CN1918513A - 掩模检查装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物体的光学检查装置，包括：用于产生真实物体的实际图像的光学成像系统(5)、就光学成像系统的已知象差系数而言用于计算所需形状的物体估算图像的计算单元(12)、用于检测实际图像与计算单元(12)计算出的图像之间的差异的图像分析单元(13)。

Description

掩模检查装置和方法
本发明涉及物体、尤其是掩模的光学检查。
US 6,548,312B1公开了一种用于光刻投影系统的掩模的设计方法。为了抑制或避免图案异常(诸如半导体集成电路器件图案的变形或失准)，基于掩模的图案数据DBP和图案曝光装置的透镜的象差数据DBL，来计算光强度。然后，将光强度的计算结果与在图案曝光装置的透镜没有象差的状况计算的光强度结果进行比较。随后，根据在比较结果的基础上计算的校正量，来校正掩模的图案数据中超出容许水平的图案数据，以便使图案数据不超出容许水平。通过在校正之后利用掩模制作数据DBM，来制造掩模，然后将掩模安装在图案曝光装置上，以便将预定图案转印到半导体晶片上。
利用这种方法，制造出用于同一图案曝光装置的掩模。
掩模的结构可以非常小例如在1μm以下，并且可以甚至是次波长的(即特征方法的尺寸)，或者小于照明源的波长。例如，这样的掩模用于显微光刻以及用于被称作复制工艺母体的DVD的生产。生产非常小结构的器件的方式难以将所需掩模和所用掩模的结构特征化。
光学检查是这样一种方法：给物体成像，以便考察其是否在一定边缘内具有设计尺寸(即理想的形状和透射或反射特性)的物体。这尤其关系到被称作相移掩模的掩模以及用于反射(例如用于远UV光刻)的掩模。公知的光学检查装置包括光学或电子显微镜。在公知的光学检查方法中，将图像与物体的理想形状进行比较。图像与理想形状之间的偏差经常规因于物体的缺陷。
光学检查可包括通过视觉、紫外光、具有600、365(I-线)、248(DUV)、193的一般波长且EUV为13nm波长的DUV和EUV辐射进行的检查。或者是，现存有采用带电颗粒例如电子的检查工具。这些公知装置和公知方法的缺点是，被检物体的图像和理想形状之间的偏差可以是由于物体本身缺陷之外的其它原因导致的。在这种情形中，在一定边缘内具有理想形状的物体可以被拒绝，因为它的图像与理想形状偏差太大(即假误差)，或者没有设计尺寸的物体反而被接受，因为它的图像与理想形状不存在偏差(即假合格)。
注意，EUV掩模是反射掩模，并且这样的显微镜是以反射方式而不是以透射方式使用的。
本发明的一个目的是，提供一种用于物体的光学检查的装置和方法，其中所需物体与真实物体之间的偏差的识别得以改善。
本发明的一个目的是，提供一种能够更可靠地检查物体(即假误差和假合格的数目得以减小)的光学检查装置和方法。
本发明的目的是通过提供一种用于物体的光学检查的装置来实现的，这种装置包括用于产生真实物体的实际图像的光学成像系统。所需形状的物体估算图像是利用计算单元计算出的。光学成像系统的象差系数至少部分是公知的，并且包括在估算图像的计算中。该装置包括用于检测实际图像与计算单元计算出的图像之间的差异的图像分析单元。
实际物体(在下面实际物体也称作真实物体)的光学检查方法包括以下步骤：
-提供具有至少近似公知的象差的光学成像系统；
-利用光学成像系统产生真实物体的实际图像；
-考虑光学成像系统的所测象差计算真实物体的所需图像；
-检测实际图像与所需图像之间的差异。
利用另一方执行确定象差系数的步骤。
在本发明的进一步实施例中，实际图像是在物体大致位于成像系统的焦面内时产生的。
在本发明的进一步实施例中，实际图像是在物体位于成像系统的非焦面内时产生的。
本发明的进一步实施例包括产生实际图像的步骤，该步骤包括以下子步骤：
-在物体位于第一面内时产生第一实际图像，以及
-在物体位于不同于第一面的第二面内时产生第二实际图像，
-计算所需图像的步骤包括以下子步骤：
-计算在第一面内的物体的第一所需图像，以及
-计算在第二面内的物体的第二所需图像，以及
-检测实际图像与所需图像之间的差异的步骤包括以下子步骤：
-检测第一实际图像与第一所需图像之间的差异，以及
-检测第二实际图像与第二所需图像之间的差异。
在本发明的进一步实施例中，实际图像是在物体大致位于成像系统的焦面内时产生的。
本发明的进一步实施例包括产生实际图像的步骤，该步骤包括以下子步骤：
-在物体位于第一面内时产生第一实际图像，以及
-在物体位于不同于第一面的第二面内时产生第二实际图像，
-计算所需图像的步骤包括以下子步骤：
-计算在第一面内的物体的第一所需图像，以及
-计算在第二面内的物体的第二所需图像，并且检测实际图像与所需图像之间的差异的步骤包括以下子步骤：
-检测第一实际图像与第一所需图像之间的差异，以及
-检测第二实际图像与第二所需图像之间的差异。
在本发明的进一步目的中，物体的图像是在许多不同面内采集的，并利用计算单元计算出相应的理想图像。将所采集的物体图像与物体的相应计算图像进行比较。检测真实图像与计算图像之间的差异。在所测差异的基础上确定物体是否具有在预定边缘内所需形状。
在本发明的进一步实施例中，在焦面下方和上方采集图像。
在本发明的进一步实施例中，在预定时间段例如在预防维修过程中和/或特殊事件之前，确定光学成像系统的象差。特殊事件诸如是在记录之前或记录之后成像系统的初始化。这仅仅是一小栏特殊事件。
本发明的进一步目的是，提供一种适合确定光学成像系统的象差的掩模，该掩模包括IC-电路结构区域和足够小的结构。关于足够小，我们是指具有λ/(2*NA)级直径的结构，其中λ是照射波长，NA是检查工具的物镜的数值孔径。
在进一步实施例中，掩模包括图案识别结构。图案识别结构具有相当大的尺寸并因此容易在掩模上发现。虽然图案识别结构的存在不是重要的，但是它有助于找出小结构图像的位置。图案识别结构位于和小结构相距一段预定距离(例如相距50微米)的位置。
上面的概述以及下面对本发明实施例的详细描述，在结合附图进行阅读时将得到更好的理解。为了图示本发明，附图表示出目前优选的实施例。然而，应该理解，本发明并不局限于这些实施例。在附图中：
图1表示出物体的光学检查系统，
图2表示出掩模的截面图，
图3表示出掩模的顶视图，
图4表示出具有线结构的掩模的顶视图，
图5-8图示出在一条线方向上的图像。
图1中示意性表示出光学掩模检查系统1。此系统包括光源11、成像系统5和用于记录物体图像的单元。在此情形中，CCD照相机7用作记录单元，物体8是掩模9。掩模9包括透明基底15和关于光源11的发出辐射的衰减层19。
层19也可以是部分透明的层，透射率诸如是10％，如具有被称作衰减相移掩模的情形。层19也可以是完全透明的层，如相移掩模的情形。在后一种情形中，层19在透射光的光相改变诸如180°时是可视的。如果基底15含有蚀刻结构，那么层19可以不存在。层19还可以是不透明的，这是诸如如果层19是一般为100纳米厚度的铬层的情形。最后，存在的是蚀刻构造基底15与(部分)透明层19的组合。为了简便起见，我们称层19是不透明的。
构造不透明层。此结构是掩模图案。只有掩模图案21能够用成像系统5成像。CCD照相机7检测掩模的观察图像。掩模20的此被测图像分别是掩模或掩模图案的观察图像。将所测真实图像的数据传送给分析单元。将这些数据与理想构造的掩模的所需图像数据进行比较。计算单元12就光学成像系统的象差系数而言产生所需图像的数据。计算单元确定掩模的所需图像与真实图像之间的差异。能够接受的是在整个图像上接近恒定的差异。
在一些情形中，必需以真实图像和所需图像的平均强度相同的方式，来规范真实图像和所需图像的强度。
具有：
掩模设计：电子数据文件，例如被称作GDS2格式。这将用来计算所需图像
真实掩模：所制造的掩模上图案的真实形状，蚀刻深度等
利用显微镜观察的掩模，包括光学系统的象差
所需图像：掩模设计的图像，如利用具有已知象差的成像系统所看到的。
图2中表示出掩模的截面图。掩模的不透明层19具有孔17。
图3中表示出掩模的顶视图。此掩模包括小孔27和识别图案23以及IC-电路21。借此，识别图案应该填充并且仅画出轮廓。仅图示出这些结构的主要特征。小孔用于确定成像系统5的象差系数。识别图案23有助于找出小孔27的位置。不必在每个掩模上都有这两个结构23，27。在此实例中，IC-电路结构21和小孔27以及识别结构23设置在同一掩模上。优选地，识别结构23和小孔27恰位于步进器(stepper)的象场外部，或者位于被称作划道(scribe lane)区的区域内，或者位于不影响IC器件功能的区域内。因此，这些结构23，27与IC-电路21的结构是分开的。也可以将小孔27集成到IC-电路21内。也可以利用IC-电路结构21的适当部分(优选具有水平和垂直特征)作为识别结构27。
图4中表示出具有线结构31的掩模的顶视图。表示出点划线33。在图5-8中，显示出沿此线33作的测定。下面更详细地描述掩模检查方法。
掩模检查中以及掩模缺陷识别中的误差至少部分是由用于检查的光学系统5中的瑕疵导致的。所用的透镜具有导致瑕疵图像的象差例如波前象差、几何象差和/或色差，即由光学成像系统5产生的图像与实际物体不同。通常，针对具有可能不稳定的透射幅度A的光学系统，定义光瞳函数A.exp(I*phi)，如“Assessment of an extendedNijboer-Zernike approach for the computation of the opticalpoint spread functions”J.Braat，P.Dierksen，A.Janssen，Opt.Soc.Am.A/Vol.19，No.5/May 2002，p.858中所公开的，该文献作为参考在此并入本文。可利用所谓的Zernike多项式将这些象差特征化。我们利用众所周知的Fringe Zernike约定。
当检查物体时，正被检物体的图像与理想形状之间的偏差至少部分是由光学成像系统5的透镜象差导致的。
为了确定和表征光学成像系统的这些象差和象差系数不同方法是公知的。在WO 03/56392中，描述了一种用于确定光学成像系统的象差的方法。该申请作为参考在此并入本文。
成像系统的至少一些象差系数是公知的。这些公知的象差系数用来计算所需图像与具有所需形状(由具有这些象差系数的此光学成像系统5产生)的物体图像是如何相象的。此所需图像然后用来检测实际图像与所需图像之间的差异。这些差异的检测是在分析单元13中进行的。由于是所需图像而不是物体的理想形状用于光学检查，因此由光学成像系统5的象差而产生的偏差导致出现少数假误差或假合格。该结果表明，掩模检查更可靠。
所需图像是如下计算的：
按照本发明的装置和方法可以在光学检查的准确度接近于光学成像系统的分辨率极限时使用，即在光学检查中的允许误差诸如在光学分辨率之下时使用。
特别是使用低相干值或光瞳填充比σ＜0.4的掩模检查，尤其容易产生象差。在诸如相漂移掩模的检查中可采用这样的设定。
进一步利用反褶积(deconvolution)算式去除散焦、象差、甚至削尖图像效应。这可赢得另外30％的分辨率。
这种光学检查装置和方法用于包括非常小结构的掩模。按照本发明的装置和方法可用于检查光刻掩模。这样的掩模可以是相移掩模。对于微型光刻系统，可采用193nm的光和具有500nm及以下结构的掩模。它也能够用于DVD生产掩模的检查。
本发明不限于光刻掩模的检查，也可用于其它物体的检查。
为了检测实际图像与所需图像之间的差异，可计算实际图像与所需图像之间强度方面的差。优选地，在确定此差之前并且为了就强度而言补偿这两个图像之间的差，对这两个图像之一的强度、尤其是亮度和/或对比度进行标度。
在下一个步骤中，必须确定真实图像与所需图像的相关位置。
通常，所需图像和实际图像可以在平行于光轴的平面内平移，因为视野并没有完美地恰好重合。这两个图像可以相互移位，以补偿这一点。在许多散焦位置(例如3个)采集的实际图像可与相应散焦位置的所需图像进行比较，并确定公共‘原点’(Xo，Yo，Zo)。“最小二乘拟合”或相关算法可用来叠加这两个图像。这涉及到物体的小误差近似值。在发现最佳匹配(X，Y，Z)之后，计算差值。
在计算所需图像时考虑的象差系数可包括一个或多个以下象差系数：
光学显微镜：低位波前象差，即球形、彗形、散光形和三重形。
具有365-157nm检查波长的光学工具经常采用具有小的光带宽度的光源。将来，具有13nm检查波长的EUV工具也得采用窄带光源。
对于SEM，在计算所需图像时应该考虑色差和球差(CS，Cc)。在以下情形中，考虑C5(第五级象差)也是有用的。
当用大致在成像系统焦面上的物体产生实际图像时，实际图像与所需图像之间的差异主要是由于用于成像的光幅度失真导致的。焦面是产生清晰图像的平面。
当用在不同于成像系统焦面的平面中的物体产生实际图像时，实际图像与所需图像之间的差异主要是由于用于成像的光的幅度失真导致的。
优选地使用围绕最佳焦点f＝0对称定位的等间隔散焦值。焦点位置是产生物体(掩模)的清晰图像的位置。焦点增量是分数λ/NA2：例如-λ/2Na2、0、+λ/2Na2。焦点值的数目也可以是5、甚至11。焦点值越多，光学系统的特征越准确，但是3可能是最小值。实际图像与所需图像之间的差异主要是由于产生透射误差相位的成像系统像差导致的。这诸如与用于IC生产、被称作二元相移光刻掩模的掩模检查有关。
当用两个相应平面中的物体产生两个实际图像时，这两个平面上的物体的两个所需图像可以用理想形状、象差系数和这两个平面的位置来计算。然后可检测相应实际图像与所需图像之间的差异。
当用三个相应平面内的物体产生三个实际图像时，基于理想形状；象差系数和这三个平面的位置可计算这三个平面内的物体的三个所需图像。然后检测相应实际图像与所需图像之间的差异。
在后一种情况中，有益的是，如果第一平面是成像系统的焦面，那么第二平面就在焦面的上方，第三平面就在焦面的下方。
象差系数可随时间进程改变，例如由于光学系统的漂移或者由于透镜老化过程而散焦。在这种情形中，在第一实际图像产生之前可确定象差系数的第一值，在第二实际图像产生之前可确定象差系数的第二值。第一实际图像和第二实际图像可以由同一物体产生或者由两个不同物体产生。可以用象差系数的第一值和相应物体的所需形状，来计算第一所需图像，而用象差系数的第二值计算第二所需图像。
此方法也可用来检查预制半导体器件。待检查的区域可包括金属线。检查可包括确定金属线的线宽度。
在图5-8中，表示出沿图4的点划线所作的图4所示掩模的不同图像的截面图。图4的掩模具有三柱结构。这些柱以等间距设置。
在图5中，表示出具有理想形状的掩模的理想图像，其中光学成像系统5没有象差。三个柱的每一个都具有150nm的线宽。波长为λ＝193nm，数值孔为NA＝0.63。掩模将通过检查。
在图6中，表示出真实图像的截面图，其中掩模具有理想形状。光学成像系统具有X-彗形象差(可用Zernike polynomial z27，FringeZernike convention描绘)。图6的真实图像与图5所示的图像非常不同。因此，如果不考虑象差，这个掩模将被拒绝，从而导致假误差。反之，按照本发明，用掩模的理想形状和象差计算所需图像。这种情形中的所需图像与图6的真实图像一样，并且避免了假误差。真实图像与所需图像的比较导致，被检掩模通过检查。光学成像系统5的已知彗形象差系数Z7用于计算所需图像。
Z7＝(3r3-2r)cosφ
在图7中，表示出具有线宽误差的掩模的截面图，其中光学检查系统5的彗形Z7＝0。柱的线宽为130nm、150nm、170nm。利用上述方法和检查装置，被检掩模没有通过光学检查。
在图8中，表示出具有线宽误差的真实掩模图像的截面图，其中光学系统具有-120mwaves的Z7象差(X-彗形)。柱的线宽为130nm、150nm、170nm。图像是对称的并且似乎代表一个良好掩模，而不管线宽误差。这导致假合格。反之，按照本发明，将真实图像与所需图像进行比较(如图6所示)。这两个图像非常不同。此掩模没有通过光学检查，由此避免了假合格。
于是在就彗形象差而言与所需图像比较时可识别真实物体或掩模的线宽误差。球差Z9、象散Z5或Z6或三叶象差Z11以类似方式可导致线宽误差。
所述的这种系统和方法并不限于透射中所用的系统，它们还能够用于以反射方式工作的系统。在反射方式中，光源和物镜在掩模的同一侧。
可用的光学成像系统也不限于上述光学系统。也可采用另一种成像系统例如浸没系统，而不脱离本发明的范围。成像系统可采用EUV辐射或软x-线辐射。波长可以是诸如13nm。
参考术语表
1    掩模检查系统
3    显微镜
5    光学成像系统
7    用于检测透射或反射光的CCD照相机(光学照相机)，例如CCD照相机
8    物体
9    掩模/掩模原版
11   光源
12   计算单元
13   分析单元
15   透明材料/基底
17   孔
19   不透明材料
21   IC-电路
23   图案识别结构
25   象差检测结构
27   小孔
29
31   线结构
33   点划线35

Claims (21)

1.物体(8)的光学检查装置(1)，包括：
用于产生实际物体(8)的实际图像的光学成像系统(5)，
用于记录所述实际物体的实际图像的记录单元(7)，
就所述光学成像系统(5)的已知象差系数而言，用于计算所需形状的物体估算图像的计算单元(12)，
用于检测所述实际图像与所述计算单元(12)计算出的所述图像之间的差异的图像分析单元(13)。
2.物体的光学检查方法，包括以下步骤：
-利用光学成像系统(5)产生实际物体(8)的实际图像，其中所述光学成像系统的象差是已知的；
-就所述光学成像系统(5)的所确定像差而言，计算所需物体的所需图像；
-检测所述实际图像与所需图像之间的差异。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述光学系统的像差。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述实际图像是在所述物体(8)大致位于所述成像系统的焦面内时产生的。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述实际图像是在所述物体(8)位于所述成像系统的非焦面内时产生的。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，产生所述实际图像的步骤包括以下子步骤：
-在所述物体位于第一面内时产生第一实际图像，以及
-在所述物体位于不同于第一面的第二面内时产生第二实际图像，
-计算所需图像的步骤包括以下子步骤：
-计算在第一面内的所述物体的第一所需图像，以及
-计算在第二面内的所述物体的第二所需图像，
并且检测所述实际图像与所需图像之间的差异的步骤包括以下子步骤：
-检测第一实际图像与第一所需图像之间的差异，以及
-检测第二实际图像与第二所需图像之间的差异。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，产生所述实际图像的步骤还包括以下子步骤：
-在所述物体位于不同于第一面和第二面的至少一个另一面内时产生另一实际图像，
-计算所需图像的步骤还包括以下子步骤：
-计算所述物体(8)在至少一个另一面内时的另一所需图像，
-并且检测所述实际图像与所需图像之间的差异的步骤还包括以下子步骤：
-检测指定的另一实际图像与另一所需图像之间的差异。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一面是所述成像系统的焦面，第二面在所述焦面的上方，而另一面在所述焦面的下方。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
-在预定的时间段内确定所述象差。
10.如权利要求2或9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
-在所述光学成像系统(1)启动之后确定所述象差。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述象差的步骤包括以下子步骤：
-在所述光学图像产生之前确定第一象差，
-在所述光学图像产生之后确定第二象差，
-通过考虑第一和第二所确定的象差，计算所需图像。
12.如权利要求2-11任一项所述的方法，其特征在于，所述物体是光刻掩模(9)。
13.如权利要求2-11任一项所述的方法，其特征在于，所述物体是预制半导体器件。
14.如权利要求2-11任一项所述的方法，其特征在于，所述光学成像系统(5)是光学显微镜，特别是光学浸没显微镜或EUV显微镜。
15.如权利要求2-11任一项所述的方法，其特征在于，所述光学成像系统是电子显微镜。
16.如权利要求2-15任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
由所述实际图像与所需图像之间的所测差异，识别误差区域。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
用另一检查方法检查误差区域。
18.物体的制造方法，包括以下步骤：
-制造所述物体，
-利用权利要求2-17任一项所述的方法检查所述物体，
-就所需物体而言调节所述物体的制造，
-制造另一物体。
19.掩模(9)，包括构造IC-电路区域(21)和极小结构(25)，所述掩模适合确定权利要求1的光学成像系统(5)的象差。
20.如权利要求19所述的掩模，其特征在于，所述掩模包括识别结构(23)。
21.如权利要求19所述的掩模，其特征在于，所述极小结构(25)是与所述光学成像系统(5)的分辨率一致的小孔，其中所述孔的直径小于所述光学成像系统(5)的分辨率。
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