一种光刻胶曝光过程动态形貌原位高速测量装置及方法

本发明属于偏振光学测量相关，涉及一种光刻胶曝光过程动态形貌原位高速测量装置及方法，更具体地，涉及一种结合高速穆勒椭偏测量技术实现光刻胶曝光过程在线原位测量的动态测量装置及方法。

背景技术：

1、芯片技术，是21世纪全球最先进生产力的集大成者，光刻工艺可简单分为旋涂、曝光、显影、刻蚀几个环节，而光刻胶的曝光过程无疑是其中极为重要的一环，显著影响着整个芯片生产过程的良率。光刻胶在受到紫外光照射后，其内部的光敏剂分子会吸收光子的能量而转化为其它物质，并在宏观上使光刻胶整体的光学特性与几何形貌随着曝光反应的进程而发生变化，然而由于这一反应过程十分迅速，且表征实验对测量精度要求很高，目前对这方面的研究还十分匮乏。对光刻胶在曝光过程中的性质变化过程的动态测量表征，不仅为改进光刻工艺提供直接的理论依据，有助于进一步完善光刻工艺，而且对进一步研究与改善光刻胶的性能也具有十分重要的意义。

2、椭偏测量技术是一种精确表征薄膜材料的无损光学测量技术，将光刻胶制备成薄膜后，这一步骤也类似于芯片实际生产中的旋涂过程，就可以通过椭偏测量技术测得光刻胶薄膜的几何参数与光学特性。然而在实际生产过程中，光刻胶的曝光过程耗时很短，在紫外波段曝光一般只需3～5s，在深紫外和极紫外波段曝光时间更短，现有的椭偏仪的时间分辨率通常在数秒量级，难以满足光刻胶曝光过程测量对高时间分辨率的要求，其结构也不能实现光刻胶曝光过程的在线原位测量。

技术实现思路

1、针对光刻胶曝光过程动态测量对高时间分辨率的需求以及现有测量装置的不足之处，本发明提供了一种光刻胶曝光过程动态形貌原位高速测量装置及方法，其目的在于，实现光刻胶样本的高时间分辨率的穆勒矩阵测量，以记录并分析其几何形貌与光学特性在曝光过程中的变化。

2、为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光刻胶曝光过程动态形貌原位高速测量装置，用于测量光刻胶样本，包括测量光路单元和曝光光路单元；

3、所述测量光路单元包括入射光路、反射光路和数据采集仪；所述入射光路发出的入射光经由所述光刻胶样本反射形成的反射光进入所述反射光路；所述入射光路包括依次布置的测量光源、起偏器和两个光弹调制器；所述反射光路包括两个非偏振分束器、三个偏振分束器和六个光电倍增管，所述反射光经所述两个非偏振分束器分为三束光，一一对应进入所述三个偏振分束器后一分为二获得总共六路出射光；六路出射光分别经六个光电倍增管转换为电信号后输入数据采集仪；

4、所述曝光光路单元包括依次布置的曝光光源、透镜组掩模、非偏振分束器和物镜；

5、测量光源和起偏器之间、透镜组和掩模之间各设有一个电子快门，两个电子快门同步控制；测量时，物镜的出射光在光刻胶样本表面形成的曝光光斑范围完全覆盖入射光路在光刻胶样本表面形成的光斑。

6、进一步地，所述透镜组包括前透镜和后透镜，的前透镜的后焦面与后透镜的前焦面重合形成共焦面，共焦面上设置一小孔光阑。

7、进一步地，所述掩模用于控制光斑的形状和大小。

8、按照本发明的另一个方面，提供了一种光刻胶曝光过程动态形貌原位高速测量方法，基于如前任一项所述的光刻胶曝光过程动态形貌原位高速测量装置实现，包括以下步骤：

9、s1：在反射模式下，对测量光源进行调制，形成不同偏振态的测量光；

10、s2：开启测量光源，调整标准样件的高度和角度，使测量光从标准样件中心反射后进入到反射光路，能够被六个光电倍增管采集到光强信号；

11、开启曝光光源，调整曝光光斑大小，确保曝光光斑中心与测量光斑中心处于同一位置，且曝光光斑所在区域完全包含测量光斑所在区域；

12、s3：将标准样件更换为为待测的光刻胶样本，通过两个电子快门同步触发，使原位测量与曝光反应同时进行，实时记录样品表面形貌变化与紫外反射光强iref(t)，并通过六个光电倍增管采集到的光强信息得到测量光强矩阵bexp；

13、s4：根据两个光弹相位调制器的具体工作参数，计算得到理论光强矩阵bmod，通过最小二乘法拟合测量光强矩阵bexp与理论光强矩阵bmod，得到携带光刻胶曝光过程中变化信息的完整动态穆勒矩阵，从而提取光刻胶样本曝光过程中的动态形貌和光学特性信息。

14、进一步地，步骤s1中对测量光源进行调制的方法包括：在反射模式下，同时开启两个光弹相位调制器，使起偏器和两个光弹相位调制器的光轴保持在一个相对角度，并在两个光弹调制器上设置不同的驱动电压，使两个光弹调制器分别具有不同的频率。

15、进一步地，步骤s4中，理论光强矩阵bmod的计算方法如下：

16、ti时刻入射光的斯托克斯向量有如下形式：

17、

18、其中，起偏器的方位角与穆勒矩阵分别表示为θp和mp，光弹相位调制器的方位角与穆勒矩阵分别表示为θpem和mpem；δpem表示光弹相位延迟量，对于任意时刻t，其表达式为：

19、

20、其中，δpeak为光弹相位调制器的峰值相位延迟量，δstatic为光弹相位调制器的静态相位延迟量，f为频率，为初相位；此外r代表坐标旋转矩阵，m代表元件的穆勒矩阵，r和m的矩阵形式为：

21、

22、m11～m44为穆勒矩阵元素；

23、起偏臂的调制矩阵w是由不同时刻入射光的斯托克斯向量s(ti)组合而成，其形式为：

24、w＝[s(t1),s(t2),...,s(tn)]   (4)

25、其中，n为正整数，表示时间序列长度，通过将起偏臂的4×n调制矩阵w、光刻胶样本的4×4穆勒矩阵ms和检偏系统的6×4检偏矩阵a依序级联形成，得到测量系统的理论光强矩阵bmod如下：

26、bmod＝[b(t1),b(t2),…,b(tn)]＝amsw   (5)

27、其中，b(ti)表示ti时刻六个光电倍增管测量得到的光强组成的列向量；

28、最小二乘法拟合bexp与bmod的公式为：

29、

30、进一步地，步骤s4中，对于具有一维周期性曝光图案的光刻胶样本，将光刻胶样本的理论穆勒矩阵mmod和测量穆勒矩阵mexp进行反演拟合从而提取光刻胶样本曝光过程中的动态形貌，具体地：

31、通过严格耦合波分析法，分别在入射光电场矢量einc与入射面之间的夹角α＝90°和α＝0°情况下进行计算，求得零级衍射波的复振幅系数rs和rp，并进一步计算出光刻胶样本的琼斯矩阵j:

32、

33、其中，i为虚数单位，α＝0°：rpp＝rs，rps＝1i×rp；

34、α＝90°：rsp＝rs，rss＝1i×rp；

35、在不考虑退偏效应时，光刻胶样本对应理论穆勒矩阵mmod与琼斯矩阵j关系为：

36、

37、其中表示克罗内克积，j*为矩阵j的复共轭矩阵，矩阵at为：

38、

39、其中，矩阵at中的i为虚数单位；

40、在方位角ψ不为0时，由公式(8)求得理论穆勒矩阵mmod为：

41、

42、其中re和im分别表示复数的实部和虚部，*表示对复数元素取共轭；对光刻胶样本的理论穆勒矩阵mmod和测量穆勒矩阵mexp进行反演拟合，拟合公式为：

43、

44、x1、x2、x3分别表示光刻胶样本上一维周期性曝光图案的顶部线宽、侧壁角和线高；

45、在每个测量时刻ti都采用公式(10)对样本测量穆勒矩阵mexp和理论穆勒矩阵mmod进行拟合，求得待定参数x1(t)、x2(t)、x3(t)，得到光刻胶样本在曝光过程中形成的一维周期性结构的顶部线宽、侧壁角和线高的动态变化过程。

46、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

47、(1)本发明所述的测量装置最高可以以微秒量级的时间分辨率，对光刻胶曝光过程进行原位实时测量，能够获得包含样本几何形貌与光学特性信息的完整穆勒矩阵。

48、(2)本发明提出的装置结构简单，配置可调，具有丰富的可扩展性，本发明根据测量光强并结合测量系统光学模型，提取出样本的测量穆勒矩阵，可设置多种实验条件进行测量实验，满足不同的应用场景和测量需求。