CN112362592A - 一种偏振反射测量系统及其检测方法 - Google Patents

一种偏振反射测量系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体测试领域，并具体公开了一种偏振反射测量系统及其检测方法。该系统包括从上至下依次设置的光谱仪探测器、聚焦透镜、第一分光镜、步进电机、偏振片、反射式物镜和样品台，同时该系统还包括设置在第一分光镜一侧的测量光源和准直透镜。该系统创造性地将光路系统中的偏振片从两片降低为一片，并将其放置在反射式物镜和第一分光镜之间，使得该偏振片既提供检偏器的功能，也同时起到起偏器作用，在不影响测量精度的同时既节约了成本，又大大降低了光学模型的校准误差，能够完成微米级大深宽比结构的测量，并且有效提高了测量系统的测量精度。

Description

一种偏振反射测量系统及其检测方法
技术领域
本发明属于半导体测试领域，更具体地，涉及一种偏振反射测量系统及其检测方法。
背景技术
我国十分重视MEMS技术研发，但是关键技术尚未突破，在设计技术、封装检测技术、装备技术等方面与国外相比，都存在较大的差距。国产传感器可靠性比国外同类产品低1-2个数量级，并且传感器封装、检测尚未形成系列、标准和统一接口。我国目前MEMS检测方面目前有很多问题受限，因此该领域也限制着国内MEMS领域的制造能力以及服务高新技术产业的能力。
现有技术较中的反射偏振仪因需要在整个测量光路系统中形成偏振光并且检测偏振光，故其设计时需要两块偏振片，并且很多都需要用到旋转器件，这样不仅会造成仪器成本的增加，并且会增大仪器系统测量误差，降低仪器的测量精度。另外，在目前市场常见的偏振反射仪设计其并未将成像功能结合起来，因而不能针对待测样机的某一测量区域进行检测，只能选取相同点重复侧脸或者测量多个点选取平均值。这样在检测非均匀待测样机是往往会造成很大的误差，也无法完成具体到待测样件某一特定点的测量。
此外，目前在测量一些周期性结构时，一般会选用严格耦合波分析法(RCWA)，该方法在测量亚波长结构时测量精度高并且测量时间短，但是在测量微米复杂形貌结构时，严格耦合波分析法因为Fourier级数的提高，其测量优势便会慢慢消失。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种偏振反射测量系统及其检测方法，其中该系统创造性地将光路系统中的偏振片从两片降低为一片，并将其放置在反射式物镜和第一分光镜之间，使得该偏振片既提供检偏器的功能，也同时起到起偏器作用，在不影响测量精度的同时既节约了成本，又大大降低了光学模型的校准误差，能够完成微米级大深宽比结构的测量，并且有效提高了测量系统的测量精度。
为实现上述目的，本发明提出了一种偏振反射测量系统，该系统包括从上至下依次设置的光谱仪探测器、聚焦透镜、第一分光镜、步进电机、偏振片、反射式物镜和样品台，同时该系统还包括设置在所述第一分光镜一侧的测量光源和准直透镜，所述步进电机与所述偏振片连接，用于转动所述偏振片；所述样品台用于放置待测样品；测量时，所述测量光源发射测量光，所述测量光经过所述准直透镜准直后进入所述第一分光镜并产生第一反射光，所述第一反射光经过所述偏振片和反射式物镜后倾斜入射到待测样品上并产生干涉光，所述干涉光依次经过所述反射式物镜、偏振片、第一分光镜和聚焦透镜后被所述光谱仪探测器捕捉收集，以此得到测量光强。
作为进一步优选地，所述偏振反射测量系统还包括成像单元，所述成像单元包括同轴设置的工业相机、管镜、照明光源和第二分光镜，其中所述第二分光镜设置在所述聚焦透镜和第一分光镜之间；测量前，所述照明光源发射照明光，所述照明光进入所述第二分光镜并产生第二反射光，所述第二反射光依次经过所述第一反光镜、偏振片、反射式物镜后倾斜入射到待测样品上并产生第三反射光，所述第三反射光依次经过反射式物镜、偏振片第一分光镜和第二分光镜后反射进入所述管镜，最后在所述工业相机中成像，以帮助寻找待测局部区域。
作为进一步优选地，所述样品台的下方设置有位移台，所述位移台用于带动所述样品台沿竖直方向移动。
作为进一步优选地，所述样品台上设置有预设数量的通孔，同时该样品台的下方设置有吸附腔结构，所述通孔与吸附腔结构连通，工作时通过对所述吸附腔结构抽气，以保证所述待测样品与样品台之间保持负压，从而对其进行固定。
作为进一步优选地，所述光谱仪探测器与测量光源采用一分二光纤连接。
作为进一步优选地，所述测量光源的光谱为380nm～2500nm。
按照本发明的另一方面，提供了上述反射偏振测量系统中理论光强的检测方法，利用下式计算理论光强：
Figure BDA0002751673920000031
式中，Sout为偏振反射测量系统检测到的出射光的斯托克斯矩阵，该矩阵的第一向量表示光谱仪探测器得到的理论光强，Sin为测量光的斯托克斯矩阵，MA为偏振片作为检偏器的穆勒矩阵，Msp为反射式物镜的穆勒矩阵，MR为第一分光镜的穆勒矩阵，MS为待测样品的穆勒矩阵，MP为偏振片作为中起偏器的穆勒矩阵，R(A)为检偏器的旋转矩阵，R(-P)为起偏器的旋转矩阵。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种偏振反射测量系统，该系统创造性地将光路系统中的偏振片从两片降低为一片，并将其放置在反射式物镜和第一分光镜之间，使得该偏振片既提供检偏器的功能，也同时起到起偏器作用，在不影响测量精度的同时既节约了成本，又大大降低了光学模型的校准误差，能够完成微米级大深宽比结构的测量，并且有效提高了测量系统的测量精度；
2.尤其是，本发明还设置了成像单元，其中通过设置照明光源、工业相机以及光学组件，能够对待测样品进行成像观察，从而在测量前帮助寻找待测局部区域，以提高测量效率和测量精度；
3.此外，本发明选用有限时域差分法进行正向建模，提供偏振反射测量系统中理论光强的检测方法，通过该方法可以有效计算理论光强，并在提高测量时间的同时有效提高测量精度。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的偏振反射测量系统的剖视图；
图2是按照本发明优选实施例构建的偏振反射测量系统的立体图；
图3是按照本发明优选实施例构建的偏振反射测量系统的主视图；
图4是按照本发明优选实施例构建的偏振反射测量系统的左视图；
图5是本发明优选实施例中FDTD与RCWA的精度对比图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光谱仪探测器，2-聚焦透镜，3-第二分光镜，4-第一分光镜，5-步进电机，6-偏振片，7-反射式物镜，8-位移台，9-样品台，10-测量光源，11-准直透镜，12-工业相机，13-管镜，14-照明光源，15-机架机械结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种偏振反射测量系统，该系统包括从上至下依次设置的光谱仪探测器1、聚焦透镜2、第一分光镜4、步进电机5、偏振片6、反射式物镜7和样品台9，同时该系统还包括设置在第一分光镜4一侧的测量光源10和准直透镜11，步进电机5与偏振片6连接，用于转动偏振片6；样品台9用于放置待测样品；测量时，测量光源10发射测量光，测量光经过准直透镜11准直后变为平行光束，进入第一分光镜4并产生第一反射光，第一反射光经过偏振片8变为线偏正光，然后被反射式物镜7以一定倾斜角度斜入射到待测样品表面并产生干涉光，干涉光依次经过反射式物镜7、偏振片6、第一分光镜4和聚焦透镜2后被光谱仪探测器1捕捉收集，以此得到测量光强。
进一步，偏振反射测量系统还包括成像单元，成像单元包括同轴设置的工业相机12、管镜13、照明光源14和第二分光镜3，其中第二分光镜3设置在聚焦透镜2和第一分光镜4之间，照明光源是同轴照明器的独立光源照射分光镜，工业相机12与管镜13采用螺纹连接；测量前，照明光源14发射照明光，照明光进入第二分光镜3并产生第二反射光，第二反射光依次经过第一反光镜4、偏振片6、反射式物镜7后以一定倾斜角度斜入射到待测样品上并产生第三反射光，第三反射光依次经过反射式物镜7、偏振片6第一分光镜4和第二分光镜3后反射进入管镜13，最后在工业相机12中成像，以帮助寻找待测局部区域。
进一步，样品台9的下方设置有位移台8，位移台8用于带动样品台9沿竖直方向移动，从而改变焦距，进而保证形成最清晰的像。并且机架机械结构15与轴向位移调节装置即位移台8分离开，保证了轴向位移的精度与调焦人员在调焦过程中的操作感。
进一步，因待测样品是纳米微米级，其表面较为光滑，为了保证待测样品固定在样品台9不打滑，且保证在对单一点重复测量时的稳定性，在样品台9上设置有预设数量的通孔，同时该样品台9的下方设置有吸附腔结构，通孔与吸附腔结构连通，工作时通过气泵对吸附腔结构抽气，以保证待测样品与样品台9之间保持负压，从而对其进行固定，并由气泵开关决定其工作状态。
进一步光谱仪探测器1与测量光源10采用一分二光纤连接，测量光源10的光谱为380nm～2500nm的宽光谱测量光源。
按照本发明的另一方面，提供了上述反射偏振测量系统中理论光强的检测方法，该方法摒弃了传统的严格耦合波分析(RCWA)方法进行正向建模，选用了额微米级复杂结构测量的有限时域差分法(FDTD)进行正向建模，该具体检测方法为：
Figure BDA0002751673920000061
Figure BDA0002751673920000062
式中，Sout为偏振反射测量系统检测到的出射光的斯托克斯矩阵，该矩阵的第一向量I表示理论光强，为X方向光强加Y方向光强，Q为X方向光强减去Y方向光强，U为2倍的45度光强减去X方向光强与Y方向光强，V为加入方位为0的1/4波片的2倍的45度光强减去X方向光强与Y方向光强，Sin为测量光的斯托克斯矩阵，MA为偏振片6中检偏器的穆勒矩阵，Msp为反射式物镜7的穆勒矩阵，MR为第一分光镜4的穆勒矩阵，MS为待测样品的穆勒矩阵，MP为偏振片6中起偏器的穆勒矩阵，R(A)为检偏器的旋转矩阵，R(-P)为起偏器的旋转矩阵。
理想状况下出射光为完全偏振光，则对于出射光的斯托克斯矩阵有：
Figure BDA0002751673920000063
如果为部分偏振光，则有：
Figure BDA0002751673920000064
其中p为部分偏振光的偏振度，对于完全偏振光有p＝1，对于自然光即完全非偏振光有p＝0。
起偏器和检偏器所对应的穆勒矩阵为：
Figure BDA0002751673920000065
其中A P表示起偏器与检偏器对应的快轴方位角。
反射式物镜利用各项同性薄膜穆勒矩阵来进行描述：
Figure BDA0002751673920000071
Figure BDA0002751673920000072
式中，ψ为p光和s光的振幅比，Δ为p光和s光的相位差，A为反射率，rp为p偏振光入射下的反射率，rs为s偏振光下的反射率。
待测样品的穆勒矩阵为：
Figure BDA0002751673920000073
则该偏振反射测量系统的光学模型可表示为：
Figure BDA0002751673920000074
目前，在测量周期性结构时一般会选用严格耦合波分析法(RCWA)来进行正向建模，但是该方法前提是在测量亚波长结构时，但是本发明所设计的偏振反射测量系统用来测量大高深宽比结构的微米量级结构，这时严格耦合波分析法计算效率已经无法提高，因此为了提高计算效率，降低计算时间，选用了有限时域差分法来进行正向建模，并且在后期验证其测量精度与RCWA相比，误差接近1％，说明有限时域差分法在提高测量时间的同时也有着很高的测量精度。
利用该系统对大深宽比结构样品进行结构参数测量，将一束宽光谱测量光经过偏振片6以及反射式物镜7等一系列光学元器件后垂直打到待测样品上，这时光束会在大深光比样品上表面反射以及折射，通过上表面在底面反射后通过样品上表面与反射光发生干涉现象。紧接着将干涉光沿着反射式物镜7、偏振片6以第一分光镜4等一系列光学元器件后被光谱仪探测器1收集到测量光强。通过测量光强进而得到反射率，再通过非线性方法得到与测量光谱拟合误差最小的理论光谱，默认该理论光谱对应的结构参数就为待测样品的实际结构参数。
利用本发明提供的偏振反射测量系统测量并采集大深宽比结构的结构参数包括如下步骤：
测量反射率为0的黑样样件的反射光强谱，将该光强记为Iblack(λ)，测量反射率谱为Rr(λ)的标准高深宽比结构样件的反射光强谱，将该光强记为Ir(λ)；调整偏振片角度，测量反射率谱未知的待测高深宽比结构样件在p偏振光下的测量反射光强谱，将该光强记为Im-p；进一步的，继续调整偏振片角度，测量反射率谱未知的待测高深宽比结构样件(与p偏振光测量样件相同)在s偏振光下的的测量反射光强谱，将该光强记为Im-s。
校正光强和积分时间存在一定的关系，光强会随积分时间变化而变化，因此在反射偏振测量系统中要将积分时间考虑进去。在这其中Tr为标准高深宽比样件测量所对应的积分时间，Tm-p为标样p偏振态测量时所对应的积分时间，同样Tm-s为标样s偏振态测量时所对应的积分时间。
待测样件反射率谱Rmeas，通过该公式可以得到计算反射率。
Figure BDA0002751673920000091
式中，Ib(λ)为黑样的测量光强。
反射率与待测结构的线宽与侧倾角是一个超越函数的关系，并不能用函数的显式来表达，因此将光强和波长建立成函数关系，将待测结构中的线宽与侧倾角看作函数中的参数，其中反射率与波长之间的关系为：
Rmeas＝Rmeas(λ,CDunknown；SWAunknown)
式中，CDunknown为待测样品的线宽，SWAunknown为待测样品的侧倾角。
通过对该反射偏振测量系统进行不断的赋予线宽与侧倾角值，就可以得到一个反射率谱(即反射率对应波长的函数)。如果给定一个线宽/侧倾角序列：
[CD/SWA]＝[CD1/SWA1,CD2/SWA2,CD3/SWA3…CDn/SWAn]
可以得到对应的反射率谱序列，将其称之为反射率谱族：
Rcale＝[R1(λ1),R2(λ2),R3(λ3),...Rn(λn)]。
为了能够保证测量精度足够准确，采用“拟合”的方法，即在反射率谱族中，求一个反射率谱在整个波长范围内能够“最佳”的拟合测量反射率谱。“最佳”拟合条件是指计算反射率谱与测量反射率谱差值在各种点上差值最小，也就是均方差最小，在偏振反射测量系统中，该特性会用MSE来表示：
Figure BDA0002751673920000092
式中，m为波长点个数，Rcale和Rmeas分别是指计算(理论)状态和测量状态下对应的的反射率谱。
理想状况下，Rcale将能完全拟合上Rmeas，这时MSE等于0。然而理论模型中总是将高深宽比结构理想化了，所以实际上Rcale将不能“完全”拟合上Rmeas，也就是MSE不可能为0。此时，只能通过对MSE函数求取最小值，从而得到能够最佳拟合Rmeas的Rcale，这时将近似认为此时Rcale对应的结构线宽与侧倾角[CD/SWA]就是所要测量得到的高深宽比结构的线宽与侧倾角。
在测量大深宽比待测样品时，首先关闭测量光源10，打开照明光源14，通过工业相机12观察待测样品成的像，待成像清晰后关闭照明光源14，打开测量光源10，利用步进电机5转动偏振片6的角度，进而控制测量光的偏振态。
本发明提出的偏振反射测量系统，具体为测量微米级大深宽比结构，因此本发明摒弃了传统的严格耦合波建模(RCWA)方法，而选择了有限时域差分法(FDTD)。此外为了证明该想法提出的合理性，本发明优选实施例中，使用波段范围700-1600nm光耦波段，设置结构线宽为1um，高度为5um，左右侧倾角均为89°，分别使用RCWA与FDTD法利用Matlab对提出的反射率计算公式进行建模分析，如图5所示，从分析结果可知FDTD的误差精度与RCWA相比可以达到1％，但是FDTD对于形貌参数复杂的结构建模要比RCWA有优势的多，因而可以证明本发明想法提出的合理性与科学性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种偏振反射测量系统，其特征在于，该系统包括从上至下依次设置的光谱仪探测器(1)、聚焦透镜(2)、第一分光镜(4)、步进电机(5)、偏振片(6)、反射式物镜(7)和样品台(9)，同时该系统还包括设置在所述第一分光镜(4)一侧的测量光源(10)和准直透镜(11)，所述步进电机(5)与所述偏振片(6)连接，用于转动所述偏振片(6)；所述样品台(9)用于放置待测样品；测量时，所述测量光源(10)发射测量光，所述测量光经过所述准直透镜(11)准直后进入所述第一分光镜(4)并产生第一反射光，所述第一反射光经过所述偏振片(8)和反射式物镜(7)后倾斜入射到待测样品上并产生干涉光，所述干涉光依次经过所述反射式物镜(7)、偏振片(6)、第一分光镜(4)和聚焦透镜(2)后被所述光谱仪探测器(1)捕捉收集，以此得到测量光强。
2.如权利要求1所述的偏振反射测量系统，其特征在于，该系统还包括成像单元，所述成像单元包括同轴设置的工业相机(12)、管镜(13)、照明光源(14)和第二分光镜(3)，其中所述第二分光镜(3)设置在所述聚焦透镜(2)和第一分光镜(4)之间；测量前，所述照明光源(14)发射照明光，所述照明光进入所述第二分光镜(3)并产生第二反射光，所述第二反射光依次经过所述第一反光镜(4)、偏振片(6)、反射式物镜(7)后倾斜入射到待测样品上并产生第三反射光，所述第三反射光依次经过反射式物镜(7)、偏振片(6)第一分光镜(4)和第二分光镜(3)后反射进入所述管镜(13)，最后在所述工业相机(12)中成像，以帮助寻找待测局部区域。
3.如权利要求1所述的偏振反射测量系统，其特征在于，所述样品台(9)的下方设置有位移台(8)，所述位移台(8)用于带动所述样品台(9)沿竖直方向移动。
4.如权利要求3所述的偏振反射测量系统，其特征在于，所述样品台(9)上设置有预设数量的通孔，同时该样品台(9)的下方设置有吸附腔结构，所述通孔与吸附腔结构连通，工作时通过对所述吸附腔结构抽气，以保证所述待测样品与样品台(9)之间保持负压，从而对其进行固定。
5.如权利要求1所述的偏振反射测量系统，其特征在于，所述光谱仪探测器(1)与测量光源(10)采用一分二光纤连接。
6.如权利要求1～5任一项所述的偏振反射测量系统，其特征在于，所述测量光源(10)的光谱为380nm～2500nm。
7.如权利要求1～6任一项所述的反射偏振测量系统中理论光强的检测方法，其特征在于，利用下式计算理论光强：
Figure FDA0002751673910000021
式中，Sout为偏振反射测量系统检测到的出射光的斯托克斯矩阵，该矩阵的第一向量表示光谱仪探测器(1)得到的理论光强，Sin为测量光的斯托克斯矩阵，MA为偏振片(6)作为检偏器的穆勒矩阵，Msp为反射式物镜(7)的穆勒矩阵，MR为第一分光镜(4)的穆勒矩阵，MS为待测样品的穆勒矩阵，MP为偏振片(6)作为起偏器的穆勒矩阵，R(A)为检偏器的旋转矩阵，R(-P)为起偏器的旋转矩阵。
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