CN101452202A - 一种psm与利用psm的曝光机台焦距校准方法及其*** - Google Patents

Abstract

一种PSM与利用PSM的曝光机台焦距校准方法及装置，涉及半导体曝光工艺领域，所述PSM包括多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料制成的框。其中，所述曝光图案包括与所述多个框对应的多个图案。本发明根据所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系，来控制对所述曝光机台的焦距进行调节。本发明校准精度高，而且操作简单，提高了生产效率，节省了时间。

Description

一种PSM与利用PSM的曝光机台焦距校准方法及其***

技术领域

本发明涉及半导体曝光工艺领域，具体涉及一种相偏移光罩(PSM，Phase Shift Mask)与利用PSM的曝光机台焦距校准方法及其装置。

背景技术

光刻工艺的对焦过程对所制造的芯片的质量有着非常重要的作用。在集成电路的生产中，光刻工艺包括曝光过程，硅片首先被定位在曝光机台光学***的聚焦范围之内，然后紫外光通过曝光机台光学***和掩膜版图形投影。掩膜版图形以亮暗的特征出现在硅片上，这样就对光刻胶曝光了。

不同的集成电路工艺过程都有一个特殊的焦距精度规格，如果光刻工艺中的曝光过程对焦不理想，将造成曝光后产品图案的偏移，这些偏移包括形状和关键尺寸条(CD条，critical dimension bar)线宽的变化等。因而在曝光过程中，要求维持所述特殊的焦距精度规范以避免对焦不准带来的偏移问题。在实际生产中，需要不时对曝光机台的焦距进行校准，以保证其不出现偏差。

现有技术的曝光机台校准方案，是预先设置曝光机台的一组曝光焦距值，然后利用所述一组曝光焦距值进行曝光，得出一组按照所述一组曝光焦距值曝光后的CD条线宽。然后，根据上述实验数据，以曝光机台焦距值为横坐标以CD条线宽为纵坐标做出一条曲线。

比如，现有技术预先设定了一组曝光焦距，并得到一组按照曝光焦距值曝光后的CD条线宽，如下表所示：

 

曝光焦距值(um)	CD条线宽(um)
		-0.35	0.1604
-0.30	0.1840
		-0.25	0.1779
-0.20	0.1946
		-0.15	0.1875
-0.10	0.1938
		-0.05	0.2037
-0.00	0.2024
		0.05	0.1977
0.10	0.1997
		0.15	0.1947
0.20	0.1961
		0.25	0.1960
0.30	0.1826
		0.35	0.1820

参照图1，以预先设定的曝光机台的曝光焦距为横坐标以CD条线宽为纵坐标，作出一条曲线。并按照所述曲线拟订一条平滑的曲线，所述平滑曲线的顶点处就是现有技术认为的最佳焦距值。

但是，现有技术通过人工测量实验数据，并且由所述实验数据得到的曲线也是一个近似的过程，因此存在不可忽视的误差；此外，外界因素也会造成校准结果的不准确，如所使用的晶圆的质量例如平整度或曝光机台本身等引入的误差；并且，在整个校准过程步骤繁多，耗费大量时间，所得到的数据处理复杂，不直观，操作繁杂，降低了生产效率浪费了人力。

发明内容

本发明的目的是提供一种PSM与利用PSM的曝光机台焦距校准方法及装置，以提高曝光机台焦距的校准精度。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于半导体曝光机台焦距校准的相偏移光罩，其特征在于，包括：

多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；

多个由非透光材料制成的框；

所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，

其中，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致。

根据本发明的第二方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准方法，其特征在于包括如下步骤：

a.在预定焦距下利用曝光机台对一相偏移光罩进行曝光，形成一曝光图案，

其中该相偏移光罩包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料形成的框，所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，

其中，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致，

其中，所述曝光图案包括与所述多个框对应的多个图案，

b.检测所述多个图案之间的相互位置关系。

根据本发明的第三方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准装置，其特征在于其结构包括：

检测器，用于检测在预定焦距下利用曝光机台对一相偏移光罩进行曝光后的图案的相对位移，发出检测信号，

其中该相偏移光罩包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料形成的框，所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，

其中，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致，

其中，所述曝光图案包括与所述多个框对应的多个图案。

本发明通过多个框曝光后形成的多个图案的相对位置来校准焦距的精度，精确度高，误差小；使用本发明可以直观简便地校准曝光机台焦距，而且操作简单，相比现有技术的曝光机台焦距校准方案提高了生产效率节省了时间。

附图说明

通过阅读以下参照附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为现有技术确定曝光机台最佳焦距的曲线图；

图2为本发明的实施例一的相偏移光罩的结构示意图；

图3为本发明的实施例一的第一透光区域和第二透光区域位置关系的剖面示意图；

图4为本发明的实施例一的曝光机台正常对焦的曝光图案示意图；

图5为本发明的实施例一的曝光机台负偏移对焦的曝光图案示意图；

图6为本发明的实施例一的曝光机台正偏移对焦的曝光图案示意图；

图7为本发明的实施例二的相偏移光罩的结构示意图；

图8为本发明的实施例二的第一透光区域和第二透光区域位置关系的剖面示意图；

图9为本发明的实施例二的曝光机台正常对焦的曝光图案示意图；

图10为本发明的实施例二的曝光机台负偏移对焦的曝光图案示意图；

图11为本发明的实施例二的曝光机台正偏移对焦的曝光图案示意图；

图12为本发明的实施例三的相偏移光罩的结构示意图；

图13为本发明的实施例三的第一透光区域和第二透光区域位置关系的剖面示意图；

图14为本发明的实施例三的曝光机台正常对焦的曝光图案示意图；

图15为本发明的实施例三的曝光机台负偏移对焦的曝光图案示意图；

图16为本发明的实施例三的曝光机台正偏移对焦的曝光图案示意图；

图17为本发明的利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

相偏移光罩是集成电路制程中一种常用的光罩。所述相偏移光罩是在传统光罩的图形上，选择性地在透光区加上透明但能使光束相位反转π的反向透光区域，用此光罩来进行曝光，可以使曝光***的解析能力大增。

根据公式：

$\mathrm{\φ}=\frac{(n-1).d}{\mathrm{\λ}}.2\mathrm{\π}$          公式(1)

其中φ为透过所述反向透光区域的光的相位，即φ＝π；λ为透过所述反向透光区域的光的波长；n为透过所述反向透光区域的光的折射率。由于光束相位反转π，即φ＝π，所述反向透光区域的厚度为 $d=\frac{\mathrm{\φ\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}=\frac{0.5\mathrm{\λ}}{(n-1)}.$

相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而整体移动，具体地，当曝光焦距正偏(Positive Defocus)即曝光焦距偏大时，相偏移光罩曝光后的图案向反向透光区域移动；当曝光焦距负偏(NegativeDefocus)即曝光焦距偏小时，相偏移光罩曝光后的图案向与反向透光区域相反的方向移动。

根据上述相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而整体移动的性质，本发明的第一方面提供一种相偏移光罩，其结构包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料制成的框。所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致。

根据本发明的第二方面，一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准方法，包括如下步骤：

a.在预定焦距下利用曝光机台对一相偏移光罩进行曝光，形成一曝光图案；

b.检测所述多个图案之间的相互位置关系；

c.根据所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系，来控制对所述曝光机台的焦距进行调节。

重复步骤b和c，直至所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系相一致。

其中，所述相偏移光罩的结构包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料制成的框。所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致。

根据本发明的第三方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准装置，其结构包括：

检测器，用于检测在预定焦距下利用曝光机台对一相偏移光罩进行曝光后的图案的相对位移，发出检测信号，

控制器，根据所述检测器发出的检测信号，发出控制信号对所述曝光机台的焦距进行调节，

直至所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系相一致。

其中，所述相偏移光罩的结构包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料制成的框。所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致。

[实施例一]

在本实施例中，所述多个透光区域包括第一透光区域和第二透光区域；所述多个框包括同心的内框和外框；所述多个图案包括第一图案和第二图案。其中，所述相偏移光罩的外框和内框为矩形框，第二透光区域设置在第一透光区域上方。并且，第一透光区域和第二透光区域采用的材料是石英玻璃，内框和外框采用的材料是铬(chrome)。光的波长λ＝248nm，折射率n＝1.45。在本实施例中，透过第二透光区域的光与透过空气的光(即第二透光区域与第一透光区域的光)的相位为

，即 $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 。

根据本发明的第一方面，提供一种相偏移光罩。参照图2，其结构包括：第一透光区域11和第二透光区域21，同心的外框和内框。

具体地，参考图2，所述外框包括第一条状图案311，第二条状图案321、第三条状图案331，第四条状图案341，所述内框包括第五条状图案411，第六条状图案421、第七条状图案431，第八条状图案441。

其中，第一条状图案311为外框的上边框，且第一条状图案311的上半部分位于第二透光区域21，第一条状图案311的下半部分位于第一透光区域11。

第二条状图案321为外框的左边框，且第二条状图案321的左半部分位于第二透光区域21，第二条状图案321的右半部分位于第一透光区域11。

第三条状图案331为外框的下边框，且第三条状图案331的上半部分位于第二透光区域21，第三条状图案331的下半部分位于第一透光区域11。

第四条状图案341为外框的右边框，且第四条状图案341的左半部分位于第二透光区域21，第四条状图案341的右半部分位于第一透光区域11。

第五条状图案411为内框的上边框，且第五条状图案411的上半部分位于第一透光区域11，第五条状图案411的下半部分位于第二透光区域21。

第六条状图案421为内框的左边框，且第六条状图案421的左半部分位于第一透光区域11，第六条状图案421的右半部分位于第二透光区域21。

第七条状图案431为内框的下边框，且第七条状图案431的上半部分位于第一透光区域11，第七条状图案431的下半部分位于第二透光区域21。

第八条状图案441为所述内框的右边框，且第八条状图案441的左半部分位于第一透光区域11，第八条状图案441的右半部分位于第二透光区域21。

进一步地，参照图3，在本实施例中所述第二透光区域21设置在所述第一透光区域11上方。按照公式(1)，所述第二透光区域21的厚度d应为： $d=\frac{\mathrm{\φ\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}=\frac{0.5\mathrm{\π\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}\≈110\mathrm{nm},$ 其中λ＝248nm，n＝1.56， $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

进一步地，在本实施例中，所述预定阈值范围为-0.2微米至0.2微米。

根据本发明的第二方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准方法，该方法包括如下步骤：

a.在预定焦距下利用曝光机台对上述相偏移光罩进行曝光，所述相偏移光罩曝光后图案包括第一图案31和第二图案41，所述第一图案31为外框曝光后的图案，所述第二图案41为内框曝光后的图案；

b.检测所述第一图案中心B1和所述第二图案中心A1的相对位移。

c.根据所述步骤b所检测的相对位移，控制所述曝光机台的焦距的调节，直至所述第一图案中心B1与所述第二图案中心A1的相对位移值在-0.2微米至0.2微米的阈值范围内。

下面参照图4、图5和图6分别对校准曝光机台焦距的三种情况进行说明。

参照图4，根据第一图案31找到第一图案中心B1，根据第二图案41的位置找到第二图案中心A1，所述第一图案中心B1与所述第二图案中心A1在-0.2微米至0.2微米的预定阈值范围内，即几乎重合。在这种情况下，不需要校准。

参照图5，根据第一图案31找到第一图案中心B1，根据第二图案41找到第二图案中心A1，如图所示第二图案中心A1在第一图案中心B1的左上方。根据相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而移动的性质，可知在这种情况下内框和外框皆朝与反向透光区域即第二透光区域12相反的方向移动，为曝光机台的焦距负偏(NegativeDefocus)，即此时曝光机台的焦距小于预定焦距，应增大曝光机台的焦距。

参照图6，根据第一图案31找到第一图案中心B1，根据第二图案41找到第二图案中心A1，如图所示第二图案中心A1在第一图案中心B1的右下方。根据相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而移动的性质，可知在这种情况下内框和外框皆朝与反向透光区域即第二透光区域21相同的方向移动，为曝光机台的焦距正偏(PositiveDefocus)，即此时曝光机台的焦距大于预定焦距，应减小曝光机台的焦距。

按照上述方法，根据第一图案中心B1与第二图案中心A1的相对位置，1次或多次调节曝光机台焦距，直至检测图案中心B1与第二图案中心A1的相对位移在-0.2微米至0.2微米的预定阈值范围内，即认为此时曝光机台的焦距为最佳，完成了曝光机台的焦距校准。

根据本发明的第三方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距的校准装置，参照图17，其结构包括：

检测器5，用于检测在预定焦距下利用曝光机台对本实施例的相偏移光罩进行曝光后的第一图案中心B1和第二图案中心A1的相对位移，并发出检测信号。

控制器6，根据所述检测器5发出的检测信号，发出控制信号调节所述曝光机台7的焦距，直至所述第一图案中心B1与所述第二图案中心A1的相对位移值在-0.2微米至0.2微米的预定阈值范围内。

所述装置的工作过程为：检测器5根据曝光机台7中相偏移光罩曝光后的第一图案中心B1和第二图案中心A1的相对位移，并发出检测信号。控制器6根据所述检测信号，发出控制信号返回给曝光机台7，调节曝光机台7的焦距。

进一步地，在图4所示的情况下，第一图案中心B1与所述第二图案中心A1在-0.2微米至0.2微米的预定阈值范围内，即几乎重合，控制信号包括不需要对曝光机台7进行校准的信息。

在图5所示的情况下，第二图案中心A1在第一图案中心B1的左上方，曝光机台7的焦距负偏(Negative Defocus)，即此时曝光机台7的焦距小于预定焦距。控制信号包括了应增大曝光机台7的焦距的信息。

在图6所示的情况下，第二图案中心A1在第一图案中心B1的右下方，曝光机台7的焦距正偏(Positive Defocus)，即此时曝光机台的焦距大于预定焦距。控制信号包括了应减小曝光机台7的焦距的信息。

上述装置根据第一图案中心B1与第二图案中心A1的相对位置，1次或多次调节曝光机台焦距，直至第一图案中心B1与第二图案中心A1的相对位移在-0.2微米至0.2微米的预定阈值范围内，即认为此时曝光机台的焦距为最佳，完成了曝光机台的焦距校准。

[实施例二]

在本实施例中，在本实施例中，所述多个透光区域包括第一透光区域和第二透光区域；所述多个框包括同心的内框和外框；所述多个图案包括第一图案和第二图案。相偏移光罩的外框和内框为圆形框，第二透光区域为第一透光区域中凹陷的空白区域部分。第一透光区域和第二透光区域采用的材料是石英玻璃，内框和外框采用的材料是铬(chrome)。光的波长λ＝248nm，折射率n＝1.45。在本实施例中，透过第二透光区域的光与透过空气的光(即第二透光区域与第一透光区域的光)的相位为

即 $\mathrm{\φ}=1\frac{1}{5}\mathrm{\π}.$

根据本发明的第一方面，提供一种相偏移光罩。其结构包括：第一透光区域12和第二透光区域22，同心的外框和内框。

具体地，参考图7，所述外框包括第一弧状图案312，第二弧状图案322、第三弧状图案332，第四弧状图案342，所述内框包括第五弧状图案412，第六弧状图案422、第七弧状图案432，第八弧状图案442。

其中，第一弧状图案312为外框的上边框，且第一弧状图案312的上半部分位于第二透光区域22，第二弧状图案312的下半部分位于第一透光区域12。

第二弧状图案322为外框的左边框，且第二弧状图案322的左半部分位于第二透光区域22，第二条弧状图案322的右半部分位于第一透光区域12。

第三弧状图案332为外框的下边框，且第三弧状图案332的上半部分位于第二透光区域22，第三弧状图案332的下半部分位于第一透光区域12。

第四弧状图案342为外框的右边框，且第四弧状图案342的左半部分位于第二透光区域22，第四弧状图案342的右半部分位于第一透光区域12。

第五弧状图案412为内框的上边框，且第五弧状图案412的上半部分位于第一透光区域12，第五弧状图案412的下半部分位于第二透光区域22。

第六弧状图案422为内框的左边框，且第六弧状图案422的左半部分位于第一透光区域12，第六弧状图案422的右半部分位于第二透光区域22。

第七弧状图案432为内框的下边框，且第七弧状图案432的上半部分位于第一透光区域12，第七弧状图案432的下半部分位于第二透光区域22。

第八弧状图案442为所述内框的右边框，且第八弧状图案441的左半部分位于第一透光区域12，第八弧状图案442的右半部分位于第二透光区域22。

进一步地，参照图8，在本实施例中第二透光区域22为第一透光区域12中凹陷的空白区域部分。按照公式(1)，所述第二透光区域22的厚度d应为： $d=\frac{\mathrm{\φ\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}=\frac{1.2\mathrm{\π\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}\≈265\mathrm{nm}.$ 其中，λ为光的波长，n为折射率。在本实施例中，λ＝248nm，n＝1.56， $\mathrm{\φ}=1\frac{1}{5}\mathrm{\π}.$

进一步地，在本实施例中，所述预定阈值范围为-2微米至5微米。

根据本发明的第二方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准方法，该方法包括如下步骤：

a.在预定焦距下利用曝光机台对上述相偏移光罩进行曝光，所述相偏移光罩曝光后图案包括第一图案32和第二图案42，所述第一图案32为外框曝光后的图案，所述第二图案42为内框曝光后的图案；

b.检测所述第一图案中心B2和所述第二图案中心A2的相对位移。

c.根据所述步骤b所检测的相对位移，控制所述曝光机台的焦距的调节，直至所述第一图案中心B2与所述第二图案中心A2的相对位移值在-2微米至5微米的预定阈值范围内。

下面参照图9、图10和图11分别对校准曝光机台焦距的三种情况进行说明。

参照图9，根据第一图案32找到第一图案中心B2，根据第二图案42的位置找到第二图案中心A2，所述第一图案中心B2与所述第二图案中心A2在在-2微米至5微米的预定阈值范围内，即几乎重合。这种情况下，不需要校准。

参照图10，根据第一图案32找到第一图案中心B2，根据第二图案42找到第二图案中心A2，如图所示第二图案中心A2在第一图案中心B2的左上方。根据相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而移动的性质，可知在这种情况下内框和外框皆朝与反向透光区域即第二透光区域22相反的方向移动，为曝光机台的焦距负偏(NegativeDefocus)，即此时曝光机台的焦距小于预定焦距，应增大曝光机台的焦距。

参照图11，根据第一图案32找到第一图案中心B2，根据第二图案42找到第二图案中心A2，如图所示第二图案中心A2在第一图案中心B2的右下方。根据相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而移动的性质，可知在这种情况下内框和外框皆朝与反向透光区域即第二透光区域22相同的方向移动，为曝光机台的焦距正偏(PositiveDefocus)，即此时曝光机台的焦距大于预定焦距，应减小曝光机台的焦距。

按照上述方法，根据第一图案中心B1与第二图案中心A1的相对位置，1次或多次调节曝光机台焦距，直至检测图案中心B1与第二图案中心A1的相对位移在-2微米至5微米的预定阈值范围内，即认为此时曝光机台的焦距为最佳，完成了曝光机台的焦距校准。

根据本发明的第三方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距的校准装置，参照图17，其结构包括：

检测器5，用于检测在预定焦距下利用曝光机台对本实施例的相偏移光罩进行曝光后的第一图案中心B2和第二图案中心A2的相对位移，并发出检测信号。

控制器6，根据所述检测器5发出的检测信号，发出控制信号调节所述曝光机台7的焦距，直至所述第一图案中心与所述第二图案中心的相对位移值在在-2微米至5微米的预定阈值范围内。

所述装置的工作过程为：检测器5根据曝光机台7中相偏移光罩曝光后的第一图案中心B2和第二图案中心A2的相对位移，并发出检测信号。控制器6根据所述检测信号，发出控制信号返回给曝光机台7，调节曝光机台7的焦距。

进一步地，在图9所示的情况下，第一图案中心B2与所述第二图案中心A2在阈值范围内，即几乎重合，控制信号包括不需要对曝光机台7进行校准的信息。

在图10所示的情况下，第二图案中心A2在第一图案中心B2的左上方，曝光机台7的焦距负偏(Negative Defocus)，即此时曝光机台7的焦距小于预定焦距。控制信号包括了应增大曝光机台7的焦距的信息。

在图11所示的情况下，第二图案中心A2在第一图案中心B2的右下方，曝光机台7的焦距正偏(Positive Defocus)，即此时曝光机台的焦距大于预定焦距。控制信号包括了应减小曝光机台7的焦距的信息。

上述装置根据第一图案中心B2与第二图案中心A2的相对位置，1次或多次调节曝光机台焦距，直至检测图案中心B2与第二图案中心A2的相对位移在-2微米至5微米的预定阈值范围内，即认为此时曝光机台的焦距为最佳，完成了曝光机台的焦距校准。

[实施例三]

在本实施例中，在本实施例中，所述多个透光区域包括第一透光区域和第二透光区域；所述多个框包括同心的内框和外框；所述多个图案包括第一图案和第二图案。相偏移光罩的外框和内框为异形框，第二透光区域为第一透光区域中凹陷的空白区域部分。第一透光区域和第二透光区域采用的材料是石英玻璃，内框和外框采用的材料是铬(chrome)。光的波长λ＝248nm，折射率n＝1.45。在本实施例中，透过第二透光区域的光与透过空气的光(即第二透光区域与第一透光区域的光)的相位为

即 $\mathrm{\φ}=1\frac{1}{3}\mathrm{\π}.$

根据本发明的第一方面，提供一种相偏移光罩。其结构包括：第一透光区域13和第二透光区域23，同心的外框和内框。

具体地，参考图12，所述外框包括第一条状图案313，第二条状图案323、第一弧状图案333，所述内框包括第三条状图案413，第四条状图案423、第二弧状图案433。

其中，第一条状图案313的一半位于第二透光区域23，另一半位于第一透光区域13。

第二条状图案323的一半位于第二透光区域23，另一半位于第一透光区域13。

第一弧状图案333的右半部分位于第二透光区域23，第一弧状图案333的左半部分位于第一透光区域13。

第三条状图案413的一半位于第一透光区域13，另一半位于第二透光区域23。

第四条状图案423的一半位于第一透光区域13，另一半位于第二透光区域23。

第二弧状图案433为内框的右边框，且第二弧状图案433的右半部分位于第一透光区域13，第二弧状图案433的左半部分位于第二透光区域23。

进一步地，参照图13，在本实施例中第二透光区域23为第一透光区域13中凹陷的空白区域部分。按照公式(1)，所述第二透光区域23的厚度d应为： $d=\frac{\mathrm{\φ\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}=\frac{1.2\mathrm{\π\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)}\≈295\mathrm{nm}.$ 其中，λ为光的波长，n为折射率。在本实施例中，λ＝248nm，n＝1.56， $\mathrm{\φ}=1\frac{1}{3}\mathrm{\π}.$

进一步地，在本实施例中，所述预定阈值范围为0微米至2微米。

根据本发明的第二方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准方法，该方法包括如下步骤：

a.在预定焦距下利用曝光机台对上述相偏移光罩进行曝光，所述相偏移光罩曝光后图案包括第一图案33和第二图案43，所述第一图案33为外框曝光后的图案，所述第二图案43为内框曝光后的图案；

b.检测所述第一图案中心B3和所述第二图案中心A3的相对位移。

c.根据所述步骤b所检测的相对位移，控制所述曝光机台的焦距的调节，直至所述第一图案中心B3与所述第二图案中心A3的相对位移值在0微米至2微米的阈值范围内。

下面参照图14、图15和图16分别对校准曝光机台焦距的三种情况进行说明。

参照图14，根据第一图案33找到第一图案中心B3，根据第二图案43的位置找到第二图案中心A3，所述第一图案中心B3与所述第二图案中心A3在0微米至2微米的预定阈值范围内，即几乎重合。这种情况下，不需要校准。

由于在本实施例中，内框和外框为异形图案，按照曝光后第一和第二图案的最左点和最右点的中点(X轴方向的中心)以及第一和第二图案最高点和最低点的中点(Y轴方向的中心)，确定所述第一和第二图案的中心。

参照图15，根据第一图案33的最左点和最右点找到X方向的中心B3X，根据第一图案33的最高点和最低点找到Y方向的中心B3Y，B3X和B3Y的交点即为第一图案33的中心B3。同样，根据第二图案43的最左点和最右点找到X方向的中心A3X，根据第二图案43的最高点和最低点找到Y方向的中心A3Y，A3X和A3Y的交点即为第一图案43的中心A3。A3在B3的右边。根据相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而移动的性质，可知在这种情况下内框和外框皆朝与反向透光区域即第二透光区域22相反的方向移动，为曝光机台的焦距负偏(Negative Defocus)，即此时曝光机台的焦距小于预定焦距，应增大曝光机台的焦距。

参照图16，根据第一图案33的最左点和最右点找到X方向的中心B3X，根据第一图案33的最高点和最低点找到Y方向的中心B3Y，B3X和B3Y的交点即为第一图案33的中心B3。同样，根据第二图案43的最左点和最右点找到X方向的中心A3X，根据第二图案43的最高点和最低点找到Y方向的中心A3Y，A3X和A3Y的交点即为第一图案43的中心A3。A3在B3的左边。根据相偏移光罩曝光后的图案能随着曝光焦距的变化而移动的性质，可知在这种情况下内框和外框皆朝与反向透光区域即第二透光区域22相同的方向移动，为曝光机台的焦距正偏(Positive Defocus)，即此时曝光机台的焦距大于预定焦距，应减小曝光机台的焦距。

按照上述方法，根据第一图案中心B3与第二图案中心A3的相对位置，1次或多次调节曝光机台焦距，直至检测图案中心B3与第二图案中心A3的相对位移在0微米至2微米的阈值范围内，即认为此时曝光机台的焦距为最佳，完成了曝光机台的焦距校准。

根据本发明的第三方面，提供一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距的校准装置，参照图17，其结构包括：

检测器5，用于检测在预定焦距下利用曝光机台对本实施例的相偏移光罩进行曝光后的第一图案中心B3和第二图案中心A3的相对位移，并发出检测信号。

控制器6，根据所述检测器5发出的检测信号，发出控制信号调节所述曝光机台7的焦距，直至所述第一图案中心与所述第二图案中心的相对位移值在0微米至2微米的阈值范围内。

所述装置的工作过程为：检测器5根据曝光机台7中相偏移光罩曝光后的第一图案中心B3和第二图案中心A3的相对位移，并发出检测信号。控制器6根据所述检测信号，发出控制信号返回给曝光机台7，调节曝光机台7的焦距。

进一步地，在图14所示的情况下，第一图案中心B3与所述第二图案中心A3在阈值范围内，即几乎重合，控制信号包括不需要对曝光机台7进行校准的信息。

在图15所示的情况下，第二图案中心A3在第一图案中心B3的右边，曝光机台7的焦距负偏(Negative Defocus)，即此时曝光机台7的焦距小于预定焦距。控制信号包括了应增大曝光机台7的焦距的信息。

在图16所示的情况下，第二图案中心A3在第一图案中心B3的左边，曝光机台7的焦距正偏(Positive Defocus)，即此时曝光机台的焦距大于预定焦距。控制信号包括了应减小曝光机台7的焦距的信息。

上述装置根据第一图案中心B3与第二图案中心A3的相对位置，3次或多次调节曝光机台焦距，直至检测图案中心B3与第二图案中心A1的相对位移在0微米至2微米的阈值范围内，即认为此时曝光机台的焦距为最佳，完成了曝光机台的焦距校准。

本领域的技术人员应该知晓，本发明的多个框可以是任意图形，并能分别通过测量所述多个框曝光X轴方向和Y轴方向的中点的交叉点，以确认所述多个框曝光图案的中心。至于其他任意图形和任意图形组合，本领域技术人员可以不经过创造性劳动使用在本发明中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (21)

1.一种用于半导体曝光机台焦距校准的相偏移光罩，其特征在于，包括：

多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；

多个由非透光材料制成的框，

所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，

其中，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致。

2.如权利要求1所述的相偏移光罩，其特征在于所述每个框的形状包括圆形，三角形或多边形。

3.根据权利要求1或2所述的相偏移光罩，其特征在于，

所述多个透光区域包括第一透光区域和第二透光区域；

所述多个框包括同心的内框和外框；

所述内框和外框的内外边界分别与所述第一透光区域和第二透光区域相临或相接，

其中，所述内框和外框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述内框和外框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方不一致。

4.如权利要求3所述的相偏移光罩，其特征在于：所述第二透光区域的厚度为 $d=\frac{\mathrm{\φ\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)},$ 其中φ为透过所述第二透光区域的光的相位，λ为透过所述第二透光区域的光的波长，n为透过所述第二透光区域的光的折射率。

5.如权利要求4所述的相偏移光罩，其特征在于透过所述第二透光区域的光的相位φ的取值范围为：0<φ<2π，并且φ≠π。

6.一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准方法，其特征在于包括如下步骤：

a.在预定焦距下利用曝光机台对一相偏移光罩进行曝光，形成一曝光图案，

其中该相偏移光罩包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料形成的框，所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，

其中，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致，

其中，所述曝光图案包括与所述多个框对应的多个图案，

b.检测所述多个图案之间的相互位置关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

c.根据所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系，来控制对所述曝光机台的焦距进行调节，

重复步骤b和c，直至所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系相一致。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述每个框的形状包括圆形，三角形或多边形。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述多个透光区域包括第一透光区域和第二透光区域；所述多个框包括同心的内框和外框；所述多个图案包括第一图案和第二图案，

其中，所述步骤b包括：检测所述第一图案中心和第二图案中心的相对位移。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤c还包括：

-根据所检测的相对位移，控制对所述曝光机台的焦距进行调节，直至所述相对位移值小于一个预定阈值。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤c包括：

-当第二图案中心在第一图案中心的左上方时，曝光机台的焦距小于预定焦距，控制增大曝光机台的焦距；

-当第二图案中心在第一图案中心的右下方时，曝光机台的焦距大于预定焦距，控制减小曝光机台的焦距；

直至所述第一图案中心与所述第二图案中心的相对位移值小于预定阈值。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤c包括：

-当第二图案中心在第一图案中心的左方时，曝光机台的焦距小于预定焦距，控制增大曝光机台的焦距；

-当第二图案中心在第一图案中心的右方时，曝光机台的焦距大于预定焦距，控制减小曝光机台的焦距；

直至所述第一图案中心与所述第二图案中心的相对位移值小于预定阈值。

13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于：所述预定阈值为0微米至10微米。

14.一种利用相偏移光罩的曝光机台焦距校准装置，其特征在于其结构包括：

检测器，用于检测在预定焦距下利用曝光机台对一相偏移光罩进行曝光后的图案的相对位移，发出检测信号，

其中该相偏移光罩包括：多个由透光材料制成的透光区域，其中至少两个透光区域具有预定的光程差；多个由非透光材料形成的框，所述每个框的内外边界分别与所述多个透光区域中任两个相邻或相接，

其中，其中至少两个框被放置为，使得当利用该光罩进行曝光时，所得的与所述至少两个框相应的曝光图案随曝光机台焦距变化而产生的偏移方向不一致，

其中，所述曝光图案包括与所述多个框对应的多个图案。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，其结构还包括：

控制器，根据所述检测器发出的检测信号，发出控制信号对所述曝光机台的焦距进行调节，

直至所述多个框的相互位置关系与所检测的多个图案的相位位置关系相一致。

16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述每个框的形状包括圆形，三角形或多边形。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，

所述多个透光区域包括第一透光区域和第二透光区域；所述多个框包括同心的内框和外框；所述多个图案包括第一图案和第二图案，

其中，所述检测器用于检测第一图案中心和第二图案中心的相对位移，发出检测信号。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述控制器还用于：

-根据所述检测器发出的检测信号，控制对所属曝光机台的焦距进行调节，直至所述相对位移值小于一个预定阈值。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述控制器用于：

-当检测器检测到第二图案中心在第一图案中心的左上方时，曝光机台的焦距小于预定焦距，发出检测信号给所述控制器，所述控制器发出控制信号控制增大曝光机台的焦距；

-当检测器检测到第二图案中心在第一图案中心的右下方时，曝光机台的焦距大于预定焦距，发出检测信号给所述控制器，所述控制器发出控制信号控制减小曝光机台的焦距；

直至所述第一图案中心与所述第二图案中心的相对位移值小于预定阈值。

20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述控制器用于：

-当检测器检测到第二图案中心在第一图案中心的左方时，曝光机台的焦距小于预定焦距，发出检测信号给所述控制器，所述控制器发出控制信号控制增大曝光机台的焦距；

-当检测器检测到第二图案中心在第一图案中心的右方时，曝光机台的焦距大于预定焦距，发出检测信号给所述控制器，所述控制器发出控制信号控制减小曝光机台的焦距；

直至所述第一图案中心与所述第二图案中心的相对位移值小于预定阈值。

21.如权利要求18至20中任一项所述的装置，其特征在于：所述预定阈值为0微米至10微米。

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