TWI503520B - 光學系統及在三維構造中之量測方法 - Google Patents

光學系統及在三維構造中之量測方法 Download PDF

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Description

光學系統及在三維構造中之量測方法
本發明廣泛地屬於光學量測技術領域，且關於光學系統及在三維構造中(例如半導體晶圓)之量測方法。
隨著半導體技術的進步，縮小裝置尺寸已成為越來越複雜的任務。克服這些困難的一種方法為使用垂直整合多個半導體裝置(晶片)之技術。此種技術能使每單元具有較多數量的裝置(例如在記憶體的應用中)，且能整合不同功能的晶片，因而使混合系統(例如感測器、處理器以及記憶體)有較佳的性能。
正在發展中的一種垂直整合的方法係以直通矽晶穿孔技術(TSV,Through Silicon Via)為基礎。TSV為一種完全穿過矽晶圓或晶粒的垂直電性連接(穿孔)。因為穿孔的密集度實質上較高而連接的長度較短，因此TSV是一種高效益的技術，用以產生三維封裝體及三維積體電路(相較於其替代方案，例如封裝體立體堆疊技術)。根據TSV，導電柱在矽基板內形成，之後用來接觸連續的晶片。為了電性連接不同層的元件，利用TSV技術來提供電性互連並提供機械性的支持。在TSV技術中，穿孔產生在矽晶片內，該矽晶片具有由半導體製程所製造之不同的主動式積體電路裝置或其他裝置，且該穿孔以例如銅、金、鎢、焊錫的金屬或是以例如多晶矽之高度摻雜的半導體材料加以填充。然後設有此種穿孔的多個元件係堆疊並且結合在一起。
在TSV製程中，一個關鍵性的步驟為形成穿孔，其中接點的圖形係蝕刻至矽內。為了維持所需的穿孔品質，穿孔的深度及輪廓兩者皆必須控制。
為了監測在TSV製程過程中所產生的圖形特徵部之參數，例如所產生之穿孔的深度及輪廓，這個領域需要新穎的技術。
TSV係由深度的矽蝕刻所建立，而在矽中產生具有高深寬比的直立孔。根據特定設計之應用及整合方式，TSV可具有不同的橫剖面，並可具有圓形的、方形的、八角形的或環形的形狀。穿孔橫剖面的尺寸(穿孔直徑)一般在1至50μm的範圍內，而深度則達200μm，而使深寬比達20：1。
為確保可靠及可再現的整合程序，需要監測及控制數個重要的穿孔輪廓參數，此種參數例如：穿孔深度、頂部直徑、側壁角，側壁波紋(例如：由於TSV製造過程所造成而出現在穿孔壁的振盪鋸齒圖形)、底部直徑以及頂部底切(undercut)。關於這些，可參考圖1，其圖示說明穿孔10的輪廓。如圖所示，穿孔典型地由上述之頂部直徑、底部直徑、深度以及側壁波紋所定義。穿孔深度應超過晶片堆疊層的最終預定厚度，因此在薄化晶圓之後，晶片的兩側之間將形成連接。側壁波紋應儘可能的減少，以提供實質上平滑的側壁輪廓。為了確保最佳的穿孔填充，「平滑的」穿孔側壁是必須的。頂部與底部直徑通常定義了側壁角。在接下來的製程步驟中，TSV的鍍膜及填充處理，需要角度受到良好控制的側壁。此外，為了確保良好的互聯導電特性，必須維持有效的底部直徑。換言之，需要將側壁的斜度維持在非常接近垂直。蝕刻處理的可能結果為在穿孔的頂部邊緣產生底切(頂部底切)。此種底切可能損害接下來的填充處理。
額外關注的參數係與在穿孔形成步驟之後進行的鍍膜或其他處理(而在穿孔壁上形成薄膜)有關。不論任何情況，控制這些膜的厚度對這個產業而言是必要的，因此需要量測它們。
一般而言，可利用數種已知的技術來確認穿孔頂部直徑，包含例如亮場光學成像，其中光線係垂直入射至穿孔區域，然後進行偵測並分析鏡反射的光線。然而，此種垂直入射的亮場成像無法用以取得那種具有高深寬比之穿孔的穿孔深度資訊，而具有高深寬比的穿孔對於TSV來說是普遍的。其他建議用以確認穿孔深度的常見方法係以干涉法為基礎。由於側壁具有相對於入射光的銳角，使得從側壁反射的訊號遠弱於從頂部表面及穿孔底部反射 的訊號，因此要對穿孔輪廓的其他參數進行特性分析係為更加嚴峻的挑戰。
本發明提供一種量測各種穿孔輪廓參數的光學技術，其係基於暗場光學量測的一般原理。此方法用以消除或至少顯著的減少由頂部表面及平坦的穿孔底部所產生的作用。產生的訊號主要是由側壁特徵來加以決定，並且較佳是僅由側壁特徵來加以決定，可利用量測所得之訊號與適當模型的比較來取得所關注的穿孔參數。
在TSV的製程過程中，乃藉由蝕刻形成穿孔，然後將一薄絕緣層(稱作「襯底」)置放在穿孔內部。接下來的步驟為生成另一個層(「阻障層」)而限制銅原子擴散，然後生成一稱作「種子層」的薄金屬層以增進銅的沉積程序，然後形成接觸。由於小缺陷、不均勻性及間隙可能損害TSV的功能性，分析所有這些薄層的特性乃為業界所高度關注之事。
本發明之技術係以使用暗場方法為基礎，而可隔離從這些層反射的光線及從晶圓表面反射的光線。藉由比較量測所得之訊號與模擬或參考(在已知的測試構造上量測)的訊號，可對產生在穿孔測壁上的薄層進行特性分析。
本發明之量測技術可實施在單獨的構造上或相似元件的晶格上。
因此，根據本發明的一個廣泛的實施態樣，提供一種光學系統，用以在具有穿孔的圖形化結構中進行量測，該系統係配置成可經操作而量測穿孔的輪廓參數，該系統包含：照射通道，用以將照射光傳播至被量測的該構造上；偵測通道，用以收集從被照射之該構造返回至偵測單元的光線；以及調變組件，其配置成可經操作而藉由完成以下至少一者來實現暗場檢測模式：使沿著照射及偵測通道兩者所傳播之光線的至少一個參數受到影響；以及使沿著至少偵測通道之光線的傳播受到影響。
在本發明的一些實施例中，調變組件係配置成可經操作而至少影響通過照射及偵測通道之光線的偏振。調變組件可包含第一 偏振器及第二偏振器，其配置在照射及偵測通道內且具有實質上相互垂直的偏振面。在另外的實例中，調變組件包含第一偏振器及第二偏振器，其分別配置在照射及偵測通道內且具有實質上相互平行的偏振面，且包含一配置在照射及偵測通道內之共同的相位延遲器。該相位延遲器乃相對於從該構造沿著偵測通道所返回之光線的傳播方向而設置在第二偏振器的上游。在又一實施例中，調變組件包含一共同的偏振器以及一共同的相位延遲器，該偏振器及該相位延遲器以相間隔的關係被配置在照射通道與偵測通道之一共同部分。該偏振器乃相對於沿著照射通道而照射至該構造之光線的傳播方向而設置在該相位延遲器的上游。
此外或替代地，調變組件可配置成可經操作而使照射及偵測通道兩者皆被部分地遮蔽。此種調變組件可包含單一圖形，針對在該系統中使用的光線，該圖形由不同光線穿透性之區域所形成，該圖形設置在與照射及偵測通道相交的一平面，而位在該系統之背聚焦面的附近或與背聚焦面共軛的一平面，例如鄰近於或位於該系統的背聚焦面或與背聚焦面共軛的一平面。圖形的形式可以是半平面，限定入射照射的方向，並阻擋從這些入射方向所鏡反射的輻射。在另外的實例中，調變組件包含第一及第二互補的圖形，對於在該系統中使用的光線而言，每一圖形皆由不同光線穿透性之區域所形成，該第一及第二圖形係設置在照射及偵測通道之各自的背聚焦面的共軛平面或該各自之背聚焦面附近內。例如，位在該照射通道的第一圖形的形式為兩個同心環，其中中心環界定為光穿透區域而周圍環界定為光阻擋區域，以及位在偵測通道的該第二圖形的形式為兩個同心環，且中心環界定為光阻擋區域而周圍環界定為光穿透區域。
該系統亦可包含一控制單元，其配置係可經操作而用以接收代表被偵測之光線的資料，然後對該資料進行處理以判定至少一個穿孔參數。
此種量測可使用適配程序來加以執行。依照此程序，一描述進行量測之構造的理論模型係用以產生理論資料或參考資料，後 者與量測所得之資料進行迭代比較，同時改變模型參數直到找到「最佳適配」為止。「最佳適配」模型的參數被視為對應至量測參數。參考資料也可使用具有已知參數之測試樣本來產生。
該系統可包含額外的偵測通道，用以收集從該構造鏡反射的光。
根據本發明之又一廣泛的實施態樣，提供一種用於具有穿孔之圖形化構造的光學量測方法，以判定一或更多個穿孔輪廓參數，該方法包含在量測的狀態下，將暗場檢測模式應用至圖形化構造，其係藉由以下至少一者來實現：使沿著照射及偵測通道所傳播之光線的至少一個參數受到影響；以及使沿著至少該偵測通道之光線的傳播受到影響。
圖1圖示說明一典型的穿孔輪廓，其定義例如頂部直徑、底部直徑、深度、以及側壁波紋的參數。
如上述，本發明提供一種監測穿孔輪廓的技術，其係藉由監測上述參數以及使用暗場方法而達成，根據該暗場方法，照射及偵測通道的配置以及/或照射及被偵測之光線的參數中，照射及偵測光線傳播方法是不同的。
以下為本發明之系統的數個實例，用以量測穿孔輪廓參數。為幫助了解，在所有實例中，共同的元件乃使用相同參考符號。在這些實例中顯示的每一個量測系統皆定義了照射通道C1 及偵測通道C2 ，且該量測系統用以實現暗場模式，其實現方式為：使沿著照射以及/或偵測通道所傳播之光線的至少一個參數受到影響、以及/或使沿著至少偵測通道所傳播之光線的傳播受到影響、以及/或使照射以及偵測通道有適當的相對配置。這些配置用以消除或至少顯著地減少被暗場偵測單元偵測到的鏡反射光。
在圖2、3、及4的實例中，該系統之配置乃基於對下列原理的了解，亦即垂直入射至晶圓頂表面上且從該處所鏡反射的光線乃維持原本的偏振。因此，吾人可辨別從頂表面所反射的光以及 從具有傾斜角之表面所反射的光，該傾斜角乃相對於入射方向而言。
圖2顯示一光學暗場量測系統100，其配置成一種暗場反射計以量測具有穿孔10的樣本S。系統100界定照射通道C1及偵測通道C2 ，且該系統100乃藉由使沿著照射及/或偵測通道所傳播之光線的至少一參數受到影響的方式來實現暗場模式。系統100包含光源12(可由發光裝置或由搭配外部發光器的光導單元來組成)、偵測單元22、光引導裝置15、以及光調變組件19。在本實例中，系統100的配置乃用以為照射通道C1 以及偵測通道C2 提供互相垂直的偏振。此即是所謂的正交偏振反射計。光調變組件19包含偏振器14及20，其具固定或可控制之實質上互相垂直之適宜的偏振面。光引導裝置15包含光束分離器16以及光學聚焦元件(物鏡)18，且該光引導裝置15係配置在照射通道C1 與偵測通道C2 的一共同部分。
系統100內亦設有控制單元24，其可連接至偵測單元22的輸出(透過有線或無線信號傳輸)以接收和分析代表被偵測之光線的資料。控制單元24一般為電腦系統，包含功能元件例如：輸入及輸出元件26、記憶體28、處理器30以及可能也有顯示器32。假使至少一個偏振器為可調整的裝置，則控制單元24亦可包含偏振控制器34，用以選擇性地改變偏振面的方向。
來自光源12的光線L1 沿著照射通道C1 傳播，並且受到入射路徑之偏振器14的偏振化，而產生的偏振化的光線L’1 被光束分離器16引導至樣本S上，光束分離器16乃將光線反射至物鏡18，然後聚集光線至樣本S上的照射區。自照射區反射(返回)的光線L2 沿著偵測通道C2 傳播而被物鏡18聚集在光束分離器16上，而藉此傳送至偏振器20。如此偏振化的光線L’2 便傳播至偵測單元22。
當光線L’2 從偏振器20出來時，垂直於入射光方向之表面的反射作用被妥善地完全抑制。然而，具有相對於入射光傳播方向之傾斜角的表面所反射的光分量，例如從穿孔10之側壁返回的光 分量，可能會經歷顯著的偏振改變，而使至少一部分的光分量被偵測單元22收集。
圖3顯示一量測系統200，其與上述圖2的正交偏振暗場設置的區別在於系統200使用一相位延遲元件。於此，光調變組件19包含：偏振器14和20、以及相位延遲器17，該等偏振器具有實質上互相平行之較佳的偏振面。
來自光源12的光線L1 通過偏振器14，然後偏振化的光線L’1 被光束分離器16反射至相位延遲器17上，相位延遲器17使光線的偏振旋轉45°角，如此產生的光線L”1 再被物鏡18聚集至樣本上。返回(反射)光線L2 被物鏡18聚集至相位延遲器17上，然後其相位再一次被旋轉45°，而產生了光線L’2 ，光線L’2 接著通過在偵測通道C2 的偏振器20，偏振器20具有較佳的偏振面，其方向係平行於入射路徑之偏振器14的偏振面。因此，表面所鏡反射的光線以垂直偏振的狀態抵達偏振器20，而被完全阻擋。偏振性被穿孔壁之斜向反射所旋轉的返回光線之光分量，可通過偏振器20，而產生的訊號可與模擬或參考(在已知的測試構造上量測)資料作比較，以得到穿孔輪廓的資訊。
圖4顯示系統300，其配置成大致上與圖3之系統相似，即是利用偏振特性以消除來自晶圓表面的鏡反射光，但其中光調變組件19包含單一的偏振器14以及相位延遲器17，且偏振器14設置在光束分離器16與相位延遲器17之間。此種配置提供相同的光學表現但成本較低，且具有較低的校正需求(例如偏振器與光束分離器之間)。
在上述圖2至圖4的實例中，利用暗場量測系統來偵測從樣本返回且沿著偵測路徑傳播的光線，該返回的光線具有鏡反射的方位角及仰角，但相較於照射光線，該返回的光線具有不同的光線參數(例如不同偏振)，因此能判定是(偵測出)從穿孔之側壁所返回的光線。
在一些其他實施例中，暗場量測乃基於以下方法：使通過照射及偵測路徑的光線傳播受到影響，而僅使一部分的偵測路徑連 接至偵測單元，該偵測路徑的方位角及仰角不同於鏡反射之方位角及仰角。此可利用所謂的有遮罩之光路徑來達成。在此方法中，暗場量測的達成方式係將位在背聚焦面或接近背聚焦面的偵測光線路徑部分遮蔽，而有效地避免從樣本之頂表面所鏡反射的任何光分量被收集。
上述可藉由在共同的光路徑(照射及偵測路徑)使用遮罩來加以實現。根據此技術，遮罩元件係相對於入射光傳播方向而設置在聚焦光學元件的上游，如此而限制了在物鏡上的照射區，進而因此限制了入射至樣本的角度範圍。類似地，此遮罩部分地阻擋返回光線，因而限制偵測單元可接受的反射光。此方法乃基於確保針對遮罩上每一個可透光的點而言，共軛點(對應於光被反射前往的位置)是不透光的。
圖5A與5B顯示此技術的實例。如圖5A所示，若使物鏡18的一半為不透光的，則入射光I係從平坦表面S鏡反射至位在孔徑不透光之那一半內的點R，而因此被阻擋。只有傳播方向被樣本改變的光線(即是，以鏡反射之傳播方向以外的角度來傳播)可被收集，而實現暗場量測。換言之，可適當地設計位在共同的照射及偵測路徑的遮罩，以阻擋零階繞射而因此實現暗場檢測模式。
圖5B顯示量測系統400，其用以實現上述有遮罩之光路徑的方法。來自光源12的光線L1 沿著照射通道C1 被導引至樣本上，該光線L1 由光束分離器16反射至部分遮蔽的遮罩14’上，然後由物鏡18聚集至樣本S上。從被照射之樣本返回的光線係由物鏡18所收集並且聚集在遮罩14’上，然後由光束分離器16傳送至偵測單元22。
參考圖6A及6B，其顯示具體但非限定之光路徑遮罩的設計實例，其適用於圖5B的系統以實現暗場量測。
在圖6A的實例中，系統所使用的遮罩14’具有兩半部，對於在該系統中使用的光線而言，一半部為透光的而另一半部為不透光的，將該遮罩14’相對於物鏡設置，而阻擋一半的數值孔徑(如圖5A所示)。該遮罩較佳應設計成可遮蔽住稍大於物鏡區域之一 半，而確保在視場之中央區域沒有光從遮罩漏出。圖6A的遮罩易於實現，但它強烈的破壞了左右對稱性，而可能導致不想要的影響。舉例來說，這種對稱性破壞可能導致對於定位成水平或垂直方向之物件有不同的靈敏度。此種影響可利用一種遮罩而降低至某個程度，該遮罩係將場劃分為2個部分以上，例如圖6B例示之6個部分。此處因為入射路徑內任何透光區域皆與返回路徑的遮罩區域共軛，因此再一次的完全阻擋了來自表面的鏡反射。為了避免來自場中央的亮場作用，使遮罩的中央區域設為不透光的。
基於如圖6B的相同方法，可考慮更複雜的設計，其中場被劃分為2n 個脊，而n 為奇數(所以可具有成對且互相相對的透光及阻擋部)，就旋轉對稱性而言此種設計是有益的，但可能較難製造且受限於每一透光部皆必須遠寬於波長的條件，以避免繞射效應。
吾人應了解，對於入射至遮罩的光線而言，任何適當設計的遮罩普遍存在不同穿透性之區域的圖形，此種圖形可由具體的圖形化構造或由電子圖形(空間光調變器，例如液晶面板)所構成。
在以上圖5B的實例中，吾人係設置一遮罩於共同的光路徑上。如上述，當使用單一遮罩來控制光允許路徑時，量測系統破壞了旋轉對稱性，而可能導致不想要的假影(artifact)。吾人可選擇性地藉由將互補的遮罩設置在照射及偵測路徑，而在入射及反射光路徑上使用不同的允許光路徑之遮罩。圖7例示此方法，顯示與上述系統100(圖2)之配置大致相似的量測系統500，但其中在背聚焦面或接近背聚焦面處，乃將照射通道C1 及偵測通道C2 中不同的偏振器以照射圖形(遮罩)14’及偵測圖形(遮罩)20’來加以取代。
如圖7所示，來自光源12的光線L1 通過照射遮罩14’，而由遮罩14’之中央區域傳送出去之光分量L’1 ，係藉由光束分離器16及物鏡18而被導引至樣本S上。反射光線L2 由物鏡18收集然後由光束分離器16傳送至偵測遮罩20’。通過遮罩20’之周圍透光區域的光分量L’2 被偵測單元22所偵測到。在此實施例中，在場中央留下圓形之透光區域的遮罩14’部分地阻擋了入射光路徑。阻擋 中央圓形區域之共軛的遮罩20’係用於偵測通道C2 ，使得從樣本之平坦水平表面所鏡反射的光被阻擋，而僅有穿孔側壁所繞射的光被收集。再一次的，為了避免亮場作用，乃將遮罩設計成具有重疊的部分。相對於上述之基於單一遮罩的方法，此方法維持了圓柱形對稱性。然而，此優點卻對照出實施上的複雜度，其原因在於使用兩個不同的元件而需要精確的校正。
又另一個技術係藉由偵測來自穿孔側壁的回應，來幫助穿孔輪廓參數的量測，該技術係利用基於不同之照射及偵測路徑的暗場量測。在此方法中，暗場量測由以下實現：以一方向照射樣本，且將偵測器放置在某一方位，而使表面所鏡反射的光不會被收集。此方法可能達成的改善為藉由掃描照射/偵測方向可取得更多穿孔輪廓的資訊。
根據本實施例之一可能的實例，可使用一個傾斜及一個垂直的通道。於此，照射光以垂直方向入射至穿孔上，而另一偵測器以傾斜的角度設置，或兩者反過來配置也可以。參考圖8A至8C，其分別顯示暗場設置的三個實例，其中入射光及被收集的光的方向是分開的。
如圖8A所示，來自光源12的光線L1 垂直入射至晶圓表面S，而被偵測單元22所偵測到的光線L2 則以一傾斜的角度被收集。此種配置可以相反過來，使光線以傾斜的角度入射而以垂直於表面的角度被收集。如此一來，僅有被穿孔繞射的光線可被偵測單元收集。此種設計具有以下優點：常見於許多其他應用的垂直通道，可用於亮場量測。
根據另一實例，其係使用兩個傾斜的通道。針對高深寬比的穿孔，以相對於表面之角度α入射的光線係散射在所有的方位，但主要係維持相同的角度α。此種行為偏好使用暗場量測，其中以相對於表面之同樣的角度α，但不同的方位角來入射及收集光線，因此表面所鏡反射的光不會被收集。圖8B顯示此種方法。當與圖8A的實例作比較時，圖8B的配置提供顯著較強烈的訊號。
根據又一實例，可使用單一傾斜的照射及偵測路徑。如圖8C 所示，光線以一傾斜角度入射至穿孔，然後在相同方向上被收集。在此情況中，使用相同的傾斜路徑來照射和收集，而可簡化實施方法。
本發明的量測技術可與標準的亮場反射計共同使用。圖8A例示此種配置，其中亮場通道C3 由虛線標示，其包含光束分離器16以及可能具有光收集元件(未圖示)、以及偵測單元40。從樣本鏡反射且沿著某一路徑傳播的光，在垂直入射實質上與照射路徑一致的情況下，係由光束分離器16反射至偵測單元40。為了選擇性地在暗場模式與亮場模式之間切換，可配置一控制單元24。
吾人應了解，本發明之組合暗場與亮場之系統係不限於圖8A的特定實例，且對於熟習本技術者而言，亦能清楚瞭解上述的暗場系統可輕易的修改成也包含亮場通道。
在此種同時使用亮場及暗場通道的組合系統中，可使用標準的反射計而利用亮場通道來取得單純自頂部表面(不包含穿孔)的反射計訊號(光譜)。此量測到的反射計訊號可經分析而取得所探測之構造中多個元件的特徵尺寸，例如用於圖形化處理之遮罩層的厚度。接下來，使用暗場反射計(利用上述技術中之任一者)。引入由標準亮場量測所取得的參數值可對暗場資料的分析有所助益，進而使輪廓的量測更為精確。或者，來自亮場與暗場的資料可同時進行分析以推論所量測之構造的幾何特性，該等幾何特性在兩種量測之任一者單獨使用的情況下，是無法取得的。
並且，吾人應了解，基於消除來自晶圓表面的鏡反射光，可利用如上述之偏振與遮罩以及/或其他技術來使用組合系統。
並且，吾人應注意，採用本發明之技術的量測與系統的數值孔徑(numerical aperture)相依。在高深寬比的構造中，在入射與反射輻射的方向之間應有極大的靈敏度。有關被探測之構造幾何形狀的額外資訊可由以下取得：修改系統數值孔徑(NA)並且在數種NA的設定下，量測所偵測之訊號的影響，其可藉由例如以各個NA、入射角等等來掃描而達成。
即使當使用相同的量測方法時，仍可取得來自單一穿孔之數 個不同的暗場訊號。舉例來說，將量測點聚焦在穿孔上的不同位置(例如不在穿孔中央)，則光與穿孔的交互作用將改變，然後反射訊號將改變。這個額外的資訊可接下來用以增進輪廓特徵分析的準確性。針對非圓柱對稱的穿孔，使穿孔相對於量測系統旋轉亦將改變反射訊號，因此產生關於穿孔輪廓的額外資訊。在此情況中，可針對數次旋轉及平移的穿孔使用暗場量測，並依穿孔輪廓而提供多個資料組。
上述之方法大多都實現了一種設置，其本身產生一個在旋轉情況下(例如，被偏振所界定的方向、或因施加在數值孔徑的遮罩、或入射/被收集之光線方向所界定的方向所造成)並非不變的量測點。在所有這些例子中，可藉由在穿孔中央位置以外進行量測，並且將破壞旋轉對稱性的元件加以旋轉，而可取得多個來自穿孔的暗場量測值。例如：當使用正交偏振設置時，可將光學系統集中在偏離穿孔中央的位置，並且針對不同的入射偏振之方向來量測暗場訊號(任何時候皆維持第二偏振器的方向垂直於第一偏振器的方向)。或者，當使用有遮罩之光路徑時，可旋轉遮罩。當量測非圓柱對稱的穿孔時，即使在穿孔中央進行量測，吾人仍可以此方法取得暗場訊號。
吾人應了解，本發明之系統可配置成同時使用上述實例之任一組合。本發明可使用一種結合上述兩種方法的量測方法而。例如，可沿著有遮罩之路徑使用正交偏振。此方法對於消除來自頂表面的反射將有非常大的改善，並能較佳地隔離穿孔側壁所反射的訊號。
或者，可循序使用超過一種以上的上述技術，而取得例如數個獨立資訊組。此方法亦能在選擇最適量測技術時更具靈活性，以特徵化不同形狀之穿孔。
如上述，本發明之暗場量測技術可用以監測各種穿孔輪廓參數。上述之暗場量測技術可做為穿孔之反射計量測的基礎。在這些量測中，寬頻光係入射在穿孔上，然後進行量測與波長相依的反射。在每一波長下反射的強度係藉由反射光的干涉特性來加以 判定，該反射光乃由暴露之晶圓的不同部分所反射。
為了推論穿孔輪廓參數，將所量測的反射光譜與在不同輪廓係數下所計算出的穿孔光譜組作比較。接著便可判定出產生對量測值之最佳適配之計算光譜值的穿孔輪廓。由於實質上所有被量測到的輻射皆來自穿孔壁的反射，因此暗場量測提供對輪廓參數之高靈敏度的量測光譜。
反射光譜的計算可使用許多分析與數值方法來達成。對於簡單的穿孔構造而言，使用馬克斯威爾方程式(Maxwell equations)便可分析解出，只要給定入射場便可直接推論出反射場。當考慮更複雜的穿孔構造時，可使用各種數值方法。一種相對簡單的方法為光束追蹤(幾何的)近似法，只要該模型構造相較於量測系統中使用之光的波長而言為大，則此方法是精確的。當此假設不成立時，則需要更精確的數值方法。常用的方法為有限元素法，例如有限差分時域(FDTD)計算；將散射物件展開成某些形狀基底的總和，例如T-矩陣(T-matrix)或多極展開，特徵值分解等等。
參考圖9，其例示了在正交偏振之設置的情況下(類似圖2之設置)，圓形穿孔之反射光譜的光束追蹤計算，該圓形穿孔的半徑5μm、深度60μm且具有6μm的底部曲率、及變動的底部半徑值。該等計算係利用光束追蹤模型來達成。在此，顯示5個圖形G1 至G5 ，其分別地對應至在不同底部半徑4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm及4.8μm的情況下，所計算出的反射光譜。本案發明人發現，100nm之底部半徑的變化會造成期望光譜顯著的變化，而提供關於此輪廓參數之量測光譜良好的靈敏度。
圖10顯示一種針對半遮蔽之光路徑(如具有圖5A之遮罩設計的圖5B)的類似計算，其中圓形穿孔具有半徑5μm、深度60μm、底部曲率6μm及變動的底部半徑。類似地，依所量測的光譜與底部穿孔半徑的相依性可預期會有顯著的靈敏度，如此可指出在推論此參數方面，此方法同樣有效。
因此，本發明提供一種有效且簡單的技術，用以在圖形化結構中量測穿孔輪廓參數。本發明利用暗場檢測模式，而若有需要， 可與額外的亮場檢測模式一起使用。暗場模式係藉由以下實現：影響照射或偵測光線之一或更多個參數/條件；以及/或影響沿著至少偵測通道傳播之光線的傳播路徑；以及/或使照射及偵測通道有適宜的相對配置，以上皆旨在消除或至少有效地減少會被暗場偵測單元偵測到的鏡反射光。
熟習本技術領域者將輕易地察知，在不違背定義於隨附請求項之範圍的情況下，各種修改及變化可適用於上文所述之本發明的實施例。
10‧‧‧穿孔
12‧‧‧光源
14‧‧‧偏振器
14’‧‧‧遮罩
15‧‧‧光引導裝置
16‧‧‧光束分離器
17‧‧‧相位延遲器
18‧‧‧物鏡
19‧‧‧光調變組件
20‧‧‧偏振器
20’‧‧‧遮罩
22‧‧‧偵測單元
24‧‧‧控制單元
26‧‧‧輸入及輸出元件
28‧‧‧記憶體
30‧‧‧處理器
32‧‧‧顯示器
34‧‧‧偏振控制器
40‧‧‧偵測單元
100‧‧‧光學暗場量測系統
200‧‧‧量測系統
300‧‧‧系統
400‧‧‧量測系統
500‧‧‧量測系統
S‧‧‧樣本
L1 ‧‧‧光線
L’1 ‧‧‧光線
L”1 ‧‧‧光線
L2 ‧‧‧返回(反射)光線
L’2 ‧‧‧光線
C1 ‧‧‧照射通道
C2 ‧‧‧偵測通道
C3 ‧‧‧亮場通道
為了解本發明以及理解本發明如何具體實現，現將搭配隨附圖示僅以非限制的舉例方式來說明實施例，其中相同的參考符號係用以代表具有相同或相似功能的元件或行為。
圖1圖示說明典型的穿孔剖面圖，顯示參數例如：頂部直徑、底部直徑、深度、以及側壁波紋；圖2、3以及4分別顯示三個本發明的量測系統之實例，其係使用暗場設置而配置成用以影響在照射及偵測通道傳播的光之偏振。
圖5A及5B例示本發明的技術，其中利用位在照射及偵測通道內的一共同圖形，以影響通過照射及偵測通道之光的傳播，進而達成暗場檢測模式。
圖6A及6B顯示光路徑遮罩之設計的實例，其適合用在圖5B的系統中。
圖7例示本發明之技術，其中藉由將互補的遮罩設置在照射及偵測通道，以影響通過照射及偵測通道之光的傳播，進而達成暗場檢測模式。
圖8A至8C例示本發明之系統，其中使用不同方位角及仰角的照射及偵測通道，使照射及偵測通道在空間上分開，進而達成暗場檢測模式。
圖9及10例示在圖2之正交偏振設置下，針對不同穿孔底部 半徑，來自圓形穿孔之反射光譜的光束追蹤計算。
吾人須注意，在圖示中例示的實施例並非實際比例，而是以圖示的形式來幫助容易了解及說明。
10‧‧‧穿孔
12‧‧‧光源
14‧‧‧偏振器
15‧‧‧光引導裝置
16‧‧‧光束分離器
18‧‧‧物鏡
19‧‧‧光調變組件
20‧‧‧偏振器
22‧‧‧偵測單元
24‧‧‧控制單元
26‧‧‧輸入及輸出元件
28‧‧‧記憶體
30‧‧‧處理器
32‧‧‧顯示器
34‧‧‧偏振控制器
100‧‧‧光學暗場量測系統
S‧‧‧樣本
L1 ‧‧‧光線
L’1 ‧‧‧光線
L2 ‧‧‧返回(反射)光線
L’2 ‧‧‧光線
C1 ‧‧‧照射通道
C2 ‧‧‧偵測通道

Claims (15)

  1. 一種光學量測方法，用於在具有穿孔的圖形化構造中進行量測，該方法包含：藉由實現以下步驟而將暗場檢測模式應用至該進行量測之圖形化構造：將廣譜波長之光線照射至該構造，並使該圖形化構造大於該照射光線的最大波長，該光線具有預定之偏振狀態，並且以垂直入射的方式傳播至該構造上；偵測從受照射之該構造返回之光線，同時為該入射光線及該返回光線提供互相垂直的偏振；處理代表被偵測之光線的量測光譜資料，該處理步驟包含應用一模型及判定該穿孔之側壁的下列參數其中一或多者：側壁角度、側壁波紋、以及產生在穿孔壁上的薄絕緣層之特徵。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，其中為該入射光線及該返回光線提供互相垂直的偏振之步驟包含：使經由照射通道及偵測通道的傳播光線通過分別配置成具有實質上平行的偏振面之第一及第二偏振器，以及使該傳播光線通過配置在該照射通道及偵測通道的一共同相位延遲器，該相位延遲器乃相對於從該構造沿著該偵測通道所返回之光線的傳播方向而設置在該第二偏振器的上游。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，其中為該入射光線及該返回光線提供互相垂直的偏振之步驟包含：使照射光線以及從該構造返回之光線通過一共同的偏振器及一共同的相位延遲器，該偏振器及該相位延遲器以相間隔的關係配置在照射通道及偵測通道的一共同部分，該偏振器係相對於沿著該照射通道而照射至該構造之光線的傳播方向而設置在該相位延遲器的上游。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，更包含：接收代表被偵測之光線的量測資料。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，其中該處理的步驟包含：利用迭代比較來實現一適配程序，該迭代比較的進行是與來自進行量測之該構造類似之一構造中與代表被偵測之光線的資料相對應的理論資料或參考資料來進行比較，直到找到最佳適配為止。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，更包含：判定穿孔深度、穿孔頂部直徑。
  7. 如申請專利範圍第6項之光學量測方法，更包含：判定種子層的參數。
  8. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，其中該照射及/或偵測步驟係於複數數值孔徑配置下執行。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，更包含：將量測點聚焦在該穿孔上的不同位置，以使光線與該穿孔的交互作用改變，而使反射訊號改變。
  10. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，更包含：針對不同入射偏振的方向來量測暗場訊號。
  11. 如申請專利範圍第1項之光學量測方法，其中所選擇之模型使用光束追蹤幾何近似法。
  12. 如申請專利範圍第6項之光學量測方法，其中所選擇之模型使用光束追蹤幾何近似法。
  13. 如申請專利範圍第7項之光學量測方法，其中所選擇之模型使用光束追蹤幾何近似法。
  14. 如申請專利範圍第8項之光學量測方法，其中所選擇之模型使用光束追蹤幾何近似法。
  15. 如申請專利範圍第10項之光學量測方法，其中所選擇之模型使用光束追蹤幾何近似法。
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