TWI392861B - 散射光學量測方法與裝置 - Google Patents

Description

散射光學量測方法與裝置

本發明係有關一種光學量測技術，尤其是指一種可以改變光線投射至物體之角度之散射光學量測方法與裝置。

先進製程控制要能線上檢測(in-situ)控制之參數，並將此參數之檢測結果回授調整製程參數，以提高生產良率。目前半導體製造的特徵線寬(future size)已經進步到65nm，此尺寸已經小於光學繞射極限，傳統光學顯微鏡無法清楚成像很難做到先進製程控制的要求。雖然掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)及原子力顯微鏡(atornic force microscope, AFM)的解析能力皆可達到此需求，但是由於SEM之電子束會使得樣品表面累積電荷而破壞樣品。並且SEM只可檢測到表層結構而無法檢測到內層結構。而AFM最大的問題在於檢測速度過慢，無法使用於線上檢測，同樣的AFM也只能檢測表面結構，而無法檢測內層結構。

而散射術本質為光學式非接觸式檢測技術，且具有優於光學繞射極限的解析能力，經由演算法回歸計算可得出樣品多層結構，檢測速度亦適合進行線上檢測。散射術為新一代半導體先進製程控制檢測技術的重要選項之一，目前也已經有部分半導體廠商將散射術應用於線上檢測。

在習用技術之散射檢測技術中，例如：美國國家標準 實驗室(NIST)之H. J. Patrick, R. Attota, B. M. Barnes, et al. "Scatterfield Microscopy Using Back Focal Plane Imaging with an Engineered Illumination Field," Proc. of SPIE, vol.6152 , 61520J (2006)。該技術架構如圖一所示，此系統1使用亮場顯微鏡架構，並且有一片光罩10。此光罩經由中繼(relay)系統11成像在物鏡12的背焦面上。藉由精密的控制機構來控制光罩11的移動，改變照明光13入射的角度，再藉由影像擷取裝置14紀錄不同角度的散射光。

此外，又如美國專利US 7,061,623 B2所揭露之一種檢測裝置，在該技術中採用一干涉顯微鏡架構，藉由精密的機構控制位置改變樣品位置或是改變參考面位置，選擇所需要的入射光照明於樣品上，其他的光由於破壞性干涉並不會照射於樣品。此案主要技術在於使用干涉架構選擇不同的角度入射，並且可由干涉架構記錄特定角度的反射光。

本發明提供一種散射光學量測方法與裝置，其係將散射術整合到亮場顯微鏡中，使得散射光學檢測與製程設備整合更簡易且具有簡單穩定之架構，以提昇檢測流程規劃之方便性。

本發明提供一種散射光學量測方法與裝置，其係簡化散射儀架構，其係以空間光調制器調變相位配合固定之光學成像系統，控制光點以不同入射角照射至待測樣品，以 避免運動機構的設置，減少精密位置控制的需求，並且具有穩定及簡單之架構以易於與其他製程設備整合。

在一實施例中，本發明提供一種散射光學量測裝置，包括：一光源模組，其係可提供一光場；一物鏡組，其係具有一背焦面，該物鏡組係設置於一待測物之一側；一空間光調制器，其係對該光場之一光學特徵進行調制以形成一第一光束聚焦於該背焦面上，該第一光束經由該物鏡組投射於該待測物上以形成一第二光束聚焦於該背焦面上；以及一陣列偵測裝置，其係記錄該背焦面上對應該第二光束之光學影像。

在另一實施例中，本發明提供一種散射光學量測方法，其係包括有下列步驟：提供一光場；調制該光場之一光學特徵，使該光場聚焦於一物鏡組之背焦面上以形成一第一光束；使該第一光束投射於一待測物上以形成一第二光束聚焦於該背焦面上；記錄該背焦面上對應該第二光束之光學影像；以及改變該第一光束聚焦於該背焦面上之位置。

為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得　審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：請參閱圖二所示，該圖係為本發明之散射光學量測方 法流程示意圖。該方法2係包括有下列步驟，首先進行步驟20提供一光場。在一實施例中，更可以將該光場進行準直以及偏極化的調制動作，使得該光場形成一準直之線性偏極光。接下來進行步驟21，調制該光場之一光學特徵，使該光場聚焦於一物鏡組之背焦面上以形成一第一光束。步驟21中所謂之光學特徵係指該光場之振幅、相位或者是前述兩者的組合。接著進行步驟22，使該第一光束投射於一待測物上以形成一第二光束聚焦於該背焦面上。然後進行步驟23，記錄該背焦面上對應該第二光束之光學影像。最後透過步驟24改變該第一光束聚焦於該背焦面上之位置。

由於散射術量測表面形貌的原理為，使用單波長或不同波長的光，由不同角度入射，經由待測物散射出來，將0階或高階的繞射光記錄下來。依據不同角度入射得到0階或高階繞射光強度，或是不同波長得到的0階或高階繞射光強度所形成圖譜，經由資料庫比對或是電磁方程式反解運算，估算出樣品形貌之參數。所示，藉由步驟23與24之反覆執行，以完整記錄關於該待測物上之特定位置於該背焦面上之完整影像資訊，以作為估算樣品形貌之參數。

請參閱圖三所示，該圖係為本發明之散射光學量測裝置實施例示意圖。該裝置3包括有一光源模組30、一物鏡組31、一空間光調制器32以及一陣列偵測裝置33。該光源模組30係可提供一光場91，在本實施例中，該光源模組30係可選擇為雷射光模組或者是發光二極體發光模組，但不以此為限。該物鏡組31，其係具有一背焦面310， 該物鏡組31係設置於一待測物90之一側。該空間光調制器32，其係對該光場91之一光學特徵進行調制以形成一第一光束92聚焦於該背焦面310上，該第一光92束經由該物鏡組31投射於該待測物90上以形成一第二光束93聚焦於該背焦面310上。在本實施例中，該空間光調制器32(Spatial Light Modulator, SLM)係為液晶調制元件(liquid crystal modulator)，例如：HOLOEYE公司所售之商業產品LC-R系列的空間光調制器。

在本實施例中，該光源模組30與該空間光調制器32間更可以設置有一透鏡組34以及一第一分光元件35。該透鏡組34主要是用來準直化該光場91。而該第一分光元件35係將準直化之光場分光至該空間光調制器32上。此外，在透鏡組34與該第一分光元件35間更具有一偏光元件36，其係偏極化被準直的光場。在本實施例中，該偏光元件36係為一線性偏光元件。該陣列偵測裝置33，其係記錄該背焦面310上對應該第二光束之光學影像，該陣列偵測裝置33係可選擇為電耦合元件(CCD)或者是互補式金氧半元件(CMOS)。在圖三中，該陣列偵測裝置33與該物鏡組31間更具有一第二分光元件37以及一透鏡組38。該第二分光元件37係將該第一光束92導引至該背焦面310上。而該透鏡組38，其係將由該背焦面310所發散之第二光束93聚焦至該陣列偵測裝置33上。

接下來說明空間光調制器之運作方式，請參閱圖四所示，該圖係為空間光調制器的示意圖。其中工作區320位於空間光調制器32主體上。工作區320是由許多的調制單 元(modulation cell)所構成，其係可藉由控制模擬成菲涅爾透鏡(Fresnel lens)的效果以對光的振幅、相位或者是兩者組合進行調制。如圖五所示，該圖係為空間光調制器對光場進行振幅調制(Amplitude Modulation)示意圖。其中，圖五之水平軸代表著調制單元沿一方向之位置分佈(如圖四之中心線94所經過之調制單元)，而垂直軸代表振幅。由圖五可以瞭解，其中垂直軸之值為0代表不透光，1則代表完全透光，因此藉由控制每個調制單元的透光程度，即可將空間光調制器32模擬成菲涅爾透鏡，使入射的平面光匯聚在物鏡組31之背焦面310上。

如圖七A與圖七B所示，當位置95的聚焦光束於待測物上所產生之散射光訊號被陣列偵測裝置擷取完畢之後，可以改變空間光調制器之調制中心位置，以改變第一光束聚焦於背焦面之位置。如圖七A中，當調制中心位置由95移動至96時，則第一光束之中心位置也會跟著改變。如在圖七B中，經過調變之後，第一光束92會變成第一光束92'。因此，第一光束聚焦於背焦面310上的焦點也跟著移動，不同的焦點位置則入射至待測物90上的角度也將不同，如圖八中，第一光束92'經由待測物90所散射之第二光束93'之聚焦於背焦面310之位置也隨之改變。藉由上述方式，可以透過控制調制的中心點位置，使其第一光束聚焦於背焦面310上的不同位置，即以達到不同角度入射至待測物90上的功能。

同樣地，如圖六所示，該圖係為空間光調制器對光場進行相位調制(Phase Modulation)示意圖。其中，圖六之 水平軸代表著調制單元沿一方向之位置(如圖四之中心線94所經過之調制單元)；而垂直軸代表相位。藉由控制每個調制單元的相位值，從0至2π的調制，使該空間光調制器模擬成菲涅爾透鏡的效果，進而控制第一光束聚焦於背焦面上的不同位置。與圖七A相同，為了改變焦點在背焦面310上的位置，只需要改變調制的中心位置。再回到圖三所示，不管是圖五或者是圖六的調變方式，經由待測物反射之第二光束經透鏡匯聚在陣列偵測裝置33上，不同的入射角入射至待測物90上，則在陣列偵測裝置33上將匯聚在不同的聚點位置，如圖九中的光束93及光束93'所示。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

綜合上述，本發明提供之散射光學量測方法與裝置，以輕易與製程設備整合且具有相對於傳統散射儀較為簡單穩定之架構，對於檢測流程規劃較為方便。因此已經可以提高該產業之競爭力以及帶動週遭產業之發展，誠已符合發明專利法所規定申請發明所需具備之要件，故爰依法呈提發明專利之申請，謹請　貴審查委員允撥時間惠予審視，並賜准專利為禱。

1‧‧‧系統

10‧‧‧光罩

11‧‧‧中繼系統

12‧‧‧物鏡

13‧‧‧照明光

14‧‧‧影像擷取裝置

2‧‧‧散射光學量測方法

20~24‧‧‧步驟

3‧‧‧散射光學量測裝置

30‧‧‧光源模組

31‧‧‧物鏡組

310‧‧‧背焦面

32‧‧‧空間光調制器

320‧‧‧工作區

33‧‧‧陣列偵測裝置

34、38‧‧‧透鏡組

35‧‧‧第一分光元件

36‧‧‧偏光元件

37‧‧‧第二分光元件

39‧‧‧平台

90‧‧‧待測物

91‧‧‧光場

92、92'‧‧‧第一光束

93、93'‧‧‧第二光束

94‧‧‧中心線

95、96‧‧‧中心位置

圖一係為習用之亮場顯微鏡架構示意圖。

圖二係為本發明之散射光學量測方法流程示意圖。

圖三係為本發明之散射光學量測裝置實施例示意圖。

圖四係為空間光調制器的示意圖。

圖五係為空間光調制器對光場進行振幅調制(Amplitude Modulation)示意圖。

圖六係為空間光調制器對光場進行相位調制(Phase Modulation)示意圖。

圖七A與圖七B係為改變模擬Fresnel lens中心位置示意圖。

圖八係為散射光聚焦位置改變示意圖。

圖九係為陣列偵測裝置擷取背焦面上不同聚焦位置之散射光示意圖。

3‧‧‧散射光學量測裝置

30‧‧‧光源模組

31‧‧‧物鏡組

310‧‧‧背焦面

32‧‧‧空間光調制器

33‧‧‧陣列偵測裝置

34、38‧‧‧透鏡組

35‧‧‧第一分光元件

36‧‧‧偏光元件

37‧‧‧第二分光元件

39‧‧‧平台

90‧‧‧待測物

91‧‧‧光場

92‧‧‧第一光束

93‧‧‧第二光束

Claims (14)

1. 一種散射光學量測裝置，包括：一光源模組，其係可提供一光場；一物鏡組，其係具有一背焦面，該物鏡組係設置於一待測物之一側；一空間光調制器，由複數個調制單元所構成，藉由控制每個該調制單元的透光程度，將該空間光調制器模擬成一菲涅爾透鏡以對該光場之一光學特徵進行調制以形成一第一光束聚焦於物鏡組之背焦面上，該第一光束經由該物鏡組投射於該待測物上以形成一第二光束聚焦於該背焦面上；以及一陣列偵測裝置，其係記錄該背焦面上對應該第二光束之光學影像；其中係透過改變該菲涅爾透鏡之調制中心位置以改變該第一光束聚焦於該背焦面之位置，使該第一光束以不同角度入射至該待測物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之散射光學量測裝置，其中該空間光調制器係為一液晶調制元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之散射光學量測裝置，其中該光源模組與該空間光調制器間更具有：一透鏡組，其係準直化該光場；以及一第一分光元件，其係將準直化之該光場分光至該空間光調制器上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之散射光學量測裝置，其中 透鏡組與該第一分光元件間更具有一偏光元件，其係偏極化該光場。
5. 如申請專利範圍第4項所述之散射光學量測裝置，其中該偏光元件係為一線性偏光元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之散射光學量測裝置，其中該陣列偵測裝置與該物鏡組間更具有：一第二分光元件，其係將該第一光束導引至該背焦面上；以及一透鏡組，其係將由該背焦面所發散之第二光束聚焦至該陣列偵測裝置上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之散射光學量測裝置，其中該陣列偵測裝置係選擇為電耦合元件或者是互補式金氧半元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之散射光學量測裝置，其中該光學特徵係選擇為該光場之振幅、相位以及前述之組合其中之一。
9. 一種散射光學量測方法，其係包括有下列步驟：提供一光場；提供一空間光調制器，其中該空間光調制器由複數個調制單元所構成，控制每個該調制單元的透光程度，將該空間光調制器模擬成一菲涅爾透鏡以調制該光場之一光學特徵，使該光場聚焦於一物鏡組之背焦面上以形成一第一光束；使該第一光束投射於一待測物上以形成一第二光束聚 焦於該背焦面上；記錄該背焦面上對應該第二光束之光學影像；以及改變該菲涅爾透鏡之調制中心位置以改變該第一光束聚焦於該背焦面上之位置，使該第一光束以不同角度入射至該待測物。
10. 如申請專利範圍第9項所述之散射光學量測方法，其中該光學特徵係選擇為該光場之振幅、相位以及前述之組合其中之一。
11. 如申請專利範圍第9項所述之散射光學量測方法，其中在調制該光場之光學特徵前，更包括有將該光場準直化以及偏極化之一步驟。
12. 如申請專利範圍第11項所述之散射光學量測方法，其中該偏極化之步驟係為線性偏極化之步驟。
13. 如申請專利範圍第9項所述之散射光學量測方法，其中調制該光場之方式係為利用一空間光調制器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之散射光學量測方法，其中該空間光調制器係為一液晶調制元件。