一种光刻机匹配方法，本方法以空间像关键尺寸作为描述光刻机成像性能的参数，通过遗传算法优化像素化描述的光刻机的照明光源，实现光刻间高精度匹配。本发明充分利用了自由照明系统光源自由度高的优势，提高了现有方法的匹配精度，适用于具有自由照明系统的浸没式光刻机或干式光刻机之间的匹配。
1.一种光刻机匹配方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查：包括投影物镜冷像差、照明的椭圆度、照明的部分相干因子、激光光源稳定性、杂散光水平、照明均匀性和掩模台工件台同步误差光刻机特征信息；检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如有参数与说明书规定的参数不一致，及时对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机工作正常，并处于最佳工作状态；检查涂胶显影机的工作状态和CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，确认光刻胶批次相同、CD检测系统工作状态正常；
采用一维through-pitch图形掩模或部分事先筛选出的量产二维图形掩模作为测试掩模，测试掩模共计M个；将参考光刻机和待匹配光刻机可调参数调整至相同值，可调参数包括光源形状、投影物镜数值孔径和投影物镜波像差；参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模进行曝光并显影；使用CD检测系统分别测量硅片上光刻胶图形的CD；如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异的均方差值大于目标值CDRMS或CD之间的差异的最大值大于目标值CDMAX，则需要对光刻机进行匹配；
读取参考光刻机的状态文件，根据参考光刻机的状态文件对光刻仿真软件进行设定，计算阈值Tr下的测试掩模空间像CD值，记为 其中i＝1,2,…,M；读取待匹配光刻机状态文件，根据待匹配光刻机状态文件设定光刻仿真软件；设定种群规模N、变异概率Vmutation_rate、交叉概率Vcorss_ratio、阈值Tr、最大迭代次数Gmax和适应度阈值Fs；
初始化第一代染色体 将参考光刻机测量所得光源图形JRef编码后的
染色体作为一条初始染色体，其它染色体随机生成，其中光源图形JRef的大小为Ns×Ns；编码方式为实数编码，编码后的光源染色体为X＝[g1,g2,…,gs]， (1)
其中，gi∈[0,1]是第i个光源点的强度值，S为离散光源点像素的数量总和；迭代计算待匹配光刻机的目标光源形状，迭代具体步骤为：①对第k,k＝1,2,...,Gmax代的染色体 分别解码计算对应的光源图形根据光源图形 采用经过待匹配光刻机状态文件设定的光刻仿真软件计算阈值Tr下的空间像的CD值，记为 并按下列公式(2)计算染色体 对应的适应度函数Fj,k：
②计算第k代染色体中适应度最小的个体Xbest，其适应度记为 若 或者令K＝k+1，若k＞Gmax，进入步骤⑤，否则进入步骤③；
③根据变异概率Vmutation_rate在第k代染色体中选取P个需要进行交叉操作的染色体进行交叉操作，交叉操作包括如下步骤：采用选择算子对染色体进行选择，选出的染色体记为 i＝1,2,…,P，
选择算子为轮盘赌算子或锦标赛算子；采用交叉算子对每对染色体进行交叉操作，交叉算子为Xchild＝Xparent1+Vrand·VRatio·(Xparent2-Xparent1), (3)其中，Vrand是随机数，VRatio是交叉参数；或
Xchild＝Xparent2+R·(Xparent1-Xparent2)， (4)其中，R是交叉参数，Xparent1为适应度函数较小的个体，交叉操作后生成的染色体记为用交叉操作生成的P个染色体 替代选取的P个染色体；
④根据变异概率Vmutation_rate对第k代种群的染色体 进行变异操作；对第j个染色体 的变异方法为：根据变异概率Vmutation_rate在 中选取随机选取Q个变异点gi,i＝1,2,…,Q，用随机数替换原值；完成变异操作后的染色体记为k+1代染色体，返回步骤①；
⑤终止迭代，将Xbest解码后的光源形状Jbest作为待匹配光刻机的目标光源形状输出；
根据求解出的待匹配光刻机的照明系统目标光源形状Jbest生成需要调整的待匹配光刻机的参数子菜单，即待匹配光刻机光源设置的名义参数；将所述的参数子菜单输入待匹配光刻机对可调参数进行调整；待匹配光刻机加载测试掩模进行曝光并显影；使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD；如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异的均方差值小于目标值CDRMS或CD之间的差异的最大值小于目标值CDMAX，则光刻机匹配完成，否则匹配失败，需要重新进行光学临近效应校正(OPC)或光源掩模优化(SMO)对掩模进行重新设计。
光刻机匹配方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光刻机，尤其是一种用于具有自由照明系统的光刻机匹配方法。
背景技术
[0002] 光刻工艺是集成电路芯片制造的核心工艺。为降低经济和时间成本，光刻工艺的研发通常都是在特定一台光刻机上完成的。芯片量产时需将光刻工艺转移到产线上的多台光刻机上。不同型号光刻机的光刻性能存在较大差异，即使相同型号的光刻机由于其硬件指标的微小差异，也可能会导致包括成像质量在内的光刻性能存在较大差异。产线上光刻机，称为待匹配光刻机，与工艺研发光刻机，称为参考光刻机，之间的性能差异，会导致光刻工艺转移失败。为实现光刻工艺快速转移、扩大产能并提高芯片制造成品率，必须进行光刻机匹配、通过调整光刻机可调参数使得待匹配光刻机的成像性能和参考光刻机的成像性能尽可能一致。
[0003] 常见的光刻机匹配技术有基于关键尺寸(CD)测量的匹配技术、基于光刻胶模型的匹配技术，以及基于光学模型的匹配技术。前两种技术需要用到硅片上的CD数据来表征两个光刻机之间的成像性能差异，并计算用于匹配的可调参数的灵敏度信息，实现光刻机匹配。为保证匹配精度需要在多种条件(例如多种照明模式、多种掩模图形、多个图形周期、多个曝光剂量、多个离焦位置)下分别对CD进行重复多次测量，耗费大量的光刻机机时和测量时间。基于光学模型的匹配技术(在先技术1，Yuan He,Erik Byers,and Scott Light et al,Simulation-based pattern matching using scanner metrology and design data to reduce reliance on CD metrology,Proc.SPIE.7640,764014(2010))利用光刻机光学模型进行可调参数灵敏度计算，不需要进行耗时的CD测量，避免了测量噪声和光刻胶模型标定误差对匹配精度的影响，既准确又快速，当光刻机是引起图形不匹配的主要影响因素时具有较高的匹配精度，是高端芯片生产中常用的技术。可调参数包括光源、投影物镜数值孔径和投影物镜波像差等。其中光源自由度较高，是光刻机匹配中进行调整的主要参数。现有技术采用牛顿法或最小二乘法对光源进行了优化以实现光刻机的匹配(在先技术2，Yuan He,Alexander Serebryakov and Scott Light et al,A Study on the Automation of Scanner Matching,Proc.SPIE.7973,79731H(2013)；在先技术3，光刻机匹配方法，CN108170006A),但仅针对常规照明、环形照明、二极照明、四极照明等传统照明方式进行参数调整或在已有自由照明模式上进行强度或分布调制，其优化自由度受到很大限制。
发明内容
[0004] 本发明针对具有自由照明系统的光刻机提供一种光刻机性能匹配方法。本方法将像素化的光源编码为染色体，通过遗传算法不断更新光源信息，缩小待匹配光刻机和参考光刻机之间光刻性能的差异。该方法无须计算灵敏度，充分利用了自由照明系统光源自由度高的优势，提高了光刻机匹配的精度。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一种基于遗传算法的光刻机匹配方法，该方法包括如下步骤：
[0007] 1)光刻机和涂胶显影机检查：
[0008] 对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查：包括投影物镜冷像差，照明的椭圆度、照明的部分相干因子，激光光源稳定性，杂散光水平，照明均匀性，掩模台工件台同步误差等光刻机特征信息。检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如有参数与说明书规定的参数不一致，及时对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机工作正常，并处于最佳工作状态。检查涂胶显影机的工作状态、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，确认光刻胶批次相同、CD检测系统工作状态正常。
[0009] 2)曝光验证：
[0010] 采用一维through-pitch图形掩模或部分事先筛选出的量产用二维图形掩模作为测试掩模，测试掩模共计M个。将参考光刻机和待匹配光刻机可调参数调整至相同值，可调参数包括光源形状，投影物镜数值孔径，投影物镜波像差。参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模进行曝光并显影，使用CD检测系统分别测量硅片上光刻胶图形的CD，如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异的均方差值大于目标值CDRMS或CD之间的差异的最大值大于目标值CDMAX，则需要对光刻机进行匹配；
[0011] 3)光刻机匹配：
[0012] 读取参考光刻机的状态文件(SFF)，状态文件中包含了光刻机的投影物镜的数值孔径、照明系统部分相干因子、实测的照明系统光瞳分布、曝光剂量、离焦量、实测的投影物镜像差、工件台倾斜因子、光刻机光学系统的机械振动水平、激光带宽等光刻机特征信息。根据参考光刻机状态文件对光刻仿真软件进行设定，计算阈值Tr下的测试掩模空间像CD值，记为 读取待匹配光刻机状态文件文件，根据待匹配光刻机状态文件设定光刻仿真软件，设定种群规模N、变异概率Vmutation_rate、交叉概率Vcorss_ratio、空间像CD阈值Tr、最大迭代次数Gmax和适应度阈值Fs；
[0013] 采用遗传算法计算对待匹配光刻机的目标光源，计算中光源编码结果称为染色体，首先初始化第一代染色体 将参考光刻机测量所得光源图形JRef(大小为Ns×Ns)编码后的染色体作为一条初始染色体，其它染色体随机生成；编码方式为实数编码，编码后的光源染色体为：
[0014] X＝[g1,g2,…,gs]， (1)
[0015] 其中，gi∈[0,1]是第i个光源点的强度值，发光区域亮度值为1，不发光区域亮度值为0，S为离散光源点像素的数量总和，迭代计算待匹配光刻机的目标光源形状，迭代具体步骤为：
[0016] ①对第k(k＝1,2,...,Gmax)代的染色体 分别解码计算对应的光源图形 根据光源图形 采用经过待匹配光刻机状态文件设定的光刻仿真软件计算阈值Tr下的空间像的CD值，记为 并计染色体 对应的算适应度函数Fj
,k，计算公式如下：
[0017]
[0018] ②计算第k代染色体中适应度最小的个体Xbest，其适应度记为 若 或者k＞Gmax，进入步骤⑤，否则进入步骤③；
[0019] ③根据交叉概率Vmutation_rate在第k代染色体中选取P个需要进行交叉操作的染色体，交叉操作包括如下步骤：采用选择算子对染色体进行选择，选出的染色体记为选择算子为轮盘赌算子或锦标赛算子。轮盘赌算子中，个体被选中的概率与其适应度大小成正比；锦标赛算子中，一次性在总体中随机选取若干个体，然后在这些个体中选取适应度最优的两个个体；采用交叉算子对每对染色体进行交叉操作，交叉算子为
[0020] Xchild＝Xparent1+Vrand·VRatio·(Xparent2-Xparent1), (3)
[0021] 其中，Vrand是随机数，VRatio是交叉参数；或
[0022] Xchild＝Xparent2+R·(Xparent1-Xparent2)， (4)
[0023] 其中，R是交叉参数，Xparent1为适应度函数较小的个体，交叉操作后生成的染色体记为 用交叉操作生成的P个染色体 替代选取的P个染色体；
[0024] ④根据变异率Vmutation_rate对第k代种群的染色体 进行变异操作；对第j个染色体 的变异方法为：根据变异率Vmutation_rate在 中选取随机选取Q个变异点gi(i＝1,2,…,Q)，用随机数替换原值；完成变异操作后的染色体记为k+1代染色体，返回步骤①；
[0025] ⑤终止迭代，将Xbest解码后的光源形状Jbest作为待匹配光刻机的目标光源形状输出；
[0026] 4)曝光验证：
[0027] 根据求解出的待匹配光刻机的照明系统目标光源形状Jbest生成需要调整的待匹配光刻机的参数子菜单，即待匹配光刻机光源设置的名义参数；将所述的参数子菜单输入待匹配光刻机对可调参数进行调整；待匹配光刻机加载测试掩模进行曝光并显影；使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD；如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异的均方差值小于目标值CDRMS或CD之间的差异的最大值小于目标值CDMAX，则光刻机匹配完成，否则匹配失败，需要重新进行光学临近效应校正(OPC)或光源掩模优化(SMO)对掩模进行重新设计。
[0028] 与在先技术相比，本发明具有以下优点：
[0029] 1.本发明涉及的光源由像素描述，具有更高的优化自由度，匹配精度高。
[0030] 2.本发明使用遗传算法进行光刻机性能匹配，相较于牛顿法和最小二乘法，无需计算梯度或灵敏度，对光刻仿真模型与匹配适应度函数适应性广。
附图说明
[0031] 图1是采用本发明进行光刻机性能匹配方法的流程图。
[0032] 图2是本发明实施例所采用的参考光刻机照明光源。
[0033] 图3是本发明实施例所采用的测试掩模和匹配掩模图形。
[0034] 图4是本发明实施例匹配后的待匹配光刻机的照明光源
[0035] 图5是本发明实施例匹配前后参考光刻机和待匹配光刻机不同周期的线空图形的CD误差。
具体实施方式
[0036] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
[0037] 本实施例参考光刻机的照明光源强度分布如图2所示，白色区域亮度值为1，黑色区域亮度值为0，光源网格为31×31，光瞳范围内的有效光源点数S＝709。采用的测试掩模和匹配掩模为图3所示的一维through-pitch线空图形掩模，掩模图形线宽为45nm，类型为二值掩模，白色区域透射率取值为1，黑色区域透射率取值为0。掩模图形的周期为120nm，140nm，160nm，…，1000nm共45个，即M＝45，图中标注的水平线段为计算空间像CD的截面位置。参考光刻机和待匹配光刻机均为浸没式，光刻机工作波长均为193nm。光刻机投影物镜数值孔径设置为1.35，浸没液折射率为1.44，缩放倍率R＝0.25。光刻机的匹配步骤如下：
[0038] 1)光刻机和涂胶显影机检查：
[0039] 对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查：检查的部分包括投影物镜冷像差、照明的椭圆度、照明的部分相干因子、激光光源稳定性、杂散光水平、照明均匀性、掩模台工件台同步误差等。检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如有参数与说明书规定的参数不一致，及时对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机工作正常，并处于最佳工作状态；检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，光刻胶批次相同、CD检测系统工作状态正常。
[0040] 2)曝光验证：
[0041] 将参考光刻机和待匹配光刻机可调参数调整至相同值，分别加载测试掩模进行曝光并进行显影，使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD，两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异如图5所示，均方差值为2.028nm，以CDRMS＝1nm的标准为例，超出工艺允许的范围，则需要对当前的待匹配光刻机进行匹配，进入下一步；
[0042] 3)光刻机匹配：
[0043] 读取参考光刻机的状态文件(SFF)，根据参考光刻机状态文件对光刻仿真软件进行设定，计算阈值Tr下的测试掩模空间像CD值，记为 其中i＝1,2,…,M，读取待匹配光刻机状态文件文件，根据待匹配光刻机状态文件文件设定光刻仿真软件。设定种群规模N＝100、变异概率Vmutation_rate＝0.02、交叉概率Vcorss_ratio＝0.6、空间像CD阈值Tr＝0.25、最大迭代次数Gmax＝5000、适应度阈值Fs＝0.1nm；
[0044] 初始化第一代染色体 将参考光刻机测量所得光源图形JRef(大小为Ns×Ns)编码后的染色体作为第一条染色体，其它染色体根据采用均匀分布随机生成，编码方式为实数编码，编码后的光源染色体为
[0045] X＝[g1,g2,…,gs]， (1)
[0046] 其中，gi∈[0,1]是第i个光源点的强度值，S为离散光源点像素的数量总和，迭代计算待匹配光刻机的目标光源形状，迭代具体步骤为：
[0047] ①对第k(k＝1,2,...,Gmax)代的染色体 分别解码计算对应的光源图形 根据光源图形 采用经过待匹配光刻机状态文件设定的光刻仿真软件计算阈值Trj,k
下的空间像的CD值，记为 并计染色体 对应的算适应度函数F ，计
算公式如下：
[0048]
[0049] ②计算第k代染色体中适应度最小的个体Xbest，其适应度记为 若 或者k＞Gmax，进入步骤⑤，否则进入步骤③；
[0050] ③根据Vmutation_rate交叉概率在第k代染色体中选取P个需要进行交叉操作的染色体，交叉操作包括如下步骤：采用组规模为4的锦标赛选择算子对染色体进行选择，选出的染色体记为 采用交叉算子对每对染色体进行交叉操作，交叉算子为
[0051] Xchild＝Xparent1+Vrand·VRatio·(Xparent2-Xparent1), (3)
[0052] 其中，Vrand是[0,1]内的随机数，VRatio＝1.2是交叉参数，交叉操作后生成的染色体记为 用交叉操作生成的P个染色体 替代选取的P个染色体；
[0053] ④根据变异率Vmutation_rate对第k代种群的染色体 进行变异操作；对第j个染色体 的变异方法为：根据变异率Vmutation_rate在 中选取随机选取Q个变异点gi(i＝1,2,…Q)，采用均匀分布生成随机数替换原值；完成变异操作后的染色体记为k+1代染色体，返回步骤①
[0054] ⑤终止迭代，将Xbest解码后的光源形状Jbest作为待匹配光刻机的目标光源形状输出；
[0055] 匹配后的照明光源形状如图4所示，光刻仿真软件仿真所得的CD误差见图5所示，匹配后的CD误差均不大于0.5nm，均方差值为0.171nm，满足1nm的指标，。
[0056] 4)曝光验证：
[0057] 最后根据匹配后的照明系统光源形状生成待匹配光刻机的参数子菜单，将所述的参数子菜单输入待匹配光刻机对可调参数进行调整。调整后待匹配光刻机对测试掩模进行曝光，测量硅片上光刻胶图形的CD；如果实测CD和参考光刻机CD之间的差异仍小于CDRMS，则光刻机匹配完成，否则重新进行光学临近效应校正(OPC)或光源掩模优化(SMO)对掩模进行重新设计。
[0058] 以上所述只是本发明的一个具体实施例，该实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的保护范围之内。
