[发明专利]一种纳米级尺寸结构测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于纳米制造测量技术，具体涉及纳米级尺寸结构关键尺寸测量方法及装置，本发明尤其适用于光刻及纳米压印图形中线条结构，如孤立线条阵列、密集型线条阵列结构的宽度、深度、侧墙角以及套刻图形标记的套刻精度(overlay)等的测量。

背景技术

纳米制造是指特征尺寸为纳米量级的制造技术。近年来，随着机械学、物理学、化学、生物学、材料科学、信息科学等相关学科的交叉与融合，出现了若干基于物理、化学甚至生物等原理的纳米制造新方法与新工艺，如自底向上的纳米级尺寸结构生长、加工、改性、组装等纳米制造技术。同时，传统的微电子集成电路(IC，Integrated Circuit)与微机电系统(MEMS，Microelectromechanical System)加工也从微米量级突破到亚波长纳米量级，通过不断改进传统光刻工艺并发展纳米压印等新工艺，这类基于图形转移的批量化制造技术可望将特征尺寸一直延拓到32nm节点以下。

纳米级尺寸结构一般是指特征尺寸在100nm以下的微小结构。为了实现有效的工艺控制，在纳米制造过程中对纳米级尺寸结构的关键尺寸(CD，Critical Dimension)等参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有非常重要的意义，是保证纳米制造批量化与一致性的关键，是支撑纳米科技走向应用的基础。以IC制造工艺为例，目前纳米级关键尺寸的测量主要采用关键尺寸扫描电镜(CD-SEM)和关键尺寸原子力显微镜(CD-AFM)，这些测量方法的优点是都可以突破到纳米级尺寸的测量，但其显著缺点是速度慢、成本高且设备操作复杂。与之相反，传统光学显微镜具有速度快、成本低和设备操作简单等优点，因而一直在自动化工艺检测与在线监控等领域获得了广泛应用，如基于显微机器视觉的自动光学检测(AOI，Automatic Optical Inspection)系统。光学显微镜测量的基本原理是通过显微光学镜头采集最佳焦平面的光学图像，即获得待测结构的清晰几何轮廓形貌图像，进而通过边缘检测等图像处理算法，识别并提取出准确的结构几何尺寸及其它特征。根据光的衍射原理，传统光学显微镜存在分辨率极限的问题，该极限由照明光源波长和显微镜数值孔径所决定，在可见光照明条件下最高只能达到约200nm的分辨率。当纳米制造中的关键尺寸达到亚波长纳米量级时，传统光学显微镜即使在最佳焦平面也无法获得清晰成像，因而无法满足纳米级尺寸结构关键尺寸的精确测量要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米级尺寸结构测量方法，该测量方法可以实现纳米制造中的纳米级尺寸的快速、低成本、非破坏性的精确测量；本发明还提供了实现该测量方法的装置。

本发明提供的一种纳米级尺寸结构测量方法，其特征在于：

第1步白光光束经滤光、起偏后垂直投射到包含纳米级尺寸结构的样件表面，投射到样件表面的线性偏振光束波长为400～600nm；

第2步投射光束经样件表面反射，利用置于样件共轭面上的电荷耦合器接收该反射信号，计算得到纳米级尺寸结构的显微成像图；

第3步将样件在最佳焦平面附近垂直移动，得到不同离焦位置的纳米级尺寸结构的显微成像图；

第4步将各离焦位置的显微成像图按离焦量进行组合，得到该纳米级尺寸结构的测量离焦扫描成像分布图；

第5步对不同类型的纳米级尺寸结构进行仿真，得到纳米级尺寸结构对应的理论离焦扫描成像分布图；

第6步将测量离焦扫描成像分布图与理论离焦扫描成像分布图进行匹配，提取得到待测纳米级尺寸结构的几何参数值。

实现上述方法的装置包括白光光源，彩色滤光片，偏振片，小孔光阑，视场透镜，分光镜，第一物镜，纳米级垂直平移台，第二物镜，平面反射镜，图像采集卡，计算机以及运动控制器；

白光光源，彩色滤光片，偏振片，小孔光阑，视场透镜，分光镜，第一物镜依次位于同一光路上，纳米级垂直平移台位于第一物镜的出射光路上，光束经第一物镜汇聚后垂直投射到纳米级垂直平移台上；第二物镜与第一物镜相对于分光镜的反射点对称放置，平面反射镜位于第二物镜出射光路上，图像采集卡位于平面反射镜出射光路上，计算机分别与图像采集卡和运动控制器相连，运动控制器与纳米级垂直平移台相连，控制纳米级垂直平移台运动。