CN114754671A - 光束调节模块、光学测量系统以及光学测量方法 - Google Patents

光束调节模块、光学测量系统以及光学测量方法 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及光束调节模块、光学测量系统和光学测量方法。该光束调节模块包括：第一小孔，被配置为使得通过第一小孔的光束被成像在被测样品表面；第二小孔，用于对通过第一小孔的光束进行调整，第二小孔沿第一小孔的光轴与第一小孔串列安装；第一小孔与第二小孔之间的轴向间距被设置为使得光束通过光束调节模块而形成在被测样品表面的光斑的大小小于光束仅通过第一小孔而形成在被测样品表面的光斑的大小。在此描述的光束调节模块在保证光束有足够能量对被测样品进行测量的同时减小了被测样品表面测量光斑的尺寸。

Description

光束调节模块、光学测量系统以及光学测量方法
技术领域
本公开的实施例总体上涉及在半导体工艺中用以为工艺过程提供量测数据的测量装置，并且更具体地，涉及一种光束调节模块、光学测量系统和光学测量方法。
背景技术
光学测量是在现代半导体生产工艺中广泛使用的技术，通常用于对单层或多层薄膜进行测量、对刻蚀结构的关键尺寸(CD)进行测量，包括聚焦型光谱椭偏测量装置(SE)、光学关键尺寸(Optical Critical Dimension，OCD)量测装置、光谱反射仪(SR)等。为了适应现代半导体工艺越来越小的线宽，以及随之变小的Pad尺寸，光学测量装置的测量光斑尺寸也要相应的缩小，这对整个光学测量系统的设计提出了更高的要求。但是由于某些光学测量系统需要光束以大的入射角入射样品表面，例如，在60°～74°之间，光斑被大角度的斜入射放大，所以需要采取一些特殊的设计以减小测量光斑。
发明内容
本公开的实施例涉及光束调节模块、光学测量系统和光学测量方法，针对现有的光学测量装置中存在的对于测量光斑的控制需求，通过串列地设置多个小孔，达到缩小测量光斑的目的。
根据本公开的第一方面，提供了一种光束调节模块。该光束调节模块包括：第一小孔，被配置为使得通过第一小孔的光束被成像在被测样品表面；第二小孔，用于对通过第一小孔的光束进行调整，第二小孔沿第一小孔的光轴与第一小孔串列安装；其中，第一小孔与第二小孔之间的轴向间距被设置为使得光束通过光束调节模块而形成在被测样品表面的光斑的大小小于光束仅通过第一小孔而形成在被测样品表面的光斑的大小。
在根据本公开的实施例中，通过第二小孔对斜入射散焦光束进行部分的遮挡，减小了散焦光束在被测样品表面的分布范围，减小了样品表面测量光斑的尺寸，同时还能够保证光束的能量足以对被测样品进行测量。
在一个实施例中，轴向间距L12满足以下关系：0.25*d1/NAobj<L12<0.75*d1/NAobj，其中d1为第一小孔的直径，NAobj为光学测量系统的入射端模块的物方数值孔径。
在一个实施例中，第二小孔的直径d2’满足以下关系：2.0*L12*NAobj<d2’<3.2*L12*NAobj。
在一个实施例中，该光束调节模块还包括第三小孔，第三小孔与第二小孔分别同轴地设置于第一小孔的前后，第一小孔和第三小孔之间的轴向间距L13满足以下关系：0.25*d1/NAobj<L13<0.75*d1/NAobj，第三小孔的直径d3’满足以下关系：2.0*L13*NAobj<d3’<3.2*L13*NAobj。
根据本公开的第二方面，提供了一种光学测量系统。该光学测量系统包括：光源，被配置为发射光束；起偏器，被配置为对光束进行偏振以得到偏振光；聚焦物镜模块，被配置为将偏振光聚焦到被测样品的表面；接收物镜模块，被配置为接收由被测样品反射的光束；检偏器，被配置为检测反射的光束的偏振态；探测器，被配置为通过检测偏振态的变化，来实现对被测样品的检测；以及如前述实施例中的光束调节模块，该光束调节模块位于光源与起偏器之间。
在一个实施例中，该光学测量系统还包括：入射端准直模块，被配置为对光束进行准直。
在一个实施例中，光学测量系统中心视场主光线在被测样品的表面的入射角的范围在40°到75°之间。
在一个实施例中，该入射角为65°。
在一个实施例中，在起偏器与检偏器之间的光路中安装有补偿器。
根据本公开的第三方面，提供了一种光学测量方法。该光学测量方法包括：a)发射光束；b)经由串列设置的第一小孔和第二小孔对光束进行调整；c)对经过调整的光束进行偏振以得到偏振光；d)将偏振光聚焦到被测样品表面；e)接收由被测样品反射的光束；f)检测反射的光束的偏振态；g)检测偏振态的变化，来实现对被测样品的检测，其中，第一小孔与第二小孔之间的轴向间距被设置为使得光束通过第一小孔和第二小孔而形成在被测样品表面的光斑的大小小于光束仅通过第一小孔而形成在被测样品表面的光斑的大小。
在一个实施例中，第一小孔和第二小孔之间的轴向间距L12满足以下关系：0.25*d1/NAobj<L12<0.75*d1/NAobj，其中d1为第一小孔的直径，NAobj为光学测量系统的入射端模块的物方数值孔径。
在一个实施例中，第二小孔的直径d2’满足以下关系：2.0*L12*NAobj<d2’<3.2*L12*NAobj。
在一个实施例中，在步骤b)之后和步骤c)之前还包括对光束进行准直。
附图说明
通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明。
图1示出了现有光学测量系统测量被测样品的原理示意图。
图2示出了根据本公开的一个实施例的光束调节模块的示意图。
图3示出了根据本公开的一个实施例的光学测量系统的示意图。
图4示出了根据本公开的一个实施例的光束调节模块控制被测样品表面测量光斑尺寸的原理示意图。
图5示出了根据本公开的一个实施例的光学测量系统的500nm处测量光斑在入射方向的强度分布图。
图6示出了根据本公开的另一个实施例的光学测量系统的350nm处测量光斑在入射方向的强度分布图。
图7示出了根据本公开的一个实施例的光学测量方法的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本公开实施例的原理。
下面将结合图1详细说明现有光学测量系统测量被测样品的原理示意图。
如图1所述，现有的光学测量系统中仅包括一个小孔21，光束通过小孔21进入光学系统25后，在被测样品20上生成宽度为29的光斑。小孔21的视场点22、23、24经过光学系统25后的像点为22’、23’、24’。由图1所示，像点22’和24’处的光线是散开的，并未精确聚焦，在测量系统光路大角度斜入射条件下，测量光斑在被测样品20的表面扩散严重，增大了被测样品20表面的光斑的大小。
下面将结合图2-4详细说明根据本公开的光束调节模块和包含该光束调节模块的光学测量系统及其工作原理。首先参考图2，图2示出了根据本公开的一个实施例的光束调节模块的示意图。
在图2所示的实施例中，光束调节模块1适用于现有的需要小孔的各种光学测量系统，例如，聚焦型光谱椭偏测量装置(SE)、光学关键尺寸(OCD)测量装置和光谱反射仪(SR)等。
总体上，光束调节模块1包括第一小孔21和第二小孔31。第一小孔21为成像小孔，使得通过其的光束被成像到被测样品的表面。第二小孔31起到对光束进行调整的作用。在一些实施例中，第一小孔21和第二小孔31例如可以为圆形。在其他实施例中，第一小孔21和第二小孔31例如可以为其他形状，这可以根据光束调节模块1所在的光学测量系统的类型和应用场合来确定。
在图2所示的实施例中，第一小孔21的直径为d1，第二小孔31的直径为d2’，d2’为沿光路中心视场主光线(光轴)为旋转轴，以第二小孔31的下边缘到光轴的垂轴距离为半径的有效“孔”的直径。第一小孔21和第二小孔31同轴布置，轴向间距为L12，假设光束调节模块1所在的光学测量系统的入射端模块的物方数值孔径为NAobj，则d1、L12、NAobj的需要满足以下关系：
0.25*d1/NAobj<L12<0.75*d1/NAobj。
在图2所示的实施例中，d2’、L12、NAobj的需要满足以下关系：
2.0*L12*NAobj<d2’<3.2*L12*NAobj。
通过上述设置，第二小孔31中可以通过的光束总量得到了限制，同时，光束的能量也被限定到能够满足测量所需的水平，从而实现了在不影响光学测量的前提下减小光斑的效果。
在一些实施例中，第二小孔31例如可以位于第一小孔21的后面。在其他实施例中，第二小孔31例如也可以位于第一小孔21的前面，这可以根据光束调节模块1所在的光学测量系统的类型和应用场合来确定。
在一些实施例中，光束调节模块1例如还包括第三小孔，该第三小孔与第二小孔31分别同轴设置在第一小孔21的前后。第一小孔21和第三小孔之间的轴向间距L13满足以下关系：
0.25*d1/NAobj<L13<0.75*d1/NAobj。
而第三小孔的直径d3’满足以下关系：
2.0*L13*NAobj<d3’<3.2*L13*NAobj。
图3示出了根据本公开的一个实施例的光学测量系统的示意图，其具有如图2所示的光束调节模块1。该光学测量系统2可用于聚焦型光谱椭偏测量装置(SE)、光学关键尺寸(OCD)测量装置和光谱反射仪(SR)等。
总体上，光学测量系统2包括光源11、光束调节模块1、起偏器12、聚焦物镜模块13、接收物镜模块14、检偏器15和探测器16。其中，光源11、光束调节模块1、起偏器12、聚焦物镜模块13同轴布置，接收物镜模块14、检偏器15和探测器16同轴布置。
在图3所示的实施例中，光源11用于发射光束。在一些实施例中，光源11例如可以包括单波段的激光。在其他实施例中，光源11例如可以包括其他类型的光源，例如宽波段的氙灯、氘灯等。在一些实施例中，光源11例如还可以包括对光束进行收集、聚焦的装置。最终，光源11发射的光束照亮光束调节模块1。
光束经过光束调节模块1的调节之后进入起偏器12。在起偏器12中，光束被偏振以得到线偏振光。在一些实施例中，起偏器12例如可以是光学测量领域中常用的起偏器。
线偏振光由聚焦物镜模块13聚焦成聚集光束，入射到被测样品20的表面，即为测量光束。在一些实施例中，聚焦物镜模块13例如可以是光学测量领域中常用的聚焦物镜。
光束调节模块1此时成像到被测样品20的表面，即为测量光斑，被测样品20的表面的成像光点的大小即为测量光斑的尺寸。测量光束经被测样品20的表面反射后，携带有被测样品20的表面信息的光束被接收物镜模块14接收。在一些实施例中，接收物镜模块14例如可以是光学测量领域中常用的接收物镜。
测量光束被准直成平行光后经过检偏器15，其对测量光束的偏振态进行检测。在一些实施例中，检偏器15例如可以是检偏棱镜单元。在其他实施例中，检偏器15例如也可以是其他类型的检偏器。
在经聚焦后，测量光束进入探测器16，其通过检测偏振态的变化，输出含有被测样品的表面结构信息的各波长原始信号，经过处理，最后得到被测样品的结构信息。在一些实施例中，探测器16例如可以是光谱仪。在其他实施例中，探测器16例如也可以是其他类型的探测装置。
通过上述光学测量装置，被测样品20的表面上的光斑可以通过光束调节模块1进行调节，提高了测量的精度。
在某些实施例中，光学测量系统2例如还可以在光束调节模块1和起偏器12之间包括入射端准直模块17，用于对光束进行准直。
在某些实施例中，光学测量系统2的中心视场主光线在被测样品表面的入射角的范围在40°到75°之间。在一些实施例中，入射角例如可以是65°。
在某些实施例中，光学测量系统2例如还可以在起偏器12与检偏器14之间的光路中安装有补偿器，以对光束进行补偿。
图4示出了根据本公开的一个实施例的光束调节模块控制被测样品表面测量光斑尺寸的原理示意图。
在图4所示的实施例中，光束调节模块1具有第一小孔21和第二小孔31。像方+1视场(24’)对应物方-1视场(24)，像方-1视场(22’)对应物方+1视场(22)。如图4所示，物方-1视场(24)主光线(点划线)下方的光束被第二小孔31遮挡，对应像方+1视场(24’)光束主光线(点划线)上方的斜入射散焦光束被遮挡。这样就减小了散焦光束在被测样品20表面的分布范围，减小了被测样品表面测量光斑的尺寸，光斑尺寸由图1的长度29变为图4的长度39。
另外，可以清楚的看到，第二小孔31起到控制测量光斑尺寸的主要为该小孔的下边缘，但是在其他的布局中，比如将图4中的被测样品改为使入射光束向右下方反射，则第二小孔31主要起控制光斑作用的部分就变成了上边缘。
下面结合图5-图6详细说明根据本公开的光学测量系统与传统的单小孔的光学测量系统之间的区别。其中，图5示出了根据本公开的一个实施例的光学测量系统的500nm处测量光斑在入射方向的强度分布图。图6示出了根据本公开的另一个实施例的光学测量系统的350nm处测量光斑在入射方向的强度分布图。
如图5所示，针对400～900nm的VIS-NIR波段，采用串列双小孔设计的光学测量系统，处理后得到的500nm波长下该系统测量光斑的测量光斑相对强度分布如图5中实线所示。保持其他条件不变，仅拆除第二小孔31，使上述光学测量系统变为普通单小孔设计，处理后得到的500nm波长下该系统测量光斑的测量光斑相对强度分布如图5中点虚线所示。对比两个结果可以看出，使用串列双小孔设计下，测量光斑尺寸约34μm，而单小孔的传统设计，测量光斑尺寸约58μm，串列双小孔设计的光束调节模块对于光学测量光斑的改善约24μm，约41.4％，控制作用明显。
如图6所示，针对180～400nm的DUV波段，采用串列双小孔设计的光学测量系统，处理后得到的350nm波长下该系统测量光斑的测量光斑相对强度分布如图6中实线所示。保持其他条件不变，仅拆除第二小孔31，使上述光学测量系统变为普通单小孔设计，处理后得到的350nm波长下该系统测量光斑的测量光斑相对强度分布如图6中点虚线所示。对比两个结果可以看出，使用串列双小孔设计下，测量光斑尺寸约39μm，而单小孔的传统设计，测量光斑尺寸约64μm，串列双小孔设计的光束调节模块对于光学测量光斑的改善约25μm，约39.1％，控制作用明显。
下面将结合图7详细说明根据本公开的光学测量方法的流程图。方法700中示出的光学测量方法可以由以上参考图3所描述的光学测量系统2执行。
在图7的实施例中，在705，发出光束。在一些实施例中，该光束例如可以为单波段的激光。在其他实施例中，该光束例如可以为宽波段的其他光，这可以根据光学测量系统的类型和应用场合来确定。
在710，经由串列设置的第一小孔和第二小孔对光束进行调整，第一小孔与第二小孔之间的轴向间距被设置为使得光束通过第一小孔和第二小孔而形成在被测样品表面的光斑的大小小于光束仅通过第一小孔而形成在被测样品表面的光斑的大小。
在一些实施例中，第一小孔和第二小孔之间的轴向间距L12满足以下关系：
0.25*d1/NAobj<L12<0.75*d1/NAobj，
其中d1为第一小孔的直径，NAobj为光学测量系统的入射端模块的物方数值孔径。
在一些实施例中，第二小孔的直径d2’满足以下关系：
2.0*L12*NAobj<d2’<3.2*L12*NAobj。
在720，对经过调整的光束进行偏振以得到偏振光。在一些实施例中，光束被偏振以得到线偏振光。
在725，将偏振光聚焦到被测样品表面。在此时，小孔被成像到被测样品的表面，即为测量光斑，被测样品表面成像光点的大小即为测量光斑的尺寸。
在730，接收由被测样品反射的光束。
在735，检测反射的光束的偏振态。
在740，检测偏振态的变化，来实现对被测样品的检测。在某些实施例中，例如可以通过检测偏振态的变化，输出含有被测样品的表面结构信息的各波长原始信号，经过处理，最后得到被测样品的结构信息。在其他实施例中，也可以采用其他类型的检测手段，这可以根据光学测量系统的类型和应用场合来确定。
通过上述步骤，测量光斑的尺寸被减小，同时，光束的能量也能够满足光学测量的要求。
在某些实施例中，步骤710之后和步骤720之前还包括对光束进行准直的步骤715。
根据本公开的实施例，通过利用两个或多个小孔的串列，控制通过光束调节模块的光束的大小，在保证光束能量满足测量要求的前提下，减小了测量光斑的大小。
虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论它是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。申请人据此告知，新的权利要求可以在本申请的审查过程中或由其衍生的任何进一步的申请中被制定成这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (13)

1.一种光束调节模块，包括：
第一小孔(21)，被配置为使得通过所述第一小孔(21)的光束被成像在被测样品表面；
第二小孔(31)，用于对通过所述第一小孔(21)的光束进行调整，所述第二小孔(31)沿所述第一小孔(21)的光轴与所述第一小孔(21)串列安装；
其中，所述第一小孔(21)与所述第二小孔(31)之间的轴向间距L12被设置为使得光束通过所述光束调节模块而形成在所述被测样品表面的光斑的大小小于所述光束仅通过所述第一小孔(21)而形成在所述被测样品表面的光斑的大小。
2.根据权利要求1所述的光束调节模块，其中所述轴向间距L12满足以下关系：
0.25*d1/NAobj<L12<0.75*d1/NAobj，
其中d1为所述第一小孔(21)的直径，NAobj为所述光束调节模块所在的光学测量系统的入射端模块的物方数值孔径。
3.根据权利要求1所述的光束调节模块，其中，所述第二小孔(31)的直径d2’满足以下关系：
2.0*L12*NAobj<d2’<3.2*L12*NAobj。
4.根据权利要求1所述的光束调节模块，还包括第三小孔，所述第三小孔与所述第二小孔(31)分别同轴地设置于所述第一小孔(21)的前后，所述第一小孔(21)和所述第三小孔之间的轴向间距L13满足以下关系：
0.25*d1/NAobj<L13<0.75*d1/NAobj，
所述第三小孔的直径d3’满足以下关系：
2.0*L13*NAobj<d3’<3.2*L13*NAobj。
5.一种光学测量系统，包括：
光源(11)，被配置为发射光束；
起偏器(12)，被配置为对所述光束进行偏振以得到偏振光；
聚焦物镜模块(13)，被配置为将所述偏振光聚焦到被测样品的表面；
接收物镜模块(14)，被配置为接收由所述被测样品反射的光束；
检偏器(15)，被配置为检测所述反射的光束的偏振态；
探测器(16)，被配置为通过检测所述偏振态的变化，来实现对所述被测样品的检测；以及
如权利要求1-3中任一项所述的光束调节模块，所述光束调节模块位于所述光源(11)与所述起偏器(12)之间。
6.根据权利要求5所述的光学测量系统，还包括：
入射端准直模块(17)，被配置为对所述光束进行准直。
7.根据权利要求5所述的光学测量系统，所述光学测量系统中心视场主光线在所述被测样品的表面的入射角的范围在40°到75°之间。
8.根据权利要求7所述的光学测量系统，所述入射角为65°。
9.根据权利要求5所述的光学测量系统，在所述起偏器(12)与所述检偏器(15)之间的光路中安装有补偿器。
10.一种光学测量方法，包括：
a)发射光束；
b)经由串列设置的第一小孔和第二小孔对所述光束进行调整；
c)对经过调整的所述光束进行偏振以得到偏振光；
d)将所述偏振光聚焦到被测样品表面；
e)接收由所述被测样品反射的光束；
f)检测所述反射的光束的偏振态；
g)检测所述偏振态的变化，来实现对所述被测样品的检测，
其中，所述第一小孔与所述第二小孔之间的轴向间距L12被设置为使得所述光束通过所述第一小孔和所述第二小孔而形成在所述被测样品的表面的光斑的大小小于所述光束仅通过所述第一小孔而形成在所述被测样品的表面的光斑的大小。
11.根据权利要求10所述的光学测量方法，其中，所述第一小孔和所述第二小孔之间的轴向间距L12满足以下关系：
0.25*d1/NAobj<L12<0.75*d1/NAobj，
其中d1为所述第一小孔的直径，NAobj为光学测量系统的入射端模块的物方数值孔径。
12.根据权利要求10所述的光学测量方法，其中，所述第二小孔的直径d2’满足以下关系：
2.0*L12*NAobj<d2’<3.2*L12*NAobj。
13.根据权利要求10所述的光学测量方法，在步骤b)之后和步骤c)之前还包括对所述光束进行准直。
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