CN210089643U - 用于测量三维形貌的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于测量三维形貌的测量装置，其包括：样品载台，用于承载样品，所述样品载台能够旋转及移动；第一测量组件，用于实现第一测量方法；第二测量组件，用于实现第二测量方法；处理器，用于存储理论光谱数据库、根据所述第一测量组件的测量结果获得所述样品的测量区域的第一类型参数、根据所述第二测量组件的测量结果获得所述样品的测量区域的测量光谱、及将所述测量光谱与所述第一类型参数对应的理论光谱进行匹配，获得所述样品的测量区域的轮廓参数，进而得到所述样品的测量区域的三维形貌。其优点在于，实现对样品的三维形貌的精确快速的测量。

Description

用于测量三维形貌的测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，尤其涉及一种用于测量三维形貌的测量装置。

背景技术

目前，采用光学关键尺寸测量(OCD，Optical Critical Dimension)技术对样品的三维形貌进行测量。所述光学关键尺寸测量技术主要是基于薄膜厚度的测量，利用椭圆偏振光的反射获得样品的微观形貌。

光学关键尺寸测量技术的优点在于：1.采用光学方法进行测量，速度快，有利于提升输出速度(through put)；2.可通过建立数据库(library)的方式实现对工艺的长时间稳定性监控测量；3.收集到的光谱方便线下分析。但是，其也具有缺点：1.对于深宽比很大的结构，关键尺寸(CD)测量精度较差，即对深宽比大的结构的关键尺寸(CD)测量有一定的局限性；2.对于较薄的薄膜层或者多层薄膜层交叠设置的结构(薄膜层之间会干涉)的三维形貌测量的灵敏度低；3.建立测量模型需要较长的时间。

因此，亟需一种三维形貌的测量方法及装置能够克服上述的缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种用于测量三维形貌的测量装置，其能够实现对样品的三维形貌的精确快速的测量。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种用于测量三维形貌的测量装置，其包括：样品载台，用于承载样品，所述样品载台能够旋转及移动；第一测量组件，用于实现第一测量方法；第二测量组件，用于实现第二测量方法；处理器，用于存储理论光谱数据库、根据所述第一测量组件的测量结果获得所述样品的测量区域的第一类型参数、根据所述第二测量组件的测量结果获得所述样品的测量区域的测量光谱、及将所述测量光谱与所述第一类型参数对应的理论光谱进行匹配，获得所述样品的测量区域的轮廓参数，进而得到所述样品的测量区域的三维形貌。

进一步，所述第一测量方法为X射线成像方法，所述第一测量组件包括：X射线源，设置在所述样品载台的上方，用于产生入射至样品的测量区域的X射线；至少一X射线透射光接收器，设置在所述样品的测量区域的下方，用于接收透过所述样品的X射线，并将其转换为电信号，所述电信号传递至所述处理器，所述处理器根据所述电信号获得所述样品的测量区域的第一类型参数。

进一步，所述样品载台包括卡盘及基座，所述卡盘设置在所述基座上，所述卡盘用于放置样品，所述X射线透射光接收器设置在所述基座上，且所述X射线透射光接收器与所述样品不接触。

进一步，所述X射线透射光接收器包括灵敏度不同的多个能量接收区。

进一步，所述第二测量方法为光学关键尺寸测量方法，所述第二测量组件包括：光源，设置在所述样品载台上方，用于产生入射至样品的测量区域的椭圆线偏振光；探测器，用于接收并检测所述样品的反射光的光强，并将其转换为电信号，传递给所述处理器，所述处理器根据所述电信号获得所述样品的测量区域的测量光谱。

本实用新型的优点在于，两种测量方法结合而实现对样品的三维形貌的精确快速的测量。

附图说明

图1是本实用新型三维形貌的测量方法的一具体实施方式的步骤示意图；

图2是采用本实用新型三维形貌的测量方法进行测量的样品的结构示意简图；

图3是本实用新型测量装置的一个具体实施方式的结构示意简图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的用于测量三维形貌的测量装置的具体实施方式做详细说明。

本实用新型三维形貌的测量方法的一具体实施方式以光学关键尺寸测量方法为基础，结合X射线成像方法，得到样品的三维形貌。

光学关键尺寸测量方法(OCD)的基本工作原理可描述为：(1)建立与样品模型的轮廓结构相对应的理论光谱数据库；(2)通过光学关键尺寸测量设备获得样品的测量光谱；(3)从理论光谱数据库中寻找与测量光谱最佳匹配的特征光谱，从而确定该样品的轮廓参数。采用光学关键尺寸测量方法测量样品三维形貌，其缺点在于：(1)对于深宽比较大的结构，CD测量精度较差；(2)对于较薄膜层的灵敏度较低。

鉴于光学关键尺寸测量方法的上述缺点，发明人发现，采用光学关键尺寸测量方法测量样品的测量光谱，采用其他方法测量样品的CD，再将CD作为已知值与测量光谱共同作为参照点从理论光谱数据库中寻找与测量光谱最佳匹配的特征光谱，能够在保证测量效率的同时提高测量精度。其中CD是Critical Dimension的英文缩写，中文简称是关键尺寸。在集成电路光掩模制造及光刻工艺中，CD是为了评估图形处理精度，反映集成电路特征线条宽度的参数。例如CD为线宽或者开口的宽度。

图1是本实用新型三维形貌的测量方法的一具体实施方式的步骤示意图，

图2是采用本实用新型三维形貌的测量方法进行测量的样品的结构示意简图，其中，所述样品30具有多层介质层，在图2中示意性地绘示第一介质层32及第二介质层33，在工艺制程中，在所述第一介质层32及第二介质层33中形成开孔31。

请参阅图1及图2，所述三维形貌的测量方法包括如下步骤：

步骤S10，建立与样品模型的轮廓结构相对应的理论光谱数据库，所述理论光谱数据库包括样品模型的轮廓参数及与所述轮廓参数对应的理论光谱。

在本步骤中，可通过建模的方法建立与样品模型的轮廓结构相对应的理论光谱数据库。具体地说，根据工艺制程的结构信息构建样品模型，所述结构信息包括但不限于膜层叠层信息、几何形状信息及膜层光学性能等；采用数值计算等方法计算该样品模型对应的理论光谱。

所述轮廓参数包括但不限于样品模型在测量区域的CD(开口宽度或线宽)、侧壁角、深度、膜层高度中的一种或多种。在本具体实施方式中，所述轮廓参数包括样品模型在测量区域的开口31的宽度W、侧壁角α、深度D、第一介质层32高度H1及第二介质层33的高度H2。

步骤S11，采用第一测量方法对样品的测量区域进行测量，获得样品在所述测量区域的第一类型参数，所述第一类型参数为所述轮廓参数中的一个参数。

在本实用新型中，采用对第一类型参数测量精度高的测量方法获得所述第一类型参数。在本具体实施方式中，所述第一测量方法为X射线成像方法。所述X射线成像方法对深宽比大的结构的CD测量精确度高，且有较强的密度分辨率。所述第一类型参数为CD，在本具体实施方式中，所述CD为开口31的宽度W。

采用所述X射线成像方法对样品的测量区域C进行测量的步骤如下：

(a)X射线入射至所述样品30的测量区域C。其中，所述样品30的测量区域C位于X射线的入射范围之内，或者所述X射线源形成的入射斑即为所述样品30的测量区域C。

所述测量区域C的设置可根据实际情况设置。例如，对于一个样品，其可包括多个测量点，每一个测量点均可作为一个测量区域。若多个测量点均需要进行测量，则可在对一个测量点进行测量后，在采用本实用新型的测量方法对下一个测量点进行测量，若仅有一个测量点需要测量，则可仅对该测量点进行测量，其他测量点忽略。

进一步，在本具体实施方式中，X射线沿垂直所述样品表面的方向入射至所述样品30，即X射线以垂直角度入射至样品30表面，其能够提高垂直方向透射强度，有利于提升信号的敏感度。

(b)检测穿过所述样品的测量区域的X射线，并转换为所述样品的测量区域的第一类型参数。

X射线入射至样品的测量区域后，其会穿透所述样品，在该步骤中，检测穿透所述样品的X射线，并根据该透过的X射线的能量，获得所述样品的测量区域的第一类型参数。

在该步骤S11中，在一个测量区域获得的第一类型参数可能包含多个，则取多个第一类型参数的平均值作为该步骤中获得的第一类型参数。

步骤S12，采用第二测量方法对所述样品的测量区域C进行测量，获得样品在所述测量区域C的测量光谱。

在该步骤中，通过光学测量的方法获得所述测量光谱。在本具体实施方式中，所述第二测量方法为光学关键尺寸测量方法。

采用所述光学关键尺寸测量方法对样品的测量区域C进行测量的步骤如下：

(a)椭圆偏振光入射至所述样品的测量区域C，所述椭圆偏振光被样品反射，形成反射光。

所述测量区域C与步骤S11中的测量区域C相同。进一步，所述椭圆偏振光以预设的倾角入射至所述样品的测量区域C。优选地，椭圆偏振光在所述样品的布鲁斯特角的方向入射至所述样品30的测量区域C，以使得所述反射光为线偏振光，且其振动方向与入射面垂直。

(b)采集所述反射光，获得所述样品的测量区域C的测量光谱。

在该步骤中，采集所述反射光，并获得所述反射光的光强，从而可获得所述样品的测量区域C的测量光谱。

步骤S13，从所述理论光谱数据库获取与步骤S11获得的第一类型参数对应的理论光谱。

在该步骤中，将步骤S11获得的第一类型参数作为已知参数，自所述理论光谱数据库中寻找与该第一类型参数对应的理论光谱。其中，受到轮廓参数中的其他参数的影响，与该已知的第一类型参数对应的理论光谱的数量可能为多个，则在该步骤中，将给多个理论光谱均作为后续步骤的参考光谱。

步骤S14，将步骤S12中获得的测量光谱与步骤S13中获取的理论光谱进行匹配，将匹配度最高的理论光谱作为样品的测量区域的特征光谱，该特征光谱所对应的轮廓参数即为所述样品的轮廓参数。

在步骤S13中获得的理论光谱可能为多个，则在该步骤S14中，在该多个理论光谱中获得与所述测量光谱最匹配的理论光谱。在该步骤中，可根据所述测量光谱与所述理论光谱的特征值进行匹配，所述特征值包括但不限于峰位及峰宽。

其中，得到所述样品的轮廓参数即可获得所述样品的三维形貌。进一步，在获得所述样品的轮廓参数后，还可根据所述轮廓参数得到所述样品的三维形貌模拟图。

进一步，若样品被分为多个测量区域，则所述测量方法进一步包括如下步骤：移动样品，改变样品的测量区域C，并重复步骤S11～步骤S14。具体地说，在X方向、Y方向或者Z方向移动样品，将样品已经完成测量的区域移至第一测量方法及第二测量方法的非测量范围内，样品未进行过测量的测量区域移动至第一测量方法及第二测量方法的测量范围之内。

光学关键尺寸测量方法测量速度快、光谱易于储存分析，并且有成熟的技术及分析方法，但是该方法对深宽比大的结构的线宽参数测量有一定的局限性；X射线由于其穿透性强，对深宽比较大的结构的线宽参数测量有较好的精确度，但其测量速度慢，测量环境要求高。在本具体实施方式中，采用X射线成像方法测量样品的CD参数，而采用光学关键尺寸测量方法测量的光谱，再将CD参数与光谱共同作为参照点从理论光谱数据库中寻找与测量光谱最佳匹配的特征光谱，能够在保证测量效率的同时提高测量精度，获得样品的三维形貌，该测量方法克服了光学关键尺寸测量方法对CD测量精度差的缺点，同时也避免了X射线成像方法测量速度慢，测量环境要求高的缺点，能够实现对样品的三维形貌的精确快速的测量。

本实用新型还提供一种实现上述的测量方法的测量装置。图3是本实用新型测量装置的一个具体实施方式的结构示意简图。请参阅图3，所述测量装置包括样品载台20、第一测量组件21、第二测量组件22及处理器23。在图3中采用虚线箭头示意性地绘示所述第一测量组件21的测量路径，采用实线箭头示意性地绘示第二测量组件22的测量路径。

所述样品载台20用于承载样品30。在本具体实施方式中，所述样品载台20包括卡盘201及基座202。所述卡盘201设置在所述基座202上，所述卡盘201用于放置样品30。所述样品30放置在所述卡盘201上后，所述样品30与所述基座202的表面不接触，即所述样品30悬空于所述基座202上方。

所述样品载台20能够移动及旋转，以带动样品30移动及旋转，从而便于测量组件对所述样品30进行测量。具体地说，所述样品载台20能够在X方向、Y方向及Z方向移动，且能够以垂直所述样品30的轴为转轴而转动，进而带动设置在所述样品载台20上的样品30移动及旋转。

所述第一测量组件21用于实现第一测量方法。在本具体实施方式中，所述第一测量方法为X射线成像方法，所述第一测量组件21用于实现X射线成像方法对样品30的测量。所述第一测量组件21包括X射线源210及至少一X射线透射光接收器211。

所述X射线源210设置在所述样品载台20的上方，用于发射入射至样品30的X射线。优选地，所述X射线源210沿垂直所述样品30的表面的方向设置在所述样品载台20的上方，即所述X射线源210沿垂直所述样品30的表面的方向设置在所述样品30的正上方，以保证其发射的X射线能够垂直入射至样品30的测量区域C。

所述X射线透射光接收器211设置在所述样品30的测量区域C的下方，用于接收透过所述样品30的X射线，并将其转换为电信号，所述电信号传递至所述处理器23，所述处理器23根据所述电信号获得所述样品的测量区域C的第一类型参数。在本具体实施方式中，所述处理器23根据所述电信号获得所述样品的测量区域C的CD。

在本具体实施方式中，所述X射线透射光接收器211设置在所述基座202上，且所述X射线透射光接收器211与所述样品30不接触。进一步，所述X射线透射光接收器211包括灵敏度不同的多个能量接收区，多个所述能量接收区以一定的能量步长递增排列，以增加所述X射线透射光接收器211的灵敏度。例如，若判断在测量区域透过所述样品的X射线能量范围为90ev-110ev，则每2ev作为一个步长，那么我们需要10个能量接收区接收该能量范围的信号，这样有利于设定接收信号的能量范围，能够提高信号的敏感度。进一步，所述X射线透射光接收器211包括但不限于光传感器。

所述第二测量组件22用于实现第二测量方法。在本具体实施方式中，所述第二测量方法为光学关键尺寸测量方法，所述第二测量组件22能够实现光学关键尺寸测量方法对样品30的测量。所述第二测量组件22包括光源220及探测器221。

所述光源220设置在所述样品载台20上方，用于产生入射至样品30的线偏振光。在本具体实施方式中，所述光源220可经过一偏振器222，所述偏振器222内置rochon棱镜等光学器件产生椭圆偏振光。所述光源220发射的椭圆偏振光经所述样品30反射后形成一反射光。在本具体实施方式中，所述光源220设置在所述样品30的布鲁斯特角的方向，以使得所述反射光为线偏振光，且其振动方向与入射面垂直。

进一步，所述光源220可上下移动，以改变其入射至所述样品上的入射角，从而可根据实际量测需求，选择合适的入射角度。

所述探测器221用于接收并检测所述样品30的反射光的光强，并将其转换为电信号，该电信号传递给所述处理器23，所述处理器23根据所述电信号获得所述样品的测量区域C的测量光谱。

进一步，所述探测器221之前还包括一检偏器223，所述检偏器223用于收取特定偏振方向的偏振光。

所述处理器23用于存储理论光谱数据库、根据所述第一测量组件21的测量结果获得所述样品的测量区域的第一类型参数、根据所述第二测量组件22的测量结果获得所述样品的测量区域的测量光谱、及将所述测量光谱与所述第一类型参数对应的理论光谱进行匹配，获得所述样品的测量区域的轮廓参数，进而得到所述样品的测量区域的三维形貌。

进一步，在本具体实施方式中，所述处理器23为现有技术中光学关键尺寸测量方法所使用的处理器。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于测量三维形貌的测量装置，其特征在于，包括：

样品载台，用于承载样品，所述样品载台能够旋转及移动；

第一测量组件；

第二测量组件；

处理器，用于存储理论光谱数据库、根据所述第一测量组件的测量结果获得所述样品的测量区域的第一类型参数、根据所述第二测量组件的测量结果获得所述样品的测量区域的测量光谱、及将所述测量光谱与所述第一类型参数对应的理论光谱进行匹配，获得所述样品的测量区域的轮廓参数，进而得到所述样品的测量区域的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的用于测量三维形貌的测量装置，其特征在于，所述第一测量组件包括：

X射线源，设置在所述样品载台的上方，用于产生入射至样品的测量区域的X射线；

至少一X射线透射光接收器，设置在所述样品的测量区域的下方，用于接收透过所述样品的X射线，并将其转换为电信号，所述电信号传递至所述处理器，所述处理器根据所述电信号获得所述样品的测量区域的第一类型参数。

3.根据权利要求2所述的用于测量三维形貌的测量装置，其特征在于，所述样品载台包括卡盘及基座，所述卡盘设置在所述基座上，所述卡盘用于放置样品，所述X射线透射光接收器设置在所述基座上，且所述X射线透射光接收器与所述样品不接触。

4.根据权利要求2所述的用于测量三维形貌的测量装置，其特征在于，所述X射线透射光接收器包括灵敏度不同的多个能量接收区。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的用于测量三维形貌的测量装置，其特征在于，所述第二测量组件包括：

光源，设置在所述样品载台上方，用于产生入射至样品的测量区域的椭圆线偏振光；

探测器，用于接收并检测所述样品的反射光的光强，并将其转换为电信号，传递给所述处理器，所述处理器根据所述电信号获得所述样品的测量区域的测量光谱。

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