CN113325666A - 套刻误差测量装置及方法 - Google Patents

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CN113325666A CN202010130830.1A CN202010130830A CN113325666A CN 113325666 A CN113325666 A CN 113325666A CN 202010130830 A CN202010130830 A CN 202010130830A CN 113325666 A CN113325666 A CN 113325666A
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Abstract

本发明提供一种套刻误差测量装置及方法，所述套刻误差测量装置包括照明单元、分光器件、物镜、第一探测单元和数据处理器。所述第一探测单元包括第一孔径光阑，所述第一孔径光阑包括至少一个可调节通孔。调节所述通孔，当所述第一孔径光阑为第一状态时，所述第一探测器获取第一信号并传输至所述数据处理器，当所述第一孔径光阑为第二状态时，所述第一探测器获取第二信号并传输至所述数据处理器。所述第一信号为校准信号，通过所述第一信号校准所述第二信号并利用校准后的第二信号计算出套刻误差。因此，利用所述套刻误差测量装置及方法可获取更为精准的套刻误差，从而提高套刻误差测量装置的检测性能，提高工作效率。

Description

套刻误差测量装置及方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种套刻误差测量装置及方法。
背景技术
根据半导体行业组织(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，ITRS)给出的光刻测量技术路线图来看，随着光刻图形关键尺寸(CD)进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光(DoublePatterning)和极紫外光刻技术(EUVL)的应用和发展，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(Imaging-Basedoverlay，IBO)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(Diffraction-Basedoverlay，DBO)和基于微标记衍射光探测的套刻测量技术(uDBO)正逐步成为套刻测量的主要手段。
但在常用的测量套刻误差的装置或方法中，往往会忽视测量照明光斑本身的不均匀性对套刻误差的影响，或者通过移动校准套刻标记使其位于测量照明光斑的多个不同位置，根据样本测量结果对系统进行校准，但由于取样数据过少，用于校准的标记特性不容易控制，针对照明光斑本身的不均匀性校准效果欠佳，并且校准过程复杂且耗时很长。
因此，需要一种套刻误差测量系统及方法可以实现对测量照明光斑本身的不均匀性更精确的校准，从而提高套刻误差测量装置的检测性能，获取较为精准的套刻误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种套刻误差测量装置及方法，以解决测量照明光斑本身的不均匀性对套刻误差测量的影响。
为解决上述技术问题，本发明提供一种套刻误差测量装置，所述套刻误差测量装置包括照明单元、分光器件、物镜、第一探测单元和数据处理器；所述照明单元用于提供两种以上不同光照模式的光照；所述分光器件包括第一分光板和第二分光板；
所述照明单元提供的所述光照经所述第一分光板和所述物镜传输至第一衬底或第二衬底上，并经所述第一衬底或所述第二衬底反射后，传输经所述物镜、所述第一分光板和所述第二分光板后形成第一光束，所述第一光束传输至所述第一探测单元；
所述第一探测单元包括第一孔径光阑和第一探测器，所述第一孔径光阑包括至少一个可调节的通孔，所述第一光束经所述第一孔径光阑传输至所述第一探测器；当所述光照经所述第一衬底反射，且通过调节所述通孔使所述第一孔径光阑处于第一状态时，所述第一探测器输出第一信号至所述数据处理器；当所述光照经所述第二衬底反射，且通过调节所述通孔使所述第一孔径光阑处于第二状态时，所述第一探测器输出第二信号至所述数据处理器；
所述数据处理器用于根据所述第一信号和所述第二信号计算套刻误差。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述光照沿所述物镜至所述第一孔径光阑的方向传输时，其中，所述第一孔径光阑处于第一状态时，所述物镜的有效第一数值孔径大于0.5；所述第一孔径光阑处于第二状态时，所述物镜的有效第一数值孔径小于或等于0.5。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述光照沿所述物镜至所述第一衬底或所述第二衬底的方向传输时，所述物镜的第二数值孔径大于或等于0.9，且所述第一数值孔径小于所述第二数值孔径。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述照明单元包括光源、照明准直器、第二孔径光阑和照明中继器；其中，
所述光源用于提供光照；
所述照明准直器用于对所述光源提供的所述光照进行调制；
所述第二孔径光阑用于改变经所述照明准直器调制后的光照的光照模式；
所述照明中继器用于传输经所述第二孔径光阑的光照至所述第一分光板。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述照明单元还包括电动转盘，所述照明单元包括至少两个第二孔径光阑，所述电动转盘用于切换不同的所述第二孔径光阑，以改变经所述照明准直器调制后的光照的光照模式。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述第一探测单元还包括成像中继器和成像镜组，所述成像中继器、所述第一孔径光阑、所述成像镜组和所述第一探测器依次布置；
所述成像中继器用于将所述第二分光板分光后的所述第一光束传输至所述第一孔径光阑；
所述成像镜组用于将经所述第一孔径光阑的第一光束成像于所述第一探测器。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述第一信号为所述第一光束的零级衍射光光强分布；所述第二信号为所述第一光束的正一级衍射光光强分布和负一级衍射光光强分布。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述第二衬底上选取有多个样本位置，每一所述样本位置包括至少四个标记单元，每一所述标记单元上设置有测量标记，所述测量标记包括第一测量标记和第二测量标记，所述第一测量标记和所述第二测量标记相对应，且所述第一测量标记相对于所述第二测量标记设有预设偏移量，所述预设偏移量包括第一方向的预设偏移量和/或第二方向的预设偏移量，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述第一测量标记和所述第二测量标记均为光栅，所述物镜传输的所述光照经所述光栅发生衍射，产生多级衍射光。
可选的，在所述的套刻误差测量装置中，所述套刻误差测量装置还包括所述第二探测单元，所述第二探测单元包括角谱成像组件和第二探测器；
所述光照经所述物镜、所述第一分光板和所述第二分光板后还形成第二光束，所述第二光束经所述角谱成像组件传输至所述第二探测器，所述第二探测器输出第三信号至所述数据处理器，所述数据处理器根据所述第三信号监测所述第一衬底或所述第二衬底上光照的能量波动。
基于同一发明构思，本发明还提供一种套刻误差测量方法，所述套刻误差测量方法包括：
步骤一：调节照明单元为第一光照模式，且第一孔径光阑为第一状态，测量第一衬底，第一探测器获取所述第一光照模式下的第一信号并传输至数据处理器；
步骤二：调节所述照明单元为第二光照模式，且所述第一孔径光阑为第一状态，测量所述第一衬底，所述第一探测器获取所述第二光照模式下的第一信号并传输至所述数据处理器；
步骤三：调节所述照明单元为第一光照模式，且所述第一孔径光阑为第二状态，测量第二衬底上一样本位置，所述第二衬底上预设有多个所述样本位置，所述第一探测器获取所述第一光照模式下的第二信号并传输至所述数据处理器；
步骤四：调节所述照明单元为第二光照模式，且所述第一孔径光阑为第二状态，测量所述第二衬底上所述样本位置，所述第一探测器获取所述第二光照模式下的第二信号并传输至所述数据处理器；
步骤五：测量所述第二衬底另一样本位置，重复步骤三至步骤四，直至完成所有样本位置测量；所述数据处理器根据所述第一光照模式下的第一信号校准所述第一光照模式下的第二信号，且根据所述第二光照模式下的第一信号校准所述第二光照模式下的第二信号，并根据校准后的所述第一光照模式下的第二信号和校准后的所述第二光照模式下的第二信号计算出所述第二衬底的套刻误差。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，在所述步骤一中，所述第一光照模式下的第一信号为所述第一光照模式下的零级衍射光光强分布。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，在所述步骤二中，所述第二光照模式下的第一信号为所述第二光照模式下的零级衍射光光强分布。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，在所述步骤三中，所述第一光照模式下的第二信号为所述第二衬底上所述样本位置的正一级衍射光光强分布。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，在所述步骤四中，所述第二光照模式下的第二信号为所述第二衬底上所述样本位置的负一级衍射光光强分布。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，所述第一信号和所述第二信号进行多次测量取平均值。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，在所述步骤三中，所述第二衬底上预设有多个样本位置，每一所述样本位置包括至少四个标记单元，每一所述标记单元上设置有测量标记，所述测量标记包括第一测量标记和第二测量标记，所述第一测量标记和所述第二测量标记相对应，且所述第一测量标记相对于所述第二测量标记设有预设偏移量，所述预设偏移量包括第一方向的预设偏移量和/或第二方向的预设偏移量；其中，至少两个标记单元的预设偏移量在所述第一方向上且预设偏移方向相反但数值相等，至少两个标记单元的预设偏移量在所述第二方向上且预设偏移方向相反但数值相等；所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，通过如下公式获取标记单元的不对称性：
Figure BDA0002395719540000051
Figure BDA0002395719540000052
Figure BDA0002395719540000053
为校准后的第i标记单元对应的所述正一级衍射光光强分布；
Figure BDA0002395719540000054
为校准后的第i标记单元对应的所述负一级衍射光光强分布；
Figure BDA0002395719540000055
为校准后的第i+1单元对应的所述正一级衍射光光强分布；
Figure BDA0002395719540000056
为校准后的第i+1单元对应的所述负一级衍射光光强分布；
Ai为所述第i标记单元的不对称性；
Ai+1为所述第i+1标记单元的不对称性；
其中，所述第i标记单元与所述第i+1标记单元上的所述预设偏移量在第一方向或第二方向上数值相等但方向相反，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。
可选的，在所述的套刻误差测量方法中，所述数据处理器通过如下公式计算每一样本位置下第一方向或第二方向上的套刻误差：
Figure BDA0002395719540000061
Ai为所述第i标记单元的不对称性；
Ai+1为所述第i+1标记单元的不对称性；
Δ为预设偏移量；
ε为套刻误差。
综上，本发明提供一种套刻误差测量装置及方法，所述套刻误差测量装置包括照明单元、分光器件、物镜、第一探测单元和数据处理器，所述第一探测单元包括第一孔径光阑，所述第一孔径光阑包括至少一个可调节通孔，调节所述通孔，当所述第一孔径光阑为第一状态时，所述第一探测器获取第一信号并传输至所述数据处理器，当所述第一孔径光阑为第二状态时，所述第一探测器获取第二信号并传输至所述数据处理器。所述第一信号可以作为校准信号，通过所述第一信号校准所述第二信号并利用校准后的第二信号计算出套刻误差，补偿了照明单元提供的光照具有不均匀性。由此，利用所述套刻误差测量装置及方法可获取更为精准的套刻误差，从而提高套刻误差测量装置的检测性能，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例的套刻误差为零时一维光栅衍射示意图；
图2是本发明实施例的套刻误差小于零时一维光栅衍射示意图；
图3是本发明实施例的套刻误差大于零时一维光栅衍射示意图；
图4是本发明实施例的套刻误差X轴方向小于零Y轴方向小于零的二维光栅衍射示意图；
图5是本发明实施例的套刻误差X轴方向大于零Y轴方向小于零的二维光栅衍射示意图；
图6是本发明实施例的套刻误差X轴方向小于零Y轴方向大于零的二维光栅衍射示意图；
图7是本发明实施例的套刻误差X轴方向大于零Y轴方向大于零的二维光栅衍射示意图；
图8是本发明实施例的位于不同位置的套刻标记；
图9是本发明实施例的套刻误差测量系统各模块连接示意图；
图10是本发明实施例的套刻误差测量系统结构示意图；
图11是本发明实施例的第一孔径光阑示意图；
图12是本发明实施例的标记单元示意图；
其中，附图标记说明：
M1-第一衬底；M2-第二衬底；
1-第一测量标记；2-第二测量标记；3-套刻误差测量装置；
30-照明单元；31-分光器件；32-物镜；33-第二探测单元；34-第一探测单元；35-数据处理器；
301-第二孔径光阑；302-光源；303-照明准直器；304-照明中继器；3011-第一光照模式的第二孔径光阑；3012-第二光照模式的第二孔径光阑；
311-第一分光板；312-第二分光板；
331-第二探测器；332-角谱成像组件；
341-第一孔径光阑；3411-第一通孔；3412-第二通孔；3413-第三通孔；342-成像中继器；343-成像镜组；344-第一探测器；
5-样本位置；51-第一标记单元；52-第二标记单元；53-第三标记单元；54-第四标记单元；
a-第一光束；b-第二光束。
具体实施方式
如前所述，常用的测量套刻误差的装置或方法中，往往会忽视测量照明光斑本身的不均匀性对套刻误差的影响，或者通过移动校准套刻标记使其位于测量照明光斑的多个不同位置，根据样本测量结果对系统进行校准，但由于取样数据过少，用于校准的标记特性不容易控制，针对照明光斑本身的不均匀性校准效果欠佳，并且校准过程复杂且耗时很长。
因此，需要一种套刻误差测量装置及方法可以实现对测量照明光斑本身的不均匀性更精确的校准，从而提高光刻机的检测性能，获取较为精准的套刻误差。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种套刻误差测量装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
在一维光栅标记中，如图1所示的上层光栅为所述第一测量标记1，为第二次曝光得到，一般为光刻胶。中间层为中间工艺，可为Si3N4薄膜等，下层光栅为所述第二测量标记2，是通过首次曝光得到的，一般为基底材料硅。当第二次曝光不能完全与首次曝光完全重合时，上下层光栅间将产生相对位移，这个位移量即为套刻误差ε。如图1所述套刻误差ε＝0,如图2所示ε<0,如图3所示ε>0。当入射光投射入光栅会发生反射，所述反射光在通过多狭缝的光栅层时会发生衍射，产生多级衍射光。其中，I0表示零级衍射光，I+、I-分别表示+1级衍射光和-1级衍射光。当套刻误差ε＝0时，±1级衍射光光强大小对称，当套刻误差ε≠0时，±1级衍射光光强大小不对称。因此，定义不对称性A＝I+-I-。在一定范围内，套刻误差ε与不对称性满足线性关系，即A与上下两层标记的位置偏移x近似成正比，其关系为A(x)＝kx，k为与标记制作工艺相关的常量。
在二维光栅标记中，如图4-7所示，第一测量标记1和第二测量标记2在第一方向和第二方向上，即在X轴和Y轴方向上分别设有预设偏移量Δ和套刻误差ε，在所述X轴方向上，套刻误差为ε，在所述Y轴方向上，套刻误差为ε’。在同一轴所在方向上设定的预设偏移量相反。因此，如图4和图5所示，在X轴方向上的不对称性A分别为：A1(-Δ+ε)＝k(-Δ+ε)，A2(Δ+ε)＝k(Δ+ε)；如图6和图7所示，在Y轴方向上的不对称性A分别为：A3-Δ+ε’＝k-Δ+ε’，A4(Δ+ε’)＝k(Δ+ε’)，在根据A＝I+-I-,可得：
在X轴方向上：
Figure BDA0002395719540000081
Figure BDA0002395719540000082
Figure BDA0002395719540000091
在Y轴方向上：
Figure BDA0002395719540000092
Figure BDA0002395719540000093
Figure BDA0002395719540000094
因此，通过设备测量
Figure BDA0002395719540000095
即可算出X轴方向上的套刻误差ε和Y轴方向上的套刻误差ε’。
但测量光照存在光照不均匀的情况，即测量场不同位置的入射光强大小不等，这会对±1级衍射光的采集产生很大的影响，这会直接影响到套刻误差的精确度。
如图8所示，在同一测量光照下的测量场内，标记单元O1和标记单元O2在X轴所在的预设偏移量方向相反，大小为Δ＝10nm，当标记单元O1和标记单元O2位于N1位置时，标记单元O1处的零级衍射光I01总和归一化为1，正一级衍射光
Figure BDA0002395719540000096
为1000，负一级衍射光
Figure BDA0002395719540000097
为892；标记单元O2处的零级衍射光I02总和归一化为1.008，正一级衍射光
Figure BDA00023957195400000913
为850，负一级衍射光
Figure BDA0002395719540000098
为1050，故可得：A1＝108，A2＝-200，ε＝92/308*10nm＝2.987nm。
当标记单元O1和标记单元O2位于N2位置时，标记单元O1处的零级衍射光I01’总和归一化为1.0065，正一级衍射光
Figure BDA0002395719540000099
为1000*1.0065＝1000.65，负一级衍射光
Figure BDA00023957195400000910
为892*1.0065＝897.798；标记单元O2处的零级衍射光I02’总和归一化为1.0033，正一级衍射光
Figure BDA00023957195400000911
为850/1.008*1.0033＝846.0367，负一级衍射光
Figure BDA00023957195400000912
为1050/1.008*1.0033＝1045.1，故可得：A1’＝102.852，A2’＝-199.0633，ε’＝96.2113/301.9153*10nm＝3.187nm。N1和N2两次测量的差异将达到0.2nm，而设备总的测量重复性要求为0.4nm量级。
由此可见，光强分布不均匀对套刻误差的检测影响很大。因此，在测量±1级衍射光时，需要将入射光强的不均匀分布的信息提前采集，作为校准变量，提高套刻误差的精确度。故本实施例提出的一种套刻误差测量装置通过采集零级衍射光作为测量光照不均匀性的校准变量，数据校准后计算套刻误差值。
请参阅图9和图10，所述套刻误差测量装置3，所述套刻误差测量装置3包括照明单元30、分光器件31、物镜32、第一探测单元34和数据处理器35。所述照明单元30用于提供两种以上不同光照模式的光照。所述分光器件31包括第一分光板311和第二分光板312。所述照明单元30提供的所述光照经所述第一分光板311和所述物镜32传输至所述第一衬底M1或所述第二衬底M2上，并经所述第一衬底M1或所述第二衬底M2反射后，传输至所述物镜32和所述第一分光板311，并经所述第二分光板312后形成第一光束a，所述第一光束a传输至所述第一探测单元34。
所述第一探测单元34包括第一孔径光阑341和第一探测器344，所述第一孔径光阑341包括至少一个可调节的通孔，所述第一光束a经所述第一孔径光阑341传输至所述第一探测器344，通过调节所述通孔使所述第一孔径光阑341处于第一状态时，所述第一探测器344输出第一信号至所述数据处理器35，通过调节所述通孔使所述第一孔径光阑341处于第二状态时，所述第一探测器344输出第二信号至所述数据处理器35。所述数据处理器35用于根据所述第一信号和所述第二信号计算套刻误差。
所述照明单元30内设有第二孔径光阑301，切换所述第二孔径光阑301可实现不同的光照模式。切换所述第二孔径光阑301可以通过电动转盘带动多个第二孔径光阑301实现，也可以通过快门来实现高速切换。如图10所示，第二孔径光阑3011，第二孔径光阑3012可提供两个种不同的光照模式。当切换为第二孔径光阑3011时，为第一光照模式，可对套刻测量标记的正一级次衍射光进行采集；当切换为第二孔径光阑3012时，为第二光照模式，可对套刻测量标记的负一级次衍射光进行采集。
所述照明单元30还包括光源302、照明准直器303和照明中继器304。所述光源302提供光照，可为水银灯、氙灯或氘灯与卤素灯组成的混合光源，也可采用白光LED或等离子激发光源等。所述照明准直器303包括准直仪、滤波器和偏振器(未图示)，所述照明准直器303用于对经光源302射入的入射光进行调制,主要是对波长、照明方式等进行调制，以提高系统的工艺适应性和信噪比。所述照明中继器304用于传输经所述第二孔径光阑301的入射光至所述分光器件31。因为一般显微物镜的瞳面位于物镜内部，所以需要通过所述照明中继单元304对所述光照进行传递。
所述分光器件31包括第一分光板311和第二分光板312，所述第一分光板311用于将照明单元30提供的所述光照反射至所述衬底M表面，所述第二分光板312用于将所述衬底M表面的反射光分为第一光束a和第二光束b进行光的传输。所述第一束a和所述第二光束b均表征所述第一衬底M1和\或所述第二衬底M2表面信息。
所述光照经所述物镜32射入至所述第一衬底M1或所述第二衬底M2上，所述第一衬底M1或所述第二衬底M2上的反射光经所述物镜32传输至所述分光器件31。当所述光照沿所述物镜32至所述第一衬底M1或所述第二衬底M2的方向传输时，所述物镜的第二数值孔径大于或等于0.9。当所述光照沿所述物镜32至所述第一孔径光阑341的方向传输时，且所述第一孔径光阑341处于第一状态时，即所述零级衍射光能够通过所述第一孔径光阑341时，所述物镜的有效第一数值孔径大于0.5；所述第一孔径光阑处于第二状态时，即所述零级衍射光被遮挡，不能通过所述第一孔径光阑341时，所述物镜32的有效第一数值孔径小于或等于0.5。
所述第一探测单元34还包括成像中继器342和成像镜组343。所述第一孔径光阑341上具有一个以上通孔，每一所述通孔的孔径可调节为多种尺寸。如图10所示的所述第一孔径光阑341上有两个通孔，分别为第一通孔3411和第二通孔3412，所述第一通孔3411可通过零级衍射光，所述第二通孔3412可通过正负一级衍射光，遮挡零级衍射光。如图11所示所述第一孔径光阑341上具有一个第三通孔3413，所示第一通孔3411和第二通孔3412的尺寸均可以由所述第三通孔3413调制成。所述成像中继器343用于传输所述第一光束a至所述第一孔径光阑341。所述成像镜组343用于将经过所述第一孔径光阑341的光照成像于所述第一探测器344，所述第一探测器344用于获取所述第一光束a携带的零级衍射光光强分布，作为第一信号传输至所述数据处理器35，以及正一级衍射光光强分布和负一级衍射光光强分布，作为第二信号传输至所述数据处理器35。
所述数据处理器35接收所述第二探测单元33获取的所述第一信号以及所述第二信号，并计算出套刻误差。
所述套刻误差测量装置3还包括所述第二探测单元33，所述第二探测单元包括角谱成像组件332和第二探测器331。所述第二探测单元33中的所述角谱成像组件332包括衍射元件和接收屏。所述第二光束b传输的反射光经过所述衍射元件运动至所述接收屏，所述第二探测器331获取所述反射光的角谱并通过傅里叶变换计算出表征所述第一衬底M1和\或所述第二衬底M2表面光强分布，即为第三信号。所述第二探测器331将所述第三信号传输至所述数据处理器35。在所述第三信号用于表征所述第一衬底M1和\或所述第二衬底M2表面的光照的能量波动，以及辅助优化系统配置。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种套刻误差测量方法，所述套刻误差测量方法包括：
步骤一：调节照明单元30的第二孔径光阑的通孔为3011，照明模式为第一光照模式，为调节第一孔径光阑341的通孔尺寸为第一状态3411。
所述照明单元30提供的光照进入分光器件31，所述分光器件31的第一分光板311将所述光照反射至所述物镜32，所述物镜32将所述光照传输至所述第一衬底M1表面，所述第一衬底M1表面反射出反射光。
所述反射光经所述物镜32进入所述分光器件31，经所述分光器件31的第二分光板312形成第一光束a，所述第一光束a进入所述第一探测单元34，所述第一探测器344拍照获取所述第一光照模式下的第一信号，即第一光照模式下的零级衍射光强分布，然后传输至数据处理器35。
步骤二：调节照明单元30的第二孔径光阑的通孔为3012，照明模式为第二光照模式，保持第一孔径光阑341的通孔尺寸为第一状态3411，所述第一探测器344拍照获取所述第二光照模式下的第一信号，即第二光照模式下的零级衍射光强分布，然后传输至数据处理器35。
步骤三：调节照明单元30的第二孔径光阑的通孔为3011，照明模式为第一光照模式，调节第一孔径光阑341的通孔尺寸为第二状态3412。测量第二衬底M2上一样本位置5，所述第二衬底M2上预设有多个所述样本位置5。所述第一探测器344拍照获取所述第一光照模式下的第二信号，即正一级衍射光光强分布，然后传输至数据处理器35；
步骤四：调节照明单元30的第二孔径光阑的通孔为3012，照明模式为第二光照模式，保持第一孔径光阑341的通孔尺寸为第二状态3412。测量第二衬底M2上所述样本位置5，所述第一探测器344拍照获取所述第二光照模式下的第二信号，即负一级衍射光光强分布，然后传输至数据处理器35；
步骤五：测量所述第二衬底M2另一样本位置5，重复步骤三至步骤四，直至完成所有样本位置5测量。所述数据处理器35根据所述第一光照模式下的第一信号校准所述第一光照模式下的第二信号，且根据所述第二光照模式下的第一信号校准所述第二光照模式下的第二信号，并根据校准后的所述第一光照模式下的第二信号和校准后的所述第二光照模式下的第二信号计算出所述第二衬底M2的套刻误差。
进一步的，上述测量均为多次测量取平均值。且所述第一衬底M1为无测量标记的标准裸硅片，或者铝反射镜等标准测量样品。所述第二衬底M2上预设有多个样本位置5，每一所述样本位置包括至少四个标记单元，如图12所示，在设有第一测量标记和第二测量标记的所述第二衬底M2上，为提高测量精度，可以设计更多个单元，但出于成本因素和测试需求，优选为设置四个标记单元。第一标记单元51和第三标记单元53的在X轴方向上具有方向相反的预设偏移量Δ，即分别在X方向上具有预设偏移量-Δ，Δ，第二标记单元52和第四标记单元54在Y轴方向上具有方向相反的预设偏移量Δ，即分别在Y方向上具有预设偏移量-Δ，Δ。
当测量标记为多层时，为保证精确度，可以在样本位置5预设四个以上标记单元。例如9个，在X轴方向或Y轴方向上每个标记单元的预设偏移量可为：-4Δ，-3Δ，-2Δ，-Δ，0，Δ，2Δ，3Δ，4Δ。
所述数据传输器计算每一样本位置5下X轴或Y轴方向上的套刻误差的公式如下：
Figure BDA0002395719540000131
Figure BDA0002395719540000132
Figure BDA0002395719540000141
Figure BDA0002395719540000142
为校准后的第i标记单元的所述正一级衍射光光强分布；
Figure BDA0002395719540000143
为校准后的第i标记单元的所述负一级衍射光光强分布；
Figure BDA0002395719540000144
为校准后的第i+1标记单元的所述正一级衍射光光强分布；
Figure BDA0002395719540000145
为校准后的第i+1标记单元的所述负一级衍射光光强分布；
Ai定义为所述第i标记单元的不对称性；
Ai+1定义为所述第i+1标记单元的不对称性；
t为比例系数；
Δ为所述第i标记单元的预设偏移量；
-Δ为所述第i+1标记单元的预设偏移量，所述第i标记单元与所述第i+1标记单元的预设偏移在同一轴(X轴或Y轴)所在方向上数值相等方向相反；ε为套刻误差。
综上所述，本实施例提供的一种套刻误差测量装置及方法，通过不同光照模式下零级衍射光光强分布作为光强分布不均对正负一级衍射光的校准变量，降低了测量光斑对套刻误差测量的影响，提高测量精度，节约时间成本，提高工作效率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (19)

1.一种套刻误差测量装置，其特征在于，所述套刻误差测量装置包括照明单元、分光器件、物镜、第一探测单元和数据处理器；所述照明单元用于提供两种以上不同光照模式的光照；所述分光器件包括第一分光板和第二分光板；
所述照明单元提供的所述光照经所述第一分光板和所述物镜传输至第一衬底或第二衬底上，并经所述第一衬底或所述第二衬底反射后，传输经所述物镜、所述第一分光板和所述第二分光板后形成第一光束，所述第一光束传输至所述第一探测单元；
所述第一探测单元包括第一孔径光阑和第一探测器，所述第一孔径光阑包括至少一个可调节的通孔，所述第一光束经所述第一孔径光阑传输至所述第一探测器；当所述光照经所述第一衬底反射，且通过调节所述通孔使所述第一孔径光阑处于第一状态时，所述第一探测器输出第一信号至所述数据处理器；当所述光照经所述第二衬底反射，且通过调节所述通孔使所述第一孔径光阑处于第二状态时，所述第一探测器输出第二信号至所述数据处理器；
所述数据处理器用于根据所述第一信号和所述第二信号计算套刻误差。
2.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光照沿所述物镜至所述第一孔径光阑的方向传输时，其中，所述第一孔径光阑处于第一状态时，所述物镜的有效第一数值孔径大于0.5；所述第一孔径光阑处于第二状态时，所述物镜的有效第一数值孔径小于或等于0.5。
3.如权利要求2所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光照沿所述物镜至所述第一衬底或所述第二衬底的方向传输时，所述物镜的第二数值孔径大于或等于0.9，且所述第一数值孔径小于所述第二数值孔径。
4.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述照明单元包括光源、照明准直器、第二孔径光阑和照明中继器；其中，
所述光源用于提供光照；
所述照明准直器用于对所述光源提供的所述光照进行调制；
所述第二孔径光阑用于改变经所述照明准直器调制后的光照的光照模式；
所述照明中继器用于传输经所述第二孔径光阑的光照至所述第一分光板。
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电动转盘，所述照明单元包括至少两个第二孔径光阑，所述电动转盘用于切换不同的所述第二孔径光阑，以改变经所述照明准直器调制后的光照的光照模式。
6.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述第一探测单元还包括成像中继器和成像镜组，所述成像中继器、所述第一孔径光阑、所述成像镜组和所述第一探测器依次布置；
所述成像中继器用于将所述第二分光板分光后的所述第一光束传输至所述第一孔径光阑；
所述成像镜组用于将经所述第一孔径光阑的第一光束成像于所述第一探测器。
7.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述第一信号为所述第一光束的零级衍射光光强分布；所述第二信号为所述第一光束的正一级衍射光光强分布和负一级衍射光光强分布。
8.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述第二衬底上选取有多个样本位置，每一所述样本位置包括至少四个标记单元，每一所述标记单元上设置有测量标记，所述测量标记包括第一测量标记和第二测量标记，所述第一测量标记和所述第二测量标记相对应，且所述第一测量标记相对于所述第二测量标记设有预设偏移量，所述预设偏移量包括第一方向的预设偏移量和/或第二方向的预设偏移量，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
9.如权利要求8所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述第一测量标记和所述第二测量标记均为光栅，所述物镜传输的所述光照经所述光栅发生衍射，产生多级衍射光。
10.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述套刻误差测量装置还包括所述第二探测单元，所述第二探测单元包括角谱成像组件和第二探测器；
所述光照经所述物镜、所述第一分光板和所述第二分光板后还形成第二光束，所述第二光束经所述角谱成像组件传输至所述第二探测器，所述第二探测器输出第三信号至所述数据处理器，所述数据处理器根据所述第三信号监测所述第一衬底或所述第二衬底上光照的能量波动。
11.一种套刻误差测量方法，其特征在于，所述套刻误差测量方法包括：
步骤一：调节照明单元为第一光照模式，且第一孔径光阑为第一状态，测量第一衬底，第一探测器获取所述第一光照模式下的第一信号并传输至数据处理器；
步骤二：调节所述照明单元为第二光照模式，且所述第一孔径光阑为第一状态，测量所述第一衬底，所述第一探测器获取所述第二光照模式下的第一信号并传输至所述数据处理器；
步骤三：调节所述照明单元为第一光照模式，且所述第一孔径光阑为第二状态，测量第二衬底上一样本位置，所述第二衬底上预设有多个所述样本位置，所述第一探测器获取所述第一光照模式下的第二信号并传输至所述数据处理器；
步骤四：调节所述照明单元为第二光照模式，且所述第一孔径光阑为第二状态，测量所述第二衬底上所述样本位置，所述第一探测器获取所述第二光照模式下的第二信号并传输至所述数据处理器；
步骤五：测量所述第二衬底另一样本位置，重复步骤三至步骤四，直至完成所有样本位置测量；所述数据处理器根据所述第一光照模式下的第一信号校准所述第一光照模式下的第二信号，且根据所述第二光照模式下的第一信号校准所述第二光照模式下的第二信号，并根据校准后的所述第一光照模式下的第二信号和校准后的所述第二光照模式下的第二信号计算出所述第二衬底的套刻误差。
12.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述第一光照模式下的第一信号为所述第一光照模式下的零级衍射光光强分布。
13.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述第二光照模式下的第一信号为所述第二光照模式下的零级衍射光光强分布。
14.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述第一光照模式下的第二信号为所述第二衬底上所述样本位置的正一级衍射光光强分布。
15.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述第二光照模式下的第二信号为所述第二衬底上所述样本位置的负一级衍射光光强分布。
16.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，所述第一信号和所述第二信号进行多次测量取平均值。
17.如权利要求11所述的套刻误差测量方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述第二衬底上预设有多个样本位置，每一所述样本位置包括至少四个标记单元，每一所述标记单元上设置有测量标记，所述测量标记包括第一测量标记和第二测量标记，所述第一测量标记和所述第二测量标记相对应，且所述第一测量标记相对于所述第二测量标记设有预设偏移量，所述预设偏移量包括第一方向的预设偏移量和/或第二方向的预设偏移量；其中，至少两个标记单元的预设偏移量在所述第一方向上且预设偏移方向相反但数值相等，至少两个标记单元的预设偏移量在所述第二方向上且预设偏移方向相反但数值相等；所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
18.如权利要求17所述的套刻误差测量方法，其特征在于，通过如下公式获取标记单元的不对称性：
Figure FDA0002395719530000041
Figure FDA0002395719530000042
Figure FDA0002395719530000043
为校准后的第i标记单元对应的所述正一级衍射光光强分布；
Figure FDA0002395719530000044
为校准后的第i标记单元对应的所述负一级衍射光光强分布；
Figure FDA0002395719530000045
为校准后的第i+1单元对应的所述正一级衍射光光强分布；
Figure FDA0002395719530000046
为校准后的第i+1单元对应的所述负一级衍射光光强分布；
Ai为所述第i标记单元的不对称性；
Ai+1为所述第i+1标记单元的不对称性；
其中，所述第i标记单元与所述第i+1标记单元上的所述预设偏移量在第一方向或第二方向上数值相等但方向相反，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。
19.如权利要求18所述的套刻误差测量方法，其特征在于，所述数据处理器通过如下公式计算每一样本位置下第一方向或第二方向上的套刻误差：
Figure FDA0002395719530000051
Ai为所述第i标记单元的不对称性；
Ai+1为所述第i+1标记单元的不对称性；
Δ为预设偏移量；
ε为套刻误差。
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