CN102478389A - 光刻掩模版金属膜厚度测量方法 - Google Patents
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Abstract
光刻掩模版金属膜厚度测量方法属于物理测量领域。方法如下：用底面蒸镀金膜的三棱镜，放置于接近掩模版金属铬面上，形成待测的双面金属波导结构，选择激光波长和入射角度的偏振方式，接收并记录从耦合器件底面反射的激光束光强，或从下层金属膜透射出的激光束光强，变化激光入射角度得到光强——入射角度曲线，找出导模吸收峰的共振角度和相应吸收峰的宽度和深度，计算得到薄膜材料的折射率和厚度值。本发明实现了高精确度的测量，易用于操作、小型化。
Description
光刻掩模版金属膜厚度测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种测量方法，特别是一种光刻掩模版金属膜厚度测量方法，属于物理测量领域。
背景技术
近三十来，随着微电子技术特别是集成电路的发展，薄膜厚度及关键尺寸线宽测量的研究和应用取得了长足进步。其中，衰减全反射法已经进入实用，对它的报道也较多。经文献检索发现，中国专利号为02136611.X，专利名称为：双面金属膜波导测量方法及其装置，该专利提出了一种测量光学薄膜厚度的方法，该方法中，在待测薄膜的两面采用蒸镀、溅射或其它方法形成测量装置，选择激光波长和入射角度的偏振方式；接收并记录从耦合器件底面反射的激光束光强，或从下层金属膜透射出的激光束光强，变化激光入射角度得到光强-入射角度曲线，找出导模吸收峰的共振角度和相应吸收峰的宽度和深度，计算得到薄膜材料的折射率和厚度值。该发明实现了高精确度的测量，大量程、快速实时的测量，装置制造工艺简单、价格低廉、易于操作、易用于操作、小型化。该方法能对薄膜的厚度以及反射率等光学特性进行测量，但由于在这种结构中，没有采用两种非对称的双面金属包覆波导结构测量，也不适用于两种金属薄膜镀在两侧不同的衬底玻璃上的情况。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种光刻掩模版金属膜厚度测量方法，使其适用于光刻版的膜厚测量，仪器小型化操作简使，能实现精确测量。
本发明的技术方案是这样实现的，本发明的装置由上至下由耦合器件、上层金属膜、空气层、下层金属膜、光刻版石英玻璃衬底构成，上层金属膜、空气层和下层金属膜为双面金属波导结构，上下层金属膜为波导的上下覆盖层，光被耦合到波导中传输。
耦合器件采用高折射率棱镜(n＞1.5)、光栅和耦合波导等器件，棱镜的形状可根据实际需要选择等边、或等腰、或柱面。
上层金属膜一般可选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数与工作波长有关，且该层金属膜的厚度应严格控制使入射光与犚的耦合最为有效。上层金属膜的厚度在20nm-80nm之间。下层金属铬膜的厚度在80nm-100nm之间，上层金属种类可选择银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属。待测薄膜的折射率等性质将最直接的影响导波光的传输性质，有效的提高了测量效率和精度。
本发明方法基于上述测量装置，用一种全新的思路实现了薄膜的厚度的精确测量，具体步骤如下：
第一步：在已镀金属膜的棱镜接近光刻版的铬面，形成本发明方法的双面金属波导结构，其结构为“耦合器件-上层金属膜-空气层-下层金属膜”的四层结构；
第二步：选择合适的激光波长和入射角度以及偏振方式，选用激光作为光源，工作波长可以在可见光和紫外光范围内选择，从激光器输出的激光束入射到耦合器件上，要求入射角度在0到90度间变化时能激发多个共振吸收峰，偏振方式可根据测量要求选定，既可以选择横磁波(TM模)，也可选择横电波(TE模)。
第三步：在耦合器件的另一侧利用光强测量装置接收并记录从耦合器件底面反射的激光束光强，或从底面方向接收并记录下层金属膜透射出的激光束光强；
第四步：在0到90度范围内连续变化激光入射角度，并同期记录其反射(透射)光强，形成反射(透射)光强-入射角度曲线，在曲线上找出导模吸收峰的共振角度和相应的吸收峰宽度和深度，然后，根据双面金属波导的特征公式，可以通过计算得到薄膜材料的折射率和厚度的精确值。
以下对本发明方法作进一步描述：
①利用双面金属波导的ATR(衰减全反射)导模吸收峰对于波导介质的折射率等光学特性非常敏感且 有一一对应的特性，和反射(透射)光强随激光入射角度变化有曲线，将薄膜厚度和折射率光学特性的测量以及波导参数的表征，转化为对反射光强随入射角度变化曲线的测量；
②利用双面金属波导的ATR吸收峰对于波导介质的折射率等光学特性非常敏感且一一对应的特性，选择ATR导模区作为工作区；
③工作点即入射角度选择在ATR吸收峰高阶模区、低阶模区和表面模区，包括在一个器件中使用多个工作点同时工作及使用透射光进行测量的情况；
④利用双面金属波导TE和TM模分离的特点，在对光偏振敏感的薄膜进行测量时，只用横电(TE)或横磁(TM)模光信号作为入射光，并用另一模式的光作为参考光，可以实现双光束测量，通过光信号的比对，有效的消除光源带来的噪音；
⑤利用双面金属波导能承载多个模式的特点(通常三个以上)，可以同时待测对薄膜的厚度进行测量，从而提高测量精度和实用性。
在本发明方法中，双面金属波导中ATR导模吸收峰的角度、深度和宽度等特征随薄膜的折射率、厚度等特性变化非常敏感且一一对应，利用这些参数结合波导特性公式对薄膜的折射率和厚度进行精确的测量，其实质是将薄膜的折射率和厚度等特性转化为与之一一对应的双面金属波导的导模吸收峰和各项参数，从而实现对薄膜折射率和厚度的精确测量。
本发明同现有的通过棱镜耦合和对称双面金属波导结构对掩模版金属薄膜的光学特性和厚度进行测量的技术相比，具有以下优点：
测量量程大，精度高。利用本方法，对薄膜厚度的测量精度在临界边缘条件下可以达到3nm左右，正常工作区可以达到1nm或更高。相比通常的棱镜耦合测量技术而言，其厚度的测量量程可以扩展到从0.5个微米到1个毫米的量级。空气耦合的方式也突破了以往的要求薄膜材料的折射要低于耦合棱镜折射率的限制。
方法简单，操作方便，对薄膜的折射率和厚度的测量一次完成，无需更多步骤。
制成的仪器具有小型化的特点，测量周期短，可实现实时测量，本发明具有实质性特点和显著进步。
附图说明。
具体实施方式：
如附图所示，本发明的技术方案是这样实现的，本发明装置由上至下由耦合器件、上层金属膜、空气层、下层金属膜、光刻版金属衬底构成，上层金属膜、空气层和下层金属膜为双面金属波导结构，上下层金属膜为波导的上下覆盖层，光被耦合到波导中传输。耦合器件采用高折射率棱镜(n＞1.5)、光栅和耦合波导等器件，棱镜的形状可根据实际需要选择等边、或等腰、或柱面。上层金属膜一般可选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数与工作波长有关，且该层金属膜的厚度应严格控制使入射光与犚的耦合最为有效。上层金属膜的厚度在20nm-80nm之间。下层金属铬膜的厚度在80nm-100nm之间，上层金属种类可选择银、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属。待测薄膜的折射率等性质将最直接的影响导波光的传输性质，有效的提高了测量效率和精度。
结合本发明的内容，提供以下实施例：
第一步：耦合器件1选用高折射率等边三角棱镜(n＝1.5)，再镀上金膜，然后靠近光刻版的铬膜，并在其间留有空气薄层，形成比面金属小组导结构，上层金属膜2厚度为34nm，待测薄膜3为空气，厚度的真实值为5微米，折射率真实值为1.0(介电系数为1.0)，下层金属铬膜4厚度为100nm；
第二步，选用入射激光5波长为690.0nm，入射光为横磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之间扫描；
第三步，在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束6光强，反射光强级小值即为共振吸收峰，记录所激发的相邻三具共振吸收峰的角度，得：
θ1＝23.4829°，θ2＝16.2165°，θ3＝13.6215°
将以上数据代入双面金属波导的特征方程求解，可得：
D＝99.88213236um，与真实值之间偏差为0.12％。
计算表明对待测薄膜厚度可以达到0.12％的精度。
附图是光刻掩模版金属膜厚度测量方法示意图 。
Claims (2)
1.一种光刻掩模版金属膜厚度测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：在已镀金属膜的棱镜接近光刻版的铬面，形成本发明方法的双面金属波导结构，其结构为“耦合器件-上层金属膜-空气层-下层金属膜”的四层结构；耦合器件可采用高折射率棱镜(n＞1.5)、光栅和耦合波导等器件，棱镜的形状可根据实际需要选择等边、或等腰、或柱面。本发明的装置由上至下由耦合器件、上层金属膜、空气层、下层金属膜、光刻版石英玻璃衬底构成，上层金属膜、空气层和下层金属膜为双面金属波导结构，上下层金属膜为波导的上下覆盖层，光被耦合到波导中传输。上层金属膜一般可选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数与工作波长有关，且该层金属膜的厚度应严格控制使入射光与犚的耦合最为有效。上层金属膜的厚度在20nm-80nm之间。下层金属铬膜的厚度在80nm-100nm之间，上层金属种类可选择银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属。待测薄膜的折射率等性质将最直接的影响导波光的传输性质，有效的提高了测量效率和精度。
第二步：选择合适的激光波长和入射角度以及偏振方式，选用激光作为光源，工作波长可以在可见光和紫外光范围内选择，从激光器输出的激光束入射到耦合器件上，要求入射角度在0到90度间变化时能激发多个共振吸收峰，偏振方式可根据测量要求选定，既可以选择横磁波(TM模)，也可选择横电波(TE模)。
第三步：在耦合器件的另一侧利用光强测量装置接收并记录从耦合器件底面反射的激光束光强，或从底面方向接收并记录下层金属膜透射出的激光束光强；
第四步：在0到90度范围内连续变化激光入射角度，并同期记录其反射(透射)光强，形成反射(透射)光强-入射角度曲线，在曲线上找出导模吸收峰的共振角度和相应的吸收峰宽度和深度，然后，根据双面金属波导的特征公式，可以通过计算得到薄膜材料的折射率和厚度的精确值。
2.根据权利要求1所述的这种光刻掩模版金属膜厚度测量方法，其特征是以下对本发明方法作进一步描述：
将对金属薄膜厚度的测量，转化为对反射光强随入射角度变化曲线的测量；
属于非对称双面金属波导结构；
工作点即入射角度选择在衰减全反射吸收峰高阶模区、低阶模区和表面模区，包括在一个器件中使用多个工作点同时工作及使用透射光进行测量的情况。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120530 |