纳米半导体技术节点的多过程、多模式实时在线测量系统

1.本发明涉及先进纳米半导体技术节点的在线测量系统。


背景技术：

2.随着半导体制造工艺的发展，材料的光学常数、薄膜厚度和纳米结构的三维形貌参数等都会很大程度的影响产品的性能指标。目前，对纳米薄膜的厚度、纳米结构的三维形貌参数测量的主要手段是扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜，其优点是它们在纳米级尺寸的测量精度都很高，但这些测量手段存在着显著缺点：测量周期长、成本高、与样品接触等，难以实现实时在线无损测量。
3.现阶段，在整个纳米芯片光刻工艺过程中，其中有些过程的工艺对产品的性能指标极为重要。这些工序包括但不限于薄膜生长、刻蚀、沉积。随着环绕栅极晶体管(gaa)和鳍式场效应晶体管(finfet)等突破7nm技术节点的发展，针对日益复杂的工艺目标，不同的材料、不同的工序，有时需要不同的测量方式，如本发明提到的散射测量和广义椭偏测量。当待测样品的偏振特性比较灵敏时，或者待测样品是薄膜时，可以采用全穆勒矩阵广义椭偏测量，当待测样品的退偏效应比较严重时，可采用散射测量。这两种测量方式得到包括但不限于单波长、多角度和多波长、单角度的测量结果，适应纳米芯片光刻工艺过程中绝大多数光学常数、薄膜厚度和纳米结构三维形貌参数的测量。因此，在先进纳米半导体技术节点，亟需能够多过程、实时在线测量系统及方法。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种用于先进纳米半导体技术节点的多过程、实时测量系统，通过光路转换模块，改变光路方向，使同一光源发输出的光线通过光路转换模块后进入散射测量光路或者椭偏测量光路。既能够实时在线测量不同工序下的待测样品，同时可以灵活切换不同的测量模式。充分利用散射测量或者椭偏测量技术的特性，从而实现单波长、多角度和多波长、单角度测量结果之间的切换，使得测量结果多样化。将多种检测方法有机的结合起来，为先进纳米半导体技术节点的检测方案提供一站式解决方案。
5.光路转换模块中的物镜台包括两个物镜，可以随光路转换模块进行切换散射测量和全穆勒矩阵广义椭偏测量，并且可以增加物镜用于改变入射角。光路转换模块集成在所述测量系统中，其中：
6.翻转镜和反光镜共同用于改变光源路径，从而使光路进入散射测量光路或者椭偏测量光路；所述样品台的特殊之处在于，其可以随物镜台中的物镜进行快速自动找焦。
7.本发明的优点在于：
8.1、本测量系统所用皆是常用光学仪器，便于实现。
9.2、在纳米芯片光刻工艺过程中，既能够实时在线测量不同工序下的待测样品，同时可以灵活切换不同的测量模式。充分利用散射测量或者椭偏测量技术的特性，从而实现单波长、多角度和多波长、单角度测量结果之间的切换，使得测量结果多样化。将多种检测
方法有机的结合起来，为先进纳米半导体技术节点的检测方案提供一站式解决方案。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
11.图1为本发明一实施例提供的先进纳米半导体技术节点的多过程、多模式实时在线测量系统示意图。
12.图2为本发明一实施例提供的物镜台示意图。
13.图3为本发明一实施例提供的样品台示意图。
具体实施方式
14.本发明所设计的用于先进纳米半导体技术节点的多过程、多模式实时在线测量系统，其特殊之处在于：提供一种光路转换模块，改变光源方向，将同一光源发输出的光线通过光路转换模块后进入散射测量光路或者椭偏测量光路。
15.光路转换模块包括翻转镜、反光镜、物镜台和样品台。本实施例中光路转换模块中的物镜台包括两个物镜，可以随光路转换模块进行切换散射测量和全穆勒矩阵广义椭偏测量，并且可以增加物镜用于改变入射角。物镜台的一个物镜用作椭偏光路，作用是汇聚或者缩小光斑，更换该物镜可以改变光斑大小，实现特定测试需求；另一个物镜，是散射测量用作改变入射角和实现全方位角测量，更换该物镜，即改na，可实现散射测量的不同入射角的测量需求。
16.光路转换模块集成在所述测量系统中，其中：翻转镜和反光镜共同用于改变光源路径，从而使光路进入散射测量光路或者椭偏测量光路；样品台的特殊之处在于，其可以随物镜台中的物镜进行快速找焦。散射测量光路包括单色仪、起偏器、分光镜、物镜、透镜组、ccd模块。椭偏测量光路包括准直镜、起偏器、第一旋转补偿器、分光镜、第二旋转补偿器、检偏器、准直镜、光谱仪。ccd模块和光谱仪分别将采集的多角度、单波长和单角度多波长的数据均发送到pc机处理。
17.如图1所示，散射测量光路和全穆勒矩阵广义椭偏测量光路，二者通过翻转镜102、反光镜112、物镜台106进行切换。当翻转镜102转到第一位置(图1中水平位置)时，将光源101的光线耦合进散射测量光路；当翻转镜102转到第二位置(图1中与水平方向呈45
°
夹角的位置)时，将光源101的光线耦合进全穆勒矩阵广义椭偏测量光路。
18.图2示出了一种物镜台202，其包括随翻转镜102进行散射测量光路和椭偏测量光路切换的第一物镜202和第二物镜203。
19.散射测量光路走向为：首先，光源101发射出多波长的光源，然后经过单色仪103将光源转变为单波长的光，在经过起偏器104变为线偏振光，进入分光镜105将光线汇聚到物镜202中，样品台107根据物镜调节高度和方向，使待测样品108位于物镜202的焦点上，光线经过待测样品108反射携带有待测样品108的信息经过分光镜105进入透镜组109，最终带有样品信息的光束被ccd模块110采集。数据发送到pc端111计算、拟合出测量结果。
20.全穆勒矩阵广义椭偏测量光路走向为：首先光源101发射出多波长的光源，然后经过45
°
翻转镜102和反光镜112进入准直镜113，准直后的光束经过起偏器114变为线偏振光，
然后线偏振光经过第一旋转补偿器115进行相位延迟，经过分光镜116将光线汇聚到物镜203中，样品台107根据物镜调节高度和方向，使待测样品108位于物镜203的焦点上，光线经过待测样品108反射携带有待测样品108的信息经过分光镜116进入第二旋转补偿器117进行第二次相位改变，再经过检偏器118和准直镜119，由光谱仪120采集。数据发送到pc端111计算、拟合出测量结果。其中，为了获得足够多的光谱信息，第一旋转补偿器115和第二旋转补偿器117的转速不同。
21.样品台107为现有技术，下面以图3为例对其一种结构进行简单说明。如图3，样品台包括第一旋钮301、第二旋钮302、可调倾角导轨303、放置样品的载物台。载物台处于导轨303一端304时对应椭偏物镜，载物台处于导轨303的另一端306时对应散射物镜。旋转旋钮301、302用于调节导轨303的倾角，载物台水平固定器305用于调节载物台水平状态。通过旋钮301、302以及载物台水平固定器305可以使载物台304在导轨303两端304、306时，分别可以处于不同高度，实现样品高度可调，达到快速调焦的目的。
22.本发明的测量系统和方法所用皆是常用光学仪器，便于实现。在纳米芯片光刻工艺过程中，既能够实时在线测量不同工序下的待测样品，同时可以灵活切换不同的测量模式。充分利用散射测量或者椭偏测量技术的特性，从而实现单波长、多角度和多波长、单角度测量结果之间的切换，使得测量结果多样化。将多种检测方法有机的结合起来，为先进纳米半导体技术节点的检测方案提供一站式解决方案。