[发明专利]一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法

说明书

技术领域

本发明涉及的一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，用于光刻机硅片的高精度调平调焦，属于微电子设备及微细加工领域。

背景技术

以大规模集成电路为核心的微电子技术的快速发展，对微细加工及微纳检测技术提出了新的要求。自1978年美国推出第一台商业化的投影式光刻机，光学投影曝光作为应用领域最广、技术更新快和生命力强的微细加工技术，是驱动微电子技术进步的核心。物镜的分辨力和焦深是影响投影曝光系统的关键参数，根据瑞利判据，计算物镜分辨力和焦深为：

R＝k₁λ/NA

DOF＝k₂λ/NA²

提高投影光刻的分辨力主要通过使用波长越来越短的曝光光源和提高物镜系统的数值孔径NA来实现。目前投影光刻机曝光波长λ从紫外光源(g线、i线)、深紫外(ArF)，向极紫外(EUV)方向发展；投影物镜NA从早期的0.2、0.8发展到浸没式投影光刻的1.35以上。光刻分辨力的提高是以牺牲焦深为代价，随着光刻分辨力的提高，投影物镜系统的焦深急剧减小，虽然采用分辨力增强技术可进一步提高分辨力，但对焦深的改善有限。因此，高精度光刻机对系统的调焦精度提出了新的要求。

光刻机中的调平调焦测量传感器多采用光学传感技术，具有快捷性、非接触性等特点。早期投影光刻机中，由于焦深较长，多采用光度检焦和CCD检焦技术。利用狭缝成像，通过计算狭缝在探测器中的位移变化计算硅片的离焦量。这两类检测方法总体上测量系统较简单，操作简便易行；但测量精度偏低，不能满足高精度光刻对检焦的需求。

随着光刻系统分辨力的提高及曝光视场的增大，调平调焦测量系统进一步采用多点检测原理，通过测量多点的高度值可计算出硅片的倾斜量。其中，以日本Nikon公司为主，光源出射光经过狭缝列阵后被硅片表明反射，成像于探测器上。当硅片处于理想状态时，成像光斑位于四象限探测器中心，四个象限的光强相等。检测系统采用狭缝阵列，通过扫描测量能覆盖整个曝光视场；但需进一步优化检测算法以提高其检测精度。

随着上世纪光栅检测技术的发展，基于光栅Talbot效应产生的莫尔条纹检测技术也被应用于投影光刻系统的检焦测量。当两个周期相当的衍射光栅间距满足Talbot距离时，两光栅产生莫尔条纹。当光栅和探测器相对位置不变的情况下，硅片位置的变化引起莫尔条纹信号发生变化，通过测量莫尔条纹变化信息可完成硅片离焦量测量。该方法虽具有较高的检测精度；但系统抗干扰能力较弱，对环境有较高的要求。

总体而言，目前报道的检焦方法，系统抗干扰能力不高；在大面积曝光系统中不能兼顾检焦精度和效率。针对投影光刻机未来的高分辨力、大视场发展需求，本发明介绍一种基于二维双频光栅剪切干涉的检焦方法，满足光刻机的精度和测量效率要求。

发明内容

本发明提出一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，适用于各类光刻机的高精度调平调焦。基于剪切干涉原理，本发明所述的检焦方法优势表现在：采用共光路剪切干涉测量，测量环境对系统影响较小，在无防震条件下可产生清晰条纹，具有较高的抗干扰能力；共光路系统采用自比较干涉，无需参考面，系统结构简单；测量灵敏度高，应用范围广泛。

本发明采用的技术方案为：一种基于二维双频光栅剪切干涉的纳米级检焦方法，其特征在于：检焦系统由光源及扩束准直系统、二维双频光栅G1、第一透镜L1和第二透镜L2组成的前置物镜组Ⅰ、第三透镜L3和第四透镜L4组成的后置物镜组Ⅱ组成。光源出射光经过准直扩束后以平面波前入射二维双频光栅G1，二维双频光栅G1同级次的高频衍射光束和低频衍射光束产生微小错位，形成剪切干涉。经过前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ后，携带有硅片不同区域的高度信息的光束在CCD探测器中干涉成像，通过测量不同区域干涉条纹的位相差完成其对应的高度测量，从而完成硅片的检焦测量。

所述的检焦方法，其特征在于：前置物镜组Ⅰ和后置物镜组Ⅱ构成一个4f系统，硅片位于其共焦面。

所述的检焦方法，其特征在于：当被测面(即硅片面)位于4f系统的共焦面时，双频光栅的高频和低频衍射光束产生“拍频”，剪切区域由两束斜入射的平面波前干涉产生干涉条纹；当被测面处于离焦位置或硅片不同位置存在起伏时，剪切区域由球面波前产生“拍频”形成干涉条纹，根据条纹位相差异完成检焦测量。

所述的检焦方法，其特征是：利用傅里叶光学理论分析双频光栅剪切干涉测量的条纹分布。