基于相干光的微电子光学测量系统技术分析

2020-12-10陆亚青

电子元器件与信息技术 2020年9期

陆亚青

（无锡科技职业学院，江苏无锡 214000）

0 引言

从技术发展方向来看，微电子结构的尺寸减小、规模增大的变化趋势不可阻挡，且这种变化在一定程度上能够提高微电子结构的性能。而这种变化也导致微电子行业发展受到诸多新的限制，其中以光学关键尺寸（OCD）问题表现的尤为明显。为了能够更好地适应微电子行业发展需求，相关人员必须要进行技术创新，并在现有技术体系上探索新的工作方向，其中相干光技术的发展顺应了这种变化，值得关注。

1 相干光光学系统在微电子测量中的技术分析

1.1 常规技术的缺陷

从技术角度来看，相干光系统通过成像方法能够测量微结构的表征数据，而由此发展而来的相干光光路系统，是以激光器发出的单色光为光源，在做多角度照明后，平行光达到微结构的表面，并通过收集光路采集光的信息。

在传统的微电子测量技术中，光学关键尺寸测量系统采用了宽光谱光源模式，可对被检测目标做单角度照射，按照不同波长入射光的零级衍射光，结合相关优化算法，在经过反演处理后，获得光栅结构的尺寸数据[1]。而在实际上，传统的测量系统中，其模拟过程忽视了光干涉信息，因此随着微结构的尺寸越小，其误差问题表现得越明显。

1.2 相干傅里叶散射

目前非相干光学散射测量方案是相对成熟的测量手段，部分企业开始通过该技术来进行纳米级别的测量，并且大量的实践经验证明，该技术在微结构参数测量中的效果显著，在确定微结构后，通过对特定波段做测量分析，此时在经过光栅散射后，根据远场提供的衍射信号获得微结构的表征结构。在这个技术流程上，非相干光学散射测量的光源，主要来源于滤波器，属于准单色光。相比之下，本文所采用的相干傅里叶散射技术（CFS）与常规技术相比具有显著优势，能够实现对待测微结构的覆盖性测量，并通过将不同结构的光做叠加扫描后，获得微结构资料；也可以做单一角度入射扫描，工作人员通过调整步进距离，最终提取相干结果。因此在技术上，通过相干傅里叶散射技术，能够周期性识别光栅结构的尺寸资料，并进行多层、单层的扫描，并且因为使用了覆盖测量技术，所以测量结果中的重叠部分中含有相干信息，所以数据的精准度得到保障。

2 相干光光路系统实现

2.1 相干光光路系统的设计思路

在相干光光路系统中，照明部分光路属于激光器发射的光，激光在经过滤波器处理后改变为单色光；单色光在经过散射器的加工处理后，会直接成像至CBFP（共轭后焦平面）,经偏振控制器后转变为具有单一偏态特征的线偏光。此时根据科勒照明原理，后焦平面的任意一个透光孔位置上的点光源均可映射为平面波，该平面波可根据测量需求设置特定的偏向角度[2]。

在相干光系统中，多角度照明主要是通过后焦平面上的多个位置照明实现的；用偏振控制器调整光的偏振态状态，由此能够更有效的利用相干光光路参数。每个角度的光在经过透镜与分光片后，最终以多角度照明模式映射至待测光栅上，并在光栅位置产生衍射，衍射光会在接收面完成反射。

2.2 多角度照明方法实现

2.2.1 多角度照明方法的关键技术

本次研究中采用了科勒照明技术实现多角度照明，该技术的主要优势是可以在表面上衍生不同角度的照射光，且每个点光源会最终汇聚至聚光镜后焦平面上。

2.2.2 平行光的衍射计算

在计算中，根据RCWA模型算法的相关要求，可获得零级衍射信号的光强度数据，且其中的数据变化体现了不同角度的光强度数据。

研究期间，通过任意调整一周期的光栅结构，所设置的测试环境为：光栅由硅（Si）材料组成，设置光栅深度200nm，宽度150cm；采集周期300nm，光源波长度532nm。

在光照测量后，结果显示光源波长度与测量结果之间呈现出正比例关系，光波越短则证明尺寸越小，其中将激光器的波长设置为193nm，光栅周期50nm，光栅深度200nm，光栅的凸起尺寸大小为25nm。

2.3 相干光光路系统的应用

在相干光光路系统应用中，本文根据傅里叶域成像方法，对所检测的参数做成像分析，系统的基本结构如图1所示。

在图1的结构上，本文使用了在CCD面上成像的方法，这种技术手段的主要优势，就是可以改变待测样本的轴向位置，并满足离焦图像重建的要求，能够快速生成3D图像，满足微电子结构更小尺寸的测量要求，目前来看是突破衍射极限的有效方法，文献［3］指出，这种测量方法已经满足纳米级别的精度测量要求。

同时在测量系统的构建上，使用多波长零级衍射光强度反演，可识别系统的关键数据参数，并结合相干光光学系统的相干结果，能够直接将特定波长的相干强度信息在系统中做反演，使整个系统测量结果的灵敏度更高，可避免出现待测样品因为多次成像而出现的数据误差问题，测量的精准度更高。

根据图1介绍的系统结构，假设将接收面设定在透镜离焦位置，此时每个角度的平行光在收集光路后，会在接收面上形成离焦光斑。而由于接收面像素点位置的光程是不同的，所以接收面上最终会出现多角度光斑，并出现光程差，光程差会出现相位差。

2.4 接收面的灵敏度管理

2.4.1 构建函数模型

为了能够进一步提高相干光微电子光学测量结果的灵敏度，考虑到测量系统的灵敏度会随着微电子元件的尺寸大小变化而出现相应的改变，其中尺寸越小则灵敏度更低，为了能够更好的评价系统灵敏度，则可按照公式（1）来识别其中的函数特征。

在式（1）中，P1、P2分别代表周期性光栅的参数，包括占空比与周期等；R1、R2分别是P1、P2相对应的零级衍射率。在数据处理中，通过分别比较相干光的微电子结果，可根据反射率RP以及相干光测量系统来提高系统的准确性。

在数据处理中，光栅凸起尺寸是其中的关键尺寸，而考虑到光栅凸起尺寸与占空比之间存在明显的关系[4-5]，则在数据处理中可将其规定在特定的参数下，由此识别相干光系统的灵敏度。

2.4.2 接收面的数据采集

在接收面的数据采集期间，可针对接收面上未发生相干像素点的周期性抽样，其中考虑到相干加强点的抽样采集要求，可通过不同点的强度值来提高系统的灵敏度。假设光栅、凸起材料为硅（Si），光栅周期50nm、深度200nm，激光器波长190nm。根据实验的仿真结果可发现，不同占空比的强度值具有周期性的特征，在进行抽样分析后，发现其强度值分布呈现出曲线变化，数据分布为：CCD接收面像素点位置为187时，对应的零阶衍射光强度差值为0.01073（cd）；像素点位置为977时，Y轴的零阶衍射光强度差值达到0.0107（峰值），之后随着像素点位置参数增加，零阶衍射光强度差值逐渐下降。

2.4.3 不同角度范围对系统灵敏度的影响

在系统处理中，为保证测量结果更加稳定，在抽样后可将强度值求和并提取其中的平均值，由此来分析其角度范围变化对灵敏度的影响[6-7]。本次研究中设置光源波长达到193mm，一维周期光栅结构的周期值为50cm，深度值200nm，最终测量结果显示，在光栅参数与光源波长相同的情况下，随着角度的变化，系统灵敏度会逐步下降，尤其是当角度下降到10°之后，系统灵敏度的变化与角度范围变化相比更小。