CN103969960A - 一种套刻测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种套刻测量装置，依次包括：光源、偏振调节机构、分束镜、投影物镜和探测器，从所述光源发出的光经所述偏振调节机构调节偏振模式后入射至所述分束镜，由所述分束镜反射后被所述投影物镜会聚到待测套刻标记上，从所述套刻标记衍射的光由所述投影物镜收集后透射穿过所述分束镜并成像到所述探测器的探测面上；其特征在于，所述偏振调节机构可将所述光源发出的光调节为不同的偏振模式。利用本发明的装置进行测量时，在入射光的不同偏振模式下分别采集标记的衍射光强信号，利用两次测得的光强的比值，即自参考信号来计算套刻误差，消除了eDBO测量过程中照明、透过率和探测器像素灵敏度非均匀性对测量结果的影响。相比传统方法，该方法可实现更高的测量精度。

Description

一种套刻测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及光刻领域，尤其涉及光刻装置中的套刻测量的装置和方法。
背景技术
随着半导体器件关键尺寸的不断缩小，对套刻精度的要求更加严格。以32nm技术节点为例，套刻精度为5.7nm，而其测量精度一般为套刻精度的1/10，即0.57nm。传统的基于成像的套刻测量技术在测量准确性方面越来越不能满足要求，必须寻找一个新的套刻尺寸的测量手段。
散射测量技术是近十年发展起来的一种新的测量技术，具有测量速度快、采样面积小等优点，而且被证明能够满足新的技术节点下套刻测量的精度要求。基于散射测量技术的套刻测量方法可以分为mDBO(model-based DBO, DBO: Diffraction Based Overlay)和eDBO(empirical DBO)两类。mDBO是基于模型的测量方法，对计算资源要求高，而且测量对象不同形貌参数之间容易形成串扰。eDBO是一种采用经验公式对散射信号进行拟合的方法，需要测量多个标记，根据差分信号计算套刻误差。这种方法具有模型简单、速度快、精度高的优点。
传统的角分辨型eDBO测量方法中，采用一个大NA的物镜，通过在物镜瞳面测量得到的衍射光信号来计算套刻误差。该方法采用两个测量标记，其中每个标记上下工艺层之间存在预设偏移量，通过物镜收集两个标记的衍射光强，并根据+/-1级衍射光强的非对称性来计算两个工艺层之间的套刻误差。利用上述方法进行Overlay测量时只测量一次标记的衍射光强信号，并根据测量光强的非对称性特征计算套刻误差。其中，采用下述公式根据标记衍射光强信号计算非对称性：
（1）
其中表示入射角和方位角，与物镜光瞳面坐标存在对应关系。和分别是正负一级衍射光，它们的位置关于光瞳中心对称。非对称信号强度与上下工艺层之间的偏移量成正比：
（2）
其中x表示上下工艺层之间的偏移量，k是比例系数。
这种方法直接根据测量得到的光强非对称性来计算套刻误差，而实际测量过程中照明、测量光路透过率、探测器像素灵敏度非均匀性等因素也可以造成测量光强的非对称性，会在测量结果中引入TIS（Tool Induced Shift）。
发明内容
为了减小角分辨型eDBO测量过程中由于照明、测量光路透过率和探测器像素灵敏度非均匀性因素造成的套刻测量误差，本发明提出了一种套刻测量装置，依次包括：光源、偏振调节机构、分束镜、投影物镜和探测器，从所述光源发出的光经所述偏振调节机构调节偏振模式后入射至所述分束镜，由所述分束镜反射后被所述投影物镜会聚到待测套刻标记上，从所述套刻标记衍射的光由所述投影物镜收集后透射穿过所述分束镜并成像到所述探测器的探测面上；其特征在于，所述偏振调节机构可将所述光源发出的光调节为不同的偏振模式。
其中，在光源和偏振调节机构之间具有用于准直光源发出的光的透镜。
其中，在偏振调节机构和分束镜之间具有照明后组透镜组。
其中，从分束镜出射的光由中继镜组成像到探测器的探测面上。
利用上述装置测量套刻误差的方法，包括：
步骤一：将所述光源发出的光设置为第一偏振模式；
步骤二：采集所述套刻标记的第一衍射光强信号；
步骤三：将所述光源发出的光设置为第二偏振模式；
步骤四：采集所述套刻标记第二衍射光强信号；
步骤五：根据采集到的所述第一、第二衍射光强信号和信号计算自参考信号；以及
步骤六：根据所述自参考信号的非对称性特征计算套刻误差。
其中，所述自参考信号的非对称性特征 ，此时套刻误差，其中+/-d是所述套刻标记中上下工艺层之间的预设偏移量。
其中，在进行多套刻标记测量时，同时进行后一套刻标记的步骤一-四与前一套刻标记的步骤五-六。
与传统的角分辨型eDBO测量装置相比，根据本发明的测量装置的照明光路中具有一个偏振调节机构，在进行套刻测量时，通过偏振调节机构设置两种偏振模式，测量两种偏振模式下的标记衍射光强信号，并将两个信号相除消去照明、透过率和探测器像素灵敏度非均匀性的影响，并根据相除后光强比值的非对称性特征计算套刻误差。
通过两次测量光强的比值，即自参考信号来计算套刻误差，理论上可以完全消除eDBO测量过程中照明、透过率和探测器像素灵敏度非均匀性对测量结果的影响。相比传统方法，该方法可实现更高的测量精度。
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所示为根据本发明的eDBO测量装置的结构示意图；
图2所示为根据本发明的测量方法的流程图；
图3所示为针对一种膜系结构进行仿真得到的两种偏振模式下光强非对称性变化曲线；
图4所示为针对一种膜系结构进行仿真得到的衍射光强比值的非对称性变化曲线。
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。
本发明中角分辨型eDBO测量装置结构如图1所示。该测量装置包括：光源11、用于准直光源11发出的光的会聚透镜12、调节入射光的偏振模式的偏振调节机构13、照明后组透镜14和15、投影物镜17、分束镜18、中继镜组19和110以及探测器111。从光源11发出的光经会聚透镜12准直后由偏振调节机构13调节其偏振模式，再经由照明后组透镜14和15调整后入射至分束镜18，经分束镜18反射后由投影物镜17会聚到测量样品16上，从样品16衍射的光由投影物镜17收集后由分束镜18透射至中继镜组19和110，中继镜组19和110将物镜17瞳面的光强分布成像到探测器111的探测面上。偏振调节机构13可将入射光调节为不同的偏振模式。
不同于利用传统方法进行Overlay测量中只测量一次标记的衍射光强信号，直接根据测量光强的非对称性特征计算套刻误差。本发明中，进行Overlay测量时，首先设置入射光为一种偏振模式，采集两个标记的衍射光强信号，然后设置入射光为另一种偏振模式，采集两个标记的衍射光强信号。然后计算两次衍射光强的比值，定义为自参考信号。由于和包含了相同的照明、透过率和像素灵敏度非均匀性的信息，所以自参考信号中消去了照明、透过率和像素灵敏度非均匀性的影响，保留了和信号中由于样品套刻误差引起的非对称信息。最后将代入经验公式计算得到套刻误差。
在本发明的方法中对每个标记分别进行了两次测量，以入射光偏振模式分别1和2为例，则自参考信号的非对称性为：
（3）
其中和是正负一级衍射光的自参考信号。此非对称量仍然和上下工艺层偏移量之间有正比关系，所以可以计算得到：
（4）
其中表示套刻误差，+/-d是上下工艺层之间的预设偏移量。
根据本发明的方法的主要测量过程如图2所示，包括下述步骤：
步骤21：设置入射光偏振模式为1；
步骤22：采集标记衍射光强信号；
步骤23：设置入射光偏振模式为2；
步骤24：采集标记衍射光强信号；
步骤25：根据预处理后的和信号计算自参考信号；
步骤26：根据自参考信号的非对称性特征计算套刻误差；
步骤27：测量结束。
对于多标记测量，信号测量过程21-24与计算过程25、26可同时进行。
在上述测量过程中，需设置两种偏振模式。根据不同的测量对象，可选择不同的偏振模式组合，以获得最优的信噪比。
图3和4 是针对一种膜系结构的仿真结果。探测光波长为633nm，入射角60度，方位角30度。膜系材料(自上而下)为: 光刻胶光栅, BARC, SiON, FSG, SiN, Cu/FSG光栅, 厚度分别为100nm, 65nm, 120nm, 900nm, 50nm和600nm, 基底为Si。其中光栅结构占空比1:1,周期1um。
其中图3是X偏振和Y偏振衍射光强的非对称性随Overlay的变化，光强的非对称性和上下工艺层的偏移量在0点附近有近似线形关系，所以可根据经验公式计算套刻误差。图4是自参考信号的非对性随Overlay的变化，在0点附近也有近似线性的变化特征，所以可根据公式（4）计算套刻误差。
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 (7)

1.一种套刻测量装置，依次包括：光源、偏振调节机构、分束镜、投影物镜和探测器，从所述光源发出的光经所述偏振调节机构调节偏振模式后入射至所述分束镜，由所述分束镜反射后被所述投影物镜会聚到待测套刻标记上，从所述套刻标记衍射的光由所述投影物镜收集后透射穿过所述分束镜并成像到所述探测器的探测面上；其特征在于，所述偏振调节机构可将所述光源发出的光调节为不同的偏振模式。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述光源和所述偏振调节机构之间具有用于准直光源发出的光的透镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述偏振调节机构和所述分束镜之间具有照明后组透镜组。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述分束镜出射的光由中继镜组成像到探测器的探测面上。
5.利用权利要求1-4所述的装置测量套刻误差的方法，包括：
步骤一：将所述光源发出的光设置为第一偏振模式；
步骤二：采集所述套刻标记的第一衍射光强信号 ；
步骤三：将所述光源发出的光设置为第二偏振模式；
步骤四：采集所述套刻标记第二衍射光强信号；
步骤五：根据采集到的所述第一、第二衍射光强信号和信号计算自参考信号；以及
步骤六：根据所述自参考信号的非对称性特征计算套刻误差。
6.根据权利要求5的方法，其中，所述自参考信号的非对称性特征 ，此时套刻误差，其中和分别是正负一级衍射光的自参考信号，+/-d是所述套刻标记中上下工艺层之间的预设偏移量。
7.根据权利要求5或6的方法，其中，在进行多套刻标记测量时，同时进行后一套刻标记的步骤一-四与前一套刻标记的步骤五-六。
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