专利名称：曝光焦点的监控方法
曝光焦点的监控方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体工艺，特别涉及一种半导体制造工艺中的曝光机的曝光焦 点的监控方法。
背景技术：
半导体工艺中常利用曝光的程序在半导体材料上形成相应的线路图案。曝光技术 的进步及所用光的波长变小使得形成精细的线路图案成为可能，由此可以使得单位面积上 可形成的图案密度变大，线宽变小。由于特征图案越来越小，甚至到亚波长量级，因此光临近效应会变得比较严重而 导致印刷转移图像不清晰、扭曲。此时若离焦较多，更会由于非焦点的衍射特性而产生印刷 转移图像的形变与模糊。因此，在半导体制造工艺中，寻找曝光的最佳焦点成为能否形成精 细的电路结构的关键步骤。一种利用Bossimg曲线来定位最佳聚集点的方法包括以下步骤以不同离焦距离在光阻层上进行曝光；测量在各次曝光时所形成的特征线宽CD (Critical Dimension)；绘出各特征线宽⑶以离焦距离为变量的曲线(Bossimg曲线)；以Bossimg曲线的斜率最小处作为最佳的聚集点。上述方法虽可定位到最佳的聚集点，然而却需要以不同的离焦距离进行多次曝 光，并要测量各次曝光时的特征线宽CD。此方法不但所需的数据量较大，并且一一进行曝 光、测量的过程耗费的时间也比较长。后续需要对所测得的特征线宽CD进行处理的系统与 步骤均较为复杂。
发明内容有鉴于此，有必要提供一种所需数据量较小、节省测量与计算程序的曝光焦点监 控方法。一种曝光焦点的监控方法，包括在预定离焦距离的范围内，以任选的离焦距离形成至少两个曝光图形；分别测量所述各曝光图形的顶部宽度与底部宽度；计算所述各曝光图形的顶部宽度与底部宽度的差值；根据所述差值与对应的离焦距离计算预定的系数。根据该曝光焦点的监控方法，可以在最少仅需两组数据的情况下即确定最终所得 曝光图形的尺寸与曝光焦点的关系。
图1为一种用于曝光的光学系统的结构示意图。图2为光学系统的聚焦点与光刻胶的相对位置的光路图。
4
图3为图2所示的聚焦状况下所形成的曝光图形的截面示意图。图4为本发明曝光焦点的监控方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
图1示出一种用于曝光的光学系统的结构，该光学系统包括光源12、第一透镜组 14、光刻版(Mask) 16、第二透镜组18，用于曝光涂覆在基底20上的光刻胶22。光源12所发出的光线经过第一透镜组14的会聚之后形成平行光照射到光刻版16 上。光刻版16上预先印刷有与需曝光在基底20上的图案相同的图形，但光刻版16上的图 形大小一般是基底上需形成的图案的数倍。通过光刻版16上的图形的阻挡后的光线经第 二透镜组18的进一步会聚缩小后投射在基底20上，即可将基底20上的光刻胶22的相应 位置进行曝光。后续经过显影等操作即可在基底上形成相应的图案结构。结合图2与图3，其中图2所示为图1的光学系统中光线经第二透镜组18会聚缩 小后形成的聚焦点落在光刻胶22层上相对位置的示意图；图3为图2中各聚集情形在曝光 后光刻胶经显影所形成的曝光图形的截面示意图。图2A为聚集点位置较佳时光路的放大示意图。经第二透镜组18会聚的光线聚焦 在光刻胶22的中间位置，其可以在光刻胶22的顶部和底部形成尺寸相当的曝光。光刻胶 22经显影后所形成的曝光图形的截面示意如图3A所示，其中洗除经曝光的光刻胶后形成 的凹槽24顶部与底端宽底相当。图2B为聚集点位置上偏时光路的放大示意图。经第二透镜组18会聚的光线聚焦 点落在光刻胶22的中间偏上部的位置。在此情形下，聚焦光线可以照射的光刻胶即产生上 下不均的现象，最终形成的曝光图案如图3B所示，可以看到，洗除经曝光的光刻胶后形成 的凹槽26顶部窄而底端宽。图2C所示的为与图2B相反的情况。经第二透镜组18会聚缩小的光线的聚焦落 在光刻胶22的中间偏下位置。此时光刻胶22经显影后所形成的曝光图形的截面示意如图 3C所示，可见洗除经曝光的光刻胶后形成的凹槽28顶部比底端宽。由此可见，光学系统的聚集点的位置直接影响到最终形成的光刻图形的质量与形 状。反过来，光刻图形的形状又可以反映光学系统的聚焦点的位置好坏。因此，通过测量光 刻图形的尺寸并进行相关性计算，即可得到光学系统的聚焦点位置。曝光图形的顶部宽度TCD (Top Critical Dimension)与底端宽度 BCD(BottomCritical Dimension)的差值计为Δ，其计算式可以表示为Δ = TCD-BCD ；.......................................(1)通常地，在一定范围内，Δ与离焦距离是成线性的关系，其线性的比例式可以表示 为Δ = aXL+b ；.......................................(2)其中，L为离焦距离，a、b为根据曝光系统而确定的系数。在a、b已知的情况下， 通过测量顶部宽度TCD与底端宽度BCD的差值Δ，即可得出离焦距离L，计算式写为L = △-b/a.......................................... ( 3 )通过在预定数量的离焦距离L下进行曝光并测量所得图形的差值△，即可联立得到方程组
Δ, = axL, +b, Λ χα 1 ’ , .......................................... (4)可见，仅需要在线性范围内的两组L、Δ的数据，即可以解出其中a、b的值。此夕卜， 还可以通过测量多组L、Δ并取平均值的方法得到其中的数据。
根据方程组(4)，可以得到系数a、b表达式为
测量出
A2 -A1
a = —-L
T-T
..........................................(5)
b —丄Δ2 — Z2A1 T-T
确定a、b后即可得到确定的线性比例式(1)。在后续曝光中，在线性范围内，仅需 个差值Δ，即可得到相应的离焦距离L，实现对曝光焦点的监控。从而，仅需要测 量最少两组L、A值即可确定系数a、b，并在后续的曝光焦点监控中以线性方程式(3)来得 到离焦距离L。如图4所示，本发明监控曝光焦点的方法的一种实施方式包括以下步骤步骤S402，在预定的离焦距离L下曝光并形成曝光图形，此预定的离焦距离系根 据需监控的离焦距离范围而任选确定。步骤S404，测量所得曝光图形的顶部宽度TCD与底部宽度B⑶。步骤S406，计算曝光图形的顶部宽度TCD与底部宽度B⑶的差值Δ。上述步骤S402至步骤S406可重复预定次数至数据已足够计算出系数a、b，至少 重复一次以得到至少两组离焦距离L与差值Δ。步骤S408，将预定的多组L、Δ代入方程组(4)，形成只包括变量a、b的方程组。 在其他实施方式中，步骤S404之前还可以包括根据多组L、Δ计算平均值的步骤，则步骤 S404为将所算得的平均值代入方程组(4)。步骤S410，解出方程组(4)中的系数a、b。在其他实施方式中，步骤S408、步骤S410亦可以替换为将预定的多组L、Δ代入 方程组(5)以计算系数a、b的步骤。步骤S412，将系数a、b回代入方程式(3)，从而得到离焦距离L与差值Δ之间的 关系式。至此，在预定的线性范围内的离焦距离L与差值Δ之间的线性关系可以确定。所 述确定步骤中仅需测量最少两组数据即可，可以简化曝光、测量的步骤。并且后续的处理为 进行一元方程组的求解，所需的数据处理程序也较为简单。以下为确定了线性的关系之后进一步进行曝光时确定离焦距离的步骤步骤S414，在预定范围内曝光形成曝光图形。该预定范围即为上述线性范围。操 作时，应由需要进行监控的离焦距离的实际情况而确定前述线性范围。步骤S416，测量曝光图形的顶部宽度TCD与底端宽度B⑶。步骤S418，计算曝光图形的顶部宽度与底部宽度的差值Δ。步骤S420，根据方程式(3)计算得到与该差值Δ相对应的离焦距离L。从而，即可实现对曝光机的曝光焦点的监控。 根据该曝光焦点的监控方法，可以在最少仅需两组数据的情况下即确定最终所得 曝光图形的尺寸与曝光焦点的关系，操作步骤简单、耗时较短，并且所需的后续数据处理仅 为一元方程组的求解或数据的直接运算，步骤简单。
权利要求
一种曝光焦点的监控方法，包括在预定离焦距离的范围内，以任选的离焦距离形成至少两个曝光图形；分别测量所述各曝光图形的顶部宽度与底部宽度；计算所述各曝光图形的顶部宽度与底部宽度的差值；根据所述差值与对应的离焦距离计算预定的系数。
2.如权利要求1所述的曝光焦点的监控方法，其特征在于所述预定的离焦范围系根 据需进行曝光焦点监控的离焦范围而定。
3.如权利要求1所述的曝光焦点的监控方法，其特征在于所述曝光图形的数量多于 两个。
4.如权利要求3所述的曝光焦点的监控方法，进一步包括 分别测量所述各曝光图形的顶部宽度与底部宽度；计算各曝光图形的所述顶部宽度与对应的底部宽度的差值；计算所述差值中至少两个差值的平均值；任取至少两个所述平均值或所述差值以计算所述预定的系数。
5.如权利要求1所述的曝光焦点的监控方法，其特征在于，所述根据所述差值与对应 的离焦距离计算预定的系数的步骤包括将所述差值与对应的离焦距离代入预定的以所述预定的系数为变量的方程组； 求解所述方程组中的所述系数。
6.如权利要求5所述的曝光焦点的监控方法，其特征在于所述方程组可表示为 A1 = α χ Ζ, + Λ r A，其中LpL2为所述任选的离焦距离，Δ ρ Δ 2为与所述离焦距离相应的差值， A2 = ax L2+ba、b分别为所述系数。
7.如权利要求1所述的曝光焦点的监控方法，其特征在于所述预定的系数由下列公 式求得Α2 -Δι a = —-LT-T厶2< ；b ^ L1A2-L2A,、A _丄2其中Li、L2为所述离焦距离，Δρ Δ2为与所述离焦距离相应的差值，a、b分别为所述 系数。
8.如权利要求1所述的曝光焦点的监控方法，进一步包括将所得系数代入预定的线 性方程，以确定离焦距离与曝光图形的宽度差值之间的线性关系。
9.如权利要求8所述的曝光焦点的监控方法，其特征在于所述预定的线性方程表示为乂 = ^;其中a、b分别为所述系数，Δ为所述待监控差值；L为所述监控离焦距离。O
10.如权利要求8所述的曝光焦点的监控方法，进一步包括 形成待监控曝光图形；测量所述待监控曝光图形的顶部宽度与底部宽度；根据所述待监控曝光图形的顶部宽度与底部宽度计算其待监控差值； 将所述待监控差值代入所述线性方程以求得与所述差值相对应的监控离焦距离。
全文摘要
一种曝光焦点的监控方法，包括在预定离焦距离的范围内，以任选的离焦距离形成至少两个曝光图形；分别测量各曝光图形的顶部宽度与底部宽度；计算各曝光图形的顶部宽度与底部宽度的差值；根据差值与对应的离焦距离计算预定的系数。根据该曝光焦点的监控方法，可以在最少仅需两组数据的情况下即确定最终所得曝光图形的尺寸与曝光焦点的关系。
文档编号G03F7/20GK101907830SQ20091003379
公开日2010年12月8日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者刘志成, 张辰明, 杨要华, 胡骏 申请人:无锡华润上华半导体有限公司;无锡华润上华科技有限公司