CN107329373B - 一种套刻误差测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种套刻误差测量装置及方法，该装置包括光源，用于产生2种或2种以上波长的多色光；照明单元，用于提供照明光照射标记，并将光源发出的光在镜头的瞳面形成特定的照明分布形式；镜头，将照明单元出射的光汇聚至硅片的套刻测量标记上，并接收所述套刻测量标记的衍射光；分光单元，将所述照明单元的光引入镜头，并将镜头收集的硅片衍射光引向探测单元；基底单元，具有套刻测量标记；探测单元，用于探测镜头瞳面的角谱信号；以及处理单元，用于接收探测单元获取的测量信号并进行处理，计算套刻误差。本发明可同时使用多波长测量，增加有效信号，提高测量重复性；且无需扩大探测器面积或减小单个角谱成像区域以获得多个波长的角谱图像。

Description

一种套刻误差测量装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种套刻误差测量装置及方法。
背景技术
根据ITRS(国际半导体技术蓝图)给出的光刻测量技术路线图，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(Double Patterning)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(IBO，英文全称：Imaging-Basedoverlay)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(DBO，英文全称：Diffraction-Based overlay)正逐步成为套刻测量的主要手段。
散射测量技术采用如图1所示的套刻测量标记，该标记由在硅基底01上制成的上、下层光栅结构03、02组成，下层光栅结构02由前一次曝光图形经显影、刻蚀、沉积等半导体工艺制成，上层光栅结构03通常为本次曝光、显影后的光刻胶图形，套刻误差ε指两次曝光间的位置误差。散射测量技术测量套刻误差的原理为：当测量光正入射到上述套刻标记时，由于套刻误差引起的标记结构不对称性使衍射光的高级次光光强产生不对称性，该不对称性在很小的套刻误差范围内随套刻误差近似线性变化。例如，套刻标记存在ε的套刻误差，则测得入射光各级衍射光的光强I+和I-的非对称性近似可表示为：
A＝I+-I-＝k·ε (1)
其中k是标记工艺，以及测量光属性相关的因子，是一个未知量。
为了去除该未知量，获得套刻误差，通常制作2个一组的套刻标记，如图2a和2b所示。图2a为上下两层光栅结构初始的位置，即右边标记的上下光栅间存在一预设偏移量Δ，对应的左侧预设偏移量则为-Δ。此时，散射测量装置分别测量左右两个子标记上的光强非对称性，得到：
Aright＝k·(ε+Δ)
Aleft＝k·(ε-Δ) (2)
则由上式可得套刻误差ε为：
由于DBO技术是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，如上述式(3)。衍射光的衍射角随入射光入射角度的变化而改变，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。例如，光源发出的光经干涉滤波装置后形成窄带宽的入射光，物镜将入射光汇聚到硅片的套刻标记上，探测器位于物镜的后焦面，标记的衍射光被物镜收集后被探测器接受，探测器测得标记各个角度衍射光的角分辨谱。但是为了进行多波长测量，一般需要在物镜光瞳面进行分光，以便同时测量多个分立波长下的角分辩谱。
由此可知，目前的套刻误差测量装置及方法存在如下缺陷：首先，为了同时测量多个波长的角谱信息，上述方案在测量光路中引入光栅和楔板进行多个波长瞳面位置分离，因此大大增加了系统的复杂性；其次，采用上述方案时，若希望单个波长获得的有效信号不变，则需要扩大探测器的靶面和像素，且面积和像素的增加与波长数量成正比。
发明内容
本发明提供一种套刻误差测量装置及方法，以解决现有的套刻误差测量装置及方法存在的上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种套刻误差测量装置，包括：
光源，用于产生2种或2种以上波长的多色光，且相邻两个波长之间至少具有波长间隔Δλ；
照明单元，用于提供照明光照射标记，并将所述光源发出的光在镜头的瞳面形成特定的照明分布形式，所述照明单元照明光阑透光区域宽度L；
镜头，将所述照明单元出射的光汇聚至硅片的套刻测量标记上，并接收所述套刻测量标记的衍射光；
分光单元，将所述照明单元的光引入镜头，并将所述镜头收集的硅片衍射光引向探测单元；
基底单元，具有套刻测量标记，所述套刻测量标记的光栅周期为P，上述照明光阑所在平面对应入射到基底单元表面的照明光入射角为90°时点与入射角为0°的点的间距Lmax；
探测单元，用于接收从上述基底单元反射的测量光，为探测镜头瞳面的角谱信号；以及
处理单元，用于接收所述探测单元获取的测量信号并进行处理，计算套刻误差；
其中，上述波长间隔Δλ、透光区域宽度L、光栅周期P及间距Lmax之间满足以下公式
较佳地，所述光源为若干个分立波长组成的复合光源。
较佳地，所述复合光源中的每个波长光源设有单独控制开关，或者设有独立快门。
较佳地，所述照明单元包括准直机构和整形机构，所述准直机构采用楔角透镜组或光阑，所述整形机构采用可调节或可切换式整形机构。
较佳地，所述照明单元还包括起偏器件，所述起偏器件采用可调节或可切换式起偏器件。
较佳地，所述镜头为显微物镜。
较佳地，所述分光单元采用半透半反镜或者分光棱镜。
较佳地，所述探测单元包括面阵探测器。
较佳地，所述探测单元还包括中继镜组，用于将所述镜头的瞳面成像到所述面阵探测器的感光面。
本发明还提供了一种套刻误差测量方法，发出2种或2种以上波长的多色光的光源，照射至照明单元，所述照明单元将所述光源发出的光经分光单元入射至镜头，在镜头的瞳面形成特定的照明分布形式，并汇聚至硅片的套刻测量标记上，经硅片衍射后的衍射光被所述镜头收集并引向探测单元，所述探测单元探测镜头的瞳面的角谱信号，经所述处理单元的处理，计算出套刻误差值。
较佳地，所述照明单元产生的照明光照射标记满足以下条件：
其中，L为透光区域的宽度，Lmax为照明光照射标记面对应入射到硅片面的照明光入射角为90°时的点与入射角为0°的点的间距，Δλ为选择波长的间隔，P为被测套刻测量标记的光栅周期。
较佳地，所述探测单元测得多波长光源的角谱信号后，对该角谱信号的照明非均匀性、光学系统透过率非均匀性进行校正。
较佳地，根据校正后的多波长光源的角谱信号计算各角谱点的套刻误差值，并通过均值方法或最大概率方法得到最终的套刻误差值。
与现有技术相比，本发明提供的套刻误差测量装置及方法具有如下优点：
1.使用2个或多个分立波长同时对套刻测量标记进行照明，以增加有效信号，从而提高测量重复性；特别是测量微标记时，相同照明条件和相同积分时间下，由于衍射光不足，无法达到现有标准标记的测量重复性，通过多波长增加有效信号的方式，可在不改变积分时间的前提下获得高的重复性。
2.无需在测量光路中引入光栅或楔板等分光器进行多个波长瞳面位置分离，即可在频谱面上获得多个波长的角谱图像。
3.无需扩大探测器面积或减小单个角谱成像区域以获得多个波长的角谱图像。
附图说明
图1为套刻测量标记的示意图；
图2a和2b分别为2个一组的套刻标记的示意图；
图3为本发明一具体实施方式中套刻误差测量装置的结构示意图；
图4a～4d分别为本发明中不同照明波长的合束方法示意图；
图5a～11c分别为本发明中照明光照射标记的示意图，及其对应的效果示意图；
图12为本发明中透关区的尺寸示意图。
图1中：01-硅基底、02-下层光栅结构、03-上层光栅结构；
图3-12中：10-光源、11-照明单元、12-镜头、13-分光单元、14-探测单元、15-套刻测量标记、16-硅片、17-处理单元、18-二向色镜、19-光栅、20-第一光纤、21-第二光纤、22-激光波长选择器、23-不透光区、24-透光区。
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。
本发明提供的套刻误差测量装置及方法，如图3所示，包括：
光源10，用于产生2种或2种以上波长的多色光，且相邻两个波长之间至少具有波长间隔Δλ；
具体地，所述光源10为若干个分立波长组成的复合光源，请重点参考图4a至4d，本发明给出了4种可用于将多种波长照明光进行合束的方法，如利用二向色镜18合束，如图4a；利用光束衍射角随波长的变化关系(不同波长的光使用不同入射角照明光栅19而衍射光方向一致)，使多波长的衍射光混合，如图4b，当然，也可以使用棱镜代替光栅；使用多路第一光纤20合并为一路的第二光纤21，以将不同照明波长合束，如图4c；以及使用多个激光器和激光波长选择器22来进行多种波长的合束。需要说明的是，多种波长合束的方法包括以上方案，但不限于此。
照明单元11，用于提供照明光照射标记，并将所述光源10发出的光在镜头12的瞳面形成特定的照明分布形式，所述照明单元11照明光阑透光区域宽度L；
镜头12，将所述照明单元11出射的光汇聚至硅片16的套刻测量标记15上，并接收所述套刻测量标记15的衍射光，本实施例中，所述镜头12为显微物镜；
分光单元13，将所述照明单元11的光引入镜头12，并将所述镜头12收集的硅片衍射光引向探测单元14；
基底单元，本实施例中为硅片16，具有套刻测量标记15，所述套刻测量标记15的光栅周期为P，上述照明光阑所在平面对应入射到基底单元表面(即硅片面)的照明光入射角为90°时点与入射角为0°的点的间距Lmax；
探测单元14，用于探测镜头12瞳面的角谱信号；以及
处理单元17，用于接收所述探测单元14获取的测量信号并进行处理，计算套刻误差；
其中，上述波长间隔Δλ、透光区域宽度L、光栅周期P及间距Lmax之间满足以下公式
本发明可同时使用多波长测量，增加有效信号，提高测量重复性；且无需扩大探测器面积或减小单个角谱成像区域以获得多个波长的角谱图像。
较佳地，所述复合光源中的每个波长光源设有单独控制开关，或者设有独立快门，已进行照明选择，具体地，可根据测量对象工艺进行测量配置优化选择。
较佳地，所述照明单元11包括准直机构和整形机构，所述准直机构采用楔角透镜组或光阑，所述整形机构采用可调节或可切换式整形机构，以满足不同的照明需求，本实施例中，以采用特定形状的光阑挡光来实现特定的照明分布形式，如图5a至11c所示，给出了使用不同照明光阑(放置在镜头12瞳面或瞳面的共轭面位置)可获取的多波长角谱信号效果示意图，图中，照明光阑黑色为不透光区13，白色为透光区24，效果示意图中不同灰度颜色代表不同级次的衍射光信号。
较佳地，所述照明单元11还包括起偏器件，所述起偏器件采用可调节或可切换式起偏器件，以实现不同的偏振光照明。
较佳地，所述分光单元13采用半透半反镜或者分光棱镜。
较佳地，所述探测单元14包括面阵探测器，可以是CMOS或者CCD；较佳地，所述探测单元14还包括中继镜组，用于将所述镜头12的瞳面成像到所述面阵探测器的感光面。
本发明还提供了一种套刻误差测量方法，发出2种或2种以上波长的多色光的光源10，照射至照明单元11，所述照明单元11将所述光源10发出的光经分光单元13入射至镜头12，在镜头12的瞳面形成特定的照明分布形式，并汇聚至硅片16的套刻测量标记15上，经硅片16衍射后的衍射光被所述镜头12收集并引向探测单元14，所述探测单元14探测镜头12的瞳面的角谱信号，经处理单元17的处理，计算出套刻误差值。上述方法可同时使用多波长测量，增加有效信号，提高测量重复性；且无需扩大探测器面积或减小单个角谱成像区域以获得多个波长的角谱图像。
较佳地，请重点参考图12，所述照明单元11产生的照明光照射标记满足以下条件：
其中，L为透光区24的宽度，Lmax为照明光照射标记面对应入射到硅片面的照明光入射角为90°(掠入射)时的点与入射角为0°(正入射)的点的间距，Δλ为选择波长的间隔，P为被测套刻测量标记的光栅周期。由于不同波长的光对应公式(1)中的系数k是不同的，若两种波长的测量信号满足上述条件，则可避免由于发射重叠可能导致的灵敏度降低问题，从而提高测量精度。
较佳地，所述探测单元14测得多波长光源的角谱信号后，对该角谱信号的照明非均匀性、光学系统透过率非均匀性进行校正，进一步提高测量精度，较佳地，根据校正后的多波长光源的角谱信号计算各角谱点的套刻误差值，并通过均值方法或最大概率方法得到最终的套刻误差值。
综上所述，本发明提供的套刻误差测量装置及方法，该装置包括光源10，用于产生2种或2种以上波长的多色光；照明单元11，用于提供照明光照射标记，并将所述光源10发出的光在镜头12的瞳面形成特定的照明分布形式；镜头12，将所述照明单元11出射的光汇聚至硅片16的套刻测量标记15上，并接收所述套刻测量标记15的衍射光；分光单元13，将所述照明单元11的光引入镜头12，并将所述镜头12收集的硅片衍射光引向探测单元14；探测单元14，用于探测镜头12瞳面的角谱信号；以及处理单元17，用于接收所述探测单元14获取的测量信号并进行处理，计算套刻误差。本发明可同时使用多波长测量，增加有效信号，提高测量重复性；且无需扩大探测器面积或减小单个角谱成像区域以获得多个波长的角谱图像。
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 (12)

1.一种套刻误差测量装置，其特征在于，包括：
光源，用于产生2种或2种以上波长的多色光，且相邻两个波长之间至少具有波长间隔Δλ；
照明单元，用于提供照明光照射套刻测量标记，并将所述光源发出的光在镜头的瞳面形成特定的照明分布形式，所述照明单元的照明光阑透光区域宽度为L；
镜头，将所述照明单元出射的光汇聚至基底单元的套刻测量标记上，并接收所述套刻测量标记的衍射光；
分光单元，将所述照明单元的光引入镜头，并将所述镜头收集的基底单元衍射光引向探测单元；
基底单元，具有套刻测量标记，所述套刻测量标记的光栅周期为P，上述照明光阑所在平面对应入射到基底单元表面的照明光入射角为90°时的点与入射角为0°的点的间距为Lmax；
探测单元，用于接收从上述基底单元反射的衍射光，为探测镜头瞳面的角谱信号；以及
处理单元，用于接收所述探测单元获取的测量信号并进行处理，计算套刻误差；其中，上述波长间隔Δλ、透光区域宽度L、光栅周期P及间距Lmax之间满足以下公式
2.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源为若干个分立波长组成的复合光源。
3.如权利要求2所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述复合光源中的每个波长光源设有单独控制开关，或者设有独立快门。
4.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述照明单元包括准直机构和整形机构，所述准直机构采用楔角透镜组或光阑，所述整形机构采用可调节或可切换式整形机构。
5.如权利要求4所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述照明单元还包括起偏器件，所述起偏器件采用可调节或可切换式起偏器件。
6.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述镜头为显微物镜。
7.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述分光单元采用半透半反镜或者分光棱镜。
8.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述探测单元包括面阵探测器。
9.如权利要求8所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述探测单元还包括中继镜组，用于将所述镜头的瞳面成像到所述面阵探测器的感光面。
10.一种套刻误差测量方法，其特征在于，发出2种或2种以上波长的多色光的光源，照射至照明单元，所述照明单元将所述光源发出的光经分光单元入射至镜头，在镜头的瞳面形成特定的照明分布形式，并汇聚至基底单元的套刻测量标记上，经基底单元衍射后的衍射光被所述镜头收集并引向探测单元，所述探测单元探测镜头的瞳面的角谱信号，经处理单元的处理，计算出套刻误差值，
所述照明单元产生的照明光照射标记满足以下条件：
其中，L为照明单元的照明光阑透光区域的宽度，Lmax为照明光阑所在平面对应入射到基底单元表面的照明光入射角为90°时的点与入射角为0°的点的间距，Δλ为光源所产生2种或2种以上波长的多色光的相邻两个波长之间的波长间隔，P为被测套刻测量标记的光栅周期。
11.如权利要求10所述的套刻误差测量方法，其特征在于，所述探测单元测得多波长光源的角谱信号后，对该角谱信号的照明非均匀性、光学系统透过率非均匀性进行校正。
12.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，根据校正后的多波长光源的角谱信号计算各角谱点的套刻误差值，并通过均值方法或最大概率方法得到最终的套刻误差值。
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