一种掩模版及离焦量的方法与流程

本发明实施例涉及半导体光刻技术领域，尤其涉及一种掩模版及离焦量的测量方法。

背景技术：

随着电子产品向微型化和集成化发展，集成电路的制备过程中，光刻技术变得越来越重要，尤其是对关键尺寸和套刻精度的要求越来越高。

在曝光过程中，离焦量对关键尺寸和套刻精度影响很大，离焦量的变化，将导致转印到基底上的曝光图形的关键尺寸和套刻精度发生变化，无法满足预设要求。因此，需要测量当前像面的离焦量，及时对离焦量的变化做出纠正或补偿。

现有技术中，在基底曝光后，通过观察曝光结果的方法，确定离焦量。具体的，曝光机将焦点曝光矩阵(focusenergymatrix，fem)掩模上图案转印到基底上，经显影后，借助显微镜观察特定宽度线条的成像质量，得到不同图样的最佳成像质量，然后利用多个图样的最佳像面高度进行模型计算，即得离焦量。然而，离焦量受很多方面影响，如基底表面的平坦化程度、激光波长的变化及环境变化等，为监测离焦量的变化，则需要每隔一定时间，根据上述方法测量离焦量，因此这种方法比较不准确而且耗费时间。此外，现有的方法需要多次不同高度曝光，确定离焦量，因此像面需要设置垂向传感器，以获取像面高度，导致设备结构复杂，测量效率低。

技术实现要素：

本发明提供一种掩模版及离焦量的测量方法，以实现准确高效地测量当前像面多个点的离焦量。

第一方面，本发明实施例提供了一种掩模版，包括掩模版本体，掩模版本体包括至少一个校准视场区，每个校准视场区设置有至少一个可透光的参考标记和至少一个可透光的可折光标记结构；

其中，校准光线经参考标记后沿原传播方向传播，校准光线经可折光标记结构后发生折射；

掩模版本体包括层叠设置的掩模基底和掩模层，掩模基底为透光膜层，掩模层包括透光区和非透光区，可折光标记结构的部分或全部以及参考标记设置于透光区。

可选的，可折光标记结构包括第一折光结构和第一焦点标记，第一折光结构位于掩模基底远离掩模层一侧的表面，第一焦点标记位于掩模基底靠近掩模层的一侧；

第一折光结构用于折射校准光线，且折射后的校准光线透过第一焦点标记出射。

可选的，第一折光结构为楔形结构，第一焦点标记在掩模基底上的正投影位于第一折光结构在掩模基底上的正投影内。

可选的，参考标记和第一焦点标记为掩模层经图案化形成。

可选的，参考标记和第一焦点标记为光栅结构。

可选的，可折光标记结构包括第二焦点标记，第二焦点标记位于掩模基底靠近掩模层的一侧，第二焦点标记包括至少一个第二折光结构；

第二折光结构用于折射校准光线。

可选的，第二折光结构为楔形结构，第二焦点标记包括多个间隔设置且平行排列的楔形结构，任意相邻两个第二折光结构之间为非透光区。

可选的，第二焦点标记为闪耀光栅结构。

可选的，在每个校准视场区中，参考标记和可折光标记结构相间分布。

第二方面，本发明实施例还提供了一种离焦量的测量方法，采用如本发明第一方面任意所述的掩模版进行测量，包括：

确定掩模版上的各可折光标记结构在当前像面成像的畸变误差偏移量，其中，当前像面为可折光标记结构在待曝光基底上的投影平面；

由期望焦点位置与对应畸变误差偏移量之和得到可折光标记结构在当前像面的名义焦点位置，其中，期望焦点位置为无位置偏差时可折光标记结构在当前像面的成像位置；

由实际焦点位置与名义焦点位置之差得到可折光标记结构在当前像面成像的离焦误差偏移量，其中，实际焦点位置为可折光标记结构在当前像面的实际成像位置；

根据离焦误差偏移量以及预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系，确定各可折光标记结构对应的离焦量。

可选的，确定掩模版上的各可折光标记结构在当前像面成像的畸变误差偏移量，包括：

建立畸变误差偏移量关于实际参考位置的拟合多项式，其中，实际参考位置为掩模版上的参考标记在当前像面的实际成像位置；

将期望参考位置与实际参考位置之差，以及实际参考位置代入拟合多项式，分别得到各校准视场区对应的拟合多项式中的拟合系数，以得到各校准视场区对应的畸变误差偏移量拟合公式，其中，期望参考位置为无位置偏差时参考标记在当前像面的成像位置；

将各期望焦点位置代入对应的畸变误差偏移量拟合公式，得到各可折光标记结构在当前像面成像的畸变误差偏移量。

可选的，拟合多项式为：

其中，δx为畸变误差偏移量在x轴上的分量，δy为畸变误差偏移量在y轴上的分量，x为实际参考位置在x轴上的分量，y为实际参考位置在y轴上的分量，k为拟合系数。

可选的，根据离焦误差偏移量以及预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系，确定各可折光标记结构对应的离焦量，包括：

根据预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系建立水平偏移量与离焦量的样条曲线；

将各离焦误差偏移量在样条曲线中进行样条插值，得到各可折光标记结构对应的离焦量。

本发明实施例提供的掩模版及离焦量的测量方法，掩模版本体包括多个校准视场区，每个校准视场区设置有多个可透光的参考标记和多个可透光的可折光标记结构，通过参考标记计算由物镜畸变引起的畸变误差偏移量，由期望焦点位置与对应畸变误差偏移量之和得到可折光标记结构在当前像面的名义焦点位置，实际焦点位置与名义焦点位置之差得到可折光标记结构在当前像面成像的离焦误差偏移量，根据离焦误差偏移量以及预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系，确定各可折光标记结构对应的离焦量。测量过程中，只需测量实际焦点位置，即可得到各可折光标记结构对应的离焦量，且无需多次调整曝光高度，像面无需设置垂向传感器，能够消除物镜畸变对测量到的离焦量的影响，准确高效地确定当前像平面内多个点的离焦量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的掩模版上一个校准视场区的俯视图；

图2为本发明实施例中一种掩模版一部分的剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种离焦量的测量装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中参考标记和/或焦点标记的示意图；

图5为本发明实施例中另一种掩模版一部分的剖面图；

图6为本发明实施例中一种楔形结构的示意图；

图7为本发明实施例中另一种楔形结构的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种离焦量的测量方法的流程图；

图9为本发明实施例中焦点标记在像面的成像位置示意图；

图10为理论上离焦量与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量的关系曲线；

图11为实际上离焦量与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量的关系曲线；

图12为校准光线经闪耀光栅折射的示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

本发明实施例一提供一种掩模版，图1为本发明实施例提供的掩模版上一个校准视场区的俯视图，图2为本发明实施例中一种掩模版一部分的剖面图，如图1和图2所示，该掩模版包括掩模版本体100，掩模版本体100可以包括多个校准视场区，每个校准视场区设置有多个可透光的参考标记200和多个可透光的可折光标记结构300，可折光标记结构300包括可折光结构310和焦点标记320。其中，校准光线经参考标记后沿原传播方向传播，在像面上形成参考标记的像；校准光线经可折光标记结构300中的折光结构后发生折射，使得该可折光标记结构300中的焦点标记在像面形成的像发生偏移。

图3为本发明实施例提供的一种离焦量的测量装置的结构示意图，包括掩模版10和投影透镜20，掩模版10和投影透镜20沿校准光线的光路依次设置。掩模版10上的参考标记200和可折光标记结构300中的焦点标记320经投影透镜20投影，在基底30上表面分别形成各自的成像。

投影透镜20是远心镜头，它可以在一定的物距和焦距范围内，使曝光得到的图像放大倍率不发生变化。也就是说当掩模版10的掩模图案层或基底30上表面发生轻微离焦时，曝光场的倍率不受影响，场内标记在像面的成像的水平位置也不受影响。本发明实施例在传统掩模版上方加上可折光标记结构300，可折光标记结构中的可折光结构310使主光线不再沿投影透镜20的主光轴方向传播，使成像系统具有非远心性，进而使得可折光标记结构300中的焦点标记320在像面的成像发生水平位置的偏移，由像面离焦和系统具有非远心性引起的焦点标记320在像面的成像的偏移量记为离焦误差偏移量。在已知离焦量的情况下进行曝光，获取各可折光标记结构300中焦点标记320的像在当前像面的水平偏移量，得到反应各焦点标记320的像在当前像面的水平偏移量与设定离焦量的关系的原始样条曲线。将各离焦误差偏移量在样条曲线中进行样条插值计算，得到各可折光标记结构300中焦点标记320对应的离焦量。其中，各校准视场区内的多个参考标记200用于获取该校准视场区对应的畸变误差偏移量，在计算焦点标记320的成像的离焦误差偏移量的过程中，需要考虑校准视场区的物镜畸变造成的畸变误差偏移量，以消除畸变误差偏移量对离焦量测量值的影响。具体的，可以根据该校准视场区内，多个参考标记在像面的成像由物镜畸变引起的畸变误差偏移量，计算出该校准视场区的畸变系数k，由畸变系数k得到各可折光标记结构300在当前像面成像的畸变误差偏移量，进而得到焦点标记320在当前像面成像的离焦误差偏移量.

本发明实施例提供的掩模版，掩模版本体包括多个校准视场区，每个校准视场区设置有多个可透光的参考标记和多个可透光的可折光标记结构，通过参考标记计算由物镜畸变引起的畸变误差偏移量，在计算可折光标记中焦点标记的成像的离焦误差偏移量的过程中，考虑校准视场区的物镜畸变造成的畸变误差偏移量，根据焦点标记的成像的离焦误差偏移量以及预先建立的焦点标记的成像的水平位置偏移量与离焦量的对应关系，确定各焦点标记对应的离焦量。测量过程中，只需测量焦点标记的成像的实际位置，即可得到各焦点标记的成像对应的离焦量，且无需多次调整曝光高度，像面无需设置垂向传感器，能够消除物镜畸变对测量到的离焦量的影响，准确高效地确定当前像平面内多个点的离焦量。

图4为本发明实施例中参考标记和/或焦点标记的示意图，可选的，参考标记和焦点标记为尺寸规格相同的光栅结构。

可选的，继续参考图1，在每个校准视场区中，参考标记200和可折光标记结构300相间均匀分布，即参考标记200和焦点标记320相间均匀分布。

可选的，继续参考图2，掩模版本体100包括层叠设置掩模基底110和掩模层120，掩模基底110为透光膜层，掩模层120包括透光区和非透光区，可折光标记结构300的部分或全部以及参考标记200设置于透光区。可选的，掩模基底110的材料为熔石英，掩模层120的材料为铬。可选的，参考标记200和焦点标记320为掩模层120经图案化形成。

可选的，在本发明其中一实施例中，如图2所示，可折光标记结构300包括第一折光结构311和第一焦点标记321，第一折光结构311位于掩模基底110远离掩模层120一侧的表面，第一焦点标记321位于掩模基底110靠近掩模层120的一侧。第一折光结构311用于折射校准光线，且折射后的校准光线透过第一焦点标记321出射，以使第一焦点标记321在像面的成像产生水平位置的偏移。

可选的，第一折光结构311为楔形结构，可以采用熔石英材质，第一焦点标记321在掩模基底110上的正投影位于第一折光结构311在掩模基底110上的正投影内。

图5为本发明实施例中另一种掩模版一部分的剖面图，可选的，在本发明其中一实施例中，如图5所示，可折光标记结构包括第二焦点标记322，第二焦点标记322位于掩模基底110靠近掩模层120的一侧，第二焦点标记322包括至少一个第二折光结构312。第二折光结构312用于折射校准光线，以使第二焦点标记322在像面的成像产生水平位置的偏移。

可选的，第二折光结构312为楔形结构，可以采用熔石英材质，第二焦点标记322包括多个间隔设置且平行排列的楔形结构，任意相邻两个第二折光结构312之间为非透光区，形成上述光栅结构。第二焦点标记322为闪耀光栅结构，使成像所需的0、+1或0、-1级衍射光束相比投影透镜的主光轴产生一定的夹角。该夹角使得像面离焦时，焦点标记在像面的成像产生水平位置偏移。

本发明实施例中楔形结构可以有多种形式，楔形结构的角度也有多种，一般在1-45°之间取值。图6为本发明实施例中一种楔形结构的示意图，图7为本发明实施例中另一种楔形结构的示意图。如图6所示的楔形结构使得第一焦点标记32在像面的成像产生x和y轴两个方向的偏移，如图7所示的楔形结构使得第一焦点标记32在像面的成像产生x或y轴方向的偏移，另一个方向的偏移量为零。

本发明实施例还提供了一种离焦量的测量装置，如图3所示，包括投影透镜20和如本发明实施例一任意所述的掩模版10。投影透镜20设置于掩模版10的出光侧，用于将掩模版10上的参考标记200和可折光标记结构300中的焦点标记320投影至待曝光基底30上。

实施例二

本发明实施例二提供了一种离焦量的测量方法，采用如本发明实施例提供的掩模版和离焦量的测量装置进行测量，图8为本发明实施例提供的一种离焦量的测量方法的流程图，如图8所示，该方法包括：

s10：确定掩模版上的各可折光标记结构在当前像面成像的畸变误差偏移量。

其中，当前像面为可折光标记结构在待曝光基底上的投影平面。在计算可折光标记结构中焦点标记在像面的成像的离焦误差偏移量的过程中，需要考虑校准视场区的物镜畸变造成的畸变误差偏移量，以消除畸变误差偏移量对离焦量测量值的影响。

s20：由期望焦点位置与对应畸变误差偏移量之和得到可折光标记结构在当前像面的名义焦点位置。

其中，期望焦点位置为无位置偏差(没有畸变、离焦和非远心造成的偏移)时可折光标记结构中焦点标记在当前像面的成像位置。

s30：由实际焦点位置与名义焦点位置之差得到可折光标记结构在当前像面成像的离焦误差偏移量。

其中，实际焦点位置为可折光标记结构在当前像面的实际成像位置，离焦误差偏移量为像面离焦和可折光结构导致非远心性引起的焦点偏移量。

s40：根据离焦误差偏移量以及预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系，确定各可折光标记结构对应的离焦量。

本发明实施例提供的离焦量的测量方法，由期望焦点位置与对应畸变误差偏移量之和得到可折光标记结构在当前像面的名义焦点位置，实际焦点位置与名义焦点位置之差得到可折光标记结构在当前像面成像的离焦误差偏移量，根据离焦误差偏移量以及预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系，确定各可折光标记结构对应的离焦量。测量过程中，只需测量实际焦点位置，即可得到各可折光标记结构对应的离焦量，且无需多次调整曝光高度，像面无需设置垂向传感器，能够消除物镜畸变对测量到的离焦量的影响，准确高效地确定当前像平面内多个点的离焦量。

可选的，确定掩模版上的各可折光标记结构在当前像面成像的畸变误差偏移量，包括：

建立畸变误差偏移量关于实际参考位置的拟合多项式，其中，实际参考位置为掩模版上的参考标记在当前像面的实际成像位置。

将期望参考位置与实际参考位置之差，以及实际参考位置代入拟合多项式，分别得到各校准视场区对应的拟合多项式中的拟合系数，以得到各校准视场区对应的畸变误差偏移量拟合公式，其中，期望参考位置为无位置偏差(没有畸变造成的偏移和离焦造成的偏移)时参考标记在当前像面的成像位置。

将各期望焦点位置代入对应的畸变误差偏移量拟合公式，得到各可折光标记结构在当前像面成像的畸变误差偏移量。

可选的，拟合多项式为：

其中，δx为畸变误差偏移量在x轴上的分量，δy为畸变误差偏移量在y轴上的分量，x为实际参考位置在x轴上的分量，y为实际参考位置在y轴上的分量，x轴和y轴在水平面上相互垂直，其中，k为拟合系数。可选的，在本发明实施例中，每个校准视场区内包括10个参考标记，由参考标记的畸变误差偏移量的δx、δy和实际参考位置的x、y，根据上述多项式得到10个畸变误差偏移量的δx值与对应的10个δx的多项式，以及10个畸变误差偏移量的δy值与对应的10个δy的多项式：

进而求出k1，k3…，k19以及k2，k4…，k20，进而得到该校准视场区对应的拟合多项式中的拟合系数k(k1，k2…，k20)。需要说明的是，每个校准视场区内的参考标记和焦点标记个数可根据需要灵活设定。

可选的，根据离焦误差偏移量以及预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系，确定各可折光标记结构对应的离焦量，包括：

根据预先建立的水平偏移量与离焦量的对应关系建立水平偏移量与离焦量的样条曲线。可选的，在已知离焦量的情况下进行曝光，获取各可折光标记结构中焦点标记的像在当前像面的水平偏移量，得到反应各焦点标记的像在当前像面的水平偏移量与设定离焦量的关系的原始样条曲线。图9为本发明实施例中焦点标记在像面的成像位置示意图，如图9所示，a为最佳焦平面，b和c为离焦平面。θ为由于掩模版楔形结构折射造成的像面入射角，z为设定的离焦量，d为焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量。则离焦量z、焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量d与像面入射角θ间的关系可表示为：z＝d*ctgθ。多次调整基底的高度，以调整离焦量，进而得到离焦量z与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量d的关系曲线。图10为理论上离焦量与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量的关系曲线，图11为实际上离焦量与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量的关系曲线，理论上，离焦量z与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量d成比例关系如图10所示，满足z＝d*ctgθ。但是由于物镜畸变等因素的影响，离焦量z与水平偏移量d关系并不是完美的直线，而是如图11所示的曲线，其中dx为水平偏移量d在x轴上的分量随着离焦量z的变化曲线，dy为水平偏移量d在y轴上的分量随着离焦量z的变化曲线。

将各离焦误差偏移量在样条曲线中进行样条插值计算，得到各可折光标记结构中焦点标记对应的离焦量。

在本发明其中一实施例中，第二焦点标记33包括多个间隔设置且平行排列的楔形结构，任意相邻两个第二折光结构34之间为非透光区，形成闪耀光栅结构，把衍射的零级能量转移到其他某一级上。图12为校准光线经闪耀光栅折射的示意图，如图12所示，出射各级次衍射光的衍射角β可由透射光栅公式得到，透射光栅公式如下：

d(n1sinα+n2sinβ)＝mλ

其中，d为光栅周期，即任意相邻两个第二折光结构的距离；n1、n2为光束所在介质的折射率；α为入射到光栅面的入射角，在本实施例中，入射角α等于闪耀光栅的闪耀角γ；β为出射各级次衍射光的衍射角，即出射角；λ为入射光的波长，m为出射光束的衍射级次。出射角β与闪耀角γ的差值即为像面入射角θ。离焦量z、焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量d与像面入射角θ间的关系可表示为：z＝d*ctgθ。多次调整基底的高度，以调整离焦量，进而得到离焦量z与焦点标记在当前像面的成像的水平偏移量d的关系曲线。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”等的描述意指结合该实施例的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚器件，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。