一種散射計(jì)量的裝置和測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種散射計(jì)量的裝置，包括：照明模塊、物鏡、二維陣列探測(cè)器、光譜儀照明模塊提供的照明光束匯聚至一被測(cè)對(duì)象上獲得一反射光；二維陣列探測(cè)器，用于測(cè)量該反射光的角分辨譜；光譜儀，用于測(cè)量該反射光在一空間頻率下的光譜。本發(fā)明同時(shí)公開一種散射計(jì)量的測(cè)量方法。
【專利說(shuō)明】一種散射計(jì)量的裝置和測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種集成電路裝備制造領(lǐng)域，尤其涉及一種散射計(jì)量的裝置、測(cè)量方法及對(duì)光譜線漂移測(cè)校的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]散射計(jì)量提供了一種非接觸式、無(wú)損傷、快速、高精度、低成本的半導(dǎo)體形貌參數(shù)測(cè)量手段，并逐漸成為先進(jìn)工藝控制(APC)的重要環(huán)節(jié)，有力地支撐了 32nm及以下的工藝節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。
[0003]散射計(jì)量的被測(cè)對(duì)象為具有一定周期性結(jié)構(gòu)，如光刻膠密集線、孔陣列等。測(cè)量原理為:將一束測(cè)量光投射到被測(cè)對(duì)象上，測(cè)量其散射/反射光的特征，該特征可以是反射光強(qiáng)隨入射角度或波長(zhǎng)變化的特征，以及其他可以反映被測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)的散射光可測(cè)量。對(duì)象結(jié)構(gòu)指形貌特征，典型的可以是Height、Top-CD、Bottom-CD、Mid-CD、SWA、Corner-Roundness、Under-Cut等參數(shù)。已知形貌參數(shù)和膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息，可利用算法模型計(jì)算其散射光特征，算法模型可以是嚴(yán)格耦合波理論(RCWA)、有限時(shí)域差分(FDTD)、有限元法(FEM)等。改變模型參量，可計(jì)算得到不同的散射光特征。將測(cè)得散射光特征與計(jì)算結(jié)果做匹配，找到最相近的結(jié)果，則該結(jié)果對(duì)應(yīng)的形貌參量即認(rèn)為是被測(cè)對(duì)象的真實(shí)值。這是一種逆向求解的過程，測(cè)得的有效散射光特征越多，精度越高，則求解精度越高。傳統(tǒng)的獲取散射光特征的裝置主要分兩種:光譜型散射儀和角分辨型散射儀。
[0004]光譜型散射儀一般基于反射儀、橢偏儀等光譜測(cè)量設(shè)備，測(cè)量的是散射光強(qiáng)、偏振參量等隨波長(zhǎng)的變化譜線。對(duì)于不同被測(cè)對(duì)象的不同膜系結(jié)構(gòu)，通常光譜特征測(cè)量的最佳入射角度是不同的。因此，光譜型散射儀一般通過機(jī)械支架和調(diào)整裝置來(lái)改變其入射角。這種散射儀體積較大，且調(diào)整速度慢，調(diào)整后角度需重新標(biāo)定。此外，由于運(yùn)動(dòng)臺(tái)的傾斜抖動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等因素將在測(cè)量過程中改變?nèi)肷浣欠较?，將引起測(cè)量誤差。
[0005]角分辨型散射儀測(cè)量散射光強(qiáng)(或其他可測(cè)量)隨空間頻率的變化譜線，即可測(cè)得散射光隨入射角和方位角變化的二維譜線。這種方案每次只能測(cè)量一個(gè)窄帶波長(zhǎng)下的角分辨譜，波長(zhǎng)寬度的限制使其對(duì)不同半導(dǎo)體材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)的性能無(wú)法得到保證，尤其當(dāng)某些吸收型材料對(duì)測(cè)量用的窄帶波具有較高吸收率時(shí)，使角分辨型散射儀無(wú)法進(jìn)行測(cè)量或具有極低的信噪比，影響了其測(cè)量的工藝適應(yīng)性。
[0006]散射測(cè)量是一種典型的逆向求解過程，待測(cè)參量間的非正交性將嚴(yán)重影響測(cè)量的精度，若待測(cè)量對(duì)測(cè)得的信號(hào)具有相似的響應(yīng)特性，則不同待測(cè)量間的串?dāng)_將引起很大的測(cè)量誤差，解決該問題的唯一途徑是增加測(cè)量信號(hào)的數(shù)量。
[0007]因此，現(xiàn)有技術(shù)中希望可以找到一種結(jié)合上述兩種測(cè)量手段優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)測(cè)量的工藝適應(yīng)性，減小待測(cè)量間的串?dāng)_，提高測(cè)量精度，同時(shí)縮小設(shè)備體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種散射計(jì)量的裝置、測(cè)量方法，能結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中兩種測(cè)量手段的優(yōu)點(diǎn)，減小待測(cè)量間的串?dāng)_，提高測(cè)量精度。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開一種散射計(jì)量的裝置，包括:照明模塊，用以產(chǎn)生照明光束；物鏡，用于將所述照明光束會(huì)聚到被測(cè)對(duì)象上，并收集被測(cè)對(duì)象的反射光；二維陣列探測(cè)器，其探測(cè)面位于所述物鏡的光瞳面，用于探測(cè)所述反射光的角分辨譜；光譜儀，其入光口位于物鏡光瞳面，用于測(cè)量所述反射光在一空間頻率下的光譜；通過改變光譜儀入光口在物鏡瞳面的位置可探測(cè)不同空間頻率的反射光；所述光譜儀包含一個(gè)光源，發(fā)出的光從光譜儀入光口出射；所述二維陣列探測(cè)器可測(cè)得所述光譜儀光源發(fā)出的光，用以確定所述光譜儀入光口在所述物鏡光瞳的位置；以及處理模塊，與所述二維陣列探測(cè)器、所述光譜儀連接，依據(jù)所述所述光譜儀測(cè)得的光譜、所述二維陣列探測(cè)器測(cè)得的光譜儀入光口在物鏡光瞳中的位置信息及/或所述二維陣列探測(cè)器測(cè)得的角分辨譜信息，計(jì)算出該被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)。
[0010]更進(jìn)一步地，所述照明模塊包括光源，所述光源為氙氣燈、氘燈或鹵素?zé)簟?br> [0011]更進(jìn)一步地，散射計(jì)量裝置還包括還包括設(shè)置于所述照明光束路經(jīng)上或反射光束路經(jīng)上的濾光元件，用于對(duì)其接收的光進(jìn)行處理，產(chǎn)生窄帶光輸出。該窄帶光半高全寬小于20nm，或小于10nm。該濾光元件為干涉濾光片、光柵、單色儀或聲光調(diào)制器。
[0012]更進(jìn)一步地，該二維陣列探測(cè)器為CXD或CMOS 二維陣列探測(cè)器，用于探測(cè)反射光的角分辨譜。
[0013]更進(jìn)一步地，所述光譜儀的入光口為機(jī)械刀口或光纖頭。
[0014]本發(fā)明同時(shí)公開一種散射計(jì)量的測(cè)量方法，包括:提供一照明光束，并將其引導(dǎo)匯聚至一被測(cè)對(duì)象表面；光譜儀測(cè)量所述被測(cè)對(duì)象的反射光在一空間頻率下的光譜；二維陣列探測(cè)器探測(cè)所述被測(cè)對(duì)象的反射光的角分辨譜，以及探測(cè)光譜儀入光口在物鏡光瞳中的位置信息；以及依據(jù)所述反射光的光譜、光譜儀入光口在物鏡光瞳中的位置信息及/或所述反射光的角分辨譜計(jì)算所述被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供了一種用于確定被測(cè)對(duì)象CD形貌或套刻誤差信息的散射測(cè)量裝置和方法，該方案的特點(diǎn)是可用于測(cè)量散射光的空間頻率特征或光譜特征，較傳統(tǒng)的散射測(cè)量方案提供了更多的測(cè)量信息，增強(qiáng)了裝置的工藝適應(yīng)性；該裝置避免了機(jī)械支架調(diào)節(jié)角度的結(jié)構(gòu)，使體積更為緊湊。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。
[0017]圖1是散射測(cè)量技術(shù)原理示意圖；
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的非線性回歸法的流程示意圖；
圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的庫(kù)查詢法的流程示意圖；
圖4是本發(fā)明所示出的散射測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明所示出的光譜測(cè)校標(biāo)記和校準(zhǔn)流程示意圖；
圖6是本發(fā)明所示出的空間頻率測(cè)校結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明所示出的尋找最佳空間頻率區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明所示出的光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0019]在介紹實(shí)施例前，先回顧下散射計(jì)量的基本原理和主要特點(diǎn)。散射測(cè)量的原理如圖1，圖1的右側(cè)是光譜型散射測(cè)量裝置的光路原理圖。光源11發(fā)出探測(cè)光，經(jīng)探測(cè)光路12投射到被測(cè)對(duì)象13上。被測(cè)對(duì)象一般為周期性的半導(dǎo)體圖形，如硅片上的光刻膠光柵，或刻蝕后的溝槽，孔陣列等。這些圖形包括了一定的形貌結(jié)構(gòu)18，可以周期(Pitch)、參數(shù)HT (高度)、SWA (側(cè)壁陡度)和Mid-⑶等表征，散射測(cè)量的目的是測(cè)定這些參量。探測(cè)光經(jīng)樣品反射/散射后，被測(cè)量光路14收集，收集到的反射/散射光最終被投射到探測(cè)器15測(cè)量。在光譜型散射儀中，探測(cè)器一般為光譜儀，測(cè)得散射光的光譜特征17 ;在角分辨型散射儀中，探測(cè)器一般為二維陣列傳感器，如CCD、CMOS等，測(cè)得反射光在入射角5和方位角爐上的分布情況16，即散射光的空間頻率特征。通過測(cè)得的散射光信息，可以由逆向求解的方法得到被測(cè)對(duì)象的形貌參數(shù)。
[0020]逆向求解方法的一種如圖2，稱為非線性回歸法。首先根據(jù)被測(cè)對(duì)象的大致形貌參數(shù)，輸入一組初始值21，經(jīng)模型算法，如RCWA、FDTD、FEM等，計(jì)算得到該形貌下的散射光22，將22與實(shí)測(cè)的散射光23作比較24，用比較的結(jié)果調(diào)整初值，然后反復(fù)重復(fù)上述步驟，直到找到滿足條件的形貌參數(shù)，即認(rèn)為是被測(cè)對(duì)象的實(shí)際形貌。
[0021]另一種逆向求解方法如圖3，稱為庫(kù)查詢法。首先，產(chǎn)生大量的與被測(cè)對(duì)象形貌相仿的形貌31，然后利用模型算法，如RCWA、FDTD, FEM等計(jì)算，生成大量的散射光特征33，稱為樣本庫(kù)。在樣本庫(kù)中查找34與實(shí)測(cè)結(jié)果35最接近的樣本，該樣本對(duì)應(yīng)的形貌36即為被測(cè)對(duì)象的形貌。
[0022]一般而言，針對(duì)被測(cè)對(duì)象的不同工藝特點(diǎn)，如膜厚、材料等，光譜特征測(cè)量和空間頻率特征分別具有不同的優(yōu)勢(shì)。如在某些情況下，由于被測(cè)對(duì)象的材料原因，一些譜線無(wú)法透過覆蓋在測(cè)量標(biāo)記上的材料，這將大大減少光譜特征測(cè)量獲取的信息量。此時(shí)，若采用可用波長(zhǎng)下的空間頻率特征測(cè)量，將獲得較好的效果。在另一種情況下，最佳的測(cè)量靈敏度集中在一個(gè)較小的角度區(qū)域，此時(shí)在該角度區(qū)域使用光譜特征測(cè)量將變得十分有利。本技術(shù)方案設(shè)計(jì)了一種測(cè)量裝置和方法，兼具兩種測(cè)量手段的優(yōu)勢(shì)，可提高散射測(cè)量的工藝適應(yīng)性，同時(shí)提高測(cè)量精度。
[0023]圖4是本發(fā)明所示出的散射測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4中所示，41為光源，該光源為寬光譜光源，典型的如Xe燈、氘燈或鹵素?zé)舻?。光源提供包括可見波?如400nm-800nm)的照明光，或者更寬的光譜范圍，如極紫外到紅外區(qū)域的照明光(200nm-1000nm)o通常，短波長(zhǎng)的照明光可以產(chǎn)生更好的測(cè)量靈敏度，而長(zhǎng)波長(zhǎng)的光則可以透過被側(cè)對(duì)象的不同工藝層，到達(dá)需測(cè)量的標(biāo)記。
[0024]光源發(fā)出的測(cè)量光經(jīng)透鏡42和45后將光源成像到視場(chǎng)光闌46位置。通過透鏡47、物鏡411以及半反射鏡48后，將視場(chǎng)光闌成像到被測(cè)對(duì)象412上。視場(chǎng)光闌46決定照明視場(chǎng)的形狀，光闌的大小和透鏡組47和411的倍率確定了照明視場(chǎng)的大小。由于散射測(cè)量標(biāo)記一般制作在娃片的劃線槽中，標(biāo)記大小一般控制在50*50um左右。偏振片43用于生成一定的偏振態(tài)，如TE、TM偏振等?？讖焦怅@44在透鏡42的傅立葉面上，該孔徑光闌可以是一定形狀的機(jī)械遮擋物，也可以是更加靈活的可編程傅立葉濾波片等?？讖焦怅@44被透鏡45、47和分光鏡48成像到物鏡411的瞳面，形成需要的照明模式。上述照明系統(tǒng)是一種典型的柯勒照明，在裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)光源特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的照明系統(tǒng)，以達(dá)到同樣的效果。
[0025]物鏡光瞳面410位置不同的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不同的入射光空間頻率。根據(jù)不同的測(cè)量要求，調(diào)節(jié)孔徑光闌44的透光區(qū)域位置、大小和形狀可產(chǎn)生不同的照明。不同的照明模式能產(chǎn)生不同入射角的測(cè)量光，有利于增強(qiáng)設(shè)備的工藝適應(yīng)性。當(dāng)需要測(cè)量任意空間頻率組分的散射光特征時(shí)，需要光闌可以任意變換大小、位置和形狀，因此，可編程傅立葉濾光片是一個(gè)較好的選擇。
[0026]被測(cè)對(duì)象由運(yùn)動(dòng)臺(tái)413支撐，并隨運(yùn)動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)到達(dá)測(cè)量位置，形成需要的空間位置姿態(tài)。照明光經(jīng)物鏡411匯聚到被測(cè)對(duì)象上，經(jīng)被測(cè)對(duì)象散射后的光由物鏡411收集，收集到的散射光可由兩路測(cè)量光路測(cè)量。其一，散射光在物鏡瞳面的光強(qiáng)分布經(jīng)物鏡416、417后成像到二維陣列傳感器420的探測(cè)面419，傳感器每個(gè)像素測(cè)得光強(qiáng)對(duì)應(yīng)一個(gè)空間頻率散射光光強(qiáng)，因此，傳感器獲得的圖像即為散射光的空間頻率特征。其二，被測(cè)對(duì)象視場(chǎng)經(jīng)透鏡411、421、422和分光鏡415后投射到光譜儀423的入口，光譜儀測(cè)得散射光的光譜特征。光譜儀423的入光口位于物鏡光瞳面的共軛面，因此，調(diào)節(jié)光譜儀入光口的位置，可以測(cè)量不同角度散射光的光譜。這里，檢偏片414，用于挑選散射光的一定偏振方向進(jìn)行測(cè)量。濾光元件418可以是干涉濾光片、光柵、單色儀或聲光調(diào)制器等，用以過濾散射光而產(chǎn)生一定帶寬的寬帶光或窄帶光。寬帶光一般有幾百納米的跨度，用于散射光光譜特征的測(cè)量；窄帶光一般為+/-2nm、+/-1Onm或+/_20nm等，典型的窄帶光中心波長(zhǎng)可以為532nm、633nm、730nm等。該濾光元件為一個(gè)可以調(diào)節(jié)的器件，可以在寬帶寬譜線和窄帶寬譜線間切換，或在不同中心波長(zhǎng)的窄帶光譜間切換。常見的切換方式可以是控制聲光調(diào)制器頻率。另一種方式是將不同帶寬和中心波長(zhǎng)的濾光片組成一個(gè)轉(zhuǎn)盤，根據(jù)需要轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤以使需要的濾光片處于光路中，達(dá)到需要的濾光效果。又一種調(diào)整方式可以采用單色儀輸出需要的測(cè)量譜線。于本發(fā)明中，濾光元件418可依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求置于光路的任意位置，并非以圖式所示位置為限。
[0027]在本方案中，散射光光譜測(cè)量的關(guān)鍵在于確定所測(cè)散射光的空間頻率，即散射光的角度。本方案采用的光譜儀423包含一個(gè)光源432 (如圖5)，該光源發(fā)出的光經(jīng)分束鏡433后從光譜儀入光口 431出射，入光口的出射光經(jīng)測(cè)量光路和被測(cè)對(duì)象反射后被二維陣列傳感器探測(cè)到，探測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。圖中，61和71為探測(cè)面，虛線62和72為物鏡光瞳位置，63和73為光譜儀入光口光斑位置，其空間頻率為:
mi 9 - pi f IM
其中S為光譜測(cè)量時(shí)入射光線的入射角度，P為CCD上測(cè)得光斑位置到物鏡光瞳中心的距離，/為物鏡焦距，M為鏡組416、417的倍率。由此可確定光譜儀測(cè)量到的散射光的空間頻率。在確定散射光空間頻率后，可以關(guān)閉光源432。在進(jìn)行散射光光譜測(cè)量時(shí)，散射光進(jìn)入光譜儀入光口 431后經(jīng)分束鏡433投射到分光光柵434上，光柵將分光后的散射光投射到測(cè)量(XD435上完成光譜測(cè)量。這里，光譜儀的入光口可以為機(jī)械刀口，也可以是傳導(dǎo)光纖頭。光纖更有利于在物鏡瞳面共軛面上進(jìn)行位置移動(dòng)，以測(cè)得不同空間頻率下散射光的光譜信息。[0028]本說(shuō)明書中所述的只是本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種散射計(jì)量的裝置，包括: 照明模塊，用以產(chǎn)生照明光束； 物鏡，用于將所述照明光束會(huì)聚到被測(cè)對(duì)象上，并收集被測(cè)對(duì)象的反射光； 二維陣列探測(cè)器，其探測(cè)面位于所述物鏡的光瞳面，用于探測(cè)所述反射光的角分辨譜； 光譜儀，其入光口位于物鏡光瞳面，用于測(cè)量所述反射光在一空間頻率下的光譜；通過改變光譜儀入光口在物鏡瞳面的位置可探測(cè)不同空間頻率的反射光； 所述光譜儀包含一個(gè)光源，發(fā)出的光從光譜儀入光口出射，所述二維陣列探測(cè)器可測(cè)得所述光譜儀光源發(fā)出的光，用以確定所述光譜儀入光口在所述物鏡光瞳的位置；以及 處理模塊，與所述二維陣列探測(cè)器、所述光譜儀連接，依據(jù)所述所述光譜儀測(cè)得的光譜、所述二維陣列探測(cè)器測(cè)得的光譜儀入光口在物鏡光瞳中的位置信息及/或所述二維陣列探測(cè)器測(cè)得的角分辨譜信息，計(jì)算出該被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，還包括設(shè)置于所述照明光束路經(jīng)上或反射光束路經(jīng)上的濾光元件，用于對(duì)其接收的光進(jìn)行處理，產(chǎn)生窄帶光輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，所述濾光元件濾出的窄帶光半高全寬小于20nm。
4.如權(quán)利要求3所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，所述濾光元件濾出的窄帶光半高全寬小于10nm。
5.如權(quán)利要求2所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，所述濾光元件為干涉濾光片、光柵、單色儀或聲光調(diào)制器。
6.如權(quán)利要求1所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，所述照明模塊包括一光源，所述光源為氣氣燈、氣燈或鹵素?zé)?，或其組合。
7.如權(quán)利要求1所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，所述二維陣列探測(cè)器為CCD或CMOS 二維陣列探測(cè)器，用于探測(cè)反射光的角分辨譜。
8.如權(quán)利要求1所述的散射計(jì)量裝置，其特征在于，所述光譜儀的入光口為機(jī)械刀口或光纖頭。
9.一種利用權(quán)利要求1所述的散射計(jì)量裝置的散射計(jì)量方法，包括: 提供一照明光束，并將其引導(dǎo)匯聚至一被測(cè)對(duì)象表面； 光譜儀測(cè)量所述被測(cè)對(duì)象的反射光在一空間頻率下的光譜； 二維陣列探測(cè)器探測(cè)所述被測(cè)對(duì)象的反射光的角分辨譜，以及探測(cè)光譜儀入光口在物鏡光瞳中的位置信息；以及 依據(jù)所述反射光的光譜、光譜儀入光口在物鏡光瞳中的位置信息及/或所述反射光的角分辨譜計(jì)算所述被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103453845SQ201210119044
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】陸海亮, 王帆 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司