监测电子束覆盖并提供先进过程控制的方法和系统

摘要

一种用于监测直写系统的覆盖的方法。该方法包括提供衬底，该衬底具有通过直写系统形成在其上的构图，产生相关于衬底构图的数据，通过应用转换矩阵分解数据，以及基于分解的数据确定覆盖指数，覆盖指数对应于衬底构图相对于目标构图的变化分量。还公开了一种监测电子束覆盖并提供先进过程控制的方法和系统。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及半导体制造，更具体地，涉及用于监测和控制直写系统的覆盖的系统和方法。

背景技术

光刻或光学光刻一般用作微细加工中的工艺，以选择性地移除衬底上的薄膜的部分。光刻通常使用定向光源将几何构图从光掩膜转移到形成在衬底上的光敏化学抗蚀剂材料上，从而在抗蚀剂材料上由光辐射而形成曝光的构图。然后可以使用一系列化学处理来刻蚀或另外将曝光的构图转移到位于抗蚀剂层之下的一个或多个薄膜层中。

更多最近的用于微细加工的光刻型系统用于在抗蚀剂层中转移或产生曝光构图，而没有产生光掩膜的中间步骤。例如，直写(DW)曝光设备用于直接将构图写入衬底上的一个或多个层中。构图通常通过用于控制精确曝光源的电子或计算机类型文件来写，该精确曝光源可以被选择性地定向到衬底的层上。更具体地，DW曝光设备通常配置为电路构图的曝光不是通过光致抗蚀剂通过掩膜或电路的负片而照明，而是通过使用适合能量和用量的聚焦光束定向和选择性地曝光衬底上的抗蚀剂或其他层的所需要的区域，以产生所需要的电路构图。然而，监测和控制光束的覆盖很复杂，从而可能导致性能较差。

发明内容

本发明的实施例的一个较广的形式包括用于监测直写系统的覆盖的方法。该方法包括提供衬底，该衬底具有通过直写系统形成在其上的构图；产生相关于衬底构图的数据；通过应用转换矩阵分解数据；以及基于分解的数据确定覆盖指数，覆盖指数对应于衬底构图相对于目标构图的变化分量。在一些实施例中，衬底包括晶片。在另一些实施例中，衬底包括光掩膜。

本发明的实施例的另外一个较广的形式包括一种用于控制直写系统的方法。该方法包括通过直写系统构图当前衬底；确定构图的当前衬底的度量数据；分解度量数据以确定构图的当前衬底相对于目标构图的覆盖类型；以及通过基于确定的覆盖类型控制直写系统以构图下一个衬底。在一些实施例中，衬底包括晶片。在另一些实施例中，衬底包括光掩膜。

本发明的实施例的又一个较广的形式包括一种直写系统。该直写系统包括曝光模块，其包括用于写当前衬底的光束；以及控制器，其用于执行以下指令：接收被曝光模块构图的先前衬底的数据；通过应用转换矩阵分解数据；基于分解的数据确定覆盖指数，覆盖指数对应于先前衬底构图相对于目标构图的变化分量；以及基于覆盖指数控制曝光模块写当前衬底。在一些实施例中，衬底包括晶片。在另一些实施例中，衬底包括光掩膜。

附图说明

本发明的方面通过以下的详细描述结合附图能够得到更好的理解。需要强调的是，根据行业内的标准实践，各种特征没有按比例绘制。实际上，为了描述清楚，各种特征的尺寸可以任意地增加或减小。

图1为根据本发明的各个方面的直写(DW)系统的示意图；

图2为衬底被具有多个光束的DW系统扫描的顶视图；

图3A-3D为构图区域相对于目标区域的不同覆盖类型的顶视图；

图4为根据本发明的各个方面的监测和控制直写系统的覆盖的方法的流程图；

图5为确定光掩膜上的覆盖的不同类型的方法的示意图；

图6A-6B为包括在x方向和y方向表示的平移分量的覆盖类型的示意图；

图7A-7B为包括在x方向和y方向表示的缩放分量的覆盖类型的示意图；

图8A-8B为包括在x方向和y方向表示的旋转分量的覆盖类型的示意图；

图9A-9B为包括在x方向和y方向表示的梯形分量的覆盖类型的示意图；

图10为对分解正交转换矩阵提取变化分量的方法的示意图；以及

图11为用于控制工艺的工艺指数的工艺流程的框图。

具体实施方式

本发明一般地涉及半导体制造，更具体地，涉及用于监测和控制直写系统的覆盖的系统和方法。然而，可以理解的是，本发明提供了特定的实施例作为示例以教导较广的发明构思，本领域技术人员能够很容易将本发明的教导应用于其他方法或器件。另外，可以理解的是，本发明中讨论的方法和系统包括一些传统的结构和/或工艺。由于这些结构和工艺是本领域所公知的，所以仅仅讨论了细节的一般水平。另外，为了方便和示例的目的，在附图中重复参考数字，这样的重复不指示附图中的特征或步骤的任何必须的组合。

参考图1，示出了示例性的直写(DW)系统100的示意图。DW系统100包括数据处理单元102(DPU)和曝光单元104(EXU)。DPU 102(DPU)配置为从数据存储介质读取构图数据，该数据存储介质可以在DPU 102之内或与DPU 102远距设置并与DPU 102通信。DPU 102获取构图数据并将其加载到它的存储器103上。DPU 102处理构图数据并产生构图写指令集，将写指令集发送到EXU 104。根据存储的构图数据的形式，当构图数据包括EXU写指令时，DPU的功能为读取、加载和发送，如上所述。然而，当存储的构图数据为电路设计者的原始GDS型文件时，然后DPU 102也可以进行邻近效应校正和转换为用于EXU 104的写指令。可选择地，邻近效应校正和转换可以可选地通过独立的模块分别进行。写指令集优选为在一个或多个使用光辐射作为信息载体的光纤106上发送，之后将对此进行讨论。光纤106的高带宽支持高数据传输率，并且适合从DPU 102以足够的速率传送大量数据到EXU 104以便正确地写构图数据。

EXU 104包括源108，其配置为产生至少一个激励光束110。在当前实施例中，激励光束110为电子束(称为E-beam)。可选择地，激励光束可以任选地包括光子束或离子束。光束110可以穿过一个或多个透镜(未示出)，并可以聚焦在光束口径部分112。光束口径部分112配置为具有多个将光束110分为多个光束114的口径或开口。光束114的数目可以根据DW系统100的设计需求而变化，之后将进行讨论。多个光束114可以传播到光束控制器116，其配置为允许一个或多个光束穿过成像头120，或阻止/间隔一个或多个光束114穿过成像头。成像头120包括用于聚焦被允许穿过的光束的电子光学系统。光束控制器116可以包括多个偏转器，其被与从DPU 102发送的写指令相关的电子控制信号所控制。当偏转器没有通电时，相应的光束被允许穿过成像头120。当偏转器通电时，产生电场，其使相应的光束偏转，这样光束被阻止穿过到达成像头120。

EXU 104还可以包括控制器122，其从DPU 102通过光纤106接收写指令。写指令使用光辐射作为信息载体发送。因此，控制器122包括多个光电转换器，如光电二极管，将光信号(如写指令)转换为电控制信号，其用于控制如上所述的光束控制器116的偏转器123。DW系统100还包括载物台124，其配置为在各个方向移动126。载物台124可以通过真空系统或其他适合的保护机制固定并保护衬底130。衬底130可以包括半导体晶片、掩膜版、玻璃衬底和平板衬底。例如，衬底130可以包括硅、锗、金刚石或化合物半导体。可选择地，衬底130可以包括其他类型的衬底如用于薄膜晶体管液晶显示器(TFT LCD)器件的玻璃或用于光掩膜或光刻版的熔融硅/氟化钙。

衬底130包括形成在其上的记录介质132，如光致抗蚀剂。在加工期间，衬底130被相对于成像头120移动或扫描，并与控制器122配合。穿过成像头120的光束114通过电子光学系统聚焦到记录介质132上，这样所需要的构图直接写到记录介质中(没有光掩膜或光刻版)。在整个衬底130被扫描之后，记录介质132被显影以在衬底130之上形成构图，其他工艺，如刻蚀或掺杂，可以使用构图的记录介质进行。例如，衬底130可以包括晶片，其被构图有各种特征以形成集成电路。在另一个例子中，衬底130可以包括光掩膜，其被构图有各种特征以形成用于光刻工艺的掩膜构图。可以理解的是，DW系统100可以包括其他组件如对准系统和瞄准仪，但是为了更好的理解本发明的实施例此处被简化了。

参考图2，示出了衬底200被图1的DW系统100扫描的顶视图。衬底200包括多个区域202，其中所需要的构图被写在其上。区域202的尺寸可以根据设计需求而变化。在当前的例子中，区域尺寸为26mm×40mm或更小。区域202可以包括至少一个管芯，其在整个衬底200之上重复。优选的是，在管芯内安装尽量多的芯片(如，独立的功能电路)以最小化曝光整个衬底所需要的步骤，从而最大化衬底产量。多个光束可以限制在曝光区域204之内。因此，由于衬底200在一个方向被扫描，所以曝光区域204对于直写区域202是足够的。

如上所述，衬底200可以固定在类似于图1的载物台124的载物台(未示出)上。该载物台配置为在x方向210和y方向220移动，这样整个衬底200能够被扫描和通过多个光束直写。例如，衬底200(通过载物台)在方向230沿y方向220移动，写指令控制多个光束将所需要的构图写到区域202。写指令将曝光区域204重复到下一个区域202并依此继续。当曝光区域204到达衬底200的边缘时，载物台继续移动，这样曝光区域204超出衬底边缘足够的距离以促成方向的变化232。然后衬底200在曝光期间在相对方向234沿一y方向220移动，直到曝光区域204再一次到达衬底边缘。然而，由于需要在与方向230相反的方向234写入构图，因此写指令被翻转。衬底200继续移动，这样曝光区域超出衬底边缘，再一次促成方向的变化236。DW系统重复该过程，在衬底200上的每个区域202写所需要的构图。

参考图3A-3D，示出了DW系统的覆盖的可能类型的顶视图。DW系统的覆盖性能包括DW系统将区域构图写到衬底上的精度。也就是，构图区域是否位于衬底上所需要的或目标区域。可以观察到，构图区域可以由于DW系统的不同的因素如元件(如透镜)、成像层的构成、运行环境、校准过程和控制过程而相对于目标变化。在不同的顶视图中，为了方便和清楚的目的，目标区域305示为矩形(虚线)。目标区域305表现了被写或构图到衬底上的区域所需要的位置和尺寸。被写/构图的实际区域可以相对于目标区域305变化，实际区域的覆盖的类型能够基于实际区域相对于目标区域305的几何变化而描述，如下所述。

在图3A中，覆盖类型能够被描述为包括平移分量310，如构图区域311所示。构图区域311在x方向和y方向(垂直于x方向)移动。x方向和/或y方向的移动量可以是相同或不同的。需要注意的是，平移分量可以发生在一个方向，x方向或y方向。

在图3B中，覆盖类型也能够描述为包括旋转分量320，如构图区域321所示。构图区域321相对于目标区域305旋转。旋转轴为目标区域305的中心附近。应该知道，旋转量可以改变。

在图3C中，覆盖类型也能够被描述为包括缩放分量330，如构图区域331所示。在当前的例子中，构图区域331被放大小于1的系数(也称为扩张)。也就是，构图区域331相对于目标区域305在x方向和y方向都缩小了。需要注意的是，在一些情况下，构图区域可以相对于目标区域305扩大。另外，在其他情况下，构图区域可以在一个方向缩小，在另一个方向扩大。

在图3D中，覆盖类型也能够被描述为包括梯形分量340，如构图区域341所示。构图区域341包括目标区域305收缩的部分，目标区域的另一部分伸长，从而将矩形变形为梯形。构图区域341示为在x方向变形。需要注意的是，变形也可以发生在y方向，如一侧部收缩，另一侧部伸长。

虽然以上对构图区域311、321、331、341独立地进行了描述，但是可以理解的是，实际区域可以包括几何变化的任何组合。例如，实际区域可以包括平移分量和旋转分量。因此，重要的是，根据测量数据分解每个分量(或覆盖类型)以评估覆盖性能，以下将进行描述。另外，可以理解的是，可以存在构图区域的其他覆盖类型，如S形、扭转形、帽形、Z形或任何其他适合的配置。覆盖类型是用于确定多个构图工艺，提供控制、校准和DW系统的预防性维护的重要的信息。

参考图4，示出了根据本发明的各个方面的用于监测直写工艺的覆盖的方法400的流程图。方法400开始于块410，其中衬底被直写工艺构图。直写工艺可以使用图1的DW系统的电子束。方法400继续到块420，其中构图的衬底通过度量设备检查。度量设备可以包括能够测量覆盖信息并确定相对于各自目标点的参考点的位置的任何适合的显微镜设备，该覆盖信息包括衬底上的一个或多个构图区域的参考或控制点。

方法400继续到块430，其中确定了转换矩阵。转换矩阵配置为根据如上参考图3A-3D的几何变化如平移、缩放、旋转和梯形提取分量。也参考图5，示出了确定光掩膜上的不同覆盖类型的方法的图形表示。可以选择多个位置或参考点500用于测量衬底上的覆盖。在当前实施例中，为描述覆盖类型测量了十(10)个位置(L1-L10)。覆盖通过评估相对于目标点520的实际/测量点510(块410中)而确定。因此，测量的覆盖可以包括x方向的摆度530(如RunOut(X))和y方向的摆度540(如RunOut(Y))。

参考图6A和6B，示出了包括分别在x方向和y方向表示的平移分量的覆盖的图形表示。在图6A中，x方向的平移分量示出为具有位置(图5的L1-L10)。所有的位置(L1-L10)示出为在x方向向右移动一个单位(1)。在图6B中，y方向的平移分量示出为具有位置(L1-L10)。所有的位置(L1-L10)示出为在y方向向上移动一个单位(1)。可以理解的是，描述不同覆盖类型的方向(如右、左、上、下)和量(如一个单位、两个单位)的规定仅仅是一个示例，在不偏离本发明的精神和范围的情况下也可以使用其他的规定。

参考图7A和7B，示出了包括分别在x方向和y方向表示的缩放分量的覆盖的图形表示。在图7A中，x方向的缩放分量示出为位置(L1、L3、L5、L7和L9)向右移动一个单位(1)，其他位置(L2、L4、L6、L8和L10)向左移动一个单位(-1)。在图7B中，y方向的缩放分量示出为位置(L9和L10)向上移动两个单位(2)，位置(L7和L8)向上移动一个单位(1)，位置(L5和L6)不移动(0)，位置(L3和L4)向下移动一个单位(-1)，位置(L1和L2)向下移动两个单位(-2)。

参考图8A和8B，示出了包括分别在x方向和y方向表示的旋转分量的覆盖的图形表示。在图8A中，x方向的旋转分量示出为位置(L9和L10)向右移动两个单位(2)，位置(L7和L8)向右移动一个单位(1)，位置(L5和L6)不移动(0)，位置(L3和L4)向左移动一个单位(-1)，位置(L1和L2)向左移动两个单位(-2)。在图8B中，y方向的旋转分量示出为位置(L1、L3、L5、L7和L9)向上移动一个单位(1)，位置(L2、L4、L6、L8和L10)向下移动一个单位(-1)。

参考图9A和9B，示出了包括分别在x方向和y方向表示的梯形分量的覆盖的图形表示。在图9A中，x方向的梯形分量示出为位置(L9和L2)向右移动两个单位(2)，位置(L7和L4)向右移动一个单位(1)，位置(L5和L6)不移动(0)，位置(L3和L8)向左移动一个单位(-1)，位置(L1和L10)向左移动两个单位(-2)。在图9B中，y方向的梯形分量示出为位置(L9和L2)向上移动两个单位(2)，位置(L7和L4)向上移动一个单位(1)，位置(L5和L6)不移动(0)，位置(L3和L8)向下移动一个单位(-1)，位置(L1和L10)向下移动两个单位(-2)。

参考以下示出的表格，示出了分解正交转换矩阵的一个实施例。正交转换根据图10的几何变化可以提取不同的分量(如平移、旋转、缩放、梯形等等)。在图10中，每个方向(VC1和VC2)的变化分量大约等于移动的平方除以距离的平方(Z1²/D²和Z2²/D²)。如之前参考块420所述，度量数据包括构图衬底的不同参考/控制点的测量。评估测量点以确定每个测量点相对于其目标点的移动(如RunOut(X)和RunOut(Y))的量和方向。该表示出了x轴和y轴的测量点(10组测量数据)的位置(图5的L1-L10)，x轴和y轴的覆盖类型的解释(如平移、旋转、缩放、梯形等等)，Dist²为每个位置的移动的平方和。

  位置/  坐标  L1  L3  L5  L7  L9  L2  L4  L6  L8  L10  Dist²  解释  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  10  X：平移  Y：平移  2  1  1  1  1  1  -1  -1  -1  -1  -1  10  X：缩放(扩大)  Y：旋转  3  2  1  0  -1  -2  2  1  0  -1  -2  20  X：旋转  Y：缩放(扩大)  4  2  1  0  -1  -2  -2  -1  0  1  2  20  X：梯形  Y：梯形  5  1  0  -2  0  1  0  0  0  0  0  6  X：左帽  Y：左垂直扭转  6  0  0  0  0  0  1  0  -2  0  1  6  X：右帽 Y：右垂直扭转  7  1  -2  0  2  -1  0  0  0  0  0  10 X：左S形 Y：左垂直扭转

  8  0  0  0  0  0  1  -2  0  2  -1  10 X：右S形 Y：右垂直扭转  9  1  -1.5  1  -1.5  1  0  0  0  0  0  7.5 X：左Z形 Y：左Z形  10  0  0  0  0  0  1  -1.5  1  -1.5  1  7.5 X：右Z形 Y：右Z形

根据上述的表格，第1行示出了x轴方向(X：平移)的平移和y轴方向的平移(Y：平移)的解释。如以上参考图6A和6B所述，位置(L1-L10)在x轴向右移动一个单位(1)，位置(L1-L10)在y轴向上移动一个单位(1)。因此，X平移和Y平移都具有Dist²，等于在每个位置的每个移动量的平方和，其等于1²+1²+1²+1²+1²+1²+1²+1²+1²+1²＝10。需要注意的是，对于覆盖类型X：平移和Y：平移，位置(L1、L3、L5、L7、L9、L2、L4、L6、L8、L10)以相似的方式移动(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)。

第2行示出了x轴的缩放分量(X：缩放)和y轴的旋转分量(Y：旋转)的解释。如上参考图7A所述，在x轴，位置(L1、L3、L5、L7和L9)向右移动一个单位(1)，位置(L2、L4、L6、L8和L10)向左移动一个单位(-1)。如上参考图8B所述，在y轴，位置(L1、L3、L5、L7和L9)向上移动一个单位(1)，位置(L2、L4、L6、L8和L10)向下移动一个单位(-1)。因此，X缩放和Y旋转都具有等于每个位置的移动量的平方和的Dist²，其等于1²+1²+1²+1²+1²+(-1)²+(-1)²+(-1)²+(-1)²+(-1)²＝10。需要注意的是，位置(L1、L3、L5、L7、L9、L2、L4、L6、L8、L10)对于覆盖类型X：缩放和Y：旋转都以相似的方式(1，1，1，1，1，-1，-1，-1，-1，-1)移动。

第3行示出了x轴的旋转分量(X：旋转)和y轴的缩放分量(Y：缩放)的解释。x轴的旋转分量(类似于图8A)和y轴的缩放分量(类似于图7B)都具有等于2²+1²+0²+(-1)²+(-2)²+2²+1²+0²+(-1)²+(-2)²＝20的Dist²。需要注意的是，位置(L1、L3、L5、L7、L9、L2、L4、L6、L8、L10)对于覆盖类型X：旋转和Y：缩放都以相似的方式(2，1，0，-1，-2，2，1，0，-1，-2)移动。

第4行示出了x轴的梯形分量(X：梯形)和y轴的梯形分量(Y：梯形)的解释。x轴的梯形分量(类似于图9A)和y轴的梯形分量(类似于图9B)都具有等于2²+1²+0²+(-1)²+(-2)²+(-2)²+(-1)²+0²+(1)²+(2)²＝20的Dist²。需要注意的是，位置(L1、L3、L5、L7、L9、L2、L4、L6、L8、L10)对于覆盖类型X：梯形和Y：梯形都以相似的方式(2，1，0，-1，-2，-2，-1，0，1，2)移动。

第5-10行示出了能够以与参考图6-10所述的类似的方法确定的不同的其他覆盖类型(在x轴和y轴)。在第5行，覆盖类型包括X：左帽和Y：左垂直扭转。在第6行，覆盖类型包括X：右帽和Y：左垂直扭转。在第7行，覆盖类型包括X：左S形和Y：左垂直扭转。在第8行，覆盖类型包括X：右S形和Y：右垂直扭转。在第9行，覆盖类型包括X：左Z形和Y：左Z形。在第10行，覆盖类型包括X：右Z形和Y：右Z形。

方法400继续到块440，其中将转换矩阵应用于度量数据。转换矩阵配置为将度量数据分解为对应于上述的不同覆盖类型(例如，平移，旋转，缩放，梯形，等等)的分量。因此，度量数据的分解将使得确定电子束工艺之后x轴和y轴发生的移动的范围更加容易。

方法400继续到块450，其中为直写工艺确定了覆盖指数。覆盖指数指示不同的覆盖类型(例如，X和Y：平移，X和Y：旋转，X和Y：缩放，X和Y：梯形，等等)。例如，覆盖指数可以与不同覆盖类型的Dist²(上表)有关。另外，覆盖类型的缩放可以与测量数据中特定的覆盖类型的多少(例如，强或弱)有关。也就是，覆盖指数可以指示特定覆盖类型对构图工艺起10％或90％的作用。因此，覆盖指数可以用于控制、监测和诊断下述的构图工艺。

参考图11，示出了实现用于控制工艺的工艺指数的工艺流程600的框图。进行工艺流程600以构图衬底。工艺流程600包括直写设备602(类似于图1的DW系统100)，其使用能量光束直接构图(写)衬底。构图的衬底行进到度量设备602，其检查和测量构图衬底。测量数据提供到(反馈信息)用于加工的APC系统606。APC系统606包括用于计算工艺指数608的模块和控制器610。工艺指数608，例如，包括覆盖指数，其描述了构图衬底的覆盖类型(例如，平移，旋转，缩放，梯形，S形，垂直扭转，Z形，帽形，等等)。

将工艺指数608提供到APC系统608的控制器610。控制器610能够基于工艺指数608为构图的随后的衬底调节和校准直写设备602。另外，可以提供多个工艺指数以评估测量数据中的不同覆盖类型的作用。例如，可以计算对应于旋转的工艺指数和另一个对应于缩放的工艺指数。在一些情况下，测量数据中的旋转分量大于缩放分量，从而控制器610能够调节直写设备602占用比缩放变形更多的旋转变形。可以理解的是，APC系统606可以包括计算机或其他适合的能够执行用于控制直写设备602的程序的硬件/软件。计算机可操作用于执行包括操作信息(包括确定转换矩阵，使用转换矩阵分解度量数据，等等)，接收信息，存储信息和传递信息的动作。信息可以包括，例如，命令、工艺参数、工艺配方、测量数据、工艺数据和设备状态。

在一个实施例中，覆盖指数可以用于监测和诊断DW系统的构图工艺。例如，不同的覆盖类型能够基于它们各自的覆盖指数独立地进行评估。因此，能够分析每个覆盖类型的作用(例如，平移0％，缩放51％，旋转22％，梯形8％，其他19％)以监测和诊断DW系统的构图工艺。在另一个实施例中，覆盖指数可以用于DW系统的预防性维护和校准。

虽然以上已经详细描述的本发明的几个示例性的实施例，但是本领域技术人员将很容易理解，在不偏离本发明的新颖性教导和有益效果的情况下可以进行很多改进。可以理解的是，以上列出的步骤的不同的组合能够以不同的次序或并行使用，没有特定的步骤是关键的或必须的。同样，以上示出和讨论的相关于一些实施例的特征能够与以上示出和讨论的相关于另一些实施例的特征相结合。因此，所有这些改进包括在本发明的保护范围之内。例如，能够在构图不同的衬底如晶片和光掩膜时实现此处所公开的方法和系统以监测和控制覆盖。