专利名称：一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于接近式纳米光刻中的间隙测量方法，属于微纳加工、高精密 计量相关领域。
背景技术：
光学光刻一直作为大规模集成电路工业制造技术的基础，随着高集成度电路以及 相关器件的研发，IC特征尺寸愈来愈小，高分辨力的光刻技术得到了长足的发展。此外， 纳米科技的快速发展及纳米器件特征尺寸的不断缩小也推动了纳米光刻技术的发展，如纳 米压印、波带片阵列成像光刻。相应地，随着分辨力的提高以及大尺寸硅片的采用，掩模硅 片的间隙控制与测量将成为接近式光刻面临的严峻挑战，间隙测量精度必须随之大幅度提 高。在投影光刻系统中，分辨力的提高促使物镜的焦深缩小，对硅片的垂直位移变化测量及 调焦技术同样提出了新的要求。传统的间隙测量或者投影光刻中的检焦技术主要采用狭缝投影及干涉强度测量 等方法。前者主要在光路中设置狭缝，通过硅片底面的反射，将硅片的垂直唯一转化为探测 器像面上狭缝光斑的平移，然而该方法主要应用于早期的较低分辨力光刻，精度提高的程 度有限。干涉强度方法原理与迈克尔逊干涉仪类似，将硅片的垂直位移转化为几束光栅衍 射光的干涉强度大小变化，容易受到光刻胶等硅片表面工艺过程的影响，如光刻胶内的多 次反射引入附加光程、标记的缺陷引入非对称性误差等引起的较大系统误差。

发明内容
本发明需要解决的技术问题是克服现有的间隙测量方法在原理上的弱点、进一 步提高间隙测量精度，同时克服光刻胶等硅片工艺对间隙测量的影响，提供一种接近式纳 米光刻中的间隙测量方法，以适应分辨力不断提高的纳米光刻技术。本发明的技术解决方案为一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法，步骤如下(1)在掩模硅片上分别采用两个周期相接近的掩模光栅和硅片光栅作为间隙测量 的标记光栅；(2)利用平面波光源垂直入射这两个标记光栅，并在所述两个标记光栅面发生衍 射；(3)分别来自于两个标记光栅的同级次衍射光在掩模标记光栅表面相遇发生干 涉，产生相位可随间隙变化而变化的干涉条纹；(4)通过一个物镜在对应衍射级次的衍射角方向上接收具有相应周期的干涉条 纹，并使之成像于(XD图像探测器上；(5)对于不透明的硅片衬底，利用反射衍射光在掩模面实现干涉条纹成像，对于石 英等透明衬底，利用透射衍射光在掩模面实现干涉条纹成像；对于不透明的硅片衬底，为了 实现出入射同光路并提高抗干扰能力，采用利特罗反射式装置，使入射光以与硅片法线成 利特罗角斜入射；
(6)针对对应于不同标记的、具有不同的相位分布的干涉条纹图像，采用快速傅里 叶变换进行相位分析，提取图像的相位变化，计算出两个标记光栅之间的间隙变化，即实现 了掩模硅片的间隙变化测量。所述步骤(3)中参与干涉条纹成像的两束同级衍射光的衍射角度e i、e 2分别由Pi sin 0 ！ = n A(1)P2 sin 0 2 = n A(2)决定，其中n为衍射级次，1彡n彡Pl/X，A为入射波长，Pp P2分别表示掩模光 栅和硅片光栅的周期。所述步骤⑷中物镜的数值孔径NA满足NA > sin( e「e 2)/2，其中e :、e 2即为 两束同级衍射光的衍射角度。所述步骤(5)中利特罗反射式装置入射角与掩模光栅或者硅片光栅的某级衍射 角相等，对于硅片光栅的+n级衍射，该角度即为0 2 = arcsin (n A /2P2)(4)其中，e 2为入射角，即利特罗入射下硅片光栅的+n级衍射角，P2表示硅片光栅周 期，KnSP/X，X为入射波长。本发明的原理(1)区别于传统的莫尔测量，在掩模硅片上采用周期不同(相差不大)的光栅作为 基本标记。(2)区别于传统中利用两束衍射光的干涉强度大小变化监测间隙变化，利用周期 相近的光栅同一衍射级次产生干涉条纹图像，将间隙变化转化为干涉条纹的相位变化，可 以避免的光刻胶等硅片工艺过程导致衍射光强度变化引起的系统误差因素。(3)基于干涉条纹图像的测量方法，将间隙的微小变化_即两束干涉光之间的光 程差变化，转化为的条纹的明显移动或者相位变化，通过准确的相位分析直接计算掩模硅 片间隙的变化。(4)针对硅片等不透明衬底，采用利特罗反射式装置实现某两个衍射级次的出射 方向与入射平面波同光路，可滤除衬底表面的散射杂光，提高了抗干扰能力。(5)将计算机图像处理方法引入到基于干涉图像的测量方法中，可通过特定算法 滤除条纹图像中的噪声及其他频率成分、准确地提取条纹图像中的相位变化，进一步提高 间隙测量的精度。本发明的有益效果是(1)本发明是基于光栅的莫尔成像，然而与传统大尺度光栅的下莫尔效应有所区 别。为了适应纳米光刻几十纳米甚至纳米量级精度的间隙测量要求，此处采用微光栅(周 期是微米级)，仅利用其中两束来自于两光栅的同级次衍射光参与莫尔干涉成像，两光栅 之间的间隙变化导致两束衍射光的光程差变化，从而引起条纹的移动或者干涉场的相位变 化，可以避免传统间隙测量中硅片光刻胶涂层工艺等影响光强的因素带来的较大误差。(2)采用周期接近的微光栅，产生的干涉条纹周期相对于原光栅周期被放大很多 倍，微小的间隙变化量导致条纹的大幅度移动，结合一定放大倍率的物镜及像素分辨力较 高的CCD图像探测器，可实现高灵敏度探测，理论测量精度可达到纳米级。(3)将干涉测量的高精度特征与图像处理的便利性相结合，在一定程度上，可利用图像处理及相位分析算法继续提高测量精度；利用条纹图像的相位变化监测间隙变化，可 以克服传统方法中难以避免的衍射光强度变化带来的系统误差因素；同时，理论结果表明， 条纹的周期与波长无关，间隙测量系统的光源可以选择宽带光。(4)此外，本发明不仅可以应用到纳米光刻中掩模硅片的间隙测量，还可以应用到 掩模硅片的对准及其他的纳米计量、控制相关领域。


图1为本发明的基本原理图；图2为反射式测量基本框架图；图3为反射式利特罗装置框架图；图4为一种实际应用的圆形标记图4a表示位于掩模上、周期为10 y m的标记光 栅；图4b表示位于硅片上、周期为11 P m的标记光栅；图5为图4标记对应的干涉条纹图5a表示初始参考位置对应的干涉条纹；图5b 表示间隙变化导致相位变化后干涉条纹。
具体实施例方式如图1和图2所示，本发明的应用于掩模与透明衬底之间的间隙测量方法为首先，在掩模硅片上分别采用光栅2和光栅3作为间隙测量的标记光栅，这两个光 栅的周期接近，分别为11 P m与10 y m ；垂直入射的平面波1先后在硅片光栅2和掩模光栅 3上发生衍射。来自于两光栅的同级次衍射光(本实施例以+1级为例，其它级相似)在掩 模光栅3表面相遇发生干涉，产生相位可随间隙变化而变化的干涉条纹。对于两束+n衍射 光，干涉场强度可以表示为(不妨设图中光栅沿x方向分布) 其中，= an2、I2 = bn2为两束+n衍射光强度，外为初始相位，P = P^/[n (P^)] 为两束+n衍射光干涉条纹沿光栅面的分布周期。显然，条纹的周期仅与衍射级次和光栅周 期有关、与波长等无关，而且 表示与间隙有关的干涉场相位因子，g表示间隙，由此掩模硅片的间隙量直接与干 涉条纹的相位信息相联系。其次，通过物镜4接收干涉条纹图像，针对不同的衍射级次，须在不同的方向接收 对应的干涉条纹。由于光栅周期非常接近，分别为10 y m和11 y m，由式(3)给出的角度差 A 0很小。因此，条纹的接收角度与对应的衍射角e2近似相等，并由下式决定 其中，衍射角度e i、e 2由式(1)式(2)决定。此外，衍射级次越高，接收光路相对 掩模硅片法线的发散角越大，但需要对光栅进行设计，以提对应级次的衍射强度。
由此，条纹通过物镜4接收，并使之成像于(XD图像探测器5上，须通过计算间隙
变化前后条纹图像的相位变化量，计算出间隙变化量，也即
由于同级次
衍射角之差比较小，物镜4的数值孔径NA比较小，仅需要满足NA > sinA 0 /2。其中，针对不透光硅片衬底，采用一种反射式衍射光实现干涉成像，基本原理示意 图如图2所示。平面波1入射掩模光栅2和硅片光栅3，以相近的角度e工、e 2返回的同级 次衍射光发生干涉，在前面描述的条纹接收方向上通过物镜4将干涉条纹成像到CCD探测 器5上，最后计算条纹的相位变化得到间隙变化，过程与图1中所述类似；其次，针对图2所 示的反射式基本策略，为了进一步提高抗干扰能力，实现入射与出射同光路，采用一种前述 的利特罗入射装置。使平面波以与掩模硅片法线成掩模光栅或硅片光栅的利特罗角度方向 入射，如图3，满足2P2sin 0 2 = n入，n为衍射级次。特别地，采用硅片光栅的+1级衍射角 作为利特罗角度，其角度为0 2 = arcsin ( A /2P2)(9)其中，e2为入射角或者该入射条件下的衍射角，&表示硅片光栅。其具体过程是 入射波1经分光镜6以角度e 2透过掩模光栅2后入射到硅片光栅3上，来自于两光栅的 同级次衍射光几乎沿原路返回，再次经过分光镜6后被物镜4接收，最后成像于CCD探测器 5，其余过程与图1所述类似。最后，针对不同的标记，条纹图像具有不同的相位分布，须采用对应的相位分析算 法。对于一般光栅而言，先滤波、去噪得到比较清晰地条纹分布图，再通过傅里叶变换或者 小波变换等频域方法提取各点的相位值，继而直接计算相位变化；对于直线光栅而言，可对 滤波、去噪后的线形分布条纹图像进行快速傅里叶变换，直接提取得到图像的相位变化。对于上述任一测量装置，可对标记光栅的外形、周期等参数进行设计，得到具有特 定的相位分布、周期等参数的干涉条纹图像。图4中为所采用的圆形标记以及对应的干 涉条纹图像。其中，图4(a)、图4(b)表示两个分别位于掩模硅片上、周期分别为lOym与 11口111、大小均为66011111\66011111的圆形光栅标记。图5(a)、图5(b)为两标记+1级衍射形 成的干涉条纹，大小仍为660 ymX660 ym;图4(a)为初始条纹图像，图4(b)为间隙变化导 致相位变化2 ji时的条纹图像。此外，图4中显示条纹周期为110 y m，与前面所述理论结果 一致。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
权利要求
一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法，其特征在于步骤如下(1)在掩模硅片上分别采用两个周期相接近的掩模光栅和硅片光栅作为间隙测量的标记光栅；(2)利用平面波光源垂直入射这两个标记光栅，并在所述两个标记光栅面发生衍射；(3)分别来自于两个标记光栅的同级次衍射光在掩模标记光栅表面相遇发生干涉，产生相位可随间隙变化而变化的干涉条纹；(4)通过一个物镜在与对应衍射级次衍射角近似相等的方向上接收具有相应周期的干涉条纹，并使之成像于CCD图像探测器上；(5)对于不透明的硅片衬底，利用反射衍射光在掩模面实现干涉条纹成像，对于石英等透明衬底，利用透射衍射光在掩模面实现干涉条纹成像；对于不透明的硅片衬底，为了实现出入射同光路并提高抗干扰能力，采用利特罗反射式装置，使入射光以与硅片法线成利特罗角斜入射；(6)针对对应于不同标记的、具有不同的相位分布的干涉条纹图像，采用快速傅里叶变换进行相位分析，提取图像的相位变化，计算出两个标记光栅之间的间隙变化，即实现了掩模硅片的间隙变化测量。
2.根据权利要求1所述的一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法，其特征在于所述 步骤(3)中参与干涉条纹成像的两束同级衍射光的衍射角度e2分别由PlSin θ1 = n A (1)P2sin θ 2 = n A (2)决定，其中n为衍射级次，1≤n≤P1/入，入为入射波长，别表示掩模光栅和硅 片光栅的周期。
3.根据权利要求1所述的一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法，其特征在于所述 步骤(4)中物镜的数值孔径嫩满足嫩>8111(01-92)/2，其中e2即为两束同级衍射 光的衍射角度。
4.根据权利要求1所述的一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法，其特征在于所述 步骤(5)中利特罗反射式装置入射角与掩模光栅或者硅片光栅的某级衍射角相等，对于硅 片光栅的+n级衍射，该角度即为θ 2 = arcsin(n A /2P2)(4)其中，e2为入射角，即利特罗入射下硅片光栅的+n级衍射角，P2表示硅片光栅周期， 1≤n≤P/入，入为入射波长。
全文摘要
一种接近式纳米光刻中的间隙测量方法，主要针对纳米压印、波带片阵列成像等纳米制造技术中的掩模硅片间隙控制。其基本过程可由图1简单说明入射平面波透过两个周期接近、以一定间隙重叠的硅片光栅与掩模光栅并发生多次衍射，来自于两个光栅的某两束同级衍射光发生干涉叠加，在硅片光栅的表面形成周期相对于原光栅被放大的莫尔干涉条纹，然后经过一定倍率的物镜被成像于CCD图像探测器上。两光栅间隙变化引两束光的光程差发生变化，导致干涉条纹的移动或相位变化，以此达到间隙测量的目的；周期越接近，测量灵敏度越高；同时，由于两光栅周期接近，同级衍射光夹角很小，干涉条纹的频率很低(即周期很大)，对物镜的数值孔径要求较小。随着微细加工技术的发展，光栅的加工精度越高，该方法对接近式纳米光刻及相关领域的间隙测量具有重要的意义。
文档编号G01B11/14GK101876538SQ201010172100
公开日2010年11月3日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者周绍林, 唐小萍, 徐锋, 杨勇, 胡松, 赵立新, 陈旺富, 陈明勇 申请人:中国科学院光电技术研究所