CN105988299A - 一种掩膜板及扫描曝光机台焦距的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种掩膜板及扫描曝光机台焦距的监测方法，所述掩膜板包括透明基底；第一遮光层，覆盖所述透明基底的部分上表面；孔洞，位于所述第一遮光层中并暴露所述透明基底，所述孔洞由两个弧形边顶点相交且对称的半圆形构成；空白区，位于所述第一遮光层的一侧；第二遮光层，覆盖所述透明基底的整个下表面；透光的焦距图形对，间隔设置于所述第二遮光层中；透光的参考图形对，间隔设置于所述第二遮光层中位于所述焦距图形对的一侧。以及利用上述掩膜板监测扫描曝光机台焦距的方法，利用特殊的掩膜板，通过将曝光机台焦距转化为套刻偏移量，利用现有的套刻偏移量测量设备，来实现对焦距的测量，测得数据准确，操作简单，降低了误差测量成本。

Description

一种掩膜板及扫描曝光机台焦距的监测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种掩膜板及扫描曝光机台焦距的监测方法。

背景技术

光刻工艺的对焦过程对所制造的芯片的质量有着非常重要的作用。在集成电路的生产中，光刻工艺包括曝光过程，硅片首先被定为在曝光机台光学系统的聚焦范围之内，然后紫外光通过曝光机台光学系统和掩膜板图形投影。掩膜板图形以亮暗的特征出现在硅片上，实现了对光刻胶的曝光。

不同的集成电路工艺过程都有一个特殊的焦距精度规格，如果光刻工艺中的曝光过程对焦不理想，将造成曝光后产品图案的偏移，这些偏移包括形状和关键尺寸条(CD条，critical dimension bar)线宽的变化等。因而在曝光过程中，要求维持焦距精度规范以避免对焦不准带来的偏移问题。在实际生产中，需要不时对曝光机台的焦距进行监测和校准，以保证其不出现偏差。

现有技术的曝光机台焦距的测量方法是预先设置曝光机台的一组曝光焦距值，然后利用该组曝光焦距值进行曝光，得到一组曝光后的CD条线宽。然后，以曝光机台焦距值为横坐标以CD条线宽为纵坐标做出一条曲线。并按照所述曲线拟合出一条平滑的二次抛物线曲线，抛物线的顶点处就是现有技术认为的最佳焦距值，如图1所示。

然而这种方法的缺点在于，测量结果受CD和曝光的图形轮廓的变化的影响很大，如果测量的图案中有一个图形的轮廓比较差而可能导致特征尺寸量测出现异常，那么就会导致整条曲线顶点的异常漂移，而焦距的测量也就会发生异常。故上述测量曝光机台焦距的方法，其灵敏度不高，数据处理复杂，不直观，且容易有异常测量，数据波动大。

因此，有必要提出一种新的方法，以解决现有技术的不足。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明实施例一提供一种用于监测扫描曝光机台焦距的掩膜板，包括：

透明基底；

第一遮光层，覆盖所述透明基底的部分上表面；

孔洞，位于所述第一遮光层中并暴露所述透明基底，所述孔洞由两个弧形边顶点相交且对称的半圆形构成；

空白区，位于所述第一遮光层的一侧；

第二遮光层，覆盖所述透明基底的整个下表面；

透光的焦距图形对，间隔设置于所述第二遮光层中，分别对应所述孔洞的两个半圆形，并且关于通过所述孔洞的半圆形弧形边的顶点与半圆形的直径边平行的轴线对称，其中，所述每个焦距图形的一半图案对应所述孔洞内的透光区域；

透光的参考图形对，间隔设置于所述第二遮光层中位于所述焦距图形对的一侧，与所述空白区对应，该间隔与所述透光的焦距图形对的间隔相等。

进一步，所述透明基底为石英或玻璃。

进一步，所述第一遮光层和所述第二遮光层的材料为铬。

进一步，所述焦距图形和所述参考图形的形状为透光的方环或四个透光条形图案组成的不相连的“口”字形。

进一步，所述焦距图形的一个边与所述孔洞的半圆形的直径边平行。

进一步，所述焦距图形的尺寸大于所述参考图形的尺寸。

本发明实施例二提供一种扫描曝光机台焦距的监测方法，包括：

步骤A：提供上述的掩膜板以及监测晶圆；

步骤B：在所述扫描曝光机台正常工作状态下对所述掩膜板的空白区下方的参考图形进行若干次第一曝光，以在监测晶圆上形成沿第一方向间隔分布的第一标记对和沿与所述第一方向垂直的第二方向分布的第二标记对，其中所述第二标记对关于所述第一标记对中心连线的中点对称；

步骤C：利用所述扫描曝光机台对所述掩膜板的孔洞下方的焦距图形进行若干次第二曝光，以在所述监测晶圆上形成分别包围所述第一标记的第三标记对和包围所述第二标记的第四标记对；

步骤D：分别测量所述第三标记对沿第一方向的套刻偏移量和所述第四标记对沿所述第二方向的套刻偏移量，以及

利用焦距与套刻偏移量的关系式计算焦距，所述关系式为：

焦距＝套刻偏移量/k，其中，当为沿所述第一方向的套刻偏移量时，k值为扫描曝光机台沿所述第一方向的常数因子，当为沿所述第二方向的套刻偏移量时，k值为扫描曝光机台沿所述第二方向的常数因子；

步骤E：以所述第一标记对和所述第三标记对，所述第二标记对与所述第四标记对组成的套刻图案，作为一个套刻图案组，通过所述步骤D的关系式分别计算各套刻图案的焦距值，并取平均值，以获得套刻图案组的焦距值；

步骤F：至少在一个曝光单元上曝光若干所述套刻图案组，并分别计算各套刻图案组的焦距值，取所述若干套刻图案组焦距值的平均值作为所述扫描曝光机台的最佳焦距值。

进一步，所述曝光单元上的所述若干套刻图案组之间间隔一定的距离。

进一步，所述曝光机台焦距的偏移量＝套刻偏移量/tanθ，其中，θ为入射光与监测晶圆法线方向的夹角。

进一步，所述焦距和套刻偏移量均取标量。

综上所述，根据本发明的监测方法，利用特殊的掩膜板，通过将曝光机台焦距转化为套刻偏移量，利用现有的套刻偏移量测量设备，来实现对焦距的测量，测得数据准确，操作简单，降低了误差测量成本。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了现有的扫描曝光机台焦距测量数据的拟合图形；

图2A示出了本发明的掩膜板的三维立体图；

图2B示出了本发明的掩膜板上表面的平面图；

图2C示出了本发明的掩膜板下表面的平面图；

图3示出了通过本发明的掩膜板实现将焦距偏移量与套刻偏移量进行转换的原理图；

图4A示出了本发明的套刻图案组的示意图；

图4B示出了本发明的套刻图案的示意图；

图5示出了发生偏移后的套刻图案的示意图；

图6示出了本发明的曝光若干套刻图案组的曝光单元的示意图；

图7示出了根据本发明的扫描曝光机台焦距的监测方法所测得的焦点位置与计算位置统计制程管理曲线图(左图)与现有的扫描曝光机台焦距的方法所测得的焦点位置与计算位置数据统计曲线图(右图)的对比图；

图8示出了根据本发明的监测方法依次实施步骤的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

下面将参照图2A-2C对本发明的用于监测扫描曝光机台焦距的掩膜板做详细描述。

如图2A所示，所述掩膜板20包括透明基底200，所述透明基底200的材料为石英或玻璃，或其他适合的透光的材料。

所述掩膜板20还包括第一遮光层201，覆盖所述透明基底200的部分上表面。示例性地，所述第一遮光层201的材料为铬。

所述掩膜板20还包括孔洞202，位于所述第一遮光层201中并暴露所述透明基底200，所述孔洞202由两个弧形边顶点相交且对称的半圆形构成。

所述掩膜板20还包括空白区203，位于所述第一遮光层201的一侧。所述空白区203可以使光线透过。

所述掩膜板20还包括第二遮光层204，覆盖所述透明基底200的整个下表面，参考图2C。示例性地，所述第一遮光层201的材料为铬，但并不局限于上述材料，还可为其它任何适合的具有遮光性能的材料层。

参考图2B和图2C，所述掩膜板20还包括透光的焦距图形对205，间隔设置于所述第二遮光层204中，分别对应所述孔洞202的两个半圆形，并且关于通过所述孔洞的半圆形弧形边的顶点与半圆形的直径边平行的轴线对称，其中，所述每个焦距图形205的一半图案对应所述孔洞202内的透光区域。

参考图2C，所述掩膜板20还包括透光的参考图形对206，间隔设置于所述第二遮光层中位于所述焦距图形对的一侧，与所述空白区对应，该间隔与所述透光的焦距图形对的间隔相等。

示例性地，所述焦距图形205和所述参考图形206的形状为透光的方环或四个透光条形图案组成的不相连的“口”字形，也可为其它适合的图形，例如透光的多边框，或多条透光的条形图案组成的多边形等。在一个示例中，所述孔洞202的半圆形的直径边的长度大于焦距图形205的最长的边，例如，是焦距图形205的最长的边的1.5倍。

在一个示例中，所述焦距图形205和所述参考图形206的形状为透光的方环或四个透光条形图案组成的不相连的“口”字形，所述焦距图形205的一个边与所述孔洞202的半圆形的直径边平行。

可选地，所述焦距图形205的尺寸大于所述参考图形205的尺寸。

本发明的掩膜板适用于监测扫描曝光机台焦距，通过本发明的掩膜板来实现将焦距的测量转变为通过测量套刻偏差量来计算焦距，进而获得扫描曝光机台的最佳焦距。

实施例二

本发明还提供一种利用实施例一中的掩膜板监测扫描曝光机台焦距的方法，具体地，参考图2A-2C、图3、图4A-4B、以及图5-8对本发明的扫描曝光机台焦距的监测方法做详细描述。

首先，执行步骤801，提供一种如实施例一中所述的掩膜板以及监测晶圆。

如图3所示，提供掩膜板20，所述掩膜板20的具体结构如实施例一中所述，在此不作赘述。

所述监测晶圆30，所述监测晶圆为裸晶圆。另外，为了之后曝光显影的需要，在所述监测晶圆上涂覆有光刻胶。

图3示出了如何通过本发明的掩膜板实现将焦距偏移量与套刻偏移量进行转换的原理图，由图可以得出，所述曝光机台焦距的偏移量＝套刻偏移量/tanθ，其中，θ为入射光与监测晶圆法线方向的夹角。进而实现了将位于z方向的焦距偏移量与位于平面内X轴方向或Y轴方向的套刻偏移量的转换。

执行步骤802，在所述扫描曝光机台正常工作状态下对所述掩膜板的空白区下方的参考图形进行若干次第一曝光，以在监测晶圆上形成沿第一方向间隔分布的第一标记对和沿与所述第一方向垂直的第二方向分布的第二标记对，其中所述第二标记对关于所述第一标记对中心连线的中点对称。

参考图4A和4B，进行若干次第一曝光后，在监测晶圆上形成沿第一方向即为X轴方向的第一标记对401，和沿第二方向即为Y轴方向的第二标记对402。所述第一标记对401之间和所述第二标记对之间间隔一定的距离，以保证各标记之间不会相互干扰，例如间隔距离为400μm、500μm、900μm、1000μm等，可根据实际情况进行适当调整，在此不作具体限制。

执行步骤803，利用所述扫描曝光机台对所述掩膜板的孔洞下方的焦距图形进行若干次第二曝光，以在所述监测晶圆上形成分别包围所述第一标记的第三标记对和包围所述第二标记的第四标记对。

参考图4A-4B，利用掩膜板的孔洞下方的焦距图形进行若干次第二曝光，以在以在所述监测晶圆上形成分别包围所述第一标记401的第三标记对403和包围所述第二标记402的第四标记对404。第三标记对403沿X轴方向分布，第四标记对404沿Y轴方向分布，由于方向不同，可以将用于曝光X轴方向的第三标记对403的掩膜板旋转90°后用于曝光Y轴方向的第四标记对404。

所述第一标记对、第二标记对、第三标记对和第四标记对的形状可以为方环或四个条形图案组成的不相连的“口”字形，也可为其它适合的图形，例如多边框，或多条条形图案组成的多边形等。

执行步骤804，分别测量所述第三标记对沿第一方向的套刻偏移量和所述第四标记对沿所述第二方向的套刻偏移量，以及利用焦距与套刻偏移量的关系式计算焦距。

可采用现有的套刻偏移量测试设备进行对套刻偏移量的测量。

焦距与套刻偏移量的关系式为：焦距＝套刻偏移量/k，其中，当为沿所述第一方向的套刻偏移量时，k值为扫描曝光机台沿所述第一方向的常数因子，当为沿所述第二方向的套刻偏移量时，k值为扫描曝光机台沿所述第二方向的常数因子。示例性地，所述焦距和套刻偏移量均取标量。

在一个示例中，如图5所示，第二曝光后的标记对发生偏移，图中示出的为沿Y轴方向的偏移，其中沿Y轴正方向发生套刻偏移，则焦距1＝套刻偏移量(正方向)/k，沿Y轴负方向发生偏移，则焦距2＝套刻偏移量(负方向)/k，由于方向相反，因此利用扫描机台测量套刻偏移量时，所测得的值一般为矢量值，在计算时，取其标量。则，沿Y轴方向的焦距平均值＝(焦距1+焦距2)/2＝[套刻偏移量(正方向)-套刻偏移量(负方向)]/2k。同理可得出沿X轴方向的焦距平均值。

执行步骤805，以所述第一标记对和所述第三标记对，所述第二标记对与所述第四标记对组成的套刻图案，作为一个套刻图案组，通过所述步骤804的关系式分别计算各套刻图案的焦距值，并取平均值，以获得套刻图案组的焦距值。

执行步骤806，至少在一个曝光单元上曝光若干所述套刻图案组，并分别计算各套刻图案组的焦距值，取所述若干套刻图案组焦距值的平均值作为所述扫描曝光机台的最佳焦距值。

如图6所示，至少在一个曝光单元上曝光若干所述套刻图案组，其中图6中每个圆点代表一个套刻图案组，所述若干套刻图案组之间间隔一定的距离，例如间隔4μm，但并不局限于上述数值范围，可根据实际工艺进行调整。

取所述若干套刻图案组焦距值的平均值作为所述扫描曝光机台的最佳焦距值。由于包含多个套刻图案组，并取平均值，因此测得的焦距值能够反映整个曝光机台的最佳焦距值。另外，由于每个套刻图案组的套刻图案是沿X轴方向和Y轴方向对称设置，可以完全取消套刻图案的不对称相差对测量结果的影响，同时成对设置的套刻图案具有双灵敏度。

图7示出了根据本发明的扫描曝光机台焦距的监测方法，所测得的焦点位置与计算位置统计制程管理曲线图(左图)，与现有的扫描曝光机台焦距的方法所测得的焦点位置与计算位置数据统计曲线图(右图)对比可以发现，通过本发明的监测方法，所测得的焦距的分布均匀，方差小，数据波动小，可控性好。

另外，本发明的监测方法还可适用于对曝光平台翘曲度的监控。

综上所述，根据本发明的监测方法，利用特殊的掩膜板，通过将曝光机台焦距转化为套刻偏移量，利用现有的套刻偏移量测量设备，来实现对焦距的测量，测得数据准确，操作简单，降低了误差测量成本。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种用于监测扫描曝光机台焦距的掩膜板，包括：

透明基底；

第一遮光层，覆盖所述透明基底的部分上表面；

孔洞，位于所述第一遮光层中并暴露所述透明基底，所述孔洞由两个弧形边顶点相交且对称的半圆形构成；

空白区，位于所述第一遮光层的一侧；

第二遮光层，覆盖所述透明基底的整个下表面；

透光的焦距图形对，间隔设置于所述第二遮光层中，分别对应所述孔洞的两个半圆形，并且关于通过所述孔洞的半圆形弧形边的顶点与半圆形的直径边平行的轴线对称，其中，所述每个焦距图形的一半图案对应所述孔洞内的透光区域；

透光的参考图形对，间隔设置于所述第二遮光层中位于所述焦距图形对的一侧，与所述空白区对应，该间隔与所述透光的焦距图形对的间隔相等。

2.根据权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述透明基底为石英或玻璃。

3.根据权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述第一遮光层和所述第二遮光层的材料为铬。

4.根据权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述焦距图形和所述参考图形的形状为透光的方环或四个透光条形图案组成的不相连的“口”字形。

5.根据权利要求4所述的掩膜板，其特征在于，所述焦距图形的一个边与所述孔洞的半圆形的直径边平行。

6.根据权利要求1所述的掩膜板，其特征在于，所述焦距图形的尺寸大于所述参考图形的尺寸。

7.一种扫描曝光机台焦距的监测方法，包括：

步骤A：提供如权利要求1-6之一所述的掩膜板以及监测晶圆；

步骤B：在所述扫描曝光机台正常工作状态下对所述掩膜板的空白区下方的参考图形进行若干次第一曝光，以在监测晶圆上形成沿第一方向间隔分布的第一标记对和沿与所述第一方向垂直的第二方向分布的第二标记对，其中所述第二标记对关于所述第一标记对中心连线的中点对称；

步骤C：利用所述扫描曝光机台对所述掩膜板的孔洞下方的焦距图形进行若干次第二曝光，以在所述监测晶圆上形成分别包围所述第一标记的第三标记对和包围所述第二标记的第四标记对；

步骤D：分别测量所述第三标记对沿第一方向的套刻偏移量和所述第四标记对沿所述第二方向的套刻偏移量，以及

利用焦距与套刻偏移量的关系式计算焦距，所述关系式为：

焦距＝套刻偏移量/k，其中，当为沿所述第一方向的套刻偏移量时，k值为扫描曝光机台沿所述第一方向的常数因子，当为沿所述第二方向的套刻偏移量时，k值为扫描曝光机台沿所述第二方向的常数因子；

步骤E：以所述第一标记对和所述第三标记对，所述第二标记对与所述第四标记对组成的套刻图案，作为一个套刻图案组，通过所述步骤D的关系式分别计算各套刻图案的焦距值，并取平均值，以获得套刻图案组的焦距值；

步骤F：至少在一个曝光单元上曝光若干所述套刻图案组，并分别计算各套刻图案组的焦距值，取所述若干套刻图案组焦距值的平均值作为所述扫描曝光机台的最佳焦距值。

8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述曝光单元上的所述若干套刻图案组之间间隔一定的距离。

9.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述曝光机台焦距的偏移量＝套刻偏移量/tanθ，其中，θ为入射光与监测晶圆法线方向的夹角。

10.根据权利要求7所述监测方法，其特征在于，所述焦距和套刻偏移量均取标量。