一种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，特别涉及一种椭偏测量校正方法及装置。

背景技术

随着芯片制造业的发展，芯片制造越来越精密，制造芯片所用光刻机的波长也越来越短。目前中高端的光刻机使用的是DUV(deep ultraviolet)波段的光源(例如193nm的ArF激光器)或者EUV(extreme ultraviolet)波段的光源。

光谱型椭偏仪是检测半导体晶圆膜厚的关键设备，影响椭偏仪测量准确性有很多因素。椭偏仪中需要用到偏振器件，例如起偏器和检偏器。自然光经过理想的起偏器和检偏器，出射光是纯的线偏光。然而实际上起偏器和检偏器都不是完美的，自然光经过起偏器和检偏器后，出射光并不是纯的线偏光，而是具有部分偏振和或窄椭偏的特征，尤其是在紫外波段尤为明显(例如190nm左右)。在紫外波段，起偏器/检偏器的消光比由可见波段的几万比一降低为100:1左右，甚至更低。因此，椭偏仪测量的α和β曲线(与样品参数Ψ和Δ有关)在紫外波段可能会与α和β拟合曲线有比较明显的差别。为了提高椭偏仪在紫外波段的准确性，需要对起偏器和/或检偏器的部分偏振和/或窄椭偏进行校正。

发明内容

本发明实施例之一，一种椭偏测量校正方法，在光谱型椭偏仪测量中，当起偏器或检偏器的出射光具有部分偏振和/或窄椭偏特征时，对根据理想起偏器或检偏器拟合得到的傅里叶系数α

本发明的另一个实施例，一种光谱型椭偏仪，当起偏器或检偏器的出射光具有部分偏振和/或窄椭偏特征时，椭偏仪的计算处理器对根据理想起偏器或检偏器拟合得到的傅里叶系数α

本发明实施例的有益效果在于，当该椭偏测量校正或者装置用于半导体晶圆膜厚检测时，可以将光谱型椭偏仪拟合计算的傅里叶系数α和β曲线更准确，尤其是在紫外波段。

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的某厚度SiO2薄膜α和β曲线(实线)及拟合曲线(虚线)(190-900nm)示例图。

图2根据本发明实施例之一的椭偏仪测量的某厚度SiO2薄膜α和β曲线(实线)及拟合曲线(虚线)(190-250nm)示例图。

图3根据本发明实施例之一的对起偏器和检偏器部分偏振和窄椭偏进行校正后的α和β曲线(实线)及测量的α和β曲线(虚线)(190-900nm)示例图。

图4根据本发明实施例之一的对起偏器和检偏器部分偏振和窄椭偏进行校正后的α和β曲线(实线)及测量的α和β曲线(虚线)(190-250nm)示例图。

其中，横轴为波长，wavlength，单位nm，

纵轴为光谱，即alpha、beta(α和β)，

实线alpha_m和beta_m为量测光谱，

虚线alpha_correct和beta_correct为校正后拟合光谱

gof(Goodness of Fit)为光谱拟合度，在图中分别表示alpha和beta的拟合度。

具体实施方式

椭偏仪通过将一束线偏振光入射到待测样品，例如待测样品是半导体晶圆，通常为Si衬底上生长不同厚度的SiO2薄膜，线偏振光方向与入射面夹角为P’，即起偏器在测量时所处的角度。由于待测样品对p光和s光反射率不相同，从待测样品上反射的光一般为椭偏光，通过测量出不同波长椭偏光的椭偏角Ψ和相位延迟Δ，即可拟合出样品的厚度和折射率参数n、k。对RAE(rotate analyzer ellipsometry,旋转检偏器椭偏仪)，也可以拟合傅里叶系数α和β。对于理想的起偏器和检偏器，傅里叶系数α和β可以由下式表示：

其中，椭偏角Ψ和相位延迟Δ为待测样品的参数，P’为起偏器与入射面夹角，为起偏器在测量时所处的角度。

对于理想起偏器，其Mueller矩阵为，

当起偏器具有部分偏振效应，其Mueller矩阵可以表示为：

其中，

ε

T

T

degree of polarization偏振度，

当ε

可以求得起偏器具有部分偏振效应的α和β表达式为：

由此可见，对比理想起偏器，部分偏振起偏器对α相当于对tan

当p＝1时(也就是理想起偏器)，

同样，对β相当于增加了修正项：

当p＝1时(也就是理想起偏器)，

第一实施例

一种椭偏仪校正方法，以RAE(rotate analyzer ellipsometry,旋转检偏器椭偏仪)结构的椭偏仪为例。如果起偏器的不完美是因为，或者主要是因为出射光为部分偏振光而不是纯线偏光，如果已知未考虑起偏器部分偏振的拟合结果α

其中，

/>

p：起偏器Mueller矩阵中偏振度参数。

P’:起偏器测量角度。

如果已知测量的α

其中，

a＝4cos(P')

b＝2(p-1)cos(P')

c＝b

d＝4p·cos(P')

第二实施例

一种椭偏仪校正方法，以RAE(rotate analyzer ellipsometry,旋转检偏器椭偏仪)结构的椭偏仪为例，如果起偏器的不完美是因为，或者主要是原因出射光为具有窄椭偏特征的非纯线偏光，如果已知未考虑起偏器窄椭偏效应的拟合结果α

其中，

c＝cosΔ (14)

d＝-a

γ

当椭偏参数γ

α

如果已知测量的α

其中，

a0＝-cos(P)

c＝cosΔ

d＝-a

第三实施例

一种椭偏仪校正方法，以RAE(rotate analyzer ellipsometry,旋转检偏器椭偏仪)结构的椭偏仪为例，如果检偏器的不完美是(或者主要原因是)出射光为部分偏振光而不是纯线偏光，如果已知未考虑检偏器部分偏振的拟合结果α

α

β

如果已知测量的α

第四实施例

一种椭偏仪校正方法，以RAE(rotate analyzer ellipsometry,旋转检偏器椭偏仪)结构的椭偏仪为例，如果检偏器的不完美是(或者主要原因是)出射光为具有窄椭偏特征的非纯线偏光，如果已知未考虑检偏器窄椭偏效应的拟合结果αf和β

其中，

如果已知测量α

其中，a、b与公式(29)和(30)中a、b相同。

在椭偏测量中，起偏器或检偏器的出射光可能具有

以下结合附图给出一个测量实例。

采用椭偏仪对某厚度SiO2薄膜进行测量，不考虑起偏器和检偏器的部分偏振和窄椭偏效应，对测量的α和β采用L-M(Levenberg-Marquardt)算法进行拟合。椭偏仪测量的某厚度SiO2薄膜α和β曲线(实线)及拟合曲线(虚线)(190-900nm)如图1所示，经校正的拟合曲线(虚线)与测量曲线在可见和近红外波段吻合得较好，但是在紫外波段有一定的差异。从图2、4中可以看到拟合曲线的变化，即校正的结果。

对图1的紫外波段进行放大，如图2所示(190-250nm)，测量的α与拟合的α在230nm附近开始有分叉，测量的β与拟合的β在210nm附近开始有分叉。

对起偏器和检偏器的部分偏振和窄椭偏效应进行校正，也就是对理想起偏器和检偏器的拟合结果α

因此，如果已知未考虑起偏器部分偏振的拟合结果α

其中，

(1)、(2)两式也可以写成拟合的α

当起偏器具有窄椭偏效应，其Mueller矩阵可以表示为：

其中γ

其中，y、x、a、b、c、d、e见式(10)-(16)。同样的，(8)和(9)两式也可以写成拟合的α

当检偏器具有部分偏时，如果已知未考虑检偏器部分偏振的拟合结果α

α

β

同样的，(23)和(24)两式也可以写成拟合的α

当检偏器具有窄椭偏时，如果已知未考虑检偏器部分偏振的拟合结果α

其中，a、b表达式见(29)和(30)。

本公开的实施例提供的一种椭偏仪中起偏器和检偏器部分偏振和窄椭偏的校正方法，其原理不仅仅适用于PSA(Polarizer-Sample-Analyzer,起偏器-样品-检偏器)结构的RAE(Rotate Analyzer Ellipsometry,旋转检偏器椭偏仪)或RPE(Rotate PolarizerEllipsometry,旋转起偏器椭偏仪)，也适用于PCSA(Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer,起偏器-玻片-样品-检片器)结构、PSCA(Polarizer-Sample-Compensator-Analyzer,起偏器-样品-玻片-检片器)结构、PCSCA(Polarizer-Compensator-Sample-Compensator-Analyzer,起偏器-玻片-样品-玻片-检片器)结构的RAE、RPE、RCE(RotateCompensator Ellipsometry，旋转玻片椭偏仪)或者DRCE(Dual Rotate CompensatorEllipsometry,对偶旋转玻片椭偏仪)。

该校正方法，其原理不仅仅适用于起偏器和检片器的不完美(例如部分偏振和窄椭偏)，也适用于椭偏仪中任意光学元件(例如镜头等)或者样品的不完美(例如部分偏振窄椭偏)。

本公开的椭偏仪中起偏器和检偏器部分偏振和窄椭偏的校正方法，其主要特点包括，正向建模计算椭偏仪α和β曲线不考虑起偏器和检偏器的部分偏振和窄椭偏效应，按照理想起偏器和检偏器计算，然后根据起偏器具有部分偏振和窄椭偏的α和β的表达式与理想起偏器的α和β的表达式之间的关系，进行校正。

即，可以将按照理想起偏器和检偏器计算出的α和β曲线进行校正，使其更接近测量的α和β曲线；也可以将测量的α和β曲线进行校正，使其更接近按照理想起偏器和检偏器计算出的α和β曲线。目的都是使得拟合曲线和测量曲线更接近，减小模拟误差，提高测量精度。

综上所述，本发明提出了一种椭偏仪中起偏器和检偏器部分偏振和窄椭偏的校正方法。由于椭偏仪是检测半导体晶圆膜厚的关键设备。椭偏仪中需要用到偏振器件，例如起偏器和检偏器。自然光经过理想的起偏器和检偏器出射光是纯的线偏光。然而实际上起偏器和检偏器都不是完美的，自然光经过起偏器和检偏器后，出射光并不是纯的线偏光，而是具有部分偏振和或窄椭偏的特征，尤其是在紫外波段尤为明显(例如190nm左右)。

由于起偏器和检偏器的不完美，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。

因此本发明的有益效果，可以消除起偏器和检偏器的不完美(即经过起偏器后出射光不是纯线偏光，而是带有部分偏振和/或窄椭偏的混合线偏光)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)。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。