套刻误差测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术揭示了一种套刻误差测量装置及方法。该装置包括：光源系统、分光镜、显微物镜、透镜组、监测光栅及探测器；光源系统提供宽波段线形的测量光束，经分光镜的反射光通过显微物镜后投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号；经分束镜的透射光经过透镜组后投射在检测光栅上，检测光栅倾斜放置，使得透射光投射在检测光栅上后，返回的+1级光或-1级光依次经过透镜组和分光镜到达探测器上，形成衍射光监测信号；所述工件台能够带动所述被测对象绕其法向旋转。在进行测量时，包括对同一被测对象进行180°旋转前后的测量，以获得光强的非对称性，从而提高了测量精度及工艺适应性，减少了测量误差干扰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路制造领域的设备，特别涉及一种应用于光刻测量技术中的套刻误差测量装置及方法。
技术介绍
根据半导体行业组织(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，ITRS)给出的光刻测量技术路线图，随着光刻图形关键尺寸(CD)进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光(DoublePatterning)技术的广泛应用，对光刻工艺参数套刻(overlay)的测量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套刻测量技术(Imaging-Basedoverlay，IBO)已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术(Diffraction-Basedoverlay，DBO)正逐步成为套刻测量的主要手段。美国专利US7791727B2(下文称文献1)公开了一种DBO技术，该技术通过测量套刻标记衍射光角分辨谱中相同衍射级次间的非对称性得到套刻误差，衍射光的衍射角随入射光入射角度变化而改变，所谓衍射光角分辨谱是指不同角度的入射光在被套刻标记衍射后衍射光在不同角度形成的光强分布，如其公式6所示，中国专利CN1916603也公开了类似的技术，其中图10是一种环形照明模式下，各个衍射级次的角分辨谱在CCD探测器上的分布情况。文献1中的Fig.3是该技术方案的装置结构图，光源2发出的光经干涉滤波装置30后形成窄带宽的入射光，物镜L1将入射光汇聚到硅片的套刻标记上。探测器32位于物镜的后焦面，套刻标记的衍射光被物镜收集后被探测器接受。探测器测得套刻标记各个角度衍射光的角分辨谱。为了获得大范围的角分辨谱，该方案中使用大数值孔径(numericalaperture，NA)的物镜。由于不同波长的衍射光的衍射角度不同，为了防止不同波长角分辨谱间的重叠，该方案采用干涉滤波装置对光源进行滤波，形成窄带宽的测量光。原则上，该方案只能一次测量一个波长下的反射光角分辩谱。为了进行多波长测量，Fig.6，7提供了一种在物镜光瞳面进行分光的方案，以便同时测量多个分立波长下的角分辩谱。尽管如此，文献1仍然只能测量有限个分立的波长。从其描述中可知，首先，该方案用于套刻误差测量的测量光波长范围有限，面对复杂的半导体制造工艺，可能存在一定的工艺适应性问题。例如，若测量波长正好是膜厚的4倍，则容易发生干涉效应而使反射率大大降低，从而造成测量精度的下降；其次，该方案使用的大NA物镜方案，具有很小的焦深范围。一般而言，该角分辨谱测量方案中，测量光使用的有效孔径大于0.9，以典型测量波长600nm计算，则其有效焦深范围不到1um，因此，在测量过程中必须对焦面位置进行高精度的控制，这将影响测量速度和精度；若焦面控制不力，则测量光斑极易扩散到被测套刻标记外，形成大量杂光；再次，该方案一般一次只能用于测量单个套刻方向，当同时测量两个方向时，两个方向的角分辨谱可能相互叠加，因此只能缩小角分辨谱包含的角度范围，造成信息量的减少，将影响套刻测量精度。再次，该方案在进行套刻计算时，为计算+/-1级光非对称性，需要将所对应的+/-1级光相减，这对光瞳中心的求解精度要求极高，而基于边缘提取光瞳中心测校方式，往往不能够满足其精度需求，从而影响套刻测量精度。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于解决检测套刻误差时测量波长不能使用宽波段，以提高测量工艺适应性的问题。本专利技术的另一个目的在于解决检测套刻误差时光能利用率较低，测量信号获取时间较长。本专利技术的另一个目的在于解决检测套刻误差时，焦深小，焦面控制困难的问题。本专利技术的另一个目的在于解决检测套刻误差时，在利用高级次光测量套刻误差时，有效信号少的问题。本专利技术的另一个目的在于解决检测套刻误差时，光瞳中心测校精度难以控制，影响非对称性计算精度。本专利技术的另一个目的在于解决检测套刻误差时，衍射光信号经过物镜不同区域，物镜透过率不同，影响套刻测量精度的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种套刻误差测量装置，用于测量放置于工件台上的被测对象的套刻误差，所述被测对象为周期性结构，包括：光源系统、分光镜、显微物镜、透镜组、监测光栅及探测器；其中，所述光源系统提供宽波段线光源以产生测量光束；所述测量光束入射到分光镜上后反射和透射；反射光通过显微物镜后以不同的入射角投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号；透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的检测光栅上，所述检测光栅倾斜放置，使得透射光投射在检测光栅上后，0级光被检测光栅反射至光路之外，返回的+1级光或-1级光依次经过透镜组和分光镜到达探测器上，形成衍射光监测信号，所述衍射光谱测量信号可相对衍射光谱监测信号做归一化处理；当测得所述被测对象的衍射光谱测量信号后，所述工件台带动所述被测对象相对原位置旋转180度，在所述显微物镜相同位置处测得所述被测对象旋转后的衍射光谱测量信号，根据旋转前后获得的衍射光谱测量信号求得所述套刻误差。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源系统包括光源、光源整形系统及准直系统，光源发出光产生二维的面光源，经过所述光源整形系统后，形成一维的线光源，所述线光源经过准直系统形成平行光后得到所述测量光束。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源为白光光源，或者由若干个分立谱线组成的复合光源。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源整形系统为若干个光纤组成的光纤簇，所述光纤簇靠近光源处的一端以二维面排布，在另一端以线形排布。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源整形系统为若干个光纤组成的光纤簇，所述光纤簇靠近光源处的一端以三维面排布，在另一端以线形排布。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述三维面为半球形或椭球形，每一光纤的入射面与所述三维面相切。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述套刻误差测量装置还包括一起偏器和一检偏器，所述起偏器位于光源与分光镜之间，所述检偏器位于所述分光镜与探测器之间。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述起偏器与分光镜之间设置有一补偿器，通过旋转补偿器以测得测量光束偏振态的反射率变化和位相变化。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述起偏器与光源之间还设置有一滤光装置。可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述滤光装置为干涉式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种套刻误差测量装置，用于测量放置于工件台上的被测对象的套刻误差，所述被测对象为周期性结构，其特征在于，所述套刻误差测量装置包括：光源系统、分光镜、显微物镜、透镜组、监测光栅及探测器；其中，所述光源系统提供宽波段线光源以产生测量光束；所述测量光束入射到分光镜上后反射和透射；反射光通过显微物镜后以不同的入射角投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号；透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的检测光栅上，所述检测光栅倾斜放置，使得透射光投射在检测光栅上后，0级光被检测光栅反射至光路之外，返回的+1级光或‑1级光依次经过透镜组和分光镜到达探测器上，形成衍射光监测信号，所述衍射光谱测量信号可相对衍射光谱监测信号做归一化处理；当测得所述被测对象的衍射光谱测量信号后，所述工件台带动所述被测对象相对原位置旋转180度，在所述显微物镜相同位置处测得所述被测对象旋转后的衍射光谱测量信号，根据旋转前后获得的衍射光谱测量信号求得所述套刻误差。

【技术特征摘要】
1.一种套刻误差测量装置，用于测量放置于工件台上的被测对象的套刻
误差，所述被测对象为周期性结构，其特征在于，所述套刻误差测量装置包
括：
光源系统、分光镜、显微物镜、透镜组、监测光栅及探测器；其中，所述
光源系统提供宽波段线光源以产生测量光束；所述测量光束入射到分光镜上后
反射和透射；反射光通过显微物镜后以不同的入射角投射到被测对象上发生反
射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号；
透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的检测光栅上，所述检
测光栅倾斜放置，使得透射光投射在检测光栅上后，0级光被检测光栅反射至光
路之外，返回的+1级光或-1级光依次经过透镜组和分光镜到达探测器上，形成
衍射光监测信号，所述衍射光谱测量信号可相对衍射光谱监测信号做归一化处
理；
当测得所述被测对象的衍射光谱测量信号后，所述工件台带动所述被测对
象相对原位置旋转180度，在所述显微物镜相同位置处测得所述被测对象旋转
后的衍射光谱测量信号，根据旋转前后获得的衍射光谱测量信号求得所述套刻
误差。
2.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源系统包
括光源、光源整形系统及准直系统，光源发出光产生二维的面光源，经过所述
光源整形系统后，形成一维的线光源，所述线光源经过准直系统形成平行光后
得到所述测量光束。
3.如权利要求2所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源为白光
光源，或者由若干个分立谱线组成的复合光源。
4.如权利要求3所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源整形系
统为若干个光纤组成的光纤簇，所述光纤簇靠近光源处的一端以二维面排布，
在另一端以线形排布。
5.如权利要求3所述的套刻误差测量装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭博方，陆海亮，王帆，
申请(专利权)人：上海微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31