本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別涉及一種套刻誤差測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)itrs(國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖)給出的光刻測量技術(shù)路線圖，隨著光刻圖形cd尺寸進(jìn)入22nm及以下工藝節(jié)點，特別是雙重曝光(doublepatterning)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對光刻工藝參數(shù)套刻(overlay)的測量精度要求已經(jīng)進(jìn)入亞納米領(lǐng)域。由于成像分辨率極限的限制，傳統(tǒng)的基于成像和圖像識別的套刻測量技術(shù)(ibo，英文全稱：imaging-basedoverlay)已逐漸不能滿足新的工藝節(jié)點對套刻測量的要求，基于衍射光探測的套刻測量技術(shù)(dbo，英文全稱：diffraction-basedoverlay)正逐步成為套刻測量的主要手段。

散射測量技術(shù)采用如圖1所示的套刻測量標(biāo)記，該標(biāo)記由在硅基底01上制成的上、下層光柵結(jié)構(gòu)03、02組成，下層光柵結(jié)構(gòu)02由前一次曝光圖形經(jīng)顯影、刻蝕、沉積等半導(dǎo)體工藝制成，上層光柵結(jié)構(gòu)03通常為本次曝光、顯影后的光刻膠圖形，套刻誤差ε指兩次曝光間的位置誤差。散射測量技術(shù)測量套刻誤差的原理為：當(dāng)測量光正入射到上述套刻標(biāo)記時，由于套刻誤差引起的標(biāo)記結(jié)構(gòu)不對稱性使衍射光的高級次光光強(qiáng)產(chǎn)生不對稱性，該不對稱性在很小的套刻誤差范圍內(nèi)隨套刻誤差近似線性變化。例如，套刻標(biāo)記存在ε的套刻誤差，則測得入射光各級衍射光的光強(qiáng)i+和i-的非對稱性近似可表示為：

a＝i+-i-＝k·ε(1)

其中k是標(biāo)記工藝，以及測量光屬性相關(guān)的因子，是一個未知量。

為了去除該未知量，獲得套刻誤差，通常制作2個一組的套刻標(biāo)記，如圖2a和2b所示。圖2a為上下兩層光柵結(jié)構(gòu)初始的位置，即右邊標(biāo)記的上下光柵間存在一預(yù)設(shè)偏移量δ，對應(yīng)的左側(cè)預(yù)設(shè)偏移量則為-δ。此時，散射測量裝置分別測 量左右兩個子標(biāo)記上的光強(qiáng)非對稱性，得到：

aright＝k·(ε+δ)

aleft＝k·(ε-δ)(2)

則由上式可得套刻誤差ε為：

由于dbo技術(shù)是通過測量套刻標(biāo)記衍射光角分辨譜中相同衍射級次間的非對稱性得到套刻誤差，如上述式(3)。衍射光的衍射角隨入射光入射角度的變化而改變，所謂反射光角分辨譜是指不同角度的入射光在被標(biāo)記衍射后衍射光在不同角度形成的光強(qiáng)分布。例如，光源發(fā)出的光經(jīng)干涉濾波裝置后形成窄帶寬的入射光，物鏡將入射光匯聚到硅片的套刻標(biāo)記上，探測器位于物鏡的后焦面，標(biāo)記的衍射光被物鏡收集后被探測器接受，探測器測得標(biāo)記各個角度衍射光的角分辨譜。但是為了進(jìn)行多波長測量，一般需要在物鏡光瞳面進(jìn)行分光，以便同時測量多個分立波長下的角分辯譜。

由此可知，目前的套刻誤差測量裝置及方法存在如下缺陷：首先，為了同時測量多個波長的角譜信息，上述方案在測量光路中引入光柵和楔板進(jìn)行多個波長瞳面位置分離，因此大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；其次，采用上述方案時，若希望單個波長獲得的有效信號不變，則需要擴(kuò)大探測器的靶面和像素，且面積和像素的增加與波長數(shù)量成正比。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種套刻誤差測量裝置及方法，以解決現(xiàn)有的套刻誤差測量裝置及方法存在的上述技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種套刻誤差測量裝置，包括：

光源，用于產(chǎn)生2種或2種以上波長的多色光，且相鄰兩個波長之間至少具有波長間隔δλ；

照明單元，用于提供照明光照射標(biāo)記，并將所述光源發(fā)出的光在鏡頭的瞳面 形成特定的照明分布形式，所述照明單元照明光闌透光區(qū)域?qū)挾萳；

鏡頭，將所述照明單元出射的光匯聚至硅片的套刻測量標(biāo)記上，并接收所述套刻測量標(biāo)記的衍射光；

分光單元，將所述照明單元的光引入鏡頭，并將所述鏡頭收集的硅片衍射光引向探測單元；

基底單元，具有套刻測量標(biāo)記，所述套刻測量標(biāo)記的光柵周期為p，上述照明光闌所在平面對應(yīng)入射到基底單元表面的照明光入射角為90°時點與入射角為0°的點的間距l(xiāng)max；

探測單元，用于接收從上述基底單元反射的測量光，為探測鏡頭瞳面的角譜信號；以及

處理單元，用于接收所述探測單元獲取的測量信號并進(jìn)行處理，計算套刻誤差；

其中，上述波長間隔δλ、透光區(qū)域?qū)挾萳、光柵周期p及間距l(xiāng)max之間滿足以下公式

較佳地，所述光源為若干個分立波長組成的復(fù)合光源。

較佳地，所述復(fù)合光源中的每個波長光源設(shè)有單獨控制開關(guān)，或者設(shè)有獨立快門。

較佳地，所述照明單元包括準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)和整形機(jī)構(gòu)，所述準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)采用楔角透鏡組或光闌，所述整形機(jī)構(gòu)采用可調(diào)節(jié)或可切換式整形機(jī)構(gòu)。

較佳地，所述照明單元還包括起偏器件，所述起偏器件采用可調(diào)節(jié)或可切換式起偏器件。

較佳地，所述鏡頭為顯微物鏡。

較佳地，所述分光單元采用半透半反鏡或者分光棱鏡。

較佳地，所述探測單元包括面陣探測器。

較佳地，所述探測單元還包括中繼鏡組，用于將所述鏡頭的瞳面成像到所述面陣探測器的感光面。

本發(fā)明還提供了一種套刻誤差測量方法，發(fā)出2種或2種以上波長的多色光的光源，照射至照明單元，所述照明單元將所述光源發(fā)出的光經(jīng)分光單元入射至鏡頭，在鏡頭的瞳面形成特定的照明分布形式，并匯聚至硅片的套刻測量標(biāo)記上，經(jīng)硅片衍射后的衍射光被所述鏡頭收集并引向探測單元，所述探測單元探測鏡頭的瞳面的角譜信號，經(jīng)所述處理單元的處理，計算出套刻誤差值。

較佳地，所述照明單元產(chǎn)生的照明光照射標(biāo)記滿足以下條件：

其中，l為透光區(qū)域的寬度，lmax為照明光照射標(biāo)記面對應(yīng)入射到硅片面的照明光入射角為90°時的點與入射角為0°的點的間距，δλ為選擇波長的間隔，p為被測套刻測量標(biāo)記的光柵周期。

較佳地，所述探測單元測得多波長光源的角譜信號后，對該角譜信號的照明非均勻性、光學(xué)系統(tǒng)透過率非均勻性進(jìn)行校正。

較佳地，根據(jù)校正后的多波長光源的角譜信號計算各角譜點的套刻誤差值，并通過均值方法或最大概率方法得到最終的套刻誤差值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的套刻誤差測量裝置及方法具有如下優(yōu)點：

1.使用2個或多個分立波長同時對套刻測量標(biāo)記進(jìn)行照明，以增加有效信號，從而提高測量重復(fù)性；特別是測量微標(biāo)記時，相同照明條件和相同積分時間下，由于衍射光不足，無法達(dá)到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記的測量重復(fù)性，通過多波長增加有效信號的方式，可在不改變積分時間的前提下獲得高的重復(fù)性。

2.無需在測量光路中引入光柵或楔板等分光器進(jìn)行多個波長瞳面位置分離，即可在頻譜面上獲得多個波長的角譜圖像。

3.無需擴(kuò)大探測器面積或減小單個角譜成像區(qū)域以獲得多個波長的角譜圖像。

附圖說明

圖1為套刻測量標(biāo)記的示意圖；

圖2a和2b分別為2個一組的套刻標(biāo)記的示意圖；

圖3為本發(fā)明一具體實施方式中套刻誤差測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a～4d分別為本發(fā)明中不同照明波長的合束方法示意圖；

圖5a～11c分別為本發(fā)明中照明光照射標(biāo)記的示意圖，及其對應(yīng)的效果示意圖；

圖12為本發(fā)明中透關(guān)區(qū)的尺寸示意圖。

圖1中：01-硅基底、02-下層光柵結(jié)構(gòu)、03-上層光柵結(jié)構(gòu)；

圖3-12中：10-光源、11-照明單元、12-鏡頭、13-分光單元、14-探測單元、15-套刻測量標(biāo)記、16-硅片、17-處理單元、18-二向色鏡、19-光柵、20-第一光纖、21-第二光纖、22-激光波長選擇器、23-不透光區(qū)、24-透光區(qū)。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。需說明的是，本發(fā)明附圖均采用簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

本發(fā)明提供的套刻誤差測量裝置及方法，如圖3所示，包括：

光源10，用于產(chǎn)生2種或2種以上波長的多色光，且相鄰兩個波長之間至少具有波長間隔δλ；

具體地，所述光源10為若干個分立波長組成的復(fù)合光源，請重點參考圖4a至4d，本發(fā)明給出了4種可用于將多種波長照明光進(jìn)行合束的方法，如利用二向色鏡18合束，如圖4a；利用光束衍射角隨波長的變化關(guān)系(不同波長的光使用不同入射角照明光柵19而衍射光方向一致)，使多波長的衍射光混合，如圖4b，當(dāng)然，也可以使用棱鏡代替光柵；使用多路第一光纖20合并為一路的第二光纖21，以將不同照明波長合束，如圖4c；以及使用多個激光器和激光波長選擇器22來進(jìn)行多種波長的合束。需要說明的是，多種波長合束的方法包括以上方案，但不限于此。

照明單元11，用于提供照明光照射標(biāo)記，并將所述光源10發(fā)出的光在鏡頭12的瞳面形成特定的照明分布形式，所述照明單元11照明光闌透光區(qū)域?qū)挾萳；

鏡頭12，將所述照明單元11出射的光匯聚至硅片16的套刻測量標(biāo)記15上，并接收所述套刻測量標(biāo)記15的衍射光，本實施例中，所述鏡頭12為顯微物鏡；

分光單元13，將所述照明單元11的光引入鏡頭12，并將所述鏡頭12收集的硅片衍射光引向探測單元14；

基底單元，本實施例中為硅片16，具有套刻測量標(biāo)記15，所述套刻測量標(biāo)記15的光柵周期為p，上述照明光闌所在平面對應(yīng)入射到基底單元表面(即硅片面)的照明光入射角為90°時點與入射角為0°的點的間距l(xiāng)max；

探測單元14，用于探測鏡頭12瞳面的角譜信號；以及

處理單元17，用于接收所述探測單元14獲取的測量信號并進(jìn)行處理，計算套刻誤差；

其中，上述波長間隔δλ、透光區(qū)域?qū)挾萳、光柵周期p及間距l(xiāng)max之間滿足以下公式

本發(fā)明可同時使用多波長測量，增加有效信號，提高測量重復(fù)性；且無需擴(kuò)大探測器面積或減小單個角譜成像區(qū)域以獲得多個波長的角譜圖像。

較佳地，所述復(fù)合光源中的每個波長光源設(shè)有單獨控制開關(guān)，或者設(shè)有獨立快門，已進(jìn)行照明選擇，具體地，可根據(jù)測量對象工藝進(jìn)行測量配置優(yōu)化選擇。

較佳地，所述照明單元11包括準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)和整形機(jī)構(gòu)，所述準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)采用楔角透鏡組或光闌，所述整形機(jī)構(gòu)采用可調(diào)節(jié)或可切換式整形機(jī)構(gòu)，以滿足不同的照明需求，本實施例中，以采用特定形狀的光闌擋光來實現(xiàn)特定的照明分布形式，如圖5a至11c所示，給出了使用不同照明光闌(放置在鏡頭12瞳面或瞳面的共軛面位置)可獲取的多波長角譜信號效果示意圖，圖中，照明光闌黑色為不透光區(qū)13，白色為透光區(qū)24，效果示意圖中不同灰度顏色代表不同級次的衍射光信號。

較佳地，所述照明單元11還包括起偏器件，所述起偏器件采用可調(diào)節(jié)或可切換式起偏器件，以實現(xiàn)不同的偏振光照明。

較佳地，所述分光單元13采用半透半反鏡或者分光棱鏡。

較佳地，所述探測單元14包括面陣探測器，可以是cmos或者ccd；較佳地，所述探測單元14還包括中繼鏡組，用于將所述鏡頭12的瞳面成像到所述面 陣探測器的感光面。

本發(fā)明還提供了一種套刻誤差測量方法，發(fā)出2種或2種以上波長的多色光的光源10，照射至照明單元11，所述照明單元11將所述光源10發(fā)出的光經(jīng)分光單元13入射至鏡頭12，在鏡頭12的瞳面形成特定的照明分布形式，并匯聚至硅片16的套刻測量標(biāo)記15上，經(jīng)硅片16衍射后的衍射光被所述鏡頭12收集并引向探測單元14，所述探測單元14探測鏡頭12的瞳面的角譜信號，經(jīng)處理單元17的處理，計算出套刻誤差值。上述方法可同時使用多波長測量，增加有效信號，提高測量重復(fù)性；且無需擴(kuò)大探測器面積或減小單個角譜成像區(qū)域以獲得多個波長的角譜圖像。

較佳地，請重點參考圖12，所述照明單元11產(chǎn)生的照明光照射標(biāo)記滿足以下條件：

其中，l為透光區(qū)24的寬度，lmax為照明光照射標(biāo)記面對應(yīng)入射到硅片面的照明光入射角為90°(掠入射)時的點與入射角為0°(正入射)的點的間距，δλ為選擇波長的間隔，p為被測套刻測量標(biāo)記的光柵周期。由于不同波長的光對應(yīng)公式(1)中的系數(shù)k是不同的，若兩種波長的測量信號滿足上述條件，則可避免由于發(fā)射重疊可能導(dǎo)致的靈敏度降低問題，從而提高測量精度。

較佳地，所述探測單元14測得多波長光源的角譜信號后，對該角譜信號的照明非均勻性、光學(xué)系統(tǒng)透過率非均勻性進(jìn)行校正，進(jìn)一步提高測量精度，較佳地，根據(jù)校正后的多波長光源的角譜信號計算各角譜點的套刻誤差值，并通過均值方法或最大概率方法得到最終的套刻誤差值。

綜上所述，本發(fā)明提供的套刻誤差測量裝置及方法，該裝置包括光源10，用于產(chǎn)生2種或2種以上波長的多色光；照明單元11，用于提供照明光照射標(biāo)記，并將所述光源10發(fā)出的光在鏡頭12的瞳面形成特定的照明分布形式；鏡頭12，將所述照明單元11出射的光匯聚至硅片16的套刻測量標(biāo)記15上，并接收所述套刻測量標(biāo)記15的衍射光；分光單元13，將所述照明單元11的光引入鏡頭12，并將所述鏡頭12收集的硅片衍射光引向探測單元14；探測單元14，用于探測鏡 頭12瞳面的角譜信號；以及處理單元17，用于接收所述探測單元14獲取的測量信號并進(jìn)行處理，計算套刻誤差。本發(fā)明可同時使用多波長測量，增加有效信號，提高測量重復(fù)性；且無需擴(kuò)大探測器面積或減小單個角譜成像區(qū)域以獲得多個波長的角譜圖像。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。