针对穆勒矩阵成像椭偏仪的系统误差源提出一种简化分析方法,将光强曲线的理想傅里叶级数系数组与实际系数组进行近似匹配,建立穆勒矩阵测量误差与误差源参数之间的线性模型。针对解析式复杂的随机方位角误差,从统计学角度提出了一种等效噪声模型以分析其对测量结果的影响。采用上述简化方法系统分析了椭偏仪的6种系统误差源和2种随机误差源对穆勒矩阵测量结果的影响,并以一个典型光刻投影物镜的穆勒光瞳为检测对象,进行了检测仿真。仿真结果验证了所提方法分析的准确性。

提出了一种原位的光刻机投影物镜偏振像差检测方法。定义一种新的偏振像差表征方法,推导了3对正交偏振态照明下空间像之差与偏振像差3个泡利项之间的互相关关系,并据此对交替相移掩模的3组差分空间像进行主成分分析进而求解偏振像差的各项泡利泽尼克系数。从理论上揭示了各偏振像差项在成像中的耦合规律,从而在测量原理上解决各项耦合问题,可同时测量偏振像差所有泡利项的前37阶泽尼克系数。在典型的深紫外光刻仿真条件下对所提方法进行随机偏振像差测试,其中3组泡利项的实部和虚部共6×37阶泡利泽尼克系数误差的标准差均在10 ^-3量级。测试结果验证了本方法的正确性和可行性。

硅片对准标记经过光刻工艺后产生的非对称变形会导致对准测量误差,目前普遍采用工艺验证的方法修正此对准测量误差,但该方法存在一定的工艺适应性问题。针对该对准测量误差,提出了一种新的修正方法,即利用非对称变形对准标记在不同照明波长和偏振态情况下的对准位置差异,修正对准标记非对称变形导致的对准误差,提高了对准的工艺适应性。并将该方法拓展应用于套刻测量误差修正,提高了套刻测量的工艺适应性。

提出了一种基于多偏振照明的浸没式光刻机投影物镜高阶波像差快速检测技术。通过采用一元线性采样方式,在不同偏振照明条件下采集浸没式光刻机投影物镜的空间像进行主成分分析,在快速建模的同时实现高阶波像差的高精度检测。与基于Box-Behnken Design统计抽样方法的超高数值孔径光刻投影物镜高阶波像差检测方法相比,所提技术有效降低了采样数,提高了采样效率,加快了建模速度。采用光刻仿真软件PROLITH对所提技术进行了仿真验证,并分析了照明方式对高阶波像差检测精度的影响。仿真结果表明,该技术对高阶波像差(Z₅~Z₆₄)的检测精度优于1.03×10 ^-3λ,同时其建模速度提升了约30倍。

随着光刻技术向10 nm及以下工艺节点的延伸, 光刻工艺对套刻精度提出了更高的要求, 相应的对准精度的要求已经达到亚纳米量级。提出一种基于自相干叠栅条纹的光刻机对准方法, 其原理是利用对准系统的光学结构将位相型光栅对准标记的同级次衍射光束进行分束和转像, 在对准系统像面上形成两组周期不同的干涉条纹, 这两组干涉条纹进一步干涉叠加形成自相干叠栅条纹, 组成自相干叠栅条纹的两组干涉条纹随对准标记的移动向相反方向移动, 并将对准标记的位移量进行放大, 从而提高对准标记位置测量的精度。通过对自相干叠栅条纹图像进行傅里叶变换和相位提取, 分析其相位信息得到对准标记的位置。仿真结果表明, 对准精度和对准重复精度分别可以达到0.07 nm和0.11 nm。

提出了一种基于八角度孤立空检测标记的超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测方法。通过对八角度孤立空检测标记的空间像进行主成分分析(PCA)和多元线性回归分析，构建了超高NA光刻投影物镜的空间像光强分布与高阶波像差之间的线性模型，并基于该模型实现了高阶波像差的检测。与使用六角度孤立空检测标记的传统方法相比，本方法提高了光瞳面波前的采样效率，拓展了波像差检测范围，实现了超高NA光刻投影物镜高阶波像差(Z5~Z64)的高精度检测。光刻仿真软件PROLITH的仿真结果表明，该方法可实现60项泽尼克系数(Z5~Z64)的检测，检测精度优于1.03×10-3λ。

在分析光栅横向剪切干涉仪典型结构及系统参数配置，给出其适用范围的基础上，系统研究了该干涉仪结构最显著的系统误差：几何光程误差和探测器倾斜误差。采用Zernike多项式给出波前重建前后系统误差项的解析表达式；对其大小与被测数值孔径(NA)、衍射光会聚点间距d、剪切率s之间的关系进行了定量分析。几何光程彗差和像散、探测器倾斜像散和离焦是剪切干涉差分波前中最主要的误差项，波前重建后主要导致几何光程球差和彗差，探测器倾斜彗差。重建波前误差随着NA、d的增加而迅速增大，随着s的减小而增大。特别是小剪切(s≤0.05)时，波前重建对系统误差有增益效应，重建波前的系统误差值远大于差分波前。小剪切情况下，当d>2 μm、NA>0.1时，重建波前误差的均方根值远大于1 nm。

基于ZYGO干涉仪实测干涉图，利用二维快速傅里叶变换(FFT)法进行相位提取，并与相移干涉相位测量结果进行比对，对影响FFT法相位提取精度的边缘误差、窗函数、滤波器设计、干涉图延拓以及载波条纹数等因素进行了综合分析。结果表明直接二维FFT法干涉图边缘0.05R环形区域的相位提取误差最大，且决定了全局误差的大小。窗函数对边缘误差改善不明显，优化滤波器设计对边缘误差有一定改善。干涉图延拓能有效减小边缘误差，对于连续光学面检测而言是提高二维FFT法相位提取精度的最佳方法。干涉图载波频率为干涉图空间分辨率的1/13~1/3时均能得到较准确的测量结果，相位提取误差峰谷值(PV)可优于λ/20；载波频率越高，细节分辨能力越强。