一种用于测量样品的衍射结构的装置的制作方法

本实用新型涉及光学测量领域，特别涉及一种用于测量样品的衍射结构的装置。

背景技术：

期望在集成电路的生产期间测量电路结构和其他类型的结构，例如阻光剂结构。光学测量工具特别适用于测量微电子结构，因为它们是非破坏性的，准确的，可重复的，快速的和廉价的。通常需要不同的计量工具来测量晶片上的不同结构或参数。例如，晶片上的某些结构作为衍射光栅，其通常需要不同的计量工具，例如，临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)，用于测量平面薄膜。有时用于测量衍射结构的一种工具是散射仪。散射法是从结构散射的光的角度分辨测量和表征。

但是，现有技术中，即使通过测量底层薄膜的薄膜厚度和光学指数来减小数据库的尺寸，该方法仍然需要生成相对较大的数据库。此外，样品或计量装置必须被移动并重新聚焦以测量基底膜，即没有衍射结构和衍射结构本身，这也是耗时的。因此，现有技术的光学测量工具不能够快速准确地测量衍射光栅以及其他非衍射结构。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于测量样品的衍射结构的装置，以提供一种用于快速，准确地测量衍射光栅以及其他非衍射结构的装置和方法，提高了系统的准确性和高效性。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种用于测量样品的衍射结构的装置，所述装置包括：

测量装置，其设置成在光线垂直入射时测量所述衍射结构的反射率和所述样品上的至少一个底层；所述测量装置包括：

具有多个波长的辐射的宽带辐射源；

偏振元件，所述辐射通过所述偏振元件朝向所述样品，以使得所述辐射垂直入射到所述衍射结构和所述样品上的所述至少一个底层，并衍射穿过所述偏振元件的零级衍射辐射；

测量所述零级衍射辐射的反射率的检测器；

计算机，其设置成与所述测量装置耦合，以确定所述样品上的所述衍射结构的结构信息。

优选的，所述结构信息包括：所述衍射结构的高度、间距、侧壁角度和线宽，其中，所述衍射结构的高度、间距、侧壁角度和线宽均是可变参数。

在本实用新型中，正入射反射计使用通常入射的宽带辐射来测量衍射结构的一个或多个参数。使用可旋转分析仪/偏振器来分析从衍射结构反射的衍射辐射。可旋转分析器/偏振器相对于衍射结构的相对旋转允许以多极性取向分析衍射辐射。分析仪/偏振器是单个单元，其有利地降低了成本并简化了操作。分光镜检测不同极性取向的光谱分量的强度。因为根据本实用新型的正入射反射计使用正入射的辐射和相对于衍射结构旋转的分析器，反之亦然，衍射结构的光栅的取向不影响测量的精度。因此，可以使用不同类型的采样级，包括X，Y和Z，以及r-θ型级。此外，正入射反射计不需要入射光的偏振取向与衍射结构的光栅对准。

本实用新型的一个方面涉及一种用于测量样品上的衍射结构的一个或多个参数的装置，该装置包括发射宽带辐射的辐射源，使得辐射极化的偏振元件，该偏振元件通常会入射到衍射结构。偏振元件和衍射结构中的至少一个可旋转，使得可以实现偏振元件相对于衍射结构的多个偏振取向。光从衍射结构反射，穿过偏振元件并通过光谱仪接收，该光谱仪检测偏振元件相对于衍射结构的不同偏振方向的所述偏振光束的光谱分量的强度。因此，可以通过光谱仪接收反射光的偏振的多个取向。

本实用新型的另一方面包括一种用于测量样品上的衍射结构的一个或多个参数的装置，该装置包括发射通常入射在衍射结构上的宽带辐射的辐射源，在该光束中的偏振元件辐射路径，用衍射结构保持样本的r-θ样本台，以及检测从所述衍射结构反射的辐射的光谱分量的强度的光谱仪。偏振元件被定位成使得辐射通过偏振元件朝向所述样品，所述辐射被从样品上的衍射结构反射，反射的辐射通过偏振元件，并且偏振元件可旋转以产生相对旋转在所述偏振元件和所述衍射结构之间。光谱仪以偏振元件和衍射结构之间的多个偏振取向检测穿过偏振元件之后的反射辐射的光谱分量的强度。

本实用新型的另一方面包括一种包括耦合到所述光谱仪并且接收所述光谱仪信号的计算机的计算机系统，包括用于分析所述光谱仪信号并从所述信号提取光谱信息的计算机指令。计算机指令还包括用于生成衍射结构的光学模型的指令，例如通过严格的耦合波分析，从光学模型计算光谱信息和将光学模型拟合到所提取的光谱信息，同时调整可变参数衍射光栅，例如高度，间距，侧壁角度和临界尺寸，以实现最佳拟合。在一个实施例中，计算机系统包括执行非线性多元回归过程以调整光学模型的参数的指令。

本实用新型的另一方面涉及一种测量衍射结构的至少一个参数的方法，包括在衍射结构处以多个波长和多个偏振方向引导正入射的辐射，辐射反射和衍射通过样品上的衍射结构；分析由衍射结构反射和衍射的辐射，以产生具有相同极化取向的输出光束；检测所述输出光束在所述多个偏振方向上的光谱分量的强度；以及使用所检测的输出光束的光谱分量的强度来确定衍射结构的至少一个参数。该方法还可以包括生成与多个波长的不同衍射结构有关的至少一个参数的参考数据库以及多个极性取向，并将检测到的光谱分量的强度与数据库进行比较，以确定所述的多个波长的至少一个参数衍射结构。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的:

图1为根据本实用新型的实施例的可旋转分析器/偏振器的正入射反射计，其可用于测量衍射结构；

图2为描述校准正入射反射计的过程的流程图；

图3为根据本实用新型的实施例的采集数据的处理的流程图；

图4为根据本实用新型提取光谱信息的过程的流程图；

图5为根据本实用新型的数据分析过程的流程图。

图中各符号所表示的含义如下：

100-正入射反射计，102-光源，104-第一透镜，106-光束分离器，108-物镜，110-右边缘光线，112-左边缘光线，114-光栅结构，116-晶片，118-样品台，120-法线，122-可旋转分析器/偏振器，124-第二透镜，126-光谱仪，128-反射镜，130-灯，132-可移动反射镜，134- 图案识别系统，136-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是根据本实用新型的实施例的具有可旋转分析器/偏振器122并且可以用于测量衍射结构入射反射计100的示意图。使用单个偏振元件作为一个可旋转分析器/偏振器122，从而允许以减少数量的部件测量衍射结构。此外，可以使用正入射反射计100作为反射计来测量非衍射结构。因此，正入射反射计100不需要仅用于测量衍射光栅的专用测量工具，而是可以用于其它反射计类型的装置。

正入射反射计100包括光源102，例如具有波长在200nm至800nm之间的紫外可见光源，以产生非偏振光。非偏振光被第一透镜104收集和准直。光束分离器106将准直的宽带非偏振光束的一部分引向固定在可移动样品台118上的样品。样品可以是衍射光栅结构。当然，应当理解，光栅结构114通常非常小，并且其尺寸如图1所示。为了清楚起见，图1中的光栅结构114被夸大了。

在分束分离器106和光栅结构114之间设置的是可旋转分析器/偏振器122。由分束分离器106向样品反射的光通过可旋转分析器/偏振器122，然后被线偏振。可旋转分析器/偏振器122的旋转以本领域技术人员已知的方式由计算机136控制。在另一个实施例中，可旋转分析器/偏振器122可以是静止的，而计算机136控制样品台118旋转，从而使得光栅结构 114相对于可旋转分析器/偏振器122旋转。

可旋转分析器/偏振器122仅通过与其的偏振轴一致的光的电场分量，从而控制入射在样品上的光的取向。可旋转分析器/偏振器122可以是Glan Taylor空气隔离的偏振器，二向色偏光片或任何其它适当的线性偏振装置。来自可旋转分析器/偏振器122的光由物镜108聚焦，使得光入射到光栅结构114。当光线中的右边缘光线110和左边缘光线112与样品上的法线 120成小角度时，但是由于角度太小而不能看到任何极化在常规椭偏仪中发生的影响。因为可旋转分析器/偏振器122相对于衍射结构114旋转，即可旋转分析器/偏振器122和/或衍射结构114旋转，入射光的偏振取向在测量过程之前不需要与光栅结构114的光栅对准。因此，正入射反射计100可以使用能够进行x，y，z和/或θ移动中的任何一个方向或全部方向的样品台118，以及仅能够进行r-θ运动的平台。

来自光栅结构114的衍射光被物镜108重新校准，并且通过可旋转分析器/偏振器122，以使得光产生线性偏振。光具有与光栅结构114的线平行(有时称为TE或S偏振)或垂直(有时称为TM或P偏振)的电场分量。从光栅结构114被衍射的光将具有与入射到光栅结构114 上的光不同的电场分量强度和相位。可旋转分析器/偏振器122仅通过其的偏振轴一致的反射光束的电场分量。因此，可旋转分析器/偏振器122允许检测衍射光的不同光谱分量。

然后光通过分束分离器106。接着光被第二透镜124聚焦到光谱仪126的入口狭缝。在另一个实施例中，物镜108可以用显微镜的物镜代替，并且还可以去除第二透镜124。光谱仪126可以是常规的CCD，PDA或类似类型的光谱仪，其将全部偏振光谱分散在检测器像素阵列上的光谱分量中。每个像素对应于不同的波长，因此光谱仪126产生作为传输到计算机136 的波长λ的函数的光谱仪信号S(λ)。同样的校正信号S(λ)的方式在本领域中是本领域技术人员可以了解的。因为可旋转分析器/偏振器122可以通过从0到360度的离散角度θ集合或连续角度θ集合来进行旋转，信号S(λ)也是角度的函数，因此得到S(λ，Θ)。

可以使用能够产生可见光以通过可移动反射镜132提供泛光照明的灯130来观看和对准样品。该泛光照明被反射镜128反射到图案识别系统134上。如果需要，图案识别系统134 可以耦合到计算机，以向计算机提供光栅结构114相对于可旋转分析器/偏振器122的取向的量度，以及用作样品高度的常规检测器。图案识别系统134向计算机136提供数据，而计算机136相应的调整样品台118的高度。

本实用新型的正入射反射计100的操作类似于现有技术的反射计，但是本实用新型还包括可旋转分析器/偏振器122和使用了一个相对旋转的样品，即光栅结构114和可旋转分析器 /偏振器122相对旋转。可旋转分析器/偏振器122和样品台118任意一个旋转，或者可旋转分析器/偏振器122和样品台118两者都旋转。因为正入射反射计100(例如分束分离器106 和光谱仪126)的分量具有偏振相关效率，所以进行多次校准，使得可旋转分析器/偏振器122 相对于光栅结构114的多个取向相对于某个任意的机器基准。另一方面，现有的反射计只需要一次校准，而不使用偏光片/分析仪。

图2是描述校准正入射反射计100的过程的流程图。应当理解，校准步骤不需要在每次测量中执行，而是仅周期性地例如每当光学元件的对准已经改变时进行。校准过程包括从光束路径取出样品，使得只有从光学元件反射的光到达光谱仪126(步骤200)。可旋转分析器/ 偏振器122跨越离散(或连续)的一组角度，例如0至360度或0至180度(步骤202)。在从0到360度的角度集合上，可旋转分析器/偏振器122的每个位置Θ处获取原始扫描S_B(λ，Θ)(步骤204)。反向反射扫描用于矫正内部反射。任何光谱仪扫描的组成部分是暗计数的减法，即用光源的光测量，以测量和校正电子背景噪声，这在本领域中是众所周知的。将非偏振(在正入射)的参考样品，例如具有天然氧化物的裸硅放置在样品台118上，并且例如使用图案识别系统134来调节样品台118高度(步骤206)。可旋转分析器/偏振器122在从0 到360度的角度(步骤208)中离散(或连续)的角度层叠，同时在可旋转分析器/偏振器122 的每个位置Θ处获取来自参考样本的原始扫描So(λ，Θ)(步骤210)。

因此，正入射反射计100的校准产生函数So(λ，Θ)。理想地，对于可旋转分析器/偏振器122相对于光栅结构114的连续定向，校准将被执行，但实际上，这可以以等距间隔的离散的角度(例如，相隔1到5度)进行。对于两个等间隔角度之间的角度的函数So(λ，Θ)将通过合适的内插方案(例如，三次样条)在基于波长的基础上计算。

在校正了正入射反射计100的情况下，可以获取采样数据。图3根据本实用新型的实施例的采集数据的处理的流程图。将偏振样品(例如具有光栅结构114的晶片116)放置在样品台118上，并且使用例如图案识别系统134调整样品台118的高度以进行聚焦(步骤252)。可旋转分析器/偏振器122在0到360度的离散(或连续)角度集合内旋转，或者，样品台 118旋转(步骤254)。并且在可旋转分析器/偏振器122的每个位置Θ处获取样品的原始扫描 Ss(λ，Θ)(步骤256)。然后计算可旋转分析器/偏振器122的每个位置的样本反射率Rs (λ，Θ)如下：

其中Ro(λ)是非偏振(在正入射)参考样品(例如，具有来自步骤206的自然氧化物的裸硅)的已知反射率。反射率Ro(λ)可以通过测量或通过咨询库来确定已知反射率，或从参考样品的已知厚度和光学常数进行计算。在Re中详细描述了确定绝对反射率的方法。在采集样本数据时，必须提取光谱信息。为此，有必要分析光学系统。在琼斯矩阵形式中，传播电磁波的平面的电场被表示为复值2×1矩阵(向量)。极化改变装置(例如光束分离器，衍射结构，偏振器等)的影响被表示为2×2复值变换矢量。光束分离器106朝向光谱仪126 离开的波的电场由下式给出：

其中，r_TM和r_TE分别是垂直于和平行于衍射结构线的偏振光的复值反射率，rs，rp和ts， tp分别是反射系数和透射系数的反射率系数和透射系数，在光束分离器处的电场矢量的极化或p偏振状态。矩阵如下：

这是坐标旋转一定角度，Φ，矩阵如下：

对应于可旋转分析器/偏振器122的偏振元件。简化上述等式如下：

其中β(Θ)＝r_Sa·cosΘ+r_Pb·sinΘ。

可测量的强度将与之成比例：

根据其幅度和相位写入反射率r_TM和r_TE，上述方程中的交叉项变为其中，Δ＝φ_TE-φ_TM是TE和TM反射率之间的相位差。在特殊情况下，当r_TM＝rTE＝r_O时，等式6简化为：

|F_O(φ，Θ)|²＝A⁴|β(Θ)|²·(|t_S cosΘ|²+|t_P sinΘ|²)·|r_O|² (公式7)

现在，我们已经知道或可测数量的等号的左边有这样的关系，而方程的右边是待确定的未知数。

左侧的量是样品的绝对反射率，R_S(λ，Θ)，其作为波长λ的函数和可旋转分析器/偏振器122相对于光栅结构114的角度Θ.确定绝对反射率的方法描述于细节在Re。

图4是提取光谱信息的过程的流程图。通过使用非线性回归分析(例如， Levenberg-Marquardt算法)将曲线拟合每个波长的函数RS(λ，Θ)来提取光谱信息到从公式8导出的随后的函数。

其中可调节参数即可测量值是φ，A，B和C，其指示所需的最小可旋转分析器/偏振器取向数为4(步骤272)。

应当理解，可以使用其他光谱信息提取方法，例如，公式2可以被反转并且直接计算参数。这是有利的，因为不需要迭代，但是可能具有一些有限的应用，例如，可能不能为所有功能提供准确的答案。特别地，可以在180度周期中以四个等间隔的角度δ，δ+π/4，δ+ π/2和δ+π/4获取数据，其中δ＝φ-Θ₁，Θ₁是第一个可旋转分析器/偏振器122的角度做出的替代：

x＝cos²(φ-Θ)；α＝A+B-C；β＝C-2B；γ＝B (公式10)

进入公式9以获得以下四个公式：

R_S1＝α·x₁²+β·x₁+γ： (公式11)

R_S2＝α·x₂²+β·x₂+γ (公式12)

R_S3＝α·x₃²+β·x₃+γ： (公式13)

R_S4＝α·x₄²+β·x₄+γ. (公式14)

注意x1，x2，x3，x4都是δ的函数，所以四个未知数是α，β，γ和δ。上述系统可以根据以下公式反转。

最后，A，B和C可以根据以下计算：

A＝α+β+γ；B＝γ；C＝β+2γ (公式19)

如图4所示，然后计算R_TE，R_TM和cosΔ(步骤274)，如下：

由于方程2的对称性，不知道公式20和公式21哪个是正确的。使用从制造过程获取的衍射结构的取向以及可旋转分析器/偏振器122的近似取向的知识(例如，由图案识别系统 134确定)来确定正确的等式。TM和TE定向总是相差90度。因此，可旋转分析器/偏振器 122的极化角度不需要以很高的精度，±20度应该是足够的。有两个分析仪角度Θ_TE和Θ_TE+ π，或当分析仪只能通过TM组件时，分析仪只能通过TE分量和两个分析仪角度Θ_TE±π/2。因为反射光束的电场可以被写为相对于衍射光栅的TE和TM分量的叠加，所以反射强度RS(λ) 将具有振荡变化，Θ在Θ_TE处达到极值，Θ_TE+π/2。TE和TM组分的绝对反射率分别标记为 R_TE(λ)和R_TM(λ)。特定极值对应于TE或TM光是否可以从样本取向和图案识别系统的知识中确定。任何偏振装置的近似取向可以由本领域技术人员测量或近似。

可以以绝对方式进行实际测量，其中可旋转分析器/偏振器122通过计算机136被驱动到 TM和TE位置，或以分析仪连续旋转的相对方式进行。

可以用于提取光谱信息的另一种方法是通过首先将晶片装载在样品台上，使衍射结构线大致平行于可旋转分析器/偏振器122的透射轴。然后，测量Θ的多个值的R_S(Θ)，例如从 -20度到+20度变化的5到20个值。绘制R_S(Θ)，并将此函数拟合为抛物线，将极值识别为Θ_TE。将可旋转分析器/偏振器122旋转到Θ＝Θ_TE，并测量R_S。这将被识别为R_TE。最后，将可旋转分析器/偏振器122旋转到Θ＝Θ_TE±π/4并测量R_S。这将被识别为R_TM。

有利地，因为正入射反射计100包括旋转元件，即可旋转分析器/偏振器122和/或样品台118，并且在正常入射下操作，所以光栅结构114的取向不影响测量的精度。光学元件总是与结构对齐。当与r-θ采样级相结合时，这是特别有利的。

图5是根据本实用新型的数据分析过程的流程图。数据分析可以例如由计算机136执行，计算机136使用适当的计算机指令执行计算机程序。如上文参照图1和2所述获取光谱数据，即R_TM(λ)，R_TE(λ)和cosΔ。图2,3和4(步骤302)。构建光学模型以模拟被测样品上的结构，并计算光谱数据(步骤304)。使用例如RCWA模型，使用诸如层厚度，光栅线宽，光栅的侧壁角度和模型中的材料的光学常数的可变参数来构造光学模型。

计算机136或与计算机136通信的另一计算机执行具有计算机指令的计算机程序，以使用如以下伪码描述的RCWA模型来计算模型频谱。对每个波长进行模型光谱的计算。计算的输入是模型中每个层的光学常数和厚度，以及模型中任何光栅层的所有光栅参数。

如图5所示，一旦计算出来自光学模型的数据，就评估测量数据与计算出的数据之间的匹配(步骤306)。可以使用测量和计算的数据之间的均方误差(MSE)来执行匹配的评估。如果测量的数据点被表示为ym(λ_I)，并将计算的数据点表示为yc(λ_I)，则MSE由下式给出：

其中N是数据点的总数，M是模型中可变参数的总数。请注意，如果测量和计算的数据相同，MSE值为零，并且MSE的值越小，测量和计算的数据之间的匹配越好。

假设MSE值不为零，则适当地调整光学模型中的可变参数的值(步骤308)，例如使用 Levenberg-Marquardt算法，并且使用光学模型和调整的参数重新计算光学数据值(步骤 310)。然后重新评估测量和计算的数据之间的匹配(步骤312)，以查看新的MSE是否小于先前的值。如果是这样，新参数值改善了测量和计算数据之间的拟合度。作出决定是否已经导出最佳拟合(步骤314)，其在调整模型中的值时确定不会进一步降低MSE的值。因此，如果没有实现最佳拟合，即拟合仍然改善(或更糟)，则处理返回到步骤308，其中可变参数的值被适当地调整。如果达到最佳拟合，则可变参数被报告为测量结果(步骤316)。

计算机136或与计算机136通信的另一计算机执行具有计算机指令的计算机程序以执行图3的处理。5，如以下伪码所述。应当理解，图1的过程的该部分图5包括使用RCWA模型的模型谱的计算。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。