用于计量光束稳定的系统及方法技术方案

本发明专利技术描述用于测量样品同时通过旋转偏光器元件来主动稳定经受偏光变化的光学测量光束的方法及系统。通过基于聚焦测量光束点的测量而主动控制光束路径中的光学元件的位置来补偿由旋转偏光器元件诱发的所述聚焦测量光束点的移动。可采用反馈及前馈两种控制方案来减小光束位置误差。在一个方面中，测量系统包含照明光束路径、收集光束路径或照明光束路径及收集光束路径两者中的旋转光学偏光器、光束位置传感器及主动光束补偿元件。由所述光束位置传感器检测光束位置误差，且将控制命令传送到所述主动光束补偿元件以减小测得的光束位置误差。

System and method for measuring beam stability

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于计量光束稳定的系统及方法
所描述的实施例涉及计量系统及方法，且更特定来说，所描述的实施例涉及用于改进测量分辨率及较小测量框大小的方法及系统。
技术介绍
通常，通过施加于样品的一系列处理步骤来制造例如逻辑及存储器装置的半导体装置。通过这些处理步骤来形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。例如，其中的光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一个半导体制造工艺。半导体制造工艺的额外实例包含(但不限于)化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。多个半导体装置可制造于单个半导体晶片上且接着分离成个别半导体装置。执行上文所描述的光刻工艺以选择性地移除覆盖晶片的表面的抗蚀剂材料的部分，借此暴露抗蚀剂形成于其上的样品的下伏区域以用于例如蚀刻、材料沉积、植入及其类似者的选择性处理。因此，在许多例子中，光刻工艺的性能主要确定形成于样品上的结构的特性(例如尺寸)。因此，光刻的趋势是设计能够形成具有越来越小尺寸的图案的系统及组件(例如抗蚀剂材料)。在半导体制造工艺期间的各种步骤中使用基于光学计量的检验过程来检测晶片上的缺陷以促成较高良率。光学计量技术提供无样本损坏风险的高生产率。已描述包含反射测量、椭偏测量及散射测量实施方案及相关联的分析算法的基于光学计量的许多技术来特性化装置几何形状。然而，维持小测量框大小仍为挑战。小测量框大小在半导体在线产品计量中是尤其重要的，其中可用于计量目标的面积是极小的。测量框大小是指样品上的最小面积，其中测量结果稳定且不受光学计量的边缘效应(例如归因于光学衍射翼)影响。因此，测量框大小越小，计量目标所需的面积越小。在半导体行业中，当分配给计量目标的晶片空间受限制(通常，在切割线内或甚至在裸片内)时，所要框大小规格通常会非常有挑战，例如30μm×30μm、10μm×10μm或甚至更小。为缩小测量框大小的大小，必须最小化产生于包围测量目标的区域且到达检测器的信号信息量。为最小化非所要信号干扰，必须在测量目标区域的外溢最小的情况下将照明光投射到测量目标上。必须控制衍射、像差、图像质量及其它限制效应以实现较小照明点大小。不管经设计以控制测量框大小的现有方法如何，在全测量范围内实现小测量框大小规格是非常有挑战的。基于光学的许多测量系统采用旋转偏光器元件来操纵提供到样品的照明光、从样品收集的光或两者的偏光。在实际系统中，偏光光学器件的输入及输出面不完全平行。此失准通常称为楔形。另外，用于约束偏光光学器件的旋转运动的机械轴承具有有限同心度及偏转误差。这引起偏光光学器件围绕穿过偏光光学器件的光束的光轴摇晃。楔形误差及旋转轴承误差改变光束相对于系统中的其它光学元件的光学路径。这本身表现为光学路径中的各种关键位置处的光束定位误差。例如，就光谱椭偏仪系统来说，当旋转偏光元件时，楔形误差及旋转轴承误差引起光束与偏光器狭缝、受测量样品及光谱仪狭缝失准。当测量点在偏光元件的旋转期间移动时，测量精确度、准确度及多个工具之间的匹配变差。为试图缓解这些问题，已考虑各种解决方案。在一些实例中，制造具有非常小楔形公差的偏光光学器件。然而，尤其在合理成本内，可实现的楔形误差公差存在实际制造限制。另外，即使可制造具有零楔形误差的偏光器元件，但环境条件(例如温度)的变化引起楔角改变，从而导致测量点在偏光器元件的旋转期间移动。在一些实例中，采用改进旋转轴承来减少由轴承摇晃诱发的测量光束移动。尤其在合理成本内，可实现的偏转误差公差还存在实际制造限制。另外，即使可制造具有完全同心度及零偏转的轴承，但轴承磨损引起随时间增大的误差，尤其在经受几乎持续使用的半导体计量工具的使用年限内。在一些实例中，使位于会聚光束的光束路径中的偏光器光学器件倾斜以补偿楔形误差。偏光器光学器件的倾斜引起输出光束线性偏移。在会聚光束的焦点处，线性偏移抵消由楔形引起的角偏移。此方法在准直穿过偏光器光学器件的光束时无效。另外，此方法也无法在光束路径中存在两个旋转偏光器光学器件时有效。另外，此方法在轴承随时间磨损或楔形误差随温度改变时无效。随着光刻及计量系统被逼向较高分辨率，测量框大小变成维持装置良率的限制因素。因此，期望用于实现与各种计量技术相关联的小测量框大小的改进方法及系统。
技术实现思路
本文描述用于测量样品同时通过旋转偏光器元件来主动稳定经受偏光变化的光学测量光束的方法及系统。通过基于聚焦测量光束点的测量而主动控制光束路径中的光学元件的位置来补偿由旋转偏光器元件诱发的所述聚焦测量光束点的移动。通过减少所述测量光束点的移动来实现具有减小测量框大小的半导体结构的光学测量。通过主动控制由旋转偏光器元件诱发的测量光束移动，可增大偏光器元件上的楔形误差公差及旋转轴承公差。这提高设计灵活性且降低成本。另外，测量光束移动的主动控制补偿例如温度变化及轴承磨损的效应。另外，可在测量系统运行时通过监测测量光束位置及移动来检查光学系统对准。在一个方面中，一种测量系统包含照明光束路径、收集光束路径或照明光束路径及收集光束路径两者中的旋转光学偏光器、光束位置传感器及主动光束补偿元件。由所述光束位置传感器检测由所述旋转光学偏光器的旋转运动诱发的光束位置误差。计算系统将控制命令传送到所述主动光束补偿元件且作为响应，所述主动光束补偿元件调整测量光束的位置以减小由所述光束位置传感器检测的光束位置误差。在一些实例中，由计算系统在反馈控制方案中基于由所述光束位置传感器测量的光束位置误差来控制所述主动光束补偿元件。在一些实例中，由计算系统在前馈控制方案中基于旋转偏光器元件的旋转定向来控制所述主动光束补偿元件。一般来说，可同时采用本文所描述的反馈及前馈两种控制方案来减小光束位置误差。在另一方面中，可采用光束位置传感器来测量受测量晶片的晶片倾斜及z位置。上文是概述且因此必然含有简化、一般化及细节省略；因此，所属领域的技术人员应了解，
技术实现思路
仅供说明且绝非意在限制。将在本文所阐述的非限制性详细描述中明白本文所描述的装置及/或过程的其它方面、专利技术特征及优点。附图说明图1说明用于测量小测量框大小内的样品的特性的计量工具100的实施例。图2是说明受测量的晶片101的俯视图的图式。图3A描绘部分透射穿过孔隙及部分由正交布置的光束位置传感器测量的测量光束。图3B描绘在由主动光束补偿元件校正之后穿过孔隙的测量光束。图4A描绘部分透射穿过孔隙及部分由感光元件阵列测量的测量光束。图4B描绘在由主动光束补偿元件校正之后穿过孔隙的测量光束。图5描绘一个实施例中的光束位置传感器160。图6A描绘由无误差校正的楔形误差诱发的光束角误差α。图6B描绘一个实施例中的由具有误差校正的楔形误差诱发的光束角误差α。图6C描绘由无误差校正的楔形误差诱发的光束角误差-α。图6D描绘一个实施例中的由具有误差校正的楔形误差诱发的光束角误差-α。图7A描绘由无误差校正的楔形误差诱发的光束角误差α。图7B描绘另一实施例中的由具有校正的楔形误差诱发的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量系统，其包括：/n照明源，其经配置以产生照明光量；/n一或多个照明光学元件，其经配置以从所述照明源接收所述照明光量且沿照明光束路径将照明测量光束投射到受测量的样品；/n检测器，其经配置以产生指示所述样品对入射照明测量光束的响应的多个输出信号；/n一或多个收集光学元件，其经配置以从所述样品的表面收集所收集光量且沿收集光束路径将收集测量光束从所述样品投射到所述检测器；/n旋转光学偏光器元件，其位于所述照明光束路径、所述收集光束路径或所述照明光束路径及所述收集光束路径两者中；/n光束位置传感器，其位于所述照明光束路径、所述收集光束路径或所述照明光束路径及所述收集光束路径两者中，在所述旋转光学偏光器元件之后，其中所述光束位置传感器产生指示所述测量光束的位置的输出信号；/n主动光束补偿元件，其位于所述照明光束路径、所述收集光束路径或所述照明光束路径及所述收集光束路径两者中，在所述旋转光学偏光器元件与所述光束位置传感器之间；及/n计算系统，其经配置以：/n接收指示所述测量光束的所述位置的所述输出信号；及/n将命令信号传送到所述主动光束补偿元件以引起所述主动光束补偿元件朝向由所述光束位置传感器测量的所要位置调整所述测量光束的位置。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170926 US 62/563,580;20180712 US 16/033,5111.一种测量系统，其包括：
照明源，其经配置以产生照明光量；
一或多个照明光学元件，其经配置以从所述照明源接收所述照明光量且沿照明光束路径将照明测量光束投射到受测量的样品；
检测器，其经配置以产生指示所述样品对入射照明测量光束的响应的多个输出信号；
一或多个收集光学元件，其经配置以从所述样品的表面收集所收集光量且沿收集光束路径将收集测量光束从所述样品投射到所述检测器；
旋转光学偏光器元件，其位于所述照明光束路径、所述收集光束路径或所述照明光束路径及所述收集光束路径两者中；
光束位置传感器，其位于所述照明光束路径、所述收集光束路径或所述照明光束路径及所述收集光束路径两者中，在所述旋转光学偏光器元件之后，其中所述光束位置传感器产生指示所述测量光束的位置的输出信号；
主动光束补偿元件，其位于所述照明光束路径、所述收集光束路径或所述照明光束路径及所述收集光束路径两者中，在所述旋转光学偏光器元件与所述光束位置传感器之间；及
计算系统，其经配置以：
接收指示所述测量光束的所述位置的所述输出信号；及
将命令信号传送到所述主动光束补偿元件以引起所述主动光束补偿元件朝向由所述光束位置传感器测量的所要位置调整所述测量光束的位置。


2.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述主动光束补偿元件是在两个旋转自由度上独立致动的反射镜元件。


3.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述主动光束补偿元件是在两个平移自由度上独立致动的透镜元件。


4.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述主动光束补偿元件包含各自在旋转自由度上独立致动的一对Risley棱镜。


5.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束位置传感器是具有正交布置的四个光学传感器及以所述四个光学元件的相交点为中心的孔隙的正交传感器。


6.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束位置传感器包含围绕所述照明测量光束、所述收集测量光束或所述照明测量光束及所述收集测量光束两者的轴线布置的多个感光元件。


7.根据权利要求6所述的测量系统，其中所述光束位置传感器包含电荷耦合装置CCD阵列、硅上互补金属氧化物CMOS装置阵列、位置敏感检测器PSD装置、光电倍增管PMT阵列及光电二极管阵列中的任一个。


8.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束位置传感器包含：
第一光束位置检测器；
聚焦光学元件；及
光束转向元件，其安置于所述照明光学路径、所述收集光学路径或所述照明光学路径及所述收集光学路径两者中，所述光束转向元件透射入射光束的相对较大部分且经由所述聚焦光学元件将所述入射光束的相对较小部分反射朝向所述第一光束位置检测器。


9.根据权利要求8所述的测量系统，其中所述光束位置传感器还包含：
第二光束位置检测器；及
分束元件，其中所述分束元件经由所述聚焦元件导引反射光束的第一部分朝向所述第一光束位置检测器及导引所述反射光束的第二部分朝向所述第二光束位置检测器。


10.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束位置传感器及所述主动光束补偿元件安置于所述收集光束路径中。


11.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束位置传感器及所述主动光束补偿元件安置于所述照明光束路径中。


12.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述测量系统是光谱椭偏仪。
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【专利技术属性】
技术研发人员：B·布拉森海姆，N·沙皮恩，M·弗里德曼，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US