一种半导体椭偏测量校正方法及装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种半导体椭偏测量校正方法及装置。

背景技术

光谱型椭偏仪是检测半导体晶元膜厚的重要工具，为了检测更小的区域，椭偏仪中需要有一对镜头组对样品进行聚焦，经过样品反射后再进行准直。镜头中由于镜头材料本身有应力，镜片之间胶合可能产生应力，镜片安装在镜筒内也可能产生应力。因此，新生产的镜头需要放置一段时间以消除或减少应力。

但是，即便放置一段时间，镜头仍然无法避免会有残余应力。为了使椭偏仪测量效果达到最佳，镜头组是经过挑选和配对的，使其总的Mueller矩阵更接近单位矩阵。使其装配在椭偏仪上镜头+样品+镜头的总的组合的Mueller矩阵等于或者接近样品本身的Mueller矩阵。尽管镜头是经过挑选和配对的，但是仍然无法完全避免应力的影响，器Mueller矩阵中m34、m24不一定为0。

发明内容

本发明的一个方面，一种半导体椭偏测量校正方法，用于椭偏测量中对镜头应力的校正。在椭偏测量时，将起偏器角度设为A1＝+P0,通过对检偏器出射光检测计算，获得傅里叶系数α

α

β

这里，所述起偏器角度A1与A2为起偏器相对入射面参考方向所处角度。

A1＝+P0为沿入射光轴逆时针旋转P0角度，A2＝-P0为沿入射光轴顺时针旋转P0角度。“～”是数值上取负号的含义。

该校正可以进一步消除镜头应力对椭偏仪测量结果的影响。通过对椭偏仪中起偏器设置为±P0角度测量两次，得到两组α和β曲线，再将两组α和β进行平均，得到更接近真实的α和β。将本发明实施例用于半导体晶圆膜厚检测，可以使光谱型椭偏仪测量的α和β曲线更准确，从而使得拟合得到的膜厚以及待测材料折射率参数n和k值更准确。

本发明另一个方面，一种椭偏测量镜片应力消除方法，对低应力镜头进行挑选组成椭偏测量镜头组，包括测量各候选镜头的应力大小以及快轴方向，从中选择两个应力接近的候选镜头进行配对组成镜头组。

该方法采用直通Mueller矩阵椭偏仪结构，测量镜头的Mueller矩阵以及快轴方向，并采用镜头的快轴与参考方向相同时的Mueller矩阵中的M34元素或M43元素表征镜头的应力大小。

采用该方法得到的镜头组可以基本将镜头应力消除，镜头组的Mueller矩阵接近单位矩阵，使其对测量的影响最小。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1根据本发明实施例之一的椭偏仪测量中对起偏器角度设置为±P0进行两次测量示意图。

图2根据本发明实施例之一的某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的α和β及其平均值曲线图。

图3根据本发明实施例之一的某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的α及其平均值曲线图。

图4根据本发明实施例之一的某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的β及其平均值曲线图。

图5根据本发明实施例之一的单个镜头应力检测结构示意图。

图6根据本发明实施例之一的镜头组应力检测结构示意图。

图7根据本发明实施例之一的单个镜头测量m34测量曲线。

图8根据本发明实施例之一的单个镜头m24测量曲线。

图9根据本发明实施例之一的配对后镜头组m24和m34。

图10根据本发明实施例之一的配对后镜头组m42和m43。

具体实施方式

镜头或镜头组是光学检测仪器(例如椭偏仪)和光学制造设备(例如)上常用光学器件，以高精度的半导体晶元膜厚检测设备椭偏仪为例，镜头和镜头组的应力对测量结果会有一定的影响，尤其是在紫外波段，影响更大。镜头可以用一个Mueller矩阵来描述，理想的镜头应当是一个单位矩阵，对于有应力的镜头，可以用玻片模型的Mueller矩阵来描述，当镜头快轴不沿参考方向(也即为任意方向)时，其Mueller矩阵可以近似的表示为：

将其带入PSA结构的RAE椭偏仪α和β求解方程中，可以得到镜头具有应力下起偏器设置为±P0的α和β表达式为：

式(2)中，α

如果不忽略二次高阶项，可以得到起偏器测量角度为±P0下测量的α和β的平均值为：

如果忽略二次高阶项，可以得到起偏器测量角度为±P0下测量的α和β为：

α

β

α

β

如果忽略二次高阶项，可以得到起偏器测量角度为±P0下测量的α和β的平均值为：

α

β

由此表达式可知，起偏器测量角度为±P0下测量的α的平均值与真实α相等，β的平均值等于真实β减去β乘以一个和样品参数Δ以及镜头参数m

在本公开附图中，图1是本公开中椭偏仪中起偏器角度设置为±P0进行两次测量示意图，图2是某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的α和β及其平均值，图3是某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的α及其平均值，图4是某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的β及其平均值。

如图1所示的椭偏仪测量结构示意图，先将椭偏仪中起偏器角度设置为+P0，进行测量，得到一组测量α和β曲线。再将起偏器角度设置为-P0，进行测量，得到一组测量的α和β曲线。对起偏器角度为±P0测量得到的α和β曲线进行平均，得到更接近真实值得α

图2显示了某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的α和β及其平均值。对此厚度而言，α的平均值介于起偏器设置为±P0测量的α

图3显示了某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的α及其平均值的紫外波段部分(190-250nm),可以清楚的看到α

图4显示了某厚度SiO2样品下起偏器角度设置±P0测量得到的β及其平均值的紫外波段部分(190-250nm),可以看到，β

进一步的，如图1所示，先将椭偏仪中起偏器角度设置为+P0，进行测量，得到一组测量α和β曲线。再将起偏器角度设置为-P0，进行测量，得到一组测量的α和β曲线。对起偏器角度为±P0测量得到的α和β曲线进行平均，得到更接近真实值得α

本发明实施例涉及一种椭偏仪测量技术。椭偏仪是检测半导体晶元膜厚的关键设备。为了能够测量很小区域的膜厚，需要使用镜头将入射光聚焦到待测样品上，对称的，出射光也需要相同的镜头收集光束和准直。镜头组具有一定的应力，因而其Mueller矩阵不是单位矩阵，对椭偏仪测量结果会有一定的影响。由于镜头组应力影响，椭偏仪测量得到的α和β(与样品参数Ψ和Δ有关)与拟合得到的α和β会有一定的差异，这个差异在紫外波段(190-200nm附近)尤为明显。椭偏仪在测量状态下，起偏器和入射面夹角为P0。

因此本公开的解决椭偏仪镜头残余应力方法之一，一种椭偏测量镜片应力校正方法，采用起偏器角度为±P0两次测量，再对测量的α和β取平均值(α直接取平均，对-P0测量的β先取反再平均)，可以降低镜头组应力的影响(其Mueller矩阵不是单位矩阵)而导致的α和β测量曲线与拟合曲线的差异(主要是紫外波段)。

为了使椭偏仪测量效果达到最佳，除了采用应力校正计算方法，也不排除可以采用挑选应力较小镜头的方法，将两个镜头按照一定的角度进行匹配，使得镜头组总Mueller矩阵接近单位矩阵。即采用一种低应力镜头配对形成镜头组的方法，采用直通Mueller矩阵椭偏仪测量镜头的Mueller矩阵以及快轴方向，并根据测量结果对镜头进行配对得到镜头组，减小了镜头的应力对椭偏仪测量效果的影响。

根据一个或者多个实施例，一种低应力镜头配对形成镜头组，用以消除椭偏仪镜头应力的方法。该方法具体包括：测量各候选镜头的应力大小以及快轴方向，从中选择两个应力接近的候选镜头进行配对组成镜头组。

采用直通Mueller矩阵椭偏仪测量镜头的Mueller矩阵以及快轴方向，并采用镜头的快轴与参考方向相同时的Mueller矩阵中的M34元素或M43元素表征镜头的应力大小。镜头可以用一个Mueller矩阵来描述，理想的镜头的Mueller矩阵应当是一个单位矩阵，对于有应力的镜头，可以用玻片模型的Mueller矩阵来描述，当镜头快轴沿参考方向时，其Mueller矩阵可以表示为：

其中，δ为快慢轴相位延迟，一般而言，镜头的应力较小(δ较小)，cosδ在全波段都很接近1，sinδ是一个较小的数。

两个镜头应力接近，指的是两个镜头的Mueller矩阵的M34元素或M43元素差异小于低应力标准所对应的阈值。

为了配对形成镜头组，首先测量各候选镜头的快轴与参考方向相同时的Mueller矩阵。此时的Mueller矩阵的元素m34(sinδ)可用于表示该镜头的应力大小。为了测量单个镜头快轴方向及应力大小，可以采用如图5所示的直通Mueller矩阵椭偏仪结构，平行光入射依次经起偏器P，玻片C1，待测镜头L1，单透镜L2，玻片C2，检偏器A后入射到探测器(光谱仪)中，玻片C1和C2按照一定的转速比旋转，由光谱仪测量出C1和C2在不同角度下的光谱可以求出各阶傅里叶系数(α

将单个镜头的快轴方向检测出来后，需要将两个镜头配对组成镜头组。两个镜头的选择应当选取应力大小相同(或者很接近，也就是当镜头快轴在参考方向时，m34曲线形状大小都很接近)的两个镜头来进行配对，否则无法得到较佳的配对结果(即得到的镜头组的总Mueller矩阵接近单位矩阵，其元素m24、m34、m42、m43都接近0)。

两镜头配对检测结构如图6所示：平行光入射依次经起偏器P，玻片C1，镜头L1，镜头L2，玻片C2，检偏器A后入射到探测器(光谱仪)中，玻片C1和C2按照一定的转速比旋转，由光谱仪测量出C1和C2在不同角度下的光谱可以求出各阶傅里叶系数(α

以上选取的镜头组合是在不含样品的情况下配对的，当镜头组安装在椭偏仪上进行测量时，需要镜头L1+样品+镜头L2组合的总的Mueller矩阵等于(或者很接近)样品本身的Mueller矩阵，这样测量出来的样品参数(n、k及厚度)更接近真实样品参数。镜头组安装在椭偏仪工装上的角度应当满足如下规则，假设镜头L1快轴方向与参考方向的夹角为a，那么镜头L2与参考方向的夹角应当为90°±a，优选的应当为90°-a。此外，为了更好的消除镜头组应力的影响，镜头L1的快轴方向角度a可以与起偏器偏振角度P0一样。例如当P0＝20°时，镜头L1角度可以取20°，镜头L2角度可以取90°-20°＝70°。

本发明实施例的有益技术效果包括，采用该方法得到的镜头组可以基本将镜头应力消除，镜头组的Mueller矩阵接近单位矩阵，使其对测量的影响最小。

根据一个或者多个实施例，一种低应力镜头配对形成镜头组，用以消除椭偏仪镜头应力的方法。本发明的实施例具体包括：

采用如图5所示的直通Mueller矩阵椭偏仪结构，平行光入射依次经起偏器P，玻片C1，待测镜头L1，单透镜L2，玻片C2，检偏器A后入射到探测器(光谱仪)中，玻片C1和C2按照一定的转速比旋转，由光谱仪测量出C1和C2在不同角度下的光谱可以求出各阶傅里叶系数(α

按前述方法测量多个单镜头，选择两个Mueller矩阵的m34相同或接近的镜头进行配对。两镜头配对检测结构如图6所示：平行光入射依次经起偏器P，玻片C1，镜头L1，镜头L2，玻片C2，检偏器A后入射到探测器(光谱仪)中，玻片C1和C2按照一定的转速比旋转，由光谱仪测量出C1和C2在不同角度下的光谱可以求出各阶傅里叶系数(α

对所配对的镜头组进行装配，假设椭偏仪测量时起偏器角度P0＝20°，镜头L1角度取20°装配，镜头L2角度取90°-20°＝70°进行装配。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

本申请实施例中，如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。