專利名稱：一種光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光刻機(jī)成像質(zhì)量的測量方法，尤其涉及一種利用雙重精
細(xì)結(jié)構(gòu)的FOCAL (鏡像焦面4企測對準(zhǔn)標(biāo)記)標(biāo)記測量光刻機(jī)軸向像質(zhì)參數(shù) 的方法。
背景技術(shù)：
光刻機(jī)是集成電路生產(chǎn)和制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。而成像質(zhì)量是影 響光刻機(jī)光刻分辨力和套刻精度的重要因素。最佳焦面偏移、像面傾斜以及 投影物鏡的場曲與像散等參數(shù)是影響光刻機(jī)沿光軸方向的成像質(zhì)量的主要因 素，因此被稱為光刻機(jī)軸向像質(zhì)參數(shù)。它們主要影響光刻特征尺寸、成像線 條均勻性、焦深等光刻性能指標(biāo)。隨著光刻特征尺寸的減小以及焦深范圍的 變小，光刻機(jī)焦面的檢測與校正將變得越來越重要。因此軸向像質(zhì)參數(shù)的檢 測技術(shù)也成為現(xiàn)代光刻技術(shù)的重要組成。高精度、快速的軸向像質(zhì)參數(shù)^r測 功能已經(jīng)稱為現(xiàn)代先進(jìn)光刻機(jī)中不可或缺的重要功能之一 。
目前，利用FOCAL測試標(biāo)記成像水平位置與硅片離焦量之間的變化規(guī) 律來檢測像質(zhì)參數(shù)，主要用于初級軸向像質(zhì)參數(shù)的檢測。在該技術(shù)中，首先 將掩模板上的多個測量標(biāo)記在不同離焦量位置曝光在硅片上，然后用對準(zhǔn)系 統(tǒng)測試標(biāo)記的成像位置，利用成像位置計(jì)算得到對準(zhǔn)偏移量，最后對對準(zhǔn)偏 移量進(jìn)行分析后得到初級軸向像質(zhì)參數(shù)。
對于FOCAL技術(shù)，要想得到較高的精度軸向像質(zhì)參數(shù)，需要FOCAL 標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)線條寬度能夠盡量小，同時不同曝光場間的離焦步長也要足 夠小，這樣就會增加曝光場數(shù)和測量時間；同時很小的線條寬度將使FOCAL 測試標(biāo)記成像水平位置與硅片離焦量之間的變化規(guī)律限制在一個比較小的焦 深范圍，使得距離最佳焦面較遠(yuǎn)的很多曝光場內(nèi)的標(biāo)記將不受精細(xì)結(jié)構(gòu)的影 響。而相反的，如果FOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)線條寬度比較大，離焦量對
FOCAL測試標(biāo)記成像水平位置影響將變得不明顯，因此會降低軸向像質(zhì)參 數(shù)的測試精度。
另外，當(dāng)FOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)的線寬很小時，其處于離焦?fàn)顟B(tài)下曝 光時，該FOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)的線寬會因離焦量的大小不同而發(fā)生相應(yīng) 較明顯的改變，從而使標(biāo)記的重心位置發(fā)生改變，產(chǎn)生對準(zhǔn)偏移量(如圖1 所示)；但當(dāng)離焦量超出標(biāo)記離焦敏感范圍[-F,十F]時，離焦將不再影響標(biāo)記 對準(zhǔn)位置。對于特定的光刻機(jī)系統(tǒng)，標(biāo)記離焦敏感范圍是直接由標(biāo)記精細(xì)結(jié) 構(gòu)線寬大小決定的，并且線寬越小，敏感范圍也越小。較寬線條的FOCAL 標(biāo)記精細(xì)結(jié)構(gòu)可以得到較大的光刻機(jī)最佳焦面偏移范圍，較細(xì)線條的FOCAL 標(biāo)記精細(xì)結(jié)構(gòu)在較小焦深內(nèi)可以得到較精確的最佳焦面位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其利用雙重 精細(xì)結(jié)構(gòu)的FOCAL標(biāo)記(簡稱DFOCAL標(biāo)記)，可對用于評^介光刻^U的成 像質(zhì)量的光刻機(jī)軸向像質(zhì)參數(shù)進(jìn)行高精度、快速的測量，能克服現(xiàn)有技術(shù)中 測量范圍和測量精度不能同時兼顧的缺點(diǎn)。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其包含以下 步驟
步驟1 、在光刻機(jī)n個不同離焦量下，將掩模上均勻分布刻有的DFOCAL 標(biāo)記的圖案曝光到硅片不同部分上，形成n個曝光場；
精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條比之細(xì)線條精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條要寬3倍以上；
步驟2、硅片顯影后，對于所形成的n個曝光場，利用對準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行等
間隔抽樣測量，得到n/m個曝光場內(nèi)的各個DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，由此
得到n/m個DFOCAL標(biāo)記的成〗象對準(zhǔn)偏移量； 所述的m表示為等間隔抽樣測量的抽樣間隔；
步驟3、利用得到的DFOCAL測試標(biāo)記的成像對準(zhǔn)偏移量與硅片離焦量 之間的變化規(guī)律粗略計(jì)算曝光場內(nèi)各個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)大致位
該步驟3中所述的變化規(guī)律為由于軸向像質(zhì)引起的對準(zhǔn)偏移量的大小 將隨離焦的變化而變化，具體表現(xiàn)為當(dāng)硅片在最佳焦平面上曝光時，系統(tǒng) 分辨能力較強(qiáng)，DFOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)可以被完全轉(zhuǎn)移到硅片上，此時對 準(zhǔn)偏移量較大；而當(dāng)硅片在離焦的平面上曝光時，系統(tǒng)分辨能力較差， DFOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)不能被無失真的轉(zhuǎn)移到硅片上，導(dǎo)致光學(xué)對準(zhǔn)的偏 移量較小。
該步驟3具體包括針對DFOCAL標(biāo)記的粗線條精細(xì)結(jié)構(gòu)在硅片上的曝 光部分，利用抽樣測量得到的n/m個離焦量下的對準(zhǔn)偏移量，進(jìn)行2次曲線 擬合，得到曲線取得最大值時，即對準(zhǔn)偏移量最大時的離焦量，即為最佳焦 點(diǎn)大致位置；
步驟4、測量距離曝光場內(nèi)各個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)最佳焦點(diǎn)大致位置最近 的n/m個場內(nèi)對應(yīng)的DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，由此得到該各個DFOCAL標(biāo) 記的對應(yīng)成像對準(zhǔn)偏移量；
步驟4中所述的DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，為DFOCAL標(biāo)記處于最佳焦 點(diǎn)附近時曝光成像的標(biāo)記位置；
步驟5、利用步驟4中所測得的標(biāo)記對準(zhǔn)位置，精確擬合出每個DFOCAL 標(biāo)記點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)位置；
該步驟5具體包括針對DFOCAL標(biāo)記的細(xì)線條精細(xì)結(jié)構(gòu)在硅片上的曝 光部分，利用步驟4中測量得到的各個離焦量下的對準(zhǔn)偏移量，進(jìn)行2次曲 線擬合，得到曲線取得最大值時，即對準(zhǔn)偏移量最大時的離焦量，即為最佳 焦點(diǎn)位置；
步驟6、計(jì)算光刻機(jī)的軸向像質(zhì)參數(shù)焦面、場曲、像散、像面傾斜等。 本發(fā)明提供的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明方法采用DFOCAL標(biāo)記作為對準(zhǔn)標(biāo)記由于該DFOCAL標(biāo)記 中外層精細(xì)結(jié)構(gòu)線條較寬，故用于粗略測量場內(nèi)各點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)大致位置， 而其內(nèi)層精細(xì)結(jié)構(gòu)線條寬度4艮小，用于在粗略定位的最佳焦點(diǎn)大致位置附近 精確測量該點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)位置；
2、 本發(fā)明方法是在精細(xì)結(jié)構(gòu)線寬和離焦步長均很小的條件下獲取的場內(nèi) 各點(diǎn)最佳焦點(diǎn)位置的，所以可以獲得較高的測試精度；
3、本發(fā)明方法在測試過程中，硅片各場曝光時間較短，而標(biāo)記對準(zhǔn)測量 時間較長，本發(fā)明只對一小部分場內(nèi)標(biāo)記位置進(jìn)行了對準(zhǔn)測量，減少了測量 時間。


圖1是背景技術(shù)中所述的離焦對FOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置的影響的示意圖； 圖2是本發(fā)明光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法的測量系統(tǒng)示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中的DFOCAL標(biāo)記及其雙重精細(xì)結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中DFOCAL標(biāo)記在硅片上的曝光場的分布示意
圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中DFOCAL標(biāo)記內(nèi)層精細(xì)結(jié)構(gòu)成像尺寸隨離焦變 化的曲線圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中DFOCAL標(biāo)記外層精細(xì)結(jié)構(gòu)成像尺寸隨離焦變 化的曲線圖7是本發(fā)明實(shí)施例1中根據(jù)圖5和圖6的結(jié)果計(jì)算得到的標(biāo)記成像占 空比與離焦量之間的關(guān)系曲線圖8是本發(fā)明實(shí)施例2中的DFOCAL標(biāo)記的雙重精細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例2中標(biāo)記成像占空比與離焦量之間的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合圖2-圖9，詳細(xì)說明本發(fā)明較佳的實(shí)施方式 如圖2所示，本發(fā)明方法所使用的測量系統(tǒng)包括產(chǎn)生投影光束的光源 101;用于調(diào)整所述光源發(fā)出的光束的光強(qiáng)分布和部分相干因子的照明系統(tǒng) 102;能將掩模圖案成像且其數(shù)值孔徑可以調(diào)節(jié)的成像光學(xué)系統(tǒng)103;能承載 所述掩模R并精確定位的掩模臺104;能承載硅片W并精確定位的工件臺 105;以及可用于對準(zhǔn)硅片位置的對準(zhǔn)系統(tǒng)106。
實(shí)施例1
在本實(shí)施例中，采用如圖3所示的DFOCAL標(biāo)記，該DFOCAL標(biāo)記包
含外層精細(xì)結(jié)構(gòu)和內(nèi)層精細(xì)結(jié)構(gòu)；該外層精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條寬1.5um,該內(nèi)層 精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條寬200nm。
本發(fā)明光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法的步驟如下
步驟1、光源101發(fā)出的深紫外激光經(jīng)照明系統(tǒng)102照射到刻有DFOCAL 標(biāo)記的掩模R上，該掩模R上均勻分布65個DFOCAL標(biāo)記，掩模R選擇性 的透過一部分光線，這部分光線經(jīng)成像光學(xué)系統(tǒng)103,在3um范圍內(nèi)的60 個離焦量下將掩模R上的圖案曝光成像到硅片W的不同部分上，如圖4所 示，在該范圍內(nèi)曝光12個場，每個曝光場內(nèi)均分5層來均勻分布65個 DFOCAL標(biāo)記，各層間軸向偏置400um的距離；
步驟2、利用對準(zhǔn)系統(tǒng)106測量12個曝光場中，每個曝光場的第一層標(biāo) 記的標(biāo)記對準(zhǔn)位置，由此得到每個曝光場第一層的各個DFOCAL標(biāo)記的成像 對準(zhǔn)偏移量；
步驟3、利用得到的DFOCAL測試標(biāo)記的成像對準(zhǔn)偏移量與硅片離焦量 之間的變化規(guī)律來較粗略計(jì)算出曝光場內(nèi)65個點(diǎn)的各自最佳焦點(diǎn)大致位置， 該步驟具體表現(xiàn)為針對DFOCAL標(biāo)記的粗線條精細(xì)結(jié)構(gòu)在硅片上的曝光部 分，利用每個標(biāo)記12個離焦量下的對準(zhǔn)偏移量，進(jìn)行2次曲線擬合，得到曲 線取得最大值時，即對準(zhǔn)偏移量最大時的離焦量，即為該標(biāo)記所在點(diǎn)的最佳 焦點(diǎn)大致位置；
步驟4、測量距離曝光場內(nèi)65個標(biāo)記點(diǎn)的各自最佳焦點(diǎn)大致位置最近的 12個層內(nèi)對應(yīng)的DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，得到對應(yīng)的成Y象對準(zhǔn)偏移量；
步驟5、利用上述測量結(jié)果，按步驟3的擬合方法精確擬合出65個 DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)的各自最佳焦點(diǎn)位置，該步驟具體表現(xiàn)為針對DFOCAL 標(biāo)記的細(xì)線條精細(xì)結(jié)構(gòu)在硅片上的曝光部分，利用步驟4測量得到的各個離 焦量下的對準(zhǔn)偏移量，進(jìn)行2次曲線擬合，得到曲線取得最大值時，即在對 準(zhǔn)偏移量最大時的離焦量，就是最佳焦點(diǎn)位置；
步驟6、計(jì)算軸向像質(zhì)參數(shù)焦面、場曲、像散、像面傾斜等。
本實(shí)施例中，綜合了下面所述的2個特點(diǎn) 一是利用DFOCAL標(biāo)記精細(xì) 結(jié)構(gòu)的粗線條確定標(biāo)記最佳焦點(diǎn)大致位置，二是利用DFOCAL標(biāo)記精細(xì)結(jié)構(gòu) 的細(xì)線條精確測量標(biāo)記最佳焦點(diǎn)精確位置。
如圖5所示，本實(shí)施例中的DFOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)的細(xì)線條寬200nm, 該DFOCAL標(biāo)記200nm精細(xì)結(jié)構(gòu)成像關(guān)鍵尺寸隨離焦變化曲線為prolith仿 真曲線，圖中可以看出，在離焦(-0.4um， 0.4um)的范圍之外，即處于圖1 中所示的離焦敏感范圍之外時，200nm精細(xì)結(jié)構(gòu)的DFOCAL標(biāo)記將不能成像。
如圖6所示，本實(shí)施例中的DFOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié)構(gòu)的粗線條寬1.5um， 該DFOCAL標(biāo)記1.5um精細(xì)結(jié)構(gòu)成像關(guān)4建尺寸隨離焦變化曲線為prolith仿 真曲線，圖中可以看出，在離焦(-1.5um, 1.5um)范圍之外，即處于圖1 中所示的離焦敏感范圍之外時，1.5um精細(xì)結(jié)構(gòu)的DFOCAL標(biāo)記將不能成像。
根據(jù)圖5和圖6的仿真結(jié)果，可以計(jì)算得到DFOCAL標(biāo)記成像占空比與 離焦量之間的關(guān)系，具體計(jì)算方法為200nm線條成像的CD/400nm + 1500nm 線條成像的CD/3000nm，具體計(jì)算結(jié)果如圖7所示，該結(jié)果對應(yīng)于標(biāo)記對準(zhǔn) 位置與離焦量之間的關(guān)系。
實(shí)施例2
在本實(shí)施例中，采用如圖8所示的DFOCAL標(biāo)記，該DFOCAL標(biāo)記包 含外層精細(xì)結(jié)構(gòu)和內(nèi)層精細(xì)結(jié)構(gòu)；該外層精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條寬1.2um,該內(nèi)層 精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條寬150nm。
本發(fā)明光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法的步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別僅在于步 驟1中，本實(shí)施例是在2um范圍內(nèi)的40個離焦量下將掩模圖案曝光成像到 硅片W的不同部分上。
同時，本實(shí)施例中DFOCAL標(biāo)記成像占空比與離焦量之間的關(guān)系，具體 計(jì)算方法為150nm線條成像的CD/300nm + 1200nm線條成像的 CD/2400nm,具體計(jì)算結(jié)果如圖9所示。
綜合上述，可以根據(jù)不同的測試需求，通過改變DFOCAL標(biāo)記的精細(xì)結(jié) 構(gòu)的粗線條和細(xì)線條的寬度及離焦范圍等具體參數(shù)來更好的實(shí)現(xiàn)測試目的， 當(dāng)精細(xì)結(jié)構(gòu)線條寬度越小時，測試范圍也減小，但可以相對提高測試的精度。
本發(fā)明提供的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1 、本發(fā)明方法采用DFOCAL標(biāo)記作為對準(zhǔn)標(biāo)記由于該DFOCAL標(biāo)記
中外層精細(xì)結(jié)構(gòu)線條較寬，故用于粗略測量場內(nèi)各點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)大致位置， 而其內(nèi)層精細(xì)結(jié)構(gòu)線條寬度很小，用于在粗略定位的最佳焦點(diǎn)大致位置附近 精確測量該點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)位置；
2、 本發(fā)明方法是在精細(xì)結(jié)構(gòu)線寬和離焦步長均很小的條件下獲取的場內(nèi) 各點(diǎn)最佳焦點(diǎn)位置的，所以可以獲得較高的測試精度；
3、 本發(fā)明方法在測試過程中，硅片各場曝光時間4交短，而標(biāo)記對準(zhǔn)測量 時間較長，本發(fā)明只對一小部分場內(nèi)標(biāo)記位置進(jìn)行了對準(zhǔn)測量，減少了測量 時間。
權(quán)利要求
1.一種光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其特征在于，包含以下步驟步驟1、在光刻機(jī)n個不同離焦量下，將掩模上均勻分布刻有的DFOCAL標(biāo)記的圖案曝光到硅片不同部分上，形成n個曝光場；步驟2、硅片顯影后，對于所形成的n個曝光場，利用對準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行等間隔抽樣測量，得到n/m個曝光場內(nèi)的各個DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，由此得到DFOCAL標(biāo)記的成像對準(zhǔn)偏移量，該m表示等間隔抽樣測量的抽樣間隔；步驟3、利用得到的DFOCAL標(biāo)記的成像對準(zhǔn)偏移量與硅片離焦量之間的變化規(guī)律粗略計(jì)算曝光場內(nèi)各個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)大致位置；步驟4、測量距離曝光場內(nèi)各個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)最佳焦點(diǎn)大致位置最近的n/m個場內(nèi)對應(yīng)的DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，由此得到該各個DFOCAL標(biāo)記的對應(yīng)成像對準(zhǔn)偏移量；步驟5、利用步驟4中所測得的標(biāo)記對準(zhǔn)位置，精確擬合出每個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)位置；步驟6、計(jì)算光刻機(jī)的軸向像質(zhì)參數(shù)焦面、場曲、像散、像面傾斜。
2. 如權(quán)利要求1所述的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其特征在于，所述的
3. 如權(quán)利要求2所述的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其特征在于，所述的粗線 條精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條寬度比細(xì)線條精細(xì)結(jié)構(gòu)的線條寬度寬3倍以上。
4. 如權(quán)利要求1所述的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其特征在于，所述的步驟 3具體包括針對DFOCAL標(biāo)記的粗線條精細(xì)結(jié)構(gòu)在硅片上的曝光部分， 利用抽樣測量得到的n/m個離焦量下的對準(zhǔn)偏移量，進(jìn)行2次曲線擬合， 得到曲線取得最大值時，即在對準(zhǔn)偏移量最大時的離焦量，就是最佳焦點(diǎn) 大致位置。
5. 如權(quán)利要求1所述的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其特征在于，步驟4中， 所述的測得的DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置，為DFOCAL標(biāo)記處于最佳焦點(diǎn)附近時曝光成像的標(biāo)記位置。 6.如權(quán)利要求1所述的光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，其特征在于，所述的步驟5中具體包括針對DFOCAL標(biāo)記的細(xì)線條精細(xì)結(jié)構(gòu)在硅片上的曝光部 分，利用步驟4測量得到的各個離焦量下的對準(zhǔn)偏移量，進(jìn)行2次曲線擬 合，得到曲線取得最大值時，即在對準(zhǔn)偏移量最大時的離焦量，就是最佳 焦點(diǎn)位置。
全文摘要
一種光刻機(jī)成像質(zhì)量測量方法，包含以下步驟在光刻機(jī)n個離焦量下將掩模上均勻分布的DFOCAL標(biāo)記圖案曝光到硅片上，形成n個曝光場；利用對準(zhǔn)系統(tǒng)對n個曝光場進(jìn)行等間隔抽樣測量，得到n/m個場內(nèi)各標(biāo)記對準(zhǔn)位置；利用標(biāo)記成像水平位置的偏差與硅片離焦量之間的變化規(guī)律計(jì)算曝光場內(nèi)各個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)大致位置；測量距離曝光場內(nèi)各個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)最佳焦點(diǎn)大致位置最近的n/m個場內(nèi)對應(yīng)的DFOCAL標(biāo)記對準(zhǔn)位置；精確擬合出每個DFOCAL標(biāo)記點(diǎn)的最佳焦點(diǎn)位置；計(jì)算軸向像質(zhì)參數(shù)。本發(fā)明方法利用DFOCAL標(biāo)記能對用于評價光刻機(jī)成像質(zhì)量的軸向像質(zhì)參數(shù)進(jìn)行高精度、大范圍、快速的測量。
文檔編號G03F7/20GK101169594SQ20071017091
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者李術(shù)新, 帆 王 申請人:上海微電子裝備有限公司