CN113311669B - 能够提高成像质量的光刻图像获得方法 - Google Patents

Abstract

能够提高成像质量的光刻图像获得方法属于半导体硅片光刻技术领域。本发明首先根据环形照明内部、外部相干因子σ_in、σ_out与成像畸变之间的关系，运用粒子群算法确定能够使成像畸变达到最小的σ_in和σ_out，减轻光刻图像的成像畸变；其次，将初始二进制掩模图形通过光刻成像模型得到空间像，根据空间像的光强分布，确定光强对比度γ，划定光强偏高、偏低的部分，修改初始二进制掩模图形，减轻光刻图像中的成像断裂；最后，利用梯度算法优化修改后的初始二进制掩模图形，得到实值掩模图形，再将该实值掩模图形转换为二进制掩模图形，将该二进制掩模图形作为最终的初始二进制掩模图形进行光刻成像，得到最终的光刻图像，成像畸变、成像断裂同时得到进一步减轻。

Description

能够提高成像质量的光刻图像获得方法

技术领域

本发明涉及一项名称为能够提高成像质量的光刻图像获得方法的发明创造，用于DMD无掩模光刻，属于半导体硅片光刻技术领域。

背景技术

DMD光刻机在光刻成像过程中，以初始二进制掩模图形作为驱动信号，驱动已经得到照明的DMD成像，经投影光学系统后，在光刻胶层上得到光刻图像。DMD光刻机具有灵活、高效的特点，已成为某些现代电子及光学领域中的关键制造设备，例如电路版制造、微米量级的MEMS和MOEMS制造等。DMD的微镜单元尺寸为13.68μm，有效像素尺寸为12.68μm，相邻像素间有1μm的间隔，中心还有一个约为2μm的开孔，因此，开口率也只有78.07％。随着制作DMD的技术的发展，微镜单元面积越来越小，成像中的像素栅格的特征尺寸与像素单元尺寸之比变大，开口率进一步变低，因此，这样的栅格结构会造成DMD成像断裂，破坏DMD光刻机曝光图形及之后的光刻成像的连续性。并且，光学邻近效应会引起成像畸变，使得DMD光刻机曝光图形及之后的光刻成像局部失真，当所述像素栅格特征尺寸接近DMD成像系统理论分辨率极限时，成像畸变更为严重。因此，成像断裂与成像畸变这两个缺陷对成像质量的不利影响最终导致光刻产品质量的下降。

在现有技术中，改善成像断裂的方法有两种：

第一种是优化DMD成像的设计参量，改进DMD成像的栅格结构。由于成像中像素栅格部分携带大部分的高频成分，因此，通过调节DMD成像系统中的投影系统的数值孔径及成像倍率来缩小成像尺寸，从而使像素栅格的特征尺寸远远小于像素单元尺寸，滤掉了像素栅格部分中大部分高频成分，成像断裂得到改善。不过，该方法还有其缺点，即在该方法中，结合DMD可编程特性有效抑制像素栅格，改变了DMD成像栅格结构，使得现有DMD无掩模光刻设备的成像设定难度增加。

第二种是通过调节DMD成像系统常规照明的部分相干因子σ，搜寻能够使相邻像素单元光强中间凹陷消失的临界值，填充像素之间的缝隙，抑制栅格现象，改善成像断裂。与第一种方法不同，该方法不改变DMD成像的栅格结构，易于由现有的DMD无掩模光刻设备实现。然而，该方法针对常规照明方式，而非环形照明(空心光)，在任意方向上排布的曝光线条的分辨能力弱，成像质量不佳。

在现有技术中，改善成像畸变的方法也有两种：

第一种是基于光学邻近校正的优化，在初始掩模中添加衬线、散射条等方式改变掩模图形修正光学邻近效应。该技术掩模制造性强，缺点是精度不高。

第二种是基于反向光刻技术的掩模优化，利用优化算法，通过光刻成像模型反像计算出理想的掩模图形。

然而，所述现有提高DMD无掩模光刻成像质量的各项技术要么只是针对成像断裂，要么只是针对成像畸变，不仅如此，还忽略了两种成像质量问题对成像质量还存在耦合的影响，也就是成像断裂与成像畸变互相牵制，此消彼长，并且，这种影响要超出各自对成像质量的影响。

发明内容

为了全面改善DMD无掩模光刻成像质量，本发明给出一项能够提高成像质量的光刻图像获得方法的解决方案，该方案能够优化处理成像断裂和成像畸变对光刻成像的成像质量的影响。

本发明之能够提高成像质量的光刻图像获得方法其特征在于，首先，采用环形照明，根据环形照明的内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out与成像畸变之间的关系，运用粒子群算法确定能够使成像畸变达到最小的环形照明的内部相干因子σ_in和外部相干因子σ_out，减轻光刻图像的成像畸变；其次，将初始二进制掩模图形通过光刻成像模型得到空间像，根据空间像的光强分布，确定光强对比度γ，划定光强偏高、偏低的部分，为使光强偏高部分在光刻成像中不使光刻胶曝光，同时，为使光强偏低部分在光刻成像中能够使光刻胶曝光，修改初始二进制掩模图形，减轻光刻图像中的成像断裂；最后，利用梯度算法优化修改后的初始二进制掩模图形，得到实值掩模图形，再将该实值掩模图形转换为二进制掩模图形，将该二进制掩模图形作为最终的初始二进制掩模图形进行光刻成像，得到最终的光刻图像，该光刻图像在成像畸变得到减轻的同时成像断裂得到进一步减轻。

本发明不仅采用环形照明，而且，还根据环形照明的内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out与成像畸变之间的关系，如图1所示，确定能够使成像畸变达到最小的内部相干因子σ_in和外部相干因子σ_out，当σ_in、σ_out分别为0.1、0.8时，再对比图2、图5，可见图5所示的光刻图像与初始二进制掩模图形最为接近，成像畸变最小；根据空间像中的光强分布，如图6、图7所示，修改初始二进制掩模图形，如图8所示，在再次光刻成像过程中，空间像光强分布变得较为一致，如图11所示，光刻图像的成像断裂问题得到初步解决，如图10所示，相比于图5，图10更接近于图2，不过此步骤会引起新的成像畸变；于是，最后再对修改后的初始二进制掩模图形做优化处理，全面减小成像断裂、成像畸变对光刻图像成像质量的不利影响，如图5、图10、图14分别与图2对比，图14与图2最为接近。

附图说明

图1是σ_in、σ_out与成像畸变的关系图。图2是作为一个实例而采用的一个初始二进制掩模图形。图3～图5依次是σ_in、σ_out分别为0.7、0.95，0.55、0.85，0.1、0.8时所述实例的光刻图像。图6、图7依次是σ_in、σ_out分别为0.1、0.8时所述实例的空间像、空间像光强分布三维形貌图。图8～图11依次是σ_in、σ_out分别为0.1、0.8时所述实例修改后的初始二进制掩模图形、空间像、光刻图像、空间像光强分布三维形貌图。图12～15依次是σ_in、σ_out分别为0.1、0.8时所述实例的实值掩模图形、最终的初始二进制掩模图形、最终的光刻图像以及此步骤中的空间像光强分布三维形貌图，图14同时作为摘要附图。

所述各幅初始二进制掩模图形、空间像、光刻图像以及所述一幅实值掩模图形中两个维度的长度单位均为像素排列序数；光强分布三维形貌图中水平两个维度的单位也是像素排列序数。

具体实施方式

实际上，在本发明之能够提高成像质量的光刻图像获得方法的各个步骤中，都有DMD光刻成像过程，而只要是DMD光刻成像，都需要运用光刻成像模型由二进制掩模图形生成空间像，对与此有关的具体技术内容说明如下。

所述的光刻成像模型为霍普金斯离散成像模型I(r)，即：

其中：Γ_m为傅里叶级数系数，M(r)为二进制掩模图形，h^m(r)由下式表达：

h^m(r)＝h(r)exp(jω₀m·r)，

其中：h(r)为投影光学系统振幅脉冲响应，r是位置为(m、n)的二进制掩模图形的某一像素到环形照明光中心的距离，m、n为某一像素在二维方向的像素排列序数，

j为一个复数，ω₀为一个权重系数。

连续的霍普金斯成像模型是相干的；将霍普金斯成像模型通过傅里叶级数展开使其离散化，成为霍普金斯离散成像模型，近似为由多个相干系统叠加的部分相干成像系统。霍普金斯离散成像模型与霍普金斯成像模型二者具有相同的准确度。

所述傅里叶级数系数Γ_m为：

其中：D_cl为环形照明内环相干长度，D_cu为环形照明外环相干长度，D为二进制掩模图形的曝光区域的代号，如图2中的白色部分；m与I(r)中的m含义相同。

环形照明内环相干长度D_cl、环形照明外环相干长度D_cu与环形照明内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out的关系为：

其中：λ为DMD光源波长，NA为投影光学系统数值孔径。

投影光学系统振幅脉冲响应h(r)为：

其中：J₁为一阶贝塞尔函数。

根据上述内容计算得到的霍普金斯离散成像模型I(r)即为所需空间像。

环形照明的内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out对成像畸变、成像断裂有何影响，能够运用粒子群算法加以说明，对此详述如下。

二进制掩模图形M(r)的大小N_m×N_m为184×184，N_m为像素数，如图2所示，图中白色部分构成曝光图形；环形照明光源波长λ为193nm，投影光学系统数值孔径NA为1.25，灵敏度a为25，二进制掩模图形成像阈值t_m为0.4。

根据环形照明的内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out与成像畸变之间的关系，如图1所示，确定三组环形照明内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out，即0.7、0.95；0.55、0.85；0.1、0.8，运用粒子群算法能够确定最佳的环形照明的内部相干因子σ_in，外部相干因子σ_out，以使光刻图像的成像畸变最小。

初始化粒子群规模N为100，学习因子c₁、c₂均为0.5，惯性权重ω为0.8，随机初始化各粒子的位置

和速度

其中：迭代次数k的范围为0≤k≤k_max，最大迭代次数k_max定为50，粒子编号j的范围为0≤j≤N。

依下式更新位置：

依下式更新速度：

在上述两式中，

为相对于全局最优值的局部最优值。

评价函数为：

.成像畸变E由下式求得：

其中，光刻图像Z_b＝Λ(|H{M_b}|)，

光强对比度γ由下式求得：

式中：I_max、I_min分别是最大光强、最小光强。

结果是内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out分别为0.1、0.8时对应的成像畸变E最小，为4240，光强对比度γ为0.87697；对比图3～5与图2，证实σ_in、σ_out对成像畸变有明显影响。

由于光强对比度γ较大，本发明为使初始二进制掩模图形中光强偏高部分在光刻成像中不使光刻胶曝光，同时，为使初始二进制掩模图形中光强偏低部分在光刻成像中能够使光刻胶曝光，修改掩模图形，降低光强对比度为0.73021，光刻成像结果如图8～11所示，光强对比度略微减小，成像断裂得到改善，然而，成像畸变E却增至46080。

因此，需要采取进一步措施全面改善光刻成像质量。也就是利用梯度算法优化修改后的二进制掩模图形，详述如下。

梯度算法最大迭代次数k_max定为65，优化无约束参数向量θ^k，将有界约束参数向量掩模像素

转换为无约束参数向量θ^k，转换公式如下：

θ_i∈R，无约束参数向量

当初始像素值为1时，θ_i为

初始像素值为0时，θ_i为

成像畸变E在利用梯度算法优化过程中作为代价函数，代价函数F(θ)为：

其中，光刻图像Z由下式表达：

Z＝sig(|H{M}|)，

光刻图像Z中的像素值Z_i由下式求得：

在将该实值掩模图形转换为二进制掩模图形的过程中，将实值掩模图形中的像素转换为二进制掩模中的像素：

再依下式求得成像畸变E：

其中：光刻图像Z_b＝Λ(|H{M_b}|)，

光刻成像结果如图12～15所示，成像畸变E大幅降为1724，光强对比度γ大幅降为0.33748，成像错误率在6％以内，栅格像的可见度在0.35以下，不但有效改善了成像断裂，同时也明显改善了成像畸变。

Claims (1)

1.能够提高成像质量的光刻图像获得方法，其特征在于，首先，采用环形照明，根据环形照明的内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out与成像畸变之间的关系，运用粒子群算法确定能够使成像畸变达到最小的环形照明的内部相干因子σ_in和外部相干因子σ_out，减轻光刻图像的成像畸变；其次，将初始二进制掩模图形通过光刻成像模型得到空间像，根据空间像的光强分布，确定光强对比度γ，划定光强偏高、偏低的部分，为使光强偏高部分在光刻成像中不使光刻胶曝光，同时，为使光强偏低部分在光刻成像中能够使光刻胶曝光，修改初始二进制掩模图形，减轻光刻图像中的成像断裂；最后，利用梯度算法优化修改后的初始二进制掩模图形，得到实值掩模图形，再将该实值掩模图形转换为二进制掩模图形，将该二进制掩模图形作为最终的初始二进制掩模图形进行光刻成像，得到最终的光刻图像，该光刻图像在成像畸变得到减轻的同时成像断裂得到进一步减轻；

运用光刻成像模型由二进制掩模图形生成空间像，所述的光刻成像模型为霍普金斯离散成像模型I(r)，即：

其中：Γ_m为傅里叶级数系数，M(r)为二进制掩模图形，h^m(r)由下式表达：

h^m(r)＝h(r)exp(jω₀m·r)，

其中：h(r)为投影光学系统振幅脉冲响应，r是位置为(m、n)的二进制掩模图形的某一像素到环形照明光中心的距离，m、n为某一像素在二维方向的像素排列序数，

j为一个复数，ω₀为一个权重系数；

连续的霍普金斯成像模型是相干的；将霍普金斯成像模型通过傅里叶级数展开使其离散化，成为霍普金斯离散成像模型，近似为由多个相干系统叠加的部分相干成像系统。霍普金斯离散成像模型与霍普金斯成像模型二者具有相同的准确度；

所述傅里叶级数系数Γ_m为：

其中：D_cl为环形照明内环相干长度，D_cu为环形照明外环相干长度，D为二进制掩模图形的曝光区域的代号，如图2中的白色部分；m与I(r)中的m含义相同；

环形照明内环相干长度D_cl、环形照明外环相干长度D_cu与环形照明内部相干因子σ_in、外部相干因子σ_out的关系为：

其中：λ为DMD光源波长，NA为投影光学系统数值孔径；

梯度算法最大迭代次数k_max定为65，优化无约束参数向量θ^k，将有界约束参数向量掩模像素0≤s_i≤1,i＝1,...,

转换为无约束参数向量θ^k，转换公式如下：

θ_i∈R，无约束参数向量

当初始像素值为1时，θ_i为

初始像素值为0时，θ_i为

成像畸变E在利用梯度算法优化过程中作为代价函数，代价函数F(θ)为：

其中，光刻图像Z由下式表达：

Z＝sig(|H{M}|)，

光刻图像Z中的像素值Z_i由下式求得：

在将该实值掩模图形转换为二进制掩模图形的过程中，将实值掩模图形中的像素转换为二进制掩模中的像素：

再依下式求得成像畸变E：

其中：光刻图像Z_b＝Λ(|H{M_b}|)，

Images