基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸ocd测试系统的制作方法
【专利摘要】该实用新型公开了一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统，包括光源、压缩透镜组、待测周期结构、检测器及数据处理器。光源激励出光斑直径大小为4.9-5.1mm的平行光，该光束通过压缩透镜组被压缩为直径为49-51μm的平行光，此平行光入射到安置台上的待测周期结构表面，实现反射，检测器检测并提取反射光参数，最后通过数据处理器的电磁模拟/分析软件优化分析反射光参数，反衍出待测结构的关键尺寸。该实用新型直接实现微光斑平行光束的测试系统能够很大程度上提高OCD测试系统测试小尺寸结构的精度与速度。
【专利说明】基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于半导体微电子计量领域，涉及实现微光斑平行光束入射的光学关键尺寸(OCD)测试系统。
技术背景
[0002]在半导体以及其他微电子产业中，芯片在经过集成电路设计者设计后通过加工设备以加工实现设计者所期望的结构。芯片的集成度很高，需要通过制版、光刻、刻蚀等一系列工艺使其结构(Pattern)在芯片中实现，因此芯片上的结构基本都呈周期性排列。但在工艺制作以后，其中的关键尺寸(CD)能否满足设计要求则需要进行测试/分析。这样的测试/分析在各个工艺阶段以及工艺完成后都需要做，因此对芯片制造来说具有极其重要的意义。CD测试/分析的方法有多种，如:采用扫描电子显微镜(SEM)，原子力显微镜(AFM)等，但这些显微镜测试的技术或者需要复杂的真空环境，或者只能实现对表面轮廓的局部分析，无法实现对多层结构中非表面层(underlay)的测试，更不可能实现生产过程中的在线检测。采用光学手段对CD测试/分析(通常称为0CD)则能够实现在线检测，它对测试环境的要求简单，且可对非表面层结构的分析，因此成为CD测试/分析中最主要的技术手段。该技术在国际上已有二十多年的发展历史，早期的OCD测试只要采用普通的光束(毫米级直径)就可以实现，分析技术中的电场模拟采用标量分析的近似，该方法最早由Haimann等人提出(Journal of Electrochemical Socity, ν.131，ρ.881，1984),后来由 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)在产业界得到应用，Li等在美国专利US Patent7212293Bl中对这中方法做了一些改进。但随着集成度的提高，微结构中的几何尺寸越来越小，标量分析这种近似方法已难以适应要求，更精确反映各种衍射信息的严格方法----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)，以及频域、时域有限差分法等。此外还有一些企业采用一些新的近似方法，但几乎所有应用于OCD的模拟算法都假定光源为平行光。随着以半导体集成电路为代表的微电子技术的发展，不仅结构上尺寸越来越小，而且允许测试的面积也减小。因此需要测试系统的光斑相应减小。当前普遍采用汇聚光束的方法减小光斑，让测试位置位于聚焦的光斑点。但这种做法与基于模拟算法的软件分析模型是有差异的(实际光源不再为模拟光源所假定的平行光)，这将直接影响测试/分析结果的准确性。工程实际中都经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过程中计算的复杂性，严重影响了系统工作的效率；而在OCD测试/分析系统中，精度和效率是两大关键问题，为了提高效率采用这些近似方法需要增加很多硬件上的投入，甚至有时不得不为了效率牺牲一些精度。因此，能直接实现微光斑平行光的测试系统显得非常重要。
【发明内容】
[0003]对于传统的OCD测量技术而言，随着集成技术的发展，微结构的尺寸越来越小。目前主要有两个方面的困难:一是光学衍射极限的限制；二是光斑尺寸相对于芯片尺寸过大，影响测试精度甚至无法实现测试/分析。为了克服光斑尺寸过大的问题，目前普遍采用聚焦方式，这虽然解决了测试问题，但由于测试系统和模拟分析模型的差别，在很多情况下，测试之后的分析过程中需要多耗费很多时间才能得到测试/分析的最后结果。为了解决这个问题，本实用新型公开了一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统，使得光源通过双胶合透镜组变为光束直径约50 μ m的平行光，从而达到提高芯片测试精度、缩短测试之后数值分析时间的目的。
[0004]图1所示系统是本实用新型的一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统，包括光源、压缩透镜组、待测周期结构、检测器及数据处理器。光源激励出光斑直径大小为4.9-5.1mm的平行光，该光束通过压缩透镜组被压缩为直径为49-51 μ m的平行光，此平行光入射到安置台上的待测周期结构表面，实现反射，检测器检测并提取反射光参数，最后通过数据处理器的电磁模拟/分析软件优化分析反射光参数，反衍出待测结构的关键尺寸。
[0005]考虑到加工水平以及可行性，本实用新型选择加工生产方便以及测试简便的光学元件一球面透镜；为使入射光源可透过压缩透镜组的工作波长范围足够大，选择适用于紫外波段的玻璃材料。
[0006]如图2所示，双胶合透镜组包括第一透镜与第二透镜，两透镜中轴线重合，整体通光口径d为3_，透镜组外围环境为空气；第一透镜置于近光源侧，第二透镜置于远光源侧。
[0007]如图3所不,第一透镜中，近光源侧的第一表面1-1的曲率半径为15.63mm,第二表面1-2的曲率半径为9.26mm，第三表面1_3的曲率半径为1691.9mm ;第一表面1_1与第二表面1-2之间的材料为氟化锂，中心厚度w3为28.78_，边缘厚度w4为28.99mm ;第二表面1-2与第三表面1-3之间材料为氟化钙，中心厚度w5为1.13mm，边缘厚度w6为0.64mm。
[0008]如图4所示，第二透镜中，靠近第一透镜的第四表面2-1的曲率半径为-56.38mm,第五表面2-2的边缘为平面，中间为球面，球面的曲率半径为2.21mm，第六表面2_3边缘为平面，中间为球面，球面的曲率半径为0.42mm。第四表面2_1与第五表面2_2之间材料为石英，中心厚度w7为1臟，边缘厚度w8为3.29mm ;第五表面2-2与第六表面2-3之间材料为氟化钙，中心厚度w9为30mm，边缘厚度wlO为28.21mm。
[0009]第一透镜与第二透镜之间为空气，两透镜的中心距离wl为1mm，边缘距离《2为
0.92mm。
[0010]本实用新型一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统中双胶合透镜组的工作波长范围为190-1000nm，；本实用新型通过双胶合透镜组实现有别于【背景技术】汇聚光光斑的平行光微光斑，在测试系统中，平行光和汇聚光的频谱响应是有差别的，如果O⑶测试系统中采用汇聚光，那么基于平行光假定条件的模拟计算显然有一定误差。而模拟计算的误差将带入分析系统，影响系统分析的准确度，从而影响OCD测试系统的测试精度。如果要实现满足精度要求的汇聚光模拟计算，则需要对汇聚光的多个取样点进行平行光模拟计算，最后取平均值。通常计算圆锥形状汇聚光束，需要在其光斑横截面至少取五个样点，甚至更多。这种处理方式，多少还残留着一些误差，而且对分析效率的影响已经很严重了。
[0011]因此，本实用新型直接实现微光斑平行光束的测试系统能够很大程度上提高OCD测试系统测试小尺寸结构的精度与速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统的示意图；
[0013]图2本实用新型的双胶合透镜组示意图；
[0014]图3本实用新型的双胶合透镜组第一透镜示意图；
[0015]图4本实用新型的双胶合透镜组第二透镜示意图；
[0016]图5【背景技术】汇聚光OCD测试系统与本实用新型一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统的O级反射光谱比较图；
[0017]图6 —维周期结构光束照射物理模型图；
[0018]图7 二维周期结构物理模型图。
[0019]图中:1.第一透镜,2.第二透镜，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。
【具体实施方式】
[0020]如图1所不,一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统,包括光源、压缩透镜组、待测周期结构、检测器及数据处理器。
[0021]如图2所示，双胶合透镜组包括第一透镜与第二透镜，两透镜中心轴线重合，整体通光口径d为3_，透镜组外围环境为空气；第一透镜置于近光源侧，第二透镜置于远光源侧。
[0022]如图3所不,第一透镜中，近光源侧的第一表面1-1的曲率半径为15.63mm,第二表面1-2的曲率半径为9.26mm，第三表面1_3的曲率半径为1691.9mm ;第一表面1_1与第二表面1-2之间的材料为氟化锂，中心厚度w3为28.78_，边缘厚度w4为28.99mm ;第二表面1-2与第三表面1-3间材料为氟化钙，中心厚度w5为1.13mm，边缘厚度w6为0.64mm。
[0023]如图4所示，第二透镜中，靠近第一透镜的第四表面2-1的曲率半径为-56.38mm,第五表面2-2的边缘为平面，中间为球面，球面的曲率半径为2.21mm，第六表面2_3边缘为平面，中间为球面，球面的曲率半径为0.42mm。第四表面2_1与第五表面2_2间材料为石英，中心厚度w7为1臟，边缘厚度w8为3.29mm ;第五表面2-2与第六表面2-3间材料为氟化钙，中心厚度w9为30mm，边缘厚度wlO为28.21mm。
[0024]第一透镜与第二透镜之间为空气，两透镜的中心距离wl为1mm，边缘距离《2为
0.92mm。
[0025]在测试系统中，平行光和汇聚光的频谱响应是有差别的。图5是具有5°汇聚角的光和平行光入射情况下O级反射光谱的比较。
[0026]以娃为基底的一维光栅，其物理模型如图6。周期为500nm,光栅占空比为I,即娃和空气各占一个周期的一半，光栅厚度为200nm，其光的入射角为10度，考虑TE波，入射光的入射平面垂直于一维光栅线条的情况(Θ =10°，φ=0% Φ =90° )。
[0027]对于上述例子，平行入射光的模拟仅需计算一次入射光的平面垂直于一维光栅线条的情况(Φ=());而汇聚入射光满足精度要求的模拟以最少的5个取样点为例，则需要计算两次锥角入射情况()和三次入射光的平面垂直于一维光栅线条的情况(φ=ο)。计算一次入射光的平面垂直于一维光栅线条的情况(φ=ο)的时间约2秒，而计算一次锥角入射(ψ#0 )的时间约6.6秒，因此计算一次汇聚光O级反射光谱的时间约为(2X6.6+3X2= )19.2秒比计算一次平行光O级反射光谱的时间2s约多十倍。
[0028]以上只是针对一维结构的例子，在工程实际中，更多的情况是二维结构(如图7)，其计算上要复杂很多，采用聚焦光束在时间上也会增加更多的时间，甚至可能使得测试/分析系统难以实现。以工程实际中最常用的算法——严格耦合波分析法(RCWA)为例，在一维的情况下，因为只需考虑单方向衍射效应因此只需在算法的傅里叶展开过程中截断一个维度的衍射级次，模拟计算所需矩阵阶数较小；而对于二维周期性结构，则需考虑两个方向的衍射效应截断两个维度的衍射级次，模拟计算反射光谱所需要的矩阵阶数将大大增加。二维结构的模拟计算过程所需要处理的矩阵远大于一维结构，其计算时间相对于一维结构约成3次方增加。因此，平行光微光斑OCD测试系统测试二维结构时，相对于汇聚光OCD测试系统其模拟计算节省的时间将十分可观。
[0029]本实用新型的一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统，使得模拟计算/优化分析过程具有更高效率，大大节省了整个测试/分析过程的时间。
【权利要求】
1.一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸O⑶测试系统,包括光源、压缩透镜组、待测周期结构、检测器及数据处理器，其特征在于光源激励出光斑直径大小为4.9-5.1mm的平行光，该光束通过压缩透镜组被压缩为直径为49-51 μ m的平行光，此平行光入射到安置台上的待测周期结构表面，实现反射，检测器检测提取反射光参数并反衍出待测结构的关键尺寸。
2.如权利要求1所述的一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统,其特征在于压缩透镜组中的透镜为球面透镜；材料为适用于紫外波段的玻璃材料。
3.如权利要求1所述的一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统,其特征在于压缩透镜组包括第一透镜与第二透镜，两透镜中轴线重合，整体通光口径为3mm，透镜组外围环境为空气；第一透镜置于近光源侧，第二透镜置于远光源侧； 第一透镜中，近光源侧的第一表面的曲率半径为15.63mm,第二表面的曲率半径为9.26mm,第三表面的曲率半径为1691.9mm ;第一表面与第二表面之间的材料为氟化锂，中心厚度为28.78mm，边缘厚度为28.99mm ;第二表面与第三表面之间材料为氟化钙，中心厚度为1.13mm,边缘厚度为0.64mm ； 第二透镜中，靠近第一透镜的第四表面的曲率半径为-56.38mm，第五表面的边缘为平面，中间为球面，球面的曲率半径为2.21mm，第六表面边缘为平面，中间为球面，球面的曲率半径为0.42mm;第四表面与第五表面之间材料为石英，中心厚度为1mm，边缘厚度为3.29mm ;第五表面与第六表面之间材料为氟化钙，中心厚度为30mm，边缘厚度为28.21mm ； 第一透镜与第二透镜之间为空气，两透镜的中心距离为1mm，边缘距离为0.92mm。
【文档编号】G01B11/00GK203981110SQ201420200817
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】陈树强, 杨小君, 邓浩 申请人:电子科技大学