CN105807573B - 用于套刻误差检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于套刻误差检测的装置和方法，该装置包括：光源，用于产生测量光；照明系统，将测量光入射到物镜中；物镜，用于将测量光入射到套刻标记上，同时收集从套刻标记衍射的各主极大衍射光，并将各主极大衍射光汇聚到物镜光瞳面；探测器，位于物镜光瞳面，用于探测各主极大衍射光在探测器上的位置以获取所述套刻误差。本发明采用衍射光的位置信息进行套刻误差的测量，测量信号不受照明均匀性、透过率均匀性等影响；测量标记尺寸更小，周期数小于20，所占用有效曝光区域更小，从而减少了套刻标记的成本；可以实现场内测量，满足更高节点对套刻误差的测量精度的需求。

Description

用于套刻误差检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，特别涉及一种用于套刻误差检测的装置和方法。

背景技术

随着光刻图形CD尺寸进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光(DoublePatterning)技术的广泛应用，对光刻工艺参数套刻(overlay)的测量精度要求已经进入亚纳米领域。由于成像分辨率极限的限制，传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术(英文全称：Imaging-Based overlay，简称：IBO)已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术(英文全称：Diffraction-Based overlay，简称：DBO)正逐步成为套刻测量的主要手段。目前，DBO技术所面临的最大问题是标记尺寸较大占用了过多的有效曝光区域，造成标记成本很大；且为了适应更高工艺节点对套刻测量精度的需求，需要在曝光场内进行套刻测量，大标记将不适合用做场内测量。因此，减小套刻标记尺寸是DBO技术发展的必然趋势。

现有技术中公开了一种DBO技术，该技术通过测量套刻标记衍射光角分辨谱中相同衍射级次间的非对称性得到套刻误差。衍射光的衍射角随入射光入射角度变化而改变，所谓反射光角分辨谱是指不同角度的入射光在被标记衍射后衍射光在不同角度形成的光强分布。图1a为环形照明模式下，各个衍射级次的角分辨谱在CCD探测器上的分别情况，图1b是该技术方案的装置结构图，光源2发出的光由透镜L2聚焦并经干涉滤波装置30后形成窄带宽的入射光，物镜L1将入射光汇聚到硅片6上一般由两层线性光栅组成的套刻标记上。套刻标记探测器32位于物镜L1的后焦面40处，套刻标记的衍射光被物镜L1收集后经反射面34被套刻标记探测器32接收。套刻标记探测器32测得套刻标记各个角度衍射光的角分辨谱。为了获得大范围的角分辨谱，该方案中使用大NA的物镜。从上述描述可知，首先，根据其测量原理，其套刻标记尺寸较大，并且通过采用周期更小的光栅或者减小标记周期数以减小标记尺寸是不可行的，其原因分别为当光栅周期减小时，其高级次衍射光将可能产生倏逝波无法收集，将会导致无法得到套刻信号；当套刻标记周期数减少至一定数量时，各级次衍射光将不再严格遵循光栅衍射方程，所得到的衍射光信号将不能应用于套刻计算。因此该方案无法进行小标记测量套刻，更无法实现场内测量。其次，该方案通过测量衍射光强信号获得套刻信息，系统照明均匀性、透过率均匀性等会影响套刻测量精度。

发明内容

本发明提供一种用于套刻误差检测的装置和方法，从而对衍射光的位置信息进行套刻误差的测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于套刻误差检测的装置和方法，包括：光源，用于产生测量光；照明系统，将测量光入射到物镜中；物镜，用于将测量光入射到套刻标记上，同时收集从套刻标记衍射的各主极大衍射光，并将各主极大衍射光汇聚到物镜光瞳面；探测器，位于物镜光瞳面，用于探测各主极大衍射光在探测器上的位置以获取所述套刻误差。

作为优选，所述所述照明系统包括：准直束镜、滤波片、第一透镜、视场光阑、第二透镜以及分束器。

作为优选，所述照明系统还包括偏振片。

作为优选，所述套刻标记的周期数小于20且尺寸为10×10um。

作为优选，所述照明系统包括孔径光阑，所述孔径光阑为圆孔或狭缝。

作为优选，所述圆孔或狭缝设置有两组，所述两组圆孔或狭缝沿孔径光阑的中心对称。

作为优选，所述圆孔或狭缝设置有三组以上。

作为优选，所述物镜采用显微镜。

作为优选，所述探测器采用CCD探测器。

作为优选，所述光源采用宽波段光源、白光光源或由多个分立谱线组成的复合光源。

本发明还提供一种用于套刻误差检测的方法，当套刻标记的周期数大于20时，根据光栅衍射方程计算套刻误差；当套刻标记的周期数小于或等于20时，通过测量套刻标记上的衍射光的主极大位置与套刻误差之间的关系计算出套刻误差。

一种采用所述的用于套刻误差检测的装置进行套刻误差检测的方法，光源发出测量光，通过照明系统将测量光入射到物镜中，物镜将测量光入射到套刻标记上并收集从套刻标记衍射的各主极大衍射光，并将各主极大衍射光汇聚到物镜光瞳面，位于物镜光瞳面的探测器探测各主极大衍射光在探测器上的位置以获取所述套刻误差。

作为优选，所述套刻标记的周期数小于20且尺寸为10×10um。

作为优选，所述照明系统包括孔径光阑，所述孔径光阑为圆孔或狭缝。

作为优选，所述圆孔或狭缝设置有两组，所述两组圆孔或狭缝沿孔径光阑的中心对称。

作为优选，所述圆孔或狭缝设置有三组以上。

作为优选，所述各主极大衍射光为正负1级衍射光。

作为优选，对探测到的各主极大衍射光在探测器上的位置进行线性拟合以获取所述套刻误差，具体为将套刻标记的预设偏差和对应的各主极大衍射光在探测器上的位置代入线性方程求解得到所述套刻误差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用衍射光的位置信息进行套刻误差的测量，测量信号不受照明均匀性、透过率均匀性等影响；

2、测量标记尺寸更小，所占用有效曝光区域更小，从而减少了套刻标记的成本；

3、可以实现场内测量，满足更高节点对套刻误差的测量精度的需求。

附图说明

图1a为环形照明时，各衍射级次的角分辨谱在CCD探测器上的分布；

图1b为现有技术中DBO技术方案的装置结构图；

图2为本发明实施例1中用于套刻误差检测的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1中套刻标记的结构示意图；

图4和图5为本发明实施例1的衍射示意图；

图6为本发明实施例1中正负主极大差分信号与套刻关系示意图；

图7a、7b分别为本发明实施例1中孔径光阑的结构示意图；

图8a、8b分别为图7a、7b中所示孔径光阑形成的衍射光信号示意图；

图9a、9b分别为本发明实施例1中孔径光阑的结构示意图；

图10a、10b分别为图9a、9b中所示孔径光阑形成的衍射光信号示意图；

图11为本发明实施例2中用于套刻误差检测的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

如图2所示，本实施例的用于套刻误差检测的装置，包括以下部件：

光源41，用于产生测量光。具体地，光源41可以是白光光源、宽波段光源或是由若干个分立谱线组成的复合光源。其中，白光光源可以采用Xe光源等；宽波段指产生包括紫外、可见和红外波段或上述波段组合的光；复合光源可以由若干个不同波长的激光器通过混频得到。

照明系统，用于将测量光入射到物镜410中。具体地，所述照明系统沿光传播方向依次包括：用于对测量光进行准直的准直束镜42，用于生成单色光的滤波片43，用于生成偏振光的偏振片44，用于聚光的第一、第二透镜46、48，用于将测量光入射到物镜410中的分束器49以及透镜组412。

光阑，用于将测量光调制为关于物镜410光轴中心对称的入射光。具体地，所述光阑包括孔径光阑45和用于生成满足物镜410对入射光尺寸需求的光斑的视场光阑47，所述孔径光阑45设置在所述第一透镜46前方，所述视场光阑47设置在所述第一透镜46与第二透镜48之间。如图7a和7b所示，所述孔径光阑45用以生成满足物镜410对入射光形状需求的光斑，其可以为如图7a所示的圆孔451或者如图7b所示的狭缝452。进一步的，圆孔451或者狭缝452可以如图9a和图9b所示的两组，两组圆孔451或两组狭缝452分别沿孔径光阑45的中心对称。

物镜410，用于将测量光入射到套刻标记411上，测量光在套刻标记411上进行衍射，同时物镜410收集套刻标记411上的衍射光，并将衍射光汇聚到物镜410的光瞳面上。

探测器413，位于物镜410光瞳面，也是物镜410的后焦面上，用于探测套刻标记411的衍射光信号。进一步的，探测器413采用CCD探测器。

光源41发出的测量光在经过准直束镜42准直后，入射至窄带滤波片43，获得单一波长的光，而后经过偏振片44，获得线偏振光，此线偏振光入射至孔径光阑45，而后经过第一透镜46会聚，经由视场光阑47约束入射至套刻标记411上的光斑尺寸，经过第二透镜48后入射至分束器49，该入射光正入射至物镜410中，入射光在套刻标记411上发生衍射，再次经过物镜410收集后，又经由透镜组412，最终入射至探测器413上。

其中，探测器413所得到的+/-1级衍射光信号分别如图8a、8b和图10a、10b所示，其中，图8a中的衍射光信号与图7a所示的孔径光阑45对应，图8b与图7b所示的孔径光阑45对应，图10a与图9a所示的孔径光阑45对应，图10b与图9b所示的孔径光阑45对应。图中，L1与L2不相等，基于两者间的关系计算套刻标记411的套刻误差。除了+/-1级衍射光外，高级次衍射光同样可以通过探测其主极大位置来计算所述套刻误差。

如图3所示，套刻标记411由在硅基底上制成的上下两层光栅结构组成。前一层光栅结构(下层光栅)由前一次曝光图形经显影、刻蚀、沉积等半导体工艺制成，后一层光栅结构(上层光栅)通常为本次曝光、显影后的光刻胶图形。套刻误差指两次曝光间的位置误差。当光栅周期数较多时，衍射光一般会严格遵循光栅衍射方程。

对于现有散射测量使用到的对于+/-1级衍射光，则有：

sin(θ)＝±λ/d (1)

式(1)中，d表示光栅周期，λ表示入射光波长，θ表示衍射角，衍射光将沿着相应的θ角入射至物镜410。

因此，对于满足阿贝成像的物镜410而言，光瞳面半径满足：

ρ＝f*sin(θ) (2)

式(2)中，f为物镜焦距，θ为入射角度。因此，光瞳面半径与最大入射角度正弦值即物镜成正比。

当使用物镜410收集+/-1级衍射光时，如图4和图5所示，即可以得到两者间相对光瞳面中心的距离相等，即得到如下关系：

L＝f*sin(θ) (3)

因此，各级次光不同的衍射角度可以如实的反应在光瞳面上，最终可以使用CCD探测器采集。

当光栅周期数较少，入射光的衍射会出现各级主极大，其衍射角度将不再严格遵循光栅衍射方程，此时对于套刻标记411，作为优选，当光栅的周期数小于或等于20时，其各主极大衍射角(不同的主极大衍射角度对应光瞳面上不同的主极大位置)将会随着套刻误差的变化而发生变化，如图8a、8b、10a、10b所示，图中L1与L2不相等，即由于套刻的存在，光瞳面(探测器)上+/-1级衍射光的主极大位置与光瞳中心的距离不等。本实施例采用该变化关系进行测量套刻误差。具体的，在特定的膜系结构下，套刻误差在特定范围内变化时，其正负主极大衍射角度(主极大峰值)亦随之发生变化。利用各主极大衍射角度(也即各主极大位置)与套刻之间存在的线性关系或者其它可拟合的关系(例如曲线拟合、三角函数拟合等)即可进行套刻误差的测量。由于光栅周期数减少，采用的套刻测量标记尺寸可以更小，例如10um*10um以内。

为消除其他因素影响，可以使用正负主极大差分信号与套刻误差的关系进行求解。下面将对用于套刻误差检测的线性拟合方法举例说明；

如图6所示，当套刻误差在+/-0.05Pitch(Pitch代表光栅栅距)附近时，其主极大衍射角度与套刻误差成线性关系，对此关系进行线性拟合可以求得套刻误差。具体地，可使用预留有一定偏差的三块套刻标记来完成对套刻误差的测量。其中第一块套刻标记预设偏差为d＝0.05Pitch；另一块套刻标记相对第一块套刻标记偏移d_o＝0.01Pitch；第三块套刻标记预设偏差与第一块套刻标记的方向相反，大小相同为-d。设实际要测量套刻误差为ε，则各套刻标记实际上下层偏移量分别为d+ε-d₀，d+ε，-d+ε；利用此三点进行套刻误差测量计算，设此线性方程为：

y＝k*d±b (4)

将三块套刻标记的信息带入式(4)，则可得出：

求解上述方程(5)中，因此很容易得到套刻误差ε：

实施例2

如图11所示，本实施例在实施例1基础上将偏振片44去除，其余部分相同，即偏振片不一定是必须的，无偏振片的情况下一样能够得到上述两种不同孔径光阑45的不同套刻信号，进而计算套刻误差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用衍射光的位置信息进行套刻误差的测量，测量信号不受照明均匀性、透过率均匀性等影响；

2、测量标记尺寸更小，所占用有效曝光区域更小，从而减少了套刻标记的成本和对芯片制造的影响；

3、由于采用了小尺寸测量标记，可以使本发明区别于现有技术，实现曝光场的场内测量，满足更高节点对套刻误差的测量精度的需求。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种用于套刻误差检测的装置，其特征在于，包括：

光源，用于产生测量光；

照明系统，将测量光入射到物镜中；

物镜，用于将测量光入射到套刻标记上，同时收集从套刻标记衍射的各主极大衍射光，并将各主极大衍射光汇聚到物镜光瞳面；

探测器，位于物镜光瞳面，用于探测各主极大衍射光在探测器上的位置以获取所述套刻误差；

所述套刻标记的周期数小于或等于20。

2.如权利要求1所述的用于套刻误差检测的装置，其特征在于，所述照明系统包括：准直束镜、滤波片、第一透镜、视场光阑、第二透镜以及分束器。

3.如权利要求2所述的用于套刻误差检测的装置，其特征在于，所述照明系统还包括偏振片。

4.如权利要求1所述的用于套刻误差检测的装置，其特征在于，所述套刻标记的尺寸为10um*10um。

5.如权利要求1所述的用于套刻误差检测的装置，其特征在于，所述照明系统包括孔径光阑，所述孔径光阑为圆孔或狭缝。

6.如权利要求5所述的用于套刻误差检测的装置，其特征在于，所述圆孔或狭缝设置有两组，所述两组圆孔或两组狭缝沿孔径光阑的中心对称。

7.如权利要求5所述的用于套刻误差检测的装置，其特征在于，所述圆孔或狭缝设置有三组以上。

8.一种采用权利要求1至7任一项所述的用于套刻误差检测的装置进行套刻误差检测的方法，其特征在于，光源发出测量光，通过照明系统将测量光入射到物镜中，物镜将测量光入射到套刻标记上并收集从套刻标记衍射的各主极大衍射光，并将各主极大衍射光汇聚到物镜光瞳面，位于物镜光瞳面的探测器探测各主极大衍射光在探测器上的位置以获取所述套刻误差；所述套刻标记的周期数小于或等于20。

9.如权利要求8所述的套刻误差检测的方法，其特征在于，所述套刻标记的尺寸为10um*10um。

10.如权利要求8所述的套刻误差检测的方法，其特征在于，所述照明系统包括孔径光阑，所述孔径光阑为圆孔或狭缝。

11.如权利要求10所述的套刻误差检测的方法，其特征在于，所述圆孔或狭缝设置有两组，所述两组圆孔或两组狭缝沿孔径光阑的中心对称。

12.如权利要求10所述的套刻误差检测的方法，其特征在于，所述圆孔或狭缝设置有三组以上。

13.如权利要求8所述的套刻误差检测的方法，其特征在于，所述各主极大衍射光为正负1级衍射光。

14.如权利要求8所述的套刻误差检测的方法，其特征在于，对探测到的各主极大衍射光在探测器上的位置和套刻标记的预设偏差进行线性拟合以获取所述套刻误差。