оптическая измерительная система и способ измерения критического размера

Формула изобретения

1. Оптическая измерительная система для измерения критического размера за счет дефокусирования оптического изображения наноструктуры при изменении длины волны рассеянного излучения, отличающаяся тем, что содержит:

- оптический модуль освещения образца с исследуемой наноструктурой, состоящий из источника света, оптической системы освещения и объектива,

- модуль построения оптического изображения,

- модуль дефокусирования оптического изображения, причем степень дефокусирования зависит от длины волны и удовлетворяет условию: 0< <5· /(NA)², где - средняя длина волны освещающего излучения, NA - числовая апертура объектива,

- модуль расчета ряда изображений с различной степенью дефокусирования,

- модуль изменения и контроля параметров оптической схемы и условий освещения, выполненный с возможностью измерения и передачи в модуль расчета параметров оптической схемы и условий освещения ряда изображений с различной степенью дефокусирования,

- модуль регистрации ряда изображений с различной степенью дефокусирования,

- модуль сравнения зарегистрированных дефокусированных изображений наноструктуры с рассчитанными дефокусированными изображениями,

- модуль пользовательского интерфейса.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль освещения состоит из источника света, перестраиваемого в диапазоне длин волн 1< < i< < N, располагающемся в пределах полосы от 300 нм до 800 нм, оптической системы освещения и объектива.

3. Оптическая измерительная система по п.2, отличающаяся тем, что модуль регистрации дефокусированных изображений выполнен с возможностью последовательной регистрации дефокусированных изображений исследуемой наноструктуры при перестройке длины волны и состоит из CCD/CMOS детектора и перестраиваемого по длинам волн источника света.

4. Оптическая измерительная система по п.2, отличающаяся тем, что модуль регистрации дефокусированных изображений выполнен с возможностью одновременной регистрации дефокусированных изображений исследуемой наноструктуры за счет реализации пространтсвенно-спектрального разрешения в пределах полосы длин волн источника света и состоит из CCD/CMOS детектора, диспергирующего элемента и источника света с широким спектром

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль освещения состоит из источника света с шириной спектра , располагающегося в диапазоне длин волн 300-800 нм, оптической системы освещения и объектива.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что оптический модуль освещения выполнен на основе схемы оптического микроскопа с освещением по Келеру.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль построения оптического изображения выполнен на основе оптической схемы микроскопа.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что модуль построения оптического изображения состоит из объектива, делителя пучка и трубной линзы.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что трубная линза модуля построения оптического изображения выполняет за счет хроматической аберрации функцию модуля дефокусирования, степень которого зависит от длины волны.

10. Система по п.8, отличающаяся тем, что объектив модуля построения оптического изображения выполняет за счет хроматической аберрации функцию модуля обеспечивающего, дефокусирование, степень которого зависит от длины волны.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль, обеспечивающий дефокусирование, степень которого зависит от длины волны, состоит из двух одинаковых параллельных дифракционных решеток и зеркала, которые позволяют создать оптическую разность хода, зависящую от длины волны.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль изменения и контроля параметров оптической схемы и условий освещения выполнен с возможностью изменения, и/или измерения, и/или контроля параметров оптической схемы и условий освещения.

13. Оптическая измерительная система по п.12, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один изменяемый и/или контролируемый параметр оптической схемы выбран из группы: пространственно-частотный спектр освещения, временной спектр освещения, направление вектора поляризации, числовая апертура объектива, степень дефокусирования, зависимость степени дефокусирования от длины волны.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что пространственный спектр освещающего излучения выбран при выполнении условия: 0.1<(NAill/NA)<1, где NAill - числовая апертура освещения, NA - числовая апертура объектива.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что числовая апертура NA объектива удовлетворяет условию: 0,2<NA<0,9.

16. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль расчета ряда изображений с различной степенью дефокусирования реализован путем комбинирования способов расчета электромагнитного поля: способа строгого анализа связанных волн (RCWA) и способа конечных разностей по временной области (FDTD).

17. Способ измерения критического размера, основанный на дефокусировании оптического изображения наноструктуры при изменении длины волны рассеянного излучения, отличающийся тем, что:

- выбирают параметры оптической схемы и условия освещения,

- регистрируют ряд изображений наноструктуры, соответствующих различным длинам волн рассеянного излучения с различной степенью дефокусирования,

- рассчитывают несколько рядов изображений наноструктуры с различной степенью дефокусирования, соответствующих различным длинам волн рассеянного излучения при значениях критического размера, лежащих в известных границах,

- сравнивают ряд измеренных изображений наноструктуры с соответствующими рядами рассчитанных изображений и определяют наилучшее приближение значения критического размера.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из параметров оптической схемы и условий освещения выбирают из группы: пространственно-частотный спектр освещения, временной спектр освещения, направление вектора поляризации, числовая апертура объектива, степень дефокусирования, зависимость степени дефокусирования от длины волны.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что спектр освещающего излучения выбирают в диапазоне длин волн 300-800 нм.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что пространственный спектр освещающего излучения выбирают таким, что выполняется условие: 0.1<(NAill/NA)<1, где NAill - числовая апертура освещения, NA - числовая апертура объектива.

21. Способ по п.18, отличающийся тем, что числовую апертуру NA объектива выбирают из условия: 0,2<NA<0,9.

22. Способ по п.18, отличающийся тем, что степень дефокусирования выбирают из условия: 0< <5· /(NA)², где - средняя длина волны освещающего излучения, NA - числовая апертура объектива.

23. Способ по п.18, отличающийся тем, что дефокусированные изображения наноструктуры регистрируют последовательно при перестройке длины волны источника света.

24. Способ по п.18, отличающийся тем, что дефокусированные изображения наноструктуры регистрируют одновременно за счет реализации пространственно-спектрального разрешения в пределах полосы длин волн источника света с широким спектром.

25. Способ по п.17, отличающийся тем, что рассчитывают несколько рядов изображений с различной степенью дефокусирования путем комбинирования способов расчета электромагнитного поля: способа строгого анализа связанных волн (RCWA) и способа конечных разностей по временной области (FDTD).

26. Способ по п.17, отличающийся тем, что определяют наилучшее приближение значения критического размера способом оптимизации.

27. Способ по п.17, отличающийся тем, что определяют наилучшее приближение значения критического размера способом расчета библиотеки изображений и сравнения ряда измеренных изображений наноструктуры с соответствующими рядами рассчитанных изображений из библиотеки.

28. Способ по п.17, отличающийся тем, что сравнение измеренного ряда дефокусированных изображений наноструктуры с рассчитанными рядами изображений проводят путем вычисления кривых фокус-метрики в зависимости от длины волны, когда изображениям, полученным при различных длинах волн рассеянного излучения, отличающимся степенью дефокусирования, ставится в соответствие параметр, зависящий от степени дефокусирования, длины волны и топологии наноструктуры.

29. Способ по п.17, отличающийся тем, что сравнение ряда измеренных дефокусированных изображений наноструктуры с соответствующими рядами рассчитанных изображений сводится к сравнению кривых фокус-метрики в зависимости от длины волны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к способам и системам для измерения геометрических параметров нанообъектов.

В современном производстве полупроводниковых чипов по мере развития технологий микролитографии наблюдается тенденция к уменьшению критического размера (КР) изготавливаемых структур. Критическим размером называют один из характерных размеров наноструктуры, представляющий интерес и размер которого составляет несколько десятков нанометров. На сегодняшний день технологически достижимый предел критического размера структуры составляет ~30 нм и в ближайшем будущем он может снизиться до ~20 нм.

Массовое производство полупроводниковых структур со столь низким критическим размером повышает требования к точности и надежности измерительного оборудования, а также к быстроте и стоимости измерительного процесса. При этом существующие способы измерения с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и атомно-силового микроскопа (АСМ) оказываются слишком медленными и дорогими, особенно на стадии отбраковки чипов с заранее известной топологией характерные размеры структуры которых, лишь незначительно отличаются от необходимых размеров. Для такого рода измерений были развиты различные оптические способы, основанные на технологии эллипсометрии [1] и скеттерометрии [2], в частности, широко известный способ «оптического критического размера» (OCD, Optical Critical Dimension) [3], которые позволяют распознать критический размер полупроводниковой структуры меньший, чем рэлеевский предел разрешения.

Каждый из существующих оптических способов анализа имеет свои преимущества и недостатки.

В способе OCD используется зависимость коэффициента отражения субволновой структуры от критического размера, длины волны падающего излучения и угла падения излучения на исследуемый объект. Рассматривается два варианта применения способа. В одном из них при фиксированной длине волны падающего излучения измеряют зависимость коэффициента отражения от угла падения излучения на объект (сканирование по углу), в другом варианте при фиксированном угле падения излучения на объект измеряют зависимости коэффициента отражения от длины волны (сканирование по длине волны). На практике во втором варианте измеряют спектр падающего и отраженного излучения и на их основе определяют зависимость коэффициента отражения от длины волны. Измеренную зависимость сравнивают с расчетными зависимостями, полученными при различных значениях критического размера. Наилучшее совпадение измеренной и расчетной кривой дает искомое значение критического размера.

Способ OCD получил широкое развитие в полупроводниковом производстве, однако он не позволяет проводить анализ непериодических структур, структур с малым числом периодов или структур, состоящих из одного или нескольких изолированных объектов.

Способ «сканирующей через фокус оптической микроскопии» (TSOM, Through-focus Scanning Optical Microscopy) [4], основанный на анализе неконтрастных (дефокусированных) изображений исследуемого объекта, полученных при помощи микроскопа при сканировании объекта вдоль оптической оси, позволяет анализировать непериодические и изолированные объекты. В способе TSOM система механического сканирования, обеспечивающая перемещения исследуемого объекта вдоль фокуса с точностью несколько десятков нанометров, является одним из основных и, вместе с тем, наиболее уязвимым в смысле надежности узлом измерительной TSOM-установки. Требования к понижению необходимого шага сканирования и точности позиционирования объекта вдоль фокуса возрастают при уменьшении характерных размеров объекта, что в условиях вибраций может снижать точность измерений и надежность всей измерительной системы в целом. Кроме того, механический способ сканирования заведомо ограничивает скорость измерения, которая важна в ряде практически важных измерительных задач полупроводникового производства. В связи с этим способы инспекции, не требующие механического сканирования образца или отдельных узлов измерительной системы, обладают существенным преимуществом.

Способ TSOM [4] выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать оптическую измерительную систему и способ измерения критического размера наноструктуры, основанный на обработке дефокусированных изображений, не требующий механического сканирования исследуемого объекта вдоль фокуса и позволяющий измерять широкий класс объектов, в том числе непериодических.

Под термином наноструктура при этом понимается такая структура, у которой, по меньшей мере, один из характерных размеров составляет несколько десятков нанометров, то есть его величина ниже рэлеевского предела разрешения для оптических систем видимого диапазона длин волн.

Технический результат достигается за счет разработки, на основе оптического микроскопа, измерительной системы и способа измерения, в котором эффект необходимой степени дефокусирования изображения объекта обеспечивается путем изменения длины волны рассеянного на объекте излучения. Под термином «степень дефокусирования» при этом следует понимать такое расстояние , на которое необходимо сместить объект вдоль фокуса, чтобы получить его изображение не искаженное аберрацией дефокусирования.

Заявляемая система измерения критического размера наноструктур без механического сканирования объединяет в себе как оптическое оборудование, так и программное обеспечение, и содержит:

- модуль изменения и контроля параметров оптической схемы и условий освещения;

- модуль освещения;

- модуль построения оптического изображения;

- модуль дефокусирования, причем степень дефокусирования зависит от длины волны;

- модуль регистрации ряда изображений с различной степенью дефокусирования;

- программный модуль расчета ряда изображений с различной степенью дефокусирования;

- программный модуль сравнения зарегистрированных дефокусированных изображений с рассчитанными изображениями;

- программный модуль пользовательского интерфейса.

При этом заявляются три различных варианта реализации модуля, обеспечивающего дефокусирование, степень которого зависит от длины волны излучения, отличающиеся шириной спектрального диапазона, в котором изменяется длина волны рассеиваемого излучения для обеспечения требуемого диапазона дефокусирования. Заявляются также два варианта реализации модуля регистрации изображений с различной степенью дефокусирования с использованием перестраиваемого по длинам волн источника излучения и с обеспечением пространственно-спектрального разрешения. При этом все заявляемые варианты связаны единым изобретательским замыслом.

В одном из вариантов реализации заявляемой оптической измерительной системы модуль дефокусирования состоит из двух одинаковых параллельных дифракционных решеток и зеркала, которые позволяют создать оптическую разность хода, зависящую от длины волны.

В другом варианте оптической измерительной системы функцию модуля дефокусирования выполняет, за счет хроматической аберрации, трубная линза модуля построения оптического изображения.

В еще одном варианте оптической измерительной системы функцию модуля дефокусирования выполняет, за счет хроматической аберрации, объектив линза модуля построения оптического изображения.

В одном из вариантов оптической измерительной системы модуль регистрации дефокусированных изображений выполнен с возможностью последовательной регистрации дефокусированных изображений исследуемой наноструктуры при перестройке длины волны и состоит из CCD/CMOS детектора и перестраиваемого по длинам волн источника света.

В еще одном варианте реализации оптической измерительной системы модуль регистрации дефокусированных изображений выполнен с возможностью одновременной регистрации дефокусированных изображений исследуемой наноструктуры за счет реализации пространственно-спектрального разрешения в пределах полосы длин волн источника света и состоит из CCD/CMOS детектора, диспергирующего элемента и источника света с широким спектром.

Заявляемый способ измерения критического размера наноструктур без механического сканирования предусматривает выполнение следующих операций:

- выбирают параметры оптической схемы и условия освещения;

- регистрируют ряд (набор) изображений наноструктуры, соответствующих различным длинам волн рассеянного излучения с различной степенью дефокусирования;

- рассчитывают несколько рядов изображений наноструктуры с различной степенью дефокусирования, соответствующих различным длинам волн рассеянного излучения при значениях КР, лежащих в известных границах;

- сравнивают ряд измеренных изображений наноструктуры с соответствующими рядами рассчитанных изображений и определяют наилучшее приближение значения КР.

В случае, если ряд измеренных изображений и какой-либо из расчетных рядов изображений совпадают с заданной точностью, соответствующее наилучшее приближение значения КР выводится измерительной системой посредством пользовательского интерфейса в качестве искомого значения. В случае, если совпадение измеренной и рассчитанных последовательностей изображений не достигнуто с заданной точностью, определяется новый более узкий диапазон изменения КР и последние две операции повторяются, пока необходимая точность не будет достигнута. При этом в модуле сравнения измеренных изображений наноструктуры с рассчитанными изображениями подбор значения КР может происходить различными способами. В предпочтительном варианте рассматриваются способ оптимизации и способ расчета библиотеки изображений. В способе оптимизации наилучшая оценка КР находится путем одновременной минимизации абсолютных значений разности соответствующих изображений из измеренного ряда и рассчитываемого ряда. В способе расчета библиотеки изображений ряд измеренных изображений последовательно сравнивается с рядами заранее рассчитанных изображений при условии, что значение КР меняется в известном интервале значений. В результате выполнения описанной последовательности операций, составляющих суть измерительного способа, находится наилучшая оценка измеряемого значения КР наноструктуры.

Для лучшего понимания сути изобретения далее оно поясняется с привлечением графических материалов.

Фиг.1 - блок-схема оптической измерительной системы критического размера, основанной на дефокусировании оптического изображения наноструктуры при изменении длины волны рассеянного излучения с выделением основных функциональных модулей (шаги 101-108).

Фиг.2 - блок-схема способа измерения критического размера, основанного на дефокусировании оптического изображения наноструктуры при изменении длины волны рассеянного излучения (шаги 201-205).

Фиг.3 - общая оптическая схема измерительной системы в варианте реализации модуля регистрации дефокусированных изображений с использованием перестраиваемого по длинам волн источника излучения.

Фиг.4 - пример реализации оптической схемы модуля, обеспечивающего дефокусирование, степень которого зависит от длины волны.

Фиг.5 - оптическая схема измерительной системы в варианте реализации модуля, обеспечивающего дефокусирование при изменении длины волны, за счет хроматической аберрации в трубной линзе и модуля регистрации дефокусированных изображений с использованием перестраиваемого по длинам волн источника излучения.

Фиг.6 - оптическая схема измерительной системы в варианте реализации модуля, обеспечивающего дефокусирование при изменении длины волны, за счет хроматической аберрации в трубной линзе и модуля регистрации дефокусированных изображений с обеспечением пространственно-спектрального разрешения.

Фиг.7 - оптическая схема измерительной системы в варианте реализации модуля, обеспечивающего дефокусирование при изменении длины волны, за счет хроматической аберрации в объективе и модуля регистрации дефокусированных изображений с использованием перестраиваемого по длинам волн источника излучения.

Фиг.8 - оптическая схема измерительной системы в варианте реализации модуля, обеспечивающего дефокусирование при изменении длины волны, за счет хроматической аберрации в объективе и модуля регистрации дефокусированных изображений с обеспечением пространственно-спектрального разрешения.

Фиг.9 - пример изображений канавки шириной около 500 нм в слое кремния, демонстрирующих изменение степени дефокусирования при изменении длины волны рассеянного излучения за счет хроматической аберрации в трубной линзе;

Фиг.10 - пример ряда изображений точечного источника излучения с различной степенью дефокусирования, зарегистрированных:

(10.1) - в варианте реализации оптической схемы измерительной системы с использованием перестраиваемого по длинам волн источника излучения;

(10.2) - в варианте реализации оптической схемы с обеспечением пространственно-спектрального разрешения.

Заявляемое изобретение реализуется на основе схемы оптического микроскопа с освещением по Келеру [9], работающего в режиме регистрации излучения отраженного от образца по способу светлого поля. На Фиг.3, 5, 6, 7, 8 представлены варианты оптических схем заявляемой измерительной системы, реализующих функционирование следующих модулей:

- модуля освещения, состоящего из источника 1 света, перестраиваемого в выбранном диапазоне длин волн 1< < i< < N или источника не предполагающего перестройку длины волны и имеющего спектр шириной = N- 1, оптической системы 2 освещения и объектива 4, которые обеспечивают освещение образца 5 по Келеру с выбранной числовой апертурой;

- модуля построения оптического изображения, состоящего из объектива 4, делителя 3 пучка и трубной линзы 6;

- модуля 10, обеспечивающего дефокусирование, степень которого зависит от длины волны. Совместно с данным модулем для разделения направлений входного (в модуль) пучка 12 и выходного (из модуля) пучка 13 может использоваться делитель 11 пучка, как это показано на Фиг.3;

- модуля регистрации ряда изображений с различной степенью дефокусирования, состоящего из CCD/CMOS детектора 7 и источника 1 света в случае использования источника света, перестраиваемого по длинам волн 1< < i< < N (Фиг.3, 5, 7) или состоящего из CCD/CMOS детектора 7 и диспергирующего элемента 14 в случае использования источника света с шириной спектра при реализации конструкции модуля с обеспечением пространственно-спектрального разрешения (Фиг.6, 8). Модуль изменения и контроля параметров оптической схемы и условий освещения, а также программные модули на Фиг.3, 5, 6, 7, 8 не представлены.

Основными параметрами оптической схемы, определяющими условия освещения и регистрации изображений исследуемой наноструктуры 5, являются пространственно-частотный и временной спектр освещающего излучения; направление вектора поляризации; числовая апертура NA объектива 4, степень дефокусирования и ее зависимость от длины волны, реализуемая за счет конструкции модуля 10.

Оптимальные параметры оптической схемы в каждом конкретном измерении зависят от топологии и критического размера наноструктуры и выбираются в следующих диапазонах изменения значений:

- временной спектр освещающего излучения в диапазоне длин волн =300-800 нм;

- пространственный спектр освещающего излучения такой, что выполнено условие 0.1<(NAill/NA)<1, где NAill - числовая апертура освещения, NA - числовая апертура объектива 4;

- числовая апертура NA объектива 4: 0.2<NA<0.9;

- степень дефокусирования из условия: 0< <5* /(NA)², где - средняя длина волны освещающего излучения, NA - числовая апертура объектива 4.

Модуль изменения и контроля параметров оптической схемы и условий освещения может включать измерительные приборы:

фотодиод, спектрометр, CCD/CMOS камеры; а также управляющие элементы, позволяющие менять пространственный спектр освещающего излучения, направление вектора поляризации и перестраивать длину волны источника излучения для обеспечения дефокусирования. Кроме того, данный модуль выполнен с возможностью передавать параметры оптической схемы и освещения в модуль расчета ряда изображений с различной степенью дефокусирования.

Зависимость степени дефокусирования от длины волны излучения реализуется за счет конструкции модуля 10. Обеспечить необходимый для измерения диапазон изменения степени дефокусирования при изменении длины волны освещения в ряде случаев возможно за счет хроматической аберрации в трубной линзе 6 (Фиг.5, 6). Если показатель преломления стекла, из которого изготовлена линза 6, зависит от длины волны, то для фокусного расстояния линзы F будет справедливо [5]

где n - изменение показателя преломления стекла, а F - изменение фокусного расстояния трубной линзы 6 при максимально допустимом для выбранного источника света изменении длины волны освещающего излучения . При этом наиболее короткие длины волн дадут изображение объекта в плоскости 8, а наиболее длинные дадут сравнительно резкое изображение объекта в плоскости 9. В отсутствие хроматической аберрации объектива 4, максимальная степень дефокусирования в этом случае составит

где f - фокусное расстояние объектива 4, a M=F/f - увеличение системы объектив 4/трубная линза 6. Таким образом, функцию модуля 10, обеспечивающего дефокусирование, степень которого зависит от длины волны, в данном случае выполняет трубная линза 6.

Увеличить максимальную степень дефокусирования, не увеличивая при этом ширину спектрального диапазона изменения длин волн , освещающего источника, возможно за счет хроматической аберрации в объективе (Фиг.7, 8). При отсутствии хроматической аберрации в трубной линзе максимальная степень дефокусирования в этом случае составит:

где - фокусное расстояние объектива 4. Таким образом, функцию модуля 10, обеспечивающего дефокусирование, степень которого зависит от длины волны, в данной реализации конструкции оптической системы выполняет объектив 4. При этом максимальная степень дефокусирования при изменении длины волны источника на в М раз больше, чем в случае реализации модуля 10 в виде трубной линзы 6, обладающей хроматической аберрацией.

На Фиг.9 приведен пример изображений неглубокой канавки в слое кремния шириной около 500 нм, полученных при рассеянии на ней излучения с длинами волн 660 нм и 455 нм. Изображения получены в двух положениях канавки вдоль фокуса: 0um и +20um. Как легко видеть, изображения канавки, полученные в одном положении вдоль фокуса, но в разных длинах волн, имеют разную степень дефокусирования. В положении «0um» меньшую степень дефокусирования имеет изображение при =455 нм, а в положении «+20um» меньшую степень дефокусирования имеет изображение канавки, полученное при длине волны =660 нм. Дефокусирование, степень которого зависит от длины волны, в данном случае обеспечивала трубная линза 6 с фокусным расстояние F~250 мм. Условия освещения и регистрации были выбраны такими, что: NA=0.25, NAill/NA~0.1.

Возможность реализации необходимой для измерения максимальной степени дефокусирования при изменении длины волны источника в небольшом диапазоне длин волн выглядит перспективной с точки зрения снижения требований к источнику света. Так, например, типичные лазерные диоды видимого диапазона длин волн имеют диапазон перестройки длины волны ~6-15 нм. Для большинства стекол коэффициент дисперсии dn/d составляет ~0,01-0,03 µ^-1. Таким образом, коэффициент оказывается ограниченным и составляет ~(1-3)·10 ^-4. Реализовать в этом случае максимальный диапазон дефокусирования 0< <5* /(NA)², который, например, для объектива с числовой апертурой NA=0,9 составит ~0-3 µ, ( =0,5 µ) представляется весьма затруднительным, как с использованием хроматической аберрации в трубной линзе 6, так и с использованием для дефокусирования хроматической аберрации в объективе 4. В этом случае одной из возможных конструкций модуля 10, обеспечивающего дефокусирование, степень которого зависит от длины волны, может быть конструкция, представленная на Фиг.4.

Коллимированный пучок 12 света направляется под скользящим углом на дифракционную решетку 401, параллельную точно такой же дифракционной решетке 402, отразившись от которой попадает на зеркало 403, после отражения от которого, проходит весь путь в обратном направлении и выходит из данной конструкции в направлении пучка 13, коллинеарном направлению пучка 12. Ввиду дисперсии дифракционных решеток, которая определяется их периодом, короткие и длинные волны пройдут разный оптический путь и выйдут из системы двух решеток с оптической разностью хода, зависящей от параметров решеток и расстояния между ними. Поместив данную конструкцию в качестве модуля 10 в оптическую схему, представленную на Фиг.3, и подбирая параметры данной конструкции, можно добиться необходимого диапазона дефокусирования , при изменении длины волны источника освещения даже в небольшом диапазоне .

Таким образом, для того, чтобы было зарегистрировано одно дефокусированное изображение наноструктуры в выбранных условиях облучения образца 5 и регистрации его изображения происходит перестройка длины волны источника и захват изображения CCD/CMOS детектором 7. Повторение этих операций обеспечивает последовательную регистрацию ряда дефокусированных изображений исследуемого образца. При этом необходимая степень дефокусирования каждого изображения обеспечивается автоматически за счет конструкции модуля 10 и механического перемещения образца 5 вдоль фокуса не требуется.

Снизить требования к освещающему источнику, отказавшись от необходимости перестраивать длину волны, можно за счет реализации конструкций измерительной системы, показанных на Фиг.6, 8. Отличительной особенностью в данных конструкциях обладает модуль регистрации ряда изображений с различной степенью дефокусирования, состоящий из CCD/CMOS детектора 7 и диспергирующего элемента 14. Изображение исследуемой наноструктуры 5, освещаемой пучком света с шириной спектра при помощи объектива 4 и трубной линзы 6 строится на детекторе 7. При этом диспергирующий элемент 14 обеспечивает селективное по длинам волн отклонение пучка света от оптической оси. В результате реализации данной конструкции на двумерном детекторе 7 обеспечивается пространственно-спектральное разрешение. В направлении дисперсии элемента 14 - спектральное разрешение, в ортогональном направлении - пространственное разрешение. На Фиг.10 (вид 10.1) приведен пример результата регистрации ряда изображений точечного источника с различной степенью дефокусирования, полученных при сканировании длины волны источника света в схемах реализации оптической измерительной системы, представленных на Фиг.3, 5, 7. На Фиг.10 (вид 10.2) приведен пример результата регистрации ряда изображений точечного источника с различной степенью дефокусирования, полученных в схемах оптической измерительной с реализацией пространственно-спектрального разрешения, представленных на Фиг.6, 8. По горизонтальной оси в направлении дисперсии элемента 14 изменяется степень дефокусирования точечного источника (условно показана на рисунке). Она равна нулю при = 4 и максимальна при = 1 и = 7. По вертикальной оси изменяется пространственное распределение интенсивности в дефокусированном изображении точечного источника. В данном варианте реализации модуля регистрации изображений в выбранных условиях облучения образца 5 и регистрации его изображения все необходимые дефокусированные изображения регистрируются одновременно. Диспергирующий элемент 14 обеспечивает пространственное разделение дефокусированных изображений на детекторе 7, а необходимая степень дефокусирования каждого из изображений достигается за счет конструкции модуля 10. При этом ни механического перемещения образца 5 вдоль фокуса, ни перестройки длины волны источника излучения не требуется. В данной конструкции измерительной системы с реализацией пространственно-спектрального разрешения в модуле регистрации ряда изображений с различной степенью дефокусирования спектральное разрешение, а следовательно, неопределенность степени дефокусирования объекта, измеряемая вдоль горизонтальной оси детектора, определяется, в основном, размером наноструктуры в направлении дисперсии элемента 14. Это обстоятельство необходимо учитывать при моделировании результатов измерения и определения критического размера наноструктуры.

Результаты измерения моделируются в программном модуле расчета ряда изображений с различной степенью дефокусирования, который в предпочтительном варианте реализован за счет комбинации способов расчета электромагнитного поля RCWA (Строгий анализ связных волн) [6] и FDTD (Способ конечных разностей по временной области) [7], основанных на точном решении уравнений Максвелла. Входными параметрами данного модуля являются параметры оптической схемы, определяющие условия освещения и регистрации ряда изображений с различной степенью дефокусирования, зависящей от длины волны, указанные выше, а также диапазон изменения КР, из которого выбираются значения для расчета соответствующих последовательностей дефокусированных изображений. В большинстве практически важных метрологических задач полупроводникового производства диапазон изменения КР измеряемой наноструктуры известен достаточно точно и выбор начального диапазона для расчета последовательностей дефокусированных изображений не представляет трудностей и производится экспертным путем. Более узкий, уточненный диапазон изменения КР определяется в результате сравнения измеренной последовательности дефокусированных изображений с рассчитанными последовательностями.

Модуль сравнения зарегистрированных дефокусированных изображений с рассчитанными изображениями является одним из важных модулей измерительной системы. На вход данного модуля поступают ряд зарегистрированных дефокусированных изображений исследуемой наноструктуры и несколько рядов рассчитанных дефокусированных изображений для определенного диапазона изменения КР. На выходе в результате сравнения определяется наилучшая оценка измеряемого критического размера и/или более узкий уточненный диапазон изменения значения КР. Из литературы известно несколько способов сравнения цифровых изображений, которые могут применяться в данном программном модуле. Причем результатом сравнения должно быть число, показывающее насколько измеренная последовательность изображений близка к рассчитанной последовательности из библиотеки. В ряде случаев для анализа последовательностей изображений с различной степенью дефокусирования вводят понятие «фокус-метрики» [8]. Каждому дефокусированному изображению ставят в соответствие некоторый параметр, который зависит от топологии объекта и степени дефокусирования. Таким параметром, в частности, может быть стандартное отклонение, вычисляемое по цифровому изображению, которое представляет собой двумерный массив данных. Вычисляя фокус- метрику для изображения наноструктуры при различной степени дефокусирования, получают кривую фокус-метрики.

Поскольку степень дефокусирования и длина волны рассеянного излучения связаны друг с другом способом, зависящим от параметров оптической схемы, указанных выше, то возможна регистрация и расчет фокус-метрики для данной наноструктуры в зависимости от длины волны. Кривые фокус-метрик в зависимости от длины волны, полученные при обработке ряда зарегистрированных дефокусированных изображений и рядов рассчитанных дефокусированных изображений в выбранном диапазоне изменения КР, могут быть сравнены одна с другой. Наилучшее совпадение кривых дает наилучшую оценку для измеряемого значения КР.

Ссылки

[1] - "Handbook of ellipsometry", Harland G.Tompkins, Eugene A.Irene.

[2] - PETRE CATALIN LOGOFATU et. al., Rom. Journ. Phys., Vol.55, Nos. 3-4, P.376-385, Bucharest, 2010.

[3] - Ray J.Hoobler and Ebru Apak, Proceedings of SPIE Vol.5256 23rd Annual BACUS Symposium on Photomask Technology.

[4] - Attota, R., Silver, R.M., and Bames, B.M., "Optical through-focus technique that differentiates small changes in line width, line height, and sidewall angle for CD, overlay, and defect metrology applications," Proc. SPIE 6922, 69220E-1-13, (2008).

[5] - M.Вот and E.Wolf, Principles of Optics, 6th ed. (Pergamon, Oxford, UK, 1989).

[6] - M.G.Moharam, Drew A.Pommet, and Eric B.Grann. J.Opt. Soc. Am. A, 12(5):1077{1086}, May 1995.

[7] - K.Umashankar, A.Taflove, "A Novel Method to Analyze Electromagnetic Scattering of Complex Objects", IEEE (1982).

[8] - Attota, R., Silver R.M.., and Potzick, J., "Optical illumination and critical dimension analysis using the through-focus focus metric," Proc. SPIE, 6289, p.62890Q-1-10 (2006).

[9] - Ход лучей в проходящем свете, http://www.labor-microscopes.ru/views/view4.html.