套刻误差测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 根据半导体行业组织（InternationalTechnologyRoadmapfor Semicomluctors，ITR巧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22皿及W下工艺节点，特别是双重曝光值oublePatterning)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,IB0) 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 值iffraction-Basedoverlay,DB0)正逐步成为套刻测量的主要手段。
[0003] 美国专利US7791727B2 (下文称文献1)公开了一种DB0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。
[0004] 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将入射光汇聚到娃片的套刻标记上。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（numerical aperture,ΝΑ)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，W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 女口，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，单波长的测量方式只能利用到光源中能量的一小部分。随着光刻工艺 的不断发展，半导体器件尺寸的不断缩小，要求套刻标记的尺寸也不断缩小，W便能实现进 行单元内（in-die)测量。套刻标记的缩小将进一步减少光源能量的利用率。
[0005] 因此，有必要提供一种新的套刻测量设备与方法，使之能适应日益复杂的半导体 工艺，在不同的膜层结构和材料下都能获得良好的测量结果。并且，需要能够提高对光源能 量的利用率，使得即使在更小的套刻标记下都能利用足够的光源能量，W达到需要的测量 速度。
【发明内容】
[0006] 本发明的一个目的在于提供一种套刻误差测量装置及方法，W提高工艺适应性和 光源能量利用率。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供一种套刻误差测量装置，用于对放置于工件台 上的套刻测量标记进行套刻误差的分析，所述套刻误差测量装置包括光源系统、照明系统、 主分光镜、物镜及探测器；所述光源系统提供宽波段的测量光束，所述测量光束经过照明系 统形成一对称分布的照明光束，所述照明光束入射到主分光镜上发生反射，反射光通过物 镜后汇聚到套刻测量标记上发生色散效应，所述物镜收集从套刻测量标记上衍射的各种 波长的光，并透过主分光镜被一探测器接收，探测套刻测量标记的衍射光谱。
[0008] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述测量光束在照明系统中分成两束相 等的光，送两束光分别保持像不变和像旋转180°，之后合成，形成一对称分布的照明光束。
[0009] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述照明系统包括第一分光镜、第一成像 系统和第二成像系统；测量光束经过第一分光镜分为两束相等的光，一束光通过第一成像 系统保持像不变，另一束光通过第二成像系统后像旋转180°，所述第一成像系统和所述第 二成像系统倍率大小相同。
[0010] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述照明系统包括第二分光镜、第一反射 镜和第二反射镜，所述第一成像系统和所述第二成像系统皆包括多个透镜，由第一分光镜 透射的一束光经过第一成像系统后由第二分光镜透射，保持像不变；由第一分光镜反射的 另一束光经过第一反射镜反射后进入第二成像系统，继续经过第二反射镜和第二分光镜反 射，像旋转180°，并与透射的光合成。
[0011] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述照明系统包括第二分光镜、第一反射 镜和第二反射镜，所述第一成像系统包括多个透镜，所述第二成像系统包括两个道威棱镜； 由第一分光镜透射的一束光经过第一成像系统后由第二分光镜透射，保持像不变；由第一 分光镜反射的另一束光经过第一反射镜反射后进入第二成像系统，继续经过第二反射镜和 第二分光镜反射，像旋转180°，并与透射的光合成。
[0012] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述两个道威棱镜共光轴且呈90°夹角。
[0013] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述照明系统包括第二分光镜、第一反射 镜和第二反射镜，所述第一成像系统和所述第二成像系统皆包括两个道威棱镜；由第一分 光镜透射的一束光经过第一成像系统后，入射第二反射镜反射，并经第二分光镜反射，保 持像不变；由第一分光镜反射的另一束光经过第一反射镜反射后进入第二成像系统，继续 经过第二分光镜透射，像旋转180°，并与第二分光镜反射的光合成。
[0014] 可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述第一成像系统的两个道威棱镜共光 轴且呈180°夹角，所述第二成像系统的两个道威棱镜共光轴且呈90。夹角。
[0015] 本发明还提供一种套刻误差测量方法，包括：
[0016] 利用所述的套刻误差测量装置，发射出正入射的测量光束到第一套刻测量标记和 第二套刻测量标记上；
[0017] 由所述探测器探测衍射光谱，并计算出套刻误差
[0018]
[0019]其中，Afight为第一套刻测量标记上光强的非对称性，Awt为第二套刻测量标记上 光强的非对称性，Δ为两个套刻测量标记的预设偏移量。
[0020] 可选的，对于所述的套刻误差测量方法，包括：
[0021] 所述第一套刻测量标记和第二套刻测量标记均为周期性结构，二者的周期相同， 预设偏移量相反。
[0022] 可选的，对于所述的套刻误差测量方法，所述第一套刻测量标记和第二套刻测量 标记均沿第一方向排布或者均沿第二方向排布，所述第一方向与第二方向垂直。
[0023] 与现有技术相比，本发明提供的套刻误差测量装置及方法中，采用了宽波段的测 量光束，可W获得显著提高工艺适应性和光源能量利用率的效果；通过使得所述测量光束 经过照明系统后形成一对称分布的照明光束，可W避免宽波段光束下导致的照明光的非对 称性而引起各波长衍射光在衍射光谱中叠加禪合在一起的情况，解决了衍射光谱中的照明 非对称性无法通过对照明光进行监测而归一化的送一问题。因此，利用本发明的套刻误差 测量装置及方法，可在显著提高工艺适应性和光源能量利用率的同时，提高套刻测量精度。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的套刻误差测量装置的结构示意图；
[00巧]图2a为本发明的套刻误差测量装置中照明系统的一较佳结构示意图；
[0026] 图化为本发明的套刻误差测量装置中照明系统的另一较佳结构示意图；
[0027] 图2c为本发明的套刻误差测量装置中照明系统的又一较佳结构示意图；
[002引图3a为本发明中的第一套刻测量标记的标准预设结构的剖视图；
[0029] 图3b为本发明中的第一套刻测量标记的实际结构示意图；
[0030] 图4a为本发明中的第二套刻测量标记的标准预设结构的剖视图；
[0031] 图4b为本发明中的第二套刻测量标记的实际结构示意图；
[0032] 图5a为本发明的套刻误差测量装置获得的一种对称照明光斑的示意图；
[0033] 图化为图5a的对称照明光斑照射在X向套刻对准标记上形成的衍射光谱