高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭的熱致像差分析方法 技術(shù)領(lǐng)域 [0001] 本發(fā)明屬于熱致像差分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭 的熱致像差分析方法。 背景技術(shù) [0002] 微電子技術(shù)以及納米科技技術(shù)的飛速發(fā)展正在持續(xù)引領(lǐng)著以光刻工藝為主導(dǎo)的 微納制造技術(shù)的革新進(jìn)程。這種創(chuàng)新成果已逐步成為衡量國家科技競爭實力的關(guān)鍵成像性 能之一。對準(zhǔn)技術(shù)是光刻過程中的關(guān)鍵子模塊技術(shù)之一，對準(zhǔn)技術(shù)直接決定套刻后的最終 效果。當(dāng)前，尖端光刻設(shè)備所能實現(xiàn)的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到10nm以下級別，光刻機(jī)套刻精度為 特征尺寸的1/3，對準(zhǔn)測量精度又約為光刻機(jī)套刻精度的1/5?1/3。鑒于上述對準(zhǔn)精度的基 本需求，具有極高精度的光刻對準(zhǔn)技術(shù)受到高度關(guān)注，對于光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)， 主要包含掩膜的預(yù)對準(zhǔn)和定位、晶圓的預(yù)對準(zhǔn)、掩膜工作臺與晶圓工作臺的對準(zhǔn)及掩膜與 晶圓的對準(zhǔn)四個部分，而當(dāng)前的對準(zhǔn)技術(shù)大多采用大體積、低精度的工作模式，而基于視頻 圖像的對準(zhǔn)技術(shù)憑借其操作簡單、精度高和魯棒性高等優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種極具實際應(yīng)用 前景的對準(zhǔn)技術(shù)。盡管已有大量相關(guān)研究成果發(fā)表，但這些研究主要聚焦于提升測量的靈 敏度和準(zhǔn)確度，沒有探討多環(huán)境因素耦合對光刻對準(zhǔn)精度的潛在影響。實際上，基于視頻圖 像的對準(zhǔn)技術(shù)在很大程度上取決于光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，且與環(huán)境因 素存在密切聯(lián)系。 [0003] 針光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)對于高精度光學(xué)性能分析技術(shù)日益增長的需求， 每一個光學(xué)鏡片在選材、設(shè)計、制造、調(diào)試以及裝配等各個環(huán)節(jié)中所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)必須極其嚴(yán) 謹(jǐn)。在光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)裝配的過程中，光學(xué)鏡片自身重量、裝夾方式、支撐結(jié) 構(gòu)等因素所引發(fā)的面形誤差，將對光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)的成像品質(zhì)產(chǎn)生無法預(yù)測 的影響。此外，光刻機(jī)在運行過程中，光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)的鏡片在照明系統(tǒng)的照 射下，光線會發(fā)生反射、透射及吸收等現(xiàn)象，這將導(dǎo)致鏡片表面溫度分布不均，進(jìn)一步引發(fā) 鏡片變形。因此，光學(xué)鏡片及其支撐結(jié)構(gòu)在工作環(huán)境中的穩(wěn)定性，會直接影響到光刻機(jī)圖像 位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)的定位精度。然而，這種穩(wěn)定性又與光學(xué)鏡片的自重、支撐和裝夾結(jié)構(gòu)的 設(shè)計、裝夾力的施加、環(huán)境溫度的微小波動、熱源加載等諸多因素息息相關(guān)，這些因素都可 能導(dǎo)致光學(xué)鏡片的面形發(fā)生變化，進(jìn)而使光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)出現(xiàn)視軸漂移和波 前畸變等問題，最終導(dǎo)致整個光路發(fā)生改變。為了確保光刻機(jī)圖像位置對準(zhǔn)成像系統(tǒng)的成 像質(zhì)量，必須對上述提到的影響因素進(jìn)行耦合分析且必要時采取相應(yīng)措施。 發(fā)明內(nèi)容 [0004] 有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提供一種高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭的熱致像差分 析方法，以解決目前基于視頻圖像的對準(zhǔn)方法，其成像性能易受環(huán)境影響的問題。 [0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的： [0006] 一種高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭的熱致像差分析方法，包括如下步驟： [0007] S1.幾何光學(xué)建模：在COMSOL軟件中構(gòu)建雙遠(yuǎn)心鏡頭的幾何光學(xué)模型； [0008] S2.固體力學(xué)結(jié)構(gòu)建模：在COMSOL軟件中基于雙遠(yuǎn)心鏡頭及用于固定雙遠(yuǎn)心鏡頭 的鏡筒構(gòu)建固體力學(xué)結(jié)構(gòu)模型； [0009] ； [0010] 式中， 為初始質(zhì)量密度， 為結(jié)構(gòu)位移，梯度運算符 是相對于材料坐標(biāo)的， 為變形梯度， 為第二Piola?Kirchhoff應(yīng)力張量， 為當(dāng)前狀態(tài)下的體應(yīng)力分量； [0011] S3.傳熱建模：在COMSOL軟件中構(gòu)建傳熱模型； [0012] ； [0013] 式中， 為恒定應(yīng)力下的比熱容， 為平移運動的速度矢量，為傳導(dǎo)熱通量， 為輻射熱通量， 為熱膨脹系數(shù)， 為外部熱源。 [0014] S4.光學(xué)色散建模：在COMSOL軟件中構(gòu)建光學(xué)色散模型； [0015] ； [0016] ； [0017] 式中， 為透鏡的折射率， 為環(huán)境溫度， 為熱光系數(shù)； 為折射率 隨溫度變化的表達(dá)式，通過對熱光系數(shù) 的色散公式進(jìn)行積分得出； 為溫差， 為計算溫差 的參考溫度， 為熱光色散系數(shù)； [0018] S5.光學(xué)與力學(xué)耦合計算：利用雙遠(yuǎn)心鏡頭的幾何光學(xué)模型、固體力學(xué)結(jié)構(gòu)模型、 傳熱模型、光學(xué)色散模型進(jìn)行雙向耦合光線追蹤以及參數(shù)化掃描，分別對僅添加幾何光學(xué) 接口以及同時添加幾何光學(xué)接口和固體力學(xué)接口的兩種情形進(jìn)行計算，獲得第一計算結(jié)果 和第二計算結(jié)果； [0019] S6.計算結(jié)果分析：借助點列圖、移焦量和波前像差對第一計算結(jié)果和第二計算結(jié) 果進(jìn)行對比分析，評估雙遠(yuǎn)心鏡頭的成像性能。 [0020] 進(jìn)一步的，雙遠(yuǎn)心鏡頭采用非對稱分布的前透鏡組和后透鏡組，前透鏡組與后透 鏡組分別包括五片透鏡，雙遠(yuǎn)心鏡頭的像距為20mm，雙遠(yuǎn)心鏡頭的物距為80mm。 [0021] 進(jìn)一步的，通過求解一組耦合的一階常微分方程計算光線軌跡，實現(xiàn)雙向耦合光 線追蹤： [0022] ； [0023] ；

1.一種高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭的熱致像差分析方法，其特征在于，包括如下步驟： S1.幾何光學(xué)建模：在COMSOL軟件中構(gòu)建雙遠(yuǎn)心鏡頭的幾何光學(xué)模型； S2.固體力學(xué)結(jié)構(gòu)建模：在COMSOL軟件中基于雙遠(yuǎn)心鏡頭及用于固定雙遠(yuǎn)心鏡頭的鏡筒構(gòu)建固體力學(xué)結(jié)構(gòu)模型： ； 式中， 為初始質(zhì)量密度， 為結(jié)構(gòu)位移，梯度運算符 是相對于材料坐標(biāo)的， 為變形梯度， 為第二Piola?Kirchhoff應(yīng)力張量， 為當(dāng)前狀態(tài)下的體應(yīng)力分量； S3.傳熱建模：在COMSOL軟件中構(gòu)建傳熱模型； ； 式中， 為恒定應(yīng)力下的比熱容， 為平移運動的速度矢量， 為傳導(dǎo)熱通量， 為輻射熱通量， 為熱膨脹系數(shù)， 為外部熱源； S4.光學(xué)色散建模：在COMSOL軟件中構(gòu)建光學(xué)色散模型： ； ； 式中， 為透鏡的折射率， 為環(huán)境溫度， 為熱光系數(shù)； 為折射率隨溫 度變化的表達(dá)式，通過對熱光系數(shù) 的色散公式進(jìn)行積分得出； 為溫差， 為計算溫差 的參考溫度， 為熱光色散系數(shù)； S5.光學(xué)與力學(xué)耦合計算：利用雙遠(yuǎn)心鏡頭的幾何光學(xué)模型、固體力學(xué)結(jié)構(gòu)模型、傳熱模型、光學(xué)色散模型進(jìn)行雙向耦合光線追蹤以及參數(shù)化掃描，分別對僅添加幾何光學(xué)接口以及同時添加幾何光學(xué)接口和固體力學(xué)接口的兩種情形進(jìn)行計算，獲得第一計算結(jié)果和第二計算結(jié)果； S6.計算結(jié)果分析：借助點列圖、移焦量和波前像差對第一計算結(jié)果和第二計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，評估雙遠(yuǎn)心鏡頭的成像性能。 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭的熱致像差分析方法，其特征在于，雙遠(yuǎn)心鏡頭采用非對稱分布的前透鏡組和后透鏡組，前透鏡組與后透鏡組分別包括五片透鏡，雙遠(yuǎn)心鏡頭的像距為20mm，雙遠(yuǎn)心鏡頭的物距為80mm。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度圖像位置對準(zhǔn)測量鏡頭的熱致像差分析方法，其特征在于，通過求解一組耦合的一階常微分方程計算光線軌跡，實現(xiàn)雙向耦合光線追蹤： ； ； 式中，表示光線位置，表示波矢量， 表示角頻率，t表示時間； 波矢量 和角頻率 的關(guān)系為 ； 式中，表示真空中的光速； 當(dāng)光線進(jìn)入和離開透鏡時，發(fā)生折射： ； 式中， 為進(jìn)入透鏡之前的介質(zhì)的折射率， 為透鏡的折射率， 和 分別是光線的入射角和折射角。