一种角分辨快照式套刻误差测量装置及方法

本发明属于集成电路制造光学在线测量，更具体地，涉及一种角分辨快照式套刻误差测量装置及方法。

背景技术：

1、半导体器件，如存储器件、逻辑器件，通常是由采用光刻、刻蚀、沉积等工艺得到不同结构逐层堆叠而成，其中套刻误差(overlay)是硅片在曝光时，当前层(曝光显影后光刻胶上保留的图案)与参考层(晶圆上已有图案)之间沿x和y方向的对准误差(registrationerror)。理想情况下，当前层与参考层的图形正对准，即套刻误差为零。然而在实际制造过程中，由于加工工艺和加工装备等存在的问题，不可避免地存在着套刻误差。套刻误差的快速测量与精确评估，是光刻机运行参数优化与工艺良率管理的关键。

2、现有的通过对套刻标记的测量实现对器件结构上套刻误差测量的方法(也称之为产品上的套刻误差测量)具有测量时间长及测量速度慢的问题，并且这类方法由于曝光视场或芯片区域也是光刻曝光图形所在区域，套刻标记的存在占据了宝贵的空间位置，因此通常要求套刻标记的不能太大，其大小一般为10×10μm2，这就对测量光斑大小有了一定限制。现有技术中，还公开了一种套刻误差测量装置及方法，采用传统斜入射式结构，存在测量光斑较大、倾斜照明易受振动影响等缺点；同时，还存在测量精度和测量的稳定性不高的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种角分辨快照式套刻误差测量装置及方法，其目的在于提供一种测量产品上的套刻误差的方式，提升套刻误差的测量精度和测量的稳定性。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种角分辨快照式套刻误差测量装置，包括：

3、探测光产生模块，用于产生探测光；

4、光谱调制模块，用于将所述探测光依次进行第一次偏振、第一次相位调制后以不同的入射角照射在待测套刻样件上，对经过待测套刻样件反射之后的多束光依次进行第二次相位调制和第二次偏振，得到待测套刻样件反射的偏振调制光；

5、角分辨光谱采集模块，用于对所述偏振调制光进行光谱成像，得到待测套刻样件的角分辨光谱；

6、套刻误差测量模块，用于基于所述角分辨光谱，获得在不同入射角下的待测套刻样件的穆勒矩阵非对角元素的线性组合，进而得到套刻误差。

7、进一步地，所述光谱调制模块沿光路依次包括：起偏器、第一相位延迟器、光阑、第一非偏振分束镜、第一透镜、物镜、第二相位延迟器和检偏器；

8、所述探测激光经过所述起偏器后转变为线偏振光，经所述第一相位延迟器进行第一次相位调制，透过所述光阑的激光光束经过所述第一非偏振分束镜改变光束的传播方向后，经所述第一透镜聚焦至所述物镜的后焦面上；

9、所述物镜的前焦面与待测套刻样件的表面重合，在所述物镜的作用下形成多束光分别以不同的入射角照射在待测套刻样件上；

10、经待测套刻样件反射后的多束光再次透过所述物镜、所述第一透镜和所述第一非偏振分束镜后，经所述第二相位延迟器进行第二次相位调制，并经所述检偏器得到所述偏振调制光。

11、进一步地，所述起偏器、所述第一相位延迟器、所述第二相位延迟器及所述检偏器满足下述配置：

12、所述起偏器的透光轴方位角为±45°、所述第一相位延迟器的快轴方位角为0°、所述第二相位延迟器的快轴方位角为±45°及所述检偏器的透光轴方位角为0°；

13、或所述起偏器的透光轴方位角为±45°、所述第一相位延迟器的快轴方位角为90°、所述第二相位延迟器的快轴方位角为±45°及所述检偏器的透光轴方位角为90°；

14、或所述起偏器的透光轴方位角为±45°、所述第一相位延迟器的快轴方位角为90°、所述第二相位延迟器的快轴方位角为90°及所述检偏器的透光轴方位角为±45°。

15、进一步地，所述第一相位延迟器和所述第二相位延迟器均为采用双折射晶体制作而成的多级波片，厚度比为1:1。

16、进一步地，所述第一透镜的前焦面和所述物镜的后焦面重合。

17、进一步地，所述角分辨光谱采集模块包括第二透镜和成像光谱仪；

18、所述第二透镜用于对所述偏振调制光汇聚，所述成像光谱仪用于对汇聚后的调制光进行光谱成像得到所述角分辨光谱。

19、进一步地，所述角分辨光谱采集模块还包括：第二非偏振分束器、第三透镜及面阵相机；

20、所述第二非偏振分束器用于将经过所述第二透镜汇聚后的偏振调制光分束，其中一束用于经所述成像光谱仪光谱成像，另一束用于经所述第三透镜再次汇聚后，经所述面阵相机观察待测套刻样件的成像质量及对所述的装置中的系统参数进行标定。

21、进一步地，所述套刻误差测量模块中，通过如下系统模型获得在不同入射角下的待测套刻样件的穆勒矩阵非对角元素：

22、sout(λ，θ)＝[mar(α2)]·[r(-β2)mr(δ2)r(β2)]·ms(λ，θ)·[r(-β1)mr(δ1)r(β1)]·[r(-α1)mp]·sin

23、式中，sout为经过所述光谱调制模块之后的光束对应斯托克斯向量，mp、ma分别为第一次偏振、第二次偏振时对应的穆勒矩阵，r(*)表示旋转角为*时的穆勒旋转矩阵，α1、α2分别为第一次偏振、第二次偏振时的透光轴方位角，β1、β2分别为第一次相位延迟、第二次相位延迟时的快轴方位角，mr(δ1)、mr(δ2)分别为第一次相位延迟、第二相位延迟时对应的穆勒矩阵，ms(λ,θ)为待测套刻样件对应的穆勒矩阵，sin为所述光谱调制模块之前的光束对应的斯托克斯向量，λ为波长，θ为照射在待测套刻样件上的光束入射角；

24、其中，待测套刻样件对应的穆勒矩阵ms(λ,θ)为：

25、

26、式中，m11(λ,θ)、m12(λ,θ)、……、m44(λ,θ)分别为穆勒矩阵元素。

27、进一步地，所述探测光产生模块沿光路方向依次包括宽带光源、光纤和准直透镜。

28、按照本发明的另一方面，提供了一种角分辨快照式套刻误差测量方法，包括如下步骤：

29、步骤s1、将探测光依次进行第一次偏振、第一次相位调制后以不同的入射角照射在待测套刻样件上，对经过待测套刻样件反射之后的多束光依次进行第二次相位调制和第二次偏振，得到待测套刻样件反射的偏振调制光；

30、步骤s2、对所述偏振调制光进行光谱成像，得到待测套刻样件的角分辨光谱；

31、步骤s3、基于所述角分辨光谱，获得在不同入射角下的待测套刻样件的穆勒矩阵非对角元素的线性组合，进而得到套刻误差。

32、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

33、(1)本发明的测量装置，通过将探测光依次进行第一次偏振、第一次相位调制后以不同的入射角照射在待测套刻样件上，对经过待测套刻样件反射之后的多束光束再次进行第二次相位调制和第二次偏振后，得到包含待测套刻样件多维度信息的角分辨光谱，基于该角分辨光谱，实现了单次测量即能获得多个入射角下的套刻样件穆勒矩阵非对角元素的线性组合，进而得到待测套刻样件的套刻误差，相比传统快照式套刻误差测量装置只通过波长单一维度信息进行参数求解，本发明可以显著提高测量精度和测量的稳定性。

34、(2)进一步地，本发明设计的具体的光路结构，待测样品垂直物镜成像的光路设计，将物镜后焦面成像技术和快照式偏振光谱测量技术相结合，巧妙地利用物镜得到不同入射角下的待测样品的角分辨光谱，在提升套刻误差测量精度和测量稳定性的同时，还能够达到光学显微镜接近光学极限的横向分辨率，为减小测量光斑大小提供了可能，从根本上避免了普通斜入射光学测量系统光斑尺寸大、倾斜照明易受振动影响的现象，满足了产品上套刻误差测量套刻标记尺寸不能太大的要求，还保留了快照式椭偏仪简单快速测量的优点，可应用于对生产线上大面积模块生产集成电路元件的套刻误差进行实时在线测量。

35、(3)进一步地，在本发明提供的方位角大小与两个相位延迟器的厚度比下，可以直接通过参数提取方法得出对样品套刻误差敏感的穆勒矩阵元素组合，无需通过提取出多个通道系数进行线性组合的方法，能够降低计算误差，同时可以有效保证对套刻误差的灵敏度，进一步提高套刻误差测量的精度。

36、(4)作为优选，第一透镜的前焦面和物镜的后焦面重合，能够实现光源在待测套刻样件上同一入射角的均匀照明，进一步提升套刻误差测量的精度。

37、(5)作为优选，光源为宽带光源，能够实现宽光谱下套刻误差的测量，以提高套刻误差的灵敏度和解决工艺偏差对套刻误差测量精度的影响。

38、总而言之，本发明的装置结构简单、紧凑，光谱调制元件均无运动需求，能有效保证光谱稳定性以及测量的精度。同时具有一定的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置调整和优化。