專利名稱：一種納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米制造測量技術(shù)，具體涉及納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法及裝置，本 發(fā)明尤其適用于光刻、刻蝕以及納米壓印圖形中光柵結(jié)構(gòu)的線寬、深度、側(cè)墻角、線緣粗糙 度、線寬粗糙度等三維形貌參數(shù)的測量。
背景技術(shù)：
納米制造是指產(chǎn)品特征尺寸為納米量級(jí)的制造技術(shù)，即特征尺寸在IOOnm以內(nèi)的 制造技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)納米制造工藝的可操縱性、可預(yù)測性、可重復(fù)性和可擴(kuò)展性，保證基于 納米科技的產(chǎn)品滿足可靠性、一致性、經(jīng)濟(jì)性及規(guī)?；a(chǎn)等多方面的要求，在納米制造過 程中對(duì)納米結(jié)構(gòu)的三維形貌參數(shù)進(jìn)行快速、低成本、非破壞性的精確測量具有十分重要的 意義。這些三維形貌參數(shù)不僅包括特征線寬(即關(guān)鍵尺寸)、周期間距、高度、側(cè)壁角等輪廓 參數(shù)，而且包含線寬粗糙度(LWR)、線邊粗糙度(LER)等重要特征，在高深寬比納米結(jié)構(gòu)中 還包括側(cè)壁粗糙度(SWR)等信息。目前對(duì)納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)測量的主要手段是掃描電子顯微鏡(SEM)和原子 力顯微鏡(AFM)，其優(yōu)點(diǎn)是都可以滿足納米級(jí)尺寸的測量，但其顯著缺點(diǎn)是速度慢、成本高， 特別是難以集成到工藝線。與之相反，傳統(tǒng)光學(xué)測量方法具有速度快、成本低、無接觸、非破 壞和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而一直在先進(jìn)工藝監(jiān)測與優(yōu)化控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，如IC制 造中用于關(guān)鍵尺寸測量的光學(xué)散射儀(Scatterometry)技術(shù)。一種常用光學(xué)測量法光學(xué)散射法也稱為光學(xué)關(guān)鍵尺寸(OCD)測量法，其實(shí)質(zhì)是一 臺(tái)光譜橢偏儀，其基本原理是通過起偏器將特殊的橢圓偏振光投射到待測結(jié)構(gòu)(一般為周 期性結(jié)構(gòu))表面，通過測量待測結(jié)構(gòu)的零級(jí)衍射光(散射光)以獲得偏振光在反射前后的 偏振狀態(tài)變化(包括振幅比和相位差)，進(jìn)而從中提取出待測結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸等信息。在實(shí) 際應(yīng)用中，光譜橢偏測量多采用平面衍射(Planar Diffraction)，即入射平面與待測對(duì)象 的主截面平行，且入射角多選用Brewster角，這主要是基于兩方面考慮一是平面衍射下 的Jones矩陣為對(duì)角矩陣，可以直接通過橢偏儀測得；二是Brewster角是表征各向同性薄 膜材料的最佳入射角。然而，對(duì)于形如光柵或其它更為復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)而言，Brewster角并 不一定是最佳的入射角度。此外，當(dāng)入射平面與待測結(jié)構(gòu)的主截面成一夾角時(shí)，待測納米結(jié) 構(gòu)的衍射不再是平面衍射，而是錐形衍射(Conical Diffraction)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Jones矩陣 不再是對(duì)角矩陣，而是比平面衍射下的Jones矩陣包含了更多關(guān)于待測結(jié)構(gòu)的測量信息。 普通光譜橢偏儀只是測量入射光經(jīng)待測樣件反射后TE和TM偏振光的振幅比和相位差的改 變，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)中的粗糙度參數(shù)等不敏感。因此，普通光譜橢偏 儀只能用于納米結(jié)構(gòu)幾何特征尺寸如線寬、深度、側(cè)壁角等參數(shù)的測量，而對(duì)于納米結(jié)構(gòu)線 寬粗糙度、線緣粗糙度等形貌參數(shù)的測量無能為力，因而無法獲取納米結(jié)構(gòu)三維形貌信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法，該測量方法可以實(shí)現(xiàn)納米制造中的納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)的快速、非接觸、非破壞性的精確測量；本發(fā)明還提供了 實(shí)現(xiàn)該測量方法的裝置。本發(fā)明提供的納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步將波長為紫外到近紅外波段范圍的入射光束經(jīng)過光譜分光、起偏、前相位 補(bǔ)償后，得到橢圓偏振光束，投射到包含納米結(jié)構(gòu)的待測結(jié)構(gòu)表面；第2步橢圓偏振光束經(jīng)樣件表面反射后，再經(jīng)過后相位補(bǔ)償、檢偏后利用探測器 檢測得到零級(jí)衍射；通過連續(xù)調(diào)節(jié)前相位補(bǔ)償和后相位補(bǔ)償，從而改變?nèi)肷錂E圓偏振光束 偏振態(tài)，測量得到不同偏振態(tài)下的零級(jí)衍射光強(qiáng)；第3步利用第2步測量得到的零級(jí)衍射光強(qiáng)，計(jì)算得到納米結(jié)構(gòu)的測量穆勒矩 陣；第4步改變?nèi)肷涔馐娜肷浣呛头轿唤?，重?fù)第1步 第3步，得到不同入射角和 方位角配置的測量穆勒矩陣；第5步仿真計(jì)算被測納米結(jié)構(gòu)的理論穆勒矩陣；第6步利用第5步得到的理論穆勒矩陣，對(duì)不同參數(shù)下的被測納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真 分析，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的理論穆勒矩陣，通過傅里葉幅度靈敏度檢驗(yàn)擴(kuò)展法進(jìn)行全局靈敏度分 析，對(duì)測量條件及輸入?yún)?shù)進(jìn)行采樣計(jì)算，獲得測量條件變化時(shí)，理論穆勒矩陣的輸出結(jié)果 對(duì)輸入?yún)?shù)的一次靈敏度及集總靈敏度；通過對(duì)比不同采樣方案下的靈敏度值，找出靈敏 度值最高的測量條件，實(shí)現(xiàn)測量條件的最優(yōu)化配置；在測量條件的最優(yōu)化配置下，再采用上述傅里葉幅度靈敏度檢驗(yàn)擴(kuò)展法，計(jì)算并 分析在上述測量條件下，理論穆勒矩陣的輸出結(jié)果對(duì)被測納米結(jié)構(gòu)各形貌參數(shù)的靈敏度 值，從中選出對(duì)各形貌參數(shù)變化最為靈敏的穆勒矩陣元素；第7步將測量得到的穆勒矩陣元素與對(duì)各形貌參數(shù)變化最為靈敏的穆勒矩陣元 素進(jìn)行匹配，從而提取出待測納米級(jí)結(jié)構(gòu)的形貌參數(shù)值。實(shí)現(xiàn)上述納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法的裝置，其特征在于，該裝置包括氙燈光源， 光柵光譜儀，離軸拋物鏡，起偏器，第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，匯聚透鏡，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，準(zhǔn)直透鏡，第二 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，檢偏器，離軸拋物鏡，光纖耦合器，光纖，探測器，CCD,起偏臂，檢偏臂，計(jì)算機(jī)， 角度計(jì)；氙燈光源、光柵光譜儀、離軸拋物鏡、起偏器、第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、匯聚透鏡依次位于 同一光路上，并固定在起偏臂上；準(zhǔn)直透鏡、第二旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、檢偏器、離焦拋物鏡和光纖耦 合器依次位于同一光路上，并固定在檢偏臂上；起偏臂和檢偏臂以相同的傾角對(duì)稱布置于 角度計(jì)上；匯聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡對(duì)稱布置，且二者的焦距位置位于同一點(diǎn)，用于放置納米結(jié) 構(gòu)樣件的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)位于匯聚透鏡的焦距位置；探測器和CCD通過光纖與光纖耦合器相 連；探測器和CCD與計(jì)算機(jī)相連。本發(fā)明提供的一種基于穆勒矩陣測量的納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法，是在傳統(tǒng)光 譜橢偏儀的基礎(chǔ)上，引入穆勒矩陣法描述待測結(jié)構(gòu)在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸特性。該方法 通過測量在不同方位角入射情況下的4X4穆勒矩陣，相比傳統(tǒng)光譜橢偏儀所采用的瓊斯 矩陣法，穆勒矩陣包含了更多的待測結(jié)構(gòu)的信息，因而，充分利用穆勒矩陣中包含的信息可 以滿足不同納米結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量需求。該方法通過入射角、方位角以及入射光波長 的優(yōu)化配置，可以針對(duì)各待測參數(shù)，特別是針對(duì)LER和LWR等粗糙度參數(shù)可以獲得更高的光譜靈敏度，因而可以提供更完整的納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)信息。本發(fā)明為促進(jìn)傳統(tǒng)光學(xué)測 量技術(shù)在納米制造技術(shù)領(lǐng)域中的擴(kuò)展應(yīng)用提供了一種新途徑。與現(xiàn)有的測量方法相比，本發(fā)明所提供的方法可以實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)中更完整三維形 貌參數(shù)，特別是傳統(tǒng)測量方法所不敏感的結(jié)構(gòu)側(cè)壁粗糙度的測量?？蓪?shí)現(xiàn)基于圖形轉(zhuǎn)移的 批量制造方法如光刻和納米壓印等工藝中所涉及的一維和二維亞波長周期性結(jié)構(gòu)幾何形 貌參數(shù)的快速、高精度測量，在納米制造測量及工藝控制領(lǐng)域?qū)?huì)有廣泛的應(yīng)用前景。具體 而言，本發(fā)明可以在光刻圖形測量中獲得如下效果(1)可實(shí)現(xiàn)光刻、刻蝕、納米壓印等過程中所涉及的一維和二維溝槽陣列結(jié)構(gòu)的幾 何形貌參數(shù)，如溝槽線寬、深度、周期長度、側(cè)壁角、線緣粗糙度和線寬粗糙度等的測量；(2)可實(shí)現(xiàn)微模塑工藝過程中所涉及的聚合物纖維陣列結(jié)構(gòu)幾何形貌參數(shù)，如纖 維陣列結(jié)構(gòu)寬度、高度、周期長度、側(cè)壁粗糙度等的測量。


圖1典型納米結(jié)構(gòu)形貌示意圖；圖2穆勒矩陣偏振測量原理圖；圖3是本發(fā)明一實(shí)施案例裝置系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明方法的原理和工作過程作進(jìn)一步詳細(xì)說明(1)波長為紫外到近紅外波段范圍的入射光束經(jīng)過光譜分光、起偏、前相位補(bǔ)償 后，得到橢圓偏振光束，投射到包含納米結(jié)構(gòu)的待測結(jié)構(gòu)表面。入射光束波長可根據(jù)待測結(jié)構(gòu)幾何特征尺度選擇紫外、可見光、近紅外波段或其 組合。以光刻工藝中一維圖形陣列結(jié)構(gòu)測量過程為例，一維圖形陣列結(jié)構(gòu)及形貌參數(shù)如圖 1所示。一維圖形陣列結(jié)構(gòu)待測形貌參數(shù)包括線寬D，周期P，深度H，側(cè)壁角Φρ Φ2，線邊 粗糙度LER，線寬粗糙度LWR。其中，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)將線邊粗糙度與線寬粗 糙度分別定義為空域范圍內(nèi)線寬變化偏差的3 σ值以及側(cè)壁相對(duì)于其理想位置偏差的3 σ 值。入射光束投射到樣件表面的入射角為θ，方位角為V，如圖2所示。入射角θ取值范 圍為20 90°，方位角Ψ取值范圍為0 90°。(2)橢圓偏振光束經(jīng)樣件表面反射后，再經(jīng)過后相位補(bǔ)償、檢偏后利用探測器檢測 得到零級(jí)衍射；通過連續(xù)調(diào)節(jié)前相位補(bǔ)償和后相位補(bǔ)償。從而改變?nèi)肷錂E圓偏振光束偏振 態(tài)，測量得到不同偏振態(tài)下的零級(jí)衍射光強(qiáng)。(3)利用步驟(2)測量得到的零級(jí)衍射光強(qiáng)，計(jì)算得到納米結(jié)構(gòu)測量穆勒矩陣Mm。對(duì)于光譜數(shù)據(jù)的采樣，首先根據(jù)反射光束S。ut與入射光束所對(duì)應(yīng)的斯托克斯 (Stokes)向量Sin，Sin之間的關(guān)系表達(dá)式Sout = MaR ( θ A) R (- θ C2) Mc2R ( θ C2) MsR (- θ C1) MciR ( θ C1) R (- θ p) MpR ( θ P) Sin (1)可以得到光強(qiáng)信號(hào)I的時(shí)域表達(dá)式I = I0 (K1+ [c2cos2 θ A+s2cos (4 θ C2_2 θ Α) ] K2(2)+ [c2sin2 θ A+s2sin (4 θ C2_2 θ Α) ] K3- [sin δ 2sin (2 θ C2-2 θ Α) ] Kj 其中，Μα，Mc2, Ms, Mci, Mp分別表示檢偏器，后相位補(bǔ)償器，樣件，前相位補(bǔ)償器，以及 起偏器對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣；θ ρ θε2, θα，θ ρ分別表示檢偏器，后相位補(bǔ)償器，前相位補(bǔ)償器， 樣件、起偏器所對(duì)應(yīng)的相位角；R(')表示旋轉(zhuǎn)矩陣;Ci = COS2(Si^)jSi = Sin2 ( δ ,/2)及 Kj均為中間變量，Mjk為樣件對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣中的元素(i = 1,2 ； j, k = 1,2,3,4) ； S1和 δ2分別表示前相位補(bǔ)償和后相位補(bǔ)償?shù)南辔谎舆t。由光強(qiáng)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可知，穆勒矩陣中的元素與光強(qiáng)信號(hào)的傅里葉系數(shù)是對(duì) 應(yīng)的。因此，在對(duì)測量光譜進(jìn)行采樣后，可以首先對(duì)探測器接收到的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉分 析，然后再從傅里葉系數(shù)中推導(dǎo)得出對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣元素，即得到測量穆勒矩陣Mm。(4)改變?nèi)肷涔馐肷浣呛头轿唤?，如圖3所示，重復(fù)步驟(1) (3)得到不同入 射角和方位角配置的測量穆勒矩陣I。(5)仿真計(jì)算被測納米結(jié)構(gòu)的理論穆勒矩陣Mt。對(duì)不同類型的納米結(jié)構(gòu)采用不同的理論模型進(jìn)行仿真計(jì)算。如圖1所示，本發(fā)明 以一維圖形結(jié)構(gòu)為例，說明納米結(jié)構(gòu)的理論穆勒矩陣的建模求解過程。對(duì)于二維圖形結(jié)構(gòu) 的理論建模步驟，只是在stepl 中采用二維錐形衍射嚴(yán)格耦合波理論(Rigorous coupled wave theory, RCWT)計(jì)算二維圖形結(jié)構(gòu)零級(jí)衍射光對(duì)應(yīng)的瓊斯(Jones)矩陣。Stepl 假定波長λ為250 IOOOnm的橢圓偏振光束以入射角θ和方位角ψ投 射到樣件表面，運(yùn)用一維錐形衍射嚴(yán)格耦合波理論計(jì)算一維圖形結(jié)構(gòu)零級(jí)衍射光對(duì)應(yīng)的瓊 斯矩陣 式(1)中，J11, J12，J21，J22均為復(fù)數(shù)，難以通過實(shí)驗(yàn)直接測得。St印2 求得瓊斯矩陣之后，根據(jù)瓊斯矩陣與穆勒矩陣之間的關(guān)系式(4)計(jì)算-
圖形結(jié)構(gòu)零級(jí)衍射光對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣。
β
1
Mt =
ljju\2M2\2+\jn\2M,\
I^j2-U,
I2+UJ2-U1
U
_
r121
22
1Mil2Mi
R今
Iii{J
2"
U1
Ψ22 -\Jn\ "4
/ \ / * * ‘
22
Jll J21+Ju J2^
IniJll J21^J12 J22^
ι4
^QkJllJ2l-JuJ22i ψ ψ
κ ι4
\ / * * 22^12^IlT^-2 J22 +JuJ2i
(5)式⑵中，Re( ·)與Im( ·)分別表示復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。由(2)式所求穆勒矩 陣Mt是一個(gè)4X4階的矩陣，矩陣中的16個(gè)參數(shù)全部都是實(shí)數(shù)。(6)采用步驟(5)相同的理論建模，對(duì)不同參數(shù)(即不同入射角和方位角)下的 被測納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到其對(duì)應(yīng)的理論穆勒矩陣Mt,通過傅里葉幅度靈敏度檢驗(yàn) ΓΜ^ (extended Fourier amplitude sensitivity test, EFAST) ^J^t^^Wi^MiT, 對(duì)測量條件(波長λ，入射角θ和方位角ψ)及輸入?yún)?shù)(待測納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)) 進(jìn)行采樣計(jì)算，獲得測量條件變化時(shí)，理論穆勒矩陣中Mt的16個(gè)輸出結(jié)果對(duì)輸入?yún)?shù)的一
6次靈敏度及集總靈敏度。通過對(duì)比不同采樣方案下的靈敏度值，找出靈敏度值最高的測量 條件，實(shí)現(xiàn)測量條件的最優(yōu)化配置。在測量條件最優(yōu)化配置下，進(jìn)一步采用上述的傅里葉幅度靈敏度檢驗(yàn)擴(kuò)展法，計(jì) 算并分析在上述測量條件下，4X4階Mt矩陣中的16個(gè)輸出結(jié)果對(duì)被測納米結(jié)構(gòu)各形貌參 數(shù)的靈敏度值，從中選出對(duì)各形貌參數(shù)變化最為靈敏的穆勒矩陣元素，用于步驟(7)中待 測納米結(jié)構(gòu)形貌參數(shù)值的提取。(7)將測量得到的穆勒矩陣元素與根據(jù)步驟(5) (6)中所述方法計(jì)算得到的對(duì) 待測納米結(jié)構(gòu)各納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)變化最為靈敏的穆勒矩陣元素進(jìn)行匹配，從而提取 出待測納米級(jí)結(jié)構(gòu)的形貌參數(shù)值。納米級(jí)尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)提取是一個(gè)典型的數(shù)學(xué)反演問題，本發(fā)明運(yùn)用了基于迭代優(yōu) 化的參數(shù)提取方法。基于迭代優(yōu)化的參數(shù)提取方法步驟如下Stepl 根據(jù)有關(guān)待測結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)，預(yù)先估計(jì)一組形貌參數(shù)值作為初始迭代 值，并將其作為輸入值；St印2 采用步驟(5)相同的方式，利用輸入值計(jì)算對(duì)應(yīng)的理論穆勒矩陣，將理論 穆勒矩陣元素與測量得到的穆勒矩陣元素進(jìn)行匹配，若匹配評(píng)價(jià)函數(shù)值小于或等于設(shè)定閾 值，則該理論穆勒矩陣所對(duì)應(yīng)的形貌參數(shù)即為待測結(jié)構(gòu)形貌參數(shù)值，進(jìn)入步驟Step4 ；若評(píng) 價(jià)函數(shù)值大于設(shè)定閾值，進(jìn)入St印3 ；評(píng)價(jià)函數(shù)D (P)如式(6)所示 式(6)中，mT和m。分別為對(duì)待測結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)最為靈敏的理論穆勒矩陣元素和 測量穆勒矩陣元素，η表示矩陣元素所對(duì)應(yīng)光譜采樣點(diǎn)數(shù)，i表示采樣點(diǎn)序號(hào)，λ i表示第i 個(gè)采樣點(diǎn)波長，mTUi)和HieUi)對(duì)應(yīng)在波長范圍內(nèi)采樣的離散光譜值。閾值設(shè)定可根據(jù)可容許的迭代優(yōu)化時(shí)間和匹配精度折中選擇，一般來說，閾值設(shè) 定越小，迭代優(yōu)化時(shí)間越長，匹配求解精度越高，閾值設(shè)定越大，迭代優(yōu)化時(shí)間越短，匹配求 解精度越低，閾值通設(shè)定范圍為10_4 10,。St印3 采用優(yōu)化算法得到一組新的迭代值， 作為新的輸入值，轉(zhuǎn)入St印2;本發(fā)明可以采用各種優(yōu)化算法，如模擬退火算法等。St印4 結(jié)束。如圖3所示，本發(fā)明裝置包括氙燈光源41，光柵光譜儀42，離軸拋物鏡43，起偏器 44，第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器45，匯聚透鏡46，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)49，準(zhǔn)直透鏡50，第二旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器51，檢偏 器52，離軸拋物鏡53，光纖耦合器55，光纖56，探測器57，(XD58，起偏臂47，檢偏臂54，計(jì) 算機(jī)59，角度計(jì)60。氙燈光源41、光柵光譜儀42、離軸拋物鏡43、起偏器44、第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器45、匯聚 透鏡46依次位于同一光路上，并固定在起偏臂47上；準(zhǔn)直透鏡50、第二旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器51、檢 偏器52、離焦拋物鏡53和光纖耦合器55依次位于同一光路上，并固定在檢偏臂54上；起 偏臂47和檢偏臂54以相同的傾角對(duì)稱布置于角度計(jì)60上；匯聚透鏡46和準(zhǔn)直透鏡50對(duì) 稱布置，且二者的焦距位置位于同一點(diǎn)，用于放置納米結(jié)構(gòu)樣件48的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)49位于匯 聚透鏡46的焦距位置；49為X-Y-Z-Theta旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，探測器57和CCD58通過光纖56與光纖耦合器55相連；探測器57和(XD58與計(jì)算機(jī)59相連。系統(tǒng)裝置操作步驟如下A、將包含納米結(jié)構(gòu)樣件48置于納米旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)49上。B、將氙燈光源41發(fā)出的光束分別經(jīng)濾光片光柵光譜儀42分光后，再經(jīng)離軸拋物 鏡43準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的平行光束由起偏器44起偏，第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器41偏振片調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后 的橢圓偏振光束由匯聚透鏡46匯聚得到微光斑，并投射到包含納米結(jié)構(gòu)樣件表面，橢圓偏 振光束波長為400250 lOOOnm。C、投射光束經(jīng)納米結(jié)構(gòu)樣件表面反射后，反射光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的平 行光束由第二旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器51調(diào)制，檢偏器52檢偏后，平行光束右離軸拋物鏡匯聚后進(jìn)入光 纖耦合器55，再由光纖傳送到探測器57或CCD58，采集得到納米結(jié)構(gòu)樣件表面反射信號(hào)并 傳送到計(jì)算機(jī)59，由步驟(3)所描述的方法計(jì)算得到測量穆勒矩陣。D、分別通過角度計(jì)調(diào)整入射臂和出射臂的傾角，即改變?nèi)肷浣?，通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 旋轉(zhuǎn)改變方位角，并采集納米結(jié)構(gòu)表面反射信號(hào)并計(jì)算得到對(duì)應(yīng)位置的測量穆勒矩陣。E、根據(jù)步驟(7)中所描述的參數(shù)提取方法，從測量穆勒矩陣中提取得到待測納米 級(jí)尺寸結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)值。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步將波長為紫外到近紅外波段范圍的入射光束經(jīng)過光譜分光、起偏、前相位補(bǔ)償后，得到橢圓偏振光束，投射到包含納米結(jié)構(gòu)的待測結(jié)構(gòu)表面；第2步橢圓偏振光束經(jīng)樣件表面反射后，再經(jīng)過后相位補(bǔ)償、檢偏后利用探測器檢測得到零級(jí)衍射；通過連續(xù)調(diào)節(jié)前相位補(bǔ)償和后相位補(bǔ)償，從而改變?nèi)肷錂E圓偏振光束偏振態(tài)，測量得到不同偏振態(tài)下的零級(jí)衍射光強(qiáng)；第3步利用第2步測量得到的零級(jí)衍射光強(qiáng)，計(jì)算得到納米結(jié)構(gòu)的測量穆勒矩陣；第4步改變?nèi)肷涔馐娜肷浣呛头轿唤?，重?fù)第1步～第3步，得到不同入射角和方位角配置的測量穆勒矩陣；第5步仿真計(jì)算被測納米結(jié)構(gòu)的理論穆勒矩陣；第6步利用第5步得到的理論穆勒矩陣，對(duì)不同參數(shù)下的被測納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的理論穆勒矩陣，通過傅里葉幅度靈敏度檢驗(yàn)擴(kuò)展法進(jìn)行全局靈敏度分析，對(duì)測量條件及輸入?yún)?shù)進(jìn)行采樣計(jì)算，獲得測量條件變化時(shí)，理論穆勒矩陣的輸出結(jié)果對(duì)輸入?yún)?shù)的一次靈敏度及集總靈敏度；通過對(duì)比不同采樣方案下的靈敏度值，找出靈敏度值最高的測量條件，實(shí)現(xiàn)測量條件的最優(yōu)化配置；在測量條件的最優(yōu)化配置下，再采用上述傅里葉幅度靈敏度檢驗(yàn)擴(kuò)展法，計(jì)算并分析在上述測量條件下，理論穆勒矩陣的輸出結(jié)果對(duì)被測納米結(jié)構(gòu)各形貌參數(shù)的靈敏度值，從中選出對(duì)各形貌參數(shù)變化最為靈敏的穆勒矩陣元素；第7步將測量得到的穆勒矩陣元素與對(duì)各形貌參數(shù)變化最為靈敏的穆勒矩陣元素進(jìn)行匹配，從而提取出待測納米級(jí)結(jié)構(gòu)的形貌參數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法，其特征在于，第1步中，設(shè)入 射光束投射到待測納米結(jié)構(gòu)表面的入射角取值范圍為20 90°，方位角取值范圍為0 90°。
3.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法的裝置，其特征在于，該裝 置包括氙燈光源(41)，光柵光譜儀(42)，離軸拋物鏡(43)，起偏器(44)，第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器 (45)，匯聚透鏡(46)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(49)，準(zhǔn)直透鏡(50)，第二旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(51)，檢偏器(52)， 離軸拋物鏡(53)，光纖耦合器(55)，光纖(56)，探測器(57)，CCD (58)，起偏臂(47)，檢偏臂 (54)，計(jì)算機(jī)(59)，角度計(jì)(60)；氙燈光源(41)、光柵光譜儀(42)、離軸拋物鏡(43)、起偏器(44)、第一旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器 (45)、匯聚透鏡(46)依次位于同一光路上，并固定在起偏臂(47)上；準(zhǔn)直透鏡(50)、第二 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(51)、檢偏器(52)、離焦拋物鏡(53)和光纖耦合器(55)依次位于同一光路 上，并固定在檢偏臂(54)上；起偏臂(47)和檢偏臂(54)以相同的傾角對(duì)稱布置于角度計(jì) (60)上；匯聚透鏡(46)和準(zhǔn)直透鏡(50)對(duì)稱布置，且二者的焦距位置位于同一點(diǎn)，用于放 置納米結(jié)構(gòu)樣件(48)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(49)位于匯聚透鏡(46)的焦距位置；探測器(57)和 CCD (58)通過光纖(56)與光纖耦合器(55)相連；探測器(57)和CCD (58)與計(jì)算機(jī)(59)相 連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米結(jié)構(gòu)三維形貌測量方法及其裝置，可以同時(shí)測量納米結(jié)構(gòu)線寬、深度、側(cè)墻角、線緣粗糙度、線寬粗糙度等三維形貌參數(shù)的方法及裝置。本發(fā)明方法步驟如下將波長為紫外到近紅外波段的光束經(jīng)分光、起偏、前后相位補(bǔ)償?shù)玫降臋E圓偏振光投射到待測；采集待測結(jié)構(gòu)表面反射零級(jí)衍射信號(hào)，計(jì)算得到納米結(jié)構(gòu)測量穆勒矩陣；將測量穆勒矩陣與理論穆勒矩陣進(jìn)行匹配，提取得到待測納米尺寸結(jié)構(gòu)的三維形貌參數(shù)值。本發(fā)明所提供的納米結(jié)構(gòu)三維形貌參數(shù)測量裝置，能為基于圖形轉(zhuǎn)移的批量制造方法如光刻和納米壓印等工藝中所涉及的一維和二維亞波長周期性結(jié)構(gòu)，提供一種非接觸、非破壞性、低成本、快速測量手段。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101881599SQ20101022310
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者劉世元, 張傳維, 陳修國 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)