CN101276151A - 一种测量晶圆表面平整度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量晶圆表面平整度的方法及装置，借助曝光装置中工件台垂向定位装置的冗余性，测量晶圆表面不同位置处形貌值，通过多项式拟合计算获取晶圆面任意点平整度。本发明直接基于光刻曝光装置在线测量完成，操作简便，易于实施。

Description

一种测量晶圆表面平整度的方法及装置
技术领域
本发明涉及光刻设备的测量装置，特别涉及光刻设备的平整度测量装置及测量方法。
背景技术
光刻技术或称光学刻蚀术，已经被广泛应用于集成电路制造工艺中。该技术通过光刻系统曝光，将设计的掩模图形转移到光刻胶上。“掩模”和“光刻胶”的概念在光刻工艺中是公知的：掩模也称光掩模版，是薄膜、塑料或玻璃等材料的基底上刻有精确定位的各种功能图形的一种模版，用于对光刻胶层的选择性曝光；光刻胶是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体，受到特定波长光线作用后，其化学结构发生变化，使得在某种溶液中的溶解特性改变。
由于最终决定集成电路的特征尺寸，光刻系统作为集成电路制造工艺中的重要设备，其精度要求对于光刻工艺的重要性不言自明。为获得最佳成像效果，在曝光时刻，涂有光刻胶的硅片上表面需置于最佳像面高度。然而，由于加工工艺的原因，硅片表面并非理想平面，其表面的高度起伏已经足以影响到光刻机曝光成像的质量。美国专利US6975407及US7243325分别揭示了产生晶圆表面形貌图的方法及装置。此外，美国专利US6984836还揭露了一种在线测量晶圆表面平整度的方法。上述方法要求一套离轴测量系统监测晶圆上表面相对于投影物镜的高度，还要求另一套测量系统同时监测晶圆下表面高度变化，并将时域测量值变换至硅片表面形貌值。该方法对曝光装置提出特殊要求，且计算方法复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆表面平整度测量方法及装置，以实现借助曝光装置中工件台垂向定位装置的冗余性，测量晶圆表面不同位置处形貌值。
为了达到上述的目的，本发明提供一种测量晶圆表面平整度的方法，包括以下步骤：
(1)将晶圆表面划分成等间距的栅格，在各栅格点利用工件台垂向运动控制系统对晶圆上表面进行调焦调平；
(2)使用高精度干涉仪测量系统记录工件台垂向倾斜角度；
(3)利用多项式模型对工件台倾角进行拟合，计算晶圆表面任意点处形貌。
晶圆表面栅格间距范围为1.0mm～10.0mm。晶圆表面栅格X、Y方向点数范围为10～100。
对工件台倾角进行拟合计算后，晶圆表面平整度以多项式形式表述，根据晶圆坐标系中任意点坐标位置，计算该点处对应的形貌值。该多项式阶数范围为3～10阶。
本发明还提供一种测量晶圆表面平整度的装置，包括：照明光源系统、投影物镜成像系统、掩模台和工件台。该掩模台支撑并固定掩模版；该工件台支撑并固定晶圆；该晶圆表面平整度测量装置还包括工件台垂向运动控制系统及高精度干涉仪测量系统。
该工件台垂向运动控制系统对上载至工件台的晶圆上表面进行调焦调平。
该高精度干涉仪测量系统可实时记录不同位置处工件台垂向倾斜角度。
本发明的测量晶圆表面平整度的方法及装置借助曝光装置中工件台垂向定位装置的冗余性，测量晶圆表面不同位置处形貌值，通过多项式拟合计算获取晶圆面任意点平整度。本发明直接基于光刻曝光装置在线测量完成，操作简便，易于实施。
附图说明
图1为应用本发明的光刻投影装置结构图；
图2为晶圆上载至工件台后晶圆坐标系相对于工件台坐标系位置关系示意图。
附图中：1、照明光源；2、掩模版；3、掩模台；4、投影物镜；5、晶圆；6、工件台；7、掩模台运动控制器；8、工件台垂向运动控制器；9、高精度干涉仪测量系统。
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。
图1是根据本发明的优选的实施例而得的光刻装置的示意图，该设备包括：照明光源1产生并传送电磁能量，照射至掩模台3夹持的掩模版2。经物镜4，掩模版2上的电路图形成像于晶圆5上表面的光刻胶中，工件台6夹持并带动晶圆5完成水平向和垂向运动。完成曝光的晶圆5经化学处理过程后，掩模版2上的图形转移至晶圆5表面的光刻胶中。掩模台运动控制器7操纵掩模台3三维运动，工件台垂向控制器8用于控制工件台6垂向位置，高精度干涉仪测量系统9既可用于工件台水平向定位，还可同时测量工件台垂向绕X、Y轴的倾斜角。
晶圆5上载至工件台6后，晶圆坐标系相对于工件台坐标系的旋转及平移量即可确定。由图2所述坐标变换关系可知，晶圆坐标系WCS相对于工件台坐标系WSCS旋转角度为θ，平移即为工件台坐标系下晶圆坐标系中心(xw，yw)。对于工件台坐标系中的某点(xWSCS，yWSCS)，其在晶圆坐标系中对应的坐标(xWCS，yWCS)满足：
xwcs＝(xwscs-xw)cos(θ)+(ywscs-yw)sin(θ)                 (1)
ywcs＝-(xwscs-xw)sin(θ)+(ywscs-yw)cos(θ)                (2)
以矩阵形式表示为
x wcs y wcs = cos ( θ ) sin ( θ ) - sin ( θ ) cos ( θ ) · x wscs y wscs - x w y w - - - ( 3 )
由式(3)，晶圆坐标系中各点坐标可对应至工件台不同的运动位置。测量过程中，工件台分别以一定的步距沿X方向及Y方向分别步进nx、ny步，由此对应晶圆表面一系列栅格采样点。在各采样点处，工件台垂向控制系统8将晶圆5带入投影物镜4最佳焦平面内，此时用于工件台水平向定位的高精度干涉仪测量系统9可记录工件台垂向沿X、Y方向倾角Rx、Ry变化值。为保证模型计算精度，兼顾测量效率，工件台步距为1.0mm～10.0mm，步数范围为10～100。
根据晶圆表面形貌连续缓变的特点，可利用多项式展开函数对晶圆表面平整度进行拟合计算：
z ( x , y ) = Σ i = 0 N Σ j = 0 M C ij x i y j - - - ( 4 )
Rx ( x , y ) = ∂ z ∂ y = Σ i = 0 N Σ j = 1 M jC ij x i y j - 1 - - - ( 5 )
Ry ( x , y ) = - ∂ z ∂ x = - Σ i = 1 N Σ j = 0 M iC ij x i - 1 y j - - - ( 6 )
其中Cij是描述晶圆面形的第i和第j阶系数。N和M是模型的阶数。根据测量过程中干涉仪测量系统记录的各采样点处倾斜量Rx、Ry，通过拟合计算可得多项式系数Cij，可进一步由式(4)确定晶圆表面任意点处高度值，得到晶圆表面平整度。为保证模型计算精度，多项式阶数范围取3～10。
表1给出了体现本发明方法的一个实施例的测量结果。通过对晶圆表面X、Y向自-50mm至50mm等间距采样(步距为10mm)，记录干涉仪测得倾斜值Rx、Ry。利用3阶多项式拟合，得到系数C02＝0.000078，C03＝0.001934，C12＝-0.000532，C13＝-0.0202，C20＝0.00012，C21＝-0.001206，C22＝-0.03608，C23＝-0.2148，C30＝-0.002226，C31＝-0.02002，C32＝-0.041，C33＝0.546，C00＝C01＝C10＝C11＝0。由(4)式计算得到晶圆表面平整度如表1中Z map列所示。
表1 干涉仪采样结果
  X(mm)   Y(mm)   Rx(μrad)   Ry(μrad)   Z map(μm)
  -50   -50   20.36   20.97   0.36
  -40   -50   15.37   14.86   0.18
  -30   -50   11.83   9.59   0.06
  -20   -50   9.42   5.16   -0.01
  -10   -50   7.82   1.56   -0.05
  0   -50   6.71   -1.20   -0.05
  10   -50   5.75   -3.12   -0.02
  20   -50   4.62   -4.20   0.01
  30   -50   3.01   -4.44   0.06
  40   -50   0.57   -3.85   0.10
  50   -50   -3.00   -2.42   0.13
  -50   -40   14.44   23.43   0.48
  -40   -40   9.87   16.82   0.28
  -30   -40   6.78   11.13   0.14
  -20   -40   4.84   6.36   0.05
  -10   -40   3.71   2.50   0.01
  0   -40   3.04   -0.44   0.00
  10   -40   2.51   -2.47   0.02
  20   -40   1.76   -3.58   0.05
  30   -40   0.47   -3.78   0.08
  40   -40   -1.70   -3.06   0.12
  50   -40   -5.11   -1.42   0.14
  -50   -30   9.92   25.46   0.55
  -40   -30   5.79   18.34   0.33
  -30   -30   3.14   12.23   0.18
  -20   -30   1.61   7.13   0.08
  -10   -30   0.86   3.03   0.03
  0   -30   0.54   -0.07   0.02
  10   -30   0.30   -2.15   0.03
  20   -30   -0.23   -3.23   0.06
  30   -30   -1.37   -3.31   0.09
  40   -30   -3.49   -2.38   0.12
  50   -30   -6.94   -0.44   0.14
  -50   -20   6.80   27.04   0.58
  -40   -20   3.13   19.43   0.35
  -30   -20   0.89   12.92   0.19
  -20   -20   -0.27   7.52   0.08
  -10   -20   -0.71   3.23   0.03
  0   -20   -0.80   0.05   0.02
  10   -20   -0.89   -2.02   0.03
  20   -20   -1.35   -2.99   0.05
  30   -20   -2.53   -2.85   0.08
  40   -20   -4.79   -1.60   0.11
  50   -20   -8.50   0.76   0.11
  -50   -10   5.08   28.13   0.58
  -40   -10   1.88   20.07   0.34
  -30   -10   0.04   13.24   0.18
  -20   -10   -0.80   7.62   0.07
  -10   -10   -1.02   3.22   0.02
  0   -10   -0.98   0.03   0.01
  10   -10   -1.05   -1.93   0.02
  20   -10   -1.60   -2.68   0.04
  30   -10   -2.99   -2.20   0.07
  40   -10   -5.60   -0.51   0.08
  50   -10   -9.79   2.39   0.07
  -50   0   4.77   28.70   0.58
  -40   0   2.06   20.28   0.33
  -30   0   0.60   13.21   0.17
  -20   0   0.02   7.47   0.07
  -10   0   -0.06   3.07   0.01
  0   0   0.00   0.00   0.00
  10   0   -0.18   -1.73   0.01
  20   0   -0.98   -2.13   0.03
  30   0   -2.77   -1.19   0.05
  40   0   -5.92   1.08   0.05
  50   0   -10.80   4.70   0.02
  -50   10   5.86   28.71   0.58
  -40   10   3.65   20.07   0.33
  -30   10   2.55   12.88   0.17
  -20   10   2.18   7.15   0.07
  -10   10   2.17   2.88   0.02
  0   10   2.14   0.07   0.01
  10   10   1.71   -1.28   0.02
  20   10   0.51   -1.18   0.03
  30   10   -1.85   0.39   0.04
  40   10   -5.74   3.41   0.02
  50   10   -11.54   7.88   -0.04
  -50   20   8.36   28.14   0.59
  -40   20   6.66   19.42   0.36
  -30   20   5.90   12.28   0.20
  -20   20   5.69   6.73   0.11
  -10   20   5.67   2.76   0.06
  0   20   5.44   0.37   0.05
  10   20   4.63   -0.43   0.05
  20   20   2.86   0.35   0.05
  30   20   -0.25   2.71   0.04
  40   20   -5.08   6.66   -0.01
  50   20   -12.01   12.19   -0.10
  -50   30   12.25   26.94   0.64
  -40   30   11.09   18.34   0.42
  -30   30   10.65   11.45   0.27
  -20   30   10.56   6.26   0.18
  -10   30   10.43   2.79   0.14
  0   30   9.90   1.02   0.12
  10   30   8.58   0.97   0.11
  20   30   6.09   2.62   0.10
  30   30   2.04   5.98   0.06
  40   30   -3.93   11.05   -0.03
  50   30   -12.20   17.84   -0.17
  -50   40   17.55   25.10   0.74
  -40   40   16.93   16.84   0.53
  -30   40   16.80   10.42   0.40
  -20   40   16.77   5.82   0.32
  -10   40   16.47   3.07   0.27
  0   40   15.52   2.14   0.25
  10   40   13.55   3.06   0.22
  20   40   10.18   5.80   0.18
  30   40   5.03   10.38   0.10
  40   40   -2.28   16.80   -0.03
  50   40   -12.12   25.05   -0.24
  -50   50   24.26   22.58   0.89
  -40   50   24.20   14.92   0.71
  -30   50   24.34   9.22   0.59
  -20   50   24.33   5.47   0.52
  -10   50   23.77   3.69   0.47
  0   50   22.31   3.86   0.44
  10   50   19.55   5.98   0.39
  20   50   15.14   10.06   0.31
  30   50   8.70   16.10   0.18
  40   50   -0.15   24.10   -0.02
  50   50   -11.77   34.05   -0.31

Claims (8)

1、一种测量晶圆表面平整度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将晶圆表面划分成等间距的栅格，在各栅格点利用工件台垂向运动控制系统对晶圆上表面进行调焦调平；
(2)使用高精度干涉仪测量系统记录工件台垂向倾斜角度；
(3)利用多项式模型对工件台倾角进行拟合，计算晶圆表面任意点处形貌。
2、根据权利要求1所述的晶圆表面平整度测量方法，其特征在于：晶圆表面栅格间距范围为1.0mm～10.0mm。
3、根据权利要求1所述的晶圆表面平整度测量方法，其特征在于：晶圆表面栅格X、Y方向点数范围为10～100。
4、根据权利要求1所述的晶圆表面平整度测量方法，其特征在于：对工件台倾角进行拟合计算后，晶圆表面平整度以多项式形式表述，根据晶圆坐标系中任意点坐标位置，计算该点处对应的形貌值。
5、根据权利要求4所述的晶圆表面平整度测量方法，其特征在于：所述多项式阶数范围为3～10阶。
6、一种测量晶圆表面平整度的装置，包括：
照明光源系统；
投影物镜成像系统；
掩模台；和
工件台；
所述掩模台支撑并固定掩模版；所述工件台支撑并固定晶圆；
其特征在于：所述装置还包括工件台垂向运动控制系统及高精度干涉仪测量系统。
7、根据权利要求6所述的测量晶圆表面平整度的装置，其特征在于：所述工件台垂向运动控制系统对上载至工件台的晶圆上表面进行调焦调平。
8、根据权利要求6所述的测量晶圆表面平整度的装置，其特征在于：所述高精度干涉仪测量系统可实时记录不同位置处工件台垂向倾斜角度。
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