CN101799273B

CN101799273B - 一种纳米级尺寸结构测量方法及装置

Info

Publication number: CN101799273B
Application number: CN2010101334641A
Authority: CN
Inventors: 刘世元; 张传维; 史铁林; 陈修国
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: CN101799273A

Abstract

本发明公开了一种纳米级尺寸结构测量方法及装置，可以同时测量纳米级尺寸结构宽度、深度、侧墙角等参数。本发明方法步骤如下：将白光光束经滤光、起偏后垂直投射到包含纳米级尺寸结构的样件表面；采集样件表面反射信号，计算得到纳米级尺寸结构显微成像图；将测量离焦扫描成像分布图与理论离焦扫描成像分布图进行匹配，提取得到待测纳米级尺寸结构的几何参数值。本发明所提供的纳米级尺寸结构测量装置，能为纳米制造技术如传统光刻和纳米压印等基于图形转移的批量化制造技术中所涉及的各种典型纳米级尺寸结构，如孤立线条阵列结构、密集型线条阵列结构提供一种非接触、非破坏性、低成本、快速测量手段。

Description

一种纳米级尺寸结构测量方法及装置

技术领域

本发明属于纳米制造测量技术，具体涉及纳米级尺寸结构关键尺寸测量方法及装置，本发明尤其适用于光刻及纳米压印图形中线条结构，如孤立线条阵列、密集型线条阵列结构的宽度、深度、侧墙角以及套刻图形标记的套刻精度(overlay)等的测量。

背景技术

纳米制造是指特征尺寸为纳米量级的制造技术。近年来，随着机械学、物理学、化学、生物学、材料科学、信息科学等相关学科的交叉与融合，出现了若干基于物理、化学甚至生物等原理的纳米制造新方法与新工艺，如自底向上的纳米级尺寸结构生长、加工、改性、组装等纳米制造技术。同时，传统的微电子集成电路(IC，Integrated Circuit)与微机电系统(MEMS，Microelectromechanical System)加工也从微米量级突破到亚波长纳米量级，通过不断改进传统光刻工艺并发展纳米压印等新工艺，这类基于图形转移的批量化制造技术可望将特征尺寸一直延拓到32nm节点以下。

纳米级尺寸结构一般是指特征尺寸在100nm以下的微小结构。为了实现有效的工艺控制，在纳米制造过程中对纳米级尺寸结构的关键尺寸(CD，Critical Dimension)等参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有非常重要的意义，是保证纳米制造批量化与一致性的关键，是支撑纳米科技走向应用的基础。以IC制造工艺为例，目前纳米级关键尺寸的测量主要采用关键尺寸扫描电镜(CD-SEM)和关键尺寸原子力显微镜(CD-AFM)，这些测量方法的优点是都可以突破到纳米级尺寸的测量，但其显著缺点是速度慢、成本高且设备操作复杂。与之相反，传统光学显微镜具有速度快、成本低和设备操作简单等优点，因而一直在自动化工艺检测与在线监控等领域获得了广泛应用，如基于显微机器视觉的自动光学检测(AOI，Automatic Optical Inspection)系统。光学显微镜测量的基本原理是通过显微光学镜头采集最佳焦平面的光学图像，即获得待测结构的清晰几何轮廓形貌图像，进而通过边缘检测等图像处理算法，识别并提取出准确的结构几何尺寸及其它特征。根据光的衍射原理，传统光学显微镜存在分辨率极限的问题，该极限由照明光源波长和显微镜数值孔径所决定，在可见光照明条件下最高只能达到约200nm的分辨率。当纳米制造中的关键尺寸达到亚波长纳米量级时，传统光学显微镜即使在最佳焦平面也无法获得清晰成像，因而无法满足纳米级尺寸结构关键尺寸的精确测量要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米级尺寸结构测量方法，该测量方法可以实现纳米制造中的纳米级尺寸的快速、低成本、非破坏性的精确测量；本发明还提供了实现该测量方法的装置。

本发明提供的一种纳米级尺寸结构测量方法，其特征在于：

第1步白光光束经滤光、起偏后垂直投射到包含纳米级尺寸结构的样件表面，投射到样件表面的线性偏振光束波长为400～600nm；

第2步投射光束经样件表面反射，利用置于样件共轭面上的电荷耦合器接收该反射信号，计算得到纳米级尺寸结构的显微成像图；

第3步将样件在最佳焦平面附近垂直移动，得到不同离焦位置的纳米级尺寸结构的显微成像图；

第4步将各离焦位置的显微成像图按离焦量进行组合，得到该纳米级尺寸结构的测量离焦扫描成像分布图；

第5步对不同类型的纳米级尺寸结构进行仿真，得到纳米级尺寸结构对应的理论离焦扫描成像分布图；

第6步将测量离焦扫描成像分布图与理论离焦扫描成像分布图进行匹配，提取得到待测纳米级尺寸结构的几何参数值。

实现上述方法的装置包括白光光源，彩色滤光片，偏振片，小孔光阑，视场透镜，分光镜，第一物镜，纳米级垂直平移台，第二物镜，平面反射镜，图像采集卡，计算机以及运动控制器；

白光光源，彩色滤光片，偏振片，小孔光阑，视场透镜，分光镜，第一物镜依次位于同一光路上，纳米级垂直平移台位于第一物镜的出射光路上，光束经第一物镜汇聚后垂直投射到纳米级垂直平移台上；第二物镜与第一物镜相对于分光镜的反射点对称放置，平面反射镜位于第二物镜出射光路上，图像采集卡位于平面反射镜出射光路上，计算机分别与图像采集卡和运动控制器相连，运动控制器与纳米级垂直平移台相连，控制纳米级垂直平移台运动。

本发明以传统光学显微镜为基础，引入离焦扫描技术，通过采集不同离焦面上的一系列光学显微图像，进而获得待测纳米级尺寸结构的离焦扫描成像分布图。由于离焦扫描成像分布图是纳米级尺寸结构表面反射场与散射场干涉成像的综合结果，因此包含了纳米级尺寸结构的基本特征及其几何尺寸信息。由于离焦扫描成像技术不只是利用了最佳焦平面的单一图像，而且不再关心单一图像的几何边缘轮廓是否清晰，因此可以避免采用基于边缘检测的传统图像处理方法，而是将检测到的离焦扫描成像分布图当作某种“信号”来处理，通过采用基于模型的参数提取方法，进而可以实现纳米级尺寸结构参数的快速提取。本发明为促进传统光学测量技术在纳米制造技术领域中的扩展应用提供了一种新途径。

与现有的测量方法相比，本发明所提供的方法可绕开传统光学显微镜测量方法分辨率极限的限制，可实现纳米级尺寸下各种典型结构，如孤立线条阵列结构、密集线条阵列结构等的几何特征参数快速、高精度测量，在纳米制造测量及工艺控制领域将会有广泛的应用前景。具体而言，本发明可以在光刻图形测量中获得如下效果：

(1)实现光刻工艺过程中，光刻图形线条阵列结构几何特征尺寸，如宽度、深度、周期长度、侧墙角大小的测量；

(2)实现光刻工艺过程中，对准标记的套刻精度(overlay)的测量。

附图说明

图1是孤立线条阵列结构图；

图2(a)、(b)、(c)是离焦扫描成像测量方法原理示意图；

图3是纳米级尺寸结构几何参数快速提取流程图；

图4是本发明一实施案例装置系统图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明方法的原理和工作过程作进一步详细说明：

(1)白光光束经滤光、起偏后垂直投射到包含纳米级尺寸结构的样件表面，投射到样件表面的线性偏振光束波长为400～600nm。

以孤立线条阵列结构测量过程为例，孤立线条阵列结构如图1(a)所示，纳米级尺寸结构待测几何结构参数包括线宽D，周期P，深度H以及侧墙角θ。

(2)投射光束经样件表面反射，利用置于样件共轭面上的电荷耦合器(CCD)接收该反射信号，计算得到纳米级尺寸结构的显微成像图。

对于采集得到的孤立线条样件反射信号，包括了孤立线条区域1反射信号和背景区域2反射信号，如图1(b)中所示。用孤立线条区域信号除以背景区域信号，计算得到孤立线条显微成像图。

(3)将样件在最佳焦平面附近垂直移动，如图2(a)所示。重复步骤(2)描述的方法，得到不同离焦位置的纳米级尺寸结构的显微成像图。

对于不同位置采集得到的显微成像图，只能从纳米精度垂直平移台的读数中获得其对应的样件所在高度位置，无法直接获得其对应离焦量。为获得各显微成像图所对应离焦量，首先应找出最佳焦平面位置；最佳焦平面位置可以通过各种自动聚焦算法(auto focusing algorithm)计算得到。找到最佳焦平面所对应的z向位置后，再通过各成像位置与最佳焦平面z向位置之间的相对位移获得各显微成像图所对应离焦量。

(4)将各离焦位置的显微成像图按离焦量进行组合，得到该纳米级尺寸结构测量离焦扫描成像分布图。

对于孤立线条阵列结构和密集型线条阵列结构而言，它是沿x轴方向重复的一维周期性结构，孤立线条阵列结构显微成像图沿x轴方向光强变化，沿y方向光强不变。因此，取各显微成像图沿x轴方向光强变化曲线，如图2(b)所示。将各离焦位置光强变化曲线按该曲线所对应的离焦量进行组合，得到该孤立线条阵列结构离焦扫描成像分布图，如图2(c)所示，图像灰度值代表光强信号强度值。

(5)对不同类型的纳米级尺寸结构进行仿真，得到纳米级尺寸结构对应的理论离焦扫描成像分布图。

不同类型的纳米级尺寸结构采用不同的理论模型仿真。本处以孤立线条阵列结构为例，说明纳米级尺寸结构的理论离焦扫描成像分布图的计算过程。

Step 1：假定波长为400～600nm的线性偏振光束垂直入射到样件表面，运用边界元法(BEM，boundary element method)方法，计算入射光经孤立线条阵列结构反射后的近场电磁场分布。

Step 2：运用傅里叶光学方法，计算近场电磁场分布经透镜成像后的远场成像，即为该孤立线条阵列结构的显微成像图。

Step 3：改变离焦量，重复步骤(5)中step1～2，分别计算各离焦量所对应位置的显微成像图。

Step 4：采用步骤(4)描述的方法，得到孤立线条阵列结构离焦扫描成像分布图。

而对于其他类型的纳米级尺寸结构，其近场的电磁场分布计算可采用不同的建模方法，例如对于密集型线条阵列结构，可采用严格耦合波分析(rigorous coupled wave analysis，RCWA)方法计算其近场的电磁场分布，然后，按照步骤(5)中step2～4中的方法，计算得到密集型线条阵列结构离焦扫描成像分布图。

(6)将测量离焦扫描成像分布图与通过理论建模方法计算的理论离焦扫描成像分布图进行匹配，提取得到待测纳米级尺寸结构的几何参数值。基于离焦扫描成像分布图的纳米级尺寸结构参数提取是一个典型的数学反演问题，本发明运用了基于库匹配和基于迭代优化的参数提取方法，如图3所示。

基于库匹配的参数提取方法步骤如下：首先运用步骤(5)所描述的方法计算对应纳米级尺寸结构在不同几何结构参数配置下的理论离焦扫描成像分布图，从而建立匹配图库，再通过灰度匹配方法找到与步骤(4)所得到的测量离焦扫描成像分布图的最佳匹配理论离焦扫描成像分布图，该最佳匹配图所对应的几何结构参数即为待测纳米级尺寸结构几何参数值。

基于迭代优化的参数提取方法步骤如下：首先给定一组结构几何参数初值；根据对待测结构先验知识，预先估计一组几何参数值作为迭代初值。运用步骤(5)所描述的建模方法计算对应的理论离焦扫描成像分布图，将理论离焦扫描成像分布图与测量离焦扫描图进行灰度值匹配，若约束条件函数小于或等于设定值，则该理论图所对应的几何结构参数为待测结构几何参数值，若约束条件函数大于设定值，则采用各种优化算法，如模拟退火算法等，得到一组新的迭代值，重复以上匹配过程，直到约束条件满足，约束条件如下式(1)所示：

D (I_{T}, I_{C}) = Σ_{i = 1}^{m} Σ_{j = 1}^{n} {[I_{T} (i, j) - I_{C} (i, j)]}^{2} - - - (1)

其中，I_T(i，j)和I_C(i，j)分别为理论离焦扫描分布图和测量离焦扫描分布图中中第(i，j)像素点的灰度值，D(I_T，I_C)为约束条件函数。

如图4所示，本发明装置包括白光光源11，彩色滤光片12，偏振片13，小孔光阑14，视场透镜15，分光镜16，物镜17，样件18，纳米精度垂直平移台19，物镜20，平面反射镜21，图像采集卡22，计算机23以及运动控制器24。

白光光源11，彩色滤光片12，偏振片13，小孔光阑14，视场透镜15，分光镜16，物镜17依次位于同一光路上，样品18及纳米级垂直平移台19位于物镜17的出射光路上，光束经物镜17汇聚后垂直投射到纳米级垂直平移台上。物镜20与物镜17相对于分光镜16的反射点对称放置，平面反射镜21位于物镜20出射光路上(平面反射镜与物镜20的出射光路之间的夹角最好为45°，可以使结构更为紧凑)。图像采集卡22位于平面反射镜21出射光路上，计算机23分别与图像采集卡22和运动控制器24相连，运动控制器于纳米级垂直平移台19相连，控制垂直平移台19运动。

系统装置操作步骤如下：

A、将包含孤立线条阵列的样件18置于纳米精度垂直平移台19上。

B、将白光光源11发出的白光光束分别经滤光片12滤光、偏振片13起偏后垂直投射到包含孤立线条阵列的样件表面，投射光束为TE方向线偏振光，波长为400～600nm。

C、投射光束经包含孤立线条阵列的样件表面反射后，利用图像采集卡22接收该反射信号，采集并计算纳米级尺寸结构显微成像图。

D、通过垂直平移台19垂直移动改变样件离焦量，并采集计算对应位置显微成像图。

E、通过计算机23对步骤D采集到的显微成像图进行处理：根据步骤(4)描述的方法从各采集到的各离焦位置的显微成像图计算待测纳米级尺寸结构测量离焦扫描成像分布图，根据步骤(6)中所描述的参数提取方法，从测量离焦扫描成像分布图中提取得到待测纳米级尺寸结构的几何参数值。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种纳米级尺寸结构测量方法，其特征在于：

第1步　白光光束经滤光、起偏后垂直投射到包含纳米级尺寸结构的样件表面，投射到样件表面的线性偏振光束波长为400~600nm；

第２步　投射光束经样件表面反射，利用置于样件共轭面上的电荷耦合器接收该反射信号，计算得到纳米级尺寸结构的显微成像图；

第３步　将样件在最佳焦平面附近垂直移动，得到不同离焦位置的纳米级尺寸结构的显微成像图；

第４步　将各离焦位置的显微成像图按离焦量进行组合，得到该纳米级尺寸结构的测量离焦扫描成像分布图；

第５步　对不同类型的纳米级尺寸结构进行仿真，得到纳米级尺寸结构对应的理论离焦扫描成像分布图；

第６步　将测量离焦扫描成像分布图与理论离焦扫描成像分布图进行匹配，提取得到待测纳米级尺寸结构的几何参数值。

2.一种实现权利要求1所述纳米级尺寸结构测量方法的装置，其特征在于：

该装置包括白光光源（11），彩色滤光片（12），偏振片（13），小孔光阑（14），视场透镜（15），分光镜（16），第一物镜（17），纳米级垂直平移台（19），第二物镜（20），平面反射镜（21），图像采集卡（22），计算机（23）以及运动控制器（24）；

白光光源（11），彩色滤光片（12），偏振片（13），小孔光阑（14），视场透镜（15），分光镜（16），第一物镜（17）依次位于同一光路上，纳米级垂直平移台（19）位于第一物镜（17）的出射光路上，光束经第一物镜（17）汇聚后垂直投射到纳米级垂直平移台上；第二物镜（20）与第一物镜（17）相对于分光镜（16）的反射点对称放置，平面反射镜（21）位于第二物镜（20）出射光路上，图像采集卡（22）位于平面反射镜（21）出射光路上，计算机（23）分别与图像采集卡（22）和运动控制器（24）相连，运动控制器（24）与纳米级垂直平移台（19）相连，控制纳米级垂直平移台（19）运动。