CN1928722B - 用于投影物镜像差检测的测试标记、掩模及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记、具有该测试标记的掩模以及光刻机投影物镜像差现场检测的方法。现有的投影物镜像差检测方法存在无法检测高阶像差或检测算法过于复杂等问题。本发明的用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记，包括一正方形的内部标记和围绕该内部标记两两正交排列的四组外部标记，其中，所述的每一组外部标记由至少两种不同线宽的线条按周期密集排列形成，且所述的四组外部标记的周期相同。采用本发明的测试标记、掩模及检测方法不仅能实现低阶像差与高阶像差的同时测量，而且检测过程和算法都比较简单，同时能达到较高的像差检测精度。

Description

用于投影物镜像差检测的测试标记、掩模及检测方法

技术领域

本发明涉及光刻机投影物镜像质检测技术，特别涉及用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记、具有该测试标记的掩模以及光刻机投影物镜像差现场检测的方法。 

背景技术

投影物镜的像差是影响投影式光刻机成像质量的一个重要因素。随着光刻特征尺寸的不断减小，无论是低阶像差还是高阶像差对成像质量的影响都变得越来越突出，像差的检测技术也成为保证光刻性能的重要手段。因此，高精度的像差现场测量技术不可或缺。 

DAMIS(Displacements At Multiple Illumination Settings)技术是目前国际上用于检测光刻机投影物镜彗差的一种主要技术，它的检测方法是：在不同数值孔径、部分相干因子条件下，将对准标记曝光到硅片上，然后利用光刻机中的光学对准系统得到对准标记的成像位置偏移量，再利用对准标记的成像位置偏移量计算得到投影物镜的彗差。DAMIS技术利用光刻机固有的硬件与功能即可实现光刻机投影物镜彗差的检测，检测方法简便、直接，但该方法只能检测三阶彗差和五阶彗差，而无法检测更高阶次的彗差，且彗差检测精度通常只能达到1nm，在光刻分辨率不断提高的情况下已不能满足光刻机对彗差测量精度的要求。 

针对DAMIS技术存在的不足，业界又提出了一种能够检测高阶次彗差与像散的技术，该方法是将具有不同周期、不同方位角的光栅标记在不同的离焦量下曝光到硅片上，并利用0级与+1级衍射光干涉条件下像差引起的焦面位置偏移量计算出标记成像的离焦量，再利用离焦量计算得到三阶彗差、五阶彗差、七阶彗差、三波差与像散。这种通过离焦量计算像差的方法可实现低阶像差与高阶像差的同时检测，但无法检测投影物镜的球差。同时，该技术需要利用多  种具有不同周期、不同旋转角度的标记在不同的离焦量下进行曝光，并且需要利用快速傅里叶变换求解物镜像差，因而检测过程与检测算法都很复杂。除此之外，由于该方法在检测像差时没有考虑部分相干光照明对检测结果的影响，且焦面位置的检测精度较低，因此影响了投影物镜像差的检测精度。 

除了像差检测方法之外，测试标记的选用对投影物镜像差的检测精度也有很大的影响。图1是一种常用的用于检测套刻误差的测试标记，该标记由内部标记1和外部孤立线条标记2组成。由于该标记的线宽较宽，因此利用该标记检测套刻误差的精度只能达到1nm。 

为了提高像差现场检测的精度以满足更高的光刻成像要求，迫切需要一种适用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记和检测方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于投影物镜像差检测的测试标记、掩模及像差检测方法，通过该方法不仅能实现低阶像差与高阶像差的同时测量，而且检测过程和算法都比较简单，同时能达到较高的像差检测精度。 

本发明的目的是这样实现的：一种用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记，包括一正方形的内部标记和围绕该内部标记两两正交排列的四组外部标记，其实质性特点在于：所述的每一组外部标记由至少两种不同线宽的线条按周期密集排列形成，每一组外部标记的一个周期内的线条均为透光线条，且所述的四组外部标记的周期相同。 

在上述的用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记中，相邻的两组外部标记相差90°。 

在上述的用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记中，所述的每一组外部标记的一个周期包含三根线条，且三根线条的线宽比为1∶2∶1。 

本发明的另一方案是提供一种用于光刻机投影物镜像差检测的掩模，其实质性特点在于：所述的掩模至少包含四个如前所述的测试标记。 

在上述的用于光刻机投影物镜像差检测的掩模中，所述的至少四个测试标记具有不同周期的外部标记和相同大小的内部标记。 

本发明的又一方案是提供一种光刻机投影物镜像差检测方法，用于检测光  刻机系统的投影物镜像差，其实质性特点在于，所述的检测方法包括下列步骤：(1)提供一具有测试标记的掩模，所述的测试标记包括一正方形的内部标记和围绕该内部标记两两正交排列的四组外部标记，所述每一组外部标记由至少两种不同线宽的线条按周期密集排列形成，且每一组外部标记的一个周期内的线条均为透光线条；(2)将掩模上的测试标记曝光到基板上；(3)检测曝光到基板上的测试标记的外部标记相对于内部标记的成像位置偏移量；(4)计算投影物镜像差与外部标记周期之间的比例因子；(5)利用成像位置偏移量与比例因子计算出投影物镜像差。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述测试标记的四组外部标记的周期相同，且相邻的两组外部标记相差90°。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述的每一组外部标记的一个周期包含三根线条，且三根线条的线宽比为1∶2∶1。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，步骤(2)中，照射到掩模上的曝光光束满足：透过外部标记一个周期中相邻两根线条的光束的位相之差为90°。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述的掩模至少包含四个测试标记，且所述的至少四个测试标记具有不同周期的外部标记和相同大小的内部标记。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述测试标记的外部标记的周期P满足以下公式： 

$\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\≤P\≤\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}(1+\mathrm{\σ})}$

其中，入表示曝光光束的波长，NA表示光刻机投影物镜的数值孔径，σ表示部分相干因子。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述的基板在曝光过程中始终处于光刻机系统的最佳焦面位置。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述的成像位置偏移量为曝光到基板上的测试标记的外部标记的中心相对于内部标记的中心的位置偏移量。 

在上述的光刻机投影物镜像差检测方法中，所述的投影物镜像差由下列公式计算： 

Δx₃+Δx₅＝S_Zm·Z_m+C₁，m＝7，10，14，19，23，26，30，34 

Δy₄+Δy₆＝S_Zn·Z_n+C₂，n＝8，11，15，20，24，27，31，35 

Δx₃-Δx₅＝S_Zl·Z_l，l＝4，5，9，12，16，17，21，25 

其中，Δx₃、Δx₅、Δy₄、Δy₆为测试标记的成像位置偏移量，Z_m、Z_n、Z_l为表征投影物镜像差的泽尼克系数，S_Zm、S_Zn、S_Zl为比例因子。 

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果： 

1.与DAMIS技术相比，本发明可同时检测低阶彗差与高阶彗差，且彗差测量精度得到了明显提高。 

2.与通过离焦量计算像差的方法相比，本发明可同时测量彗差、球差与像散，像差检测更全面，且像差检测精度与该方法相当。 

3.本发明仅在最佳焦面位置处进行曝光，计算时可直接利用原始数据进行像差的计算，检测过程与检测算法都相对简单，提高了像差检测的速度。 

4.本发明相对成像位置偏移量的检测精度有所提高，使像差的检测精度得到明显提高。 

附图说明

本发明的测试标记、掩模的具体结构及像差检测方法由以下的实施例及附图给出。 

图1为现有技术中常用的用于检测套刻误差的测试标记结构图； 

图2为本发明的测试标记结构图； 

图3为光刻机系统的基本结构示意图； 

图4为本发明的光刻机投影物镜像差检测的流程图； 

图5为本发明具体实施例的像差检测仿真结果。 

具体实施方式

以下将对本发明的测试标记、掩模及像差检测方法作进一步的详细描述。 

本发明主要是利用0级与+1级或0级与-1级衍射光干涉条件下像差引起的相对成像位置偏移量，通过一定的算法求解出三阶彗差、五阶彗差、七阶彗差、三波差、球差与像散。 

如图2所示，本发明所采用的测试标记包括一正方形的内部标记7和四组外部标记3、4、5、6。四组外部标记3、4、5、6的周期相同，且相邻的两组外  部标记相差90°。图中，外部标记4可由外部标记3顺时针旋转90°得到；外部标记5可由外部标记4顺时针旋转90°得到；外部标记6可由外部标记5顺时针旋转90°得到；外部标记3可由外部标记6顺时针旋转90°得到。 

本发明的测试标记的外部标记3、4、5、6是由至少两种不同线宽的线条按周期密集排列形成的。于本发明的具体实施例中，每一组外部标记的一个周期包含三根线条，且该三根线条的线宽比为1∶2∶1。与图1所示的现有技术中所采用的测试标记相比，本发明的测试标记的外部标记由密集线条构成，该密集线条结构使外部标记能够在0级与+1级或0级与-1级衍射光干涉条件下成像，并且由于密集线条的线宽较小，使得外部标记的成像位置偏移量受投影物镜像差影响更加明显，因而该测试标记可用于投影物镜像差的检测。 

以下将结合图3-图5详细描述本发明的投影物镜像差检测方法。参见图3，其显示了光刻机系统的基本结构，它包括：产生曝光光束的光源8；用于调整光源8发出光束光强分布的照明系统9；将掩模10上的测试标记成像在基板13上的投影物镜12；承载掩模10的掩模台11；以及承载基板13的工件台14。本发明所采用的掩模10至少包含四个如前所述的测试标记，并且该至少四个测试标记分别具有不同周期的外部标记和相同大小的内部标记。外部标记的周期P与曝光光束的波长入、光刻机投影物镜12的数值孔径NA及部分相干因子σ之间的关系应满足下式： 

$\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\≤P\≤\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}(1+\mathrm{\σ})}---\left(1\right)$

光刻机系统所采用的基板13可以是硅片、砷化镓圆片、二氧化硅圆片等。 

当包含测试标记的掩模准备完毕后(步骤S10)，进入正式的像差检测阶段。首先，通过光刻机系统，将包含外部标记与内部标记的测试标记曝光到基板13上(步骤S20)。通过事先调节光源8和照明系统9，使得在曝光过程中，照射到掩模10上的曝光光束满足：透过外部标记一个周期中相邻两根线条的光束的位相之差为90°。此外，在整个曝光过程中，基板13始终处于光刻机系统的最佳焦面位置处。 

接着，通过专用测量系统，检测曝光到基板13上的测试标记的外部标记相对于内部标记的成像位置偏移量(步骤S30)。其中，专用测量系统为可精确测量曝光到基板13上的线条宽度的测量系统，如KLA-Tencor公司的Archer 10  套刻误差测量仪器等。相对成像位置偏移量为曝光到基板13上的测试标记的外部标记的中心相对于内部标记的中心的位置偏移量。 

然后，利用可精确仿真光刻过程和结果的软件(如：Prolith，Solid-c等)计算投影物镜像差与外部标记周期P之间的比例因子(步骤S40)。 

最后，利用相对成像位置偏移量与比例因子计算出投影物镜的像差(步骤S50)。具体的计算公式为： 

Δx₃+Δx₅＝S_Zm·Z_m+C₁，m＝7，10，14，19，23，26，30，34    (2) 

Δy₄+Δy₆＝S_Zn·Z_n+C₂，n＝8，11，15，20，24，27，31，35    (3) 

Δx₃-Δx₅＝S_Zl·Z_l，l＝4，5，9，12，16，17，21，25         (4) 

其中，Δx₃、Δx₅、Δy₄、Δy₆分别表示测试标记成像位置偏移量的x分量和y分量，Z_m、Z_n、Z_l为表征投影物镜像差的泽尼克系数，S_Zm、S_Zn、S_Zl为比例因子。 

在公式(2)中，当m取值为7，14，23，34时，Z_m的结果表示x向彗差；当m取值为10，19，30时，Z_m表示x向三波差；当m＝26时，Z_m表示x向五波差。 

在公式(3)中，当n取值为8，15，24，35时，Z_n的结果表示y向彗差；当n取值为11，20，31时，Z_n表示y向三波差；当n＝27时，Z_n表示y向五波差。 

在公式(4)中，当l＝4时，Z_l的结果表示焦面像差；当l取值为9，16，25时，Z_l表示球差；当l取值为5，12，21时，Z_l表示像散；当l＝17时，Z_l表示四波差。 

下面以具有9个测试标记的掩模为例，并结合其仿真结果对本发明的检测方法作进一步的说明。如图3所示，光源8发出的深紫外激光(193nm)经照明系统9后照射在掩模10上。在最佳焦面处，掩模10上的测试标记经投影物镜12成像在涂有光刻胶的基板13上。掩模10上的测试标记为9个，这些测试标记的外部标记的周期P分别为320nm、340nm、360nm、380nm、400nm、420nm、440nm、460nm和480nm，内部标记的线宽均为10um。对基板13进行后烘、显影后，利用KLA-Tencor公司的Archer 10套刻误差测量仪器检测得到曝光到基板13上的测试标记的相对成像位置偏移量Δx、Δy。利用Prolith光刻仿真软件计算投影物镜像差的比例因子S_Z，再利用比例因子S_Z与成像位置偏移量Δx、Δy根据方程(2)-(4)计算出投影物镜的像差Z。 

图5为使用Prolith软件仿真本实施例中投影物镜像差测量得到的结果，  其中只显示了x向的像差。图中横轴表示投影物镜像差Z，Z的标号对应于公式(2)和(4)中m、l的取值，表示了彗差、三波差、四波差、五波差、球差、像散等不同的像差值；纵轴以曝光波长入(193nm)为单位，通过小数个λ的形式表示了宽度，例如：0.0050刻度对应的值为193nm*0.0050＝0.965nm。图中浅色柱表示的是理想情况下的像差值，也是该光刻机系统的输入波前误差值；深色柱表示的是计算得到的像差值，或者称为系统的输出波前误差值。两组数据的差值即为测量误差。由图4可知，本发明可同时检测低阶彗差、高阶彗差、球差与像散，且彗差测量的绝对误差仅为0.02nm。 

采用本发明的测试标记、掩模及投影物镜检测方法，可全面地检测光刻机投影物镜的像差，弥补了DAMIS技术的不足，并且其检测精度也得到了明显的提高。此外，由于本发明利用最佳焦面处测试标记的成像位置偏移量来检测投影物镜像差，因此基板在曝光过程中只需固定于光刻机的最佳焦面位置即可，大大简化了检测过程和检测算法。 

Claims (14)

1.一种用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记，包括一正方形的内部标记和围绕该内部标记两两正交排列的四组外部标记，其特征在于：所述的每一组外部标记由至少两种不同线宽的线条按周期密集排列形成，每一组外部标记的一个周期内的线条均为透光线条，且所述的四组外部标记的周期相同。

2.如权利要求1所述的用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记，其特征在于：相邻的两组外部标记相差90°。

3.如权利要求1所述的用于光刻机投影物镜像差检测的测试标记，其特征在于：所述的每一组外部标记的一个周期包含三根线条，且三根线条的线宽比为1∶2∶1。

4.一种用于光刻机投影物镜像差检测的掩模，其特征在于：所述的掩模至少包含四个如权利要求1-3中任一项所述的测试标记。

5.如权利要求4所述的用于光刻机投影物镜像差检测的掩模，其特征在于：所述的至少四个测试标记具有不同周期的外部标记和相同大小的内部标记。

6.一种光刻机投影物镜像差检测方法，用于检测光刻机系统的投影物镜像差，其特征在于，所述的检测方法包括下列步骤：

(1)提供一具有测试标记的掩模，所述的测试标记包括一正方形的内部标记和围绕该内部标记两两正交排列的四组外部标记，所述每一组外部标记由至少两种不同线宽的线条按周期密集排列形成，且每一组外部标记的一个周期内的线条均为透光线条；

(2)将掩模上的测试标记曝光到基板上；

(3)检测曝光到基板上的测试标记的外部标记相对于内部标记的成像位置偏移量；

(4)计算投影物镜像差与外部标记周期之间的比例因子；

(5)利用成像位置偏移量与比例因子计算出投影物镜像差。

7.如权利要求6所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于：所述测试标记的四组外部标记的周期相同，且相邻的两组外部标记相差90°。

8.如权利要求6所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于：所述 的每一组外部标记的一个周期包含三根线条，且三根线条的线宽比为1∶2∶1。

9.如权利要求8所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于，步骤(2)中，照射到掩模上的曝光光束满足：透过外部标记一个周期中相邻两根线条的光束的位相之差为90°。

10.如权利要求6或7或8所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于：所述的掩模至少包含四个测试标记，且该至少四个测试标记具有不同周期的外部标记和相同大小的内部标记。

11.如权利要求6所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于，所述测试标记的外部标记的周期P满足以下公式：

其中，λ表示曝光光束的波长，NA表示光刻机投影物镜的数值孔径，σ表示部分相干因子。

12.如权利要求6所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于：所述的基板在曝光过程中始终处于光刻机系统的最佳焦面位置。

13.如权利要求6所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于：所述的成像位置偏移量为曝光到基板上的测试标记的外部标记的中心相对于内部标记的中心的位置偏移量。

14.如权利要求6所述的光刻机投影物镜像差检测方法，其特征在于，所述的投影物镜像差由下列公式计算：

Δx₃+Δx₅＝SZ_m·Z_m+C₁，m＝7，10，14，19，23，26，30，34

Δy₄+Δy₆＝SZ_n·Z_n+C₂，n＝8，11，15，20，24，27，31，35

Δx₃-Δx₅＝S_Z1·Z₁，1＝4，5，9，12，16，17，21，25

其中，Δx₃、Δx₅、Δy₄、Δy₆为测试标记的成像位置偏移量，Z_m、Z_n、Z₁为表征投影物镜像差的泽尼克系数，S_Zm、S_Zn、S_Z1为比例因子。 

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