CN111837077A - 用于深紫外(duv)光学成像系统的任意波前补偿器 - Google Patents

用于深紫外(duv)光学成像系统的任意波前补偿器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种系统，其包含：光源，其用于产生照射射束；及照射透镜系统，其用于朝向样本引导所述照射射束。所述系统进一步包含：收集透镜系统，其用于响应于所述照射射束而朝向检测器引导来自所述样本的输出光；及检测器，其用于从所述样本接收所述输出光。所述收集透镜系统包含具有可个别选择的滤波器的固定设计补偿器板，所述可个别选择的滤波器具有不同配置以便在不同操作条件下校正所述系统的系统像差。所述系统也包含控制器，其可操作用于：(i)产生并朝向所述样本引导所述照射射束，(ii)选择操作条件及滤波器以便在此些所选择操作条件下校正所述系统像差，(iii)基于所述输出光产生图像，及(iv)基于所述图像确定所述样本是否通过检验或表征此样本。

Description

用于深紫外(DUV)光学成像系统的任意波前补偿器
相关申请案的交叉参考
本申请案主张张强(Qiang Zhang)等人的2018年3月20日提出申请的标题为“用于深紫外(DUV)光学成像系统的任意波前补偿器(Arbitrary Wavefront Compensator forDeep Ultraviolet(DUV)Optical Imaging System)”的第62/645,394号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案出于所有目的以全文引用方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及晶片及光罩检验系统的领域。更特定来说，本发明涉及用于EUV检验器系统的波前补偿。
背景技术
大体来说，半导体制造工业涉及用于使用以层形式布设并图案化到例如硅的衬底上的半导体材料来制作集成电路的高度复杂技术。集成电路通常由多个光罩或掩模制作。最初，电路设计者将描述特定集成电路(IC)设计的电路图案数据提供到光罩产生系统，所述光罩产生系统将图案数据变换成多个光罩。一种新兴类型的光罩是由多个主要反射层及经图案化吸收器层构成的极紫外(EUV)光罩。一组光罩通常用于多个光刻过程中以将光罩图案转印到半导体晶片中的多个层以借此形成多个集成电路(IC)裸片。
归因于大规模的电路集成及半导体装置的减小的大小，光罩及经制作装置已变得对缺陷越来越敏感。这些缺陷(如果未经校正)可致使最终装置归因于电时序误差而不能满足所要性能。甚至更糟地，此些缺陷可致使最终装置失灵且不利地影响合格率。
随着IC制造中使用的光刻从193nm变迁到极紫外光(EUV)，所关注光掩模特征及缺陷中的缩小大小继续推进对基于成像的深紫外(DUV)光学检验工具的性能极限。此外，由于归因于EUV光掩模的本质导致对像差的较高成像敏感度，因此工具-工具匹配也已变得更困难。存在对光学像差的更严密控制的强烈需求。在EUV掩模检验中除圆形偏光之外，线性偏光的利用已使得此任务因当前透镜涂层设计的本质限制而特别具有挑战性。
发明内容
下文呈现对本发明的经简化发明内容以便提供对本发明的某些实施例的基本理解。本发明内容并非本发明的广泛概述且其不识别本发明的关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以经简化形式呈现本文中所揭示的一些概念作为稍后呈现的较详细说明的前序。
在一个实施例中，揭示一种用于检测半导体样本中的缺陷的检验系统。所述系统包含：光源，其用于产生照射射束；及照射透镜系统，其用于朝向样本引导所述照射射束。所述系统进一步包含：收集透镜系统，其用于响应于所述照射射束而朝向检测器引导来自所述样本的输出光；及检测器，其用于从所述样本接收所述输出光。所述收集透镜系统包含具有多个可个别选择的滤波器的补偿器板，所述可个别选择的滤波器具有不同配置以便在不同操作条件下校正所述系统的系统像差，且每一滤波器具有固定设计。所述系统也包含控制器，其可操作以与所述光源、所述照射透镜系统、所述收集透镜系统及所述检测器协作来执行以下操作：(i)产生并朝向所述样本引导所述照射射束，(ii)选择所述不同操作条件中的一组操作条件及所述滤波器中的所选择滤波器以便在此所选择组操作条件下校正所述系统像差，(iii)响应于所述照射射束基于来自所述样本的所述输出光而产生图像，及(iv)基于所述图像确定所述样本是通过还是未通过检验或表征此样本。
在一个方面中，滤波器板经定位用于在所述系统的图像光瞳处插入所述滤波器中的所选择滤波器。在特定实施方案中，所述滤波器以栅格图案布置于所述补偿器板上，且所述滤波器中的个别滤波器可通过在垂直于所述照射射束的X及Y方向上移动所述滤波器板来选择。在另一实例中，所述滤波器以圆形图案布置于所述补偿器板上，且所述滤波器中的个别滤波器可通过在所述照射射束下旋转所述滤波器板来选择。
在一个实例中，所述不同操作条件包含不同偏光(例如，圆形及线性偏光)。在另一方面中，所述不同操作条件包含不同变焦设定、不同孔径大小及不同波长范围，包含深紫外光范围。在另一方面中，每一滤波器具有涂覆有在厚度上具有变化的介电薄膜的透明衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。在另一方面中，每一滤波器具有在高度上具有变化的透明衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。在替代实施例中，每一滤波器具有涂覆有在厚度上具有变化的介电薄膜的反射衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。在替代实施例中，每一滤波器具有保形地涂覆在衬底的顶部上的在高度上具有变化的反射多层薄膜以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
在另一实施例中，本发明涉及一种在用于检测半导体样本中的缺陷的检验系统中设计及使用补偿器的方法。针对多个不同组操作条件，确定所述检验系统的系统像差，且制作具有用于所述不同组操作条件的多个滤波器以便校正所述经确定系统像差的滤波器板。每一滤波器具有固定设计。在所述检验系统内插入所述滤波器板，使得可将每一滤波器个别地选择为定位于所述检验系统的图像光瞳处。在所述检验系统上，选择所述不同组操作条件中的一组操作条件及所述滤波器中的一个滤波器，所述一个滤波器经配置以校正针对此所选择组操作条件确定的所述系统像差。接着经由所述所选择滤波器且在所述所选择组操作条件下使所述样本成像，使得经由所述系统像差的移除而形成所述样本的图像。
在一个方面中，借助一或多个针孔或阴影掩模使用离子束沉积形成具有可变高度的薄膜来制作所述多个滤波器以便校正所述系统像差。在另一方面中，使用蚀刻过程将衬底蚀刻为具有可变高度来制作所述滤波器以便校正所述系统像差。
下文参考各图来进一步描述本发明的这些及其它方面。
附图说明
图1A是根据本发明的一个实施例使用空间滤波器来补偿DUV成像系统的波前像差的示意性表示。
图1B图解说明根据本发明的一个实施例的栅格型多滤波器板。
图1C图解说明根据本发明的替代实施例的圆型多滤波器板。
图2是图解说明根据本发明的一个实施例的空间滤波器设计过程的流程图。
图3图解说明根据本发明的第一实施方案结合离子束沉积利用针孔沉积掩模的空间滤波器制作技术。
图4图解说明根据本发明的第二实施方案结合离子束沉积利用阵列针孔沉积掩模的空间滤波器制作技术。
图5图解说明根据本发明的第三实施方案利用离子束修琢(ion beam figuring)的空间滤波器制作技术。
图6是根据本发明的特定实施方案使用夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)传感器来测量系统像差的示意性表示。
图7是根据本发明的一个实施例的配置有空间滤波器补偿器的检验系统的示意性表示。
图8是图解说明根据本发明的一个实施例的检验过程的流程图。
图9是图解说明根据本发明的替代实施例在存在场相依像差的情况下的补偿过程的流程图。
图10展示根据本发明的特定实施方案在圆形偏光下特定检验系统中的波前补偿器的所估计性能。
具体实施方式
在以下说明中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。可在无这些特定细节中的一些细节或所有细节的情形下实践本发明。在其它例子中，未详细描述公知的组件或过程操作以免不必要地使本发明模糊。虽然将结合特定实施例描述本发明，但将理解，并不意欲将本发明限制于所述实施例。
介绍：
波前计量及控制对于在衍射极限附近操作的所有高分辨率光学成像系统通常是重要课题。在光学成像系统中存在不期望量的光学像差可导致图像失真及不对称以及图像对比度减小及施特雷尔(Strehl)损失。因此，光学像差与系统性能及质量密切相关。
由于较严密像差控制需要，关键光学组件(特定来说高数值孔径(NA)DUV成像物镜)的产生成本及提前期已显著增加，从而提升工具的总成本。此外，无论物镜的像差何时超出规格，减小此像差通常将需要光学组件的昂贵调换及此些替换部件的长等待时间。
用于像差补偿的一些系统包含基于定位于成像光瞳处的可变形镜的可编程压电或微机电(MEM)系统、定位于成像光瞳处的可编程的基于液晶的空间光调制器(SLM)及成像物镜中的空间上可编程的透镜加热元件。
采用可编程压电或基于MEMS的可变形镜的波前校正机构以反射模式操作。为促进重复镜小面变形，通常使用金属镜涂层，且这些涂层在低于200nm的DUV波长中倾向于具有不良反射率且将危及系统的光学效率。此外，这些装置无法在经延伸时段内维持镜位置且倾向于随时间在大约几分钟漂移。借助于实例，将需要频繁的镜位置校准，这在光罩或晶片的检验过程期间大体上是不切实际的。
归因于较短波长处的强吸收及散射损失，采用可编程的基于液晶的SLM的波前校正机构通常仅支持长于400nm的波长，且因此，并不适合于DUV应用。在成像物镜中采用空间上可编程的透镜加热元件的波前校正机构依赖于在给定透镜元件中诱发大的温度梯度。对于具有相对小的孔径大小的物镜，例如通常用于光罩或晶片检验用途的那些物镜，此大的梯度特征可对物镜的热管理添加显著挑战。举例来说，可能需要物镜的显著且昂贵重新设计以适应此大的温度梯度。
补偿器实施例：
本发明的某些实施例提供一种用于设计、制作及使用定制空间光学滤波器作为波前补偿器的简单及具有成本效率的技术及系统，其可显著改善光学检验系统的系统像差。本文中使用术语“空间滤波器”、“滤波器”、“空间滤波器板”及“滤波器板”来指代用于校正系统像差的静态(不可配置)补偿器(或补偿器组)。在一个实施例中，空间滤波器简单地插入在现有成像系统的成像光瞳位置处。图1是根据本发明的一个实施例使用空间滤波器114来补偿DUV成像系统100的波前像差的示意性表示。如所展示，对象102可通过由多个波前108表示的电磁波形或光(例如，DUV光)从对象102的透射或反射来成像。光穿过任何适合数目及类型的成像光学器件104，这将具有相关联像差。空间滤波器114经设计以补偿此像差，从而导致经补偿波形110，经补偿波形110可接着用于例如经由检测器(未展示)形成对象102的图像106。
区110b是在穿过成像光学器件104之后所述波形的区110a的放大。在没有空间滤波器114的情形下，成像光学器件104将导致失真波前(例如，虚线112a)。波前的不遵循理想非像差波前曲线(例如，实线112b)的这些像差部分将致使射线被散射从而使图像模糊/失真。然而，通过将精心设计的滤波器114插入到成像系统100中可最小化或消除像差效应，从而导致更理想波前，其不具有在没有此滤波器放置的情形下原本将由成像光学器件104造成的像差或具有最小的所述像差。
滤波器板可经设计以含纳多个个别滤波器以便在不同地影响像差的不同操作条件下选择性地插入到光瞳中。即，不同滤波器可经设计以补偿在不同操作条件下存在的不同组像差误差。图1B图解说明根据本发明的一个实施例的栅格型滤波器板114a。如所展示，滤波器板114a包含以栅格图案布局的多个不同滤波器(例如，152a及152b)。可通过在垂直于波前的行进方向的XY平面中移动滤波器板来将个别滤波器选择性地放置于光瞳中。
图1C图解说明根据本发明的替代实施例的圆型滤波器板114b。在此实例中，滤波器板114b包含多个不同滤波器(例如，172a及172b)，其以圆形图案定位使得可选择性地将个别滤波器旋转到光瞳中。滤波器的同心圆也是预期的且可经由旋转及XY移动来选择性定位。
可利用任何适合技术来设计空间滤波器以便用作系统像差补偿器。图2是图解说明根据本发明的一个实施例的空间滤波器设计过程200的流程图。如所展示，在操作202中，可选择初始组操作参数用于确定系统像差。操作参数通常影响针对其中将实施滤波器设计的特定检验或成像系统存在的系统像差误差。借助于实例，操作参数可包含波长范围、偏光设定、变焦设定、数值孔径(NA)等。此外，无论配置有滤波器的系统何时展现像差(例如，当替换或变更光学组件时)，可重复此滤波器设计过程。
在操作204中，接着可针对多个光瞳位置及所选择操作参数确定系统像差误差。可使用任何适合像差确定技术，且下文描述数种实例技术。在操作206中，接着可确定是否出于滤波器设计考虑而存在更多操作参数。如果针对滤波器设计存在更多操作参数，那么可重复所述过程以便确定每一下一组操作参数的系统像差误差。举例来说，针对每一组所选择操作参数获得不同像差误差。举例来说，针对波长范围、偏光设定、变焦设定、NA等的每一不同组合确定不同像差误差。
在确定所有组参数的像差误差之后，在操作208中，接着可设计空间滤波器板。所述空间板可包含多个可选择滤波器，用于校正针对不同组操作参数确定的系统像差。在操作210中，接着可制作空间板并将其插入到检验或成像系统中使得可针对不同操作参数选择个别滤波器。
借助于特定应用，本文中呈现的某些空间滤波器可提供若干个特定特征以实现DUV检验系统的波前补偿的功能性及可行性。优选地，空间滤波器具有具制作成本效率的设计且具有短期及长期波前校正稳定性两者。举例来说，滤波器可经设计以克服DUV光学损坏及光污染而提供相当长的寿命。在某些实施例中，如果系统像差改变(例如，归因于光学器件调换)，那么也可替换此滤波器。在另一特征实例中，空间滤波器具有匹配系统成像孔径大小的孔径大小以装配于此光瞳内。滤波器也可经配置以空间地变更孔径内的透射光学相位以便补偿现有系统光学像差而不在孔径内引入任何显著透射不均匀性。举例来说，透射损失小于10％。某些滤波器实施例的另一特性包含经配置以校正任意系统光学像差，其包含低阶泽尔尼克(Zernike)(Z5-Z16)及高阶泽尔尼克(Z17-Z36)。
在某些实施例中，波前补偿器被设计得足够紧凑以将此滤波器的数个单元装配到现有成像光瞳位置中。举例来说，波前补偿器可包含不同滤波器，其可选择性地移动到光瞳中用于不同操作参数(例如不同偏光设定)的波前校正。举例来说，空间滤波器板可经设计以包含3个滤波器，用于DUV检验系统中的线性-水平、线性-垂直及圆形偏光。
某些波前补偿器实施例可采取具有介电薄膜涂层的一或多个固定波前校正器的形式，所述介电薄膜涂层已经精确控制以具有若干厚度水平的空间变化。滤波器板可经构造以便以透射及反射模式两者工作。在反射模式中，所选择滤波器可与介电镜兼容使得其支持高光学效率。通过选取SiO2作为薄膜材料，此滤波器组合物将在低至193nm的DUV波长下工作良好。此类型的滤波器板也可制成灵活孔径大小以适合任何给定检验系统。举例来说，不同滤波器可针对不同孔径设定具有不同孔径大小。可通过图案化沉积在每一滤波器的顶部上的不透明金属膜(例如铬)来界定所述孔径，或者硬孔径可坐落于光瞳平面处但与滤波器分离。特定滤波器板中的滤波器可具有不同孔径大小。当以透射模式实施时，可在不重新设计光学组件或改变系统光学布局的情形下将滤波器插入在现有检验系统的成像光瞳处。
在一些实例中，波前补偿器可基于具有在膜沉积(或蚀刻)期间被空间地控制的厚度的介电薄膜。薄膜材料可经选取使得其在操作波长下是透明的且也可是非晶态的以最小化不期望的双折射效应。在193nm的DUV检验波长下，SiO2、MgF2、CaF2等工作良好。当然，其它材料可用于其它成像或检验应用，例如不同波长范围。在其它实例中，可选择对于266nm、365nm等工作良好的材料。其它波长范围的实例材料包含Si3N4、Al2O3、HfO2、TiO2、Ta2O5等。
膜的厚度分布可通常经设计以补偿现有检验系统的光学像差。下文进一步描述用于测量系统的像差的数种技术。在一个实例中，可在成像场中的多个位置处测量或计算波前像差，且对应光瞳滤波器经设计以补偿不同场位置处的不同像差。对于若干个波中的经测量光瞳波前φ(x,y)(其中x、y是光瞳坐标)，可通过以下方程式来确定用于透射滤波器实施方案的所要膜厚度：
Figure BDA0002675361150000071
其中λ是波长，n是膜的折射率，且t0是当波前像差可忽略时膜的标称厚度，t0可经选取使得t(x,y)在光瞳孔径内始终是正的。
对于反射模式实施方案，光两次穿过膜使得可通过以下方程式来确定所要膜厚度：
Figure BDA0002675361150000072
在其中波长是193nm且使用1.563的SiO2折射率的特定实例系统中，将补偿100mλ的峰-峰波前差的最大膜厚度变化估计为大约34nm。此配置完全是在针对光学涂层开发的薄膜沉积技术的当前能力内，此些技术通常可以亚纳米范围中的精度来控制膜厚度变化。
任何适合制作技术可用于形成用于补偿系统像差的固定空间滤波器。一个通用制作实施例包含结合薄膜离子束沉积技术使用针孔沉积掩模来实现沉积可变膜厚度的精确空间控制。如图3中所展示，离子束沉积设备300包含离子束产生器或枪302，其用于产生朝向沉积目标306被引导的离子束，这导致沉积材料从目标306喷射及溅射穿过针孔掩模308且到达衬底310上。系统300也可包含中和器304，其用于在离子到达溅射目标306之前中和离子以最小化电荷效应。
对于透射实施方案，滤波器的衬底310可由任何适合刚性及透明材料形成，例如熔融硅石平板等。经沉积的材料可以是具有与衬底材料类似的折射率的任何透明材料以最小化反射，例如SiO2等。对于反射实施方案，衬底310可采取任何刚性反射材料(例如介电镜)的形式，且经沉积的材料也可以是SiO2或具有实现最小光损失的吸收特性的多个层(例如，交替对钼(Mo)及硅(Si)层)等。
离子束沉积过程通常具有极佳沉积方向性及膜质量，但其它沉积技术(例如其它类型的溅射)也是可能的。在所图解说明的离子束沉积期间，经沉积膜将仅穿过针孔在目标的视线中累积于衬底310上的局部化斑点内。可通过针孔的大小及其与衬底310的距离来校准及控制沉积斑点的宽度、形状及生长率。
衬底310可安装于由任何适合移动机构(例如步进电机)驱动的真空兼容的X-Y平移载台(未展示)上。可通过经由计算机/处理器在每一电机步进处控制停留时间来实现所要膜厚度分布。
还展示经沉积膜311的3D透视图314。此3D透视图314中的膜的厚度经展示为在不同XY坐标处具有不同z高度。举例来说，通过在不同XY位置处改变停留时间来将不同量的SiO2的经精确控制沉积经由针孔掩模308沉积到衬底上。
对于大约几毫米的(检验系统的)光瞳孔径大小及对应滤波器大小，针孔大小可选择为大约100微米到200微米。针孔掩模308的厚度也可选择为在亚毫米范围中，取决于经由针孔所见的SiO2目标锥角。
为了经沉积膜的良好质量，峰值沉积速率可限制为大约1埃/秒到2埃/秒。假定光瞳的栅格覆盖范围为15×15，那么估计总沉积时间是5到10小时以便达到34nm的最大膜厚度或100mλ的波前差。
在第二实施方案中，可采用针孔阵列掩模而不是单针孔掩模来加速沉积过程。如图4中所图解说明，在此情形下，可具有与衬底310类似的组合物的衬底410可保持静止。对于待补偿的给定系统像差，制作定制针孔阵列掩模(例如，408)。可个别地修整阵列中的每一针孔的大小，以便产生与所述特定针孔位置(其可被校准)处的所要膜厚度成比例的局部膜生长率。即，对于不同大小的针孔，衬底410上的不同位置将经受膜沉积的不同速率。针对邻近针孔的膜沉积斑点可重叠以确保跨越滤波器衬底410的良好膜覆盖及平滑厚度过渡。沉积持续时间的精心计时给出最终所要膜厚度，与单针孔方法相比，沉积持续时间可短至几分钟。还展示经沉积膜411的3D透视图414。
每一针孔(对于单针孔及针孔阵列的实例)可具有任何适合形状，例如圆形、椭圆形、正方形、长方形、十字形等。此外，阵列型掩模可具有不同形状的针孔。
替代制作技术包含通过使用小阴影掩模(或多个阴影)而不是针孔或针孔阵列掩模来沉积具有受控厚度变化的膜。在此情形中，将一或多个小的盘状阴影掩模插入于SiO2目标与衬底之间中。阴影掩模就在每一掩模后面局部地降低膜生长率。在沉积期间，在受控停留时间内平移衬底。
单针孔及多针孔(或阴影)掩模可各自大体上是导电的并且适当地接地以避免任何电荷堆积。这些针孔/阴影掩模特性可通过在薄金属板上使用具有激光切削的精密机加工(例如钻孔)或光刻印刷及蚀刻过程来实现。
在膜沉积之前，可在衬底上界定且形成清晰孔径，出于对准目的，所述孔径匹配检验系统的光瞳孔径的大小。或者，滤波器的孔径可用作其中将插入滤波器板的系统的硬孔径的替换。像差滤波器与孔径的此组合可通过沉积不透明金属薄膜(例如铬)、后续接着光刻图案化及湿式蚀刻以形成孔径区域来实现，滤波器的可变高度膜沉积到所述孔径区域中。在替代实施例中，可在用于滤波器的膜沉积之后形成孔径。
对于透射实施方案，在沉积之后可在膜的顶部上沉积均匀抗反射涂层(例如MgF2等)以最小化归因于表面反射的透射损失。也可将此涂层施加到衬底的背侧。
图5图解说明根据本发明的第三实施方案利用离子束修琢的空间滤波器制作技术。在此实例中，离子枪502用于产生朝向衬底511被引导的高能量聚焦离子束，衬底511可具有与衬底310或410类似的组合物。衬底511经定位以接收高能量离子束且可相对于离子束移动以便蚀刻衬底511中的特定轮廓用于像差补偿。如3D透视图514中所展示，衬底511经蚀刻以具有变化高度用于校正不同像差误差。在此实例中，衬底511可在载台上移动及/或射束可相对于衬底511位移。可通过在扫描每一射束位置期间控制射束的停留时间来实现滤波器的所要形貌。可在蚀刻之后将抗反射涂层施加到衬底511的两个侧。也可在蚀刻之后或之前形成孔径以替换滤波器板将插入其中的系统的硬孔径。
转到滤波器设计过程，可使用任何适合技术来确定每一参数组的系统像差，这通常取决于将针对其设计空间滤波器补偿器的检验或成像系统的类型。在UV到可见波长范围检验系统中，可使用夏克-哈特曼传感器测量像差。在EUV光化系统中，可通过使用相移点衍射干涉仪来确定像差，如“极紫外相移点衍射干涉仪：具有亚埃参考波准确度的波前计量工具(Extreme-ultraviolet phase-shifting point-diffraction interferometer:awave-front metrology tool with subangstrom reference-wave accuracy)”(帕特里克P.诺罗(Patrick P.Naulleau)等人，应用光学，第38卷，第35期，1999年12月10日)中所进一步描述，所述论文以引用方式并入本文中。此外，用于在EUV类型系统中确定像差的数个实例进一步描述张(Zhang)等人的2016年5月10日颁布的第9,335,206号美国专利中，所述专利的全文以引用方式并入本文中。
夏克-哈特曼传感器是紧凑的且可提供被动相位及辐照分布测量(包含波前误差)，其是波长独立的，并且对振动相对不敏感。图6是根据本发明的特定实施方案使用夏克-哈特曼传感器测量系统像差的示意性表示。夏克-哈特曼传感器通常可包含微透镜阵列604，其用于接收波前602且将此波前602的多个聚焦部分(例如，606a及606b)引导到空间检测器阵列608上。注意，微透镜可含有任何数目个个别透镜，且出于简化目的仅展示6个。在替代哈特曼传感器实施方案中，孔径的阵列可替换所述微透镜。参考所图解说明的实例，微透镜阵列可通过附着在一起的多个透镜、二元光学器件或其它微光学器件技术形成。检测器阵列606可以是CCD检测器阵列。
大体来说，微透镜604在检测器阵列608上形成多个聚焦斑点。如果其它系统参数是已知的，那么聚焦斑点位置的测量唯一地确定波前斜率，因为聚焦斑点位置与跨越微透镜的平均波前斜率相关。大体来说，用于具有经测量像素强度的经取样辐照度分布的斑点位置首先通过一阶矩确定。斑点位置的计算也可使用阈值化或图像去卷积。聚焦斑点的位置或“形心”可接着用于通过将经测量形心与用同一夏克-哈特曼传感器测量的参考波前进行比较来确定波前斜率分布。对于一组经测量形心(xc,yc)与参考形心(xr,yr)，波前斜率分布是：
Figure BDA0002675361150000101
其中LH是微透镜阵列与检测器之间的距离，可设定为微透镜焦距f。
接着可通过任何适合技术(例如分区(直接数值积分)或模态(多项式拟合))，基于波前斜率测量来重新构造波前。在分区技术中，可依据有限差分来编写波前梯度，且逐区(或逐微透镜)对数据进行数值积分。波前是通过有限差分来近似且经由例如最小平方拟合的迭代方法来求解。在模态技术中，波前可依据具有分析导数的函数来描述，经测量斜率数据拟合到所述分析导数以允许从拟合系数做出波前的直接确定。举例来说，点(x,y)处的波前可编写为依据例如泽尔尼克多项式的多项式Pm(x,y)的扩展：
Figure BDA0002675361150000102
接着局部波前斜率可编写为：
Figure BDA0002675361150000111
然后，平方和可编写为：
Figure BDA0002675361150000112
其可通过以下来最小化：设定
Figure BDA0002675361150000113
且求解所得方程组。用于确定波前误差的数种优化技术进一步描述于丹尼尔R.尼尔(Daniel R.Neal)等人的“夏克-哈特曼波前传感器精度及准确度(Shack-Harmannwavefront sensor precision and accuracy)”中，所述文章以引用方式并入本文中。
如本文中所描述，不同滤波器可经设计以在不同操作条件下补偿像差。举例来说，用于不同偏光设定(例如，圆形、x及y偏光)的波前在像散Z5及Z6泽尔尼克项中显著不同。特定来说，归因于用于轴向对称系统的物镜涂层设计的本质限制，广泛用于EUV掩模检验系统中的线性偏光倾向于具有较大像散。然而，本文中所描述的个别滤波器设计可经设计以校正这些不同偏光设定的波前像差。
任何滤波器设计方法可被使用且取决于滤波器将插入到其中的特定检验/成像系统。举例来说，可在图像光瞳处在DUV检验系统内插入夏克-哈特曼传感器以确定系统像差且设计用于在此图像光瞳处插入的滤波器。或者，可在与图像光瞳共轭的各种位置处测量像差。滤波器设计可插入到测量像差的相同或不同位置中。
一旦基于用于特定检验/成像系统的一或多组操作条件的经确定像差来设计及制作滤波器板，那么滤波器板可插入到系统的光学路径中以便校正针对每一组操作条件的经确定像差。可基于任何适合因素来选择滤波器板的放置。首先，滤波器板经定位以在允许经确定系统像差的校正的位置处接收波前。滤波器位置的另一因素可以是最小化板上的功率密度或此功率密度低于特定滤波器材料的经预定义损坏阈值。在多数情形中，所述位置将经选择以避免聚焦窄射束以便最小化功率密度及造成滤波器的损坏。在一个实施例中，滤波器板被定位成可移动以便在成像光瞳处选择性地定位每一滤波器。
如本文中所描述设计的空间滤波器补偿器可用于任何适合类型的缺陷检验系统(例如用于检验光罩或晶片的系统)中。大体来说，空间滤波器可添加到其中系统像差导致成像问题的任何系统且其将有益于减小或消除此些像差。
本发明的某些实施例提供用于通过利用空间滤波器像差补偿器来显著改善当前DUV检验工具的EUV光掩模缺陷敏感度的设备及技术。在一个实例中，可通过在DUV检验工具(例如可从加利福尼亚州苗必达市的KLA-Tencor公司购得的TeronTM6xx检验工具)的成像光瞳中插入空间滤波装置来在此工具上实施补偿器。所述成像通常基于来自样本的经反射光，其经由透射光学器件而朝向传感器被引导，因为EUV掩模倾向于对DUV光不透明。然而，替代实施例预期当检验非EUV掩模时用于来自样本的经透射光及/或经反射光的补偿器。
图7是根据本发明的一个实施例配置有系统像差补偿器的检验系统700的示意性表示。此系统700通常包含适合于对例如EUV掩模的特定样本710的检验的光源702。光源的一个实例是准连续波激光器。在某些实施例中，光源通常可提供高脉冲重复率、低噪声、高功率、稳定性、可靠性及可扩展性。注意，虽然EUV光刻扫描仪在13.5nm波长下操作，但用于EUV光罩的检验工具不必在相同波长下操作。举例来说，在193nm下操作的来自KLA-Tencor公司的TeronTM系统可用于检验EUV光罩。系统700可包含任何类型及数目的光源。实例光源包含激光驱动的光源、高功率宽带等离子体光源、透射照射光源(例如，卤素或Xe灯)、经滤波式灯、LED光源等。多个LED或斑纹爆破激光二极管也是可能的源。
检验工具通常可设置为具有一组操作参数或“处方”。处方设定可包含以下设定中的一或多者：光瞳滤波器选择、变焦设定、一或多个缺陷检测阈值、焦点设定、照射或检测孔径设定、入射射束角度及波长设定、检测器设定、经反射及经透射光的量的设定、空中建模参数等。本发明的某些实施例利用在反射模式中且具有所选择偏光(例如线性-水平、线性-垂直、圆形等)的检验系统。
检验系统包含用于将照射光束引导及聚焦到所检验表面712上的任何数目及类型的光学元件。举例来说，来自光源的照射也可穿过若干个透镜，所述透镜用于朝向样本中继(例如，塑形、聚焦或调整焦点偏移、滤波/选择波长、滤波/选择偏光状态、重新定大小、放大、减小失真等)射束。系统700通常可包含：射束转向装置，其用于进行精确射束定位；及射束调节装置，其可用于提供光水平控制、散斑噪声减小及高射束均匀性。射束转向及/或射束调节装置可以是与(举例来说)激光器分离的物理装置。出于简洁的目的，图7仅图解说明聚光器透镜704、射束分裂器706(例如二向分光镜)及用于照射光学器件的物镜708。然而，所属领域的技术人员将理解检验系统可包含用于实现特定检验功能的其它光学或电子元件。物镜可调整到不同大小的像素，例如，针对每一像素小于约100nm，或更特定来说，小于约75nm或甚至小于60nm。
可相对于所检验表面以大致上法向角朝向样本表面712引导照射射束。在其它实施例中，可以斜角引导照射光束，这允许照射射束与经反射射束分离。
所述系统也可包含可调谐或可选择光谱滤波器，其可经配置以增加对特定材料及堆叠类型的敏感度。光谱滤波器可用于进一步动态地界定照射射束的光谱。一或多个光谱亚频带滤波器可放置于照射射束的照射光瞳中以实现不同亚频带波长范围。然而，所述系统可包含用于形成可在其处定位光谱亚频带滤波器的照射光瞳的任何数目及类型的透镜。大体来说，可基于以下各项的优化来选择每一检验波长范围：其亚频带、照射及收集光瞳孔径形状、照射及收集路径的偏光、放大率、像素大小或其任何组合。
偏光设定也可应用于每一波长范围(或亚频带)。举例来说，线性-水平偏光可经选择用于所选择的较长波长亚频带。可基于任何适合检验参数(例如缺陷类型、样本几何构造及组成、波长范围或亚频带选择等)来应用偏光设定(经由偏光光学器件模块)。
也可将样本710及其上形成的图案712放置于检验系统700的载台(未标记)上，且检验系统700也可包含用于相对于入射射束移动载台(及样本)的定位机构722。一或多个定位机构也可经配置以移动检验系统的其它组件，例如滤波器板或滤波器、孔径模块、照射或收集镜、波长滤波器、偏光器等。借助于实例，一或多个电机机构可各自由以下各项形成：螺杆驱动机或步进电机、具有反馈位置的线性驱动机或频带致动器及步进电机。
在入射射束照射于样本710上之后，光可接着以“输出光”或“输出射束”的形式从样本710反射及衍射/散射。所述检验系统也包含用于塑形、朝向一或多个检测器引导及聚焦输出光的任何适合透镜布置。如所展示，输出射束可由检测器或成像透镜713接收，检测器或成像透镜713朝向检测器或成像传感器714引导输出射束。在某些实施例中，传感器714是时间延迟积分(TDI)检测器。典型TDI检测器累积所检验表面的相同区的多次曝光，从而有效地增加可用以收集入射光的积分时间。大体来说，传感器或检测器可包含换能器、收集器、电荷耦合装置(CCD)或其它类型的辐射传感器。
系统700也包含空间光瞳滤波器707，其经布置以对由样本710反射/散射或从样本710反射的光进行滤波，以补偿如本文中所描述的系统像差。举例来说，空间滤波器707中的每一滤波器可采取具有各种高度的固定空间滤波器的形式，用于在特定组操作条件下在收集光瞳中的不同位置处调整像差。在另一实例中，可在可移动滤波器板结构(例如，图1B或1C的滤波器板)中提供具有不同补偿器特性(例如，用于不同操作参数)的多个空间滤波器。如所展示，滤波器板707是可移动的且可定位于收集路径中不同XY位置(715)处以将所选择空间滤波器移动到收集光瞳中。在另一实例中，滤波器可以圆形图案布置，且特定空间滤波器可旋转到收集路径中。
系统的照射及收集光学元件可以是反射性或透射性的。输出射束可从样本反射或散射或者透射穿过样本。所述系统也可包含用于每一照射及收集路径中的任选经偏光的光的组件、任选光谱亚频带滤波器及用于光罩或其它样本的检验的照射及收集路径中的任选孔径形状。其中如本文中所设计的滤波器板的其它类型的检验系统的实例进一步描述于2017年2月21日申请的标题为“通过将两个光掩模进行比较的光掩模检验(INSPECTION OFPHOTOMASKS BY COMPARING TWO PHOTOMASKS)”的第15/438,588号美国专利申请案及上文引用的张(Zhang)的专利中，所述申请案以引用方式并入本文中。
每一传感器714也可与图像处理系统716耦合或更大体来说与信号处理装置耦合，所述信号处理装置可包含经配置以将来自传感器714的模拟信号转换为数字信号或图像以供处理的模/数转换器。处理系统716可经配置以执行计算机可读指令来分析所感测光束的强度及/或其它特性以确定各种缺陷特性，例如缺陷类型、大小、深度或形状。在实例实施例中，处理系统716使用存储于存储器中的算法或查找表来确定缺陷特性。
处理器系统716可经配置(例如，借助编程指令)以提供用于配置处方以及显示所得测试图像及其它检验特性的用户界面(例如，计算机屏幕)。举例来说，控制器可控制照射源的选择性激活、照射或输出孔径设定、空间滤波器选择、波长频带、焦点偏移设定、偏光设定等。
控制器可以是软件及硬件的任何适合组合。举例来说，控制器可包含经由合适总线或其它通信机构耦合到输入/输出端口及一或多个存储器的处理器。处理器及存储器可经编程以实施本发明的方法实施例的指令。控制器也可包含用于提供例如改变的景深、偏光设定、波长选择或通常是设置检验处方的用户输入的一或多个输入装置(例如，键盘、鼠标、控制杆)。处理系统716也可与系统700的各种组件耦合以便控制(举例来说)样本位置(例如，聚焦及扫描)、空间滤波器选择、变焦设定以及检验系统元件的其它检验参数及配置。
由于此些信息及程序指令可实施于经特定配置的计算机系统上，因此此系统包含可存储于计算机可读媒体上用于执行本文中所描述的各种操作的程序指令/计算机代码。机器可读媒体的实例包含但不限于：磁性媒体，例如硬盘、软式磁盘及磁带；光学媒体，例如CD-ROM盘；磁光媒体，例如光盘；及经特定配置以存储并执行程序指令的硬件装置，例如只读存储器装置(ROM)及随机存取存储器(RAM)。程序指令的实例包含机器代码(例如由编译器产生)及含有可由计算机使用解译器来执行的较高级代码的文件两者。
应注意，以上说明及图式不应被视为对系统的特定组件的限制且所述系统可以许多其它形式体现。举例来说，预期检验或测量工具可具有来自经布置用于检测缺陷及/或分辨光罩或晶片的特征的临界方面的任何数目个已知成像或计量工具的任何适合特征。借助于实例，检验或测量工具可适用于亮场成像显微术、暗场成像显微术、全天空成像显微术、相位对比度显微术、偏光对比度显微术及相干探查显微术。也预期可使用单图像或多图像方法以便捕获目标的图像。这些方法包含(举例来说)单抓取、双抓取、单抓取相干探查显微术(CPM)及双抓取CPM方法。例如散射计量的非成像光学方法也可预期为形成检验或计量设备的一部分。
在其它检验应用中，入射光或所检测光可以任何适合入射角通过任何适合空间孔径以产生任何入射或所检测光轮廓。借助于实例，可编程照射或检测孔径可经利用以产生特定射束轮廓，例如双极子、四极子、类星体、环形物等。在特定实例中，可实施像素化照射技术。除上文所描述的相位对比度技术中的任一者之外，可编程照射及特定孔径还可用于增强光罩上的某些图案的特征对比度的目的。
检验设备可适合于检验半导体装置或晶片及光学光罩，包含EUV光罩或掩模。可使用本发明的检验设备及技术检验或成像的其它类型的样本包含任何表面，例如太阳板结构、光盘、平板显示器等。
大体来说，检验工具可包含：至少一个光源，其用于产生入射光束；照射光学器件，其用于将入射射束引导到样本上；收集光学器件，其用于引导响应于入射射束而从样本发射的输出射束；一或多个可选择空间滤波器，其用于校正系统像差；传感器，其用于检测输出射束且产生输出射束的图像或信号；及控制器，其用于控制检验工具的组件且促进如本文中进一步描述的检验技术。
在所述检验配置有可选择空间滤波器板的情形下，接着可使用任何适合检验技术检验光罩以用于定位缺陷。图8是图解说明根据本发明的一个实施例的检验过程800的流程图。最初，在操作801中，可针对检验系统的操作条件设置处方。此处方设置过程也可包含基于所选择操作条件对空间滤波器的选择。举例来说，将选择用于所选择波长范围及偏光设定的空间滤波器。在操作802中，接着可在所选择操作条件下朝向样本引导照射射束。举例来说，使照射射束跨越光罩的一部分扫描。
在操作804中，接着可经由用于在出射光瞳处校正系统像差的空间滤波器来检测响应于照射射束而从样本反射或散射的输出光。大体来说，可根据本文中所描述的空间滤波器设计技术中的任一者来设计或配置空间滤波器。在操作806中，也可基于所检测输出光而产生图像。
在操作808中，接着可确定此是否是最后扫描。举例来说，可使用其它操作条件及对应空间滤波器来扫描样本。如果扫描是未完成的，那么可通过重复操作801、802、804及806在经由一或多个所选择空间滤波器收集输出光(及图像)的同时扫描一或多个照射射束。
如果针对所有组操作条件的扫描是完成的，那么在操作810中，可基于所获得图像(或信号)定位及/或再检测一或多个缺陷。在一个实施例中，可执行任何适合检验分析过程以首先发现缺陷。举例来说，可在每一测试与参考图像之间进行单元对单元、裸片对裸片或裸片对数据库的比较。举例来说，可针对裸片中的特定位置处的所成像区检测缺陷，所述所成像区不同于相同位置处从另一裸片、单元获得或从设计数据库模拟的另一参考图像区。
返回参考图8，在操作812中，接着可确定样本是否已通过检验。也可确定缺陷是否是可修复的。如果样本未通过，那么可在操作814中变更过程或样本。除变更过程之外，替代地还可丢弃样本。
上文描述的用于设计空间滤波器以在光瞳平面处补偿系统像差的技术在具有最小场相依像差效应的系统中工作良好。
图9是图解说明根据本发明的替代实施例在存在某一水平的场相依像差的情形下的补偿过程900的流程图。最初，在操作902中，可跨越一或多个检测器的多个场位置来测量像差。举例来说，可测量两个TDI传感器2D阵列的多个场位置处的像差。在操作904中，可确定所有场位置的平均像差。接着可将此像差平均值的相反正负号定义为补偿器设计的目标波前以便从系统移除场独立像差分量。
图10展示根据本发明的特定实施方案在圆形偏光下特定检验系统中的波前补偿器的所估计性能。如所展示，已依据检验系统的两个时域积分(TDI)传感器平面(表示为P0及P1)中的成像场y位置来测量系统光学像差。方向x是载台扫描方向。借助在光瞳平面处实施波前校正，其效应可视为对所有检测器场位置是共同的。因此，波前补偿器的膜厚度经设计以跨越所有场位置完全校正平均波前。不管此限制，一些检验系统上的波前的场独立部分是显著的且可被有效校正。因此，在此实例中，工具的波前在所有场位置中可显著减小大约3倍。此波前减小将极大地有益于使用此工具的EUV掩模检验以改善其敏感度及工具-工具匹配。对于线性偏光操作条件也发现类似结果。
不管额外场相依补偿，系统波前补偿器可用于在低至193nm的DUV波长处具有高光学效率的透射及反射模式两者中。可制作具有灵活孔径大小的空间滤波器以适合任何给定检验系统。当以透射模式实施时，借助于实例，可在无需光学组件的重新设计或系统光学布局的改变的情形下在现有检验系统的成像光瞳处插入空间滤波器板。空间滤波器板也具有极佳的长期稳定性且几乎是免维护的并且可以相对低成本制作。
如本文中所描述，可在成像光瞳平面处实施透射型波前补偿器以替换现有硬孔径。波前补偿器上的经图案化铬膜可用于硬孔径的用途。归因于光瞳处的小场锥角，当衬底厚度是足够小(≤1mm)时，可忽略通过波前补偿器的衬底引入的光学路径长度差及失真。
尽管出于清楚理解的目的已在某种程度上详细地描述了上述发明，但将明了，可在所附权利要求书的范围内实践某些改变及修改。应注意，存在实施本发明的过程、系统及设备的许多替代方式。举例来说，可从经透射、经反射射束或组合输出射束来获得缺陷检验特性数据。另外，检验系统的补偿器可经设计用于缺陷检测或计量应用的其它波长范围，例如可见、紫外或近红外波长范围。因此，本发明实施例被视为图解说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文中所给定的细节。

Claims (23)

1.一种用于检测半导体样本中的缺陷的检验系统，所述系统包括：
光源，其用于产生照射射束；
照射透镜系统，其用于朝向样本引导所述照射射束；
收集透镜系统，其用于响应于所述照射射束而朝向检测器引导来自所述样本的输出光，其中所述收集透镜系统包含具有多个可个别选择的滤波器的补偿器板，所述滤波器具有不同配置以便在不同操作条件下校正所述系统的系统像差，其中每一滤波器具有固定设计；
所述检测器，其用于从所述样本接收所述输出光；及
控制器，其可操作以与所述光源、所述照射透镜系统、所述收集透镜系统及所述检测器协作来执行以下操作：
产生并朝向所述样本引导所述照射射束；
选择所述不同操作条件中的一组操作条件及所述滤波器中的所选择滤波器以便在此所选择组操作条件下校正所述系统像差；
响应于所述照射射束基于来自所述样本的所述输出光而产生图像；及
基于所述图像确定所述样本是通过还是未通过检验或表征此样本。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个滤波器以栅格图案布置于所述补偿器板上，且所述滤波器中的个别滤波器能够通过在垂直于所述照射射束的X及Y方向上移动滤波器板来选择。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个滤波器以圆形图案布置于所述补偿器板上，且所述滤波器中的个别滤波器能够通过在所述照射射束下旋转滤波器板来选择。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述不同操作条件包含不同偏光。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述不同偏光包含圆形及线性偏光。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述不同操作条件包含不同变焦设定、不同数值孔径及不同波长范围，包含深紫外光范围。
7.根据权利要求1所述的系统，其中每一滤波器具有涂覆有在厚度上具有变化的介电薄膜的透明衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
8.根据权利要求1所述的系统，其中每一滤波器具有在高度上具有变化的透明衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
9.根据权利要求1所述的系统，其中每一滤波器具有涂覆有在厚度上具有变化的介电薄膜的反射衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
10.根据权利要求1所述的系统，其中每一滤波器具有保形地涂覆在衬底的顶部上的在高度上具有变化的反射多层薄膜以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
11.根据权利要求1所述的系统，其中滤波器板经定位用于在所述系统的图像光瞳处插入来自所述滤波器板的所述多个滤波器中的所选择滤波器。
12.一种在用于检测半导体样本中的缺陷的检验系统中设计及使用补偿器的方法，所述方法包括：
针对多个不同组操作条件，确定所述检验系统的系统像差；
制作具有用于所述不同组操作条件的多个滤波器以便校正所述经确定系统像差的滤波器板，其中每一滤波器具有固定设计；
在所述检验系统内插入所述滤波器板，使得能够将每一滤波器个别地选择为定位于所述检验系统的图像光瞳处；
在所述检验系统上，选择所述不同组操作条件中的一组操作条件且选择所述滤波器中的一个滤波器，所述一个滤波器经配置以校正针对此所选择组操作条件确定的所述系统像差；及
经由所述所选择滤波器且在所述所选择组操作条件下使所述样本成像，使得经由所述系统像差的移除而形成所述样本的图像。
13.根据权利要求12所述的方法，其中借助一或多个针孔或阴影掩模使用离子束沉积形成具有可变高度的薄膜来制作所述多个滤波器以便校正所述系统像差。
14.根据权利要求12所述的方法，其中使用离子束修琢过程将衬底蚀刻为具有可变高度来制作所述多个滤波器以便校正所述系统像差。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述不同组操作条件包含不同偏光。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述不同偏光包含圆形及线性偏光。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述不同组操作条件包含不同变焦设定、不同数值孔径及不同波长范围，包含深紫外光范围。
18.根据权利要求12所述的方法，其中每一滤波器具有涂覆有在厚度上具有变化的介电薄膜的透明衬底以在所述不同组操作条件下校正所述经确定系统像差。
19.根据权利要求12所述的方法，其中每一滤波器具有在高度上具有变化的透明衬底以在所述不同组操作条件下校正所述经确定系统像差。
20.根据权利要求12所述的方法，其中每一滤波器具有涂覆有在厚度上具有变化的介电薄膜的反射衬底以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
21.根据权利要求12所述的方法，其中每一滤波器具有保形地涂覆在衬底的顶部上的在高度上具有变化的反射多层薄膜以在所述不同操作条件下校正所述系统像差。
22.根据权利要求12所述的方法，其中所述滤波器板经定位用于在所述系统的所述图像光瞳处插入来自所述滤波器板的所述多个滤波器中的所选择者。
23.一种用于检测半导体样本中的缺陷的检验系统，所述系统包括：
光源，其用于产生照射射束；
照射透镜系统，其用于朝向样本引导所述照射射束；
收集透镜系统，其用于响应于所述照射射束而朝向检测器引导来自所述样本的输出光，其中所述收集透镜系统包含补偿器，所述补偿器用于在特定组操作条件下校正所述系统的系统像差，其中每一滤波器具有固定设计；
所述检测器，其用于从所述样本接收所述输出光；及
控制器，其可操作以与所述光源、所述照射透镜系统、所述收集透镜系统及所述检测器协作来执行以下操作：
产生并朝向所述样本引导所述照射射束；
选择所述特定组操作条件；
响应于所述照射射束基于来自所述样本的所述输出光而产生图像；及
基于所述图像确定所述样本是通过还是未通过检验或表征此样本。
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