一種自參考散射測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于半導(dǎo)體形貌參數(shù)測 量的自參考散射測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 散射測量技術(shù)提供了一種非接觸式、無損傷、快速、高精度、低成本的半導(dǎo)體形貌 參數(shù)測量手段，并逐漸成為先進(jìn)工藝控制（APC)的重要環(huán)節(jié)，有力地支撐了32nm及以下的 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。散射測量技術(shù)的測量對象為具有一定周期性的半導(dǎo)體圖形結(jié)構(gòu)， 主要為光刻膠密集線或孔陣列等。散射測量技術(shù)獲取的形貌結(jié)構(gòu)參量主要包括Height(高 度）、Top-CD(頂部CD)、Bottom-CD(底部CD)、Mid-CD(腰部CD)、SWA(Side-WallAngle 側(cè)壁角）、Corner-Roundness(角圓度)、Under-Cut(底切）等。這里所述⑶為半導(dǎo)體圖形 的關(guān)鍵尺寸（CriticalDimension),-般定義為密集線條周期的一半。
[0003] 傳統(tǒng)的角分辨譜散射測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一光源101，準(zhǔn)直鏡102,分束 鏡103,顯微物鏡104。光源發(fā)出的照明光照亮物鏡光瞳面105,物鏡匯聚照明光到被測樣品 106。樣品面的反射/衍射光被物鏡收集。一成像系統(tǒng)107將物鏡光瞳面的反射光/衍射 光強(qiáng)分布成像到二維(XD探測器108上，形成二維的瞳面光強(qiáng)分布圖像109。由于物鏡光瞳 面的每一個點(diǎn)對應(yīng)一個反射/衍射光方向，因此，測得的瞳面光強(qiáng)分布實(shí)際為樣品面反射/ 衍射光強(qiáng)的角分辨譜。
[0004] 角分辨譜散射測量技術(shù)通過將測得的樣品面反射率與模型算法計(jì)算所得的反射 率進(jìn)行算法匹配以確定上述圖形形貌結(jié)構(gòu)參量。模型算法可以是嚴(yán)格耦合波理論（RCWA)、 有限時域差分（FDTD)、有限元法（FEM)等，這些模型算法以樣品形貌結(jié)構(gòu)參量以及測量配 置參量等作為輸入量，測量配置參量包括測量的波長、偏振、入射角度等。常用的匹配算法 包括非線性回歸算法、庫查詢算法等，見圖2和3。
[0005] 為了獲得樣品的反射率，傳統(tǒng)的角分辨譜散射測量技術(shù)需要進(jìn)行參考光的測量以 確定入射到樣品面的入射光強(qiáng)的角分辨譜。一般的散射測量系統(tǒng)采取測量某種已知反射率 的標(biāo)準(zhǔn)樣片的方式進(jìn)行參考光測量，如標(biāo)準(zhǔn)的裸硅片。這種測量方式存在以下問題： 1. 參考光測量增加了總體測量時間，降低了產(chǎn)率； 2. 在參考光測量與樣品面反射光測量期間，若照明光光強(qiáng)分布等因素發(fā)生變化，則將 引入測量誤差； 在專利EP1628164B1 (Fig. 5)中提出了一種裝置結(jié)構(gòu)，該裝置的特征是在照明光束達(dá) 到樣品面前分出一部分光，使之被用于測量反射光角分辨譜的同一CCD采集到，這樣，可以 使用這束監(jiān)測光的光強(qiáng)對照明光源整體的光源波動進(jìn)行歸一化。采用該專利的結(jié)構(gòu)與方法 雖然可以減小測量參考光與樣品面反射光期間，由于照明光波動引起的測量誤差，但無法 控制照明光在光瞳面光強(qiáng)分布變化引起的測量誤差。同樣，由于無法完全監(jiān)測照明光在空 間和時間上的變化，不可避免地仍要通過測量參考光的方式完成散射測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種自參考的散射測量技術(shù)，無 須進(jìn)行參考光測量即可完成散射測量，以提高產(chǎn)率。此外，該散射測量技術(shù)應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對照 明光空間分布的監(jiān)測，以進(jìn)一步提高測量精度。
[0007] 本發(fā)明提出一種自參考散射測量裝置，用于測量基底性能參數(shù)，其特征在于包 括： 輻射光源，用于產(chǎn)生照明光； 分束鏡，用于將所述照明照明光分為第一照明光束和第二照明光束； 物鏡，將所述第一照明光束匯聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光； 二維陣列探測器，位于物鏡光瞳位置的共軛面，用于測量所述基底表面反射/衍射光 的角分辨譜光斑； 成像系統(tǒng)，將所述物鏡的光瞳成像到所述探測器；以及 反射系統(tǒng)，至少包括兩個傾斜反射面，其等效反射面位于物鏡光瞳的共軛面，用于使所 述第二照明光的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并將所述第二照明光反射后經(jīng)所述成像系統(tǒng)成像到所述二 維陣列探測器上，所述二維陣列探測器同時測得所述第二照明光束形成的監(jiān)測光斑和所述 基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物鏡光瞳形成的角分辨譜光斑。
[0008] 優(yōu)選地，所述反射系統(tǒng)為五角棱鏡。
[0009] 優(yōu)選地，所述反射系統(tǒng)為直角棱鏡。
[0010] 優(yōu)選地，在所述輻射光源與所述分光鏡之間的光路中還設(shè)置有照明系統(tǒng)。
[0011] 一種使用上述自參考散射測量裝置的測量方法，包括： 輻射光源發(fā)出的照明光經(jīng)分束鏡分為第一照明光束及第二照明光束： 二維陣列探測器同時探測第一光明光束經(jīng)基底表面反射/衍射后形成的角分辨譜光 斑以及第二照明光束經(jīng)反射系統(tǒng)后形成的監(jiān)測光斑； 根據(jù)所述角分辨譜光斑及監(jiān)測光斑的光強(qiáng)分布計(jì)算所述基底的反射率角分辨譜KP爲(wèi)。
[0012] 優(yōu)選地，所述基底的反射率角分辨譜瑪A約的計(jì)算方法為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自參考散射測量裝置，用于測量基底性能參數(shù)，其特征在于包括： 輻射光源，用于產(chǎn)生照明光； 分束鏡，用于將所述照明照明光分為第一照明光束和第二照明光束； 物鏡，將所述第一照明光束匯聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光； 二維陣列探測器，位于物鏡光瞳位置的共軛面，用于測量所述基底表面反射/衍射光 的角分辨譜光斑； 成像系統(tǒng)，將所述物鏡的光瞳成像到所述探測器；以及 反射系統(tǒng)，至少包括兩個傾斜反射面，其等效反射面位于物鏡光瞳的共軛面，用于使所 述第二照明光的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并將所述第二照明光反射后經(jīng)所述成像系統(tǒng)成像到所述二 維陣列探測器上，所述二維陣列探測器同時測得所述第二照明光束形成的監(jiān)測光斑和所述 基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物鏡光瞳形成的角分辨譜光斑。
2. 如權(quán)利要求1所述的自參考散射測量裝置，其特征在于：所述反射系統(tǒng)為五角棱鏡。
3. 如權(quán)利要求1所述的自參考散射測量裝置，其特征在于：所述反射系統(tǒng)為直角棱鏡。
4. 如權(quán)利要求1所述的自參考散射測量裝置，其特征在于，在所述輻射光源與所述分 光鏡之間的光路中還設(shè)置有照明系統(tǒng)。
5. -種使用權(quán)利要求1-4之一的自參考散射測量裝置的測量方法，包括： 輻射光源發(fā)出的照明光經(jīng)分束鏡分為第一照明光束及第二照明光束： 二維陣列探測器同時探測第一光明光束經(jīng)基底表面反射/衍射后形成的角分辨譜光 斑以及第二照明光束經(jīng)反射系統(tǒng)后形成的監(jiān)測光斑； 根據(jù)所述角分辨譜光斑及監(jiān)測光斑的光強(qiáng)分布計(jì)算所述基底的反射率角分辨譜RiP,)。
6. 如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述基底的反射率角分辨譜的的 計(jì)算方法為：
其中(!) 1 』(p,約、r(as+辦(1 -的為所述角分辨譜光斑的光強(qiáng) 分布，由所述二維陣列探測器測得，4t(a巧妁為所述監(jiān)測光斑的光強(qiáng)分布，由所 述二維陣列探測器測得，巧為照明光在物鏡光瞳面的靜態(tài)分布，.^)為照明光光強(qiáng)隨 時間的整體漲落因子J為所述分束鏡的反射率，r為所述物鏡透過率。
7. 如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述基底的反射率角分辨譜計(jì) 算方式為用測得的所述監(jiān)測光斑去歸一化角分辨譜光斑，消除所述輻射光源的時間波動和 空間分布變化。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種自參考散射測量裝置，其特征在于包括：輻射光源；分束鏡，將照明光分為第一照明光束和第二照明光束；物鏡，將所述第一照明光束匯聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光；二維陣列探測器，位于物鏡光瞳位置的共軛面，用于測量所述基底表面反射/衍射光的角分辨譜光斑；成像系統(tǒng)，將所述物鏡的光瞳成像到所述探測器；以及反射系統(tǒng)，至少包括兩個傾斜反射面，其等效反射面位于物鏡光瞳的共軛面，用于使所述第二照明光的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并將所述第二照明光反射后經(jīng)所述成像系統(tǒng)成像到所述二維陣列探測器上，所述二維陣列探測器同時測得所述第二照明光束形成的監(jiān)測光斑和所述基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物鏡光瞳形成的角分辨譜光斑。
【IPC分類】G03F7-20, H01L21-66, G01B11-24
【公開號】CN104570616
【申請?zhí)枴緾N201310518199
【發(fā)明人】陸海亮, 王帆
【申請人】上海微電子裝備有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月29日