CN112730266A - 一种偏振反射测量***及结构参数测量方法 - Google Patents

一种偏振反射测量***及结构参数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体测试测量领域，并具体公开了一种偏振反射测量***及结构参数测量方法，其包括从上至下同轴设置的光谱仪探测器、聚焦透镜、第一分光镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜和样品台，第一分光镜一侧设有照明光源、管镜和CCD相机，照明光源的照明光经过第一分光镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜、待测样品，然后原路返回，经管镜汇聚到CCD相机中成像；第二分光镜一侧设置有测量光源和准直透镜，测量光源的测量光经过准直透镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜、待测样品上，然后原路返回至第二分光镜，并由聚焦透镜导入光谱仪探测器中。本发明加入成像光路并调整偏振片位置，可精确表征测量区域，同时提高测量精度。

Description

一种偏振反射测量***及结构参数测量方法
技术领域
本发明属于半导体测试测量领域，更具体地，涉及一种偏振反射测量***及结构参数测量方法。
背景技术
目前，对于微机电***(MEMS)，在设计技术、封装检测技术、装备技术等方面还存在很多不足，如传感器可靠性较低，传感器封装、检测尚未形成系列、标准和统一接口等。这些问题也限制着MEMS领域的制造能力以及服务高新技术产业的能力，限制了仪器仪表工业、航空航天等高精密测量领域的发展。
目前很少提及成像反射偏振仪的类似设计，此外很多反射偏振仪因为需要在整个测量光路***中形成偏振光并且检测偏振光，因此其设计时需要两块偏振片，并且很多都需要用到旋转器件，这样不仅会造成仪器成本的增加，并且会增大仪器***测量误差，降低仪器的测量精度。
目前常见的偏振反射仪设计，其并未将成像功能结合起来，这样意味着并不能针对待测样机的某一测量区域进行检测，只能选取相同点重复侧脸或者测量多个点选取平均值。这样在检测非均匀待测样机是往往会造成很大的误差，也无法完成具体到待测样件某一特定点的测量。此外，目前在测量一些周期性结构时，一般会选用严格耦合波分析法(RCWA)，该方法在测量亚波长结构时测量精度高并且测量时间短，但是在测量微米复杂形貌结构时，严格耦合波分析法因为Fourier级数的提高，其测量优势便会慢慢消失。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种偏振反射测量***及结构参数测量方法，其目的在于，在***其中加入成像光路对待测样品进行成像观察，可以精确表征测量区域，同时将偏振片从两片降低为一片，并改变偏振片放置位置，节约了成本同时降低了光学***模型的校准误差，提高了***测量精度。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种偏振反射测量***，包括从上至下依次同轴设置的光谱仪探测器、聚焦透镜、第一分光镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜和样品台，其中：
所述第一分光镜一侧设置有照明光源、管镜和CCD相机，所述照明光源发出的照明光依次经过第一分光镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜后，聚焦在放置于样品台的待测样品上，然后原路返回至第一分光镜，最后经管镜汇聚到CCD相机中成像；
所述第二分光镜一侧设置有测量光源和准直透镜，所述测量光源发出的测量光依次经过准直透镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜后，聚焦在待测样品上，然后原路返回至第二分光镜，并由聚焦透镜导入到光谱仪探测器中。
作为进一步优选的，所述样品台上开设有通孔，且样品台下设置有吸附腔，该吸附腔通过所述通孔对待测样品进行吸附固定。
作为进一步优选的，所述样品台安装在Z轴位移台上，该Z轴位移台用于对待测样品位置进行微调。
作为进一步优选的，还包括外壳和机架，所述光谱仪探测器、聚焦透镜、第一分光镜、第二分光镜、偏振片、反射式物镜均安装在所述外壳中；所述机架一端固定在外壳上，另一端用于放置所述Z轴位移台。
作为进一步优选的，所述光谱仪探测器与所述测量光源通过一分二光纤连接。
作为进一步优选的，所述偏振片上连接有步进电机，用以调整该偏振片的角度。
按照本发明的另一方面，提供了一种结构参数测量方法，其采用上述偏振反射测量***实现，包括如下步骤：
S1、通过偏振反射测量***分别测量反射率为0的黑样样件的反射光强谱Ib(λ)，以及反射率谱为Rr(λ)的标准高深宽比结构样件的反射光强谱Ir(λ)；调整偏振片角度，分别测量待测样品在p偏振光下的反射光强谱Im-p(λ)，以及其在s偏振光下的测量反射光强谱Im-s(λ)，进而得到待测样品反射率谱；
S2、建立理论反射率与结构参数的超越函数，对该超越函数中的结构参数进行赋值，得到多个理论反射率谱，其共同构成反射率谱族；进而根据待测样品反射率谱，在反射率谱族中进行拟合，得到待测样品结构参数。
作为进一步优选的，所述步骤S1中，根据下式得到待测样品反射率谱Rmeas：
Figure BDA0002840136170000031
其中，Tr为标准高深宽比结构样件测量所对应的积分时间，Tm-p为待测样品p偏振态测量所对应的积分时间，Tm-s为待测样品s偏振态测量所对应的积分时间。
作为进一步优选的，所述步骤S2中，进行拟合时，计算待测样品反射率谱与反射率谱族中各个理论反射率谱在各个点上的均方差，均方差最小时的理论反射率谱对应的结构参数，即为待测样品结构参数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种可光学成像的反射偏振仪测量***，在其中加入了成像光路，利用该成像光路对待测样品进行成像观察，可以精确的表征测量区域，提高测量精度，同时本发明对成像光路进行设计，将光路***内部偏振片从两片降低为一片，并改变偏振片原有放置位置，使得该偏振片既提供起偏器的功能，也同时起到了检偏器的作用，在不影响测量精度的同时即节约了成本，又大大降低了光学***模型的校准误差，从侧面也是提高了***的测量精度，特别适合于微米级大深宽比结构的测量。
2.本发明设置了Z轴位移台，保证了待测样机可以在Z轴方向进行微小位移移动，便于找到成像焦距，从而使得CCD呈现清晰的像；同时将机架与轴向位移调节装置分离开，保证了轴向位移的精度与调焦人员在调焦过程中的操作感。
3.因为本发明测量样品都是纳米微米级，其表面很光滑，为了保证样品固定在样品台不打滑，且保证在对单一点重复测量时的稳定性，故对应的在样品台下方设计了吸附腔结构，该结构通过气管与气泵连接，并且吸附腔结构上表面与样平台接触，且设计有五个通孔，当测量样件时打开气泵进行抽气，可以保证样品被固定在样品台上。
4.本发明利用反射偏振仪测量***对大深宽比结构进行结构参数测量，通过设立的照明光路来帮助寻找待测局部区域，保证反射偏振测量***在局部测量时的准确性，然后通过测量光路测量光强，进而得到反射率，再通过非线性方法得到与测量光谱拟合误差最小的理论光谱，进而得到待测大深宽比结构样品的实际结构参数，该方法检测速度快且测量精度高。
附图说明
图1为本发明实施例可成像的偏振反射测量光学***结构示意图；
图2为本发明实施例可成像的偏振反射测量光学***立体图；
图3为本发明实施例可成像的偏振反射测量光学***剖视图；
图4为本发明实施例可成像的偏振反射测量光学***主视图；
图5为本发明实施例可成像的偏振反射测量光学***左视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光谱仪探测器，2-聚焦透镜，3-第一分光镜，4-第二分光镜，5-步进电机，6-偏振片，7-反射式物镜，8-Z轴位移台，9-样品台，10-测量光源，11-准直透镜，12-CCD相机，13-管镜，14-照明光源，15-机架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种偏振反射测量***，如图1至图5所示，包括从上至下依次同轴设置的光谱仪探测器1、聚焦透镜2、第一分光镜3、第二分光镜4、偏振片6、反射式物镜7和样品台9，其中：
所述第一分光镜3一侧设置有同轴照明器和与该同轴照明器螺纹连接的CCD相机12，同轴照明器包括独立光源即照明光源14和管镜13；所述照明光源14发出的照明光依次经过第一分光镜3、第二分光镜4、偏振片6、反射式物镜7后，聚焦在放置于样品台9的待测样品上，照明光作用在待测样品后，按原路依次经反射式物镜7、偏振片6、第二分光镜4返回至第一分光镜3，最后经管镜13汇聚到CCD相机12中成像，此为照明光路。
所述第二分光镜4一侧设置有测量光源10和准直透镜11，所述光谱仪探测器1与所述测量光源10通过一分二光纤连接；所述测量光源10发出的测量光经过准直透镜11后变为平行光束，再经第二分光镜4、偏振片6变为线偏振光，然后被反射式物镜7以一定倾斜角度斜入射到待测样品表面，测量光作用在待测样品后，按原路依次经反射式物镜7、偏振片6返回至第二分光镜4，并由聚焦透镜2导入到光谱仪探测器1中，得到测量光强，此为测量光路。
进一步的，由于测量样品都是纳米、微米级，其表面很光滑，为了保证样品固定在样品台不打滑，且保证在对单一点重复测量时的稳定性，对应的在样品台9下方设计了吸附腔结构，该结构通过气管与气泵连接，并且吸附腔结构上表面与样平台接触，且会设计有五个通孔，当测量样件时打开气泵进行抽气，这样就可以保证样品被固定在样品台上。
进一步的，所述样品台9安装在Z轴位移台8上，该Z轴位移台8用于对待测样品Z轴方向上的位置进行微调(建立空间直角坐标系，以竖直方向为Z轴)，便于找到成像焦距，从而使得CCD相机呈现清晰的像；此外，***还包括外壳和机架15，光谱仪探测器1、聚焦透镜2、第一分光镜3、第二分光镜4、偏振片6、反射式物镜7均安装在外壳中；机架15一端固定在外壳上，另一端用于放置所述Z轴位移台8，机架的结构式设计可防止因为整个光路结构自身重力而对机架带来的剪力与弯矩，将机架与轴向位移调节装置分离开，保证了轴向位移的精度与调焦人员在调焦过程中的操作感。
进一步的，所述偏振片6上连接有步进电机5，从而保证能够准确的改变偏振片的角度，从而精准操控测量光的偏振态；该步进电机5由固定夹具固定在外壳中，保证其在测量过程中稳定性，同时也保证了光源共光轴。
采用该偏振反射测量***进行测量时，通过设立的照明光源来帮助寻找待测局部区域，以保证反射偏振测量***在局部测量时的准确性；为了保证成像***在偏振反射测量***进行局部精确表征，可以结合宽光谱测量光源与反射式物镜确定测量区域大小，并利用成像***将该区域表达出来。具体的，测量反射光强谱时，首先关闭测量光源10，打开照明光源14，通过CCD相机12观察待测样品成的像，待成像清晰后关闭照明光源14，然后打开宽光谱的测量光源10，利用步进电机5转动偏振片6角度，进而控制测量光的偏振态，然后通过光谱仪探测器1得到反射光强谱。
进一步的，在偏振反射仪测量过程中，穆勒矩阵并不是直接测量得到的，而是通过对应的***模型间接获取，因此偏振反射仪测量***在测量过程中会存在误差。在模型求解中，误差会通过相应系数传递至最终的斯托克斯向量中，因此减低误差参数以改善仪器测量的误差传递过程是保证偏振反射仪实现高精度测量的前提条件。对于偏振反射仪来说，其误差主要来源于反射式物镜的***偏差，区别于常见旋转器件的校准方法，因为偏振反射仪***本身是没有旋转元器件的，因此摒弃了传统的从Fourier分析的方法，将借助色散方程来去得到波长与待测参数之间的关系，进而完成对***误差进行分析校准。对于反射式物镜的校准，用色散连续方程表示其对应的穆勒矩阵元素，从而得到在整个光谱范围内真实反射式物镜的穆勒矩阵，对一个形貌参数已知的待测样品进行测量，然后得到反射式物镜对应的穆勒矩阵其一般表达式，从而完成对反射式物镜的校准。最后将校准好的***模型代入，通过理论光强的差值来判断校准的好坏。
在测量周期性结构时一般会选用严格耦合波分析法(RCWA)来进行正向建模，但是该方法前提是在测量亚波长结构时，但是所设计的偏振反射测量***用来测量大高深宽比结构的微米量级结构，这时严格耦合波分析法计算效率已经无法提高。因此为了提高计算效率，降低计算时间，本发明采用有限时域差分法(FDTD)来进行正向建模，具体来说，用斯托克斯向量来描述光谱仪探测器的斯托克斯矩阵，该矩阵的第一向量表示光谱仪探测器得到的光强，而通过偏振反射测量***的光学模型得到光谱仪探测器的理论光强，而理论反射率是通过理论光强得到的，因此本发明提供了一种偏振反射测量***的***光学模型，可表示为：
Sout＝[MA·R(A)·MSp·MR]×MS×[MR·MSp·R(-P)·MP]×Sin
其中，Sin、Sout分别表示入射光的斯托克斯向量与偏振反射仪出射光的斯托克斯向量，且斯托克斯向量S＝[S1 S2 S3 S4]；R(A)、R(P)分别代表检偏器、起偏器的旋转矩阵；
假设入射光为偏振光，则有：Sin＝[1 0 0 0]，理想状况下出射光为完全偏振光，则对于出射光的斯托克斯向量有：
Figure BDA0002840136170000081
如果为部分偏振光，则有：
Figure BDA0002840136170000082
其中，p为部分偏振光的偏振度，对于完全偏振光有p＝1，对于自然光即完全非偏振光有p＝0；
以MAMSMPMRMSp分别表示检偏器、样品、起偏器、分光镜以及反射式物镜对应的穆勒矩阵，本***中起偏器与检偏器均指偏振片6；
则起偏器与检偏器所对应的穆勒矩阵为：
Figure BDA0002840136170000083
其中，A、P表示起偏器与检偏器对应的快轴方位角；
反射式物镜利用各项同性薄膜穆勒矩阵来进行描述：
Figure BDA0002840136170000084
其中，
Figure BDA0002840136170000085
rp、rs分别为p偏振光照射下和s偏振光照射下对应的反射系数，ψ为电磁波的振幅比，Δ为电磁波的相位差；
待测样品的穆勒矩阵为：
Figure BDA0002840136170000086
进而偏振反射测量***中光路***可表示为：
Figure BDA0002840136170000091
其中，I为x方向光强加y方向光强，Q为x方向光强减y方向光强，U为2倍的45度光强减去x方向光强与y方向光强，V为2倍的45度光强(加入方位为0的1/4波片)减去x方向光强加y方向光强。
从而通过有限时域差分法正向建模得到的***模型，可得到理论光强I，可根据该理论光强对测量光强进行校准。有限时域差分法本身采用了中心差分的方法，所以在计算过程中不需要近似，所以整个计算精度会比严格耦合波分析法提高；此外因为有限时域差分法可以采用并行计算的方式，这样计算时间会比其他方法快很多。为了证明其合理性，使用波段范围700-1600nm光耦波段，设置结构线宽为1um，高度为5um，左右侧倾角均为89°；分别使用RCWA与FDTD法利用Matlab对提出的反射率计算公式进行建模分析，在后期验证其测量精度与RCWA相比，误差接近1％，说明FDTD在提高测量时间的同时也有着很高的测量精度，FDTD对于形貌参数复杂的结构建模要比RCWA更有优势。
通过上述偏振反射测量***对大深宽比结构样品(深宽比大于20:1)进行结构参数测量，原理是利用了光学测量方法来进行结构参数测量，将一束宽光谱测量光经过偏振片以及反射式物镜等一系列光学元器件后垂直打到待测样品上，这时光束会在大深宽比样品上表面反射以及折射通过上表面在底面反射后通过样品上表面与反射光发生干涉现象；紧接着将经过样品表面作用后的光强沿着反射式物镜、偏振片以及分光镜等一系列光学元器件后被光谱仪探测器捕捉收集到测量光强；然后通过光强进而得到反射率，再通过非线性方法得到与测量光谱拟合误差最小的理论光谱，这时便认为该理论光谱对应的结构参数就为待测大深宽比结构样品的实际结构参数。具体来说，包括如下步骤：
S1、通过偏振反射测量***分别测量反射率为0的黑样样件的反射光强谱Ib(λ)，以及反射率谱为Rr(λ)的标准高深宽比结构样件的反射光强谱Ir(λ)。
S2、调整偏振片角度，测量待测样品在p偏振光下的反射光强谱Im-p(λ)；继续调整偏振片角度，测量待测样品在s偏振光下的测量反射光强谱Im-s(λ)。
S3、进而根据下式得到待测样品反射率谱Rmeas：
Figure BDA0002840136170000101
其中，Tr为标准高深宽比结构样件测量所对应的积分时间，Tm-p为待测样品p偏振态测量所对应的积分时间，Tm-s为待测样品s偏振态测量所对应的积分时间。
S4、反射率与待测样品的结构参数(即线宽与侧倾角)是一个超越函数的关系，并不能用函数的显式来表达，因此将光强和波长建立成函数关系，将待测结构中的线宽与侧倾角看作函数中的参数，其中反射率与波长λ之间的关系为：
Rmeas＝Rmeas(λ,CDunknown；SWAunknown)
通过对该反射偏振测量***进行不断的赋予线宽CD与侧倾角值SWA，就可以得到一个反射率谱(即反射率对应波长的函数)；给定一个线宽/侧倾角序列：[CD/SWA]＝[CD1/SWA1,CD2/SWA2,CD3/SWA3...CDn/SWAn]，得到对应的反射率谱序列，将其称为反射率谱族Rcale＝[R1(λ1),R2(λ2),R3(λ3),...Rn(λn)]。
S5、根据待测样品反射率谱Rmeas，在反射率谱族中进行拟合，得到待测样品结构参数。所述步骤S2中，进行拟合时，计算待测样品反射率谱与反射率谱族中各个理论反射率谱在各个点上的均方差，均方差最小时的理论反射率谱对应的结构参数，即为待测样品结构参数。
为了能够保证测量精度足够准确，采用拟合的方法，即在反射率谱族中，求一个反射率谱在整个波长范围内能够最佳的拟合测量反射率谱；最佳拟合条件是指计算反射率谱与测量反射率谱差值在各种点上差值最小，即均方差最小，在偏振反射测量***中，该特性具体用MSE来表示：
Figure BDA0002840136170000111
其中，m为波长点个数，Rcalc和Rmeas分别是指理论状态和测量状态下对应的反射率谱。
理想状况下，Rcalc将能完全拟合上Rmeas，这时MSE等于0；然而理论模型中是将高深宽比结构理想化了，所以实际上Rcalc将不能完全拟合上Rmeas，也就是MSE不可能为0。此时，通过对MSE函数求取最小值，从而得到能够最佳拟合Rmeas的Rcalc，这时近似认为此时Rcalc对应的结构线宽与侧倾角[CD/SWA]就是所要测量得到的高深宽比结构的线宽与侧倾角。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种偏振反射测量***，其特征在于，包括从上至下依次同轴设置的光谱仪探测器(1)、聚焦透镜(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、偏振片(6)、反射式物镜(7)和样品台(9)，其中：
所述第一分光镜(3)一侧设置有照明光源(14)、管镜(13)和CCD相机(12)，所述照明光源(14)发出的照明光依次经过第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、偏振片(6)、反射式物镜(7)后，聚焦在放置于样品台(9)的待测样品上，然后原路返回至第一分光镜(3)，最后经管镜(13)汇聚到CCD相机(12)中成像；
所述第二分光镜(4)一侧设置有测量光源(10)和准直透镜(11)，所述测量光源(10)发出的测量光依次经过准直透镜(11)、第二分光镜(4)、偏振片(6)、反射式物镜(7)后，聚焦在待测样品上，然后原路返回至第二分光镜(4)，并由聚焦透镜(2)导入到光谱仪探测器(1)中。
2.如权利要求1所述的偏振反射测量***，其特征在于，所述样品台(9)上开设有通孔，且样品台(9)下设置有吸附腔，该吸附腔通过所述通孔对待测样品进行吸附固定。
3.如权利要求1所述的偏振反射测量***，其特征在于，所述样品台(9)安装在Z轴位移台(8)上，该Z轴位移台(8)用于对待测样品位置进行微调。
4.如权利要求3所述的偏振反射测量***，其特征在于，还包括外壳和机架(15)，所述光谱仪探测器(1)、聚焦透镜(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、偏振片(6)、反射式物镜(7)均安装在所述外壳中；所述机架(15)一端固定在外壳上，另一端用于放置所述Z轴位移台(8)。
5.如权利要求1所述的偏振反射测量***，其特征在于，所述光谱仪探测器(1)与所述测量光源(10)通过一分二光纤连接。
6.如权利要求1-5任一项所述的偏振反射测量***，其特征在于，所述偏振片(6)上连接有步进电机(5)，用以调整该偏振片(6)的角度。
7.一种结构参数测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的偏振反射测量***实现，包括如下步骤：
S1、通过偏振反射测量***分别测量反射率为0的黑样样件的反射光强谱Ib(λ)，以及反射率谱为Rr(λ)的标准高深宽比结构样件的反射光强谱Ir(λ)；调整偏振片角度，分别测量待测样品在p偏振光下的反射光强谱Im-p(λ)，以及其在s偏振光下的测量反射光强谱Im-s(λ)，进而得到待测样品反射率谱；
S2、建立理论反射率与结构参数的超越函数，对该超越函数中的结构参数进行赋值，得到多个理论反射率谱，其共同构成反射率谱族；进而根据待测样品反射率谱，在反射率谱族中进行拟合，得到待测样品结构参数。
8.如权利要求7所述的结构参数测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据下式得到待测样品反射率谱Rmeas：
Figure FDA0002840136160000021
其中，Tr为标准高深宽比结构样件测量所对应的积分时间，Tm-p为待测样品p偏振态测量所对应的积分时间，Tm-s为待测样品s偏振态测量所对应的积分时间。
9.如权利要求7所述的结构参数测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行拟合时，计算待测样品反射率谱与反射率谱族中各个理论反射率谱在各个点上的均方差，均方差最小时的理论反射率谱对应的结构参数，即为待测样品结构参数。
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