专利名称：测量照明系统性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量照明系统性能的方法，该系统包括辐射光源并且该系统用于成像装置中，该方法包括以下步骤-提供包括至少一个菲涅耳带透镜的测试目标；-将该测试目标设置在成像装置的物平面中；-利用照明系统提供的照明光束以及利用该装置的成像系统将包括菲涅耳带透镜的测试目标区域成像在像平面中，由此将局部有效光源成像到像平面中；-利用检测设备以及相关的处理装置来评估局部有效光源的图像，以确定照明系统的性能。
本发明还涉及与本方法一起使用的测试目标、制造包括该测量方法的设备的方法以及利用该制造方法所制造的设备。
将局部有效光源理解为表示波的分布，由此表示照明系统在测试目标平面中形成的辐射的分布。
US-A6048651涉及这种用于测试集成电路光刻法中所使用的精确图像投影装置的照明系统的方法。光学成像系统可以包括折射元件、反射元件或者这些元件的组合。以投影系统形式的、具有大量的透镜或反射镜的光学成像系统用于光刻投影装置中，该系统称作晶片步进器或者晶片步进扫描器。在下文中，用于这种装置的投影系统将被称作投影透镜，其可以是透镜系统或者反射镜系统或者包括透镜和反射镜的系统。光刻投影装置尤其用于制造集成电路或者IC。在光刻投影装置中，多次将存在于产品掩模中的产品掩模图案成像到衬底或晶片顶部上的抗蚀剂层中，每次在不同的区域成像，这些区域还称作IC区域、照射区域或者印模区域。利用投影(成像)系统和波长在UV范围内(例如365nm)或者深UV范围内(例如248nm、193nm或157nm)的投影光束进行投影。
IC制造的目的在于提供具有不断提高的信号处理速度并且包括数量不断增长的电子组件的IC。为了实现这个目的，希望提高IC的表面积以及降低组件的尺寸。对于投影装置而言，这表示必须提高其投影透镜的像场和分辨率，从而可以以明确的方式将日益变小的零件或者线宽度成像到日益变大的像场中。这意味着需要满足非常严格的质量要求并且具有可忽略的像差(诸如彗形球差、彗差和像散)的投影透镜。用于测量投影透镜性能的有效方法和系统已经在前面有所描述。
对于想成像所设想的更小细节而言，照明系统的质量和其相对于投影系统的对准同样变得更为重要。用于光刻投影装置中的照明系统包括辐射光源、用于将光源提供的辐射集中为照明光束的透镜或反射镜聚光器系统，以及用于使光束横截面上的辐射分布均匀的所谓的积分器。当前的光刻投影装置使用所谓的柯勒照明，即将辐射光源成像到投影透镜的光瞳平面中。该照明系统在掩模图案的平面中生成源辐射平面波的分布，该分布称作局部有效光源。照明系统中的像差改变了所述的分布并且由此造成掩模图案平面上有效光源形状的变化，从而造成投影透镜场上有效光源形状的变化。
为了测试照明系统，US-A6048651使用了具有菲涅耳透镜结构的光掩模，其取代了具有IC图案的光掩模，其在本专利中称作菲涅耳带靶(FZT)。由所要测试的照明系统照射该光掩模并且由投影透镜将其成像到像平面中，以及评估像平面中的辐射分布以确定照明系统的调整，该分布称作光瞳图。为了进行评估，在像平面中可以设置抗蚀剂涂敷的晶片、光敏膜或者电子图像传感器。
本发明的目的是提供一种如本说明书开篇段落中所述的方法，其具有比US-A6048651的方法更多的能力，即可以测量更多的照明系统参数。这种方法的特征在于提供测试目标的步骤，包括提供对于每个菲涅耳带透镜具有基准标记的测试目标，以及在成像步骤中包括在检测设备的视场内成像菲涅耳带透镜和相应基准标记区域。
将在检测系统的视场中成像理解为彼此接近地成像菲涅耳带透镜和基准标记，使得检测设备可以将它们作为一幅组合图像进行观察，可以将该组合图像作为一个图像进行评估。
在像平面中的明确位置处成像属于菲涅耳带透镜的基准标记使得以简单的方式就可确定菲涅耳图像的位置，该标记具有相对于菲涅耳带透镜的明确位置。可以将基准标记图像的中心用作二维坐标系的原点并且利用该坐标系的原点和轴确定有效光源图像的形状和尺寸。
菲涅耳带透镜和基准标记可以彼此相接地成像。然而，本方法的优选实施例的特征在于重叠地成像菲涅耳带透镜区域和相应的基准标记区域。
因为局部有效光源的图像位置不需要“平移”到基准标记的位置，所以可以更精确和更快地进行测量。局部有效光源和基准标记的重叠成像可以测量远心误差。可以将远心误差理解为表示形成在投影透镜光瞳中的辐射光源图像的中心与该光瞳中心之间的偏差。远心误差可以造成图像失真，其随着焦点的变化而变化并且可能会影响掩模图案相对于衬底或晶片对准的精度。
由相对于彼此以90°角设置的小线段形成基准标记，该线可以是不同的线或者共同形成方形的线。只要该基准标记具有清晰可辨的中心，其可以是任意的形状。
优选的是，该方法进一步的特征在于该基准标记是环形标记。
这可以将应为圆形的局部有效光源的图像形状与环形基准标记(下文中基准环)的图像的圆形轮廓线进行比较。这样，可以确定照明系统的不同类型的像差。
优选的是，该方法的特征在于在等于菲涅耳带透镜的焦距的距离上散焦地成像该测试目标，并且以最佳的聚焦条件成像该基准掩模。
这样在投影系统的像平面中就会形成局部有效光源的清晰图像。
该方法的优选实施例的特征在于为了成像菲涅耳带透镜，使用了基本大于用于成像基准标记的照明量的照明量。
这样，同样使得照明光源的图像足够亮，从而可以可靠地检测该图像。
为了局部有效光源的成像，使用成像系统，该成像系统的可能传输误差会影响照明系统测量的结果。为了消除或充分减小这种传输误差的影响，本方法的实施例使用了具有大量菲涅耳带透镜和相关基准标记的测试目标，其特征在于设法将来自每个菲涅耳带透镜的辐射以不同角度引导通过成像系统的光瞳。
来自多个菲涅耳带透镜的大量子光束全部通过该成像系统的可能的传输误差区域，使得这些误差的影响分布在该组合图像上，并且因此消除了影响。
可选择的是，该方法的特征在于在测量照明系统之前，由漫射辐射照射该成像系统并且测量在其像平面中的辐射分布，以检测照明系统的传输误差，并且根据所述传输误差校正照明系统测量的结果。
根据本方法的两个主要实施例可以对测试目标的图像进行评估。第一个主要实施例的特征在于评估该测试目标图像的步骤包括以下子步骤-将辐射光源成像到抗蚀剂层中并且使抗蚀剂显影；-利用具有比成像系统的分辨率更高的检测设备扫描抗蚀剂结构，-分析检测设备提供的数据，以便确定可能存在于源图像中的不同像差的类型和量。
将更高的分辨率理解为可以对更小的细节进行检测。
第二个主要实施例的特征在于评估测试目标图像的步骤包括以下子步骤-在辐射敏感检测器上形成虚像；-扫描该虚像，和-分析检测器提供的数据，以便确定可能存在于源图像中的不同像差的类型和量。
这个实施例进一步的特征在于形成虚像的步骤包括在分离的检测器区域上同时形成虚像。
这样就可以测量局部有效光源在整个投影系统场上的变化。
这种新颖的方法特别适于测量光刻投影装置的照明系统的性能。这种用途的方法的实施例的特征在于-提供测试目标的步骤包括提供包括至少一个测试目标的掩模，和-将测试目标设置在物平面中的步骤包括将这个掩模设置在投影装置的掩模保持器中。
本方法的实施例的特征在于利用了测试目标，其构成了部分测试掩模。
测试掩模，或者分划板可以包括大量菲涅耳带透镜，并且可以进行不同类型的测量。
一个可选实施例的特征在于利用了测试目标，其构成了部分产品掩模。
这样不需要插入特殊测试掩模以及将其从投影装置中除去，由此使得测量快速。
本发明还涉及一种用于实施这种方法的系统。该系统的特征在于其包括以下的组合-照明系统构成了其一部分的装置；-具有至少一个菲涅耳带透镜的测试目标和相关基准标记；-用于检测由菲涅耳透镜形成的局部有效光源图像的强度轮廓和基准标记图像的强度轮廓的检测装置；-图像处理器，连接于检测装置，用于存储和分析所观察到的图像，并且包括用于处理关于该所观察到的图像的信息的分析装置，以确定该照明系统可能表现出的不同种类的像差。
这种系统的第一实施例的特征在于该检测装置包括用于接收由至少一个菲涅耳透镜形成的源图像和相关基准标记的图像的抗蚀剂层，以及用于扫描该抗蚀剂层中形成并显影的所述图像的扫描检测设备。
优选的是，该扫描检测设备是扫描电子显微镜。
这种系统的第二实施例的特征在于该检测装置包括用于接收由菲涅耳透镜所形成的源虚像和基准标记的虚像的辐射敏感检测器。
所述实施例的进一步的特征在于该检测器是扫描点检测器。
该系统的另一实施例的特征在于该测试目标包括大量菲涅耳带透镜和相关的基准标记，其中该检测器是扫描组合检测器，其包括辐射敏感部件以及大量透明点状区域，其对应于测试目标中菲涅耳带透镜的数量。
这个实施例进一步的特征在于该辐射敏感部件是覆盖全部透明区域的单独元件。
可选择的是，这个实施例的特征在于该辐射敏感部件由大量子部件构成，其数量对应于透明区域的数量。
这个实施例进一步的特征在于透明区域相对于相应子部件中心的位置对于不同的透明区域/子部件对而言是不同的。
这种新颖的方法非常适于结合测量设备来使用，其特征在于其具有产品衬底的形状和尺寸，并且包括电子信号处理装置、电源装置、接口装置和至少一个用于检测由菲涅耳透镜形成的源虚像和相关基准标记的虚像的强度轮廓的检测器。
这种测量设备可以称作检测器晶片并且可以按照与普通晶片相同的方式通过光刻投影装置进行传送。该传感器晶片的至少一个检测器可以具有如上所述的检测器结构。
本发明还涉及与这种新颖的方法一起使用的测试目标。这个测试目标的特征在于其包括至少一个菲涅耳带透镜以及相关的基准标记。
该测试目标的第一实施例的特征在于将其作为测试掩模来实施。
该测试目标的第二实施例的特征在于其构成了部分产品掩模。
该测试目标进一步的特征在于其具有振幅结构。
可选择的是，该测试目标的特征在于其具有相位结构。
该测试目标进一步的特征在于其为传输目标。
可选择的是，该测试目标的特征在于其为反射目标。
本发明还涉及一种制造设备的方法，该设备包括在设备衬底的至少一个衬底层中的设备特征，该方法包括以下连续步骤中的至少一组-提供产品掩模图案，其包括对应于将要配置在所述层中的设备特征的特征；-利用受控照明系统照射该产品掩模图案；-利用投影系统将产品掩模图案成像到涂敷在衬底上的抗蚀剂层中，并且显影该层，由此形成对应于产品掩模图案的构图涂层；-从衬底层的区域去除材料，或者向该区域添加材料，该区域是由构图涂层的图案所划分的，所述照明系统的控制包括检测照明系统的像差并且根据检测结果重新设定该系统。这种方法的特征在于利用上文中所述的测量方法来进行检测。
本发明进一步涉及用于将掩模中存在的产品掩模图案成像到衬底上的光刻投影装置，该装置包括用于提供投影光束的受控照明系统、用于容纳掩模的掩模保持器、用于容纳衬底的衬底保持器以及设置在掩模保持器与衬底保持器之间的投影系统，所述照明系统的控制包括检测照明系统的像差并且根据检测结果重新设定该系统。这种装置的特征在于利用上文中所述的测量方法进行检测。
同样利用上述光刻方法和装置中的本发明的测量方法，可以获得更明确的设备，本发明也可以具体化为这种设备。
参照下文中所述的实施例，通过非限定性实例将解释说明本发明的这些以及其它方面，并使它们显而易见。
在附图中

图1示意性示出了包括照明系统的光刻投影装置的实施例，利用该方法可以测量其性能；图2示出了仅包括理解本发明所需的元件的这种装置的简化实施例；图3示出了菲涅耳带透镜对于来自该装置照明系统的平面波的影响；图4示出了菲涅耳带透镜的原理；图5a示出了包括一个菲涅耳带透镜和相关基准环的测试目标的一部分；图5b示出了这个菲涅耳带透镜和形成在抗蚀剂层中的环的重叠图像；图6示出了包括大量菲涅耳带透镜和相关基准环的测试分划板形式的测试目标；图7a、7b和7c示出了不同类型的照明光源的图像；图8示出了具有楔的测试目标；图9示出了所述具有漫射表面的测试目标，和图10示出了与本方法一起使用的传感器晶片。
在图1的示意图中，仅表示了光刻投影或曝光装置的最重要的模块。这种装置包括投影列，其中容纳了投影系统，例如透镜投影系统PL。在这个系统之上，设置了用于支撑掩模MA的掩模保持器MH，该掩模包括所要成像的掩模图案C。该掩模图案是对应于将要配置在衬底层或者晶片层W中的特征的特征图案。该掩模保持器构成了部分掩模台MT。衬底台WT设置在投影透镜系统下方的投影列中。该衬底台具有用于保持衬底(例如半导体晶片)W的衬底保持器WH。辐射敏感层PR，例如光抗蚀剂层涂敷在衬底上。掩模图案C应当在抗蚀剂层中多次成像，每次都成像在另一IC区域或印模Wd中。该衬底台可以在X和Y方向上移动，由此在将掩模图案成像在IC区域中之后，可以将下一IC区域放置在掩模图案和投影系统下。
该装置还包括照明系统IS，其包括辐射光源LA，例如汞灯或者受激准分子激光器(如氪-氟化物受激准分子激光器)，还包括透镜系统LS、反射器RE和聚光透镜CO。该照明系统可以包括所谓的积分器，即将来自光源的内部和外部的光束部分混合使得该光束得到均匀的强度分布的元件。照明系统提供的照明或曝光光束PB照射掩模图案C。该投影系统PL将该图案成像到衬底W上的IC区域中。
该装置还设有大量测量系统。第一测量系统是一种用于确定在XY平面中衬底相对于掩模图案C的对准的对准测量系统。第二测量系统是一种用于测量衬底的X和Y位置以及方向的干涉计系统IF。还存在用于确定投影系统的聚焦或图像场与衬底上的辐射敏感层PR之间的偏差的聚焦误差检测系统(未示出)。这些测量系统是伺服系统的部件，该伺服系统包括电子信号处理和控制电路以及致动器，利用它们借助测量系统发出的信号来校正衬底和焦点的位置和方向。
对准检测系统在掩模MA中使用了两个对准标记M1和M2，该标记示于图1右上部分中。这些标记为例如衍射光栅，但是也可以由其它标记构成，如方形或者条纹(stroke)，它们在光学上与其周围不同。优选的是，对准标记是二维的，即它们在两个相互垂直的方向上延伸，即图1中的X和Y方向。衬底W包括至少两个对准标记，其中的两个P1，P2在图1中示出。这些标记位于必须形成掩模图案的图像的衬底W的区域之外。优选的是，光栅标记P1和P2是相位光栅，光栅标记M1和M2是振幅光栅。对准检测系统可以是双系统，其中两个对准光束b和b’分别用于检测衬底标记P2相对于掩模标记M2的对准以及用于检测衬底标记P1相对于掩模标记M1的对准。在穿过对准检测系统之后，每个对准光束分别入射到辐射敏感检测器3和3’上。每个检测器将相关的光束转变成电信号，其表示衬底标记相对于掩模标记的对准程度，由此表示了衬底相对于掩模的对准程度。US-A4778275中描述了双对准检测系统，参考该文献以获得关于该系统的更多详细情况。
为了精确地确定衬底的X和Y位置，该光刻装置包括多轴干涉计系统，其由图1中的块IF示意性表示。双轴干涉计系统在US-A4251160中有描述并且在US-A4737823中还描述了三轴干涉计系统。在EP-A0498499中描述了五轴干涉计系统，利用所述系统可以非常精确地测量沿着X和Y轴的移动以及围绕Z轴的旋转和关于X和Y轴的倾斜。
如图1所示，将干涉计系统的输出信号Si和对准检测系统的信号S3和S3’提供给信号处理电路SPU，例如微型计算机，其将这些信号处理成致动器AC的控制信号Sac。该致动器通过衬底台WT在XY平面上移动衬底保持器WH。
采用上述聚焦误差检测系统的输出信号来校正聚焦误差，例如通过在Z方向上使投影透镜系统与衬底彼此相对移动，或者通过在Z方向上移动投影系统的一个或多个透镜元件。在US-A4356392中描述了可以固定到投影透镜系统上的聚焦误差检测系统。在US-A51911200中描述了一种检测系统，利用该系统可检测聚焦误差和衬底的局部倾斜。
为了提高设备的操作速度和/或提高该设备中的组件数目，要求不断减少零件、减小设备特征或线的宽度以及相邻设备特征之间的距离。光刻投影装置(图1表示了一个实例)能够以令人满意的方式成像的细节的微小程度是由投影系统的成像质量和分辨能力来确定的。常规上，通过提高数值孔径NA和/或减少投影辐射的波长已经提高了分辨能力或分辨率。实际上很难期望再提高数值孔径，并且进一步减少投影光束的波长会带来许多新的问题。
利用仍可制造的投影系统成像更小的图案细节的最新发展是使用步进扫描光刻装置取代步进光刻装置。在步进装置中，使用了全场照明；即在一次操作中照射整个掩模图案并且将其作为整体成像到衬底的IC区域上。在曝光了第一IC区域之后，向下一IC区域步进，即按照将下一IC区域放置在掩模图案之下的方式移动衬底保持器。然后曝光这个IC区域等等，直到衬底的全部IC区域具有掩模图案的图像为止。在步进扫描装置中，仅照射掩模图案的矩形或者圆形段状区域部分，由此每次曝光衬底IC区域的相应子区域。掩模图案和衬底同步移动通过投影光束，同时考虑投影系统的放大率。在连续过程中，每次将随后的掩模图案的子区域成像到相关IC区域的相应子区域上。在按照这种方式将整个掩模图案成像到IC衬底区域上之后，衬底保持器进行步进移动，即下一IC区域开始在投影光束中移动。然后，例如将掩模设置在其初始位置，随后扫描曝光所述下一IC区域。如在步进扫描方法中，仅使用像场的中心部分，由此仅需要校正这个部分的光学像差，可以采用较大的数值孔径。这样，可以在一定程度上降低根据所需质量成像的设备特征及其间隙的宽度。
为了可以最佳地使用投影透镜的功能，即将掩模图案的非常精细的细节成像到抗蚀剂层中的功能，照明系统应当表现出高性能的质量，并且该系统应当可以相对于投影透镜的光轴精确对准。投影透镜所能成像的细节越小，对于投影系统的要求就越高。
图2示出了光刻投影装置的视图，其中使用了所谓的柯勒照明，其为当前的晶片步进器和晶片步进和扫描器中主要使用的照明类型。柯勒照明表示将照明系统的辐射光源成像到投影透镜的光瞳平面中。光瞳由图2中的Pu表示。在这个实施例中，辐射光源提供环形光束，其由环形光源AC表示。利用环形光束的照明具有提高投影系统的分辨率的优点，即可以成像更小的细节。
如图3所示，提供了照明光束，其由平面波PW的分布组成。在掩模图案或分划板高度的分布称作局部有效光源。这种分布是由照明系统的特性决定的。这种系统的像差造成分布的变化。因此，照明系统像差导致了在投影装置的场上光源形状的变化。由于印刷线，即由投影透镜在抗蚀剂层中形成的线的宽度取决于在掩模图案或分划板中相关线的位置处有效光源的形状，所以聚光器像差有助于投影透镜场上印刷线宽度的变化。为了消除这种线宽度变化或将其减小到可接受的水平，应当确定照明系统的像差，并且应当设法减少或消除这些像差。这些像差包括照明系统相对于成像系统的倾斜、远心误差以及聚焦误差，远心误差在像场上是恒定的，聚焦误差造成离轴图像的缺陷。
通过确定投影透镜光瞳平面中的辐射分布可以测量照明系统像差。然而，通常这个平面是不可达到的。已知的解决这个问题的方法是利用设置在分划板平面中的附加透镜来再次成像有效光源。用于再次成像的最简单的透镜装置是不透明分划板中的透明孔。该孔的最佳直径R由以下条件给出，利用该孔形成的辐射光点的尺寸等于衍射极限光点的尺寸R≈(λF)1/2(1)其中入是源辐射的波长，F是孔与形成光点的平面之间的距离。
如果菲涅耳带透镜取代了单独的孔，则透镜性能得到了改进，因此获得了改进的辐射光源图像。菲涅耳带板的振幅类型包括中央圆形区域和多个环形带，这些环形带交替地为透明和不透明的。在图3中，这种菲涅耳透镜由曲面透镜元件30表示，其会聚与晶片WA上的一个平面波PW相关的辐射。晶片上方的曲面ID表示由菲涅耳带透镜与投影透镜的组合形成的图像的强度分布。为了清楚起见，从图3中省略了后者。
图4非常示意性地示出了带透镜30，其由板32构成，该板包括中央圆形带32和多个交替的透明和不透明的环形带，其中仅表示了六个带34-39。选择带的半径Rm使得从(物)点S经由带数m传播到(像)点P的平面波与沿着光轴传播的波具有m.λ/2的相位差。因为透明带全部具有奇数或偶数，所以通过透明带的波全部在点P相加干涉。这些带的半径由以下表达式给出R2m＝m.λ.f+(m2λ2)/4≈m.λ.f(2)为了利用菲涅耳透镜进行成像，“薄透镜等式”为1/ρ0+1/r0＝1/f，with f＝R2m/(m.λ) (3)因此平面波聚焦在与该透镜距离为f处的平面中，即菲涅耳带透镜的焦距。
实际上，选择焦距f使其在投影透镜的散焦值范围内，投影装置的聚焦系统可以补偿该散焦值范围。典型的范围是从标称焦点-30μm延伸到+30μm。因此菲涅耳带透镜的焦距可以是15μm。菲涅耳透镜带的数量，在实际实施例中例如为5个，其为在该透镜的分辨率与具有较大数量的带和相应较大NA的菲涅耳透镜所具有的离轴像差之间的折中方案。
为了确定照明系统的像差，利用菲涅耳带透镜和投影透镜在衬底顶部上的抗蚀剂层中使辐射光源成像。当前用于投影光刻法中的参数是相干值σ，其为照明光束填充投影透镜光瞳的程度的量度。如果光束填充了整个光瞳，则σ＝1，但是通常σ＜1。平面波PW入射到菲涅耳带透镜30(图3)上的角度α可以由以下表达式表示
Sinα＝σ.NA.M (4)其中M是成像系统的放大率。该平面波在与光轴距离为r处聚焦r＝(f.σ.NA)/(1-σ2.NA2)1/2(5)对于具有数值孔径NA＝0.63、相干值σ＝1的投影透镜的投影装置而言，辐射光源的图像在晶片高度处具有24μm的直径。注意与σ和NA的这些值相关的入射角α相当大，并且实际上选择较小的入射角来避免由菲涅耳带透镜引入的像差。这表示辐射光源图像的直径将小于所述的24μm。
根据本发明，除了局部有效光源之外，还成像存在于测试分划板或测试目标中以及与菲涅耳带透镜相关的基准标记。彼此接近地成像局部有效光源和基准标记，即在检测设备的像场中成像，使得该设备可以将它们作为一个组合图像观察到。在像平面中明确的位置上成像属于菲涅耳带透镜的基准标记可以以简单的方式确定菲涅耳的图像位置，该标记具有相对于菲涅耳带透镜的明确位置。基准标记图像的中心可以用作二维坐标系的原点，并且利用该坐标系的原点和轴可以确定有效光源图像的形状和尺寸。
可以彼此相接地成像菲涅耳带透镜和基准标记。优选的是，重叠地成像菲涅耳带透镜区域和相应的基准标记区域。这样就可以更精确、更快地测量，这是因为局部有效光源的图像位置不需要“平移”到基准标记的位置。局部有效光源和基准标记的重叠成像允许测量远心误差。
可以由相对于彼此以90°角设置的小线段形成基准标记，该线可以是分离的线或者共同形成方形的线。如果该基准标记具有清晰可辨的中心，则其可以具有任意的形式。
然而，该基准标记优选为环形标记。
这就可以将应为圆形的局部有效光源的图像形状与环形基准标记(下文中基准环)的图像的圆形轮廓线进行比较。这样，可以确定照明系统的不同类型的像差。
图5a示出了包括菲涅耳带透镜30和相关测试环40的一部分测试分划板。如果λ＝248nm、f＝15μm，则菲涅耳带透镜的第一带的半径R为例如2μm的级别。由装置的最大σ和NA值来确定测试环的直径，该直径大于菲涅耳带区域的直径，并且该装置的照明系统即将被测量。测试环的中心与菲涅耳带透镜的中心之间的距离d为例如100μm。
图5a所示的测试目标可以由透明板构成，例如玻璃或石英的透明板，其下侧涂敷了不透明的层，例如铬层。菲涅耳透镜和基准环包括透明区域和不透明层中的带。取代这种透明/不透明结构，即振幅结构，还可以将相位结构用作测试目标。因此，整个测试目标是透明的，并且菲涅耳带透镜和基准环包括该板中的区域-和带-凹进。优选的是，如果周围的媒质是折射率为1的空气，则凹进的深度为λ/4。取代凹进，还可以使用凸起区域和带，其与所述凹进具有相同的面积和带尺寸以及相同的相对于该板其它位置的高度差。
取代透射目标，该测试目标还可以是反射目标。反射测试目标将用于测量照明系统，该照明系统提供短波长的辐射，以致于对于该波长足够透明的材料不可用。因此，照明系统和投影系统包括反射镜，而不是透镜。使用反射测试目标来测量提供波长为例如13nm的远紫外(EUV)辐射的照明系统。
为了实施测量，首先抗蚀剂层相对于投影透镜在等于菲涅耳带透镜的焦距的距离(例如15μm)上散焦，这是通过将晶片台从其标称位置沿着光轴移动这段距离而实现的。通过菲涅耳带透镜在抗蚀剂层中形成了辐射光源的图像。由于抗蚀剂层散焦的程度等于菲涅耳带透镜的焦距，因此这个图像是清晰的图像。然后，将晶片台设到其标称Z位置，并且在X方向上移动距离d。后一种移动是由精确的X台致动器或电动机以及X干涉计系统来实现的，这表示可以以纳米精度实现这种移动。目前基准环的中心位于菲涅耳带透镜中心的前一位置。照射测试环导致了抗蚀剂中的第二图像。
图5b示出了基准环的图像45和由菲涅耳带透镜形成的局部有效光源的图像50。源图像的直径例如为15μm的量级，环图像的直径为30μm的量级。利用扫描电子显微镜(SEM)可以评估组合图像，该显微镜提供图像处理和电子硬件和软件的评估。这种SEM广泛用于光刻法中，以用于评估由产品分划板图案或者部分图案形成的测试图像。为了实施照明系统测量方法，使用了适合并专用的软件包。
在辐射光源的图像上重叠成像基准环提供了对于源图像的位置具有标记并且具有用于确定源图像的偏移和变形的基准的优点。
由于清晰地成像了基准环，所以对于这种成像可以使用标称照射量(投影光束PB的强度)。因为通过菲涅耳带透镜散焦地成像了光源，所以对于这种成像的照射量优选比标称照射量大得多，例如20倍。这是具有入射到抗蚀剂层中需要位置上的足够辐射的安全极限。
除了在抗蚀剂层中成像，还可以利用菲涅耳带透镜形成的基准环的虚像和辐射光源的虚像实施本方法。然后，排除抗蚀剂特性对于测量的可能影响。该虚像透射到辐射敏感检测器上，该检测器将该图像转变为电信号。将检测器信号提供给与该检测器相连的图像处理和评估设备。这种检测器的实例是图像传感器，其广泛用于光刻投影装置中，以评估该装置的投影列的性能。以不同的时间间隔由检测器扫描光源和基准环的虚像，并且处理它们的数据，从而获得了与图5b所示的组合图像相似的组合图像。
在先前的WO专利申请No.02/01485(PHNL010996)中，其涉及利用测量测试特征图像测量投影透镜像差的方法，描述了几种检测器的实施例，该检测器还可以与本发明的方法一起使用。
可以与用于测量照明系统的方法一起使用的第一种检测器是扫描点检测器。
如果测试目标包括多个菲涅耳带透镜和相关的基准环，则该检测器可以是扫描组合检测器，其包括辐射敏感部件和多个透明点状区域，该区域对应于测试目标中菲涅耳带透镜的数量。
辐射敏感部件可以是覆盖全部透明区域的单独元件。
可选择的是，该辐射敏感部件由多个子部件构成，其数量对应于透明区域的数量。
在同时形成局部有效光源的虚像的实施例中，如果使用了其中透明区域相对于相应子部件中心的位置对于不同透明区域/子部件对各不相同的检测器，则能够同时接收这些图像。
通过评估图5b的组合图像，新方法可以确定不同类型的可能的照明像差。如果基准环图像45和光源图像50是共轴的，则照明系统和投影透镜精确对准。如果图像50的中心相关于图像45的中心发生偏移，则出现了所谓的远心误差。这表示照明系统相对于该光轴发生倾斜。远心误差造成取决于聚焦的图像失真，其为特别是较大的图案特征的偏移的形式，该偏移取决于聚焦，并且能够影响在生产过程中的对准或覆盖精度。按照经验法则较大(粗略)的特征会偏移大约Δσ.NA.ΔZ，其中ΔZ是焦点偏移。例如，如果NA＝0.6、ΔZ＝0.4μm，则1％的远心误差造成粗略特征的线宽度变化。粗略特征例如为对准标记。精细特征的偏移，即宽度接近投影透镜分辨率的特征的偏移非常小，接近零。
可以利用本方法进行测量的第二种像差是局部有效光源的尺寸在投影透镜场上的变化。这种变化表示相干值的变化Δσ，并且造成成像特征或线宽度在投影透镜场上的变化。例如，对于Δσ～1％，严格尺寸CD的线宽度变化ΔCD可以是ΔCD～1nm，该严格尺寸可以是最小尺寸的图案。线宽度变化强烈取决于掩模图案的间距或者周期性以及照明的类型，例如圆形、环形、偶极或四极照明。而且，隔离特征的线宽度变化以及密集特征的线宽度变化具有相反的符号。隔离特征是在线宽度的几倍量级上的距离处不具有相邻特征的掩模图案特征。密集特征构成了部分图案，其中相邻特征之间的距离是线宽度的几倍，例如间距为310nm的图案中宽度为130的线。
本发明还可以确定局部有效光源的辐射分布的偏差。这种偏差包括对于常规(圆形)光源或者环形光源而言，椭圆形取代了圆形，对于偶极或四极光源而言，极之间的不平衡，以及对于环形光源和多极光源而言，极的环面相对于几何中心的偏心。这种偏差造成了IC图案图像的变形，以及H线(在X方向上延伸的水平线)和V线(在Y方向上延伸的垂直线)的线宽度的差。图5b中源图像的轮廓的变形表示照明系统自身中的缺陷，即该系统的一个或多个元件中的缺陷或者位置或倾斜误差。
为了测量由照明系统造成的场上变化，应当在抗蚀剂层中或者在图像传感器上形成如图5b所示的多个组合图像，每次在投影透镜像场中的不同位置处形成图像。优选的是，利用包括相应数量的菲涅耳带透镜和相关基准环的分划板获得多个组合图像。图6显示了这种分划板的一个实施例。在该图中，由封闭的(黑色)小圈表示菲涅耳带透镜30，并且由开放的小圈表示基准环。通过照射菲涅耳带透镜和基准环对的整个图案，在一个步骤中获得了所需的组合图像，这表示可以减少测量所需的时间。为了对全部菲涅耳带透镜进行同步成像，使用了相同的、优选为高的照射量，以及为了对于全部基准环进行同步成像，使用了相同的标称照射量。
还可以多次成像相同的菲涅耳带透镜和相关基准环，每次在抗蚀剂层中的不同位置处成像。然后，应当在连续照射之间步进该测试目标，这可能需要附加的装置。在步进扫描光刻装置中，可以在一个方向上步进分划板。这个方法实施例可以每次以不同的量照射菲涅耳带透镜，同时为了连续照射基准环，使用了相同的量。这样可以增强该方法的测量能力。通过比较属于不同量的强度轮廓，经过比较抗蚀剂层中形成的组合图像，可以确定照明系统在整个照射量范围上的性能。
如已经谈到的，本方法可以用于测量不同类型的照明系统，如常规的、环形的、偶极或四极的系统。
图7a示出了通过测量常规照明系统而获得的组合图像70的实例，该系统即提供具有圆形横截面的照明光束的系统。如图5a中一样，利用菲涅耳带透镜形成的光源图像由附图标记50表示，基准环的图像由附图标记45表示。圆52表示图像源的最优拟合轮廓。
图7b示出了通过测量环形照明系统而获得的组合图像72的实例，该系统即提供具有环形横截面的照明光束的系统。利用菲涅耳带透镜形成的源图像具有环形形状，其由附图标记74表示。
图7c示出了通过测量四极照明系统而获得的组合图像75的实例，该系统即提供由四个子光束构成的照明光束的系统，其设置在几何中心周围的四个象限中。该中心应位于投影透镜的光轴上。由子光束和菲涅耳带透镜形成的四个照明区域由附图标记76、77、78和79表示。
利用本方法获得的与照明系统的倾斜和散焦有关的数据可以用于校正照明系统，以便去除测得的像差或将其减少到可接受的水平。所要进行的校正的种类取决于像差的种类并且可以包括相对于投影透镜的光轴使系统偏移或倾斜、使成像系统的辐射光源偏移或倾斜以及相对彼此或辐射光源使该系统的光学组件偏移或倾斜。
在安装了几个光刻投影装置的制造场所，这些装置的照明系统可以全部利用相同的测试分划板来进行测量并校正，该分划板包括一个或多个菲涅耳带透镜以及相关的基准环。这样，投影装置的照明系统可以相互匹配。
由于菲涅耳带透镜和基准环仅占据了分划板的小面积，因此还可以将一个或多个菲涅耳透镜和相关的基准环(下文中的测量元件)设置在所生产的分划板或掩模中，即具有带有对应于将要在设备制造过程中配置在衬底层中的特征的特征掩模图案的掩模。这样就可以在不使用特殊测试分划板的情况下以及例如在开始对一批晶片进行曝光处理时实施该方法。测量元件可以设置在不存在掩模图案的特征的产品分划板的边界处。
关于成像局部有效光源和基准环，使用了投影透镜，该透镜的像差会造成测量元件的图像中的失真。为了可靠测量成像系统，应当测量投影透镜像差，并且应当相应地在测量成像系统之前校正该透镜，使得仅测量后一种系统的像差。在US-A6248486中描述了一种用于测量投影透镜像差的精确而可靠的方法。在SPIE Vol.3679，1999，第99-107页中出版的标题为“Measurement of effective source shiftusing a grating-pinhole mask”的论文中描述了一种直接测量有效光源的方法，不必首先测量投影透镜的像差。这种方法使用了包括多个透明区域的掩模，在该透明区域中设置了光栅。这些区域具有两个功能它们可用作针孔透镜以及衍射光栅，将入射光束分成多个具有不同衍射级的子光束。在该论文的测量系统中，零级子光束通过投影透镜光瞳的中心，四个第一级光束通过光瞳边界处的不同区域。每个子光束具有低强度并且测量结果强烈取决于光栅的间距。
根据本发明的另一方面，因此还可以进一步修改新方法，使得测量不会受到投影透镜透射缺陷的影响，并且这种修改可以在不使用严格的测量元件和没有辐射能量损失的情况下实现。为此，使用了包括用于每个菲涅耳带透镜的楔的测试分划板。该楔具有不同的楔角，因此以不同的角度偏折通过了它们和相关菲涅耳带透镜的全部子光束。通过照射该测试分划板，形成有效光源图像的每个子光束通过与其它子光束不同的投影透镜光瞳的另一区域。因此，这些图像的集合包括关于投影透镜透射缺陷的信息，这样就可以用照明系统测量结果校正这些缺陷和/或使这些缺陷可见。
图8示出了包括楔的分划板的实施例的横截面。该分划板80包括衬底82和多个菲涅耳带透镜30以及相关的基准环40。带透镜与环之间的表面区域84是不透明的，并且可以由铬层形成。这种结构还可以用于不具有楔的分划板。图8示出了分划板的中央部分，因此楔90、94、98在左侧的倾斜与楔92、96、100在右侧的倾斜相反。在这个实施例中，楔的楔角Y在从中心到边界的方向上增长。每个楔属于一个不同的菲涅耳带透镜，因此通过菲涅耳带透镜的辐射具有由相关楔的楔角确定的方向。为了清楚起见，图8所示的楔角γ1、γ3和γ5与楔角γ2、γ4和γ6之差大于实际情况。所示的楔之间的距离以及因此透镜之间的距离也比实际情况大。
可选择的是，利用在测量照明系统之前的测量投影透镜透射缺陷的附加步骤，可以扩大该方法。通过利用具有均匀辐射分布的光束照射投影透镜可以测量透射缺陷。如果投影透镜不具有透射缺陷，则像平面中的辐射分布也将是均匀的。如果存在这种缺陷，则像平面中对应于缺陷位置的区域处的辐射强度将小于像平面其余区域处的辐射强度。为了获得漫射辐射，可以将独立的漫射元件设置在分划板的上面，或者可以使分划板的上表面成为漫射的，例如通过使其变粗糙。图9示出了包括透明基板92和粗糙上表面94的测试分划板90，其可以用于测量投影透镜。
当用于测量光刻投影装置的照明系统的性能时，利用特殊的光学测量设备可以实施该新颖的方法。图10示出了这种设备100的实施例。其包括衬底102，该衬底具有所要在该装置中处理的产品晶片的形状和尺寸，所要测量的照明系统构成了该装置的一部分。该设备，可以是所谓的光学测量晶片或者传感器晶片，包括至少一个检测器或传感器。图10的实施例包括五个传感器104-108。传感器中的至少一个可以是单独的或者组合的检测器并且可以用于测量照明系统。该传感器可以分布在整个晶片表面上，并且可以设置在不同高度上。该传感器可以具有放大器以在将传感器信号提供给微处理器110之前放大该信号，该放大器也设置在晶片上。微处理器的功能尤其在于处理传感器信号和/或控制该传感器。传感器晶片还可以包括用于临时存储数据的存储器112，该数据例如信号数据。块114是输入/输出界面，其与微处理器相连并且提供与外界的有线或无线接触。无线接触可以由例如光学装置或者FM发射提供。该界面用于向外界提供数据和/或将测量程序加载到微处理器中。传感器晶片由电源116供电，其可以是电池或者用于从外界无线接收电能的感应设备。该传感器晶片还包括两个或多个对准标记，以在开始测量之前在光刻投影装置中对准该晶片。传感器晶片的优点在于其可以作为普通晶片放置在装置中或者从该装置中去除。
尽管已经借助具有投影透镜系统的光刻投影装置描述了本发明，但是本发明还可以用于其中的投影系统是一个反射镜系统或者是一个包括反射镜和透镜的系统的装置中，该投影系统即用于将产品掩模图案成像到衬底顶部上的抗蚀剂层中的系统。
照明系统的制造商可以使用本发明的方法在发售所制造的照明系统之前来测量和校正该系统。还可以由光刻投影装置的制造商来使用该方法以测量照明并将其与投影系统对准。这就产生了改进的投影装置，使得本发明具体化为这种装置。而且，本发明可以由设备的制造商所使用，所述设备例如IC和光阀设备(如液晶显示板和数字反射镜设备(DMD))，或者集成和平面光学系统等，以便规则地测量投影装置的照明系统。这种应用可以更精确地制造这种设备，并由此使得设备更好地限定。因此本发明还具体化为这种设备。
借助测量用于投影装置的照明系统已经描述了本发明的情况，但不意味着其用途限于这种应用。本发明可以用在必须相互独立地以及以高精度和可靠性地测量照明系统的像差的地方。然而，当在光刻投影装置中使用这种新颖的方法时，最佳的应用是这种装置拟用于精细的成像图案，这种装置的成像和伺服系统也可以用于实现该新颖的方法。
权利要求
1.一种测量照明系统性能的方法，所述照明系统包括辐射光源并且用于成像装置中，该方法包括以下步骤-提供包括至少一个菲涅耳带透镜的测试目标；-将该测试目标设置在成像装置的物平面中；-利用由照明系统提供的照明光束以及利用该装置的成像系统将包括菲涅耳带透镜的测试目标区域成像在像平面中，由此将局部有效光源成像到像平面中；-利用检测设备以及相关的处理装置来评估局部有效光源的图像，以确定照明系统的性能，其特征在于提供测试目标的步骤包括提供对于每个菲涅耳带透镜具有基准标记的测试目标，以及其中成像的步骤包括在检测设备的视场内成像菲涅耳带透镜区域和相应基准标记区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于重叠地成像菲涅耳带透镜区域和相应的基准标记区域。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于该基准标记是环形标记。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在等于菲涅耳带透镜的焦距的距离上散焦地成像该测试目标，并且以最佳的聚焦条件成像该基准掩模。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于为了成像菲涅耳带透镜，使用了基本大于用于成像基准标记的照明量的照明量。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的方法，使用了具有多个菲涅耳带透镜和相关基准标记的测试目标，其特征在于设法将来自每个菲涅耳带透镜的辐射以不同的角度引导通过成像系统的光瞳。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于在测量照明系统之前，由漫射辐射照射该成像系统并且测量在其像平面中的辐射分布，以检测照明系统的传输误差，并且针对所述传输误差校正该照明系统测量的结果。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于评估测试目标图像的步骤包括以下子步骤-将辐射光源成像到抗蚀剂层中并且使抗蚀剂显影；-利用具有比成像系统更高的分辨率的检测设备扫描该抗蚀剂结构，-分析检测设备所提供的数据，以便确定可能存在于源图像中的不同像差的类型和量。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于评估测试目标图像的步骤包括以下子步骤-在辐射敏感检测器上形成虚像；-扫描该虚像，和-分析图像传感器提供的数据，以便确定可能存在于源图像中的不同像差的类型和量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于形成虚像的步骤包括在分离的检测器区域上同时形成虚像。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，用于测量光刻投影装置中照明系统的性能，其特征在于-提供测试目标的步骤包括提供包括至少一个测试目标的掩模，和-将测试目标设置在物平面中的步骤包括将这个掩模设置在投影装置的掩模保持器中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于使用了构成部分测试掩模的测试目标。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于使用了构成部分产品掩模的测试目标。
14.一种用于实施根据权利要求1所述的方法的系统，其特征在于其包括以下组合-照明系统构成了其一部分的装置；-具有至少一个菲涅耳带透镜和相关基准标记的测试目标；-用于检测由菲涅耳透镜形成的局部有效光源图像的强度轮廓和基准环图像的强度轮廓的检测装置；-图像处理器，连接于检测装置，用于存储和分析观察到的图像，并且包括用于处理关于该观察到的图像的信息的分析装置，以确定该照明系统可能表现出的不同种类的像差。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于该检测装置包括用于接收由至少一个菲涅耳透镜形成的局部有效源图像和相关基准标记的图像的抗蚀剂层，以及用于扫描该抗蚀剂层中形成并显影的所述图像的扫描检测设备。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于该扫描检测设备是扫描电子显微镜。
17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于该检测装置包括用于接收由菲涅耳带透镜形成的源虚像和基准标记的虚像的辐射敏感检测器。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于该检测器是扫描点检测器。
19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于该测试目标包括多个菲涅耳带透镜和相关的基准标记，其中该检测器是扫描组合检测器，其包括辐射敏感部件以及多个透明点状区域，其对应于测试目标中菲涅耳带透镜的数量。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于该辐射敏感部件是覆盖了所有透明区域的单独元件。
21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于该辐射敏感部件由多个子部件构成，其数量对应于透明区域的数量。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于透明区域相对于相应子部件中心的位置对于不同的透明区域/子部件对而言是不同的。
23.一种与权利要求1所述的方法一起使用的测量设备，其特征在于其具有产品衬底的形状和尺寸，并且包括电子信号处理装置、电源装置、接口装置和至少一个用于检测由菲涅耳透镜形成的源虚像和相关基准标记的虚像的强度轮廓的检测器。
24.根据权利要求23所述的测量设备，其特征在于该检测器是扫描点检测器。
25.根据权利要求23所述的测量设备，其特征在于该检测器是包括辐射敏感部件和多个透明点状区域的组合检测器。
26.根据权利要求25所述的测量设备，其特征在于该辐射敏感部件是覆盖了所有透明区域的单独元件。
27.根据权利要求25所述的测量设备，其特征在于该辐射敏感部件由多个子部件构成，其数量对应于透明区域的数量。
28.根据权利要求25所述的测量设备，其特征在于透明区域相对于相应子部件中心的位置对于不同的透明区域/子部件对而言是不同的。
29.一种与权利要求1所述的方法一起使用的测试目标，其特征在于其包括至少一个菲涅耳带透镜和相关的基准标记。
30.根据权利要求29所述的测试目标，其特征在于该基准标记是环形标记。
31.根据权利要求29或30所述的测试目标，其特征在于其将其作为测试掩模来实施。
32.根据权利要求29或30所述的测试目标，其特征在于其构成了部分产品掩模。
33.根据权利要求29、30、31或32所述的测试目标，其特征在于其具有振幅结构。
34.根据权利要求29、30、31或32所述的测试目标，其特征在于其具有相位结构。
35.根据权利要求29-34中任一项所述的测试目标，其特征在于其为透射目标。
36.根据权利要求29-34中任一项所述的测试目标，其特征在于其为反射目标。
37.一种制造设备的方法，该设备包括在设备衬底的至少一个衬底层中的设备特征，该方法包括以下连续步骤中的至少一组-提供产品掩模图案，其包括对应于将要配置在所述层中的设备特征的特征；-利用受控照明系统照射该产品掩模图案；-利用投影系统将产品掩模图案成像到涂敷在衬底上的抗蚀剂层中，并且显影该层，由此形成对应于产品掩模图案的构图涂层；-从衬底层的区域去除材料，或者向该区域添加材料，该区域是由构图涂层的图案划分的，所述照明系统的控制包括检测照明系统的像差并且根据检测结果重新设定该系统，其特征在于利用根据权利要求1-13中任一项所述的方法进行检测。
38.一种用于将掩模中存在的产品掩模图案成像到衬底上的光刻投影装置，该装置包括用于提供投影光束的受控照明系统、用于容纳掩模的掩模保持器、用于容纳衬底的衬底保持器以及设置在掩模保持器与衬底保持器之间的投影系统，所述照明系统的控制包括检测照明系统的像差并且根据检测结果重新设定该系统，其特征在于利用根据权利要求1-13中任一项所述的方法进行检测。
39.一种利用根据权利要求37所述的方法和/或权利要求38所述的装置制造的设备。
全文摘要
利用包括至少一个菲涅耳带透镜(30)和相关基准标记的测试目标(55)可以精确和可靠地测量例如光刻投影装置中的照明系统的性能，该基准标记优选为环(40)。通过将其重叠成像并且检测和评估所组合的图像(56)，可以测量照明的远心误差和像差。
文档编号G01M11/02GK1732411SQ200380107907
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月30日
发明者P·迪克森, C·A·H·朱弗曼斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司