光刻物鏡極平衡的綜合調(diào)制

光刻物鏡極平衡的綜合調(diào)制

1光仿真結(jié)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(píng)估光刻光源傅立葉譜光譜光譜的曝光強(qiáng)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(xué)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(chǎn)生的遠(yuǎn)心誤差。它們對光瞳極平衡性的調(diào)制效果也不盡相同:其中因素1)主要影響各視場點(diǎn)光瞳強(qiáng)度的對比度差異,尤以對軸外視場點(diǎn)的影響最為顯著,但對角空間光瞳的旋轉(zhuǎn)對稱性分布不產(chǎn)生任何影響;而因素2)中的裝調(diào)失配(尤其是傾斜與偏心失配)將對旋轉(zhuǎn)對稱性產(chǎn)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(yuǎn)心度與物鏡的物方遠(yuǎn)心度設(shè)計(jì)值存在差異,匹配后所引入的像方遠(yuǎn)心誤差將重新定義成像光錐的指向,這將產(chǎn)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(yuǎn)心匹配誤差與極平衡分別為兩個(gè)相對獨(dú)立的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,但業(yè)內(nèi)并無明確界定。極平衡性指標(biāo)主要評(píng)價(jià)由因素1)與因素2)對光瞳分布的貢獻(xiàn),而事實(shí)上,遠(yuǎn)心匹配誤差將對所有視場(FOV)點(diǎn)的光瞳極平衡性進(jìn)行二次調(diào)制,使之在原有分布的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)附加的光瞳偏心。這樣,因素2)與因素3)對極平衡性的貢獻(xiàn)將耦合在一起而無法分辨,系統(tǒng)的遠(yuǎn)心度指標(biāo)也難以從極平衡性的測量結(jié)果中直接反演出來。光刻物鏡的物方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)值要與照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)心相匹配才能有效約束整個(gè)曝光系統(tǒng)的遠(yuǎn)心度。物鏡名義上為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng),其物、像方均應(yīng)具備理想遠(yuǎn)心,但受制于物鏡設(shè)計(jì)水平以及照明系統(tǒng)在掩模面的遠(yuǎn)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(yuǎn)心偏差,通常為毫弧度量級(jí)。該遠(yuǎn)心偏差不僅對成像對比度產(chǎn)生影響,而且引起光瞳強(qiáng)度質(zhì)心的偏移,在系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)將與光瞳強(qiáng)度測量結(jié)果發(fā)生耦合,繼而干擾光瞳極平衡性指標(biāo)正確測量。因此,有必要將被遠(yuǎn)心所調(diào)制的這部分光瞳分布進(jìn)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(yuǎn)心度和極平衡性指標(biāo)。本文在仿真層面,對光瞳指標(biāo)的遠(yuǎn)心偏差予以解耦和標(biāo)定。針對數(shù)值孔徑(NA)0.75物鏡設(shè)計(jì)方案的光瞳仿真結(jié)果,通過Matlab外部程序調(diào)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CodeV對光瞳數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦運(yùn)算。分別采用遠(yuǎn)心標(biāo)定和質(zhì)心標(biāo)定兩種方法對極平衡指標(biāo)進(jìn)行修正與評(píng)價(jià),并對結(jié)果進(jìn)行分析比較。2光度指數(shù)與遠(yuǎn)心度的結(jié)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(qiáng)技術(shù),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(qiáng)度對稱性的一個(gè)強(qiáng)力約束。合格的投影光刻系統(tǒng),其全視場所有視場點(diǎn)均須具備良好的光強(qiáng)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(diǎn)輻強(qiáng)度分布,坐標(biāo)軸H和V將角平面劃分為四個(gè)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(yīng)的,可將極平衡劃分為H方向、V方向和四象限(Quad)共三個(gè)指標(biāo),分別表征光瞳面正負(fù)場間及象限間的光強(qiáng)偏差?？啥x極平衡性的一種評(píng)價(jià)方法式中是角平面中第i個(gè)區(qū)域的光強(qiáng)積分,i可根據(jù)角平面劃分方法對號(hào)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(yán)格。2.2光瞳的三維光野對于曝光系統(tǒng)的遠(yuǎn)心度,可從能量質(zhì)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(yīng)的遠(yuǎn)心度在數(shù)值上存在一定差異。嚴(yán)格來講,以能量質(zhì)心定義的遠(yuǎn)心度應(yīng)更為準(zhǔn)確,但由于研究對象為遠(yuǎn)心度耦合前后的光強(qiáng)分布的相對變化,因此以何種方式定義遠(yuǎn)心度并不影響光瞳指標(biāo)的解耦與標(biāo)定。因此,以視場點(diǎn)成像主光線與系統(tǒng)光軸的夾角定義為該視場點(diǎn)的遠(yuǎn)心度。攜帶照明系統(tǒng)遠(yuǎn)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(yuǎn)心度。圖2為光學(xué)系統(tǒng)子午面內(nèi)遠(yuǎn)心度傳遞示意圖,其中物、像方光錐中心實(shí)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(yuǎn)心方向。在數(shù)值孔徑約束下的成像光錐,將以像點(diǎn)F′i為轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生一個(gè)微小的偏轉(zhuǎn)角度θ′i,于是,F′i視場點(diǎn)的光強(qiáng)探測方向與實(shí)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(qiáng)的探測方向受到遠(yuǎn)心度匹配方向的調(diào)制,其角度偏差即為光錐轉(zhuǎn)軸與系統(tǒng)光軸的夾角θ′i,即子午面的像方遠(yuǎn)心度。三維情況下,如圖3所示,硅片面上,cone1′為理想遠(yuǎn)心光錐,其對稱軸指向?yàn)楣鈴?qiáng)探測方向;cone2′為受到遠(yuǎn)心度調(diào)制的實(shí)際成像光錐,其對稱軸指向?yàn)閷?shí)際的光強(qiáng)投影方向。兩轉(zhuǎn)軸之間的夾角為θ′i,可進(jìn)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(guān)系對硅片面光強(qiáng)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行取向修正,可剔除遠(yuǎn)心度的影響,解調(diào)得到光瞳數(shù)據(jù)。一種極端情況,cone2′對應(yīng)最大孔徑角時(shí),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(shí)上,光錐的傾斜不足以產(chǎn)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(diào)制,不會(huì)充滿孔徑光闌?？赏ㄟ^兩種技術(shù)路線獲得ΔH和ΔV。第一種,通過計(jì)算像方遠(yuǎn)心度繼而分解為子午方向和弧矢方向的遠(yuǎn)心分量;第二種:通過輻射強(qiáng)度的質(zhì)心位置標(biāo)定直接獲取。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CodeV的內(nèi)建算法可獲得子午與弧矢方向的遠(yuǎn)心度分量。已知掩模面共軛視場點(diǎn)坐標(biāo)(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(xué)結(jié)構(gòu)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(diào)用CodeV執(zhí)行宏語言命令而求解得到。對于光強(qiáng)質(zhì)心(H0,V0)的標(biāo)定,可直接從非序列光線追跡的原始結(jié)果出發(fā),對數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行行列積分:通過列向積分獲取橫向質(zhì)心坐標(biāo)H0,通過行向積分獲取縱向質(zhì)心坐標(biāo)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(dá)的是遠(yuǎn)心調(diào)制后的光瞳信息,需通過自編程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解耦,剔除遠(yuǎn)心誤差,再計(jì)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(jìn)行調(diào)用。該外部程序具有較高的執(zhí)行效率,其核心價(jià)值體現(xiàn)在角分辨率的增強(qiáng)功能上,通過三階插值的方式充分提高原始光瞳強(qiáng)度矩陣的角分辨率,從而獲得期望的計(jì)算精度。程序流程圖如圖4所示。1)調(diào)用CodeV計(jì)算子午和弧矢方向的像方遠(yuǎn)心度ΔH和ΔV。2)載入預(yù)存的LightTools光瞳強(qiáng)度矩陣,該矩陣表征特定視場點(diǎn)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(qiáng)質(zhì)心坐標(biāo)(H0,V0)。3)采用三階插值算法對光瞳矩陣進(jìn)行角分辨率增強(qiáng)。4)將光強(qiáng)網(wǎng)格分別按照遠(yuǎn)心和質(zhì)心的標(biāo)定方法進(jìn)行數(shù)據(jù)平移,分別得到基于質(zhì)心解耦和遠(yuǎn)心解耦后的光瞳矩陣,并對中間結(jié)果進(jìn)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(jìn)一步增強(qiáng)角分辨率。3物方遠(yuǎn)心調(diào)查和分析以一套NA0.75投影光刻物鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為實(shí)例,分析遠(yuǎn)心誤差對光瞳指標(biāo)的擾動(dòng)并予以解耦,繼而驗(yàn)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(zhì)報(bào)表如圖6所示,初始像質(zhì)為全場最大波像差均方根(RMS)為0.9nm,最大質(zhì)心矯正畸變?yōu)?.7nm。物方、像方遠(yuǎn)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(shí)線為像方遠(yuǎn)心度,虛線代表物方遠(yuǎn)心度。易見,在物方遠(yuǎn)心1.8mrad的輸入條件下,像方遠(yuǎn)心可約束在0.3mrad以內(nèi)。參考遠(yuǎn)心度分布趨勢,采樣點(diǎn)選擇在遠(yuǎn)心度極值點(diǎn)附近。由于步進(jìn)掃描光刻機(jī)在掃描狀態(tài)時(shí)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(yīng)遵從梯形分布。但考慮掃描視場范圍內(nèi)的積分效應(yīng),將瞬時(shí)視場按均勻分布處理。因此從旋轉(zhuǎn)對稱性出發(fā),并結(jié)合圖7所示的遠(yuǎn)心度極值點(diǎn)位置,視場采樣點(diǎn)選擇在位于半對角線上的0視場點(diǎn)F′0、半口徑視場點(diǎn)F′1和邊緣視場點(diǎn)F′2,如圖8(a)所示。3.1結(jié)構(gòu)方程與光仿真模型由于光瞳強(qiáng)度矩陣攜帶光學(xué)系統(tǒng)的特征信息,因此在LightTools仿真層面需進(jìn)行周詳?shù)囊?guī)劃,使得通過照明仿真所獲取的光瞳強(qiáng)度數(shù)據(jù)能夠最大限度反映物理實(shí)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(jìn)行了較為詳盡的設(shè)置。關(guān)于掩模圖形的空間信息,考慮到二值掩模下即便產(chǎn)生顯著的衍射頻譜像,也不改變光瞳的分布對稱性。同時(shí),衍射效應(yīng)的引入還會(huì)引起背景噪聲的增強(qiáng),反而影響極平衡性的正確判斷。因此暫不考慮衍射效應(yīng),掩模空載,物方不含空間頻率信息。照明模式選取四極離軸照明,同時(shí)為充分彰顯X、Y兩個(gè)方向上遠(yuǎn)心耦合的影響,特采用位于XY坐標(biāo)軸上的四極模式,以增加極平衡指標(biāo)對光瞳偏心的敏感性。四極模式強(qiáng)度角分布如圖8(b)所示。關(guān)于物鏡的體特性,參考融石英材質(zhì)的獨(dú)特屬性,對其體吸收、體散射等參量均進(jìn)行了恰當(dāng)?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(dá)透過、反射與散射機(jī)制。體特性與表面特性將轉(zhuǎn)化為單視場點(diǎn)光瞳能量的各向異性,同時(shí)彰顯不同視場點(diǎn)間的極平衡性差異。對數(shù)據(jù)分析原因:軸上視場點(diǎn)質(zhì)心偏移由于非序列追跡的統(tǒng)計(jì)殘差導(dǎo)致,邊緣視場點(diǎn)的質(zhì)心偏移是遠(yuǎn)心誤差與透射率不均勻性共同作用的結(jié)果。因此,質(zhì)心標(biāo)定的方法將遠(yuǎn)心度與透射率均勻性耦合在一起,不利于指標(biāo)的區(qū)分評(píng)價(jià),選擇遠(yuǎn)心度解耦的方法提純遠(yuǎn)心度貢獻(xiàn)與其他項(xiàng)的貢獻(xiàn)。3.2遠(yuǎn)心、質(zhì)心標(biāo)定的極平衡以基于遠(yuǎn)心標(biāo)定和質(zhì)心標(biāo)定的兩條技術(shù)路線對光瞳數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦。遠(yuǎn)心解耦過程,以物方理想遠(yuǎn)心作為輸入條件,通過CodeV序列追跡獲得重新定位的像方遠(yuǎn)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(yuǎn)心度。在與圖所示7的設(shè)計(jì)值比較后不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)掩模面的照明光束遠(yuǎn)心度與物鏡遠(yuǎn)心度設(shè)計(jì)值存在數(shù)值為ΔTobj的偏差時(shí),像方遠(yuǎn)心度的匹配值與設(shè)計(jì)值亦產(chǎn)生偏差,記該差值為ΔTimg,則有如下關(guān)系成立:式中M為系統(tǒng)倍率。進(jìn)一步分析變化規(guī)律可知,像方遠(yuǎn)心度隨物方遠(yuǎn)心度在較大范圍內(nèi)保持線性變化。圖9(b)中,分別表征像方視場點(diǎn)F′1、F′2在相同的物方遠(yuǎn)心調(diào)制下以相同斜率發(fā)生變化,說明像方遠(yuǎn)心度隨物方遠(yuǎn)心度呈線性變化,且斜率不隨空間位置即視場點(diǎn)的不同而發(fā)生改變。分別采用計(jì)算遠(yuǎn)心度和搜索質(zhì)心的方法對光瞳矩陣進(jìn)行標(biāo)定,結(jié)果如表1所示。可見兩種方法得到的調(diào)整目標(biāo)ΔH和ΔV均不盡相同。究其原因主要有兩方面:首先,質(zhì)心標(biāo)定過程中雖矯正了遠(yuǎn)心度的偏差,但同時(shí)將鏡片材料與膜系所引起的單視場光強(qiáng)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(chǎn)生高頻噪聲。采用2×109非序列光線追跡,確保在增強(qiáng)角空間分辨率的同時(shí)降低高頻噪聲。同時(shí)采用角分辨率增強(qiáng)技術(shù),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(qiáng)后優(yōu)于0.17mrad。分別依據(jù)遠(yuǎn)心和質(zhì)心標(biāo)定的光瞳矩陣對極平衡性指標(biāo)進(jìn)行解耦,解耦前的結(jié)果及兩種解耦方式對應(yīng)的解耦結(jié)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(jìn)行直觀表達(dá),如圖10所示?？梢?解耦后的極平衡性較原始結(jié)果有較大的提升。對于遠(yuǎn)心解耦方式下的極平衡,軸上視場不受遠(yuǎn)心度調(diào)制,標(biāo)定前后基本無差異;軸外視場點(diǎn)F′1和F′2的遠(yuǎn)心度相當(dāng),因此解耦前后各項(xiàng)極平衡指標(biāo)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(dá)F′1和F′2在遠(yuǎn)心解耦前后光瞳強(qiáng)度在角空間的形貌分布,其中實(shí)心曲面表征解耦后的光強(qiáng),網(wǎng)格面表征解耦前的光強(qiáng),按從左至右的順序?qū)馔珡?qiáng)度進(jìn)行局部放大,二者間的錯(cuò)位代表遠(yuǎn)心調(diào)制過程中光瞳的偏移量。可見遠(yuǎn)心度標(biāo)定方法對極平衡的遠(yuǎn)心調(diào)制成分的分離是行之有效的。視場點(diǎn)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(diào)制。對于質(zhì)心解耦方式下的極平衡,由于補(bǔ)償了各種因素下光瞳質(zhì)心的偏移,因此其解耦結(jié)果本應(yīng)更為理想,但從數(shù)據(jù)上并未反映出明顯優(yōu)勢,結(jié)果與遠(yuǎn)心標(biāo)定相當(dāng)。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(guān)系。綜上,從光瞳調(diào)制機(jī)理和指標(biāo)針對性管控的角度出發(fā),應(yīng)選擇遠(yuǎn)心標(biāo)定方法解耦極平衡性指標(biāo),該方法可以從作用機(jī)理上將極平衡的各向影響因素的獨(dú)立貢獻(xiàn)量清晰地分解出來,有利于針對性的在設(shè)計(jì)、裝調(diào)及系統(tǒng)集成各環(huán)節(jié)中準(zhǔn)確把握光瞳的劣化方向與幅值,尋求對應(yīng)的補(bǔ)償時(shí)機(jī)和方法。4遠(yuǎn)心解耦技術(shù)路線仿真與結(jié)果照明系統(tǒng)和物鏡匹配后的遠(yuǎn)心對光瞳分布具有顯著影響。闡述了將遠(yuǎn)心調(diào)制因素從極平衡指標(biāo)中解耦出來的