GB T 17865-1999 焦深与最佳聚焦的测量规范.pdf

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1、前言 本标准等同采用 年 标准版本 微型构图 部分中的 焦深与最佳聚焦的 测量规范 标准是国际上公认的一套半导体设备和材料国际标准 焦深与最佳聚焦的 测量规范 是其中的一项 它将与已经转化的八项国家标准 硬面光掩模用铬薄膜 硬面光掩模基板 硬面感光板中光致抗蚀剂和电子束抗蚀剂规范 圆形石英玻璃光掩模基板规范 光掩模对准标记规范 用于集成电路制造技术的检测图形单元规范 掩模曝光系统精密度和准 确 度的 表示 准 则 光掩模 缺陷 分 类 和 尺寸定义 的准 则 以及 与本标准同 时 转化的 掩模 缺陷 检 查 系统 灵敏 度分 析所 用的 特 制 缺陷 掩模和 评估 测量 方法 准 则 和 关键

2、尺寸 计 量 方法 两 项 标准形成一 个 国家标准微型构图系 列 本标准是 根据 标准 焦深与最佳聚焦的测量规范 制 定 的 在 技术 内容 上等同 地 采 用 了该 国际标准 本标准 从 年 月 日起实施 本标准 由 中国 科学院提出 本标准 由 中国标准化技术 委员会归口 本标准 起草 单 位 中国 科学院 微电子中 心 本标准 主要起草人 陈宝钦 陈森锦 廖温初 刘明中华人民共和国国家标准 焦深与最佳聚焦的测量规范 国家质量技术监督局 批准 实施 范围 行业 中的光 刻及 光掩模制造 工艺需要 对 光 刻 设备 如 光 学 图形 发生器 分 步重复 精 缩机 分 步重复投影 光 刻机

3、扫描 曝光系统等 以下简称为 设备 的聚焦深度 像散 和 场畸变进 行 测量 并 提出 报 告 本标准 解释他们常 用的术 语 的 含 义 和 所 用的基本技术 本标准 只涉 及 集成电路 生 产 中 所 用的光 刻 技术 及 其 关 系密 切 的技术的聚焦与焦深测量 问题 由 于 设备技术 多种多样 因而不可能 提出 这些参数 的 明确 测量 方法 本标准 只 提 供 基本准 则 注 在确定 适合某 项 应 用的最佳焦 点 时 这 个方法 是 颇有价值 的 但 它的 主要 目 的是 通过 测 定 焦深 像散 和 场畸变来 比较不 同的设备和 工艺 对于 某 一 个 具 体设备 来说 焦深 像

4、散 和 场畸变数值 的测 定 离不开 图 像 几何 尺寸 和图 像 转 印 工艺 的 影 响 这些数值必须 在 适应 该 设备的 某 个实 际 使 用 过程 的 各种限 制 条件 下 进 行 测 定 包括照 明 工艺 目 标图形和 环境 因此 为了 公 正 测 定 设备的 性能 所 用的 工艺 必须适合相应 设备和 使 用 条件 而且应针 对 相应 设备和 应 用 过程进 行 优 化 两个 不 同设备的 性能比较 实 质 上是 综合应 用的 比较 其中 包括 该 设备 专 用的 工艺 在 焦深 像散 或场畸变 的测量 报告 中 工艺描 述 是 必不可少 的部分 如 果借鉴 的 数 据 是 从

5、与 相应 设备 所需 应 用 条件偏离太大 的 情况 下 取得 的 则 这样 的 数 据 将 引入 误差 还 可能引 起 意想 不 到 的 工艺 失败 引用标准 下列 标准 所 包含 的 条 文 通过 在 本标准中 引 用 而 构成 为 本标准的 条 文 本标准 出 版 时 所示 版本 均 为 有 效 所 有 标准 都 会 被修订 使 用本标准的 各 方 应 探讨 使 用 下列 标准最 新 版本的 可能性 用于集成电路制造技术的检测图形单元规范 微电子 学 光掩 蔽 技术术 语 术语 图 像 下列 情况 出 现 的 任 何 一 种几何 形 状 绘 制的图形 原 图的一部分 光 学像 投影在 屏

6、幕 上的 或 看到 的 通常 经 过某种程 度的 放 大或 缩 小 氧 化 层 上的图形 在 硅片 上 二氧 化 硅层 中 刻 蚀 出 来 的 照相 的图形 在 光 刻 掩模中 或 者 在 照相 胶片 或 超 微 粒干 板的 乳胶里 光致抗蚀剂的图形 在 硅片衬底 上 或 铬版上经 过 曝光和 显 影 的抗蚀剂 涂层里 处理后 的图 像 光 学 图 像 通过 图形 物理 转 印过程 使 材料 表 面 或 材料成分形成 真 实 的图形 或 成分 发生 变 化 其中的任 何 一 个 几何 形 状叫做处理后 的图 像 注 这 个定义 旨 在 把 焦深和聚焦的 讨论扩展到 包括 以下两 种情况 第 一

7、 按 照 上 述 的图 像定义 在 光致抗蚀剂薄膜中 产 生 的图 像 也 在 讨论之 列 第二 与光致抗蚀剂薄膜 无 关 的光 学 图形转 印过程产 生 的图 像 例 如 包括 光致化 学 气 相 淀积 和光 剥 离 标准 坐 标 满足 下列 条件 的 笛卡儿坐 标系 其 轴 与系统光 轴 一致 轴 和 轴 所 处平 面与光 轴垂直 在 对 任 何具 体的设备 进 行 研究 时 系统用 户 或 厂 家 应 在 这 个 平 面上规 定 和 的 方 向 注 偶尔 可 以 使 用圆 柱坐 标 极坐 标 以 进 行特 殊 的 讨论 如像散 的 变 换 问题 在 笛卡儿坐 标 参数 和圆 柱坐 标 参

8、 数 之间 实行 标准 变 换 坐 标和 坐 标 为该 点 在 平 面上 相 对于光 轴 的 位 移 如 果 图 像 面是 弯曲 的 则 和 坐 标 应取 自弯曲 图 像 面 在 平 面上的 投影 为了 保持 一致 应 为 垂直 于光 轴 的 距 离 不 管 参照 位 置 是 在 目 标一 边 或 图 像 一 边 还 是与光 学 系统的 某 部分 重 合 当沿着 轴 相 对于 参照 位 置 进 行位 移 时 凡趋 向 光 学 系统中 点 移 动 者 则为 负 位 移 凡远 离 光 学 系统中 点 移 动 者 则为 正 位 移 对于 弯 折 的光 学 系统 允许 坐 标系 随 光 轴 位 置 而

9、 旋 转 使 上 述 定义在 光 轴 的 任意 位 置 上 都 成 立 另 一 种 处理 办 法 是 仍然 采用 这 个 坐 标系统 假 定所 有 的光路是 不 弯 折 的 图 像 场 简称像 场 沿 轴 和 轴 延伸 的图 像 限 度 可 以 用 实 际 能 被 利 用的 有 效 图 像 质 量 区 的 极 限来 定义 注 定义 和 与 定义 相 结 合 就 可 以定义 绘 制图 像 场 光 学 图 像 场 处理后 图 像 场 等等 术 语 图 像 是 指 一 种几何 形 状 术 语 场 是 指 一 组完整 的形 状 实 际 应 用 指 准备 应 用的设备 所 必须 满足 的光 处理 条件

10、图 像 几何 结 构 及 其 他条件 实 际 应 用 条件 由以下 几 个方 面 来说 明 工艺 光致抗蚀剂的 类 型与化 学 处理 曝光 条件 与 环境条件 温 度与 湿 度的规 定 值 和 稳 定 性 图形 用 文 字 或 图 表描 述 测 试 对 象 包括 选择 的 几何 尺寸 取 向 和 位 置 衬底 衬底 的 质 量和规 格 包括 衬底 上 原 有 的一 切 结 构和 层 水 平 校 准 机 构 用 什么 样 的 水 平 校 准 机 构 把衬底保持 在所需 的 位 置 并 与光 学 图 像 面成一 定 角 度 测 试 点 以表 或 绘 图 方 式 说 明在 处理后 的图 像 场 中用

11、 来 测 试 的图 像 点 判 据 在 判断 处理后 的图 像 是 否 合 格 时 所要 依 据 的 原 则 注 设备 厂 家一 般 都 指 出实 际 使 用 参数 的范 围 设备用 户 将 根据 自 己 的 需要 从 这 个 范 围 中 选 出 合适 的 实 际 条件 实 际分 辨率 在 能 完美再 现 掩模 或 制图的图形 尺寸 的 前 提下 实 际 达 到 的最 小 线宽 参 阅 注 实 际分 辨率 是设备 厂 家标 定 的 数 字 点 状物 体 直 径 或 宽 度等于 实 际分 辨率 的圆形 或 方 形图 像 评 测用的 线 条 图形 由 条 平 行 直 线组 成的一 种 图形 这些

12、线 条 与标准 坐 标成一 定 角 度 线 条 的 宽 度等于 实 际分 辨 率 线 条 的 周期 等于 实 际分 辨率 的 两 倍 参 阅 径 向 线 条 是一 种 评 测用的 线 条 图形 分 布 于光 轴 半 径 上的 若 干 辐射 性 线 条 参 阅 图 注 径 向 线 条 主要 是 由 不含 光 轴 的 平 面 内 的 线 条 形成的 对于圆 柱 形对 称 的光 学 系统 如 某些 缩 小 分 步重复机 来说 径 向 线 条 是 从 图 像 场离 光 轴 某 半 径 开 始 发出 的 辐射线 条 对于其 他 系统 来说 径 向 线 条可能不 是 辐射线 条 比 方 说 扫描器 的 径

13、 向 方 向垂直 于它 在 图 像 场 中的 扫描方 向图 对 称 的光 学 曝光系统 分 步重复 曝光系统 及扫描 曝光系统曝光 处理后 实 际图 像 的 坐 标系和 径 向 评 测 线 条 与 正切 评 测 线 条取 向 的图 解 正切 线 条 这 是一 种 评 测用的 线 条 图形 其中的 各 个 线 条 均 与光 轴 的半 径 垂直 参 阅 图 注 正切 线 条 主要 是 由 含有 光 轴 的 平 面 内 的 线 条 形成的 对于圆 柱 形对 称 的光 学 系统 来说 正切 线 条 是 在以 图 像 场 某 一 点 为 圆 心 的圆 周 上 对于其 他 系统 来说 正切 线 条可能不

14、是 这样 分 布 比 方 说 扫描器 的 正切 方 向平 行 于它 在 图 像 场 中的 扫描方 向 聚焦 这 是 透镜 的对 象 物 体 光 学 系统和成 像 面的 几何 调整 条件 即 从 物 体 某点 发出 的 影像 光 线 聚集 在 成 像 面的对 应点 上 应 尽 可能 达 到 最 小 面 积 它 总 是用光 轴 上的成 像 点相 对于 某 任意 参照 物 的 位 移 量 来 表示 参照 物 可 以 是光 出 射 面 光 心 或 共轭 面等 在 图 像 场 范 围 内 聚焦 可能有 所 不 同 因此 通常 在 图 像 场 中 适 当选 出 一 个特定 的成 像位 置 的 轴 值 焦

15、点 来 表示 聚焦 参 阅 聚焦面 的 定义 注 点 状物 体 在 这 个 轴 位 置 上 产 生 最 清晰 的光 学 图 像 点 状物 体最 清晰 的 处理后 图 像 与 点 状物 体的最 清晰 光 学 图 像 相比 这 两个 轴 位 置存 在 固 定 的 偏 差 参 阅 平均 焦 点 和 最佳焦 点 的 定义 这 个位 置 也 是光 学 图 像 中光 通 量对 比 度最 高 的 点 线 焦 点 在 轴 的 某 位 置 评 测用的 线 条 图形的光 学 图 像 具有 最 高 的对 比 度 且 显现 出 正 确 的 宽 度和 节 距 则该 处 为 线 焦 点 在 图 像 场 范 围 内 线 焦

16、 点可能有 所 不 同 因此 通常 在 图 像 场 中 适 当选 出 一 个特定 的成 像位 置 的 轴 值来 表示 线 焦 点 线 焦 点 还 随线 条 角 度 而变 化 所以 线 焦 点 的规范中 必须 规 定 角 度 如 径 向 或正切或 其 他 的 角 度 聚焦面 在 物 体与 透镜 相 对 位 置固 定 的 条件 下 在 光 像 场 中 找 出 每 个 点 状物 体的焦 点 由 这些 焦 点 组 成聚焦 面 因此 这 个 聚焦面是光 像 场 中 每 一 点 的对 比 度分 别调至 最 大 时 相应 的 轴 位 移 量 作 为 或 坐 标的标量 函 数 图 注 必须 记 住 这 个 非

17、 正 规的聚焦面是 利 用 点 状物 体 来 测 定 的 而不 是用 线 条或 栅 来 测 定 的 对于 非 点 状物 体 必须另 行 测 定 场 平 坦 度 在 聚焦面 内 最 大 轴 位 置 与最 小 轴 位 置 之差 径 向 聚焦面 由 单 纯 的 径 向 线 条 线 焦 点 确定 的聚焦面 正切 聚焦面 由 单 纯 的 正切 线 条 线 焦 点 确定 的聚焦面 一 般 像散 一 般 像散 是 指 对 应 于 每 个 图 像位 置 径 向 聚焦面的 值 与 正切 聚焦面的 值 之差 所 有这些 差 值 构 成 像散 因此 像散 是 在 图 像 场 的 坐 标范 围 内 对 应 的标量图

18、旋 转 像散 在 每 个 图 像位 置 上 两 组 评 测用的 线 条 图形的 线 焦 点 的 值 之差 这 两 组线 条 互 相 垂直 并且 与 坐 标系成 某 个特定 的 角 度 这 个 角 度是 这样 选择 的 在所 研究 的图 像位 置 上 轴 焦 点 之差 最 大 从 一 个 图 像位 置 变 到 另 一图 像位 置 时 这 个特定 角 度 可能 随 之 改 变 注 之 所以 叫做 旋 转 像散 是 因 为特定 角 度 不 一 定 是 径 向 方 向 或正切 方 向 平均 焦 点 在 轴 上光 像 中 各点 状物 体焦 点 集中的 位 置 聚焦面一 般 在 此 位 置 最佳焦 点 在

19、实 际 应 用中 根据 处理后 图 像 的 要 求 确定 某 处理后 的图 像 面的 位 置 该位 置 能 最 好 地 兼顾 整 个 处 理后 图 像 的聚焦 最佳焦 点 是一 个表示 处理后 图 像 面的单一 数值 所 谓 最 好 地 兼顾 其 具 体 含 义 可 以 不 同 例 如 使可能 的 散 焦范 围 得 到 优 化 或使 线宽 的 变 化 得 到 优 化 或使某 个 目 标 宽 度的 偏 差 最 小 或 者 与 处理后 图 像 的 某 个 其 他参数有 关 注 由 于 处理 过程 的 影 响 及 光致抗蚀剂薄膜 或 其 他 介 质 层 的 影 响 光 学 共轭 面 不 一 定 对

20、应 于最佳焦 点 由 于 处理后 的图 像 面 通常具有不可 调节 的 曲 率 所以 处理后 的图 像 面 很 少 完 全 对 应 于 某 聚焦面 聚焦面是 在 一 定 的聚焦 条件 下 由 轴 上的 某 位 置 确定 它是图 像位 置 的 函 数 所以 处理后 的图 像 面 就 在 最 接近 轴 上的 实 际聚焦面 位 置 散 焦 在 垂直 于图 像 平 面的 方 向 上 处理后 的图 像 平 面与最佳聚焦 平 面 之间 的 距 离 注 散 焦 为 是最佳聚焦 位 置 正 散 焦是 使 光 像 平 面 远 离 透镜 负 散 焦是 使 光 像 平 面 接近 透镜 焦深 在实 际 可 分 辨 出

21、 处理后 的图 像 的 情况 下 处理后 的 整 个 图 像 场 中 允许 发生 的 散 焦 总 距 离 即 焦 距 允 许 变 动 的范 围 焦深图 在实 际 可 分 辨 出 处理后 的图 像 的 情况 下 该 图 表示在 图 像 场 的 每 个位 置 上 允许 发生 的最 大正 散 焦 和最 大 负 散 焦 注 如 上 所 述 焦 距 或 焦深 取 决 于 工艺 图 像 几何 尺寸 尤 其是 线宽 和 允许 的 偏 差 对焦深图的 产 生影 响 的 因 素很 多 包括 工艺 线宽 和图 像 几何 形 状 尤 其 在 径 向 正切或 其 他 方 向 上 选 用 点 状 图形 还 是 线 状

22、图形 影 响 更 大 考虑 到 这些变 化 因 素 可 以在 一 次 试 验 中 作 出 几 个 焦深图 方法 测 试 图形 参 阅 国家标准 所 选 用的单元与单元 尺寸 应 是最 适合 于测 试 设备的 具 体 情况 一 般 测 试 图形 由两 组 评 测用的 线 条 组 成 也 可 以 采用 不 同 线宽 的一系 列 图形 在 这种情况 下 应 该提 交 焦深与线宽 的 关 系 报告 在 报告 中 必须说 明所 选择 的图形与 相应 的 尺寸 测 试 地 点 在 图 像 场 中 图形 至 少 要 个 测 试 点 个 测 试 地 点必须有 点 在 图 像 场 的 个 角 上 点 在 图 像

23、 场 的 条 边 的中 心 点 在 图 像 场 的中 央 如 果 测 试 地 点较多 则 这些 地 点必须 均 匀 对 称地 分 布 在 图 像 场 中 使得 图 像 场 的 任 何 部分 都均 匀 分 布 有 关 图 例 示 于图 图 测 试 点 在 各种 图 像 场 中的 典 型 布 局 转 印 工艺 进 行 测 试 图 像 转 印 曝光 时 所 用的 工艺 和 条件应 与设备 分 步重复机 扫描器 等 在实 际 应 用中 使 用的 工艺 条件相 同 参 阅 在 焦深和最佳焦 点 的 报告 中 应包括 工艺 的 描 述 焦 点 步 距 在 测 试 散 焦对 处理后 的图 像影 响 的 实

24、验 中 通常 采用 多 次 分 步 转 印 图 像 的 办 法 每 步 转 印 时 均 改 变 固 定 的 散 焦量 相 邻 两步 的 散 焦 变 化量 称为 焦 点 步 距 和 散 焦的上 下 限 选择 应 该 满足 既 要 包含 预 期 的 最佳焦 点 位 置 又 要 使 系 列 图 像 的 两个 极 端 散 焦量 超 出 焦深 在 报告 中 必须说 明散 焦的 步 数 和 步 距 图 像 阵 列 可 以在 一 个 衬底 上采用分 步位 移 曝光的 方 式 使 测 试 几何 图形曝光 场 组 成 彼 此 分 开 的 阵 列 也 可 以 分 别 曝光于 完 全 不 同的 衬底 上 具 体的

25、决策 通常 受 到被 测设备 功 能 的 限 制 测量 必须 测量 每 个 图 像 点 的 两 种 图形 取 向 及 每 个散 焦 值 处理后 图 像 的 几何 尺寸 再 根据 图 像 的 清晰 度 尺寸 或 其 他 的一 些 图 像特 性来 确定 合 格 与 否 通常 是用 线宽作 为 验收 标准 测量的 总 数 是 地 点数 的 两 倍 乘 以散 焦的 步 数 定 量的图 像评估 按 照 设备 厂 家 或 用 户 的规 定 测量 并 研究 光致抗蚀剂图 像 图形 相 对于 目 标 值 的 偏 差 如 果 图形的 变 化 没 有 超 出 设备 具 体 使 用 条件 下 的 允许 偏 差 则为

26、 合 格 的图 像 在 图 像 场 的范 围 内 要 对 每 个 图 像地 点 进 行 研究 以确定 图 像 可 用 时 的 各 个散 焦 值 焦深与最佳焦 点 的测 定 如 果 在 某 个散 焦 变 化范 围 内 图 像 场 内 的 每 一 个 测 试 点 测 得 的图 像根据 上 述 的 验收 标准 均 可 用 则这 个散 焦范 围 在 报告 中将 被 称为实 际焦深 根据 这 个定义 最佳焦 点应 是 下 述 的 轴 位 置 在 这 个位 置 上 某 个 目 标规范的 指 标 得 到满足 如 可 用的 散 焦范 围 最 大 或 者 线 条偏 差 最 小 等等 如 果 在 整 个 场 内

27、找 不 到 共 同的 可 用 散 焦范 围 则 焦深 为 零 最佳焦 点不 确定 这种 现 象 可能 发生在 衬底 相 对于光 轴 发生 大 面 积 倾斜 图 像 聚焦面的 曲 率 大 高 像散 以及 自 动 聚焦系统 不 稳 定 等 情况 聚焦 像散 的测 定 测量分 两 组 进 行 这 两 组 测 试 图形 为 正 交 线 条 但 两 组 的 取 向 不 同 它 们 分 别 叫做 组 和 组 但 根据 旋 转 像散 的 定义 它 们不 一 定要 采用 径 向 和 正切取 向 先 对 每 一 组 分 别 测 定 聚焦面 办 法 是 根 据 所 述 找 出在 处理后 图 像 合 格 的 前 提

28、下 每 一 个地 点 的 散 焦范 围 的中 点 这些点 的集 合 就 是聚焦面 接 着 针 对 每 个 图 像位 置 计 算 出 这 两个 聚焦面的 位 置 之差 把 这些 差 值 作 为 图 像位 置 的 函 数 画 成图 这 就 是 像散 这些 差 值 的最 大 绝 对 值 是最 大 像散 这些 差 值 的 绝 对 值 的 平均 值 是 平均 像散 场 平 坦 度的测 定 借 用聚焦面测量 方法 测量 场 的最 大 曲 率 允许 从下 述 两 种不 同 但 基本等 效 的 方法 中 选 一 种来 测 定 聚焦面 根据 聚焦面和 聚焦面的中 点 算 出 的聚焦面 如 果 评 测的图 像 中

29、 有点 状物 体的 话 可 以在 每 个 图 像 点 找 出 最佳的 处理后 点 图 像 的 位 置 从 而得 到 聚焦面 在 报告 中 这 个 聚焦面 画 成 位 置作 为 图 像位 置 的 函 数 的 示 意 图 此 图是 场 的 曲 率 聚焦面的最 小 位 置 与最 大 位 置 之差 是 场 的最 大 曲 率 注 这 里 所表 述 的 场 的最 大 曲 率 测 定方法 包括 光 学 图 像 曲 率 大 圆 片曲 率 工 件 夹 具 曲 率 等 综合 曲 率 为了 使 测 定 可 操 作 本测 定方法 不 排除 这些 影 响 所以 不应 认 为 这种场 平 坦 度测量等 效 于单 纯 光

30、学 图 像 聚焦面的测量 报告 根据 说 明 在 焦深 最佳焦 点 等的 报告 中 应包括 实 际 使 用的 描 述 此 外 报告 中 还 应说 明 任 何 特 殊 的 机 械措 施 尤 其是 应 当 说 明 是 否 使 用 了 持平 机 构 以及 这种 机 构 状 态 是 使 用于 整 个实 验 还 是 依 不 同的测 试 地 点而有 所 不 同 报告 的 内容 包括 下列 诸 项 工艺 衬底 和 层 的 类 型和 工艺 处理 曝光 条件 图形 用 文 字 或 用图 说 明 测 试结 构 包括 和 或 和 的 取 向 的 选择 大 圆 片 大 圆 片 的 质 量和规 格 持平 持平 机 构 地 点 列表 或 画 图 说 明 图 像地 点 判 则 在评 测测 试结 构 时所 用的 验收 标准 焦深 或 焦 距 单 纯 的 综合数值 最佳焦 点 单 纯 的 综合数值 像散 图 最 大 像散 平均 像散 场 平 坦 度图 场 最 大 曲 率