专利名称：一种纳米结构三维形貌测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于纳米制造测量技术，具体涉及纳米结构三维形貌测量方法及装置，本 发明尤其适用于光刻、刻蚀以及纳米压印图形中光栅结构的线宽、深度、侧墙角、线缘粗糙 度、线宽粗糙度等三维形貌参数的测量。
背景技术：
纳米制造是指产品特征尺寸为纳米量级的制造技术，即特征尺寸在IOOnm以内的 制造技术。为了实现纳米制造工艺的可操纵性、可预测性、可重复性和可扩展性，保证基于 纳米科技的产品满足可靠性、一致性、经济性及规模化生产等多方面的要求，在纳米制造过 程中对纳米结构的三维形貌参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有十分重要的 意义。这些三维形貌参数不仅包括特征线宽(即关键尺寸)、周期间距、高度、侧壁角等轮廓 参数，而且包含线宽粗糙度(LWR)、线边粗糙度(LER)等重要特征，在高深宽比纳米结构中 还包括侧壁粗糙度(SWR)等信息。目前对纳米结构三维形貌参数测量的主要手段是扫描电子显微镜(SEM)和原子 力显微镜(AFM)，其优点是都可以满足纳米级尺寸的测量，但其显著缺点是速度慢、成本高， 特别是难以集成到工艺线。与之相反，传统光学测量方法具有速度快、成本低、无接触、非破 坏和易于集成等优点，因而一直在先进工艺监测与优化控制领域获得了广泛应用，如IC制 造中用于关键尺寸测量的光学散射仪(Scatterometry)技术。一种常用光学测量法光学散射法也称为光学关键尺寸(OCD)测量法，其实质是一 台光谱椭偏仪，其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测结构(一般为周 期性结构)表面，通过测量待测结构的零级衍射光(散射光)以获得偏振光在反射前后的 偏振状态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测结构的关键尺寸等信息。在实 际应用中，光谱椭偏测量多采用平面衍射(Planar Diffraction)，即入射平面与待测对象 的主截面平行，且入射角多选用Brewster角，这主要是基于两方面考虑一是平面衍射下 的Jones矩阵为对角矩阵，可以直接通过椭偏仪测得；二是Brewster角是表征各向同性薄 膜材料的最佳入射角。然而，对于形如光栅或其它更为复杂的纳米结构而言，Brewster角并 不一定是最佳的入射角度。此外，当入射平面与待测结构的主截面成一夹角时，待测纳米结 构的衍射不再是平面衍射，而是锥形衍射(Conical Diffraction)，此时对应的Jones矩阵 不再是对角矩阵，而是比平面衍射下的Jones矩阵包含了更多关于待测结构的测量信息。 普通光谱椭偏仪只是测量入射光经待测样件反射后TE和TM偏振光的振幅比和相位差的改 变，这两个参数对于纳米结构三维形貌参数中的粗糙度参数等不敏感。因此，普通光谱椭偏 仪只能用于纳米结构几何特征尺寸如线宽、深度、侧壁角等参数的测量，而对于纳米结构线 宽粗糙度、线缘粗糙度等形貌参数的测量无能为力，因而无法获取纳米结构三维形貌信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米结构三维形貌测量方法，该测量方法可以实现纳米制造中的纳米结构三维形貌参数的快速、非接触、非破坏性的精确测量；本发明还提供了 实现该测量方法的装置。本发明提供的纳米结构三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步将波长为紫外到近红外波段范围的入射光束经过光谱分光、起偏、前相位 补偿后，得到椭圆偏振光束，投射到包含纳米结构的待测结构表面；第2步椭圆偏振光束经样件表面反射后，再经过后相位补偿、检偏后利用探测器 检测得到零级衍射；通过连续调节前相位补偿和后相位补偿，从而改变入射椭圆偏振光束 偏振态，测量得到不同偏振态下的零级衍射光强；第3步利用第2步测量得到的零级衍射光强，计算得到纳米结构的测量穆勒矩 阵；第4步改变入射光束的入射角和方位角，重复第1步 第3步，得到不同入射角和 方位角配置的测量穆勒矩阵；第5步仿真计算被测纳米结构的理论穆勒矩阵；第6步利用第5步得到的理论穆勒矩阵，对不同参数下的被测纳米结构进行仿真 分析，计算其对应的理论穆勒矩阵，通过傅里叶幅度灵敏度检验扩展法进行全局灵敏度分 析，对测量条件及输入参数进行采样计算，获得测量条件变化时，理论穆勒矩阵的输出结果 对输入参数的一次灵敏度及集总灵敏度；通过对比不同采样方案下的灵敏度值，找出灵敏 度值最高的测量条件，实现测量条件的最优化配置；在测量条件的最优化配置下，再采用上述傅里叶幅度灵敏度检验扩展法，计算并 分析在上述测量条件下，理论穆勒矩阵的输出结果对被测纳米结构各形貌参数的灵敏度 值，从中选出对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素；第7步将测量得到的穆勒矩阵元素与对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元 素进行匹配，从而提取出待测纳米级结构的形貌参数值。实现上述纳米结构三维形貌测量方法的装置，其特征在于，该装置包括氙灯光源， 光栅光谱仪，离轴抛物镜，起偏器，第一旋转补偿器，汇聚透镜，旋转工作台，准直透镜，第二 旋转补偿器，检偏器，离轴抛物镜，光纤耦合器，光纤，探测器，CCD,起偏臂，检偏臂，计算机， 角度计；氙灯光源、光栅光谱仪、离轴抛物镜、起偏器、第一旋转补偿器、汇聚透镜依次位于 同一光路上，并固定在起偏臂上；准直透镜、第二旋转补偿器、检偏器、离焦抛物镜和光纤耦 合器依次位于同一光路上，并固定在检偏臂上；起偏臂和检偏臂以相同的倾角对称布置于 角度计上；汇聚透镜和准直透镜对称布置，且二者的焦距位置位于同一点，用于放置纳米结 构样件的旋转工作台位于汇聚透镜的焦距位置；探测器和CCD通过光纤与光纤耦合器相 连；探测器和CCD与计算机相连。本发明提供的一种基于穆勒矩阵测量的纳米结构三维形貌测量方法，是在传统光 谱椭偏仪的基础上，引入穆勒矩阵法描述待测结构在整个光学系统中的传输特性。该方法 通过测量在不同方位角入射情况下的4X4穆勒矩阵，相比传统光谱椭偏仪所采用的琼斯 矩阵法，穆勒矩阵包含了更多的待测结构的信息，因而，充分利用穆勒矩阵中包含的信息可 以满足不同纳米结构和结构参数的测量需求。该方法通过入射角、方位角以及入射光波长 的优化配置，可以针对各待测参数，特别是针对LER和LWR等粗糙度参数可以获得更高的光谱灵敏度，因而可以提供更完整的纳米结构三维形貌参数信息。本发明为促进传统光学测 量技术在纳米制造技术领域中的扩展应用提供了一种新途径。与现有的测量方法相比，本发明所提供的方法可以实现纳米结构中更完整三维形 貌参数，特别是传统测量方法所不敏感的结构侧壁粗糙度的测量。可实现基于图形转移的 批量制造方法如光刻和纳米压印等工艺中所涉及的一维和二维亚波长周期性结构几何形 貌参数的快速、高精度测量，在纳米制造测量及工艺控制领域将会有广泛的应用前景。具体 而言，本发明可以在光刻图形测量中获得如下效果(1)可实现光刻、刻蚀、纳米压印等过程中所涉及的一维和二维沟槽阵列结构的几 何形貌参数，如沟槽线宽、深度、周期长度、侧壁角、线缘粗糙度和线宽粗糙度等的测量；(2)可实现微模塑工艺过程中所涉及的聚合物纤维阵列结构几何形貌参数，如纤 维阵列结构宽度、高度、周期长度、侧壁粗糙度等的测量。
图1典型纳米结构形貌示意图；图2穆勒矩阵偏振测量原理图；图3是本发明一实施案例装置系统图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明方法的原理和工作过程作进一步详细说明(1)波长为紫外到近红外波段范围的入射光束经过光谱分光、起偏、前相位补偿 后，得到椭圆偏振光束，投射到包含纳米结构的待测结构表面。入射光束波长可根据待测结构几何特征尺度选择紫外、可见光、近红外波段或其 组合。以光刻工艺中一维图形阵列结构测量过程为例，一维图形阵列结构及形貌参数如图 1所示。一维图形阵列结构待测形貌参数包括线宽D，周期P，深度H，侧壁角Φρ Φ2，线边 粗糙度LER，线宽粗糙度LWR。其中，国际半导体技术路线图(ITRS)将线边粗糙度与线宽粗 糙度分别定义为空域范围内线宽变化偏差的3 σ值以及侧壁相对于其理想位置偏差的3 σ 值。入射光束投射到样件表面的入射角为θ，方位角为V，如图2所示。入射角θ取值范 围为20 90°，方位角Ψ取值范围为0 90°。(2)椭圆偏振光束经样件表面反射后，再经过后相位补偿、检偏后利用探测器检测 得到零级衍射；通过连续调节前相位补偿和后相位补偿。从而改变入射椭圆偏振光束偏振 态，测量得到不同偏振态下的零级衍射光强。(3)利用步骤(2)测量得到的零级衍射光强，计算得到纳米结构测量穆勒矩阵Mm。对于光谱数据的采样，首先根据反射光束S。ut与入射光束所对应的斯托克斯 (Stokes)向量Sin，Sin之间的关系表达式Sout = MaR ( θ A) R (- θ C2) Mc2R ( θ C2) MsR (- θ C1) MciR ( θ C1) R (- θ p) MpR ( θ P) Sin (1)可以得到光强信号I的时域表达式I = I0 (K1+ [c2cos2 θ A+s2cos (4 θ C2_2 θ Α) ] K2(2)+ [c2sin2 θ A+s2sin (4 θ C2_2 θ Α) ] K3- [sin δ 2sin (2 θ C2-2 θ Α) ] Kj 其中，Μα，Mc2, Ms, Mci, Mp分别表示检偏器，后相位补偿器，样件，前相位补偿器，以及 起偏器对应的穆勒矩阵；θ ρ θε2, θα，θ ρ分别表示检偏器，后相位补偿器，前相位补偿器， 样件、起偏器所对应的相位角；R(')表示旋转矩阵;Ci = COS2(Si^)jSi = Sin2 ( δ ,/2)及 Kj均为中间变量，Mjk为样件对应的穆勒矩阵中的元素(i = 1,2 ； j, k = 1,2,3,4) ； S1和 δ2分别表示前相位补偿和后相位补偿的相位延迟。由光强信号的时域表达式可知，穆勒矩阵中的元素与光强信号的傅里叶系数是对 应的。因此，在对测量光谱进行采样后，可以首先对探测器接收到的光强信号进行傅里叶分 析，然后再从傅里叶系数中推导得出对应的穆勒矩阵元素，即得到测量穆勒矩阵Mm。(4)改变入射光束入射角和方位角，如图3所示，重复步骤(1) (3)得到不同入 射角和方位角配置的测量穆勒矩阵I。(5)仿真计算被测纳米结构的理论穆勒矩阵Mt。对不同类型的纳米结构采用不同的理论模型进行仿真计算。如图1所示，本发明 以一维图形结构为例，说明纳米结构的理论穆勒矩阵的建模求解过程。对于二维图形结构 的理论建模步骤，只是在stepl 中采用二维锥形衍射严格耦合波理论(Rigorous coupled wave theory, RCWT)计算二维图形结构零级衍射光对应的琼斯(Jones)矩阵。Stepl 假定波长λ为250 IOOOnm的椭圆偏振光束以入射角θ和方位角ψ投 射到样件表面，运用一维锥形衍射严格耦合波理论计算一维图形结构零级衍射光对应的琼 斯矩阵 式(1)中，J11, J12，J21，J22均为复数，难以通过实验直接测得。St印2 求得琼斯矩阵之后，根据琼斯矩阵与穆勒矩阵之间的关系式(4)计算-
图形结构零级衍射光对应的穆勒矩阵。
β
1
Mt =
ljju\2M2\2+\jn\2M,\
I^j2-U,
I2+UJ2-U1
U
_
r121
22
1Mil2Mi
R今
Iii{J
2"
U1
Ψ22 -\Jn\ "4
/ \ / * * ‘
22
Jll J21+Ju J2^
IniJll J21^J12 J22^
ι4
^QkJllJ2l-JuJ22i ψ ψ
κ ι4
\ / * * 22^12^IlT^-2 J22 +JuJ2i
(5)式⑵中，Re( ·)与Im( ·)分别表示复数的实部和虚部。由(2)式所求穆勒矩 阵Mt是一个4X4阶的矩阵，矩阵中的16个参数全部都是实数。(6)采用步骤(5)相同的理论建模，对不同参数(即不同入射角和方位角)下的 被测纳米结构进行仿真计算，得到其对应的理论穆勒矩阵Mt,通过傅里叶幅度灵敏度检验 ΓΜ^ (extended Fourier amplitude sensitivity test, EFAST) ^J^t^^Wi^MiT, 对测量条件(波长λ，入射角θ和方位角ψ)及输入参数(待测纳米结构三维形貌参数) 进行采样计算，获得测量条件变化时，理论穆勒矩阵中Mt的16个输出结果对输入参数的一
6次灵敏度及集总灵敏度。通过对比不同采样方案下的灵敏度值，找出灵敏度值最高的测量 条件，实现测量条件的最优化配置。在测量条件最优化配置下，进一步采用上述的傅里叶幅度灵敏度检验扩展法，计 算并分析在上述测量条件下，4X4阶Mt矩阵中的16个输出结果对被测纳米结构各形貌参 数的灵敏度值，从中选出对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素，用于步骤(7)中待 测纳米结构形貌参数值的提取。(7)将测量得到的穆勒矩阵元素与根据步骤(5) (6)中所述方法计算得到的对 待测纳米结构各纳米结构三维形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素进行匹配，从而提取 出待测纳米级结构的形貌参数值。纳米级尺寸结构参数提取是一个典型的数学反演问题，本发明运用了基于迭代优 化的参数提取方法。基于迭代优化的参数提取方法步骤如下Stepl 根据有关待测结构的先验知识，预先估计一组形貌参数值作为初始迭代 值，并将其作为输入值；St印2 采用步骤(5)相同的方式，利用输入值计算对应的理论穆勒矩阵，将理论 穆勒矩阵元素与测量得到的穆勒矩阵元素进行匹配，若匹配评价函数值小于或等于设定阈 值，则该理论穆勒矩阵所对应的形貌参数即为待测结构形貌参数值，进入步骤Step4 ；若评 价函数值大于设定阈值，进入St印3 ；评价函数D (P)如式(6)所示 式(6)中，mT和m。分别为对待测结构各结构参数最为灵敏的理论穆勒矩阵元素和 测量穆勒矩阵元素，η表示矩阵元素所对应光谱采样点数，i表示采样点序号，λ i表示第i 个采样点波长，mTUi)和HieUi)对应在波长范围内采样的离散光谱值。阈值设定可根据可容许的迭代优化时间和匹配精度折中选择，一般来说，阈值设 定越小，迭代优化时间越长，匹配求解精度越高，阈值设定越大，迭代优化时间越短，匹配求 解精度越低，阈值通设定范围为10_4 10,。St印3 采用优化算法得到一组新的迭代值， 作为新的输入值，转入St印2;本发明可以采用各种优化算法，如模拟退火算法等。St印4 结束。如图3所示，本发明装置包括氙灯光源41，光栅光谱仪42，离轴抛物镜43，起偏器 44，第一旋转补偿器45，汇聚透镜46，旋转工作台49，准直透镜50，第二旋转补偿器51，检偏 器52，离轴抛物镜53，光纤耦合器55，光纤56，探测器57，(XD58，起偏臂47，检偏臂54，计 算机59，角度计60。氙灯光源41、光栅光谱仪42、离轴抛物镜43、起偏器44、第一旋转补偿器45、汇聚 透镜46依次位于同一光路上，并固定在起偏臂47上；准直透镜50、第二旋转补偿器51、检 偏器52、离焦抛物镜53和光纤耦合器55依次位于同一光路上，并固定在检偏臂54上；起 偏臂47和检偏臂54以相同的倾角对称布置于角度计60上；汇聚透镜46和准直透镜50对 称布置，且二者的焦距位置位于同一点，用于放置纳米结构样件48的旋转工作台49位于汇 聚透镜46的焦距位置；49为X-Y-Z-Theta旋转工作台，探测器57和CCD58通过光纤56与光纤耦合器55相连；探测器57和(XD58与计算机59相连。系统装置操作步骤如下A、将包含纳米结构样件48置于纳米旋转工作台49上。B、将氙灯光源41发出的光束分别经滤光片光栅光谱仪42分光后，再经离轴抛物 镜43准直，准直后的平行光束由起偏器44起偏，第一旋转补偿器41偏振片调制，经调制后 的椭圆偏振光束由汇聚透镜46汇聚得到微光斑，并投射到包含纳米结构样件表面，椭圆偏 振光束波长为400250 lOOOnm。C、投射光束经纳米结构样件表面反射后，反射光束经准直透镜准直，准直后的平 行光束由第二旋转补偿器51调制，检偏器52检偏后，平行光束右离轴抛物镜汇聚后进入光 纤耦合器55，再由光纤传送到探测器57或CCD58，采集得到纳米结构样件表面反射信号并 传送到计算机59，由步骤(3)所描述的方法计算得到测量穆勒矩阵。D、分别通过角度计调整入射臂和出射臂的倾角，即改变入射角，通过旋转工作台 旋转改变方位角，并采集纳米结构表面反射信号并计算得到对应位置的测量穆勒矩阵。E、根据步骤(7)中所描述的参数提取方法，从测量穆勒矩阵中提取得到待测纳米 级尺寸结构的几何参数值。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内 容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思 路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
一种纳米结构三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步将波长为紫外到近红外波段范围的入射光束经过光谱分光、起偏、前相位补偿后，得到椭圆偏振光束，投射到包含纳米结构的待测结构表面；第2步椭圆偏振光束经样件表面反射后，再经过后相位补偿、检偏后利用探测器检测得到零级衍射；通过连续调节前相位补偿和后相位补偿，从而改变入射椭圆偏振光束偏振态，测量得到不同偏振态下的零级衍射光强；第3步利用第2步测量得到的零级衍射光强，计算得到纳米结构的测量穆勒矩阵；第4步改变入射光束的入射角和方位角，重复第1步～第3步，得到不同入射角和方位角配置的测量穆勒矩阵；第5步仿真计算被测纳米结构的理论穆勒矩阵；第6步利用第5步得到的理论穆勒矩阵，对不同参数下的被测纳米结构进行仿真分析，计算其对应的理论穆勒矩阵，通过傅里叶幅度灵敏度检验扩展法进行全局灵敏度分析，对测量条件及输入参数进行采样计算，获得测量条件变化时，理论穆勒矩阵的输出结果对输入参数的一次灵敏度及集总灵敏度；通过对比不同采样方案下的灵敏度值，找出灵敏度值最高的测量条件，实现测量条件的最优化配置；在测量条件的最优化配置下，再采用上述傅里叶幅度灵敏度检验扩展法，计算并分析在上述测量条件下，理论穆勒矩阵的输出结果对被测纳米结构各形貌参数的灵敏度值，从中选出对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素；第7步将测量得到的穆勒矩阵元素与对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素进行匹配，从而提取出待测纳米级结构的形貌参数值。
2.根据权利要求1所述的纳米结构三维形貌测量方法，其特征在于，第1步中，设入 射光束投射到待测纳米结构表面的入射角取值范围为20 90°，方位角取值范围为0 90°。
3.一种实现权利要求1所述纳米结构三维形貌测量方法的装置，其特征在于，该装 置包括氙灯光源(41)，光栅光谱仪(42)，离轴抛物镜(43)，起偏器(44)，第一旋转补偿器 (45)，汇聚透镜(46)，旋转工作台(49)，准直透镜(50)，第二旋转补偿器(51)，检偏器(52)， 离轴抛物镜(53)，光纤耦合器(55)，光纤(56)，探测器(57)，CCD (58)，起偏臂(47)，检偏臂 (54)，计算机(59)，角度计(60)；氙灯光源(41)、光栅光谱仪(42)、离轴抛物镜(43)、起偏器(44)、第一旋转补偿器 (45)、汇聚透镜(46)依次位于同一光路上，并固定在起偏臂(47)上；准直透镜(50)、第二 旋转补偿器(51)、检偏器(52)、离焦抛物镜(53)和光纤耦合器(55)依次位于同一光路 上，并固定在检偏臂(54)上；起偏臂(47)和检偏臂(54)以相同的倾角对称布置于角度计 (60)上；汇聚透镜(46)和准直透镜(50)对称布置，且二者的焦距位置位于同一点，用于放 置纳米结构样件(48)的旋转工作台(49)位于汇聚透镜(46)的焦距位置；探测器(57)和 CCD (58)通过光纤(56)与光纤耦合器(55)相连；探测器(57)和CCD (58)与计算机(59)相 连。
全文摘要
本发明公开了一种纳米结构三维形貌测量方法及其装置，可以同时测量纳米结构线宽、深度、侧墙角、线缘粗糙度、线宽粗糙度等三维形貌参数的方法及装置。本发明方法步骤如下将波长为紫外到近红外波段的光束经分光、起偏、前后相位补偿得到的椭圆偏振光投射到待测；采集待测结构表面反射零级衍射信号，计算得到纳米结构测量穆勒矩阵；将测量穆勒矩阵与理论穆勒矩阵进行匹配，提取得到待测纳米尺寸结构的三维形貌参数值。本发明所提供的纳米结构三维形貌参数测量装置，能为基于图形转移的批量制造方法如光刻和纳米压印等工艺中所涉及的一维和二维亚波长周期性结构，提供一种非接触、非破坏性、低成本、快速测量手段。
文档编号G01B11/24GK101881599SQ20101022310
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者刘世元, 张传维, 陈修国 申请人:华中科技大学