CN102759332B - 散射计量装置及其计量方法 - Google Patents

Abstract

一种散射计量装置及其计量方法，所述散射计量装置及其计量方法包括照明光源系统，该系统在投射系统的瞳面形成1维线形照明光斑；投射系统，将所述照明光斑上的每一点以不同的角度投射到被测对象形成测量光；所述测量光斑经被测对象反射后通过所述投射系统，并在其瞳面形成1维线形反射光斑；分光单元，将反射光斑沿与其线形方向成一夹角的方向分离波长，形成二维散射光普；二维阵列探测器，接收所述二维散射光谱，通过逆向求解法，根据所述二维散射光谱分析获得所述被测对象的形貌。所述散射计量装置及其计量方法能以更快地速度测得对于被测对象敏感的散射光信息，从而提高散射计量的速度。

Description

散射计量装置及其计量方法

技术领域

本发明涉及半导体形貌测量领域，特别涉及散射计量装置及其计量方法。

背景技术

散射计量提供了一种非接触式、无损伤、快速、高精度、低成本的半导体形貌参数测量手段，并逐渐成为先进工艺控制(APC)的重要环节，有力地支撑了32nm及以下技术节点的进一步发展。

散射计量的测量对象具有一定周期性结构，如光刻胶密集线、孔阵列等。测量原理为：将一束测量光投射到被测对象上，测量其散射/反射光的特征，该特征可以是反射光强随入射角度或波长变化的谱线，以及其他可以反映被测对象结构的散射光测量。对象结构指形貌特征，典型的可以是Height(高度)、Top-CD(顶部CD)、Bottom-CD(底部CD)、Mid-CD(腰部CD)、SWA(侧壁陡度)、Corner-Roundness(转角圆化)、Under-Cut(底切)等参数。测得散射光特征后，利用模型算法计算已知结构的散射光特征，模型算法可以是严格耦合波理论(RCWA)、有限时域差分(FDTD)、有限元法(FEM)等，将计算结果与测量结果做匹配，找到最相近的结果即认为是被测对象的结构。这是一个逆向求解的过程，测得的有效散射光特征越多，精度越高，则求解精度越高，速度越快。传统的获取散射光特征的装置主要分两种：光谱型散射仪和角分辨型散射仪。

光谱型散射仪一般基于反射仪、椭偏仪等光谱测量设备，测量的是散射光强、偏振参量等随波长的变化谱线。光谱型散射仪测量时入射光角度固定，一次只能测得一个入射角方向的散射光特征。然而，对于不同膜系结构的被测对象，其测量灵敏度最优的测量角度是不同的，因此，需改变入射角以进行最优化的测量配置。光谱型散射仪需通过机械方式改变入射光角度以测得不同入射角的散射光谱，这时，测量精度会受机械定位精度的影响，测量速度也会降低。

角分辨型散射仪测量散射光强(或其他可测量)随角度的变化谱线，即可测得散射光随入射角和方位角变化的二维谱线。由于现有的探测器最多只能测得两维信息，若想通过角分辨型散射仪测得散射光的光谱信息，则只能通过依次测量不同波长的方式进行，因而制约了测量速度。

一般而言，对于某一种被测对象膜系结构，在光谱型测量方案和角分辨测量方案中均可找个一个相对最优的测量条件范围，即一定的入射光波长范围和入射角范围。在该范围内测得的信号的灵敏度最优。因此，希望可以找到一种测量装置和方法可以同时兼有频谱型和角分辨型测量方案的优势，最大限度地提高散射光信号的灵敏度和散射光特征的数量，提高测量的精度，同时不牺牲测量速度。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有散射测量测量精度和测量灵敏度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种散射计量装置，包括：

光源系统，发出一组线形排列的平行入射光；

投射系统，将所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象形成测量光斑，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述投射系统形成一组线形排列的平行测量光；

分光单元，将所述平行测量光沿与其线性排列方向成一夹角的方向分离波长，形成二维散射光谱，其中，所述二维散射光谱中的一维显示光谱特征，另一维显示角分辨特征；

二维阵列探测器，接收所述二维散射光谱。

进一步，所述光源系统包括光源和光源整形系统，所述光源产生二维面形光，所述二维面形光通过光源整形系统形成所述平行入射光。

优选的，所述光源为宽光谱光源。

优选的，所述光源为白光或者多个分立谱线组成的复合光源。

进一步，所述光源整形系统包括光纤簇和光源整形器。

优选的，所述光纤簇的入射面为二维面形，出射面为一维线形。

优选的，所述光纤簇的入射面为三维面形，出射面为一维线形，所述光纤簇的每一束光纤的入射面与所述三维面形相切。

进一步，所述光源整形器为凹透镜阵列或者自聚焦系统。

进一步，所述分光单元为光栅或者棱镜。

进一步，还包括起偏器和检偏器，所述起偏器位于所述光源系统和所述投射系统之间，将所述平行入射光分为TE模偏振光和TM模的偏振光，所述检偏器位于所述投射系统和所述分光单元之间，用于对所述平行测量光进行检偏。

进一步，在所述起偏器和所述投射系统之间设置有补偿器。

进一步，所述投射系统包括第一透镜和第二透镜，所述平行入射光通过所述第一透镜将所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述第二透镜形成所述平行测量光。

进一步，所述投射系统包括分光镜和透镜系统，所述平行入射光依次通过所述分光镜和透镜系统后，所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述测量光斑经过被测对象反射后依次通过透镜系统和分光镜后形成所述平行测量光。

进一步，所述二维散射光谱表征所述测量光光强或者被测对象反射率随入射角和波长变化的关系。

优选的，所述被测对象为具有周期性结构的半导体形貌。

优选的，所述半导体为光刻胶光栅、密集光栅、刻蚀后的沟槽或者孔阵列。

本发明还提供一种散射计量方法，包括：

光源系统发出一组线形排列的平行入射光；

所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象形成测量光斑，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述投射系统形成一组线形排列的平行测量光；

所述平行测量光沿与其线形排列方向成一夹角的方向分离波长，形成二维散射光谱，其中，所述二维散射光谱中的一维显示光谱特征，另一维显示角分辨特征；

二维阵列探测器接收所述二维散射光谱；

通过逆向求解法，根据所述二维散射光谱分析获得所述被测对象的形貌。

优选的，所述逆向求解法为非线性回归法或者库查询法。

进一步，所述光源系统包括光源和光源整形系统，所述光源产生二维面形光，所述二维面形光通过所述光源整形系统形成所述平行入射光。

进一步，所述光源整形系统包括光纤簇和光源整形器。

优选的，所述光纤簇的入射面为二维面形，出射面为一维面形。

优选的，所述光纤簇的入射面为三维面形，出射面为一维面形，所述光纤簇的每一束光纤的入射面与所述三维面形相切。

优选的，所述光源整形器为凹透镜阵列或者自聚焦系统。

优选的，所述分光单元为光栅或者棱镜。

进一步，还包括起偏器和检偏器，所述起偏器位于所述光源系统和所述投射系统之间，将所述平行入射光分为TE模偏振光和TM模的偏振光，所述检偏器位于所述投射系统和所述分光单元之间，用于对所述平行测量光进行检偏。

进一步，在所述起偏器和所述投射系统之间设置有补偿器，通过旋转补偿器测量偏振态的反射率变化和位相变化。

进一步，所述投射系统包括第一透镜和第二透镜，所述平行入射光通过所述第一透镜将所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述第二透镜形成所述平行测量光。

进一步，所述投射系统包括分光镜和透镜系统，所述平行入射光依次通过所述分光镜和透镜系统后，所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述平行测量光斑经过被测对象反射后依次通过透镜系统和分光镜后形成所述平行测量光。

与现有技术相比，上述散射计量装置及其计量方法由于采用分光单元将平行测量光进行波长分离，产生显示光谱特性及角分辨特性的二维散射光谱，集中光谱散射测量与角分辨散射测量的优点于一体。

其次，本发明采用白光作为光源以产生具有宽光谱连续波长的光源，相较于现有技术采用的分立波长的光源，本发明可一次测量具有连续波长的波段，并通过分光单元进行波长分离以获得显示光谱特性及角分辨特性的二维散射光谱，而无需如先前技术为获得散射光的光谱信息，只能通过依次测量不同波长的方式进行，因而提升了测量速度；且由于被测对象具有不同的模系结构，本发明采用连续波长光源，可提升测量设备的工艺适应性。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是散射测量原理示意图；

图2是用于散射测量中逆向求解被测样品形貌参数的非线性回归法；

图3是用于散射测量中逆向求解被测样品形貌参数的库查询法；

图4是本发明散射计量装置的第一种实施方式示意图；

图5是图4所示散射计量装置中光源整形系统的一种优选实施方式；

图6是图4所示散射计量装置中光源整形系统的另一种优选实施方式；

图7是本发明散射计量装置的第二种实施方式示意图；

图8是本发明散射计量装置的第三种实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

散射测量的原理如图1所示，光源11发出探测光，在光谱型散射仪中，光源一般为白光光源；在角分辨型散射仪中，光源一般为单色光源，或由一些分立谱线组成的复合光源。探测光经探测光路12投射到被测样品13上。被测样品一般为周期性的半导体图形，如硅片上的光刻胶光栅，或刻蚀后的沟槽，孔阵列等。这些图形包括了一定的形貌结构18，可以周期(Pitch)、高度(HT)、侧壁陡度(SWA)和腰部CD(Mid-CD)等参数表征，散射测量的目的是测定这些参数。探测光经被测样品反射或(和)散射后，被测量光路14收集，收集到的反射或(和)散射光最终被投射到探测器15测量。在光谱型散射仪中，探测器一般为光谱仪，测得反射光的谱线结果17，探测器位于测量光路的像面；在角分辨型散射仪中，探测器一般为二维阵列传感器，如CCD(电荷耦合器件)、CMOS(互补金属氧化物半导体)等，测得反射光在入射角θ和方位角 上的分布16，探测器位于测量光路的瞳面。通过测得的散射光信息，可以通过逆向求解的方法得到被测样品的相貌参数。

其中一种逆向求解方法如图2所示，称为非线性回归法。首先根据被测对象的大致形貌参数，输入一组初始值21，经模型算法22，如RCWA(严格耦合波理论)、FDTD(有限时域差分)、FEM(有限元法)等，计算得到该形貌下的散射光23，将计算得到的散射光23与实测的散射光24作比较运算25，用比较的结果调整初值，然后重复上述步骤，直到找到满足条件的形貌参数，即认为是被测对象的实际形貌。

另一种逆向求解方法如图3，称为库查询法。首先，产生大量的与被测对象形貌相仿的形貌31，这些形貌必须包含被测对象。利用模型算法32，如RCWA、FDTD、FEM等计算，生成大量的散射光特征33，称为样本库。在样本库中做查找运算34查找到与实测结果35最接近的样本，该样本对应的形貌36即为被测对象的形貌。

一般而言，散射光随入射角和波长变化最能反映被测对象的结构变化，因此，这些信息最有利于逆向求解。本发明通过设计一种新的测量装置和测量方法，可直接测量散射光随入射角和波长变化的二维光谱。

实施例一

参照图4所示，本发明散射计量装置包括：光源41，该光源可以是白光光源，如Xe等；也可以是由若干个分立谱线组成的复合光源，如由若干个不同波长的激光器通过混频得到。光源41产生的探测光为二维的面光源42，如矩形光源，或者其他任意形状的二维形貌。经过一个光源整形系统43，将面光源42转换成一维的线光源44。光源整形系统43可以是由多个光纤组成的光纤簇，所述多个光纤的入射面(光源整形系统43位置处)以二维面形排布，出射面(线光源44位置处)则以线形排布。44位置为汇聚透镜的入瞳位置，因此，这样的线形光源可以使汇聚透镜45入瞳面的光照强度最大，从而提高信号的信噪比。所述多个光纤的出射面可近似认为是具有一定数值孔径(NA)的点光源，每个点光源的数值孔径大小决定了汇聚透镜45的视场大小。汇聚透镜45将线光源44上的每一点以不同的入射角投射到被测对象46上形成测量光斑48。

值得注意的是，图4中给出的是该装置最为简单的配置，实际的照明光源可以包括一个成像系统，将光纤簇的出射面投射到汇聚透镜的入瞳，而不是直接将该出射面放置在汇聚透镜的入瞳处，这样可以更好的匹配入瞳和光纤出射面的尺寸。另外，由于该成像系统的瞳面与汇聚透镜的视场共轭，可在成像系统的瞳面加入一个视场光阑，以调节被测对象上探测光斑的大小。同时，在汇聚透镜的瞳面可包括一个孔径光阑以调节实际入射光线的角度范围，使测量更加灵活。

被测对象一般为硅片上一定的半导体或光刻胶周期性结构，如密集光栅。测量光斑一般为矩形或圆形，尺寸一般为微米量级，典型地可以是50um*50um，因此，被测对象可以置于硅片的划线槽中。硅片由一承片台47承载，该承片台可以在x、y、z及rx、ry、rz作六自由度运动，以保证测量光斑48位于被测对象上。测量光斑48经被测对象46反射后由汇聚透镜49收集，收集的反射光在通过汇聚透镜49后在其瞳面形成与光源类似的线形光斑410，410的每一点对应一个入射角度。瞳面的线形光斑可通过一个成像系统投射到分光单元411，图中未画出该成像装置，但包含这样一个成像装置总是有好处的，它的一个功能是匹配瞳面线形光斑与分光单元的大小。瞳面线形光斑410经分光单元411在垂直于线形方向(或者其他方向)上进行分光并入射到二维阵列探测器412上。分光单元可以是光栅、棱镜以及其他元件。最终瞳面线形光斑410在二维阵列探测器412表面形成二维散射光谱413。二维阵列探测器可以是二维的CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器。在本实施例中，二维散射光谱413体现了反射光强/反射率随入射角、方向角和波长的变化。

实施例一中光源整形系统43的一种具体实施方式参照图5所示。光纤簇434接受来自光源的入射光431。该光纤簇的入射面432是二维矩形面，实际上该面可组织成任意二维形状，以利于入射光耦合进光纤簇。由于光纤可弯曲的特性，光纤簇的出射面435为由光纤一字排布的线形。光传输部分光纤芯一般直径很小，可达几百微米。出射光具有一定的数值孔径，典型地在0.2或更小，视光纤出射面为一近似点光源。

为了达到更好的光耦合效率，光源整形系统43的另一种具体实施方式参照图6所示。该实施方式中光纤簇入射面是一个三维结构，如半球形，或椭球形。每一束光纤的入射面与光纤簇的面型相切，这样的光纤排布使光源的出射光更容易进入光纤入射面的数值孔径(NA)捕获范围内。

实施例二

参照图7所示，本实施例在实施例一的基础上增加偏振器件。在入射光光路的汇聚透镜光瞳处增加起偏器421，可产生横电波TE模的偏振光或横磁波TM模的偏振光，在测量光路中增加检偏器423。这样测得的二维散射光谱413可以是TE模反射率随入射角和波长的变化，也可以是TM模反射率随入射角和波长的变化。一般地，TE模和TM模对同一被测对象的反射率并不相同，尤其是在测量线形光栅结构时。若被测对象为金属，则TE模由于与光栅平行而更容易被吸收，因而反射效率更低。因此，根据不同的工艺条件选择合适的偏振态进行测量是非常重要的，而散射计量系统提供多种可供选择的偏振态也是非常必要的，这将提高系统的工艺适应性。

在本实施例的入射光路中的起偏器后再加入一个补偿器422，则可以形成类似椭偏仪的测量功能。通过旋转补偿器422，可以测得偏振态的反射率变化和位相变化。

实施例三

参照图8所示，本实施例中与前述实施例类似的内容将不再重复。宽光谱光源51，发出的光在入射面52具有一定的二维光强分布，经过光源整形系统53，在其出射面形成光强线形分布54。这些光线经一分光镜55和透镜系统56后投射到被测对象57上。这里，线形光源上的每一点都对应一个入射角度，在本实施例中角度范围从-θ到θ，角度范围由透镜系统56的数值孔径决定。58为承载被测对象的运动平台，使测量光斑能准确地置于被测对象上。被测对象上的镜面反射光再次被透镜系统56收集，并形成与入射光源相似的线形光强分布，每一点与光源的光强比值反映了被测对象对该入射角光的反射率。反射光经过分光镜投射到分光单元59，该装置对线形反射光上的每一点在另一个方向上进行分光，分光后形成二维散射光谱510被二维阵列探测器511探测。二维散射光谱的一个方向为入射角，注意本方案的入射角范围是-θ到θ，另一个方向则是光源的波长变化。

也可以在本实施例中加入与前一实施例类似的照明成像系统、视场光阑、孔径光阑和偏振器件，以达到和实施例二一样的测量效果。

采用本发明测得的散射光特征，如反射率随入射角和波长的变化，横电波TE模、横磁波TM模随入射角和波长的变化，或是椭偏参数随入射角和波长的变化，可以使用如前所述的非线性回归方法或库查询的方法进行逆向求解，得到被测对象的形貌特征。

在利用实施例三所述装置进行测量时，由于一次可以获得从-θ到θ的入射角范围内的散射光，通过比较两侧相同入射角的散射光光强，可以快速的判断被测对象形貌的非对称信息。

与现有技术相比，上述散射计量装置及其计量方法由于采用分光单元将平行测量光进行波长分离，产生显示光谱特性及角分辨特性的二维散射光谱，集中光谱散射测量与角分辨散射测量的优点于一体。

其次，本发明采用白光作为光源以产生具有宽光谱连续波长的光源，相较于现有技术采用的分立波长的光源，本发明可一次测量具有连续波长的波段，并通过分光单元进行波长分离以获得显示光谱特性及角分辨特性的二维散射光谱，而无需如先前技术为获得散射光的光谱信息，只能通过依次测量不同波长的方式进行，因而提升了测量速度；且由于被测对象具有不同的模系结构，本发明采用连续波长光源，可提升测量设备的工艺适应性。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上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，皆应在本发明的范围之内。

Claims (26)

1.一种散射计量装置，其特征在于，包括：

光源系统，发出一组线形排列的平行入射光，所述光源系统包括光源和光源整形系统，所述光源为宽光谱光源，产生二维面形光，所述二维面形光通过光源整形系统形成所述平行入射光；

投射系统，将所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象形成测量光斑，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述投射系统形成一组线形排列的平行测量光；

分光单元，将所述平行测量光沿与其线性排列方向成一夹角的方向分离波长，形成二维散射光谱，其中，所述二维散射光谱中的一维显示光谱特征，另一维显示角分辨特征；

二维阵列探测器，接收所述二维散射光谱。

2.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述光源为白光或者多个分立谱线组成的复合光源。

3.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述光源整形系统包括光纤簇和光源整形器。

4.根据权利要求3所述的散射计量装置，其特征在于，所述光纤簇的入射面为二维面形，出射面为一维线形。

5.根据权利要求3所述的散射计量装置，其特征在于，所述光纤簇的入射面为三维面形，出射面为一维线形，所述光纤簇的每一束光纤的入射面与所述三维面形相切。

6.根据权利要求3所述的散射计量装置，其特征在于，所述光源整形器为凹透镜阵列或者自聚焦系统。

7.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述分光单元为光栅或者棱镜。

8.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，还包括起偏器和检偏器，所述起偏器位于所述光源系统和所述投射系统之间，将所述平行入射光转化为TE模偏振光或TM模的偏振光，所述检偏器位于所述投射系统和所述分光单元之间，用于对所述平行测量光进行检偏。

9.根据权利要求8所述的散射计量装置，其特征在于，在所述起偏器和所述投射系统之间设置有补偿器。

10.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述投射系统包括第一透镜和第二透镜，所述平行入射光通过所述第一透镜将所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述第二透镜形成所述平行测量光。

11.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述投射系统包括分光镜和透镜系统，所述平行入射光依次通过所述分光镜和透镜系统后，所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述测量光斑经过被测对象反射后依次通过透镜系统和分光镜后形成所述平行测量光。

12.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述二维散射光谱表征所述测量光光强或者被测对象反射率随入射角和波长变化的关系。

13.根据权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述被测对象为具有周期性结构的半导体形貌。

14.根据权利要求13所述的散射计量装置，其特征在于，所述半导体为光刻胶光栅、密集光栅、刻蚀后的沟槽或者孔阵列。

15.一种散射计量方法，其特征在于，包括：

光源系统发出一组线形排列的平行入射光；

所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象形成测量光斑，所述测量光斑经过被测对象反射后通过投射系统形成一组线形排列的平行测量光；

使用分光单元将所述平行测量光沿与其线形排列方向成一夹角的方向分离波长，形成二维散射光谱，其中，所述二维散射光谱中的一维显示光谱特征，另一维显示角分辨特征；

二维阵列探测器接收所述二维散射光谱；

通过逆向求解法，根据所述二维散射光谱分析获得所述被测对象的形貌。

16.根据权利要求15所述的散射计量方法，其特征在于，所述逆向求解法为非线性回归法或者库查询法。

17.根据权利要求15所述的散射计量方法，其特征在于，所述光源系统包括光源和光源整形系统，所述光源产生二维面形光，所述二维面形光通过所述光源整形系统形成所述平行入射光。

18.根据权利要求17所述的散射计量方法，其特征在于，所述光源整形系统包括光纤簇和光源整形器。

19.根据权利要求18所述的散射计量方法，其特征在于，所述光纤簇的入射面为二维面形，出射面为一维线形。

20.根据权利要求18所述的散射计量方法，其特征在于，所述光纤簇的入射面为三维面形，出射面为一维线形，所述光纤簇的每一束光纤的入射面与所述三维面形相切。

21.根据权利要求18所述的散射计量方法，其特征在于，所述光源整形器为凹透镜阵列或者自聚焦系统。

22.根据权利要求15所述的散射计量方法，其特征在于，所述分光单元为光栅或者棱镜。

23.根据权利要求15所述的散射计量方法，其特征在于，还包括起偏器和检偏器，所述起偏器位于所述光源系统和所述投射系统之间，将所述平行入射光转化为TE模偏振光或TM模的偏振光，所述检偏器位于所述投射系统和所述分光单元之间，用于对所述平行测量光进行检偏。

24.根据权利要求23所述的散射计量方法，其特征在于，在所述起偏器和所述投射系统之间设置有补偿器，通过旋转补偿器测量偏振态的反射率变化和位相变化。

25.根据权利要求15所述的散射计量方法，其特征在于，所述投射系统包括第一透镜和第二透镜，所述平行入射光通过所述第一透镜将所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述测量光斑经过被测对象反射后通过所述第二透镜形成所述平行测量光。

26.根据权利要求15所述的散射计量方法，其特征在于，所述投射系统包括分光镜和透镜系统，所述平行入射光依次通过所述分光镜和透镜系统后，所述平行入射光的每一束光以不同的入射角入射到被测对象，所述平行测量光斑经过被测对象反射后依次通过透镜系统和分光镜后形成所述平行测量光。