光罩製造商正面臨重大的光罩量測挑戰，亟需那些不僅具有成本效益也能提供更為嚴格的對準規格和圖案對準認證的解決方案。
電子束光罩曝光機的局部對準誤差可能對光罩至晶圓的疊對誤差產生關鍵影響，這是因為該誤差非常局部並且在標準的質量控制方案和採樣條件下難以將其發現。當然，光罩誤差特徵依賴於寫入策略；但也可能由殘餘的偏移器對準問題而引起，並導致了晶圓上非常局部但可能是不可校正的關鍵微影疊對誤差。由於氟化氬浸沒(ArFi)光罩和EUV光罩所採用的電子束曝光機策略之間並無顯著差異，我們預期這兩種光罩類型具有相似的誤差特徵。
標準光罩對準策略所採用的資料採樣的區域密度不足以揭示這種局部對準(LReg)誤差，因為其所需的測量數量會對週期時間產生影響，並且導致產量降低和造成光罩對準機台的成本效益過低。因此，為了驗證電子束曝光機導入的實際局部誤差和偏移器的對準性能，如今的電子束曝光機控制方案依賴於那些每週或以更長時間間隔製造的特殊測試光罩。
通常觀察到的LReg誤差特徵需要一個幾十微米的感興趣區域，並且光罩圖案特徵表現為該局部感興趣區域的橫向偏移增加，LMS IPRO7採用新的方法，允許在合理的產量下提供關鍵的採樣密度，從而針對每個關鍵產品光罩實現電子束曝光機的實際性能測試。
採用順序測量確定光罩曝光特徵
LMS IPRO7平台採用順序測量的方法，可以提供高精度和可重複的標準光罩量測應用。該方法通過後續的平台移動、圖像採集和圖像處理獲取光罩上整個有效區域的網格資料點。
對光罩量測系統的產量進行量化的標準度量是其移動、獲取和測量(MAM)的時間，對於每個網格測量點這個時間通常是幾秒鐘。為了確定產品光罩圖案的電子束光罩曝光機特徵，因其所需的採樣密度和視場尺寸所對應的MAM數量級，將導致總測量時間為數天。
LReg測量採用了一種新穎的方法，其圖像採集不是完全按照順序，而是利用量測系統的整個視場同時確定幾個點的位置。因此，對於光罩上100μm長度和寬度的感興趣區域(ROI)的典型LReg測量時間可以減至不足一個小時。在該感興趣區域內，可以針對密集圖案中臨界尺寸(CD)低於200nm的單個特徵進行高精度測量；如果推算至單點MAM這相當於週期時間減少104倍。因此，LReg使得商業光罩的實際認證成為可行。
電子束曝光機引起的LReg誤差可能源於各種原因，因此採用了量測機台的網格校準方法以確認所觀察到的誤差特徵不是由局部對準測量自身引起的偽像。為了證明無旋轉變化，對光罩上相同的感興趣區域以標準光罩方向(0。)和90。旋轉方向進行測量。
結果證實了所觀察到的LReg誤差特徵相對於光罩坐標系沒有變化。為了測試LReg測量方法無平移變化，對感興趣區域以小於視場內特徵週期的距離進行移動並比較誤差特徵。此外，對相同的感興趣區域還以不同的採樣密度進行LReg測量，以排除採樣策略對LReg誤差特徵的影響。
通過LReg測量對不同光罩進行研究，其中包含兩個向量式電子束曝光機供應商提供的量產製造(HVM)–質量測試光罩。對HVM標準的ArFi光罩以及領先EUV測試光罩進行了研究。在LReg測量中，感興趣區域的最大長度和高度為100μm，並定義於光罩布局的密集元件圖案之上。
LMS IPRO可以進行x-方向和y-方向上週期長度<300nm的採樣。因為結果包含了幾千個測量點中的每個點x軸和y軸的LReg誤差分量，也因此，LReg結果的訊息密度很高。
局部量測助力電子曝光校正
為了將測試結果的LReg誤差的橫向分布可視化，簡單起見，本文採用兩個熱圖分別顯示一個LReg資料集的x分量和y分量。LReg誤差是每個測量位置與其對應的設計坐標之間的偏差。圖1顯示了150nm CD密集導線陣列的ArFi測試光罩上LReg測量的可視結果。x偏差的橫向分布在圖1a中顯示為熱圖，y偏差的橫向分布如圖1b所示並採用了相同的比例。在圖1a中可以觀察到週期長度為10μm的網格狀的系統性LReg誤差特徵。LReg誤差的y分量表現為與x軸相平行的分割線。兩個誤差分量的幅度均大於4nm。
本研究測試的一個主要目的是識別電子束曝光機本身所產生的特徵。因此，必須確認在LReg結果中觀察到的特徵不是由LReg測量方法本身造成的。圖2顯示了在光罩的相同ROI上兩個不同光罩方向的LReg測量結果。結果顯示使用了實際的光罩坐標系。因此，與LMS IPRO測量機台相關的任何誤差，例如由光學元件或橫向平移台引起的誤差，將在圖1a中相對於圖2b旋轉90。
LReg誤差的幅度以任意單位縮放，但是圖2a和2b採用了相同的顏色代碼縮放。x偏差的橫向分布在圖2a中顯示為熱圖，可以觀察到平行於y軸的等距線的特徵(圖2)。對於x偏差這些線的周期長度約為9μm，而對於y偏差這些線的周期長度約為27μm(未顯示)。兩者的局部橫向偏移的幅度均大於4nm。圖2中顯示的兩個圖像在測試光罩的坐標系中表現出非常相似的LReg誤差特徵，因而可以確認無旋轉變化。
為了驗證LReg測量方法是否無平移無變化，採用ArFi光罩在200nm CD密集導線圖案上通過將兩個軸的ROI向正方向移動1.6μm進行測試。x偏差的結果如圖2所示，其中1.6μm的偏移相當於一個像素。圖3a中顯示出8μm週期長度的總體LReg特徵在圖3b中向原點中心偏移了一個像素，這確認了當ROI偏移時LReg特徵相對於光罩的設計坐標系保持不變，y偏差的數量級相同並且具有相似的周期長度。
為了確認採樣策略不會在LReg特徵結果中產生偽影，採用EUV測試光罩以不同的採樣率相同的ROI進行了相同方向的量。LReg特徵的x偏差如圖4所示。儘管圖4b中的特徵由於採樣率降低而非常模糊，但可以確認整個週期長度為9μm和幅度大於4nm，這與圖4a是一致的。
表1概括了不同測試的結果。並不是所有的不同測試光罩的LReg結果資料都顯示在表中。在分析中，採用了EUV光罩和ArFi光罩，並使用兩個主要供應商不同世代的向量式電子束曝光機對其寫入。可以說，對於所有測試光罩，至少有一個誤差分量，即x軸或y軸，都顯示出週期性特徵。對於所有的LReg特徵，橫向移位的幅度都超過4nm。所觀察到的LReg特徵(光罩域)被縮放到晶圓級別(晶片域)，以顯示LReg特徵對晶圓圖案疊對誤差產生的實際影響。即使對於領先的10nm節點光罩，晶圓疊對的影響也超過1nm。
圖2、圖3和圖4中顯示的結果都支持這樣的假設，結果中的系統橫向偏移實際上是向量式電子束曝光機引起的LReg特徵。透過證明誤差特徵無平移變化，無旋轉變化，並獨立於採樣率，可以排除可能與LMS IPRO測量方法本身相關的誤差特徵偽影。
ArFi光罩B(表1)的周期長度是42μm，並且可能與電子束曝光機的子偏移器視場設置有關。測試光罩A、B和C採用領先電子束曝光機寫入，而在這些光罩上所觀察到的誤差幅度都高於領先HVM光罩的疊對臨界值。
相比A、B和C，測試光罩E採用同一製造商的更早世代電子束光罩曝光機製造，因此LReg誤差的幅度甚至更大。光罩D採用另一供應商的向量式電子束曝光機製造，因此對於兩個主要供應商都觀察到顯著的LReg誤差。
EUV測試光罩C顯示出與ArFi測試光罩A和B類似的LReg誤差特徵。這正如預期，因為EUV微影的電子束寫入策略沒有重大差異。根據LReg誤差的周期性和觀察到的周期長度，可得出通過電子束曝光機校正來解決LReg誤差的結論。由於LMS IPRO是一種高精度的對準機台，因此可以從所呈現的LReg資料集中推導出必要的校正參數。所有資料均採用單次測量，每次測量持續不到一小時，考慮到測得的週期長度可以允許將ROI縮減，因此可以在15分鐘內對產品光罩做出表徵(ROI相對於特徵)。
為了評估LReg特徵(光罩域)測量對於不可校正的晶圓圖案疊對誤差產生的影響，在表1中的晶圓域一項下列出了計算數值。對於ArFi和EUV，為了對應於曝光機的縮小倍數4，週期長度和幅度均除以因子4。晶圓疊對的計算是基於兩個光刻層使用具有相同LReg誤差的光罩這樣的假設。因此，對於平均晶圓圖案疊對誤差，幅度乘以2並除以2的平方根。這也意味著局部誤差的極大值甚至可能更大，例如，對於14nm節點，它大於1.5nm。本文中提供的方法是一個能夠在不到15分鐘內對任何產品光罩上進行系統LReg誤差表徵的程序。
圖5顯示採用LReg測量的前饋例程的提議方案。其中，除了產品光罩的標準規格，即圖案的精度和準確度之外，還加入執行LReg測量。如文中所顯示的結果，該LReg測試僅僅會增加15分鐘的總光罩認證時間。根據LReg的結果，可以實施電子束曝光機校正和校準的改進，這將提升圖案疊對。
本文針對ArFi和EUV微影技術展示了在領先光罩上進行的準確並有成本效益的LReg誤差特徵測量。其中測得的誤差幅度高於領先HVM光罩的疊對臨界值。高採樣率允許在密集周期性圖案上對LReg誤差進行測量，並且大ROI允許對相應的電子束曝光機校正進行推導，這可以顯著改善後續微影步驟的層間圖案疊對。
