TW202136859A

TW202136859A - 用於測量半導體微影中基材之裝置及方法

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Publication number: TW202136859A
Application number: TW109139865A
Authority: TW
Inventors: 德克賽德爾; 尤瑞奇馬泰卡
Original assignee: 德商卡爾蔡司Ｓｍｔ有限公司
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2021-10-01
Also published as: DE102019131327A1; US20220276571A1; WO2021099242A1

Abstract

本發明係關於一種用於測量半導體微影中基材(8)之裝置(1)，其包括一照明光學單元(4)、一成像光學單元(10)和一配置在該成像光學單元(10)的像平面(15)中之記錄裝置(16)、一配置在該成像光學單元(10)的光瞳(12)中之繞射元件(13)。本發明也關於一種使用測量裝置(1)以測量用於半導體微影中基材(8)之方法，該測量裝置(1)包括一具有光瞳(12)的成像光學單元(10)，其具有下列方法步驟： - 將一繞射元件(13)配置在該成像光學單元(10)的光瞳(12)中，用於產生一多焦點成像(25、30)； - 捕捉該基材(8)的部分區域之成像(25、30)； - 評估該成像(25、30)。

Description

用於測量半導體微影中基材之裝置及方法

本發明係關於一種用於測量基材，特別是半導體微影中光罩之裝置及方法。

在諸如基材之類的物件度量中，例如可形成為用於半導體微影中光罩、散焦資訊，即當成像的散焦程度不同時成像如何變化，在測量基材時非常重要。通常，通過基材所在的測量台或支撐件之移動產生所謂的基材影像之焦點堆疊，即針對測量台的不同z位置接續記錄多個影像；在這種情況下，z方向基本上對應於光學系統的聚焦平面上的法線。然後可使用焦點堆疊的成像來例如確定所謂的可顯像性(Printability)，即將物件正確成像到投影曝光設備中晶圓上最佳焦點的附近區域。在這種情況下，最佳焦點就在物件距成像光學單元讓影像處於最清晰焦點的距離上。

使用焦點堆疊的另一應用是光學成像裝置的自動聚焦。在許多測量機器中，必須將要測量的物件(諸如，例如光罩)必須置於成像系統的最佳焦點上，以獲得物件或其部分區域的清晰影像，即所謂的視野(FoV，Field of View)。通常測量物件的多個部分區域，其中物件必須針對每一部分區域重新聚焦，即必須將表面定位在成像裝置的最佳焦點內。為了確保高通量，該聚焦旨在盡可能快地進行，即以盡可能少的測試來測量。先前技術中已知的一種聚焦，其中在成像方向(z軸)上圍繞預期聚焦的區域(也稱為散焦區域)，該區域以許多各個影像測量並用來確定最清晰的影像，如此確定的最佳焦點並不滿足關於通量的條件。

本發明之目的在於提供一種解決上述先前技術缺點之裝置。本發明之另一目的是提出一種用於測量基材的改進方法。

藉由具備獨立項特徵的裝置和方法達成此目的。附屬項涉及本發明的有利進展和變化。

一種根據本發明用於測量半導體微影中基材(特別是，形成為光罩)之裝置包括一照明光學單元、一成像光學單元和一配置在該成像光學單元的像平面中之記錄裝置、一配置在該成像光學單元的光瞳中之繞射元件。由於繞射效應，繞射元件的配置使基材的成像倍增並轉換為多個部分成像。在這種情況下，部分成像的數量和大小取決於繞射元件的光柵週期和基材曝露部分的大小，並且在記錄裝置形成為相機之情況下取決於所使用CCD晶片的大小。因此，有利的是選擇基材曝露區域的大小和繞射元件的週期，以確保最有效運用CCD晶片。可產生多個部分成像的事實使得僅單次記錄就可實現對應於多個各個影像記錄之效果。

特別是，照明光學單元可包括一配置在場平面中的光闌。該光闌可劃定基材的成像區域，藉此可避免在記錄裝置中，特別是在CCD晶片上的部分成像間之相互串擾(crosstalk)。

再者，繞射元件可形成為振幅光柵。吸收入射在光柵上的部分輻射之振幅光柵很容易生產。穿過光柵的透射區或反射區之輻射由於繞射效應而受到干擾，這會導致成像基材進行多次成像。

此外，繞射元件可形成為相位光柵。在相位光柵中，由於不同厚度的材料或由於折射率不同的材料，各個射線的相位彼此相對移動。繞射效應與在振幅光柵的情況相同，相位光柵具有無輻射或實質無輻射損失的優點。

再者，繞射元件可形成為振幅光柵和相位光柵的組合。

在本發明的一種變化中，光柵可包括沿一方向的局部變化週期。從先前技術中已知，局部變化週期引起部分成像的散焦，因此這種類型的光柵也稱為多焦點光柵。對於基本週期為d的繞射光柵，其在位置(x, y)上的條紋在x方向上偏移Δx，藉由以下給出相對於零階的每一繞射階m之局部相移Ф_m Ф_m (x,y) = 2π*m Δx (x,y)/ d

Δx的位置相依性由下式給出 Δx = W*d(x²+y²)/(λR²)，其中 λ = 光波長 R = 光柵孔徑的半徑 W = 確定部分成像彼此間距離的常數 d = 基本週期 (x²+y²)/(R²) = 基本光柵在位置(x,y)的變形。

再者，光柵可採取2D光柵(交叉光柵)的形式，並且包括在彼此垂直的兩方向上之局部變化週期。在這種情況下，可通過以下公式描述相移： Ф_m,n (x,y) = 2π*[m Δx (x,y)+n Δy (x,y)] / d 其中 Δx = W_x *d(x²+y²)/(λR²) 以及 Δy = W_y *d(x²+y²)/(λR²)

這樣的二維光柵可在感測器上在x和y方向上產生多個部分成像，其可對應於焦點堆疊的成像。因此有利的是，可通過在基材與成像光學單元的不同距離處形成多個成像，而僅利用一次成像來產生相同的資訊。

此外，光柵可包括與散焦的非近軸波前相對應之變形。用於測量半導體微影中基材的裝置通常為具有數值孔徑大於0.4的高孔徑系統，對於散焦的近軸近似不再適用，因此上面進一步描述的多焦點光柵將不會產生對應於焦點堆疊的部分成像，該堆疊將通過移動基材而用這種裝置產生。該變形具有由多焦點光柵產生的部分成像對應於通過基材移動而使用該裝置產生焦點堆疊的效果。例如，通過將上式中的x²+y²項替換為[1 –(x²+y²)]^1/2 ，可獲得非近軸散焦的變形。

特別是，繞射元件可形成為使得成像包括多個部分成像，其分別對應當不使用繞射元件時在基材與成像光學單元之間具有不同距離的成像。如此，僅使用一個捕捉的成像就可生成相同的確認，否則該確認只有在捕捉多個成像後才可能。另外，在多個成像之間，基材必須分別沿輻射方向移動一定距離，例如通過移動測量台。該移動可以機械方式激發該裝置，其結果是可能對成像品質有不利影響。因此，由於捕捉的成像更少並且成像品質更好，因此使用繞射元件優於先前技術。

此外，繞射元件可形成為使得將輻射能均等分配給各個部分成像。就此而言，均等理解為是指幾個百分比的最大偏差，特別是小於2％。在繞射元件具有均勻成形光柵之情況下，部分成像以不同的能量形成，具有較高繞射階的部分成像顯示為較暗，即相較於具有較低繞射階的部分成像，其包括更少的能量。該差異例如可通過具有不同深度線的相位光柵來實現，即通過具有修改的光相移來實現。或者，所記錄的部分成像也可在部分成像的能量為最大能量之後正規化。

在本發明的變化中，繞射元件可形成為使得其可在成像中導致更高階的像差。散焦對應於低階的波前誤差，在這種情況下，該部分成像顯示為在光入射方向上偏移一定量。較高的像差包括例如球面像差或像散。

特別是，繞射元件可形成為使得由繞射元件所引起更高階的像差可校正成像光學單元的更高階像差。因此，例如，可有利地校正成像光學單元的更高階已知成像誤差，諸如球面像差。

特別是，繞射元件可形成為使得其可調節。例如，具有反射式振幅光柵來說就是這種情況，其形成為所謂的多反射鏡陣列。多反射鏡陣列係包括多個顯微反射鏡，每一各個反射鏡都可置於至少兩位置。在第一位置，光被反射，而在第二位置，光被吸收或反射到實際成像光束路徑之外的區域中。

此外，繞射元件可樞轉到成像光學單元的光瞳中。因此，例如在形成為光罩檢測顯微鏡的裝置之情況下，繞射元件可樞轉到成像光學單元的光瞳中，而不是在光罩檢測顯微鏡中常見的勃氏(Bertrand)光學單元中。

再者，繞射元件可形成為使得其可調節。因此，可使用例如在彼此散焦的部分成像間之距離不同的各種繞射元件。

特別是，該裝置可包括具有多個不同成形的繞射元件之匣。這樣的優點是，根據需要，可輕易樞轉不同的繞射元件。因此，根據應用，可記錄不同的焦點堆疊。

根據本發明使用測量裝置用於測量半導體微影中基材之方法，該測量裝置包括一具有光瞳的成像光學單元，該方法包括下列方法步驟： - 配置一繞射元件在成像光學單元的光瞳中； - 捕捉至少基材的部分區域之成像； - 評估成像。

基材的成像可由例如形成為具有CCD晶片的相機之記錄裝置捕捉，該記錄裝置配置在成像光學單元的像平面中。

另外，成像可包括基材的部分區域之多個部分成像。繞射元件導致基材的部分區域的多重成像。

特別是，成像可包括基材的部分區域的九個部分成像，其對應於不同的散焦位置，即在每種情況下基材與成像光學單元之間具有不同距離的位置。可通過繞射元件(具有兩彼此垂直配置且具有局部變化光柵常數的光柵)之適當設計，實現不同的散焦位置。

再者，可將分別分配給部分成像的輻射能正規化。在這種情況下，正規化可通過繞射元件的對應設計光柵或通過對捕捉的部分成像進行正規化來實現。在這種情況下，將具有最高能量的部分成像之能量定義為常態，並將其他部分成像以此能量正規化。

此外，成像的評估可包括確定最佳焦點的位置。對於許多測量任務，最重要是將基材對準最佳焦點。

再者，可針對多個部分成像(特別是針對該等部分成像之每一者)確定對比值。部分成像的能量之正規化使確定的對比值可彼此比較，具有最大對比的部分成像對應於焦點內基材部分區域的成像。

特別是，可基於該等部分成像的對比值確定基材與最佳焦點的距離。每一部分成像對應於在z方向上(即在成像光學單元的光軸方向上)具有偏移一定量的基材成像，其中該等部分成像中一者對應於最佳焦點位置。在這種情況下，可從具有最高對比的部分成像(相對於正規化之前具有最低繞射階或最大能量的部分成像)之標稱z偏移確定該距離。

在該方法的變化中，可針對每一部分成像n確定在影像場中可見的基材結構上之結構位置(x,y)_n 。基於n的表示式x_n 和基於n的表示式y_n 可將裝置的遠心度(telecentricity)確定為線性擬合，並可確定進一步的系統像差，諸如，例如照明圖案的偏心，或者是高階的彗形像差(Comatic aberration)，這在結構的配準測量中至關重要。

此外，可針對每一部分成像確定一部分結構的線寬。

特別是，可基於部分成像的線寬確定其中結構的線寬對應於先前確定的設定點值之區域。這確定投影曝光設備的處理窗口，即對於晶圓上結構的無誤差成像，仍然可接受成像光學單元的焦點偏差。

圖1顯示根據本發明的裝置1之基本圖式，該裝置具有一光源3、一照明光學單元4、一成像光學單元10和一形成為相機16的記錄裝置。相機16捕捉在如光罩8所示實施例中所形成基材之成像，其是由成像光學單元10投射到像平面15上，該成像配置在成像光學單元10的物平面9中。光罩8可在z方向上移動，其相對於裝置1的光軸2之方向，從而可定位在成像光學單元10的最佳焦點上。照明光學單元4包括光學元件5，該元件將光源3的光作為影像投射到成像光學單元10的物平面9上。除了將光罩8的結構影像投射到像平面15上之光學元件11之外，成像光學單元10包括繞射元件13，該元件配置在成像光學單元10的光瞳12中。繞射元件13包括多焦點光柵14，該光柵導致的效果是在像平面15上多次形成光罩8的被照射部分區域之成像。多焦點光柵14形成為具有局部變化週期的二維光柵，由此該部分成像形成為彼此相對散焦。在高孔徑物鏡的情況下(通常用於半導體微影中光罩檢測顯微鏡中)，光柵還包含與散焦的非近軸波前相對應之變形。在相機16的CCD晶片17上形成部分成像，在所示實施例中，其大小為25 µm x 25 µm。為了防止各種部分成像的串擾，照明光學單元4包括光闌6，其配置在照明光學單元4的場平面7中，並確定光罩8上由光所照明的區域。在這種情況下，選擇區域使得成像中部分成像的範圍不超過5 µm x 5 µm的大小。在圖式中繞射元件之後用各種虛線表示的射線顯示由繞射元件13引起的部分成像射線之路徑。這些分別對應於在z方向上從最佳焦點散焦的光罩8之成像，這由虛線表示的對應光罩8.1、8.2所繪示。

圖2a顯示繞射元件13的細節，其中呈現具有兩不同部分區域19.x、20.x的線光柵18.1。部分區域19.x、20.x共同形成具有光柵常數d的光柵18.1，該常數定義為從一第一部分區域19.1到下一第一部分區域19.2的距離。如果光柵18.1形成為振幅光柵，則第一部分區域19.x形成為吸收區域，而第二部分區域20.x形成為透射區域，反之亦然。這同樣適用於反射光柵。在相位光柵的情況下，第一部分區域19.x和第二部分區域20.x是透射或反射輻射，相較於第一部分區域19.x，第二部分區域20.x引起穿過光柵18.1的輻射相移。

圖2b顯示繞射元件13的細節圖，其中呈現線光柵18.1，其具有局部偏移為值Δx的光柵。在這種情況下，相對於零階的局部相移m由下式給出 Ф_m (x,y) = 2π*m Δx (x,y)/ d Δx的位置相依性由下式給出 Δx = W*d(x²+y²)/(λR²) ，其中 λ = 光波長 R = 光柵孔徑的半徑， W = 確定部分成像彼此間距離的常數 d = 基本週期， (x²+y²)/(R²) = 基本光柵的位置相依性變形。

第一19.x和第二20.x部分區域的效果如圖2a所示。

圖2c顯示具有線光柵18.1的衍射元件13，舉例說明其中W = 3 *λ。

圖3a顯示光罩8的細節圖，其中呈現形成為十字21的結構。十字21的大小為4 µm x 4 µm，而十字條的寬度為0.5 µm，由此，在九個部分成像和影像大小為25 µm x 25 µm的情況下，避免了部分成像的串擾。

圖3b顯示根據以下公式形成的示意呈現二維線光柵18.2的細節圖： Ф_m,n (x,y) = 2π*[m Δx (x,y)+n Δy (x,y)] / d 其中 Δx = W_x *d(x²+y²)/(λR²) 以及 Δy = W_y *d(x²+y²)/(λR²)

圖4a顯示使用該裝置捕捉的成像23之細節圖，其上呈現圖3a所描述十字21的九個部分成像24.x。在每種情況下在部分成像24.x之間的散焦為0.5λ。由未顯示的CCD晶片所預定之成像23的大小為25 µm，因此沒有串擾。各個部分成像24.x的強度非常不同，這是由各個部分成像24.x的繞射階所引起。部分成像24.x的繞射階越高，分配給每一部分成像24.x的輻射能量越少。這對應於從單間隙或雙間隙已知的最大繞射強度降低之現象。

圖4b顯示使用該裝置捕捉的正規化成像25之細節圖，其中呈現圖3a所描述十字21的九個部分成像24.x。將部分成像24.x的強度正規化為具有最高強度的部分成像24.5。基於這樣正規化的強度或能量，確定各個部分成像24.x的對比，並且針對部分成像24.x的繞射階繪製對比值。

圖4c顯示以對比評估26呈現基於圖4b所呈現部分成像24.x確定的對比值27.x之圖式。在這種情況下，對照各別部分成像24.x的繞射階繪製對比值27.x。由以二次擬合28的各個對比值確定連續的對比分佈圖。圖4b中部分成像24.5是圖4c中具有最高對比值27.5的部分成像。在這種情況下，部分成像24.5與具有最小繞射階的部分成像24.x相同，由此可推斷出所考慮光罩的部分區域位於最佳焦點上。

圖5a顯示使用該裝置捕捉的正規化成像25之細節圖，其上同樣呈現圖3a所描述十字21的九個部分成像24.x。

圖5b顯示與部分成像24.x相對應的圖式，其中以對比評估26呈現相對於繞射階繪製的對比值27.x。如圖4c所示，二次擬合28已經放置在各個對比值27.x上。針對部分成像24.7已確定最大對比值27.3。在這種情況下，所考慮光罩的部分區域與最佳焦點之間的偏移量為+1λ。因此，對於對比值27.x的評估，使得僅使用一個捕捉的成像就可確定光罩距與最佳焦點的距離。

圖6a顯示從先前技術中已知所謂的焦點堆疊29，即在每種情況下已經記錄九個成像，其彼此具有不同的散焦，在預期的最佳焦點區域內方便進行基材偏移。

圖6b顯示圖1呈現裝置所產生的成像30，其包括九個部分成像31.x。在成像30的後置處理期間，這些成像被分成九個各個部分成像31.x，如圖中帶有剪刀符號的箭頭所示。如此，可僅從一個捕捉的成像30產生如先前技術所定義的焦點堆疊。有利地，這加速了基於此一焦點堆疊的所有處理，諸如，例如光罩的自動聚焦或固定用於在預定公差內的結構成像的處理窗口。

圖7顯示根據本發明使用測量裝置用於測量半導體微影中基材的方法之流程圖，該測量裝置包括具有光瞳的成像光學單元。

在第一方法步驟41中，配置繞射元件13在該成像光學單元10的光瞳12中。

在第二方法步驟42中，捕捉基材8的部分區域之成像。

在第三方法步驟43中，評估該成像。

1:設備 2:光軸 3:光源 4:照明光學單元 5:光學元件(照明) 6:光闌 7:場平面(照明光學單元) 8:光罩 9:物平面 10:成像光學單元 11:光學元件(成像) 12:光瞳(成像系統) 13:繞射元件 14:多焦點光柵 15:像平面 16:相機 17:CCD:晶片 18,1,18.2:線光柵 19.1-19.x:第一部分區域 20.1-20.x:第二部分區域 21:十字(物件結構) 23:成像 24.1-24.x:部分成像 25:正規化成像 26:對比評估 27.1-27.x:對比值 28:曲線擬合 29:焦點堆疊(先前技術) 30:成像 31.1-31.x:部分成像 41:方法步驟1 42:方法步驟2 43:方法步驟3

下面將參考圖式以更詳細說明本發明的示範具體實施例與變化。圖式中：圖1顯示根據本發明的裝置之基本示意圖；圖2a-c顯示繞射元件的細節圖；圖3a-c顯示結構與另一繞射元件的細節圖；圖4a-c顯示該裝置捕捉的成像、正規化成像及確定的對比值之圖式；圖5a,b顯示該裝置捕捉的另一正規化成像及由此確定的對比值之圖式；圖6a,b顯示先前技術的焦點堆疊和由根據本發明的裝置所捕捉具有多個部分成像的成像之示意圖；及圖7顯示根據本發明方法的流程圖。

1:設備

2:光軸

3:光源

4:照明光學單元

5:光學元件(照明)

6:光闌

7:場平面(照明光學單元)

8:光罩

9:物平面

10:成像光學單元

11:光學元件(成像)

12:光瞳(成像系統)

13:繞射元件

14:多焦點光柵

15:像平面

16:相機

17:CCD晶片

Claims

一種用於測量半導體微影中基材(8)之裝置(1)，其包括一照明光學單元(4)、一成像光學單元(10)和一配置在該成像光學單元(10)的像平面(15)中之記錄裝置(16)，其特徵在於：一繞射元件(13)配置在該成像光學單元(10)的光瞳(12)中。
如請求項1之裝置(1)，其特徵在於：該照明光學單元(4)包括一配置在場平面(7)中的光闌(6)。
如請求項1與2中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為一振幅光柵。
如請求項1和2中任一項之裝置，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為一相位光柵。
如請求項1與2中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為一振幅光柵和一相位光柵的組合。
如請求項3至5中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該光柵(14)包括沿一方向的局部變化週期。
如請求項3至5中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該光柵(18.2)包括沿兩彼此垂直方向的局部變化週期。
如請求項3至7中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該光柵(14、18.x)包括對應於該散焦的非近軸波前之變形。
如上述請求項中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為使得該成像包括多個部分成像(24.x、31.x)，其分別對應當不使用繞射元件時在該基材(8)與該成像光學單元(10)之間具有不同距離的成像。
如請求項9之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為使得該輻射能量均勻分配給各個部分成像(24.x、31.x)，其偏差為幾個百分比，特別是小於2％。
如上述請求項中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為使得其可在該成像中導致更高階的像差。
如請求項1之裝置(11)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為使得由該繞射元件所引起該等更高階的像差校正該成像光學單元(10)的更高階像差。
如上述請求項中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為使得其可調節。
如上述請求項中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)可樞轉進入該成像光學單元(10)的光瞳(12)中。
如上述請求項中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該繞射元件(13)形成為使得其可交換。
如上述請求項中任一項之裝置(1)，其特徵在於：該裝置(1)包括一具有多個不同成形的繞射元件(13)之匣。
一種使用測量裝置(1)用於測量半導體微影中基材(8)之方法，該測量裝置(1)包括一具有光瞳(12)的成像光學單元(10)，其具有下列方法步驟： -配置一繞射元件(13)在該成像光學單元(10)的光瞳(12)中，用於產生一多焦點成像(25、30)， - 捕捉至少該基材(8)的部分區域之成像(25、30)， - 評估該成像(25、30)。
如請求項17之方法，其特徵在於：該成像(25、30)包括該基材(8)的部分區域之多個部分成像(24.x、31.x)。
如請求項18之方法，其特徵在於：該成像(25、30)包括該基材(8)的九個部分成像(24.x、31.x)，其對應於不同的散焦位置。
如請求項18與19中任一項之方法，其特徵在於：正規化分別分配給該等部分成像(24.x、31.x)的輻射能。
如請求項17至20中任一項之方法，其特徵在於：該成像(25、30)的評估包括確定最佳焦點的位置。
如請求項18至21中任一項之方法，其特徵在於：確定多個部分成像(24.x、31.x)的一對比值(27.x)。
如請求項22之方法，其特徵在於：基於該等部分成像(24.x、31.x)的該等對比值(27.x)確定該基材(8)與該最佳焦點的距離。
如請求項18至23中任一項之方法，其特徵在於：針對每一部分成像(24.x、31.x)確定在影像場中可見的該基材(8)的結構(14、18.x)上之結構位置(x,y)_n 。
如請求項18至24中任一項之方法，其特徵在於：針對每一部分成像(24.x、31.x)確定結構(14、18.x)之一部分的線寬。
如請求項25之方法，其特徵在於：基於該等部分成像(24.x、31.x)的該等線寬確定其中該結構(14、18.x)的線寬對應於先前確定的設定點值之區域。