一种焦面位置测试掩膜版及确定焦面位置的方法及装置

摘要

本发明提供了一种焦面位置测试掩膜版及确定焦面位置的方法及装置，包括：阻光区，包括具有一定宽度的至少一个阻光图形；透光区，包括具有一定宽度的至少一个透光图形；测试图形区，包括至少两种测试图形，所述测试图形为具有一定深度及一定宽度的图形，使得通过所述测试图形的透射光与通过所述透光区的透射光之间的相位差为90°的整数倍，且透射光相应负一级和负二级衍射光的振幅为0；所述阻光区、测试图形区、透光区依序相连，形成于透明基板上。利用本发明提供的测试掩膜版确定光刻机的最佳焦面位置，由于获取的焦面偏移量与图形偏移量的比值更大，从而提高检测光刻机的最佳焦距的灵敏度，以提升光刻精准度。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种焦面位置测试掩膜版及确定焦面位置的方法及装置。

背景技术

随着半导体芯片的制程节点不断降低，光刻机的最佳焦面位置成为光刻工艺中的一项重要控制参数。

光刻机焦距在一定范围内变化，在不同焦距下光刻机的曝光效果不同，而将光刻机曝光效果较好时对应的焦距称为最佳焦距。光刻机的最佳焦距对于光刻工艺极其重要，它是决定光刻胶图案的尺寸及立体物理形貌的主要因素，会最终对产品的成品率产生影响。在最佳焦距时，光刻胶图案的形貌比较陡直，而在偏离最佳焦距时，光刻胶图案的形貌会产生失真变形。此外，在最佳焦距时，图形尺寸受焦距的影响较小，当偏移最佳焦距后，图形尺寸变动较大，不利于工艺控制。

现有技术在对光刻机的焦距进行检测时，可以通过相位移焦距检测掩膜版确定光刻机的最佳焦距，例如，相位移焦距检测掩膜版可以包括具有一定宽度的多个透光区的遮蔽层，并且具有多个深度为的开口，且开口的宽度为透光区域宽度的一半，其中，λ为入射光在空气中的波长，n为透明基板的折射率，k为正整数；但是基于这种相位移焦距检测掩膜版确定光刻机的最佳焦距的灵敏度有待提高；此外，还有通过专门测量设备和复杂的传感器来确定一系列物镜最佳焦面位置的方法，但是这些测量设备和传感器昂贵且操作繁杂，导致企业生产成本较高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术确定光刻机的焦面位置时灵敏度低的问题，提供一种焦面位置测试掩膜版及确定焦面位置的方法及装置，能获得更高的焦距偏移量与图形偏移量的比值，提高检测光刻机的最佳焦距的灵敏度，以提升光刻精准度。

本发明提供了一种焦面位置测试掩膜版，包括：

阻光区，包括具有一定宽度的至少一个阻光图形；

透光区，包括具有一定宽度的至少一个透光图形；

测试图形区，包括至少两种测试图形，所述测试图形为具有一定深度及一定宽度的图形，使得通过所述测试图形的透射光与通过所述透光区的透射光之间的相位差为90°的整数倍，且透射光相应负一级和负二级衍射光的振幅为0；

所述阻光区、测试图形区、透光区依序相连，形成于透明基板上。

优选的，所述测试图形包括：

第一开口，开口深度为与透光区相连，λ为入射光在空气中的波长，n为所述透明基板的折射率，k为正整数；

第二开口，开口深度为与阻光区相连。

优选的，所述阻光区、第二开口、第一开口和透光区的宽度比为：4：1：2：1。

优选的，所述第二开口的宽度为41nm。

一种确定焦面位置的方法，包括：

确定基于所述测试掩膜版成像的图形偏移量与焦距偏移量之间的关系，构建焦距偏移量模型；

通过待检测光刻系统，对所述测试掩膜版成像，获取成像的图形偏移量；

利用所述焦距偏移量模型，获取所述成像的图形偏移量对应的焦距偏移量。

优选的，所述掩膜版成像的图形偏移量与光刻系统的焦距偏移量之间的关系通过矢量光刻成像理论获得。

优选的，所述通过待检测光刻系统，对所述测试掩膜版成像，获取成像的图形偏移量包括：

提供衬底，所述衬底上形成有光刻胶层；

利用所述测试掩膜版，通过光刻系统对光刻胶层曝光；

进行显影工艺，获取光刻胶层上测试图形成像结果的图形偏移量。

优选的，所述通过待检测光刻系统，对所述测试掩膜版成像，获取成像的图形偏移量包括：

利用所述掩膜版，通过光刻系统在图像传感器上成像；

对成像进行处理，获取成像的图形偏移量。

一种确定焦面位置的装置，包括：

准分子激光光源，用于产生照明光；

照明系统，用于进行光束准直、产生任意照明形状和进行均匀偏振照明的照明系统；

掩膜版台，用于搭载掩膜版的掩膜版台；

投影物镜系统，用于对掩膜版成像的数值孔径>1.0的投影物镜系统；

衬底台，用于搭载衬底的工件台；

图形偏移量测量系统，用于获取成像的图形偏移量；

数据处理系统，用于对获取的测试数据进行处理，以获取焦面位置偏移量。

本发明提供的焦面位置测试掩膜版及确定焦面位置的方法及装置，通过将测试区的测试图形优化为具有特定深度及宽度的图形，使得通过该测试图形的透射光与通过透光区的透射光的相位差为90°的整数倍，透射光相应负一级和负二级衍射光的振幅均为0，导致根据该焦面位置测试掩膜版的特征构建的焦面偏移量模型，其输出的焦面偏移量与图形偏移量的比值更大，从而提高检测光刻机的最佳焦距的灵敏度，以提升光刻精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中相位移焦距检测掩膜版的原理示意图；

图2为根据本发明提供的焦面位置测试掩膜版的截面结构示意图；

图3为根据本发明提供的焦面位置测试掩膜版的俯视示意图；

图4为根据本发明提供的确定焦面位置的方法的流程图；

图5为根据本发明提供的确定焦面位置的装置的结构示意图；

图6为根据本发明获得的图形偏移量与最佳焦面位置之间的关系的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，在详述本发明实施例时，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，此外，为便于说明，表示器件结构的截面图会不依一般比例作局部放大。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

诚如背景技术中描述，现有技术在确定光刻机的最佳焦面位置时，需要一一测量由若干线条组成的测试图案在不同焦距下进行曝光后形成的光刻胶图案对应的焦距，来获取光刻机的最佳焦面位置，步骤复杂且效率低；此外，由于现有技术中采用的测试图案为规则的长条形线条，但是光刻机对这种测试图案的灵敏度不高，导致测试焦距结果不准确；一种改进的测试掩膜版是具有凹槽图形的掩膜版，也称为相位移焦距检测掩膜版，可以把垂直方向距离转变成为水平方向距离的掩膜版，这种改进加大了通过测试图形的透射光成像的图形偏移量，如图1所示，由于光在空气和玻璃中的波长不同，垂直于掩膜版的入射光穿过该掩膜版后，变成两束光，这两束光相互干涉，干涉后的波面会偏离原来的方向，使得透射光的方向偏离原入射光方向，由于出射光方向不同于入射光方向，从而增大了出射光在不同高度的垂直于入射光方向上具有的不同偏移量，改善了灵敏度不高的问题，但是，通过该测试掩膜版获取光刻机焦距的灵敏度仍然有待提高，以提高获得的光刻机焦距的精准度。

本发明提供的焦面位置测试掩膜版，通过对测试图案进行特殊设计，可以消除更多相应透射光的高级次衍射光，使得通过该测试掩膜版的透射光成像的图形偏移量更大，可以有效提高最佳焦面位置的测量灵敏度。此外，根据该测试掩膜版进行光刻机焦距测试时，并且不需要专门的测量设备，不会增加企业的生成成本。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合示意图和具体的实施例进行详细的描述，焦面位置测试掩膜版的截面结构示意图如图2所示。

在本实施例中，所述测试掩膜版包括阻光区、透光区和测试图形区。其中，阻光区具有一定宽度的至少一个阻光图形；透光区具有一定宽度的至少一个透光图形；测试图形区具有至少两种测试图形，所述测试图形为具有一定深度及一定宽度的图形，使得通过所述测试图形的透射光与通过所述透光区的透射光之间的相位差为90°的整数倍，且透射光相应负一级和负二级衍射光的振幅为0；并且，所述阻光区、测试图形区、透光区依序相连，形成于透明基板上。

其中，所述透明基板可以为石英、玻璃等高透明且表面平整的基板；所述测试图形可以为具有一定深度的沟槽图形，利用空气与透明基板的折射率不同，且当沟槽的深度满足一定条件时，会使得通过沟槽图形的透射光发生相移的现象。所述阻光区、第二开口、第一开口和透光区的宽度比为：4：1：2：1，如图3所示。

需要说明的是，测试图形区还可以具有三种或者更多种测试图形，只要这些测试图形满足使得通过所述测试图形的透射光与通过所述透光区的透射光之间的相位差为90°的整数倍，且透射光相应负一级和负二级，以及更高级的衍射光的振幅为0，即可达到提高检测焦面位置灵敏度的效果，当然，其相应的焦距偏移量模型需要进行调整。

在一个具体的实施例中，本发明提供的焦面位置测试掩膜版的截面结构示意图如图2所示。其中，掩模版的基底101的材料为石英板，阻光区102为金属铬层，透光区103与第一开口104相连接，且通过第一开口104的透射光与通过透光区103的透射光的相位差为90°，第二开口105与第一开口104相连接，且通过第二开口105的透射光与通过透光区103的透射光的相位差为180°。所述阻光区、第二开口、第一开口和透光区的宽度比为：4：1：2：1，优选的，所述第二开口的宽度为41nm。

其中，所述第一开口的深度为与透光区相连，λ为入射光在空气中的波长，n为所述透明基板的折射率，k为正整数。

第二开口，开口深度为与阻光区相连。

需要说明的是，所述测试图形并不仅仅局限于凹槽图形，还可以为填充有折射率与透明基板材质不同的开口或通孔，例如，在凹槽中填充折射率不同于透明基板的材料。当然，相应的开口深度需要根据所填充材料的折射率进行改变，例如，当填充材料折射率为n1时，相应的第一开口深度为第二开口深度为这样，可以使得掩膜版表保持平整，避免因凹槽中污染物没去除干净而影响测量精度的现象。

此外，本实施例提供的测试掩膜版增加了测试图形周期，从而降低掩膜版的制造难度和成本。

在实际应用中，可以利用所述焦面位置测试掩膜版确定光刻机的最佳焦面位置，以下将结合流程图和具体的实施例进行详细的描述，流程图如图4所示。

步骤S01，确定基于所述测试掩膜版成像的图形偏移量与焦距偏移量之间的关系，构建焦距偏移量模型。

在本实施例中，通过矢量光刻成像理论获得所述掩膜版成像的图形偏移量与光刻系统的焦距偏移量之间的关系。

具体的，根据现有技术的分析结果，在投影物镜系统物方的数值孔径(NA)>0.9时，需采用严格的光刻矢量成像理论。严格的光刻矢量成像理论的数学表达式可以如式(1)所示：

其中，I为电场强度分布，(f，g)表示光瞳坐标，S表示光源的强度分布函数，O表示掩模的频谱分布，E为表示光源的电场分布的琼斯矢量，M为投影物镜系统出瞳处的变换矩阵，H表示投影物镜系统的光瞳函数，*表示复共轭。

并且，该式还满足以下关系，如式(2)所示：

TCC_v(f′，g′；f″，g″)＝∫∫S(f，g)·M·H·E·M^*·H^*·E^*dfdg(2)

其中，M的数学表达式可以如式(3)所示：

其中，H的数学表达式，在不考虑物镜像差的情形下，可以如式(4)所示：

其中，NA为投影物镜系统物方的数值孔径，NA_i为其像方的数值孔径，n为其像方浸没液体的折射率，d为其相对最佳焦面位置。

基于本发明提供的测试掩膜版，由于所述阻光区、第二开口、第一开口和透光区的宽度比为：4：1：2：1，使得透射光的负一级和负二级衍射光的振幅均为0。考虑零级、正一级和正二级衍射光干涉的情形，像面的电场强度分布的数学表达式如式(5)所示：

其中，f₁为正一级衍射频谱的位置。根据上式可以确定空间像强度分布的位置偏移量，即求出满足的x_i值，即为根据本发明提供的测试掩膜版成像的图形位置偏移量。具体推导如式(6)所示：

其中，T₁、T₂、T₃的数学表达如式(7)所示：

T₁＝TCC_v(f₁；2f₁)·O(f₁)·O^*(2f₁)

T₂＝TCC_v(0；f₁)·O(0)·O^*(f₁)(7)

T₃＝TCC_v(0；2f₁)·O(0)·O^*(2f₁)

特别的，在Y偏振光照明的条件下，TCC_v(0；f₁)的数学表达式如式(8)所示：

其中，Φ的数学表达式可以如式(9)所示：

根据则可以获取根据本发明提供的测试掩膜版成像的图形位置偏移量x_i，如式(10)所示：

该式(10)即为基于本发明提供的测试掩模版，根据矢量光刻成像理论构建的焦距偏移量模型，其中，T₁、T₂、T₃通过式(7)、(8)、(9)与相对最佳焦面位置d建立了联系，然后可以根据式(10)建立图形位置偏移量x_i与相对最佳焦面位置d之间的关系。

需要说明的是，上述构建焦距偏移量模型的方式仅是一种示例性的举例，不能作为对本发明的限定。此外，还可以通过实验获取的数据来构建焦距偏移量模型，例如，用光刻机的不同焦距在衬底上曝光，根据套刻精度测量机台计算出不同焦距下的成像的图形偏移量，然后根据测量数据进行建模，该模型可以表示焦距偏移量与成像的图形偏移量之间的线性关系，在此不再详述。

步骤S02，通过待检测光刻系统，对所述测试掩膜版成像，获取成像的图形偏移量。

在本实施例中，将所述测试掩膜版放置在光刻机的投影物镜的物面处，并选择合适的照明方式进行成像，获取成像的图形偏移量。

其中，所述成像可以通过曝光显影的工艺将测试掩膜版的图形成像在具有光刻胶层的衬底上，还可以通过图像传感器获取所述测试掩膜版的图形成像，根据实际需求而定。

以下以在衬底的光刻胶层中成像，并获取图形偏移量为例进行说明。

具体的，包括：提供衬底，所述衬底上形成有光刻胶层；利用所述测试掩膜版，通过光刻系统对光刻胶层曝光；进行显影工艺，获取光刻胶层中测试图形成像结果的图形偏移量。

相应的，本实施例还提供了一种确定焦面位置的装置，如图5所示，包括：

准分子激光光源201，用于产生照明光；

照明系统202，用于进行光束准直、产生任意照明形状和进行均匀偏振照明的照明系统；

掩膜版台203，用于搭载掩膜版的掩膜版台；

投影物镜系统204，用于对掩膜版成像的数值孔径>1.0的投影物镜系统；

衬底台205，用于搭载衬底的工件台；

图形偏移量测量系统206，用于获取成像的图形偏移量；

数据处理系统207，用于对获取的测试数据进行处理，以获取焦面位置偏移量。

此外，步骤S02还可以为：利用所述掩膜版，通过光刻系统在图像传感器上成像；对成像进行处理，获取成像的图形偏移量。在此不再详述。

步骤S03，利用所述焦距偏移量模型，获取所述成像的图形偏移量对应的焦距偏移量。

在本实施例中，将步骤S02中获取的图形偏移量输入所述焦距偏移量模型，计算出光刻机投影物镜系统的最佳焦面位置。

在一个具体实施例中，利用本发明提供的测试掩膜版和选取的照明系统202，对具有光刻胶层的衬底进行光刻工艺，通过图形偏移量测量系统206获取成像的图形偏移量，通过数据处理系统207获得的图形偏移量与最佳焦面位置之间的关系如图6所示。根据图6中所示的线性关系，由步骤S02中测量所得的图形偏移量，即可计算出待检测光刻机的投影物镜系统204的最佳焦面位置的偏移量，并根据其获取该光刻机的投影物镜系统204的最佳焦面位置。此外，从图4中可以看到，对图4中的数据进行线性拟合，曲线的斜率为0.634，而现有技术中获取的数据进行现象拟合后，其曲线的斜率约为0.251。这表明，根据本发明提供的测试掩膜版及确定光刻系统最佳焦面位置的方法获取的最佳焦面位置的偏移量与图形偏移量之间的比值较大，能有效提高检测焦面位置的灵敏度。

本发明实施例中提供的焦面位置测试掩膜版及确定焦面位置的方法及装置，由于所述测试掩膜版具有特定深度及宽度的至少两种测试图形，使得通过该测试图形的透射光与通过透光区的透射光的相位差为90°的整数倍，透射光相应负一级和负二级衍射光的振幅均为0，导致利用该测试掩膜版进行成像时，该成像的焦面偏移量与图形偏移量的比值更大，从而提高检测光刻机的最佳焦距的灵敏度，以提升光刻精准度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。