[发明专利]纳米尺度下大面积散射场的快速测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于三维形貌参数测量领域，具体涉及一种纳米尺度下的三维结构形貌的测量装置和方法。

背景技术

近年来，传统的微电子集成电路(IC)与微机电系统(MEMS)加工从微米量级突破到纳米量级。随着加工尺寸的不断减小，其三维形貌参数对器件最终性能的影响也越来越显著。这些三维形貌参数不仅包括特征线宽(即关键尺寸)、周期间距、高度、侧壁角等轮廓参数，而且包含线宽粗糙度(LWR)、线边粗糙度(LER)等重要特征。三维形貌参数是IC制造中影响器件性能的主要特征参数，因此对三维形貌参数的测量成为IC制造中的关键环节。目前针对IC制造中三维形貌参数的测量手段主要有：扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、传统光学显微镜(OM)、光学散射仪等几种。其中扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)为非接触式测量，横向与纵向分辨率都很高，但因为其在制样过程中需要破坏样件，且由于测量需真空环境的限制，所以无法用于IC制造中的在线、大批量测量；原子力显微镜(AFM)为表面探针式的接触式测量，测量过程中容易损伤样件，同时接触式的扫描测量速度较慢；传统光学显微镜(OM)受限于光学分辨率极限只能用于微米级别的测量，无法适用于纳米结构测量。而光学散射仪也称为光学关键尺寸(OCD)测量仪，其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测结构(一般为周期性结构)表面，通过测量待测结构的零级衍射光(散射光)以获得偏振光在反射前后的偏振态变化(包括振幅比和相位差)，进而通过求解逆散射问题来提取出待测结构的关键尺寸等信息。与前面几种方法相比，光学散射仪具有三个重要优势：采用光学测量手段是非接触式测量，对样品没有破坏；测量环境要求低、测量速度快适用于在线测量；基于模型的测量方法，不受限于光学分辨率极限。基于上述的三大优势，光学散射仪目前已成为IC制造工艺线上不可或缺的一种测量设备，可以实现小至22nm技术节点的关键尺寸测量。

如图1所示，传统的光学散射仪只能测量待测样品的零级衍射光，而无法收集其它级次光，待测样品的信息收集不完整。由于其只利用了周期性结构的零级衍射光反射信息，根据目前的基于模型求解的测量方法，它只能测量深宽比不大的简单周期性结构(如一维光栅结构和二维光栅结构)。同时因其测量光斑的限制(目前约为50um)，仅能获得周期性结构在测量光斑范围内的极少量统计参数，如平均意义下的光栅结构特征线宽(即关键尺寸)、高度、侧壁角等几何参数。这个局限性极大制约了光学散射仪的更广泛应用，使其无法胜任复杂三维纳米结构的测量，如IC制造在22nm及以下技术节点中新引入的鳍式场效应晶体管(FinFET,Fin Field-Effect Transistor)和叠层高深宽比快闪(NAND Flash)存储器等复杂三维纳米结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置与方法，其通过设置扫描振镜以改变光束入射角度同时设置物镜和成像透镜，通过获得待测样品的大面积散射场的分布，并结合散射场的16个穆勒矩阵元素分布，从而即可待测样品的三维形貌参数。本发明可以在纳米尺度下快速地获得待测样品的大面积散射场，从而可以实现复杂三维纳米结构的快速、精确测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其包括：

起偏端，其设置在激光光源出射光路上，用于将入射至其上的光束进行调制，以得到一定偏振态的光束；

检偏端，其用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调，已获得样品信息；

其特征在于，还包括：

设置在样品台前的光路上的物镜和第一透镜，其中样品台上的待测样品位于所述物镜的前焦面上，所述起偏端获得的偏振态光束经过该第一透镜聚焦在所述物镜的后焦面，进而通过所述物镜平行入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于其后焦面，然后通过第一透镜以及所述检偏端后成像于图像采集装置上；以及

扫描振镜，其设置于所述起偏端之前或之后的光路上，用于改变入射到所述第一透镜上的偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦面的位置，使得所述物镜出射到样品上的光束角度改变，从而可以获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像，通过获取不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测量。

作为本发明的改进，所述扫描振镜设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。