CN104570616A - 一种自参考散射测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种自参考散射测量装置，其特征在于包括：辐射光源；分束镜，将照明光分为第一照明光束和第二照明光束；物镜，将所述第一照明光束汇聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光；二维阵列探测器，位于物镜光瞳位置的共轭面，用于测量所述基底表面反射/衍射光的角分辨谱光斑；成像系统，将所述物镜的光瞳成像到所述探测器；以及反射系统，至少包括两个倾斜反射面，其等效反射面位于物镜光瞳的共轭面，用于使所述第二照明光的光轴发生偏转，并将所述第二照明光反射后经所述成像系统成像到所述二维阵列探测器上，所述二维阵列探测器同时测得所述第二照明光束形成的监测光斑和所述基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物镜光瞳形成的角分辨谱光斑。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造装备技术领域，具体地，涉及一种用于半导体形貌参数测量的自参考散射测量装置及方法。
背景技术
散射测量技术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及以下的技术节点的进一步发展。散射测量技术的测量对象为具有一定周期性的半导体图形结构，主要为光刻胶密集线或孔阵列等。散射测量技术获取的形貌结构参量主要包括Height（高度）、Top-CD（顶部CD）、Bottom-CD（底部CD）、Mid-CD（腰部CD）、SWA（Side-Wall Angle侧壁角）、Corner-Roundness（角圆度）、Under-Cut（底切）等。这里所述CD为半导体图形的关键尺寸（Critical Dimension），一般定义为密集线条周期的一半。
传统的角分辨谱散射测量装置结构如图1所示，包括一光源101，准直镜102，分束镜103，显微物镜104。光源发出的照明光照亮物镜光瞳面105，物镜汇聚照明光到被测样品106。样品面的反射/衍射光被物镜收集。一成像系统107将物镜光瞳面的反射光/衍射光强分布成像到二维CCD探测器108上，形成二维的瞳面光强分布图像109。由于物镜光瞳面的每一个点对应一个反射/衍射光方向，因此，测得的瞳面光强分布实际为样品面反射/衍射光强的角分辨谱。
角分辨谱散射测量技术通过将测得的样品面反射率与模型算法计算所得的反射率进行算法匹配以确定上述图形形貌结构参量。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，这些模型算法以样品形貌结构参量以及测量配置参量等作为输入量，测量配置参量包括测量的波长、偏振、入射角度等。常用的匹配算法包括非线性回归算法、库查询算法等，见图2和3。
为了获得样品的反射率，传统的角分辨谱散射测量技术需要进行参考光的测量以确定入射到样品面的入射光强的角分辨谱。一般的散射测量系统采取测量某种已知反射率的标准样片的方式进行参考光测量，如标准的裸硅片。这种测量方式存在以下问题：
1. 参考光测量增加了总体测量时间，降低了产率；
2. 在参考光测量与样品面反射光测量期间，若照明光光强分布等因素发生变化，则将引入测量误差；
在专利EP1628164B1（Fig. 5）中提出了一种装置结构，该装置的特征是在照明光束达到样品面前分出一部分光，使之被用于测量反射光角分辨谱的同一CCD采集到，这样，可以使用这束监测光的光强对照明光源整体的光源波动进行归一化。采用该专利的结构与方法虽然可以减小测量参考光与样品面反射光期间，由于照明光波动引起的测量误差，但无法控制照明光在光瞳面光强分布变化引起的测量误差。同样，由于无法完全监测照明光在空间和时间上的变化，不可避免地仍要通过测量参考光的方式完成散射测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种自参考的散射测量技术，无须进行参考光测量即可完成散射测量，以提高产率。此外，该散射测量技术应可以实现对照明光空间分布的监测，以进一步提高测量精度。
本发明提出一种自参考散射测量装置，用于测量基底性能参数，其特征在于包括：
辐射光源，用于产生照明光；
分束镜，用于将所述照明照明光分为第一照明光束和第二照明光束；
物镜，将所述第一照明光束汇聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光；
二维阵列探测器，位于物镜光瞳位置的共轭面，用于测量所述基底表面反射/衍射光的角分辨谱光斑；
成像系统，将所述物镜的光瞳成像到所述探测器；以及
反射系统，至少包括两个倾斜反射面，其等效反射面位于物镜光瞳的共轭面，用于使所述第二照明光的光轴发生偏转，并将所述第二照明光反射后经所述成像系统成像到所述二维阵列探测器上，所述二维阵列探测器同时测得所述第二照明光束形成的监测光斑和所述基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物镜光瞳形成的角分辨谱光斑。
优选地，所述反射系统为五角棱镜。
优选地，所述反射系统为直角棱镜。
优选地，在所述辐射光源与所述分光镜之间的光路中还设置有照明系统。
一种使用上述自参考散射测量装置的测量方法，包括：
辐射光源发出的照明光经分束镜分为第一照明光束及第二照明光束：
二维阵列探测器同时探测第一光明光束经基底表面反射/衍射后形成的角分辨谱光斑以及第二照明光束经反射系统后形成的监测光斑；
根据所述角分辨谱光斑及监测光斑的光强分布计算所述基底的反射率角分辨谱 。
优选地，所述基底的反射率角分辨谱的计算方法为：
其中为所述角分辨谱光斑的光强分布，由所述二维阵列探测器测得，为所述监测光斑的光强分布，由所述二维阵列探测器测得，为照明光在物镜光瞳面的静态分布，为照明光光强随时间的整体涨落因子，为所述分束镜的反射率，为所述物镜透过率。
优选地，所述基底的反射率角分辨谱计算方式为用测得的所述监测光斑去归一化角分辨谱光斑，消除所述辐射光源的时间波动和空间分布变化。
本发明通过采用非偏振分束镜和两个反射面实现对角分辨谱测量过程中物镜光瞳面照明光空间与时间变化的监测，从而可以省略参考光测量步骤，实现自参考测量，同时提高测量精度。
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为现有角分辨谱散射测量装置结构示意图；
图2为非线性回归算法示意图；
图3为库查询算法示意图；
图4为本发明自参考散射测量装置第一实施例结构示意图；
图5为本发明自参考散射测量装置第二实施例结构示意图。
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。
本发明的第一种实施方案如图4所示，辐射光源401发出测量光，经照明系统402形成照明光束，该照明光束经分束镜403后分为相同的两束照明光，其中一束照明光投射到显微物镜404的光瞳面405，形成具有一定空间光强分布的第一束照明光。物镜404将第一束照明光汇聚到待测样品406上，该照明光在样品面发生反射/衍射，物镜404收集样品面反射/衍射的光。样品面反射/衍射光在物镜光瞳面形成反射/衍射光角分辨谱。物镜光瞳面405位于成像系统409的焦面，成像系统409将物镜光瞳面成像到CCD 410上，测得样品面反射/衍射光强的角分辨谱光斑412。
在分束镜403的另一侧放置一反射镜系统，如五角棱镜407，其等效反射面408与物镜光瞳405共轭，照明光束经分束镜403后的第二束照明光被五角棱镜407的两个反射面4071、4072反射，且光束位置发生平移，经成像系统409成像后投射到CCD上，形成照明光束的监测光斑413。CCD同时测得样品面反射的角分辨谱光斑412和监测光斑413，角分辨谱光斑412与监测光斑413分离成像在CCD上。照明监测光斑413与第一束照明光在物镜404光瞳面405形成的光强分布一致。监测光斑413不仅可以监测光源整体光强的波动情况，也可以监测物镜光瞳面照明光强的空间分布变化。
在使用该方案进行测量时，令照明光光强分布为
1-1
其中为照明光在物镜光瞳面的静态分布，为照明光光强随时间的整体涨落因子。
经过分束镜后，第一束照明光的光强分布为
1-2
第二束照明光的光强分布为
1-3
其中为分束镜的反射率。
第二束照明光受反射系统反射后投射到CCD上，形成监测光斑413，监测光斑413的光强分布即为（1-3）式所示。第一束照明光经过物镜汇聚后到达样品面，受样品反射后再次被物镜收集，然后通过分束镜后被成像系统成像到CCD上，形成角分辨谱光斑。此时的光强分布为：
1-4
其中为物镜透过率，为样品反射率角谱。将角分辨谱光斑与监测光斑进行比较，得到：
1-5
结果由样品反射率，分光镜反射率以及物镜透过率组成。分光镜反射率和物镜透过率已知，则（1-5）式得到样品反射率角分辨谱。
在上述测量过程中，照明光的光强波动被消除。同时，由于第一束光和第二束光都包含了照明光光强的空间分布波动信息，该项误差也可以被消除。此外，在物镜透过率和分束镜反射率已知的情况下，直接可由角分辨谱光斑和监测光斑计算得到样品反射率的角分辨谱，实现自参考的散射测量，而无须进行参考光的测量。
本发明的另一种实施方案如图5所示。在本实施例中采用一直角棱镜414对分束镜403分出的第二束照明光进行反射，使第二束照明光与第一束照明光的反射光分离成像在CCD 410上，分别形成角分辨谱测量光斑412和监测光斑413。该直角棱镜的等效反射面位于物镜光瞳的共轭面。本方案的其他结构与配置与第一实施例相同，此处不再赘述。
本发明采用非偏振分束镜和两个反射面实现对角分辨谱测量过程中物镜光瞳面照明光空间与时间变化的监测，从而可以省略参考光测量步骤，实现自参考测量，同时提高测量精度。
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 (7)
1.一种自参考散射测量装置，用于测量基底性能参数，其特征在于包括：
辐射光源，用于产生照明光；
分束镜，用于将所述照明照明光分为第一照明光束和第二照明光束；
物镜，将所述第一照明光束汇聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光；
二维阵列探测器，位于物镜光瞳位置的共轭面，用于测量所述基底表面反射/衍射光的角分辨谱光斑；
成像系统，将所述物镜的光瞳成像到所述探测器；以及
反射系统，至少包括两个倾斜反射面，其等效反射面位于物镜光瞳的共轭面，用于使所述第二照明光的光轴发生偏转，并将所述第二照明光反射后经所述成像系统成像到所述二维阵列探测器上，所述二维阵列探测器同时测得所述第二照明光束形成的监测光斑和所述基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物镜光瞳形成的角分辨谱光斑。
2.如权利要求1所述的自参考散射测量装置，其特征在于：所述反射系统为五角棱镜。
3.如权利要求1所述的自参考散射测量装置，其特征在于：所述反射系统为直角棱镜。
4.如权利要求1所述的自参考散射测量装置，其特征在于，在所述辐射光源与所述分光镜之间的光路中还设置有照明系统。
5.一种使用权利要求1-4之一的自参考散射测量装置的测量方法，包括：
辐射光源发出的照明光经分束镜分为第一照明光束及第二照明光束：
二维阵列探测器同时探测第一光明光束经基底表面反射/衍射后形成的角分辨谱光斑以及第二照明光束经反射系统后形成的监测光斑；
根据所述角分辨谱光斑及监测光斑的光强分布计算所述基底的反射率角分辨谱 。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述基底的反射率角分辨谱的计算方法为：
其中为所述角分辨谱光斑的光强分布，由所述二维阵列探测器测得，为所述监测光斑的光强分布，由所述二维阵列探测器测得，为照明光在物镜光瞳面的静态分布，为照明光光强随时间的整体涨落因子，为所述分束镜的反射率，为所述物镜透过率。
7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述基底的反射率角分辨谱计算方式为用测得的所述监测光斑去归一化角分辨谱光斑，消除所述辐射光源的时间波动和空间分布变化。
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