一种纳米结构三维形貌测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种纳米结构三维形貌测量方法及其装置，可以同时测量纳米结构线宽、深度、侧墙角、线缘粗糙度、线宽粗糙度等三维形貌参数的方法及装置。本发明专利技术方法步骤如下：将波长为紫外到近红外波段的光束经分光、起偏、前后相位补偿得到的椭圆偏振光投射到待测；采集待测结构表面反射零级衍射信号，计算得到纳米结构测量穆勒矩阵；将测量穆勒矩阵与理论穆勒矩阵进行匹配，提取得到待测纳米尺寸结构的三维形貌参数值。本发明专利技术所提供的纳米结构三维形貌参数测量装置，能为基于图形转移的批量制造方法如光刻和纳米压印等工艺中所涉及的一维和二维亚波长周期性结构，提供一种非接触、非破坏性、低成本、快速测量手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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 专利技术尤其适用于光刻、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。
技术介绍
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IOOnm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。
技术实现思路
本专利技术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；本专利技术还提供了 实现该测量方法的装置。本专利技术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；第7步将测量得到的穆勒矩阵元素与对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元 素进行匹配，从而提取出待测纳米级结构的形貌参数值。实现上述纳米结构三维形貌测量方法的装置，其特征在于，该装置包括氙灯光源， 光栅光谱仪，离轴抛物镜，起偏器，第一旋转补偿器，汇聚透镜，旋转工作台，准直透镜，第二 旋转补偿器，检偏器，离轴抛物镜，光纤耦合器，光纤，探测器，CCD,起偏臂，检偏臂，计算机， 角度计；氙灯光源、光栅光谱仪、离轴抛物镜、起偏器、第一旋转补偿器、汇聚透镜依次位于 同一光路上，并固定在起偏臂上；准直透镜、第二旋转补偿器、检偏器、离焦抛物镜和光纤耦 合器依次位于同一光路上，并固定在检偏臂上；起偏臂和检偏臂以相同的倾角对称布置于 角度计上；汇聚透镜和准直透镜对称布置，且二者的焦距位置位于同一点，用于放置纳米结 构样件的旋转工作台位于汇聚透镜的焦距位置；探测器和CCD通过光纤与光纤耦合器相 连；探测器和CCD与计算机相连。本专利技术提供的一种基于穆勒矩阵测量的纳米结构三维形貌测量方法，是在传统光 谱椭偏仪的基础上，引入穆勒矩阵法描述待测结构在整个光学系统中的传输特性。该方法 通过测量在不同方位角入射情况下的4X4穆勒矩阵，相比传统光谱椭偏仪所采用的琼斯 矩阵法，穆勒矩阵包含了更多的待测结构的信息，因而，充分利用穆勒矩阵中包含的信息可 以满足不同纳米结构和结构参数的测量需求。该方法通过入射角、方位角以及入射光波长 的优化配置，可以针对各待测参数，特别是针对LER和LWR等粗糙度参数可以获得更高的光谱灵敏度，因而可以提供更完整的纳米结构三维形貌参数信息。本专利技术为促进传统光学测 量技术在纳米制造
中的扩展应用提供了一种新途径。与现有的测量方法相比，本专利技术所提供的方法可以实现纳米结构中更完整三维形 貌参数，特别是传统测量方法所不敏感的结构侧壁粗糙度的测量。可实现基于图形转移的 批量制造方法如光刻和纳米压印等工艺中所涉及的一维和二维亚波长周期性结构几何形 貌参数的快速、高精度测量，在纳米制造测量及工艺控制领域将会有广泛的应用前景。具体 而言，本专利技术可以在光刻图形测量中获得如下效果(1)可实现光刻、刻蚀、纳米压印等过程中所涉及的一维和二维沟槽阵列结构的几 何形貌参数，如沟槽线宽、深度、周期长度、侧壁角、线缘粗糙度和线宽粗糙度等的测量；(2)可实现微模塑工艺过程中所涉及的聚合物纤维阵列结构几何形貌参数，如纤 维阵列结构宽度、高度、周期长度、侧壁粗糙度等的测量。附图说明图1典型纳米结构形貌示意图；图2穆勒矩阵偏振测量原理图；图3是本专利技术一实施案例装置系统图。具体实施例方式下面结合附图和实例对本专利技术方法的原理和工作过程作进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种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；第７步将测量得到的穆勒矩阵元素与对各形貌参数变化最为灵敏的穆勒矩阵元素进行匹配，从而提取出待测纳米级结构的形貌参数值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世元，张传维，陈修国，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]