CN110320764A - 光刻机匹配方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机匹配方法，本方法以空间像关键尺寸作为描述光刻机成像性能的参数，采用微反射镜阵列模型描述光刻机照明光源，通过差分进化算法直接优化微反射镜阵列参数进行光刻机匹配，缩小待匹配光刻机和参考光刻机之间光刻性能的差异，明显减小了微反射镜阵列产生照明光源的过程导致的匹配误差，有效提高了光刻机匹配精度，适用于含微反射镜阵列照明系统的光刻机之间的匹配。

Description

光刻机匹配方法

技术领域

本发明涉及光刻机，尤其是一种光刻机匹配方法。

背景技术

光刻工艺是集成电路芯片制造的核心工艺。为降低经济和时间成本，光刻工艺的研发通常都是在特定一台光刻机上完成，芯片量产时将光刻工艺转移到产线上的多台光刻机上。不同型号光刻机的光刻性能存在较大差异，即使相同型号的光刻机由于其硬件指标的微小差异，也可能会导致包括成像质量在内的光刻性能存在较大差异。光刻机之间的性能差异会导致光刻工艺转移失败。为实现光刻工艺快速转移、扩大产能并提高芯片制造成品率，必须进行光刻机匹配，即通过调整光刻机可调参数使得待匹配光刻机的成像性能和参考光刻机的成像性能尽可能一致。

常见的光刻机匹配技术有基于关键尺寸(CD)测量的匹配技术、基于光刻胶模型的匹配技术，以及基于光学模型的匹配技术。前两种技术需要用到硅片上的CD数据来表征两个光刻机之间的成像性能差异，并计算用于匹配的可调参数的灵敏度信息，实现光刻机匹配。为保证匹配精度需要在多种条件(例如多种照明模式、多种掩模图形、多个图形周期、多个曝光剂量、多个离焦位置)下分别对CD进行重复多次测量，耗费大量的光刻机机时和测量时间。基于光学模型的匹配技术利用光刻机光学模型进行可调参数灵敏度计算，不需要进行耗时的CD测量，避免了测量噪声和光刻胶模型标定误差对匹配精度的影响，既准确又快速，当光刻机是造成成像性能不匹配的主要影响因素时具有较高的匹配精度，是大规模量产环境中常用的技术。基于光学模型的匹配技术通过匹配空间像CD(在先技术1，茅言杰，李思坤，王向朝,光刻机匹配方法，201810811341.5(2018))或交叉传递函数(在先技术2，YuC,Feng H Y,Ye J,METHODS AND SYSTEM FOR MODEL-BASED GENERC MATCHING ANDTUNING,US 2010/0146475A1(2010))实现光刻机曝光性能的匹配。光刻机匹配中针对含微反射镜阵列自由照明系统的光刻机，通常采用光源优化实现待匹配光刻机光源的调整。该方法首先通过光源优化生成待匹配光刻机的目标光源图形，再通过微反射镜阵列镜片分配算法(MAA)根据生成的光源计算照明系统微反射镜阵列的参数，最后将微反射镜阵列参数输入光刻机照明系统。由于照明系统生成的光源与目标光源不完全一致，该差异会使得CD误差增大，降低了匹配精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光刻机匹配方法，在匹配模型中加入微反射镜阵列模型，通过差分进化算法直接优化光源参数，明显减小了微反射镜阵列产生照明光源的过程导致的匹配误差，有效提高了光刻机匹配精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机匹配方法，该方法包括如下步骤：

1)光刻机和涂胶显影机检查

首先对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查。待检查的参数包括投影物镜冷像差、照明的椭圆度、照明的部分相干因子、激光光源稳定性、杂散光水平、照明均匀性、掩模台工件台同步误差等。检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的这些参数已正确设定，如果发现参数与工艺说明书规定的参数不一致的，对这些参数进行调整，确保参考光刻机和待匹配光刻机正常工作，并处于最佳工作状态。检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，确保光刻胶批次相同，CD检测系统工作状态正常。工艺说明书在光刻工艺研发阶段确定，包括设备参数、流程、各项指标的要求等和光刻工艺相关的说明。

2)曝光验证

采用一维线空图形掩模(通常采用一维through-pitch图形)或事先筛选出的量产用二维图形掩模作为测试掩模。参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模并对掩模进行曝光。使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD。如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异超过工艺说明书允许的范围，则需要对光刻机进行匹配，否则无需匹配。

3)光刻机匹配

读取参考光刻机的状态文件(SFF)，状态文件中包含了光刻机的投影物镜的数值孔径、照明系统部分相干因子、实测的照明系统光瞳分布、曝光剂量、离焦量、实测的投影物镜像差、工件台倾斜因子、光刻机光学系统的机械振动水平、激光带宽等光刻机特征信息。根据参考光刻机状态文件对光刻仿真软件进行设定，计算阈值T_r下的测试掩模空间像的CD值，记为N_Feature为匹配目标图形数量。读取待匹配光刻机状态文件，根据待匹配光刻机状态文件设定光刻仿真软件输入参数。设定种群规模N、自适应控制参数c∈[0,1]、变异控制参数p∈(0,1]，最大迭代次数G_max，目标函数阈值F_s，光源最大值S_max。

采用差分进化算法计算待匹配光刻机的目标光源参数。计算中的单个参数向量称为个体，全部个体称为种群。首先初始化第一代种群x_j,1(j＝1,2,…,N)，将参考光刻机测量所得光源图形S_Ref转换为微反射镜产生的理想强度分布含有微反射镜阵列的照明系统的光源表示方法如公式(1)所示

其中N_Mirror为微反射镜数量，I_Mirror为微反射镜的光强系数，可用于调整生成光源的光瞳填充比例(PFR)，为微反射镜的光斑函数，该函数包括微反射镜表面形貌、粗糙度和照明系统等因素对光源形状的影响。为第i_Mirror个微反射镜产生的理想强度分布，采用理想点描述

采用镜片分配算法计算获得，在先技术3提供了一种镜片分配算法(在先技术3，Wei L D,Li Y Q,Hybrid approach for the design of mirror array to producefreeform illumination sources in immersion lithography,Optik 125:6166–6171(2014))，公式(1)、(2)构成微反射镜阵列模型。对全部光源点的理想强度和I_Mirror进行编码，编码后的D维向量为其中和分别为对应的极坐标下的极径与极角，和与第i_Mirror个微反射镜X、Y方向倾角参数对应，即第i_Mirror个微反射镜的倾角参数可通过和直接进行计算，具体计算方式根据照明系统光学设计确定，参考在先技术3及在先技术4(在先技术4，邢莎莎，冉英华，江海波等，基于微反射镜阵列的光刻照明模式变换系统设计，光学学报，35(11):1111002(2015))。将该D维向量x作为一个初始个体，其他个体的随机生成。迭代计算待匹配光刻机的目标光源参数，迭代具体步骤为：

①对第1代的种群x_j,1(j＝1,2,...,N)根据公式(1)分别计算对应的光源图形S_j,1，根据光源图形S_j,1采用经过待匹配光刻机状态文件设定的光刻仿真软件计算阈值T_r下的空间像的CD值，记为并计算个体x_j,1对应的目标函数F_Ext,j,1，计算公式如下：

其中

或S为计算F所用的光源图形。

②搜索第k(k＝1,2,...,G_max)代个体中目标函数最小的个体x_best,k，其目标函数值记为若或k＞G_max，执行⑧。

③令j＝1。

④在第k代种群x_j,k(j＝1,2,…,N)中随机选出x_r0,k，x_r1,k和x_r2,k三个不同的个体，采用公式(5)生成变异向量v_j,k。

其中为目标函数较小的前100p％的个体中随机选取的个体，ω_j为缩放因子

ω_j＝randc_j(μ_ω,k,0.1) (6)

其中randc(·)为服从柯西分布的随机数，μ_ω为柯西分布位置参数。

⑤采用公式(7)生成测试向量u_j,k＝[u_1,j,k,u_2,j,k,…,u_l,j,k,…,u_D,j,k]:

其中rand(a,b)为区间(a,b]服从均匀分布的随机数，j_rand＝randint_j(1,D)为1到D之间随机生成的整数。C_R,j∈(0,1]为交叉概率，根据公式(8)生成。

C_R,j＝randn_j(μ_CR,k,0.1)， (8)

其中μ_CR为高斯分布位置参数，交叉概率决定了测试向量从变异向量继承的平均块大小。完成后执行⑥。

⑥选取向量x_j,k和测试向量u_j,k中目标函数F_Ext较小的向量作为下一代种群的个体：

如果测试向量u_j,k的目标函数小于向量x_j,k，则此时称为成功的更新。令j＝j+1，返回④，直至j＝N，即完成第k代种群的全部个体更新。

⑦更新高斯分布位置参数μ_CR和柯西分布位置参数μ_ω的值。μ_CR的更新公式为

μ_CR,k+1＝(1-c)μ_CR,k+c·mean_A(Ω_CR,k) (10)

其中mean_A(·)为算数平均数，Ω_CR,k为第k代种群中成功更新的向量对应的参数C_R的集合，μ_CR初始值为0.5。μ_ω的更新公式为：

μ_ω,k+1＝(1-c)μ_ω,k+c·mean_L(Ω_ω,k) (11)

其中Ω_ω,k为第k代种群成功更新的向量对应的参数ω的集合，μ_ω的初始值为0.5。mean_L(·)为Lehmer平均数

完成后执行②。

⑧终止迭代，将目标函数最小的个体x_best根据照明系统光学设计转换为微反射镜阵列参数输出。

4)曝光验证

根据求解出的待匹配光刻机的微反射镜阵列参数输入待匹配光刻机。待匹配光刻机加载测试掩模进行曝光并显影。使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD。如果待匹配光刻机与参考光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异小于工艺说明书许可的范围，则光刻机匹配完成，否则匹配失败，需要重新进行光学临近效应校正(OPC)或光源掩模优化(SMO)对掩模进行设计。

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明在匹配中加入了描述光刻机照明系统的光源模型，在匹配过程中直接优化照明系统参数，明显减小了微反射镜阵列产生照明光源的过程导致的匹配误差，有效提高了光刻机匹配精度。

2.本发明通过调整优化参数I_Mirror可以有效控制匹配生成光源的光瞳填充比例。

附图说明

图1是本发明实施例所采用的参考光刻机照明光源。

图2是本发明实施例所采用的垂直线条掩模图形。

图3是本发明实施例匹配后的待匹配光刻机的照明光源。

图4是本发明实施例匹配后的待匹配光刻机的照明系统微反射镜阵列生成的理想光源分布。

图5是本发明实施例匹配前后参考光刻机和待匹配光刻机不同周期的线空图形的CD误差。

图6是采用本发明进行光刻机匹配步骤的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

本实施例参考光刻机的照明光源强度分布图1所示，白色区域亮度值为1，黑色区域亮度值为0，微反射镜数量为4096，光斑函数采用圆形高斯函数

其中σ_r＝0.03，光源采样网格为101×101。采用的匹配掩模为图2所示的一维through-pitch线空图形掩模，掩模图形线宽为45nm，类型为二值掩模，白色区域透射率取值为1，黑色区域透射率取值为0，掩模图形的周期为120nm，140nm，160nm，…，1000nm的水平和垂直线空图形共90个，即N_Feature＝90。参考光刻机和待匹配光刻机均为浸没式，光刻机工作波长均为193nm，光刻机投影物镜数值孔径设置为1.35，浸没液折射率为1.44，投影物镜放大倍率0.25。光刻机的匹配步骤如下：

1)光刻机和涂胶显影机检查

对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查，待检查的参数包括投影物镜冷像差、照明的椭圆度、照明的部分相干因子、激光光源稳定性、杂散光水平、照明均匀性、掩模台工件台同步误差等。检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如果发现参数与工艺说明书规定的参数不一致的，对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机正常工作。检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，确保光刻胶批次相同，CD检测系统工作状态正常。

2)曝光验证

采用一维through-pitch图形掩模作为测试掩模。参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模并对掩模进行曝光。使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD。两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异较大，进行光刻机匹配。

3)光刻机匹配

设定种群规模N＝50、自适应控制参数c＝0.1、变异控制参数p＝0.05，最大迭代次数G_max＝1000，目标函数阈值F_s＝0，光源最大值S_max＝1，空间像CD阈值T_r＝0.3。读取参考光刻机的状态文件，根据参考光刻机状态文件对光刻仿真软件进行设定，计算阈值T_r下的测试掩模空间像的CD值，记为读取待匹配光刻机状态文件，根据待匹配光刻机状态文件设定光刻仿真软件输入参数。

初始化第一代种群x_j,1(j＝1,2,…,N)。将参考光刻机测量所得光源图形S_Ref根据公式(2)采用镜片分配算法计算光源点的理想强度

其中N_Mirror为微反射镜数量，I_Mirror为微反射镜的光强系数，为微反射镜的光斑函数。为第i_Mirror个微反射镜产生的理想强度分布

对和I_Mirror进行编码，编码后的向量为

其中和分别为对应的极坐标下的极径与极角。将该向量x作为初始个体x_1,1，其他个体的随机生成。迭代计算待匹配光刻机的目标光源参数，迭代具体步骤为：

①对第1代的种群x_j,1根据光源模型分别计算对应的光源图形S_j,1，根据光源图形S_j,1采用经过待匹配光刻机状态文件设定的光刻仿真软件计算阈值T_r下的空间像的CD值，记为并计算个体x_j,1对应的目标函数F_Ext,j,1，计算公式如下：

其中S为计算F_Ext所用的光源图形。

②搜索第k(k＝1,2,...,G_max)代个体中目标函数最小的个体x_best,k，其目标函数值记为若或者k＞G_max，执行⑧。

③令j＝1。

④在第k代种群个体x_j,k(j＝1,2,…,N)中随机选出x_r0,k，x_r1,k和x_r2,k三个不同的个体，生成变异向量

其中为目标函数较小的前100p％的个体中随机选取的个体，ω_j＝randc_j(μ_ω,k,0.1)。

⑤生成测试向量u_j,k＝[u_1,j,k,u_2,j,k,…,u_l,j,k,…,u_D,j,k]:

其中j_rand＝randint_j(1,D)为1到D之间随机生成的整数，C_R,j＝randn_j(μ_CR,k,0.1)。

⑥选取向量x_j,k和测试向量u_j,k中目标函数F_Ext较小的向量作为下一代种群的个体：

令j＝j+1，返回④，直至j＝N，即完成第k代种群的全部个体更新。

⑦更新高斯分布位置参数μ_CR和柯西分布位置μ_ω的值。μ_CR的更新公式为

μ_CR,k+1＝(1-c)μ_CR,k+c·mean_A(Ω_CR,k)， (9)

其中Ω_CR,k为第k代种群中成功更新的向量对应的参数C_R的集合。μ_ω的更新公式为：

μ_ω,k+1＝(1-c)μ_ω,k+c·mean_L(Ω_ω,k) (10)

其中Ω_ω,k为第k代种群成功更新的向量对应的参数ω的集合。完成后执行②；

⑧终止迭代，将目标函数最小的个体x_best根据照明系统光学设计转换为微反射镜阵列参数输出。

4)曝光验证

将⑧得到的待匹配光刻机的微反射镜阵列参数输入待匹配光刻机，加载测试掩模进行曝光并显影。使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD。

匹配后的光源形状如图3所示，生成的理想强度分布如图4所示，参考光刻机和待匹配光刻机的CD误差如图5所示，CD误差RMS值由匹配前的4.814nm下降到匹配后的0.271nm，下降94.4％，有效降低了光刻机之间的CD误差。

以上所述只是本发明的一个具体实施例，该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，皆应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光刻机匹配方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1)读取参考光刻机的状态文件，根据参考光刻机状态文件对光刻仿真软件进行设定，计算阈值T_r下的测试掩模空间像的CD值，记为N_Feature为匹配目标图形数量；

读取待匹配光刻机状态文件，根据待匹配光刻机状态文件设定光刻仿真软件输入参数；设定种群规模N、自适应控制参数c、变异控制参数p，最大迭代次数G_max，目标函数阈值F_s，光源最大值S_max；

步骤2)计算待匹配光刻机的初始光源参数

将参考光刻机测量所得光源图形S_Ref转换为微反射镜阵列产生的理想强度分布公式如下；

其中N_Mirror为微反射镜数量，I_Mirror为微反射镜的光强系数，为微反射镜的光斑函数；为第i_Mirror个微反射镜产生的理想强度分布

步骤3)对和I_Mirror进行编码，编码后的D维向量其中和分别为光源参数对应的极坐标下的极径与极角，和与第i_Mirror个微反射镜X、Y方向倾角参数对应；

将D维向量x作为一个初始个体x_1,1，其他个体x_j,1(j＝2,3，…,N)随机生成；

步骤4)迭代计算待匹配光刻机的目标光源参数，具体步骤为：

①对第1代种群x_j,1(j＝1,2,…,N)根据微反射镜阵列产生的理想强度分布分别计算对应的光源图形S_j,1，根据光源图形S_j,1采用根据待匹配光刻机状态文件进行了参数设定的光刻仿真软件计算阈值T_r下的空间像的CD值，记为并计算每个个体x_j,1对应的目标函数F_Ext,j,1，公式如下：

其中或S为计算F所用的光源图形；

②搜索第k(k＝1,2,...,G_max)代个体中目标函数最小的个体x_best,k，其目标函数值记为若或者k＞G_max，执行⑧；

③令j＝1；

④在第k代种群x_j,k(j＝1,2,…,N)中随机选出x_r0,k，x_r1,k和x_r2,k三个不同的个体，生成变异向量v_j,k，

其中为目标函数较小的前100p％的个体中随机选取的个体，ω_j为缩放因子ω_j＝randc_j(μ_ω,k,0.1)，randc(·)为服从柯西分布的随机数，μ_ω为柯西分布位置参数；

⑤生成测试向量u_j,k＝[u_1,j,k,u_2,j,k,…,u_l,j,k,…,u_D,j,k]：

其中rand(a,b)为区间(a,b]服从均匀分布的随机数，j_rand＝randint_j(1,D)为1到D之间随机生成的整数，C_R,j∈(0,1]为交叉概率C_R,j＝randn_j(μ_CR,k,0.1)，μ_CR为高斯分布位置参数；

⑥以向量x_j,k和测试向量u_j,k中目标函数F_Ext较小的向量作为下一代参数向量，即

如果测试向量u_j,k的目标函数小于向量x_j,k，则为成功的更新；

令j＝j+1，返回④，直至j＝N，即完成第k代种群的全部个体更新；

⑦更新高斯分布位置参数μ_CR和柯西分布位置参数μ_ω，公式如下：

μ_CR,k+1＝(1-c)μ_CR,k+c·mean_A(Ω_CR,k) (6)

μ_ω,k+1＝(1-c)μ_ω,k+c·mean_L(Ω_ω,k) (7)

其中mean_A(·)为算数平均数，mean_L(·)为Lehmer平均数，Ω_CR,k为第k代种群中成功更新的向量对应的参数C_R的集合，Ω_ω,k为第k代种群成功更新的向量对应的参数ω的集合，μ_CR的初始值为0.5，μ_ω的初始值为0.5；

完成后执行②；

⑧终止迭代，将目标函数最小的个体x_best根据照明系统光学设计转换为微反射镜阵列参数输出；

步骤5)曝光验证：将⑧得到的微反射镜阵列参数输入待匹配光刻机，并加载测试掩模进行曝光和显影；

利用CD检测系统测量待匹配光刻机曝光产生的光刻胶图形CD，并与参考光刻机曝光产生的光刻胶图形CD进行比较，如果两幅光刻胶图形CD之间的差异在工艺说明书允许的范围之内，则光刻机匹配完成，否则重新进行光学临近效应校正或光源掩模优化对掩模进行设计。

2.根据权利要求1所述的光刻机匹配方法，其特征在于所述的测试掩模为一维线空图形掩模或二维图形掩模。

3.根据权利要求1所述的光刻机匹配方法，其特征在于，该方法还包括前期准备阶段，即对光刻机和涂胶显影机进行检查，具体如下：

对参考光刻机和待匹配光刻机进行检查，包括投影物镜冷像差、照明的椭圆度、照明的部分相干因子、激光光源稳定性、杂散光水平、照明均匀性和掩模台工件台同步误差的参数，如果发现参数与说明书规定的参数不一致，对参数进行调整，确保参考光刻机和待匹配光刻机正常工作；

检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，确保涂胶显影机正常工作，CD检测系统工作状态正常，且光刻胶批次相同。