TWI546629B - 微影投射曝光工具與微影成像方法 - Google Patents

微影投射曝光工具與微影成像方法 Download PDF

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Description

微影投射曝光工具與微影成像方法 【相關專利參照】
本發明主張在2010年9月28日申請的德國專利申請案第102010041556.1號的優先權，其在此全部以引用方式併入本文。
本發明有關一種微影投射曝光工具，用於將一光罩形式的影像提供基材成像在一待結構化基材，特別是一晶圓上。本發明更關於將一影像提供基材的光罩結構加以微影成像在一待結構化基材之方法。
當生產微晶片時，半導體晶圓通常會以多個連續曝光步驟予以微影曝光以成像想要的結構。在每個曝光步驟後，執行例如經由蝕刻製程與材料沈積之製程處理步驟以根據成像的結構將晶圓結構化。在每個曝光步驟，必須確保曝光能對應先前曝光而在側面方向加以調整。換句話說，應能夠產生經由曝光所產生的結構，該等產生的結構為側面準確位在先前曝光的結構上，選擇性考慮在設計上提供的位置偏差。個別曝光層次的側面調整通常稱為「重疊」。
對於側面調整參考結構或調整標誌，亦稱為對準標記(alignment mark)，先前曝光步驟的顯影通常是相對於後者的側面位置而於晶圓與晶圓台上測量。為了此目的，藉由測量光學構件可相繼接達及測量調整標誌。所以為了使晶圓產量不受測量限制，在多個現代化微影成像工具中，測量是在測量台進行，該測量台緊鄰曝光台配置。一已測量的晶圓在平行於晶圓測量的曝光台上曝光。然後，測量時間限制在曝光晶圓所需的時間，如此對晶圓產量不會有任何降損。此所需達成的測量時間只能藉由測量台的高速與高加速達成。此接著會導致測量台至曝光台所不欲的震動轉移，此會造成偏離意欲位置的微影成像位置錯誤。
在具只有一晶圓台的微影成像曝光工具中，測量時間會線性影響晶圓產量，且這就是為什麼在此情況下，為了要在測量晶圓時可達成晶圓台的高加速與速度，使用相對高的技術複雜度。
再者，通常，可相對於調整標誌的側面位置基於投射曝光工具測量在待曝光光罩上的調整標誌。經由相繼掃描處理、及取樣調整標誌，此能夠以用於晶圓測量的相同方式進行。
本發明實施例之一目的是要提供用於解決上述問題之裝置及方法，尤其是短時間內可基於合理複雜度進行在晶圓或光罩上的側面位置測量。
根據本發明實施例可達成上述目的，例如，經由一微影投射曝光工具，用於將一影像提供結構的光罩結係像在一待結構化基材上。根據本發明的投射曝光工具包括一測量裝置，該測量裝置係決定在該等基材之一基材表面上配置的測量結構在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構的相對位置，及藉此同時測量多個測量結構彼此的側面偏移。關於本申請書的基材表面的側面方向特徵在於平行該基材表面的一向量。
換句話說，就基材上配置的測量結構的側面相對位置而言，根據本發明的測量裝置係測量光罩形式的影像提供基材、或測量待結構化基材，例如，用於LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)顯示的晶圓或基材形式。此測量是平行進行，即是同時測量多個測量結構。因此，測量裝置便係可同時測量在基材表面的至少一二維空間部分上分佈的測量結構。
根據一具體實施例，藉此可測量從測量結構所需要位置的測量結構側面位置的偏離。根據本發明的一變化例，同時經過測量的兩測量結構為至少1mm(公釐)，此外，可特別為至少10mm(公釐)、至少50mm(公釐)或至少100mm(公釐)，且特別是在兩側面座標方向的整個基材表面上的偏離。藉由將根據本發明決定彼此關係的測量結構的側面相對位置與需要的值相比較，在晶圓上可決定一包括測量結構的先前曝光層次的影像失真。
經由根據本發明同時測量在晶圓表面上關於彼此的多個測量結構，可減少用於決定相對於已位在晶圓上之結構的未晶圓曝光側面調整所需測量資料的測量時間。如此可減少速度需求與用於測量的測量台加速，因此，可避免轉移到曝光台的可能震動。此外，同時測量允許在現有時間窗內更嚴密的晶圓網孔測量，因此可提高在個別曝光層次間的重疊品質。
根據本發明的一具體實施例，測量裝置係同時測量在整個基材表面上分佈的測量結構的側面相對位置。應明白，整個基材表面意謂面向測量裝置的基材側的表面。換句話說，測量裝置包括一檢測區域，涵蓋用於測量側面相對位置的整個基材表面。根據一替代具體實施例，測量裝置係至少逐段測量基材表面，且有一評估裝置，該評估裝置係結合個別基材部分的測量。由於逐段測量，所以可減少測量裝置所需的安裝空間及測量裝置本身的複雜度。
根據本發明的一具體實施例，測量結構配置在測量的基材體的相同結構層次。例如，此一結構層次可具有厚度，即是小於100nm(奈米)的基材高度方向的伸展，特別是小於50nm(奈米)或小於10nm(奈米)。根據一變化例，待結構化基材(例如，晶圓)為測量體，且測量結構配置在此基材的相同曝光層次。換句話說，基於關於其相對位置的測量裝置測量的測量結構已在基材的相同先前曝光期間顯影。因此，測量結構配置在基材的相同結構層次。這是相對於用於進行一重疊測量的測量結構，此測量結構係配置在不同曝光層次。
在根據本發明的一具體實施例中，測量裝置係同時測量至少三個測量結構的個別側面相對位置，可特別為至少四、至少五、或至少六個測量結構。
根據本發明的一進一步具體實施例，測量裝置係在待結構化基材上進行側面位置測量，因此(例如)在用於LCD顯示的一半導體晶圓或一基材上。
根據本發明的一進一步具體實施例，用於測量結構的側面位置測量的測量裝置係係一干涉測量裝置。換句話說，測量裝置係干涉式重疊用於測量結構的側面位置測量的兩光束，及從產生的干涉圖紋決定需要的測量。
根據本發明的一進一步具體實施例，測量裝置包括至少兩反射元件，該等反射元件可用來經由在測量結構上的繞射，將分成兩測量光束的測量光反射回到測量結構。兩測量光束可特別藉由繞射在正與負繞射級的測量光形成。根據一具體實施例，測量裝置包括四個反射元件，具體而言，兩反射元件分別用於每一側面測定方向。鏡子或貓眼反射鏡可當作反射元件使用。反射元件最好置放在配置於測量位置的基材相對側，且根據一具體實施例，具有至少300mm(公釐) x至少50mm(公釐)的尺寸。
根據本發明的一具體實施例，測量裝置包括一分光鏡，用以在入射待測量的基材前，將測量光分成不同傳播方向的兩測量光束。根據一具體實施例，分光鏡包括一繞射光柵。繞射光柵可為二維空間光柵形式，例如，棋盤式圖樣。根據另一變化例，繞射光柵是由一維線條光柵形式的個別光柵片段組成，線條光柵是以相對彼此轉約90°的兩方向提供，且不同方向的光柵片段是以棋盤式圖樣形式交替配置。
根據一進一步具體實施例，測量裝置包括一測量光源，用於產生側面位置測量的測量光，且測量光的波長小於分光鏡的光柵週期。因此可確保測量光與分光鏡光柵的交互作用，光部分傳導的繞射級不同於零繞射級。根據一具體實施例，分光鏡包括符合基材上光柵結構的光柵。
根據一進一步具體實施例，測量裝置係係以與待測量的基材表面形成之一斜角照射，將測量光照射在分光鏡；或者，對於其中沒有分光鏡的具體實施例而言，照射在基材表面上。換句話說，測量光的傳播方向會偏離法線表面。該偏離特別是至少0.1°，最好至少0.5°。
根據一進一步具體實施例，測量裝置係以不同角度將測量光的兩測量光束導引至配置於測量位置的基材上。
根據本發明的一進一步具體實施例，測量裝置係同調重疊經由兩測量光束產生之測量結構的影像。重疊會產生干涉圖紋，其經過評估以決定測量結構的側面相對位置。
根據本發明的一進一步具體實施例，測量裝置係從側面位置測量決定基材表面上的失真，且投射曝光工具更包括一曝光控制裝置，當基材曝光時，該曝光控制裝置使局部成像比例動態調適成失真。換句話說，當基材曝光時，根據本發明的測量允許動態調適比例操縱器。可理解，失真特別是在前述基材表面光學成像製程中寫入結構的比例逐區域變化。
根據一進一步具體實施例，測量裝置進一步係同時在基材表面的多個點上進行形貌測量。換句話說，一形狀測量與一高度變化測量可在基材表面的多個位置上同時進行。最好係，測量裝置係進行準確性優於10nm(奈米)的形貌測量。
根據一進一步具體實施例，測量裝置係同時進行測量結構的側面相對位置測量與形貌測量。
根據一進一步具體實施例，測量裝置係基於第一波長的測量光進行側面位置測量、及基於第二波長的測量光進行形貌測量。第一波長不同於第二波長，使得可以分別檢測經由個別波長的光所產生的干涉圖紋。最好係，測量波長能有至少100nm(奈米)差異性。例如，一諸如1064nm(奈米)的雷射波長連同532nm(奈米)的倍頻波長可當作波長使用。根據本發明的一進一步具體實施例，形貌測量的測量光不同於偏極化側面位置測量的測量光。
根據本發明的一進一步具體實施例，測量裝置包括一繞射光柵，該繞射光柵當作一分光鏡使用，用於將第一波長的測量光分成兩測量光束，該繞射光柵係使得第二波長測量光的至少90%通過該繞射光柵而沒有繞射現象。因此，藉由將用於形貌測量的測量光繞射在一繞射級(不同於零繞射級)可避免產生干涉光。藉由將第二波長選擇為大於繞射光柵的週期、或藉由一特別調適光柵輪廓作為抑制待使用的較高繞射級，可將此達成。
根據一進一步具體實施例，繞射光柵的傾斜是與第二波長測量光的傳播方向有關。如此，可確保經由第二波長測量光在分光鏡上產生的迴向反射不會對測量造成負面衝擊。此外，特別是用於形貌測量的測量光的傳播方向傾斜通常是與待測量基材的法線表面有關。而且，有利的是，如果繞射光柵的傾斜是與待測量基材的表面有關。所有這些測量可避免干涉反射到達供測量使用的檢測器。此外，繞射光柵的後側可具有一塗層以進一步削弱干涉反射。
根據一進一步具體實施例，測量裝置係採用小於10秒的整個基材表面測量。在此，根據本發明，測量裝置可係決定關於彼此的測量結構的側面相對位置，且準確性優於1nm(奈米)。
此外，根據本發明的一進一步態樣，可以達成上述目的，例如，使用將一影像提供基材的光罩結構予以微影成像在一待結構化基材的方法。根據此方法，可經由同時測量多個測量結構彼此的側面偏移，決定在該等基材之一基材表面上配置的測量結構在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構的相對位置。此外，經由一微影投射曝光工具使光罩結構成像在待結構化基材上，其中在曝光期間一成像參數根據側面位置測量而局部改變。一成像參數的此一局部變化可(例如)為關於光罩結構成像在待結構化基材的成像比例的逐區域變化。
根據本發明方法的一進一步具體實施例，成像比例在基材曝光期間會局部變化。這是基於側面位置測量而執行。根據本發明的一變化例，基材上配置的測量結構包括不同週期性的繞射光柵。後者最好係用於將經由一分光鏡產生的上述測量光束反射到他們本身。根據一具體實施例，不同週期性的光柵部分可個別配置在彼此正交的兩光柵方位。
根據一進一步具體實施例，待結構化基材可測量，且整個測量結構形成一具有複數個網孔的網狀結構，該複數個網孔的網狀結係對應該影像提供基材的個別曝光而環繞可結構化製品區域。這些製品區域亦時常稱為「晶粒」。
此外，根據本發明的一進一步態樣，提供一方法用於測量一基材，其中經由同時干涉測量多個測量結構(32)彼此的側面偏移，決定在該等基材(20、30)之一基材表面上配置的測量結構(32)在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構(32)的相對位置。
根據本發明上述任一態樣的方法之一具體實施例，兩同時測量結構為至少1mm(公釐)，除了彼此之外，特別是至少10mm(公釐)、至少50mm(公釐)、或至少100 mm(公釐)。根據一進一步具體實施例，可同時測量至少三個測量結構的個別側面相對位置，特別為至少四、至少五、或至少六個測量結構。
根據上述任一態樣的方法之一進一步具體實施例，測量結構配置在測量基材體的相同結構層次。
關於根據上述本發明的投射曝光工具之具體實施例的詳述特徵可對應施加到所述具體實施例中根據本發明的方法。相反地，關於根據本發明方法的上述具體實施例的詳述特徵可對應施加到根據本發明的投射曝光工具。
在下面描述的示範性具體實施例中，彼此功能或結構類似的元件盡可能使用相同或類似的參考編號表示。因此，為了要瞭解特定示範性具體實施例的個別元件之特徵，可參考其他示範性具體實施例的說明或本發明的一般說明。
為了有助於描述投射曝光工具，在圖中，詳述笛卡爾xyz座標系統，可從中採集在圖中顯示之部件的個別相對位置。在圖1中，x方向朝右延伸，y方向垂直延伸到圖式中後方平面，z方向朝上。
在圖1中，例示根據本發明具體實施例的一微影投射曝光工具。投射曝光工具10包括：一照明系統12，用於以曝光輻射15照明一光罩20形式的影像提供基材；及一投射物鏡18。投射物鏡18用來將光罩結構22從一光罩平面成像在一晶圓30形式的待結構化基材上。除了一矽晶圓、一用於LCD顯示的基材以外，一透明所謂「平板」亦可(例如)當作待結構化基材使用。
照明系統12包括一用於產生曝光輻射15的曝光輻射源14。曝光輻射15的波長可在紫外線(ultraviolet，UV)波長範圍內，例如248nm(奈米)或193nm(奈米)；或者，亦可在極紫外線波長範圍(extreme ultraviolet，EUV)內，例如，約13.5 nm(奈米)或約6.8 nm(奈米)，此取決於投射曝光工具10的具體實施例。照明系統12與投射物鏡18的光學元件可設計成透鏡及/或鏡子，此取決於曝光波長。
藉由曝光輻射源14產生的曝光輻射15會通過光束傳播光學構件16，然後經由一照明器17照射在光罩20。光罩20是由一光罩台24支撐，該光罩台會隨投射曝光工具10的一框架19平移安裝。晶圓30配置在一曝光台33上，該曝光台可當作一晶圓平移(shifting)裝置使用。
曝光台33包括：一晶圓保持器34，用於固定晶圓30的低側，例如，經由負壓力；及一活動台36，經由晶圓30可側面平移至投射物鏡18的光軸，即是，根據圖1座標系統x和y方向。此外，活動台36允許晶圓30在光軸方向平移，且根據圖1的座標系統在z方向平移。當曝光晶圓30時，此在z方向的平移類型特別用來保持後者的表面31在曝光輻射15的焦點。
通常，晶圓30的表面31為逐段(section by section)(即是逐區域(field by field))曝光。晶圓30與光罩20兩者藉此會沿著x軸以相反方向移動，使得可掃描晶圓表面31上的一槽形曝光區域。此會發生多次，使得光罩20能以彼此相鄰的複數個區域形式成像在晶圓表面31上。
一測量裝置40整合在投射曝光工具10中，一方面，就晶圓失真(distortion)而言，該測量裝置係測量晶圓30的整個表面；且另一方面，就形貌變化而言，測量該晶圓的整個表面。應明白，晶圓30的失真意謂，關於晶圓表面31的側面方向中彼此在晶圓表面31上配置的測量結構的相對位置偏差，即是，在X-Y平面。在圖1中，測量結構(measurement structures)的參考編號為32，且已在先前晶圓製程步驟中施加至晶圓30。測量結構32為光柵結構形式，且會在下面更詳細描述。
在投射曝光工具10的一具體實施例中，晶圓30配置在測量裝置40下的曝光台33供測量。為了此目的，曝光台33平移至投射物鏡18的光軸側部的位置，如圖1所示。在一替代具體實施例中，投射曝光工具10包括一分開的測量台38，其中，當一已測量晶圓30同時位在曝光台33且同時曝光時，另一晶圓30會在測量過程經由測量裝置40加以配置。
測量裝置40設計成二維測量光學測量裝置，即是，對照於晶圓表面31的逐點取樣，在測量過程，在表面31的多個位置上可同時決定對應測量的晶圓30的失真與表面形貌兩者。
測量裝置40包括兩測量光源41和43，用於產生不同波長的測量光。一第一測量光源41產生一用於表面形貌測量的波長為λ2的第一測量光42，該表面形貌測量以下亦稱為形狀 測量。第二測量光源43產生一用來測量該等測量結構的側面定位、及用於失真測量的第二測量光44(其波長為λ1)。測量結構的定位亦可稱為測量結構的「安置」。兩測量光源41和43的測量光經由一個別光纖45照射在一分光鏡48。可見或近紅外線範圍的波長可用於測量光42，下面將更詳細解釋。因此，例如氦氖雷射、雷射二極體、固態雷射與LED(Light Emitting Diode，發光二極體)可當作測量光源使用。
因為測量光波長的選擇是與光阻有關，所以用於晶圓30上曝光輻射15曝光的提供光阻並不靈敏。最好係，測量波長應低於光阻的曝光臨限值。根據一具體實施例，選擇測量波長使得如此產生的光子能源低於矽的帶隙。因此，在測量過程的晶圓加熱可減至最少。作為形狀測量的測量光42可在晶圓表面31的方向經由分光鏡48偏離。在入射晶圓表面31前，測量光會通過斐索(Fizeau)準直儀50。
Fizeau準直儀50包括一斐索(Fizeau)表面52，其中測量光42部分會如同參考光反射回來，不過，測量光42的未反射部分會在晶圓表面31上反射，然後在通過具CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)相機形式之局部解析檢測器60的檢測表面61上的一準直透鏡58(具目鏡形式)之後，會與該參考光形成干涉。根據一具體實施例，Fizeau準直儀50設計成為焦點寬度與直徑比f/d<1的一準直儀，因此可節省在投射曝光工具10的安裝空間。
在檢測表面61上的干涉圖紋可由檢測器60檢測。從檢測的干涉圖紋，經由一評估裝置62，可決定測量光照射的晶圓表面21部分的表面輪廓。換句話說，晶圓30的表面形貌可至少逐段決定。根據一具體實施例，為了要能夠同時測量表面形貌的整個晶圓表面31，測量裝置40的檢測區域要夠大。
用於定位測量的測量光44在晶圓表面31的方向亦經由分光鏡48偏離。測量光44的傳播方向因此會與測量光42的傳播方向略微傾斜。在目前的示範性具體實施例中，測量光42為沿著Fizeau準直儀的光軸51傳播，而測量光44的傳播方向是與光軸51傾斜，使得在通過Fizeau準直儀50後，在Fizeau表面52上產生的測量光44迴向反射性(back reflexes)會被準直透鏡58前面配置的一孔56阻斷，使得迴向反射性不會與定位測量形成干涉，且當同時進行形狀測量(form measurement)時，亦不能與形狀測量形成干涉。
通過Fizeau準直儀50後，測量光44會入射晶圓表面31，且在負第一或正第一繞射級會被在此以光柵結構形式配置的測量結構32反射到在高於晶圓30的角度配置的平面鏡54。此光束輪廓清楚顯示在圖2。一般來說，測量光44是以不同於零的兩繞射級在測量結構32上反射，在此情況，兩繞射級分別為負第一繞射級與正第一繞射級。
負第一繞射級的光形成一第一測量光束44a，且正第一繞射級的光形成一第二測量光束44b。在平面鏡54上反射後，第一測量光束44a的光會反射到測量結構32。在此，在測量結構32上於負第一繞射級反射的第一測量光束44a的光會在入射測量光44的光束路徑通過回到分光鏡48，並入射檢測表面61。在第二平面鏡54上反射後，第二測量光束44b的光會在測量結構32繞射後，亦會透過分光鏡48在正第一繞射級執行，且會在檢測表面31上與第一測量光束44a的光形成干涉。
在檢測表面61上的影像為在兩鏡子54上的同調(coherent)影像重疊，且如此形成干涉圖紋。干涉圖紋包括測量光束44a和44b的兩路徑的相對相位、與測量結構32的位置資訊。參照圖2，在檢測表面61上的第一測量光束44a的光相位是以φ1表示，且在檢測表面61上的第二測量光束44b的光相位是以φ2表示。根據測量結構32的平移Δx，可產生下列相位差：
Δφ=φ1-φ2=4‧2π‧Δx/p　,　(1)
p為測量結構32的光柵週期。隨著週期p的測量結構32的平移，如此遵循四倍於測量光44波長的峰值相位平移Δφ。相位差Δφ可從兩面鏡子54上的同調影像重疊產生的干涉圖紋讀出，且在來自想要位置的x座標方向的個別測量結構32的位置平移可決定。
圖3顯示根據圖1的晶圓30與平面鏡54配置之上視圖。在圖1標示參考編號54的鏡子是對應根據圖3鏡子54a的指示。這些鏡子用於在x座標的測量結構的側面位置決定。為了此目的，線條光柵32a(在y方向延伸的光柵線)當作測量結構使用。為了晶圓30的整個表面的測量，線條光柵32a在晶圓表面31上是以網狀類型(web-type)配置定位。為了要測量在y方向的測量結構的位置，對應的光柵結構32b配置在晶圓表面31上，其光柵線條是在x方向延伸。
光柵結構32b將入射測量光44繞射到鏡子54b，該等鏡子是以晶圓30有關的+/-y方向上方的角度配置。在繞射結構32a和32b的交叉點33上，可決定兩座標方向X和y的位置。整體上，線條光柵32a和32b在晶圓表面31形成一網狀結構，網孔內的個別表面區域係如同分別成像光罩20的曝光區域68加以提供。曝光區域68時常稱為「晶粒(die)」。根據一具體實施例，平面鏡54a和54b具有至少300mm(公釐)的側面擴充及具有至少50mm(公釐)的垂直擴充。
在如上述的圖1顯示的具體實施例中，用於形狀測量的測量光42、與用於定位測量的測量光44具有不同波長。因此，例如，測量光44的波長λ1可介於532nm(奈米)與633nm(奈米)間，且測量光42的波長λ2可介於700nm(奈米)與1064nm(奈米)間。斐索(Fizeau)準直儀50、與準直透鏡58形式的目鏡可矯正顏色。用於兩測量的類似波長可促進顏色矯正。為了同時執行形狀測量與定位測量，可進行波長選擇性測量。此可例如藉由局部解析檢測器40波長選擇測量在檢測表面61產生的強度分佈發生。或者，一彩色分光鏡亦可裝設在測量裝置40的檢測模組中，如下面有關圖4的說明。
不同偏極化亦可取代不同波長用於不同測量。在一替代具體實施例中，相同波長的測量光可用於形狀測量與定位測量，且兩測量處理可相繼實施。
進行形狀與定位測量後，決定的測量可被儲存在圖1顯示的一記錄裝置64。然後，晶圓30會平移至投射物鏡18下。為了此目的，晶圓30可從測量台38重新載到曝光台32；或者(不過)，將晶圓30保留在曝光台32上，但其會移至投射物鏡18下，此取決於具體實施例。隨著現在下面晶圓30的曝光，形狀與定位測量兩者可藉由記錄裝置64傳送至控制裝置66。在晶圓30的曝光期間，控制裝置66一方面可經由形狀測量控制該曝光輻射15的焦聚位置(z)，另一方面可經由定位測量控制x、y位置，及(選擇性地)控制成像比例。為了要在曝光期間控制成像比例，後者動態調適成測量結構32的局部可測量失真。
測量裝置40可經由矯正晶圓表面高頻失真產生可用的測量資料。應理解高頻失真意謂頻率高於傳統尺度誤差的失真。傳統尺度誤差係沿著掃描開口(scanner slot)而與座標的第一乘冪成比例。因此，經由測量裝置40提供的測量資料，可矯正沿著掃描開口與與座標的第三或更高乘冪成比例的失真。
圖4顯示根據本發明的測量裝置40的進一步具體實施例，。圖4的測量裝置40在兩方面不同於根據圖1的測量裝置40。第一方面在於貓眼(cats’ eye)鏡陣列154用來反射繞射測量光44，而不是使用平面鏡。一貓眼鏡可準確將一入射平面波反射回其本身。在此，貓眼鏡的調整並不重要。使用貓眼鏡陣列154可於晶圓30的任何光柵週期達成反射返回其本身，不必重新調整反射鏡。
根據圖4(不同於根據圖1的具體實施例)具體實施例的第二方面是在準直透鏡58後面的測量輻射42和44的光束路徑中使用一彩色分光鏡170。彩色分光鏡170係係使得具波長λ1的測量光44通過分光鏡，不過，具波長λ2的測量光42會在後者反射。因此可分開形狀測量與定位測量的測量光部分。提供一特別檢測器60給每一個測量光部分。根據此具體實施例，基於非選擇波長檢測器可同時進行形狀測量與定位測量。
圖5顯示根據本發明使用在根據圖1投射曝光工具10的測量裝置40的進一步具體實施例。在顯示的具體實施例中，後者只係作為定位測量與失真測量。根據圖5的測量裝置40與根據圖1的測量裝置不同處，不僅在於其不具有形貌測量的測量光束路徑，而且在於其不具有平面鏡54。事實上，在根據圖5的測量裝置40中，在斐索(Fizeau)準直儀50與晶圓30之間配置一繞射光學元件70。
繞射光學元件70包括光柵結構72，作為將入射測量光束44分別分成兩測量光束74a和74b。圖6詳細顯示用於一光柵結構72的光束路徑。圖6詳細顯示繞射光學元件70與晶圓30的配置。光柵結構72在此使用字母「A」表示。入射測量光44分成測量光束74a和74b是在負第一與正第一繞射級，由在光柵A的繞射執行。藉由在正第一與負第一繞射級的繞射，測量光束74a和74b接著會反射回在晶圓30表面上的測量結構32上的本身。光柵結構72可有效益設計成具有至少300mm(公釐)直徑，如此能夠測量晶圓30的整個表面。
測量結構32亦設計成光柵結構，且在圖6是以光柵「B」表示，光柵32反射在位置1的測量光束74a，且光柵32反射在位置2的測量光束74b，且這就是為何對應的光柵會表示為「B_pos1」與「B_pos2」。當反射回來的測量光束74a和74b在負第一與正第一繞射級通過時，這些測量光束會在光柵結構72形成繞射，且如此導回到入射測量光44的光束路徑。兩測量光束74a和74b產生的影像會類似根據圖1測量裝置40的情況，同調重疊在檢測表面61上。隨著x方向的晶圓30平移量Δx，下列相位差會產生：
Δφ=φ1-φ2=4π‧Δx/p　(2)
p表示測量結構32的光柵週期。相較於根據圖2配置產生的相位差，根據圖6，隨著相同移位Δx，只產生一半的相位差。
從測量的相位差計算的位置對應光柵B_pos1和B_pos2位置的地心引力中心平移。圖7顯示作為一些測量通道的根據圖5的繞射光學元件70與晶圓30，該等測量通道分別由一光柵結構72與兩相關的測量結構32形成。隨著在繞射光學元件的光柵結構72配置，重要的是要確保不會有例如由於測量結構32的繞射而經由測量光74a或74b的反射產生的干涉光44s抵達檢測器60。因此，光柵結構72配置在晶圓30，使得干涉光44s不會入射繞射光學元件70的光柵結構72，但事實是在介於光柵結構72間的元件70區域反射。因此，干涉光不能注入另一測量通道，導致錯誤測量。
此外，可在充當一分光鏡的繞射光學元件70上配置不同光柵。對應調適的光柵應指定給晶圓30上的後者。此外，特別光柵可在繞射光學元件70上提供，作為檢測測量台38的位置。此光柵可調適在測量台38的光柵結構。
圖8例示使用在根據圖1投射曝光工具10的測量裝置40的進一步具體實施例。此具體實施例不同於根據圖5的具體實施例之處，在於測量輻射44不是以垂直方式而是以與法線形成α角度輻射在繞射光學元件70。在減或正第一繞射級產生的測量光束74a和74b接著會以不同角度入射晶圓表面。為了要保證測量光束的對應迴向反射(back-reflection)，在晶圓30的測量結構32具有不同週期，B_pos1光柵的週期為ν-Δν，且光柵B_pos2的週期為ν+Δν，其中：
ν==2‧νgratingA且Δν==2‧1/λ‧sin(α),　(3)
νgrating A表示光柵結構72的週期。根據一具體實施例，角度α為至少0.1°。
經由根據圖8配置的非對稱光束路徑，可避免干涉光44s注入與在繞射光學元件70的光柵結構72配置無關的相鄰測量通道。測量結構32能如此配置在晶圓表面31的任何位置。光柵結構72亦可設計成遍及整個。隨著根據圖8的具體實施例，從定位測量的觀點，可任意選擇曝光區域68與「晶粒」的大小與位置。
圖9(a)和(b)顯示在繞射光學元件70上作為光柵結構72的整個配置(亦稱為全表面或全面性配置)的兩不同變化例。在變化例(a)，光柵結構72是由一棋盤式配置、與在x和y方向交替排列的光柵段組成。分別照射的光柵對B_pos1和B_pos2的地心引力中心坐標如此可在x或y座標的晶圓30上測量。光柵對B_pos1和B_pos2的光柵排列定義x或y部件是否測量。在(b)變化例，光柵結構72為二維長斜方形(rhomboid)光柵形狀，亦可採用關於x或y部件的定位測量。
圖10顯示在晶圓30上作為用在根據圖8具體實施例的可能測量結構32配置。在此，用於測量重心(centre of gravity)x座標的測量結構B_pos1與B_pos2使用32a和32b表示。用於測量y方向的個別重心座標的光柵結構是以132a和132b表示。從圖10可看出，光柵結構32a和32b位在交互配置的水平線，不過，光柵結構132a和132b是以垂直線配置，使得(就整體而言)可產生網狀結構，該網狀結構的網孔環繞曝光區域68。
圖11顯示使用在根據圖1的投射曝光工具10的測量裝置40的進一步具體實施例。類似根據圖5的具體實施例，此具體實施例包括一繞射光學元件70。不過，根據圖11的繞射光學元件70是與晶圓30形成傾斜。這使得可經由從圖1已知的一測量光源41的測量光42同時執行形狀測量。繞射光學元件70的傾斜會導致測量光42不會垂直入射繞射光學元件70，且如此不會有干射迴向反射經過孔56到達檢測器60。選擇光柵結構72的週期使得測量光42的波長λ2會通過光柵結構72而沒有繞射現象，而測量光44的波長λ1使用減與正第一繞射級形成繞射。
圖12顯示在根據圖11的繞射光學元件70與晶圓30區域中，用於失真與定位測量的測量光44、及用於形狀和形貌測量的測量光42兩者的光路徑。在此，在圖12中，用於定位與形狀測量的光束是緊鄰彼此繪示。不過，測量方法允許在所有位置的全面性形狀測量，同時，提供對所有定位光柵的定位測量。不需要將空間分成用於定位或形狀測量的區域。入射測量光使用44e和42e表示。此外，在圖中，粗線顯示用於定位測量的使用光路徑包括入射測量光44e、測量光束44a和44b、與返回的使用光束44n。對於形狀測量而言，使用光路徑包括入射測量光42e，其通過繞射光學元件70而沒有轉向，且在晶圓表面31上反射後，光束42n返回干涉儀。
此外，在圖12中，干涉光路徑使用細線條繪示。干涉光路徑是在光柵72、32a與32b之一者的使用光之繞射產生。在圖12中，繪示一些干涉光路徑，該等干涉光路徑是在光柵72、32a與32b之一者在零、負第一、及正第一繞射級產生。例如，當零繞射級的入射測量光44e通過光柵72、反射在晶圓表面31、且隨後在零、正第一或負第一繞射級上通過光柵結構72時，會因而產生一干涉光路徑。在圖12使用b、c與d表示產生的干涉光束。
在定位通道的另一干涉光範例係關於測量光束44的光，在光柵32a上反射後，該測量光束不會在負第一繞射級反射回來，但會在零繞射級通過至繞射光學元件70，然後會在正第一繞射級在光柵72繞射，且經過返回到測量裝置40的光學構件。產生的干涉光是以a表示。干涉光路徑可以類似方式在形狀通道產生(例如，當入射測量光42e以不同於零的繞射級於光柵72繞射時)，然後通到繞射光柵32a與32b之一者上。
如上面所述，繞射光學元件70是以圖12所示的角度β與晶圓30形成傾斜。此外，用於晶圓表面31法線的定位測量之入射測量光44e的入射角會傾斜α角度。傾斜角α與β的大小通常可調整，儘可能使干涉光不會通過檢測器60。藉由適當地選擇角度α與β，基於孔56可至少以某種顯著程度阻斷干涉光。
下表1包括所有光束的清單，這些光束可在定位測量期間產生，其間考慮在光柵72、32a、與32b，負第一、第零、與正第一繞射級。為了要指出個別光束的方向，在表1指定對應方向向量的個別x部件。對於測量光44e的入射方向而言，施加5的x部件。個別欄係用來識別繞射光學元件70的入射測量光44e之所有繞射級的第一項，第二欄為在晶圓30的光柵結構32a的繞射級，第三欄為在光返回路徑到測量裝置40光學構件上的光柵結構72的繞射級。在第四欄中，指定第二次光束通過繞射光學元件70後的對應光束方向向量的x組件。
表1右側的五至八欄提供類似資訊，其中一對應光路徑會在光柵結構32b導向晶圓30。根據表1，對於光柵72的值500、光柵32的值1010、與光柵32b的值990而言，可隨光柵週期施加。該等值指出光柵條紋密度(以任何單位表示)，並對應於與第一級繞射光波傳播方向的x部件的變化。每毫米線條數(例如)可隨單位選擇。在圖12中繪示的光束a、b、c、d、e與y已在表1識別。從表中可看出，沒有干涉光向量具有由「y」識別的使用光44n的方向。
表2顯示類似表1的資訊係關於形狀測量通道。在此，入射測量光42e的x部件為零。此可從干涉光42s的兩反射台收集，即是干涉反射f和h具有使用反射z的傳播方向。所有其他干涉光束42s點指向不同於使用反射z的方向。下列描述亦用來抑制其餘干涉反射h和f的測量。
角度α與β的大小可根據下面列出的標準調整。因為干涉光束a、c、和e會以角度α返回測量裝置40的光學構件，所以角度α必須大於晶圓30能夠在檢測器60上成像的數值口徑NA：
sin(α)>NA　(4)
對於檢測器60的成像晶圓30的側面解析度而言，下式可施加於解析度R：
R=λ/NA,　(5)
λ為討論中之測量光的波長。解析度R=0.25mm(公釐)λ=633nm(奈米)會造成NA=0.0025。對於入射角α而言，接著可提供>0.14°的值。
因為干涉光j必須以角度2β返回，所以可施加下式：
sin(2β)>NA　(6)
對於傾斜角β而言，因此可提供>0.07°的值。隨著300mm(公釐)直徑的晶圓，只有介於繞射光學元件70與晶圓30之間0.37mm(公釐)距離變化。設計入射角α及傾斜角β為彼此垂直亦是有利的。一較高側面解析需要較大的入射角α與較大的傾斜角β。
圖13與14顯示根據圖11用於繞射光學元件的光柵結構72的兩不同具體實施例。在根據圖13的具體實施例中，光柵結構72稱為零級光柵，且針對用於形狀測量的測量光42的波長λ2而設計。隨著零級光柵，可以抑制除了第零級以外的所有繞射級。用於定位測量的測量光44的波長λ1必須小於λ2，使得可產生加/負第一繞射級。光柵72的週期p必須介於波長λ2與λ1的值之間。如圖13所示，對於介於700與1064nm(奈米)之間的λ2波長、與介於532至632nm(奈米)的λ1波長而言是有利的。使用例如λ1波長532nm(奈米)兩倍頻率的λ2波長1064nm(奈米)是有利的。
光柵結構72的高度h尺寸如下列式子所示：
h=0.5 x λ2/(n-1)=λ2，其中n=1.5。　(7)
或者，對於基於零級光柵的方法而言，可如下述處理。
在根據圖14的繞射光學元件的具體實施例中，光柵結構72為基於一最佳化光柵輪廓係，用於減少作為形狀測量之波長λ2測量光42的較高繞射級效率。不過，基於電磁效應，對應的繞射效率不可能完全減少到零。隨著少於5λ的光柵週期，可預期百分比範圍效率。此只會造成約10nm(奈米)波陣面干擾。如圖14所示，在此具體實施例中，可選擇例如1266nm(奈米)的λ1、與例如693nm(奈米)的λ2。
一種用於經由具一向上游腔的較高繞射級白光干涉測量法的形狀測量期間，可使用抑制干涉的一進一步替代選擇。
上面描述有關測量晶圓30範例的根據本發明用於形狀與定位測量的測量裝置40。根據本發明的進一步具體實施例，根據本發明用於形狀與定位測量的測量裝置40係用在光罩或光罩20。
在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。
10．．．投射曝光工具
12．．．照明系統
14．．．曝光輻射源
15．．．曝光輻射
16．．．光束傳播光學構件
17．．．照明器
18．．．投射物鏡
19．．．框架
20．．．光罩
22．．．光罩結構
24．．．光罩台
30．．．晶圓
31．．．晶圓表面
32．．．測量結構
32a．．．線條光柵
32b．．．線條光柵
33．．．曝光台
34．．．晶圓保持器
36．．．活動台
38．．．測量台
40．．．測量裝置
41．．．第一測量光源
42．．．第一測量光
42e．．．入射測量光
42n．．．使用光
42s．．．干涉光
43．．．第二測量光源
44．．．第二測量光
44a．．．第一測量光束
44b．．．第二測量光束
44e．．．入射測量光
44n．．．使用光
44s．．．干涉光
45．．．光纖
46．．．干涉儀
48．．．分光鏡
50．．．斐索(Fizeau)準直儀
51．．．光軸
52．．．斐索(Fizeau)表面
54．．．平面鏡
54a．．．平面鏡
54b．．．平面鏡
56．．．孔
58．．．準直透鏡
60．．．局部解析檢測器
61．．．檢測表面
62．．．評估裝置
64．．．記錄裝置
66．．．控制裝置
68．．．曝光區域
70．．．繞射光學元件
72．．．光柵結構
74a、74b．．．測量光束
132a．．．光柵結構
132b．．．光柵結構
154．．．貓眼鏡配置
170．．．彩色分光鏡
為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：
圖1例示根據本發明具體實施例的一微影投射曝光工具剖視圖，其為用於決定一晶圓表面與其形貌是否失真的一測量裝置；
圖2為根據圖1的測量裝置的鏡子元件與待測晶圓剖視圖；
圖3為根據圖2配置的上視圖；
圖4為根據本發明使用在根據圖1投射曝光工具的測量裝置進一步具體實施例；
圖5為根據本發明使用在根據圖1投射曝光工具的測量裝置進一步具體實施例剖視圖；
圖6例示根據圖5測量裝置的功能原理；
圖7例示介於根據圖5測量裝置的一繞射光學元件與待測晶圓間的光路徑；
圖8例示根據圖5測量裝置的本發明之變化例；
圖9為在根據本發明圖5的測量裝置繞射元件上的繞射圖樣配置的兩不同具體實施例的上視圖；
圖10為經由根據圖5測量裝置在一待測晶圓表面上的一測量結構配置的上視圖；
圖11為根據本發明使用在圖1投射曝光工具的測量裝置進一步具體實施例剖視圖；
圖12例示在根據圖11的測量裝置的一繞射光學元件與待測晶圓間的光路徑；
圖13例示根據本發明使用在圖11的測量裝置之繞射光學元件之變化例；及
圖14例示根據本發明使用在圖11的測量裝置之繞射光學元件的進一步變化例。
10．．．投射曝光工具
12．．．照明系統
14．．．曝光輻射源
15．．．曝光輻射
16．．．光束傳播光學構件
17．．．照明器
18．．．投射物鏡
19．．．框架
20．．．光罩
22．．．光罩結構
24．．．光罩台
30．．．晶圓
31．．．晶圓表面
32．．．測量結構
33．．．曝光台
34．．．晶圓保持器
36．．．活動台
38．．．測量台
40．．．測量裝置
41．．．第一測量光源
42．．．第一測量光
43．．．第二測量光源
44．．．第二測量光
45．．．光纖
46．．．干涉儀
48．．．分光鏡
50．．．斐索(Fizeau)準直儀
51．．．光軸
52．．．斐索(Fizeau)表面
54．．．平面鏡
56．．．孔
58．．．準直透鏡
60．．．局部解析檢測器
61．．．檢測表面
62．．．評估裝置
64．．．記錄裝置
66．．．控制裝置

Claims (22)

  1. 一種微影投射曝光工具(10)，用以將一影像提供基材(20)的光罩結構(22)成像在一待結構化基材(30)上，該投射曝光工具包括一測量裝置(40)，該測量裝置係決定在該等基材(20、30)之一基材表面上配置的測量結構(32)在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構(32)的相對位置，並藉此同時測量多個測量結構彼此的側面偏移；其中，該測量裝置將入射的測量光送到一分光鏡，藉此該入射的測量光被該分光鏡分成不同傳播方向的至少兩測量光束，而該至少兩測量光束返回該分光鏡而被該分光鏡組合為一組合光束；其中，係基於該組合光束進行該多個測量結構的同時測量。
  2. 如申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)係同時測量分佈在該整個基材表面的測量結構(32)的該側面相對位置。
  3. 如前述申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)係在該待結構化基材(30)上進行該側面位置測量。
  4. 如前述申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中用於該等測量結構(32)的該側面位置測量之該測量裝置(40)係一干涉測量裝置。
  5. 如前述申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)包括至少兩反射元件(54、154)，該等反射元件可藉由在該等 測量結構(32)的繞射，用來將由該入射的測量光所分割出的該至少兩測量光束反射回到該等測量結構(32)。
  6. 如前述申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該分光鏡(70)，用以在光束入射到待測量的該基材(20、30)前，將該入射的測量光分成該至少兩測量光束(74a、74b)。
  7. 如申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該分光鏡(70)包括一繞射光柵(72)。
  8. 如申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)係基於以對待測量的該基材表面形成的某一角度，將該測量光(44)照射到該分光鏡(70)。
  9. 如申請專利範圍第6項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)係被設置，使得經由該等兩測量光束所產生之該等測量結構(32)的影像同調(coherently)重疊(superimpose)。
  10. 如前述申請專利範圍第1項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)係從該等側面位置測量決定該基材表面的失真(distortion)，且該投射曝光工具(10)更包括一曝光控制裝置(66)，當曝光該基材(20、30)時，該曝光控制裝置係對該失真動態調適該局部成像比例。
  11. 如前述申請專利範圍中第1項之投射曝光工具，其中該測量裝置(40)更同時對該基材表面多點進行形貌(topography)測量。
  12. 如申請專利範圍第11項之投射曝光工具(10)，其中該測量裝置(40)係基於一第一波長的測量光(44)進行該等側面位置測量、及基於一第二波長的測量光(42)進行該等形貌測量。
  13. 如申請專利範圍第12項之投射曝光工具(10)，其中該測量裝置(40)包括一繞射光柵(72)，該繞射光柵當作一分光鏡(72)使用，用以將該第一波長的該測量光(44)分成兩測量光束，該繞射光柵係使該第二波長的至少90%測量光(42)通過該繞射光柵，不致發生繞射。
  14. 如申請專利範圍第13項之投射曝光工具(10)，其中該繞射光柵(72)係與該第二波長的該測量光(42)的該傳播方向形成傾斜。
  15. 一種用於將一影像提供基材(20)的光罩結構(22)予以微影成像在一待結構化基材(30)之方法，其包括下列步驟：- 導引入射的測量光至一分光鏡，藉此該入射的測量光被該分光鏡分成不同傳播方向的至少兩測量光束；- 導引該至少兩測量光束返回該分光鏡而被該分光鏡組合為一組合光束；- 藉由基於該組合光束所進行之同時測量多個測量結構(32)彼此的側面偏移，決定在該等基材(20、30)之一基材表面上配置的測量結構(32)在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構(32)的相對位置；及- 經由一微影投射曝光工具(10)使該等光罩結構(22)成像在該待結構化基材(30)上，其中在曝光期間一成像參數根據該等側面位置測量而局部改變。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該成像比例在該基材(30)曝光期間會局部改變。
  17. 如申請專利範圍第15或16項之方法，其中在該基材(20、30)上配置的該等測量結構(32)包括不同週期性的繞射光柵。
  18. 如申請專利範圍第15或16項之方法，其中該待結構化基材(30)被測量，且該整個測量結構(32)形成具複數個網孔的網狀結構，該複數個網孔的網狀結係對應該影像提供基材的個別曝光而環繞可結構化製品區域(68)。
  19. 一種用於測量一基材(20、30)之方法，其中：- 入射的測量光被導引至一分光鏡，藉此該入射的測量光被該分光鏡分成不同傳播方向的至少兩測量光束；- 該至少兩測量光束被導引返回該分光鏡而被該分光鏡組合為一組合光束，每一測量光束照射到欲被測量的該基材；以及- 藉由基於該組合光束所進行之同時干涉測量多個測量結構(32)彼此的側面偏移，決定在該等基材(20、30)之一基材表面上配置的測量結構(32)在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構(32)的相對位置。
  20. 如申請專利範圍第15或19項之方法，其中該整個基材表面測量需時少於10秒鐘。
  21. 一種微影投射曝光工具(10)，用以將一影像提供基材(20)的光罩結構(22)成像在一待結構化基材(30)上，該投射曝光工具包括一 測量裝置(40)，該測量裝置係決定在該等基材(20、30)之一基材表面上配置的測量結構(32)在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構(32)的相對位置，並藉此同時測量多個測量結構彼此的側面偏移；其中，該測量裝置將入射的測量光送到一分光鏡，藉此在照射到欲被測量的該基材之前，該入射的測量光被該分光鏡分成不同傳播方向的至少兩測量光束；其中，該分光鏡(70)包括一繞射光柵(72)。
  22. 一種用於將一影像提供基材(20)的光罩結構(22)予以微影成像在一待結構化基材(30)之方法，其包括下列步驟：- 藉由同時測量多個測量結構(32)彼此的側面偏移，決定在該等基材(20、30)之一基材表面上配置的測量結構(32)在該基材表面的至少一側面方向上與其他測量結構(32)的相對位置；及- 經由一微影投射曝光工具(10)使該等光罩結構(22)成像在該待結構化基材(30)上，其中在曝光期間一成像參數根據該等側面位置測量而局部改變；- 其中在該基材(20、30)上配置的該等測量結構(32)包括不同週期性的繞射光柵。
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