一种面向椭偏仪的光斑大小测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种面向椭偏仪的光斑大小测量装置及测量方法。

背景技术

椭偏仪是一种基于光学偏振进行微纳米薄膜光学常数和膜厚测量的精密仪器，其基本原理是通过测量椭圆偏振光在待测样品表面反射前后偏振态的变化来反演分析样品的光学常数和膜厚等信息。相比于其他光学薄膜测量手段，椭偏仪是一种自参考测量方式，光谱灵敏度高，是目前进行纳米级薄膜光学常数和膜厚高精度测量最有效手段。

近年来，在纳米制造特别是大规模半导体芯片制造中，为提高芯片的性能，降低芯片使用功耗，减小芯片面积，提升芯片产率，芯片制程不断向更小的纳米尺度推进。为保证半导体芯片制造中的准确性，半导体芯片制造设备厂商需要与时俱进，提升测量精度，扩大测量波谱范围，压缩测量区域大小，以满足芯片制程推进带来的制造工艺变化。

椭偏仪是半导体芯片制造中的关键测量设备，其照射在样品上的光斑大小和形态决定了设备对微小区域的测量能力。一般而言，椭偏仪的光斑大小和形态有两个方面的评价：一是设备在设计时，使用仿真软件模拟出的理想光斑大小和形态；二是设备在实际投入使用时，在合理精度范围内，能够测量的最小区域大小，反应了椭偏仪的实际光斑大小和形态。

但是，由于设备在实际生产制造过程中，光束的质量和光学镜头的装配不能维持理想状态，椭偏仪在实际使用时所反应的光斑大小和形态，和理想情况下相差甚远。因此，在椭偏仪的生产和使用中，对设备的光斑大小和形态进行检测是必须步骤。

发明内容

本发明提供一种面向椭偏仪的光斑大小测量装置及测量方法，用以解决设备在生产和使用时，无法及时检测光斑大小和形态的问题，以满足芯片制程推进带来的制造工艺变化。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种面向椭偏仪的光斑大小测量装置，包括：

用于拍摄椭偏仪的光斑形态的相机模组；

用于反射椭偏仪光斑，使光进入相机组件的光栅反射组件；

光斑大小检测样品，所述光斑大小检测样品为具有正方形图案的SiO2样品；以及

用于放置并调整光斑大小检测样品位置的样品位移台。

进一步的，所述相机模组包括：相机位移台、由相机镜头和CMOS传感器构成的相机组件；所述相机位移台用于固定所述相机组件，且具有三维线性位移调节功能。

进一步的，所述光栅反射组件具有周期性光栅结构，且所述光栅反射组件对光斑的反射角小于所述相机组件的接收角。

进一步的，所述光斑大小检测样品上正方形图案的厚度与空白区域的厚度差异不小于100nm。

另一方面，本发明还提供一种面向椭偏仪的光斑大小测量方法，该方法上述的测量装置实现，包括：

获取所述光斑的重心位置；

获取所述正方形图案的图案中心；

以所述重心位置为原点，建立检测坐标系；

获取所述检测坐标系中的多个位置的检测厚度值；

获取合格测量部分的大小；

椭偏仪光斑大小等于所述正方形图案的大小减去所述合格测量部分的大小。

进一步的，获取所述光斑的重心位置，包括：

控制所述相机位移台，使所述相机组件对所述椭偏仪的焦面成像；

控制所述样品位移台，使所述光栅反射组件表面位于所述椭偏仪的焦面；

使用所述相机组件，获取所述光栅反射组件上的光斑图像，其中，所述光斑图像包括光斑；

获取所述光斑图像中所述光斑的中心位置坐标；

以所述中心位置坐标，建立图像坐标系；

在所述的图像坐标系上，使用高斯模型拟合所述光斑图像上的所述光斑的灰度值；所述的高斯模型拟合，包括对所述光斑图像进行去噪处理；

建立所述光斑图像上的所述光斑的三维形态；

使用预先建立的光斑重心模型，在所述三维形态中，获取所述光斑的重心位置。

进一步的，获取所述检测坐标系中的多个位置的检测厚度值，包括：

控制所述样品位移台，分别移动至预先设定在所述检测坐标系中的多个位置，并使用所述椭偏仪进行测量，获取所述检测坐标系中的多个位置的检测厚度值；在所述检测坐标系中，以所述检测厚度值建立检测厚度变化曲线。

进一步的，获取所述合格测量部分的大小，包括：

在所述检测厚度变化曲线中，以预先设定的可接受厚度误差，截取所述检测厚度变化曲线中的合格测量部分。

本发明的有益效果是：本发明能够在设备在生产和使用时，及时检测光斑大小和形态，以满足芯片制程推进带来的制造工艺变化。

附图说明

图1为本发明提供的一种面向椭偏仪的光斑大小和形态的测量装置示意图；其中1-相机位移台，2-CMOS传感器，3-相机镜头，4-光栅反射组件，5-样品位移台；

图2为光斑大小检测样品示意图；

图3为光斑与光斑大小检测样品重合示意图；

图4为测量70um*70um的正方形图案时X方向上的测量结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例提供了一种面向椭偏仪测量光斑的检测方法及装置，如图1及图2所示，所述装置包括：

相机组件，用于拍摄椭偏仪的光斑形态；

所述相机组件，具有相机位移台1、相机镜头3和CMOS传感器2；

所述相机位移台1，用于固定相机组件；

所述相机位移台1，具有三维线性位移调节功能；

所述相机镜头3，具有确定的焦距和放大率；

所述CMOS传感器2，用于获取图像；

光栅反射组件4，用于反射椭偏仪的光斑，使光进入相机模块；

所述光栅反射组件4具有周期性光栅结构；

所述周期性光栅结构用于在椭偏仪样品处，反射椭偏仪的光斑；

所述光栅反射组件4对光斑的反射角小于所述相机模组的接收角；

所述光斑为椭偏仪有效测量波谱范围内的光束所聚焦在样品上的光；

光斑大小检测样品，具有正方形图案的SiO2样品；

所述光斑大小检测样品，用于椭偏仪的测量；

所述正方形图案，为微纳制造方法进行制造；

所述正方形图案的厚度与空白区域有很大的差异；

所述样品位移台，具有三维线性位移调节功能；

本发明实施例提供了一种面向椭偏仪测量光斑的检测方法及装置，所述方法包括：

步骤1：获取所述光斑图像中所述光斑的中心位置坐标。

将所述光栅反射组件放置于所述样品位移台5上，控制所述相机位移台5，使所述光栅反射组件表面位于椭偏仪的焦面；控制所述相机位移台1，使所述相机组件对所述椭偏仪的焦面成像。在实际操作过程中，可以通过所述相机组件获取的所述光栅反射组件4上的光斑图像，进而确定椭偏仪的焦面(在所述椭偏仪的焦面上，所述光斑图像的最小)。获取所述光斑图像后，通过图像边缘可确定所述光斑的中心位置坐标。

步骤2：获得所述光斑的重心位置。

获取所述光斑的中心位置坐标后，建立二维图像坐标系；根据光斑每一点的坐标和灰度值，使用高斯模型拟合光斑的形态；使用高斯模型拟合光斑形态的过程中，包括对所述光斑图像进行去噪，以避免环境噪声对拟合的影响。使用预先建立的光斑重心模型，综合考虑光斑中每一点的坐标和灰度值，计算光斑的重心位置；所述光斑的重心位置为考虑光强后的光斑实际强度中心，所述光斑的重心位置相较于所述光斑的中心位置，更能体现椭偏仪的实际测量分析中心。

步骤3：获取所述检测坐标系中的多个位置的检测厚度值。

将所述光斑大小检测样品放置于所述样品位移台上，控制所述样品位移台，使所述光斑大小检测样品表面位于所述椭偏仪的焦面，即所述光斑最小的面。使用所述相机组件，拍摄所述光斑大小检测样品，进而获取样品上所述正方形图案的图案中心，即待测目标物的中心。对比所述图案中心和所述重心位置的相对坐标，控制所述样品位移台，使所述重心位置与所述图案中心在水平方向上重合，如图3所示；所述光栅反射组件和所述光斑大小检测样品均位于椭偏仪的焦面上，因此所述重心位置与所述图案中心在垂直方向上也重合。以所述重心位置为原点，建立检测坐标系；控制所述样品位移台，分别移动至预先设定在所述检测坐标系中的多个位置，并使用所述椭偏仪进行测量，获取所述检测坐标系中的多个位置的检测厚度值。实际操作过程中，可在所述检测坐标系中，选择略大于所述正方形图案边长的对称区间用于测量；例如，测量70um*70um的正方形图案时，选择测量X方向上-50um*50um的对称区间用于测量。

步骤4：计算宽光谱光斑大小。

在所述检测坐标系中，以所述检测厚度值建立检测厚度变化曲线；在所述检测厚度变化曲线中，以预先设定的可接受厚度误差，截取所述检测厚度变化曲线中的合格测量部分；例如，测量70um*70um的正方形图案，在X向上的测量结果如图4所示，设定厚度误差的可接受范围为±0.1A，则图4中所示的测量结果显示，合格测量部份的宽度为20um。获取所述合格测量部分的大小后，椭偏仪光斑大小等于所述正方形图案的大小减去所述合格测量部分的大小；以测量70um*70um的正方形图案为例，在X向上的测量结果如图4所示，可计算光斑在X向上的大小为50um宽。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。