基于频域混叠的半导体晶圆周期结构光学量测方法及系统

本发明涉及半导体制造过程中的光学量测与过程控制，尤其涉及一种利用入射波矢偏置、有限采集孔径边界事件及频域反演，对晶圆上的周期性或准周期性微纳结构进行非接触光学精密量测的方法及系统。

背景技术：

1、在半导体制造、微纳光学、超表面及纳米阵列等工业领域，器件结构的关键尺寸已逐步进入纳米量级。随着结构特征尺寸的不断缩小，工业生产对纳米结构周期、线宽、深度、侧壁角及取向等关键尺寸参数的检测精度和检测效率提出了越来越高的要求。然而，现有测量技术在分辨率、测量效率、设备成本及样品无损检测等方面仍存在诸多不足。

2、在纳米尺度下，传统远场光学测量方法受衍射极限的制约，其空间分辨率受限于照明波长和成像系统的数值孔径。常用的可见光或近红外光源（波长约400nm～1000nm）难以直接分辨亚波长或纳米尺度的结构细节。为提升分辨率，现有技术通常采用更短波长的光源，如深紫外光、极紫外光甚至x射线。然而，短波长光源的制造难度大、能量转换效率低、系统成本高昂，且高能光子可能对样品造成光化学损伤或热损伤，加之部分短波长辐射存在安全隐患，限制了其在常规生产检测中的广泛应用。

3、除光学方法外，实验室中常用电子显微镜（如扫描电子显微镜、透射电子显微镜）和扫描探针显微镜（如原子力显微镜）进行纳米结构表征。这类方法虽能获得纳米级甚至原子级分辨率的结构图像，但存在以下固有缺陷：（1）设备结构复杂，通常需在真空环境或特定气氛下工作，购置和维护成本高昂；（2）逐点扫描方式测量耗时较长，难以满足生产线高通量快速检测的需求；（3）电子束辐照和探针物理接触均存在损伤样品表面的可能性，对光刻胶等敏感材料或已完成功能层制备的器件尤为不利；（4）受充电影响、电子束剂量及样品预处理等因素限制。

4、此外，基于模型反演的散射计量方法（如椭偏仪、反射谱仪等）通过测量样品对光的响应并结合电磁场数值反演提取结构参数，虽避免了逐点扫描，但其精度严重依赖于正向光学模型和逆问题求解算法的准确性，反演过程计算量大、耗时长，且对复杂多层结构或非周期结构的测量能力有限。近年来提出的傅里叶叠层成像技术虽能通过频域拼接实现超分辨成像，但其本质依赖于迭代相位恢复算法，计算量大，且其目的为图像重建，并非面向结构参数的快速定量测量。

5、综上，现有纳米结构测量技术在高分辨率、非接触、低成本和高效率之间存在难以调和的矛盾。因此，本领域亟需一种能够兼顾高分辨率、非接触、低成本和高效率的纳米结构测量方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于频域混叠的半导体晶圆周期结构光学量测方法及系统，旨在解决以下技术问题：其一，有限数值孔径下，高空间频率结构信息难以被完整采集；其二，传统光学散射量测依赖复杂电磁模型与多参数迭代反演，求解效率低；其三，面向半导体晶圆在线量测时，高精度、快速测量与大面积多点检测难以兼顾。为此，本发明采用斜入射波矢偏置与相对旋转扫描相结合的频域几何反演手段，无需极短波长光源、无需接触样品、无需逐点扫描，亦无需复杂迭代反演，即可实现纳米级结构参数的快速测量。

2、为实现上述目的，本发明提供基于频域混叠的半导体晶圆周期结构光学量测方法，包括：

3、以具有已知面内波矢的入射光照射待测纳米结构，使入射光面内波矢对待测纳米结构的结构倒格矢提供频域偏置；

4、改变入射光面内波矢与待测纳米结构的结构倒格矢之间的相对方位关系，并在多个已知相对方位状态下采集待测纳米结构出射光或散射光的远场傅里叶信息，使目标傅里叶峰相对于成像系统的可采集波矢窗口发生可控的相对运动；

5、确定目标傅里叶峰与可采集波矢窗口的边界发生交叉时对应的一组边界状态参数；

6、根据边界状态参数、与各边界状态参数对应的入射光面内波矢以及可采集波矢窗口的边界信息，确定目标傅里叶峰对应的结构倒格矢的大小和方向；

7、根据结构倒格矢确定待测纳米结构的单胞的周期、取向和尺寸参数。

8、本发明所称“频域混叠”是指利用具有非零面内波矢的照明光，对待测结构的空间频率分量进行波矢偏置，使至少部分原本位于成像系统有限采集孔径之外或邻近其边界的结构空间频率分量得以被探测单元采集。

9、优选的，入射光面内波矢大小为，其中为预设斜入射角；可采集波矢窗口的半径由成像物镜的数值孔径、工作波长和系统标定结果确定，在空气物镜条件下。

10、优选的，一组边界状态参数至少包括目标傅里叶峰与可采集波矢窗口边界发生第一交叉和第二交叉时对应的第一相对方位参数和第二相对方位参数；令二者的角度间隔为，根据角度间隔、入射光面内波矢大小以及可采集波矢窗口半径，由频域几何关系确定结构倒格矢的大小：

11、。

12、优选的，令，并结合系统角度零点修正量得到结构倒格矢的方向，从而计算结构倒格矢的笛卡尔坐标分量和。

13、优选的，远场傅里叶图像在数据处理前进行暗场扣除、平场校正、背景扣除、零级定位、像素到波矢坐标转换、多帧平均及畸变校正中的一种或多种预处理。

14、优选的，边界状态参数通过阈值检测、峰质心定位、峰轨迹拟合、边界交点拟合、圆弧拟合、相关匹配、机器视觉、鲁棒估计或多峰联合约束中的一种或多种方式确定；边界状态参数通过相邻采样状态之间的插值或拟合获得高于实际机械角度步长或照明方位步长的估计分辨率。

15、优选的，待测纳米结构为形成于半导体晶圆表面或近表面的周期性或准周期性微纳图形，包括光刻形成的线/空结构、刻蚀形成的线栅或沟槽阵列、接触孔或通孔阵列、柱状或岛状周期阵列、二维周期性器件单元阵列，以及设置于晶圆器件区或工艺监控区域内的周期性量测靶标中的一种或多种。

16、本发明所提方法及系统亦可用于具有周期性或准周期性空间频率特征的微纳光学结构，包括超表面、光子晶体及其它周期或准周期性微纳结构。

17、优选的，入射光面内波矢与结构倒格矢之间的相对方位关系通过以下至少一种方式调节：

18、旋转待测纳米结构而保持入射光面内波矢方向不变；

19、保持待测纳米结构的位置和方位不变而改变入射光面内波矢的方位；

20、同时改变待测纳米结构的方位和入射光面内波矢的方位。

21、上述相对方位关系的改变并不要求待测纳米结构本身发生机械旋转。其既可以通过旋转待测纳米结构而保持入射光方向不变实现，也可以在待测纳米结构保持固定的情况下，通过改变斜入射照明光的方位角，使入射光面内波矢围绕样品法向改变方位实现，还可以通过二者的组合实现以及固定多角度无旋转照明系统实现。从而实现不通过完整散射强度分布进行模型拟合获取结构参数，而是将有限采集孔径本身作为空间频率判别边界，通过有效改变入射面内波矢与结构倒格矢之间的相对方位，使目标空间频率分量跨越该边界，并由边界事件发生时的已知系统状态直接快速、高精度反演结构空间频率。

22、本发明还提供了基于频域混叠的半导体晶圆周期结构光学量测系统，用于实现如上述的方法，包括：照明单元、偏振调控单元、多角度入射照明单元、波矢-结构相对方位调控单元、傅里叶成像单元、探测单元以及控制与数据处理单元；

23、照明单元的出射光路经过偏振调控单元后进入多角度入射照明单元，多角度入射照明单元的出射光以预设斜入射角照射至待测纳米结构表面；测量过程中待测纳米结构或承载待测纳米结构的半导体晶圆保持固定，通过改变斜入射照明光的入射方位角，或者通过旋转待测纳米结构或承载待测纳米结构的半导体晶圆，使入射光面内波矢沿多个预设方位或连续方位变化，从而改变入射光面内波矢与结构倒格矢之间的相对方位关系；

24、傅里叶成像单元设置在待测纳米结构的出射光或散射光的光路上，傅里叶成像单元的像面与探测单元的感光面共轭，用于将待测纳米结构的远场傅里叶信息成像至探测单元；

25、探测单元的信号输出端与控制与数据处理单元的数据采集端口连接，控制与数据处理单元的控制信号输出端分别与多角度入射照明单元、波矢-结构相对方位调控单元和探测单元的受控端连接，用于控制入射角切换、相对角度扫描和图像采集的同步触发，并根据边界状态参数计算待测纳米结构的结构倒格矢，以确定待测纳米结构的单胞、周期、取向和尺寸参数。

26、优选的，波矢-结构相对方位调控单元包括样品旋转机构，或包括用于改变入射光面内波矢方位的光束偏转装置，或同时包括上述同时包括样品旋转机构和光束偏转装置，或包括多角度固定照明光源及样品承载机构；光束偏转装置为振镜、扫描反射镜、空间光调制器、声光偏转器或电光偏转器中的一种。

27、因此，本发明采用上述的基于频域混叠的半导体晶圆周期结构光学量测方法及系统，有益技术效果如下：

28、（1）避免了随着待测结构不断缩小对短波长光源的进一步依赖，采用常见的可见光或近红外波长的光源即可实现纳米级分辨率测量（理论上可达约1纳米），所用光学元件和设备成本低廉、技术成熟且安全可靠。

29、（2）测量过程中无需与待测结构物理接触，彻底消除了探针扫描或电子束辐照可能对样品造成的机械损伤或辐照损伤，尤其适用于光刻胶等敏感材料和已完成功能层制备的器件。

30、（3）采用整体照明方式对样品进行面照射，无需逐点扫描，样品和光源相对旋转特定角度或覆盖目标峰进出窗口的角度范围即可完成全部数据采集；核心参数由傅里叶峰进入/离开窗口的角度与频域几何关系直接得到，无需复杂的迭代反演计算，数据处理过程简短，测量效率显著高于现有方法。

31、（4）同套设备通过切换入射角、更换光源波长、更换物镜或调整数据处理策略，即可适配不同周期范围、不同材料类型和不同图案形状的微纳结构测量需求，具有广泛的适用性和泛用性。