跡的原始結果出發(fā),對數(shù)據(jù)矩陣進行行列積分:通過列向積分獲取橫向質心坐標H0,通過行向積分獲取縱向質心坐標V0。2.3電子線路接口由照明仿真軟件LightTools的非序列光線追跡獲得光瞳數(shù)據(jù)矩陣,該矩陣表達的是遠心調制后的光瞳信息,需通過自編程序對數(shù)據(jù)進行解耦,剔除遠心誤差,再計算獲取真正的光瞳極平衡性。采用Matlab建立外部循環(huán),以“Command”接口建立與CodeV之間的聯(lián)系并對其進行調用。該外部程序具有較高的執(zhí)行效率,其核心價值體現(xiàn)在角分辨率的增強功能上,通過三階插值的方式充分提高原始光瞳強度矩陣的角分辨率,從而獲得期望的計算精度。程序流程圖如圖4所示。1)調用CodeV計算子午和弧矢方向的像方遠心度ΔH和ΔV。2)載入預存的LightTools光瞳強度矩陣,該矩陣表征特定視場點在離軸照明模式下的光瞳分布。通過正交方向的積分獲取光強質心坐標(H0,V0)。3)采用三階插值算法對光瞳矩陣進行角分辨率增強。4)將光強網(wǎng)格分別按照遠心和質心的標定方法進行數(shù)據(jù)平移,分別得到基于質心解耦和遠心解耦后的光瞳矩陣,并對中間結果進行精度判斷,滿足精度需求則繼續(xù)執(zhí)行;否則將返回并進一步增強角分辨率。3物方遠心調查和分析以一套NA0.75投影光刻物鏡的優(yōu)化設計方案為實例,分析遠心誤差對光瞳指標的擾動并予以解耦,繼而驗證程序功能。物鏡方案如圖5所示,像方數(shù)值孔徑為0.75,工作波長為193.4nm,成像倍率-0.25。像質報表如圖6所示,初始像質為全場最大波像差均方根(RMS)為0.9nm,最大質心矯正畸變?yōu)?.7nm。物方、像方遠心度在矩形視場對角線方向的分布曲線如圖7所示,其中實線為像方遠心度,虛線代表物方遠心度。易見,在物方遠心1.8mrad的輸入條件下,像方遠心可約束在0.3mrad以內。參考遠心度分布趨勢,采樣點選擇在遠心度極值點附近。由于步進掃描光刻機在掃描狀態(tài)時要求保證掃描方向的積分輻照度分布均勻,因此其瞬態(tài)曝光輻照度應遵從梯形分布。但考慮掃描視場范圍內的積分效應,將瞬時視場按均勻分布處理。因此從旋轉對稱性出發(fā),并結合圖7所示的遠心度極值點位置,視場采樣點選擇在位于半對角線上的0視場點F′0、半口徑視場點F′1和邊緣視場點F′2,如圖8(a)所示。3.1結構方程與光仿真模型由于光瞳強度矩陣攜帶光學系統(tǒng)的特征信息,因此在LightTools仿真層面需進行周詳?shù)囊?guī)劃,使得通過照明仿真所獲取的光瞳強度數(shù)據(jù)能夠最大限度反映物理實際。因此,從掩模特性、照明模式及物鏡體特性與表面特性等方面進行了較為詳盡的設置。關于掩模圖形的空間信息,考慮到二值掩模下即便產生顯著的衍射頻譜像,也不改變光瞳的分布對稱性。同時,衍射效應的引入還會引起背景噪聲的增強,反而影響極平衡性的正確判斷。因此暫不考慮衍射效應,掩?？蛰d,物方不含空間頻率信息。照明模式選取四極離軸照明,同時為充分彰顯X、Y兩個方向上遠心耦合的影響,特采用位于XY坐標軸上的四極模式,以增加極平衡指標對光瞳偏心的敏感性。四極模式強度角分布如圖8(b)所示。關于物鏡的體特性,參考融石英材質的獨特屬性,對其體吸收、體散射等參量均進行了恰當?shù)娜≈?對于鏡片表面特性,以自定義物理膜系的方式,充分表達透過、反射與散射機制。體特性與表面特性將轉化為單視場點光瞳能量的各向異性,同時彰顯不同視場點間的極平衡性差異。對數(shù)據(jù)分析原因:軸上視場點質心偏移由于非序列追跡的統(tǒng)計殘差導致,邊緣視場點的質心偏移是遠心誤差與透射率不均勻性共同作用的結果。因此,質心標定的方法將遠心度與透射率均勻性耦合在一起,不利于指標的區(qū)分評價,選擇遠心度解耦的方法提純遠心度貢獻與其他項的貢獻。3.2遠心、質心標定的極平衡以基于遠心標定和質心標定的兩條技術路線對光瞳數(shù)據(jù)進行解耦。遠心解耦過程,以物方理想遠心作為輸入條件,通過CodeV序列追跡獲得重新定位的像方遠心度,分布如圖9(a)所示,其中幅值變化劇烈的紅色曲線表征匹配后的像方遠心度。在與圖所示7的設計值比較后不難發(fā)現(xiàn),當掩模面的照明光束遠心度與物鏡遠心度設計值存在數(shù)值為ΔTobj的偏差時,像方遠心度的匹配值與設計值亦產生偏差,記該差值為ΔTimg,則有如下關系成立:式中M為系統(tǒng)倍率。進一步分析變化規(guī)律可知,像方遠心度隨物方遠心度在較大范圍內保持線性變化。圖9(b)中,分別表征像方視場點F′1、F′2在相同的物方遠心調制下以相同斜率發(fā)生變化,說明像方遠心度隨物方遠心度呈線性變化,且斜率不隨空間位置即視場點的不同而發(fā)生改變。分別采用計算遠心度和搜索質心的方法對光瞳矩陣進行標定,結果如表1所示?？梢妰煞N方法得到的調整目標ΔH和ΔV均不盡相同。究其原因主要有兩方面:首先,質心標定過程中雖矯正了遠心度的偏差,但同時將鏡片材料與膜系所引起的單視場光強分布的各向異性也一并予以矯正;另一方面,非序列追跡光線數(shù)量與初始角分辨率之間存在制約,過高的初始分辨率將造成光線密度相對不足,產生高頻噪聲。采用2×109非序列光線追跡,確保在增強角空間分辨率的同時降低高頻噪聲。同時采用角分辨率增強技術,通過三階插值與平滑濾波,一定程度上緩解了這一矛盾,角分辨率增強后優(yōu)于0.17mrad。分別依據(jù)遠心和質心標定的光瞳矩陣對極平衡性指標進行解耦,解耦前的結果及兩種解耦方式對應的解耦結果均列于如表2,輔以柱狀圖對H方向、V方向和Quad極平衡性進行直觀表達,如圖10所示。可見,解耦后的極平衡性較原始結果有較大的提升。對于遠心解耦方式下的極平衡,軸上視場不受遠心度調制,標定前后基本無差異;軸外視場點F′1和F′2的遠心度相當,因此解耦前后各項極平衡指標的改變量也基本相同,H方向極平衡分別提高2.39%和2.57%,V方向極平衡分別提高1.03%和1.09%,Q極平衡分別提高3.43%和3.61%。圖11表達F′1和F′2在遠心解耦前后光瞳強度在角空間的形貌分布,其中實心曲面表征解耦后的光強,網(wǎng)格面表征解耦前的光強,按從左至右的順序對光瞳強度進行局部放大,二者間的錯位代表遠心調制過程中光瞳的偏移量。可見遠心度標定方法對極平衡的遠心調制成分的分離是行之有效的。視場點間的極平衡殘差的變化趨勢表明,從軸上到軸外,光瞳分布的各向異性受到材料與膜層透射率從軸上到軸外的非線性變化的調制。對于質心解耦方式下的極平衡,由于補償了各種因素下光瞳質心的偏移,因此其解耦結果本應更為理想,但從數(shù)據(jù)上并未反映出明顯優(yōu)勢,結果與遠心標定相當。究其原因,與非序列光線的追跡精度與仿真誤差存在一定關系。綜上,從光瞳調制機理和指標針對性管控的角度出發(fā),應選擇遠心標定方法解耦極平衡性指標,該方法可以從作用機理上將極平衡的各向影響因素的獨立貢獻量清晰地分解出來,有利于針對性的在設計、裝調及系統(tǒng)集成各環(huán)節(jié)中準確把握光瞳的劣化方向與幅值,尋求對應的補償時機和方法。4遠心解耦技術路線仿真與結果照明系統(tǒng)和物鏡匹配后的遠心對光瞳分布具有顯著影響。闡述了將遠心調制因素從極平衡指標中解耦出來的