CN103149017B - 一种光栅线宽比测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光栅线宽比测量方法，包括：提供SEM仪器以及已知线宽比的光栅；将一直线宽比的光栅放置于SEM仪器的载物台中央，调节放大倍数直至形成清晰地云纹条纹，记录形状参数，计算当前放大倍数下扫描线的线宽比，最终标定出一系列不同放大倍数下的SEM仪器扫描线线宽比；将未知线宽比的光栅放置于SEM载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数直至形成清晰地云纹条纹，记录形状参数，查询前面标定得到当前放大倍数下SEM仪器扫描线的线宽比，结合反演方法计算得到未知线宽比的光栅的线宽比。本发明具有灵敏度高、测量视场大，以及SEM分辨率高、对样品无损伤、空间定位方便等优点，并且具有操作简单，过程快速、表征区域大、检测成本低等优点。

Description

一种光栅线宽比测量方法

技术领域

本发明属于平面结构检测和光测力学技术领域，具体涉及一种光栅线宽比测量方法。

背景技术

微纳米云纹光栅在光测力学测量领域有着很多的应用，具有精度高，全场测量等优点。但对于制作的微纳米云纹光栅，需要对其进行质量的检测和参数的表征。目前，微纳米光栅的表征方法主要包括显微镜观察法、散射法、神经网络识别法和云纹反演法。

（1）显微镜观察法是利用高分辨率显微镜直接观测光栅结构。该方法直观、分辨率高，但是需要很高的放大倍数，导致观测区域小，很难获知大范围内的结构特征。例如，大范围内略微弯曲的栅线结构，在小视场时往往被误认为是直线结构（Xie H,Wang Q,Kishimoto S.Journal Of Applied Physics,2007,01(10):103511-103511-10）。对于大范围内栅线结构的清晰表征，又需要结合逐点测量和图像拼接等过程，效率较低。

（2）散射法通过光栅的强度或相位光谱来分析栅线结构的特征（LeBlanc M,Huang S,Ohn M,et al.Optics Letters,1996,21(17):1405-1407）。Cheng和Lo（Cheng H,Lo Y.OpticsCommunications,2004,239(4-6):323-332）对散射法进行改进，通过不均匀的光栅和标准光栅产生的两组反射强度光谱，利用遗传算法计算不均匀光栅的相对变形。该方法非接触、视场大，但是需要使用特定的光谱检测设备和遗传算法编程技巧，过程比较复杂。

（3）神经网络识别法利用不同的入射角、偏振方式、衍射级数参数的组合形成的光学信号来表征光栅结构（Kallioniemi I,Saarinen J,Oja E.Applied Optics,1999,38(28/1):5920-5930）（Robert S,Mure-Ravaud A,Lacour D.Journal of the Optical Society of America A,2002,19(1):24-32）。该方法精度高、视场大，但是需要制作很多种的几何形状来进行匹配，成本较高。

（4）一些学者认为，两组光栅叠加形成的云纹条纹包含光栅本身的结构信息。因此，一些学者通过分析云纹条纹的特征，反演出试件栅的形状和尺寸，称为云纹反演法。云纹反演法具有视场大、可视化等优点，更重要的是该方法不需要看到真实的微结构本身，但能够通过云纹条纹定量反演出微结构特征，这种特点在显微镜分辨率有限时尤其突出，例如，激光共聚焦显微镜很难清晰观察到500nm以下的光栅结构，但是可以通过云纹来表征该高频光栅。云纹反演法或基于条纹中心线方法（LeBlanc M,Huang S.Optics Letters,1996,21(17):1405-1407）或基于相移法（Hu Z,Xie H,Lu J.Ultramicroscopy,2010,110(9):1223-1230），基于条纹中心线的云纹反演法精度较低，很难实现自动化；而基于相移法的云纹反演法需要采集三幅或三幅以上条纹图，过程较复杂。

综上所述，以上四种光栅结构表征方法均有一些局限性。为此，需要发展一种视场大、可视化、操作简单、自动化的光栅表征方法。而云纹反演法现阶段仍然缺乏光栅线宽比的表征方法，需要被进一步改进和发展。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种具有简便易行，精确度良好的光栅线宽比测量方法。

根据本发明实施例的光栅线宽比测量方法，包括以下步骤：S1.提供SEM仪器以及已知线宽比为O₀的光栅，将SEM仪器的扫描线视为试件栅，将已知线宽比为O₀的光栅视为参考栅，二者叠加能够形成云纹；S2.将所述参考栅放置于SEM仪器的载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数x直至形成清晰地云纹条纹，记录此时所述云纹条纹的形状参数，根据所述O₀和所述形状参数计算当前放大倍数x下SEM仪器扫描线的线宽比O_a，最终得到一系列x与O_a的映射关系，即标定出不同放大倍数下的SEM仪器扫描线线宽比；S3.将未知线宽比的光栅放置于SEM载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数直至形成清晰地云纹条纹，记录此时所述云纹条纹的形状参数，查询所述S2中标定得到当前放大倍数下SEM仪器扫描线的线宽比，结合反演方法计算得到未知线宽比的光栅的线宽比为O_b。

在本发明的一个实施例中，所述云纹条纹的形状参数包括：条纹截面的梯形上底宽度参数Q，以及条纹截面的梯形斜边的投影宽度参数R。

在本发明的一个实施例中，线宽比分别为O₁和O₂的两个光栅叠加形成云纹参数为Q和R的云纹条纹，所述O₁、O₂、Q和R之间满足关系式：

在本发明的一个实施例中，所述已知线宽比为O₀的光栅、所述SEM仪器的扫描线和所述未知线宽比的光栅均为对称的周期性光栅。

本发明以SEM扫描线为参考栅，所测量光栅表面周期性结构为试件栅，通过调整SEM的放大倍数及扫描线数，同时调整试样在适当位置，可使其形成清晰的云纹图案，再通过对云纹条纹的分析便可获知光栅表面结构的线宽比数值。此方法综合了云纹法灵敏度高、测量视场大，以及SEM分辨率高、对样品无损伤、空间定位方便等优点，相比于其他方法有过程操作简单，过程快速、表征区域大、检测成本低等优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是定义的云纹梯形函数f(X)。

图2是优化处理后的定义的云纹梯形函数f(X)。

图3是本发明实施例的光栅线宽比测量方法的流程图。

图4是SEM扫描系统的标定过程中观察到的，已知光栅SEM图像（左图）和已知光栅的SEM云纹图像（右图）

图5为图4右图对应的云纹轮廓图。

图6为SEM扫描系统标定曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为详细说明本发明的具体实施方法，现结合附图首先介绍本发明的技术原理，之后以纳米压印周期性光栅为实施例对本发明的具体实施方法作进一步的说明。

本发明的技术原理如下：线宽比（Opening ratio，也称作透光率）作为表征光栅结构的重要参数，指的是亮线条占整个光栅周期的比例，用O来表示。为了反演出光栅的线宽比信息，首先需要将云纹的轮廓信息提取并定量化。本发明基于K Patorski（Yokozeki S,Kusaka Y,Patorski K.Applied Optics,1976,15(9):2223-2227和Yokozeki S,Patorski K,Applied Optics,1978,17(16):2541-2547）在1976年提出的云纹轮廓的梯形模型进行分析，并推导光栅线宽比的表达式。

首先用O₁,O₂表示光栅的线宽比，必然有0<O₁<1,0<O₂<1。对于一个变形栅和一个标准光栅的叠加，形成的云纹形貌可以表达为：

$T\left(X\right)=a_0{e}_0+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}[(\frac{b_k{f}_k}{2}+\frac{c_k{g}_k}{2})\cos 2\mathrm{\&pi;kX}+(\frac{c_k{f}_k}{2}-\frac{b_k{g}_k}{2})\sin 2\mathrm{\&pi;kX}]---\left(1\right)$

式中a₀，b_k，c_k，e₀，f_k和g_k是定义两个原始光栅的傅里叶系数。

假设光栅形貌对称，式（1）中的傅里叶项可以写成

a₀=O₁,b_k=2O₁sinc(kO₁),c_k=0

e₀=O₂,f_k=2O₂sinc(kO₂),g_k=0        （2）

代入式（1），得云纹形貌表达为：

$T\left(X\right)=O_1{O}_2+2O_1{O}_2\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[\sin c\left(k{O}_1\right)\sin c\left(k{O}_2\right)\cos \left(2\mathrm{\&pi;kX}\right)\right]---\left(3\right)$

上式和梯形波的傅里叶项相似，这也证实了我们可以将云纹形貌表示为梯形波。

如图1为梯形函数，首先对X轴的周期进行归一化，假设S+P<1，使用A、P、S作为云纹形貌的参数，其中A为条纹幅值，P为条纹截面的梯形上底宽度，S为条纹截面的梯形斜边的投影宽度。则云纹形貌F(X)可以表示为：

$F\left(X\right)=(A/S)\{S(S+P)+2S(S+P)\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\sin c\left(\mathrm{nS}\right)\sin c\left[n(S+P)\right]\cos \left(2\mathrm{\&pi;nX}\right)\left]\right\}---\left(4\right)$

对比式（3）和（4），得出

当O₁≤O₂时，S=O₁,P=O₂-O₁,A=O₁

当O₁>O₂时，S=O₂,P=O₁-O₂,A=O₂         （5）

由于实际的云纹条纹最低点一般不在X轴上，为了更好地符合实际情况，如图2，将云纹轮廓的参数修改为Q，R，最后得出本发明的核心公式：

式（6）即为光栅线宽比的表达式，它说明：已知云纹图的参数Q、R（图2）和其中一个光栅的线宽比O₂，可以求得另一个光栅的线宽比O₁。其中，O₁、O₂可以互换，即变形栅和参考栅可以互换。另外，该方法只适用于对称光栅结构。基于该原理所提出的光栅线宽反演方法可以从云纹轮廓信息中反演出光栅线宽比信息，反演过程简单、快速、范围大。

根据本发明实施例的光栅线宽比测量方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1.提供SEM仪器以及已知线宽比为O₀的光栅，将SEM仪器的扫描线视为试件栅，将已知线宽比为O₀的光栅视为参考栅，二者叠加能够形成云纹。

S2.将参考栅放置于SEM仪器的载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数x直至形成清晰地云纹条纹，记录此时云纹条纹的形状参数，根据O₀和形状参数计算当前放大倍数x下SEM仪器扫描线的线宽比O_a，最终得到一系列x与O_a的映射关系，即标定出不同放大倍数下的SEM仪器扫描线线宽比。

S3.将未知线宽比的光栅放置于SEM载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数直至形成清晰地云纹条纹，记录此时云纹条纹的形状参数，查询步骤S2中标定得到当前放大倍数下SEM仪器扫描线的线宽比，结合反演方法计算得到未知线宽比的光栅的线宽比为O_b。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例继续介绍：

（1）提供已知的SiO2标准栅的光栅结构（1000lines/mm，栅线长50μm），选用FEI Siron400NC型扫描电镜的扫描系统。

（2）为了使用SEM仪器对各种光栅进行线宽比表征，需要标定其扫描系统的线宽比参数，即SEM仪器的扫描线线宽比。

调试SEM仪器的放大倍数为500，得到图4左图的已知线宽比光栅的SEM图像，得出其线宽比O₁=0.87。调整SEM扫描线，使其与标准栅叠加形成清晰的云纹条纹，如图4右图所示。根据图2的梯形模型拟合图4右图云纹，得到图5所示的云纹轮廓，提取得到云纹的参数为Q=0.74,R=0.13。再根据式(6)，计算出SEM的扫描线的线宽比为O₂=0.13。需要说明的是，SEM扫描线的线宽比在不同SEM放大倍数下不是恒定值，每次进行大量光栅线宽比反演实验前，首先要在与光栅匹配的放大倍数下进行标定实验。常用的纳米压印光栅频率为1000、1200、2000、3000lines/mm，匹配的放大倍数主要有500、600、900、1000、1300倍等。标定的不同放大倍数下的此SEM扫描线线宽比数值如图6所示，即该图为该SEM的“放大倍数-扫描线线宽比”映射图）。

（3）提供一个试件栅欲测量其线宽比，假设试件栅置于SEM仪器下在900倍的放大倍数下得到清晰云纹，经查图6得到此时SEM扫描线的线宽比O₁=0.25，而拟合得到的云纹轮廓的参数为Q=0.5,R=0.25，然后由式(6)计算出该试件栅的线宽比为O₂=0.75。

综上所述，本发明提出一种光栅线宽比测量方法，属于平面结构检测、光测力学技术领域。本发明旨在解决周期性光栅结构线宽比的表征，提出可在相对大范围反映周期性光栅结构线宽比的无损测量方法。本发明以SEM扫描线为参考栅，所测量光栅表面周期性结构为试件栅，通过调整SEM的放大倍数及扫描线数，同时调整试样在适当位置，可使其形成清晰的云纹图案，再通过对云纹条纹的分析便可获知光栅表面结构的线宽比数值。此方法综合了云纹法灵敏度高、测量视场大，以及SEM分辨率高、对样品无损伤、空间定位方便等优点，相比于其他方法有过程操作简单，过程快速、表征区域大、检测成本低等特点。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种光栅线宽比测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.提供SEM仪器以及已知线宽比为O₀的光栅，将SEM仪器的扫描线视为试件栅，将已知线宽比为O₀的光栅视为参考栅，二者叠加能够形成云纹；

S2.将所述参考栅放置于SEM仪器的载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数x直至形成清晰地云纹条纹，记录此时云纹条纹的形状参数，根据所述O₀和所述形状参数计算当前放大倍数x下SEM仪器扫描线的线宽比O_a，最终得到一系列x与O_a的映射关系，即标定出不同放大倍数下的SEM仪器扫描线线宽比；

S3.将未知线宽比的光栅放置于SEM仪器的载物台中央，调节SEM仪器的放大倍数直至形成清晰地云纹条纹，记录此时云纹条纹的形状参数，查询所述S2中标定得到当前放大倍数下SEM仪器扫描线的线宽比，结合反演方法计算得到未知线宽比的光栅的线宽比为O_b。

2.如权利要求1所述的光栅线宽比测量方法，其特征在于，所述云纹条纹的形状参数包括：条纹截面的梯形上底宽度参数Q，以及条纹截面的梯形斜边的投影宽度参数R。

3.如权利要求2所述的光栅线宽比测量方法，其特征在于，线宽比分别为O₁和O₂的两个光栅叠加形成云纹条纹的形状参数为Q和R的云纹条纹，所述O₁、O₂、Q和R之间满足关系式： $\left\{\begin{array}{c}{O}_1=R\\ Q_2=Q+R\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{Q}_1=1-Q-R\\ Q_2=1-R\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{O}_1=Q+R\\ Q_2=R\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{Q}_1=1-R\\ Q_2=1-Q-R\end{array}\right..$

4.如权利要求1所述的光栅线宽比测量方法，其特征在于，所述已知线宽比为O₀的光栅、所述SEM仪器的扫描线和所述未知线宽比的光栅均为对称的周期性光栅。