CN101241312B - 一种光刻机成像质量现场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻机成像质量现场测量方法，通过获得标记在不同照明设置条件下的成像位置相对偏差即套刻误差，利用数学模型拟合计算投影物镜波像差。标记成像相对误差的获取可以不依赖于对准***，减少了对准***测量标记位置引入的误差，提高了测试精度。

Description

一种光刻机成像质量现场测量方法

技术领域

本发明涉及一种光刻机的测量方法，特别涉及一种光刻机成像质量的现场测量方法。

背景技术

光刻机是集成电路生产和制造过程中的关键设备之一。成像质量是影响光刻机光刻分辨力和套刻精度的重要因素。随着光刻特征尺寸的减小，光刻机投影物镜波像差对光刻质量的影响越来越突出，波像差的原位检测已成为先进的投影光刻机中不可或缺的功能，波像差的测量技术成为保证光刻性能的重要手段。

Peter Dirksen(彼得·德克森)等人于1999年提出了一种光刻机投影物镜波像差的检测技术(现有技术1)：将测试掩模放置在物面上，将掩模图案通过光刻机成像于放置在投影物镜的像面上的基板上，将所成的像显影后，利用扫描电镜(SEM)对其图像进行测量，根据测量结果求出前述投影光学***的像差。但是此种方法测量精度受光刻工艺影响较大，且所需测量时间较长。

为克服这些问题，Van der Laan(范·德·拉恩)等人提出了利用透射传感器测量波像差的方法(现有技术2)：将测试掩模放置在物面上，通过移动工件台使透射像传感器(TIS)扫描得到掩模上标记经过投影物镜所成像的位置，通过设置不同照明条件，得到不同条件下的标记成像位置，利用得到的数据通过数学模型拟合得到表征投影物镜波像差的泽尼克(Zernike)系数。但此种方法需要TIS等掩模标记对准***来完成测试标记成像位置测量，而且测量精度受对准精度的限制，随着光刻特征尺寸的减小，其逐渐不能满足精度上的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试精度更高，且不依赖于标记对准***即可完成的光学投影***波像差的检测方法。

为实现上述目的，本发明提供一种光刻机成像质量现场测量方法，所述方法使用的***包括：产生投影光束的光源；用于调整所述光源发出光束的光强分布和部分相干因子的照明***；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学***；能承载所述掩模并精确定位的掩模台；能承载硅片并精确定位的工件台；以及实现精确定位的激光干涉仪；所述方法包含以下步骤：

(1)光源发出的光束经照明***调整后照射到掩模上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学***，将掩模上的图形曝光成像到硅片上，实现第一层曝光；

(2)改变该成像光学***出瞳面光强分布，重复步骤(1)，实现第二层曝光；

(3)重复步骤(2)n-2次，完成该掩模图形在该硅片上的n层曝光；

(4)将该曝光后的硅片显影后，利用特定工具，获取该不同层间图像的相对位置的偏差；

(5)标定该成像光学***的灵敏度系数矩阵；

(6)根据步骤(4)得到的图像位置偏差和步骤(5)中标定的灵敏度系数矩阵，计算该成像光学***的波像差。

该掩模图形为套刻标记图形，获取的该不同层间图像的相对位置的偏差即为套刻误差，该特定工具可以是套刻测量机。

该改变成像光学***出瞳面光强分布的方法可以是通过改变该成像光学***的数值孔径，也可以是通过改变该照明***的部分相干因子，还可以是通过改变该照明***的照明模式。该照明模式可以是传统照明、环形照明、二极照明或者四极照明。该波像差包括彗差、球差、像散、三波差。

本发明通过获得标记在不同照明设置条件下的成像位置相对偏差即套刻误差，利用数学模型拟合计算投影物镜波像差。标记成像相对误差的获取可以不依赖于对准***，可以减少对准***测量标记位置引入的误差，提高测试精度。

附图说明

图1为本发明所使用的***示意图；

图2为本发明的第一实施例中套刻标记曝光过程示意图；

图3为本发明的第一实施例中，本发明方法得到的Z2，Z7，Z14拟合结果与传统方法(利用每个照明设置下，标记成像绝对位置偏差及相应的灵敏度系数进行拟合)及真实值间的对比图示(单位nm)；

图4为本发明的第二实施例中，套刻标记曝光过程示意图；

图5为本发明的第二实施例中，本发明方法得到的Z3，Z8，Z15拟合结果与传统方法(利用每个照明设置下，标记成像绝对位置偏差及相应的灵敏度系数进行拟合)及真实值间的对比图示(单位nm)。

附图中：101、光源；102、照明***；103、掩模；104、成像光学***；105、硅片；106、工件台；107、干涉仪***；108、掩模台；201、移动距离；301、完成第一层曝光后的图像；302、完成第二层曝光后的图像；303、完成第七层曝光后的图像；501、完成第一层曝光后的图像；502、完成第二层曝光后的图像；503、完成第七层曝光后的图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所使用的***包括：产生投影光束的光源101；用于调整该光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明***102；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学***104；能承载该掩模103并精确定位的掩模台108；能承载硅片105并精确定位的工件台106；可使工件台精确定位的激光干涉仪107。

本发明测量光刻机像质参数的步骤如下，得到图像如图2所示(图2为本发明的一个实施例中套刻标记曝光过程示意图)：光源101发出的深紫外激光经照明***102在照明设置1条件(NA₁，σ₁)下照射到刻有套刻标记的掩模103上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学***104，曝光成像到硅片105上，实现第一层图像301曝光；然后利用基板106带动硅片105，在激光干涉仪107准确定位下，沿y向移动距离201(0.5mm)，并通过照明***102和成像光学***104改变照明设置，在照明设置2条件(NA₂，σ₂)下再次将掩模103上的套刻标记曝光成像在硅片105上，形成第二层像302；重复上述过程，完成7个照明设置条件下曝光图像303套刻标记的曝光；将曝光后的硅片标记显影后，利用套刻测量仪器(Archer 10XT/10)读取其套刻误差，根据套刻误差计算表征投影物镜波像差的Zernike系数Z2，Z7，Z14。

投影物镜的波像差是指实际波前与理想波前在物镜出瞳面上的光程差，波像差可分解为Zernike多项式的形式：

w(ρ，θ)＝Z₁+Z₂·ρcosθ+Z₃·ρsinθ+Z₄·(2ρ²-1)+Z₅·ρ²cos2θ+Z₆·ρ²sin2θ

           +Z₇(3ρ³-2ρ)cosθ+Z₈(3ρ³-2ρ)sinθ+Z₉·(6ρ⁴-6ρ⁴+1)+……式1

其中ρ与θ为出瞳面上的归一化极坐标。彗差(Z₇，Z₈，Z₁₄，Z₁₅)与三波差(Z₁₀，Z₁₆)主要影响空间像在XY平面内的(垂轴)位置与光强分布。它使得近轴光线和边缘光线有不同的像点，这样成像位置就产生了横向偏移。由于高阶波像差影响较小，考虑三阶以下像差的影响，该偏移量可表示为：

ΔX(ρ，θ)∝Z₂+Z₇(3ρ²-2)+Z₁₄(10ρ⁴-12ρ²+3)              式2

ΔY(ρ，θ)∝Z₃+Z₈(3ρ²-2)+Z₁₅(10ρ⁴-12ρ²+3)              式3

其中ρ与θ为投影物镜出瞳面上的归一化极坐标。由式2与式3可知，彗差引起的横向偏移量与衍射光在空间频率上的振幅分布有关。衍射光在空间频率上的振幅分布则由投影物镜数值孔径，照明部分相干因子以及掩模图案共同决定。也就是说，彗差引起的横向偏移量的大小依赖于影物镜数值孔径NA，照明部分相干因子σ以及掩模图案。

对于给定的数值孔径与部分相干因子(NA_i，σ₁)，光刻机投影物镜波像差引起的成像位置偏移量可表示为：

$\mathrm{\ΔX}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_2}\·Z_2+\frac{\∂\mathrm{\Δ}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{14}}\·Z_7+\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{14}}\·Z_{14}$ 式4

$\mathrm{\ΔY}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_3}\·Z_3+\frac{\∂\mathrm{\Δ}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_8}\·Z_8+\frac{\∂\mathrm{\Δ}(N{A}_i,{\mathrm{\σ}}_i)}{\∂Z_{15}}\·Z_{15}$ 式5

对于同一位置，由于不同照明设置(NA_m，σ_m)和(NA_n，σ_n)引起的标记位置套刻误差可表述为：

$\mathrm{\ΔX}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})=\mathrm{\ΔX}(N{A}_m,{\mathrm{\σ}}_m)-\mathrm{\ΔX}(N{A}_n,{\mathrm{\σ}}_n)$

$=(\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_m,{\mathrm{\σ}}_m)}{\∂Z_2}-\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_n,{\mathrm{\σ}}_n)}{\∂Z_2})Z_2+(\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_m,{\mathrm{\σ}}_m)}{\∂Z_7}-\frac{\∂\mathrm{\Δ}(N{A}_n,{\mathrm{\σ}}_n)}{\∂Z_7})Z_7$

$+(\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_m,{\mathrm{\σ}}_m)}{\∂Z_{14}}-\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_n,{\mathrm{\σ}}_n)}{\∂Z_{14}})Z_{14}$

$=\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_2}\·Z_2+\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_7}\·Z_7+\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_{14}}\·Z_{14}$ 式6

$\mathrm{\ΔY}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})=\frac{\∂\mathrm{\ΔY}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_3}\·Z_3+\frac{\∂\mathrm{\ΔY}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_8}\·Z_8+\frac{\∂\mathrm{\ΔY}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_{15}}\·Z_{15}$ 式7

其中ΔX(NA_m-n，σ_m-n)和ΔY(NA_m-n，σ_m-n)即为可利用套刻机读取的不同照明设置引起的标记位置套刻误差； $\frac{\∂\mathrm{\ΔX}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_k}$ 和 $\frac{\∂\mathrm{\ΔY}(N{A}_{m-n},{\mathrm{\σ}}_{m-n})}{\∂Z_k}$ 为灵敏度系数，可由光刻仿真软件计算得出。表1和表2给出了本实施例中选用的照明设置参数及用prolith软件仿真计算出的灵敏度系数。表1为图2中7层曝光对应的7个照明设置，表2为在表1所示不同照明设置间的X向位置相对偏差对Z₂，Z₇，Z₁₄的灵敏度系数(单位nm)。

                      表1

	NA	σouter	σiner
				照明设置1	0.7	0.3	0.1
照明设置2	0.65	0.7	0.4
				照明设置3	0.75	0.75	0.45
照明设置4	0.5	0.55	0.2
				照明设置5	0.75	0.57	0.27
照明设置6	0.65	0.85	0.58
				照明设置7	0.5	0.89	0.59

                   表2

根据标记套刻误差(prolith仿真结果)和灵敏度系数，利用最小二乘法拟合得到Z₂，Z₃，Z₇，Z₈，Z₁₄，Z₁₅。本发明方法拟合结果与传统方法(利用每个照明设置下，标记成像绝对位置偏差及相应的灵敏度系数进行拟合)及真实值间的对比如图3所示(图3为本发明的第一实施例中，本发明方法得到的Z₂，Z₇，Z₁₄拟合结果与传统方法(利用每个照明设置下，标记成像绝对位置偏差及相应的灵敏度系数进行拟合)及真实值间的对比图示)。

在像差检测过程中，我们希望不同照明条件对标记的套刻误差影响尽量明显，所以在本实施例中为了增强所有不同照明设置下的套刻误差，每组套刻标记不再关联在一起。如图4所示(图4为本发明的第二实施例中，套刻标记曝光过程示意图)，具体实施步骤如下：1.光源101发出的深紫外激光经照明***102分别在照明设置1(NA₁，σ₁)和照明设置3(NA₃，σ₃)条件下照射到刻有套刻标记的掩模103上，掩模103选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学***104，分别曝光成像4个和3个场(各场在x向有等间距距离2mm)到硅片105上，实现第一层曝光；2.然后利用基板106带动硅片105，在激光干涉仪107准确定位下，沿y向移动距离d(0.5mm)，并通过照明***102和成像光学***104改变照明设置，在照明设置2条件(NA₂，σ₂)下再次将掩模103上的套刻标记曝光成像在硅片105上，形成第二层像；3重复步骤2直到所有照明设置均完成。标记测量及计算过程与实施例1相同。本实施例中选用的照明设置参数与实施例1相同如表1所示，本实施例中用prolith软件仿真计算出的灵敏度系数如表3所示。表3为在表1所示不同照明设置间的Y向位置相对偏差对Z₃，Z₈，Z₁₅的灵敏度系数(单位nm)

                              表3

根据标记套刻误差(prolith仿真结果)和灵敏度系数，利用最小二乘法拟合得到Z₃，Z₈，Z₁₅。拟合结果与真实值间的对比如图5所示(图5为本发明的第二实施例中，本发明方法得到的Z₃，Z₈，Z₁₅拟合结果与传统方法(利用每个照明设置下，标记成像绝对位置偏差及相应的灵敏度系数进行拟合)及真实值间的对比图示)。

Claims (7)

1.一种光刻机成像质量现场测量方法，所述方法使用的***包括：产生投影光束的光源；用于调整所述光源发出光束的光强分布和部分相干因子的照明***；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学***；能承载所述掩模并精确定位的掩模台；能承载硅片并精确定位的工件台；以及实现精确定位的激光干涉仪；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)光源发出的光束经照明***调整后照射到掩模上，掩模选择的透过一部分光线，这部分光线经成像光学***，将掩模上的图形曝光成像到硅片上，实现第一层曝光；

(2)改变所述成像光学***出瞳面光强分布，重复步骤(1)，实现第二层曝光；

(3)重复步骤(2)n-2次，完成所述掩模图形在所述硅片上的n层曝光；

(4)将所述曝光后的硅片显影后，利用特定工具，获取所述不同层间图像的相对位置的偏差；

(5)标定所述成像光学***的灵敏度系数矩阵；

(6)根据步骤(4)得到的图像位置偏差和步骤(5)中标定的灵敏度系数矩阵，计算所述成像光学***的波像差。

2.如权利要求1所述的光刻机成像质量测量方法，其特征在于：所述掩模图形为套刻标记图形。

3.如权利要求1所述的光刻机成像质量测量方法，其特征在于：获取的所述不同层间图像的相对位置的偏差即为套刻误差。

4.如权利要求1所述的光刻机成像质量测量方法，其特征在于：所述特定工具可以是套刻测量机。

5.如权利要求1所述的光刻机成像质量测量方法，其特征在于：所述改变成像光学***出瞳面光强分布的方法可以是通过改变所述成像光学***的数值孔径，也可以是通过改变所述照明***的部分相干因子，还可以是通过改变所述照明***的照明模式。

6.如权利要求5所述的光刻机成像质量测量方法，其特征在于：所述照明模式可以是传统照明、环形照明、二极照明或者四极照明。

7.如权利要求1所述的光刻机成像质量测量方法，其特征在于：所述波像差包括彗差、球差、像散、三波差。

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