一種自參考散射測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體制造裝備技術領域，具體地，涉及一種用于半導體形貌參數測 量的自參考散射測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 散射測量技術提供了一種非接觸式、無損傷、快速、高精度、低成本的半導體形貌 參數測量手段，并逐漸成為先進工藝控制（APC)的重要環節，有力地支撐了32nm及以下的 技術節點的進一步發展。散射測量技術的測量對象為具有一定周期性的半導體圖形結構， 主要為光刻膠密集線或孔陣列等。散射測量技術獲取的形貌結構參量主要包括Height(高 度）、Top-CD(頂部CD)、Bottom-CD(底部CD)、Mid-CD(腰部CD)、SWA(Side-WallAngle 側壁角）、Corner-Roundness(角圓度)、Under-Cut(底切）等。這里所述⑶為半導體圖形 的關鍵尺寸（CriticalDimension),-般定義為密集線條周期的一半。
[0003] 傳統的角分辨譜散射測量裝置結構如圖1所示，包括一光源101，準直鏡102,分束 鏡103,顯微物鏡104。光源發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107將物鏡光瞳面的反射光/衍射 光強分布成像到二維(XD探測器108上，形成二維的瞳面光強分布圖像109。由于物鏡光瞳 面的每一個點對應一個反射/衍射光方向，因此，測得的瞳面光強分布實際為樣品面反射/ 衍射光強的角分辨譜。
[0004] 角分辨譜散射測量技術通過將測得的樣品面反射率與模型算法計算所得的反射 率進行算法匹配以確定上述圖形形貌結構參量。模型算法可以是嚴格耦合波理論（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構參量以及測量配 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，傳統的角分辨譜散射測量技術需要進行參考光的測量以 確定入射到樣品面的入射光強的角分辨譜。一般的散射測量系統采取測量某種已知反射率 的標準樣片的方式進行參考光測量，如標準的裸硅片。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，若照明光光強分布等因素發生變化，則將 引入測量誤差； 在專利EP1628164B1 (Fig. 5)中提出了一種裝置結構，該裝置的特征是在照明光束達 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 使用這束監測光的光強對照明光源整體的光源波動進行歸一化。采用該專利的結構與方法 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分布變化引起的測量誤差。同樣，由于無法完全監測照明光在空 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。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種自參考的散射測量技術，無 須進行參考光測量即可完成散射測量，以提高產率。此外，該散射測量技術應可以實現對照 明光空間分布的監測，以進一步提高測量精度。
[0007] 本發明提出一種自參考散射測量裝置，用于測量基底性能參數，其特征在于包 括： 輻射光源，用于產生照明光； 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，將所述物鏡的光瞳成像到所述探測器；以及 反射系統，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生偏轉，并將所述第二照明光反射后經所述成像系統成像到所述二 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] 優選地，所述反射系統為五角棱鏡。
[0009] 優選地，所述反射系統為直角棱鏡。
[0010] 優選地，在所述輻射光源與所述分光鏡之間的光路中還設置有照明系統。
[0011] 一種使用上述自參考散射測量裝置的測量方法，包括： 輻射光源發出的照明光經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反射系統后形成的監測光斑； 根據所述角分辨譜光斑及監測光斑的光強分布計算所述基底的反射率角分辨譜KP爲。
[0012] 優選地，所述基底的反射率角分辨譜瑪A約的計算方法為：
【主權項】
1. 一種自參考散射測量裝置，用于測量基底性能參數，其特征在于包括： 輻射光源，用于產生照明光； 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，將所述物鏡的光瞳成像到所述探測器；以及 反射系統，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生偏轉，并將所述第二照明光反射后經所述成像系統成像到所述二 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：所述反射系統為五角棱鏡。
3. 如權利要求1所述的自參考散射測量裝置，其特征在于：所述反射系統為直角棱鏡。
4. 如權利要求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置有照明系統。
5. -種使用權利要求1-4之一的自參考散射測量裝置的測量方法，包括： 輻射光源發出的照明光經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反射系統后形成的監測光斑； 根據所述角分辨譜光斑及監測光斑的光強分布計算所述基底的反射率角分辨譜RiP,)。
6. 如權利要求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 分布，由所述二維陣列探測器測得，4t(a巧妁為所述監測光斑的光強分布，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分布，.^)為照明光光強隨 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 算方式為用測得的所述監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，將所述物鏡的光瞳成像到所述探測器；以及反射系統，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生偏轉，并將所述第二照明光反射后經所述成像系統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
【申請號】CN201310518199
【發明人】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