CN101377413B - 一种测量光刻胶掩模槽形结构参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光刻胶掩模槽形结构参数的方法，其特征在于：采用TE/TM线偏振光为入射光，入射角为被测掩模的闪耀角，分别测量标准反射片的反射光的光谱分布D₀(λ)；被测掩模的反射衍射零级复色光的光谱分布D(λ)；采用比较法，计算出介质膜光栅掩模实际的反射衍射零级的光谱分布R_g(λ)，对其进行光谱反演，得到掩模的槽形参数：光刻胶的剩余厚度、槽深和占宽比。本发明实现了对于面积、重量均较大的待测掩模的槽形参数的无损检测；且可以避免测量系统的误差，对光谱仪测量系统以及光源没有特别要求，测量方法简单易行。

Description

一种测量光刻胶掩模槽形结构参数的方法

技术领域

本发明涉及一种微小尺寸的无损测量方法，具体涉及一种用于测量光刻胶掩模的槽形结构参数的方法。

背景技术

用于激光脉冲压缩的离子刻蚀介质膜光栅(以下称脉冲压缩光栅)是获得超短超高强度激光的关键元件，而多层介质膜基底光刻胶光栅作为制作脉冲压缩光栅的掩模，其质量直接关系到脉冲压缩光栅的质量。多层介质膜基底光刻胶光栅掩模(以下称介质膜光栅掩模)质量的检测是脉冲压缩光栅工程化制作过程中重要的质量控制环节。

介质膜光栅掩模是一种在镀有介质膜的光学基片上用光致抗蚀剂材料制作的光栅，用于离子刻蚀工艺中光栅结构的转移，与半导体工艺中用于图形转移的掩模类似，其槽形结构如图1所示。介质膜光栅掩模的质量由其槽形参数表征，即：光刻胶的剩余厚度、槽深和占宽比，其中占宽比定义为光栅齿在半腰处的宽度与光栅周期之比(它实际上是通过长度的测量得到的)。介质膜光栅掩模槽形参数的尺度在亚微米至微米量级，对这一尺度的表面微观形貌进行检测，通常采用的手段是扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)或原子力轮廓仪(AFP)。用扫描电子显微镜进行检测，需要将被测样品截断，在电子显微镜下，通过测量断面的情况获得表面微观形貌纵向和横向的信息，如此一来，势必对样品造成不可恢复的破坏。在半导体芯片制造行业，经常要对一些小面积(一般为100um×100um)的周期性微结构进行无损在线检测，通常采用的是AFM或AFP测量手段，AFM、AFP不必将被测样品截断就能测量到表面微观形貌纵向和横向的信息，但通常只适用于检测微小面积的样品。现有的商用AFM、AFP对于大面积样品不适用。

介质膜光栅掩模与半导体芯片不同，它具有面积大(通常是数百甚至数千平方厘米)、重量重(数公斤或数十公斤)的特点，这些特点，使得目前的SEM、AFM、AFP等测量工具在检测其形貌参数时基本不具有可能性。因此，发展对大面积介质膜光栅掩模槽形参数进行无损的、有效的、实用的检测方法十分必要。

发明内容

本发明目的是提供一种用于对光刻胶掩模的槽形结构参数进行无损检测的方法，适用于大面积的介质膜光栅掩模槽形的结构参数的确定。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量光刻胶掩模槽形结构参数的方法，采用TE/TM线偏振光为入射光，入射角为被测掩模的闪耀角(Littorw角)，包括如下步骤：

(1)将标准反射片置于样品架上，并将标准反射片的反射光用透镜聚焦至光谱仪的入射狭缝，测量该反射光的光谱分布D₀(λ)；

(2)将被测掩模置于样品架上，将被测掩模的反射衍射零级复色光聚焦至光谱仪的入射狭缝，测量该反射衍射零级光的光谱分布D(λ)；

(3)根据下列公式，

D(λ)＝I₀(λ)·R_g(λ)·T(λ)

D₀(λ)＝I₀(λ)·R₀(λ)·T(λ)

式中，I₀(λ)是入射线偏振光的辐射功率分布，T(λ)是光谱测量系统的光谱传递函数，R₀(λ)是标准反射片的反射率；

采用比较法，计算出介质膜光栅掩模实际的反射衍射零级的光谱分布R_g(λ)，对其进行光谱反演，得到掩模的槽形参数：光刻胶的剩余厚度、槽深和占宽比。

上述技术方案的主要思路是，通过测量介质膜光栅掩模的反射衍射零级的光谱分布，然后根据这一分布反演出介质膜光栅掩模的槽形参数。这种检测方法，除了可以用于确定介质膜光栅掩模的槽形参数外，还可以用于确定基底反射系数已知的光栅/光栅掩模的槽形参数。

不同波长的光入射至光栅发生衍射后，同一衍射级次不同波长光的光栅衍射效率是不同的，我们把相同级次下光栅衍射效率随波长的变化称为光栅的某衍射级的光谱分布。理论研究表明，在入射条件一定的前提下，光栅的衍射效率η取决于光栅的槽形参数。

${\mathrm{\η}}_n^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_n^{\left(1\right)}}{{\mathrm{\β}}_0^{\left(1\right)}}{\left|A_n^{\left(1\right)}\right|}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\η}}_k^{\left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\β}}_k^{\left(2\right)}}{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\β}}_0^{\left(1\right)}}{\left|A_k^{\left(2\right)}\right|}^2---\left(2\right)$

其中上标(1)、(2)分别表示反射衍射和透射衍射，n、k代表衍射的级次，

和分别与入射、反射衍射和透射衍射波的波矢量有关，为：

${\mathrm{\β}}_n^{\left(1\right)}={(n_1^2{k}_0^2-{\mathrm{\α}}_n^2)}^{1/2}$

${\mathrm{\β}}_k^{\left(2\right)}={(n_2^2{k}_0^2-{\mathrm{\α}}_k^2)}^{1/2}$

α_m＝n₁k₀sinθ+mK，m＝n，k $K=\frac{2\mathrm{\π}}{d}$

$k_0(=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0})$ 为入射光在真空中的波数，θ为入射角，n₁、n₂分别为入射光所在介质与光刻胶的折射率。

和

表示反射以及透射衍射波的振幅，它们与入射条件、光栅槽形参数(Δ、h、tr)有关。振幅与槽形参数之间没有简单的解析关系式，我们简单表示为：

$A_n^{\left(1\right)}={f_n}^{\left(1\right)}(\mathrm{\Δ},h,\mathrm{tr})$

$A_k^{\left(2\right)}={f_k}^{\left(2\right)}(\mathrm{\Δ},h,\mathrm{tr})$

则光栅各级的衍射效率η表示为：

${\mathrm{\η}}_n^{\left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_n^{\left(1\right)}}{{\mathrm{\β}}_0^{\left(1\right)}}{\left|{f_n}^{\left(1\right)}(\mathrm{\Δ},h,\mathrm{tr})\right|}^2$

${\mathrm{\η}}_k^{\left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_n^{\left(2\right)}}{{\mathrm{\β}}_0^{\left(1\right)}}{\left|{f_k}^{\left(2\right)}(\mathrm{\Δ},h,\mathrm{tr})\right|}^2$

通过Maxwell方程以及相应的边界条件编写计算机程序可以求得一定入射条件和槽形参数下光栅各级的衍射效率的数值解；反过来，如果已知光栅的衍射效率亦可以得到槽形参数的信息。当复色光入射至光栅时，光栅各级的衍射效率的光谱分布则可以表示为：

${\mathrm{\η}}_n^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_n^{\left(1\right)}}{{\mathrm{\β}}_0^{\left(1\right)}}{\left|{f_n}^{\left(1\right)}(\mathrm{\Δ},h,\mathrm{tr},\mathrm{\λ})\right|}^2$

${\mathrm{\η}}_k^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_n^{\left(2\right)}}{{\mathrm{\β}}_0^{\left(1\right)}}{\left|{f_k}^{\left(2\right)}(\mathrm{\Δ},h,\mathrm{tr},\mathrm{\λ})\right|}^2$

由上式可见，在一定的入射条件下，光栅各级衍射效率的光谱分布由光栅的槽形参数(Δ、h、tr)决定，光栅衍射级的光谱分布理论上与掩模的槽形参数存在相互对应的关系。

因此，如果光栅衍射效率的光谱分布η(λ)已知，可以通过计算机求出光栅的槽形参数(Δ、h、tr)的数值解。

设入射线偏振光的辐射功率分布为I₀(λ)，在Littrow角入射下，介质膜光栅掩模的反射衍射零级的光谱分布为R_g(λ)，光谱测量系统的光谱传递函数为T(λ)，光谱仪测量得到的光强分布为D(λ)：

D(λ)＝I₀(λ)·R_g(λ)·T(λ)          (3)

为了得到介质膜光栅掩模的反射衍射零级的光谱分布信息，采用一块标准反射板(其反射率为R₀(λ))，在同一入射角下用同一光谱仪测量其反射光的光谱分布，为D₀(λ)：

D₀(λ)＝I₀(λ)·R₀(λ)·T(λ)         (4)

(1)、(2)两式相比较可得：

$R_g\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{D\left(\mathrm{\λ}\right)}{D_0\left(\mathrm{\λ}\right)}\·R_0\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(5\right)$

得到介质膜光栅掩模反射衍射零级的光谱分布R_g(λ)后，通过光谱反演而得到介质膜光栅掩模的槽形参数。

由上可以看出，由于采用了比较测量法，该方法可以避免测量系统的误差，对光谱仪测量系统以及光源没有特别要求，测量方法简单易行。

其中，槽形参数的反演方法：

以未知槽形参数的介质膜光栅掩模为研究对象，构建适宜的目标优化函数，运用直接搜索算法，判断实验测量得到的研究对象的衍射零级光谱分布曲线(目标曲线)与各种槽形参数相应的一系列的衍射零级光谱分布曲线之间的相关性，从而得到掩模的最佳槽形参数。

直接搜索算法中构建的目标优化函数为：

$\min :F(h,\mathrm{tr},\mathrm{\Δ})=1-R(h,\mathrm{tr},\mathrm{\Δ})\⊗R_g\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(6\right)$

其中R_g(λ)为槽形参数待定的介质膜光栅掩模衍射零级光的光谱分布曲线，它由实验测量得到；R(h，tr，Δ)为各种可能的槽形参数取值下对应的一系列衍射零级光的光谱分布曲线，将两条曲线做相关计算，当二者相关系数最大(亦即目标优化函数F(h，tr，Δ)为最小值)时所对应的h，tr，Δ的值即是光谱反演法得到的槽形参数。相关系数取值越大，反演得到的槽形参数的数值越准确，相应地反演所需计算时间也越长。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明创造性地通过测量待测掩模的反射衍射零级光谱分布，对光谱进行反演，得到掩模的槽形参数，实现了对于面积、重量均较大的待测掩模的槽形参数的无损检测；

2.本发明在测量待测掩模的反射衍射零级光谱分布时，采用了比较测量法，该方法可以避免测量系统的误差，对光谱仪测量系统以及光源没有特别要求，测量方法简单易行。

附图说明

图1是光栅掩模槽形结构示意图；

图2是本发明实施例一的测量方法流程示意图；

图3是实施例一的测量光路示意图；

图4是实施例一中光谱曲线匹配情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图4所示，一种测量光刻胶掩模槽形结构参数的方法，测量具体过程如下：

(1)按照图3所示建立测量光路，调节起偏器，使入射至被测掩模上的入射复色平行光为TE/TM线偏振光；

(2)调节样品架角度，使入射角为被测光栅的Littrow角(即θ角)，固定样品架；

(3)先将标准反射片置于样品架上，用透镜将标准反射片的反射光聚焦至光谱仪的入射狭缝，用光谱仪测量标准反射片反射光的光谱D₀(λ)；

(4)完成标准反射片反射光谱的测量后，用掩模置换下标准反射片，用透镜将掩模的反射衍射零级复色光聚焦至光谱仪的入射狭缝，用光谱仪测量掩模的反射衍射零级光的光谱分布D(λ)；

(5)根据公式(3)、(4)、(5)，利用比较法，得到介质膜光栅掩模实际的反射衍射零级的光谱分布曲线R_g(λ)；

(6)按公式(6)构造直接搜索算法中的目标优化函数，设定掩模槽形参数合理的搜索范围，根据Maxwell电磁场的相关理论(见发明内容中所涉及的理论分析)，计算出搜索范围内各种槽形参数值对应的所有衍射零级光的光谱分布曲线R(h，tr，Δ)；

(7)完成所有R(h，tr，Δ)曲线与R_g(λ)曲线的相关运算，计算出相关系数，当某条光谱分布曲线与实验测量曲线R_g(λ)的相关系数最大时(即目标优化函数F(h，tr，Δ)最小值)，光谱反演结束，此时曲线R(h，tr，Δ)所对应的h，tr，Δ的值即是光谱反演法得到的槽形参数。

以下是光谱反演法确定掩模槽形参数的理论验证结果。以特定介质膜基底的光栅掩模(其槽形参数为表1中的目标值)的反射衍射零级的光谱分布曲线为目标曲线R_g(λ)，根据上述步骤(6)、(7)所陈述内容，对其实施光谱反演，光谱范围取400nm～700nm、光谱分辨率取5nm、偏振模式为TE，反演出该光栅掩模的槽形参数(即表1中的优化值)。槽形参数数值所对应的光谱曲线(目标曲线)与反演结果所对应的光谱曲线(反演曲线)的相关匹配情况如图4所示。

表1  掩模槽形参数光谱反演结果

Claims (1)

1.一种测量光刻胶掩模槽形结构参数的方法，其特征在于：采用TE/TM线偏振光为入射光，入射角为被测掩模的闪耀角，包括如下步骤：

(1)将标准反射片置于样品架上，并将标准反射片的反射光用透镜聚焦至光谱仪的入射狭缝，测量该反射光的光谱分布D₀(λ)；

(2)将被测掩模置于样品架上，将被测掩模的反射衍射零级复色光聚焦至光谱仪的入射狭缝，测量该反射衍射零级光的光谱分布D(λ)；

(3)根据下列公式，

D(λ)＝I₀(λ)·R_g(λ)·T(λ)

D₀(λ)＝I₀(λ)·R₀(λ)·T(λ)

式中，I₀(λ)是入射线偏振光的辐射功率分布，T(λ)是光谱测量系统的光谱传递函数，R₀(λ)是标准反射片的反射率；

采用比较法，计算出介质膜光栅掩模实际的反射衍射零级的光谱分布R_g(λ)，对其进行光谱反演，得到掩模的槽形参数：光刻胶的剩余厚度、槽深和占宽比。

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