一种光刻工艺参数测量装置及方法

一种光刻工艺参数测量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及半导体工艺参数测量领域，尤其涉及一种光刻工艺参数测量装置及方法，包括用于承载测量标记的运动台、提供测量光的光源、两个测量臂以及处理单元，所述两个测量臂相对于所述测量标记表面法矢方向对称设置，所述两个测量臂分别包括一个光谱仪，所述光源发出的测量光经所述两个测量臂汇聚到所述测量标记上并被反射，经所述测量标记对所述两个测量臂中一个测量臂的反射光分别被另一个测量臂中的光谱仪接收，得到反射光的光谱，所述处理单元与所述两个测量臂中的光谱仪连接，依据所述光谱仪所接收的反射光光谱中0级衍射光光谱的非对称性获取所述测量标记的套刻误差。本发明成本低，精度高。
【专利说明】一种光刻工艺参数测量装置及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体工艺参数测量领域，尤其涉及一种光刻工艺参数测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]根据ITRS (国际半导体技术蓝图)给出的光刻测量技术路线图，随着光刻图形CD(关键尺寸，英文全称:Critical Dimension)进入45nm及以下工艺节点，特别是双重曝光(Double Patterning)技术的广泛应用，对套刻(overlay)测量的精度要求已经进入亚纳米领域，由于成像分辨率极限的限制，传统的基于成像和图像识别的DB0(套刻测量技术，英文全称:Diffraction_Based overlay)已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求,基于衍射光探测的DBO正逐步成为套刻测量的主要手段。
[0003]目前，DBO主要分为两大类，一类称为基于模型的DBO技术，该类技术通过对套刻标记的CD、侧壁角(SWA)、高度以及套刻参数进行严格建模，计算得到理论衍射光谱，将测量值与理论值进行对比提取套刻参数，这类技术的主要优点在于:原则上只要一个标记便可测得一个方向的套刻值，因而标记成本极低；然而，由于套刻测量需提取两层图形结构间的位置偏差，这两层结构中的大量未知参数均需在建模时体现，使建模的计算成本大大提高，通常一个几十个CPU(中央处理器,英文全称:Central Processing Unit)的计算集群需要几天时间对一层图形结构进行建模，随着图形层数的增加，建模时间将呈几何指数增长，其次，这些未知参量与套刻参数间经常互相串扰，使测量值与理论值作比较时，无法正确提取套刻参数。因此，该技术由于其计算成本、建模时间、参数提取精度等原因，很少在生产中应用。
[0004]另一类称为基于经验的DBO技术，该类技术直接使用低阶函数拟合衍射光衍射效率随套刻参数的变化情况，通过在多个不同预设偏差(offset)的标记上采集信号，计算得到套刻参数。这类技术常见的有两种测量方法，一种方法测量正入射光的O级衍射光光谱在偶数个具有对称预设偏差的标记上的信号，由于O级衍射信号随套刻参数呈偶函数变化，可使用二次函数拟合该信号以求得套刻值。这种方法的计算成本几乎为零，且可使用传统的反射仪进行测量，但由于衍射光偶函数信号变化较复杂，需设置多个套刻标记以提供足够的信号采样才能获得较好的拟合精度，从而获得较高的测量精度，该方法通常至少需要4个标记测量一个方向的套刻参数,因此标记成本较高。
[0005]基于经验的DBO技术的另一种方法是通过测量衍射光正负级次的非对称性实现。该方法通过测量衍射光的角分辨谱， 识别对应入射光的正负级次并计算它们的非对称性，由于正负级次的非对称性在一定范围内近似和套刻参数成正比，该方法最少可以使用两个预设偏差对称的标记实现一个方向套刻参数的测量。同样，该方法也几乎没有计算成本，但由于衍射光的正负级次光的方向不同，通过衍射光收集光路的位置也不同，光路透过率的非对称性将引入测量误差，此外，若套刻标记的周期很小，或者测量波长较长，则高级次衍射光可能成为隐逝波(evanescent wave)而不能被检测到,或者超出光路的收集范围。由于光刻工艺中使用的半导体材料，如光刻胶对紫外短波长光有很强的吸收率，为了使测量光达到前一层标记，在套刻测量中，测量光只能是可见光或更长的波段。因此，该方法不能使用周期较小的标记，大周期的套刻标记在基于经验的DBO技术中将降低测量分辨率。
[0006]因此，如何提供一种计算成本和标记成本都较低且测量精度较高的光刻工艺参数测量装置及方法是本领域工作人员亟待解决的一个技术问题。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提供一种光刻工艺参数测量装置及方法，以解决现有的光刻工艺参数测量装置成本高、精度低的问题。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种光刻工艺参数测量装置，包括用于承载测量标记的运动台；光源，提供测量光；两个测量臂，所述两个测量臂相对于所述测量标记表面法矢方向对称设置，所述两个测量臂分别包括一个光谱仪，所述光源发出的测量光经所述两个测量臂汇聚到所述测量标记上并被反射，经所述测量标记对所述两个测量臂中一个测量臂的反射光分别被另一个测量臂中的光谱仪接收，得到反射光的光谱；以及处理单元，与所述两个测量臂中的光谱仪连接，依据所述光谱仪所接收的反射光光谱中O级衍射光光谱的非对称性获取所述测量标记的套刻误差。
[0009]较佳地，所述两个测量臂中的每一测量臂的光路中还包括用于聚光的透镜。
[0010]较佳地，所述光源为宽光谱光源。
[0011 ] 较佳地，所述光源发出的测量光经光纤束传送至所述两个测量臂。
[0012]较佳地，所述运动台至少能够绕所述测量标记表面法矢方向转动。
[0013]较佳地，在所述测量光入射到所述测量臂的一侧分别设有起偏装置。
[0014]较佳地，所述测量光入射到所述起偏装置的光路中分别设有光电探测器。
[0015]较佳地，在所述测量光从所述测量臂出射一侧分别设有起偏装置。
[0016]较佳地，所述运动台上设有一反射面，所述光刻工艺参数测量装置还包括一探测器，用于探测所述两个测量臂投射到所述反射面上的光斑位置。
[0017]较佳地，所述两个测量臂中的其中一个测量臂设有一微调装置，用于根据所述探测器的探测结果调整所述其中一个测量臂投射到所述反射面上的光斑位置，以使两个测量臂的光斑位置重合。
[0018]较佳地，所述微调装置为光束偏转版。
[0019]本发明还提供了一种光刻工艺参数测量方法，采用如上所述的光刻工艺参数测量装置，包括:
[0020]测量第一个方向上一定方位角范围内测量标记反射光的光谱R1 ( θ , Φ , ε )；
[0021]测量第二个方向上一定方位角范围内测量标记反射光的光谱R2( 9 , Φ+180, ε ),所述第一方向与所述第二方向关于所述测量标记表面法矢方向对称；
[0022]根据所述第一、第二方向上测得的反射光的光谱R1 ( θ，φ，ε )、R2( θ，φ+180, ε )在相应波长上的光强非对称性，确定所述测量标记的非对称性特征，进而计算出所述测量标记的套刻误差ε，其中，RpR2分别为第一、第二方向上测得的O级衍射光衍射效率，Θ为入射角，Φ为方位角，ε为套刻误差。
[0023]较佳地，利用公式:A ( ε ) = R1 ( θ，φ，ε )-R2 ( θ ,180° + Φ，ε )得到O级光衍射效率非对称性Α(ε);由于在很小范围内，O级光衍射效率非对称性Α(ε)随套刻误差ε的变化呈线性变化，根据公式:Α( ε ) = k.ε计算出套刻误差ε，其中，Α( ε )为O级光衍射效率非对称性，k为常数。
[0024]较佳地，在测量之前将所述第一、第二个测量方向上的非对称误差进行校验，并将校验结果补偿到测量结果中。
[0025]较佳地，采用介质均匀且无图形硅片进行所述校验。
[0026]较佳地，两个测量臂测得的光谱R3P，φ，0，λ)和R4(0，φ+180, O,入)，由公
式:
【权利要求】
1.一种光刻工艺参数测量装置，其特征在于，包括: 用于承载测量标记的运动台； 光源，提供测量光； 两个测量臂，所述两个测量臂相对于所述测量标记表面法矢方向对称设置，所述两个测量臂分别包括一个光谱仪，所述光源发出的测量光经所述两个测量臂汇聚到所述测量标记上并被反射，经所述测量标记对所述两个测量臂中一个测量臂的反射光分别被另一个测量臂中的光谱仪接收，得到反射光的光谱；以及处理单元，与所述两个测量臂中的光谱仪连接，依据所述光谱仪所接收的反射光光谱中O级衍射光光谱的非对称性获取所述测量标记的套刻误差。
2.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述两个测量臂中的每一测量臂的光路中还包括用于聚光的透镜。
3.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述光源为宽光谱光源。
4.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述光源发出的测量光经光纤束传送至所述两个测量臂。
5.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述运动台至少能够绕所述测量标记表面法矢方向转动。
6.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，在所述测量光入射到所述测量臂的一侧分别设有起偏装置。
7.如权利要求6所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述测量光入射到所述起偏装置的光路中分别设有光电探测器。
8.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，在所述测量光从所述测量臂出射一侧分别设有起偏装置。
9.如权利要求1所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述运动台上设有一反射面，所述光刻工艺参数测量装置还包括一探测器，用于探测所述两个测量臂投射到所述反射面上的光斑位置。
10.如权利要求9所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述两个测量臂中的其中一个测量臂设有一微调装置，用于根据所述探测器的探测结果调整所述其中一个测量臂投射到所述反射面上的光斑位置，以使两个测量臂的光斑位置重合。
11.如权利要求10所述的光刻工艺参数测量装置，其特征在于，所述微调装置为光束偏转版。
12.—种光刻工艺参数测量方法，其特征在于，采用如权利要求1~11中任意一项所述的光刻工艺参数测量装置，包括: 测量第一个方向上一定方位角范围内测量标记反射光的光谱R1 ( θ , Φ , ε )； 测量第二个方向上一定方位角范围内测量标记反射光的光谱R2(e，Φ+180, ε)，所述第一方向与所述第二方向关于所述测量标记表面法矢方向对称； 根据所述第一、第二方向上测得的反射光的光谱R1 ( 9，Φ，ε ) > R2 ( θ ? Φ+180, ε)在相应波长上的光强非对称性，确定所述测量标记的非对称性特征，进而计算出所述测量标记的套刻误差ε，其中，RpR2分别为第一、第二方向上测得的O级衍射光衍射效率，Θ为入射角，Φ为方位角，ε为套刻误差。
13.如权利要求12所述的光刻工艺参数测量方法，其特征在于，利用公式:Α(ε)=R1 ( θ，φ，ε ) -R2 ( θ，180。+ Φ，ε )得到O级光衍射效率非对称性Α( ε );由于在很小范围内，O级光衍射效率非对称性Α(ε)随套刻误差ε的变化呈线性变化，根据公式:Α(ε)=k.ε计算出套刻误差ε ,其中，Α( ε )为O级光衍射效率非对称性，k为常数。
14.如权利要求12所述的光刻工艺参数测量方法，其特征在于，在测量之前将所述第一、第二个测量方向上的非对称误差进行校验，并将校验结果补偿到测量结果中。
15.如权利要求14所述的光刻工艺参数测量方法，其特征在于，采用介质均匀且无图形硅片进行所述校验。
16.如权利要求15所述的光刻工艺参数测量方法，其特征在于，两个测量臂测得的光 谱 R3(0，Φ，0，λ)和 R4(0，φ+180，0，λ)，由公式
【文档编号】G01N21/25GK103472004SQ201210189345
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2012年6月8日
【发明者】陆海亮, 王帆 申请人:上海微电子装备有限公司