專利名稱：光刻機成像質(zhì)量的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻機，特別是一種光刻機成像質(zhì)量(簡稱“像質(zhì)”)的檢測方法，是一種利用鏡像精細結(jié)構(gòu)對準標記(簡稱“鏡像FOCAL標記”)測量光刻機焦面偏移、像面傾斜、場曲、像散、放大率變化、像面平移、像面旋轉(zhuǎn)、畸變等光刻機像質(zhì)參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
光刻機的像質(zhì)參數(shù)可以分為軸向像質(zhì)參數(shù)和垂軸像質(zhì)參數(shù)。軸向像質(zhì)參數(shù)包括焦面偏移、場曲、像散、像面傾斜等。垂軸像質(zhì)參數(shù)包括像面平移、像面旋轉(zhuǎn)、畸變、放大率變化等。光刻機的成像質(zhì)量直接影響光刻機的CD均勻性、套刻精度、焦深、曝光寬容度等關(guān)鍵性能指標。因此光刻機像質(zhì)參數(shù)的檢測是不可或缺的。
為精確檢測光刻機垂軸像質(zhì)參數(shù)，Brink等人提出了一種基于硅片曝光的像質(zhì)檢測技術(shù)(參見在先技術(shù)[1]，M.A.van den Brink，C.G.M.de Mol，R.A.George，“Matching performance for multiple wafer steppers using an advanced metrologyprocedure”，Proc.SPIE Vol.921)。該技術(shù)是通過將硅片移至最佳焦面處進行曝光，然后對曝光圖形的位置進行檢測，從而計算各項垂軸像質(zhì)參數(shù)。但是由于離焦、像面傾斜等軸向像質(zhì)對曝光圖形位置的影響，即便離焦在焦深范圍內(nèi)，曝光圖形的位置測量誤差也將達到10％以上。因此該技術(shù)的缺點在于檢測精度嚴重依賴于對離焦、像面傾斜等軸向像質(zhì)參數(shù)的限制程度，且不具備檢測軸向像質(zhì)的能力，需要其它技術(shù)做補充。
FOCAL(Focus calibration using alignment procedure)技術(shù)是一種利用鏡像具有精細結(jié)構(gòu)對準標記用于高分辨力光刻機軸向像質(zhì)參數(shù)的檢測技術(shù)(參見在先技術(shù)[2]，Peter Dirksen，Jan E.Van Der Werf.“Method of repetitively imaging a mask pattern on asubstrate，and apparatus for performing the method”，美國專利申請?zhí)?,674,650)。該技術(shù)對曝光在硅片上的FOCAL圖形進行光學(xué)對準，利用檢測得到的對準偏移量信息進行一系列計算，從而以較高精度獲得最佳像面、像面傾斜、場曲、像散等軸向像質(zhì)參數(shù)。遺憾的是該技術(shù)沒有涉及垂軸像質(zhì)參數(shù)的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述已有技術(shù)存在的不足，提供一種光刻機成像質(zhì)量的檢測方法。該方法不僅在完成焦面偏移、場曲、像散等軸向像質(zhì)參數(shù)的原位檢測，同時可對畸變、放大率、平移、旋轉(zhuǎn)等垂軸像質(zhì)參數(shù)的精確測量，以獲得對光刻機成像質(zhì)量全面的參數(shù)，以避免在先技術(shù)[1]中垂軸像質(zhì)參數(shù)的測量精度對軸向像質(zhì)校正程度的依賴。解決了在先技術(shù)[1]與在先技術(shù)[2]中像質(zhì)參數(shù)測量不全面的問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于該方法包括下列步驟第一步準備工作①初始化光刻機；②在晶圓上涂光刻膠并上至工作臺；③制備具有多個鏡像FOCAL標記的掩模版3，每個鏡像FOCAL標記包括四個象限，每個象限的圖形由一定周期的粗線條和細線條組成，第一象限和第二象限的線條方向相同，且旋轉(zhuǎn)對稱；第三象限與第四象限線條方向相同但與第一象限、第二象限線條方向相垂直，且鏡像對稱，在鏡像FOCAL標記中，第一象限和第四象限構(gòu)成右側(cè)的FOCAL圖形；第二象限與第三象限線條構(gòu)成左側(cè)的FOCAL圖形；第二步標記測量①將具有多個鏡像FOCAL標記的掩模上至掩模臺上；②選定若干個具有離焦量Δf的離焦位置；③調(diào)整照明系統(tǒng)，設(shè)置曝光裝置的照明條件和工藝條件；④控制光源開關(guān)及工作臺、掩模臺的運動，使涂有光刻膠的晶圓在選定的一系列離焦位置曝光；⑤被曝光的晶圓進行后烘或后烘后顯影；⑥利用光學(xué)對準系統(tǒng)的參考光柵分別對晶圓上的鏡像FOCAL標記的左右兩個FOCAL圖形進行對準，記錄其對準位置坐標，并記為PL(xL，yL)和PR(xR，yR)；第三步數(shù)據(jù)處理①水平對準偏移量的計算根據(jù)鏡像FOCAL標記左右兩個FOCAL圖形在曝光視場中成像的名義位置P0L(x0L，y0L)及P0R(x0R，y0R)，并利用它們的對準位置信息按(A)式分別計算鏡像FOCAL標記左右兩部分的水平對準偏移量AOL與AOR，在笛卡兒坐標系中X方向的水平對準偏移量記為ΔxL和ΔxR；Y方向的水平對準偏移量記為ΔyL和ΔyR。
ΔxL=xL-x0LΔyL=yL-y0LΔxR=xR-x0RΔyR=yR-y0R---(A)]]>②軸向像質(zhì)引起的水平對準偏移量的計算由水平對準偏移量計算軸向像質(zhì)導(dǎo)致的水平對準偏移量AOv(Δxv或Δyv)，用下式計算，AOv=2AORv=-2AOLv=AOR-AOL;---(B)]]>③軸向?qū)势屏康挠嬎愀鶕?jù)軸向像質(zhì)導(dǎo)致的水平對準偏移量AOv與對應(yīng)的離焦量數(shù)值Δf，利用最小二乘法進行四次曲線擬合，得到(C)式，AOv＝a0+a1Δf+a2Δf2+a3Δf3+a4Δf4(C)其中a0，a1，a2，a3，a4等為多項式各項的系數(shù)。利用(C)式計算對準偏移量AOv(zxv或Δyv)取得極大值時，對應(yīng)的離焦量Δf＝ΔZx(或Δf＝ΔZy)的數(shù)值ΔZx、ΔZy，即為軸向?qū)势屏浚虎茌S向像質(zhì)參數(shù)計算由軸向?qū)势屏喀x、ΔZy擬合(D)式，從而得到焦面偏移、像面傾斜、場曲及像散等軸向像質(zhì)參數(shù)(ΔZx+ΔZy)/2=Zw+Rx·x0+Ry·y0+FC·(x02+y02)average(ΔZx-ΔZy)=AS---(D)]]>其中ΔZx、ΔZy、x0、y0分別表示曝光視場中每個FOCAL標記的軸向偏移量和名義坐標，AS代表像散，F(xiàn)C代表場曲、Zw代表最佳焦面、Rx、Ry分別代表繞X軸和繞Y軸的像面傾斜；⑤水平對準偏移量擬合由水平對準偏移量AOL(ΔxL或ΔyL)與AOR(ΔxR或ΔyR)以及對應(yīng)的離焦數(shù)值Δf，分別利用最小二乘法進行四次曲線擬合得到(E)式，ΔxL=b0+b1Δf+b2Δf2+b3Δf3+b4Δf4ΔxR=c0+c1Δf+c2Δf2+c3Δf3+c4Δf4ΔyL=d0+d1Δf+d2Δf2+d3Δf3+d4Δf4ΔyR=e0+e1Δf+e2Δf2+e3Δf3+e4Δf4;---(E)]]>式中b0，b1，b2，b3，b4，c0，c1，c2，c3，c4，d0，d1，d2，d3，d4，e0，e1，e2，e3，e4等為多項式各項系數(shù)；⑥垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量的計算在E式中，計算當Δf＝ΔZx或Δf＝ΔZy時的水平對準偏移量AOL(ΔxL或ΔyL)與AOR(ΔxR或ΔyR)，并按照(F)式計算由垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量AOh，即Δxh與Δyh，Δxh=ΔxR+ΔxL2|Δf=ΔZxΔyh=ΔyR+ΔyL2|Δf=ΔZy;---(F)]]>⑦垂軸像質(zhì)計算由垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量AOh擬合(G)式，從而得到像面平移、像面旋轉(zhuǎn)、放大率變化量、畸變等垂軸像質(zhì)參數(shù)Δxh=dx+x0Mag-y0φ+x0r02D3Δyh=dy+y0Mag+x0φ+y0r02D3---(G)]]>其中dx、dy為標記在X向與Y向的平移，Mag為曝光系統(tǒng)的放大倍率變化量，φ為曝光視場繞光軸的旋轉(zhuǎn)，D3為曝光系統(tǒng)的三級畸變。
所述的照明條件與工藝條件是指相干因子與數(shù)值孔徑大小、光刻膠類型、光刻膠厚度、后烘溫度、后烘時間、顯影時間等條件。
所述的鏡像FOCAL標記在掩模上的數(shù)量與分布應(yīng)保證至少有5個標記處在曝光視場內(nèi)，且標記在視場中均勻分布。
所述的一系列離焦位置指在最佳焦面附近的若干個離焦量Δf的位置，其個數(shù)應(yīng)大于5個，且至少有三個離焦位置是處于光刻機成像光學(xué)系統(tǒng)的投影物鏡的焦深范圍內(nèi)。
所述的晶圓指具有單晶或多晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料圓片，為硅片、砷化鎵圓片、或二氧化硅圓片。
所述的曝光過程包括靜態(tài)步進曝光和動態(tài)掃描曝光。
所述的光學(xué)對準系統(tǒng)為具有參考光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)對準系統(tǒng)，其光柵周期與FOCAL標記結(jié)構(gòu)周期相匹配。
所述的標記成像理論位置指掩模上鏡像FOCAL標記經(jīng)過投影物鏡后在晶圓上所成理想像或近軸光線成像的位置。
所述的離焦量數(shù)值Δf是指當前曝光平面相對于參考平面即最佳焦面的距離，其正負號代表相對于最佳焦面的方向。
所述的擬合的曲線或曲面，其擬合結(jié)果需要用多重相關(guān)因子進行衡量，該多重相關(guān)因子的典型閾值為0.7，當該因子小于該閾值時，應(yīng)對擬合數(shù)據(jù)進行篩選后再擬合。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明提出的基于鏡像FOCAL標記的光刻機成像質(zhì)量檢測方法與在先技術(shù)[1]相比采用了在不同離焦量下曝光并進行數(shù)據(jù)擬合的方法，使得本發(fā)明在獲得垂軸像質(zhì)參數(shù)時，其測量精度不依賴于對軸向像質(zhì)的限制程度，因此測量精度高于在先技術(shù)[1]。
2、本發(fā)明提出的基于鏡像FOCAL標記的光刻機成像質(zhì)量檢測方法與在先技術(shù)[1]和在先技術(shù)[2]相比，該技術(shù)由于利用了鏡像FOCAL標記，從而在完成最佳焦面、場曲、像散等軸向像質(zhì)參數(shù)原位檢測的同時實現(xiàn)了對畸變、放大率、平移、旋轉(zhuǎn)等垂軸像質(zhì)參數(shù)的精確測量。實現(xiàn)了在一次測試中全面測量光刻系統(tǒng)像質(zhì)參數(shù)的功能，簡化了光刻機像質(zhì)檢測過程，節(jié)省了50％的像質(zhì)檢測成本及50％的像質(zhì)檢測時間。


圖1本發(fā)明基于鏡像FOCAL標記的光刻機成像質(zhì)量檢測方法所使用的曝光裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖2本發(fā)明基于鏡像FOCAL標記光刻機成像質(zhì)量的檢測流程圖；圖3本發(fā)明中鏡像FOCAL標記結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明所涉及的光學(xué)對準系統(tǒng)參考光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5具體實施例一中鏡像FOCAL標記在曝光視場內(nèi)的分布示意圖；
圖6具體實施例中曝光場在硅片上的分布示意圖；圖7具體實施例二中鏡像FOCAL標記在曝光視場內(nèi)的分布示意圖；具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，是基于鏡像FOCAL標記的像質(zhì)參數(shù)檢測方法，其檢測過程如圖2所示，經(jīng)準備工作(00)后進入標記測量過程(100)與數(shù)據(jù)處理過程(200)。本發(fā)明光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，包括下列步驟第一步準備工作00①初始化光刻機；②在晶圓7上涂光刻膠并上至工作臺8；③制備具有多個鏡像FOCAL標記的掩模版3，每個鏡像FOCAL標記包括四個象限，每個象限的圖形由一定周期的粗線條和細線條組成，第一象限和第二象限的線條方向相同，且旋轉(zhuǎn)對稱；第三象限與第四象限線條方向相同且鏡像對稱，但與第一象限、第二象限的線條方向相垂直，在該鏡像FOCAL標記中，第一象限和第四象限構(gòu)成右FOCAL圖形，第二象限與第三象限線條構(gòu)成左FOCAL圖形；第二步標記測量100①將所述的具有鏡像FOCAL標記的掩模版3上至掩模臺4上；②選定若干個具有離焦量Δf的離焦位置；③調(diào)整照明系統(tǒng)，設(shè)置曝光裝置的照明條件和工藝條件11；④控制工作臺8和掩模臺4的運動，使涂有光刻膠的晶圓7在選定的一系列離焦位置曝光12；⑤被曝光的晶圓7進行后烘或后烘后顯影13；⑥利用光學(xué)對準系統(tǒng)6的參考光柵(如圖4所示)分別對晶圓7上的鏡像FOCAL標記的左右兩個FOCAL圖形(圖3所示)進行對準14，記錄其對準位置坐標，記為PL(xL，yL)和PR(xR，yR)；第三步數(shù)據(jù)處理200①水平對準偏移量的計算21根據(jù)鏡像FOCAL標記左右兩個FOCAL圖形在曝光視場中成像的名義位置P0L(x0L，y0L)及P0R(x0R，y0R)，并利用它們與對準位置信息按(A)式分別計算鏡像FOCAL標記左右兩部分的水平對準偏移量AOL與AOR，在笛卡兒坐標系中X方向的水平對準偏移量記為ΔxL和ΔxR；Y方向的水平對準偏移量記為ΔyL和ΔyR。
ΔxL=xL-x0LΔyL=yL-y0LΔxR=xR-x0RΔyR=yR-y0R---(A)]]>②軸向像質(zhì)引起的水平對準偏移量的計算22由水平對準偏移量計算軸向像質(zhì)導(dǎo)致的水平對準偏移量AOv(Δxv或Δyv)，用下式計算，AOv=2AORv=-2AOLv=AOR-AOL;---(B)]]>③軸向?qū)势屏康挠嬎?3根據(jù)軸向像質(zhì)導(dǎo)致的水平對準偏移量AOv與對應(yīng)的離焦量數(shù)值Δf，利用最小二乘法進行四次曲線擬合，得到(C)式，AOv＝a0+a1Δf+a2Δf2+a3Δf3+a4Δf4(C)其中a0，a1，a2，a3，a4等為多項式各項的系數(shù)。利用(C)式計算對準偏移量AOv(Δxv或Δyv)取得極大值時，對應(yīng)的離焦量Δf＝ΔZx(或Δf＝ΔZy)的數(shù)值ΔZx、ΔZy，即為軸向?qū)势屏?；④軸向像質(zhì)參數(shù)計算24由軸向?qū)势屏喀x、ΔZy擬合(D)式，從而得到焦面偏移、像面傾斜、場曲及像散等軸向像質(zhì)參數(shù)(ΔZx+ΔZy)/2=Zw+Rx·x0+Ry·y0+FC·(x02+y02)average(ΔZx-ΔZy)=AS---(D)]]>其中ΔZx、ΔZy、x0、y0分別表示曝光視場中每個FOCAL標記的軸向偏移量和名義坐標，AS代表像散，F(xiàn)C代表場曲、Zw代表最佳焦面、Rx、Ry分別代表繞X軸和繞Y軸的像面傾斜；⑤水平對準偏移量擬合25由水平對準偏移量AOL＝ΔxL或ΔyL與AOR＝ΔxR或ΔyR以及對應(yīng)的離焦數(shù)值Δf，分別利用最小二乘法進行四次曲線擬合得到(E)式，ΔxL=b0+b1Δf+b2Δf2+b3Δf3+b4Δf4ΔxR=c0+c1Δf+c2Δf2+c3Δf3+c4Δf4ΔyL=d0+d1Δf+d2Δf2+d3Δf3+d4Δf4ΔyR=e0+e1Δf+e2Δf2+e3Δf3+e4Δf4;---(E)]]>式中b0，b1，b2，b3，b4，c0，c1，c2，c3，c4，d0，d1，d2，d3，d4，e0，e1，e2，e3，e4等為多項式各項系數(shù)；⑥垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量的計算26在E式中，計算當Δf＝ΔZx或Δf＝ΔZy時的水平對準偏移量AOL(ΔxL或ΔyL)與AOR(ΔxR或ΔyR)，并按照(F)式計算由垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量AOh，即Δxh與Δyh，Δxh=ΔxR+ΔxL2|Δf=ΔZxΔyh=ΔyR+ΔyL2|Δf=ΔZy;---(F)]]>⑦垂軸像質(zhì)計算27由垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量AOh擬合(G)式，從而得到像面平移、像面旋轉(zhuǎn)、放大率變化量、畸變等垂軸像質(zhì)參數(shù)Δxh=dx+x0Mag-y0φ+x0r02D3Δyh=dy+y0Mag+x0φ+y0r02D3---(G)]]>其中dx、dy為標記在X向與Y向的平移，Mag為曝光系統(tǒng)的放大倍率變化量，φ為曝光視場繞光軸的旋轉(zhuǎn)，D3為曝光系統(tǒng)的三級畸變。
所述的照明條件與工藝條件是指相干因子與數(shù)值孔徑大小、光刻膠類型、光刻膠厚度、后烘溫度、后烘時間、顯影時間等條件。
所述的鏡像FOCAL標記在掩模上的數(shù)量與分布應(yīng)保證至少有5個標記處在曝光視場內(nèi)，且標記在視場中均勻分布。
所述的一系列離焦位置指在最佳焦面附近的若干個離焦量Δf的位置，其個數(shù)應(yīng)大于5個，且至少有三個離焦位置是處于光刻機成像光學(xué)系統(tǒng)5的投影物鏡的焦深范圍內(nèi)。
所述的晶圓7指具有單晶或多晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料圓片，為硅片、砷化鎵圓片、或二氧化硅圓片。
所述的曝光過程包括靜態(tài)步進曝光和動態(tài)掃描曝光。
所述的光學(xué)對準系統(tǒng)6為具有參考光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)對準系統(tǒng)，其光柵周期與FOCAL標記結(jié)構(gòu)周期相匹配。
所述的標記成像理論位置指掩模3上鏡像FOCAL標記經(jīng)過投影物鏡后在晶圓7上所成理想像或近軸光線成像的位置。
所述的離焦量數(shù)值Δf是指當前曝光平面相對于參考平面即最佳焦面的距離，其正負號代表相對于最佳焦面的方向。
所述的擬合的曲線或曲面，其擬合結(jié)果需要用多重相關(guān)因子進行衡量，該多重相關(guān)因子的典型閾值為0.7，當該因子小于該閾值時，應(yīng)對擬合數(shù)據(jù)進行篩選后再擬合。
本發(fā)明提出的像質(zhì)檢測過程中，計算軸向像質(zhì)引起的水平對準偏移量的公式(B)式與計算垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量公式(F)式成立的依據(jù)如下鏡像FOCAL標記在不同離焦量處被曝光在晶圓上，由光學(xué)對準系統(tǒng)測量得到晶圓上鏡像FOCAL標記的對準偏移量AOL與AOR。在光刻系統(tǒng)中，導(dǎo)致鏡像FOCAL圖形對準位置與理論曝光位置有偏差的原因有兩個方面。一方面由于離焦、場曲、像散等軸向像質(zhì)的影響，F(xiàn)OCAL標記精細結(jié)構(gòu)線寬發(fā)生變化從而導(dǎo)致的對準位置偏移，這部分偏移量用AOv表示。另一方面由于畸變、平移、旋轉(zhuǎn)等光刻系統(tǒng)垂軸像質(zhì)對FOCAL標記曝光位置的影響而產(chǎn)生的對準位置的偏移，這部分偏移量用AOh表示。由此，鏡像FOCAL標記對準偏移量AOL與AOR可以由(H)式表示。
AOL=AOLv+AOLhAOR=AORv+AORh,---(H)]]>注意到在圖2所示的鏡像FOCAL標記示意圖中，左右兩部分圖形之間距離很小，典型值小于0.3mm，相對于整個曝光視場而言可以認為兩個圖形的成像條件基本相同。即由垂軸像質(zhì)引起的對準位置偏移量基本相等，AOLh≈AORh.]]>由軸向像質(zhì)影響精細結(jié)構(gòu)線寬的變化而導(dǎo)致的對準偏移量的大小近似相等。但由于精細結(jié)構(gòu)位置的鏡像對稱特征導(dǎo)致偏移量的方向相反，即AOLv≈-AORv.]]>利用上述兩個近似條件，將(H)式中兩個方程相加或相減即可得到(B)式與(F)式。其中(F)式采用坐標的形式表現(xiàn)。至此說明了本發(fā)明中(B)式與(F)式的成立。
實施例1圖2為本發(fā)明提出的光刻系統(tǒng)成像質(zhì)量參數(shù)的檢測流程。如圖1、圖2所示，在硅片7上涂JSR M206Y型光刻膠，膠厚為490nm，并將硅片上片至工件臺8上。設(shè)置曝光裝置照明條件傳統(tǒng)照明、NA為0.57、部分相干因子為0.7。將具有鏡像FOCAL標記的掩模R上版于掩模臺RS上。曝光視場為26mm×8mm，硅片上曝光區(qū)域內(nèi)標記的分布如圖5所示?？刂乒饪虣C工件臺運動位置，采用靜態(tài)曝光方式將掩模上鏡像FOCAL標記在不同離焦量下曝光在硅片上。離焦范圍從-0.9um到0.9um，步進0.12um，共16個曝光場。被曝光的硅片W經(jīng)過后烘顯影后，利用曝光裝置中光學(xué)對準系統(tǒng)AS對硅片上鏡像FOCAL標記進行對準并記錄對準位置信息，對準系統(tǒng)參考光柵周期為16um。后烘的溫度為120℃、后烘時間為90s、顯影時間為60s；利用所獲得的鏡像FOCAL標記對準位置信息，按照本發(fā)明步驟所描述的計算過程，依次計算對準偏移量、由軸向像質(zhì)引起的水平對準偏移量、軸向?qū)势屏?、軸向像質(zhì)參數(shù)、垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量、垂軸像質(zhì)參數(shù)。其中在進行的曲線擬合的評價指標MCC取為0.75。計算得到的像質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1
實施例2在硅片7上涂JSR M206Y型光刻膠，膠厚為490nm，并將硅片上片至工件臺WS上。設(shè)置曝光裝置照明條件傳統(tǒng)照明、NA為0.57、部分相干因子為0.7。將具有鏡像FOCAL標記的掩模R上版于掩模臺4上。曝光視場為26mm×8mm，硅片上曝光場內(nèi)標記按照3行13列均勻分布，如圖7所示。控制激光器開關(guān)及工件臺運動位置，采用靜態(tài)曝光方式將掩模上鏡像FOCAL標記在不同離焦量下曝光在硅片7上。離焦范圍從-0.9um到0.9um，步進0.12um，共16個曝光場。被曝光的硅片7經(jīng)過后烘顯影后，利用曝光裝置中光學(xué)對準系統(tǒng)6對硅片7上鏡像FOCAL標記進行對準并記錄對準位置信息，對準系統(tǒng)參考光柵周期為16um。后烘的溫度為120℃、后烘時間為90s、顯影時間為60s；利用所獲得的鏡像FOCAL標記對準位置信息，按照本發(fā)明步驟所描述的計算過程，依次計算對準偏移量、由軸向像質(zhì)引起的水平對準偏移量、軸向?qū)势屏俊⑤S向像質(zhì)參數(shù)、垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量、垂軸像質(zhì)參數(shù)。其中在進行的曲線擬合的評價指標MCC取為0.75。計算得到的像質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2綜上所述，本發(fā)明方法在完成焦面偏移、場曲、像散等軸向像質(zhì)參數(shù)的原位檢測的同時可對畸變、放大率、平移、旋轉(zhuǎn)等垂軸像質(zhì)參數(shù)的精確測量，獲得了對光刻機成像質(zhì)量全面的參數(shù)，以避免在先技術(shù)[1]中垂軸像質(zhì)參數(shù)的測量精度對軸向像質(zhì)校正程度的依賴關(guān)系。解決了在先技術(shù)[1]與在先技術(shù)[2]中像質(zhì)參數(shù)測量不全面的問題。
權(quán)利要求
1.一種光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于該方法包括下列步驟第一步準備工作①初始化光刻機；②在晶圓(7)上涂光刻膠并上至工作臺(8)；③制備具有多個鏡像FOCAL標記的掩模版(3)，每個鏡像FOCAL標記包括四個象限，每個象限的圖形由一定周期的粗線條和細線條組成，第一象限和第二象限的線條方向相同，且旋轉(zhuǎn)對稱；第三象限與第四象限線條方向相同且鏡像對稱，但與第一象限、第二象限的線條方向相垂直，在該鏡像FOCAL標記中，第一象限和第四象限構(gòu)成右FOCAL圖形，第二象限與第三象限線條構(gòu)成左FOCAL圖形；第二步標記測量①將所述的具有鏡像FOCAL標記的掩模版(3)上至掩模臺(4)上；②選定若干個具有離焦量Δf的離焦位置；③調(diào)整照明系統(tǒng)，設(shè)置曝光裝置的照明條件和工藝條件；④控制工作臺(8)和掩模臺(4)的運動，使涂有光刻膠的晶圓(7)在選定的一系列離焦位置曝光；⑤被曝光的晶圓(7)進行后烘或后烘后顯影；⑥利用光學(xué)對準系統(tǒng)(6)的參考光柵分別對晶圓(7)上的鏡像FOCAL標記的左右兩個FOCAL圖形進行對準，記錄其對準位置坐標，并記為PL(xL，yL)和PR(xR，yR)；第三步數(shù)據(jù)處理①水平對準偏移量的計算根據(jù)鏡像FOCAL標記的左右兩個FOCAL圖形在曝光視場中成像的名義位置P0L(x0L，y0L)及P0R(x0R，y0R)，并利用它們的對準位置信息按(A)式分別計算鏡像FOCAL標記左右兩部分的水平對準偏移量AOL與AOR，在笛卡兒坐標系中X方向的水平對準偏移量記為ΔxL和ΔxR；Y方向的水平對準偏移量記為ΔyL和ΔyRΔxL=xL-x0LΔyL=yL-y0LΔxR=xR-x0RΔyR=yR-y0R---(A)]]>②軸向像質(zhì)引起的水平對準偏移量的計算由水平對準偏移量計算軸向像質(zhì)導(dǎo)致的水平對準偏移量AOv(Δxv或Δyv)，用下式計算AOv=2AORv=-2AOLv=AOR-AOL;---(B)]]>③軸向?qū)势屏康挠嬎愀鶕?jù)軸向像質(zhì)導(dǎo)致的水平對準偏移量AOv與對應(yīng)的離焦量數(shù)值Δf，利用最小二乘法進行四次曲線擬合，得到(C)式，AOv＝a0+a1Δf+a2Δf2+a3Δf3+a4Δf4(C)其中a0，a1，a2，a3，a4等為多項式各項的系數(shù)。利用(C)式計算對準偏移量AOv(Δxv或Δyv)取得極大值時，對應(yīng)的離焦量Δf＝ΔZx(或Δf＝ΔZy)的數(shù)值ΔZx、ΔZy，即為軸向?qū)势屏浚虎茌S向像質(zhì)參數(shù)計算由軸向?qū)势屏喀x、ΔZy擬合(D)式，從而得到焦面偏移、像面傾斜、場曲及像散等軸向像質(zhì)參數(shù)(ΔZx+ΔZy)/2=Zw+Rx·x0+Ry·y0+FC·(x02+y02)average(ΔZx-ΔZy)=AS---(D)]]>其中ΔZx、ΔZy、x0、y0分別表示曝光視場中每個FOCAL標記的軸向偏移量和名義坐標，AS代表像散，F(xiàn)C代表場曲、Zw代表最佳焦面、Rx、Ry分別代表繞X軸和繞Y軸的像面傾斜；⑤水平對準偏移量擬合由水平對準偏移量AOL＝ΔxL或ΔyL與AOR＝ΔxR或ΔyR以及對應(yīng)的離焦數(shù)值Δf，分別利用最小二乘法進行四次曲線擬合得到(E)式，ΔxL=b0+b1Δf+b2Δf2+b3Δf3+b4Δf4ΔxR=c0+c1Δf+c2Δf2+c3Δf3+c4Δf4ΔyL=d0+d1Δf+d2Δf2+d3Δf3+d4Δf4ΔyR=e0+e1Δf+e2Δf2+e3Δf3+e4Δf4---(E)]]>式中b0，b1，b2，b3，b4，c0，c1，c2，c3，c4，d0，d1，d2，d3，d4，e0，e1，e2，e3，e4等為多項式各項系數(shù)；⑥垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量的計算在E式中，計算當Δf＝ΔZx或Δf＝ΔZy時的水平對準偏移量AOL＝ΔxL或ΔyL，與AOR＝ΔxR或ΔyR，并按照(F)式計算由垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量AOh，即Δxh與Δyh，Δxh=ΔxR+ΔxL2|Δf=ΔZxΔyh=ΔyR+ΔyL2|Δf=ΔZy;---(F)]]>⑦垂軸像質(zhì)計算由垂軸像質(zhì)引起的水平對準偏移量AOh擬合(G)式，從而得到像面平移、像面旋轉(zhuǎn)、放大率變化量、畸變等垂軸像質(zhì)參數(shù)Δxh=dx+x0Mag-y0φ+x0r02D3Δyh=dy+y0Mag+x0φ+y0r02D3---(G)]]>其中dx、dy為標記在X向與Y向的平移，Mag為曝光系統(tǒng)的放大倍率變化量，φ為曝光視場繞光軸的旋轉(zhuǎn)，D3為曝光系統(tǒng)的三級畸變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的照明條件與工藝條件是指照明的相干因子與數(shù)值孔徑大小、光刻膠類型、光刻膠厚度、后烘溫度、后烘時間、顯影時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的鏡像FOCAL標記在掩模上的數(shù)量與分布應(yīng)保證至少有5個標記處于曝光視場內(nèi)，且標記在視場中均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的一系列離焦位置指在最佳焦面附近的若干個離焦量Δf的位置，其個數(shù)應(yīng)大于5個，且至少有三個離焦位置是處于光刻機成像光學(xué)系統(tǒng)(5)的投影物鏡的焦深范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的晶圓(7)指具有單晶或多晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料圓片硅圓片、砷化鎵圓片、或二氧化硅圓片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的曝光過程包括靜態(tài)步進曝光和動態(tài)掃描曝光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的光學(xué)對準系統(tǒng)(6)為具有參考光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)對準系統(tǒng)，其光柵周期與FOCAL標記結(jié)構(gòu)周期相匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的標記成像理論位置指掩模(3)上鏡像FOCAL標記經(jīng)過投影物鏡后在晶圓(7)上所成理想像或近軸光線成像的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的離焦量數(shù)值Δf是指當前曝光平面相對于參考平面即最佳焦面的距離，其正負號代表相對于最佳焦面的方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于所述的擬合的曲線或曲面，其擬合結(jié)果需要用多重相關(guān)因子進行衡量，該多重相關(guān)因子的典型閾值為0.7，當該因子小于該閾值時，應(yīng)對擬合數(shù)據(jù)進行篩選后再擬合。
全文摘要
一種光刻機成像質(zhì)量的檢測方法，其特征在于該方法包括準備工作、標記測量和數(shù)據(jù)處理等步驟，本發(fā)明該方法在完成光刻機的焦面偏移、場曲、像散等軸向像質(zhì)參數(shù)的原位檢測的同時，實現(xiàn)了對畸變、放大率、平移、旋轉(zhuǎn)等垂軸像質(zhì)參數(shù)的精確測量，避免了垂軸像質(zhì)參數(shù)的測量精度對軸向像質(zhì)校正程度的依賴關(guān)系，可獲得光刻機像全面的質(zhì)參數(shù)。
文檔編號G03F7/20GK1673871SQ20051002528
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者施偉杰, 王向朝, 張冬青 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所