CN115793412A - 一种非成像半导体套刻误差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非成像半导体套刻误差测量装置及方法，包括搭建明暗场单像素成像光路；基于单像素成像光路进行非成像前提下的傅里叶频域采集；通过傅里叶频域的计算获取二维互相关系数分布；利用二维互相关系数分布进行轮廓中心亚像素定位；通过两个轮廓的亚像素定位作差计算套刻误差。本发明实现了在无需成像的前提下，仅通过光强测量直接定位检测目标的亚像素轮廓中心并计算套刻误差，极大的降低了图形运算所产生的数据量，提高了测量效率，拓展了单像素成像技术在半导体套刻误差测量领域的应用。

Description

一种非成像半导体套刻误差测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种非成像半导体套刻误差测量装置及方法，属于微电子及半导体集成电路制造领域。

背景技术

半导体芯片技术是国家经济发展和信息安全的命脉，光刻工艺是半导体集成电路制造中的关键步骤。它通过对准、曝光显影等一系列重复工艺，将掩膜图案图形移到晶圆上。而曝光显影后留在光刻胶上的图形(当前层图形)必须与晶圆衬底已有的图形(前层图形)位置对准。套刻误差(overlay)，即晶圆的上下两层图形的偏移量，必须满足要求才能保证器件的不同部分之间连接正确。套刻误差太大是导致器件短路和断路的主要原因，因此套刻误差量测对于提高半导体生产制造良品率具有重要的意义和应用价值。然而当前绝大数套刻误差检验设备依赖进口，关键技术受制于人,严重威胁了我国半导体行业的良性发展。

在集成电路制造流程中，通常利用专门的设备检测光刻后的晶圆当前层图形与前层图形之间的相对位置确定套刻误差。套刻误差定量地描述了当前图形相对前层图形在X，Y两个方向上的偏差以及这种偏差在晶圆上的分布，是检验光刻工艺优劣的关键指标之一。晶圆上专门用于计算套刻误差的图形为套刻标识，这些图形通常处于曝光单元的边缘。目前半导体表面套刻误差计量技术领域常用的技术有基于图像识别技术的套刻误差测量(IBO)和基于衍射的套刻误差测量(DBO)。

基于图像识别技术的套刻误差量测，其主要流程为：在当前层和前层使用光刻工艺制作特定的套刻标记，两层套刻标记互不重叠，且易于计算中心坐标；通过相机、镜头、光源的合适选型，对半导体指定套刻标记区域按照规划路线进行高精度成像；通过图形学的去噪、旋转矫正、切边、图片分割、图像插值放大等技术，获得单个测量对象的高分辨图像；针对双层套刻标记图像进行算法处理获得套刻标记轮廓中心坐标；通过对双层套刻标记的求中心坐标差以获得套刻误差。然而该技术存在以下几点问题：1.为获取高分辨率的局部的图像学处理流程显著增加了处理所需要的时间，降低了检测的效率；2.使用智能算法进行套刻标记对准将会产生巨大的数据通量，这对生产使用的通信服务器产生了巨大的压力，而高端服务器也是外国专利把持的重地，容易成为新的卡脖子问题；3.随着半导体制程的降低和相机空间分辨率的上升，原有技术产生效率不足问题和数据压力过大问题将会越来越严重。

基于衍射的套刻误差量测，其主要流程为：在当前层和参考层使用光刻工艺制作衍射光栅类型的光刻标记，两层标记均为周期性结构；使用光源照明套刻标记区域；测量照明光下的+1和-1阶衍射光强度；利用套刻误差存在时，光强差和套刻误差值成的良好的线性关系，量测设备通过测量光强差，可以计算不同工艺层之间的套刻情况。相对于IBO套刻标识，DBO标识的优点是测量误差小以及测量重复性高。基于衍射的套刻误差量测存在以下问题，相关专利为荷兰ASML公司垄断并实用于该公司的YieldStar量测仪器中，继续沿用该技术容易成为新的卡脖子问题。

现在业界对于套刻误差的控制要求越来越高，套刻误差的测量也面临巨大的挑战，如何提高套刻误差的测量速度、提高准确性、降低数据通量、解决关键技术的卡脖子问题是集成电路制造工艺的主要难题。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提供一种非成像半导体套刻误差测量装置及方法，是一种全新的非成像方式实现高量测效率、低数据通量、高精度的套刻误差量测技术。

本发明技术解决方案：

第一方面，提出一种双模态单像素成像光路，包括主动式单像素明场成像模块；被动式单像素暗场成像模块；通过分光器，在主动式单像素明场成像模块和被动式单像素暗场成像模块之间切换；主动式单像素明场成像模块对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的明场傅里叶频域；被动式单像素暗场成像模块对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的暗场傅里叶频域；

所述主动式单像素明场成像模块，包括：

光源；

空间光调制器；

成像透镜；

凹面反射镜；

光电传感器；

分光器；

在主动式明场单像素成像模块中，光从光源发出，照射在分光器的外斜面，与其呈45度夹角；光的一半分量透过斜面，且不改变方向，由凹面放射镜汇聚并反射后，照射在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到成像透镜；结构光场经过成像透镜，投影在检测目标表面；检测目标表面反射结构光场，照在光电传感器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的明场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的明场傅里叶频域。

所述被动式单像素暗场成像模块包括：

光源；

空间光调制器；

成像透镜；

凹面反射镜；

光电传感器；

分光器；

在被动式暗场单像素成像模块中，光从光源发出，照射在检测目标表面，在检测目标表面发生漫反射；产生的漫射光通过成像透镜，成像在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到凹面镜表面；结构光场经过凹面反射镜的汇聚和反射后，入射到分光器的内斜面，并与其呈45度夹角；结构光场经过分光器的内斜面反射后，照在光电探测器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的暗场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的暗场傅里叶频域。

第二方面，提出一种双模态单像素成像方法，包括：主动式单像素明场成像、被动式单像素暗场成像；通过分光器，在主动式单像素明场成像和被动式单像素暗场成像之间切换；主动式单像素明场成像对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的明场傅里叶频域；被动式单像素暗场成像对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的暗场傅里叶频域；

主动式明场单像素成像时，光从光源发出，照射在分光器的外斜面，与其呈45度夹角；光的一半分量透过斜面，且不改变方向，由凹面放射镜汇聚并反射后，照射在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到成像透镜；结构光场经过成像透镜，投影在检测目标表面；检测目标表面反射结构光场，照在光电传感器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的明场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的明场傅里叶频域。

在被动式暗场单像素成像时，光从光源发出，照射在检测目标表面，在检测目标表面发生漫反射；产生的漫射光通过成像透镜，成像在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到凹面镜表面；结构光场经过凹面反射镜的汇聚和反射后，入射到分光器的内斜面，并与其呈45度夹角；结构光场经过分光器的内斜面反射后，照在光电探测器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的暗场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的暗场傅里叶频域。

第三方面，提出一种非成像半导体套刻误差测量装置，包含双模态单像素成像光路和计算单元；通过双模态单像素成像光路，非成像地获取检测目标的傅里叶频域；使用计算单元处理傅里叶频域，得到二维互相关系数分布；根据二维互相关系数分布，计算得到亚像素精度待测目标轮廓中心坐标；根据亚像素精度待测目标轮廓中心坐标，计算得到半导体套刻误差。

第四方面，提出一种非成像半导体套刻误差测量方法，实现如下：

S1：利用双模态单像素成像光路，结合傅里叶单像素成像原理，在非成像的前提下，获取待测目标的傅里叶频域分布；

S2：由待测目标的傅里叶频域分布求出二维互相关性分布；

S3：基于二维互相关系数分布，得到待测目标轮廓中心的亚像素精度坐标；

S4：对待测目标轮廓中心的亚像素精度坐标进行计算，得到半导体套刻误差。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)现有的基于图像识别技术的套刻误差测量(IBO)方法，依赖高空间分辨率成像设备和图像后处理算法进行套刻误差测量，伴随着现代相机像素密度快速增加而产生巨大数据通量，和制约了其效率的进一步提升。而本发明虽然利用了成像光路，在不进行图形重构的前提下，对得到检测目标的明场傅里叶频域，计算出套刻误差，因此可以有效降低数据通量，提高测量效率。

(2)现有的基于衍射的套刻误差测量(DBO)方法，由于使用衍射原理，虽然测量精度但是对环境振动的敏感性较高；而本发明提出的方法使用双模态单像素成像光路，因此具有更高的环境鲁棒性。

(3)此外，本发明提出的装置还具有结构紧凑、制作成本低、动态范围高、计算复杂度低的优点。

附图说明

图1为本发明的双模态单像素成像光路示意图；

图2为本发明的非成像半导体套刻误差测量方法的流程图；

图3为本发明实施例二所使用的待测目标；

图4为本发明实施例二计算所得二维互相关性分布的归一化结果；

图5为二维互相关性的其中一行的插值计算结果。

具体实施方式

本发明提供了一种非成像半导体套刻误差测量装置及技术其装置，该装置结构紧凑、动态范围高、数据通量低，该技术计算复杂度低、检测效率高、测量精度高。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下通过具体实施，并结合附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的双模态单像素成像光路，包括：

光源101；本发明实施例中采用高亮度宽频白光LED灯珠作为明场成像光路光源。

光源102；本发明实施例中光源采用宽频白光LED面板作为暗场成像光路光源。

光电传感器103；用于测量调制后的明场结构光总光强；

光电传感器104；用于测量调制后的暗场结构光总光强；

分光器105；位于明场光源和暗场探测器之间，与明场和暗场光路在分光界面处形成45°分光光路；在本实施例中，分光器用于将明场光路和暗场光路集成到一个装置中，实现光路复用。

空间光调制器106；用于对聚焦在其表面的光场进行幅值调制；在本实施例中使用数字微镜设备作为空间光调制器，数字微镜设备可以进行反射式的二值化幅值调制。

凹面镜107；用于调整焦平面位置和改变光路方向、提高装置紧凑性；

成像透镜108；用于将物体的像准确成在空间光调制表面或将投影的结构光准确的聚焦在待测物体表面；

检测目标109；在半导体套刻量测工艺中通常为套刻标记。

本实施例使用分光器实现明场和暗场两种照明模式之间的切换。

其中，明场模式如图1中实线箭头所示，使用光源101照明，照明光线直接通过分光器105，在凹面镜107的反射聚焦下，将光投射到空间光调制器106的表面，在此处光场进行二值化光场幅值编码并反射，反射的结构光场通过成像透镜108投影到检测目标109上，物体表面的反射光到达光电传感器103靶面，测量总光强；

其中，暗场模式如图1中虚线箭头所示，使用光源102对检测目标109进行暗场照明，由检测目标表面漫反射的光被成像透镜108收集，并聚焦成像在空间光调制器106表面。空间光调制器106对光场进行幅值编码并反射，反射的结构光场通过凹面镜107反射汇聚，在分光器105的分光界面发生反射；反射光到达光电传感器104靶面，测量总光强。

根据本发明实施例提出单像素明暗场双模态成像装置，可以有效利用单像素传感器的高动态特性解决半导体缺陷检测过程中常见的局部强反射光问题和对比度不足的问题，使该装置在半导体套刻检测环节中可以适应更多不同的表面成像条件。

实施例二

如图2所示，实现了单像素成像原理的非成像半导体套刻误差计算方法，具体步骤如下：

S1：利用双模态单像素成像光路，结合傅里叶单像素成像原理，在非成像的前提下，获取待测目标的傅里叶频域分布；基于实施例一中提供装置，根据成像目标的反射率分布特点选择合适的光路以得到最佳的对比度；在本实施例中，将以明场光路进行说明，其光路图如图1所示，包括光源101，光电传感器103，分光器105，空间光调制器106，凹面镜107，成像透镜108，检测目标109；

将待测物体放置于避光环境中，光源发射器发出的光经过空间光调制器的调制，反射到待测物体上；向空间光调制加载傅里叶调制模板P，

P(x,y|f_x,f_y,φ)＝A+B+cos[2π(f_x+f_y)+φ], (1)

其中，(x,y)表示空间域中的二维坐标，A表示图案的平均强度或直流项，B表示对比度。假设二维图像的强度分布为I(x,y)，则调制和后向散射能量E_φ(f_x,f_y)等于I(x,y)和P(x,y)的内积，该内积可由下式表示：

E_φ(f_x,f_y)＝∫∫I(x,y){A+B·cos2π(f_xx+f_yy)+φ}dxdy (2)

如果D_φ(f_x,f_y)表示探测器对该光场的响应，那么他如下式所示包含两个部分。

D_φ(f_x,f_y)＝m·E_φ(f_x,f_y)+D_n. (3)

一为传感器对调制光场E_φ(f_x,f_y)的线性响应，该响应的线性系数由m表示，m是传感器本身的固有属性。D_n则表示环境噪音，在两次间隔时间较短的调制之间，环境噪音可以被认为是一个短时间内的常数。接着使用四步相移法计算傅里叶频域系数，每4次空间光照明可以得到一个傅里叶系数，这四个结构光模板拥有相同的频率对(f_x,f_y)和不同的相位φ。这四个相位分别为0,π/2,πand 3π/2。由该技术得到的傅里叶系C(f_x,f_y)可以表示为：

由此获取任意指定区域的任意傅里叶频域；本实施例使用了上述技术获取了如图3虚线框内所示的套刻标记物的傅里叶频域，该套刻目标的像素尺寸为M像素宽,N像素高，所使用的选框宽度为K像素。由于直接从一维电信号中直接获取傅里叶频域的部分频点值，本发明可以在不进行成像的前提下进行后续计算，因而有效避免了由于成像和后处理算法带来的数据采集的压力和计算的压力。

S2：由待测目标的傅里叶频域分布求出二维互相关性分布；

本实施例使用傅里叶单像素成像原理在非成像的前提下获取了左右两块的傅里叶系数，这两块傅里叶分布分别使用f₁(f_x,f_y)和f₂(f_x,f_y)来表示。根据频域相乘等价于空域卷积的经典图形学操作，本实施例得到两个区域的二维互相关性分布CC_2D(x,y)，其数学表示为：

CC_2D(x,y)＝F^-1{ f₁(f_x,f_y)·f₂(f_x,f_y)}. (5)

在本实施例中，上述技术得到二维互相关性分布的灰度归一化结果如图4所示，其中黑色代表0，白色代表1；可以显著观察到相关性在特定的位移量条件下可以取得最大值。由于计算过程只涉及简单的二维快速傅里叶变换和排序，因此计算复杂度极低，可以有效提高套刻误差计算效率和降低计算及通信压力。

S3：基于二维互相关系数分布，得到待测目标轮廓中心的亚像素精度坐标；

由得到二维互相关性分布的灰度归一化结果，进一步计算亚像素精度的目标图案的轮廓中心坐标；

对于二维互相关性分布的每一行，可以提取其一维相关性分布。其中第i行的抽取结果如图5所示，对其进行三次样条插值，找出其亚像素相关性峰值位置记为P_f(i)。最终的平均亚像素相关性峰值位置P如下式所示：

其中，N是检测对象的像素高度。由于使用了三次样条和插值和平均化，此算法完全利用了所有采集得到的二维相关性数据，因此能具有高的精确度。

最终的水平方向的轮廓中心位置Cor_L由下式给出：

其中，P为所求的水平方向平均亚像素相关性峰值位置，M为检测对象的水平像素宽度，K为所使用选框的水平像素宽度。

对于二维互相关性分布的每一列，也可以提取其一维相关性分布，对其进行三次样条插值，找出其亚像素相关性峰值位置记为P_f(j)。最终的平均亚像素相关性峰值位置P如下式所示：

其中，N是检测对象的像素高度。由于使用了三次样条和插值和平均化，此算法完全利用了所有采集得到的二维相关性数据，因此能具有高的精确度。

最终的竖直方向的轮廓中心位置Cor_V由下式给出：

其中，P为所求的竖直方向平均亚像素相关性峰值位置，N为检测对象的竖直像素宽度，K为所使用选框的竖直像素高度。

重复步骤S3，即可分别测量前层图形和当前层图形的轮廓中心坐标。

S4：对待测目标轮廓中心的亚像素精度坐标进行计算，即对测量前层图形和当前层图形的轮廓中心坐标作差，得到半导体套刻误差。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结

合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种双模态单像素成像光路，其特征在于，包括：主动式单像素明场成像模块；被动式单像素暗场成像模块；通过分光器，在主动式单像素明场成像模块和被动式单像素暗场成像模块之间切换；主动式单像素明场成像模块对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的明场傅里叶频域；被动式单像素暗场成像模块对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的暗场傅里叶频域；

所述主动式单像素明场成像模块，包括：

光源；

空间光调制器；

成像透镜；

凹面反射镜；

光电传感器；

分光器；

在主动式明场单像素成像模块中，光从光源发出，照射在分光器的外斜面，与其呈45度夹角；光的一半分量透过斜面，且不改变方向，由凹面放射镜汇聚并反射后，照射在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到成像透镜；结构光场经过成像透镜，投影在检测目标表面；检测目标表面反射结构光场，照在光电传感器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的明场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的明场傅里叶频域。

所述被动式单像素暗场成像模块包括：

光源；

空间光调制器；

成像透镜；

凹面反射镜；

光电传感器；

分光器；

在被动式暗场单像素成像模块中，光从光源发出，照射在检测目标表面，在检测目标表面发生漫反射；产生的漫射光通过成像透镜，成像在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到凹面镜表面；结构光场经过凹面反射镜的汇聚和反射后，入射到分光器的内斜面，并与其呈45度夹角；结构光场经过分光器的内斜面反射后，照在光电探测器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的暗场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的暗场傅里叶频域。

2.一种双模态单像素成像方法，其特征在于，包括：主动式单像素明场成像、被动式单像素暗场成像；通过分光器，在主动式单像素明场成像和被动式单像素暗场成像之间切换；主动式单像素明场成像对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的明场傅里叶频域；被动式单像素暗场成像对检测目标做单像素傅里叶频域采集，得到检测目标的暗场傅里叶频域；

主动式明场单像素成像时，光从光源发出，照射在分光器的外斜面，与其呈45度夹角；光的一半分量透过斜面，且不改变方向，由凹面放射镜汇聚并反射后，照射在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到成像透镜；结构光场经过成像透镜，投影在检测目标表面；检测目标表面反射结构光场，照在光电传感器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的明场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的明场傅里叶频域；

在被动式暗场单像素成像时，光从光源发出，照射在检测目标表面，在检测目标表面发生漫反射；产生的漫射光通过成像透镜，成像在空间光调制器上；空间光调制器对光进行调制，得到结构光场；结构光场被反射到凹面镜表面；结构光场经过凹面反射镜的汇聚和反射后，入射到分光器的内斜面，并与其呈45度夹角；结构光场经过分光器的内斜面反射后，照在光电探测器靶面；光电传感器测量结构光场总强度，通过结构光场强度和结构光场的相关性计算，得到检测目标的暗场傅里叶频域指定位置的傅里叶频点值；通过频域扫描，得到检测目标的暗场傅里叶频域。

3.一种非成像半导体套刻误差测量装置，其特征在于，包含双模态单像素成像光路和计算单元；通过双模态单像素成像光路，非成像地获取检测目标的傅里叶频域；使用计算单元处理傅里叶频域，得到二维互相关系数分布；根据二维互相关系数分布，计算得到亚像素精度待测目标轮廓中心坐标；根据亚像素精度待测目标轮廓中心坐标，计算得到半导体套刻误差。

4.一种非成像半导体套刻误差测量方法，其特征在于，实现如下：

S1：利用双模态单像素成像光路，结合傅里叶单像素成像原理，在非成像的前提下，获取待测目标的傅里叶频域分布；

S2：由待测目标的傅里叶频域分布求出二维互相关性分布；

S3：基于二维互相关系数分布，得到待测目标轮廓中心的亚像素精度坐标；

S4：对待测目标轮廓中心的亚像素精度坐标进行计算，得到半导体套刻误差。

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