專利名稱：利用衍射特征的分析對焦點中心的判斷的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本申請要求享有2000年9月6日提交的題為<Determination of Centerof Focus By Diffractions Signature Analysis>的美國專利申請No.60/230,491的優(yōu)先權(quán)，該申請在此引為參考。
光刻在半導(dǎo)體、光學(xué)裝置和相關(guān)產(chǎn)業(yè)上具有多種有用的用途。光刻用于制造半導(dǎo)體器件，如建立在晶片上的集成電路以及平板顯示器、盤蓋等。在一種應(yīng)用中，光刻用于通過空間調(diào)制光把掩模或光網(wǎng)上的圖案轉(zhuǎn)移到襯底的抗蝕劑層上。然后對抗蝕劑層顯影，并蝕刻掉(正抗蝕劑)或保留(負(fù)抗蝕劑)曝光的圖案，從而在抗蝕劑層上形成三維圖象圖案。但是，除了光致抗蝕劑光刻外，還可以采用其它形式的光刻。
在一種尤其用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的光刻形式中，采用一種晶片步進(jìn)器，該步進(jìn)器主要包括一個縮放透鏡和一個照明器，一個受激準(zhǔn)分子激光器光源，一個晶片臺、一個光網(wǎng)臺、一個晶片盒和一個操作者工作站。現(xiàn)代的步進(jìn)器(stepper)裝置采用正負(fù)兩種抗蝕劑法，并利用原始的步進(jìn)重復(fù)形式或步進(jìn)掃描形式中的一種或兩種。
曝光和焦點確定顯影的、如利用光致抗蝕劑光刻的抗蝕劑層上圖象圖案的質(zhì)量。曝光確定單位面積的圖象的平均能量，并且該曝光由照明時間和強(qiáng)度來設(shè)置。焦點決定相對焦點圖象的調(diào)節(jié)減少。焦點由抗蝕劑層的表面相對于成像系統(tǒng)的焦平面的位置設(shè)置。
抗蝕劑層的厚度和襯底光刻以及步進(jìn)器焦點偏移都會導(dǎo)致曝光和焦點的局部變化，因為曝光和焦點中的可能變化，所以需要監(jiān)控通過光刻產(chǎn)生的圖象圖案以判定圖案是否處于可接受的容限范圍之內(nèi)。焦點和曝光控制對用于產(chǎn)生亞微米線條的光刻過程尤其重要。
已有多種方法和裝置用于確定步進(jìn)器和類似光刻裝置的焦點。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和類似的裝置。但是，雖然SEM計量法可以分辨0.1微米量級的特征，但該方法成本很高，需要一個高真空腔，工作較慢并且難以自動化。也可以采用光學(xué)顯微鏡，但它對亞微米結(jié)構(gòu)沒有所需的分辨能力。其它的方法包括顯影規(guī)定的目標(biāo)和測試掩模，如美國專利US5,712,707、US5,953,128和US6,088,113中所述。涂覆層誤差法也是已知的，如美國專利US5,952,132中所述。但是，這些方法雖然由于目標(biāo)的性質(zhì)而提高了分辨率，但仍然使用SEM、光學(xué)顯微鏡或類似的直接測量裝置。
多種散射儀和相關(guān)的裝置以及測量裝置被用于表征微電子和光電半導(dǎo)體材料、計算機(jī)硬盤、光盤、精細(xì)拋光的光學(xué)元件的微觀結(jié)構(gòu)和其它具有處于十幾微米至不小于十分之一微米的橫向尺寸的其它材料的微觀結(jié)構(gòu)。例如，Accent Optical Technologies Inc.制造并出售的CDS200散射儀是一種全自動的非破壞性臨界尺寸(CD)測量和橫截面輪廓分析系統(tǒng)，在美國專利US5,703,692中有部分公開。此裝置可以在同時判斷橫截面輪廓并執(zhí)行層厚評估的時候反復(fù)分辨小于1nm的臨界尺寸。這種裝置監(jiān)控作為照明光束入射角函數(shù)的單階衍射的強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^這種方式監(jiān)視樣品的第零階和鏡反射階以及較高階衍射的強(qiáng)度變化，并且提供對判斷被照明的樣品目標(biāo)的特性有用的信息。因為制造樣品目標(biāo)的過程決定樣品目標(biāo)的特性，所以該信息也用作過程的間接監(jiān)視器。此方法在半導(dǎo)體工藝中有所描述。在包括美國專利US4,710,642、US5,164,790、US5,241,369、US5,703,692、US5,867,276、US5,889,593、US5,912,741和US6,100,985的很多文獻(xiàn)中示范了多種用于散射儀分析的方法和裝置。
散射儀和相關(guān)的裝置可以采用各種不同的操作方法。在一種方法中，采用一種已知的單一波長光源，入射角θ在一個確定的連續(xù)范圍內(nèi)改變。在另一種方法中，采用多個激光源，每個處于不同的入射角θ。在另一種方法中，采用一種入射光頻譜很寬的光源，入射光在一定的波長范圍內(nèi)照明，并且入射角θ可以選擇地保持恒定。還知道一種可變相位的光學(xué)器件，利用光學(xué)元件和濾光片產(chǎn)生一定范圍的入射相位，用探測器探測所得的衍射相位。還可以采用可變偏振狀態(tài)的光分量，利用光學(xué)元件和濾光片將光的偏振從S變?yōu)镻分量。還可以在φ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)入射角，使得光或其它輻射源繞目標(biāo)區(qū)旋轉(zhuǎn)，或者是目標(biāo)相對地繞光或其它光源旋轉(zhuǎn)。利用這些各種裝置中的任何一種以及它們的組合或置換，可以獲得樣品目標(biāo)的衍射特征。
除散射儀裝置之外，還有其它的裝置和方法能夠利用一種可從衍射光柵反射或透過衍射光柵的、光被探測器捕獲的基于光的光源確定零階或其它高階衍射的衍射特征。其它的這種裝置和方法除了散射儀外還包括橢圓儀和反射儀。還知道可以利用其它的輻射源、如X射線獲得不基于光的衍射特征。
現(xiàn)有技術(shù)中已知多種樣品目標(biāo)。一種簡單的通用目標(biāo)是一個衍射光柵，具有一系列周期性的線條，線寬與間隔的比例處于1∶1～1∶3之間，當(dāng)然，已知還有別的比例。典型的例如處于1∶3比例的衍射光柵，對于400nm的總間距(線寬加間距)將具有100nm的線寬和300nm的間隔。線寬和間距是光刻處理的分辨率的函數(shù)，因此當(dāng)光刻處理允許有較小的線寬和間距時，可以類似地減小線寬和間距。衍射技術(shù)可以采用任何可行的線寬和間距，包括那些基本上比當(dāng)前主要采用的小得多的線寬和間距。
在晶片芯片的已知圖案中一般分布著衍射光柵。已知在現(xiàn)有技術(shù)中一個晶片上應(yīng)用多個芯片(或曝光場域)。每個衍射圖案可以通過光刻方式制作，以處于不同的焦點，例如通過采用不同的焦點設(shè)置或不同的曝光設(shè)置或曝光量。還已知可以利用散射儀和衍射光柵比較來自各個不同焦點的衍射光柵的衍射特征與產(chǎn)生關(guān)于CD的信息的衍射光柵特征的理論模式庫確定焦點的中心。將實際的衍射測量與模式相比較，從中推算出CD值。將由此獲得的CD值繪成關(guān)于焦點的曲線，所得的結(jié)果與拋物線擬合。但是，這種方法需要很長的時間和很多的計算機(jī)資源以產(chǎn)生理論模式。
本方法還包括利用光刻裝置以不同的已知焦點設(shè)置值形成多個衍射光柵，和確定兩個相鄰焦點設(shè)置值的衍射光柵，其中該衍射特征的差值小于其它相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間的衍射特征差值，因此，該參數(shù)是光刻裝置的焦點中心。
在一個優(yōu)選實施例中，不同的已知焦點設(shè)置值為相同增量的不同焦點設(shè)置值?；蛘?，不同的已知焦點設(shè)置值是不等增量的不同焦點設(shè)置值，并且本方法還包括采用數(shù)學(xué)算法對不等增量的不同焦點設(shè)置值歸一化。
本方法還包括將衍射特征差值繪制曲線，其中不同衍射光柵之間的衍射特征差值的增長為近似拋物曲線，其斜率在焦點中心上為零。對衍射光柵之間衍射特征差值的判定還可以包括使用度量標(biāo)準(zhǔn)。一種可以采用的度量標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)分析的均方根誤差法。確定最小的差值還可以包括對衍射光柵之間衍射特征的加權(quán)平均差值的比較。
在本發(fā)明的一個實施例中，該方法還包括利用光刻裝置以相同的焦點設(shè)置值形成多個衍射光柵，并確定作為襯底上衍射光柵的位置函數(shù)的差值。在本方法的另一個實施例中，該方法還包括以不同的已知焦點設(shè)置值和不同的已知劑量設(shè)置值形成多個衍射光柵，并確定劑量對焦點的影響。多個衍射光柵可以包括多組相同的已知不同焦點設(shè)置值的衍射光柵，組數(shù)隨不同的已知劑量設(shè)置值而變。
本發(fā)明還提供確定光刻裝置中焦點中心的方法，該方法包括步驟提供一個襯底，襯底上包括多個利用光刻裝置制得的衍射光柵，多個衍射光柵包括不同的已知焦點設(shè)置值；通過基于輻射源的工具確定多個衍射光柵中至少三個的衍射特征；測量相鄰的焦點設(shè)置值衍射光柵之間的衍射特征之間的差值；和確定焦點中心作為焦點設(shè)置值，其中，在相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵的衍射特征之間具有最小的差值。
在本方法的一個實施例中，相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間的衍射特征的差值的增加為近似拋物線曲線，其斜率在最小差值上為零。對相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間衍射特征差值的確定可以包括確定使用度量標(biāo)準(zhǔn)的差值的判定，包括但不限于數(shù)據(jù)分析的均方根誤差法。本方法還包括通過比較相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間的衍射特征加權(quán)平均差值確定最小的差值。在本方法的另一實施例中，確定最小差值包括使從相鄰的序列焦點設(shè)置值衍射光柵之間衍射特征之差推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)與拋物曲線擬合，由此，最小的差值包含拋物曲線的最小值。
在前述所有的方法中，基于輻射源的工具包括基于光源的工具。在一個實施例中，基于光源的工具包括一個入射激光束源，一個聚焦激光束并以一定范圍的入射角進(jìn)行掃描的光學(xué)系統(tǒng)，和一個用于在所得的測量角內(nèi)探測最終的衍射特征的探測器?；诠庠吹墓ぞ哌€包括一個角分辨散射儀。在另一不同的實施例中，基于光源的工具包括多個激光源。在另一實施例中，基于光源的工具包括入射寬譜段光的光源，聚焦光束并通過一定范圍的入射波照明的光學(xué)系統(tǒng)，和一個用于探測最終測量波長上的最終衍射特征的探測器。在另一實施例中，基于光源的工具包括入射光源，用于改變S和P偏振光的振幅和相位的組件，聚焦光束并在一定的入射相位上照明的光學(xué)系統(tǒng)，和探測最終衍射特征的相位的探測器。
在前述所有的方法中，測量衍射特征包括通過基于寬波段輻射源的以固定的角度、可變的角度θ和可變的角度φ工作的工具源進(jìn)行相位測量。在該方法中，測量衍射特征還包括通過基于單波長輻射源的以固定的角度、可變的角度θ和可變的角度φ工作的工具源測量相位。測量衍射特征還可以包括通過基于多個分散的波長輻射源的工具源測量相位。衍射特征可以是一個反射衍射特征或一個透射衍射特征。衍射特征可以是一個鏡反射階衍射特征或高階衍射特征，既可以是正的，也可以是負(fù)的。
本發(fā)明的主要目的是提供一種不使用光學(xué)的、SEM或類似的顯微計量工具測量有關(guān)光刻裝置的參數(shù)的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過分析一系列不同焦點衍射光柵之間衍射特征的差值確定光刻裝置的焦點中心的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過利用反射或透射衍射獲得衍射特征來確定或測量與光刻裝置相關(guān)的包括焦點中心的參數(shù)的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過利用任何建立衍射特征的方法而獲得衍射特征來確定或測量與光刻裝置相關(guān)的包括焦點中心的參數(shù)的方法，包括但不限于零階或鏡反射階衍射或任何高階衍射的反射或透射角分辨、可變波長、可變相位、可變偏振態(tài)或可變?nèi)∠虻难苌?、或是它們的組合。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種不需要直接使用理論模式或已知參數(shù)庫中的任何一種來確定或測量與光刻裝置有關(guān)的、包括焦點中心的參數(shù)的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種通過衍射特征差響應(yīng)和分析確定或測量與光刻裝置有關(guān)的作為計量函數(shù)的、包括焦點中心的參數(shù)的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種通過不同焦點衍射光柵的任意階衍射特征、包括第零階或任何較高階衍射(正或負(fù))確定或測量與光刻裝置有關(guān)的參數(shù)的方法。
本發(fā)明的主要優(yōu)點在于它能夠不使用光學(xué)裝置、SEM或類似的顯微計量工具測量有關(guān)光刻裝置的參數(shù)的方法。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于允許使用通過步進(jìn)器、包括常規(guī)的光致抗蝕劑光刻裝置制作的常規(guī)晶片上一系列不同焦點的衍射光柵，利用衍射特征的確定以及它們之間的差值來確定衍射光柵的焦點中心。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于提供一種方法和裝置，允許以低于常規(guī)的已知方法的時間周期和成本獲得關(guān)于步進(jìn)器之類的光刻裝置的結(jié)果，包括焦點中心。
通過下面聯(lián)系附圖對本發(fā)明的詳細(xì)說明以及通過實施本發(fā)明，本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和特點對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得更加清晰。本發(fā)明的目的和優(yōu)點可以通過權(quán)利要求中具體指出的儀器及其組合實現(xiàn)。


成為本說明書一部分的附示說明了本發(fā)明的多個實施例，并與文字說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。這些附圖只出于圖解本發(fā)明多個優(yōu)選實施例的目的，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。附圖中圖1是其上帶有芯片的晶片簡圖，其中芯片包含衍射光柵；圖2是獲得反射型0階衍射特征的各種模式簡圖；圖3表示三維衍射光柵；圖4表示一系列衍射光柵；圖5A-C表示利用角分辨散射儀而獲得的衍射特征曲線，每一特征曲線隨一個聚焦步驟而變，其中S和P偏振光連在一起；圖6是由均方根誤差確定的衍射特征差-焦點曲線；圖7A和7B分別表示包含窄的和寬的焦點中心最小值的拋物線；圖8表示從場域中多個位置處的衍射特征差中推出的焦點中心的三維插圖，由此表示作為場域中位置函數(shù)的焦點中心；和圖9表示從場域中傾斜的衍射特征差推出的焦點中心的三維插圖，由此表示作為場域中位置函數(shù)的焦點中心的臺傾斜效應(yīng)。
在繼續(xù)描述本發(fā)明之前，先給出下列定義。
光刻裝置指利用一個圖象、如掩模把一個圖案轉(zhuǎn)移或任選地轉(zhuǎn)移到襯底上的裝置。因而，這種裝置包括常規(guī)的光學(xué)平板印刷，如光致抗蝕劑平板印刷，但也包括其它的平板印刷法。在光致抗蝕劑平板印刷法中，也就是所謂的光刻法中，采用光學(xué)方法把電路圖案從原版圖象、即所謂的掩模或光網(wǎng)轉(zhuǎn)移到晶片上。在此過程中，把一種或多種稱作抗蝕劑的專用材料涂敷到被制作電路的晶片上。抗蝕劑涂層根據(jù)需要施加，并且在需要時進(jìn)一步處理晶片，如軟烘干?？梢圆捎谜蜇?fù)光致抗蝕劑材料。正抗蝕劑通常不溶于用作抗蝕劑顯影劑的化學(xué)試劑，但在暴露于光時變得可溶。負(fù)抗蝕劑通常可溶于用作抗蝕劑顯影劑的化學(xué)試劑，但在暴露于光時變得不可溶。通過選擇性地曝光某些區(qū)域的抗蝕劑而不曝光其它區(qū)域的抗蝕劑，在抗蝕劑膜中建立電路圖案或其它結(jié)構(gòu)。在光刻中，選擇曝光通過對掩模成象、典型地是通過將光照射到掩模上并將透射的圖象投影到抗蝕劑膜上實現(xiàn)。
本發(fā)明中所指的光刻裝置包括步進(jìn)器，也稱為晶片步進(jìn)器，用于把電路的圖象或其它結(jié)構(gòu)從光掩膜投影到涂敷抗蝕劑的芯片上。步進(jìn)器一般包括縮放透鏡或照明器，受激準(zhǔn)分子激光器光源，芯片臺，光網(wǎng)臺，晶片盒和操作者工作臺。步進(jìn)器采用正負(fù)兩種抗蝕劑法，并且利用步進(jìn)重復(fù)式或步進(jìn)掃描式兩種中的任何一種或是它們的組合。
本發(fā)明的實施中采用的一種晶片或其上通過光刻裝置布置一系列衍射光柵的其它襯底。衍射光柵最簡單的一種是通過光刻裝置制作的任何結(jié)構(gòu)或圖象，它產(chǎn)生相對入射的照明參數(shù)的折射率的周期性變化。這種折射率的變化既可以是由于物理差異也可以是由于化學(xué)差異。物理差異包括光致抗蝕劑或其它光刻產(chǎn)生的變化，如利用一種具有與空氣耦合的折射率的材料，如普通的被劃線的光學(xué)衍射光柵，或是一種與不同材料耦合的材料?；瘜W(xué)差異包括帶有光致抗蝕劑被曝光的衍射光柵的晶片，其上的抗蝕劑還沒有被顯影。在此情況下，所有的抗蝕劑仍然存在，但被曝光的部分具有不同于未曝光抗蝕劑部分的折射率，由此在抗蝕劑中建立由周期性變化的折射率組成的衍射光柵。周期性的差異通過結(jié)構(gòu)的或化學(xué)元件的周期性獲得。這包括由一系列平行線組成的常規(guī)衍射光柵，而且還包括諸如柱或孔的三維陣列這樣的光柵，其中在X和Y方向均具有周期性。在X和Y方向具有周期性的衍射光柵示于圖3，在一個方向具有周期性的由平行線25組成的衍射光柵示于圖1。因此，衍射光柵包括光致抗蝕劑光柵，蝕刻膜疊置光柵，金屬光柵和其它現(xiàn)有的光柵。雖然也可以采用其它的比例，但衍射光柵線寬與間隔比的典型比例約為1∶1～1∶3。例如處于1∶3比例的典型衍射光柵會有100nm的線寬和400nm的間距。部分地根據(jù)光刻裝置的分辨率，線寬和間距可以非常小。
在本發(fā)明的實施中，用衍射光柵產(chǎn)生衍射特征。衍射光柵可以通過任何數(shù)量的儀器產(chǎn)生，如散射儀、橢圓儀或反射儀。任何采用輻射產(chǎn)生衍射光柵的裝置在此都被稱作基于輻射源的工具。在此采用典型的基于可見輻射源的工具，如基于光源的工具，但也可以采用可見輻射以外的輻射源，如X射線源。這些裝置通過改變至少一個與衍射有關(guān)的參數(shù)來產(chǎn)生衍射圖案或特征。在一個實施例中，衍射特征通過反射模式建立，其中的輻射、如光束被反射。因此，可以通過分辨角度的散射儀產(chǎn)生衍射特征，其中，采用已知波長的單光源，并且在一個確定的連續(xù)范圍內(nèi)改變?nèi)肷浣铅?，如圖2所示。所得的衍射特征示于圖5，圖中繪制的是光強(qiáng)與入射及反射角θ的曲線。在另一方法中，采用多個激光源，任選每個處于不同的入射角θ。在另一方法中，采用入射寬頻譜的光源，光源具有在一定波長范圍照明的入射光，以及可選擇地保持入射角θ恒定，如圖2所示。還已知可變相位光源，采用一定范圍的入射相位，探測器探測最終衍射的相位，如圖2所示。還已知可變的偏振光源利用從S到P成分(components)或從P到S成分的一定范圍的偏振。還可以在φ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)入射角，使得光源繞衍射光柵旋轉(zhuǎn)，或者衍射光柵相對于光源旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。利用這些可變裝置中的任何一種以及它們的組合或置換，可以獲得樣品目標(biāo)的衍射特征。一般將探測到的光強(qiáng)與可變參數(shù)中的任意一個繪制成曲線，如光強(qiáng)與入射角θ、光強(qiáng)與入射光波長、光強(qiáng)與入射光相位、光強(qiáng)與掃描角φ等。衍射特征可以表示成零階或鏡反射階衍射，或者可以表示成任何較高階衍射。還可預(yù)計可以用透射模式產(chǎn)生衍射特征，如使用X射線輻射源作為基于輻射源的工具的組成部分。
在本發(fā)明的一個實施例中，提供一個如圖1所示的晶片，晶片上設(shè)置一系列芯片15。每個芯片典型地代表晶片上光刻裝置曝光區(qū)域的部分，如步進(jìn)器。在步進(jìn)重復(fù)系統(tǒng)中，當(dāng)快門打開時，待曝光的掩?；蚬饩W(wǎng)的整個面積被照明，由此同時曝光整個芯片的曝光區(qū)域。在步進(jìn)掃描系統(tǒng)中，當(dāng)快門打開時，只有部分掩?；蚬饩W(wǎng)，以及因而只有部分芯片曝光區(qū)域被曝光。在兩種情形的任何一種情形中，光網(wǎng)或掩模都可以被移動，從而產(chǎn)生衍射光柵組20，衍射光柵組20由一系列不同的、任選不同焦點的衍射光柵組成。衍射光柵組20也可以由一系列相同的衍射光柵組成，或由一系列相同焦點但不同劑量(dose)的衍射光柵組成。在一個優(yōu)選實施例中，衍射光柵組20由一系列不同焦點的衍射光柵組成，最好通過已知的遞增焦點步驟變化，其中所有的衍射光柵具有一個固定的劑量。從晶片10上一個芯片到另一個芯片，劑量范圍或焦點設(shè)置值范圍中的任何一個或二者都可以改變。常規(guī)地，劑量和焦點都以恒定的遞增步驟變化，由此進(jìn)行后續(xù)的分析。因此，例如焦點可以以50～100nm的步長在一個確定的范圍內(nèi)變化，并且例如劑量可以以1或2mJ的增量在一個確定的范圍內(nèi)變化。衍射光柵20可以采用由間隔30分開的常規(guī)線條25，或者可以采用三維圖案，如圖3所示。
典型的衍射光柵是通過在抗蝕劑材料中通過制備掩模而建立的，其中掩模上帶有與所需衍射光柵的所需形狀、大小以及結(jié)構(gòu)對應(yīng)的不透明區(qū)和透明區(qū)。然后將輻射源施加到掩模的一個面上，由此將掩模形狀和間隔投影到抗蝕劑層上，抗蝕劑層處于掩模的反面。在掩模和抗蝕劑層之間、也可以選擇在輻射源和掩模之間插入一個或多個透鏡或其它的光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)以足夠的水平暴露與輻射或激勵之下以進(jìn)行抗蝕劑的改變時，在抗蝕劑中形成一個潛像。代表抗蝕劑材料中化學(xué)變化的潛像導(dǎo)致抗蝕劑層反射率的變化，并且因而可以用于產(chǎn)生衍射特征，如前所述。在一個實施例中，可以對帶有抗蝕劑中潛像的晶片進(jìn)行后曝光烘干，用于驅(qū)動附加的化學(xué)反應(yīng)或擴(kuò)散抗蝕劑層中的成分。在另一實施例中，可以通過顯影過程、也可以選擇化學(xué)顯影過程對抗蝕劑顯影，由此除去部分抗蝕劑，該部分由采用正抗蝕劑還是負(fù)抗蝕劑來決定。該顯影過程也稱作蝕刻過程，產(chǎn)生抗蝕劑層以及可選擇的設(shè)置有抗蝕劑層的襯底材料如其它薄膜的蝕刻區(qū)域和間隔。
在本發(fā)明的方法和裝置中，可以對衍射光柵曝光但不顯影，也可以顯影。類似地，雖然前述總的描述了產(chǎn)生衍射光柵的常規(guī)方法，但也可以采用任何其它的方法，包括使用相移掩模，也可以采用各種輻射源，包括電子束曝光等。
焦點是任何光刻裝置、包括步進(jìn)器或類似的光刻裝置中的一個關(guān)鍵參數(shù)。焦點和焦深是劑量或量子輻射能以及焦點或透鏡到目標(biāo)的距離的函數(shù)。指定曝光區(qū)域內(nèi)的所有點的所得圖象都必須良好，由此產(chǎn)生可確定的有用的焦深。但是，除劑量或焦點以外的因素也影響焦深和焦點，包括象散、場域彎曲、透鏡質(zhì)量、晶片臺在x和y軸中的取向等。生產(chǎn)的典型晶片步進(jìn)器具有大約0.15～1.25微米的分辨率，具有大約0.40～1.50微米的焦深。
因而對固定劑量的焦點中心的判斷對于光刻裝置、如對于晶片處理中光致抗蝕劑曝光步驟期間的步進(jìn)器的有效操作非常關(guān)鍵。用在步進(jìn)器或其它光刻裝置中的透鏡具有非常有限的焦深，因此必須有最大的精度。處于焦點中的透鏡將產(chǎn)生清晰的光致抗蝕劑圖象，并且焦點的缺乏將產(chǎn)生無功能的光致抗蝕劑特征。透鏡處于焦點中心也顯著提高了過程的可重復(fù)性。一旦知道并確定焦點的中心，就可以采用各種不同的自動聚焦系統(tǒng)或方案中的任意一種來決定透鏡之間的間隔并保持晶片恒定。這些系統(tǒng)包括光學(xué)方法，如采用反射光；電容法和壓感法，如采用加壓的空氣。但是，這些系統(tǒng)和方案不能確定焦點中心，而只能簡單地維持透鏡-晶片距離的恒定。在典型的操作中，必須周期性地確定焦點的中心，通常光刻裝置每六個小時或更短的操作時間就要確定一次。
來看圖5，圖中是利用基于角分辨散射儀光輻射源的工具產(chǎn)生的兩個衍射特征，衍射特征代表從一個聚焦步驟到下一個聚焦步驟(聚焦步驟n和n+1)的鏡反射階。在圖5的每一幅中，對衍射光柵光致抗蝕劑的曝光采用恒定的劑量，焦點或透鏡到晶片的距離在遞增聚焦步驟中變化。通過對光致抗蝕劑曝光但隨后不顯影或是再顯影，獲得最終的衍射特征，其中在抗蝕劑層中以及可選擇地包括一部分晶片的襯底中蝕刻該結(jié)構(gòu)。測量一系列衍射光柵，并且例如在與處理器有關(guān)的存儲器中記錄所得的衍射特征。衍射光柵是任何一種采用能夠衍射光束的重復(fù)或周期性特性的結(jié)構(gòu)，包括但不限于圖1和圖3的結(jié)構(gòu)。通過測量從一個聚焦步驟到下一個聚焦步驟的衍射特征的差值來分析鏡反射階或任何高階衍射的衍射特征的差值。當(dāng)接近焦點中心時，從一個聚焦步驟到下一個聚焦步驟的衍射特征的差值將變小。在理論上的理想狀態(tài)下，焦點中心是衍射特征的差值處于最小的點。因此，如圖5所示，相鄰聚焦步驟的衍射光柵的衍射特征分開的距離隨著與焦點中心的接近而減小，使得在圖5C中，兩個最終的衍射特征實質(zhì)上可以疊加，二者之間沒有顯著的差異。
一個聚焦步驟到下一個聚焦步驟的衍射特征的差值以及焦點中心的判斷可以通過可視比較最終的相鄰聚焦步驟的衍射特征來斷定，如圖5所示。但是，這種方法需要操作者的判斷，不是可以直接量化的，并且也比較慢。因此，可以采用任何一種度量標(biāo)準(zhǔn)或分析法來測量一個聚焦步驟到下一個聚焦步驟的衍射特征的差值。這種方法包括但不限于，將均方誤差(MSE)或均方根誤差(RMSE)減到最小，并且測量其它的歐幾里得的距離。這種方法還包括平均、加權(quán)平均、平均和以及其它使衍射特征的差值特征化的方法。
在一個實施例中，從圖4所示的一系列連續(xù)的不同焦點設(shè)置值衍射光柵40、45、50、55和60獲得衍射特征。40和45之間的RMSE差值得到確定，并且代表相應(yīng)焦點設(shè)置值處衍射光柵40的衍射特征差值。40和45之間以及45和50之間的平均RMSE差值得到確定，并且代表相應(yīng)焦點設(shè)置值處衍射光柵45的衍射特征差值。45和50之間以及50和55之間的平均RMSE差值得到確定，并且代表相應(yīng)焦點設(shè)置值處衍射光柵50的衍射特征差值。類似的，50和55之間以及55和60之間的平均RMSE差值得到確定，并且代表相應(yīng)焦點設(shè)置值處衍射光柵55的衍射特征差值。55和60之間的RMSE差值用作相應(yīng)焦點設(shè)置值處衍射光柵60的衍射特征差值。因此，這樣產(chǎn)生一系列對應(yīng)于有序的不同焦點衍射光柵之間焦點設(shè)置值之差的衍射特征差值。
一旦獲得衍射特征的差值，就可以將之用于通過加權(quán)平均判定來確定焦點的中心。在這一實施例中，可以通過下面的方程(1)來確定焦點的中心COF=Σ(Focus Step)(DSDRMSE)2Σ1(OSDRMSE)2---(1)]]>此處，COF是焦點的中心，DSDRMSE是RMSE衍射特征差值(DSD)。
也可以通過其它的方式比較衍射特征差值的數(shù)字表達(dá)式，將焦點中心確定為對應(yīng)于相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間具有最小差值的區(qū)域的焦點設(shè)置值?？梢詫?shù)字表達(dá)式繪制成針對焦點設(shè)置步驟的曲線，由此產(chǎn)生圖6中的曲線，表示以焦點中心為中心的拋物線。在焦點中心處，拋物線的斜率為零或接近零，這種幾何軌跡還代表相鄰的不同焦點設(shè)置值衍射光柵的衍射特征之間的最小差值的區(qū)域。
可以用任何一種濾光片及相關(guān)的數(shù)學(xué)模式在確定焦點中心之前排除非正值。尤其對于以基本上處于焦點之外的焦點設(shè)置值曝光的衍射光柵，產(chǎn)生的焦點曲線可能變得不穩(wěn)定。每個衍射光柵還可能由于與焦點設(shè)置值無關(guān)的原因、如曝光誤差、抗蝕劑缺陷等產(chǎn)生有誤差的結(jié)果。
可以通過分析所得的拋物線來量化給定的光刻裝置如步進(jìn)器的焦深或穩(wěn)定性。如果繪圖的函數(shù)有非常整齊的拋物率，如圖7A所示，則焦深相應(yīng)的很小，因為包含最小值的區(qū)域與一個很小系列的焦點設(shè)置值對應(yīng)。如果繪圖的函數(shù)有一個很寬泛的拋物率，如圖7B所示，其中圖7B表示對應(yīng)于最小值的一個較大區(qū)域，則焦深較大，允許各個設(shè)置值有良好的焦點值。
對于響應(yīng)于所得的拋物線，焦點中心必須包含在用于曝光衍射光柵的系列遞增焦點設(shè)置值內(nèi)。即在不包含焦點中心的范圍內(nèi)不能產(chǎn)生在焦點中心具有零斜率的拋物線。另外，對于嚴(yán)重偏離焦點的點，例如在連續(xù)的聚焦步驟完全去除抗蝕劑的地方，一個聚焦步驟到下一個聚焦步驟的衍射特征可以非常接近。這是不在所得的圖象中產(chǎn)生任何顯著差異的聚焦步驟中差異的函數(shù)。在此有太多的光柵模型或均勻薄膜模型可以用于確定顯著偏離焦點的區(qū)域。一般這種點不能繪成拋物線。
雖然圖5的實例表示作為入射角函數(shù)的不同焦點衍射特征的比較，其中S偏振和P偏振連在一起并繪成相對于衍射強(qiáng)度的曲線，但可以很容易地理解，在其它的衍射模式中，衍射特征的曲線可以很類似。因此，對于可變波長的衍射，通過繪制波長與強(qiáng)度的曲線產(chǎn)生衍射特征，對于可變相位衍射，通過繪制相位與強(qiáng)度曲線產(chǎn)生衍射特征，對于可變偏振態(tài)衍射，通過繪制偏振態(tài)與強(qiáng)度曲線產(chǎn)生衍射特征，對于可變?nèi)∠蜓苌?，通過繪制φ與強(qiáng)度的曲線產(chǎn)生衍射特征，等等。類似地，雖然圖5的衍射特征由反射衍射產(chǎn)生，但可以通過透射衍射獲得類似的衍射特征，只要用于衍射的基于輻射源的工具可以透過至少部分衍射光柵，如可以通過利用基于X射線輻射源的工具獲得，或者對于基于光源的工具，通過透明的或半透明的衍射光柵和襯底獲得。圖5表示零階或鏡反射階衍射，但可以通過任何高階衍射獲得類似的結(jié)果，可以理解，對于大多數(shù)實施例，相同階衍射的衍射特征最便于比較。
在產(chǎn)生圖6所示的曲線中，或在產(chǎn)生方程(1)所示的焦點中心中，可以理解，可以用各種統(tǒng)計技術(shù)在測得的焦點之間內(nèi)插以給出焦點中心更精確的測量值。這些方法是現(xiàn)有的已知技術(shù)，可以很方便地應(yīng)用。類似地，可以采用不用每個焦點的分析法，而根據(jù)多個焦點設(shè)置值的衍射特征差值進(jìn)行初始分析。優(yōu)選焦點設(shè)置步驟之間的增量差值保持恒定，但還預(yù)期在焦點設(shè)置步驟不均勻的地方可以采用內(nèi)插法。
利用本發(fā)明的方法，焦點中心的差值一般小于0.03微米，低于0.07微米的典型焦點步長的大小。這允許在光刻裝置如步進(jìn)器的分辨率之內(nèi)聚焦。
可以類似的方式分析焦點中心劑量的效果。在包含焦點中心的確定的不同焦點范圍內(nèi)產(chǎn)生一系列衍射光柵組，如衍射光柵組20，劑量以階梯的形式從一個衍射組變到另一個衍射組。結(jié)果是一系列處于不同的已知劑量的衍射光柵組。然后通過上面提出的基于輻射源的工具獲得每個衍射光柵組的一系列衍射特征。所得系列的衍射特征例如可以通過衍射特征差值分析來分析。可以把所得的焦點中心繪成相對劑量的曲線，由此產(chǎn)生劑量對焦點中心的作用。通過這種方式可以確定劑量設(shè)置值或最穩(wěn)定的焦點曲線的設(shè)置值，使得可以選擇對焦點曲線或焦深影響最小的劑量設(shè)置值。
還容易理解，利用衍射特征差值，如圖6所示，以及關(guān)于場域中衍射光柵位置的數(shù)據(jù)，其中場域可以是常規(guī)的一個晶片臺，可以繪制作為場域中位置的函數(shù)的焦點中心，如圖8所示。這一曲線可以顯示透鏡系統(tǒng)的象差、象散或其它導(dǎo)致場域上焦點中心不均勻的缺陷。類似地，如圖9所示，可以繪制在X和Y軸上場域的傾斜，由此表示作為場域中位置的函數(shù)的焦點中心的平臺傾斜效果。
利用本發(fā)明的方法和裝置，還可以使通過衍射特征差值確定的焦點中心的特征與理論的或?qū)嶋H的衍射特征差值的已知庫匹配。這種匹配庫可以顯著地小于必須包括很寬范圍的偏焦設(shè)置值的常規(guī)的理論庫，由此允許更迅速地產(chǎn)生庫，在理論庫的情況下，對于該庫有較小的存儲要求，并且有較短的分析時間。
本發(fā)明的方法和裝置也可以用于質(zhì)量控制測試，包括對由其它方式確定的焦點中心的分析。這可以聯(lián)合如上所述的角分析散射儀進(jìn)行，包括與其相關(guān)的計算機(jī)系統(tǒng)，或能夠進(jìn)行所述測量的其它合適的裝置。
通過采用角分辨散射儀，可以把衍射特征分成在由光柵方程(2)規(guī)定的角度定位處的不同階衍射sinθi+sinθn＝nλ/d (2)此處，θi是入射角，取為負(fù)數(shù)，θn是n階衍射的角度定位，λ是入射光的波長，d是衍射光柵的空間周期或間距。因此可以看出，對于零階或鏡反射階衍射，入射角等于鏡反射階衍射的角度定位。但是，也可以采用除鏡反射階衍射以外的其它階衍射，并且如上所述地確定適當(dāng)?shù)慕嵌榷ㄎ?。類似的關(guān)系控制生成光柵特征的其它模式，使得可以采用生成光柵特征的任何模式，既可以是鏡反射階衍射，也可以是一些較高階的衍射。例如，在波長分解裝置中，可以保持θi角恒定，并且波長改變，在給定n的情況下求解方程中的θn。
本發(fā)明的方法和裝置也可以用于確定焦點的中心，由此通過適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)焦點中心，包括采用基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)，并且本發(fā)明的方法用于確定何時判定已經(jīng)確定了可接受的或最佳的焦點。可以通過劑量變化或通過其它公知的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明利用自動聚焦控制系統(tǒng)，還可以用于自動裝置或自動確定焦點中心，由此將關(guān)于衍射特征分析的信息用于控制系統(tǒng)以判斷焦點，如通過劑量變化。
雖然以上已參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但其他的實施例也可以達(dá)到同樣的效果。本發(fā)明的變化和修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。以上引用的所有參考文獻(xiàn)、應(yīng)用、專利和公開物都在此引為參考。
權(quán)利要求
1.一種用于測量有關(guān)光刻裝置的參數(shù)的方法，包括下列步驟提供一個襯底，襯底上包括多個通過利用光刻裝置的光刻法形成的衍射光柵，衍射光柵包括多個間隔元件；通過基于輻射源的工具測量多個衍射光柵中的至少三個的衍射特征；和確定衍射特征之間的差值，從而確定所述光刻裝置的所需參數(shù)。
2.一種用于確定光刻裝置中的焦點中心的方法，包括下列步驟提供一個襯底，襯底上包括多個通過利用光刻裝置制成的衍射光柵，多個衍射光柵包括不同的已知焦點設(shè)置值；通過基于輻射源的工具確定多個衍射光柵中的至少三個的衍射特征；測量相鄰焦點設(shè)置值的衍射光柵之間的衍射特征的差值；和確定焦點中心作為焦點設(shè)置值，其中在相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵的衍射特征之間有一個最小的差值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于襯底包括一個晶片。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于基于輻射源的工具包括一個基于光源的工具，其中基于光源的工具包括a)一個入射激光源，一個用于聚焦激光束并掃描一定范圍的入射角的光學(xué)系統(tǒng)，和一個用于探測最終測量角內(nèi)的最終衍射特征的探測器；b)多個角分辨散射儀；c)多個激光源；d)入射寬譜段光源，聚焦光束并通過一定范圍的入射波長照明的光學(xué)系統(tǒng)，和一個用于探測最終測量波長上的最終衍射特征的探測器；e)入射光源，用于改變S和P偏振光的振幅和相位的組件，聚焦光束并在一定的入射相位上照明的光學(xué)系統(tǒng)，和探測最終衍射特征的相位的探測器。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于測量衍射特征包括a)通過基于寬波段輻射源的以固定的角度、可變的角度θ或可變的角度φ工作的工具源進(jìn)行相位測量；b)通過基于單波長輻射源的以固定的角度、可變的角度θ或可變的角度φ工作的工具源測量相位；c)通過基于多個分散的波長輻射源的工具源測量相位。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于衍射特征是一種反射式衍射特征或透射式衍射特征。
7.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于衍射特征是一種鏡反射階衍射特征或高階衍射特征。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括利用光刻裝置以已知的不同焦點設(shè)置值、可選的等同增量的不同焦點設(shè)置值形成多個衍射光柵，并確定兩個相鄰的焦點設(shè)置值衍射光柵，其中衍射特征之間的差值小于其它相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間衍射特征的差值，因此該參數(shù)是光刻裝置的焦點中心。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于已知的不同焦點設(shè)置值是不等增量的不同焦點設(shè)置值，并且本方法還包括采用數(shù)學(xué)算法對不等增量的不同焦點設(shè)置值歸一化。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于衍射光柵之間的衍射特征差值的增加為近似拋物曲線，其斜率在焦點中心上為零。
11.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于確定衍射光柵之間衍射特征的差值還包括使用度量標(biāo)準(zhǔn)，或者選擇使用的數(shù)據(jù)分析的均方根誤差法。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定最小的差值包括對衍射光柵之間衍射特征的加權(quán)平均差值的比較。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該方法還包括利用光刻裝置以相同的焦點設(shè)置值形成多個衍射光柵，并確定作為襯底上衍射光柵的位置函數(shù)的差值。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該方法還包括以不同的已知焦點設(shè)置值和已知的不同劑量設(shè)置值形成多個衍射光柵，并確定劑量對焦點的影響。
15.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于相鄰焦點設(shè)置值衍射光柵之間的衍射特征差值的增加為近似拋物曲線，其斜率在最小差值上為零。
16.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于確定相鄰焦點設(shè)置值的衍射光柵之間衍射特征的差值還包括使用度量標(biāo)準(zhǔn)或者選擇使用的數(shù)據(jù)分析的均方根誤差法確定差值。
17.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于確定最小差值包括比較相鄰焦點設(shè)置值的衍射光柵之間衍射特征差的加權(quán)平均值。
18.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于確定最小差值包括使從相鄰的序列焦點設(shè)置值衍射光柵之間衍射特征之差推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)與拋物曲線擬合，由此，最小的差值包含拋物曲線的最小值。
19.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于不同焦點設(shè)置值包括不同的序列焦點設(shè)置值之間的恒定差值。
20.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于已知的不同焦點設(shè)置值是不等增量的不同焦點設(shè)置值，并且本方法還包括采用數(shù)學(xué)算法對不等增量的不同焦點設(shè)置值歸一化。
全文摘要
本發(fā)明提供通過利用多個衍射光柵(20)進(jìn)行衍射特征差值分析而在光刻晶片(10)中進(jìn)行判斷的方法。
文檔編號G01B9/00GK1469989SQ01817372
公開日2004年1月21日 申請日期2001年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月6日
發(fā)明者邁克爾·尢金·利陶, 克里斯托弗·丁·雷蒙德, 托弗 丁 雷蒙德, 邁克爾 尢金 利陶 申請人:安格盛光電科技公司