一种纳米结构几何参数大面积在线测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米结构几何参数大面积在线测量装置及其测量方法，可获得包含整个视场的大面积区域内纳米结构的三维显微形貌。由光源发出的光经过单色仪变为单色光，先后经过准直镜、起偏器和起偏臂端相位补偿器得到椭圆偏振光束后投射至待测纳米结构表面；采集待测纳米结构反射光束中零级衍射光对应的光强信号，计算待测纳米结构的测量成像穆勒矩阵；匹配提取得到对应像素点处待测纳米结构的几何参数值，所有像素点处的几何参数提取值构成待测纳米结构三维显微形貌。本发明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纳米结构，提供一种大面积、快速、低成本、无接触、非破坏性、精确测量手段。
【专利说明】一种纳米结构几何参数大面积在线测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米制造，特别是规模化纳米制造中的在线工艺监测与优化控制领 域，具体涉及一种纳米结构几何参数大面积在线测量装置及其测量方法，用于纳米结构几 何参数如特征线宽、线高、侧壁角、周期间距、套刻误差、以及线边粗糙度与线宽粗糙度等的 大面积在线测量。
【背景技术】
[0002] 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。为了实现有效的工艺监控，在纳米制造特别是规模化纳米制造中对纳米结构的 特征线宽（即关键尺寸）、线高、侧壁角等几何参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量 具有十分重要的意义。目前，纳米结构几何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、设备操作复杂、难以集成到制造工艺线上实现在线测量。与之相反，光学测量方法 具有速度快、成本低、无接触、非破坏和易于在线集成等优点，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，如极大规模集成电路制造中用于关键尺寸测量的光学散射 技术（OpticalScatterometry) 〇
[0003]传统光学散射测量技术采用光谱椭偏仪（SE,SpectroscopicEllipsometry)，通 过测量待测结构（一般为周期性结构）零级衍射光在反射前后偏振状态的变化（即振幅比 和相位差），然后将其与理论建模计算出的振幅比和相位差相比较，进而从中提取出待测结 构的关键尺寸等信息。近年来，为了应对纳米结构测量领域中的一些新的挑战，如纳米结 构线边粗糙度和线宽粗糙度等形貌特征的表征，出现了基于穆勒矩阵椭偏仪（MME，Mueller MatrixEllipsometry)的光学散射测量技术。与光谱椭偏仪只能改变波长和入射角2个测 量条件且每次测量只能获得振幅比和相位差2个测量参数相比，穆勒矩阵椭偏仪可以改变 波长、入射角和方位角3个测量条件，而且在每一组测量条件下都可以获得一个4X4阶的 穆勒矩阵共16个参数，从而可以获得诸如样品各向异性以及退偏等丰富得多的测量信息。 从最根本的测量机理而言，上述光学散射测量技术采用光斑照射区平均测试，即获得全部 光斑照射区域（光斑直径一般从35μπι至2_不等）内样品待测参数，如光学常数、薄膜厚 度、及纳米结构关键尺寸的平均值。这导致对所有小于光斑照射区域内待测对象的微小变 化均难以进行准确地检测分析。特别是当样品的待测参数分布不均匀时，平均化测试将会 得出错误的结果。同时，上述光学散射测量技术只能进行单点测试，如果要获得样品上多点 或者大面积区域内待测参数的分布信息需要移动样品台进行多次测试或者点点扫描，这样 将严重影响样品的分析测试效率。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明提供一种纳米结构几何参数大面积在线 测量装置及其测量方法，目的在于实现纳米制造特别是规模化纳米制造中纳米结构几何参 数的大面积、快速、低成本、非破坏性精确测量。
[0005] 本发明提供的一种纳米结构几何参数大面积在线测量装置，其特征在于，该装置 在穆勒矩阵椭偏仪的检偏光路中增设有成像透镜，且将检偏光路中的线阵探测器替换为面 阵探测器，以收集整个视场区域内待测纳米结构的成像穆勒矩阵信息，通过对成像穆勒矩 阵上各个像素点进行独立的椭偏测试，准确实时地重构出包含整个视场的大面积区域内待 测纳米结构的三维显微形貌。
[0006] 作为上述技术方案的改进，本发明装置具体包括光源，波长选择器，光纤耦合器， 引出光纤，准直镜，起偏器，起偏臂端相位补偿器，起偏臂，用于放置待测纳米结构的旋转样 品台，角度计，检偏臂端相位补偿器，检偏器，成像透镜，检偏臂，面阵探测器，同步控制器， 以及计算机；
[0007] 准直镜、起偏器和起偏臂端相位补偿器位于起偏光路上，并且固定在起偏臂上；检 偏器、检偏臂端相位补偿器、成像透镜和面阵探测器位于检偏光路上，并且固定在检偏臂 上；起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器之间的同步转动由同步控制器控制并与计 算机相连；起偏臂和检偏臂以相同的倾角对称布置于角度计上；光源，波长选择器和光纤 耦合器位于同一光路上，三者之间通过光纤连接，引出光纤的一端连接在光纤耦合器上，从 引出光纤另一端引出的光束位于准直镜的焦点位置，面阵探测器安装在成像透镜的焦平面 之后，且其光轴以2?10°的倾斜角固定以保持采集图像的清晰度。
[0008] 本发明提供的利用上述装置进行纳米结构几何参数大面积在线测量的方法，具体 包括下述步骤：
[0009] 第1步将待测纳米结构置于旋转样品台上；由光源发出的光束经过波长选择器之 后变为单色光，经过准直镜后变为平行光束，再先后经过起偏器、起偏臂端相位补偿器得到 椭圆偏振光束后投射至待测纳米结构表面；
[0010] 第2步椭圆偏振光束经过待测纳米结构表面反射后，先后经过检偏臂端相位补偿 器、检偏器、以及成像透镜进入面阵探测器，利用面阵探测器收集得到零级衍射光对应的光 强信号；通过连续调节起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器以改变入射椭圆偏振光 束的偏振状态，进而收集得到不同偏振状态下零级衍射光的光强信号；
[0011] 第3步根据第2步收集到的零级衍射光的光强信号，计算得到待测纳米结构对应 面阵探测器上每个像素点处的测量穆勒矩阵，所有像素点对应的测量穆勒矩阵构成整个视 场区域内待测纳米结构的测量成像穆勒矩阵；
[0012] 第4步利用波长选择器改变入射光束的波长λ，转动起偏臂与检偏臂以改变入射 光束的入射角Θ，转动样品台以改变入射光束与待测纳米结构之间所成方位角φ;重复第 1步?第3步，得到不同波长、入射角和方位角配置下的测量成像穆勒矩阵；
[0013] 第5步在给定的波长、入射角和方位角配置下计算待测纳米结构对应的理论穆勒 矩阵；
[0014] 第6步将第5步计算得到的理论穆勒矩阵与第4步得到的测量成像穆勒矩阵上每 个像素点或者每组像素点对应的测量穆勒矩阵进行匹配，从中提取出对应像素点处的待测 纳米结构的几何参数；所有像素点对应的待测纳米结构几何参数值最终构成整个视场区域 内待测纳米结构的三维显微形貌。
[0015] 本发明提供的纳米结构几何参数大面积在线测量方法，是在穆勒矩阵椭偏仪的基 础上，通过在检偏光路中引入成像透镜并将光路中的线阵探测器用面阵探测器来替代以收 集整个视场区域内待测纳米结构的成像穆勒矩阵信息。成像穆勒矩阵的每一个元素都对应 样品上包含整个视场的大面积区域内的一幅空间图像，而图像的每一个像素点都对应一个 4X4阶的穆勒矩阵。通过对成像穆勒矩阵上各个像素点进行独立的椭偏测试，可以准确实 时地重构出包含整个视场的大面积区域内待测纳米结构的三维显微形貌，不需要像传统光 学散射测量技术那样进行点点扫描，因此可以极大地提高样品的分析测试效率。同时，穆勒 矩阵成像椭偏仪从本质上来说仍是一种光学测量方法，满足纳米制造过程中快速、低成本、 无接触和非破坏的测量要求，并且易于操作及实现全自动的在线集成测量。本发明为促进 传统光学测量技术在纳米制造特别是批量化纳米制造领域中的扩展应用提供了一种新途 径，可实现基于图形转移的批量化制造方法如光刻和纳米压印等工艺中所涉及的一维和二 维亚波长周期性纳米结构几何参数的大面积、快速、低成本、非破坏性、精度测量，并将在批 量化纳米制造中的在线工艺监测与优化控制领域有着广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明提出的纳米结构几何参数测量装置的结构示意图；
[0017] 图2是光刻工艺中典型纳米光栅结构示意图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明是利用穆勒矩阵成像椭偏仪（MMIE,MuellerMatrixImaging Ellipsometry)实现纳米结构几何参数的大面积在线测量。为了使本发明的目的、技术方案 及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019] 如图1所示，本发明提供的纳米结构几何参数测量装置的结构为：包括光源101， 光纤102,波长选择器103,光纤104,光纤耦合器105,引出光纤106,准直镜107,起偏器 108,起偏臂端相位补偿器109,起偏臂110,用于放置待测纳米结构111的旋转样品台112， 角度计113,检偏臂端相位补偿器114,检偏器115,成像透镜116,检偏臂117,面阵探测器 118,同步控制器119,计算机120。
[0020] 准直镜107、起偏器108和起偏臂端相位补偿器109位于同一光路上，并且固定在 起偏臂110上；检偏臂端相位补偿器114、检偏器115、成像透镜116和面阵探测器118位于 同一光路上，并且固定在检偏臂117上；起偏臂端相位补偿器109和检偏臂端相位补偿器 114之间的同步转动由同步控制器119来控制并与计算机120相连；起偏臂110和检偏臂 117以相同的倾角对称布置于角度计113上；光源101，波长选择器103与光纤耦合器105 位于同一光路上，光源101与波长选择器103之间通过光纤102相连，波长选择器103与光 纤耦合器105之间通过光纤104相连，引出光纤106的一端连接在光纤耦合器105上，从引 出光纤106另一端引出的光束位于准直镜107的焦点位置，面阵探测器118安装在成像透 镜116的焦平面121之后，且其光轴以2?10°的倾斜角固定以保持采集图像的清晰度。
[0021] 在图1所示光路系统中，波长选择器103可以采用单色仪或者滤波片。光源101 可以选用氙灯光源，也可以选用激光光源。当光源101选用激光光源时，可以通过改变入射 角或者方位角以便从测量成像穆勒矩阵中提取出待测纳米结构的几何参数值及其三维显 微形貌。面阵探测器118可以采用C⑶探测器或者CMOS探测器。
[0022] 利用上述测量装置进行纳米结构几何参数测量的方法包括以下步骤：
[0023] 1、将待测纳米结构111置于旋转样品台112上；由光源发出的光束经过单色仪之 后变为单色光，经过准直镜后变为平行光束，再先后经过起偏器、起偏臂端相位补偿器得到 椭圆偏振光束后投射至待测纳米结构表面；
[0024] 以光刻工艺中的一维纳米光栅结构的测量过程为例，如图2所示，纳米光栅结构 的待测几何参数一般包括线宽WpW2，线高DpD2，侧壁角αι、α2，周期间距Λ、线边粗糙度 LER，线宽粗糙度LWR、以及套刻误差δ等。其中，根据国际半导体技术路线图（ITRS)的定 义，线边粗糙度和线宽粗糙度分别定义为对应线边相对于其理想位置变化偏差的3 〇值和 线宽变化偏差的3 〇值，这里〇为方差。
[0025] 2、椭圆偏振光束经过待测纳米结构表面反射后，先后经过检偏臂端相位补偿器、 检偏器、以及成像透镜进入CCD探测器，利用CCD探测器收集得到零级衍射光对应的光强信 号；通过连续调节起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器可以改变入射椭圆偏振光束 的偏振状态，进而可以收集得到不同偏振状态下零级衍射光的光强信号；
[0026] 3、根据第2步收集到的零级衍射光的光强信号，计算得到待测纳米结构对应CCD 探测器上每个像素点处的测量穆勒矩阵，所有像素点对应的测量穆勒矩阵构成整个视场区 域内待测纳米结构的测量成像穆勒矩阵；
[0027] C⑶探测器上每一个像素点处的数据采集原理都是一样的，具体地可以以C⑶探 测器上任意第m行和第η列对应的像素点处的数据采集为例。首先根据反射光束与入射光 束对应的斯托克斯向量Sn,,t，Sin之间的关系式：
[0028]
【权利要求】
1. 一种纳米结构几何参数大面积在线测量装置，其特征在于，该装置在穆勒矩阵椭偏 仪的检偏光路中增设有成像透镜，且将检偏光路中的线阵探测器替换为面阵探测器，以收 集整个视场区域内待测纳米结构的成像穆勒矩阵信息，通过对成像穆勒矩阵上各个像素点 进行独立的椭偏测试，准确实时地重构出包含整个视场的大面积区域内待测纳米结构的三 维显微形貌。
2. 根据权利要求1所述的纳米结构几何参数大面积在线测量装置，其特征在于，该 装置具体包括光源（101)，波长选择器（103)，光纤耦合器（105)，引出光纤（106)，准直镜 (107)，起偏器（108)，起偏臂端相位补偿器（109)，起偏臂（110)，用于放置待测纳米结构 (111)的旋转样品台（112)，角度计（113)，检偏臂端相位补偿器（114)，检偏器（115)，成像 透镜（116)，检偏臂（117)，面阵探测器（118)，同步控制器（119)，以及计算机（120); 准直镜（107)、起偏器（108)和起偏臂端相位补偿器（109)位于起偏光路上，并且固定 在起偏臂（110)上；检偏臂端相位补偿器（114)、检偏器（115)、成像透镜（116)和面阵探 测器（118)位于检偏光路上，并且固定在检偏臂（117)上；起偏臂端相位补偿器（109)和 检偏臂端相位补偿器（114)之间的同步转动由同步控制器（119)控制并与计算机（120)相 连；起偏臂（110)和检偏臂（117)以相同的倾角对称布置于角度计（113)上；光源（101)， 波长选择器（103)和光纤耦合器（105)位于同一光路上，三者之间通过光纤相连，引出光纤 (106) 的一端连接在光纤親合器（105)上，从引出光纤（106)另一端引出的光束位于准直镜 (107) 的焦点位置，面阵探测器（118)安装在成像透镜（116)的焦平面（121)之后，且其光 轴以2?10°的倾斜角固定以保持采集图像的清晰度。
3. 根据权利要求2所述的纳米结构几何参数大面积在线测量装置，其特征在于，所述 波长选择器（103)为单色仪或者滤波片；光源（101)为氙灯光源或激光光源，当光源（101) 选用激光光源时，通过改变入射角或者方位角以便从测量成像穆勒矩阵中提取出待测纳米 结构的几何参数值及其三维显微形貌；面阵探测器（118)采用CCD探测器或者CMOS探测 器。
4. 一种利用权利要求1或2所述装置进行纳米结构几何参数大面积在线测量的方法， 具体包括下述步骤： 第1步将待测纳米结构置于旋转样品台上；由光源发出的光束经过波长选择器之后变 为单色光，经过准直镜后变为平行光束，再先后经过起偏器、起偏臂端相位补偿器得到椭圆 偏振光束后投射至待测纳米结构表面； 第2步椭圆偏振光束经过待测纳米结构表面反射后，先后经过检偏臂端相位补偿器、 检偏器、以及成像透镜进入面阵探测器，利用面阵探测器收集得到零级衍射光对应的光强 信号；通过连续调节起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器以改变入射椭圆偏振光束 的偏振状态，进而收集得到不同偏振状态下零级衍射光的光强信号； 第3步根据第2步收集到的零级衍射光的光强信号，计算得到待测纳米结构对应面阵 探测器上每个像素点处的测量穆勒矩阵，所有像素点对应的测量穆勒矩阵构成整个视场区 域内待测纳米结构的测量成像穆勒矩阵； 第4步利用波长选择器改变入射光束的波长A，转动起偏臂与检偏臂以改变入射光 束的入射角9,转动样品台以改变入射光束与待测纳米结构之间所成方位角巾；重复第1 步?第3步，得到不同波长、入射角和方位角配置下的测量成像穆勒矩阵； 第5步在给定的波长、入射角和方位角配置下计算待测纳米结构对应的理论穆勒矩 阵； 第6步将第5步计算得到的理论穆勒矩阵与第4步得到的测量成像穆勒矩阵上每个像 素点或者每组像素点对应的测量穆勒矩阵进行匹配，从中提取出对应像素点处的待测纳米 结构的几何参数；所有像素点对应的待测纳米结构几何参数值最终构成整个视场区域内待 测纳米结构的三维显微形貌。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述面阵探测器上任意第m行和第n列对 应的像素点处的测量穆勒矩阵计算过程为： 首先根据反射光束与入射光束对应的斯托克斯向量S^，Sin之间的关系式：
其中MP，MA，Ma(S^，Me2(S2)和Ms分别为起偏器、检偏器、起偏臂端相位补偿器、检偏 臂端相位补偿器和待测纳米结构对应的穆勒矩阵；0P和0 &分别起偏器和检偏器的透光轴 方向与入射面夹角；9 ^和9。2分别表示起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器的快 轴方向与入射面的夹角，在数据采集过程中起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器的 快轴以一定的比例同步旋转，\和S2分别为起偏臂端相位补偿器和检偏臂端相位补偿器 对应的相位延迟量，ck=cos2(sk/2)，sk=sin2(sk/2)及心均为中间变量，Mij为待测纳 米结构对应的穆勒矩阵坞中的元素，i，j= 1，2, 3, 4;k= 1，2 ; 由光强信号的时域表达式（2)和（3)可知，待测纳米结构对应CCD探测器上任意第m行和第n列像素点处采集到的光强信号是随时间变化的周期性信号对其进行傅立叶分析， 由此得到的光强信号的傅立叶系数是对应穆勒矩阵元素的线性函数；在采集得到反射光束 的光强信号之后，通过对其进行傅立叶分析，由光强信号的傅立叶系数推导得到CCD探测 器上对应像素点处的待测纳米结构穆勒矩阵元素。
【文档编号】G01B11/24GK104482878SQ201410733437
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】刘世元, 陈修国, 杜卫超, 张传维 申请人:华中科技大学