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0431-81702023
光學工程
極紫外光刻投影物鏡波像差在線檢測技術

摘要 投影物鏡波像差在線檢測技術是極紫外光刻(EUVL)實現32nm 及其以下技術節點的關鍵技術,對于光刻機的整機集成具有重要研究意義和實用價值。介紹了目前國際上極紫外光刻投影物鏡波像差在線檢測技術的最新研究進展以及幾種主流檢測技術的原理和特點,并對其檢測精度、檢測速度以及動態測量范圍等技術指標進行了比較分析;分析了開發投影物鏡波像差在線檢測設備所應解決的若干關鍵技術;最后,對極紫外光刻投影物鏡波像差在線檢測技術的發展進行了總結和展望。

關鍵詞 光學測量;極紫外光刻;投影物鏡;波像差檢測

1 引 言

      2007年國際半導體技術路線圖(ITRS2007)指出,極紫外光刻技術(extremeultravioletlithography,EUVL)是實現32nm及其以下技術節點最有潛力的候選技術之一。EUVL投影物鏡采用波長13.4nm的曝光光源,任何材料在該波段的折射率均接近于1,而且吸收較大,需要采用真空環境和反射式光學設計[1],在鏡頭加工過程中需要在基底表面鍍有梯度多層膜,即使不考慮膜層厚度誤差以及膜層材料折射率誤差,也會不可避免地導致色差[2]。所以,工作在短波段的 EUVL投影物鏡的波像差由設計殘差、反射鏡基底的面形加工精度、多層膜的特性和集成裝調共同決定,必須利用工作波長進行在線檢測[3]。

       產業化 EUVL 設 備 的 投 影 物 鏡 通 常 為 4 或6個鍍有 多 層 膜 的 非 球 面 反 射 鏡 系 統,為 了 滿 足32nm以下技術節點的曝光要求,投影物鏡系統的波像差要求控制在均方根(RMS)0.03λ之內,相當于0.45nm[4]。美 國 LawrenceBerkeley NationalLaboratory(LBNL)完 成 了 數 值 孔 徑 0.3 的 MET投影 物 鏡 工 作 波 段 裝 調,裝 調 后 波 像 差 為 RMS0.04λ,約為0.55nm[5~8]。日本 Nikon完成了面向45nm 動態隨機存儲器(DRAMs)以及32nm 微處理器的產業化 EUVL設備 EUV1[9],其投影物鏡由6面非球面反射鏡組成,全視場波像差的平均值達到了 RMS0.6nm。

      EUVL投影物鏡極為苛刻的波像差容限對光學設計、加工和集成裝調提出了空前的要求。高精度、工作波長的波像差檢測設備研制成為開發高分辨EUVL投影物鏡的關鍵問題,設備的波像差檢測精度要高達前所未有的 RMS0.1nm[4]。美國、日本等國家在20世紀90年代就開展了專用檢測設備的研發,本文介紹國際相關機構在該領域的最新進展,探討開發EUVL投影物鏡波像差在線檢測專用設備的若干關鍵技術,并對研究的發展方向進行展望。

2 EUVL 投影物鏡波像差在線檢測技術研究現狀

      美國LBNL早在1993年就開展了EUVL投影物鏡波像差在線檢測專用設備的研究,開發出了集成 相 移 點 衍 射 干 涉 儀 (phaseshifting pointdiffractioninterferometer,PS/PDI)和交叉光柵橫向 剪 切 干 涉 儀 (cross grating lateralshearinginterferometer,CGLSI)的檢測設備,檢測精度達到了 RMS0.05~0.1nm[10]。到目前為止,LBNL 利用該設備已經完成了 Schwarzschild,ETS和 MET3種共9套 EUV 投影物鏡的在線檢測和裝調,數值孔徑在0.08~0.3之間,裝調后投影物鏡波像差分別達 到 了 RMS0.6nm(Schwarzschild)[11],RMS0.69nm(ETS)[12,13]和 RMS0.55nm(MET)[5~8]。

    日本 在 該 領 域 的 研 究 起 源 于 associationofsuperadvancedelectronicstechnology(ASET)1999年開 發 的 PS/PDI 原 理 樣 機 interferometricteststand(ITS)[14],利用波長632.8nm 的可見光檢測數值孔徑0.1的Schwarzschild物鏡,ITS的重復檢測精度達到了 RMS0.0018λ。2002年日本extremeultravioletlithographysystemdevelopmentassociation(EUVA)接手 ASET 的工作,開展極紫外波段在線檢測 設 備 的 研 發。EUVA 開 發 的 原 理 樣 機experimentalEUVinterferometer(EEI)[15,16]集 成了 PS/PDI,CGLSI,狹 縫 衍 射 干 涉 儀 (linediffractiondnterferometer,LDI),相移橫向剪切干涉 儀 (phaseshiftinglateralshearinginterferometer,PSLSI),狹縫橫向剪切干涉儀(slitlateralshearinginterferometer,SLSI),雙 光 柵 橫 向 剪 切 干 涉 儀(doublegrating lateral shearing interferometer,DLSI)和 數 字 泰 伯 干 涉 儀 (digital Talbotinterferometer,DTI)。EEI 對 數 值 孔 徑 0.2 的Schwarzschild待測物鏡的檢測實驗結果表明[17,18],PS/PDI檢測精度最高,達到了 RMS0.078nm;以PS/PDI作為基準標定其他檢測方法,LDI的檢測精度為 RMS0.24nm;CGLSI的檢測精度為 RMS0.15nm。在 EEI對 比 各 種 檢 測 方 法 的 基 礎 上,EUVA 開發 了 用 于 EUVL 量 產 的 6 鏡 投 影 物 鏡(數值孔徑0.25)的波像差在線檢測和裝調專用設備 EUV wavefrontmetrologysystem(EWMS)[19],EWMS采用了PS/PDI,LDI,DTI和CGLSI這4種較有潛力的檢測技術。目前6鏡系統的裝調正在進行中,裝調初始階段,采用動態測量范圍較大的 DTI和 CGLSI進行檢測[20],6鏡系統各視場點波像差為0.71~1.67λ 時,DTI的 重 復 精 度 達 到 了 RMS0.07nm,CGLSI 的 重 復 精 度 達 到 了 RMS0.27nm。此外,檢測速度和動態范圍也是檢測設備的重要技術指標,表1給出了幾種重要檢測技術的檢測精度、檢測速度和動態測量范圍。

2.1 PS/PDI和 LDI

      PS/PDI是 H.Medecki等[21,22]在1996年提出的,這種設計很好地解決了傳統點衍射干涉儀[23]參考光透過率較低的問題,并且增加了移相測量的功能。如圖1所示,光源發出的光束經過待測物鏡物面針孔濾波后,由 PS/PDI的二元光柵分束,經過待測物鏡后,攜帶了待測物鏡波像差信息,在待測物鏡像面上形成了若干個衍射級;PS/PDI的點衍射板位于待測物鏡像面,0級光通過針孔衍射形成球面參考波,1級光通過窗口攜帶了待測物鏡波像差信息作為測試波,在 CCD 平面形成干涉條紋;沿垂直光柵刻線的方向驅動光柵,可以在1級光中引入周期性的相移,利用多幅移相干涉圖計算出待測物鏡的波像差。

       PS/PDI的重要特點是其檢測精度同待測物鏡的數值孔徑和波像差有關。隨著待測物鏡數值孔徑的增大,PS/PDI針孔尺寸變小、針孔加工圓度誤差增大、系統透過率下降、干涉條紋對比度降低,造成PS/PDI 檢 測 精 度 略 有 降 低[24]。LBNL 采 用PS/PDI對不同數值孔徑的投影物鏡檢測結果表明,數值孔徑0.08~0.088的 Schwarzschild,檢測精度為 RMS0.04nm[25];數值孔徑0.1的 ETS,檢測精度為 RMS0.06nm[13];數值孔徑0.3的 MET,檢測精度為 RMS0.08nm[5]。當待測物鏡自身存在較大的波像差時,針孔衍射產生的球面參考波波面誤差增大,同時,0級衍射光焦斑較大導致系統透過率下降,干涉條紋對比度降低乃至無法探測。因此,PS/PDI的動態范圍較小[11],通常用在 EUVL 投影物鏡裝調到接近衍射極限分辨率的精裝調階段。

     LDI同 PS/PDI原理相似,如圖1所示,LDI利用狹縫衍射在空間一維方向上產生理想波面作為參考波,參考波同窗口透過的測試波發生干涉,形成干涉條紋。由于狹縫衍射波面僅在垂直于狹縫的方向上為理想波面,所以必須進行空間正交方向上的兩次測量獲得待測物鏡的波像差。LDI的顯著特點是采用狹縫代替針孔,避免了 PS/PDI中針孔易被碳污染物堵塞的問題,同時系統透過率得到了明顯的提高,可以有效地解決檢測大數值孔徑投影物鏡時干涉圖信噪比降低的問題[26]。

2.2 PSLSI,DTI,CGLSI和 DLSI

     在EUVL投影物鏡的初調階段,通常采用基于剪切干涉原理的檢測技術,利用其較大的動態測量范圍,對投影物鏡波像差進行定量檢測、反饋和裝調。日本EUVA 的研究表明[20],基于剪切干涉原理的檢測技術,動態測量范圍可以達到優于RMS1λ,約為14nm,而檢測精度也可以達到亞納米量級。

      PSLSI采用了橫向剪切干涉測量原理,如圖2所示,攜帶投影物鏡波像差信息的會聚球面波由二元光柵衍射,在像面形成多個衍射級次;級次選擇掩模板遮擋其他衍射級次,兩個窗口僅通過±1級衍射光,形成干涉條紋;沿垂直光柵刻線的方向驅動光柵,可以在±1級衍射光中引入周期性的相移,從而采集多幅相移干涉圖。PSLSI采用橫向錯位后的待測波面同其本身發生干涉,干涉條紋解相的結果為空間一維方向上待測波面的微分,因此需要進行正交方向上的兩次測量,通過積分運算重構待測波面。

       PSLSI的檢測精度受剪切比計算誤差、系統幾何誤差、移相誤差、光柵加工和定位誤差以及 CCD探測 器 的 傾 斜 和 量 化 誤 差 等 因 素 的 影 響。日 本EUVA 的仿真研究結果表明[27],考慮到以上幾種誤差源,PSLSI的檢測精度可以達到 RMS0.007λ,約為0.1nm。總體來說,剪切比越大,檢測精度越高:剪切 比 為 0.033 時,檢 測 精 度 可 以 達 到 RMS0.003λ;而剪 切 比 為 0.017 時,檢 測 精 度 為 RMS0.005λ。日本 EUVA 的實驗結果表明[17],PSLSI的檢測精度僅為 RMS0.81nm,同仿真的結果存在較大的差距。主要原因為 PSLSI測量過程中需要更換光柵,完成正交方向上的兩次測量,光柵的軸向定位誤差 Δ犣 會造成兩次測量結果中干涉條紋載波頻率的偏移,通過解相運算波面重構時會導致較大的像散誤差。研究表明[26],為了將像散誤差限制在RMS0.1nm 之 內,在 待 測 投 影 物 鏡 數 值 孔 徑 為0.2時,Δ犣 要小于 24nm。DTI和 CGLSI技術可以有效地解決這個問題,只需要進行一次測量即可完成波面重構,避免了光柵軸向定位誤差 Δ犣 所導致的像散誤差。

      DTI是由 Taketa等[28]在1984年提出的,采用傅里葉 變 換 法 (FTM)對 多 光 束 干 涉 形 成 的 泰 伯(Talbot)像進行頻域濾波,提取波面相位。如圖2所示,DTI技術采用二維光柵替代 PSLSI中的一維光柵,光柵同待測物鏡像面的距離滿足 Talbot條件時,攜帶待測物鏡波像差信息的多束光干涉將光柵成像在 CCD 上。DTI利用傅里葉變換法在頻域分析干涉條紋,通過兩次計算分別提取 犡 方向和犢 方向的待測波面微分,再利用微分澤尼克(Zernike)多項式擬合的方法得到 Zernike系數表示的待測物鏡波面相位。DTI的核心思想是對 Talbot像的傅里葉頻譜加窗進行數字濾波并提取相位,由于光柵的軸向位置必須滿足 Talbot條件,并且相鄰衍射級次的雜散光容易造成頻譜混疊現象,會影響 DTI的重復 檢 測 精 度。 日 本 EUVA 對 數 值 孔 徑 0.2 的Schwarzschild物鏡的裝調實驗表明,通過標定 CCD傾斜誤差,以及雜散光混疊誤差[19],DTI的檢測精度可以達到 RMS0.2nm[18]。

      針對 DTI所 存 在 的 問 題,CGLSI 在 DTI 和PSLSI的基礎上改進設計,如圖2所示,在待測物鏡像面上放置級次選擇窗口,選擇 犡 方向和犢 方向的 ±1級衍射光在 CCD 表 面 形 成 四 光 束 干 涉 條 紋。CGLSI同樣采用了傅里葉變換法對干涉條紋進行頻 域 加 窗 濾 波,提 取 待 測 投 影 物 鏡 波 面 相 位。CGLSI實質上結合了 PSLSI和 DTI的優點,采用了空域和頻域的雙域濾波手段,有效地抑制了相鄰衍射級次雜散光對測量結果的影響,同時光柵的軸向位 置 也 不 必 受 到 Talbot 條 件 的 限 制。 美 國LBNL 對 數 值 孔 徑 0.1 的 ETS 物 鏡 裝 調 結 果 表明[29],CGLSI的檢測精度可以達到 RMS0.014λ,約為0.18nm。日本利用 CGLSI對數值孔徑0.2的Schwarzschild物鏡進行裝調時[18],檢測精度也能達到 RMS0.15nm,充分驗證了 CGLSI的檢測精度。

      與以上檢測技術采用橫向剪切干涉不同,DLSI的光路中采用位于待測物鏡的共軛面上兩個光柵,利用各級次衍射光之間傳播方向不同,產生剪切干涉條紋。如圖3所示,照明系統的出射光束由光柵G1衍射,待測物鏡物面的級次選擇窗口 M1使0級和+1級衍射光通過,經過投影物鏡后攜帶了投影物鏡波像差信息;由于光柵 G2位于 G1 的共軛面上,G1的0級和+1級衍射光在 G2處完全重疊,使得照明系統所導致的像差完全抵消,因此 DLSI不需要物面針孔濾波,可以極大地提高系統的透過率;G1的0級光通過 G2衍射后的+1級衍射光,同 G1的+1級光通過 G2衍射后的0級衍射光,在投影物鏡像面焦點位置完全重合,利用級次選擇窗口 M2僅使這兩束光通過;由于兩束光焦點位置完全重合,僅是傳播方向不同使得波面錯位,因此干涉條紋不包含載波頻率,降低了測量對振動的敏感性,同時擺脫了密集條紋對 CCD采樣頻率的限制,有利于采用移相法提高解相計算的精度[30]。DLSI同樣需要正交方向上的兩次測量,得到空間二維方向上波面微分,通過積分運算重構待測波面;測量過程中,可以沿垂直光柵刻線方向移動 G1或 G2采集多幅相移干涉圖,采用移相法分析干涉條紋。

     目前 DLSI技術正處于研發階段,日本 EUVA也提出了一些標定 DLSI系統誤差的方法[31]。但是同 PS/PDI的檢測結果對比實驗表明,DLSI檢測精度較低,主要是由于照明系統的像差所導致的[31],目前 DLSI的檢測精度可以達到 RMS0.96nm[17]。

3 EUVL 投影物鏡波像差在線檢測的關鍵技術

     對比以上幾種檢測技術可以看出,EUVL 投影物鏡波像差在線檢測專用設備應具備的特點包括:高精度、大動態范圍、利用曝光光源檢測。另外,為了滿足良 率 和 產 量 的 要 求,檢 測 設 備 必 須 集 成 在EUVL光刻機 中,實 現 投 影 物 鏡 波 像 差 的 定 期 檢測、快速檢測和實時校正。因此,EUVL 投影物鏡波像差 在 線 檢 測 設 備 研 制 應 解 決 以 下 幾 個 關 鍵技術。

      1) 高精度的光學干涉測量技術

      目前的 EUVL投影物鏡波像差在線檢測技術,無一例外地采用了光學干涉測量技術。光學干涉測量技術作為一種精密、有效的計量測試技術,是進行高分辨成像系統波像差檢測的重要手段,具有高精度、高靈敏度、快速、非接觸等優點。然而,EUVL投影物鏡波像差的在線檢測高精度、高集成度、利用曝光光源等特點,使得眾多傳統的干涉儀如泰曼格林(TwymanGreen)、斐索 (Fizeau)、薩 瓦 (Savart)等失去了作用,因此適用 EUVL的干涉測量技術需要具備以下特點:(1)由于缺乏高精度的極紫外波段在線面形檢測設備,所以一般不采用標準鏡;(2)由于需要極紫外波段的在線檢測,所以避免采用折射式的光學元件,一般采用衍射光學元件;(3)極紫外光源較 差 的 相 干 性,要 求 必 須 共 路 干 涉;(4)嵌 入EUVL曝光系統在線檢測的要求,使得干涉儀的結構應簡化,便于系統集成;(5)高精度的檢測要求,使得干涉儀結構參數優化和高精度系統誤差標定技術的研究成為重點。

      2) 干涉圖像處理技術

     干涉圖像處理是光學干涉測量中的關鍵技術,直接決定著干涉測量的精度和速度。干涉圖像處理的一般步驟包括預處理、相位提取、相位展開和波面擬合。在實際應用過程中,應根據干涉測量原理、測量誤差補償、干涉圖區域形狀、干涉條紋形狀、疏密程度和對比度等特點,采用相應的干涉圖像處理方法,以提高解相計算的精度和速度。難點是剪切干涉圖像的處理,其波面重構精度不僅受波面相關性、噪聲等的影響,與剪切比也有一定聯系,在干涉儀設計時應協同考慮。

      3) 干涉儀關鍵器件的制備

       干涉儀關鍵器件的制備需要采用微細加工技術,加工誤差直接影響干涉儀的檢測精度。例如,檢測數值孔徑0.25以上投影物鏡的 PS/PDI針孔直徑一般小于50nm[5],一般采用聚焦離子束刻蝕厚度約為150nm 的鎳(Ni)或鉭(Ta)等金屬薄膜制備[16],需要嚴格控制工藝以減小側壁角。目前適用于極紫外波段的衍射光學元件都為振幅型器件,能夠提高干涉儀性能的相位型衍射元件的制備工藝也是目前的研究方向[32]。

      除了以上提及的關鍵技術之外,極紫外的高真空腔體、碳污染物吹掃、高精密隔振等一系列實驗環境控制問題也不可忽視。總之,EUVL 投影物鏡波像差在線檢測設備的研發任重道遠,學科交叉性強,需要各種技術和工藝水平的共同提高。

4 結 論

      介紹了 EUVL 投影物鏡波像差在線檢測技術的最 新 研 究 進 展,主 要 有 PS/PDI,LDI,CGLSI,DTI,PSLSI和 DLSI6種檢測技術和儀器。檢測精度最高的是 PS/PDI(RMS0.04~0.08nm),通常用 PS/PDI 來 標 定 其 他 技 術 的 檢 測 精 度。 但 是PS/PDI的動態測量范圍較小(RMS0~1nm),檢測速度相對較慢(全視場檢測時間40min),并且當待測物鏡自身像差較大時,PS/PDI檢測精度有所下降。PSLSI,DLSI和 CGLSI具有較大的動態測量范圍(RMS0~14nm)和較快的檢測速度(全視場檢測時間20min),檢測精度受待測物鏡自身像差影響較小,很好地彌補了 PS/PDI的不足。

      目前,利用數值孔徑0.2~0.3的 EUVL 投影物鏡可以實現32nm 乃至22nm 光刻技術,PS/PDI的檢測精度可以達到 RMS0.08nm,完全可以滿足檢測精度的要求;基于剪切干涉原理的 CGLSI技術,彌補了 PS/PDI動態測量范圍小,檢測速度相對較慢 的 缺 點,并 且 具 備 較 高 的 檢 測 精 度 (RMS0.15nm)。通常,在 EUVL 投影物鏡 的 裝 調 過 程中,首先采用刀口檢驗等定性檢測手段完成粗調;在微調的初始階段,采用動態測量范圍較大的 CGLSI技術,將投影物鏡波像差控制在 RMS1nm 以內;最后,采用 PS/PDI完成高精度的檢測和精調。

      EUVL 進 一 步 發 展 到 16 nm 技 術 節 點,PS/PDI技術中針孔直徑需要達到16nm 左右,此時對于 PS/PDI技術而言,存在著針孔的加工圓度誤差、針孔對準、系統透過率以及干涉條紋對比度降低等一系列難題,需要探索更合適的檢測方法和技術。如果能進一步提高檢測精度,LDI技術將是一種有潛力的候選技術。


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