CN1238687C - 利用衍射特征的分析对焦点中心的判断 - Google Patents

Abstract

本发明提供通过利用多个衍射光栅(20)进行衍射特征差值分析而在光刻晶片(10)中进行判断的方法。

Description

利用衍射特征的分析对焦点中心的判断

相关申请的交叉参考

本申请要求享有2000年9月6日提交的题为<Determination of Centerof Focus By Diffractions Signature Analysis>的美国专利申请No.60/230,491的优先权，该申请在此引为参考。

技术领域

本发明涉及通过衍射特征(deffraction signature)分析判断光刻应用中的参数的方法，包括光刻应用中的焦点中心的判断，如晶片(wafer)上的光致抗蚀剂的光刻处理。

背景技术

注意，下面的讨论是针对作者的多篇公开物及多年的公开物，并且由于近来公开的数据，一些特定的公开物不认为是本发明的现有技术。作为更全面的背景介绍，在此对这些公开物给予讨论，并且这不认为是对这些公开物为专利性判断目的的现有技术的许可。

光刻在半导体、光学装置和相关产业上具有多种有用的用途。光刻用于制造半导体器件，如建立在晶片上的集成电路以及平板显示器、盘盖等。在一种应用中，光刻用于通过空间调制光把掩模或光网上的图案转移到衬底的抗蚀剂层上。然后对抗蚀剂层显影，并蚀刻掉(正抗蚀剂)或保留(负抗蚀剂)曝光的图案，从而在抗蚀剂层上形成三维图象图案。但是，除了光致抗蚀剂光刻外，还可以采用其它形式的光刻。

在一种尤其用于半导体产业的光刻形式中，采用一种晶片步进器，该步进器主要包括一个缩放透镜和一个照明器，一个受激准分子激光器光源，一个晶片台、一个光网台、一个晶片盒和一个操作者工作站。现代的步进器(stepper)装置采用正负两种抗蚀剂法，并利用原始的步进重复形式或步进扫描形式中的一种或两种。

曝光和焦点确定显影的、如利用光致抗蚀剂光刻的抗蚀剂层上图象图案的质量。曝光确定单位面积的图象的平均能量，并且该曝光由照明时间和强度来设置。焦点决定相对焦点图象的调节减少。焦点由抗蚀剂层的表面相对于成像系统的焦平面的位置设置。

抗蚀剂层的厚度和衬底光刻以及步进器焦点偏移都会导致曝光和焦点的局部变化，因为曝光和焦点中的可能变化，所以需要监控通过光刻产生的图象图案以判定图案是否处于可接受的容限范围之内。焦点和曝光控制对用于产生亚微米线条的光刻过程尤其重要。

已有多种方法和装置用于确定步进器和类似光刻装置的焦点。采用扫描电子显微镜(SEM)和类似的装置。但是，虽然SEM计量法可以分辨0.1微米量级的特征，但该方法成本很高，需要一个高真空腔，工作较慢并且难以自动化。也可以采用光学显微镜，但它对亚微米结构没有所需的分辨能力。其它的方法包括显影规定的目标和测试掩模，如美国专利US5,712,707、US5,953,128和US6,088,113中所述。涂覆层误差法也是已知的，如美国专利US5,952,132中所述。但是，这些方法虽然由于目标的性质而提高了分辨率，但仍然使用SEM、光学显微镜或类似的直接测量装置。

多种散射仪和相关的装置以及测量装置被用于表征微电子和光电半导体材料、计算机硬盘、光盘、精细抛光的光学元件的微观结构和其它具有处于十几微米至不小于十分之一微米的横向尺寸的其它材料的微观结构。例如，Accent Optical Technologies Inc.制造并出售的CDS200散射仪是一种全自动的非破坏性临界尺寸(CD)测量和横截面轮廓分析系统，在美国专利US5,703,692中有部分公开。此装置可以在同时判断横截面轮廓并执行层厚评估的时候反复分辨小于1nm的临界尺寸。这种装置监控作为照明光束入射角函数的单阶衍射的强度。可以通过这种方式监视样品的第零阶和镜反射阶以及较高阶衍射的强度变化，并且提供对判断被照明的样品目标的特性有用的信息。因为制造样品目标的过程决定样品目标的特性，所以该信息也用作过程的间接监视器。此方法在半导体工艺中有所描述。在包括美国专利US4,710,642、US5,164,790、US5,241,369、US5,703,692、US5,867,276、US5,889,593、US5,912,741和US6,100,985的很多文献中示范了多种用于散射仪分析的方法和装置。

散射仪和相关的装置可以采用各种不同的操作方法。在一种方法中，采用一种已知的单一波长光源，入射角θ在一个确定的连续范围内改变。在另一种方法中，采用多个激光源，每个处于不同的入射角θ。在另一种方法中，采用一种入射光频谱很宽的光源，入射光在一定的波长范围内照明，并且入射角θ可以选择地保持恒定。还知道一种可变相位的光学器件，利用光学元件和滤光片产生一定范围的入射相位，用探测器探测所得的衍射相位。还可以采用可变偏振状态的光分量，利用光学元件和滤光片将光的偏振从S变为P分量。还可以在φ的范围内调节入射角，使得光或其它辐射源绕目标区旋转，或者是目标相对地绕光或其它光源旋转。利用这些各种装置中的任何一种以及它们的组合或置换，可以获得样品目标的衍射特征。

除散射仪装置之外，还有其它的装置和方法能够利用一种可从衍射光栅反射或透过衍射光栅的、光被探测器捕获的基于光的光源确定零阶或其它高阶衍射的衍射特征。其它的这种装置和方法除了散射仪外还包括椭圆仪和反射仪。还知道可以利用其它的辐射源、如X射线获得不基于光的衍射特征。

现有技术中已知多种样品目标。一种简单的通用目标是一个衍射光栅，具有一系列周期性的线条，线宽与间隔的比例处于1∶1～1∶3之间，当然，已知还有别的比例。典型的例如处于1∶3比例的衍射光栅，对于400nm的总间距(线宽加间距)将具有100nm的线宽和300nm的间隔。线宽和间距是光刻处理的分辨率的函数，因此当光刻处理允许有较小的线宽和间距时，可以类似地减小线宽和间距。衍射技术可以采用任何可行的线宽和间距，包括那些基本上比当前主要采用的小得多的线宽和间距。

在晶片芯片的已知图案中一般分布着衍射光栅。已知在现有技术中一个晶片上应用多个芯片(或曝光场域)。每个衍射图案可以通过光刻方式制作，以处于不同的焦点，例如通过采用不同的焦点设置或不同的曝光设置或曝光量。还已知可以利用散射仪和衍射光栅比较来自各个不同焦点的衍射光栅的衍射特征与产生关于CD的信息的衍射光栅特征的理论模式库确定焦点的中心。将实际的衍射测量与模式相比较，从中推算出CD值。将由此获得的CD值绘成关于焦点的曲线，所得的结果与抛物线拟合。但是，这种方法需要很长的时间和很多的计算机资源以产生理论模式。

发明内容

本发明提供了一种测量有关光刻装置的参数的方法，利用下列步骤：提供一个衬底，衬底上包括多个通过利用光刻装置的光刻法形成的衍射光栅，衍射光栅包括多个间隔元件；通过基于辐射源的工具测量多个衍射光栅中至少三个的衍射特征；和确定衍射特征之间的差值，从而确定所述光刻装置的所需参数。在此方法中，衬底可以包含一个晶片。

本方法还包括利用光刻装置以不同的已知焦点设置值形成多个衍射光栅，和确定两个相邻焦点设置值的衍射光栅，其中该衍射特征的差值小于其它相邻焦点设置值衍射光栅之间的衍射特征差值，因此，该参数是光刻装置的焦点中心。

在一个优选实施例中，不同的已知焦点设置值为相同增量的不同焦点设置值。或者，不同的已知焦点设置值是不等增量的不同焦点设置值，并且本方法还包括采用数学算法对不等增量的不同焦点设置值归一化。

本方法还包括将衍射特征差值绘制曲线，其中不同衍射光栅之间的衍射特征差值的增长为近似抛物曲线，其斜率在焦点中心上为零。对衍射光栅之间衍射特征差值的判定还可以包括使用度量标准。一种可以采用的度量标准是数据分析的均方根误差法。确定最小的差值还可以包括对衍射光栅之间衍射特征的加权平均差值的比较。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括利用光刻装置以相同的焦点设置值形成多个衍射光栅，并确定作为衬底上衍射光栅的位置函数的差值。在本方法的另一个实施例中，该方法还包括以不同的已知焦点设置值和不同的已知剂量设置值形成多个衍射光栅，并确定剂量对焦点的影响。多个衍射光栅可以包括多组相同的已知不同焦点设置值的衍射光栅，组数随不同的已知剂量设置值而变。

本发明还提供确定光刻装置中焦点中心的方法，该方法包括步骤：提供一个衬底，衬底上包括多个利用光刻装置制得的衍射光栅，多个衍射光栅包括不同的已知焦点设置值；通过基于辐射源的工具确定多个衍射光栅中至少三个的衍射特征；测量相邻的焦点设置值衍射光栅之间的衍射特征之间的差值；和确定焦点中心作为焦点设置值，其中，在相邻焦点设置值衍射光栅的衍射特征之间具有最小的差值。

在本方法的一个实施例中，相邻焦点设置值衍射光栅之间的衍射特征的差值的增加为近似抛物线曲线，其斜率在最小差值上为零。对相邻焦点设置值衍射光栅之间衍射特征差值的确定可以包括确定使用度量标准的差值的判定，包括但不限于数据分析的均方根误差法。本方法还包括通过比较相邻焦点设置值衍射光栅之间的衍射特征加权平均差值确定最小的差值。在本方法的另一实施例中，确定最小差值包括使从相邻的序列焦点设置值衍射光栅之间衍射特征之差推导出的数据与抛物曲线拟合，由此，最小的差值包含抛物曲线的最小值。

在前述所有的方法中，基于辐射源的工具包括基于光源的工具。在一个实施例中，基于光源的工具包括一个入射激光束源，一个聚焦激光束并以一定范围的入射角进行扫描的光学系统，和一个用于在所得的测量角内探测最终的衍射特征的探测器。基于光源的工具还包括一个角分辨散射仪。在另一不同的实施例中，基于光源的工具包括多个激光源。在另一实施例中，基于光源的工具包括入射宽谱段光的光源，聚焦光束并通过一定范围的入射波照明的光学系统，和一个用于探测最终测量波长上的最终衍射特征的探测器。在另一实施例中，基于光源的工具包括入射光源，用于改变S和P偏振光的振幅和相位的组件，聚焦光束并在一定的入射相位上照明的光学系统，和探测最终衍射特征的相位的探测器。

在前述所有的方法中，测量衍射特征包括通过基于宽波段辐射源的以固定的角度、可变的角度θ和可变的角度φ工作的工具源进行相位测量。在该方法中，测量衍射特征还包括通过基于单波长辐射源的以固定的角度、可变的角度θ和可变的角度φ工作的工具源测量相位。测量衍射特征还可以包括通过基于多个分散的波长辐射源的工具源测量相位。衍射特征可以是一个反射衍射特征或一个透射衍射特征。衍射特征可以是一个镜反射阶衍射特征或高阶衍射特征，既可以是正的，也可以是负的。

本发明的主要目的是提供一种不使用光学的、SEM或类似的显微计量工具测量有关光刻装置的参数的方法。

本发明的另一目的是提供一种通过分析一系列不同焦点衍射光栅之间衍射特征的差值确定光刻装置的焦点中心的方法。

本发明的另一目的是提供一种通过利用反射或透射衍射获得衍射特征来确定或测量与光刻装置相关的包括焦点中心的参数的方法。

本发明的另一目的是提供一种通过利用任何建立衍射特征的方法而获得衍射特征来确定或测量与光刻装置相关的包括焦点中心的参数的方法，包括但不限于零阶或镜反射阶衍射或任何高阶衍射的反射或透射角分辨、可变波长、可变相位、可变偏振态或可变取向的衍射、或是它们的组合。

本发明的另一目的在于提供一种不需要直接使用理论模式或已知参数库中的任何一种来确定或测量与光刻装置有关的、包括焦点中心的参数的方法和装置。

本发明的另一目的在于提供一种通过衍射特征差响应和分析确定或测量与光刻装置有关的作为计量函数的、包括焦点中心的参数的方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过不同焦点衍射光栅的任意阶衍射特征、包括第零阶或任何较高阶衍射(正或负)确定或测量与光刻装置有关的参数的方法。

本发明的主要优点在于它能够不使用光学装置、SEM或类似的显微计量工具测量有关光刻装置的参数的方法。

本发明的另一优点在于允许使用通过步进器、包括常规的光致抗蚀剂光刻装置制作的常规晶片上一系列不同焦点的衍射光栅，利用衍射特征的确定以及它们之间的差值来确定衍射光栅的焦点中心。

本发明的另一优点在于提供一种方法和装置，允许以低于常规的已知方法的时间周期和成本获得关于步进器之类的光刻装置的结果，包括焦点中心。

通过下面联系附图对本发明的详细说明以及通过实施本发明，本发明的其它目的、优点和特点对于本领域的技术人员将变得更加清晰。本发明的目的和优点可以通过权利要求中具体指出的仪器及其组合实现。

附图说明

成为本说明书一部分的附图图示说明了本发明的多个实施例，并与文字说明一起用于解释本发明的原理。这些附图只出于图解本发明多个优选实施例的目的，而不构成对本发明的限定。附图中：

图1是其上带有芯片的晶片简图，其中芯片包含衍射光栅；

图2是获得反射型0阶衍射特征的各种模式简图；

图3表示三维衍射光栅；

图4表示一系列衍射光栅；

图5A-C表示利用角分辨散射仪而获得的衍射特征曲线，每一特征曲线随一个聚焦步骤而变，其中S和P偏振光连在一起；

图6是由均方根误差确定的衍射特征差-焦点曲线；

图7A和7B分别表示包含窄的和宽的焦点中心最小值的抛物线；

图8表示从场域中多个位置处的衍射特征差中推出的焦点中心的三维插图，由此表示作为场域中位置函数的焦点中心；和

图9表示从场域中倾斜的衍射特征差推出的焦点中心的三维插图，由此表示作为场域中位置函数的焦点中心的台倾斜效应。

具体实施方式

本发明提供了一种用于测量与光刻装置有关的参数的方法和装置，并且在一个优选实施例中，本发明的方法和装置用于确定光刻装置的焦点中心。在该方法中，获得了不同衍射光栅的一系列衍射特征，衍射光栅利用光刻装置、并采用多个不同的焦点设置值以及任选的多个不同剂量设置值制得。衍射特征依次排序，排序可以在获得衍射特征之后进行，如以增大或减小焦点设置值这样的次序进行，最好以等同的增量，并且确定相邻焦点设置衍射光栅之间的衍射特征差。可选择利用一种度量标准，如分析的均方根误差法比较该差值。当到达焦点中心时，衍射特征将变得接近到一起，等增量的相邻焦点设置值之间有较小的差。由此，通过采用本发明的衍射特征差值分析法，可以不用参照理论模型或历史数据的数据库、并且不用使用如光学显微镜或SEM之类的直接的测量度量装置就可以确定焦点的中心和有关的参数。

在继续描述本发明之前，先给出下列定义。

光刻装置：指利用一个图象、如掩模把一个图案转移或任选地转移到衬底上的装置。因而，这种装置包括常规的光学平板印刷，如光致抗蚀剂平板印刷，但也包括其它的平板印刷法。在光致抗蚀剂平板印刷法中，也就是所谓的光刻法中，采用光学方法把电路图案从原版图象、即所谓的掩模或光网转移到晶片上。在此过程中，把一种或多种称作抗蚀剂的专用材料涂敷到被制作电路的晶片上。抗蚀剂涂层根据需要施加，并且在需要时进一步处理晶片，如软烘干。可以采用正或负光致抗蚀剂材料。正抗蚀剂通常不溶于用作抗蚀剂显影剂的化学试剂，但在暴露于光时变得可溶。负抗蚀剂通常可溶于用作抗蚀剂显影剂的化学试剂，但在暴露于光时变得不可溶。通过选择性地曝光某些区域的抗蚀剂而不曝光其它区域的抗蚀剂，在抗蚀剂膜中建立电路图案或其它结构。在光刻中，选择曝光通过对掩模成象、典型地是通过将光照射到掩模上并将透射的图象投影到抗蚀剂膜上实现。

本发明中所指的光刻装置包括步进器，也称为晶片步进器，用于把电路的图象或其它结构从光掩膜投影到涂敷抗蚀剂的芯片上。步进器一般包括缩放透镜或照明器，受激准分子激光器光源，芯片台，光网台，晶片盒和操作者工作台。步进器采用正负两种抗蚀剂法，并且利用步进重复式或步进扫描式两种中的任何一种或是它们的组合。

本发明的实施中采用的一种晶片或其上通过光刻装置布置一系列衍射光栅的其它衬底。衍射光栅最简单的一种是通过光刻装置制作的任何结构或图象，它产生相对入射的照明参数的折射率的周期性变化。这种折射率的变化既可以是由于物理差异也可以是由于化学差异。物理差异包括光致抗蚀剂或其它光刻产生的变化，如利用一种具有与空气耦合的折射率的材料，如普通的被划线的光学衍射光栅，或是一种与不同材料耦合的材料。化学差异包括带有光致抗蚀剂被曝光的衍射光栅的晶片，其上的抗蚀剂还没有被显影。在此情况下，所有的抗蚀剂仍然存在，但被曝光的部分具有不同于未曝光抗蚀剂部分的折射率，由此在抗蚀剂中建立由周期性变化的折射率组成的衍射光栅。周期性的差异通过结构的或化学元件的周期性获得。这包括由一系列平行线组成的常规衍射光栅，而且还包括诸如柱或孔的三维阵列这样的光栅，其中在X和Y方向均具有周期性。在X和Y方向具有周期性的衍射光栅示于图3，在一个方向具有周期性的由平行线25组成的衍射光栅示于图1。因此，衍射光栅包括光致抗蚀剂光栅，蚀刻膜叠置光栅，金属光栅和其它现有的光栅。虽然也可以采用其它的比例，但衍射光栅线宽与间隔比的典型比例约为1∶1～1∶3。例如处于1∶3比例的典型衍射光栅会有1 00nm的线宽和400nm的间距。部分地根据光刻装置的分辨率，线宽和间距可以非常小。

在本发明的实施中，用衍射光栅产生衍射特征。衍射光栅可以通过任何数量的仪器产生，如散射仪、椭圆仪或反射仪。任何采用辐射产生衍射光栅的装置在此都被称作基于辐射源的工具。在此采用典型的基于可见辐射源的工具，如基于光源的工具，但也可以采用可见辐射以外的辐射源，如X射线源。这些装置通过改变至少一个与衍射有关的参数来产生衍射图案或特征。在一个实施例中，衍射特征通过反射模式建立，其中的辐射、如光束被反射。因此，可以通过分辨角度的散射仪产生衍射特征，其中，采用已知波长的单光源，并且在一个确定的连续范围内改变入射角θ，如图2所示。所得的衍射特征示于图5，图中绘制的是光强与入射及反射角θ的曲线。在另一方法中，采用多个激光源，任选每个处于不同的入射角θ。在另一方法中，采用入射宽频谱的光源，光源具有在一定波长范围照明的入射光，以及可选择地保持入射角θ恒定，如图2所示。还已知可变相位光源，采用一定范围的入射相位，探测器探测最终衍射的相位，如图2所示。还已知可变的偏振光源利用从S到P成分(components)或从P到S成分的一定范围的偏振。还可以在φ范围内调节入射角，使得光源绕衍射光栅旋转，或者衍射光栅相对于光源旋转，如图2所示。利用这些可变装置中的任何一种以及它们的组合或置换，可以获得样品目标的衍射特征。一般将探测到的光强与可变参数中的任意一个绘制成曲线，如光强与入射角θ、光强与入射光波长、光强与入射光相位、光强与扫描角φ等。衍射特征可以表示成零阶或镜反射阶衍射，或者可以表示成任何较高阶衍射。还可预计可以用透射模式产生衍射特征，如使用X射线辐射源作为基于辐射源的工具的组成部分。

在本发明的一个实施例中，提供一个如图1所示的晶片，晶片上设置一系列芯片15。每个芯片典型地代表晶片上光刻装置曝光区域的部分，如步进器。在步进重复系统中，当快门打开时，待曝光的掩模或光网的整个面积被照明，由此同时曝光整个芯片的曝光区域。在步进扫描系统中，当快门打开时，只有部分掩模或光网，以及因而只有部分芯片曝光区域被曝光。在两种情形的任何一种情形中，光网或掩模都可以被移动，从而产生衍射光栅组20，衍射光栅组20由一系列不同的、任选不同焦点的衍射光栅组成。衍射光栅组20也可以由一系列相同的衍射光栅组成，或由一系列相同焦点但不同剂量(dose)的衍射光栅组成。在一个优选实施例中，衍射光栅组20由一系列不同焦点的衍射光栅组成，最好通过已知的递增焦点步骤变化，其中所有的衍射光栅具有一个固定的剂量。从晶片10上一个芯片到另一个芯片，剂量范围或焦点设置值范围中的任何一个或二者都可以改变。常规地，剂量和焦点都以恒定的递增步骤变化，由此进行后续的分析。因此，例如焦点可以以50～100nm的步长在一个确定的范围内变化，并且例如剂量可以以1或2mJ的增量在一个确定的范围内变化。衍射光栅20可以采用由间隔30分开的常规线条25，或者可以采用三维图案，如图3所示。

典型的衍射光栅是通过在抗蚀剂材料中通过制备掩模而建立的，其中掩模上带有与所需衍射光栅的所需形状、大小以及结构对应的不透明区和透明区。然后将辐射源施加到掩模的一个面上，由此将掩模形状和间隔投影到抗蚀剂层上，抗蚀剂层处于掩模的反面。在掩模和抗蚀剂层之间、也可以选择在辐射源和掩模之间插入一个或多个透镜或其它的光学系统。当以足够的水平暴露与辐射或激励之下以进行抗蚀剂的改变时，在抗蚀剂中形成一个潜像。代表抗蚀剂材料中化学变化的潜像导致抗蚀剂层反射率的变化，并且因而可以用于产生衍射特征，如前所述。在一个实施例中，可以对带有抗蚀剂中潜像的晶片进行后曝光烘干，用于驱动附加的化学反应或扩散抗蚀剂层中的成分。在另一实施例中，可以通过显影过程、也可以选择化学显影过程对抗蚀剂显影，由此除去部分抗蚀剂，该部分由采用正抗蚀剂还是负抗蚀剂来决定。该显影过程也称作蚀刻过程，产生抗蚀剂层以及可选择的设置有抗蚀剂层的衬底材料如其它薄膜的蚀刻区域和间隔。

在本发明的方法和装置中，可以对衍射光栅曝光但不显影，也可以显影。类似地，虽然前述总的描述了产生衍射光栅的常规方法，但也可以采用任何其它的方法，包括使用相移掩模，也可以采用各种辐射源，包括电子束曝光等。

焦点是任何光刻装置、包括步进器或类似的光刻装置中的一个关键参数。焦点和焦深是剂量或量子辐射能以及焦点或透镜到目标的距离的函数。指定曝光区域内的所有点的所得图象都必须良好，由此产生可确定的有用的焦深。但是，除剂量或焦点以外的因素也影响焦深和焦点，包括象散、场域弯曲、透镜质量、晶片台在x和y轴中的取向等。生产的典型晶片步进器具有大约0.15～1.25微米的分辨率，具有大约0.40～1.50微米的焦深。

因而对固定剂量的焦点中心的判断对于光刻装置、如对于晶片处理中光致抗蚀剂曝光步骤期间的步进器的有效操作非常关键。用在步进器或其它光刻装置中的透镜具有非常有限的焦深，因此必须有最大的精度。处于焦点中的透镜将产生清晰的光致抗蚀剂图象，并且焦点的缺乏将产生无功能的光致抗蚀剂特征。透镜处于焦点中心也显著提高了过程的可重复性。一旦知道并确定焦点的中心，就可以采用各种不同的自动聚焦系统或方案中的任意一种来决定透镜之间的间隔并保持晶片恒定。这些系统包括光学方法，如采用反射光；电容法和压感法，如采用加压的空气。但是，这些系统和方案不能确定焦点中心，而只能简单地维持透镜-晶片距离的恒定。在典型的操作中，必须周期性地确定焦点的中心，通常光刻装置每六个小时或更短的操作时间就要确定一次。

来看图5，图中是利用基于角分辨散射仪光辐射源的工具产生的两个衍射特征，衍射特征代表从一个聚焦步骤到下一个聚焦步骤(聚焦步骤n和n+1)的镜反射阶。在图5的每一幅中，对衍射光栅光致抗蚀剂的曝光采用恒定的剂量，焦点或透镜到晶片的距离在递增聚焦步骤中变化。通过对光致抗蚀剂曝光但随后不显影或是再显影，获得最终的衍射特征，其中在抗蚀剂层中以及可选择地包括一部分晶片的衬底中蚀刻该结构。测量一系列衍射光栅，并且例如在与处理器有关的存储器中记录所得的衍射特征。衍射光栅是任何一种采用能够衍射光束的重复或周期性特性的结构，包括但不限于图1和图3的结构。通过测量从一个聚焦步骤到下一个聚焦步骤的衍射特征的差值来分析镜反射阶或任何高阶衍射的衍射特征的差值。当接近焦点中心时，从一个聚焦步骤到下一个聚焦步骤的衍射特征的差值将变小。在理论上的理想状态下，焦点中心是衍射特征的差值处于最小的点。因此，如图5所示，相邻聚焦步骤的衍射光栅的衍射特征分开的距离随着与焦点中心的接近而减小，使得在图5C中，两个最终的衍射特征实质上可以叠加，二者之间没有显著的差异。

一个聚焦步骤到下一个聚焦步骤的衍射特征的差值以及焦点中心的判断可以通过可视比较最终的相邻聚焦步骤的衍射特征来断定，如图5所示。但是，这种方法需要操作者的判断，不是可以直接量化的，并且也比较慢。因此，可以采用任何一种度量标准或分析法来测量一个聚焦步骤到下一个聚焦步骤的衍射特征的差值。这种方法包括但不限于，将均方误差(MSE)或均方根误差(RMSE)减到最小，并且测量其它的欧几里得的距离。这种方法还包括平均、加权平均、平均和以及其它使衍射特征的差值特征化的方法。

在一个实施例中，从图4所示的一系列连续的不同焦点设置值衍射光栅40、45、50、55和60获得衍射特征。40和45之间的RMSE差值得到确定，并且代表相应焦点设置值处衍射光栅40的衍射特征差值。40和45之间以及45和50之间的平均RMSE差值得到确定，并且代表相应焦点设置值处衍射光栅45的衍射特征差值。45和50之间以及50和55之间的平均RMSE差值得到确定，并且代表相应焦点设置值处衍射光栅50的衍射特征差值。类似的，50和55之间以及55和60之间的平均RMSE差值得到确定，并且代表相应焦点设置值处衍射光栅55的衍射特征差值。55和60之间的RMSE差值用作相应焦点设置值处衍射光栅60的衍射特征差值。因此，这样产生一系列对应于有序的不同焦点衍射光栅之间焦点设置值之差的衍射特征差值。

一旦获得衍射特征的差值，就可以将之用于通过加权平均判定来确定焦点的中心。在这一实施例中，可以通过下面的方程(1)来确定焦点的中心：

$\mathrm{COF}=\frac{\mathrm{\&Sigma;}\frac{\left(\mathrm{Focus\; Step}\right)}{{\left({\mathrm{DSD}}_{\mathrm{RMSE}}\right)}^2}}{\mathrm{\&Sigma;}\frac{1}{{\left({\mathrm{DSD}}_{\mathrm{RMSE}}\right)}^2}}---\left(1\right)$

此处，COF是焦点的中心，DSD_RMSE是RMSE衍射特征差值(DSD)。

也可以通过其它的方式比较衍射特征差值的数字表达式，将焦点中心确定为对应于相邻焦点设置值衍射光栅之间具有最小差值的区域的焦点设置值。可以将数字表达式绘制成针对焦点设置步骤的曲线，由此产生图6中的曲线，表示以焦点中心为中心的抛物线。在焦点中心处，抛物线的斜率为零或接近零，这种几何轨迹还代表相邻的不同焦点设置值衍射光栅的衍射特征之间的最小差值的区域。

可以用任何一种滤光片及相关的数学模式在确定焦点中心之前排除非正值。尤其对于以基本上处于焦点之外的焦点设置值曝光的衍射光栅，产生的焦点曲线可能变得不稳定。每个衍射光栅还可能由于与焦点设置值无关的原因、如曝光误差、抗蚀剂缺陷等产生有误差的结果。

可以通过分析所得的抛物线来量化给定的光刻装置如步进器的焦深或稳定性。如果绘图的函数有非常整齐的抛物率，如图7A所示，则焦深相应的很小，因为包含最小值的区域与一个很小系列的焦点设置值对应。如果绘图的函数有一个很宽泛的抛物率，如图7B所示，其中图7B表示对应于最小值的一个较大区域，则焦深较大，允许各个设置值有良好的焦点值。

对于响应于所得的抛物线，焦点中心必须包含在用于曝光衍射光栅的系列递增焦点设置值内。即在不包含焦点中心的范围内不能产生在焦点中心具有零斜率的抛物线。另外，对于严重偏离焦点的点，例如在连续的聚焦步骤完全去除抗蚀剂的地方，一个聚焦步骤到下一个聚焦步骤的衍射特征可以非常接近。这是不在所得的图象中产生任何显著差异的聚焦步骤中差异的函数。在此有太多的光栅模型或均匀薄膜模型可以用于确定显著偏离焦点的区域。一般这种点不能绘成抛物线。

虽然图5的实例表示作为入射角函数的不同焦点衍射特征的比较，其中S偏振和P偏振连在一起并绘成相对于衍射强度的曲线，但可以很容易地理解，在其它的衍射模式中，衍射特征的曲线可以很类似。因此，对于可变波长的衍射，通过绘制波长与强度的曲线产生衍射特征，对于可变相位衍射，通过绘制相位与强度曲线产生衍射特征，对于可变偏振态衍射，通过绘制偏振态与强度曲线产生衍射特征，对于可变取向衍射，通过绘制φ与强度的曲线产生衍射特征，等等。类似地，虽然图5的衍射特征由反射衍射产生，但可以通过透射衍射获得类似的衍射特征，只要用于衍射的基于辐射源的工具可以透过至少部分衍射光栅，如可以通过利用基于X射线辐射源的工具获得，或者对于基于光源的工具，通过透明的或半透明的衍射光栅和衬底获得。图5表示零阶或镜反射阶衍射，但可以通过任何高阶衍射获得类似的结果，可以理解，对于大多数实施例，相同阶衍射的衍射特征最便于比较。

在产生图6所示的曲线中，或在产生方程(1)所示的焦点中心中，可以理解，可以用各种统计技术在测得的焦点之间内插以给出焦点中心更精确的测量值。这些方法是现有的已知技术，可以很方便地应用。类似地，可以采用不用每个焦点的分析法，而根据多个焦点设置值的衍射特征差值进行初始分析。优选焦点设置步骤之间的增量差值保持恒定，但还预期在焦点设置步骤不均匀的地方可以采用内插法。

利用本发明的方法，焦点中心的差值一般小于0.03微米，低于0.07微米的典型焦点步长的大小。这允许在光刻装置如步进器的分辨率之内聚焦。

可以类似的方式分析焦点中心剂量的效果。在包含焦点中心的确定的不同焦点范围内产生一系列衍射光栅组，如衍射光栅组20，剂量以阶梯的形式从一个衍射组变到另一个衍射组。结果是一系列处于不同的已知剂量的衍射光栅组。然后通过上面提出的基于辐射源的工具获得每个衍射光栅组的一系列衍射特征。所得系列的衍射特征例如可以通过衍射特征差值分析来分析。可以把所得的焦点中心绘成相对剂量的曲线，由此产生剂量对焦点中心的作用。通过这种方式可以确定剂量设置值或最稳定的焦点曲线的设置值，使得可以选择对焦点曲线或焦深影响最小的剂量设置值。

还容易理解，利用衍射特征差值，如图6所示，以及关于场域中衍射光栅位置的数据，其中场域可以是常规的一个晶片台，可以绘制作为场域中位置的函数的焦点中心，如图8所示。这一曲线可以显示透镜系统的象差、象散或其它导致场域上焦点中心不均匀的缺陷。类似地，如图9所示，可以绘制在X和Y轴上场域的倾斜，由此表示作为场域中位置的函数的焦点中心的平台倾斜效果。

利用本发明的方法和装置，还可以使通过衍射特征差值确定的焦点中心的特征与理论的或实际的衍射特征差值的已知库匹配。这种匹配库可以显著地小于必须包括很宽范围的偏焦设置值的常规的理论库，由此允许更迅速地产生库，在理论库的情况下，对于该库有较小的存储要求，并且有较短的分析时间。

本发明的方法和装置也可以用于质量控制测试，包括对由其它方式确定的焦点中心的分析。这可以联合如上所述的角分析散射仪进行，包括与其相关的计算机系统，或能够进行所述测量的其它合适的装置。

通过采用角分辨散射仪，可以把衍射特征分成在由光栅方程(2)规定的角度定位处的不同阶衍射：

sinθ_i+sinθ_n＝nλ/d    (2)

此处，θ_i是入射角，取为负数，θ_n是n阶衍射的角度定位，λ是入射光的波长，d是衍射光栅的空间周期或间距。因此可以看出，对于零阶或镜反射阶衍射，入射角等于镜反射阶衍射的角度定位。但是，也可以采用除镜反射阶衍射以外的其它阶衍射，并且如上所述地确定适当的角度定位。类似的关系控制生成光栅特征的其它模式，使得可以采用生成光栅特征的任何模式，既可以是镜反射阶衍射，也可以是一些较高阶的衍射。例如，在波长分解装置中，可以保持θ_i角恒定，并且波长改变，在给定n的情况下求解方程中的θ_n。

本发明的方法和装置也可以用于确定焦点的中心，由此通过适当的方式调节焦点中心，包括采用基于计算机的控制系统，并且本发明的方法用于确定何时判定已经确定了可接受的或最佳的焦点。可以通过剂量变化或通过其它公知的方式进行调节。

本发明利用自动聚焦控制系统，还可以用于自动装置或自动确定焦点中心，，由此将关于衍射特征分析的信息用于控制系统以判断焦点，如通过剂量变化。

虽然以上已参考优选实施例对本发明进行了描述，但其他的实施例也可以达到同样的效果。本发明的变化和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。以上引用的所有参考文献、应用、专利和公开物都在此引为参考。

Claims (26)

1.一种用于测量有关光刻装置的输出特性的参数的方法，包括下列步骤：

提供一个衬底，衬底上包括多个通过利用光刻装置的光刻法形成的衍射光栅，衍射光栅包括多个间隔元件；

通过基于辐射源的工具测量多个衍射光栅中的至少三个的衍射特征；和

确定衍射特征之间的差值，从而确定所述光刻装置的所需参数。

2.一种用于确定光刻装置中的焦点中心的方法，包括下列步骤：

提供一个衬底，衬底上包括多个通过利用光刻装置制成的衍射光栅，多个衍射光栅包括不同的已知焦点设置值；

通过基于辐射源的工具确定多个衍射光栅中的至少三个的衍射特征；

测量相邻焦点设置值的衍射光栅之间的衍射特征的差值；和

确定焦点中心的焦点设置值，其中在相邻焦点设置值衍射光栅的衍射特征之间有一个最小的差值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于衬底包括一个晶片。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于基于辐射源的工具包括：一个基于光源的工具，其中基于光源的工具包括：

a)一个入射激光源，一个用于聚焦激光束并扫描一定范围的入射角的光学系统，和一个用于探测最终测量角内的最终衍射特征的探测器；

b)多个角分辨散射仪；

c)多个激光源；

d)入射宽谱段光源，聚焦光束并通过一定范围的入射波长照明的光学系统，和一个用于探测最终测量波长上的最终衍射特征的探测器；

e)入射光源，用于改变S和P偏振光的振幅和相位的组件，聚焦光束并在一定的入射相位上照明的光学系统，和探测最终衍射特征的相位的探测器。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括：

a)通过基于宽波段辐射源的以固定的角度、可变的角度θ或可变的角度φ工作的工具源进行相位测量；

b)通过基于单波长辐射源的以固定的角度、可变的角度θ或可变的角度φ工作的工具源测量相位；

c)通过基于多个分散的波长辐射源的工具源测量相位。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于衍射特征是一种反射式衍射特征或透射式衍射特征。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于衍射特征是一种镜反射阶衍射特征或高阶衍射特征。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括利用光刻装置以已知的不同焦点设置值、可选的等同增量的不同焦点设置值形成多个衍射光栅，并确定两个相邻的焦点设置值衍射光栅，其中衍射特征之间的差值小于其它相邻焦点设置值衍射光栅之间衍射特征的差值，因此该参数是光刻装置的焦点中心。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于已知的不同焦点设置值是不等增量的不同焦点设置值，并且本方法还包括采用数学算法对不等增量的不同焦点设置值归一化。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于衍射光栅之间的衍射特征差值的增加为近似抛物曲线，其斜率在焦点中心上为零。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于确定衍射光栅之间衍射特征的差值还包括使用度量标准，或者选择使用的数据分析的均方根误差法。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定最小的差值包括对衍射光栅之间衍射特征的加权平均差值的比较。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括利用光刻装置以相同的焦点设置值形成多个衍射光栅，并确定作为衬底上衍射光栅的位置函数的差值。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括以不同的已知焦点设置值和已知的不同剂量设置值形成多个衍射光栅，并确定剂量对焦点的影响。

15.如权利要求2所述的方法，其特征在于相邻焦点设置值衍射光栅之间的衍射特征差值的增加为近似抛物曲线，其斜率在最小差值上为零。

16.如权利要求2所述的方法，其特征在于确定相邻焦点设置值的衍射光栅之间衍射特征的差值还包括使用度量标准或者选择使用的数据分析的均方根误差法确定差值。

17.如权利要求2所述的方法，其特征在于确定最小差值包括比较相邻焦点设置值的衍射光栅之间衍射特征差的加权平均值。

18.如权利要求2所述的方法，其特征在于确定最小差值包括使从相邻的序列焦点设置值衍射光栅之间衍射特征之差推导出的数据与抛物曲线拟合，由此，最小的差值包含抛物曲线的最小值。

19.如权利要求2所述的方法，其特征在于不同焦点设置值包括不同的序列焦点设置值之间的恒定差值。

20.如权利要求2所述的方法，其特征在于已知的不同焦点设置值是不等增量的不同焦点设置值，并且本方法还包括采用数学算法对不等增量的不同焦点设置值归一化。

21.一种用于光刻装置中的焦点中心的过程控制的方法，包括下列步骤：

提供一个衬底，衬底上包括多个通过利用光刻装置制成的衍射光栅，多个衍射光栅包括不同的已知焦点设置值；

通过基于辐射源的工具确定多个衍射光栅中的至少三个的衍射特征；

测量相邻焦点设置值的衍射光栅之间的衍射特征的差值；和

确定焦点中心作为焦点设置值，其中在相邻焦点设置值衍射光栅的衍射特征之间有一个最小的差值；以及将光刻装置的焦点设置值调整到判定的焦点中心。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于调整光刻装置的焦点设置值包括基于计算机的控制系统。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于调整光刻装置中的焦点设置值包括自动聚焦控制系统，其中到自动聚焦控制系统的至少一个输入包括与衍射特征之间的差值相关的参数。

24.如权利要求1，2或20所述的方法，其特征在于多个衍射光栅包括多个潜像衍射光栅。

25.如权利要求1，2或20所述的方法，其特征在于多个衍射光栅包括多个已经进行了后曝光烘干的潜像衍射光栅。

26.如权利要求1，2或20所述的方法，其特征在于多个衍射光栅包括已经显影的衍射光栅。

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