基于多级次同步混叠干涉的光栅标记对准测量方法

摘要

光刻对准技术作为光刻机系统中的关键技术之一，其性能指标直接影响光刻系统的套刻精度。随着对光刻机套刻精度要求的不断提高，现有传统光学对准技术在测量范围、测量精度、测量效率等重要参数指标上已经无法满足现代光刻领域提出的需求。近十几年来，使用光栅标记多个衍射级次形成不同周期的对准测量信号的技术手段为同时满足上述需求提供了潜在可能。然而，现有光栅标记多级次对准测量方法仍然存在难以实现多级次对准测量信号同步生成和测量、不同级次测量结果一致性和稳定性不足的问题，致使不同级次测量结果融合过程存在原理性误差，这一核心问题已经成为制约光刻对准测量技术进一步发展的关键瓶颈。本文旨在寻求可兼顾测量范围、测量精度和测量效率潜力的对准测量技术手段。为解决不能同步生成和测量多级次对准测量信号造成的原理性问题，提出一种基于多级次同步混叠干涉的光栅标记对准测量方法，并在此基础上完成多级次混叠干涉信号高精度分离和提取，同时集合模板匹配原理实现了光栅标记的大范围捕获。
　　本研究主要内容搜考啊：⑴针对现有基于光栅对准标记的多级次干涉对准测量方法中难以同步生成多个不同尺度周期的测量信号，导致测量范围、速度与精度难以兼顾的问题，提出了一种基于多衍射级次同步混叠干涉的光栅标记对准测量方法。该方法使用光栅不同衍射级次携带相位信息来表征对准位置的偏差值，利用光学4f系统结合反转剪切干涉原理使得各个衍射级次干涉信号有机结合，并利用单一探测器进行测量。通过傅立叶光学原理建立了该对准测量方法的完整理论模型，推导出以各级次干涉相位为变量的对准偏差函数表达式，从而实现光栅标记多衍射级次同步生成与测量。分析及实验结果表明，该方法可实现大范围、快速、高精度对准测量，对光栅标记13个级次对准测量信号进行同步探测并对其中第1和第9级测量信号进行融合，在±4μm测量范围内对于光栅标记单一位置重复测量的标准差达到2.53nm。⑵针对现有信号测量方法仅能提取特定级次干涉对准测量信息，以及相位信息易受噪声频谱干扰导致难以高精度、快速提取多级次混叠干涉信号中各级次相位信息的问题，提出了一种基于相位解耦扫描参数优化和数字锁相放大的多级次对准相位信息分离与提取方法。该方法利用相关混频运算限定了各级次测量信号的敏感频带，通过优化控制光栅标记扫描参数实现混叠测量信号中各级次信息解耦，解除了传统锁相放大探测方法中滤波器本身非理想特性对信号相位检测精度的限制，提高了相位提取精度，简化了相位信息提取与信号处理模块的设计难度，从而实现对特定衍射级次的相位信息进行针对性分离和提取。在此基础上，利用傅里叶分析原理对该方法中误差信号的生成机理进行了讨论和分析，为提高对准测量性能提供了理论依据。实验结果表明，利用上述相位分离与提取方法对单个级次测量信号的相位误差小于±0.002°，测量混叠干涉信号中13个级次的相位测量误差小于±0.020°。⑶针对现有光栅标记捕获方法中测量信号的周期性对捕获范围的限制，以及信号包络曲线易受测量条件影响导致难以高精度获取标记捕获位置的问题，提出一种基于信号强度模板多参数匹配的标记捕获方法。该方法通过对光栅标记进行全局扫描测量，获取测量信号包络曲线与干涉信号结合的特征，利用相关匹配算法和多参数拟合原理对测量信号特征进行模板匹配，从而实现标记捕获测量。该方法可以有效抑制噪声对测量信号的影响，提高标记捕获测量结果的可靠性和测量精度。实验结果表明，利用该方法进行标记捕获测量时，其测量范围不受限制，重复测量误差不大于2.02μm。⑷搭建基于多级次同步混叠干涉的光栅标记对准测量方法的实验系统，并对本文提出方法进行实验验证与分析。通过对该测量系统关键特性的实验验证，证明了各单元的可靠性及有效性。对基于光栅标记多衍射级次同步混叠干涉对准测量系统进行了整体实验，结合多级次测量结果在其测量范围内实现了光栅标记的高精度对准测量。采用激光干涉仪与对准测量系统进行同步比对，在10个不同标记位置上重复测量结果与干涉仪的测量结果对比误差不大于11.27nm。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2光刻对准技术发展现状

1.3 本领域存在的科学问题和关键技术问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 基于光栅标记多衍射级次同步混叠干涉的对准测量方法研究

2.1 引言

2.2经典的基于光栅标记对准测量原理分析

2.3基于多衍射级次同步混叠干涉的光栅标记对准测量方法

2.4 本章小结

第3章 多级次对准测量相位信息提取方法研究

3.1 引言

3.2基于数字锁相放大探测的多级次对准测量相位信息提取方法

3.3多级次对准测量相位信息提取方法中误差建模与分析

3.4 本章小结

第4章 扫描信号强度模板多参数匹配的标记捕获方法

4.1 引言

4.2传统标记捕获测量方法分析

4.3基于扫描信号强度参数拟合模板匹配的标记捕获原理

4.4 幅值受包络曲线调制对准测量结果矫正

4.5 本章小结

第5章 测量系统设计与实验

5.1 引言

5.2基于同步多级次光栅干涉测量的对准测量系统

5.3 测量系统特性测试与实验

5.4 基于多级次同步混叠干涉的光栅标记对准测量实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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