CN111982020A - 一种反射式样品形貌测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种反射式样品形貌测量装置及方法。所述装置包括：顺次设置的照明组件、投影标记组件、投影光学组件、探测光学组件、探测标记组件、和数据采集组件；并在所述投影光学组件和所述探测光学组件之间的光路上设置待测样品。通过对投影光学组件和探测光学组件的优化设计，实现了成像质量高、结构紧凑、无色差、不需增加额外调整部件的成像光学系统，该装置及光学系统易于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射式样品形貌测量装置及方法。
背景技术
在半导体行业，电子束成像、光学检测以及光刻领域，在对样品表面测量或曝光时，需要将样品Z向高度控制在百纳米范围内，因此首先需要对样品表面形貌进行高精度检测。样品Z向高度形貌测量可基于气压、电容、光学等原理。现有技术中基于光学三角法基本原理的测量为：测量光将投影标记以大入射角投射到样品表面，反射光携带样品高度信息被探测器接收，通过测量探测器上的光强或光斑位置变化来计算样品形貌高度。
现有基于光学三角法的测量装置中多采用透射式双远心成像光学系统，为满足宽光谱高成像质量要求，成像系统一般由十多片镜片组成，由于空间结构限制，透射式光路结构、光学设计和光机装配均较复杂；且由于光学元件的制造和装配公差无法将投影标记与探测标记精确对齐，还需要在光路中加入调整单元或调整元件如光楔、平板等。同时，成像光学系统各项像质对测量装置测量精度的影响不明确，无法在设计阶段对成像系统提出明确指标要求。因此需要在建模仿真明确指标需求的基础上，提出一种成像质量满足要求且结构简单、易于工程实现的成像光学系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
如何在建模仿真明确指标需求的基础上，提出一种成像质量满足要求且结构简单、易于工程实现的成像光学系统。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种反射式样品形貌测量装置，所述装置包括：顺次设置的照明组件、投影标记组件、投影光学组件、探测光学组件、探测标记组件、和数据采集组件；并在所述投影光学组件和所述探测光学组件之间的光路上设置待测样品；
其中，所述投影光学组件和所述探测光学组件中均包括凹球面反射镜、凸球面反射镜和平面反射镜；
所述照明组件对投影标记组件进行照射，投影光学组件将投影标记组件的像成像到待测样品表面，探测光学组件将携带待测样品形貌信息的投影标记组件的像成像到探测标记组件上，通过数据采集组件得到待测样品的形貌信息。
可选地，所述投影光学组件包括：第一平面反射镜、第一凹球面反射镜、第一凸球面反射镜和第二平面反射镜；
其中，第一凹球面反射镜和第一凸球面反射镜的球心重合，在第一凸球面反射镜上，且第一凹球面反射镜的焦面设置孔径光阑；
投影标记组件的像依次经过第一平面反射镜、第一凹球面反射镜、第一凸球面反射镜、第一凹球面反射镜、和第二平面反射镜反射后成像到待测样品上。
可选地，所述探测光学组件包括：第三平面反射镜、第二凹球面反射镜、第二凸球面反射镜和第四平面反射镜；
其中，第二凹球面反射镜和第二凸球面反射镜为的球心重合，在第二凸球面反射镜上，且第二凹球面反射镜的焦面设置孔径光阑；
携带待测样品形貌信息的投影标记组件的像依次经过第三平面反射镜、第二凹球面反射镜、第二凸球面反射镜、第二凹球面反射镜、和第四平面反射镜反射后成像到探测标记组件上。
可选地，所述投影标记组件与第一平面反射镜之间的距离为110mm，第一平面反射镜与第一凹球面反射镜之间的距离为273.423mm，第一凹球面反射镜和第一凸球面反射镜之间光束传输距离为190.965mm，第一凹球面反射镜与第二平面反射镜之间的距离为283.421mm，第二平面反射镜与待测样品表面的距离为100mm。
可选地，所述第一凹球面反射镜的半径为383.534mm，第一凸球面反射镜的半径为192.683mm；第一凹球面反射镜的半通光孔径为60mm，第一凸球面反射镜的半通光孔径为15mm。
可选地，所述待测样品表面与第三平面反射镜之间的距离为100mm，第三平面反射镜与第二凹球面反射镜之间的距离为283.421mm，第二凹球面反射镜和第二凸球面反射镜之间光束传输距离为190.965mm，第二凹球面反射镜与第四平面反射镜之间的距离为273.423mm，第四平面反射镜与探测标记组件之间的距离为110mm。
可选地，所述第二凹球面反射镜的半径为383.534mm，第二凸球面反射镜的半径为192.683mm，第二凹球面反射镜的半通光孔径为60mm，第二凸球面反射镜的半通光孔径为15mm。
可选地，所述投影标记组件和所述探测标记组件包括光栅条纹、间隔预设距离的多个光栅条纹或带有预设形状的组件。
可选地，所述照明组件为带宽大于300nm的光源。
本发明另一方面提供了一种利用上文所述的装置进行待测样品形貌进行测量的方法，所述方法包括：在通过数据采集组件得到待测样品的形貌信息时，采用归一化差分的方法测量待测样品高度，所述待测样品高度h通过下式得到：
其中，I1和I2为投影标记组件的像经过差分经过探测标记组件后的两束光的光信号强度，当投影标记组件及探测标记组件为光栅图形时，
其中，Δx为待测样品的待测面高度变化产生的相对位移，Δx＝2h·sinα，N为当投影标记组件为光栅图形时光栅狭缝的个数，P为光栅周期，α为待测样品的测量面处光线的入射角度；G为比例系数，
(三)有益效果
本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的测量装置中的成像光学系统采用反射式光学系统，并且在反射式光学系统中设置折转反射镜以满足样品周边狭小空间的要求。本装置中的反射式光学系统相较于透射式光学系统，具有成像质量高、结构紧凑、无色差、不需增加额外的调整单元、易于工程实现等优点。并在建立成像光学系统像差与装置测量精度之间关系的仿真模型的基础上，根据装置测量精度要求，反推出对成像光学系统的像差要求，以此作为成像光学系统的像质优化目标。以系统视场、NA、波长为输入，像质优化目标为输出，对成像光学系统进行了优化设计。
(2)采用宽光谱光源，带宽大于300nm，减少装置测试时受到样品表面多层膜的影响，满足对样品多层膜工艺适应性要求。
(3)对探测光学组件和投影标记组件中各个反射镜之间的距离、球面反射镜的半径、球面反射镜的半通光孔径数值进行优化，以满足成像系统分辨率要求，确保成像光学系统能够分辨投影标记，减少测量误差。
附图说明
图1是本发明实施例提供的反射式样品形貌测量装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的反射式样品形貌测量装置中投影光学组件示意图；
图3是本发明实施例提供的反射式样品形貌测量装置中探测光学组件示意图；
图4是本发明实施例提供的反射式样品形貌测量装置中投影光学组件、探测光学组件的MTF仿真结果图；
图5是本发明实施例提供的反射式样品形貌测量装置中投影光学组件、探测光学组件的场曲和畸变仿真结果图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本发明实施例提供了一种反射式样品形貌测量装置，参见图1，所述装置包括：顺次设置的照明组件101、投影标记组件102、投影光学组件103、探测光学组件104、探测标记组件105、和数据采集组件106；并在所述投影光学组件103和所述探测光学组件104之间的光路上设置待测样品107；其中，所述投影光学组件103和所述探测光学组件104中均包括凹球面反射镜、凸球面反射镜和平面反射镜；所述照明组件101对投影标记组件102进行照射，投影光学组件103将投影标记组件102的像成像到待测样品107表面，探测光学组件104将携带待测样品形貌信息的投影标记组件102的像成像到探测标记组件105上，通过数据采集组件106得到待测样品的形貌信息。
由此，本发明提供的测量装置中的成像光学系统采用反射式光学系统。本装置中的反射式光学系统相较于透射式光学系统，具有成像质量高、结构紧凑、无色差、不需增加额外的调整单元、易于工程实现。
具体地，所述投影光学组件103包括：第一平面反射镜103-3、第一凹球面反射镜103-1、第一凸球面反射镜103-2和第二平面反射镜103-4；其中，第一凹球面反射镜103-1和第一凸球面反射镜103-2的球心重合，在第一凸球面反射镜103-2上，且第一凹球面反射镜103-1的焦面设置孔径光阑；投影标记组件102的像依次经过第一平面反射镜103-3、第一凹球面反射镜103-1、第一凸球面反射镜103-2、第一凹球面反射镜103-1、和第二平面反射镜103-4反射后成像到待测样品107上。
所述探测光学组件104包括：第三平面反射镜104-3、第二凹球面反射镜104-1、第二凸球面反射镜104-2和第四平面反射镜104-4；其中，第二凹球面反射镜104-1和第二凸球面反射镜104-2的球心重合，在第二凸球面反射镜104-2上，且第二凹球面反射镜104-1的焦面设置孔径光阑；携带待测样品形貌信息的投影标记组件102的像依次经过第三平面反射镜104-3、第二凹球面反射镜104-1、第二凸球面反射镜104-2、第二凹球面反射镜104-1、和第四平面反射镜104-4反射后成像到探测标记组件105上。
可以看出，本申请中，投影光学组件103和探测光学组件104为对称结构，并且投影光学组件103和探测光学组件104中均采用了Offner光学成像系统。光线在投影光学组件103的第一凹球面反射镜103-1和第一凸球面反射镜103-2之间发生三次反射，属于三反射成像系统，同样地，光线在探测光学组件104中的第二凹球面反射镜104-1和第二凸球面反射镜104-2之间发生三次反射，属于三反射成像系统。
并且，在第一凸球面反射镜103-2上第一凹球面反射镜103-1的焦面设置孔径光阑；在第二凸球面反射镜104-2上第二凹球面反射镜104-1的焦面设置孔径光阑，构成物方远心成像系统。进一步，由于Offner系统为对称结构，因此该系统同时为像方远心成像系统。
值得注意的是，在本申请提供的反射式光学系统中设置折转反射镜以满足样品周边狭小空间的要求，此处所述折转反射镜即指上文所述的4个平面反射镜。
需要说明的是，投影光学组件103和探测光学组件104的成像质量直接影响测量精度。首先，待测样品的形貌是根据投影标记组件102的像与探测标记组件105所形成的莫尔条纹进行测量得到的，成像光学系统的畸变将直接导致其在探测标记组件105上像的畸变，从而造成莫尔条纹的变化，引起测量误差。其次，为提高测量效率，测量装置中的投影标记可采用间隔一定距离的多个光栅区域同时测量，成像光学系统的场曲会在各光栅区域间引入偏差，造成样品上对应位置的高度测量偏差。此外，考虑到测量装置中投影标记组件、探测标记组件、待测样品等模组之间，在机械装调中需预留一定的调整量，且待测样品表面形貌存在高低起伏，为保证成像光学系统在一定范围内都能够对投影光栅进行清晰成像，要求成像光学系统具有较大的景深。建立成像光学系统各项像差与装置测量精度之间关系的仿真模型。由仿真分析知装置的测量误差，随成像光学系统的放大倍率公差、远心度、畸变和MTF的增大而增大，参见图4和图5.
因此，根据装置测量精度要求，反推出对投影光学组件103和探测光学组件104的像差要求。以成像视场、NA、波长为输入，像质优化目标为输出，对投影光学组件103和探测光学组件104进行优化设计。其中，成像视场由样品测量区域决定；采用宽光谱光源以满足对样品多层膜工艺适应性要求。
以下为本申请中对装置的具体参数进行的优化，这些参数请同时参见图2和图3、结合表1和表2，对这些参数进行优化，使得本发明提供的测量装置优化了投影光学组件103和探测光学组件104的成像质量，提高了测量精度，可以满足成像系统分辨率要求，确保成像光学系统能够分辨投影光栅狭缝。
所述投影标记组件102与第一平面反射镜103-3之间的距离为110mm，第一平面反射镜103-3与第一凹球面反射镜103-1之间的距离为273.423mm，第一凹球面反射镜103-1和第一凸球面反射镜103-2之间光束传输距离为190.965mm，第一凹球面反射镜103-1与第二平面反射镜103-4之间的距离为283.421mm，第二平面反射镜103-4与待测样品107表面的距离为100mm。
所述第一凹球面反射镜103-1的半径为383.534mm，第一凸球面反射镜103-2的半径为192.683mm；第一凹球面反射镜103-1的半通光孔径为60mm，第一凸球面反射镜103-2的半通光孔径为15mm。
所述待测样品107表面与第三平面反射镜104-3之间的距离为100mm，第三平面反射镜104-3与第二凹球面反射镜104-1之间的距离为283.421mm，第二凹球面反射镜104-1和第二凸球面反射镜104-2之间光束传输距离为190.965mm，第二凹球面反射镜104-1与第四平面反射镜104-4之间的距离为273.423mm，第四平面反射镜104-4与探测标记组件105之间的距离为110mm。
所述第二凹球面反射镜104-1的半径为383.534mm，第二凸球面反射镜104-2的半径为192.683mm，第二凹球面反射镜104-1的半通光孔径为60mm，第二凸球面反射镜104-2的半通光孔径为15mm。
表1投影光学组件的结构参数
| 元件 | 参数 | 值(mm) |
| 103-1 | 半通光孔径 | 60.000 |
| 103-1 | 半径 | 383.534 |
| 103-2 | 半通光孔径 | 15.000 |
| 103-2 | 半径 | 192.683 |
| 11 | 距离 | 110.000 |
| 12 | 距离 | 273.423 |
| 13 | 距离 | 190.965 |
| 14 | 距离 | 190.965 |
| 15 | 距离 | 283.421 |
| 16 | 距离 | 100.000 |
表2探测光学组件的结构参数
| 元件 | 参数 | 值(mm) |
| 104-1 | 半通光孔径 | 60.000 |
| 104-1 | 半径 | 383.534 |
| 104-2 | 半通光孔径 | 15.000 |
| 104-2 | 半径 | 192.683 |
| 22 | 距离 | 110.000 |
| 21 | 距离 | 273.423 |
| 20 | 距离 | 190.965 |
| 19 | 距离 | 190.965 |
| 18 | 距离 | 283.421 |
| 17 | 距离 | 100.000 |
所述投影标记组件102和所述探测标记组件105包括光栅条纹、间隔预设距离的多个光栅条纹或带有预设形状的组件，该带有预设形状的组件可以为任何形状的物品。当采用间隔预设距离的多个光栅条纹时，可以提高测量效率，对待测样品表面多处进行同时测量。
另外为减少装置测试时受到样品表面多层膜的影响，需采用宽光谱光源，带宽可以大于300nm。即所述照明组件101为带宽大于300nm的光源。
本发明另一个实施例还提供了一种利用上文所述的装置进行待测样品形貌进行测量的方法，所述方法包括：在通过数据采集组件106得到待测样品的形貌信息时，采用归一化差分的方法测量待测样品高度，
所述待测样品高度h通过下式得到：
其中，I1和I2为投影标记组件102的像经过差分经过探测标记组件105后的两束光的光信号强度，当投影标记组件及探测标记组件为光栅图形时，
其中，Δx为待测样品的待测面高度变化产生的相对位移，Δx＝2h·sinα，N为当投影标记组件102为光栅图形时光栅狭缝的个数，P为光栅周期，α为待测样品的测量面处光线的入射角度；G为比例系数，
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种反射式样品形貌测量装置，其特征在于，所述装置包括：
顺次设置的照明组件(101)、投影标记组件(102)、投影光学组件(103)、探测光学组件(104)、探测标记组件(105)、和数据采集组件(106)；并在所述投影光学组件(103)和所述探测光学组件(104)之间的光路上设置待测样品(107)；
其中，所述投影光学组件(103)和所述探测光学组件(104)中均包括凹球面反射镜、凸球面反射镜和平面反射镜；
所述照明组件(101)对投影标记组件(102)进行照射，投影光学组件(103)将投影标记组件(102)的像成像到待测样品(107)表面，探测光学组件(104)将携带待测样品形貌信息的投影标记组件(102)的像成像到探测标记组件(105)上，通过数据采集组件(106)得到待测样品的形貌信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投影光学组件(103)包括：第一平面反射镜(103-3)、第一凹球面反射镜(103-1)、第一凸球面反射镜(103-2)和第二平面反射镜(103-4)；
其中，第一凹球面反射镜(103-1)和第一凸球面反射镜(103-2)的球心重合，在第一凸球面反射镜(103-2)上，且第一凹球面反射镜(103-1)的焦面设置孔径光阑；
投影标记组件(102)的像依次经过第一平面反射镜(103-3)、第一凹球面反射镜(103-1)、第一凸球面反射镜(103-2)、第一凹球面反射镜(103-1)、和第二平面反射镜(103-4)反射后成像到待测样品(107)上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测光学组件(104)包括：第三平面反射镜(104-3)、第二凹球面反射镜(104-1)、第二凸球面反射镜(104-2)和第四平面反射镜(104-4)；
其中，第二凹球面反射镜(104-1)和第二凸球面反射镜(104-2)的球心重合，在第二凸球面反射镜(104-2)上，且第二凹球面反射镜(104-1)的焦面设置孔径光阑；
携带待测样品形貌信息的投影标记组件(102)的像依次经过第三平面反射镜(104-3)、第二凹球面反射镜(104-1)、第二凸球面反射镜(104-2)、第二凹球面反射镜(104-1)、和第四平面反射镜(104-4)反射后成像到探测标记组件(105)上。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述投影标记组件(102)与第一平面反射镜(103-3)之间的距离为110mm，第一平面反射镜(103-3)与第一凹球面反射镜(103-1)之间的距离为273.423mm，第一凹球面反射镜(103-1)和第一凸球面反射镜(103-2)之间光束传输距离为190.965mm，第一凹球面反射镜(103-1)与第二平面反射镜(103-4)之间的距离为283.421mm，第二平面反射镜(103-4)与待测样品(107)表面的距离为100mm。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一凹球面反射镜(103-1)的半径为383.534mm，第一凸球面反射镜(103-2)的半径为192.683mm；第一凹球面反射镜(103-1)的半通光孔径为60mm，第一凸球面反射镜(103-2)的半通光孔径为15mm。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述待测样品(107)表面与第三平面反射镜(104-3)之间的距离为100mm，第三平面反射镜(104-3)与第二凹球面反射镜(104-1)之间的距离为283.421mm，第二凹球面反射镜(104-1)和第二凸球面反射镜(104-2)之间光束传输距离为190.965mm，第二凹球面反射镜(104-1)与第四平面反射镜(104-4)之间的距离为273.423mm，第四平面反射镜(104-4)与探测标记组件(105)之间的距离为110mm。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二凹球面反射镜(104-1)的半径为383.534mm，第二凸球面反射镜(104-2)的半径为192.683mm，第二凹球面反射镜(104-1)的半通光孔径为60mm，第二凸球面反射镜(104-2)的半通光孔径为15mm。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投影标记组件(102)和所述探测标记组件(105)包括光栅条纹、间隔预设距离的多个光栅条纹或带有预设形状的组件。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明组件(101)为带宽大于300nm的光源。
10.一种利用权利要求1所述的装置进行待测样品形貌进行测量的方法，其特征在于，所述方法包括：在通过数据采集组件(106)得到待测样品的形貌信息时，采用归一化差分的方法测量待测样品高度，
所述待测样品高度h通过下式得到：
其中，I1和I2为投影标记组件(102)的像经过差分经过探测标记组件(105)后的两束光的光信号强度，
其中，Δx为待测样品的待测面高度变化产生的相对位移，Δx＝2h·sinα，N为当投影标记组件(102)为光栅图形时光栅狭缝的个数，P为光栅周期，α为待测样品的测量面处光线的入射角度；G为比例系数，
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