CN101097405A - 浸没式光刻曝光系统及探测其中异物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及浸没式光刻曝光系统及探测其中异物的方法。具体地，本发明的实施方式提出了用于在浸没式光刻曝光机中探测颗粒或气泡的照明光的系统和方法等。更具体地，这里的实施方式提供了浸没式光刻曝光系统，其包括：用于保持晶片的晶片保持器、用于覆盖该晶片的浸液、分配和封锁所述浸液的浸头以及对该晶片上的抗蚀剂进行光刻曝光的光源。该系统还包括在浸头的第一位置的光探测器和在所述浸头中的第二位置的激光光源。

Description

浸没式光刻曝光系统及探测其中异物的方法
技术领域
本发明的实施方式描述了用于在浸没式步进投影光刻机(immersion lithography stepper)中用于探测颗粒或气泡的照明光的系统和方法等。
背景技术
在制造集成电路(IC)比如微处理器和存储器芯片中的光刻是一种高度专门化的印刷工艺，用于将细节图案置于硅晶片上。通过确定图案的掩模将包含所需图案的图像投影在晶片上。在通过掩模投射光之前，对所述晶片涂敷薄层的被称为“抗蚀剂”的感光材料。所述图像图案的亮的部分引发化学反应，其使得抗蚀剂材料变得更易溶解，从而在显影液中被溶解掉；所述图像图案的暗的部分仍然不溶解。在显影之后，该抗蚀剂在整个晶片表面上形成精确匹配所需的掩模图案的模印图案(stenciled pattern)。最后，在蚀刻工艺中将所述图案永久转移到晶片表面上。在蚀刻工艺中，例如使用化学蚀刻剂来蚀刻晶片表面没有被抗蚀剂保护的部分。这里所提到的很多传统工艺在在前的专利和公开说明书中都有描述，比如美国专利申请公开说明书No.2005/0213061A1，该公开在此通过引用结合进本说明书中。
由于光刻的图像分辨率成为IC器件尺度缩放的限制因素，光刻元件和技术的改进是更先进、小型IC的持续发展的关键。浸没式光刻正在成为使光刻扩展到更小尺度的主要技术。但是，还存在几个实施浸没式光刻的实际问题，包括：维持纯的无障碍传输介质以及设备和具有浸液介质的晶片的兼容性。在6mm以下的工作距离上的光吸收率为5％并且折射率n为1.47的纯净脱气水可以是用于浸没式光刻的合适的介质。但是，可能无意地向传输介质中引入微粒、碎屑以及其它异物，由此不利地影响了图像分辨率。此外，仍存在在扫描工艺期间容易形成气泡的问题。光刻曝光设备上的台在晶片上从一个位置步进到另一个位置，对每一个场扫描中间掩模版(reticle)图像。为得到更高的产率，所述台必须快速加速，准确地移到下一个场位置，停下来，扫描图像，然后步进到下一个位置，所有这些动作都在短时间内进行。水介质易在靠近移动表面的易形成气穴的水层(cavitation-prone waterlayer)中形成微米泡和纳米泡。
发明内容
本发明的实施方式提出了用于在浸没式步进光刻机中用于探测颗粒或气泡的照明光的系统和方法等。更具体地，这里的实施方式提供了浸没式光刻曝光系统，其包括：用于保持晶片的晶片保持器、用于覆盖该晶片的浸液、封锁浸液的曝光头以及用于对晶片上的抗蚀剂进行光刻曝光的光(曝光)源。该系统还包括至少一个在浸头第一端的光探测器，可以包括在浸头第二端的激光光源。该光探测器也可以靠近浸头的第二端、第三端和/或第四端。
曝光源和激光光源都照射浸液。在浸液中的异物散射这种光。散射的光通过光探测器采集，由此识别浸液中的异物。该系统还包括至少一个透镜，其中该透镜将散射的光汇聚到光探测器上。该透镜靠近浸头的第一端、第二端、第三端和/或第四端。该光源被设置在浸头的外部。
这里的实施方式还包括在浸没式光刻曝光系统中探测异物的方法，其步骤如下：首先，用来自光源的光对晶片进行光刻曝光；接下来，光透过覆盖晶片(或一部分晶片)的浸液，其中在浸液中的异物散射光。然后，散射的光通过透镜汇聚到至少一个光探测器上，其中该光探测器探测散射光。
另外，该方法可以包括：使激光光束透过浸液，其包括将该激光光束定向为平行于晶片表面，其中浸液中的异物散射激光光束而产生散射的激光光束。在此之后，通过透镜将散射的激光光束汇聚到光探测器上，其中该光探测器探测散射的激光光束。
因此，本发明的实施方式提供了一种用于通过监测散射的曝光辐射探测浸液中的缺陷和气泡的方法。通过使用原有的光源，所需的硬件改变量大大地降低了。另外，照射光的波长很短，使得其对小缺陷更为敏感。这里的实施方式还提供了内置于浸头的外加独立光源的类似光采集机制。
结合附图和下面的说明将更好地领会和理解本发明的这些和其它方面和目的。但是应理解，尽管指出了本发明的实施方式及其大量的具体细节，作出下面的描述是为了说明而不是限制本发明。可以在不脱离本发明的精神实质的范围内作出许多变化和修改，本发明包括所有这样的修改。
附图说明
从下面结合附图的具体的说明中将更好地理解本发明，附图中：
图1为浸没式光刻曝光系统的剖面图；
图2为显示光散射的浸没式光刻曝光系统的剖面图；
图3为浸没式光刻曝光系统的顶视图；
图4为信噪散射模式的示意图；
图5的图表图解了信号对窗口高度的比。
图6为显示激光光源的浸没式光刻曝光系统的透视图；
图7为显示激光光源的浸没式光刻曝光系统的顶视图；以及
图8为图解用于在浸没式光刻曝光系统中探测异物的方法的流程图。
具体实施方式
参考下面说明中的附图和细节中说明的非限制性实施方式更完全地解释了本发明及其各种特征和优点细节。应理解附图中图解的方面没有必要按比例绘制。删除了对公知元件和工艺技术的描述以避免不必要地模糊本发明的焦点。在此使用的例子只是为了方便理解，使得可以实施本发明，并进一步使本领域普通技术人员能够实施本发明。因此，不要将这些例子理解为是对本发明的范围的限制。
本发明的实施方式提供了一种用于通过监测散射的曝光辐射探测浸液中的缺陷和气泡的方法。通过使用原有的曝光辐射，所需的硬件改变的量大大地降低了。另外，曝光辐射的波长很短(比如193nm)，使得其对小缺陷更为敏感。这里的实施方式还提供了内置于浸头的外加独立光源的类似光采集机制。
更具体地，本发明的实施方式包括使用透镜，其组成光学步进光刻机的浸头的内部的一部分。更大直径(更高数值孔径)的透镜提供了更高的分辨率，也更为此应用所需。透镜面积越大，则分辨率越高。采集透镜被设置为离开(图案)照明区域，这样就不考虑下面的构形或者晶片上的抗蚀剂或ARC(减反射涂层)中的颗粒。从晶片上地构形散射的光的大部分(其轨迹使其能够进入采集光学器件)将不得不穿过相对较长的距离来通过ARC/抗蚀剂材料，从而被其吸收。仍会探测到抗蚀剂顶面的缺陷。此外，在另一种实施方式中，用来采集散射光的相似透镜可以用来汇聚光束，比如来自激光光源的光束，以形成用于微粒/气泡探测的第二种实施方式。该透镜和光学元件被设计为允许激光平行于晶片表面传播并和晶片表面尽可能接近。此第二种实施方式能够探测在关键印刷空间之外的缺陷(需要使激光不使抗蚀剂曝光)。
本发明的一些实施方式使用曝光用照射激光来提供用于颗粒或气泡探测的光源。首先，这样的实施方式实施起来相对比较容易且便宜，因为无需向浸头内集成照明系统(其已经是光刻系统的固有部分)。第二，这些实施方式使用最优的光波长(λ)，其为曝光波长，比如波长为193nm。优选更短的波长，因为波长越短，散射效率越高；散射和1/(λ4)成比例，这样即使缩短一点波长也能很大地提高散射效率。但是，比曝光波长短得多的波长被浸液吸收，可能以不需要的图像产生对图案化抗蚀剂的曝光。这样，在采用应用独立激光器的照明的第二类型的实施方式中，必须使用比曝光波长更大的波长，从而降低了灵敏度。
第三，当采用曝光照明用于颗粒探测时，只从感兴趣区(也就是，浸液在曝光期间由曝光光线照射的部分)探测该液体中的有散射作用的颗粒/气泡的信号。余下的被限制在浸头外围的、在正常曝光区外的缺陷，将不形成缺陷测量“噪声”。此外，由于在曝光场扫描期间产生的散射的光，与晶片级的相关性可以使得更容易检查和排除缺陷的产生。
第四，这些实施方式对从浸头的各种表面(壁)反射的光的散射不敏感(由于在通常的工艺期间，不照射浸头的壁)。
当照明/探测光束照到晶片表面时，从表面构形(surfacetopography)散射的光可能使探测系统产生混淆。但是，对于曝光波长的照明，抗蚀剂具有吸收性，ARC具有很强的吸收性。这种吸收和很浅的采集角度相结合，将使从晶片图案或从由ARC或抗蚀剂覆盖的晶片上的微粒散射的光的相对强度很低，这与从浸液中的微粒散射的光的强度相反。
图1图解了浸没式光刻曝光系统100的剖面图。
具体地，该系统100包括用于保持晶片W的晶片保持器110，其中浸液L(这里也称为“浸没流体”)置于晶片W上方。晶片保持器110可以包括公知的紧固件，用于可移动地将物件固定到位，比如，仅用于举例的目的，紧固夹、固定销、槽、真空装置等。提供集成到浸头160内的光探测器120；以及提供在光探测器120和浸液L之间的采集透镜130。这里用虚线图示了部分采集透镜130。曝光光线150被导引通过曝光机种的最终透镜S到达浸液L。曝光光线150的散射部分可以通过采集透镜130的一部分、通过采集圆锥140进入光探测器120中。具体地，当曝光光线150的一部分和浸液L中的异物，比如气泡、颗粒、碎屑等接触时可以被散射。
例如，图2图解了从浸液L中的颗粒P和晶片W上的颗粒(或图案)P2散射的光。ARC和抗蚀剂R将吸收部分曝光光线150。但是，由于光探测器120离照明光散射部位(相对于透镜130)的距离很长，来自晶片W上的部位的散射光必须传播很长的距离通过该ARC和抗蚀剂R，在ARC和抗蚀剂R处，大部分的散射光将被吸收。图3图解了浸没式光刻曝光系统100的顶视图，其中X表示曝光区。
建立信号对噪声模型可以计算来自浸液中的感兴趣颗粒的散射光信号和从晶片表面的颗粒散射的光的比率。这种模型评估了由晶片上的FM(异物)或表面FM和结构引起的信号下降。
在一个例子中，所述模型可以包括很多假设。首先，两种颗粒尺寸一样，并散射等量的光到探测器。第二，从晶片表面散射的光必须途经抗蚀剂和ARC到探测器。还假设所述颗粒没有明显改变抗蚀剂和ARC的厚度。正常情况下，在颗粒上会有旋涂材料，但是散射部分可以不被覆盖地象在此模型中那样好。第三，当光从颗粒或构形垂直于晶片表面反射时，估计的吸收在抗蚀剂中有20％，在ARC中有80％。这是唯一的最短散射光路径。更长的光路将导致抗蚀剂和ARC吸收得更多。此两种吸收值均十分保守。
在一个例子中，从晶片表面到采集光学部件(130)的底部为60微米，采集光学部件的顶部假定在晶片表面上方1至6cm(下面称为″窗口高度″)。另外，照射光相对于晶片的角度是变化的，随着数值孔径的提高可以变得很高。该照射角度不是必须要考虑，因为从颗粒的散射的行为方式是一样的。在此例子中，采集学部件离有散射作用的颗粒40mm。
图4图示了的该模型的示意图。来自液体中的颗粒的信号(光线A)除以来自抗蚀剂/ARC下方的表面上的颗粒的信号(光线B)的比率作为晶片上方的顶部窗口高度的函数的曲线被图示于图5中。所述采集光学部件的高度对测量值的信“噪”比有很大的影响。该比率的变化足够大(大到1E+35)，使得可以选择窗口高度来平衡散射光信号收集能力与来自晶片表面的S/N。
如图6和图7所示，该系统还包括靠近晶片W的激光光源600，其中激光光源600位于沿浸头外围的一个位置处，光探测器120位于不同的位置(不直接对着光源600的位置)。该激光光源产生的激光束被引导通过第一透镜131进入浸液L。激光束的被散射的部分被引导通过第二透镜130进入光探测器120中。如图7所示，当该激光光束的一部分和浸液L等中的异物比如气泡、颗粒、碎屑等接触时，其可以被散射。可以进一步设想，在另一种实施方式中，光探测器120和透镜130还可以靠近浸头的第二、第三和/或第四位置设置。
因此，本发明的实施方式提出了用于在浸没式步进光刻机中的颗粒或气泡探测中使用照明光的系统和方法等。更具体地，这里的实施方式提供了浸没式光刻曝光系统100，包括用于保持晶片W的晶片保持器110，封锁用于覆盖该晶片W的浸液L的浸头160以及对晶片上的抗蚀剂进行光刻曝光的光源(也就是，曝光光线150)。如上所述，这里的实施方式相对容易被实施、便宜，因为光源150无需集成到浸没式光刻头中(其已经是光刻系统的固有部分)。
该系统100还包括至少一个位于浸头160上第一外围位置处的光探测器120，可以包括位于浸头160的另外的外围位置处的激光光源600。该光探测器120也可以靠近浸头160的第二外围位置、第三外围位置和/或第四外围位置。但是激光不直接进入任何探测器。光源150和激光光源600二者都被调适为使光透过浸液L，经浸液L中的颗粒的散射后，然后到达光探测器120，以识别浸液L中的异物。如上所述，光源150和激光光源600可以采用波长为例如为193nm的探测光。可以考虑到可以使用具有其它波长的探测光，比如波长在157nm到450nm之间。优选短波长，因为波长越短，散射效率越高。散射和1/(λ4)成比例，这样即使缩短一点波长也能很大地提高散射效率。
该系统100还包括一个或多个透镜130，其中透镜130用来将来自光源150和/或激光光源600的经浸液中的异物散射后的光汇聚到光探测器120上。透镜130靠近浸头的第一外围位置、第二外围位置、第三外围位置和/或第四外围位置。如上所述，采集透镜130的位置远离(图案)照射区(也就是曝光区X)。在第一实施方式中，其中使用成像设备(photo tool)的照明源作为颗粒探测器的照明源，优点是颗粒探测系统将只探测位于浸液系统的光路中也就是在“关键”流体空间中的颗粒。该关键流体空间是晶片W上方的在图案化工艺期间曝光光线通过的区域中的流体，此概念和与曝光区横向相邻的浸液相对。
此外，颗粒探测器位于成像设备照明区的外周周围是有利的，这样使得来自颗粒的散射光必须倾斜地通过以向探测器传播。这就允许通过光致抗蚀剂层对晶片表面上的颗粒的散射光信号的吸收，而将晶片表面上的颗粒从缺陷检查工艺中“滤除”。这种倾斜角信号探测提高了在抗蚀剂表面上或者在浸液中的颗粒的相对信号。同时，来自晶片上构形(图案)的干扰最小化了。如果此系统包括激光光源，则透镜130被设计为允许该激光平行于晶片W的表面并尽可能接近晶片W的表面传播。如上所述，系统100对从浸头的各种表面(壁)反射的光的散射不敏感(因为，在通常的工艺期间，不照射浸头的壁)。
这里的实施方式还包括在浸没式光刻曝光系统中探测异物的方法，该方法始于用来自光源150的光通过对晶片W进行光刻曝光。如上所述，所述光从光源150发出并通过步进光刻机的最终透镜S。接下来，所述光透过覆盖晶片W的浸液L，其中散射光由在浸液L中的异物散射。
然后，散射的光通过透镜130汇聚到至少一个光探测器120上，其中该光探测器120探测散射光。如上所述，只从感兴趣区域也就是曝光区X探测浸液L中的具有散射性的颗粒/气泡的信号。余下的被限制在浸头外围也就是在曝光区X处部的缺陷对缺陷测量“噪声”没有贡献。此外，由于在曝光场扫描期间产生散射光，与晶片级缺陷的关联性使得更容易检查和排除缺陷的产生。使用这种缺陷探测系统，在曝光晶片时，可以探测浸液中的微粒、气泡或其它缺陷源。这样，缺陷源可以作为扫描速度、在晶片上的位置(比如接近晶片边缘，那里浸液中的紊流(turbulence)可能从晶片或者设备表面搅起微粒)、浸液的流速、用于封锁浸液的真空及气流水平、浸头设计或晶片台设计的函数而被表征。
另外，该方法可以包括使(来自激光光源600的)激光光束透过浸液L，其包括：将所述激光光束定向为平行于晶片W的表面。所述激光光束经浸液L中的异物散射从而产生散射的激光光束。在此之后，通过透镜将散射的激光光束汇聚到光探测器上，其中所述光探测器探测散射的激光光束。如上所述，透镜130设计为允许激光尽可能接近晶片W传播。这使得能够探测在关键印刷空间外部的流体缺陷(但是需要使激光不使抗蚀剂曝光)。
图8图解了用于在浸没式光刻曝光系统中探测异物的方法的流程图。在步骤800中，所述方法始于用来自光源的光对晶片进行光刻曝光。如上所述，光从光源150发出并通过步进光刻机的最终透镜S。接下来，在步骤810中，该方法使光透过覆盖晶片的浸液，其中在浸液中的异物散射光。
在步骤820中，该方法还可以使激光光束透过浸液，其中浸液中的异物散射激光光束而产生散射的激光光束。使激光光束透过浸液包括将该激光光束定向为平行于晶片表面。如上所述，光源150和激光光源600不能采用相同波长的光，否则探测系统将意外地使所述抗蚀剂曝光。激光光源600优选短波长，因为波长越短，散射效率越高。散射和1/(λ4)成比例，这样即使缩短一点波长也能很大地提高散射效率。
在此之后，在步骤830中，该方法通过至少一个透镜将散射的光汇聚到至少一个光探测器上。如上所述，采集透镜130的位置远离(图案)照明区，这样“关键”流体空间之外的微粒不被考虑。同时，来自晶片上构形(图案)的干扰被最小化了。随后，在步骤840中，通过光探测器探测散射的光。
下面的描述只应用于第一实施方式，其中使用成像设备照明源作为微粒探测源。当使用独立的激光光束时，如在第二实施方式中所述，其将检查浸液在曝光区之外的其它区域。如果这两种技术单独使用，可以区分关键曝光区中的气泡或微粒以及关键曝光区之外的区域中的气泡或微粒。这可以有助于设备的设计或者操作条件，比如浸液的流速、浸头的形状、用来封锁浸液的真空和气流水平、相对于扫描速度的特征缺陷、缺陷与在晶片边缘或中心的浸头位置的相对关系以及晶片台设计。如上所述，只从感兴趣区(也就是，在曝光期间，浸液L被光源150照射的部分)探测浸液L中的具有散射性的颗粒/气泡的信号。余下的被限制在浸头外围、在正常曝光区外部的缺陷对缺陷测量“噪声”没有贡献。
因此，本发明的实施方式提供了一种用于通过监测散射的曝光辐射探测浸液中的缺陷和气泡的方法。通过使用原有的光源，所需的硬件改变量大大地降低了。另外，照射光的波长很短，使得其对小缺陷更为敏感。这里的实施方式还提供了内置于浸头的外加独立光源的类似光采集机制。
上述对具体实施方式的说明充分揭示了本发明的总体特征，通过应用现有知识，其他人可以容易地对这样的具体实施方式作出适于各种应用的修改和/或变更，而不脱离其总体构思，因此，这样的修改和变更应当理解为包括在所公开的实施方式的等效实施方式的意图和范围内。应当理解，这里所使用的措辞或术语是为了说明的目的而不是对本发明的限定。因此，尽管通过优选的实施方式描述了本发明的实施方式，本领域普通技术人员应知道，可以在所附权利要求的精神实质和范围内应用本发明的实施方式。

Claims (20)

1.一种浸没式光刻曝光系统，包括：
用于保持晶片的晶片保持器；
覆盖所述晶片的浸液；
封锁所述浸液的浸头；
至少一个在所述浸头中第一位置处的光探测器；以及
光源，用于对所述晶片上的抗蚀剂进行光刻曝光，
其中所述光源还发光透过所述浸液到达所述光探测器，以识别所述浸液中的异物。
2.根据权利要求1的浸没式光刻曝光系统，还包括至少一个透镜，其中所述透镜将来自所述光源的、经所述浸液中的异物散射之后的光汇聚到所述光探测器上。
3.根据权利要求2的浸没式光刻曝光系统，其中所述透镜至少靠近沿所述浸头的外围的一个位置、沿所述浸头的外围的第二位置、沿所述浸头的外围的第三位置以及沿所述浸头的外围的第四位置。
4.根据权利要求2的浸没式光刻曝光系统，还包括位于沿所述浸头的外围的另一位置处的激光光源，其中所述激光光源发光透过所述浸液，经所述浸液中的颗粒散射，然后到所述光探测器，以识别所述浸液中的异物。
5.根据权利要求4的浸没式光刻曝光系统，其中所述透镜还将从所述颗粒散射的所述光汇聚到所述光探测器上。
6.根据权利要求4的浸没式光刻曝光系统，其中所述激光光源和所述光探测器位于浸头中，并且其中所述光源位于所述浸头的外部。
7.根据权利要求1的浸没式光刻曝光系统，其中所述光探测器靠近所述浸头中的第二、第三和第四位置中的至少一个位置。
8.一种浸没式光刻曝光系统，包括：
用于保持晶片的晶片保持器；
覆盖所述晶片的浸液；
约束所述浸液的浸头；
至少一个在所述浸头中第一位置处的光探测器；
光源，用于对所述晶片上的抗蚀剂进行光刻曝光；以及
至少一个透镜，将来自所述光源的、经所述浸液中的异物散射之后的光汇聚到所述光探测器上。
9.根据权利要求8的浸没式光刻曝光系统，其中所述光源还发光透过所述浸液到达所述光探测器，以识别所述浸液中的异物。
10.根据权利要求8的浸没式光刻曝光系统，还包括位于所述浸头中的第二位置处的激光光源，其中所述激光光源发光透过所述浸液到达所述光探测器，以识别所述浸液中的异物。
11.根据权利要求10的浸没式光刻曝光系统，其中所述透镜将来自所述激光光源的、经浸液中的异物散射后的所述激光汇聚到所述光探测器上。
12.根据权利要求10的浸没式光刻曝光系统，其中所述激光光源和所述光探测器位于浸头中，其中所述光源位于所述浸头的外部。
13.根据权利要求8的浸没式光刻曝光系统，
其中所述光探测器还靠近所述浸头中的第二位置、所述浸头中的第三位置和所述浸头中的第四位置中的至少一个位置，
其中所述透镜靠近所述浸头中的所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置中的至少一个位置。
14.一种用于探测浸没式光刻曝光系统中的异物的方法，包括：
用来自光源的光对晶片进行光刻曝光；
使所述光透过覆盖所述晶片的浸液，其中在所述浸液中的所述异物反射散射光；以及
通过至少一个光探测器探测所述散射光。
15.如权利要求14所述的方法，还包括通过至少一个透镜将所述散射光汇聚到所述光探测器上。
16.如权利要求14所述的方法，还包括：
使激光光束透过所述浸液，其中在所述浸液中的所述异物反射所述激光光束以产生散射的激光光束；以及
通过所述光探测器探测所述散射的激光光束。
17.如权利要求14所述的方法，还包括通过至少一个透镜将所述散射的激光光束汇聚到所述光探测器上。
18.一种用于探测浸没式光刻曝光系统中的异物的方法，包括：
用来自光源的光对晶片进行光刻曝光；
使所述光透过覆盖所述晶片的浸液，其中光被所述浸液中的所述异物散射；
通过至少一个透镜汇聚所述散射光到至少一个光探测器上；以及
通过所述光探测器探测所述散射光。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
使激光光束透过所述浸液，其中在所述浸液中的所述异物散射所述激光光束以产生散射的激光光束；以及
通过所述光探测器探测所述散射的激光光束。
20.如权利要求19所述的方法，还包括通过至少一个透镜将所述散射的激光光束汇聚到所述光探测器上。
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