[发明专利]一种纳米结构三维形貌测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于纳米制造测量技术，具体涉及纳米结构三维形貌测量方法及装置，本发明尤其适用于光刻、刻蚀以及纳米压印图形中光栅结构的线宽、深度、侧墙角、线缘粗糙度、线宽粗糙度等三维形貌参数的测量。

背景技术

纳米制造是指产品特征尺寸为纳米量级的制造技术，即特征尺寸在100nm以内的制造技术。为了实现纳米制造工艺的可操纵性、可预测性、可重复性和可扩展性，保证基于纳米科技的产品满足可靠性、一致性、经济性及规模化生产等多方面的要求，在纳米制造过程中对纳米结构的三维形貌参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有十分重要的意义。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，在高深宽比纳米结构中还包括侧壁粗糙度(SWR)等信息。

目前对纳米结构三维形貌参数测量的主要手段是扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)，其优点是都可以满足纳米级尺寸的测量，但其显著缺点是速度慢、成本高，特别是难以集成到工艺线。与之相反，传统光学测量方法具有速度快、成本低、无接触、非破坏和易于集成等优点，因而一直在先进工艺监测与优化控制领域获得了广泛应用，如IC制造中用于关键尺寸测量的光学散射仪(Scatterometry)技术。

一种常用光学测量法光学散射法也称为光学关键尺寸(OCD)测量法，其实质是一台光谱椭偏仪，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状态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测结构的关键尺寸等信息。在实际应用中，光谱椭偏测量多采用平面衍射(Planar Diffraction)，即入射平面与待测对象的主截面平行，且入射角多选用Brewster角，这主要是基于两方面考虑：一是平面衍射下的Jones矩阵为对角矩阵，可以直接通过椭偏仪测得；二是Brewster角是表征各向同性薄膜材料的最佳入射角。然而，对于形如光栅或其它更为复杂的纳米结构而言，Brewster角并不一定是最佳的入射角度。此外，当入射平面与待测结构的主截面成一夹角时，待测纳米结构的衍射不再是平面衍射，而是锥形衍射(Conical Diffraction)，此时对应的Jones矩阵不再是对角矩阵，而是比平面衍射下的Jones矩阵包含了更多关于待测结构的测量信息。普通光谱椭偏仪只是测量入射光经待测样件反射后TE和TM偏振光的振幅比和相位差的改变，这两个参数对于纳米结构三维形貌参数中的粗糙度参数等不敏感。因此，普通光谱椭偏仪只能用于纳米结构几何特征尺寸如线宽、深度、侧壁角等参数的测量，而对于纳米结构线宽粗糙度、线缘粗糙度等形貌参数的测量无能为力，因而无法获取纳米结构三维形貌信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米结构三维形貌测量方法，该测量方法可以实现纳米制造中的纳米结构三维形貌参数的快速、非接触、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。

本发明提供的纳米结构三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步将波长为紫外到近红外波段范围的入射光束经过光谱分光、起偏、前相位补偿后，得到椭圆偏振光束，投射到包含纳米结构的待测结构表面；

第2步椭圆偏振光束经样件表面反射后，再经过后相位补偿、检偏后利用探测器检测得到零级衍射；通过连续调节前相位补偿和后相位补偿，从而改变入射椭圆偏振光束偏振态，测量得到不同偏振态下的零级衍射光强；

第3步利用第2步测量得到的零级衍射光强，计算得到纳米结构的测量穆勒矩阵；

第4步改变入射光束的入射角和方位角，重复第1步～第3步，得到不同入射角和方位角配置的测量穆勒矩阵；

第5步仿真计算被测纳米结构的理论穆勒矩阵；

第6步利用第5步得到的理论穆勒矩阵，对不同参数下的被测纳米结构进行仿真分析，计算其对应的理论穆勒矩阵，通过傅里叶幅度灵敏度检验扩展法进行全局灵敏度分析，对测量条件及输入参数进行采样计算，获得测量条件变化时，理论穆勒矩阵的输出结果对输入参数的一次灵敏度及集总灵敏度；通过对比不同采样方案下的灵敏度值，找出灵敏度值最高的测量条件，实现测量条件的最优化配置；

在测量条件的最优化配置下，再采用上述傅里叶幅度灵敏度检验扩展法，计算并分析在上述测量条件下，理论穆勒矩阵的输出结果对被测纳米结构各形貌参数的灵敏度值，从中选出对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素；