一种光刻缺陷检测装置的制作方法

1.本发明属于光刻缺陷检测领域，更具体地，涉及一种光刻缺陷检测装置。


背景技术：

2.随着波长13.5nm的极紫外(extreme ultra-violet，euv)光刻技术的量产应用，集成电路制造关键尺寸(cd)突破至7nm技术节点及以下，进一步逼近摩尔定律的极限。光刻掩模作为光刻工艺重要信息载体，其表面承载着芯片设计电路图形，经由光刻、刻蚀等工艺转移到硅片上。光刻掩模上的缺陷会经由光刻工艺批量复制到所有硅片中，而且光刻掩模的微小缺陷往往会导致硅片上更大范围的缺陷，进而大幅影响生产质量和良率。随着光刻工艺进入euv光刻时代，采用反射式光刻曝光工艺，euv光刻掩模结构复杂度及光刻图形复杂度要远高于传统投透射射式光刻掩模。加之硅片上的电路图形对应掩模等比缩小四倍，硅片上的集成电路cd特征尺寸已突破至10nm以下。
3.现有的euv光刻缺陷检测通常是沿用传统光场显微透镜成像检测技术，检测灵敏度受限于光源波长和成像透镜的数值孔径(na)，其缺陷散射信号在cd趋近于7nm时已经完全丧失了灵敏度，导致检测范围受限及检测效率低。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光刻缺陷检测装置，其目的在于本发明利用叠层衍射算法对待测样品的衍射光强信息进行处理实现待测样品高精度缺陷识别与重构，从而识别待测样品的表面缺陷及隐藏于内部的相位缺陷信息，由此解决现有光刻缺陷检测技术检测范围受限及检测效率低的技术问题。
5.为实现上述目的，按照本发明提供了一种光刻缺陷检测装置，包括：
6.相干光源；用于出射初始光信号；
7.滤波聚焦模块，设置在所述出射光信号的出射光路上，用于将所述初始光信号进行滤波和汇聚形成汇聚光束；
8.运动台，设置于所述汇聚光束的汇聚光路上，用于放置待测样品并带动所述待测样品在三维方向上运动，运动过程中所述汇聚光束在所述待测样品表面汇聚成照明光斑；当所述照明光斑入射所述待测样品时透射率高于反射率时，所述待测样品透射所述照明光斑；当所述照明光斑入射所述待测样品时透射率低于反射率时，所述待测样品反射所述照明光斑；
9.光强探测器，当所述照明光斑入射所述待测样品时透射率高于反射率时，设置于所述照明光斑的透射光路上以接收所述照明光斑的透射光信号，用于利用叠层衍射算法对所述透射光信号的光强信息进行处理获取所述待测样品的光刻缺陷信息；当所述照明光斑入射所述待测样品时透射率低于反射率时，所述光强探测器设置于所述照明光斑的反射光路上以接收所述照明光斑的反射光信号，用于利用叠层衍射算法对所述反射光信号的光强信息进行处理获取所述待测样品的光刻缺陷信息。
10.在其中一个实施例中，所述初始光信号为euv光，所述滤波聚焦模块包括：
11.孔径光阑，设置于所述出射光信号的出射光路上，用于过滤euv光中的杂波，约束其光束几何尺寸并进行出射；
12.反射聚焦镜，设置于所述孔径光阑的出射光路上，用于将所述孔径光阑约束后的光信号进行反射聚焦；
13.反射平面镜，设置于所述反射聚焦镜的反射光路上，用于将反射聚焦后的光信号反射至所述待测样品的上表面形成所述照明光斑。
14.在其中一个实施例中，当所述照明光斑入射所述待测样品时透射率低于反射率时，所述照明光斑与所述待测样品光斑区域内的微结构发生衍射效应，在反射光路方向产生衍射光强信号，被置于衍射区域的所述光强探测器接收到所述衍射光强信号并进行处理得到所述光刻缺陷信息。
15.在其中一个实施例中，所述光刻缺陷检测装置还包括：
16.密闭洁净腔室，设置在相干光源、滤波聚焦模块、运动台和光强探测器的外围，用于隔绝外界的光学噪声。
17.在其中一个实施例中，所述运动台设置有：
18.二维平面位移台，带动所述待测样品沿第一方向和第二方向移动，所述第一方向和所述第二方向垂直
19.一维垂直位移台，带动所述待测样品沿第三方向移动，所述第三方向与所述第一方向和第二方向所在的平面垂直。
20.在其中一个实施例中，所述照明光斑直径d能够利用公式d＝d*h/f进行调节，其中，h为所述待测样品上照明光斑到照明光路焦点的距离，d为所述初始光信号汇聚前的直径尺寸，f为所述照明光路的聚焦焦距。
21.在其中一个实施例中，所述光刻缺陷信息包括光刻缺陷位置、光刻缺陷类别、光刻缺陷数量和缺陷形貌中的一种或多种；所述光强探测器用于将采集到的衍射光强i(q，xk)与所述待测样品的衍射图谱进行衍射差分运算，获取所述待测样品的光刻缺陷位置；还用于运用叠层衍射算法对所述衍射光强i(q，xk)进行迭代求解所述待测样品函数o(x)和照明光斑波前函数p(x)，进而获得所述待测样品的表面缺陷信息和相位缺陷信息；
22.其中，i(q，xk)＝|f[p(x)o(x xk)]|2，k为所述待测样品在步进位置；相干光源根据运动步长同步对所述待测样品进行入射曝光形成p(x)，x表示实空间坐标，q为其倒易空间坐标，f表示傅里叶变换。
[0023]
在其中一个实施例中，所述运动台的运动步长选择范围需满足对应相邻步长间衍射光斑重叠面积，重叠率典型值》50％。
[0024]
在其中一个实施例中，所述光刻缺陷检测装置用于半导体前道工艺euv光刻掩模缺陷检测和/或晶圆缺陷检测。
[0025]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0026]
本发帖通过设置照明相干光源、运动台和光强探测器所构建的光刻缺陷检测装置，通过待测样品衍射差分快速求解，以实现待测样品高效率缺陷识别与定位；通过叠层衍射算法进一步精确求解，以实现待测样品高精度缺陷识别与重构，且可同时重构待测样品
幅值与相位信息，可同时识别待测样品表面缺陷及隐藏于待测样品内部的相位缺陷信息。本发明提供的光刻缺陷检测装置具备高精度、高效率、高正确率缺陷检测优势，能够实现半导体前道工艺光刻掩模、晶圆等缺陷高精度、高效率、高正确率的检测。
附图说明
[0027]
图1为本发明一实施例中提供的光刻缺陷检测装置的结构示意图；
[0028]
图2为本发明一实施例中提供的极紫外光刻缺陷检测装置的结构示意图；
[0029]
图3为本发明一实施例中提供的光刻缺陷检测装置的扫描轨迹示意图，其中，(a)为“s”形叠层衍射扫描轨迹，(b)为螺旋形叠层衍射扫描轨迹；
[0030]
图4为本发明一实施例中提供的euv光刻掩模照明光路的示意图；
[0031]
图5为本发明一实施例中提供的一种叠层衍射图像重构算法模型的示意图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]
本发明提供了一种光刻缺陷检测装置100，包括：
[0034]
相干光源110；用于出射初始光信号；
[0035]
滤波聚焦模块120，设置在出射光信号的出射光路上，用于将初始光信号进行滤波和汇聚形成汇聚光束；
[0036]
运动台150，设置于汇聚光束的汇聚光路上，用于放置待测样品并带动待测样品在三维方向上运动，运动过程中汇聚光束在待测样品表面汇聚成照明光斑；当照明光斑入射待测样品时透射率高于反射率时，待测样品透射照明光斑；当照明光斑入射待测样品时透射率低于反射率时，待测样品反射照明光斑；
[0037]
光强探测器170，当照明光斑入射待测样品时透射率高于反射率时，设置于照明光斑的透射光路上以接收照明光斑的透射光信号，用于利用叠层衍射算法对透射光信号的光强信息进行处理获取待测样品的光刻缺陷信息；当照明光斑入射待测样品时透射率低于反射率时，光强探测器170设置于照明光斑的反射光路上以接收照明光斑的反射光信号，用于利用叠层衍射算法对反射光信号的光强信息进行处理获取待测样品的光刻缺陷信息。
[0038]
具体的，如图1所示，光刻缺陷检测装置100包括相干光源110、滤波聚焦模块120、入射光路130、测试待测样品140、运动台150、衍射光强信号160和光强探测器170；光刻缺陷检测装置100依据待测样品140光学特性，有两种检测光路形式：透射式光路101和反射式光路102。若相干光源110出射的光束入射检测待测样品时透射率高反射率低，采用透射式光路101进行缺陷检测，若透射率低反射率高，采用反射式光路102进行缺陷检测。
[0039]
在其中一个实施例中，初始光信号为euv光，滤波聚焦模块120包括：
[0040]
孔径光阑121，设置于出射光信号的出射光路上，用于过滤euv光中的杂波，约束其光束几何尺寸并进行出射；
[0041]
反射聚焦镜122，设置于孔径光阑121的出射光路上，用于将孔径光阑121约束后的
光信号进行反射聚焦；
[0042]
反射平面镜123，设置于反射聚焦镜122的反射光路上，用于将反射聚焦后的光信号反射至待测样品的上表面形成照明光斑。
[0043]
具体的，如图2所示，相干光源110发出波长13.5nm euv相干光束，euv相干光束经孔径光阑121过滤euv光源杂波，同时约束euv光源输出光束几何尺寸，反射聚焦镜122将孔径光阑121输出的euv光束进行反射聚焦，经反射平面镜123将euv光束入射聚焦至测试待测样品140上表面，形成照明光斑131。照明光斑131与测试待测样品140光斑区域内的微结构发生衍射效应，在反射光路方向产生衍射光强信号160，被置于衍射区域的光强探测器170探测接收。另一方面，运动台150带动待测样品140按设定运动扫描轨迹、运动步长与运动节拍沿着第一方向、第二方向运动，每完成一次运动节拍，上述光源与照明系统110-131对测试待测样品140进行一次入射曝光，后场光强探测器170获取该位置衍射光强信息160。经叠层衍射算法处理后，输出检测报告。检测报告中的缺陷信息包括缺陷位置、缺陷类别、缺陷数量、缺陷形貌等信息，从而实现光刻缺陷叠层衍射检测。
[0044]
在其中一个实施例中，运动台150的运动步长选择范围需满足对应相邻步长间衍射光斑重叠面积，重叠率典型值》50％。图3为本发明一实施例中提供的光刻缺陷检测装置的扫描轨迹示意图，其中，(a)为“s”形叠层衍射扫描轨迹，(b)为螺旋形叠层衍射扫描轨迹。
[0045]
在其中一个实施例中，当照明光斑入射待测样品时透射率低于反射率时，照明光斑与待测样品光斑区域内的微结构发生衍射效应，在反射光路方向产生衍射光强信号，被置于衍射区域的光强探测器170接收到衍射光强信号并进行处理得到光刻缺陷信息。
[0046]
在其中一个实施例中，光刻缺陷检测装置100还包括：
[0047]
密闭洁净腔室180，设置在相干光源110、滤波聚焦模块120、运动台150和光强探测器170的外围，用于隔绝外界的光学噪声。
[0048]
图2为本发明实施例提供的又一种光刻缺陷检测装置的系统结构示意图。结合图1，一种光刻缺陷检测装置采用反射式光路102结构，其中，滤波聚焦模块120还包括孔径光阑121、反射聚焦镜122、反射平面镜123；其中，入射光路130还包括照明光斑131；具体的，还包括密闭洁净腔室180。
[0049]
在其中一个实施例中，运动台设置有：
[0050]
二维平面位移台，带动待测样品沿第一方向和第二方向移动，第一方向和第二方向垂直
[0051]
一维垂直位移台，带动待测样品沿第三方向移动，第三方向与第一方向和第二方向所在的平面垂直。
[0052]
在其中一个实施例中，照明光斑直径d能够利用公式d＝d*h/f进行调节，其中，h为待测样品上照明光斑到照明光路焦点的距离，d为初始光信号汇聚前的直径尺寸，f为照明光路的聚焦焦距。
[0053]
进一步的，举例对光刻缺陷检测装置的工作过程进行描述：
[0054]
相干光源110采用波长13.5nm euv相干光源，波长半高全宽fwhm《0.1nm，光源亮度》10
12
ph/s/harmonic，光束指向性《《10μrad rms@8小时。输出光斑尺寸10mm高斯光束。
[0055]
运动台150由二维平面位移台和一维垂向位移台构成，二维平面位移台带动待测样品140沿第一方向和第二方向移动，垂向位移台带动待测样品140沿第三方向移动，其中
第一方向、第二方向与第三方向构成笛卡尔坐标系。第一方向为y方向，第二方向为x方向，第三方向为z方向。运动台150最小重复定位精度《2nm@xyz，运动分辨率《0.5nm@xyz，负载》2kg，速度均匀性《1％@1μm/s～1000μm/s xy@100ms。典型扫描速度典型值1000μm/s。xy轴行程典型值》150mm，z轴行程典型值》100μm。
[0056]
通过调整运动台150带动待测样品140沿第三方向移动，改变待测样品照明光斑131距离照明光路焦点的距离h，实现待测样品表面照明光斑131直径d调节，d为所述光路聚焦波前的直径尺寸，f为所述照明光路聚焦焦距；其中，d＝d*h/f。反射聚焦镜122和反射平面镜123要求euv光强反射效率高于60％，同时抑制其波像差球差和相位畸变，要求输入输出波形相位一致性。典型焦距值500mm，聚焦后的光束经反射镜转折光路后入射到euv掩模，其焦点在掩模上表面第三方向-50μm处。则euv掩模上照明光斑直径1μm。euv探测器在euv掩模上方反射光路中，典型距离euv掩模表面200mm。euv探测器用于检测euv掩模衍射光强信息。探测器靶面像素特征值2048*2048pixels，但像素尺寸15μm。灵敏度带宽》16bits@13.5nm，采样频率》3fps。
[0057]
密闭洁净腔室180要求真空度典型值2.8
±
0.2pa，通过先抽真空至本底真空度10-4pa，再充入n2气体至标准工作真空度2.8
±
0.2pa，密闭洁净腔室180环境洁净度满足iso class 1标准，其实现功能有：降低euv光源传输能量损耗，提升euv照明效率，保证内部环境洁净避免外界污染颗粒侵入对euv光路产生扰动噪声及污染待测样品140。
[0058]
实际上，本发明实施例对移动台的运动方向、对位精度、最小分辨率、照明光源波长、照明光斑大小、光强探测器以及缺陷识别的最小分辨率均并不做具体限制。需要说的是，测试的待测样品140为euv光刻掩模。euv光刻掩模照明光路的示意图如图4所示。euv光刻掩模结构主要由ltem衬底141、mo/si多层膜结构142、euv吸收层143构成。其中mo/si多层膜结构142对euv照明光源110具有高反射作用，euv吸收层143对euv照明光源110具有高吸收作用。
[0059]
进一步的，euv光刻掩模140上的缺陷按缺陷所处的位置可分位两类：euv光刻掩模140内部的相位缺陷144和euv光刻掩模140表面的光强缺陷145。euv相干照明光束130入射至euv光刻掩模140表面产生euv照明光斑132，经mo/si多层膜142逐层反射隔层间光程差近似等于euv波长13.5nm，因此反射光波相干叠加相位相差2π，相位相干相消。euv照明光束入射到内部相位缺陷144或表面光强缺陷145上时，对应反射光波衍射的光强与相位信息均发生改变，对应衍射光强160被euv光强探测器170接收。将采集到的叠层衍射光强信息160通过叠层衍射图像重构算法，可同时快速重构处euv掩模光强缺陷145和隐藏相位缺陷144。
[0060]
在其中一个实施例中，光刻缺陷信息包括光刻缺陷位置、光刻缺陷类别、光刻缺陷数量和缺陷形貌中的一种或多种；光强探测器170用于将采集到的衍射光强i(q，xk)与待测样品的衍射图谱进行衍射差分运算，获取待测样品的光刻缺陷位置；还用于运用叠层衍射算法对衍射光强i(q，xk)进行迭代求解待测样品函数o(x)和照明光斑波前函数p(x)，进而获得待测样品的表面缺陷信息和相位缺陷信息；其中，i(q，xk)＝|f[p(x)o(x xk)]|2，k为待测样品在步进位置；相干光源110根据运动步长同步对待测样品进行入射曝光形成p(x)，x表示实空间坐标，q为其倒易空间坐标，f表示傅里叶变换。
[0061]
其中，叠层衍射图像重构算法将euv光强探测器170采集到的euv光刻掩模140衍射光强信息160进行迭代求解，通过叠层衍射图像重构算法模型能同步对euv光刻掩模140幅
值与相位进行同步求解，其求解灵敏度可达10nm。
[0062]
如图5所示，待测euv光刻掩模140在某个叠层衍射扫描轨迹步进位置xk时euv探测器上的衍射光强i(q；xk)，可以表示为照明光束照射euv掩模后出射函数的傅里叶变换的绝对值平方：
[0063]
i(q；xk)＝|f[p(x)o(x xk)]|2；
[0064]
x表示实空间坐标(待测euv光刻掩模坐标)，q为其倒易空间坐标(euv探测器坐标)，两者均为二维向量；p(x)为照明光束波前函数，o(x)为待测euv光刻掩模140密度函数，两者均为包含振幅和相位的复数函数；i(q；xk)为euv探测器在euv掩模运动至xk位置时采集到的衍射光强；f表示傅里叶变换：
[0065]
f[p(x)o(x xk)]＝∫p(x)o(x xk)e-iq
·
x
dx；
[0066]
叠层衍射图像重构算法流程如下：
[0067]
1010，给出euv照明光束波前函数与euv掩模密度函数初始估计值，求解其出口波函数：
[0068]
ψj(x)＝pj(x)oj(x-xk)；
[0069]
1020，依次对euv掩模所有叠层xk位置的出口波函数进行傅里叶变换：
[0070][0071]
1030，依次将euv掩模所有叠层xk位置euv探测器采集到的衍射光强替换傅里叶变换幅值信息，更新衍射光强函数：
[0072][0073]
1040，用傅里叶壳层相关(fsc)评价函数对倒易空间更新后的幅值与相位信息进行判定，评估其收敛效果
[0074]
1050，对更新衍射光强函数进行傅里叶逆变换，求解时域空间更新出口波函数：
[0075][0076]
1060，用均方差(mean square error)评价函数对时域空间更新出口波函数进行判定，评估其收敛效果；
[0077]
1070，分别通过euv照明光束波前函数与euv掩模密度函数迭代更新算法对二者进行迭代更新，α、β定义域(0，1)：
[0078][0079][0080]
1080，重复步骤1020～1070，直至fsc或mse充分收敛，输出euv掩模密度函数及照明光束波前函数：o(xk)，p(x)。
[0081]
在其中一个实施例中，所述光刻缺陷检测装置用于半导体前道工艺euv光刻掩模缺陷检测和/或晶圆缺陷检测。
[0082]
本发明实施例提供的一种光刻缺陷叠层衍射检测的方法也具备上述实施例中一
种光刻缺陷叠层衍射检测装置所具有的有益效果，此处不再赘述。此外，需要特别说明的是，虽然本文参照特定的实施方式来描述本发明，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，上述实施案例仅仅是本发明的原理的应用示例。本发明所描述对象为一种光刻缺陷叠层衍射检测装置及方法，但其关键技术方案具备普适性，其拓展应用场景包括但不限于通过改变照明光源波长、改变叠层衍射曝光系统光路、改变入射照明角度、改变扫描轨迹、改变检测待测样品类型、改变叠层衍射算法等其他组合方案，均应当包含在本发明的保护范围内。因此，凡是运用到本发明所保护的方法、说明书及图示内容所做出的同等替换和布局变化等显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
[0083]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。