[发明专利]基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统

说明书

技术领域

本发明属于半导体微电子计量领域，涉及实现微光斑平行光束入射的光学关键尺寸(OCD)测试系统。

技术背景

在半导体以及其他微电子产业中，芯片在经过集成电路设计者设计后通过加工设备以加工实现设计者所期望的结构。芯片的集成度很高，需要通过制版、光刻、刻蚀等一系列工艺使其结构(Pattern)在芯片中实现，因此芯片上的结构基本都呈周期性排列。但在工艺制作以后，其中的关键尺寸(CD)能否满足设计要求则需要进行测试/分析。这样的测试/分析在各个工艺阶段以及工艺完成后都需要做，因此对芯片制造来说具有极其重要的意义。CD测试/分析的方法有多种，如：采用扫描电子显微镜(SEM)，原子力显微镜(AFM)等，但这些显微镜测试的技术或者需要复杂的真空环境，或者只能实现对表面轮廓的局部分析，无法实现对多层结构中非表面层(underlay)的测试，更不可能实现生产过程中的在线检测。采用光学手段对CD测试/分析(通常称为OCD)则能够实现在线检测，它对测试环境的要求简单，且可对非表面层结构的分析，因此成为CD测试/分析中最主要的技术手段。该技术在国际上已有二十多年的发展历史，早期的OCD测试只要采用普通的光束(毫米级直径)就可以实现，分析技术中的电场模拟采用标量分析的近似，该方法最早由Haimann等人提出(Journal of Electrochemical Socity,v.131,p.881,1984)，后来由Maynard等人(Journal of vacuum Science and Technology)以及Lee等人(International Conference on Characterization and Metrology for ULSI Technology,Gaithersburg,MD,p.23-27,Mar.1998)在产业界得到应用，Li等在美国专利US Patent7212293B1中对这中方法做了一些改进。但随着集成度的提高，微结构中的几何尺寸越来越小，标量分析这种近似方法已难以适应要求，更精确反映各种衍射信息的严格方法----矢量分析法被普遍采用，其中包括耦合波分析法(RCWA，Moharam等,Journal of Optical Society of America,A12,n.5,p.1068-1076,1995)，以及频域、时域有限差分法等。此外还有一些企业采用一些新的近似方法，但几乎所有应用于OCD的模拟算法都假定光源为平行光。随着以半导体集成电路为代表的微电子技术的发展，不仅结构上尺寸越来越小，而且允许测试的面积也减小。因此需要测试系统的光斑相应减小。当前普遍采用汇聚光束的方法减小光斑，让测试位置位于聚焦的光斑点。但这种做法与基于模拟算法的软件分析模型是有差异的(实际光源不再为模拟光源所假定的平行光)，这将直接影响测试/分析结果的准确性。工程实际中都经常是采用一些近似方法加以修改，但通常是大大增加了分析过程中计算的复杂性，严重影响了系统工作的效率；而在OCD测试/分析系统中，精度和效率是两大关键问题，为了提高效率采用这些近似方法需要增加很多硬件上的投入，甚至有时不得不为了效率牺牲一些精度。因此，能直接实现微光斑平行光的测试系统显得非常重要。

发明内容

对于传统的OCD测量技术而言，随着集成技术的发展，微结构的尺寸越来越小。目前主要有两个方面的困难：一是光学衍射极限的限制；二是光斑尺寸相对于芯片尺寸过大，影响测试精度甚至无法实现测试/分析。为了克服光斑尺寸过大的问题，目前普遍采用聚焦方式，这虽然解决了测试问题，但由于测试系统和模拟分析模型的差别，在很多情况下，测试之后的分析过程中需要多耗费很多时间才能得到测试/分析的最后结果。为了解决这个问题，本发明公开了一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统，使得光源通过双胶合透镜组变为光束直径约50μm的平行光，从而达到提高芯片测试精度、缩短测试之后数值分析时间的目的。

图1所示系统是本发明的一种基于微光斑平行光束的微结构关键尺寸OCD测试系统，包括光源、压缩透镜组、待测周期结构、检测器及数据处理器。光源激励出光斑直径大小为4.9-5.1mm的平行光，该光束通过压缩透镜组被压缩为直径为49-51μm的平行光，此平行光入射到安置台上的待测周期结构表面，实现反射，检测器检测并提取反射光参数，最后通过数据处理器的电磁模拟/分析软件优化分析反射光参数，反衍出待测结构的关键尺寸。