1 引言

调焦调平系统是光刻机关键分系统之一^[1],用于对硅片表面高度形貌进行测量。随着光刻关键尺寸的减小,光刻机焦深控制范围越来越小。焦深控制精度是光刻机投影物镜、工件台、调焦调平等相关分系统共同影响的结果。例如,光刻机焦深控制精度要达到110 nm^[2],需要调焦调平系统的测量精度小于10 nm。

目前,国际主流光刻机供应商ASML、Nikon、Canon的调焦调平系统均基于光学三角法测量原理^[3-6]实现。调焦调平投影光学系统根据光线传输方式可分为透射式和反射式,其中Nikon IC光刻机中采用透射式投影光学系统^[4],ASML早期单工件台光刻机采用透射式双远心投影光学系统^[7],后期XT/NXT等系列双工件台光刻机则采用反射式双远心投影系统^[8]。

国内一些单位对调焦调平技术进行了研究,2007年华中科技大学李小平等^[6]在分析调焦调平传感器时使用了简化模型,将投影成像系统视为等大小倒立实像;2014年中国科学院光电技术研究所Yan等^[9]研究了调焦调平系统的投影成像系统采用4f透射式双远心系统;2016年中国科学院微电子研究所孙裕文等^[10]开展了一种基于空间分光的纳米级调焦调平测量技术研究;2017年上海交通大学庄亚政等^[11]开展基于扫描反射镜调制的调焦调平系统测试方法研究,其投影光学系统采用向甫鲁(SC)双远心成像系统,该系统由十几个透镜组件组成,像差较大,在量程两端存在较大非线性。综上所述,调焦调平系统的相关研究主要基于透射式投影系统,尚未见针对反射式投影光学系统的相关报道。

调焦调平投影光学系统要求在较宽光谱范围内,具有较小的畸变、较大的景深,传统的透射式成像系统,往往需要较多镜片,优化及安装调试都相对复杂。而Offner系统作为反射式成像系统,自身无色差,仅由两个反射镜构成,结构简单,易于集成,在光谱仪系统中已得到应用^[12]。基于以上考虑,本文在给出一种用于光刻调焦调平的反射式投影光学结构的基础上,根据调焦调平系统测量原理与像差理论,分析得到投影系统光学指标对调焦调平系统测量精度的影响规律,以典型的Offner光学系统为基础,设计完成了应用于光刻调焦调平传感器的反射式光学投影系统,并对其进行了像质评价和公差分析。

2 一种用于光刻调焦调平传感器的反射式光学结构

作为调焦调平传感器的核心,投影系统的成像质量直接影响测量精度。待测表面形貌是根据投影光栅像与探测光栅所形成的莫尔条纹进行测量得到,投影系统畸变将直接导致探测光栅像畸变,从而造成莫尔条纹变化,引起测量误差。为保证投影光学系统在测量范围内都能够对投影光栅进行清晰成像,要求投影系统具有较大的景深。另外,传感器需满足光刻工艺适应性,调焦调平测量系统需采用宽光谱光源,带宽一般大于300 nm^[7]。研究设计具有小畸变、大景深、小色差的投影成像系统是提高调焦调平传感器性能的一个途径,也是调焦调平传感器测量精度的保障。

本文设计了一种用于光刻调焦调平传感器的反射式光学系统,结构示意图如图1所示。两个投影成像系统均为典型Offner结构,包含两个反射镜,一个是凹球面反射镜作为主镜,另一个是凸球面反射镜作为次镜,光线在两个反射镜之间发生三次反射,属于三反射成像系统。此外,次镜凸球面反射面位于主镜焦面上,在次镜凸球面反射镜位置处设置孔径光阑,光阑位于主镜焦面位置,构成物方远心系统,又因为Offner系统为对称结构,构成双远心成像系统^[13]。为满足传感器在光刻机中机械空间及接口要求,在系统入射光路中加入了平面反射镜Mirror1、Mirror2、Mirror3、Mirror4,对系统光轴进行折转,其中Mirror2、Mirror3还用于调节测量表面光线入射角度。

图 1. 反射式调焦调平传感器光学系统示意图

Fig. 1. Schematic of focusing and leveling sensor with reflective optical design

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3 反射式投影光学系统设计

透射式双远心投影系统一般由多个透镜组成^[11],为满足色差等条件需要大量优化设计,并且机械安装也相对复杂。Offner反射式双远心投影系统光学结构无色差,系统结构简单,仅由两个球面反射镜和两个平面反射镜组成,后期优化设计与工程实现相对容易。本文优选反射式投影系统,原理如图2所示,物面到平面反射镜Mirror1距离为l₁,平面反射镜Mirror1到球面反射镜M1距离为l₂,球面反射镜M1与球面反射镜M2之间光束传输距离为l₃、 l₄,球面反射镜M1与平面反射镜Mirror2之间距离为l₅,平面反射镜Mirror2到像面距离为l₆,其中两个球面反射镜曲率半径分别为R₁、R₂,且两个球面球心重合。

图 2. 反射式投影系统原理图

Fig. 2. Schematic of reflective projection system

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投影系统成像质量影响系统的测量精度,其中放大倍率、畸变、远心度直接影响投影光栅像的周期、成像相对位置,分辨率影响投影光栅像的对比度,也将对系统的测量精度产生影响,为满足测量精度的要求,需要研究像差对测量精度影响规律,建立理论模型进行分析。

根据文献[ 10]中调焦调平传感器测量原理,推导出高度测量公式为

hm=G8πsinc12sin2πP2hsinα1+2sinc212,(1)

式中:P为投影光栅周期;h为测量面实际相对高度;h_m为系统测量高度;G为比例系数;α为测量面光线入射角度。

根据SEMI MF657-0707E标准,300 mm标准硅片厚度变化范围为-1.25 ~1.25 μm,将该范围作为调焦调平传感器的测量范围,并由此得到光栅的周期,取(1)式中类正弦曲线零点附近幅值±50%范围作为线性区间,即

sin2πP2hsinα≤12。(2)

又因0≤sin α≤1,因此P≥30 μm,并且光栅周期越小,测量分辨率越高,因此选择投影光栅和探测光栅周期为30 μm。拟采用振幅型光栅为投影光栅,其复振幅透过率为

t(x,y)=rectxa·∑n=-∞+∞δ(x-nP)·rectyL,(3)

式中:a为光栅狭缝宽度;L为光栅宽度;x为垂直光栅线栅方向;y为平行光栅线栅方向。

照明光源照射到投影光栅,投影光栅经过投影系统后,投影光栅像复振幅为

E(x,y)=aPrectyL1+2sincaPcos2πxP。(4)

放大倍率将改变光栅周期P与光栅宽度L,当放大倍率为β时,根据(4)式可知,投影光栅像复振幅为

E(x,y)=aP×βrectyL×β×1+2sincaP×βcos2πxP×β。(5)

远心度将改变光栅像大小,当远心度为α,离焦量为d时,根据(4)式可知,投影光栅像复振幅为

E(x,y)=aPrectyL+d×tanα×1+2sincaP+d×tanαcos2πxP+d×tanα。(6)

此外,为产生畸变,设置畸变矩阵对光栅图像进行处理,通过修改矩阵参数,得到不同畸变的像;为实现分辨率改变,设置不同的数字滤波器,通过改变数字滤波器参数得到不同分辨率的光栅像。分别仿真计算出不同像差条件下投影光栅像,如图3所示。

图 3. 模拟投影光栅与不同像差条件下投影光栅的像。(a)投影光栅;(b)无像差的像;(c)放大倍率为0.95时的像;(d)远心度为5 mrad时的像;(e)畸变为0.08时的像;(f)调制传递函数(MTF)值为0.70时的像

Fig. 3. Simulated projection grate and its imaging with different aberrations. (a) Projection grate; (b)imaging with no aberration; (c) imaging with 0.95 magnification; (d)imaging with 5 mrad tele-centricity; (e) imaging with 0.08 distortion; (f) imaging with 0.70 modulation transfer function (MTF)

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调焦调平传感器采用莫尔条纹与光学三角法的测量原理,探测部分采用空间分光技术^[10]。投影光栅的像与探测光栅形成莫尔条纹,再经分光系统后得到两组莫尔条纹,最终根据莫尔条纹的光强通过多项式拟合得到测量高度。采用文献[ 10]中测量高度方法进行测量误差分析,当测量高度为1.25 μm时,测量误差随各像差的变化曲线如图4所示。

图 4. 系统测量精度随不同像差的变化曲线。 (a)放大倍率;(b)远心度;(c)畸变;(d) MTF值

Fig. 4. Measurement accuracy of system with different aberrations. (a) Magnification; (b) tele-centricity; (c) distortion; (d) MTF value

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根据放大倍率、畸变、远心度、分辨率与调焦调平传感器测量精度关系的仿真结果,参考光刻机焦深控制预算分配方式^[14],为满足调焦调平传感器测量精度小于10 nm,确定相关参数如下:放大倍率为1.001,测量误差δ₁=1.789 nm;远心度为0.2 mrad,测量误差δ₂=2.691 nm;畸变为0.01%,测量误差δ₃=2.471 nm;MTF@33 lp/mm为0.60,测量误差δ₄=1.932 nm;总测量误差为δ=2· δ12+δ22+δ32+δ42=9.00 nm,满足调焦调平传感器测量精度要求。得到投影光学系统的性能指标要求如表1所示。

将表1中指标作为输入条件,以远心度、放大倍率、畸变为约束条件,优化过程中将R₁、R₂、l₂、l₃、l₆设置为变量,最终得到反射式投影系统结构参数如表2所示,TTHI为面厚度。

4 反射式投影光学系统性能评估及公差分析

4.1 反射式投影光学系统成像性能评估

点列图是通过光学系统物点像的光线集中度来研究系统成像质量,根据调焦调平系统所采用的投影光栅结构,将视场设置为(-1.5,-13)、(-1.5,13)、(-1.5,5.9)、(-1.5,-5.9)、(0,0)、(1.5,5.9)、(1.5,-5.9)、(1.5,13)、(1.5,-13),投影系统点列图如图5所示,从该投影系统弥散斑图可以看出,在照明光源波长范围内,视场最大均方根半径是0.189 μm。图6所示为投影系统MTF曲线,MTF曲线接近衍射极限,MTF@33 lp/mm为0.74>0.60。图7所示为投影系统X、Y两个方向上的畸变,均小于0.002%;根据以上成像系统像差结果可知,该投影系统满足设计技术要求。

图 5. 投影系统点列图

Fig. 5. Spot diagram of projection system

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图 6. 投影系统MTF曲线

Fig. 6. MTF curve of projection system

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图 7. 投影系统畸变

Fig. 7. Distortion of projection system

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4.2 投影系统公差分析

光学系统公差主要有制造公差、机械装配公差,根据调焦调平传感器测量精度指标要求,对光学的公差进行分配,如表3所示,两个球面反射镜表面曲率半径的偏差为±0.1 mm,加工偏心公差(DEC)为±0.05 mm,倾斜公差(TILT)为±0.01°,两个球面反射镜与两个平面反射镜的表面不规则度为0.1个光圈;装配公差包含两球面反射镜间距公差±0.05 mm,装配偏心公差±0.05 mm,倾斜公差±0.01°,阿贝数为1%。

以MTF@33 lp/mm处值作为标准,对该成像系统进行敏感度分析。影响投影系统光学传递函数MTF@33 lp/mm处值的前10个公差如表4所示,TETY为元件Y方向倾斜公差,TSTY为标准面Y倾斜公差,TSDX为标准面X偏心公差,TEDX为元件X方向偏心公差。从结果来看,公差影响系统MTF对应参数结构有:球面反射镜M1与平面反射镜Mirror2的距离l₅,球面反射镜M1到平面反射镜Mirror1的距离l₁,以及球面反射镜M1偏心、倾斜、偏移,主要是球面反射镜M1相对位置引起,以上公差都与装配相关,需要通过装配精度来保障。

4.3 光学零件可制造性和装配过程

本文投影光学系统中核心零件是两个球面镜反射镜,其中球面镜M2有效口径相对较小,为40 mm,零件加工能够满足表面不规则度小于0.1个光圈,曲率半径公差0.1 mm的指标要求。球面镜M1要求口径140 mm范围内,表面不规则度小于0.1个光圈,曲率半径公差0.1 mm,相对来说加工难度较大,但目前国内的加工水平也可以达到。

投影光学系统中光学元件精密装配,通过机械镜筒加工精度保证。为保证光机装配后两球面镜件距离小于0.1 mm,要求机械镜筒在筒长193 mm范围内公差控制在±0.05 mm。同时,为保证光机装配后两球面镜偏心和倾斜满足指标,要求机械镜筒上与球面接触处圆弧跳动公差小于10 μm。以上提到的机械镜筒加工精度可通过精密联动数控机床保证。其次,装配过程中借助于Leitz超高精密三坐标测量机,其测量精度小于1 μm,对系统中光学元件安装位置进行在线测量,实时进行精细调整,以进一步提高元件装配精度以及最终系统成像性能。

最后,采用蒙特卡罗分析方法对公差进行评价,对反射式投影系统进行综合性能分析,计算分析了100个样本,每个样品作为一个实际加工并装调后的反射式投影系统模拟,得到MTF统计结果如表5所示,90%以上的反射式投影系统,MTF值大于0.72。在该公差分配情况下,像质满足系统设计技术要求,可以工程化实现。

5 结论

本文根据调焦调平测量原理与像差理论,分析了像差与测量精度之间的关系,得到了满足测量精度小于10 nm的调焦调平传感器的投影光学系统性能指标,设计了一种用于光刻调焦调平传感器的反射式投影光学系统。通过Zemax软件进行优化后,该系统放大率为1.000,工作波长600~1000 nm,视场3 mm×26 mm范围内弥散斑均方根半径小于0.189 μm,调制传递函数MTF@33 lp/mm为0.74,最大畸变为0.0008%,远心度为0.04 mrad,满足设计要求。该光学系统中的投影成像系统只有两个球面反射镜与两个平面反射镜组成,具有结构简单、无色差、畸变小等优点。通过公差分析,结合目前的光机制造和装配能力,可工程化实现,为高精度光刻调焦调平传感器提供了一种光学设计方法。