[发明专利]基于位相光栅分光的双焦波带片干涉显微检测装置

说明书

技术领域

本发明属于光干涉检测领域，特别是一种基于位相光栅分光的双焦波带片干涉显微检测装置。 

背景技术

从二十世纪七十年代开始，半导体工业界根据摩尔定律在不断地减小集成电路中的图形尺寸，使得计算机中中央处理器（CPU）上的晶体管数量以每两年翻一倍的速度增长。极紫外（EUV）光刻面向15nm节点作为下一代先进光刻技术，为半导体业界开辟了一条速度更快、尺寸更小和价格更加便宜的新路。但是，通过EUV光刻技术的艰难前行，我们可以体会到光刻技术的发展并非光刻机一枝独秀即可，其它环节的互相配合与优化，如需要合适的光刻胶和无缺陷掩模版等，才能使EUV光刻尽早投入量产。目前，极紫外光刻发展中的主要瓶颈之一就是缺少掩模版的成像和检测技术来保证极紫外光刻掩模版无缺陷的要求。

典型的EUV反射式掩模版是在零热膨胀系数基底上镀制Mo/Si多层膜，然后在Mo/Si多层膜上再镀制一层TaN吸收层,最后利用电子束光刻在吸收层上制作出集成电路图形。极紫外掩模的缺陷可以分为振幅型和位相型缺陷两种，振幅型缺陷一般位于Mo/Si多层膜表面，位相型缺陷则深藏于Mo/Si多层膜的内部，因此位相型缺陷更加难以用传统的显微法检测到，这也给极紫外掩模缺陷的检测带来了挑战。

目前，国际上至少有15个研究机构致力于EUV掩模缺陷检测的基础研究，也提出了一些方法。Seongtae Jeong 等人在《At-wavelength detection of extreme ultraviolet lithography mask blank defects》（Journal of Vacuum Science & Technology B，16（6）：3430-3434,1998）一文中报告了世界上第一台动态EUV掩模检测系统,它使用13nm波长的同步辐射光源，利用一对KB镜将同步辐射光束聚焦到掩模版上，用电子倍增管和微通道板分别记录明场和暗场反射光信号，虽然该系统第一次探测到只有极紫外光才能探测到的掩膜缺陷，但其扫描速度很慢，能探测到的最小缺陷只有100nm。Tsuneyuki Haga等人在《At-wavelength extreme ultraviolet lithography mask inspection using a Mirau interferometric microscope》（Journal of Vacuum Science & Technology B,18(6):2916-2920,2000）一文中设计了一种Mirau极紫外干涉测量显微镜，该显微镜通过一个15倍Schwarzschild物镜的一半孔径照明掩模，之后通过另一半孔径成像，与掩模表面平行处放置一块自支撑的Mo/Si多层膜分束器用来对入射光进行分束。透射光束经过掩模表面的反射后再透过分束器，反射光束作为一个参考光束照到一块多层膜平面反射镜上，平面反射镜与掩模的距离相同。当参考光束再一次从分束器反射回来时，同第一束光干涉，这样从干涉条纹中就可以很敏感的得出掩模的位相属性。该系统采用Mirau干涉显微的方法成像，对掩模版的相位缺陷敏感，但其仅利用了Schwarzschild物镜一半的数值孔径，影响了Mirau显微成像系统的横向分辨率。Tsuneo Terasawa等人在《High speed actinic EUV mask blank inspection with dark-field imaging》（SPIE，VOL.5446,2004）一文中提出了一种利用Schwarzschild物镜的暗场显微成像方案，该方案使用激光诱导等离子体光源（LPP）,光源发出的光被一个椭圆体的镜子收集并聚焦，利用镀有多层膜的反射镜垂直照到掩模版上，若掩模版上存在缺陷，则Schwarzschild物镜将缺陷的散射光放大20倍之后投影到CCD上，CCD上显示缺陷为一亮点，若掩模版上不存在缺陷则CCD上探测到均匀暗场，该系统属于传统的显微放大成像法，对位相型缺陷不敏感。Ulf Kleineberg等人在《Actinic EUVL mask blank defect inspection by EUV photoelectron microscopy》（SPIE,VOL.6151，2006）一文中提出一种电子显微镜检测掩模缺陷的方案，该方案中极紫外光束从同步辐射发出后被环形多层膜反射镜以4°入射角汇聚到掩模上100um大小区域，从掩模表面溢出的光电子和二次电子投影到微通道板上和荧光屏上放大，之后利用CCD记录光电子显微镜图像，若能记录到亮线或者亮斑则证明掩模版存在缺陷。该方案主要存在的问题是：掩埋在多层膜下的较宽的缺陷只能探测到其结构线，而较窄的线条成像后，所成的像要比实际的缺陷线条的宽度大。Francesco Cerrina等人在发明专利《Defect inspection of extreme ultraviolet lithography masks and the like》（专利号：US7179568 B2）中，提出了一种间接检测的方法，其主要原理是：极紫外光照射到空白掩模表面，被空白掩模反射的极紫外光入射到一块涂有光刻胶的辅助检测版上，辅助检测版上所涂覆的光刻胶中含有荧光染料，若被检测的掩模版上含有位相型或振幅型缺陷，则由于缺陷对检测光的散射，造成辅助检测版上缺陷所对应的位置的光刻胶曝光量不足，在接下来的显影中曝光不足的光刻胶无法去除，用荧光激励光源照射显影后的辅助检测版，用普通显微镜即可观察到曝光不足的光刻胶发出的荧光，从而确定缺陷的数量和位置，该方法流程复杂，耗时较多，检测成本高，且无法确定缺陷的大小和深度信息。F.Brizuela等人在《Microscopy of extreme ultraviolet lithography masks with 13.2nm tabletop laser illumination》（OPTICS LETTERS,34(3):271-273,2009）一文中提出一种透射式波带片显微放大方案，该系统使用光源波长13.2nm, 采用镂空波带片聚光照明掩模，会聚光以6°入射角入射，从掩模反射出来的光束，通过一块离轴波带片（0.0625NA）将照明图像直接投影到极紫外CCD中，放大倍数为660倍，该系统的缺点是透射式波带片的能量利用率低，仍属传统成像方法，对位相型缺陷不敏感。Tetsuo Harada等人在《Mask observation results using a coherent extreme ultraviolet scattering microscope at NewSUBARU》（Journal of Vacuum Science & Technology B，27（6）：3203-3207,2009）一文中提出一种相干散射成像的掩模缺陷检测系统，该系统采用无镜成像的衍射传导理论，通过记录散射和衍射光束的图形，可以利用远场图形重建电场强度振幅和位相信息，恢复掩模表面形貌，该系统消除了所有的反射镜，降低了系统成本，但这种方案算法复杂，缺陷信息不可靠。CHUANG等人在发明专利《EUV high throughput inspection system for defect detection on patterned EUV masks, mask blanks, and wafers 》（公开号：WO2010/148293 A2）中公布了一种用四片到八片反射式球面或非球面光学元件组成显微检测极紫外掩模缺陷的方案，该方案在光学显微放大的基础上增加了电子放大系统，从而在总的放大倍率上具有一定优势，可以检测到较小的缺陷，但该方案中使用了多片反射式极紫外光学球面和非球面，加工难度大，制造成本高，同时该方案属于传统的显微放大法，对位相型缺陷不敏感。高志山、王帅等人在发明专利《用于极紫外光刻掩模缺陷探测的双焦斜入射干涉显微装置》（申请号：201310069314.2）中发明了一种基于双焦波带片的干涉显微装置，该装置工作在13.5nm的极紫外光下，利用双焦波带片的斜入射干涉显微特性，将EUV掩模中的位相型缺陷信息转移到干涉图中，同时将振幅型缺陷或由其引起的物理形变放大成像，通过解算干涉图和识别显微图像的办法检测出EUV掩模版中的缺陷，该装置采用反射、衍射光学元件，相比于多片的反射系统，减少了极紫外反射元件的数量，对EUV掩模位相型缺陷敏感，算法简单，可靠性高，但该系统采用了两片双曲率曲面反射镜和两片双焦波带片干涉显微物镜，四片镜子之间角度要求高，系统装调具有一定难度，且该装置采用斜入射离焦照明方式，在缺陷定位精度和分辨率方面受到一定限制。