一種薄膜檢測裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種薄膜檢測裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜檢測在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，如半導(dǎo)體制造工藝的沉積、光刻、刻蝕、CMP等諸多 工藝過程中均需要使用膜厚檢測以對工藝進(jìn)行控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高良率。
[0003] 薄膜檢測需要測量單層膜或多層膜的膜厚，有時(shí)還需要測量n、k值，常用檢測手 段為反射儀測量或者橢偏儀測量。為獲取更多的信息以提高測量精度，可采用多波長測量、 多角度測量的方法。為實(shí)現(xiàn)多波長和多角度測量，通常使用光譜儀對測量光束分光探測；若 需要同時(shí)測量不同角度的信息，則需要改變照明光路和接收光路的角度，或者是改變光闌 位置以選擇不同角度的反射光進(jìn)行測量，由測量結(jié)果計(jì)算膜厚和光學(xué)常數(shù)。
[0004] 專利US5166752描述了一種使用一定入射角度范圍的光束照明樣品，并同時(shí)測量 不同角度反射光偏振信息的橢偏儀，但該裝置只能測量一條狹縫上的偏振信息，無法測量 不同方位角的偏振信息。專利US8139232描述了一種使用會聚光束照明樣品，并測量角譜 信息的橢偏儀，該測量裝置單次僅能使用一種波長進(jìn)行測量，要實(shí)現(xiàn)多波長測量需要切換 照明波長，無法同時(shí)進(jìn)行多波長測量。
[0005] 上述兩種方案均無法同時(shí)進(jìn)行多波長和整個(gè)角譜的偏振信息測量而獲得更高精 度薄膜測量結(jié)果。
[0006] 專利CN200980110569描述了一種污染檢測設(shè)備，使用線偏振的寬波段光照明樣 品，并使用光譜儀測量反射光某一特定偏振分量的光譜信息；該測量裝置通過測量光譜零 位改變(最小光強(qiáng)位置對應(yīng)波長的偏移)，計(jì)算得到污染物的沉積厚度。該裝置采用光譜測 量方式獲得不同波長的反射光強(qiáng)信息，以計(jì)算厚度，而非采用角譜測量方式獲得不同入射 角和方位角的反射光強(qiáng)信息以計(jì)算膜厚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種可以同時(shí)測量膜層的厚度 和光學(xué)常數(shù)薄膜檢測裝置和方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開公開一種薄膜檢測裝置，其特征在于，包括： 光源，用于提供包含不同波段的照明光束；光學(xué)元件單元，包括物鏡，該光學(xué)元件單元用于 將照明光束通過該物鏡照射到待測對象上，并收集該待測對象的反射光束；濾波器，用于 使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離；面陣探測器，位于該物鏡瞳面或者 物鏡瞳面的共軛面以采集反射光束的角譜信息；處理器，用于對該角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
[0009] 更進(jìn)一步地，該光源為一寬波段光源或者多個(gè)單色光源，該光源包括準(zhǔn)直鏡頭。
[0010] 更進(jìn)一步地，該光學(xué)元件單元包括起偏器。
[0011] 更進(jìn)一步地，該照明光束的方向與待測對象表面垂直，該光學(xué)元件單元還包括分 束元件，該照明光束依次通過該起偏器、分束元件以及物鏡入射到該被測對象表面，被該被 測對象反射后通過該物鏡、分束元件，最后由該面陣探測器接收。
[0012] 更進(jìn)一步地，該分束元件為直角分光棱鏡或半透半反鏡。
[0013] 更進(jìn)一步地，該物鏡的數(shù)值孔徑為0. 9以上。
[0014] 更進(jìn)一步地，該照明光束的方向與待測對象表面成一夾角，該物鏡包括前組透鏡 和后組透鏡，該照明光束通過該起偏器和前組透鏡傾斜入射到該被測對象表面后，被該被 測對象反射到后組透鏡，最后由該面陣探測器接收。
[0015] 更進(jìn)一步地，該物鏡的數(shù)值孔徑為0· 2~0· 3。
[0016] 更進(jìn)一步地，該待測對象與面陣探測器之間還包括檢偏器。
[0017] 更進(jìn)一步地，該光學(xué)元件單元包括旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。
[0018] 更進(jìn)一步地，該濾波器為窄帶濾光片，該濾波器位于該光源和物鏡之間。
[0019] 更進(jìn)一步地，該濾波器為窄帶濾光片，該濾波器位于該待測對象與面陣探測器之 間。
[0020] 更進(jìn)一步地，該光源包括不同發(fā)光波段的兩個(gè)單色光源和二向色光束合束器，該 兩個(gè)單色光源的照明光束分別被該二向色光束合束器透射和反射。
[0021] 更進(jìn)一步地，該面陣探測器之前還包括分光元件，該分光元件用于將不同波段的 反射光束引導(dǎo)至不同的面陣探測器。該分光元件為二向色分光片或者鍍有二向色分光膜的 直角分光棱鏡。
[0022] 本發(fā)明同時(shí)公開薄膜檢測裝置進(jìn)行薄膜檢測的方法，該光源發(fā)出包含不同波段的 照明光束，該照明光束進(jìn)入該光學(xué)元件單元，通過該物鏡后照射到待測對象上，該光學(xué)元件 單元收集該待測對象的反射光束，該濾波器使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn) 行分離，由該面陣探測器采集反射光束的角譜信息，最終處理器對該角譜信息進(jìn)行分析計(jì) 算。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的薄膜檢測裝置，可對整個(gè)角譜面進(jìn)行測 量，并且能同時(shí)測量多個(gè)波長。通過同時(shí)對多個(gè)波長和整個(gè)角譜面測量，能獲得更多的測 量信息，可以同時(shí)測量膜層的厚度和光學(xué)常數(shù)，也能測量較復(fù)雜的多層膜結(jié)構(gòu)，并可提高精 度、提高工藝適用性，縮短多波長測量時(shí)間。
【附圖說明】
[0024] 關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了 解。
[0025] 圖1是本發(fā)明所提供的薄膜檢測裝置的第一種實(shí)施方式； 圖2是本發(fā)明所提供的薄膜檢測裝置的第二種實(shí)施方式； 圖3是本發(fā)明所提供的薄膜檢測裝置的第三種實(shí)施方式； 圖4是本發(fā)明所提供的薄膜檢測裝置的第四種實(shí)施方式； 圖5是本發(fā)明所提供的薄膜檢測裝置的兩個(gè)波長的角譜反射率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0027] 薄膜檢測需要測量單層膜或多層膜的膜厚，有時(shí)還需要測量η值(折射率)、k值 (吸光系數(shù))，常用檢測手段為反射儀測量或者橢偏儀測量。其中反射儀通過測量樣品的反 射光強(qiáng)，計(jì)算得到樣品的反射率。通過測量不同角度或不同波長的反射率，將實(shí)測反射率與 建模仿真(如RCWA算法仿真)測量波長和入射角時(shí)，不同厚度和n、k值條件下得到的反射率 進(jìn)行比較，得到滿足條件的建模參數(shù)(或從預(yù)先計(jì)算得到的數(shù)據(jù)庫中找到最接近的數(shù)據(jù)樣 本，確定建模參數(shù))。橢偏儀測量偏振光經(jīng)樣品反射后的反射率Rp和Rs復(fù)數(shù)比率，其中Rp 為振動方向位于入射平面內(nèi)的電場的反射率，Rs為振動方向垂直于入射平面的電場的反射 率。Rp和Rs均為復(fù)數(shù)，且都與測量光波長、入射角、被測對象厚度、光學(xué)常數(shù)有關(guān)。橢偏儀 參數(shù)定義如下
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種薄膜檢測裝置，其特征在于，包括： 光源，用于提供包含不同波段的照明光束； 光學(xué)元件單元，包括物鏡，所述光學(xué)元件單元用于將照明光束通過所述物鏡照射到 待測對象上,并收集所述待測對象的反射光束； 濾波器，用于使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離； 面陣探測器，位于所述物鏡瞳面或者物鏡瞳面的共軛面以采集反射光束的角譜信 息； 處理器，用于對所述角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
2. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述光源為一寬波段光源或者多 個(gè)單色光源，所述光源包括準(zhǔn)直鏡頭。
3. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件單元包括起偏器。
4. 如權(quán)利要求3所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述照明光束的方向與待測對象 表面垂直，所述光學(xué)元件單元還包括分束元件，所述照明光束依次通過所述起偏器、分束元 件以及物鏡入射到所述被測對象表面，被所述被測對象反射后通過所述物鏡、分束元件，最 后由所述面陣探測器接收。
5. 如權(quán)利要求4所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述分束元件為直角分光棱鏡或 半透半反鏡。
6. 如權(quán)利要求4所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述物鏡的數(shù)值孔徑為0. 9以上。
7. 如權(quán)利要求3所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述照明光束的方向與待測對象 表面成一夾角，所述物鏡包括前組透鏡和后組透鏡，所述照明光束通過所述起偏器和前組 透鏡傾斜入射到所述被測對象表面后，被所述被測對象反射到后組透鏡，最后由所述面陣 探測器接收。
8. 如權(quán)利要求7所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述物鏡的數(shù)值孔徑為0. 2~0. 3。
9. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述待測對象與面陣探測器之間 還包括檢偏器。
10. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件單元包括旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償 器。
11. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述濾波器為窄帶濾光片，所述 濾波器位于所述光源和物鏡之間。
12. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述濾波器為兩種或兩種以上不 同波長透過的窄帶濾光片，所述濾波器位于所述待測對象與面陣探測器之間。
13. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述光源包括不同發(fā)光波段的兩 個(gè)單色光源和二向色光束合束器，所述兩個(gè)單色光源的照明光束分別被所述二向色光束合 束器透射和反射。
14. 如權(quán)利要求1所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述面陣探測器之前還包括分光 元件，所述分光元件用于將不同波段的反射光束引導(dǎo)至不同的面陣探測器。
15. 如權(quán)利要求14所述的薄膜檢測裝置，其特征在于，所述分光元件為二向色分光片 或者鍍有二向色分光膜的直角分光棱鏡。
16. -種采用權(quán)利要求1至15所述的薄膜檢測裝置進(jìn)行薄膜檢測的方法，其特征在于， 所述光源發(fā)出包含不同波段的照明光束，所述照明光束進(jìn)入所述光學(xué)元件單元，通過所述 物鏡后照射到待測對象上，所述光學(xué)元件單元收集所述待測對象的反射光束，所述濾波器 使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離，由所述面陣探測器采集反射光束的 角譜信息，最終處理器對所述角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種薄膜檢測裝置，其特征在于，包括：光源，用于提供包含不同波段的照明光束；光學(xué)元件單元，包括物鏡，該光學(xué)元件單元用于將照明光束通過該物鏡照射到待測對象上，并收集該待測對象的反射光束；濾波器，用于使不同波段的照明光束或反射光束在空間上進(jìn)行分離；面陣探測器，位于該物鏡瞳面或者物鏡瞳面的共軛面以采集反射光束的角譜信息；處理器，用于對該角譜信息進(jìn)行分析計(jì)算。
【IPC分類】G01N21-47, G01N21-21, G01B11-06
【公開號】CN104677299
【申請?zhí)枴緾N201310618148
【發(fā)明人】周鈺穎, 王帆
【申請人】上海微電子裝備有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月29日