光刻掩模版铬膜厚度测量方法
【专利摘要】光刻掩模版铬膜厚度测量方法属于物理测量领域。该方法提供一种棱镜耦合长程表面等离子共振传感器，用于石英衬底上铬膜厚度的测量，测量范围是5nm～20nm和20nm～100nm两档。中红外He-Ne激光器发射的平行光经偏振镜后成为TM偏振光，然后入射于棱镜耦合长程表面等离子共振传感器，携带铬膜厚度信息的反射光投影到热辐射探测器。本发明具有以下优点：1)采用中红外He-Ne激光λ＝3.391μm激发铬膜与介质界面上的长程表面等离子共振，产生衰减全反射(ATR)吸收峰。由于ATR峰的角位置是铬膜厚度的灵敏函数，因此，可根据反射率-入射角曲线上的ATR峰的角位置确定铬膜厚度；2)测量的范围可分为5nm～20nm和20nm～100nm两档，分辨率为0.001°/nm和0.003°/nm；3)测量装置结构简单，操作方便，成本低廉。
【专利说明】光刻掩模版铬膜厚度测量方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及的是一种测量方法，特别是一种光刻掩模版铬膜厚度测量方法，属于物理测量领域。
【背景技术】
[0003]铬是一种银白色的金属，硬度很大，而且化学性质极稳定，在常温下，放在空气中或浸在水里，不会生锈，因此用玻璃基上的铬膜制作掩模版是光刻技术的不二选择。近三十年来，随着微电子技术特别是集成电路的发展，薄膜厚度及关键尺寸线宽测量的研究和应用取得了长足进步。纳米级金属薄膜的生长、表征以及其厚度的非接触、非破坏精确测量显得尤为重要。目前，通常金属薄膜厚度的测量方法包括四点探针法、电涡流法、X射线吸收法、X荧光法、激光超声检测等技术。但四点探针法会对硅片表面造成损伤，X射线吸收法与X荧光法具有放射性，不适宜于在一般的环境中应用。而电涡流法一般只能测量微米尺度以上的金属膜。光学方法具有测量精度高，成本低，可采用多探头测量，测量区域大的优点。但是光学测量方法由于光穿透能力的限制，仪可用于测量透明或半透明的金属薄膜，这就要求待测金属膜对激发光的吸收很小，而金属铬几乎在整个光波长范围内介电系数的虚部都很大，表明对光有极强的吸收，因此采用常用光学方法难以测量铬膜的厚度。经文献检索发现，美国专利号为5034617和中国专利号为02136611.X，这两个专利都提出了一种测量光学薄膜厚度的方法。但这些方法仅能测最介质薄膜的厚度，无法测量金属薄膜的厚度。利用表面等离子波的双波长法，虽然可测量50纳米左右的贵金属(金、银和铜等)薄膜的厚度，但对铬膜却无能为力，而且这种方法的测量范围仅在40nm?60nm范围，无法扩展到几个纳米和10nm的范围。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种利用中红外光源激发长程表面等离子共振的测量方法及其装置。该方案能测量强吸收金属薄膜厚度，具有灵敏度高，测量时间短，实用性强的优点，而且铬膜厚度的有效测量范围可从5nm扩展到lOOnm。
[0005]本发明是一种光刻掩模版铬膜厚度测量方法，该测量方法采用中红外激光经TM偏振后在光刻掩模版铬膜表面激发长程表面等离子共振，通过携带着铬膜厚度参数信息的衰减全发射光的探测，测量出光刻掩模版铬膜厚度；该测量方法基于一个包括了棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构A和光电发射与信号探测模块B的测量装置，其特征在于:
[0006]棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构A，由玻璃棱镜1、匹配液2、玻璃垫圈3、铬膜4、石英玻璃衬底5、基板6、液体进口 7、液体出口 8等部件组成，其特征在于:
[0007]玻璃垫圈3胶合于玻璃棱镜I的底面，铬膜4沉积在石英玻璃衬底5上，玻璃棱镜I为三角形棱镜，材料为光学玻璃，其折射率范围为1.60?1.80之间；
[0008]石英玻璃衬底5胶合于基板6，石英玻璃衬底5的厚度小于玻璃垫圈3，两者厚度之差使玻璃棱镜1的底面与铬膜4之间形成一空腔，该空腔存放折射率与石英玻璃衬底5相同的匹配液2。空腔的厚度由铬膜4厚度的测量范围确定，当铬膜4厚度测量范围为5nm?20nm时，空腔厚度定40um ;而当铬膜4厚度测量范围为20nm?lOOnm时，空腔厚度定为8.5um。
[0009]基板上开两个通孔，分别是棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构的液体进口 7和液体出口 8，匹配液2由液体进口 7进入，而废弃匹配液通过液体出口 8排出。
[0010]光电发射与信号探测模块B,由中红外He-Ne激光器9、偏振镜10和热福射探测器11等部件组成，其特征在于:
[0011]中红外He-Ne激光器9发射波长为λ = 3.391um的平行光经偏振镜10后以一定角度入射于玻璃棱镜1的底面，反射光投影到热辐射探测器11，随着入射角的变化，形成反射率一入射角度曲线。
[0012]长程表面等离子共振激发的标志是反射率一入射角度曲线上的衰减全反射(ATR)吸收峰，由于ATR吸收峰的角位置是光刻掩模版铬膜厚度的灵敏函数，因此可根据ATR吸收峰的角位置来确定光刻掩模版铬膜的厚度。
[0013]本发明具有以下优点:(1)采用中红外He-Ne激光λ = 3.391um激发铬膜与两侧介质界面上的长程表面等离子共振，产生衰减全反射(ATR)吸收峰。由于ATR峰的角位置是铬膜厚度的灵敏函数，因此，可根据反射率-入射角曲线上的ATR峰的角位置确定铬膜厚度；⑵测量范围可分为5nm?20nm和20nm?lOOnm两档，测量的分辨率分别为0.001° /nm和0.003° /nm ； (3)测量装置结构简单，操作方便，成本低廉。
参考文献
[1]Chen ff.P., Chen J.Μ., “Use of surface plasma waves for determinat1nof the thickness and optical constants of thin metallic films，，J.0pt.Soc.Am.,71(1981) 189-191
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1，本发明光刻掩模版铬膜厚度测量方法装置图
[0015]图2长程表面等离子共振ATR吸收位置峰随铬膜厚度的变化，测量范围是5nm?20nm
[0016]图3长程表面等离子共振ATR吸收位置峰随铬膜厚度的变化，测量范围是20nm?lOOnm
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明是一种光刻掩模版铬膜厚度测量方法，该测量方法采用中红外激光经TM偏振后在光刻掩模版铬膜表面激发长程表面等离子共振，通过携带着铬膜厚度参数信息的衰减全发射光的探测，测量出光刻掩模版铬膜厚度；该测量方法基于一个包括了棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构A和光电发射与信号探测模块B的测量装置。棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构A，包括:玻璃棱镜1、匹配液2、玻璃垫圈3、铬膜4、石英玻璃衬底5、基板6、液体进口 7和液体出口 8。玻璃垫圈3胶合于玻璃棱镜1的底面，铬膜4沉积在石英玻璃衬底5上，石英玻璃衬底5胶合于基板6，石英玻璃衬底5的厚度小于玻璃垫圈3，两者厚度之差使玻璃棱镜I的底面与铬膜4之间形成一空腔，该空腔存放折射率与石英玻璃衬底5相同的匹配液。空腔的厚度由铬膜4厚度的测量范围确定，当铬膜4厚度测量范围为5nm?20nm时，空腔厚度定40um ;而当铬膜4厚度测量范围为20nm?10nm时，空腔厚度定为8.5um。基板上开两个通孔，分别是棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构的液体进口 7和液体出口 8，匹配液由液体进口 7进入，而废弃匹配液通过液体出口 8排出。
实施例一:
假设入射激光的波长λ = 3.391um，玻璃棱镜的折射率Ii1 = 1.70，匹配液和石英玻璃的折射率n2 = n4 = 1.45,匹配液的厚度h2 = 8.5um,铬膜的介电系数ε 3 = -120+?68,铬膜厚度的测量范围是5nm?20nm。当入射光在58.45°?59.15°内变化时，则根据计算机模拟得到的曲线如图2所示。由图可见，利用中红外激光激发长程表面等离子共振，由于长程表面等离子共振ATR吸收峰的角位置是铬膜厚度的灵敏函数，因此，利用这种方法可精确测量铬膜的厚度，测量的分辨率大于0.003° /nm。
实施例二:
假设入射激光的波长λ = 3.391um，玻璃棱镜的折射率Ii1 = 1.70，匹配液和石英玻璃的折射率％ = n4 = 1.45,匹配液的厚度h2 = 40um,铬膜的介电系数ε 3 = -120+i68,铬膜厚度的测量范围是20nm?lOOnm。当入射光在58.534°?58.567°内变化时，则根据计算机模拟得到的曲线如图3所示。由图可见，利用中红外激光激发长程表面等离子共振，由于长程表面等离子共振ATR吸收峰的角位置是铬膜厚度的灵敏函数，因此，利用这种方法可精确测量铬膜的厚度，测量的分辨率大于0.001° /nm。
【权利要求】
1.一种光刻掩模版铬膜厚度测量方法，基于一个测量系统，该系统包括:棱镜耦合长程表面等离子共振激 发结构A和光电发射与信号探测模块B，其特征在于: 1)棱镜耦合长程表面等离子共振激发结构A，由玻璃棱镜1、匹配液2、玻璃垫圈3、铬膜4、石英玻璃衬底5、基板6、液体进口 7、液体出口 8等部件组成，其特征在于: (1)玻璃垫圈3胶合于玻璃棱镜I的底面，铬膜4沉积在石英玻璃衬底5上； (2)石英玻璃衬底5胶合于基板6,其厚度小于玻璃垫圈3,两者之差构成一可输入液体的空腔，该空腔存放折射率与石英玻璃衬底5相同的匹配液2 ； (3)玻璃垫圈3上开两个通孔，分别是液体进口7和液体出口 8，匹配液2由液体进口7进入，而废弃匹配液通过液体出口 8排出。 2)光电发射与信号探测模块B,由中红外He-Ne激光器9、偏振镜10和热福射探测器11等部件组成，其特征在于: (4)中红外He-Ne激光器9发射的平行光经过偏振镜10后,成为TM偏振光,并以一定角度入射于玻璃棱镜I的底面； (5)反射光投影到光强测量装置一热辐射探测器11； (6)在一定角度范围内连续变化激光入射角度，并同时记录反射光强，形成反射率一入射角度曲线，根据长程表面等离子共振衰减全反射吸收峰的位置确定光刻掩模版铬膜的厚度。
2.根据权利I要求的玻璃棱镜1，其特征在于:玻璃棱镜为三角形棱镜，材料为光学玻璃，其折射率范围为1.60?1.80之间。
3.根据权利I要求的匹配液2的折射率,其特征在于:必须与石英玻璃衬底5的折射率相同。
4.根据权利I要求的中红外He-Ne激光器9，其特征在于:波长为λ= 3.391 μ m。
5.根据权利I要求的铬膜4厚度测量范围分别确定为5nm?20nm和20nm?10nm两档。
6.根据权利I要求的玻璃垫圈3与石英玻璃衬底5两者的厚度之差，其特征在于:当铬膜4厚度的测量范围为5nm?20nm时，厚度为40um ;当铬膜4厚度的测量范围为20nm?10nm时,厚度为8.5um。
7.根据权利I要求的铬膜4厚度测量的分辨率，其特征在于:当铬膜4厚度的测量范围为5nm?20nm时，分辨率为0.001° /nm ;当铬膜4厚度的测量范围为20nm?10nm时，分辨率为0.003° /nm。
【文档编号】G01B11/06GK104359412SQ201410543262
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月1日 优先权日:2014年10月1日
【发明者】陈开盛, 曹庄琪, 沈益翰 申请人:上海光刻电子科技有限公司