CN108037643A - 一种基于ccd相干因子检测装置的最佳像面调校方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，该检测装置用于检测光学投影曝光光刻系统中透镜轴向CCD离焦情况，包括激光器、平面反射镜、透镜、CCD图像传感器、手动X‑Y位移平台。本发明所提最佳成像面调校方法，首先利用CCD采集激光光斑图像，根据光斑、重心能量的改变情况移动X‑Y位移平台进行粗调；其次分别建立微调评价函数和精调评价函数移动X‑Y位移平台进行微调和精调；最后实现CCD在最佳像面的校准。本发明操作简单，检测灵敏度，提高了检测效率和可靠性。

Description

一种基于CCD相干因子检测装置的最佳像面调校方法

技术领域

本发明涉及到光学投影曝光光刻的透镜轴向CCD离焦情况的检测装置，尤其是能实现装置中CCD在透镜轴向最佳像面的校准。

背景技术

集成电路制造中利用光化学反应原理，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术，称为光刻技术。集成电路规模从60年代的每个芯片上只有几十个晶体管到现在的10亿个晶体管的飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。典型的光刻技术包括光学曝光光刻、X射线光刻、电子束光刻等。目前，半导体制造行业中大多采用193nm浸入式光刻技术或193nm光刻技术作为32nm和22nm半导体工艺的主流技术。

曝光系统是准分子激光光刻机的关键部分，该系统主要由照明系统和投影系统组成。随着半导体器件体积的不断缩小，对芯片的制作要求也越来越高。芯片上刻蚀线条的特征尺寸的偏移成为集成电路制造过程中限制性因素之一。通常，人们认为投影光学元件的像差是造成硅片面上刻蚀线条特征尺寸改变的主要原因。但是，在1995年，Y. Borodovsky提出相干因子的改变会导致整个硅片面上刻蚀线宽的改变。此外，相干因子的改变还会引起投影光刻系统焦深和成像对比度的改变。尤其是在衍射极限附近，当采用一些特殊的方式提高成像的分辨率时，例如离轴照明，邻近效应校正等，这种现象更加明显。所以，在集成电路的日常生产过程中，简单可靠的相干因子检测可以指导生产者更好的优化曝光条件，进而改善刻蚀线条的质量。

传统的相干因子测量在光刻系统整机集成之后，采用光刻胶曝光。通过调节照明系统中锥形棱镜组间距，结合变倍扩束光组，改变相干因子大小，得到不同相干因子输入值对应的刻蚀线宽，根据所得线条反推相干因子的实际值。或者将有效光源经过针孔成像，在硅片面上分析所获得的光瞳像的各项参数，得到相干因子的值。这些方法的不足之处在于，都是整个系统集成后，在硅片面处测量。对于单独的照明系统性能的测量，两种方法都不能排除投影系统光学像差和光刻胶处理工艺对测量结果的影响。同时在光学投影光刻中，焦深（depth of focus, DOF）的定义为：满足成像质量要求（如线宽、侧壁陡直度等）所允许的偏离最佳焦面的范围。像差校正后的光学系统，只有在波像差不超过（由到）时，其成像质量才可以被接受，传统的校准工艺很难达到这一精度，并且因为需要对光刻胶曝光所以很大程度上提高了制作成本，因此这一系列条件都说明传统的制作工艺无法满足在照明系统的研制过程中实时测量的要求。而影响相干因子测量精度的主要因素是CCD（Charge Coupled Device）图像传感器获取的光斑能量分布和光斑的偏移。因此怎样去标定CCD的焦平面位置至关重要。

发明内容

本发明提出的是一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，针对准分子光刻，分别在前焦面和后焦面的离焦情况下，通过对光斑能量分布、光斑大小和相干因子测量结果的统计效果以及系统的灵敏度分析。利用清晰图像和模糊图像的最大区别（即当横向或纵向扫描图像时，清晰图像的灰度变化比较剧烈，而模糊图像的灰度是小幅渐变或成片相同）构造各种对焦评价函数对图像的清晰度进行评价从而实现了实现最佳成像面的调校。

本发明的测量系统装置由激光器、反射镜、针孔、透镜组、手动X-Y位移平台和CCD组成。本发明所提的方法具体通过粗调、微调和精调三个阶段的调节实现最佳成像面的调校。

所述粗调，CCD成像面在透镜焦平面上时，平行光经过理想光学系统采集到的光斑的能量非常集中会聚于焦面上一点，而有离焦时，光斑中心能量明显下降，边缘能量有所提升呈现的是弥散斑，因此在粗调的过程中为了保证在较大离焦量下能正常工作，可根据CCD感光面在不同位置所采集光斑的大小和重心能量大小来判断。针孔在透镜设计的过程中作为透镜的光阑与之结合，沿透镜光轴方向改变成像面即CCD感光面的位置，设CCD感光面到透镜焦平面距离为，弥散斑的半径可以表示为下式，

（1）

其中为物距，为透镜焦距。光斑重心能量分布我们根据公式（2）求出重心坐标：

; （2）

其中，分别为光斑重心X,Y坐标。，为像点坐标值。为对应像点输出能量大小。因此我们可以根据重心处能量大小的情况来进行调校，当调节X-Y位移平台使CCD远离透镜时，如果重心能量变小（光斑半径变大）则CCD正在远离焦平面。反之如果光斑重心能量变大（光斑半径减小）则CCD正在向焦平面靠近，因此我们应该继续沿此方向调节旋钮。

所述微调，清晰图像和模糊图像的最大区别在于，当横向或纵向扫描图像时，清晰图像的灰度变化比较剧烈，而模糊图像的灰度是小幅渐变或成片相同，且在一定范围内灰度值变化相当缓慢，光斑对比度下降，成像界限不清晰。当CCD离焦程度到达微调范围时，不能再采用光斑重心能量和光斑大小作为离焦的评价标准，而是采用光斑的灰度值经过评价函数的处理后的曲线作为评价标准，计算如下：

（3）

式中和分别是图像在水平和垂直方向灰度一阶算子的差分，表示如下：

（4）

式中表示图像在点处的灰度值。轻轻转动X-Y位移平台旋钮，如果微调评价函数值F变大说明正在往焦平面靠近则继续转动，如果F变小说明正在远离焦平面则需要反向调节旋钮。

所述精调，当CCD继续靠近焦平面时，此时的微调函数已经不能满足校准精度的要求，系统会采用精调评价函数进行处理，如下式所示：

（5）

其中和为（4）式中所说的水平方向和垂直方向灰度值的一阶差分算子由于精调函数分别对水平和垂直方向的差分进行了平方，其清晰度比率大大增强，对噪声也有较强的稳健性。

与传统方法相比本发明具有如下优点：

1.用CCD代替光刻胶，通过小孔和透镜成像，对CCD所采集的光斑上能量分布进行分析计算，得到部分相干因子测量值，可重复利用率高；

2.排除了投影系统光学像差和光刻胶处理工艺对测量结果的影响；

3.不仅提高了检测灵敏度，而且缩短了感光时间，提高了检测效率；

4.CCD与计算机相连，可作实时自动信息处理和数据存储，适用于光刻系统装调过程的在线检测；

5.本发明操作简单只需要根据显示数据操作电控平台即可实现对焦；

6.本发明原理简单利用焦平面处成像位清晰图像、细节丰富灰度变化剧烈，而在离焦情况下得到的是模糊的弥散斑，灰度小幅度渐变。过程很容易实现且结果可靠。

附图说明

图1为测量系统装置图

图2为激光法校准CCD位置示意图

图3为平行光通过透镜成像

图4 为CCD感光面偏离透镜焦平面

图5 为CCD在不同位置获得光斑大小以及能量分布横截面

图6（a）为放大后精调评价函数左平缓区（b）为放大后精调评价函数右平缓区

图7不同离焦程度下各对焦函数值。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。有必要在此指出的是，下面描述的实施例是示例性的，旨在对本发明做进一步的解释，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据前述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明所提一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法具体步骤如下：

1. 搭建检测系统的装置，如图1所示。装置由激光器、反射镜、针孔、透镜组、手动X-Y位移平台和CCD组成。经过校准，激光光束平行于透镜光轴入射，其中激光法校准CCD位置示意图如图2所示，由激光器发出的光，经平面镜1的反射，通过透镜入射到CCD感光面上。为了便于分析CCD成像面与透镜焦平面的相对位置，分别以透镜中心和CCD所获取激光光点的能量重心为原点，建立坐标系和。平行光通过透镜的成像如图3所示。显然，离焦时在CCD成像面得到的不再是理想像点，而是一个弥散斑。CCD上所采集光斑的清晰度，反应了其感光面的离焦程度。当对焦比较好，图像清晰，且细节丰富。在空域表现为相邻像素的灰度或颜色变化较大，在频域则表现为频谱的高频分量较多。利用这一性质构造各种对焦评价函数对图像的清晰度进行评价。

2. 粗调，如图4中所示，CCD成像面在透镜焦平面上时，平行光经过理想光学系统采集到的光斑的能量非常集中会聚于焦面上一点，而有离焦时，光斑中心能量明显下降，边缘能量有所提升呈现的是弥散斑，因此在粗调的过程中为了保证在较大离焦量下能正常工作，可根据CCD感光面在不同位置所采集光斑的大小和重心能量大小来判断。针孔在透镜设计的过程中作为透镜的光阑与之结合，沿透镜光轴方向改变成像面即CCD感光面的位置，设CCD感光面到透镜焦平面距离为，弥散斑的半径可以表示为下式，

（1）

其中为物距，为透镜焦距。光斑重心能量分布我们根据公式（2）求出重心坐标：

; （2）

其中，分别为光斑重心X,Y坐标。，为像点坐标值。为对应像点输出能量大小。根据重心处能量大小的情况来进行调校，当调节X-Y位移平台使CCD远离透镜时，如果重心能量变小（光斑半径变大）则CCD正在远离焦平面。反之如果光斑重心能量变大（光斑半径减小）则CCD正在向焦平面靠近，则应该继续沿此方向调节旋钮。图5所示为CCD感光面在不同位置所获得的光斑的能量分布以及光斑大小，显然通过逐渐调节X-Y位移平台来观察光斑大小和重心能量的改变，从而判断是前焦面离焦还是后焦面离焦最终得到调节方向。

3.微调，完成步骤2粗调后，CCD离焦程度到达微调范围时，不能采用光斑重心能量和光斑大小作为离焦的评价标准，从而采用光斑的灰度值经过评价函数的处理后的曲线作为评价标准，微调评价函数计算如下：

（3）

式中和分别是图像在水平和垂直方向灰度一阶算子的差分，表示如下：

（4）

式中表示图像在点处的灰度值。轻轻转动X-Y位移平台旋钮，如果微调评价函数值F变大说明正在往焦平面靠近则继续转动，如果F变小说明正在远离焦平面则需要反向调节旋钮。

3. 精调，当CCD继续靠近焦平面时，此时的微调函数已经不能满足校准精度的要求，系统会采用精调评价函数进行处理，如下式所示：

（5）

其中和为（4）式中所说的水平方向和垂直方向灰度值的一阶差分算子，精调函数分别对水平和垂直方向的差分进行了平方。图6（a）和图6（b）分别给出其左右平缓区的波动量，最大波动量分别为0.0057和0.0040，可见，其清晰度比率大大增强，精调评价函数具非常好的抗噪性能。

以透镜焦平面为起始位置，在焦平面左右两侧各采集26幅图像，相邻图像间的间隔为0.005mm。对采集到的两组图像，计算每幅图像的微调函数值、精调函数值。CCD感光面离焦量和对焦函数值组成的二维坐标构成了函数曲线上的离散点。将每幅图像对应的微调函数、精调函数值组成的数组，以其最大值归一化，得到如图7所示的对焦函数曲线形态，由曲线可知，粗调评价函数有更宽的响应范围但是响应灵敏度较低，而精调评价函数响应范围小，但是在响应范围内灵敏度高变化明显。所以经过一系列的调整最终在精调函数最大值所对应的图像位置，即认为是CCD感光面所在的最佳成像位置。

Claims (7)

1.一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于，该检测装置用于检测光学投影曝光光刻系统中透镜轴向CCD离焦情况，包括激光器、平面反射镜、透镜、CCD图像传感器、手动X-Y位移平台；本发明其特征在于利用光斑大小，重心能量以及对焦评价函数分别在不同离焦量的情况下作为评价标准，根据测量结果如果不在焦平面手动调整X-Y位移平台通过粗调、微调、精调实现最佳成像面的调校。

2.根据权利要求1所述一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于，所述的检测光学投影曝光光刻系统中透镜轴向CCD离焦情况的检测装置，包括激光器、反射镜、针孔、透镜组、手动X-Y位移平台和CCD；经过激光法校准，激光光束平行于透镜光轴入射经平面镜1的反射，通过透镜入射到CCD感光面上；为了便于分析CCD成像面与透镜焦平面的相对位置，分别以透镜中心和CCD所获取激光光点的能量重心为原点，建立坐标系X_pY_pZ_p和X_mY_mZ_m。

3.根据权利要求1所述一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于，所述的粗调是根据CCD感光面在不同位置所采集的光斑大小和重心能量的改变来判断离焦情况；当调节X-Y位移平台使CCD远离透镜时，如果重心能量变小（光斑半径变大）则CCD正在远离焦平面；反之如果光斑重心能量I_xy变大（光斑半径减小）则CCD正在向焦平面靠近，因此我们可得到调节方向，并沿此方向调节旋钮。

4.根据权利要求1所述一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于，所述的微调是在粗调后，不能根据光斑大小和重心能量的改变来判断离焦情况时，建立粗调评价函数来评价感光面的离焦程度，继而移动X-Y位移平台实现微调。

5.根据权利要求1所述一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于，所述的精调是当CCD继续靠近焦平面，微调函数已经不能满足校准精度的要求时，建立精调评价函数评价感光面的离焦程度，继而移动X-Y位移平台实现精调。

6.根据权利要求1，4或5所述一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于，利用这一性质根据灰度的一阶差分算子建立微调评价函数和精调评价函数；微调函数响应范围宽，但是收敛速度慢，而精调函数收敛速度更快，陡峭区窄，因此他们分别在不同的离焦量下作为评价函数。

7.根据权利要求1，2，3，4或5所述一种基于CCD相干因子检测装置的最佳成像面调校方法，其特征在于手动X-Y位移平台，是指在粗调的过程中参考光斑大小和重心能量，微调或精调的过程中依据评价函数曲线控制手动X-Y位移平台移动CCD，从而实现最佳成像面的校准。