CN100480866C - 测试标记及利用该标记检测光刻机成像质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试标记，其包括密集线条标记，该测试标记形成在光刻机系统的掩模上，所述测试标记至少包括四个密集线条标记，且每个密集线条标记均由相邻的一个密集线条标记旋转90度得到。本发明还提供一种利用该标记检测光刻机成像质量的方法。与现有技术相比，本发明利用测试标记的线宽变化，实现了最佳焦面，像面倾斜，像散，球差等轴向像质参数的精确测量，同时，可检测最佳焦面，像面倾斜，像散和球差，且直接利用检测时得到的数据，通过最小二乘法计算得到光刻机轴向像质参数，克服了先前技术中无法检测球差与数据处理繁琐的不足。

Description

测试标记及利用该标记检测光刻机成像质量的方法

技术领域

本发明涉及光刻机的成像质量检测，尤其涉及利用测试标记检测光刻机成像质量的方法。

背景技术

光刻机轴向像质参数主要包括最佳焦面偏移、像面倾斜、物镜像散、物镜球差等参数。光刻机轴向像质参数是影响光刻分辨率的关键因素。随着光刻分辨率的不断提高，光刻机轴向像质参数对光刻分辨率的影响越来越明显。因此，对光刻机轴向像质参数的检测，分析与校正已成为保证光刻机光刻分辨率满足要求的重要手段。

FOCAL(Focus calibration using alignment procedure)技术是一种用于检测光刻机轴向像质参数的主要技术(参见在先技术[1]，Peter Dirksen，Jan E.Van Der Werf.“Method of repetitively imaging a mask patternon asubstrate，and apparatus for performing the method”，美国专利申请号：5,674,650)。在先技术中，首先将一种特定的FOCAL标记在不同的离焦量下曝光，之后利用光刻机光学对准系统检测曝光到硅片上的FOCAL标记的对准偏移量。利用检测得到的对准偏移量计算得到FOCAL标记的Z向偏移量。最后利用FOCAL标记的Z向偏移量计算得到最佳焦面，像散等光刻机轴向像质参数。但是FOCAL技术无法检测球差，而且数据处理过程繁琐，对计算数据要求较为严格，为筛选有效数据点，通常需要做多次高阶曲线拟合。此外，FOCAL技术需要在不同离焦量情况下进行曝光，曝光过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的测试标记及检测光刻机成像质量的方法，其可以全面检测成像质量参数，同时简化检测过程中的数据处理。

为了达到上述的目的，本发明提供一种测试标记，其包括密集线条标记，该测试标记形成在光刻机系统的掩模上，所述测试标记至少包括四个密集线条标记，且每个密集线条标记均由相邻的一个密集线条标记旋转90°得到，每个密集线条标记由三个光栅标记构成，其中相邻光栅标记取向相差180°，所述每个光栅标记的一个周期内包括两个线宽相同的透光区和一个不透光区，所述透光区与不透光区的线宽之比是1∶2，且透过所述两个透光区的光的位相之差为90°。

本发明还提供一种利用该标记检测光刻机成像质量的方法，所述的方法包括如下步骤：在一个离焦位置处，将掩模上的测试标记通过光刻机系统曝光到基板上；检测曝光到基板上的测试标记图形中光栅标记之间的宽度；利用检测得到的光栅标记之间的宽度数据计算出光刻机轴向像质参数。其中，所述测试标记包括密集线条标记，该测试标记形成在光刻机系统的掩模上，所述测试标记至少包括四个密集线条标记，且每个密集线条标记均由相邻的一个密集线条标记旋转90°得到，每个密集线条标记由三个光栅标记构成，其中相邻光栅标记取向相差180°，所述每个光栅标记的一个周期内包括两个线宽相同的透光区和一个不透光区，所述透光区与不透光区的线宽之比是1∶2，且透过所述两个透光区的光的位相之差为90°。

与现有技术相比，本发明利用测试标记的线宽变化，实现了最佳焦面，像面倾斜，像散，球差等轴向像质参数的精确测量，同时，可检测最佳焦面，像面倾斜，像散和球差，且直接利用检测时得到的数据，通过最小二乘法计算得到光刻机轴向像质参数，克服了先前技术中无法检测球差与数据处理繁琐的不足。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明离焦位置的示意图；

图2为本发明所用光刻机系统的结构示意图；

图3为本发明测试标记的结构示意图；

图4为本发明测试标记中密集线条标记的细分结构示意图；

图5为利用光刻仿真软件仿真本发明中的像散和球差测量得到的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提出的光刻机轴向像质参数检测方法的检测过程为：在一个离焦位置处，将掩模上的测试标记通过光刻机系统曝光到基板上。基板显影后，通过一专用测量系统，检测曝光到基板上的测试标记的线宽。利用测试标记的线宽计算出光刻机的轴向像质参数。

请参阅图1，一个离焦位置为当前曝光平面相对于参考平面在Z向的位置。参考平面为Z向位置坐标为0的平面。

请参阅图2，本发明的光刻机系统包括光源1，照明系统2，掩模3，承载掩模3的掩模台4，投影物镜5，涂有光刻胶的基板6及承载基板6的工件台7。其中，掩模3上形成有如图3所示的测试标记。光源1用于产生曝光光束。照明系统2调整光源1发出光束光强分布，投影物镜5将掩模3上的测试标记成像在基板6上。

光源1发出的深紫外激光经照明系统2后照射在掩模3上，掩模3上测试标记经投影物镜5成像在涂有光刻胶的基板6上，最后对基板6进行后烘、显影。其中，基板6可以为硅片、砷化镓圆片、二氧化硅圆片等。

掩模3上的测试标记为16个，分为4组。其中每组测试标记的中光栅标记的周期P分别为360nm，380nm，400nm，420nm。

请参阅图3，为本发明掩模3上的测试标记。该测试标记包括第一密集线条标记8，第二密集线条标记9，第三密集线条标记10以及第四密集线条标记11。四个密集线条标记8，9，10和11的结构相同。相邻的线条标记相差90°，即第二密集线条标记9相对于第一密集线条标记8逆时针旋转90°，第三密集线条标记10相对于第一密集线条标记8逆时针旋转180°，第四密集线条标记11相对于第一密集线条标记8逆时针旋转270°。四个密集线条标记8，9，10和11通过不同的组合方式构成测试标记。

图4所示为密集线条标记8，9，10和11的细分结构，以第一密集线条标记8为例说明。第一密集线条标记8由光栅标记12，光栅标记13和光栅标记14组成。光栅标记13相对于光栅标记12逆时针旋转180°，光栅标记14与光栅标记12取向相同。

三个光栅标记12、13及14结构相同，而且光栅标记12与光栅标记13之间的宽度L1与光栅标记13与光栅标记14之间的宽度L2相等。每个光栅标记的一个周期P包含2个线宽相同的透光区与1个不透光区，透光区与不透光区的线宽之比为1∶2；透过两种透光区的光的位相之差为90°。

测试标记上的周期P与光刻机的曝光光束的波长λ，投影物镜5的数值孔径NA与部分相干因子σ之间的关系应满足方程(1)，其中波长λ，数值孔径NA与部分相干因子σ均是光刻机的已知参数：

$\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\≤P\≤\frac{3\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}(1+\mathrm{\σ})}---\left(1\right)$

对基板6进行后烘、显影后，利用专用测量仪器检测得到曝光到基板上的测试标记的线宽L₁和L₂，如CD-SEM等线宽测量仪器等。测试标记的线宽L₁和L₂是曝光到基板上的测试标记中光栅标记之间的宽度。

利用测试标记的线宽，通过方程(2)，(3)，(4)计算光刻机的轴向像质参数：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{(L_1^8-L_2^8)-(L_1^{10}-L_2^{10})}{8}-\frac{(L_1^9-L_2^9)-(L_1^{11}-L_2^{11})}{8}=\mathrm{\Δx}-2(K_{12}\·Z_{12}+K_{21}\·Z_{21})\\ \frac{(L_1^8-L_2^8)-(L_1^{10}-L_2^{10})}{8}+\frac{(L_1^9-L_2^9)-(L_1^{11}-L_2^{11})}{8}-2K_f\·Z=\mathrm{\Δy}+2(K_9\·Z_9+K_{16}\·Z_{16})\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=K_f\·(\mathrm{\Δ}{Z}_x-\mathrm{\Δ}{Z}_y)\\ \mathrm{\Δy}=K_f\·(\mathrm{\Δ}{Z}_x+\mathrm{\Δ}{Z}_y)\end{array}\right.---\left(3\right)$

(ΔZ_x+ΔZ_y)/2＝Zw+Rx·x₀+Ry·y₀+FC·(x₀ ²+y₀ ²)   (4)

其中，

(k＝8，9，10，11)表示测试标记的线宽。Z表示曝光时离焦位置处的位置坐标。ΔZ_x，ΔZ_y分别表示垂向密集线条与水平向密集线条的最佳焦面位置坐标。Δx与Δy为由离焦量引起的成像位置偏移量，Z_n(n＝12，21)表示像散，Z_m(m＝9，16)表示球差，K_m(m＝12，21，9，16)为像差灵敏度系数，K_f为离焦引起的成像位置偏移量相对于离焦量的灵敏度系数。x₀、y₀分别表示曝光视场中每个测试标记的名义坐标。FC代表场曲，Zw代表最佳焦面，Rx、Ry分别代表像面倾斜。

灵敏度系数K_m可利用能够精确仿真曝光过程与结果的仿真软件进行计算，如Prolith光刻仿真软件，Solid-c光刻仿真软件。

本发明较佳实施例中，最佳焦面由测试标记的线宽计算得到。由(3)，(4)式可知，最佳焦面的测量精度可由方程(5)估算：

δ(Δy)＝K_f·δ(Zw)   (5)

其中，δ(Δy)为测试标记线宽测量误差，K_f为灵敏度系数，δ(Zw)为最佳焦面的误差。

在本发明的较佳实施例中，测试标记线宽的测量误差为测试标记线宽的十分之一，即20nm左右。灵敏度系数K_m由Prolith光刻仿真软件计算得到0.257，代入方程(5)可知，最佳焦面的误差为78nm。然而，现有技术中最佳焦面的测量误差为100nm，相比于现有技术，本发明中最佳焦面的测量误差降低22％。

图5为利用Prolith光刻仿真软件仿真本发明中的像散和球差测量得到的结果。λ为曝光波长(193nm)。本发明中球差与像散测量的绝对误差分别在0.0003λ和0.0005λ以内。与现有技术相比，本发明可同时检测球差与像散等轴向像质参数，简化了光刻机轴向成像质量的检测过程。

Claims (4)

1、一种测试标记，其包括密集线条标记，该测试标记形成在光刻机系统的掩模上，所述测试标记至少包括四个密集线条标记，且每个密集线条标记均由相邻的一个密集线条标记旋转90°得到，其特征在于：每个密集线条标记由三个光栅标记构成，其中相邻光栅标记取向相差180°，所述每个光栅标记的一个周期内包括两个线宽相同的透光区和一个不透光区，所述透光区与不透光区的线宽之比是1:2，且透过所述两个透光区的光的位相之差为90°。

2、如权利要求1所述的测试标记，其特征在于：所述三个光栅标记之间的宽度相等。

3、一种利用测试标记检测光刻机成像质量的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

在一个离焦位置处，将掩模上的测试标记通过光刻机系统曝光到基板上；

检测曝光到基板上的测试标记图形中光栅标记之间的宽度；

利用检测得到的光栅标记之间的宽度数据计算出光刻机轴向像质参数；

其中，所述测试标记包括密集线条标记，该测试标记形成在光刻机系统的掩模上，所述测试标记至少包括四个密集线条标记，且每个密集线条标记均由相邻的一个密集线条标记旋转90°得到，每个密集线条标记由三个光栅标记构成，其中相邻光栅标记取向相差180°，所述每个光栅标记的一个周期内包括两个线宽相同的透光区和一个不透光区，所述透光区与不透光区的线宽之比是1:2，且透过所述两个透光区的光的位相之差为90°。

4、如权利要求3所述的一种利用测试标记检测光刻机成像质量的方法，其特征在于：所述三个光栅标记之间的宽度相等。

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