DE102019215800A1 - Method for determining an optical phase difference of measuring light of a measuring light wavelength over a surface of a structured object - Google Patents
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Abstract
Zur Bestimmung einer optischen Phasendifferenz (φabs, - φML|) von Messlicht (1i, 1j) einer Messlichtwellenlänge über eine Fläche eines strukturierten Objekts (8) wird folgender Maßen vorgegangen: Zunächst wird eine Serie von 2D-Bildern des Objekts (8) jeweils in verschiedenen Fokalebenen gemessen, zur Aufnahme eines 3D-Luftbildes des Objekts (8). Anschließend wird aus dem 3D-Luftbild eine bildseitige Feldverteilung einschließlich Amplitude und Phase eines elektrischen Feldes des 3D-Luftbildes rekonstruiert. Sodann wird die Phasendifferenz (|φabs- φML|) aus der rekonstruierten Feldverteilung mit Hilfe einer Phasenkalibrierung bestimmt. Die Phasendifferenz (|φabs- φML|) ist dabei die Differenz zwischen einer Absorberstrukturphase φabsdes Messlichts 1i, welches von Absorberstrukturen (9) des Objekts (8) reflektiert wird, und einer Reflektorstrukturphase φMLdes Messlichts (1j), welches von Reflektorstrukturen (10) des Objekts (8) reflektiert wird. Die Phasendifferenz (|φabs- φML|) wird dabei als insgesamt über eine zu vermessende Objektstruktur geltende Kenngröße bestimmt. Zur Durchführung dieses Bestimmungsverfahrens wird ein Metrologiesystem mit einem optischen Messsystem herangezogen. Es resultiert ein Phasendifferenz-Bestimmungsverfahren, welches zu gut nutzbaren Werten bei der Optimierung eines Bildkontrastes bei einer Nutzung des strukturierten Objekts als Reflexions-Lithographiemaske führt.To determine an optical phase difference (φabs, - φML |) of measuring light (1i, 1j) of a measuring light wavelength over an area of a structured object (8), the following measures are used: First, a series of 2D images of the object (8) is recorded in measured at different focal planes to take a 3D aerial image of the object (8). Subsequently, an image-side field distribution including amplitude and phase of an electric field of the 3D aerial image is reconstructed from the 3D aerial image. The phase difference (| φabs- φML |) is then determined from the reconstructed field distribution with the aid of a phase calibration. The phase difference (| φabs- φML |) is the difference between an absorber structure phase φabsdes measuring light 1i, which is reflected by absorber structures (9) of the object (8), and a reflector structure phase φML of the measuring light (1j), which is reflected by reflector structures (10) of the Object (8) is reflected. The phase difference (| φabs- φML |) is determined as a parameter that applies overall over an object structure to be measured. A metrology system with an optical measuring system is used to carry out this determination method. The result is a phase difference determination method which leads to useful values when optimizing an image contrast when using the structured object as a reflection lithography mask.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optischen Phasendifferenz von Messlicht einer Messlichtwellenlänge über eine Fläche eines strukturierten Objektes.The invention relates to a method for determining an optical phase difference of measuring light of a measuring light wavelength over a surface of a structured object.
Phasen-Messsysteme und Messverfahren, die hiermit durchgeführt werden können, sind bekannt aus den Fachartikeln „Phase-shift/Transmittance measurements in micro pattern using MPM193EX“ von
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Phasendifferenz-Bestimmungsverfahren zu schaffen, welches zu gut nutzbaren Werten bei der Optimierung eines Bildkontrastes bei einer Nutzung des strukturierten Objektes als Reflexions-Lithographiemaske führt.It is an object of the present invention to create a phase difference determination method which leads to useful values when optimizing an image contrast when using the structured object as a reflection lithography mask.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Bestimmungsverfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.According to the invention, this object is achieved by a determination method having the features specified in
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Phasendifferenz-Bestimmung aus einer rekonstruierten Feldverteilung, bei der sowohl Amplitude als auch Phase eines elektrischen Feldes eingehen, im Vergleich zu Phasenbestimmungsverfahren nach dem Stand der Technik, die regelmäßig nur die Phasenwerte, nicht aber zugehörige Amplitudenwerte betrachten, zu aussagekräftigen Ergebnissen führt, da insbesondere Phasenwerte bei kleinen Amplituden geringer gewichtet werden können. Die resultierende Phasendifferenz ist ein Parameter, der insgesamt zur Bildkontrast-Qualifizierung des vermessenen strukturierten Objektes herangezogen werden kann. Damit ist es möglich, ein Design von Objektstrukturen ausgehend von den jeweils gemessenen Phasendifferenzen zu optimieren, so dass ein möglichst starker Bildkontrast resultiert. Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren ist nicht auf eine Mitteilung eines Phasenwertes über eine gegebenenfalls willkürlich bestimmte Fläche der Objektstruktur angewiesen. Auch dies erhöht die Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit der bestimmten optischen Phasendifferenz.According to the invention, it was recognized that a phase difference determination from a reconstructed field distribution in which both amplitude and phase of an electric field are included, in comparison to phase determination methods according to the prior art, which regularly only consider the phase values but not the associated amplitude values Leads to results, since phase values in particular can be weighted less with small amplitudes. The resulting phase difference is a parameter that can be used overall to qualify the image contrast of the measured structured object. This makes it possible to optimize the design of object structures on the basis of the phase differences measured in each case, so that the highest possible image contrast results. The determination method according to the invention is not dependent on a communication of a phase value over a possibly arbitrarily determined area of the object structure. This also increases the reliability and reproducibility of the determined optical phase difference.
Objektstrukturen, für die die Phasendifferenz bestimmt werden kann, sind Linienstrukturen, Kontaktloch- oder Kontakt-Pin-Strukturen sowie allgemeine sich in zwei Dimensionen erstreckende, insbesondere periodische Strukturformen.Object structures for which the phase difference can be determined are line structures, contact hole or contact pin structures as well as general, in particular periodic, structural shapes extending in two dimensions.
Eine Phasenkalibrierung nach Anspruch 2 lässt sich in einen Rechenalgorithmus umsetzen, so dass die Phasenkalibrierung automatisiert vorgenommen werden kann. Bei dem Anpassungsverfahren kann eine Linearisierung von zunächst nicht linearen Ausgangsfunktionen erfolgen.A phase calibration according to
Eine Modellierung nach Anspruch 3 erlaubt eine Nutzung unterschiedlicher Modellierungsparameter für den Realteil einerseits und den Imaginärteil andererseits der bildseitigen Feldverteilung. Dies kann die Stabilität des Berechnungsverfahrens erhöhen.Modeling according to
Mit Hilfe eines iterativen Anpassungsverfahrens nach Anspruch 4 ergibt sich die Möglichkeit, nicht lineare funktionale Abhängigkeiten durch lineare Anpassungen in jedem Iterationsschritt zu verfolgen.With the aid of an iterative adaptation method according to
Eine unabhängige Anpassung von Real- und Imaginärteil der bildseitigen Feldverteilung nach Anspruch 5 kann eine Genauigkeit des Anpassungsverfahrens erhöhen.An independent adaptation of the real and imaginary part of the image-side field distribution according to
Eine Fouriertransformation nach Anspruch 6 kann das Anpassungsverfahren vereinfachen.A Fourier transform according to
Eine Messung nach Anspruch 7 erlaubt eine genaue Bestimmung der Phasendifferenz. Auch eine höhere Anzahl als zwei Beugungsordnungen kann von der Projektionsoptik vom Objekt hin zur Bildseite geführt werden, beispielsweise drei, vier oder noch mehr Beugungsordnungen.A measurement according to
Die Vorteile eines Metrologiesystems nach Anspruch 8 oder 9 entsprechen denjenigen, die vorstehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren bereits erläutert wurden.The advantages of a metrology system according to
Ein Metrologiesystem nach Anspruch 10 erlaubt eine Messung mit sehr hoher Auflösung. Eine Messlichtwellenlänge, die von der EUV-Lichtquelle bereitgestellt wird, kann in einem Wellenlängenbereich zwischen 5 nm und 30 nm liegen. Die Messlichtwellenlänge ist somit angepasst an typische Beleuchtungswellenlängen von Projektionsbelichtungsanlagen, bei denen die zu vermessenden, strukturierten Objekte als Lithographiemasken bei der Halbleiter-Chipproduktion zum Einsatz kommen können.A metrology system according to
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
-
1 schematisch ein Metrologiesystem zum Ermitteln eines Luftbildes eines zu vermessenden Objektes in Form einer Lithographiemaske, aufweisend ein Beleuchtungssystem, eine abbildende Optik und eine ortsauflösende Detektionseinrichtung, wobei zusätzlich Aufsichten auf das zu vermessende Objekt einerseits und auf ein beispielhaft erzeugtes 2D-Bild des Objekts als Teil-Datensatz eines 3D-Luftbildes dargestellt sind; -
2 im Vergleich zur1 stark vergrößert einen Querschnitt eines Abschnittes des zu vermessenden Objekts einschließlich eines Absorber-Flächenabschnitts und eines Reflektor-Flächenabschnitts des Objekts, wobei beispielhaft zwei Beleuchtungs- beziehungsweise Messlichtstrahlen dargestellt sind, die einerseits von Schichten des Absorber-Flächenabschnitts und andererseits von Schichten des Reflektor-Flächenabschnitts reflektiert werden; -
3 in einem Diagramm eine Abhängigkeit einer Phasendifferenz Δφ zwischen einer Absorberstrukturphase des Beleuchtungs- beziehungsweise Messlichts, welches von den Absorber-Flächenabschnitten des Objekts reflektiert wird, und einer Reflektorstrukturphase des Messlichts, welches von den Reflektorflächenabschnitten des Objekts reflektiert wird, von einer Dicke beziehungsweise Höhenerstreckung habs einer Absorberstruktur der Absorber-Flächenabschnitte, wobei diese Abhängigkeit dargestellt ist für zwei verschiedene Absorber-Materialzusammensetzungen AM1 und AM2; -
4 ein Ablaufschema zur Bestimmung der optischen Phasendifferenz Δφ und zur Optimierung von Objektstrukturen des zu vermessenden, strukturierten Objektes derart, dass ein Bildkontrast beim Einsatz des strukturierten Objekts in der Projektionslithographie optimiert ist; -
5 Phasenwerte der Absorberflächenphase und der Reflektorflächenphase als Ergebnis einer Rekonstruktion einer bildseitigen Feldverteilung im Rahmen des Verfahrens nach4 am Beispiel eines Objektes nach1 mit einer Linienstruktur; -
6 eine anschauliche Darstellung einer Berechnung einer bildseitigen Feldverteilung mit Hilfe eines Modells, welches von einer bestimmten Objektverteilung ausgeht, die abhängt von einer Objektperiode, von einer kritischen Dimension des Objekts, von einer komplexen Reflektivität der Absorber-Flächenabschnitte und von einer komplexen Reflektivität der Reflektor-Flächenabschnitte.
-
1 schematically a metrology system for determining an aerial image of an object to be measured in the form of a lithography mask, having an illumination system, an imaging optics and a spatially resolving detection device, with additional views of the object to be measured on the one hand and of an exemplary 2D image of the object as part Data set of a 3D aerial image are shown; -
2 in comparison to1 greatly enlarged a cross-section of a section of the object to be measured, including an absorber surface section and a reflector surface section of the object, two illuminating or measuring light beams being shown as an example, which reflect on the one hand from layers of the absorber surface section and on the other hand from layers of the reflector surface section become; -
3 In a diagram, a dependence of a phase difference Δφ between an absorber structure phase of the illumination or measurement light, which is reflected by the absorber surface sections of the object, and a reflector structure phase of the measurement light, which is reflected by the reflector surface sections of the object, on a thickness or height extension h abs an absorber structure of the absorber surface sections, this dependency being shown for two different absorber material compositions AM1 and AM2; -
4th a flow chart for determining the optical phase difference Δφ and for optimizing object structures of the structured object to be measured in such a way that an image contrast is optimized when the structured object is used in projection lithography; -
5 Phase values of the absorber surface phase and the reflector surface phase as a result of a reconstruction of an image-side field distribution within the framework of the method4th using the example of anobject 1 with a line structure; -
6th a clear representation of a calculation of a field distribution on the image side with the help of a model which is based on a certain object distribution that depends on an object period, a critical dimension of the object, a complex reflectivity of the absorber surface sections and a complex reflectivity of the reflector surface sections .
Zur Erleichterung der Darstellung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft in der
Bei der Lichtquelle
Das Beleuchtungslicht
Zusammen mit einer Abbildungsoptik beziehungsweise Projektionsoptik
Das Beleuchtungslicht
Das Objekt
In der
Die Absorberstrukturen
Die Reflektorstrukturen
Eret bezeichnet hierbei die elektrische Feldstärke des Beleuchtungslichts und φret die Phase des elektrischen Feldes des Beleuchtungslichts
Für zwei Strahlen 1i 1j des Beleuchtungslichts
φabs und φML bezeichnen dabei die Phasen der reflektierten Lichtstrahlen 1i, 1j. Eine Phasendifferenz |φabs- φML|wird nachfolgend auch als Δφ bezeichnet.φ abs and φ ML denote the phases of the reflected
Damit ein guter Bildkontrast bei der Abbildung der Strukturen des Objekts
Das Beleuchtungslicht
Innerhalb der Abbildungsoptik
Die Abbildungsoptik
Die Projektionsoptik
Ähnlich zur Darstellung der Aufsicht des Objekts
Das elektrische Feld des Beleuchtungslichts
Bei der Überführung des elektrischen Feldes des Beleuchtungslichts
In der Bildebene
Die Detektionseinrichtung
Das Metrologiesystem
Hauptschritte des Bestimmungsverfahrens werden anhand zusätzlich der
In einem Messschritt
In einem nachfolgenden Rekonstruktionsschritt
Der Rekonstruktionsschritt
Nachfolgend erfolgt mit Hilfe eines Phasenkalibrationsschritts
Dies ist anschaulich gemacht in der
Ausgehend von dieser Objektstruktur fobj, die in einen Realteil (Index r) und einen Imaginärteil (Index i) aufgeteilt wird, erfolgt nun eine Berücksichtigung des Einflusses der Projektionsoptik
Im Anschluss wird die so modellhaft berechnete bildseitige Feldverteilung fim mit der rekonstruierten bildseitigen Feldverteilung frec verglichen. Hierzu wird eine Differenz zwischen diesen Feldverteilungen mit Hilfe eines Anpassungsverfahrens beziehungsweise Fitverfahrens durch Variation mindestens eines der Modellparameter Objektperiode (Pitch p), kritische Dimension CD beziehungsweise komplexe Reflektivitäten rML, rabs minimiert. Dies erfolgt mit Hilfe einer Meritfunktion, die über die x-y-Felderstreckung integriert betrachtet und minimiert wird. Diese Meritfunktion M kann wie folgt geschrieben werden:
Zur Minimierung dieser Meritfunktion, die entsprechend der obigen Gleichung (6) unabhängig für den Realteil einerseits und den Imaginärteil andererseits erfolgt, werden einerseits die rekonstruierte bildseitige Feldverteilung frec und andererseits die berechnete bildseitige Feldverteilung fim fouriertransformiert. Diese Fouriertransformierten Frec, Fim hängen dann von den Ortsfrequenzen vx, vy ab.To minimize this merit function, which occurs independently for the real part on the one hand and the imaginary part on the other hand, the reconstructed image-side field distribution f rec and the calculated image-side field distribution f im are Fourier transformed. These Fourier transforms F rec , F im then depend on the spatial frequencies v x , v y .
Die Meritfunktion M kann mit Hilfe dieser Fouriertransformierten Frec, Fim, die wiederum aufgespalten werden nach Real- und Imaginärteil, wie folgt geschrieben werden:
Die Integration im Frequenzraum kann für periodische Strukturen durch eine Summierung über diejenigen Frequenzen ersetzt werden, in denen die jeweiligen Argumente von 0 abweichen, wobei es sich bei der betrachteten Linienstruktur des Objekts
jmax ist dabei die maximal von der Projektionsoptik
Damit die Projektionsoptik
λ ist hierbei die Wellenlänge des Beleuchtungslichts
Diese Summation für den Real- und den Imaginärteil der Meritfunktion hängt linear von den Real- und Imaginärteilen der Reflektivitäten rML, rabs ab.
Die Koeffizienten dieser linearen Schreibweise hängen außerdem nicht-linear von den Real- beziehungsweise Imaginärteilen dr, di des Duty Cycles d ab.The coefficients of this linear notation also depend non-linearly on the real or imaginary parts d r , di of the duty cycle d.
Die Optimierung des Realteiles und des Imaginärteiles dr, di des Duty Cycles und der Reflektivitäten rML und rabs zur Minimierung der Mertifunktion kann dann über ein iteratives Anpassungsverfahren geschehen, wobei zunächst von Startwerten d0 r,i für Real- und Imaginärteil des Duty Cycle d ausgegangen wird und dann entsprechende Startwerte rr,i ML,0 sowie rr,i abs,0 für die Reflektivitäten berechnet werden.The optimization of the real part and the imaginary part d r, d i of the duty cycle and the reflectivities r ML and r abs in order to minimize the merit function can then take place via an iterative adaptation process, with starting values d 0 r, i for the real and imaginary part of the first Duty cycle d is assumed and then corresponding starting values r r, i ML, 0 and r r, i abs , 0 are calculated for the reflectivities.
Hierzu kann die Meritfunktion im Ausgangs-Iterationsschritt geschrieben werden als:
Hierbei bezeichnet S die Koeffizienten für die Reflektivitäten r, die wiederum abhängen vom Real- und Imaginärteil des Duty Cycles d. S ist dabei eine Matrix mit jmax Zeilen und, wegen der Wirkung der Matrix auf die beiden Reflektivitäten rMl, rabs, zwei Spalten. Ausgehend von einem Startwert der Duty Cycles d0 r,i werden die Startwerte der Reflektivitäten rr,i ML,0 sowie rr,i abs,0 durch lineare Optimierung bestimmt.Here, S denotes the coefficients for the reflectivities r, which in turn depend on the real and imaginary part of the duty cycle d. S is a matrix with j max rows and, because of the effect of the matrix on the two reflectivities r Ml , rabs, two columns. Starting from a start value of the duty cycles d 0 r, i , the start values of the reflectivities r r, i ML, 0 and r r, i abs, 0 are determined by linear optimization.
Die einzelnen Matrixelemente von S können nun um den Startwert der Duty Cycles in einer Taylorreihe entwickelt werden. Der zweite Term dieser Taylorreihe ist linear in einem Wert Δd0 r,i, also einem Korrekturwert von Real- und Imaginärteil für den Startwert des Duty Cycles d. Dieser Korrekturwert ist derjenige, um den der Startwert für den nächsten Schritt des Iterationsverfahrens geändert werden muss.The individual matrix elements of S can now be expanded around the starting value of the duty cycles in a Taylor series. The second term of this Taylor series is linear in a value Δd 0 r, i , that is to say a correction value for the real and imaginary parts for the starting value of the duty cycle d. This correction value is the one by which the starting value for the next step of the iteration process must be changed.
Durch Einsetzen der Taylorentwicklung bis zur Ordnung Δd in Gleichung (8) ergibt sich eine lineare Abhängigkeit von den Reflektivitäten und von dem Korrekturwert für die Duty Cycles.
Die modifizierte Matrix Ŝ2 hängt nur von den bekannten Startwerten für die Duty Cycles und den bereits berechneten Startwerten der Reflektivitäten ab.The modified matrix Ŝ 2 depends only on the known starting values for the duty cycles and the already calculated starting values for the reflectivities.
Δd0 r,i kann nun wieder durch lineare Optimierung bestimmt werden, so dass, ausgehend vom Startwert dann der nächste Wert d1 r,i für die Iteration nach folgender Formel bestimmt werden kann:
Mit den neuen Werten für den Duty cCycle wird nun die Matrix S in der obigen Formel (9) aktualisiert und eine erneute lineare Optimierung der Reflektivitäten durchgeführt.The matrix S in the above formula (9) is now updated with the new values for the duty cycle and a new linear optimization of the reflectivities is carried out.
Dieses Iterationsverfahren wird solange wiederholt, bis bei einem Iterationsschritt m die neuerliche Korrektur Δdm r,i unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.This iteration process is repeated until, in an iteration step m , the new correction Δd m r , i is below a predetermined threshold.
Nach erfolgter Konvergenz dieses iterativen Anpassungsverfahrens sind diejenigen Reflektivitätswerte für rML, rabs bekannt, für die die Meritfunktion M minimiert ist.After this iterative adaptation method has converged, those reflectivity values for r ML , r abs for which the merit function M is minimized are known.
Der gewünschte Wert für die Phasendifferenz Δφ ergibt sich dann gemäß folgender Formel aus den gewonnenen Reflektivitätswerten rML, rabs:
Für eine bestimmte Maskenstruktur lässt sich somit anhand einer Modellierung der Objektstruktur ein Phasendifferenz-Wert berechnen, so dass überprüft werden kann, ob ein bestimmtes Strukturdesign eine hinsichtlich des Bildkontrastes optimale Phasendifferenz ergibt.A phase difference value can thus be calculated for a specific mask structure on the basis of a modeling of the object structure, so that it can be checked whether a specific structure design results in an optimal phase difference with regard to the image contrast.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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