用于线宽测量的偏振干涉共焦显微测量方法

　　1　引　言

　　随着微电子技术的不断发展,集成电路集成度的不断提高,电路图形越来越复杂,线宽也越来越细,对线宽的测量和控制在生产过程中也就变的十分重要。进行线宽测量其核心内容是对线宽边缘进行准确的定位,因此边界定位构成了用光学测微法测量线宽的基本任务。传统的光学测量存在约半波长的分辨率的限制:瑞利分辨率极限[1,2]。当结构宽度小于λ/NA时(λ为入射光的波长,NA为测量系统物镜的数值孔径),边界图像开始重叠。利用共焦技术可以在此基础上将横向分辨率提高1.4倍。但当线宽低于某个结构宽度时,对于这些测量法两个边界将合并成为一个。区别于普通放大成像测量,偏振干涉测量法也被用到了线宽测量领域[3-6]。这种方法的主导思想是通过对干涉图像附加量(对比度、相位变化等)的测量,使在亚波长区域也可以使用简单的极值计算进行边界判定。这种方法由于利用了台阶边缘对不同偏振态的偏振光具有不同的相位反射变化这一特性,在一定程度上提高了测量分辨率,改善了测量效果。

　　尽管目前已经有了一些更高分辨率的测量方法,如电子显微镜、近场显微镜、原子力显微镜等,但人们仍在不断探索提高光学分辨率的途径,因为光学系统使用方便,价格也很便宜。本文提出了一种新颖的偏振干涉共焦显微方法用于对掩模板线宽的测量。该方法融合了共焦显微技术和偏振干涉技术的优势,利用共焦技术进行准确的焦点定位,获得最佳的测量光斑;利用偏振干涉测量法的基本原理,即利用了台阶边缘对不同偏振态的偏振光具有不同的相位反射变化这一特性,使入射到线形结构的TE偏振光(光的电矢量(像方)平行于边界)和TM偏振光(光的电矢量(像方)垂直于边界)反射后发生干涉。通过测量干涉信号的相位变化进行边缘定位。相位变化是通过外差干涉系统测相系统测量的,由于现在的外差相位测量的精度可以优于0.1°[7],因而可以获得很好的相位测量结果,进行准确的边界定位。这一方法完全符合共光路原则,对振动不敏感,有很强的抗干扰能力。

　　2　系统原理和构成

　　外差干涉共焦显微线宽测量仪光学测量部分的原理如图1所示。光源采用低频差横向塞曼He-Ne激光器作为光源[8],其输出的一对正交线偏振光首先通过一个分束器,将入射光分成两束,反射光直接进入探测器1作为参考信号。透射光首先经过透镜BL1汇聚到针孔1上,然后通过透镜BL2变成平行光。平行光束经半孔径反射棱镜反射后入射显微物镜,被聚焦在待测样品表面。被样品反射后再次经过显微物镜变成平行光,被半透半反镜分成两部分。透射部分先通过半孔径反射棱镜,在检偏器上发生干涉,干涉光聚焦后进入探测器3产生测量信号,通过与探测器1产生的参考信号进行比相位测量,得到相位变化信息;反射部分,先由透镜BL3(与BL1相同)汇聚于针孔2(尺寸与针孔1相同)然后由探测器2接收得到光强信号,光强信号由锁相放大器测量,保证了测量精度并抑制了杂散光的影响。由于使用了半孔径反射棱镜,减少了沿原路返回激光器的光,减少了对激光器的光回授,保证了激光器的稳频精度。方法中应用了共焦技术,故视场很小,测量需采用工作台扫描方式。采用由压电陶瓷驱动的柔性铰链工作台,以获得较高的稳定性和位移精度。