9月13日出版的最新一期美国光学学会(OSA)期刊Optics Express (vol.18, no.19, pp.20096-20104, 2010)，发表了NOM研究组博士生刘巍同学在光刻机投影物镜波像差检测方面的最新研究论文，这是刘巍同学继2009年10月22日在该期刊发表论文(vol.17, no.21, pp.19278-19291, 2009)后在该领域研究取得的又一重要进展。
光刻机投影物镜波像差是影响步进扫描投影光刻机性能的重要指标，直接影响光刻机成像质量、光刻分辨率以及关键尺寸均匀性等关键参数。随着分辨率增强技术的不断进步和发展，光刻机投影物镜的数值孔径(NA)正逐步逼近其制造极限，这就要求波像差检测精度达到2mλ，而且需要同时获得Zernike多项式的所有高阶系数，一般要达到37级（即Z37），甚至64级。此外，照明光源是是光刻机光学系统最重要的构成单元之一，光源的分布特性直接影响光刻机的成像效果。为了进一步提高光刻分辨率，目前在极大规模集成电路(IC)生产中除了使用传统的部分相干照明技术外，还广泛应用了各种主流的离轴照明技术，包括环形照明(Annular)、双极照明(Dipole)、四极照明(Quadrupole)等，最近甚至还引入了自定义的任意形状光源 (Free Form Source)。因此，很有必要在各种主流的离轴照明甚至任意形状光源条件下，监测光刻机投影物镜的实时状态并实现波像差高阶Zernike系数的精确在线提取，这也是目前国内外各大光刻机生产厂商及科研机构的研究热点与亟需解决的关键科学问题。
为了研发适用于任意形状照明光源的波像差在线检测技术，NOM研究组在刘世元教授带领下一直深入开展光刻系统部分相干成像理论的研究，在此次最新发表的论文中提出了一组描述波像差灵敏度的广义方程，用于解析表征任意光源照明条件下的奇像差和偶像差灵敏度。提出的广义灵敏度函数包含了三个自变量，分别对应光刻机成像系统的光瞳坐标、波像差类型及光源分布等物理信息。该广义灵敏度函数在物理空间内具备与Zernike多项式类似的数学特性。对应于不同的待测波像差级次，该广义灵敏度函数可进一步表征为一套用适用于任意光源的波像差解析核，能实现37级（甚至64级）光刻机投影物镜波像差的快速、精确检测。另外，该检测技术采用制造工艺最为简易的二元光栅结构作为掩模标记和狭缝光强扫描技术，掩模板与传感器的制作工艺简易，成本低廉且易于实现。因此，该技术具备简便快速、低成本、非破坏性等诸多优点；提出的表征波像差灵敏度的广义方程具备特殊的物理内涵，不仅极大丰富了有关学术研究，而且在超精密光学镜头成像质量检测和自适应光学等很多领域都可获得应用，为我国光刻机及微电子装备的产业化自主研发奠定了一定的理论基础和有力的支撑条件。
该研究得到了国家自然科学基金项目、国家863项目、教育部新世纪优秀人才计划的支持。
论文全文链接:http://dx.doi.org/10.1364/OE.18.020096
基于广义灵敏度函数的波像差检测过程示意图
光刻机投影物镜波像差检测结果