基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸ocd測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】該實(shí)用新型公開了一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)，包括光源、壓縮透鏡組、待測(cè)周期結(jié)構(gòu)、檢測(cè)器及數(shù)據(jù)處理器。光源激勵(lì)出光斑直徑大小為4.9-5.1mm的平行光，該光束通過壓縮透鏡組被壓縮為直徑為49-51μm的平行光，此平行光入射到安置臺(tái)上的待測(cè)周期結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)反射，檢測(cè)器檢測(cè)并提取反射光參數(shù)，最后通過數(shù)據(jù)處理器的電磁模擬/分析軟件優(yōu)化分析反射光參數(shù)，反衍出待測(cè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸。該實(shí)用新型直接實(shí)現(xiàn)微光斑平行光束的測(cè)試系統(tǒng)能夠很大程度上提高OCD測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試小尺寸結(jié)構(gòu)的精度與速度。
【專利說(shuō)明】基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體微電子計(jì)量領(lǐng)域，涉及實(shí)現(xiàn)微光斑平行光束入射的光學(xué)關(guān)鍵尺寸(OCD)測(cè)試系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]在半導(dǎo)體以及其他微電子產(chǎn)業(yè)中，芯片在經(jīng)過集成電路設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)后通過加工設(shè)備以加工實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者所期望的結(jié)構(gòu)。芯片的集成度很高，需要通過制版、光刻、刻蝕等一系列工藝使其結(jié)構(gòu)(Pattern)在芯片中實(shí)現(xiàn)，因此芯片上的結(jié)構(gòu)基本都呈周期性排列。但在工藝制作以后，其中的關(guān)鍵尺寸(CD)能否滿足設(shè)計(jì)要求則需要進(jìn)行測(cè)試/分析。這樣的測(cè)試/分析在各個(gè)工藝階段以及工藝完成后都需要做，因此對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)具有極其重要的意義。CD測(cè)試/分析的方法有多種，如:采用掃描電子顯微鏡(SEM)，原子力顯微鏡(AFM)等，但這些顯微鏡測(cè)試的技術(shù)或者需要復(fù)雜的真空環(huán)境，或者只能實(shí)現(xiàn)對(duì)表面輪廓的局部分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多層結(jié)構(gòu)中非表面層(underlay)的測(cè)試，更不可能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的在線檢測(cè)。采用光學(xué)手段對(duì)CD測(cè)試/分析(通常稱為0CD)則能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)，它對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求簡(jiǎn)單，且可對(duì)非表面層結(jié)構(gòu)的分析，因此成為CD測(cè)試/分析中最主要的技術(shù)手段。該技術(shù)在國(guó)際上已有二十多年的發(fā)展歷史，早期的OCD測(cè)試只要采用普通的光束(毫米級(jí)直徑)就可以實(shí)現(xiàn)，分析技術(shù)中的電場(chǎng)模擬采用標(biāo)量分析的近似，該方法最早由Haimann等人提出(Journal of Electrochemical Socity, ν.131，ρ.881，1984),后來(lái)由 Maynard等人(Journal of vacuum Science and Technology)以及 Lee 等人(Internat1nalConference on Characterizat1n and Metrology for ULSI Technology, Gaithersburg,MD，p.23-27，Mar.1998)在產(chǎn)業(yè)界得到應(yīng)用，Li等在美國(guó)專利US Patent7212293Bl中對(duì)這中方法做了一些改進(jìn)。但隨著集成度的提高，微結(jié)構(gòu)中的幾何尺寸越來(lái)越小，標(biāo)量分析這種近似方法已難以適應(yīng)要求，更精確反映各種衍射信息的嚴(yán)格方法----矢量分析法被普遍米用，其中包括I禹合波分析法(RCWA, Moharam 等，Journal of Optical Society of America, A12, n.5，p.1068-1076, 1995)，以及頻域、時(shí)域有限差分法等。此外還有一些企業(yè)采用一些新的近似方法，但幾乎所有應(yīng)用于OCD的模擬算法都假定光源為平行光。隨著以半導(dǎo)體集成電路為代表的微電子技術(shù)的發(fā)展，不僅結(jié)構(gòu)上尺寸越來(lái)越小，而且允許測(cè)試的面積也減小。因此需要測(cè)試系統(tǒng)的光斑相應(yīng)減小。當(dāng)前普遍采用匯聚光束的方法減小光斑，讓測(cè)試位置位于聚焦的光斑點(diǎn)。但這種做法與基于模擬算法的軟件分析模型是有差異的(實(shí)際光源不再為模擬光源所假定的平行光)，這將直接影響測(cè)試/分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。工程實(shí)際中都經(jīng)常是采用一些近似方法加以修改，但通常是大大增加了分析過程中計(jì)算的復(fù)雜性，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)工作的效率；而在OCD測(cè)試/分析系統(tǒng)中，精度和效率是兩大關(guān)鍵問題，為了提高效率采用這些近似方法需要增加很多硬件上的投入，甚至有時(shí)不得不為了效率犧牲一些精度。因此，能直接實(shí)現(xiàn)微光斑平行光的測(cè)試系統(tǒng)顯得非常重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]對(duì)于傳統(tǒng)的OCD測(cè)量技術(shù)而言，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，微結(jié)構(gòu)的尺寸越來(lái)越小。目前主要有兩個(gè)方面的困難:一是光學(xué)衍射極限的限制；二是光斑尺寸相對(duì)于芯片尺寸過大，影響測(cè)試精度甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)試/分析。為了克服光斑尺寸過大的問題，目前普遍采用聚焦方式，這雖然解決了測(cè)試問題，但由于測(cè)試系統(tǒng)和模擬分析模型的差別，在很多情況下，測(cè)試之后的分析過程中需要多耗費(fèi)很多時(shí)間才能得到測(cè)試/分析的最后結(jié)果。為了解決這個(gè)問題，本實(shí)用新型公開了一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)，使得光源通過雙膠合透鏡組變?yōu)楣馐睆郊s50 μ m的平行光，從而達(dá)到提高芯片測(cè)試精度、縮短測(cè)試之后數(shù)值分析時(shí)間的目的。
[0004]圖1所示系統(tǒng)是本實(shí)用新型的一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)，包括光源、壓縮透鏡組、待測(cè)周期結(jié)構(gòu)、檢測(cè)器及數(shù)據(jù)處理器。光源激勵(lì)出光斑直徑大小為4.9-5.1mm的平行光，該光束通過壓縮透鏡組被壓縮為直徑為49-51 μ m的平行光，此平行光入射到安置臺(tái)上的待測(cè)周期結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)反射，檢測(cè)器檢測(cè)并提取反射光參數(shù)，最后通過數(shù)據(jù)處理器的電磁模擬/分析軟件優(yōu)化分析反射光參數(shù)，反衍出待測(cè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸。
[0005]考慮到加工水平以及可行性，本實(shí)用新型選擇加工生產(chǎn)方便以及測(cè)試簡(jiǎn)便的光學(xué)元件一球面透鏡；為使入射光源可透過壓縮透鏡組的工作波長(zhǎng)范圍足夠大，選擇適用于紫外波段的玻璃材料。
[0006]如圖2所示，雙膠合透鏡組包括第一透鏡與第二透鏡，兩透鏡中軸線重合，整體通光口徑d為3_，透鏡組外圍環(huán)境為空氣；第一透鏡置于近光源側(cè)，第二透鏡置于遠(yuǎn)光源側(cè)。
[0007]如圖3所不,第一透鏡中，近光源側(cè)的第一表面1-1的曲率半徑為15.63mm,第二表面1-2的曲率半徑為9.26mm，第三表面1_3的曲率半徑為1691.9mm ;第一表面1_1與第二表面1-2之間的材料為氟化鋰，中心厚度w3為28.78_，邊緣厚度w4為28.99mm ;第二表面1-2與第三表面1-3之間材料為氟化鈣，中心厚度w5為1.13mm，邊緣厚度w6為0.64mm。
[0008]如圖4所示，第二透鏡中，靠近第一透鏡的第四表面2-1的曲率半徑為-56.38mm,第五表面2-2的邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為2.21mm，第六表面2_3邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為0.42mm。第四表面2_1與第五表面2_2之間材料為石英，中心厚度w7為1臟，邊緣厚度w8為3.29mm ;第五表面2-2與第六表面2-3之間材料為氟化鈣，中心厚度w9為30mm，邊緣厚度wlO為28.21mm。
[0009]第一透鏡與第二透鏡之間為空氣，兩透鏡的中心距離wl為1mm，邊緣距離《2為
0.92mm。
[0010]本實(shí)用新型一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)中雙膠合透鏡組的工作波長(zhǎng)范圍為190-1000nm，；本實(shí)用新型通過雙膠合透鏡組實(shí)現(xiàn)有別于【背景技術(shù)】匯聚光光斑的平行光微光斑，在測(cè)試系統(tǒng)中，平行光和匯聚光的頻譜響應(yīng)是有差別的，如果O⑶測(cè)試系統(tǒng)中采用匯聚光，那么基于平行光假定條件的模擬計(jì)算顯然有一定誤差。而模擬計(jì)算的誤差將帶入分析系統(tǒng)，影響系統(tǒng)分析的準(zhǔn)確度，從而影響OCD測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度。如果要實(shí)現(xiàn)滿足精度要求的匯聚光模擬計(jì)算，則需要對(duì)匯聚光的多個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行平行光模擬計(jì)算，最后取平均值。通常計(jì)算圓錐形狀匯聚光束，需要在其光斑橫截面至少取五個(gè)樣點(diǎn)，甚至更多。這種處理方式，多少還殘留著一些誤差，而且對(duì)分析效率的影響已經(jīng)很嚴(yán)重了。
[0011]因此，本實(shí)用新型直接實(shí)現(xiàn)微光斑平行光束的測(cè)試系統(tǒng)能夠很大程度上提高OCD測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試小尺寸結(jié)構(gòu)的精度與速度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)的示意圖；
[0013]圖2本實(shí)用新型的雙膠合透鏡組示意圖；
[0014]圖3本實(shí)用新型的雙膠合透鏡組第一透鏡示意圖；
[0015]圖4本實(shí)用新型的雙膠合透鏡組第二透鏡示意圖；
[0016]圖5【背景技術(shù)】匯聚光OCD測(cè)試系統(tǒng)與本實(shí)用新型一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)的O級(jí)反射光譜比較圖；
[0017]圖6 —維周期結(jié)構(gòu)光束照射物理模型圖；
[0018]圖7 二維周期結(jié)構(gòu)物理模型圖。
[0019]圖中:1.第一透鏡,2.第二透鏡，1-1.第一表面1,1-2.第二表面2,1-3.第三表面,2-1.第四表面，2-2.第五表面,2-3.第六表面。

【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1所不,一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng),包括光源、壓縮透鏡組、待測(cè)周期結(jié)構(gòu)、檢測(cè)器及數(shù)據(jù)處理器。
[0021]如圖2所示，雙膠合透鏡組包括第一透鏡與第二透鏡，兩透鏡中心軸線重合，整體通光口徑d為3_，透鏡組外圍環(huán)境為空氣；第一透鏡置于近光源側(cè)，第二透鏡置于遠(yuǎn)光源側(cè)。
[0022]如圖3所不,第一透鏡中，近光源側(cè)的第一表面1-1的曲率半徑為15.63mm,第二表面1-2的曲率半徑為9.26mm，第三表面1_3的曲率半徑為1691.9mm ;第一表面1_1與第二表面1-2之間的材料為氟化鋰，中心厚度w3為28.78_，邊緣厚度w4為28.99mm ;第二表面1-2與第三表面1-3間材料為氟化鈣，中心厚度w5為1.13mm，邊緣厚度w6為0.64mm。
[0023]如圖4所示，第二透鏡中，靠近第一透鏡的第四表面2-1的曲率半徑為-56.38mm,第五表面2-2的邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為2.21mm，第六表面2_3邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為0.42mm。第四表面2_1與第五表面2_2間材料為石英，中心厚度w7為1臟，邊緣厚度w8為3.29mm ;第五表面2-2與第六表面2-3間材料為氟化鈣，中心厚度w9為30mm，邊緣厚度wlO為28.21mm。
[0024]第一透鏡與第二透鏡之間為空氣，兩透鏡的中心距離wl為1mm，邊緣距離《2為
0.92mm。
[0025]在測(cè)試系統(tǒng)中，平行光和匯聚光的頻譜響應(yīng)是有差別的。圖5是具有5°匯聚角的光和平行光入射情況下O級(jí)反射光譜的比較。
[0026]以娃為基底的一維光柵，其物理模型如圖6。周期為500nm,光柵占空比為I,即娃和空氣各占一個(gè)周期的一半，光柵厚度為200nm，其光的入射角為10度，考慮TE波，入射光的入射平面垂直于一維光柵線條的情況(Θ =10°，φ=0% Φ =90° )。
[0027]對(duì)于上述例子，平行入射光的模擬僅需計(jì)算一次入射光的平面垂直于一維光柵線條的情況(Φ=());而匯聚入射光滿足精度要求的模擬以最少的5個(gè)取樣點(diǎn)為例，則需要計(jì)算兩次錐角入射情況()和三次入射光的平面垂直于一維光柵線條的情況(φ=ο)。計(jì)算一次入射光的平面垂直于一維光柵線條的情況(φ=ο)的時(shí)間約2秒，而計(jì)算一次錐角入射(ψ#0 )的時(shí)間約6.6秒，因此計(jì)算一次匯聚光O級(jí)反射光譜的時(shí)間約為(2X6.6+3X2= )19.2秒比計(jì)算一次平行光O級(jí)反射光譜的時(shí)間2s約多十倍。
[0028]以上只是針對(duì)一維結(jié)構(gòu)的例子，在工程實(shí)際中，更多的情況是二維結(jié)構(gòu)(如圖7)，其計(jì)算上要復(fù)雜很多，采用聚焦光束在時(shí)間上也會(huì)增加更多的時(shí)間，甚至可能使得測(cè)試/分析系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。以工程實(shí)際中最常用的算法——嚴(yán)格耦合波分析法(RCWA)為例，在一維的情況下，因?yàn)橹恍杩紤]單方向衍射效應(yīng)因此只需在算法的傅里葉展開過程中截?cái)嘁粋€(gè)維度的衍射級(jí)次，模擬計(jì)算所需矩陣階數(shù)較小；而對(duì)于二維周期性結(jié)構(gòu)，則需考慮兩個(gè)方向的衍射效應(yīng)截?cái)鄡蓚€(gè)維度的衍射級(jí)次，模擬計(jì)算反射光譜所需要的矩陣階數(shù)將大大增加。二維結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算過程所需要處理的矩陣遠(yuǎn)大于一維結(jié)構(gòu)，其計(jì)算時(shí)間相對(duì)于一維結(jié)構(gòu)約成3次方增加。因此，平行光微光斑OCD測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試二維結(jié)構(gòu)時(shí)，相對(duì)于匯聚光OCD測(cè)試系統(tǒng)其模擬計(jì)算節(jié)省的時(shí)間將十分可觀。
[0029]本實(shí)用新型的一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng)，使得模擬計(jì)算/優(yōu)化分析過程具有更高效率，大大節(jié)省了整個(gè)測(cè)試/分析過程的時(shí)間。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸O⑶測(cè)試系統(tǒng),包括光源、壓縮透鏡組、待測(cè)周期結(jié)構(gòu)、檢測(cè)器及數(shù)據(jù)處理器，其特征在于光源激勵(lì)出光斑直徑大小為4.9-5.1mm的平行光，該光束通過壓縮透鏡組被壓縮為直徑為49-51 μ m的平行光，此平行光入射到安置臺(tái)上的待測(cè)周期結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)反射，檢測(cè)器檢測(cè)提取反射光參數(shù)并反衍出待測(cè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng),其特征在于壓縮透鏡組中的透鏡為球面透鏡；材料為適用于紫外波段的玻璃材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于微光斑平行光束的微結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸OCD測(cè)試系統(tǒng),其特征在于壓縮透鏡組包括第一透鏡與第二透鏡，兩透鏡中軸線重合，整體通光口徑為3mm，透鏡組外圍環(huán)境為空氣；第一透鏡置于近光源側(cè)，第二透鏡置于遠(yuǎn)光源側(cè)； 第一透鏡中，近光源側(cè)的第一表面的曲率半徑為15.63mm,第二表面的曲率半徑為9.26mm,第三表面的曲率半徑為1691.9mm ;第一表面與第二表面之間的材料為氟化鋰，中心厚度為28.78mm，邊緣厚度為28.99mm ;第二表面與第三表面之間材料為氟化鈣，中心厚度為1.13mm,邊緣厚度為0.64mm ； 第二透鏡中，靠近第一透鏡的第四表面的曲率半徑為-56.38mm，第五表面的邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為2.21mm，第六表面邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為0.42mm;第四表面與第五表面之間材料為石英，中心厚度為1mm，邊緣厚度為3.29mm ;第五表面與第六表面之間材料為氟化鈣，中心厚度為30mm，邊緣厚度為28.21mm ； 第一透鏡與第二透鏡之間為空氣，兩透鏡的中心距離為1mm，邊緣距離為0.92mm。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK203981110SQ201420200817
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】陳樹強(qiáng), 楊小君, 鄧浩 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)