利用参数可变性判断分析焦点中心的制作方法

专利名称：利用参数可变性判断分析焦点中心的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过对位于晶片上不同场域中的多个衍射结构的测量值的变化进行分析而判断光刻设备及应用中的参数的方法，包括光刻应用中焦点中心的判断，如晶片(wafer)上的光致抗蚀剂的光刻处理，以及利用这种判断结果对处理及质量进行控制的方法。
背景技术：
注意，下面的讨论是针对作者的多篇公开出版物及多年的公开出版物，并且由于最近的出版日期，一些出版日期不被认为是本发明的现有技术。作为更全面的背景介绍，在此对这些公开出版物给予讨论，并且这不认为是对这些公开出版物为专利性判断目的的现有技术的承认。
光刻在半导体、光学装置和相关产业上具有多种有用的用途。光刻用于制造半导体器件，如在晶片上产生集成电路以及平板显示器、磁盘磁头等。在一种应用中，光刻用于通过空间调制光把掩模或光网上的图案转移到衬底的抗蚀剂层上。然后对抗蚀剂层显影，并蚀刻掉(正抗蚀剂)或保留(负抗蚀剂)曝光的图案，从而在抗蚀剂层上形成三维图像图案。但是，除了光致抗蚀剂光刻外，还可以采用其它形式的光刻。
在一种尤其用于半导体产业的光刻形式中，采用一种晶片步进器，该步进器主要包括缩减透镜和照明光源，晶片台、刻线板台、晶片盒和操作者工作站。现代的步进器装置采用正负两种抗蚀剂法，并利用原始的步进重复形式或步进扫描形式中的一种或两种。
曝光和焦点确定显影的、如利用光致抗蚀剂光刻的抗蚀剂层上图像图案的质量。曝光确定单位面积的图像的平均能量，并且该曝光由照明时间和强度来设置。焦点确定相对于焦点对准的图像的变化的减少。焦点由抗蚀剂层的表面相对于成像系统的焦平面的表面的位置设置。
抗蚀剂层的厚度、衬底表面特征以及光刻工具焦点偏移的变化会引起曝光和焦点的局部变化。因为曝光和焦点中可能的变化，所以需要监控通过光刻产生的图像图案以判定图案是否处于可接受的容限范围之内。焦点和曝光控制对用于产生亚微米线条的光刻过程尤其重要。
已有多种方法和装置用于确定步进器和类似光刻工具的焦点。采用扫描电子显微镜(SEM)和类似的装置。但是，虽然SEM计量法可以分辨0.1微米量级的特征，但该方法成本很高，需要一个高真空腔，工作较慢并且难以自动化。也可以采用光学显微镜，但它对亚微米结构没有所需的分辨能力。其它的方法包括专用靶的显影和测试掩模，如美国专利No.5,712,707、US5,953,128和No.6,088,113中所述。涂覆层误差(overlayerror)法也是已知的，如美国专利No.5,952,132中所述。但是，这些方法仍然需要使用SEM、光学显微镜或类似的直接测量装置。
多种散射仪和相关的装置以及测量装置已用于刻画微电子器件和光电半导体材料、计算机硬盘、光盘、精细抛光的光学元件的微观结构和其它具有处于十几微米至不小于十分之一微米的横向尺寸的其它材料的微观结构。例如，Accent Optical Technologies Inc.制造并出售的CDS200散射仪是一种全自动的非破坏性临界尺寸(CD)测量和横截面轮廓分析系统，在美国专利No.5,703,692中有部分公开。此装置可以在同时判断横截面轮廓并执行层厚评估的时候反复分辨小于1nm的临界尺寸。这种装置监控一般衍射光的强度，其包括但并不限于作为照明光束入射角函数的单级衍射的强度。可以通过这种方式监视样品的第零级和镜反射级(specular order)以及较高级衍射的强度变化，并且提供对判断被照明的样品靶部的特性有用的信息。因为制造样品靶部的过程决定样品靶部的特性，所以该信息也用作过程的间接监视器。此方法在半导体工艺中有所描述。在包括美国专利No.4,710,642、No.5,164,790、No.5,241,369、No.5,703,692、No.5,867,276、No.5,889,593、No.5,912,741和No.6,100,985的很多文献中示范了多种用于散射仪分析的方法和装置。
另一种判断最佳焦点的工艺使用了基于相位移动技术的特别设计的刻线板(1997年发表于Proc.SPIE第3051卷第448-455页由R.Edwards、P.Ackmann、C.Fischer撰写的“使用相位移动焦点监视器刻线板的自动焦点均匀性和精确度的特性(Characterization of Autofocus Uniformity andPrecision on Asml Steppers using the Phase Shift Focus Monitor Reticle)”)。由于特征离最佳焦点较远，所以从刻线板印刷的图像变得更加不均匀并产生更多横向图像偏移。使用基于图像的度量工具，如用于覆盖测量的那些工具，可以分析这些图像。
另一种判断最佳焦点的工艺是缩线(line-shortening)工艺，即‘schnitzlometry’(1998年发表于Proc.SPIE第3332卷第212-220页由C.P.Ausschnitt、M.E.Lagus撰写的“看森林或树CD控制的新方法(Seeing the forest or the treesa new approach to CD control)”)。该方法使用较大的CD(-3微米)线/空间阵列，其中两个阵列彼此相邻。由于通过焦点和/或剂量(dose)印制结构，所以线本身变短了，而阵列之间的间隔变大了。使用基于图像的度量工具，如用于覆盖测量的那些工具，可以测量该空间。
判断最佳焦点更为广泛使用的工艺之一是所谓的“bossung plot”方法。当诸如CD-SEM或散射仪的CD度量工具测量位于所选择的通过焦点印刷的物体上的CD时，所得到的趋势通常是抛物线型的。将抛物线曲线与CD趋势合并，并确定曲线的斜度为0处来判断最佳焦点。这些曲线即所知的Bossung plots。Bossung方法的一个优点是除了最佳焦点条件之外还测量处理的实际CD。然而，在难以判断最佳焦点及难以以自动方式实施的某些处理条件下，该方法并不总是实用。并且，当用CD-SEM使用该方法时，由于线的侧壁角度的改变，可能会影响到测量，因而得出有偏差的结果。
散射仪和相关的装置可以采用各种不同的操作方法。在一种方法中，采用一种已知的单一波长光源，入射角θ在一个确定的连续范围内改变。在另一种方法中，采用多个激光源，每个处于不同的入射角θ。在另一种方法中，采用一种入射光频谱很宽的光源，入射光在一定的波长范围内照明，并且入射角θ可以选择地保持恒定。还知道一种可变相位的光学器件，利用光学元件和滤光片产生一定范围的入射相位，用探测器探测所得的衍射相位。还可以采用可变偏振状态的光分量，利用光学元件和滤光片将光的偏振从S变为P分量。还可以在φ的范围内调节入射角，使得光或其它辐射源绕靶部区旋转，或者是靶部相对地绕光或其它光源旋转。利用这些各种装置中的任何一种以及它们的组合或置换，可以获得样品靶部的衍射特性。
除散射仪装置之外，还有其它的装置和方法能够利用一种可从衍射结构反射或透过衍射结构的、光被探测器捕获的基于光的光源来确定零级或其它高级衍射的衍射特征。其它的这种装置和方法除了散射仪外还包括椭圆仪和反射仪。还知道可以利用其它的辐射源、如X射线来获得不基于光的衍射特性。
现有技术中已知多种样品靶部。一种简单的通用靶部是一个衍射光栅，具有一系列周期性的线条，线宽与间隔的比例处于1∶1与1∶3之间，当然，已知还有别的比例。典型的例如处于1∶3比例的衍射光栅，对于400nm的总间距(线宽加间距)将具有100nm的线宽和300nm的间隔。线宽和间距是光刻处理分辨率的函数，因此当光刻处理允许有较小的线宽和间距时，可以类似地减小线宽和间距。衍射技术可以采用任何可行的线宽和间距，包括那些基本上比当前主要采用的小得多的线宽和间距。双周期及其它多周期结构也是公知的，如2002年9月19日公开的美国专利申请公开No.2002/0131055中公开的那些。三维光栅或结构也是公知的，包括美国专利第No.6,429,93中公开的那些。因而衍射结构可以处理多于一个周期，或者可以由除了线和空间以外的元素构成，诸如孔、方形、柱形之类。从周期结构的衍射也是公知的，诸如独立的特征或系列特征，也可以用于该方法及这里讨论的权利要求。
在晶片上的模具内一般以已知的图案分布着衍射结构。已知在现有技术中在单个晶片上应用多个模具(或曝光场域)。每个衍射结构都可以通过光刻方式制作，以处于不同的焦点，例如通过采用不同的焦点设置或不同的曝光设置或曝光量。还已知可以利用散射仪和衍射结构，通过在衍射结构的理论模块库(theoretical model lirary)的不同焦点位置处比较衍射结构的衍射特征来确定焦点的中心。将实际的衍射结构与模块相比较，从中推算出CD值。将由此获得的CD值绘成关于焦点的曲线，所得的结果与抛物线拟合。上面讨论的这种Bossung plot具有明显的本质局限性。
与该申请具有相同发明人的美国专利No.6,429,930和6,606,152教导了一种测量与光刻设备有关参数的方法，该设备应用以下步骤提供衬底，该衬底包含用该光刻设备进行光刻处理而在衬底上形成的多个衍射光栅，该衍射光栅包括多个分开的元件；通过基于辐射源工具的方式对多个衍射光栅中的至少三个测量衍射特征；测量衍射特征之间的差别以确定所述光刻设备的理想参数。在该方法中，衬底可包括晶片。该方法还可包括使用光刻设备在不同的已知焦点设置处形成多个衍射光栅，并判断两个相邻焦点设置的衍射光栅，其中衍射特征之间的差别小于其它相邻焦点设置的衍射光栅之间的衍射特征差别，因此该参数是光刻设备的焦点中心。即，由于到达了最佳焦点，所以相邻焦点间距之间的衍射特征之间的差别会最小。
与该申请具有相同发明人的国际专利申请PCT/US02/32394教导了一种测量与光刻设备有关参数的方法，该方法从衍射结构到理论模型数据库对测得的衍射特征进行比较；用与获得的衍射特征最匹配的模型来确定所设置的衍射结构的横截面。对用不同焦点造成的衍射结构重复上述步骤。例如从CD、侧壁或抗蚀厚度计算出的许多参数可以替换该横截面；这些参数可以是面积、体积或是非几何学的。可以参照焦点来标绘横截面与在焦点趋势中的最大横截面面积的比值、具有相邻焦点间距的结构的横截面之间的数字差异、或者横截面本身。在这些情况中，焦点的中心由通常与抛物线拟合的曲线在斜度为0处的点所确定。在最后一种情况中，不需要曲线拟合；焦点的中心在横截面的最小或最大值处。

发明内容
本发明提供一种测量有关光刻装置的参数的方法，包括下列步骤提供衬底，优选为半导体晶片，其包括多个场域，每个场域都已经以不同的焦点值被曝光并包括用光刻设备通过光刻处理在衬底上形成的多个衍射结构；通过基于辐射源的工具对多个场域中的多个衍射结构中的每一个的衍射特征进行测量；对于各场域确定从设置在场域内的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性；并比较与场域相关的可变性，以确定光刻设备要求的参数。所述衍射结构可以是单周期、双周期、多周期或非周期性的结构，包括光栅。
基于辐射源的工具优选包括基于光源的工具，优选包括一个或多个入射激光束源；光学系统，用于聚集激光束并扫描入射角度的一些范围；以及探测器，用于在得到的测量角度上探测得到的衍射特征。所述工具任选地包括角度分辨散射仪。或者，该工具包括入射宽谱段光源，光学系统，聚焦光束并照明一定范围的入射波长，和一个用于探测最终测量波长上的最终衍射特征的探测器。该工具任选地包括入射光源，组件，用于改变S和P偏振光的振幅和相位，光学系统，聚焦光束并在一定的入射相位上照明，和探测器，探测最终衍射特征的相位。
根据上述方法测量衍射特征任选地包括相位测量，通过以固定的角度、可变的入射角度θ或可变的扫描角度φ工作的基于宽波段(或者单波长)辐射源的工具源进行，或者通过基于多个离散波长辐射源的工具源进行。衍射特征任选为反射、透射、光谱级或更高级衍射特征，并任选为普通光散射或衍射的测量。要求的参数优选为焦点的中心或者任选地剂量(dose)，并优选由与具有衍射特征的最小可变性的场域相关的要求的参数的数值来确定。
确定步骤任选地包括对各场域测量从设置在场域内的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性，或者计算该可变性的统计度量，如衍射特征的均方根误差。
或者，确定步骤包括提供从理论衍射结构产生的理论衍射特征的数据库；在数据库中确定各测量到的衍射特征的最佳匹配理论衍射特征；将最佳匹配理论衍射特征所选择的特征与测量到的衍射特征相关联；并为各场域确定与设置在该场域内的所选择的多个衍射结构相关联的可变性。所选择的特征优选为CD或者是横截面面积、横截面体积或提供相匹配的理论衍射特征的理论衍射结构的两个或更多特征的乘积。确定步骤任选地包括为各场域测量与设置在该场域内的多个测量到的衍射结构相关的所选择的特征的范围，或者包括计算可变性的统计度量，如所选择的特征的标准偏差。
该方法任选地包括在已知的不同焦点设置及已知的不同剂量位置处形成多个衍射结构，并确定焦点上的剂量的影响，其中多个衍射结构任选地包括多组相同的已知的不同焦点设置的衍射结构，组数由于不同已知的剂量设置而改变。上述方法的衍射结构任选地包括潜像衍射结构，衬底任选地未经显影处理。
本发明还包括一种光刻设备中焦点中心的处理控制的方法，该方法包括下列步骤根据上述方法确定光刻设备的焦点中心；将光刻设备的焦点设置调整到确定的焦点中心，任选地利用基于计算机的控制系统或自动焦点控制系统，其中对自动焦点控制系统的至少一种输入包括与最小可变性相关的测量。从设置在所选择场域中的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性优选为随时间测量，并优选为提前确定所选择的场域为焦点中心。优选地，如果可变性超过了预定的控制限制，就调整光刻设备的焦点。
本发明也是一种光刻设备中的处理控制方法，该方法包括下列步骤用光刻设备对位于一系列晶片上的相似定位及曝光场域中的多个衍射结构进行曝光；用基于辐射源的工具测量这一系列晶片上的各相邻定位及曝光的场域中的多个衍射结构的每一个衍射特征；对各晶片确定从场域中的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性；并对与晶片有关的可变性进行比较，以控制光刻设备要求的参数。该方法优选地包括调整与晶片相关的对比可变性相对应的光刻设备的至少一个要求的参数的附加步骤。该可变性优选与经验地或理论地确定的可变性极限比较。所述至少一个要求的参数优选包括焦点或剂量。衍射结构优选为单周期、双周期、多周期或非周期性的结构，如光栅。晶片优选包括半导体晶片。
基于辐射源的工具优选包括基于光源的工具，优选包括一个或多个入射激光束源；光学系统，用于聚集激光束并扫描过入射角度的一些范围；以及探测器，用于在得到的测量角度上探测得到的衍射特征。所述工具任选地包括角度分辨散射仪。或者，该工具包括入射宽谱段光源，光学系统，聚焦光束并通过一定范围的入射波长照明，和探测器，用于探测最终测量波长上的最终衍射特征。该工具任选地包括入射光源，用于改变S和P偏振光的振幅和相位的组件，光学系统，聚焦光束并在一定的入射相位上照明，和探测器，探测最终衍射特征的相位。
根据上述方法测量衍射特征任选地包括相位测量，其通过以固定的角度、可变的入射角度θ或可变的扫描角度φ工作的基于宽波段(或者单波长)辐射源的工具源进行，或者通过基于多个离散波长辐射源的工具源进行。衍射特征任选为反射、透射、光谱级数或更高级衍射特征，并任选为普通光散射或衍射的测量。要求的参数优选为焦点的中心或者任选地剂量，并优选由与具有衍射特征的最小可变性的场域相关的要求参数的数值来确定。
确定步骤任选地包括对各场域测量从设置在场域内的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性，或者计算该可变性的统计度量，如衍射特性的均方根误差。
或者，确定步骤包括提供从理论衍射结构产生的理论衍射特征的数据库；在数据库中确定各测量到的衍射特征的最佳匹配理论衍射特征；将最佳匹配理论衍射特征的所选择的特征与测量到的衍射特征相关；并为各场域确定与设置在该场域内的多个衍射结构相关的可变性。所选择的特征优选为CD或者是横截面面积、横截面体积或提供相匹配的理论衍射特征的理论衍射结构的两个或更多特征的乘积。确定步骤任选地包括为各场域测量与设置在该场域内的多个测量到的衍射结构相关的所选择的特征的范围，或者包括计算可变性的统计度量，如所选择的特征的标准偏差。衍射结构任选地包括潜像衍射结构，晶片任选未经显影处理。
本发明的主要目的是提供一种方法，用于在不使用光学的、SEM或类似的显微计量工具的情况下测量有关光刻装置的参数。
本发明的另一目的是提供一种方法，用于通过分析一系列不同焦点的衍射结构，包括但不限于衍射光栅，的最佳匹配理论衍射特征来确定光刻设备的焦点中心，并利用最佳匹配结构的内场可变性来确定焦点中心。
本发明的另一目的是提供一种方法，用于通过利用反射或透射衍射之一获得许多不同焦点场域内的许多相同焦点结构的衍射特征来确定或测量与光刻设备有关的参数，包括焦点中心，并确定这些衍射特征之间的内场变化或者从提供最佳匹配理论衍射特征的理论模型得到的所选择的特征的内场变化。
本发明的另一个目的是提供一种方法，用于通过利用任何方法获得衍射特征以创建衍射特征来确定或测量与光刻设备有关的参数，包括焦点的中心，所述衍射特征包括但不限于第0级或光谱衍射级或任何更高级的衍射或任何延伸或散射光的反射或透射角分辨、可变波长、可变相位、可变偏振态或可变向衍射或者它们的组合。
本发明的另一目的是提供一种方法，用于通过晶片或其它衬底内的不同焦点场域的任何级衍射特征来确定或测量与光刻设备有关的参数，包括第0级或光谱级或任何更高级的衍射、正或负的之一、或者任何衍射及散射光。
本发明的主要优点在于它能够不使用光学装置、SEM或类似的显微计量工具来测量有关光刻装置的参数。
本发明的另一优点在于提供一种方法和装置，其允许以低于常规的已知方法的时间周期和成本来获得关于步进器之类的光刻装置的结果，包括焦点中心。
通过下面结合附图对本发明的详细说明以及通过实施本发明，本发明的其它目的、优点和特点对于本领域的技术人员将变得更加清晰。本发明的目的和优点可以通过权利要求中具体指出的仪器及其组合实现。


成为本说明书一部分的附示说明了本发明的多个实施例，并与文字说明一起用于解释本发明的原理。这些附图只出于图解本发明多个优选实施例的目的，而不构成对本发明的限定。附图中图1A表示具有以不同焦点数值曝光的许多场域的晶片；图1B表示包括许多衍射结构的图1A所示场域中的一个；图2是所测得的各场域衍射结构的CD的标准偏差的图表；图3A-3E以图表的方式描述了本发明实施例1的各场域的CD的变化；图4是依照实施例1的各场域的全部测得的CD的标准偏差的图表；图5是图4的图表加上依照实施例1的各场域的更多可变测得的CD的子集的标准偏差的图表；图6是依照实施例1的各场域的全部测得的CD的范围的图表；图7是表示依照本发明实施例2的不同焦点的场域的衍射特征的对比图表；图8是表示依照本发明实施例3的处理控制测量的图表。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于测量与光刻装置有关的参数的方法和装置，并且在优选实施例中，本发明的方法和装置用于确定光刻装置的焦点中心。在晶片处理中的光致抗蚀剂显影步骤过程中的固定剂量(dose)的焦点中心的确定是严格的。并且，剂量变化会在确定该中心的过程中造成困难。在光刻工具中使用透镜具有非常有限的焦深，因此需要有最大的精度。处于焦点中的透镜将产生精确印刷的光致抗蚀剂图像，并且焦点的缺乏将产生误显影的光致抗蚀剂特征，且通常产生更差的处理场域。透镜处于焦点中心或者最佳焦点提高了处理的可重复性和稳定性。本申请所公开的确定焦点中心的方法使用了可变性分析；简言之，通过衍射结构场域的均匀性来确定焦点的中心。本发明还包括基于衍射结构场域的均匀性对处理的控制。
在继续描述本发明之前，先给出下列定义。
当用在整个说明书和权利要求书中时，可变性或变化是指从彼此不同项的要求的组中的一个测量出或者为之计算的数量或参数的数值的范围(包括但不局限于衍射结构)。可变性或变化是均匀性的反义词，这些术语可以如此使用。因而，确定、测量、计算或比较可变性是确定、测量、计算或比较均匀性的同义词。作为一个例子，术语“最小可变性”是术语“最大均匀性”的同义词，且那两个术语在说明书及权利要求书中是互换使用的。
光刻装置指利用一个图像、如掩模把一个图案转移或任选地转移到衬底上的装置。因而，这种装置包括常规的光学平板印刷，如光致抗蚀剂平板印刷，但也包括其它的平板印刷法。在光致抗蚀剂平板印刷法中，也就是所谓的光刻法中，采用光学方法把电路图案从原版图像、即所谓的掩模或刻线板转移到晶片上。在此过程中，把一种或多种称作抗蚀剂的专用材料涂敷到被制作电路的晶片上。抗蚀剂涂层根据需要施加，并且在需要时进一步处理晶片，如软烘干。可以采用正或负光致抗蚀剂材料。正抗蚀剂通常不溶于用作抗蚀剂显影剂的化学试剂，但在曝露于光时变得可溶。负抗蚀剂通常可溶于用作抗蚀剂显影剂的化学试剂，但在曝露于光时变得不可溶。通过选择性地曝光某些区域的抗蚀剂而不曝光其它区域的抗蚀剂，可在抗蚀剂膜中建立电路图案或其它结构。在光刻中，选择曝光通过对掩模成像、典型地是通过将光照射到掩模上并将透射的图像投影到抗蚀剂膜上来实现。
本发明中所指的光刻装置包括步进器，也称为晶片步进器或晶片扫描器，用于把电路的图像或其它结构从光掩膜投影到涂敷抗蚀剂的晶片上。步进器或扫描器一般包括缩减透镜或照明器，受激准分子激光器光源，芯片台，刻线板台，晶片盒和操作者工作台。步进器和扫描器采用正负两种抗蚀剂法，并且利用步进重复式或步进扫描式两种中的任何一种或是它们的组合。
本发明的实施中采用的一种晶片或其上通过光刻装置布置一系列衍射结构的其它衬底。衍射结构最简单的一种是通过光刻部件制作的任何结构或图像，所述光刻部件产生相对入射的照明参数的折射率的周期性变化。这种折射率的变化既可以是由于物理差异也可以是由于化学差异。物理差异包括光致抗蚀剂或其它光刻产生的变化，如利用一种具有与空气耦合的折射率的材料，如普通的被划线的光学衍射光栅，或是一种与不同材料耦合的材料。化学差异包括用光致抗蚀剂曝光的衍射光栅的晶片，其上的抗蚀剂还没有被显影。在此情况下，所有的抗蚀剂仍然存在，但被曝光的部分具有不同于未曝光抗蚀剂部分的折射率，由此在抗蚀剂中建立了由周期性变化的折射率组成的衍射结构。周期性的差异通过结构的或化学元件的周期性来获得。衍射结构可具有单一周期，可以为两个周期，或可以为多个周期，或没有任何周期性，因为单个特征的衍射是可能的。因而这包括由一系列平行线、像其中在X方向和Y方向均具有周期性的三维阵列这样的柱或孔的结构、和在X或Y方向上不具有周期性的结构组成的常规衍射光栅。不具有周期性的衍射结构例如为单线，较大的单个矩形结构或更加复杂的实际器件结构。类似地，前述的衍射结构可以不是“完全周期的”(其中在照明光束下所述结构重复多次(一般为10次或更多次)，但可仅仅重复几次(例如，两次或三次)。因此，衍射光栅包括光致抗蚀剂光栅、蚀刻膜叠置光栅、金属光栅和其它现有的光栅。虽然也可以采用其它的比例，但衍射光栅线宽与间隔比的典型比例约为1∶1至1∶3。例如处于1∶3比例的典型衍射光栅会有100nm的线宽和400nm的间距。部分地根据光刻装置的分辨率，线宽和间距可以非常小。
在本发明的实施中，用衍射光栅产生衍射特性。使用光学技术，如散射、干涉、偏振、反射、分光镜椭圆或分光镜反射和使用任何技术，如角或光谱分析，可以通过任何数量的仪器产生衍射光栅，所述仪器如散射仪、椭圆仪或反射仪。任何采用辐射产生衍射光栅的装置在此都被称作基于辐射源的工具。在此采用典型的基于可见辐射源的工具，如基于光源的工具，但也可以采用可见辐射以外的辐射源，如X射线源。在一个实施例中，衍射特征通过反射模式建立，其中的辐射，如光束被反射。因此，可以通过分辨角度的散射仪产生衍射特征，其中，采用已知波长的单光源，并且在一个确定的连续范围内改变入射角θ。所得的衍射特征绘制成光强与入射及反射角θ的曲线。在另一方法中，采用多个激光源，任选每个都处于不同的入射角θ。在另一方法中，采用入射宽频谱的光源，光源具有在一定波长范围照明的入射光，以及任选地保持入射角θ恒定。还已知的是可变相位光源，采用一定范围的入射相位，探测器探测最终衍射的相位。还已知的是可变的偏振光源，其利用从S到P成分或从P到S成分的一定范围的偏振。还可以在φ范围内调节入射角，使得光源绕衍射光栅旋转，或者衍射光栅相对于光源旋转。利用这些可变装置中的任何一种以及它们的组合或置换，可以获得样品靶部的衍射特征。一般将探测到的光强与可变参数中的任意一个绘制成曲线，如光强与入射角θ、光强与入射光波长、光强与入射光相位、光强与扫描角φ等。衍射特征可以表示成零级或镜反射级衍射，或者可以表示成任何较高级衍射，或可以是一般光衍射或散射的测量。还可预计可以用透射模式产生衍射特征，如使用X射线辐射源作为基于辐射源的工具的组成部分。
在本发明的一个实施方案中，建立衍射结构的理论数据库及相应的理论衍射特征，并将基于理论衍射结构的理论衍射特征与测得的衍射特征对比。这可以由任何种不同方法来实现。在一种方法中，基于可变特征的赋值参数来建立理论输出信号的实际数据库。该数据库可以在衍射特征的实际测量之前建立，或者可以在使衍射特征与理论衍射特征相匹配的过程中建立。因而这里使用的理论数据库既包括独立于测得衍射特征而建立的数据库也包括基于测得结构的几何学的理论“最佳猜想”及所得理论衍射特征的计算结果而建立的数据库，同时通过与改变的特征进行重复对比以确定最佳匹配。衍射特征的理论数据库也可以根据经验建立，如通过具有由其它方式测得的尺寸的衍射结构的衍射特征的收集。数据库可以通过除去那些可以经由从其它信号插入参考组而被精确表示的信号有选择地被删除。通过将各特征与一个或多个索引函数关联起来，然后基于该相关性的大小命令索引可类似地产生数据库的索引。这种类型的数据库的创建或产生及其最优化的方法在本领域中是公知的。在一种方法中，采用基于Maxwell公式的精确理论模型来计算衍射结构的预测光学信号特征，如衍射特征，作为衍射结构参数的函数。在该过程中，选择衍射结构参数的一组实验数值。然后，根据这些数值，创建衍射结构的计算机可表示的模型，包括其光学材料及几何条件。衍射结构与照明辐射之间的电磁感应被数字模拟，以计算预测的衍射特征。可以使用合适的最佳算法中的任何一个来调整衍射结构参数值，同时循环重复该过程，以最小化测得的衍射特征与预测衍射特征之间的差异，从而获得最佳匹配。美国专利申请公开No.US2002/0046008公开了结构识别的一种数据库方法，而美国专利申请公开No.US2002/0038196公开了另一种方法。类似地，美国专利申请公开No.US2002/0135783公开了多种理论数据库方法，美国专利申请公开No.US2002/0038196也是如此。在理论数据库中可以使用的光栅或衍射结构特征包括可被模型化的任何特征，包括的元素诸如·结构的底部和/或顶部的CD·高度或厚度，如线、柱或其它结构的高度或厚度·由衍射特征限定的区域的总高度·结构的形状，如矩形、梯形、三角形、圆形或其它几何形状·位于结构或区域底部和/或顶部的曲线的半径·侧壁·光栅的周期·线或其它结构的宽度·结构的材料参数，包括其不同层的参数·其上设有结构的衬底的材料参数，如薄膜厚度及结构下面(undemeath)的薄膜的折射系数·各种加权及平均数值，如特定位置的CD、由结构及衬底的相关相关成分加权的数值之类下面的薄膜厚度及材料的光学特性通常不会导致理论数据库模型在焦点上的显著变化。不过，根据散射仪、构造及理论模型的选择，焦点的变化会导致这些特性的改变。因而可容易地看出，理论数据库可以将薄膜厚度及光学常量结合在预定的横截面中。这可以如同将等同周期上的薄膜厚度横截面加在光栅横截面面积上一样简单，也可以稍微复杂，如通过材料光学n&k常数来对光栅的成分及薄膜横截面面积进行加权。理论模型也可以考虑下面的薄膜及图案。
在本发明的一个实施方案中，计算与测得的衍射特征相比具有最佳匹配理论衍射特征的理论衍射结构的横截面。在本发明的含义中，横截面是最佳匹配结构的至少两个衍射结构特征的乘积。在一个实施方案中，横截面是横截面面积，如CD与高度的乘积。在另一实施方案中，横截面是横截面体积，如结构的CD、高度与形状的乘积。但是，这里使用的横截面不需要是可用几何限定的形状；就是说，横截面可以是任何两个或多个衍射结构特征的乘积，包括但不限于上述的那些。在一个实施方案中，横截面包括CD与至少一个附加衍射结构特征。在此处使用时，至少两个衍射结构特征的乘积是至少两个特征的任何数学运算或处理，包括但不限于包括相乘在内的数学运算，并任选至少一种第二数学运算。
许多理论模型轮廓都可用来确定横截面面积。例如，矩形光栅的横截面光栅面积由如下公式确定横截面面积＝H·W(1)其中H是光栅高度而W是光栅宽度。为了提高确定步进器焦点中心的精确度，可以使用更多详细的理论模型。一种这样的模型是梯形，其增加了侧壁角度的大小。确定梯形光栅的横截面的公式是横截面面积＝H·(W-H/tan A) (2)其中H是光栅高度，W是光栅底部的宽度，而A是梯形的侧壁角度。如具有圆形边缘的梯形、高斯曲线、反曲线轮廓或由用户设计的其它惯用轮廓这样的更多复杂形状也可以用于建立理论模型。具有越多复杂形状，就需要越多复杂的公式来表达光栅形状的横截面面积。
也可以用类似的方法分析三维结构。对于三维结构来说，横截面的一个测量值是横截面体积。例如，可以按照圆柱形来计算假设在X轴和Y轴呈理想圆形并沿着Z轴有90度恒量侧壁的简单接触孔模型的横截面，从而得出横截面体积。
还可以看出，可以使用非几何形的横截面。因而，横截面可以是一个特征，如CD，与一个或多个附加特征，如材料参数、加权或平均值、角度测量值、光学特性、曲率之类，的乘积。所得到的乘积可以以类似的方式用于横截面面积或体积。
用本领域公知的任何方式都可以来计算理论衍射特征的横截面与测得的衍射特征的最佳匹配或匹配。在一个实施方案中，它可以包括测得的衍射特征与现有数据库中容纳的离散的且现有的理想衍射特征的匹配，如通过各种匹配算法的使用，从而利用确定的约束条件来选择最佳匹配。在另一实施方案中，即使在插入之前不会存在这种理论衍射特征，最佳匹配也可以包括获得理论衍射特征的数据库插入。其可进一步包括平均及相关模型以基于数据库中容纳的理论衍射特征的抽样来报告理论衍射特征。因而，这里可以采用识别或使所报告的衍射特征与理论衍射特征匹配的任何方法或工艺，以确定匹配或最佳匹配。
典型的衍射结构是通过在抗蚀剂材料中通过制备掩模而建立的，其中掩模上带有与所需衍射光栅的所需形状、大小以及结构对应的不透明区和透明区。然后将辐射源施加到掩模的一个面上，由此将掩模形状和间隔投影到抗蚀剂层上，抗蚀剂层处于掩模的反面。在掩模和抗蚀剂层之间、也可以选择在辐射源和掩模之间插入一个或多个透镜或其它的光学系统。当以足够的等级曝露与辐射或激励之下以进行抗蚀剂的改变时，在抗蚀剂中形成一个潜像。代表抗蚀剂材料中化学变化的潜像导致抗蚀剂层反射率的变化，并且因而可以用于产生衍射特征，如前所述。在一个实施例中，可以对带有抗蚀剂中潜像的晶片进行后曝光烘干，用于驱动附加的化学反应或扩散抗蚀剂层中的成分。在另一实施例中，可以通过显影过程、也可以选择化学显影过程对抗蚀剂显影，由此除去部分抗蚀剂，该部分由采用正抗蚀剂还是负抗蚀剂来决定。该显影过程也称作蚀刻过程，产生抗蚀剂层以及任选的设置有抗蚀剂层的衬底材料，如其它薄膜，的蚀刻区域和间隔。
在本发明的方法和装置中，可以对衍射结构曝光但不显影，也可以显影。类似地，虽然前述总的描述了产生衍射结构的常规方法，但也可以采用任何其它的方法，包括使用相移掩模，也可以采用各种辐射源，包括电子束曝光等。
焦点是任何光刻装置、包括步进器或类似的光刻装置中的一个关键参数。焦点和焦深是剂量或量子辐射能以及焦点或透镜到靶部的距离的函数。指定曝光区域内的所有点的所得图像都必须良好，由此产生可确定的有用的焦深。但是，除剂量或焦点以外的因素也会影响焦深和焦点，包括像散、场域弯曲、透镜质量、晶片台在x和y轴中的取向等。生产的典型晶片步进器具有大约0.15～1.25微米的分辨率，具有大约0.40～1.50微米的焦深。
因而对固定剂量的焦点中心的判断对于光刻装置、如对于晶片处理中光致抗蚀剂曝光步骤期间的步进器的有效操作非常关键。用在步进器或其它光刻装置中的透镜具有非常有限的焦深，因此必须有最大的精度。处于焦点中的透镜将产生清晰印刷的光致抗蚀剂图像，并且焦点的缺乏将产生无功能的光致抗蚀剂特征。透镜处于焦点中心也显著提高了过程的可重复性。一旦知道并确定了焦点的中心，就可以采用各种不同的自动聚焦系统或方案中的任意一种来决定透镜之间的间隔并保持晶片恒定。这些系统包括光学方法，如采用反射光；电容法和压感法，如采用加压的空气。但是，这些系统和方案不能确定焦点中心，而只能简单地维持透镜-晶片距离的恒定。在典型的操作中，必须周期性地确定焦点的中心，通常光刻装置每六个小时或更短的操作时间就要确定一次。
当从透镜的中心向外移到边缘时，透镜像差和扭曲变增大。光学系统在正方向或负方向上距离焦点越远，这些像差和扭曲变就变得更加明显。因而，在超出焦点以外的相同同焦点数值处被瞄准的透镜的整个场域上分布的多衍射结构会比在焦点处被瞄准的那些显现出更大的可变性。
在优选实施方案中，如图1A所示，优选通过使用晶片步进器的光刻部件以固定剂量在晶片或其它衬底10上通过焦点使一系列分隔开的场域20被曝光或印刷。各场域20优选用不同的焦点值曝光；得到的系列焦点值优选包括焦点的中心。在图1A的实施例中，焦点偏离0焦点位置的量由在各场域20上显示的数字表示。最初的0焦点位置是任意选取的，或者任选地选取以与物理的尺寸相应，如抗蚀剂顶部的位置。由于最佳焦点通常在将一些距离集中到抗蚀剂中时出现，所以最佳焦点的实际点或者焦点的中心最不容易与最初的0焦点位置相应。实际显示的数字不应被解释为限定。焦点可以以大于+0.4微米或小于-0.4微米的量变化。数字的顺序，即以焦点偏差瞄准的场域，可以类似地区别于图1A中的描述。
各场域优选地由多个分隔开的例如衍射光栅的衍射结构30、30′构成，优选为分布在各场域周围。图1B表示以5×5的阵列平均分隔地具有25个衍射结构30、30′的场域；但是，可以采用任何数量的结构，而且它们的分隔不必一定平均分布在场域20上。任选地，场域可以由一个大的光栅构成，这里在该大光栅内部在7个点处进行如下所讨论的测量，或者在光栅内部的多个点处抽样各大光栅的场域中有若干大光栅的两个结合构成。衍射结构30、30′由能够衍射辐射的重复或者周期性的结构或非周期性的特征构成，并且可以是如具有线和空间的传统衍射光栅那样的两维，也可以是如孔、柱或更多复杂结构的三维。优选地，衍射结构30、30′是特别用于本发明目的的人造结构；但是，它们实际上可以包括在晶片上的各模具上制造的真实结构。使用能散射测量的基于辐射源的工具对各衍射结构30、30′或者其确定的抽样进行测量以获得按固定剂量的衍射特性。
在一优选实施方案中，将各衍射特征与每一个都具有已知特征的衍射特征的理论数据库进行比较。在各经验衍射特征与理论衍射特征之间寻找最佳匹配，并把与最佳匹配理论模型相关的被选特征指定给各衍射结构30、30′。被选的特征可以包括单个特征，如CD(测量得到的，例如，单位是纳米)，或者形成横截面的特征的结合(如上限定的)。被选特征会因各衍射结构30、30′而不同。优选地，随后计算各场域20内的衍射结构30、30′的被选特征1-∑标准偏差。可以选择地使用除了1-∑标准偏差之外的均匀性，包括但不限于此，各场域的被选特征的全部范围(最大值减去最小值)，或者用于表达变化的其它统计的或数学的方法。
用于确定横截面的理论数据库可以使用具有如矩形这样简单形状的模型，或者可以使用如梯形、具有圆形边缘的梯形、高斯或反曲线轮廓或者由用户设计的其它惯用轮廓这样更复杂的形状。该理论数据库也可以考虑下面的薄膜和图案。具有已知特征的根据理论建立的衍射特征与经验数据相匹配以获得理论预测的处理特征。更加复杂的模型可以结合如光学n和k值的的衍射结构的光学特性以及下面的薄膜厚度，形成焦点度量(metric)光路的总和。
然后对照各场域20的相关焦点描绘出各场域20的被选特征(或衍射特征可变性)的标准偏差，如图2所示。虽然被选特征在该情况下是CD，但可以选择任何特征或特征的组合。具有被选特征的最小标准偏差的场域的焦点位置，即，衍射结构30、30′的最低可变性确定最佳焦点或者焦点的中心。任选地，抛物线曲线可以与图2中所绘制的数据拟合，且由抛物线的最小值来确定焦点的中心，其中曲线的斜度为0。在这种情况下，应当理解，各种统计或数学技术都可用于插入测得的焦点之间，以给出焦点中心更加精确的测量值。这些方法在本领域中是公知的，并可以如以往那样使用。
如图2所示，焦点中心处的场域，在该情况中是-0.1微米，可以不与当场域20被曝光时任意作为0焦点位置(0.0)的场域一样。为了焦点调整、处理控制之类的目的，如用本发明的方法所确定的那样，光刻工具的0焦点可以重置为与焦点中心相应的数值。
本发明的第二优选实施方案不需要使用理论数据库或者被选参数。在该实施方案中，确定从场域内的全部衍射结构(或其任选的子集)获得的衍射特征的变化或均匀性。该可变性可以通过视觉地比较这些衍射特征来确定。但是，这种方法需要操作者的判断，不是可以直接量化的，并且也比较慢。因此，可以采用任何一种度量标准或分析法来测量这些衍射结构的可变性。这种方法包括但不限于此，统计方法，如均方误差(MSE)或均方根误差(RMSE)，和其它的欧几里得(Euclidean)距离测量。这种方法还包括平均、加权平均、平均和、以及其它使衍射特征的差值特征化的方法。例如，场域内的特征之间的RMSE差异越大，可变性就越大，离焦点的中心就越远。或者，特征强度的全部或者峰峰范围可以用作可变性的测量。
可以类似的方式分析焦点中心剂量的效果。在包含焦点中心的确定的不同焦点范围内优选产生一系列衍射结构组，如衍射结构30、30′，剂量以阶梯的形式从一个结构变到另一个结构。结果是一系列处于不同已知剂量的衍射结构组。然后通过上面提出的基于辐射源的工具获得每个衍射结构的一系列衍射特征。所得系列的衍射特征例如可以通过衍射特征差值分析来分析。可以把所得的焦点中心绘成相对于剂量的曲线，由此产生剂量对焦点中心的作用。通过这种方式可以确定剂量设置值或最稳定的焦点曲线的设置值，使得可以选择对焦点曲线或焦深影响最小的剂量设置值。
如平台倾斜、透镜像差、像散之类的球形晶片非均匀性会增加在晶片上分布的衍射结构的可变性。不过，在本发明中，当与其它场域中的衍射结构的可变性相比较时，位于焦点中心的场域仍然显现该场域内的的最小可变性。因而，尽管存在这种球形非均匀性，但用本发明的方法来寻找焦点中心仍然是有效的。
这些技术应用于基于辐射源的度量工具，该辐射源具有能够被反射回或透射过衍射结构，且辐射由探测器捕获。换言之，任何能基于衍射进行散射测量的工具都能使用该技术，包括但不限于使用散射测量、反射测量、椭圆光度法或偏振测定法的工具。可以使用角度或角分辨工具和/或光谱或波长分辨工具。附加工具包括能建立作为导致衍射特征的工具参数的函数或工具参数的组合的曲线的任何工具。适于这些技术的衍射结构的候选者包括但不限于光致抗蚀剂光栅、蚀刻膜叠置光栅和金属光栅。
该技术也可用于控制产品设置中的焦点和/或剂量和/或层厚度偏移。在控制衍射结构30、30′的衍射特征中的被选参数或变化的同时，如果计算出的标准偏差超过一定数值，则可以检查该处理的偏移。变化中的改变表示应当关注的处理变化。另外，作为一般处理度量，测量整个晶片上的结构并计算衍射特征中的差异也可以用作使晶片均匀的无模型方法。衍射特征中的低变化包括良好的处理均匀性，而衍射特征中的高变化表示不好的处理均匀性。这用于许多处理步骤和晶片类型，如胶印、蚀刻、以及半导体制造中的金属步骤。
在这些方法的使用过程中，可能需要使用各种过滤器和/或相关的数学模型，以去除可能对焦点分析产生不良影响的分离物。一种这样的过滤器是使理论衍射特征的拟合度的优良部分应用于经验衍射特征。不良拟合的匹配可以排除在分析以外。
本发明的方法将主要应用于光抗蚀剂处理步骤，因为该步骤对最佳焦点的确定来说是最重要的。但是，本发明的方法也还可以应用于处理线的后续过程，以确定蚀刻薄膜叠置和金属光栅的“最佳焦点”位置，或者与蚀刻过程有关的“最佳蚀刻”条件。
本发明的方法和装置也可以用于质量控制测试，包括对由其它方式确定的焦点中心的分析。这可以联合如上所述的角分析散射仪进行，包括与其相关的计算机系统，或能够进行所述测量的其它合适的装置。
通过在周期结构上采用角分辨散射仪，可以把衍射特征分成在由下面的光栅方程规定的角度位置处的不同衍射级sinθi+sinθn＝nλ/d (3)此处，θi是入射角，取为负数，θn是第n个衍射级的角度位置，λ是入射光的波长，d是衍射结构的空间周期或间距。因此可以看出，对于零级或镜反射衍射级，入射角等于镜反射衍射级的角度位置。但是，也可以采用除镜反射衍射级以外的其它衍射级，或一般的光散射或衍射，并且如上所述地确定适当的角度位置。类似的关系控制生成衍射特征的其它模式，使得可以采用生成衍射特征的任何模式，其既可以是镜反射衍射级，也可以是一些较高的衍射级。例如，在波长分解装置中，可以保持θi角恒定，并且波长λ改变，在给定n的情况下求解方程中的θn。
本发明的方法和装置也可以用于确定焦点的中心，由此通过适当的方式调节焦点中心，包括采用基于计算机的控制系统，并且本发明的方法用于确定何时判定已经确定了可接受的或最佳的焦点。可以通过剂量变化或通过其它本领域公知的方式进行调节。本发明利用自动聚焦控制系统，还可以用于自动装置或自动确定焦点中心，其中至少对自动焦点控制系统中的至少一个输入包括与所选择的均匀度的可变性相关的参数。因而本发明可以用于焦点的处理控制。
因而，在一个实施方案中，本发明提供一种衍射特征测量设备和控制器计算机。控制器计算机可以接收来自测量设备的信号，并可确定处理步骤的一个或多个参数，如焦点或剂量，作为多个不同参数场域的内场可变性的函数。确定可变性可以包括可变性的直接测量，所述可变性例如衍射特征中的可变性以及最佳拟合理论衍射特征的理论模型的尺寸或横截面之间的可变性。控制器计算机还可以接收并最优化地向光刻设备输出信号，如控制处理步骤的参数。
本发明因而可以提供前馈和反馈控制技术以改变处理步骤的参数。例如，当内场可变性超出理论或经验设定限制时，可以依据预测参数改变处理步骤的参数，从而使处理落在理想极限的范围内。之后，通过与理论或经验设定极限对比，对其中处理步骤的参数被改变的一个或多个场域确定内场可变性。内场可变性可以是场域或感兴趣(interest)的场域中设置的衍射结构的全部或子集。
可以利用潜像来使用衍射特征测量设备，这样就不需要在所确定的可接受的极限以外的更多的晶片处理步骤。还可以按晶片处理程序内的多个步骤来使用本发明的方法，如在曝光后、显影后、烘干后或者通常是在任何晶片处理程序之后，以便确定“清晰”焦点上的该程序的影响。在下游处理程序中的内场可变性的增加表示该处理步骤已经具有对CD的不良影响，从而可变性表现出与焦点变化类似的变化。虽然这种改变不与实际焦点位置直接相关，但这种改变仍然提供了可以用来对与目标的衰减有关的内场可变性的增加来控制处理步骤。因而本发明还可用于整个晶片处理过程。
实施例1根据本发明，以0.1微米的递增量从-0.2微米到+0.2微米作为焦点以不同焦点值对五个场域进行曝光。每个场域包括均匀分隔的衍射结构的5×5的阵列。图3A-3E以图表的方法显示了各场域中的衍射结构的CD。图4是各场域中全部25个衍射结构的CD的1-∑标准偏差的图表。如上所述，在-0.1微米焦点位置上获得最佳焦点。
对于实时焦点控制及处理控制来说，能够在焦点偏移变得太大之前对焦点偏移进行校正是重要的。因而对于控制衍射结构的子集的CD或其它被选择的特征是有益的，所述衍射结构比起各场域中的全部25个衍射结构的变化来在所选择的特征中显示出较大变化。例如，位于场域的角中的衍射结构的被选特征比起位于场域的中心的结构来说可以相对于焦点有更大变化。图5既描绘了各场域中全部25个衍射结构(即，与图4所绘相同的数据)的1-∑标准偏差，也只描绘了对各场域中的5×5阵列中第5栏中的衍射结构的1-∑标准偏差。因为这5个结构的子集的斜度比全部25个结构的斜度大，所以最小值更容易确定。另外，通过只控制该衍射结构子集的被选特征，由于曲线的步进斜度的原因，比起如果全部25个结构都被控制的情况，焦点偏移会更加快速地被探测到。在从各场域中的全部衍射结构获得的变化相对于焦点的曲线近乎平坦而没有明显最小值的情况下，该方法也可以用于更加精确地确定焦点的中心。
图6是与图4所示的相同数据的图表，但并未画出各场域中全部25个CD的标准偏差，而是绘制出了25个CD值的范围(最大值减去最小值，纳米级)。可以看出，两个数据组都得出了相同的结果，焦点的中心出现在-0.1微米的焦点位置。
实施例2根据上述第二个优选的实施方案，图7描绘了以不同焦点值瞄准的三个场域中的每一个内从五个分开的衍射结构出现的衍射特征。在该实施方案中，通过检查容易确定出对于在0.0微米焦点处瞄准的场域来说特性的变化是最小值。图7中的图表描绘了各场域的特征强度的范围或分布。如同期待的那样，在0.0焦点处瞄准的场域是最小值，该场域位于最佳焦点。该方法可以代替实现全部目的的上述实施方案，包括处理控制及焦点偏移控制的那些。
实施例3当制造用相同掩模并用相同的处理印刷的多晶片时，一种典型的处理控制应用包括控制被选特征的变化超时。图8表示以一个小时的间隔测量的被选特征的变化(在该情况下，测得的CD的变化作为测量值的3-∑，优选地根据本发明的方法预先在照明场域上确定焦点的中心)。因为对各晶片测量相同场域中的相同衍射结构，且用相同的掩模和处理印刷各晶片，所以各晶片的可变性应当是相同的。但是，光刻工具的焦点会随着时间而偏移，这会导致更高的CD偏差，如图8所示。根据公知常识，处理控制的变化的可接受量是2.4nm。所以，2.4nm的控制极限以虚线表示在图8中。如果仔细观察的话，控制极限内的变化一般需要很小。如果变化超过控制极限，就认为是个问题，需要进行焦点校正。在该实施例的数据中，在13和21小时的数据测量之后进行处理校正。在两种情况下，将由下一次测量确定的CD变化减小到控制极限以下。
在该实施例中，当变化数据首次超过控制极限时没有进行处理校正。这是为了避免过度校正，例如由于控制极限外部的纯粹偶然波动而引起的一个可能并不存在的问题。这种精确的准则因处理的不同而不同，但使用交叉场域变化来控制焦点的概念是一样的。
根据本发明的方法，可以得到类似的实施例，其焦点是通过将从场域上设置的衍射结构的全部或子集选出的衍射特征的变化进行比较而确定的。在变化超过一些预定特征变化(例如以几组均方根误差来表示)的情况下，优选进行校正。
该实施例的方法可以用于前馈和反馈控制技术以改变处理步骤的参数。例如，当内场可变性超出理论或经验设定极限时，可以根据预测参数改变处理步骤的参数，从而使处理落在理想极限的范围内。该处理可以是自动的，并可使用收集衍射特征的基于计算机的控制系统，对场域中的衍射结构的特征变化进行分析，并根据变化分析对光刻设备的一个或多个理想参数进行改变，例如剂量或焦点。
虽然以上已参考优选实施例对本发明进行了描述，但其他的实施例也可以达到同样的效果。本发明的变化和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。以上引用的所有参考文献、应用、专利和公开物都在此引为参考。
权利要求
1.一种测量有关光刻装置的参数的方法，方法包括步骤提供包括多个场域的衬底，每个场域都已经以不同焦点值被曝光并包括用光刻设备通过光刻处理在衬底上形成的多个衍射结构；通过基于辐射源的工具对多个场域中的多个衍射结构中的每一个测量衍射特征；为各场域确定从设置在场域内的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性；比较与场域相关的可变性，以确定光刻设备要求的参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射结构是单周期、双周期、多周期或非周期性的结构。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于衍射结构包括光栅。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于衬底包括半导体晶片。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于基于辐射源的工具包括基于光源的工具。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括入射激光束源；光学系统，用于聚集激光束并扫描入射角度的一些范围；探测器，用于在得到的测量角度上探测得到的衍射特征。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括角度分辨散射仪。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括多个激光束源。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括入射宽谱段光源；光学系统，聚焦光束并照明一定范围的入射波长；探测器，用于探测最终测量波长上的最终衍射特征。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括入射光源；组件，用于改变S和P偏振光的振幅和相位；光学系统，聚焦光束并照明一定范围的入射相位；探测器，探测最终衍射特征的相位。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括相位测量，其通过以固定的角度、可变的入射角度θ或可变的扫描角度φ工作的基于宽波段的辐射源的工具源进行。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括相位测量，其通过以固定的角度、可变的入射角度θ或可变的扫描角度φ工作的基于单波长的辐射源的工具源进行。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括相位测量，其通过基于多个离散波长辐射源的工具源进行。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射特征是反射衍射特征。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射特征是透射衍射特征。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射特征是光谱级数衍射特征。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射特征是较高级衍射特征。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射特征是普通光散射或衍射的测量。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于要求的参数是焦点的中心。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于要求的参数是剂量。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于光刻设备的要求的参数的数值是由与具有衍射特征的最小可变性的场域相关的要求参数的数值来确定的。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定步骤包括对各场域测量从设置在场域内的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定步骤包括计算可变性的统计测量。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于统计测量是衍射特征的均方根误差。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在已知的不同焦点位置及已知的不同剂量位置处形成多个衍射结构并确定焦点上的剂量的效果。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于多个衍射结构包括多组相同的已知不同焦点设置衍射结构，这些组因不同的已知剂量设置而不同。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定步骤包括提供从理论衍射结构产生的理论衍射特征的数据库；在数据库中确定各测量到的衍射特征的最佳匹配理论衍射特征；将最佳匹配理论衍射特征的所选择的特征与测量到的衍射特征相关；为各场域确定与设置在该场域内的多个衍射结构相关联的可变性。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于所选择的特征是临界尺寸。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于所选择的特征是横截面面积。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于所选择的特征是横截面体积。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于所选择的特征是提供相匹配的理论衍射特征的理论衍射结构的两个或更多特征的乘积。
32.如权利要求27所述的方法，其特征在于确定步骤包括为各场域测量与设置在该场域内的多个测量到的衍射结构相关的所选择的特征的范围。
33.如权利要求27所述的方法，其特征在于确定步骤包括计算可变性的统计测量。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于统计测量是所选择的特征的标准偏差。
35.如权利要求1所述的方法，其特征在于衍射结构包括潜像衍射结构。
36.如权利要求1所述的方法，其特征在于衬底未经显影处理。
37.一种对光刻设备中的焦点中心的处理控制的方法，方法包括步骤根据权利要求19的方法确定光刻设备的焦点中心；将光刻设备的焦点设置调整到确定的焦点中心。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于调整步骤包括利用基于计算机的控制系统。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于调整步骤包括自动焦点控制系统，其中，对自动焦点控制系统的至少一种输入包括与最小可变性相关的测量。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于调整步骤包括从设置在所选择场域中的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性优选为随时间测量。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于提前确定所选择的场域为焦点中心。
42.如权利要求40所述的方法，其特征在于如果可变性超过了预定的控制极限，则调整光刻设备的焦点。
43.一种光刻设备中的处理控制方法，方法包括步骤用光刻设备对位于一系列晶片上的场域中的多个衍射结构进行曝光；用基于辐射源的工具测量这一系列晶片上的场域中的多个衍射结构的每一个的衍射特征；对各晶片确定从多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性；对与晶片有关的可变性进行比较以控制光刻设备的要求参数。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于还包括步骤调整与晶片相关的对比可变性相对应的光刻设备的至少一个要求的参数。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于调整步骤包括将可变性与经验确定的可变性极限比较。
46.如权利要求44所述的方法，其特征在于调整步骤包括将可变性与理论确定的可变性极限比较。
47.如权利要求44所述的方法，其特征在于所述至少一个要求的参数包括焦点或剂量。
48.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射结构是单周期、双周期、多周期或非周期性的结构。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于衍射结构包括光栅。
50.如权利要求43所述的方法，其特征在于晶片包括半导体晶片。
51.如权利要求43所述的方法，其特征在于基于辐射源的工具包括基于光源的工具。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括入射激光束源；光学系统，用于聚集激光束并扫描入射角度的一些范围；探测器，用于在得到的测量角度上探测得到的衍射特征。
53.如权利要求52所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括角度分辨散射仪。
54.如权利要求51所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括多个激光束源。
55.如权利要求51所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括入射宽谱段光源；光学系统，聚焦光束并照明一定范围的入射波长；探测器，用于探测最终测量波长上的最终衍射特征。
56.如权利要求51所述的方法，其特征在于基于光源的工具包括入射光源；组件，用于改变S和P偏振光的振幅和相位；光学系统，聚焦光束并照明一定范围的入射相位；探测器，探测最终衍射特征的相位。
57.如权利要求43所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括相位测量，其通过以固定的角度、可变的入射角度θ或可变的扫描角度φ工作的基于宽波段的辐射源的工具源进行。
58.如权利要求43所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括相位测量，其通过以固定的角度、可变的入射角度θ或可变的扫描角度φ工作的基于单波长的辐射源的工具源进行。
59.如权利要求43所述的方法，其特征在于测量衍射特征包括相位测量，其基于多个离散波长辐射源的工具源进行。
60.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射特征是反射衍射特征。
61.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射特征是透射衍射特征。
62.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射特征是光谱级数衍射特征。
63.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射特征是较高级衍射特征。
64.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射特征是普通光散射或衍射的测量。
65.如权利要求43所述的方法，其特征在于确定步骤包括对各场域测量从设置在场域内的多个衍射结构获得的测量到的衍射特征的可变性。
66.如权利要求43所述的方法，其特征在于确定步骤包括计算该可变性的统计测量。
67.如权利要求66所述的方法，其特征在于统计测量是衍射特征的均方根误差。
68.如权利要求43所述的方法，其特征在于确定步骤包括提供从理论衍射结构产生的理论衍射特征的数据库；在数据库中确定各测量到的衍射特征的最佳匹配理论衍射特征；将最佳匹配理论衍射特征的所选择的特征与测量到的衍射特征相关；为各晶片确定与设置在该晶片上场域内的多个衍射结构相关的可变性。
69.如权利要求68所述的方法，其特征在于所选择的特征是临界尺寸。
70.如权利要求68所述的方法，其特征在于所选择的特征是横截面面积。
71.如权利要求68所述的方法，其特征在于所选择的特征是横截面体积。
72.如权利要求68所述的方法，其特征在于所选择的特征是提供相匹配的理论衍射特征的理论衍射结构的两个或更多特征的乘积。
73.如权利要求68所述的方法，其特征在于确定步骤包括为各晶片测量与设置在该晶片上场域内的多个测量到的衍射结构相关的所选择的特征的范围。
74.如权利要求68所述的方法，其特征在于确定步骤包括计算可变性的统计测量。
75.如权利要求74所述的方法，其特征在于统计测量是所选择的特征的标准偏差。
76.如权利要求43所述的方法，其特征在于衍射结构包括潜像衍射结构。
77.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述晶片未经显影处理。
全文摘要
对光刻工具进行焦点中心的判断及过程控制的方法。从位于多个不同焦点设置场域内的多个衍射结构获得衍射特征。通过直接分析或与数据库对比来确定各场域的衍射特征的可变性。可变性或均匀性可由任何测量值表示，包括理论衍射结构的数据库的被选择特征的标准偏差或数值范围或者衍射特征本身的可变性或均匀性，如由RMS差异或强度范围表示。这些方法可以用于通过确定一系列晶片中的多衍射结构的衍射特征的内场变化来处理控制和监控焦点偏移。
文档编号G01B11/04GK1771464SQ200480009562
公开日2006年5月10日 申请日期2004年4月9日 优先权日2003年4月10日
发明者迈克尔·E·利陶, 克里斯托弗·J·雷蒙德 申请人:安格盛光电科技公司