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高NA投影光刻物镜波像差检测技术研究

李晶  
【摘要】:深紫外光刻机作为极大规模集成电路的主流加工设备,亟待实现国内自主研制。作为光刻机的核心部分,投影光刻物镜的分辨率已经超过瑞利判据的衍射极限,波像差成为其最直接和有效的成像质量评价标准,国际上22 nm节点的光刻机波像差要求已达到λ/100。为获得更高的分辨率,曝光波长为193 nm非浸液投影光刻物镜的像方数值孔径(NA)已经接近1,对波像差检测造成了很大困难:若使用传统干涉仪检测,标准件极难制备;若使用剪切干涉仪检测,对检测环境要求十分严格,无法实现在线检测;若使用点衍射干涉仪检测,极难获取对应NA的理想球面波前;若使用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,简称H-S)波前传感器检测检测,则需要对应NA的高精度准直物镜,其加工设计难度极大,此外传统波前传感器的检测精度无法满足投影光刻物镜的使用需求。对于NA=0.75,工作波长为193 nm的投影光刻物镜,波像差要求为6.5 nm,检测精度要求达到2 nm(0.01λ)。论文提出使用H-S波前传感器进行波像差“逆向”检测的方案,解决了需要对应高NA的高精度准直物镜的难题;通过分析波像差检测中的误差来源,针对性地提出了全局结合区域自适应分割窗口算法、二维插值多项式波前重构算法以及基于迭代傅里叶变换的相位恢复算法,使得波像差检测精度达到了使用要求。具体如下:(1)提出了一种全局结合区域自适应分割窗口算法,通过提高H-S波前传感器的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波像差检测。该方法利用非线性滤波和自适应分割窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后,结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测,得到的波前检测精度PV值为0.0098λ,RMS值达到0.0027λ。(2)针对高NA投影光刻物镜的使用需求,选用模式重构法将待测波前拟合成Zernike多项式。此外,提出使用二维插值多项式替代Zernike多项式为重构基底对被测波前进行模式重构的方法。通过仿真验证了两种多项式的波前重构精度可以达到0.015λ。(3)提出使用基于迭代傅里叶变换的相位恢复算法,实现高NA投影光刻物镜波像差的更高精度检测。这种方法相比传统斜率测量法,避免了数学的近似计算,并充分利用了微透镜子孔径内部的细节信息,在仿真实验中将波前恢复的精度提高至λ/1000,实验中波像差RMS值测量误差为0.0281λ。最后,对实验投影物镜利用H-S波前传感器分别进行了相对和绝对波像差检测,其中相对测量的精度较高,测得的波像差PV值为0.5916λ,RMS值为0.1328λ,与干涉仪检测结果进行了对比,检测误差的PV值为0.0274λ,RMS值为0.0078λ。


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