光学近场度量的制作方法

本申请案主张2016年9月28日申请的第62/400,627号美国临时专利申请案的权利，所述临时专利申请案的全文以引用的方式并入本文中。

本发明涉及光学度量的领域，且更特定来说，本发明涉及具有用于增强光学度量的高灵敏度及准确度的晶片特征扫描。

背景技术：

光学度量中的准确度及灵敏度要求随着光刻生产技术的进步及集成电路(ic)装置特征大小的减小而增加。当前扫描技术太缓慢、太昂贵及/或不够准确来将所需晶片表面构形输入提供到光学度量系统。

技术实现要素：

以下是提供对本发明的初始理解的简化概述。所述概述未必识别关键要素也不限制本发明的范围，而仅充当对以下描述的引言。

本发明的一个方面提供一种系统，其包括：至少一个光学微腔传感器，其经配置以检测晶片上的特征；及控制器，其经配置以通过使所述至少一个光学微腔传感器在装置的特征与叠加目标的特征之间移动来测量所述装置的特征与所述叠加目标的特征之间的距离。

本发明的这些、额外及/或其它方面及/或优点阐述于以下详细描述中；可能可从所述详细描述推论；及/或可通过本发明的实践获知。

附图说明

为更佳地理解本发明的实施例且展示可如何实行所述实施例，现在将仅通过实例参考附图，其中相同符号始终指示对应元件或区段。

在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的具有包含装置的特征及(若干)度量目标的特征的多个层的晶片的区段的高级示意性绘示。

图2及3是根据本发明的一些实施例的经配置以使用(若干)光学微腔传感器来测量晶片特征的准确相对位置的系统的高级示意性绘示。

图4是绘示根据本发明的一些实施例的方法的高级流程图。

具体实施方式

在以下描述中，描述本发明的各个方面。为了阐释，阐述特定配置及细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员还将明白，可在无本文中所呈现的具体细节的情况下实践本发明。此外，可省略或简化熟知特征以免模糊本发明。特定参考图式，应强调，所展示的细节是通过实例且仅供说明性讨论本发明，且为了提供确信为本发明的原理及概念性方面的最有用且容易理解的描述而呈现。在这方面，并未试图比本发明的基础理解所必需的描述更详细地展示本发明的结构细节，图式所采取的描述使所属领域的技术人员明白如何可在实践中体现本发明的若干形式。

在详细阐释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明并不使其应用受限于以下描述中所阐述或图式中所绘示的组件的构造及布置的细节。本发明可应用于可依各种方式实践或实施的其它实施例及所揭示的实施例的组合。此外，应理解，在本文中采用的用语及术语是出于描述的目的，且不应被视为具有限制性。

除非依从以下讨论显而易见的其它方式明确陈述，否则应了解，在整个说明书中，利用例如“处理”、“计算”、“演算”、“确定”、“增强”等等的术语的讨论是指计算机或计算系统或类似电子计算装置的动作及/或过程，其将表示为计算系统的寄存器及/或存储器内的物理(例如电子)量的数据操纵及/或转换成类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或其它此类信息存储、传输或显示装置内的物理量的其它数据。

提供利用光学微腔探针以依遵循高体积度量要求的方式通过所述光学微腔探针之间的近场相互作用来映射晶片表面构形的系统及方法。所述光学微腔探针通过参考辐射与微腔及晶片特征中的辐射的近场相互作用之间的干扰信号的移位来检测晶片上的特征，例如装置特征及度量目标特征。各种照明及检测配置提供用于相对于其准确度及灵敏度来增强光学度量测量的快速且敏感的信号。所述光学微腔探针可相对于所述晶片而在受控高度及位置处被扫描，且提供有关装置特征与目标特征之间的空间关系的信息。

图1是根据本发明的一些实施例的具有包含装置的特征65及(若干)度量目标的特征80的多个层70的晶片60的区段的高级示意性绘示。度量目标一般经设计以依有关例如层70之间的叠加的度量参数的光学分辨率提供数据。将这些数据用作有关装置特征65的对应数据的代理，其无法被光学测量。特征65、80可分别包括对应ic装置及度量目标的任何结构或元件(例如杆体、沟槽或任何其它结构元件)。两个双头箭头示意性地绘示装置特征65及目标特征80出现于晶片60的多个层中。

目标特征65通常经受图案放置误差，其可为将在半导体行业中于制造集成电路(ic)期间被控制的最重要参数中的一者，这是因为特征65的相对位置影响最终产品的质量及产量两者。典型图案化尺寸对于直接光学分辨率来说太小，且因此，通常在每一光刻步骤中制造特殊“代理”目标，且通过各种光学技术来监测这些较大“代理”目标之间的叠加(作为度量参数的非限制性实例)。

然而，装置特征65与目标特征80的放置数据之间的对应性的准确度尤其取决于：(i)(若干)度量目标的特征80的位置正确地表示对应装置的特征65的位置且因此特征80、65的误置对应的假设；(ii)装置特征65与目标特征80之间的距离85(示意性地所指示)不会引入额外误差的假设；及(iii)(若干)度量目标表示的特征80的生产准确度。这些假设在光刻的按比例缩减达到次10nm尺寸时变得较不准确。例如，叠加测量可能无法容忍叠加目标的特征80与实际ic组件的特征65之间的非零(例如几纳米)偏移。因此，依两个不同长度尺度(例如1nm到10nm对100nm到1000nm)设计的特征80、65的放置误差之间需要精确校准。

图2及3是根据本发明的一些实施例的经配置以使用(若干)光学微腔传感器110来测量晶片特征65、80的准确相对位置的系统100的高级示意性绘示。

系统100可包括：至少一个光学微腔传感器110，其包括经配置以检测晶片60上的特征的经耦合的微腔112及光纤114(例如，微腔112可耦合到锥形光纤114)；及控制器150，其经配置以通过使至少一个光学微腔传感器110在装置的特征65与叠加目标的特征80之间移动来测量装置的特征65与叠加目标的特征80之间的距离85。例如，因为在晶片60上方扫描(151a)微腔传感器110，所以腔模112a的渐消部分112b可在扫描151a期间与且期望与例如特征65、80的晶片上表面构形相互作用。因此，腔模112a的渐消部分可延伸超出微腔112，但其不会从微腔112传播到微腔112外部，且其强度随着与微腔112的距离呈指数衰减。此电磁场可具有小范围(例如，针对直径为约300nm且距离衰减长度为约100nm的微腔)。因此，如果在晶片上方扫描微腔112，那么具有表面构形的特征将进入强渐消场(evanescentfield)的区中，且远离微腔112移动将会离开此区域(即，期望相互作用)。微腔112及/或微腔传感器110可由此经配置以提供指示微腔112的渐消场与经检测特征之间的相互作用的辐射。腔模112a可以是指微腔112内及/或周围的电磁场。

微腔112可与光纤114耦合，使得光纤114经定位成足够接近微腔112以提供所要操作。耦合可通过使具有高折射率的两个区域(例如光纤114及微腔112)之间的电磁场穿隧来发生。

在一例子中，微腔112具有约10μm×500nm的总范围。场(相互作用区域)是各自具有约330nm的距离及约280nm的直径的一系列点。其它尺寸是可能的。在这个例子中，微腔112是由硅制成，且波长为1550nm。光可耦合到微腔112中及从微腔112耦合。

控制器150可进一步经配置以在晶片60上逐层地进行距离测量，以提供特定层中的叠加目标与特征80及特征65或同一层中所制造的ic组件的部分之间的相对位置的准确测量，且可能地提供针对连续晶片层的距离校准，或提供校正且增强光学叠加测量的准确度。例如，系统100可经配置以提供有关(若干)度量目标的特征80的生产准确度的校准数据，其接着可在叠加算法中用于增大度量测量准确度。

光学微腔是由于微腔的微米或甚至纳米尺寸而具有极窄透射(反射)线的光学谐振器(参阅曲线图105中的实例)。光学频率ν对透射(反射)带宽δ的比率(被称为质量因子)可达到能够快速扫描晶片表面的值q≌10⁵－10⁶。例如，使用的光学频率会提供对应于δλ≌1.55pm(105b)的透射带宽的δ≌200mhz。

可使用方程式1来演算微腔112的谐振线的移位，其中δλr(105a)表示由于腔112分别与ic或例如特征65或80的目标组件的相互作用的谐振频率的移位；λr表示未扰动腔112的谐振频率；表示腔模112的电场；∈及δ∈表示电容率且改变ic或目标组件65、80分别与周围介质的电容率之间的差；vp表示相互作用体积，且v表示整个空间。

为了评估频率移位的可检测性，可将其与透射带宽比较，如方程式2中所表达(参阅上文q的定义)。

例如，在模拟中，(δλr)/δλ的灵敏度约为每nm横向扫描10％(参阅曲线图105中的绘示)，而所模拟的微腔112到晶片上表面构形的最近竖直距离是100nm，其指示在合理非限制性测量条件下的所揭示的系统100的高灵敏度。

如图2中示意性地所绘示，光学微腔传感器110可用于扫描探针显微术。腔模(由符号112a示意性地所指示)的渐消部分(由符号112b示意性地所指示)与晶片60上的特征65及/或80的近场相互作用影响光学微腔传感器110的微腔112中的谐振频率，以改变(105a)微腔112中的辐射112a、112b与经耦合光纤114中的辐射114a之间的干扰波长，如曲线图105中示意性地所展示。控制器150(例如，经由位置控制模块151)可经配置以控制至少一个光学微腔传感器110的水平位置(由箭头151a示意性地所指示)，以在横跨晶片60的当前层处提供表面构形的映射。

有利地，微腔传感器110可经设计以通过配置小模式体积而具有受限强度分布，且经进一步设计以存储可延伸超出传感器110的物理范围(图2中关于微腔112示意性地所绘示)以提供增强灵敏度的渐消波112b中的光能的显著部分。这些配置可经调整以提供微腔112与其周围环境的有效相互作用且提供高测量分辨率。

在特定实施例中，传感器110的光学微腔112可为(作为非限制性实例)微圆环面、微球形、微碟形、1d或2d(一维或二维)光子晶体腔、纳米束腔，或产生光能的高质量因子及严格限制的任何其它配置。例如，质量因子用于测量微腔112。在一例子中，高质量因子是q>100且严格限制意指小于λ³。

微腔112到光纤114的耦合机制可包括例如：腔模112a到外部激光场的直接(光栅)耦合；到锥形光纤114的耦合；及/或到波导或棱镜的渐消耦合。

图3示意性地绘示根据本发明的一些实施例的系统100的配置。可单独地或以与其它元件的各种组合采用所绘示的元件。

可在以下非限制性实例中的任何者中进行谐振移位检测(δλr105a的检测)130。(i)具有可提供线移位的中间检测但读出速度可具有限制性的光谱敏感检测130(例如，使用高分辨率光谱仪)的宽带照明源120。(ii)使用具有光检测器的可调光源照明120可在每一扫描点处提供依据照明波长而变化的透射强度的检测130。(iii)具有经调谐成透射线斜率(图2中的105c)的固定窄线宽的照明120及具有快速光检测器的检测130，其用于在每一扫描点处提供强度检测。在一些实施例中，照明源120中的任何者还可由控制器150控制，例如以调谐由此提供的照明。

在特定实施例中，传感器110及/或微腔112可装载有宽带宽荧光介质140，宽带宽荧光介质140可经配置以增强传感器110的灵敏度，在由腔谐振覆盖的范围内提供指定光学增益，及/或增强腔112与特征65、80之间的相互作用的可检测性。在特定实施例中，微腔112可经配置为装载有荧光介质140的高q腔且具有窄带发射光谱(类似于激光，具有对应光学增益)。所揭示的微腔112与晶片上特征65、80的相互作用可经由有效地修改腔112的谐振条件而改变发射光谱。

例如，激光可通过使荧光介质140(例如磷化铟)包含于微腔112内来运作。荧光介质140是借助于外部能量供应(例如电流)而激发，且发射光。一般来说，荧光介质140可发射宽光谱，但一旦此类发射发生于微腔112中，所述发射就可发生于腔模内且波长将由微腔112几何形状及性质界定(例如，由于珀瑟尔(purcell)效应)。通过与晶片上特征的相互作用而进行的微腔112的扰动将改变微腔112的谐振，且因此将改变发射波长。

在特定实施例中，控制器150可进一步经配置以控制(若干)微腔112的竖直位置及/或包括经配置以控制(若干)微腔112的竖直位置的高度模块152。控制器150及/或152可进一步经配置以将(若干)微腔112维持于指定扫描高度。多个晶片60可由系统100扫描，可能在高于晶片60的固定高度处，其中控制器150例如通过比较由(若干)传感器110及/或(若干)传感器155检测的位置特定光学信号而检测及调整光学及/或表面构形性质的晶片间变动。例如，竖直位置可离晶片60的表面约100nm或小于100nm，但其它尺寸是可能的。

在特定实施例中，系统100可包括经配置以将扫描高度数据提供到控制器150及/或152的至少一个辅助光学微腔传感器155。此类配置可扩展传感器110的应用，以提供不同晶片的光学响应之间的相对比较，同时使扫描高度随着来自(若干)辅助光学微腔传感器155或其它接近度传感器的反馈而保持恒定。

在特定实施例中，可使微腔信号111(由符号111示意性地所绘示及表示，例如，对应于曲线图105的分析结果)与光学度量信号交叉对齐。例如，具有1μm到20μm的典型大小的光学微腔112及/或光学微腔传感器110可安装于透明衬底115上，且引入(例如，作为整个扫描头)到光学物镜90与晶片60之间的工作距离中。在特定实施例中，透明衬底115可进一步包括打印对齐标记115a(示意性地所展示)，其用于使光学度量测量与(若干)微腔传感器100对齐，且同时从(若干)微腔传感器100收集(若干)信号111以进一步增强度量测量准确度。

图4是绘示根据本发明的一些实施例的方法200的高级流程图。可关于上文所描述的系统100来进行方法阶段，系统100可任选地经配置以实施方法200。例如，在度量模块中，可由至少一个计算机处理器至少部分地实施方法200。特定实施例包括计算机程序产品，其包括计算机可读存储媒体，计算机可读存储媒体具有与其一起体现的计算机可读程序且经配置以进行方法200的相关阶段。这些方法阶段关于上文所描述的且任选地经配置以实施方法200的系统100被更详细地描述。

方法200可包括：使用光学微腔探针(例如微腔112及/或微腔传感器110)以通过影响谐振频率的近场相互作用来映射晶片表面构形(阶段205)；及可能地配置照明及检测以遵循高体积度量要求(阶段210)。例如，光学微腔探针包括耦合到相应光纤的微腔，且方法200可进一步包括：配置微腔以提供延伸超出相应腔的渐消辐射以与晶片特征相互作用，以提供与光纤中的辐射的干扰。

方法200可包括以下任何者：使用宽带照明及光谱敏感检测以直接检测线移位(阶段212)；使用可调照明且检测波长相依强度(阶段214)；及/或依透射线斜率使用窄带照明且由快速检测器检测强度(阶段216)。

方法200可包括：将微腔与荧光介质耦合以增强检测(阶段220)。

方法200可包括：监测及/或控制微腔探针的扫描高度，例如微腔探针与晶片结构的距离(阶段230)。在一些实施例中，方法200可包括：使用额外光学微腔探针来监测扫描高度(阶段235)。方法200可进一步包括：依固定高度扫描多个晶片；调整光学及/或表面构形变动(阶段237)。

方法200可包括：相对于装置结构来测量叠加目标结构的位置(阶段240)；及可能地使微腔信号与光学度量测量共同对齐(阶段250)。

有利地，所揭示的系统100及方法200将测量速度及准确度组合，其优于先前方法，例如电子束成像、电子显微术或扫描探针方法(原子力显微术，afm)。再者，所揭示的系统100及方法200较不倾于由局部电荷所致的误差，局部电荷会衰减电子，使基于电子的先前成像系统的图像变形，且因此可展现显著定位误差。最后，所揭示的系统100及方法200相比于基于afm的方法需要较低的3d定位准确度，且不受限于afm的悬臂振荡频率，所述悬臂振荡频率会引起长测量持续时间(例如，针对10khz到100khz之间的悬臂振荡频率，以1nm²的分辨率扫描1μm²面积约为100秒)，其对于高体积制造(hvm)来说是无法接受的。

有利地，将(若干)光学微腔用作ic电路的扫描头会实现快速非接触扫描(例如100nm的数量级的距离或高度)，从而利用谐振器的快速响应以相对于现有技术将扫描时间减少了高达八个数量级。再者，系统100及方法200可仅受限于检测器速度而非振荡器频率。初始模拟表明，所揭示的系统100及方法200可改进叠加测量的准确度且提供相对于过程变动更为稳健的叠加测量。再者，所揭示的系统100及方法200使能够利用扫描探针显微术来使ic组件与叠加目标交叉对齐，且整合扫描头中的光学微腔感测以用于叠加度量且还可能地用于针对扫描高度上的反馈的接近度感测。

本文中所揭示的实施例可提供用于相对于其准确度及灵敏度来增强光学度量测量的快速且敏感的信号。例如，扫描时间可由测量每一点所花费的时间乘以要测量的点的数目定义，这是因为可逐点地执行测量。用于测量点的时间可经估计为腔响应时间，其经评估为大约光学振荡时间乘以光子离开腔所需的振荡的平均数。此数被称为q因子，且可高达q≌10⁶。掁荡时间是τ[每点]＝τopt×q＝5nsec。为以1nm×1nm的分辨率测量具有1μm×1μm的尺寸的目标，可使其为一百万个点，因此，总标称测量时间将为约5毫秒。此类估计不会考虑任何机械负担。

根据本发明的实施例，上文参考方法、设备(系统)及计算机程序产品的流程图绘示及/或部分图解来描述本发明的方面。应理解，可由计算机程序指令实施流程图绘示及/或部分图解的每一部分及流程图绘示及/或部分图解中的部分的组合。可将这些计算机程序指令提供到通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实施在流程图及/或部分图解或其部分中指定的功能/动作的手段。

这些计算机程序指令还可存储在计算机可读媒体中，其可引导计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置以依特定方式起作用，使得存储于计算机可读媒体中的指令产生包含实施流程图及/或部分图解或其部分中指定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令还可加载到计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置上以致使一系列操作步骤在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行以产生计算机实施过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实施在流程图及/或部分图解或其部分中指定的功能/动作的过程。

上述流程图及图解绘示根据本发明的各种实施例的系统、方法及计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能及操作。在这方面，流程图或部分图解中的每一部分可表示包括用于实施(若干)指定逻辑功能的一或多个可执行指令的模块、片段或代码的部分。还应注意，在一些替代实施方案中，部分中所注明的功能可不依流程图所注明的顺序发生。例如，实际上，取决于所涉及的功能，连续展示的两个部分可大体上同时执行，或所述部分有时可依相反顺序执行。还应注意，部分图解及/或流程图绘示的每一部分及部分图解及/或流程图绘示中的部分的组合可由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件及计算机指令的组合实施。

在上文描述中，实施例是本发明的实例或实施方案。“一个实施例”、“实施例”、“特定实施例”或“一些实施例”的各种出现未必全部指代相同实施例。虽然可在单个实施例的内容中描述本发明的各种特征，但还可单独提供或以任何适当组合提供所述特征。相反地，虽然为清楚起见本文中在单独实施例的背景中描述本发明，但本发明还可实施于单个实施例中。本发明的特定实施例可包含来自上文所揭示的不同实施例的特征，且特定实施例可结合来自上文所揭示的其它实施例的元件。本发明的元件在特定实施例的背景中的揭示内容并未被视为限制其仅用于所述特定实施例。此外，应理解，可依各种方式实施或实践本发明，且本发明可实施于除上文描述中所概述的实施例之外的特定实施例中。

本发明不受限于那些图解或对应描述。例如，流程无需进行每一绘示图框或状态，或依与所绘示及描述完全相同的顺序进行。除非另有定义，否则本文中所使用的技术术语及科学术语的意义应为所属领域的一般技术人员所普遍理解。虽然已相对于有限数目个实施例描述本发明，但这些实施例不应被认作限制本发明的范围，而是应作为一些优选实施例的例证。其它可能变动、修改及应用也在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应由迄今已描述的内容限制，而由所附权利要求书及其合法等效物限制。