[发明专利]用于计算光源入射到介质的散射电磁场分布的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于计算光源入射到介质的散射电磁场分布的方法，具体涉及半导体制造工艺中的光学成像缺陷检测。

背景技术

半导体芯片生产工艺过程中成品率的管理是一个极其重要的部分.成品率的管理需要使用一系列的检测和测量设备，其中缺陷检测是最重要的一部分，占据了检测和测量设备市场的主要部分。随着集成电路设计规则(电路尺寸)的不断缩小，对硅片的缺陷检测变得越来越困难。和测量设备的应用不一样，缺陷检测设备必须对全硅片通过扫描的方式进行完整全面地检测，尽可能检测出所有硅片在工艺过程中所产生的缺陷，包括系统缺陷，例如由工艺窗口参数变化所造成的短路或开路缺陷，和随机缺陷，例如随机尘粒或化学工艺过程中的试剂残留物，然后统计所有检测到的缺陷总数量，以及缺陷密度(位置)分布图记录入数据库。利用检测到的缺陷的信息，芯片生产工程师可以及早发现工艺生产中发生的问题，减少随后的生产过程当中的缺陷可能，从而提高生产成品率。由于这种缺陷检测的检测过程中会产生大量的图像数据，目前只有光学缺陷检测的方法能够满足实际工艺制造过程的吞吐量的要求。

随着硅片尺寸的不断增大，电路的光学特征尺寸越来越小，光学检测系统分辨率越来越受到限制，而且微小缺陷的信号变得非常微弱，信噪比(SNR)比较小。增强缺陷检测灵敏度的关键是提高光学分辨率和从小信噪比的检测数据中分离出微小缺陷的信号。在光学上，分辨率与λ/(2NA)成比例，λ为波长，NA是光学系统的数值孔径。波长越短，数值孔径越大，能分辨的距离越小，光学分辨率越好。因此，现代先进的缺陷检测仪器中为了提高分辨率，需要使用更短的光源波长和使用宽光谱高数值孔径(NA)，大视场的光学透镜。为了从小信噪比的检测数据中分离出微小缺陷的信号，通常使用紫外光谱(UV)和可见光谱(Vis)的宽带组合光源。为了增强缺陷信号强度，提高信噪比，需要通过对入射光束有针对性的控制和对散射场作有针对性的选择滤波来实现优化。图1a为一对分别用于照明和成像的光阑示例(黑色部分表示光是不能通过的，白色部分表示光是能通过的)。图1b为通过图1a所示光阑的Littrow-Mounting光束(“*”是通过照明光阑的入射光束，“+”是通过成像光阑的散射光束)。

因此半导体芯片生产工业需要能精确模拟以上各种手段对光学缺陷检测系统用于检测各种不同的电路图形结构经过不同制造工艺带来的影响和有效性，尤其是最终所得到缺陷的光学成像，包括计算在许多不同波长下的成像。随着半导体制造工业的发展，电路的光学特征尺寸只有光波长的几分之一，传统的基于标量和垂直入射的近似光学成像法已不适用，需要直接使用精确求解Maxwell方程的矢量法。同时，因为是模拟一个宽带光谱和高数值孔径(NA)的大视场光学成像系统，需要一个高速和有效的并行计算算法。

周期性介质光散射的数值仿真计算代表性的方法有：严格波耦合分析理论(RCWA，Rigorous Coupled-Wave Analysis)、时域有限差分法(FDTD)和有限元法(FEM)。后两种方法因需要将周期区域外接吸收层并连同周期区域一起划分成众多三维单元，未知量很大，求解过程收敛很慢，并且对每一入射光束，都需要重新计算一次，使用受到限制，尤其是计算速度。

严格波耦合分析理论(RCWA)用模式展开，未知量相对较少，求解过程收敛快。本发明中，采用Littrow-Mounting入射光束，代替经典的RCWA中的任意入射光束，使得RCWA经过复杂的运算获得的散射矩阵与入射光束的入射角无关。这样，对不同的Littrow-Mounting入射光束，只需要计算一次周期性介质的散射矩阵，是一种比较理想的方法。

如图2所示是一电路结构三视图，这种结构在x，y方向重复出现，呈周期性变化。z方向通常情况下并非不变，光刻掩模板通常在z方向上均匀，或者z方向上分成几层，每层内均匀不变。晶片上的微细结构通常在z方向变化，包括簿膜介质材料的变化，但严格波耦合分析方法在z方向将介质划分若干薄片。薄片的厚度如果足够小，则可认为光散射特性方面在z方向的薄片介质中分布均匀。这样，整个介质的光散射效果可以看成若干个叠加在一起的z方向介质分布均匀的薄片的光散射效果。求解出每个介质薄片上界面和下界面处的电磁场分布就可以得出整个介质的光散射仿真计算。附录中对一维光栅，TE波入射时的经典的RCWA方法作了简单介绍。对二维周期结构，RCWA方法要复杂得多。但求解过程类似。电磁场分布由x，y方向周期性变化，z方向均匀的介质内的麦克斯韦(Maxwell)方程组决定。