CN111458985B - 一种光刻中颗粒类污染的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种光刻中颗粒类污染的测量方法，通过光学测量得到颗粒类污染的测量光谱，通过建模仿真得到颗粒类污染的模拟光谱数据库；通过数值拟合，在模拟光谱数据库中寻求与测量光谱相匹配的光谱作为拟合光谱，将拟合光谱对应的物理模型作为匹配物理模型；从匹配物理模型中读取颗粒的参数信息，作为颗粒类污染的测量结果，根据测量结果判断颗粒类污染的类型。本发明解决了现有技术中测量光刻过程中污染的分辨率较低、测量速度较慢的问题。本发明可以对光刻过程中的污染进行实时测量，且测量的分辨率高、测量速度快，能够判断出颗粒类污染的具体类型。

Description

一种光刻中颗粒类污染的测量方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光刻中颗粒类污染的测量方法。

背景技术

在半导体集成电路、平板显示等领域，光刻(Photolithography)是最普遍使用的微纳加工技术。在光刻加工中，预先刻制在掩膜版的图案通过光学手段投影在光敏材料光刻胶上，在光刻胶上复制出要加工的图案；然后再通过后续的刻蚀、清洗等工艺将图案传递到基底，形成功能器件。所以光刻决定了器件的线宽，如果在光刻的过程中产生了污染，比如说液体、颗粒等，就会造成器件的缺陷，从而影响到器件的良率。随着器件加工尺寸的减小，污染尤其是颗粒类污染造成的缺陷愈发明显，会对产品的良率产生很大的影响。

目前针对污染的测量手段有两种，分别是光学显微镜和电子显微镜。针对大尺寸的颗粒，通常会采用光学显微镜，光学显微镜的优势是测量速度快，但是缺点是受衍射极限的限制，只能测量到亚波长，通常是几百纳米尺寸的颗粒。对于更小的颗粒，可以采用的手段是电子显微镜测量，但是电子显微镜的缺点是测量速度低，而且对于光刻胶是有不可逆的损伤的，不适用于光刻的实时测量。

发明内容

本申请实施例通过提供一种光刻中颗粒类污染的测量方法，解决了现有技术中测量光刻过程中污染的分辨率较低、测量速度较慢的问题。

本申请实施例提供一种光刻中颗粒类污染的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、采用光学测量系统对颗粒类污染进行光学测量，得到颗粒类污染的测量光谱；

步骤2、通过建模仿真，得到颗粒类污染的模拟光谱数据库；

步骤3、通过数值拟合，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱作为拟合光谱，将所述拟合光谱对应的物理模型作为匹配物理模型；

步骤4、从所述匹配物理模型中读取颗粒的参数信息，作为颗粒类污染的测量结果，根据所述测量结果判断颗粒类污染的类型。

优选的，所述步骤2的实现方式为：

建立颗粒类污染的物理模型，通过对不同类型的颗粒类污染进行颗粒光谱的仿真，得到所述模拟光谱数据库。

优选的，所述颗粒类污染的物理模型包括：材料数据库、环境数据库、结构数据库；

所述材料数据库包含不同材料的光学模型；

所述环境数据库包含光学测量系统的参数信息；

所述结构数据库包含颗粒类污染的结构模型。

优选的，利用光学测量系统对不同材料的薄膜进行测量，根据不同材料的薄膜产生的干涉光的强度分布得到不同材料的光学模型。

优选的，所述光学测量系统的参数信息包括但不限于光源的波长信息、强度信息、偏振信息，采集装置的像素、分辨率，光学测量系统的数值孔径。

优选的，所述颗粒类污染的结构模型包括：污染颗粒结构模型、基底结构模型；

所述基底结构模型由多层薄膜组成，每种薄膜的光学参数从所述材料数据库中读取。

优选的，所述污染颗粒结构模型中，采用大小一致的结构体来模拟污染颗粒，采用不同的排列周期来表征污染颗粒的分布密度；所述污染颗粒结构模型中每种材料的光学参数从所述材料数据库中读取。

优选的，所述步骤3中，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱时，若得到一个匹配程度最高的备选拟合光谱，则将所述备选拟合光谱作为所述拟合光谱。

优选的，所述步骤3中，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱时，若得到多个匹配程度相似的备选拟合光谱时，则将所述多个备选拟合光谱进行加权平均得到所述拟合光谱。

优选的，所述步骤1的实现方式为：

通过光源产生连续波长激光，光束入射至分光装置后形成第一光束、第二光束；所述第一光束入射至第一采集装置，通所述第一采集装置采集所述第一光束的光强，并作为参考光；所述第二光束照射至基底，通过所述第二采集装置采集所述基底上的颗粒类污染产生的散射光的光强，并作为测量光；将所述测量光减去所述参考光得到输出光强，每个波长对应的输出光强组成光谱曲线，将所述光谱曲线作为所述测量光谱。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，采用光学测量系统对颗粒类污染进行光学测量，得到颗粒类污染的测量光谱；通过建模仿真，得到颗粒类污染的模拟光谱数据库；通过数值拟合，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱作为拟合光谱，将所述拟合光谱对应的物理模型作为匹配物理模型；从所述匹配物理模型中读取颗粒的参数信息，作为颗粒类污染的测量结果，根据所述测量结果判断颗粒类污染的类型。即本发明一方面利用了光学测量高测量速度、对测量目标无损伤的优点，另一方面采用建模仿真的方法可以突破衍射极限的限制，使得测量的尺寸可以达到纳米级别。本发明可以对光刻过程中的污染进行实时测量，且测量的分辨率高、测量速度快，能够判断出颗粒类污染的具体类型。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光刻中颗粒类污染的测量方法中采用的光学测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光刻中颗粒类污染的测量方法的流程示意图；

图3a为本发明实施例提供的一种光刻中颗粒类污染的测量方法中基底的仿真模型；

图3b为本发明实施例提供的一种光刻中颗粒类污染的测量方法中污染颗粒的仿真模型；

图4为本发明实施例提供的一种光刻中颗粒类污染的测量方法中光谱数值拟合的原理示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种光刻中颗粒类污染的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、采用光学测量系统对颗粒类污染进行光学测量，得到颗粒类污染的测量光谱。

具体的，通过光源产生连续波长激光，光束入射至分光装置后形成第一光束、第二光束；所述第一光束入射至第一采集装置，通所述第一采集装置采集所述第一光束的光强，并作为参考光；所述第二光束照射至基底，通过所述第二采集装置采集所述基底上的颗粒类污染产生的散射光的光强，并作为测量光；将所述测量光减去所述参考光得到输出光强，每个波长对应的输出光强组成光谱曲线，将所述光谱曲线作为所述测量光谱。

步骤2、通过建模仿真，得到颗粒类污染的模拟光谱数据库。

建立颗粒类污染的物理模型，通过对不同类型的颗粒类污染进行颗粒光谱的仿真，得到所述模拟光谱数据库。

其中，所述颗粒类污染的物理模型包括：材料数据库、环境数据库、结构数据库。

所述材料数据库包含不同材料的光学模型。具体的，利用光学测量系统对不同材料的薄膜进行测量，根据不同材料的薄膜产生的干涉光的强度分布得到不同材料的光学模型。

所述环境数据库包含光学测量系统的参数信息。具体的，所述光学测量系统的参数信息包括但不限于光源的波长信息、强度信息、偏振信息，采集装置的像素、分辨率，光学测量系统的数值孔径。

所述结构数据库包含颗粒类污染的结构模型。具体的，所述颗粒类污染的结构模型包括：(1)污染颗粒结构模型、(2)基底结构模型。所述基底结构模型由多层薄膜组成，每种薄膜的光学参数从所述材料数据库中读取。所述污染颗粒结构模型中，采用大小一致的结构体来模拟污染颗粒，采用不同的排列周期来表征污染颗粒的分布密度；所述污染颗粒结构模型中每种材料的光学参数从所述材料数据库中读取。

步骤3、通过数值拟合，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱作为拟合光谱，将所述拟合光谱对应的物理模型作为匹配物理模型。

其中，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱时，若得到一个匹配程度最高的备选拟合光谱，则将所述备选拟合光谱作为所述拟合光谱。在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱时，若得到多个匹配程度相似的备选拟合光谱时，则将所述多个备选拟合光谱进行加权平均得到所述拟合光谱。

步骤4、从所述匹配物理模型中读取颗粒的参数信息，作为颗粒类污染的测量结果，根据所述测量结果判断颗粒类污染的类型。

为了更好地理解本发明，下面对本发明做进一步的说明。

本发明首先建立了一种光学测量系统，如图1所示，包括：光源11、第一透镜12、分光装置(例如分光棱镜)13、第二透镜14、第一采集装置(例如CCD数码摄相机)15、第三透镜16、第四透镜19、第二采集装置(例如CCD数码摄相机)110。

所述光源11产生连续波长激光，波长范围从200到1000纳米，通过所述第一透镜12汇聚为平行光后照射到所述分光装置13上，产生两束分光(分别记为第一光束、第二光束)，所述第一光束通过所述第二透镜14聚焦后入射至所述第一采集装置15，所述第一采集装置15采集的光强作为参照光；所述第二光束通过所述第三透镜16聚焦后照射到已经覆盖了光刻胶的基底17上面，所述基底17上的颗粒类污染18产生的散射光通过所述第四透镜19聚焦后被所述第二采集装置110采集，采集的光强作为测量光。测量光减去参考光后就可以得到最终测量的光强信息，这样的归一化处理可以摒除由于光源不稳定性和光学系统自身造成的干扰。

本发明通过上述光学测量系统实现对颗粒类污染的光学测量。

本发明还包括一套将光学测量、建模仿真、数值拟合相结合的测量方法，流程图如图2所示。

一方面建立由材料数据库23、环境数据库24、结构数据库25组成的颗粒类污染的物理模型22，通过对不同类型的颗粒类污染进行颗粒光谱的仿真26计算，得到一个模拟光谱数据库27。另一方面，运用光学测量系统对颗粒类污染进行实际的光学测量21，得到颗粒类污染的测量光谱28。测量光谱和模拟光谱通过数值拟合29的方法，在模拟光谱数据库27中选出与测量光谱28最接近的光谱作为最优模拟光谱，最优模拟光谱对应的物理模型就是最优物理模型210。从最优物理模型210中读取颗粒的结构、材料等参数，作为颗粒类污染的测量结果211，并依此来判断颗粒类污染的类型。

具体的，建模仿真需要首先建立三个数据库：材料数据库23、环境数据库24、结构数据库25。

所述材料数据库23里包含了不同材料的光学性质，利用光学测量系统对不同材料的薄膜进行测量，光在薄膜处会发生干涉，干涉光的强度分布由薄膜的厚度t和薄膜材料的折射率[n，k]决定；光学测量采用连续光谱，材料的折射率[n(λ)，k(λ)]是随着波长而变化的，所以这里用材料的模型来描述，介质材料可以用Cauchy模型，金属材料可以用Lorenzo模型等等。基于大量不同材料的光学折射率数据，可以建立一个材料数据库23。所述材料数据库23可以通过加入新的材料测量结果实现扩展。

所述环境数据库24包含了光学测量系统的各项基本参数，包括光源的波长范围、强度、偏振，CDD高速摄像机的像素、分辨率，光学系统的数值孔径等等。

所述结构数据库25包含了污染颗粒的结构模型，包括污染颗粒的材料、形状、尺寸、密度；以及污染颗粒所在的基底的模型，所述基底通常为多层薄膜结构，包括每层的材料、厚度。这里因为污染颗粒的形状多为不规则结构，需要用规则形状的近似模型来描述。

上述三个数据库相结合就可以建立光刻中颗粒类污染的物理模型22。物理模型中被测量目标的结构模型可以用结构数据库25中的污染颗粒结构模型和基底结构模型进行组合而获得。污染颗粒结构模型、基底结构模型中每种材料的光学参数[n(λ)，k(λ)]可以从所述材料数据库23中读取；而仿真所需要的输入输出设置、环境参数、边界条件等则可以从所述环境数据库24中读取。颗粒类污染的物理模型可以通过颗粒光谱的仿真26计算得到对应的模拟光谱，这里的模拟光谱的输出格式是由每个波长对应的输出光强组成的光谱曲线，其中输出光强可以对比输入光强进行归一化处理获得相对输出光强。这里所运用的仿真方法包括但不局限于严格耦合波分析(RCWA)、时域有限差分方法(FDTD)、有限元法(FEM)。颗粒类污染有着不同的种类、材料，即使是同一种类的污染颗粒也存在着大小、密度等差异；而基底的构成则与实际的制程有关，具有更多的差异性。根据这些不同情况建立的物理模型，通过仿真会得到一系列不同的模拟光谱，而这些模拟光谱的组合就构成了一个模拟光谱数据库27。所述模拟光谱数据库27可以通过添加新物理模型的仿真结果进行扩展。

接下来将所述测量光谱28和所述模拟光谱数据库27中的模拟光谱进行比对，运用最小二乘法等数值拟合29方法选出最接近测量光谱的一个模拟光谱，或者是几个光谱的加权平均作为最优拟合光谱。而这个最优模拟光谱对应的物理模型就是最优物理模型210，这个模型中参数可以被读取出来作为污染颗粒的测量结果211，其中包括污染颗粒的材料、尺寸和密度，并可由此判断颗粒类污染的类型。

本发明中，建立基底的优化物理模型是一个关键的步骤。如图3a所示，实际的工艺中，在加工完一层结构后，会利用CMP抛光技术将表面平整化，再其上覆盖功能材料、掩膜层、光刻胶等薄膜，厚度通常为几十到几百纳米。而在光学测量中，覆盖的多层薄膜可以有效地吸收底层结构的散射光。这样从物理模型的角度出发，利用薄膜材料的光吸收特性，可以将基底的实际复杂结构31简化为只有多层薄膜的模型32。

另外，颗粒类污染一般是以不规则的形状33存在，而且可能每一个颗粒的形状都不相同，且随机分布在基底表面(如图3b中的34所示)。在物理模型中，为了建模的需求，可以用大小一致的结构体(例如立方体35或球体36)来模拟污染颗粒，排列方式选用周期性分布(如图3b中的37、38所示)，并且可以用不同的排列周期来表征颗粒的分布密度。

本发明中，另一个重要的步骤是测量光谱和模拟光谱数据库的数值拟合。如图4所示，模拟光谱数据库41是根据对污染颗粒的仿真建模所得到的光谱集合，如果有新的模型建立，可以随时补充到模拟光谱数据库41中。实际的测量光谱42会和模拟光谱有一定差异，差异的来源主要是物理模型的近似性，测量的噪音等因素。这里可以采用最小二乘法进行数值拟合43，在模拟数据库中寻找对测量光谱的最佳拟合，从而得到最佳物理模型44。在实际的数值拟合中，可能会出现测量光谱介于几个模拟光谱之间，难以确定最佳拟合的情况，这种情况下可以对这几种模拟光谱进行加权平均来获得最佳拟合的方法。

测量光谱＝∑权重n×模拟光谱n+残差

但是考虑到数值拟合的准确性，最终结果中只采用权重>10％的模拟光谱。

此外，从这几种模拟光谱对应的物理模型中，可以分别获得颗粒类污染的类型，以及每种类型污染颗粒的尺寸、分布密度等信息。

即本发明中还采用了最小二乘法进行数值拟合43，在模拟光谱数据库41中寻找测量光谱42的最佳拟合，从而得到最佳物理模型44。

最后从最佳物理模型中读取颗粒的参数信息，作为颗粒类污染的测量结果，根据所述测量结果判断颗粒类污染的类型。

本发明实施例提供的一种光刻中颗粒类污染的测量方法至少包括如下技术效果：

本发明利用光学测量和建模仿真相结合，一方面利用了光学测量高测量速度、对测量目标无损伤的优点，另一方面采用的建模仿真方法可以突破衍射极限的限制，使得测量的尺寸可以达到纳米级别。本发明可以对光刻过程中的污染进行实时测量，且测量的分辨率高、测量速度快，能够判断出颗粒类污染的具体类型。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种光刻中颗粒类污染的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用光学测量系统对颗粒类污染进行光学测量，得到颗粒类污染的测量光谱；

通过光源产生连续波长激光，光束入射至分光装置后形成第一光束、第二光束；所述第一光束入射至第一采集装置，通所述第一采集装置采集所述第一光束的光强，并作为参考光；所述第二光束照射至基底，通过第二采集装置采集所述基底上的颗粒类污染产生的散射光的光强，并作为测量光；将所述测量光减去所述参考光得到输出光强，每个波长对应的输出光强组成光谱曲线，将所述光谱曲线作为所述测量光谱；

步骤2、通过建模仿真，得到颗粒类污染的模拟光谱数据库；

建立颗粒类污染的物理模型，通过对不同类型的颗粒类污染进行颗粒类污染光谱的仿真，得到所述模拟光谱数据库；

步骤3、通过数值拟合，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱作为拟合光谱，将所述拟合光谱对应的物理模型作为匹配物理模型；

步骤4、从所述匹配物理模型中读取颗粒类污染的参数信息，作为颗粒类污染的测量结果，根据所述测量结果判断颗粒类污染的类型；

所述颗粒类污染的物理模型包括：材料数据库、环境数据库、结构数据库；

所述材料数据库包含不同材料的光学模型；

所述环境数据库包含光学测量系统的参数信息；

所述结构数据库包含颗粒类污染的结构模型；

所述颗粒类污染的结构模型包括：污染颗粒结构模型、基底结构模型；

所述基底结构模型由多层薄膜组成，每种薄膜的光学参数从所述材料数据库中读取；

所述污染颗粒结构模型中，采用大小一致的结构体来模拟颗粒类污染，采用不同的排列周期来表征颗粒类污染的分布密度；所述污染颗粒结构模型中每种材料的光学参数从所述材料数据库中读取。

2.根据权利要求1所述的光刻中颗粒类污染的测量方法，其特征在于，利用光学测量系统对不同材料的薄膜进行测量，根据不同材料的薄膜产生的干涉光的强度分布得到不同材料的光学模型。

3.根据权利要求1所述的光刻中颗粒类污染的测量方法，其特征在于，所述光学测量系统的参数信息包括光源的波长信息、强度信息、偏振信息，采集装置的像素、分辨率，光学测量系统的数值孔径。

4.根据权利要求1所述的光刻中颗粒类污染的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱时，若得到一个匹配程度最高的备选拟合光谱，则将所述备选拟合光谱作为所述拟合光谱。

5.根据权利要求1所述的光刻中颗粒类污染的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，在所述模拟光谱数据库中寻求与所述测量光谱相匹配的光谱时，若得到多个匹配程度相似的备选拟合光谱时，则将所述多个备选拟合光谱进行加权平均得到所述拟合光谱。

Images