CN103453845A - 一种散射计量的装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种散射计量的装置，包括：照明模块、物镜、二维阵列探测器、光谱仪照明模块提供的照明光束汇聚至一被测对象上获得一反射光；二维阵列探测器，用于测量该反射光的角分辨谱；光谱仪，用于测量该反射光在一空间频率下的光谱。本发明同时公开一种散射计量的测量方法。

Description

一种散射计量的装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种散射计量的装置、测量方法及对光谱线漂移测校的方法。

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及以下的工艺节点的发展。

散射计量的被测对象为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特征，以及其他可以反映被测对象结构的散射光可测量。对象结构指形貌特征，典型的可以是Height、Top-CD、Bottom-CD、Mid-CD、SWA、Corner-Roundness、Under-Cut等参数。已知形貌参数和膜系结构参数等信息，可利用算法模型计算其散射光特征，算法模型可以是严格耦合波理论（RCWA）、有限时域差分（FDTD）、有限元法（FEM）等。改变模型参量，可计算得到不同的散射光特征。将测得散射光特征与计算结果做匹配，找到最相近的结果，则该结果对应的形貌参量即认为是被测对象的真实值。这是一种逆向求解的过程，测得的有效散射光特征越多，精度越高，则求解精度越高。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。对于不同被测对象的不同膜系结构，通常光谱特征测量的最佳入射角度是不同的。因此，光谱型散射仪一般通过机械支架和调整装置来改变其入射角。这种散射仪体积较大，且调整速度慢，调整后角度需重新标定。此外，由于运动台的倾斜抖动、机械振动等因素将在测量过程中改变入射角方向，将引起测量误差。

角分辨型散射仪测量散射光强（或其他可测量）随空间频率的变化谱线，即可测得散射光随入射角和方位角变化的二维谱线。这种方案每次只能测量一个窄带波长下的角分辨谱，波长宽度的限制使其对不同半导体材料进行测量时的性能无法得到保证，尤其当某些吸收型材料对测量用的窄带波具有较高吸收率时，使角分辨型散射仪无法进行测量或具有极低的信噪比，影响了其测量的工艺适应性。

散射测量是一种典型的逆向求解过程，待测参量间的非正交性将严重影响测量的精度，若待测量对测得的信号具有相似的响应特性，则不同待测量间的串扰将引起很大的测量误差，解决该问题的唯一途径是增加测量信号的数量。

因此，现有技术中希望可以找到一种结合上述两种测量手段优点，增强测量的工艺适应性，减小待测量间的串扰，提高测量精度，同时缩小设备体积。

发明内容

为了实现上述发明目的，本发明提供一种散射计量的装置、测量方法，能结合现有技术中两种测量手段的优点，减小待测量间的串扰，提高测量精度。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种散射计量的装置，包括：照明模块，用以产生照明光束；物镜，用于将所述照明光束会聚到被测对象上，并收集被测对象的反射光；二维阵列探测器，其探测面位于所述物镜的光瞳面，用于探测所述反射光的角分辨谱；光谱仪，其入光口位于物镜光瞳面，用于测量所述反射光在一空间频率下的光谱；通过改变光谱仪入光口在物镜瞳面的位置可探测不同空间频率的反射光；所述光谱仪包含一个光源，发出的光从光谱仪入光口出射；所述二维阵列探测器可测得所述光谱仪光源发出的光，用以确定所述光谱仪入光口在所述物镜光瞳的位置；以及处理模块，与所述二维阵列探测器、所述光谱仪连接，依据所述所述光谱仪测得的光谱、所述二维阵列探测器测得的光谱仪入光口在物镜光瞳中的位置信息及/或所述二维阵列探测器测得的角分辨谱信息，计算出该被测对象的特征参数。

更进一步地，所述照明模块包括光源，所述光源为氙气灯、氘灯或卤素灯。

更进一步地，散射计量装置还包括还包括设置于所述照明光束路经上或反射光束路经上的滤光元件，用于对其接收的光进行处理，产生窄带光输出。该窄带光半高全宽小于20nm，或小于10nm。该滤光元件为干涉滤光片、光栅、单色仪或声光调制器。

更进一步地，该二维阵列探测器为CCD或CMOS二维阵列探测器，用于探测反射光的角分辨谱。

更进一步地，所述光谱仪的入光口为机械刀口或光纤头。

本发明同时公开一种散射计量的测量方法，包括：提供一照明光束，并将其引导汇聚至一被测对象表面；光谱仪测量所述被测对象的反射光在一空间频率下的光谱；二维阵列探测器探测所述被测对象的反射光的角分辨谱，以及探测光谱仪入光口在物镜光瞳中的位置信息；以及依据所述反射光的光谱、光谱仪入光口在物镜光瞳中的位置信息及/或所述反射光的角分辨谱计算所述被测对象的特征参数。

与现有技术相比较，本发明提供了一种用于确定被测对象CD形貌或套刻误差信息的散射测量装置和方法，该方案的特点是可用于测量散射光的空间频率特征或光谱特征，较传统的散射测量方案提供了更多的测量信息，增强了装置的工艺适应性；该装置避免了机械支架调节角度的结构，使体积更为紧凑。

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是散射测量技术原理示意图；

图2是现有技术中的非线性回归法的流程示意图；

图3是现有技术中的库查询法的流程示意图；

图4是本发明所示出的散射测量系统的结构示意图；

图5是本发明所示出的光谱测校标记和校准流程示意图；

图6是本发明所示出的空间频率测校结构示意图；

图7是本发明所示出的寻找最佳空间频率区域的结构示意图；

图8是本发明所示出的光谱仪的结构示意图。

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。

在介绍实施例前，先回顾下散射计量的基本原理和主要特点。散射测量的原理如图1，图1的右侧是光谱型散射测量装置的光路原理图。光源11发出探测光，经探测光路12投射到被测对象13上。被测对象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）、参数HT（高度）、SWA（侧壁陡度）和Mid-CD等表征，散射测量的目的是测定这些参量。探测光经样品反射/散射后，被测量光路14收集，收集到的反射/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，测得散射光的光谱特征17；在角分辨型散射仪中，探测器一般为二维阵列传感器，如CCD、CMOS等，测得反射光在入射角                                               

和方位角

上的分布情况16，即散射光的空间频率特征。通过测得的散射光信息，可以由逆向求解的方法得到被测对象的形貌参数。

逆向求解方法的一种如图2，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，如RCWA、FDTD、FEM等，计算得到该形貌下的散射光22，将22与实测的散射光23作比较24，用比较的结果调整初值，然后反复重复上述步骤，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，然后利用模型算法，如RCWA、FDTD、FEM等计算，生成大量的散射光特征33，称为样本库。在样本库中查找34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，针对被测对象的不同工艺特点，如膜厚、材料等，光谱特征测量和空间频率特征分别具有不同的优势。如在某些情况下，由于被测对象的材料原因，一些谱线无法透过覆盖在测量标记上的材料，这将大大减少光谱特征测量获取的信息量。此时，若采用可用波长下的空间频率特征测量，将获得较好的效果。在另一种情况下，最佳的测量灵敏度集中在一个较小的角度区域，此时在该角度区域使用光谱特征测量将变得十分有利。本技术方案设计了一种测量装置和方法，兼具两种测量手段的优势，可提高散射测量的工艺适应性，同时提高测量精度。

图4是本发明所示出的散射测量系统的结构示意图。如图4中所示，41为光源，该光源为宽光谱光源，典型的如Xe灯、氘灯或卤素灯等。光源提供包括可见波段（如400nm-800nm）的照明光，或者更宽的光谱范围，如极紫外到红外区域的照明光（200nm-1000nm）。通常，短波长的照明光可以产生更好的测量灵敏度，而长波长的光则可以透过被侧对象的不同工艺层，到达需测量的标记。

光源发出的测量光经透镜42和45后将光源成像到视场光阑46位置。通过透镜47、物镜411以及半反射镜48后，将视场光阑成像到被测对象412上。视场光阑46决定照明视场的形状，光阑的大小和透镜组47和411的倍率确定了照明视场的大小。由于散射测量标记一般制作在硅片的划线槽中，标记大小一般控制在50*50um左右。偏振片43用于生成一定的偏振态，如TE、TM偏振等。孔径光阑44在透镜42的傅立叶面上，该孔径光阑可以是一定形状的机械遮挡物，也可以是更加灵活的可编程傅立叶滤波片等。孔径光阑44被透镜45、47和分光镜48成像到物镜411的瞳面，形成需要的照明模式。上述照明系统是一种典型的柯勒照明，在装置的实际设计中，可以根据光源特点设计相应的照明系统，以达到同样的效果。

物镜光瞳面410位置不同的点对应于不同的入射光空间频率。根据不同的测量要求，调节孔径光阑44的透光区域位置、大小和形状可产生不同的照明。不同的照明模式能产生不同入射角的测量光，有利于增强设备的工艺适应性。当需要测量任意空间频率组分的散射光特征时，需要光阑可以任意变换大小、位置和形状，因此，可编程傅立叶滤光片是一个较好的选择。

被测对象由运动台413支撑，并随运动台运动到达测量位置，形成需要的空间位置姿态。照明光经物镜411汇聚到被测对象上，经被测对象散射后的光由物镜411收集，收集到的散射光可由两路测量光路测量。其一，散射光在物镜瞳面的光强分布经物镜416、417后成像到二维阵列传感器420的探测面419，传感器每个像素测得光强对应一个空间频率散射光光强，因此，传感器获得的图像即为散射光的空间频率特征。其二，被测对象视场经透镜411、421、422和分光镜415后投射到光谱仪423的入口，光谱仪测得散射光的光谱特征。光谱仪423的入光口位于物镜光瞳面的共轭面，因此，调节光谱仪入光口的位置，可以测量不同角度散射光的光谱。这里，检偏片414，用于挑选散射光的一定偏振方向进行测量。滤光元件418可以是干涉滤光片、光栅、单色仪或声光调制器等，用以过滤散射光而产生一定带宽的宽带光或窄带光。宽带光一般有几百纳米的跨度，用于散射光光谱特征的测量；窄带光一般为+/-2nm、+/-10nm或+/-20nm等，典型的窄带光中心波长可以为532nm、633nm、730nm等。该滤光元件为一个可以调节的器件，可以在宽带宽谱线和窄带宽谱线间切换，或在不同中心波长的窄带光谱间切换。常见的切换方式可以是控制声光调制器频率。另一种方式是将不同带宽和中心波长的滤光片组成一个转盘，根据需要转动转盘以使需要的滤光片处于光路中，达到需要的滤光效果。又一种调整方式可以采用单色仪输出需要的测量谱线。于本发明中，滤光元件418可依据实际设计需求置于光路的任意位置，并非以图式所示位置为限。

在本方案中，散射光光谱测量的关键在于确定所测散射光的空间频率，即散射光的角度。本方案采用的光谱仪423包含一个光源432（如图5），该光源发出的光经分束镜433后从光谱仪入光口431出射，入光口的出射光经测量光路和被测对象反射后被二维阵列传感器探测到，探测结果如图6、图7所示。图中，61和71为探测面，虚线62和72为物镜光瞳位置，63和73为光谱仪入光口光斑位置，其空间频率为：

其中

为光谱测量时入射光线的入射角度，

为CCD上测得光斑位置到物镜光瞳中心的距离，

为物镜焦距，

为镜组416、417的倍率。由此可确定光谱仪测量到的散射光的空间频率。在确定散射光空间频率后，可以关闭光源432。在进行散射光光谱测量时，散射光进入光谱仪入光口431后经分束镜433投射到分光光栅434上，光栅将分光后的散射光投射到测量CCD435上完成光谱测量。这里，光谱仪的入光口可以为机械刀口，也可以是传导光纤头。光纤更有利于在物镜瞳面共轭面上进行位置移动，以测得不同空间频率下散射光的光谱信息。

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 (9)

1.一种散射计量的装置，包括：

照明模块，用以产生照明光束；

物镜，用于将所述照明光束会聚到被测对象上，并收集被测对象的反射光；

二维阵列探测器，其探测面位于所述物镜的光瞳面，用于探测所述反射光的角分辨谱； 

光谱仪，其入光口位于物镜光瞳面，用于测量所述反射光在一空间频率下的光谱；通过改变光谱仪入光口在物镜瞳面的位置可探测不同空间频率的反射光；

所述光谱仪包含一个光源，发出的光从光谱仪入光口出射，所述二维阵列探测器可测得所述光谱仪光源发出的光，用以确定所述光谱仪入光口在所述物镜光瞳的位置；以及

处理模块，与所述二维阵列探测器、所述光谱仪连接，依据所述所述光谱仪测得的光谱、所述二维阵列探测器测得的光谱仪入光口在物镜光瞳中的位置信息及/或所述二维阵列探测器测得的角分辨谱信息，计算出该被测对象的特征参数。

2.如权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，还包括设置于所述照明光束路经上或反射光束路经上的滤光元件，用于对其接收的光进行处理，产生窄带光输出。

3.如权利要求2所述的散射计量装置，其特征在于，所述滤光元件滤出的窄带光半高全宽小于20nm。

4.如权利要求3所述的散射计量装置，其特征在于，所述滤光元件滤出的窄带光半高全宽小于10nm。

5.如权利要求2所述的散射计量装置，其特征在于，所述滤光元件为干涉滤光片、光栅、单色仪或声光调制器。

6.如权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述照明模块包括一光源，所述光源为氙气灯、氘灯或卤素灯，或其组合。

7.如权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述二维阵列探测器为CCD或CMOS二维阵列探测器，用于探测反射光的角分辨谱。

8.如权利要求1所述的散射计量装置，其特征在于，所述光谱仪的入光口为机械刀口或光纤头。

9.一种利用权利要求1所述的散射计量装置的散射计量方法，包括：

提供一照明光束，并将其引导汇聚至一被测对象表面；

光谱仪测量所述被测对象的反射光在一空间频率下的光谱；

二维阵列探测器探测所述被测对象的反射光的角分辨谱，以及探测光谱仪入光口在物镜光瞳中的位置信息；以及

依据所述反射光的光谱、光谱仪入光口在物镜光瞳中的位置信息及/或所述反射光的角分辨谱计算所述被测对象的特征参数。

Images