一种晶圆的CD量测设备及相应的CD量测方法与流程

一种晶圆的cd量测设备及相应的cd量测方法
技术领域
1.本发明属于半导体设备量测领域，更具体地涉及全自动纳米级芯片的cd量测设备。


背景技术：

2.在集成电路(integrated circuit；ic)制造技术中，一般先涂布光刻胶层于半导体晶圆表面，接着透过掩模对光刻胶进行曝光步骤。然后，进行曝光后烘烤步骤，以改变光刻胶的物理性质，进而利于后续处理。之后，进行显影后检查(after development inspection；adi)，以利用度量系统检查光刻胶的关键尺寸，而判断是否符合规格。如果光刻胶符合规格，接着即蚀刻或转移图案，再剥除光刻胶。然后，在晶圆上进行蚀刻后检查(after etching inspection；aei)。
3.由于缩小极大型集成电路(very-large-scale integration；vlsi)微型尺寸的需求日益增加。因此，微影制程必须准确控制光刻胶图案的关键尺寸(critical dimension；cd)，以免临界电压(threshold voltage)以及与图案尺寸变异相关的线阻值发生变动，最终降低电路效能。
4.关键尺寸（cd）是半导体生产过程中的重要参数，对关键尺寸的量测是监控芯片生产过程是否达标的重要手段。大体而言，检测关键尺寸（cd）的主要方式包括cd sem（关键尺寸扫描电子显微镜）方式和光学方式。cd sem（关键尺寸扫描电子显微镜）方式和光学方式各有其适用的应用场景。通常国内的半导体工艺会尽量降低对cd sem的依赖并结合光学方式进行cd量测，以降低对垄断性的国外设备的需求。但当前的半导体工艺的生产线线宽普遍达到300纳米，而采用光学方法的cd量测设备的量测尺寸目前仍在400纳米级别左右，无法满足当前的发展需求。
5.基于以上，本技术提供了解决以上技术问题的技术方案。


技术实现要素：

6.本发明的第一目的在于获得提供一种适用于300nm线宽半导体工艺的晶圆的cd量测设备。
7.本发明的第二目的在于获得一种适用于300nm线宽半导体工艺的晶圆的cd量测方法。
8.本发明的第三目的在于获得一种适用于300nm线宽半导体工艺的晶圆的cd量测设备的用途。
9.本发明的第四目的在于获得一种含有适用于300nm线宽半导体工艺的晶圆的cd量测设备的曝光设备。
10.本发明的第一方面提供一种晶圆的cd量测设备，包括控制系统、照明系统、成像系统和图像处理系统，所述cd量测设备还包括：运动控制传输系统，配置为对待测晶圆进行运动控制传输，使得所述晶圆进行至
少第一对准和第二对准；聚焦系统，所述聚焦系统固定连接所述成像系统，且所述聚焦系统设有定位分析系统，使得所述成像系统可根据定位分析结果进行聚焦。
11.在本发明的一个优选实施方式中，所述聚焦系统还包括控制器，所述控制器配置为将所述成像系统固定到所述聚焦系统的控制器上。
12.在本发明的一个优选实施方式中，所述聚焦系统中，所述定位分析系统配置为将定位分析结果发送到所述控制系统。从而使得所述控制系统控制所述成像系统在z轴上进行聚焦。
13.在本发明的一个优选实施方式中，所述聚焦系统配置为，当所述运动控制运输系统的晶圆对准到所需要求后再采用定位分析系统进行定位分析。
14.在本发明的一个优选实施方式中，所述聚焦系统中的定位分析系统包括激光或红外线定位分析系统。
15.优选地，所述聚焦系统中的定位分析系统包括激光定位分析系统。
16.在本发明的一个优选实施方式中，所述运动控制传输系统包括对所述晶圆进行传输的机械手装置、对所述晶圆进行第一对准的巡边机装置和对所述晶圆进行第二对准的晶片对准平台。
17.本发明的第二方面提供一种如本发明所述的晶圆的cd量测设备的量测方法，所述方法包括：通过所述运动控制传输系统对所述待测晶圆进行运动控制传输，使得所述待测晶圆进行至少第一对准和第二对准；通过所述照明系统提供光源，所述光源的光通过所述成像系统照射到所述待测晶圆上；通过所述聚焦系统在z轴上运动，其定位分析系统使得所述成像系统可根据定位分析结果在z轴上进行聚焦，得到经过聚焦的图像；通过所述图像处理系统实现对所述待测晶圆的cd测量。
18.本发明的第三方面提供一种本发明所述的晶圆的cd量测设备的用途，其用于300纳米级别以内的光学cd量测。
19.本发明的第四方面提供一种曝光设备，其特征在于，其包括本发明所述的晶圆的cd量测设备。
20.本发明能够带来以下至少一种有益效果：1、相对现有的光学量测方法，本发明的cd量测可以从400nm达到300nm的精确度2、相对国外的cd-sem，本发明的cd量测不破坏芯片的形貌、不需要真空环境，且满足了所需线宽的半导体生产工艺的需求。
附图说明
21.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
22.图1是曝光设备结构示意图。
23.附图标记说明：
1-片盒；2-巡边机；3-机械手；4-聚焦系统；5
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z轴；6
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stage平台；7-气浮平台。
具体实施方式
24.以下对本发明的各个方面进行进一步详述。
25.除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
26.以下对术语进行说明：本发明中，所述“晶圆”与“芯片”具有相同的含义，可以等同互换地进行使用。
27.除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“and”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“or”，而“and”是“or”的子集。
28.可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。
29.基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
31.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。例如，在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。
32.除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.例如，如果一个元件（或部件）被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在......上”、“直接与......耦合”和“直接与......连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在......之间”和“直接在......之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。
34.另外需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方
向。可以理解到，在此，这些术语用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。
35.实施例1（cd量测设备）关键尺寸（cd）是半导体生产过程中的重要参数，对关键尺寸的量测是监控芯片生产过程是否达标的重要手段。大体而言，检测关键尺寸（cd）的主要方式包括cd sem（关键尺寸扫描电子显微镜）方式和光学方式。
36.以下是常见对关键尺寸进行量测的场景，这些为了解决关键尺寸量测问题而产生的新问题，以及为解决新问题而采用的对应解决措施的处理方案：场景一：cd sem模式为了测量图案尺寸的变异，往往利用扫描式电子显微镜(scanning electron-microscope；sem)。cd-sem 是利用电子束的二次成像技术来成像。由于cd sem的生产技术长期处于国内空白，目前国内fab厂使用的大多是进口cd sem，该型号4/6寸的已经停产，国内4/6寸fab厂又有很多的需求，因此大部分是花费高昂的价格采购二手8/12寸的cd sem改装后使用。并且大多都是全厂仅一台设备。这也成了生产的瓶颈步骤，只能挑样品随机测试，不能做到全面监控。
37.此外，进口设备是靠电子束成像，电子束对光刻胶的击打会破坏光刻胶的形貌，从而影响芯片的生产。
38.而且，进口设备需要真空环境，进口设备需要抽真空，测试效率低。
39.此外，有cd-sem的生产技术长期处于国内空白，因此其价格受到垄断保护。
40.场景二：ocd模式还可以采用光学关键尺寸(optical critical dimension；ocd)、及其他测量步骤，以评估制造的工作部件的关键尺寸。
41.但是目前的国内全自动的cd量测设备的尺寸仅有400纳米级别。而国内很多半导体厂的工艺最小线宽都做到了300nm，能够快速准确的量测cd的设备需求量大.因此，本发明针对的技术问题是：如何不借助cd sem，采用光学方法将cd量测设备的量测尺寸从400纳米级别精确到300纳米级别，同时还能达到所需的精度。
42.针对上述问题，发明人经过了广泛和深入的试验，通过对晶圆的对准系 统进行至少粗对准和精对准，再采用聚焦系统对成像系统进行聚焦，使得采 用光学方法即可将现有的400纳米级别的cd量测设备的精确度提高到300nm 以内。因此，初步解决了国内目前cd量测设备需要进口cd sem的“瓶颈
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问题。同时，还解决了采用cd sem的方案会破坏芯片形貌以及需要真空环 境的问题，本发明的cd量测设备不需要真空环境，产能提升明显，且不会影 响芯片的形貌。
43.本发明采用的技术构思包括：对晶圆的对准系统进行至少粗对准和精对准，再采用聚焦系统对成像系统进行聚焦。
44.本发明的第一方面提供一种晶圆的cd量测设备，包括控制系统、照明系统、成像系统和图像处理系统，所述cd量测设备还包括：运动控制传输系统，配置为对待测晶圆进行运动控制传输，使得所述晶圆进行至少第一对准和第二对准；
聚焦系统，所述聚焦系统固定连接所述成像系统，且所述聚焦系统设有定位分析系统，使得所述成像系统可根据定位分析结果进行聚焦。
45.优选地，具有z轴运动自由度的聚焦系统，所述聚焦系统固定连接所述成像系统，且所述聚焦系统设有定位分析系统，使得所述成像系统可根据定位分析结果在z轴上进行聚焦。
46.具体地，所述控制系统通过工控机软件控制plc给出信号控制电气部件。所述电气部件例如stage巡边机、机械手、聚焦系统等。
47.具体地，第一对准是通过巡边机找到wafer的平边，进行初步对位。
48.具体地，第二对准是通过wafer上得左右mark把wafer在视野下调整到完全水平。
49.优选地，所述聚焦系统还包括控制器，所述控制器配置为将所述成像系统固定到所述聚焦系统的控制器上。
50.优选地，所述聚焦系统中，所述定位分析系统配置为将定位分析结果发送到所述控制系统，从而使得所述控制系统控制所述成像系统在z轴上进行聚焦。
51.优选地，所述聚焦系统配置为，当所述运动控制运输系统的晶圆对准到所需要求后再采用定位分析系统进行定位分析。
52.优选地，所述聚焦系统中的定位分析系统包括激光定位分析系统或是红外线定位分析系统。
53.优选地，所述运动控制传输系统包括对所述晶圆进行传输的机械手装置、对所述晶圆进行第一对准的巡边机装置和对所述晶圆进行第二对准的晶片对准平台。
54.本发明另一方面提供一种本发明所述的晶圆的cd量测设备的量测方法，所述方法包括：通过所述运动控制传输系统对所述待测晶圆进行运动控制传输，使得所述待测晶圆进行至少第一对准和第二对准；通过所述照明系统提供光源，所述光源的光通过所述成像系统照射到所述待测晶圆上；通过所述聚焦系统在z轴上运动，其定位分析系统使得所述成像系统可根据定位分析结果在z轴上进行聚焦，得到经过聚焦的图像；通过所述图像处理系统实现对所述待测晶圆的cd测量。
55.更具体地，本发明举出一个示例性的曝光设备。
56.如图1所示，示意性地描述采用本发明的一个具体实施例曝光设备核心结构（未显示机械手和预对准装置）；所述300纳米量测设备包括预运动控制传输系统，照明系统，聚焦系统，成像系统，电气控制系统，图像处理系统；其中，所述运动控制传输系统，包括机传送wafer 的机械手，粗对准的巡边机2，wafer精确移动的stage平台6；其中，所述照明系统是一种可调卤素光源，安装在成像系统上，光通过成像系统照到检测样品上；其中，所述聚焦系统4，内部包含激光定位分析系统和z轴，可以精准控制z轴运动，通过固定装置固定到空门架上；
其中，所述成像系统4，包含了显微光路，可切换物镜；成像系统固定到聚焦控制器上面；其中，电气控制系统，主要是控制设备的电，真空，大气压，实现机械手，巡边机stage，照明系统，隔振平台大气压以及真空的控制；其中，图像处理系统，主要通过软件分析实现测量图像自动定位和尺寸的自动测量。
57.以下描述所述300纳米cd量测流程如何达到对300纳米关键尺寸的测量：所述cd量测设备上电或系统复位后要先进行初始化过程，初始化过程包括：（1）机械手回原点：机械手在上电后两个机械搬运手臂旋转，上升下降需要移动至原点位置；（2）巡边机回原点：巡边机是实现wafer的粗对准（第一对准），把wafer的平边（图1）找到,并把wafer移动到一个固定的位置，上电后需要做归零运动；（3）stage运动平台回原点：stage运动平台包含x轴，y轴，和旋转平台，该平台实现wafer的精准移动，把需要测试的位置精准的移动到物镜下方成像位置，上电后x轴，y轴，和旋转平台需要做归零运动。
58.当进行第二对准时，通过wafer上的mark调整wafer到水平位置。通过精确的位移和物镜自动切换，得到放大的图像。
59.当进行聚焦时，通过激光或者红外线进行自动聚焦，识别到清晰的图像。
60.通过软件的控制，达到精准的cd线宽测试。所述软件的控制对于本领域技术人员是已知的，只要不对本发明的发明目的产生限制，都属于本发明的保护范围。
61.通过上述的技术手段的配合，验证了cd可以从400nm达到300nm的精确度。
62.应当注意说明书中的所有说明都是示例性的，可以在一个方面和多个方面互相结合而得到不同的实施方式，均属于本发明的发明范围。
63.通过上述描述，可知所述300纳米（含300nm以内）cd量测设备与现有cd量测设备相比主要优点如下：该设备可以实现300纳米尺寸量测，国产设备基本都只能测试在400纳米以上尺寸；该设备测试不需要真空环境，相对进口设备需要抽真空和测试效率低的特点，本发明设备产能提升明显。
64.该设备光学成像测量原理，进口设备是靠电子束成像，电子束对光刻胶的击打会破坏光刻胶的形貌，从而影响芯片的生产。
65.该设备可以实现国产，不再依赖进口设备；该设备相比进口设备，价格优势明显。
66.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
67.在本发明提及的所有文献都在本技术中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。