CN102486615B - 确定光刻投影装置最佳物面的方法及用于该方法的掩模 - Google Patents

Abstract

一种确定光刻投影装置最佳物面的方法，包括下述步骤：驱动图案形成装置至一物面高度位置，该图案形成装置包括第一组标记图案及第二组标记图案；驱动衬底至对应的像面位置处；将该第一组标记图案曝光至衬底表面上形成第一曝光图案；水平移动该衬底；将该第二组标记图案曝光至该衬底表面上形成第二曝光图案，以使该第二曝光图案与第一曝光图案一起构成套刻图案；改变该图案形成装置的垂向高度，在不同物面高度处重复上列步骤，形成多个套刻图案；读取不同物面高度处形成的套刻图案的套刻结果；根据套刻结果拟合出不同物面高度处的畸变值；根据不同物面位置对应的畸变值，选取最小畸变值所对应的物面高度为最佳物面位置。

Description

确定光刻投影装置最佳物面的方法及用于该方法的掩模

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种确定光刻投影装置最佳物面的方法及用于该方法的掩模。

背景技术

本发明涉及一种光刻方法及装置，特别是涉及一种确定光刻投影装置最佳物面的方法及用于该方法中的掩模。

光刻装置主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。通过光刻装置，可将掩模图形成像于涂覆有光刻胶的晶片上，例如半导体晶片或LCD板。光刻装置通过投影物镜曝光，将设计的掩模图形转移到光刻胶上，而作为光刻装置的核心元件，投影物镜的物面和镜面位置对光刻成像质量有重要影响。

为了获得最佳的成像效果，在曝光时刻，掩模图形下表面需置于物镜最佳物面高度，涂有光刻胶的晶片上表面需置于最佳像面高度。因此，在系统集成阶段，需精密地确定物镜最佳物面及最佳像面位置。

一般公知的方法是通过机械工装方式保证物面或者像面的精度。例如，美国第20030211411号专利中介绍了通过设计特殊的掩模确定像面的位置。类似地，美国第20040241558号、第20060103836号以及第20060250598号专利中还揭露了更多的通过曝光的方法确定像面位置的相关信息。此外，美国第20070260419号专利还介绍了通过测量掩模上特定标记的空间像的位置的方法确定物面的位置。然而，机械安装精度一般为微米量级，为进一步提高精度，会增大加工复杂度，也会大幅增加制造成本。根据光学原理可知，物平面固定时，沿光轴在一定范围内移动像平面，或像平面固定时，沿光轴在一定范围内移动物平面，均能获得清晰像。然而，作为固定位置的像面或物面位置，不能保证其为投影物镜的最佳像面或物面，因而通过上述方法所得到的物面或像面的精度无法得到保证。因此，如何提供一种更为精确的最佳物面和像面的确定方法，已成为业界研究的一大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确确定光刻投影装置最佳物面的方法，及用于该方法中的掩模。

根据本发明的确定光刻投影装置最佳物面的方法，包括下述步骤：

步骤一，驱动图案形成装置至一物面高度位置，该图案形成装置上包括第一组标记图案及第二组标记图案；

步骤二，驱动固定衬底的第二支撑结构至对应的像面位置处；

步骤三，将该第一组标记图案曝光至一衬底表面上以形成第一曝光图案；

步骤四，水平移动该衬底；

步骤五，将该第二组标记图案曝光至该衬底表面上以形成第二曝光图案，以使该第二曝光图案与第一曝光图案一起构成套刻图案；

步骤六，改变该图案形成装置的垂向高度，在不同物面高度处重复上列步骤，形成多个套刻图案；

步骤七，读取不同物面高度处形成的套刻图案的套刻结果；

步骤八，根据不同物面高度处形成的套刻图案的套刻结果拟合出不同物面高度处的畸变值；

步骤九，选取最小畸变值所对应的物面高度为最佳物面位置。

其中，在步骤八中采用下述公式进行拟合

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_{\mathrm{fx}}-y_f{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fx}}-x_f^2{W}_{\mathrm{xx}}-x_f{y}_f{W}_{\mathrm{xy}}-x_f^2(x_f^2+y_f^2)W_{4x}-x_f{y}_f(x_f^2+y_f^2)W_{4y}+x_f(x_f^2+y_f^2)D_{3x}+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_{5x}+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_{\mathrm{fy}}+x_f{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fy}}-x_f{y}_f{W}_{\mathrm{yx}}-y_f^2{W}_{\mathrm{yy}}-x_f{y}_f(x_f^2+y_f^2)W_{4x}-y_f^2(x_f^2+y_f^2)W_{4y}+y_f(x_f^2+y_f^2)D_{3y}+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_{5y}+R_{\mathrm{fy}}$

其中，x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在衬底上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_f为倍率；Φ_fx、Φ_fy为像面旋转角度；W_xx、W_xy、W_yx、W_yy、W_4x、W_4y分别为该场的楔形畸变；D_3x、D_3y为三阶畸变；D_5x、D_5y为五阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

其中，在步骤八中采用下述公式进行拟合

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_f-y_f{\mathrm{\φ}}_f+x_f(x_f^2+y_f^2)D_3+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_5+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_f+x_f{\mathrm{\φ}}_f+y_f(x_f^2+y_f^2)D_3+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_5+R_{\mathrm{fy}}$

其中，x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在衬底上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_f为倍率；Φ_f为像面旋转角度；D₃为三阶畸变；D₅为五阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

其中，在步骤八中采用下述公式进行拟合

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_f-y_f{\mathrm{\φ}}_f+x_f(x_f^2+y_f^2)D_3+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_f+x_f{\mathrm{\φ}}_f+y_f(x_f^2+y_f^2)D_3+R_{\mathrm{fy}}$

其中，x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在衬底上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_f为倍率；Φ_f为像面旋转角度；D₃为三阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

其中，所用的图案形成装置上的第一组标记图案与第二组标记图案的中心相隔一预定距离。

在上述方法中使用了这样一种掩模，该掩模上具有两组中心相隔一定距离的标记图案，在使用过程中首先将其中一组标记图案曝光至衬底，然后水平移动该衬底再次曝光另一组标记图案，使曝光至衬底的两组标记图案的中心重合，形成的套刻图案为中心轴对称图案。

对于双远心投影成像系统，不同物面高度均可对应成像清晰的不同像面位置。即使物面垂向存在一定倾斜偏差，在像方同样倾斜角度处，仍可对应成像图形清晰效果，但偏离最佳物面位置的图形成像后存在畸变差异。本发明通过测量不同高度的掩模图形成像质量，从而确定对应光刻投影装置最佳成像效果的物面高度位置。由于本发明基于成像图样畸变测量方法，畸变可通过曝光图形位置偏差计算，位置精度可达纳米量级，因而本发明可达极高测试精度。

附图说明

图1所示为根据本发明的确定光刻投影装置最佳物面的方法所用的光刻投影装置的结构示意图；

图2所示为根据本发明的确定光刻投影装置最佳物面的方法所用的掩模图案示意图；

图3所示为曝光后形成的套刻图案的示意图；

图4所示为根据本发明的确定光刻投影装置最佳物面的方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

第一实施例

图1所示为根据本发明的确定光刻投影装置最佳物面所用的光刻投影装置的结构示意图。该装置包括：

-用于提供辐射的照明光学系统(照明器)1；

-用于支撑图案形成装置(如掩模)2的支撑结构(如掩模台)3；

-用于将图案成像至晶片(衬底)5的投影系统(如投影物镜)4；

-用于固定衬底5的支撑结构(如晶片台)6；

-用于驱动支撑图案形成装置2的支撑结构3运动的控制器7；

-用于驱动固定衬底5的支撑结构6运动的控制器8。

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2。掩模2上的电路图形经物镜4成像于晶片5上表面的光刻胶上，晶片台6夹持并带动晶片5完成水平向和垂向运动。被曝光的晶片5经化学处理过程后，掩模2上的图形转移至晶片5表面的光刻胶中。掩模台运动控制器7和晶片台运动控制器8分别操纵掩模台3和晶片台6三维运动。为相关光刻领域的熟练人员所公知，为获得期望曝光结果，针对照明光源1产生的特定电磁能量，需选择光刻胶的种类，并控制曝光后的处理过程。

图2所示为根据本发明的掩模标记结构示意图，该标记包含两组中心相隔一预定距离的标记图案。需要说明的是，实施例中给出的标记布局仅为举例，而非限制。当掩模面标记图案置于特定高度时，在晶片面处于特定位置，使得掩模标记图案成像最清晰。首先在涂胶晶片表面曝光第一组标记图案，然后水平向移动晶片台，再次在晶片上曝光得到第二组标记图案。设定两次曝光中晶片台移动距离，使得两组标记图案曝光后形成套刻图案。图3画出了对应图2中掩模图案两层曝光后最终在晶片上得到的曝光结果。

以一定步进间隔，通过驱动控制器7控制掩模台垂向高度，并通过驱动控制器8将晶片台垂向固定于该物面对应的像面位置上，对掩模上的两组标记图案进行曝光，在涂胶晶片上可得套刻图案。改变掩模台高度至多个不同位置，并将晶片台高度相应驱动至对应的像面位置，即可得出不同物面位置对应的套刻图案。通过套刻位置误差读取设备，可得出不同物面位置对应的两层曝光图案在X和Y方向的套刻结果Δx、Δy。根据光学系统投影成像原理，套刻结果满足如下关系

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_{\mathrm{fx}}-y_f{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fx}}-x_f^2{W}_{\mathrm{xx}}-x_f{y}_f{W}_{\mathrm{xy}}-x_f^2(x_f^2+y_f^2)W_{4x}-x_f{y}_f(x_f^2+y_f^2)W_{4y}+x_f(x_f^2+y_f^2)D_{3x}+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_{5x}+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_{\mathrm{fy}}+x_f{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fy}}-x_f{y}_f{W}_{\mathrm{yx}}-y_f^2{W}_{\mathrm{yy}}-x_f{y}_f(x_f^2+y_f^2)W_{4x}-y_f^2(x_f^2+y_f^2)W_{4y}+y_f(x_f^2+y_f^2)D_{3y}+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_{5y}+R_{\mathrm{fy}}$

其中：x_f、y_f分别为曝光中第一层曝光在晶片上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_f为倍率；Φ_fx、Φ_fy为像面旋转角度；W_xx、W_xy、W_yx、W_yy、W_4x、W_4y分别为该场的楔形畸变；D_3x、D_3y为三阶畸变；D_5x、D_5y为五阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

通过对晶片上不同位置两层图案的套刻结果进行拟合，可得不同物面高度对应的三阶畸变值，畸变数值最小对应的物面高度即为最佳物面位置。

图4所示为根据本发明的实施例确定光刻投影装置最佳物面的万法的流程图。包括下述步骤：步骤一，驱动掩模台3至一物面高度位置；步骤二，驱动晶片台6至对应的像面位置处；步骤三，将掩模上的第一组标记图案曝光至晶片表面上以形成第一曝光图案；步骤四，水平移动晶片台6；步骤五，将掩模上的第二组标记图案曝光至晶片表面上以形成第二曝光图案，以使该第二曝光图案与第一曝光图案构成套刻图案；步骤六，改变掩模台3的垂向高度，在不同物面高度处重复上述步骤，形成多个套刻图案；步骤七，通过套刻位置读取设备得出不同物面高度处形成的套刻图案的套刻结果；步骤八，根据套刻结果拟合出不同物面高度处的畸变值；步骤九，根据不同物面位置对应的畸变结果，选取最小畸变值所对应的物面高度为最佳物面位置。

实施例二

本实施例对实施例一进行了变形，其中在拟合时不包含不规则四边形误差和楔形畸变误差，不包含场内倍率误差、像面旋转和三阶畸变非对称部分，即T_xx＝0，T_yx＝0，T_yy＝0，T_xy＝0，W_x＝0，W_y＝0，M_fx＝M_fy＝M_f，Φ_fx＝Φ_fy＝Φ_f，D_3x＝D_3y＝D₃，D_5x＝D_5y＝D₅，从而套准结果拟合关系可简化为

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_f-y_f{\mathrm{\φ}}_f+x_f(x_f^2+y_f^2)D_3+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_5+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_f+x_f{\mathrm{\φ}}_f+y_f(x_f^2+y_f^2)D_3+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_5+R_{\mathrm{fy}}$

其中：

x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在晶片上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移；M_f为倍率；Φ_f为像面旋转；D₃为三阶畸变；D₅为五阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

实施例三

更进一步地，还可以对实施例二进行简化，忽略五阶畸变的影响，即D₅＝0，则套准结果拟合关系可简化为

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_f-y_f{\mathrm{\φ}}_f+x_f(x_f^2+y_f^2)D_3+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_f+x_f{\mathrm{\φ}}_f+y_f(x_f^2+y_f^2)D_3+R_{\mathrm{fy}}$

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种确定光刻投影装置最佳物面的方法，包括下述步骤：

步骤一，驱动图案形成装置至一物面高度位置，该图案形成装置上具有第一组标记图案及第二组标记图案；

步骤二，驱动衬底至对应的像面位置处；

步骤三，将该第一组标记图案曝光至像面位置处的衬底表面上以形成第一曝光图案；

步骤四，水平移动该衬底；

步骤五，将该第二组标记图案曝光至该衬底表面上以形成第二曝光图案，以使该第二曝光图案与该第一曝光图案一起构成套刻图案；

步骤六，改变该图案形成装置的垂向高度，在不同物面高度处重复上列步骤，形成多个套刻图案；

步骤七，读取不同物面高度处形成的套刻图案的套刻结果；

步骤八，根据不同物面高度处形成的套刻图案的套刻结果拟合出不同物面高度处的畸变值；

步骤九，根据不同物面位置对应的畸变值，选取最小畸变值所对应的物面高度为最佳物面位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤八中采用下述公式进行拟合

$\mathrm{\Δx}=T{x}_f+x_f{M}_{\mathrm{fx}}-y_f{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fx}}-x_f^2{W}_{\mathrm{xx}}-x_f{y}_f{W}_{\mathrm{xy}}-x_f^2(x_f^2+y_f^2)W_{4x}-x_f{y}_f(x_f^2+y_f^2)W_{4y}+x_f(x_f^2+y_f^2)D_{3x}+x_f(x_f^2+y_f^2{)}^2{D}_{5x}+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}=T{y}_f+y_f{M}_{\mathrm{fy}}+x_f{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fy}}-x_f{y}_f{W}_{\mathrm{yx}}-y_f^2{W}_{\mathrm{yy}}-x_f{y}_f(x_f^2+y_f^2)W_{4x}-y_f^2(x_f^2+y_f^2)W_{4y}+y_f(x_f^2+y_f^2)D_{3y}+x_f(x_f^2+y_f^2{)}^2{D}_{5y}+R_{\mathrm{fy}}$

其中，x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在衬底上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_fx、M_fy为倍率；Φ_fx、Φ_fy为像面旋转角度；W_xx、W_xy、W_yx、W_yy、W_4x、W_4y分别为该场的楔形畸变；D_3x、D_3y为三阶畸变；D_5x、D_5y为五阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤八中采用下述公式进行拟合

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_f-y_f{\mathrm{\φ}}_f+x_f(x_f^2+y_f^2)D_3+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_5+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}={\mathrm{Ty}}_f+y_f{M}_f+x_f{\mathrm{\φ}}_f+y_f(x_f^2+y_f^2)D_3+x_f{(x_f^2+y_f^2)}^2{D}_5+R_{\mathrm{fy}}$

其中，x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在衬底上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_f为倍率；Φ_f为像面旋转角度；D₃为三阶畸变；D₅为五阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤中采用下述公式进行拟合

$\mathrm{\Δx}={\mathrm{Tx}}_f+x_f{M}_f-y_f{\mathrm{\φ}}_f+x_f(x_f^2+y_f^2)D_3+R_{\mathrm{fx}}$

$\mathrm{\Δy}=T{y}_f+y_f{M}_f+x_f{\mathrm{\φ}}_f+y_f(x_f^2+y_f^2)D_3+R_{\mathrm{fy}}$

其中，x_f、y_f分别为曝光中第一组标记图案曝光在衬底上的标记场内位置坐标；Tx_f、Ty_f分别为该场的平移值；M_f为倍率；Φ_f为像面旋转角度；D₃为三阶畸变；R_fx、R_fy分别为拟合残差。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，该图案形成装置上的第一组标记图案与第二组标记图案的中心相隔一预定距离。

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