基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸ocd測試系統的製作方法

2023-10-04 11:21:09 1

基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸ocd測試系統的製作方法
【專利摘要】該實用新型公開了一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統，包括光源、壓縮透鏡組、待測周期結構、檢測器及數據處理器。光源激勵出光斑直徑大小為4.9-5.1mm的平行光，該光束通過壓縮透鏡組被壓縮為直徑為49-51μm的平行光，此平行光入射到安置臺上的待測周期結構表面，實現反射，檢測器檢測並提取反射光參數，最後通過數據處理器的電磁模擬/分析軟體優化分析反射光參數，反衍出待測結構的關鍵尺寸。該實用新型直接實現微光斑平行光束的測試系統能夠很大程度上提高OCD測試系統測試小尺寸結構的精度與速度。
【專利說明】基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於半導體微電子計量領域，涉及實現微光斑平行光束入射的光學關鍵尺寸(OCD)測試系統。
技術背景
[0002]在半導體以及其他微電子產業中，晶片在經過集成電路設計者設計後通過加工設備以加工實現設計者所期望的結構。晶片的集成度很高，需要通過製版、光刻、刻蝕等一系列工藝使其結構(Pattern)在晶片中實現，因此晶片上的結構基本都呈周期性排列。但在工藝製作以後，其中的關鍵尺寸(CD)能否滿足設計要求則需要進行測試/分析。這樣的測試/分析在各個工藝階段以及工藝完成後都需要做，因此對晶片製造來說具有極其重要的意義。CD測試/分析的方法有多種，如:採用掃描電子顯微鏡(SEM)，原子力顯微鏡(AFM)等，但這些顯微鏡測試的技術或者需要複雜的真空環境，或者只能實現對表面輪廓的局部分析，無法實現對多層結構中非表面層(underlay)的測試，更不可能實現生產過程中的在線檢測。採用光學手段對CD測試/分析(通常稱為0CD)則能夠實現在線檢測，它對測試環境的要求簡單，且可對非表面層結構的分析，因此成為CD測試/分析中最主要的技術手段。該技術在國際上已有二十多年的發展歷史，早期的OCD測試只要採用普通的光束(毫米級直徑)就可以實現，分析技術中的電場模擬採用標量分析的近似，該方法最早由Haimann等人提出(Journal of Electrochemical Socity, ν.131，ρ.881，1984),後來由 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)在產業界得到應用，Li等在美國專利US Patent7212293Bl中對這中方法做了一些改進。但隨著集成度的提高，微結構中的幾何尺寸越來越小，標量分析這種近似方法已難以適應要求，更精確反映各種衍射信息的嚴格方法----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)，以及頻域、時域有限差分法等。此外還有一些企業採用一些新的近似方法，但幾乎所有應用於OCD的模擬算法都假定光源為平行光。隨著以半導體集成電路為代表的微電子技術的發展，不僅結構上尺寸越來越小，而且允許測試的面積也減小。因此需要測試系統的光斑相應減小。當前普遍採用匯聚光束的方法減小光斑，讓測試位置位於聚焦的光斑點。但這種做法與基於模擬算法的軟體分析模型是有差異的(實際光源不再為模擬光源所假定的平行光)，這將直接影響測試/分析結果的準確性。工程實際中都經常是採用一些近似方法加以修改，但通常是大大增加了分析過程中計算的複雜性，嚴重影響了系統工作的效率；而在OCD測試/分析系統中，精度和效率是兩大關鍵問題，為了提高效率採用這些近似方法需要增加很多硬體上的投入，甚至有時不得不為了效率犧牲一些精度。因此，能直接實現微光斑平行光的測試系統顯得非常重要。


【發明內容】

[0003]對於傳統的OCD測量技術而言，隨著集成技術的發展，微結構的尺寸越來越小。目前主要有兩個方面的困難:一是光學衍射極限的限制；二是光斑尺寸相對於晶片尺寸過大，影響測試精度甚至無法實現測試/分析。為了克服光斑尺寸過大的問題，目前普遍採用聚焦方式，這雖然解決了測試問題，但由於測試系統和模擬分析模型的差別，在很多情況下，測試之後的分析過程中需要多耗費很多時間才能得到測試/分析的最後結果。為了解決這個問題，本實用新型公開了一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統，使得光源通過雙膠合透鏡組變為光束直徑約50 μ m的平行光，從而達到提高晶片測試精度、縮短測試之後數值分析時間的目的。
[0004]圖1所示系統是本實用新型的一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統，包括光源、壓縮透鏡組、待測周期結構、檢測器及數據處理器。光源激勵出光斑直徑大小為4.9-5.1mm的平行光，該光束通過壓縮透鏡組被壓縮為直徑為49-51 μ m的平行光，此平行光入射到安置臺上的待測周期結構表面，實現反射，檢測器檢測並提取反射光參數，最後通過數據處理器的電磁模擬/分析軟體優化分析反射光參數，反衍出待測結構的關鍵尺寸。
[0005]考慮到加工水平以及可行性，本實用新型選擇加工生產方便以及測試簡便的光學元件一球面透鏡；為使入射光源可透過壓縮透鏡組的工作波長範圍足夠大，選擇適用於紫外波段的玻璃材料。
[0006]如圖2所示，雙膠合透鏡組包括第一透鏡與第二透鏡，兩透鏡中軸線重合，整體通光口徑d為3_，透鏡組外圍環境為空氣；第一透鏡置於近光源側，第二透鏡置於遠光源側。
[0007]如圖3所不,第一透鏡中，近光源側的第一表面1-1的曲率半徑為15.63mm,第二表面1-2的曲率半徑為9.26mm，第三表面1_3的曲率半徑為1691.9mm ;第一表面1_1與第二表面1-2之間的材料為氟化鋰，中心厚度w3為28.78_，邊緣厚度w4為28.99mm ;第二表面1-2與第三表面1-3之間材料為氟化鈣，中心厚度w5為1.13mm，邊緣厚度w6為0.64mm。
[0008]如圖4所示，第二透鏡中，靠近第一透鏡的第四表面2-1的曲率半徑為-56.38mm,第五表面2-2的邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為2.21mm，第六表面2_3邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為0.42mm。第四表面2_1與第五表面2_2之間材料為石英，中心厚度w7為1臟，邊緣厚度w8為3.29mm ;第五表面2-2與第六表面2-3之間材料為氟化鈣，中心厚度w9為30mm，邊緣厚度wlO為28.21mm。
[0009]第一透鏡與第二透鏡之間為空氣，兩透鏡的中心距離wl為1mm，邊緣距離《2為
0.92mm。
[0010]本實用新型一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統中雙膠合透鏡組的工作波長範圍為190-1000nm，；本實用新型通過雙膠合透鏡組實現有別於【背景技術】匯聚光光斑的平行光微光斑，在測試系統中，平行光和匯聚光的頻譜響應是有差別的，如果O⑶測試系統中採用匯聚光，那麼基於平行光假定條件的模擬計算顯然有一定誤差。而模擬計算的誤差將帶入分析系統，影響系統分析的準確度，從而影響OCD測試系統的測試精度。如果要實現滿足精度要求的匯聚光模擬計算，則需要對匯聚光的多個取樣點進行平行光模擬計算，最後取平均值。通常計算圓錐形狀匯聚光束，需要在其光斑橫截面至少取五個樣點，甚至更多。這種處理方式，多少還殘留著一些誤差，而且對分析效率的影響已經很嚴重了。
[0011]因此，本實用新型直接實現微光斑平行光束的測試系統能夠很大程度上提高OCD測試系統測試小尺寸結構的精度與速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統的示意圖；
[0013]圖2本實用新型的雙膠合透鏡組示意圖；
[0014]圖3本實用新型的雙膠合透鏡組第一透鏡示意圖；
[0015]圖4本實用新型的雙膠合透鏡組第二透鏡示意圖；
[0016]圖5【背景技術】匯聚光OCD測試系統與本實用新型一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統的O級反射光譜比較圖；
[0017]圖6 —維周期結構光束照射物理模型圖；
[0018]圖7 二維周期結構物理模型圖。
[0019]圖中:1.第一透鏡,2.第二透鏡，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。

【具體實施方式】
[0020]如圖1所不,一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統,包括光源、壓縮透鏡組、待測周期結構、檢測器及數據處理器。
[0021]如圖2所示，雙膠合透鏡組包括第一透鏡與第二透鏡，兩透鏡中心軸線重合，整體通光口徑d為3_，透鏡組外圍環境為空氣；第一透鏡置於近光源側，第二透鏡置於遠光源側。
[0022]如圖3所不,第一透鏡中，近光源側的第一表面1-1的曲率半徑為15.63mm,第二表面1-2的曲率半徑為9.26mm，第三表面1_3的曲率半徑為1691.9mm ;第一表面1_1與第二表面1-2之間的材料為氟化鋰，中心厚度w3為28.78_，邊緣厚度w4為28.99mm ;第二表面1-2與第三表面1-3間材料為氟化鈣，中心厚度w5為1.13mm，邊緣厚度w6為0.64mm。
[0023]如圖4所示，第二透鏡中，靠近第一透鏡的第四表面2-1的曲率半徑為-56.38mm,第五表面2-2的邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為2.21mm，第六表面2_3邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為0.42mm。第四表面2_1與第五表面2_2間材料為石英，中心厚度w7為1臟，邊緣厚度w8為3.29mm ;第五表面2-2與第六表面2-3間材料為氟化鈣，中心厚度w9為30mm，邊緣厚度wlO為28.21mm。
[0024]第一透鏡與第二透鏡之間為空氣，兩透鏡的中心距離wl為1mm，邊緣距離《2為
0.92mm。
[0025]在測試系統中，平行光和匯聚光的頻譜響應是有差別的。圖5是具有5°匯聚角的光和平行光入射情況下O級反射光譜的比較。
[0026]以娃為基底的一維光柵，其物理模型如圖6。周期為500nm,光柵佔空比為I,即娃和空氣各佔一個周期的一半，光柵厚度為200nm，其光的入射角為10度，考慮TE波，入射光的入射平面垂直於一維光柵線條的情況(Θ =10°，φ=0% Φ =90° )。
[0027]對於上述例子，平行入射光的模擬僅需計算一次入射光的平面垂直於一維光柵線條的情況(Φ=);而匯聚入射光滿足精度要求的模擬以最少的5個取樣點為例，則需要計算兩次錐角入射情況和三次入射光的平面垂直於一維光柵線條的情況(φ=ο)。計算一次入射光的平面垂直於一維光柵線條的情況(φ=ο)的時間約2秒，而計算一次錐角入射(ψ#0 )的時間約6.6秒，因此計算一次匯聚光O級反射光譜的時間約為(2X6.6+3X2= )19.2秒比計算一次平行光O級反射光譜的時間2s約多十倍。
[0028]以上只是針對一維結構的例子，在工程實際中，更多的情況是二維結構(如圖7)，其計算上要複雜很多，採用聚焦光束在時間上也會增加更多的時間，甚至可能使得測試/分析系統難以實現。以工程實際中最常用的算法——嚴格耦合波分析法(RCWA)為例，在一維的情況下，因為只需考慮單方向衍射效應因此只需在算法的傅立葉展開過程中截斷一個維度的衍射級次，模擬計算所需矩陣階數較小；而對於二維周期性結構，則需考慮兩個方向的衍射效應截斷兩個維度的衍射級次，模擬計算反射光譜所需要的矩陣階數將大大增加。二維結構的模擬計算過程所需要處理的矩陣遠大於一維結構，其計算時間相對於一維結構約成3次方增加。因此，平行光微光斑OCD測試系統測試二維結構時，相對於匯聚光OCD測試系統其模擬計算節省的時間將十分可觀。
[0029]本實用新型的一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統，使得模擬計算/優化分析過程具有更高效率，大大節省了整個測試/分析過程的時間。
【權利要求】
1.一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸O⑶測試系統,包括光源、壓縮透鏡組、待測周期結構、檢測器及數據處理器，其特徵在於光源激勵出光斑直徑大小為4.9-5.1mm的平行光，該光束通過壓縮透鏡組被壓縮為直徑為49-51 μ m的平行光，此平行光入射到安置臺上的待測周期結構表面，實現反射，檢測器檢測提取反射光參數並反衍出待測結構的關鍵尺寸。
2.如權利要求1所述的一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統,其特徵在於壓縮透鏡組中的透鏡為球面透鏡；材料為適用於紫外波段的玻璃材料。
3.如權利要求1所述的一種基於微光斑平行光束的微結構關鍵尺寸OCD測試系統,其特徵在於壓縮透鏡組包括第一透鏡與第二透鏡，兩透鏡中軸線重合，整體通光口徑為3mm，透鏡組外圍環境為空氣；第一透鏡置於近光源側，第二透鏡置於遠光源側； 第一透鏡中，近光源側的第一表面的曲率半徑為15.63mm,第二表面的曲率半徑為9.26mm,第三表面的曲率半徑為1691.9mm ;第一表面與第二表面之間的材料為氟化鋰，中心厚度為28.78mm，邊緣厚度為28.99mm ;第二表面與第三表面之間材料為氟化鈣，中心厚度為1.13mm,邊緣厚度為0.64mm ； 第二透鏡中，靠近第一透鏡的第四表面的曲率半徑為-56.38mm，第五表面的邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為2.21mm，第六表面邊緣為平面，中間為球面，球面的曲率半徑為0.42mm;第四表面與第五表面之間材料為石英，中心厚度為1mm，邊緣厚度為3.29mm ;第五表面與第六表面之間材料為氟化鈣，中心厚度為30mm，邊緣厚度為28.21mm ； 第一透鏡與第二透鏡之間為空氣，兩透鏡的中心距離為1mm，邊緣距離為0.92mm。
【文檔編號】G01B11/00GK203981110SQ201420200817
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】陳樹強, 楊小君, 鄧浩 申請人:電子科技大學