[发明专利]光学微纳测量装置、提取待测结构微纳尺寸信息的方法

说明书

本发明提供了一种光学微纳测量装置和自动提取待测目标尺寸信息的方法。该测量装置的照明部份和成像部分由多个4f系统组成，可以根据待测目标类型和灵敏度要求产生不同照明数值孔径、偏振态的反射式柯勒照明模式和得到所需放大倍率的像。该装置利用一个压电定位器以自身的物镜扫描实现通焦扫描的目的，扫描行程可以精确控制，且易于直接安装于生产工艺线上，可以满足在线测量的要求。该尺寸提取方法包含了一个基于傅里叶变换的噪声消除算法。通过计算每一幅实际离焦图像和对应理想仿真离焦图像的傅里叶频谱和相位，并将前者频谱和后者相位组合，再计算其傅里叶逆变换，以实现消除测量过程中受外界干扰而产生的光学噪声和机械噪声。

技术领域

本发明涉及一种基于傅里叶变换校正的通焦扫描光学微纳测量装置以及提取待测结构微纳尺寸信息的方法以及记录介质。具体涉及一种可以校正光学和机械噪声并得到较高测量精度结果的光学纳米测量装置以及用于提取待测结构微纳尺寸信息的方法，属于半导体行业的光学微纳测量和过程控制领域。

背景技术

在摩尔定律的推动下，半导体的尺寸不断减小，其结构逐步由2维平面向3维立体的方向发展。而传统的微纳测量方法逐渐暴露出它的局限性，如原子力显微镜测量效率太低，扫描电子显微镜只能提供2维宽度信息而不能准确提供第3维高度信息等。光学微纳测量与传统的微纳测量方法相比具有一系列独特的优点，如成本低廉、测量效率高、可操作性强、无破坏性等。基于通焦扫描的光学微纳测量法是指对于一组结构参数x＝[x₁，...，x_n]^T，预先通过仿真手段计算在物镜焦点位置连续变化下对应的光学信号集合f(x)。然后利用测量装置收集待测结构参数x₀对应的光学信号y(x₀)，并计算二者的均方根误差：

χ(x，x₀)＝||f(x)-y(x₀)||

最后结合最小二乘的思想从均方根误差中提取出最接近真实结构参数的测量结果其满足：

其中Ω是结构参数域。

在实际应用条件下，基于通焦扫描的光学微纳测量的测量结果对一些因素高度敏感，如测量装置的横向机械振动和实际照明光的角度不均匀性。上述因素会引入机械噪声和光学噪声，造成测量结果的精度降低。因此利用傅里叶变换的算法对光学信号集合f(x)进行校正，以得到消除了机械噪声和光学噪声干扰的测量结果，提高测量结果的精度。

发明内容

本发明想要解决的技术问题是：提供一种能够快速校正机械噪声和光学噪声，有助于在线、实时测量半导体元器件微纳尺寸结构的通焦扫描光学微纳测量装置以及用于提取待测结构微纳尺寸信息的方法。

本发明所涉及的光学微纳测量装置，包括：反射式柯勒照明和成像部分；和物镜定位部分，其中反射式柯勒照明和成像部分包括：光源；第一物镜，放置于光源之前，用于会聚照明光；小孔，放置于所述第一物镜之前；第一透镜，置于所述小孔前方，用于形成准直光路；第二透镜，置于所述第一透镜前方，用于与所述第一透镜形成4f系统；偏振片，放置于准直光路中；分光棱镜，放置于所述偏振片之后；和第三透镜，放置于所述第二透镜之后；第四透镜，置于所述第三透镜后方，用于与所述第三透镜形成4f系统；平面镜；第二物镜，用于产生反射式柯勒照明和成像；和成像CCD，物镜定位部分包括：压电定位器，与所述第二物镜连接，用于使所述第二物镜沿光轴上下扫描，实现通焦扫描的目的；和控制部，控制所述压电定位器。

本发明所述的测量系统，优选所述光源、所述第一物镜和所述小孔组成了一个光源系统，所述第一物镜将从所述光源发出的照明光会聚至所述小孔中心，所述小孔再将会聚照明光变为发散照明光。