193nm移相点衍射干涉仪的测量误差分析

　　0 引 言

　　点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometer，PDI)由 Raymond N. Smartt 和 J. Strong 于 1972 年发明。1996 年，为了对极紫外光刻系统进行检测，美国劳伦斯-伯克利国家实验室对传统点衍射干涉仪进行改进研制了极紫外(EUV)相移点衍射干涉仪，其对系统的测量精度达到 0.05 nm(RMS)，为 EUV 光刻技术的进一步发展扫清了障碍。

　　目前，国内正准备研制的 193 nm 投影曝光光刻系统中，我们要想实现 90 nm 以下的最小线宽，若全部采用球面设计，光学元件的面形加工误差为几纳米大小，检测精度为亚纳米量级，大约为工作波长的几百分之一。 传统的检测方法，如迈克尔逊干涉仪、斐索球面干涉仪，不能很好满足要求，因此，我们采用一种新的检测工具：193 nm 相移点衍射干涉仪。采用193 nm 工作波长一方面是为了实现同波长(At-wavelength)测量，同时较短的波长有利于提高我们的测量精度。

　　1 移相点衍射干涉仪的基本结构和测量原理

　　移相(相移)点衍射干涉仪(Phase-shifting Point Diffraction Interferometer，PS/PDI)的主要特点是利用小孔衍射产生的标准球面波作为参考光波，而不是一般干涉法中采用的标准面，由于没有标准面引入的测量误差，所以能够达到比较高的测量精度。对于 193 nm 移相点衍射干涉仪，我们采用图 1 中的基本结构。以193 nm ArF 准分子激光作为光源，光栅之前部分是干涉仪的照明系统。P1、P2、L1 结构是为了适当衰减激光能量，同时形成比较理想的球面照明光波;L2、L3 形成对称结构使球面波会聚，同时最低限度减小几何像差。入射会聚球面光波被光栅衍射分光，光栅的一级衍射光从大的窗口直接通过，而零级衍射光从小孔中通过并发生衍射，这样设计是为了平衡两束光光强同时消除光栅误差的影响。而后两束光同时经过被测系统作用后到达像面掩膜，像面掩膜上也有一个大的窗口和一个小的微孔，一级衍射光波经过小孔后衍射形成理想球面波作为我们的参考光波，零级光波携带被测系统信息直接通过窗口，两者在 CCD 上产生干涉图案并被记录下来。

　　实际测量中，我们一般采用五步移相测量法。移相由 PZT 晶体控制光栅位移实现，五步位移后在 CCD上得到五幅干涉图像，设 I( x,y)i为第 i 幅图像的光强分布， (,)rI xy、 (,)oI xy分别为参考光、测试光光强，γ为两束光的相干系数， φ( x,y)为待求的位相差，iα为第 i (i=1, 2, …, 5)步移相所加上的位相，且 ai= -π,-π/2, 0, π/2, π。由基本干涉公式得到五个等式：

　　得到位相差之后需要将其进行位相展开(Phase-unwrapping)，然后再对波面进行 Zernike 多项式拟合，在剔除了系统误差之后，我们就可以得到系统的测量信息(如波像差和面形误差)。其中，系统误差的分离是很重要的过程，直接影响着测量的准确度和测量精度。