一種薄膜檢測(cè)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種薄膜檢測(cè)裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜檢測(cè)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，如半導(dǎo)體制造工藝的沉積、光刻、刻蝕、CMP等諸多 工藝過(guò)程中均需要使用膜厚檢測(cè)以對(duì)工藝進(jìn)行控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高良率。
[0003] 薄膜檢測(cè)需要測(cè)量單層膜或多層膜的膜厚，有時(shí)還需要測(cè)量n、k值，常用檢測(cè)手 段為反射儀測(cè)量或者橢偏儀測(cè)量。為獲取更多的信息以提高測(cè)量精度，可采用多波長(zhǎng)測(cè)量、 多角度測(cè)量的方法。為實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)和多角度測(cè)量，通常使用光譜儀對(duì)測(cè)量光束分光探測(cè)；若 需要同時(shí)測(cè)量不同角度的信息，則需要改變照明光路和接收光路的角度，或者是改變光闌 位置以選擇不同角度的反射光進(jìn)行測(cè)量，由測(cè)量結(jié)果計(jì)算膜厚和光學(xué)常數(shù)。
[0004] 專利US5166752描述了一種使用一定入射角度范圍的光束照明樣品，并同時(shí)測(cè)量 不同角度反射光偏振信息的橢偏儀，但該裝置只能測(cè)量一條狹縫上的偏振信息，無(wú)法測(cè)量 不同方位角的偏振信息。專利US8139232描述了一種使用會(huì)聚光束照明樣品，并測(cè)量角譜 信息的橢偏儀，該測(cè)量裝置單次僅能使用一種波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，要實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)測(cè)量需要切換 照明波長(zhǎng)，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多波長(zhǎng)測(cè)量。
[0005] 上述兩種方案均無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多波長(zhǎng)和整個(gè)角譜的偏振信息測(cè)量而獲得更高精 度薄膜測(cè)量結(jié)果。
[0006] 專利CN200980110569描述了一種污染檢測(cè)設(shè)備，使用線偏振的寬波段光照明樣 品，并使用光譜儀測(cè)量反射光某一特定偏振分量的光譜信息；該測(cè)量裝置通過(guò)測(cè)量光譜零 位改變(最小光強(qiáng)位置對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的偏移)，計(jì)算得到污染物的沉積厚度。該裝置采用光譜測(cè) 量方式獲得不同波長(zhǎng)的反射光強(qiáng)信息，以計(jì)算厚度，而非采用角譜測(cè)量方式獲得不同入射 角和方位角的反射光強(qiáng)信息以計(jì)算膜厚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種可以同時(shí)測(cè)量膜層的厚度 和光學(xué)常數(shù)薄膜檢測(cè)裝置和方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開(kāi)公開(kāi)一種薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，包括： 光源，用于提供包含不同波段的照明光束；光學(xué)元件單元，包括物鏡，該光學(xué)元件單元用于 將照明光束通過(guò)該物鏡照射到待測(cè)對(duì)象上，并收集該待測(cè)對(duì)象的反射光束；濾波器，用于 使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離；面陣探測(cè)器，位于該物鏡瞳面或者 物鏡瞳面的共軛面以采集反射光束的角譜信息；處理器，用于對(duì)該角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
[0009] 更進(jìn)一步地，該光源為一寬波段光源或者多個(gè)單色光源，該光源包括準(zhǔn)直鏡頭。
[0010] 更進(jìn)一步地，該光學(xué)元件單元包括起偏器。
[0011] 更進(jìn)一步地，該照明光束的方向與待測(cè)對(duì)象表面垂直，該光學(xué)元件單元還包括分 束元件，該照明光束依次通過(guò)該起偏器、分束元件以及物鏡入射到該被測(cè)對(duì)象表面，被該被 測(cè)對(duì)象反射后通過(guò)該物鏡、分束元件，最后由該面陣探測(cè)器接收。
[0012] 更進(jìn)一步地，該分束元件為直角分光棱鏡或半透半反鏡。
[0013] 更進(jìn)一步地，該物鏡的數(shù)值孔徑為0. 9以上。
[0014] 更進(jìn)一步地，該照明光束的方向與待測(cè)對(duì)象表面成一夾角，該物鏡包括前組透鏡 和后組透鏡，該照明光束通過(guò)該起偏器和前組透鏡傾斜入射到該被測(cè)對(duì)象表面后，被該被 測(cè)對(duì)象反射到后組透鏡，最后由該面陣探測(cè)器接收。
[0015] 更進(jìn)一步地，該物鏡的數(shù)值孔徑為0· 2~0· 3。
[0016] 更進(jìn)一步地，該待測(cè)對(duì)象與面陣探測(cè)器之間還包括檢偏器。
[0017] 更進(jìn)一步地，該光學(xué)元件單元包括旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。
[0018] 更進(jìn)一步地，該濾波器為窄帶濾光片，該濾波器位于該光源和物鏡之間。
[0019] 更進(jìn)一步地，該濾波器為窄帶濾光片，該濾波器位于該待測(cè)對(duì)象與面陣探測(cè)器之 間。
[0020] 更進(jìn)一步地，該光源包括不同發(fā)光波段的兩個(gè)單色光源和二向色光束合束器，該 兩個(gè)單色光源的照明光束分別被該二向色光束合束器透射和反射。
[0021] 更進(jìn)一步地，該面陣探測(cè)器之前還包括分光元件，該分光元件用于將不同波段的 反射光束引導(dǎo)至不同的面陣探測(cè)器。該分光元件為二向色分光片或者鍍有二向色分光膜的 直角分光棱鏡。
[0022] 本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)薄膜檢測(cè)裝置進(jìn)行薄膜檢測(cè)的方法，該光源發(fā)出包含不同波段的 照明光束，該照明光束進(jìn)入該光學(xué)元件單元，通過(guò)該物鏡后照射到待測(cè)對(duì)象上，該光學(xué)元件 單元收集該待測(cè)對(duì)象的反射光束，該濾波器使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn) 行分離，由該面陣探測(cè)器采集反射光束的角譜信息，最終處理器對(duì)該角譜信息進(jìn)行分析計(jì) 算。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的薄膜檢測(cè)裝置，可對(duì)整個(gè)角譜面進(jìn)行測(cè) 量，并且能同時(shí)測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)。通過(guò)同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)和整個(gè)角譜面測(cè)量，能獲得更多的測(cè) 量信息，可以同時(shí)測(cè)量膜層的厚度和光學(xué)常數(shù)，也能測(cè)量較復(fù)雜的多層膜結(jié)構(gòu)，并可提高精 度、提高工藝適用性，縮短多波長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過(guò)以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了 解。
[0025] 圖1是本發(fā)明所提供的薄膜檢測(cè)裝置的第一種實(shí)施方式； 圖2是本發(fā)明所提供的薄膜檢測(cè)裝置的第二種實(shí)施方式； 圖3是本發(fā)明所提供的薄膜檢測(cè)裝置的第三種實(shí)施方式； 圖4是本發(fā)明所提供的薄膜檢測(cè)裝置的第四種實(shí)施方式； 圖5是本發(fā)明所提供的薄膜檢測(cè)裝置的兩個(gè)波長(zhǎng)的角譜反射率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0027] 薄膜檢測(cè)需要測(cè)量單層膜或多層膜的膜厚，有時(shí)還需要測(cè)量η值(折射率)、k值 (吸光系數(shù))，常用檢測(cè)手段為反射儀測(cè)量或者橢偏儀測(cè)量。其中反射儀通過(guò)測(cè)量樣品的反 射光強(qiáng)，計(jì)算得到樣品的反射率。通過(guò)測(cè)量不同角度或不同波長(zhǎng)的反射率，將實(shí)測(cè)反射率與 建模仿真(如RCWA算法仿真)測(cè)量波長(zhǎng)和入射角時(shí)，不同厚度和n、k值條件下得到的反射率 進(jìn)行比較，得到滿足條件的建模參數(shù)(或從預(yù)先計(jì)算得到的數(shù)據(jù)庫(kù)中找到最接近的數(shù)據(jù)樣 本，確定建模參數(shù))。橢偏儀測(cè)量偏振光經(jīng)樣品反射后的反射率Rp和Rs復(fù)數(shù)比率，其中Rp 為振動(dòng)方向位于入射平面內(nèi)的電場(chǎng)的反射率，Rs為振動(dòng)方向垂直于入射平面的電場(chǎng)的反射 率。Rp和Rs均為復(fù)數(shù)，且都與測(cè)量光波長(zhǎng)、入射角、被測(cè)對(duì)象厚度、光學(xué)常數(shù)有關(guān)。橢偏儀 參數(shù)定義如下
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，包括： 光源，用于提供包含不同波段的照明光束； 光學(xué)元件單元，包括物鏡，所述光學(xué)元件單元用于將照明光束通過(guò)所述物鏡照射到 待測(cè)對(duì)象上,并收集所述待測(cè)對(duì)象的反射光束； 濾波器，用于使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離； 面陣探測(cè)器，位于所述物鏡瞳面或者物鏡瞳面的共軛面以采集反射光束的角譜信 息； 處理器，用于對(duì)所述角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
2. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光源為一寬波段光源或者多 個(gè)單色光源，所述光源包括準(zhǔn)直鏡頭。
3. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件單元包括起偏器。
4. 如權(quán)利要求3所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述照明光束的方向與待測(cè)對(duì)象 表面垂直，所述光學(xué)元件單元還包括分束元件，所述照明光束依次通過(guò)所述起偏器、分束元 件以及物鏡入射到所述被測(cè)對(duì)象表面，被所述被測(cè)對(duì)象反射后通過(guò)所述物鏡、分束元件，最 后由所述面陣探測(cè)器接收。
5. 如權(quán)利要求4所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述分束元件為直角分光棱鏡或 半透半反鏡。
6. 如權(quán)利要求4所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述物鏡的數(shù)值孔徑為0. 9以上。
7. 如權(quán)利要求3所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述照明光束的方向與待測(cè)對(duì)象 表面成一夾角，所述物鏡包括前組透鏡和后組透鏡，所述照明光束通過(guò)所述起偏器和前組 透鏡傾斜入射到所述被測(cè)對(duì)象表面后，被所述被測(cè)對(duì)象反射到后組透鏡，最后由所述面陣 探測(cè)器接收。
8. 如權(quán)利要求7所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述物鏡的數(shù)值孔徑為0. 2~0. 3。
9. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述待測(cè)對(duì)象與面陣探測(cè)器之間 還包括檢偏器。
10. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件單元包括旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償 器。
11. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述濾波器為窄帶濾光片，所述 濾波器位于所述光源和物鏡之間。
12. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述濾波器為兩種或兩種以上不 同波長(zhǎng)透過(guò)的窄帶濾光片，所述濾波器位于所述待測(cè)對(duì)象與面陣探測(cè)器之間。
13. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光源包括不同發(fā)光波段的兩 個(gè)單色光源和二向色光束合束器，所述兩個(gè)單色光源的照明光束分別被所述二向色光束合 束器透射和反射。
14. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述面陣探測(cè)器之前還包括分光 元件，所述分光元件用于將不同波段的反射光束引導(dǎo)至不同的面陣探測(cè)器。
15. 如權(quán)利要求14所述的薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，所述分光元件為二向色分光片 或者鍍有二向色分光膜的直角分光棱鏡。
16. -種采用權(quán)利要求1至15所述的薄膜檢測(cè)裝置進(jìn)行薄膜檢測(cè)的方法，其特征在于， 所述光源發(fā)出包含不同波段的照明光束，所述照明光束進(jìn)入所述光學(xué)元件單元，通過(guò)所述 物鏡后照射到待測(cè)對(duì)象上，所述光學(xué)元件單元收集所述待測(cè)對(duì)象的反射光束，所述濾波器 使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離，由所述面陣探測(cè)器采集反射光束的 角譜信息，最終處理器對(duì)所述角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種薄膜檢測(cè)裝置，其特征在于，包括：光源，用于提供包含不同波段的照明光束；光學(xué)元件單元，包括物鏡，該光學(xué)元件單元用于將照明光束通過(guò)該物鏡照射到待測(cè)對(duì)象上，并收集該待測(cè)對(duì)象的反射光束；濾波器，用于使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離；面陣探測(cè)器，位于該物鏡瞳面或者物鏡瞳面的共軛面以采集反射光束的角譜信息；處理器，用于對(duì)該角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
【IPC分類】G01N21-47, G01N21-21, G01B11-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104677299
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310618148
【發(fā)明人】周鈺穎, 王帆
【申請(qǐng)人】上海微電子裝備有限公司
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2013年11月29日