超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测方法

    在极大规模集成电路制造领域，光刻机是核心装备，而投影物镜作为光刻机的关键分系统，其波像差直接影响光刻套刻精度与成像分辨率。随着光刻技术从干式向浸没式演进，投影物镜数值孔径（NA）已提升至1.35，高阶波像差（主要为Z₃₈~Z₆₄）的影响愈发显著，对其进行快速、高精度检测成为保障掩模图形高保真度转移至硅片的关键。本文提出一种基于八角度孤立空检测标记的超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测方法，有效解决了传统检测技术的局限，实现了高阶波像差的高精度检测。

    1引言
    当前，超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测主要有两类主流技术。一类是基于瞳面测量的波像差检测技术，如ASML公司2013年开发的多通道并行测量技术（PARIS），该技术基于横向剪切干涉原理，可实现64阶泽尼克像差检测，精度较高，但存在集成难度大、硬件成本高的不足。另一类是基于空间像测量的波像差检测技术，相较于瞳面测量技术，具有检测速度快、成本低、可实时检测的优势，典型代表包括ASML公司的多照明设置空间像测量技术（TAMIS）、Nikon公司的基于空间像传感器的波像差检测技术（Z37AIS）以及本课题组提出的基于空间像主成分分析的投影物镜波像差检测技术（AMAIPCA）。
    然而，上述基于空间像测量的技术仅能适配NA小于0.93的光刻投影物镜，无法满足超高NA光刻的检测需求。2016年，本课题组对AMAIPCA技术进行改进，采用偏振照明和矢量成像模型，实现了33阶泽尼克像差（Z₅~Z₃₇）的检测，但受检测标记限制，该方法对高阶波像差的灵敏度较低，难以实现高精度检测。为此，本文设计新型检测标记，构建高效检测模型，提出一种适用于超高NA光刻投影物镜的高阶波像差检测方法。

    2检测原理
    2.1检测标记的确立
    根据Hopkins矢量部分相干成像理论，超高NA光刻投影物镜的空间像光强分布与光瞳面采样位置密切相关，光瞳面采样效率直接决定波像差检测能力。本课题组此前提出的两种六角度孤立空检测标记均存在明显局限：一种标记的6个方向（0°、30°、60°、90°、120°、150°）恰好与15度旋转六波差（Z₃₈和Z₅₃）光瞳面相位为零的位置重合，无法检测该两项高阶像差；另一种标记（0°、30°、45°、90°、120°、135°）虽可覆盖Z₅~Z₆₄60阶泽尼克像差的采样，但光瞳面采样效率低，检测精度不足。
    为解决上述问题，本文提出八角度孤立空检测标记，该标记由8个方向取向的一维孤立空组合构成，孤立空宽度为250nm，周期为3000nm，8个方向分别为0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°。该标记可实现对Z₅~Z₆₄60阶泽尼克像差的高效率光瞳面采样，尤其能有效覆盖Z₃₈和Z₅₃等高阶像差的采样盲区，为高阶波像差的高精度检测奠定基础。
    2.2波像差提取方法
    研究表明，在0.05λ的泽尼克系数幅值范围内，超高NA光刻投影物镜的空间像光强分布与高阶波像差泽尼克系数满足线性关系，这一规律适用于Z₃₈~Z₆₄所有高阶泽尼克像差。基于此线性关系，本文提出的检测方法分为模型建立与像差求解两个过程。
    模型建立过程主要包含四个步骤：一是定义仿真光刻参数，采用偏振光照明、八角度孤立空检测标记，通过Box-BehnkenDesign统计抽样方法设定Z₅~Z₆₄60项泽尼克系数组合，并随机设定一组偏振像差；二是利用光刻仿真软件PROLITH计算空间像光强分布；三是对仿真空间像进行主成分分析，得到主成分及相应主成分系数；四是对主成分系数与泽尼克系数组合进行多元线性回归分析，建立线性回归矩阵，确定主成分系数与泽尼克系数之间的线性关系。
    像差求解过程中，通过PROLITH仿真得到待测空间像，经主成分分析获取待测主成分系数，结合上述线性回归矩阵，采用最小二乘法拟合得到待测物镜的60项泽尼克系数。检测精度可通过回归矩阵的条件数进行评价，条件数越小，光瞳面采样效率越高，检测精度也越高；波像差检测精度定义为V_mean+3×V_std。

    3仿真测试与分析
    为验证所提方法的性能，采用PROLITH软件进行仿真测试，随机生成50组测试用泽尼克系数，其中Z₅~Z₃₆单项系数幅值在-0.02λ~0.02λ范围内服从正态分布，Z₃₇~Z₆₄单项系数幅值在-0.01λ~0.01λ范围内服从正态分布，并设定相应偏振像差，仿真采用四级离轴照明，部分相干因子为[0.8,0.3]，光源点为X方向线偏振。
    仿真结果显示，所提方法对Z₅~Z₆₄60项泽尼克系数的检测精度优于1.03×10⁻³λ，其中最大平均误差为0.0129nm（Z₃₃），最大标准差为0.0626nm（Z₁₁）。与采用六角度孤立空检测标记的传统方法相比，本文方法的回归矩阵条件数从8.5651降至6.1710，光瞳面采样效率显著提升，检测精度大幅优于传统方法（传统方法检测精度为3.8873nm）。
    为验证方法的兼容性，分别测试了不同偏振照明、不同照明方式及检测标记存在制造误差时的检测性能。结果表明，径向偏振、切向偏振照明下，检测精度仍优于1.3×10⁻³λ；环形照明、二级照明等离轴照明方式下的检测精度优于传统照明；当检测标记存在±3nm线宽误差、±1°取向误差时，检测精度仅小幅下降，仍能实现高阶波像差的高精度检测。

    4结论
    本文提出的基于八角度孤立空检测标记的超高NA光刻投影物镜高阶波像差检测方法，通过设计新型检测标记，实现了光瞳面波前的高效率采样；基于偏振光照明和矢量成像模型，建立了空间像光强分布与高阶波像差的线性关系；结合主成分分析与多元线性回归，构建了高灵敏度检测模型。仿真测试表明，该方法可实现Z₅~Z₆₄60项泽尼克系数的高精度检测，检测精度优于1.03×10⁻³λ，且具备检测速度快、成本低、兼容性强的优势。该方法为超高NA光刻投影物镜高阶波像差的检测提供了可靠技术方案，对提升极大规模集成电路制造精度具有重要意义。