[发明专利]一种自参考散射测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造装备技术领域，具体地，涉及一种用于半导体形貌参数测量的自参考散射测量装置及方法。

背景技术

散射测量技术提供了一种非接触式、无损伤、快速、高精度、低成本的半导体形貌参数测量手段，并逐渐成为先进工艺控制（APC）的重要环节，有力地支撑了32nm及以下的技术节点的进一步发展。散射测量技术的测量对象为具有一定周期性的半导体图形结构，主要为光刻胶密集线或孔阵列等。散射测量技术获取的形貌结构参量主要包括Height（高度）、Top-CD（顶部CD）、Bottom-CD（底部CD）、Mid-CD（腰部CD）、SWA（Side-Wall Angle侧壁角）、Corner-Roundness（角圆度）、Under-Cut（底切）等。这里所述CD为半导体图形的关键尺寸（Critical Dimension），一般定义为密集线条周期的一半。

传统的角分辨谱散射测量装置结构如图1所示，包括一光源101，准直镜102，分束镜103，显微物镜104。光源发出的照明光照亮物镜光瞳面105，物镜汇聚照明光到被测样品106。样品面的反射/衍射光被物镜收集。一成像系统107将物镜光瞳面的反射光/衍射光强分布成像到二维CCD探测器108上，形成二维的瞳面光强分布图像109。由于物镜光瞳面的每一个点对应一个反射/衍射光方向，因此，测得的瞳面光强分布实际为样品面反射/衍射光强的角分辨谱。

角分辨谱散射测量技术通过将测得的样品面反射率与模型算法计算所得的反射率进行算法匹配以确定上述图形形貌结构参量。模型算法可以是严格耦合波理论（RCWA）、有限时域差分（FDTD）、有限元法（FEM）等，这些模型算法以样品形貌结构参量以及测量配置参量等作为输入量，测量配置参量包括测量的波长、偏振、入射角度等。常用的匹配算法包括非线性回归算法、库查询算法等，见图2和3。

为了获得样品的反射率，传统的角分辨谱散射测量技术需要进行参考光的测量以确定入射到样品面的入射光强的角分辨谱。一般的散射测量系统采取测量某种已知反射率的标准样片的方式进行参考光测量，如标准的裸硅片。这种测量方式存在以下问题：

1.              参考光测量增加了总体测量时间，降低了产率；

2.              在参考光测量与样品面反射光测量期间，若照明光光强分布等因素发生变化，则将引入测量误差；

在专利EP1628164B1（Fig. 5）中提出了一种装置结构，该装置的特征是在照明光束达到样品面前分出一部分光，使之被用于测量反射光角分辨谱的同一CCD采集到，这样，可以使用这束监测光的光强对照明光源整体的光源波动进行归一化。采用该专利的结构与方法虽然可以减小测量参考光与样品面反射光期间，由于照明光波动引起的测量误差，但无法控制照明光在光瞳面光强分布变化引起的测量误差。同样，由于无法完全监测照明光在空间和时间上的变化，不可避免地仍要通过测量参考光的方式完成散射测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种自参考的散射测量技术，无须进行参考光测量即可完成散射测量，以提高产率。此外，该散射测量技术应可以实现对照明光空间分布的监测，以进一步提高测量精度。

本发明提出一种自参考散射测量装置，用于测量基底性能参数，其特征在于包括：

辐射光源，用于产生照明光；

分束镜，用于将所述照明照明光分为第一照明光束和第二照明光束；

物镜，将所述第一照明光束汇聚到基底表面，并收集基底表面反射/衍射的光；

二维阵列探测器，位于物镜光瞳位置的共轭面，用于测量所述基底表面反射/衍射光的角分辨谱光斑；

成像系统，将所述物镜的光瞳成像到所述探测器；以及

反射系统，至少包括两个倾斜反射面，其等效反射面位于物镜光瞳的共轭面，用于使所述第二照明光的光轴发生偏转，并将所述第二照明光反射后经所述成像系统成像到所述二维阵列探测器上，所述二维阵列探测器同时测得所述第二照明光束形成的监测光斑和所述基底表面反射/衍射的第一照明光束在所述物镜光瞳形成的角分辨谱光斑。

优选地，所述反射系统为五角棱镜。

优选地，所述反射系统为直角棱镜。

优选地，在所述辐射光源与所述分光镜之间的光路中还设置有照明系统。

一种使用上述自参考散射测量装置的测量方法，包括：

辐射光源发出的照明光经分束镜分为第一照明光束及第二照明光束：