CN101169594B - 一种光刻机成像质量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机成像质量测量方法，包含以下步骤：在光刻机n个离焦量下将掩模上均匀分布的DFOCAL标记图案曝光到硅片上，形成n个曝光场；利用对准系统对n个曝光场进行等间隔抽样测量，得到n/m个场内各标记对准位置；利用标记成像水平位置的偏差与硅片离焦量之间的变化规律计算曝光场内各个DFOCAL标记点的最佳焦点大致位置；测量距离曝光场内各个DFOCAL标记点最佳焦点大致位置最近的n/m个场内对应的DFOCAL标记对准位置；精确拟合出每个DFOCAL标记点的最佳焦点位置；计算轴向像质参数。本发明方法利用DFOCAL标记能对用于评价光刻机成像质量的轴向像质参数进行高精度、大范围、快速的测量。

Description

一种光刻机成像质量测量方法

技术领域

本发明涉及一种光刻机成像质量的测量方法，尤其涉及一种利用双重精细结构的FOCAL(镜像焦面检测对准标记)标记测量光刻机轴向像质参数的方法。

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。而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。最佳焦面偏移、像面倾斜以及投影物镜的场曲与像散等参数是影响光刻机沿光轴方向的成像质量的主要因素，因此被称为光刻机轴向像质参数。它们主要影响光刻特征尺寸、成像线条均匀性、焦深等光刻性能指标。随着光刻特征尺寸的减小以及焦深范围的变小，光刻机焦面的检测与校正将变得越来越重要。因此轴向像质参数的检测技术也成为现代光刻技术的重要组成。高精度、快速的轴向像质参数检测功能已经称为现代先进光刻机中不可或缺的重要功能之一。

目前，利用FOCAL测试标记成像水平位置与硅片离焦量之间的变化规律来检测像质参数，主要用于初级轴向像质参数的检测。在该技术中，首先将掩模板上的多个测量标记在不同离焦量位置曝光在硅片上，然后用对准系统测试标记的成像位置，利用成像位置计算得到对准偏移量，最后对对准偏移量进行分析后得到初级轴向像质参数。

对于FOCAL技术，要想得到较高的精度轴向像质参数，需要FOCAL标记的精细结构线条宽度能够尽量小，同时不同曝光场间的离焦步长也要足够小，这样就会增加曝光场数和测量时间；同时很小的线条宽度将使FOCAL测试标记成像水平位置与硅片离焦量之间的变化规律限制在一个比较小的焦深范围，使得距离最佳焦面较远的很多曝光场内的标记将不受精细结构的影响。而相反的，如果FOCAL标记的精细结构线条宽度比较大，离焦量对FOCAL测试标记成像水平位置影响将变得不明显，因此会降低轴向像质参数的测试精度。

另外，当FOCAL标记的精细结构的线宽很小时，其处于离焦状态下曝光时，该FOCAL标记的精细结构的线宽会因离焦量的大小不同而发生相应较明显的改变，从而使标记的重心位置发生改变，产生对准偏移量(如图1所示)；但当离焦量超出标记离焦敏感范围[-F，+F]时，离焦将不再影响标记对准位置。对于特定的光刻机系统，标记离焦敏感范围是直接由标记精细结构线宽大小决定的，并且线宽越小，敏感范围也越小。较宽线条的FOCAL标记精细结构可以得到较大的光刻机最佳焦面偏移范围，较细线条的FOCAL标记精细结构在较小焦深内可以得到较精确的最佳焦面位置。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光刻机成像质量测量方法，其利用双重精细结构的FOCAL标记(简称DFOCAL标记)，可对用于评价光刻机的成像质量的光刻机轴向像质参数进行高精度、快速的测量，能克服现有技术中测量范围和测量精度不能同时兼顾的缺点。

为达上述目的，本发明提供一种光刻机成像质量测量方法，其包含以下步骤：

步骤1、在光刻机n个不同离焦量下，将掩模上均匀分布刻有的DFOCAL标记的图案曝光到硅片不同部分上，形成n个曝光场，所述的DFOCAL标记由粗线条精细结构和细线条精细结构组成；

所述的DFOCAL标记包含粗线条精细结构和细线条精细结构；该粗线条精细结构的线条比之细线条精细结构的线条要宽3倍以上；

步骤2、硅片显影后，对于所形成的n个曝光场，利用对准系统进行等间隔抽样测量，得到n/m个曝光场内的各个DFOCAL标记对准位置，由此得到n/m个DFOCAL标记的成像对准偏移量；

所述的m表示为等间隔抽样测量的抽样间隔；

步骤3、利用得到的DFOCAL测试标记的成像对准偏移量与硅片离焦量之间的变化规律粗略计算曝光场内各个DFOCAL标记点的最佳焦点大致位置：

该步骤3中所述的变化规律为：由于轴向像质引起的对准偏移量的大小将随离焦的变化而变化，具体表现为：当硅片在最佳焦平面上曝光时，系统分辨能力较强，DFOCAL标记的精细结构可以被完全转移到硅片上，此时对准偏移量较大；而当硅片在离焦的平面上曝光时，系统分辨能力较差，DFOCAL标记的精细结构不能被无失真的转移到硅片上，导致光学对准的偏移量较小。

该步骤3具体包括：针对DFOCAL标记的粗线条精细结构在硅片上的曝光部分，利用抽样测量得到的n/m个离焦量下的对准偏移量，进行2次曲线拟合，得到曲线取得最大值时，即对准偏移量最大时的离焦量，即为最佳焦点大致位置；

步骤4、测量距离曝光场内各个DFOCAL标记点最佳焦点大致位置最近的n/m个场内对应的DFOCAL标记对准位置，由此得到该各个DFOCAL标记的对应成像对准偏移量；

步骤4中所述的DFOCAL标记对准位置，为DFOCAL标记处于最佳焦点附近时曝光成像的标记位置；

步骤5、利用步骤4中所测得的标记对准位置，精确拟合出每个DFOCAL标记点的最佳焦点位置；

该步骤5具体包括：针对DFOCAL标记的细线条精细结构在硅片上的曝光部分，利用步骤4中测量得到的各个离焦量下的对准偏移量，进行2次曲线拟合，得到曲线取得最大值时，即对准偏移量最大时的离焦量，即为最佳焦点位置；

步骤6、计算光刻机的轴向像质参数：焦面、场曲、像散、像面倾斜等。

本发明提供的光刻机成像质量测量方法，具有以下优点：

1、本发明方法采用DFOCAL标记作为对准标记：由于该DFOCAL标记中外层精细结构线条较宽，故用于粗略测量场内各点的最佳焦点大致位置，而其内层精细结构线条宽度很小，用于在粗略定位的最佳焦点大致位置附近精确测量该点的最佳焦点位置；

2、本发明方法是在精细结构线宽和离焦步长均很小的条件下获取的场内各点最佳焦点位置的，所以可以获得较高的测试精度；

3、本发明方法在测试过程中，硅片各场曝光时间较短，而标记对准测量时间较长，本发明只对一小部分场内标记位置进行了对准测量，减少了测量时间。

附图说明

图1是背景技术中所述的离焦对FOCAL标记对准位置的影响的示意图；

图2是本发明光刻机成像质量测量方法的测量系统示意图；

图3是本发明实施例1中的DFOCAL标记及其双重精细结构的示意图；

图4是本发明实施例1中DFOCAL标记在硅片上的曝光场的分布示意图；

图5是本发明实施例1中DFOCAL标记内层精细结构成像尺寸随离焦变化的曲线图；

图6是本发明实施例1中DFOCAL标记外层精细结构成像尺寸随离焦变化的曲线图；

图7是本发明实施例1中根据图5和图6的结果计算得到的标记成像占空比与离焦量之间的关系曲线图；

图8是本发明实施例2中的DFOCAL标记的双重精细结构示意图；

图9是本发明实施例2中标记成像占空比与离焦量之间的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合图2-图9，详细说明本发明较佳的实施方式：

如图2所示，本发明方法所使用的测量系统包括：产生投影光束的光源101；用于调整所述光源发出的光束的光强分布和部分相干因子的照明系统102；能将掩模图案成像且其数值孔径可以调节的成像光学系统103；能承载所述掩模R并精确定位的掩模台104；能承载硅片W并精确定位的工件台105；以及可用于对准硅片位置的对准系统106。

实施例1

在本实施例中，采用如图3所示的DFOCAL标记，该DFOCAL标记包含外层精细结构和内层精细结构；该外层精细结构的线条宽1.5um，该内层精细结构的线条宽200nm。

本发明光刻机成像质量测量方法的步骤如下：

步骤1、光源101发出的深紫外激光经照明系统102照射到刻有DFOCAL标记的掩模R上，该掩模R上均匀分布65个DFOCAL标记，掩模R选择性的透过一部分光线，这部分光线经成像光学系统103，在3um范围内的60个离焦量下将掩模R上的图案曝光成像到硅片W的不同部分上，如图4所示，在该范围内曝光12个场，每个曝光场内均分5层来均匀分布65个DFOCAL标记，各层间轴向偏置400um的距离；

步骤2、利用对准系统106测量12个曝光场中，每个曝光场的第一层标记的标记对准位置，由此得到每个曝光场第一层的各个DFOCAL标记的成像对准偏移量；

步骤3、利用得到的DFOCAL测试标记的成像对准偏移量与硅片离焦量之间的变化规律来较粗略计算出曝光场内65个点的各自最佳焦点大致位置，该步骤具体表现为：针对DFOCAL标记的粗线条精细结构在硅片上的曝光部分，利用每个标记12个离焦量下的对准偏移量，进行2次曲线拟合，得到曲线取得最大值时，即对准偏移量最大时的离焦量，即为该标记所在点的最佳焦点大致位置；

步骤4、测量距离曝光场内65个标记点的各自最佳焦点大致位置最近的12个层内对应的DFOCAL标记对准位置，得到对应的成像对准偏移量；

步骤5、利用上述测量结果，按步骤3的拟合方法精确拟合出65个DFOCAL标记点的各自最佳焦点位置，该步骤具体表现为：针对DFOCAL标记的细线条精细结构在硅片上的曝光部分，利用步骤4测量得到的各个离焦量下的对准偏移量，进行2次曲线拟合，得到曲线取得最大值时，即在对准偏移量最大时的离焦量，就是最佳焦点位置；

步骤6、计算轴向像质参数：焦面、场曲、像散、像面倾斜等。

本实施例中，综合了下面所述的2个特点：一是利用DFOCAL标记精细结构的粗线条确定标记最佳焦点大致位置，二是利用DFOCAL标记精细结构的细线条精确测量标记最佳焦点精确位置。

如图5所示，本实施例中的DFOCAL标记的精细结构的细线条宽200nm，该DFOCAL标记200nm精细结构成像关键尺寸随离焦变化曲线为prolith仿真曲线，图中可以看出，在离焦(-0.4um，0.4um)的范围之外，即处于图1中所示的离焦敏感范围之外时，200nm精细结构的DFOCAL标记将不能成像。

如图6所示，本实施例中的DFOCAL标记的精细结构的粗线条宽1.5um，该DFOCAL标记1.5um精细结构成像关键尺寸随离焦变化曲线为prolith仿真曲线，图中可以看出，在离焦(-1.5um，1.5um)范围之外，即处于图1中所示的离焦敏感范围之外时，1.5um精细结构的DFOCAL标记将不能成像。

根据图5和图6的仿真结果，可以计算得到DFOCAL标记成像占空比与离焦量之间的关系，具体计算方法为：200nm线条成像的CD/400nm+1500nm线条成像的CD/3000nm，具体计算结果如图7所示，该结果对应于标记对准位置与离焦量之间的关系。

实施例2

在本实施例中，采用如图8所示的DFOCAL标记，该DFOCAL标记包含外层精细结构和内层精细结构；该外层精细结构的线条宽1.2um，该内层精细结构的线条宽150nm。

本发明光刻机成像质量测量方法的步骤与实施例1相同，区别仅在于步骤1中，本实施例是在2um范围内的40个离焦量下将掩模图案曝光成像到硅片W的不同部分上。

同时，本实施例中DFOCAL标记成像占空比与离焦量之间的关系，具体计算方法为：150nm线条成像的CD/300nm+1200nm线条成像的CD/2400nm，具体计算结果如图9所示。

综合上述，可以根据不同的测试需求，通过改变DFOCAL标记的精细结构的粗线条和细线条的宽度及离焦范围等具体参数来更好的实现测试目的，当精细结构线条宽度越小时，测试范围也减小，但可以相对提高测试的精度。

本发明提供的光刻机成像质量测量方法，具有以下优点：

1、本发明方法采用DFOCAL标记作为对准标记：由于该DFOCAL标记中外层精细结构线条较宽，故用于粗略测量场内各点的最佳焦点大致位置，而其内层精细结构线条宽度很小，用于在粗略定位的最佳焦点大致位置附近精确测量该点的最佳焦点位置；

2、本发明方法是在精细结构线宽和离焦步长均很小的条件下获取的场内各点最佳焦点位置的，所以可以获得较高的测试精度；

3、本发明方法在测试过程中，硅片各场曝光时间较短，而标记对准测量时间较长，本发明只对一小部分场内标记位置进行了对准测量，减少了测量时间。

Claims (3)

1.一种光刻机成像质量测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、在光刻机n个不同离焦量下，将掩模上均匀分布刻有的DFOCAL标记的图案曝光到硅片不同部分上，形成n个曝光场，所述的DFOCAL标记由粗线条精细结构和细线条精细结构组成；

步骤2、硅片显影后，对于所形成的n个曝光场，利用对准系统进行等间隔抽样测量，得到n/m个曝光场内的各个DFOCAL标记对准位置，由此得到DFOCAL标记的成像对准偏移量，该m表示等间隔抽样测量的抽样间隔；

步骤3、利用得到的DFOCAL标记的成像对准偏移量与硅片离焦量之间的变化规律粗略计算曝光场内各个DFOCAL标记点的最佳焦点大致位置，所述的步骤3具体包括：针对DFOCAL标记的粗线条精细结构在硅片上的曝光部分，利用抽样测量得到的n/m个离焦量下的对准偏移量，进行2次曲线拟合，得到曲线取得最大值时，即在对准偏移量最大时的离焦量，就是最佳焦点大致位置；

步骤4、测量距离曝光场内各个DFOCAL标记点最佳焦点大致位置最近的n/m个场内对应的DFOCAL标记对准位置，由此得到该各个DFOCAL标记的对应成像对准偏移量；

步骤5、利用步骤4中所测得的标记对准位置，精确拟合出每个DFOCAL标记点的最佳焦点位置，所述的步骤5具体包括：针对DFOCAL标记的细线条精细结构在硅片上的曝光部分，利用步骤4测量得到的各个离焦量下的对准偏移量，进行2次曲线拟合，得到曲线取得最大值时，即在对准偏移量最大时的离焦量，就是最佳焦点位置；

步骤6、计算光刻机的轴向像质参数：焦面、场曲、像散、像面倾斜。

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，所述的粗线条精细结构的线条宽度比细线条精细结构的线条宽度宽3倍以上。

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，步骤4中，所述的测得的DFOCAL标记对准位置，为DFOCAL标记处于最佳焦点附近时曝光成像的标记位置。

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