本發(fā)明屬于半導(dǎo)體測量領(lǐng)域，尤其涉及在表面有圖案晶圓檢測設(shè)備的自動對焦方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在集成電路芯片制造過程中，產(chǎn)品成品率是衡量芯片制造工藝的重要指標(biāo)。隨著集成電路關(guān)鍵尺寸不斷縮小和圖形密度不斷增加，其工藝控制難度也隨之加大，以前可以被忽略的缺陷現(xiàn)在可能導(dǎo)致器件不能正常工作，成為影響成品率的致命缺陷。同時，新的三維器件結(jié)構(gòu)，如FinFET，和新的半導(dǎo)體材料(例如銅互連、低k和高k電介質(zhì)材料以及金屬柵電極)被廣泛使用，帶來新的電性能缺陷問題；新的工藝流程，例如浸入式光刻帶來了新的缺陷類型，包括微粒、氣泡、水印或橋連(bridge)；CMP平坦化帶來新的缺陷等，缺陷的存在可能導(dǎo)致器件不能正常工作，成為影響成品率的重要因素。為了改善工藝，提高生產(chǎn)成品率，對缺陷進(jìn)行檢測和分析評估是工藝控制中的一項(xiàng)必要和重要的工作。

檢測設(shè)備中最常用的是光學(xué)顯微成像設(shè)備，它是通過記錄帶圖案晶圓表面的圖像數(shù)據(jù)，來分析識別待測器件經(jīng)過一系列工藝制造過程后與原始設(shè)計(jì)指標(biāo)的差異，比如關(guān)鍵尺寸，有無缺陷及其分布位置。帶圖案晶圓表面圖案結(jié)構(gòu)通常是周期性的，包括很多重復(fù)排列的矩形單元，即工作單元，工作單元被水平和垂直的刻線邊界包圍，內(nèi)部形成所需的半導(dǎo)體集成電路圖案。晶圓表面直徑通常很大(200或300mm)，而通常光學(xué)顯微的視場小于1mm。因此要對整個晶圓表面 進(jìn)行顯微成像，必須采用分段掃描再重組的方式。由于目前先進(jìn)集成電路的關(guān)鍵尺寸已進(jìn)入數(shù)十納米范圍，所以必須使用高分辨率(高倍率高數(shù)值孔徑(NA))的物鏡，但其焦深很短，一般只有200-300nm。在檢測掃描過程中，必須一直確保被觀察區(qū)域表面位于物鏡的焦平面或其焦深范圍內(nèi)，才能獲得清晰的圖像數(shù)據(jù)，離焦會導(dǎo)致圖像模糊。引起離焦的因素很多，例如，晶圓表面的不平，或整體的傾斜，尤其是晶圓固定在真空吸盤上時，真空吸力會引起晶圓表面形變，其表面凹陷深度可達(dá)幾十微米，遠(yuǎn)大于焦深長度。因此，在掃描過程中，自動對焦技術(shù)是必不可少的。它是晶圓檢測領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵技術(shù)。

要實(shí)現(xiàn)自動對焦，必須首先檢測出離焦?fàn)顩r，然后控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行離焦補(bǔ)償操作。因此，自動對焦技術(shù)的核心是離焦檢測方法。離焦是有方向性的，正離焦或負(fù)離焦，即，目標(biāo)是靠近物鏡還是遠(yuǎn)離物鏡。因此，自動對焦技術(shù)所采用的離焦檢測方法必須能同時檢測出離焦量的大小和方向，而用于晶圓檢測設(shè)備中的自動對焦技術(shù)，還必須能夠克服晶圓表面集成電路圖案和材料反射率差異的影響。

為了實(shí)現(xiàn)晶圓檢測時的自動對焦，一般可以采用如下自動對焦技術(shù)：

(1)專利US4639587公開了，采用左右離軸放置的兩路光源交替照明一個投影光柵，并用另一相同光柵作為探測光柵，用一個探測器交替接收左右兩路光束透過探測光柵的總光強(qiáng)信號，通過分析這兩路信號之差來獲取離焦信息，然后據(jù)此執(zhí)行離焦補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)對焦。由于兩路不是同時探測，為消除光源瞬間波動對兩路探測結(jié)果的不同影響，增加了光源分束支路以對光源波動進(jìn)行實(shí)時的探測。該方法無論在結(jié)構(gòu)上還是在控制上實(shí)現(xiàn)起來都很復(fù)雜。

(2)專利US7961763B2公開了，采用傾斜于光軸的線狀光源進(jìn)行投影，將其反射像分成兩路，分別用兩個探測面垂直于光軸的線陣探測器接收，兩探測器分別位于像平面前后對稱位置以形成差動結(jié)構(gòu)，通過分析兩路信號之差來獲取離焦信息，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對焦。當(dāng)實(shí)現(xiàn)該方法時，需要兩套接收光路和探測系統(tǒng)，其硬件成本很高。

(3)專利US7142315公開了，針對多膜層結(jié)構(gòu)表面的檢測，利用傾斜狹縫共焦光路的對焦方法，該方法使用了兩個傾斜狹縫，分別作為照明狹縫和探測狹縫，兩者位于與物鏡的焦平面呈共焦的位置。該方法的基本要點(diǎn)是：第一，晶圓表面上不同深度的膜層對應(yīng)于傾斜狹縫像上的不同像素點(diǎn)；第二，通過分析狹縫共焦像中各峰值像素點(diǎn)的位置來獲取各膜層之間的相對深度圖。該方法的前提是：整個晶圓表面膜層必須垂直于物鏡的光軸。而事實(shí)上，由于晶圓的傾斜，尤其是真空吸附所引起的晶圓表面形變，使的該方法的前提在實(shí)際中難以成立。另外，狹縫照明的不均勻性和各層圖案反射率的差異，尤其是采用激光照明所不可避免的散斑噪聲，都會影響?yīng)M縫共焦像峰值像素點(diǎn)的位置檢測，因此其結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證。

因此，亟需一種不受光源光強(qiáng)波動的影響，不受晶圓上電子器件圖案形貌和材料特性差異的影響，而且在光學(xué)結(jié)構(gòu)更為簡單的對焦方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于傾斜狹縫共焦光學(xué)結(jié)構(gòu)的新的離焦檢測和自動對焦方法及相應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本更低。

本發(fā)明一方面公開了用于對焦的裝置，其包括：照明單元，其包括用于提供入射光的非相干光源光源(101)、照明透鏡(102)與照明狹縫(103)；分束單元，用于對其所接收到的光進(jìn)行分束；物鏡(107)，用于在待測物體(109)的表面上對所述照明狹縫(103)進(jìn)行成像，并且將所述照明狹縫(103)的成像反射至所述分束單元；探測單元，其包括探測狹縫(113)和線陣探測器(114)，用于接收來自所述分束單元的所述照明狹縫(103)的像并記錄與所述待測物體(109)的表面相關(guān)的共焦信號，其中，所述探測狹縫(113)與所述照明狹縫(103)分別相對于各自的光軸的垂直平面以相同的傾斜角傾斜設(shè)置，并且所 述述探測狹縫(113)與所述照明狹縫(103)的中心相對于所述物鏡(107)的焦點(diǎn)處于光學(xué)共軛位置。

本發(fā)明另一方面提出了一種自動對焦方法，其包括：a.對待測物的測量點(diǎn)進(jìn)行Z軸步進(jìn)掃描，并通過探測狹縫獲取與所述測量點(diǎn)以及照明狹縫相關(guān)的共焦信號，其中，所述照明狹縫與所述探測狹縫分別相對于各自光軸的垂直平面以相同的傾斜角傾斜設(shè)置；b.基于與所述測量點(diǎn)相關(guān)的共焦信號確定與所述測量點(diǎn)相關(guān)的離焦函數(shù)，并對所述離焦函數(shù)的曲線進(jìn)行線性擬合；c.基于線性擬合后的所述離焦函數(shù)對所述待測物進(jìn)行測量

本發(fā)明為有圖案晶圓的檢測提供了一種基于傾斜狹縫共焦法的自動對焦方法和系統(tǒng)。該方法采用傾斜狹縫共焦光路結(jié)構(gòu)，使用特定的信號處理算法分析狹縫共焦信號來檢測離焦量的大小和方向，再據(jù)此實(shí)時控制相關(guān)運(yùn)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行離焦補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)自動對焦。該自動對焦方法的優(yōu)點(diǎn)是不受光源光強(qiáng)波動、晶圓圖案形貌和材料特性差異的影響，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該系統(tǒng)實(shí)施例所用器件和結(jié)構(gòu)也相對簡單，成本更低，因?yàn)樗恍枰惶坠饴方邮蘸吞綔y系統(tǒng)。

附圖說明

通過參照附圖并閱讀以下所作的對非限制性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯。

圖1顯示了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于傾斜狹縫共焦法的自動對焦系統(tǒng)的架構(gòu)圖；

圖2a是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的離焦檢測原理示意圖；

圖2b是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的離焦函數(shù)曲線圖；以及

圖3是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的自動對焦流程框圖。

在圖中，貫穿不同的示圖，相同或類似的附圖標(biāo)記表示相同或相似的裝置(模塊)或步驟。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明專利提出一種新的離焦檢測和自動對焦方法及相應(yīng)系統(tǒng)。本發(fā)明專利提出的自動對焦方法，不僅也具有不受光源光強(qiáng)波動的影響，不受晶圓圖案形狀和反射率差異的影響，而且在光學(xué)結(jié)構(gòu)上比專利US4639587和專利US7961763B2更簡單。

圖1顯示了本發(fā)明基于傾斜狹縫共焦法的自動對焦系統(tǒng)的一個實(shí)施例。該實(shí)施例的硬件構(gòu)成如下：照明部分由光源101和照明透鏡102組成，光源101是非相干光源(如LED)。傾斜狹縫共焦成像光學(xué)系統(tǒng)由照明狹縫103、透鏡104、分束器105、物鏡107、透鏡112和探測狹縫113組成。透鏡104相對于照明狹縫103的設(shè)置和透鏡112相對于探測狹縫113的設(shè)置完全相同。照明狹縫103和探測狹縫113完全相同，并且它們分別相對于各自的光軸的垂直平面以相同的傾斜角傾斜設(shè)置放置(不垂直)，探測狹縫113與照明狹縫103的中心相對于物鏡107的焦點(diǎn)處于光學(xué)共軛位置。該兩個狹縫的中心分別在透鏡104和透鏡112的焦點(diǎn)上，由此和物鏡107的焦點(diǎn)構(gòu)成共焦關(guān)系。照明狹縫103和探測狹縫113的方位設(shè)置是使其經(jīng)物鏡107待測表面上的投影與檢測掃描方向平行。探測器114是線陣探測器(CCD或CMOS)，其探測表面也傾斜于光軸，用于接收透過探測狹縫113的共焦光信號，其輸出的電信號傳送給計(jì)算機(jī)115，它負(fù)責(zé)信號處理與控制。在自動對焦系統(tǒng)中，二向色分束器106通常是一個必要的器件，因?yàn)樽詣訉构饴泛蜋z測光路共用同一個物鏡107。二向色分束器106的作用是透射自動對焦工作波長，并反射測量工作波長，使兩種波長分離，互不干擾，其中，測量工作波長可以包括一組不同波長。自動對焦和檢測的對象是帶圖案的晶圓109，它通常是固定在真空吸盤110上，該吸盤安裝在三軸平移臺111上，其X-Y-Z三軸的運(yùn)動由計(jì)算機(jī)115控制。

該實(shí)施例的工作原理是：照明透鏡102將光源101發(fā)出的光聚焦在照明狹縫103上，透過狹縫的光依次經(jīng)過透鏡104、分束器105、二向色分束器106和物鏡107后，在物鏡107的焦點(diǎn)附近形成照明狹縫 的一次像108，該像在晶圓109表面的投影與晶圓的掃描方向平行。該像隨后被晶圓109表面反射回物鏡107，再依次經(jīng)過二向色分束器106、分束器105和透鏡112后，在探測狹縫113處形成照明狹縫的二次像，其透過探測狹縫113的部分光能量形成共焦信號，由線陣探測器114記錄，并傳送給計(jì)算機(jī)115進(jìn)行信號處理，計(jì)算出離焦量的大小和方向。隨后，計(jì)算機(jī)115依據(jù)該離焦量數(shù)據(jù)控制平移臺111的Z軸運(yùn)動，執(zhí)行離焦補(bǔ)償操作以實(shí)現(xiàn)對焦。離焦檢測與離焦補(bǔ)償反復(fù)進(jìn)行，則可實(shí)現(xiàn)晶圓檢測過程中的自動對焦。由于探測狹縫113與照明狹縫103的中心和物鏡107的焦點(diǎn)構(gòu)成共焦關(guān)系，因此，上述二次像完全對應(yīng)于一次像，不會產(chǎn)生光強(qiáng)檢測缺失。

圖2a為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的離焦檢測原理示意圖。

線陣探測器114探測到的共焦信號分成左右兩部分，設(shè)透過探測狹縫113的AB段的光信號總強(qiáng)度為I1，透過BC段的光信號總強(qiáng)度為I2，其中AB＝BC，并定義離焦評價(jià)函數(shù)(簡稱離焦函數(shù))，如下：

如圖2a所示，當(dāng)晶圓109表面處于Z0位置(物鏡107的焦平面)時，照明狹縫的一次像108的中心像點(diǎn)與晶圓109表面相交于光軸Z上，而其左右兩側(cè)的像點(diǎn)位于物鏡107的焦平面之外，分別處于正負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)，左右對稱點(diǎn)的離焦量大小相同，但方向相反。該中心像點(diǎn)被晶圓反射后在探測狹縫113的中心B處形成共焦像點(diǎn)，其透過探測狹縫113的共焦信號最強(qiáng)，其余像點(diǎn)被晶圓反射后透過探測狹縫113的共焦信號更弱，離焦越大的像點(diǎn)對應(yīng)的共焦信號越弱。

由于照明狹縫的一次像108左右兩部分的總體離焦量相等，其投影所覆蓋的晶圓表面區(qū)域長度相等，所以其被反射后透過探測狹縫113的AB段的共焦信號總強(qiáng)度I1與透過BC段的共焦信號總強(qiáng)度I2大致相等，因此，離焦函數(shù)的值為0，即F0＝0。

當(dāng)晶圓109表面處于Z1的正離焦位置時，照明狹縫一次像108與晶圓109表面的交點(diǎn)移向右側(cè)，即，照明狹縫一次像108的右半部 分像的總體離焦量變小，而左半部分像的總體離焦量變大。對應(yīng)地，照明狹縫的二次像透過探測狹縫113的AB段的共焦信號總強(qiáng)度I1變大，而透過BC段的共焦信號總強(qiáng)度I2變小，此時F1＞0。

當(dāng)晶圓109表面處于Z2的負(fù)離焦位置時，照明狹縫一次像108與晶圓109表面的交點(diǎn)移向左側(cè)，即，照明狹縫一次像108的左半部分像的總體離焦量變小，而右半部分像的總體離焦量變大。對應(yīng)地，照明狹縫的二次像透過探測狹縫113的AB段的共焦信號總強(qiáng)度I1變小，而透過BC段的共焦信號總強(qiáng)度I2變大，此時F2＜0。

因此，通過AB段、BC段的光信號強(qiáng)度可以確定物鏡107離焦的方向和離焦量，進(jìn)而供后續(xù)的測量使用。

由于I1和I2是共焦信號左右兩段的總強(qiáng)度，而且離焦函數(shù)F只與兩者的比值I1/I2有關(guān)，所以，離焦函數(shù)F將不受光源光強(qiáng)波動以及晶圓圖案形貌和材料特性差異的影響。

可以理解的是，由于本實(shí)施例中是采用AB、BC兩段的光信號強(qiáng)度的差值來進(jìn)行離焦評價(jià)，因此，AB段的長度也可以不等于BC段的長度。

基于上述算法，通過控制平移臺111執(zhí)行Z軸步進(jìn)掃描，并記錄不同離焦位置對應(yīng)的共焦信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后便可得到離焦函數(shù)曲線。圖2b給出了本發(fā)明的一個實(shí)施例獲得的離焦函數(shù)實(shí)驗(yàn)曲線。

圖2b中標(biāo)示出了上述三種離焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)的離焦函數(shù)值F0、F1、F2在曲線上的位置。對離焦函數(shù)曲線的線性區(qū)進(jìn)行線性擬合，便可獲得離焦量和離焦函數(shù)之間的線性關(guān)系。當(dāng)對晶圓進(jìn)行檢測時，在掃描過程中，實(shí)時地記錄傾斜狹縫的共焦信號，并計(jì)算F值，再利用上述線性關(guān)系便可計(jì)算出離焦量Z，實(shí)現(xiàn)離焦檢測。若由計(jì)算機(jī)115依據(jù)該離焦值控制Z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)，通過執(zhí)行離焦補(bǔ)償操作以實(shí)現(xiàn)晶圓檢測過程中的自動對焦。

對于圖2b中的離焦函數(shù)曲線，其線性區(qū)的范圍和斜率與狹縫傾斜角的大小有關(guān)。傾斜角越大，其線性范圍越小，而斜率越大，也就是說，當(dāng)傾斜角變大時，對焦范圍變小，而對焦分辨率變大。因此， 狹縫傾斜角的實(shí)際大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對焦范圍和對焦分辨率的要求來選擇。在本實(shí)施例中，狹縫傾斜角為15°至25°。

圖3為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的自動對焦流程框圖。

本實(shí)施例中的基于傾斜狹縫共焦法的自動對焦方法的實(shí)施過程包括兩個階段：第一階段是標(biāo)定過程，即在檢測工作開始之前，標(biāo)定對焦工作曲線，即離焦函數(shù)曲線，以獲得離焦量與離焦函數(shù)關(guān)系式；第二階段是對焦過程，即在檢測工作開始之后，實(shí)時地測量離焦函數(shù)值，利用標(biāo)定公式計(jì)算出離焦量，并反饋給Z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行離焦補(bǔ)償操作，從而實(shí)現(xiàn)自動對焦。

第一階段：標(biāo)定對焦工作曲線

步驟201：Z軸掃描并記錄共焦信號

在該步驟中，由計(jì)算機(jī)控制三維平移臺進(jìn)行Z軸步進(jìn)掃描，使晶圓表面從負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)逐步過渡到正離焦?fàn)顟B(tài)，平移臺不作X和Y軸方向的掃描。同步地，利用探測器記錄晶圓表面在各個離焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)的共焦信號。該共焦信號與測量點(diǎn)以及照明狹縫相關(guān)，其中，照明狹縫與探測狹縫分別相對于各自光軸的垂直平面以相同的傾斜角傾斜設(shè)置。

步驟202：計(jì)算離焦函數(shù)

在該步驟中，處理共焦信號，利用公式(1)來計(jì)算各個離焦量對應(yīng)的離焦函數(shù)F值，即獲得圖2b所示的曲線。

步驟203：對離焦函數(shù)進(jìn)行線性擬合

在該步驟中，對離焦量-離焦函數(shù)F值曲線的線性區(qū)域進(jìn)行線性擬合，獲得線性擬合公式。譬如，可以得到與Z呈線性關(guān)系的F的擬合公式，即F＝k*Z+b，其中，k為圖2b中曲線的線性段的斜率，b是該曲線的截距?？梢岳斫獾氖?，此處F的擬合公式僅作為示例，并非用來限制擬合的形式。

第二階段：對焦過程

步驟204：定位晶圓，并進(jìn)行X、Y軸掃描

在該步驟中，定位晶圓，控制三維平移臺進(jìn)行X、Y軸掃描，以 執(zhí)行檢測成像記錄。

步驟205：記錄共焦信號并計(jì)算離焦函數(shù)

在該步驟中，在X、Y軸掃描過程中實(shí)時地記錄共焦信號，并基于公式(1)計(jì)算F值。

步驟206：利用線性擬合公式計(jì)算離焦量

在該步驟中，基于步驟203中擬合得到的線性關(guān)系確定離焦量Z；

步驟207：根據(jù)離焦量，進(jìn)行離焦補(bǔ)償

在該步驟中，依據(jù)離焦量Z，控制Z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行離焦補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)實(shí)時對焦。

通過步驟204-207即可實(shí)現(xiàn)基于對焦工作曲線對一個測量點(diǎn)的一次自動對焦。

此后，自動對焦系統(tǒng)將重復(fù)步驟204-207便可以對其它測量點(diǎn)進(jìn)行掃描，以實(shí)現(xiàn)在整個盤片掃描過程中的實(shí)時自動對焦。

可以理解的是，第一階段的對焦工作曲線標(biāo)定工作是一次性任務(wù)，也就是說，在檢測第一片晶圓之前執(zhí)行，一旦得到所需的線性關(guān)系，該任務(wù)即告完成。在隨后對所有晶圓進(jìn)行檢測時，只需要執(zhí)行第二階段從步驟204開始的離焦檢測與自動對焦流程。另外，圖3中的自動對焦流程不僅適用于前述實(shí)施例中的基于傾斜狹縫共焦法的自動對焦系統(tǒng)，也適用于其它不違背本發(fā)明構(gòu)思的自動對焦系統(tǒng)。

本發(fā)明在進(jìn)行對焦時，可以不受光源光強(qiáng)波動和晶圓圖案的影響，對于反射率差異大的圖案也適用，其對焦平面是物鏡視場區(qū)域的平均層面。

本發(fā)明的技術(shù)方案通過采用傾斜狹縫共焦光路結(jié)構(gòu)，僅需要一套光路接收和探測系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)自動對焦，簡化了自動對焦裝置的光路結(jié)構(gòu)并且降低了成本。另外，本發(fā)明還采用了分析狹縫共焦信號的差值來確定離焦量的大小和方向，再據(jù)此實(shí)時控制相關(guān)運(yùn)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行離焦補(bǔ)償。因此，該差值分析法可以消除光源光強(qiáng)波動、晶圓圖案形狀和反射率差異的影響。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例 的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論如何來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明顯的，“包括”一詞不排除其他元素和步驟，并且措辭“一個”不排除復(fù)數(shù)。裝置權(quán)利要求中陳述的多個元件也可以由一個元件來實(shí)現(xiàn)。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。