CN107560562A - 一种干涉式微观形貌测量系统及方法 - Google Patents
一种干涉式微观形貌测量系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种干涉式微观形貌测量系统，只需提供照明系统、待测工件、成像系统以及信号处理组件，并在该装置中添加一参考反射镜即可，不涉及很复杂的透镜组系统，消除了复杂透镜组对视场大小的约束，从而使其适用于大测量视场。本发明还提供一种干涉式微观形貌测量方法，将照明系统提供的光源被分成两束，一束经过待测工件表面反射至成像系统，形成测量光路，另一束经过参考反射镜的反射到达成像系统与测量光相互干涉，形成干涉条纹，利用信号处理组件对该干涉条纹进行计算即可得到待测工件表面的形貌，因此本发明提供的测量方法，无需经过复杂的透镜组，即无需经过复杂的转换，即可根据干涉条纹计算待测工件的表面形貌，计算过程简便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种干涉式微观形貌测量系统及方法。
背景技术
在用于光刻芯片的光刻机中，随着投影物镜工作波长不断减小、数值孔径不断增大，其焦深也愈来愈小，这就需要不断提高对待测工件表面微观形貌的测量精度。目前用于工件表面微观形貌测量的传感器大多采用光电测量，具体过程如下：
投影分支将按一定规律排列的测量狭缝成像在待测工件表面，形成测量光斑；
测量光斑经待测工件表面反射后被探测光学系统二次成像到探测狭缝面；
待测工件表面的微观形貌变化导致探测狭缝面上测量光斑相对于探测狭缝移动，透过探测狭缝的光强也随之发生线性变化；
根据上述光强的变化可以反算出工件的微观形貌。
但上述测量待测工件微观形貌的方法需经过多次成像，且受透镜组设计、加工、组装难度的限制，其测量线视场较小，通常为20～40mm，而待测工件的主流尺寸为直径300mm，因此上述方法并不适用于该主流工件的表面的测量，导致这种方法在实际工艺生产中不能得到广泛的运用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种干涉式微观形貌测量系统及方法，其在正常的测量系统中添加设置参考光路，即仅需要将光源发出的光准直，然后分束，一束为参考光，另一束为测量光，将两束光相互干涉形成可以得到待测工件表面形貌信息的干涉条纹，计算即可得到待测工件表面的形貌信息，这样不涉及很复杂的透镜组系统，从而消除了复杂透镜组对视场大小的约束，因而可以实现大测量视场。
为达到上述目的，本发明提供一种干涉式微观形貌测量系统，依次包括
一照明系统，用于提供照明光；
一参考反射镜，其位于所述照明光的光路上，所述参考反射镜的镜面与待测工件的表面相对设置；
一成像系统，其位于照明光分别从待测工件的表面和所述参考反射镜镜面反射后形成的两束反射光的交汇区域，用于接收照明光并成像；
一信号处理组件，与所述成像系统电路连接，用于根据所述成像系统上的成像计算所述待测工件表面的微观形貌。
作为优选，所述干涉式微观形貌测量系统还包括一周期性参考物，其位于照明光分别从待测工件的表面和所述参考反射镜镜面反射后形成的两束反射光的交汇区域，且位于所述成像系统与所述待测工件之间。
作为优选，所述周期性参考物和所述待测工件之间还设置有调制反射镜组，用于去除所述待测工件及环境的高频振动。
作为优选，还包括一中继镜组，位于所述周期性参考物与所述成像系统之间。
作为优选，所述照明系统依次包括
一激光器，用于提供照明光；
一光源整形系统，用于调整所述照明光的光路。
作为优选，所述激光器为氘光源。
作为优选，所述激光器提供的照明光波长为193nm或者248nm。
作为优选，所述光源整形系统依次包括
一准直扩束元件，用于将照明光准直并且扩束；
一分束元件，用于将所述照明光分成两束。
作为优选，所述分束元件为菲涅耳双棱镜或者衍射光栅。
作为优选，所述分束元件为周期性光学元件。
作为优选，所述周期性光学元件的周期为1。
作为优选，所述待测工件放置在运动台上，所述运动台带动所述待测工件移动。
作为优选，所述成像系统为一光电探测器。
作为优选，所述光电探测器具有二维阵列。
作为优选，所述光电探测器为光电二极管阵列。
本发明还提供一种干涉式微观形貌测量方法，照明光从待测工件上反射形成的测量光与参考光，所述测量光与参考光干涉形成干涉条纹，对所述干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
作为优选，包括如下步骤：
步骤一：提供一照明系统、一参考反射镜、一成像系统、与所述成像系统电路连接的一信号处理组件，一放置在运动台上的所述待测工件；
步骤二：所述照明系统提供的照明光分成测量光和参考光，所述测量光入射至所述待测工件的表面并反射至所述成像系统，所述参考光入射至所述参考反射镜镜面并反射至所述成像系统，并与反射至所述成像系统的测量光相互干涉形成第一干涉条纹；
步骤三：所述信号处理组件根据步骤二形成的所述第一干涉条纹分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
作为优选，步骤三中对所述干涉条纹分析计算的步骤为：将待测工件放置在XYZ三维坐标系中，待测工件上任意一点的坐标表示为(x,y,z),当待测工件表面上的点的垂向高度发生高度变化Δz时，带来的光程差s＝2Δz×cos(2θ)/cosθ，设在照明光入射所述成像系统的入射角为β，则带来的相位差成像系统上光强其中θ为入射角，k为波矢，η为对比度，与偏振相关，λ为波长，I0为干涉形成的0级光的光强。
作为优选，在成像系统与所述待测工件之间设置一周期性参考物，在所述周期性参考物与所述成像系统之间设置一中继镜组，使得所述参考光和所述测量光经过所述周期性参考物和所述中继镜组后衍射至所述成像系统形成第二干涉条纹，所述信号处理组件根据所述成像系统上的所述第二干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
作为优选，将待测工件放置在XYZ三维坐标系中，待测工件5上任意一点的坐标表示为(x,y,z),所述成像系统为具有二维阵列的光电探测器，设所述周期型参考物体的透过率函数为T(y)，到达所述光电探测器第n个阵列的光能量为
其中I(y,z)为所述成像系统上的光强，p为光电探测器阵列的周期，则所有的光电探测器可以得到如下数据矩阵，通过离线标定得到该矩阵与待测工件的关系为：则可根据该关系反推得到所述待测工件表面的微观形貌。
作为优选，在所述周期性参考物与所述待测工件之间设置一调制反射镜组，使得所述测量光经所述待测工件表面反射后经过所述调制反射镜组的调制后，与所述参考光交汇并共同经过所述周期性参考物、所述中继镜组后衍射形成第三干涉条纹，所述信号处理组件根据所述成像系统上的所述第三干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
作为优选，将待测工件放置在XYZ三维坐标系中，待测工件5上任意一点的坐标表示为(x,y,z),设所述周期性参考物所在平面的光强随时间变化的函数为I(y,z,t)，则透过所述周期性参考物的光能量
则可得到数据矩阵集
对其进行傅里叶变换得到：
其中FMN(f)为GMN(t)的傅里叶变换，
提取频率等于调制频率f1的信息，得到：
其与所述待测工件的关系亦可以通过标定得到，则可根据该关系反推得到所述待测工件表面的微观形貌。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的微观形貌测量系统，只需提供照明系统、待测工件、成像系统以及信号处理组件，并在该装置中添加一参考反射镜即可，不涉及很复杂的透镜组系统，消除了复杂透镜组对视场大小的约束，从而使其适用于大测量视场。
2、本发明提供的微观形貌测量方法，将照明系统提供的光源被分成两束，一束经过待测工件表面反射至成像系统，形成测量光路，另一束经过参考反射镜的反射到达成像系统与测量光相互干涉，形成干涉条纹，利用信号处理组件对该干涉条纹进行计算即可得到待测工件表面的形貌，因此本发明提供的测量方法，无需经过复杂的透镜组，即无需经过复杂的转换，即可根据干涉条纹计算待测工件的表面形貌，计算过程简便快捷。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一测量原理图；
图3为本发明实施例二提供的测量系统的结构示意图；
图4为本发明提供的分束元件的结构示意图；
图5为本发明实施例三提供的测量系统的结构示意图。
图中：1-激光器、2-准直扩束元件、3-分束元件、4a-测量光、4b-参考光、5-待测工件、6-运动台、7-参考反射镜、8-周期性参考物、9-中继镜组、10-光电探测器、11-信号处理组件、12-上调制反射镜、13-下调制反射镜；
θ皆为入射角。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参照图1，本发明提供一种干涉式微观形貌测量系统，依次包括
照明系统，用于提供照明光，具体地，照明系统主要包括一激光器1和准直扩束元件2以及分束元件3。
激光器1主要为氘光源，或者能够提供波长为193nm、248nm的激光。由于待测工件5表面涂覆有光刻胶，众所周知，对于光刻胶等介电体，入射角一定，波长越短折射率越大，待测工件5上表面反射率越高；光刻胶下的工艺层多布有铜铝等金属线路，波长越短，金属的吸收也越强烈，因此使用如上述的能够被光刻胶强烈反射、但被底层工艺图形强烈吸收的紫外短波长有利于减小、甚至消除工艺带来的不利影响。
此外为避免待测工件5表面的光刻胶被曝光，需要控制照明光的剂量，一般不应超过投影物镜杂散光的剂量。
准直扩束元件2的主要作用为将激光器1提供的照明光准直并且扩束，扩大照明光的照射面。
分束元件3主要用于将准直扩束后的照明光分成两束光，一束向待测工件5表面照射，即为测量光4a，另一束向参考反射镜7的镜面照射，即为参考光4b。
参考反射镜7的镜面与待测工件5的表面相对，如图1所示，待测工件5放置在运动台6上，运动台6可以带动待测工件5移动，在测量时，移动的待测工件5使得测量光4a能够逐渐使待测工件5的表面全部得到照射。
还包括一成像系统，具体为一具有二维阵列的光电探测器10，如光电二极管阵列，测量光4a从待测工件5表面反射出后，与从参考反射镜7镜面反射出的参考光4b在光电探测器10表面相互干涉，形成第一干涉条纹；
还包括一信号处理组件11，与成像系统电路连接，用于根据成像系统上的第一干涉条纹计算所述待测工件5表面的微观形貌。
请继续参照图1与图2，本发明还提供一种使用上述干涉式微观形貌测量系统来测量待测工件5表面微观形貌的方法，具体为：
激光器1提供的照明光在被准直扩束元件2准直扩束后，再被分束元件3分成测量光4a和参考光4b，测量光4a入射至待测工件5的表面并反射至光电探测器10上，参考光4b入射至参考反射镜7的镜面并反射至光电探测器10上，在光电探测器10上测量光4a与参考光4b相互干涉形成第一干涉条纹，接着信号处理组件11根据第一干涉条纹分析计算，得到待测工件5的微观形貌。
其中对第一干涉条纹分析计算的原理为：请参照图2，将整个干涉式微观形貌测量系统放置在XYZ三维坐标系中，在该三维坐标系中，任意一点的坐标可以表示为(x,y,z)，当待测工件5的表面上的任意一点垂向高度发生由A到O的高度变化Δz时，带来的光程差变化为：
OC＝2Δz×cos(2θ)/cosθ设在照明光入射至光电探测器10时的入射角为β，则带来的相位差为：则光电探测器10上光强变化为：其中θ为入射待测工件5的表面时的入射角，k为波矢，η为对比度，与偏振相关，λ为波长，I0为干涉后形成的0级光的光强。若待测工件5的表面的微观形貌发生整体变化，其高度变化遵循一定的规律，也就是说高度变化对应第一干涉条纹的移动，表面形貌若产生了倾斜则对应第一干涉条纹的周期发生变化。在信号处理组件11中，通过光电探测器10上光强变化I(y,z)可以反解该过程被称为相位解包裹，这种算法已广泛应用于商用干涉仪中，属于本领域技术人员的公知常识，在此概不赘述。
设从准直扩束元件2出射的照明光的光束长为L，宽为W，则在待测工件5表面的光斑长为L×tanθ、宽为W。当θ＝86°，L＝21mm，W＝1mm，则待测工件5表面光斑为300×1mm的窄条，而待测工件5(如硅片)主流尺寸为直径300mm，使用上述微观形貌测量系统和测量方法通过运动台6沿X方向的扫描和计算，便可获得整个待测工件5表面的形貌。
实施例二
请参照图3，本实施例采用的微观形貌测量系统结构为在实施例一结构的基础上，在光电探测器10与所述待测工件5之间设置一周期性参考物8，该周期性参考物8的设置使得参考光4b和测量光4a在交汇后皆入射至周期性参考物8上，并在所述周期性参考物8与所述光电探测器10之间设置一中继镜组9，用于减少成像所需要的距离，也就是说使得参考光4b和测量光4a在交汇后皆入射至周期性参考物8发生衍射，经过中继镜组9的调整后能够在光电探测器10上成像，形成第二干涉条纹，所述信号处理组件11根据光电探测器10上的所述第二干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件5的微观形貌。
其中，分束元件3可以是菲涅耳双棱镜或者衍射光栅，还可以如图4所示的结构，该种结构宏观上具有周期性，例如周期为1mm，不至于发生衍射从而影响光经过周期性参考物8所发生的衍射。
设所述周期性参考物8的透过率函数为T(y)，到达所述光电探测器10第n个阵列的光能量
其中I(y,z)为光电探测器10上的光强，p为光电探测器10阵列的周期，则所有的光电探测器10可以得到如下数据矩阵，通过离线标定得到该矩阵与待测工件5的关系为：根据这种关系可以反推得到待测工件5表面的形貌。
实施例三
请参照图5，本实施例与实施例二的区别在于，微观形貌测量系统的结构在实施例二结构的基础上，在待测工件5与周期性参考物8之间增设一调制反射镜组，如图5所示，该调制反射镜组为两个镜面相对设置的反射镜，分别为上调制反射镜12和下调制反射镜13，则测量光4a从待测工件5表面反射之后，入射至下调制反射镜13镜面并被其反射后入射至上调制反射镜12镜面，被上调制反射镜12镜面反射后向周期性参考物8入射，经过调制后的测量光4a与参考光4b交汇后经过周期性参考物8，衍射形成第三干涉条纹，所述调制反射镜组高频振动导致第三干涉条纹相对于周期性参考物8高频移动，透过周期性参考物8的光也会被高频调制，从而提高了测量光4a的信噪比，所述信号处理组件11根据所述第三干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件5的微观形貌。
具体地，设所述周期性参考物8所在平面的光强随时间变化的函数为I(y,z,t)，则透过所述周期性参考物8的光能量
则可得到数据矩阵集
对其进行傅里叶变换得到：
其中FMN(f)为GMN(t)的傅里叶变换，
提取频率等于调制频率f1的信息，得到：
其与所述待测工件5的关系亦可以通过离线标定得到，根据上述关系反推得到待测工件5的表面微观形貌。
本发明提供的微观形貌测量系统，只需提供照明系统、待测工件5、成像系统以及信号处理组件11，并在该装置中添加一参考反射镜7即可，不涉及很复杂的透镜组系统，消除了复杂透镜组对视场大小的约束，从而使其适用于大测量视场。
本发明提供的微观形貌测量方法，将照明系统提供的光源分成两束，一束经过待测工件5表面反射至成像系统，形成测量光路，另一束经过参考反射镜7的反射到达成像系统与测量光4a相互干涉，形成干涉条纹，利用信号处理组件11对该干涉条纹进行计算即可得到待测工件5表面的形貌，因此本发明提供的测量方法，无需经过复杂的透镜组，即无需经过复杂的转换，即可根据干涉条纹计算待测工件5的表面形貌，计算过程简便快捷。
本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (22)
1.一种干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，依次包括
一照明系统，用于提供照明光；
一参考反射镜，其位于所述照明光的光路上，所述参考反射镜的镜面与待测工件的表面相对设置；
一成像系统，其位于照明光分别从待测工件的表面和所述参考反射镜镜面反射后形成的两束反射光的交汇区域，用于接收照明光并成像；
一信号处理组件，与所述成像系统电路连接，用于根据所述成像系统上的成像计算所述待测工件表面的微观形貌。
2.如权利要求1所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述干涉式微观形貌测量系统还包括一周期性参考物，其位于照明光分别从待测工件的表面和所述参考反射镜镜面反射后形成的两束反射光的交汇区域，且位于所述成像系统与所述待测工件之间。
3.如权利要求2所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述周期性参考物和所述待测工件之间还设置有调制反射镜组，用于去除所述待测工件及环境的高频振动。
4.如权利要求3所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述干涉式微观形貌测量系统还包括一中继镜组，位于所述周期性参考物与所述成像系统之间。
5.如权利要求1～4中任意项所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述照明系统依次包括
一激光器，用于提供照明光；
一光源整形系统，用于调整所述照明光的光路。
6.如权利要求5所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述激光器为氘光源。
7.如权利要求5所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述激光器提供的照明光波长为193nm或者248nm。
8.如权利要求5所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述光源整形系统依次包括
一准直扩束元件，用于将照明光准直并且扩束；
一分束元件，用于将所述照明光分成两束。
9.如权利要求8所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述分束元件为菲涅耳双棱镜或者衍射光栅。
10.如权利要求8所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述分束元件为周期性光学元件。
11.如权利要求10所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述周期性光学元件的周期为1。
12.如权利要求1～4中任意项所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述待测工件放置在运动台上，所述运动台带动所述待测工件移动。
13.如权利要求1～4中任意项所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述成像系统为一光电探测器。
14.如权利要求13所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述光电探测器具有二维阵列。
15.如权利要求14所述的干涉式微观形貌测量系统，其特征在于，所述光电探测器为光电二极管阵列。
16.一种干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，照明光从待测工件上反射形成的测量光与参考光，所述测量光与参考光干涉形成干涉条纹，对所述干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
17.如权利要求16所述的干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：提供一照明系统、一参考反射镜、一成像系统、与所述成像系统电路连接的一信号处理组件，一放置在运动台上的所述待测工件；
步骤二：所述照明系统提供的照明光分成测量光和参考光，所述测量光入射至所述待测工件的表面并反射至所述成像系统，所述参考光入射至所述参考反射镜镜面并反射至所述成像系统，并与反射至所述成像系统的测量光相互干涉形成第一干涉条纹；
步骤三：所述信号处理组件根据步骤二形成的所述第一干涉条纹分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
18.如权利要求17所述的干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，步骤三中对所述干涉条纹分析计算的步骤为：将待测工件放置在XYZ三维坐标系中，待测工件上任意一点的坐标表示为(x,y,z),当待测工件表面上的点的垂向高度发生高度变化Δz时，带来的光程差s＝2Δz×cos(2θ)/cosθ，设在照明光入射所述成像系统的入射角为β，则带来的相位差成像系统上光强其中θ为入射角，k为波矢，η为对比度，与偏振相关，λ为波长，I0为干涉形成的0级光的光强。
19.如权利要求17所述的干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，在成像系统与所述待测工件之间设置一周期性参考物，在所述周期性参考物与所述成像系统之间设置一中继镜组，使得所述参考光和所述测量光经过所述周期性参考物和所述中继镜组后衍射至所述成像系统形成第二干涉条纹，所述信号处理组件根据所述成像系统上的所述第二干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
20.如权利要求19所述的干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，将待测工件放置在XYZ三维坐标系中，待测工件上任意一点的坐标表示为(x,y,z),所述成像系统为具有二维阵列的光电探测器，设所述周期型参考物体的透过率函数为T(y)，到达所述光电探测器第n个阵列的光能量为
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其中I(y,z)为所述成像系统上的光强，p为光电探测器阵列的周期，则所有的光电探测器可以得到如下数据矩阵，通过离线标定得到该矩阵与待测工件表面的关系为：则可根据该关系反推得到所述待测工件表面的微观形貌。
21.如权利要求19所述的干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，在所述周期性参考物与所述待测工件之间设置一调制反射镜组，使得所述测量光经所述待测工件表面反射后经过所述调制反射镜组的调制后，与所述参考光交汇并共同经过所述周期性参考物、所述中继镜组后衍射形成第三干涉条纹，所述信号处理组件根据所述成像系统上的所述第三干涉条纹进行分析计算，得到所述待测工件的微观形貌。
22.如权利要求21所述的干涉式微观形貌测量方法，其特征在于，将待测工件放置在XYZ三维坐标系中，待测工件上任意一点的坐标表示为(x,y,z),设所述周期性参考物所在平面的光强随时间变化的函数为I(y,z,t)，则透过所述周期性参考物的光能量
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则可得到数据矩阵集
<mfenced open = "(" close = ")">
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</mtable>
</mfenced>
对其进行傅里叶变换得到：
其中FMN(f)为GMN(t)的傅里叶变换，提取频率等于调制频率f1的信息，得到：
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
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</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其与所述待测工件的关系亦可以通过标定得到，则可根据该关系反推得到所述待测工件表面的微观形貌。
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