CN103454065A - 用于光刻装置的散射测量调焦设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光刻装置的散射测量调焦设备，包括：一光学物镜，所述光学物镜的数值孔径大于0.9；一调焦组件，所述调焦组件在子午面和水平面具有不同光焦度；一探测器，所述探测器用于探测一待测面经过所述光学物镜及所述调焦组件所形成的光斑；以及处理单元，与所述探测器电性连接，根据所述探测器获得的光斑能量分布判断待测面是否位于所述光学物镜的焦深范围内。本发明同时公开一种用于光刻装置的散射测量调焦方法。

Description

用于光刻装置的散射测量调焦设备及方法

 

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种用于光刻装置的散射测量调焦设备及方法。

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。该技术通过光学投影装置曝光，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。

散射测量是一种可用于在线测量CD或Overlay的光学度量技术。有两种主要的散射测量技术：1.光谱型散射测量通常利用宽波段光源，例如氙、氘或基于卤素的光源，例如氙弧灯，测量固定角度的散射光的性质（作为波长的函数）。该固定角度可为垂直入射或者倾斜入射。2.角分辨率型散射测量通常利用激光作为单一波长光源，测量固定波长的，作为入射角的函数的散射光的性质。

利用实时回归或者通过与由模拟得到的样本库图案进行对比，重建产生反射光谱的结构。重建包括成本函数的最小化。两种方法都通过周期性结构计算光的散射。最常用的技术为严格耦合波分析（RCWA），尽管光散射还可通过其他技术，例如有限差分时域（FDTD）或积分方程技术来计算。

在角分辨率型散射测量设备当中，需要采用大数值孔径（NA）的显微物镜，一般NA>0.9，故物镜的离焦将会急剧增大样品面的照明面积，而样品面上的照明面积大小又需进行严格控制，否则将引入大量噪声，从而降低测量精度，甚至测量失败；故在此类散射测量设备中，调焦方法的选择意义重大。

在专利US2008/0135774中，公开了一种散射测量调焦的方法，该方法是在物镜焦面两侧对称位置放置两个探测器，当显微物镜处于离焦状态时，两个探测器上采集到的光斑大小会有所差别；该调焦方法存在的不足是结构复杂，需采用两个探测器进行调焦。

在专利US2006/0066855中，公开了一种利用刀口检测判断物镜是否处于最佳焦面的调焦方法，该调焦方法的不足是实现较复杂，且需要结构复杂的附件。

由此可见，本技术领域急需要一种结构简洁工艺实现容易的散射测量调焦设备及方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于光刻装置的散射测量调焦设备及方法，该设备及方法结构简洁，实现工艺简单。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于光刻装置的散射测量调焦设备，包括：一光学物镜，所述光学物镜的数值孔径大于0.9；一调焦组件，所述调焦组件在子午面和水平面具有不同光焦度；一探测器，所述探测器用于探测一待测面经过所述光学物镜及所述调焦组件所形成的光斑；以及处理单元，与所述探测器电性连接，根据所述探测器获得的光斑能量分布判断待测面是否位于所述光学物镜的焦深范围内。

更进一步地，该调焦组件为像散器件。

更进一步地，该探测器为四象限探测器、四象限雪崩二极管、CCD或者CMOS。该探测器的探测探测区域四等分，且该光斑均匀分布该探测器表面。

本发明同时公开一种用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，包括：将一待测面经过一光学物镜及一调焦组件形成一光斑；将一探测器放置于一位置处探测所述光斑；根据所述探测器获得的光斑能量分布判断待测面是否位于所述光学物镜的焦深范围内，若是则结束所述用于光刻装置的散射测量调焦方法，否则执行下一步骤；以及沿所述光学物镜的光轴方向改变所述待测面与所述光学物镜之间的距离，使所述待测面位于所述光学物镜的焦深范围内。

更进一步地，该光学物镜的数值孔径大于0.9。

更进一步地，该调焦组件在子午面和水平面具有不同光焦度。该调焦组件为像散器件。

更进一步地，该探测器为四象限探测器、四象限雪崩二极管、CCD或者CMOS。该探测器的探测探测区域四等分，且该光斑均匀分布该探测器表面。

与现有技术相比较，本发明及方法所使用的结构非常简洁，仅需要一个探测器探测光斑的形状分布，根据该形状分布即可判断此时待测面是否位于显微物镜的最佳焦面。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的散射测量调焦装置的第一实施方式的结构示意图;

图2为本发明所涉及的第一实施方式的探测器所探测到的光斑信号;

图3为本发明所涉及的散射测量调焦装置的探测器布局结构示意图;

图4是本发明所涉及的散射测量调焦方式的流程图;

图5是本发明所涉及的散射测量调焦装置的第二实施方式的结构示意图;

图6为本发明所涉及的第二实施方式的探测器所探测到的光斑信号;

图7是本发明所涉及的散射测量调焦装置的第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明公开一种用于光刻装置的散射测量调焦设备，包括：一光学物镜，该光学物镜的数值孔径大于0.9；一调焦组件，该调焦组件在子午面和水平面具有不同光焦度；一探测器，该探测器用于探测一待测面经过该光学物镜及该调焦组件所形成的光斑。当用透镜的轴向截面图表示一个透镜系统时，位于图画面内的光线就称为子午光线，过光轴的平面称为子午面；垂直于子午面，且经过光轴的平面这里定义为水平面。当样品上表面（待测面）位于光学物镜的最佳焦面时，探测器上接收到的光斑是正圆形的；而当样品上表面与光学物镜之间的距离大于或小于光学物镜的工作距时，探测器接收到的光斑是椭圆形的，且两种情况下探测器接收到的椭圆光斑长轴方向是互相垂直的；利用这些不同的光斑信息可找到最佳焦面位置。本发明中，该光学物镜可以为透射式的显微物镜，反射式的显微物镜，或透射+反射式的显微物镜。该调焦组件为像散器件，于本发明的下述实施例中，该调焦组件为柱状镜或非球面镜，于本发明的其他实施例中，本发明下述实施例中的柱状镜或非球面镜亦可由柱状镜和球面镜的组合，非球面镜和球面镜的组合等具有像散功能的器件来代替。

图1为本发明所涉及的散射测量调焦装置的结构示意图，其中图1(a)为子午面光线追迹示意图，图1(b)为水平面的光线追迹示意图。该散射测量调焦装置包含样品上表面W、显微物镜1、柱状镜2及探测器5。

所述样品上表面W，可为硅片上表面，为待测量面。

所述显微物镜1，为大数值孔径的显微物镜，NA>0.9。

所述柱状镜2，为该装置中的调焦组件，在子午面和水平面的光焦度有差别，显微物镜1收集到的光进入柱状镜2以后，在子午面和水平面的焦点位置在空间上进行一定的分离。图1（a）中所示柱状镜2在子午面有光焦度，将显微物镜1子午面的光线进行了汇聚。而图1（b）所示柱状镜2在水平面的光焦度为零，显微物镜1出射的水平面光线经过柱状镜2后，光线沿原来方向继续进行传播。 

所述探测器5，可为四象限雪崩二极管、CMOS或者CCD等，放置于柱状镜2的后面，对柱状镜2调制过的信号在距离柱状镜2一定距离处进行采集。

图2样品上表面W处于离焦和最佳焦面时探测器5采集到的光斑信息，(a)为显微物镜1和样品上表面W之间的间距大于显微物镜1的工作距时，探测器5采集到的光斑信息示意图；(b)为显微物镜1和样品上表面W之间的间距等于显微物镜1的工作距，即样品上表面W位于最佳焦面时，探测器5采集到的光斑信息示意图；(c)为显微物镜1和样品上表面W之间的间距小于显微物镜1的工作距时，探测器5采集到的光斑信息示意图。

图3描述了两种探测器的布局。图3(a)中的探测器5在装配时故意进行了旋转，当（I6+I8）-（I7+I8）<0时，其中I6为图3（a）所示6区域的光强度之和，其他以此类推，显微物镜1与样品上表面W之间的间距大于显微物镜1的工作距。当（I6+I8）-（I7+I8）=0时，样品上表面W处于最佳焦面位置。当(I6+I8）-（I7+I8）>0时，显微物镜1与样品上表面W之间的间距小于显微物镜1的工作距。图3（b）探测器5进行了区域划分，当(I10+I12）-（I11+I13）<0时，显微物镜1与样品上表面W之间的间距大于显微物镜1的工作距；当(I10+I12）-（I11+I13）=0时，样品上表面W处于最佳焦面位置；当(I10+I12）-（I11+I13）>0时，显微物镜1与样品上表面W之间的间距小于显微物镜1的工作距；当然，探测器还有其他区域划分方法。

图4为调焦方法的流程图。本发明的调焦方法包含以下步骤：

步骤A：读取探测器接收到的光斑能量分布。

步骤B：根据光斑的能量分布，判断显微物镜和样品上表面之间的距离是大于、等于或小于显微物镜的工作距。

步骤C：根据步骤B的判断结果，相应移动显微物镜或者样品上表面沿显微物镜光轴的轴向位置。

步骤D：重复步骤A、B和C，直至显微物镜和样品上表面之间的距离等于显微物镜的工作距，即样品上表面位于最佳焦面位置。

步骤E：调焦完成。

以下将详细说明该调焦调平方法。首先探测器5采集当前接收到的光斑能量分布。然后根据光斑能量分布情况，比如可通过上面图3下面描述的判断方法，或者利用图像识别算法，判断椭圆度或者长轴的方向来判断显微物镜1和样品上表面W之间的距离是大于、等于还是小于显微物镜1的工作距。

当显微物镜1和样品上表面之间的距离大于显微物镜1的工作距时，可使当前显微物镜1和样品上表面之间的距离缩短，可通过移动显微物镜1或者移动样品等来实现；当显微物镜1和样品上表面W之间的距离小于显微物镜1的工作距时，可使当前显微物镜1和样品上表面之间的距离加大；当显微物镜1和样品上表面W之间的距离等于显微物镜1的工作距时，调焦完成。可能需要重复多次读取光斑信息、分析光斑信息和判断运动方向，才能最终调焦完成。当然也可通过分析采集到光斑的椭圆度或者各子区域能量的不对称程度，比如图3下面描述的（I6+I8）-（I7+I8）值，来快速确定最佳焦面的大致位置，从而加快调焦所需的时间。  

针对该散射测量调焦装置，本发明提供第二种实施方式。图5为实施例2的结构示意图，(a)和(b)分别为子午和水平面的光线追迹示意图。与第一实施的区别在于，图5中的调焦组件增加了柱状镜3，此柱状镜3在水平面光焦度不为零，而在子午面光焦度为零，这样，在水平面也对显微物镜1的出射光线进行了汇聚，但子午面和水平面两个焦点在空间上是分离的，这样，可以在探测器5上获得大小合适的最佳焦面光斑。

图6为第二实施方式中探测器5接受到的光斑信号示意图，其中(a)和(c)为样品上表面W离焦时探测器采集到的光斑信号，(b)为样品上表面W位于最佳焦面时采集到的光斑信号。

针对该散射测量调焦装置，本发明提供第三种实施方式。图7为第三实施方式的调焦装置示意图，图7(a)和(b) 分别为子午和水平面的光线追迹示意图。第三实施方式与第一实施方式的区别在于，图7中的调焦组件为子午面和水平面具有不同光焦度的非球面镜片4。

与现有技术相比较，本发明及方法所使用的结构非常简洁，仅需要一个探测器探测光斑的形状分布，根据该形状分布即可判断此时待测面是否位于显微物镜的最佳焦面。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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 (10)

1.一种用于光刻装置的散射测量调焦设备，包括：

一光学物镜，所述光学物镜的数值孔径大于0.9；

一调焦组件，所述调焦组件在子午面和水平面具有不同光焦度；

一探测器，所述探测器用于探测一待测面经过所述光学物镜及所述调焦组件所形成的光斑；以及

处理单元，与所述探测器电性连接，根据所述探测器获得的光斑能量分布判断待测面是否位于所述光学物镜的焦深范围内。

2.如权利要求1所述的用于光刻装置的散射测量调焦设备，其特征在于，所述调焦组件为像散器件。

3.如权利要求1所述的用于光刻装置的散射测量调焦设备，其特征在于，所述探测器为四象限探测器、四象限雪崩二极管、CCD或者CMOS。

4.如权利要求1所述的用于光刻装置的散射测量调焦设备，其特征在于，所述探测器的探测探测区域四等分，且所述光斑均匀分布所述探测器表面。

5.一种用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，包括：

将一待测面经过一光学物镜及一调焦组件形成一光斑；

将一探测器放置于一位置处探测所述光斑；

根据所述探测器获得的光斑能量分布判断待测面是否位于所述光学物镜的焦深范围内，若是则结束所述用于光刻装置的散射测量调焦方法，否则执行下一步骤；以及

沿所述光学物镜的光轴方向改变所述待测面与所述光学物镜之间的距离，使所述待测面位于所述光学物镜的焦深范围内。

6.如权利要求5所述的用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，所述光学物镜的数值孔径大于0.9。

7.如权利要求5所述的用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，所述调焦组件在子午面和水平面具有不同光焦度。

8.如权利要求5所述的用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，所述调焦组件为像散器件。

9.如权利要求5所述的用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，所述探测器为四象限探测器、四象限雪崩二极管、CCD或者CMOS。

10.如权利要求5所述的用于光刻装置的散射测量调焦方法，其特征在于，所述探测器的探测探测区域四等分，且所述光斑均匀分布所述探测器表面。

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