CN117760978A - 一种样件光学参数测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种样件光学参数测量方法及测量系统，包括：步骤1，构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成；步骤2，基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱；步骤3，设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱；步骤4，计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行步骤3和步骤4，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。针对在实际在整个椭偏量测设备统采集的数据中存在非理想的数据，本发明提供了一种非理想模型，能够有效改善待测样件的拟合结果。

Description

一种样件光学参数测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及光学/材料领域的光谱测量，更具体地，涉及一种样件光学参数测量方法及测量系统。

背景技术

在半导体行业中，对光学关键尺度(OCD)的测量以及精细结构膜厚的测量，直接关系到生产样品的精度以及良率。椭偏仪因其非接触、无破坏、快速、高精度等优点，被广泛应用于半导体工艺监测。

参见图1，椭偏仪的基本配置包括：光源1，起偏器2，旋转电机3，补偿器4，待测样品5，补偿器6，旋转电机7，检偏器8以及光谱仪9。

椭偏仪的系统校准与测量的基本原理过程为：

1、自然光通过偏振片以及(旋转)波片后得到偏振光；

2、偏振光经过标准样品材料的反射或者透射得到的新的偏振光；

3、新的偏振光经过检偏臂的(旋转)波片、检偏片后得到变化的光强信息；

4、对测量光强变化信息进行处理，得到系统参数。

5、测量待测样件的光强信息，对测量光强进行归一化处理。

6、利用系统参数与待测样件的归一化光强拟计算得到样件的穆勒矩阵。

7、利用计算的样件穆勒矩阵与仿真的穆勒矩阵迭代得到样件的膜厚以及复折射率等信息。

但在实际测量过程中，实际测量的穆勒矩阵并非理想情况的值，比如，带宽、发散角和膜厚等并不是理想状态，会对最终获取的样件参数造成影响。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种样件光学参数测量方法及测量系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种样件光学参数测量方法，包括：

步骤1，构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成；

步骤2，基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱；

步骤3，设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱；

步骤4，计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行步骤3和步骤4，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，多个所述非理想参数包括带宽、入射角和膜厚，所述非理想参数对应的概率函数包括但不限于等权函数，线性函数和高斯函数。

可选的，所述非理想光学模型的表达式为：

其中，Mueller为理论光谱，N为复折射率，Thk为膜厚，Angle为入射角，Wvl为波长，BW为带宽，Angle_V为角度变化范围，Thk_V为膜厚变化范围，W_Wvl为波长概率函数，W_Thk为膜厚概率函数，W_Angle为入射角概率函数。

可选的，所述步骤3，设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱，包括：

分别设定带宽BW、角度变化范围Angle_V、膜厚Thk和膜厚变化范围Thk_V的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱。

可选的，所述步骤5中获取待测样件的光学参数包括待测样件的膜厚Thk、复折射率N和带宽BW。

根据本发明的第二方面，提供一种样件光学参数测量系统，包括：

构建模块，用于构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成；

获取模块，用于基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱；

第一计算模块，用于设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱；

第二计算模块，用于计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行第一计算模块和第二计算模块，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。

本发明提供的一种样件光学参数测量方法及测量系统，针对在实际在整个椭偏量测设备统采集的数据中存在非理想的数据，本发明提供了一种非理想模型，能够有效改善待测样件的拟合结果。

附图说明

图1为椭偏仪量测设备的结构示意图；

图2为本发明提供的一种样件光学参数测量方法流程图；

图3为本发明提供的一种样件光学参数测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图2为本发明提供的一种样件光学参数测量方法流程图，如图2所示，方法包括：

步骤1，构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成。

可理解的是，考虑实际测量的穆勒矩阵并非理想情况的值，因此在光学建模上添加了不同的非理想参数以及概率分布函数，非理想参数主要包括带宽、入射角和膜厚，会影响最终测量样件参数的准确性。其中，带宽是因为光谱仪等椭偏量测设备上会接收到不同波长的光强信号所以实际上是一个波长范围的信号发散角是因为入射光并不是完全的平行光会存在不同角度偏差，厚度不均匀是因为样件本身不同点位的厚度会有差异而入射光是一个范围光所以会包含不同厚度的信号。因此，本发明重新构建基于非理想参数的非理想光学模型。

其中，原始仿真穆勒矩阵为：

Mueller＝Func(N,Thk,Angle,Wvl) (1)；

当添加非理想情况下的仿真穆勒，得到非理想光学模型为：

其中N为复折射率，Thk为膜厚，Angle为入射角，Wvl为波长，BW为带宽，Angle_V为角度变化范围，Thk_V为膜厚变化范围，W_Wvl为波长概率函数，W_Thk为膜厚概率函数，W_Angle为入射角概率函数。其中W_Wvl、W_Thk和W_Angle概率函数包括但不限于等权函数，高斯函数，线性函数等。

其中，多个非理想参数主要包括带宽、入射角和膜厚以及Angle_V为角度变化范围，Thk_V为膜厚变化范围等。

步骤2，基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱。

步骤3，设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱。

可理解的是，在基于非理想光学模型计算理论光谱的过程中，首先，分别设定带宽BW、角度变化范围Angle_V、膜厚Thk和膜厚变化范围Thk_V的初值，基于上述式(2)的非理想光学模型计算对应的理论光谱。

步骤4，计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行步骤3和步骤4，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。

可理解的是，计算基于非理想光学模型计算的理论光谱与测量穆勒矩阵光谱之间的差异，如果差异小于预设阈值，表示此时的待测样件的参数是准确的，直接获取待测样件的参数，主要包括待测样件的膜厚、复折射率等。

如果差异大于预设阈值，则需要调整非理想光学模型中的多个非理想参数，主要是调整带宽BW、角度变化范围Angle_V、膜厚Thk和膜厚变化范围Thk_V的值，调整多个非理想参数后，重新基于非理想光学模型计算对应的理论光谱，并重新计算理论光谱和测量穆勒矩阵光谱之间的差异。重复调整多个非理想参数，直到计算出的理论光谱与测量穆勒矩阵光谱之间的差异小于预设阈值，停止迭代，获取此时待测样件的参数，包括膜厚和复折射率。

其中，步骤4中的拟合迭代实现方法包括但不限于遍历法、全局优化方法(如粒子群算法、蚁群算法等)和局部优化算法(如Levenberg-Marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法等)。在基于式(2)的非理想光学模型积分计算理论光学的过程中，为了减少仿真时间，也可以采用离散形式进行近似仿真。

参见图3，本发明提供了一种样件光学参数测量系统，该系统包括构建模块301、获取模块302、第一计算模块303和第二计算模块304，其中：

构建模块301，用于构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成；

获取模块302，用于基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱；

第一计算模块303，用于设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱；

第二计算模块304，用于计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行第一计算模块和第二计算模块，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。

可以理解的是，本发明提供的一种样件光学参数测量系统与前述各实施例提供的样件光学参数测量方法相对应，样件光学参数测量系统的相关技术特征可参考样件光学参数测量方法的相关技术特征，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种样件光学参数测量方法及测量系统，考虑实际测量的穆勒矩阵并非理想情况的值，因此在光学建模上添加了不同的非理想参数以及概率分布函数，基于非理想光学模型迭代待测样件的膜厚和折射率等，能够准确获取待测样件参数。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本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 (6)

1.一种样件光学参数测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成；

步骤2，基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱；

步骤3，设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱；

步骤4，计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行步骤3和步骤4，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。

2.根据权利要求1所述的样件光学参数测量方法，其特征在于，多个所述非理想参数包括带宽、入射角和膜厚，所述非理想参数对应的概率函数包括但不限于等权函数，线性函数和高斯函数。

3.根据权利要求1或2所述的样件光学参数测量方法，其特征在于，所述非理想光学模型的表达式为：

其中，Mueller为理论光谱，N为复折射率，Thk为膜厚，Angle为入射角，Wvl为波长，BW为带宽，Angle_V为角度变化范围，Thk_V为膜厚变化范围，W_Wvl为波长概率函数，W_Thk为膜厚概率函数，W_Angle为入射角概率函数。

4.根据权利要求3所述的样件光学参数测量方法，其特征在于，所述步骤3，设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱，包括：

分别设定带宽BW、角度变化范围Angle_V、膜厚Thk和膜厚变化范围Thk_V的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱。

5.根据权利要求4所述的样件光学参数测量方法，其特征在于，所述步骤5中获取待测样件的光学参数包括待测样件的膜厚Thk、复折射率N和带宽BW。

6.一种样件光学参数测量系统，其特征在于，包括：

构建模块，用于构建椭偏量测设备的非理想光学模型，所述非理想光学模型为根据多个非理想参数和对应的概率函数构建而成；

获取模块，用于基于椭偏量测设备获取待测样件的测量穆勒矩阵光谱；

第一计算模块，用于设定多个非理想参数的初值，基于所述非理想光学模型计算对应的理论光谱；

第二计算模块，用于计算所述理论光谱与所述测量穆勒矩阵光谱之间的差异，若所述差异大于预设阈值，则调整多个非理想参数，重复执行第一计算模块和第二计算模块，直到所述差异小于等于预设阈值，获取待测样件的光学参数。