提出一种精确检测光刻机激光干涉仪测量系统非正交性的新方法。将对准标记曝光到硅片表面并进行显影;利用光学对准系统测量曝光到硅片上的对准标记理论曝光位置与实际读取位置的偏差;由推导的位置偏差与非正交因子、坐标轴尺度比例、过程引入误差的线性模型,根据最小二乘原理计算出干涉仪测量系统的非正交性。实验结果表明,利用该方法使用同一硅片在不同旋转角下进行测量,干涉仪测量系统非正交因子的测量重复精度优于0.01 μrad,坐标轴尺度比例的测量重复精度优于0.7×10-6。使用不同的硅片进行测量,非正交因子的测量再现性优于0.012 μrad,坐标轴尺度比例的测量再现性优于0.6×10-6。

提出一种步进扫描投影光刻机承片台不平度检测新技术。在晶圆与承片台存在不同偏移量时,利用线性差分传感器在线测量晶圆上不同点的局部高度;通过建立临时边界条件,以递推法消除晶圆面形影响,并逐行计算出承片台的相对不平度;通过逐行计算的结果递推相邻行之间的高度差,并将该高度差叠加到每一行,以消除临时边界条件的限制,得到处于同一高度上的承片台不平度;将计算的结果作为初始值,根据最小二乘原理,以邻近的四个测量点作为参考,逐步逼近得到承片台的真实不平度。计算机仿真结果验证了该检测方法的正确性,计算结果逐步收敛并逼近真实值.实验结果表明,该方法的计算结果较好地表示了承片台的真实不平度,重复精度优于0.3 nm;同时该方法也可用于晶圆表面面形的测量。

提出一种新的步进扫描投影光刻机工件台方镜不平度测量方法。以方镜平移补偿量与旋转补偿量为测量目标,使用两个双频激光干涉仪分别测量工件台在x和y方向的位置和旋转量；将方镜不平度的测量按照一定的偏移量分成若干个序列,每一个序列包括对方镜有效区域的若干次往返测量；根据所有序列的测量结果计算出方镜的旋转补偿量；为每一个序列建立临时边界条件,并据此计算出每一序列所测得的方镜粗略平移补偿量；采用三次样条插值与最小二乘法建立每一个序列间的关系,以平滑连接所有测量序列得到精确的方镜平移补偿量。结果表明,该方法用于测量方镜平移补偿量,测量重复精度优于2.957 nm,测量旋转补偿量,测量重复精度优于0.102 μrad。

为了满足光刻机投影物镜彗差测量精度的要求,提出一种基于套刻误差测试标记的彗差检测技术,分析了彗差对套刻误差测试标记空间像的影响,详细叙述了该技术的测量原理,并利用PROLITH光刻仿真软件对不同数值孔径与部分相干因子设置下套刻误差相对于彗差的灵敏度系数进行了仿真实验。结果表明,与目前国际上通常使用的投影物镜彗差检测技术相比,该技术在传统照明条件下灵敏度系数Kz7与Kz14的变化范围分别增加了27.5%和34.3%,而在环形照明条件下则分别增加了20.4%和22.1%,因此彗差的测量精度可提高20%以上。

在高数值孔径、低工艺因子的光刻技术中,投影物镜彗差对光刻质量的影响变得越来越突出,因而需要一种快速、高精度的彗差原位测量技术。为此提出了一种新的基于双线空间像线宽不对称度的彗差测量技术,利用国际上公认的半导体行业光刻仿真软件PROLITH对该方法的测量精度进行了仿真分析。结果表明,与基于硅片曝光的彗差测量方法相比,基于空间像的彗差测量技术速度上的优势十分明显。其测量精度优于1.4 nm,较国际前沿的多照明设置空间像测量技术(TAMIS)提高30％以上,测量速度提高1/3左右。在ASML公司的PAS5500型步进扫描投影光刻机上,多次测量了投影物镜彗差,结果表明,该技术测量重复精度优于1.2 nm,能实现高精度的彗差原位测量。

随着光刻特征尺寸的不断减小，尤其是随着分辨力增强技术的使用，像质参数的原位检测已成为先进的投影光刻机中不可或缺的功能。然而现有的每种技术均只能检测有限的几种像质参数。提出了一种新的基于像传感器的光刻机多成像质量参数原位检测(MIQM)技术。该技术通过对原有的测量模型进行修正和扩展，从而在精确测量低阶成像质量参数的同时能高精度地测量高阶成像质量参数。此外，该技术是基于空间像测量的像质参数原位检测技术，从而具有速度快、稳定性好等优点。通过该技术的低阶像质参数测量精度与原有技术相近，而高阶像质参数测量重复精度优于1 nm。实验结果表明该技术能一次完成步进扫描投影光刻机的多个像质参数的精确测量，从而简化了光刻机像质检测过程，大量节约了测量时间，有效避免了像质参数之间的互相影响。

套刻性能是现代高精度步进扫描投影光刻机的重要性能指标之一。提出了一种基于镜像焦面检测对准标记(简称“镜像焦面检测对准标记”)的光刻机套刻性能原位测量技术。该技术通过对曝光在硅片上的镜像焦面检测对准标记图形进行光学对准，利用标记图形对准位置与理想位置偏差实现套刻性能的原位检测。实验结果表明该技术在进行套刻误差的精确测量的同时还可以全面、定量地计算影响光刻机单机套刻误差的场内参量及场间参量。与目前套刻性能原位测量技术相比，该技术有效地避免了测量精度对轴向像质限制的依赖，简化了光刻机整机性能检测的过程。

提出了一种新的光刻机像质参数热漂移原位检测技术(TDFM)。详细分析了该技术利用镜像测试标记检测投影物镜最佳焦面热漂移与放大倍率热漂移的基本原理。实验结果表明TDFM技术可同时实现最佳焦面热漂移(FFT)与放大倍率热漂移(MFT)的精确测量。与现有的放大倍率热漂移检测技术相比,该技术有效地解决了放大倍率热漂移技术中放大倍率热漂移受最佳焦面热漂移影响的问题,简化了光刻机像质参数前馈校正的测试过程,测试成本与耗时均减少50%。

为了在光刻机工作过程中保证投影物镜的成像质量,人们开发了一系列投影物镜像差的现场测量技术。对目前国际上常用的几种高精度投影物镜像差现场测量技术进行了分析和比较。