【摘要】：光刻技術(shù)是集成電路制造中的一種精密的微細(xì)加工技術(shù),它決定著一個(gè)國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而投影光刻物鏡是光刻設(shè)備中的核心組件,用于完成圖形從掩模到硅片上的傳遞,其成像質(zhì)量會(huì)直接影響光刻機(jī)的特征線寬。光學(xué)傳遞函數(shù)雖然可以評(píng)價(jià)鏡頭的成像質(zhì)量,但是投影光刻物鏡屬于極小像差光學(xué)系統(tǒng),只有通過波像差檢測的手段才能準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)的像質(zhì)。面向高NA高精度投影光刻物鏡的研制,超高精度的系統(tǒng)波像差檢測設(shè)備可以為物鏡的裝調(diào)提供指導(dǎo)意義。國外的三大光刻物鏡制造廠商均有自主研發(fā)的光刻物鏡系統(tǒng)波像差檢測方法,分為以下三類:哈特曼-夏克(H-S)法、點(diǎn)衍射干涉法和光柵剪切干涉法。這三類方法是對(duì)波前斜率或波前曲率的測量,不需要考慮高精度參考面加工帶來的難題。但是對(duì)于193nm工作波長的高NA光刻物鏡系統(tǒng)波像差檢測,H-S法的檢測精度受到限制,很難實(shí)現(xiàn)亞納米的檢測精度;點(diǎn)衍射法所需的針孔空間濾波器的直徑會(huì)隨著波長減小而減小,很難獲取到理想的球面波前;而光柵剪切法原理簡單,容易在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)設(shè)備搭建。用計(jì)算機(jī)軟件完成復(fù)雜的波前重構(gòu)后,光柵剪切法可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)檢測精度的要求。因此,論文根據(jù)國內(nèi)的迫切需要,開展光刻物鏡系統(tǒng)波像差橫向剪切干涉絕對(duì)檢測方法的研究工作,為實(shí)現(xiàn)光刻物鏡系統(tǒng)波像差超高精度檢測提供理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法。具體研究內(nèi)容如下:(1)研究了適用于橫向剪切干涉的旋轉(zhuǎn)絕對(duì)檢測方法,在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)誤差變化量和旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系,提出了三步平均算法和加權(quán)三步平均算法;仿真中用恒定系統(tǒng)誤差和存在偏心誤差這兩種情況,驗(yàn)證了算法的精度;實(shí)驗(yàn)通過傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)法得到系統(tǒng)波像差RMS的檢測精度為0.91nm,而三步平均算法和加權(quán)三步平均算法的計(jì)算結(jié)果分別可以達(dá)到0.71nm和0.54nm。(2)針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的偏心問題,提出了一種抑制偏心誤差影響的兩步算法。該算法先通過旋轉(zhuǎn)平均法確定偏心誤差最小的角度位置,再通過最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度的選擇來使偏心誤差的影響降到最小;仿真用有無偏心誤差影響的兩種情況證明了算法的有效性;實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明,誤差免疫法采用的角度(90°,135°和180°)位置獲得的系統(tǒng)波像差數(shù)據(jù)與初始位置的殘差圖RMS分別為2.01nm、4.89nm和7.78nm;而兩步算法采用角度(315°和90°)獲得的數(shù)據(jù)與初始位置殘差圖RMS為1.46nm和4.16nm。對(duì)兩步算法標(biāo)定物鏡旋轉(zhuǎn)一周在各個(gè)角度位置的系統(tǒng)波像差不確定度矩陣進(jìn)行評(píng)估,其標(biāo)準(zhǔn)差為2nm。(3)針對(duì)物鏡在所有旋轉(zhuǎn)測量角度位置的偏心問題,提出了基于旋轉(zhuǎn)測量偏心量的擬合算法:先利用偏心影響小的角度通過單次旋轉(zhuǎn)法擬定出物鏡系統(tǒng)波像差的真實(shí)值,再利用最小二乘法補(bǔ)償出物鏡在各個(gè)角度位置的系統(tǒng)波像差。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證,新算法標(biāo)定物鏡旋轉(zhuǎn)一周在各個(gè)角度位置的系統(tǒng)波像差不確定度矩陣的標(biāo)準(zhǔn)差為0.097nm。與兩步算法相比,新算法可以有效地抑制偏心影響。
【圖文】：

圖 1.1ASML 的雙工作臺(tái) Twinscan 光刻機(jī)結(jié)構(gòu)圖Figure 1.1 Schematic of Twinscan mask aligners manufactured by ASML光刻物鏡的成像質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，將直接影響光刻的特征線寬aracteristic Linewidth)。其分辨率決定了芯片的節(jié)點(diǎn)(node)尺寸，可以表示為：R kNA ...（1.1）其中 R 代表光刻物鏡的分辨率，k 是光刻的工藝因子，λ 是光刻物鏡的工作，NA 是數(shù)值孔徑。由式(1.1)可以看出，光刻物鏡正朝著高數(shù)值孔徑，小工子和工作波長的方向發(fā)展。光刻物鏡是一個(gè)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，其整個(gè)研制過程必然要經(jīng)過以下主要步驟：最初由軟件設(shè)計(jì)出來的光學(xué)系統(tǒng)，一般都會(huì)提供每個(gè)光學(xué)元件的指標(biāo)，比如它的面形、曲率半徑、數(shù)值孔徑、光學(xué)材料以及不同元件的公差；在此之后，光學(xué)車間會(huì)根據(jù)說明書上提供的各類光學(xué)元件的指標(biāo)對(duì)零件通

圖 1.2 Nikon 公司研制的光刻物鏡Figure 1.2 Lithography lens manufactured by Nikon Corp1.1.2 光刻物鏡系統(tǒng)波像差檢測的意義為了更清楚地闡述光刻物鏡系統(tǒng)波像差檢測[9-14]的意義，首先引入波前念。光的波前是指光在介質(zhì)中傳播的時(shí)候，，在某一時(shí)候剛開始移動(dòng)的點(diǎn)所組面，可以說是一種波陣面（在波動(dòng)過程中，我們把波陣面當(dāng)中傳播在最前面陣面叫做波前。所以任意時(shí)刻都只有一個(gè)波前）。它代表著此刻光能量所達(dá)空間位置，相同波前上的各點(diǎn)都具有相同的相位。在幾何光學(xué)中，我們可以把光線看作波陣面的法線，所以從物點(diǎn)發(fā)出的光束相當(dāng)于球面波。這個(gè)球面波經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的時(shí)候，它的曲率發(fā)生了改變?nèi)绻@是一個(gè)理想的光學(xué)系統(tǒng)，它則會(huì)形成另外一個(gè)球面波。在實(shí)際的光學(xué)中都會(huì)存在著或多或少的像差，經(jīng)過它的出射波面也都會(huì)發(fā)生變形。我們把波面與理想波面之間發(fā)生的偏離稱為波像差(Wavefront Aberration)，也可以
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN405

【參考文獻(xiàn)】

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1 盧丙輝;劉國棟;孫和義;劉炳國;陳鳳東;;微球表面形貌檢測中的偏心誤差分析與修正[J];光學(xué)精密工程;2015年10期

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本文編號(hào)：2688724