基于相干光的微电子光学测量系统技术分析

0 引言

从技术发展方向来看，微电子结构的尺寸减小、规模增大的变化趋势不可阻挡，且这种变化在一定程度上能够提高微电子结构的性能。而这种变化也导致微电子行业发展受到诸多新的限制，其中以光学关键尺寸（OCD）问题表现的尤为明显。为了能够更好地适应微电子行业发展需求，相关人员必须要进行技术创新，并在现有技术体系上探索新的工作方向，其中相干光技术的发展顺应了这种变化，值得关注。

1 相干光光学系统在微电子测量中的技术分析

1.1 常规技术的缺陷

从技术角度来看，相干光系统通过成像方法能够测量微结构的表征数据，而由此发展而来的相干光光路系统，是以激光器发出的单色光为光源，在做多角度照明后，平行光达到微结构的表面，并通过收集光路采集光的信息。

在传统的微电子测量技术中，光学关键尺寸测量系统采用了宽光谱光源模式，可对被检测目标做单角度照射，按照不同波长入射光的零级衍射光，结合相关优化算法，在经过反演处理后，获得光栅结构的尺寸数据[1]。而在实际上，传统的测量系统中，其模拟过程忽视了光干涉信息，因此随着微结构的尺寸越小，其误差问题表现得越明显。

1.2 相干傅里叶散射

目前非相干光学散射测量方案是相对成熟的测量手段，部分企业开始通过该技术来进行纳米级别的测量，并且大量的实践经验证明，该技术在微结构参数测量中的效果显著，在确定微结构后，通过对特定波段做测量分析，此时在经过光栅散射后，根据远场提供的衍射信号获得微结构的表征结构。在这个技术流程上，非相干光学散射测量的光源，主要来源于滤波器，属于准单色光。相比之下，本文所采用的相干傅里叶散射技术（CFS）与常规技术相比具有显著优势，能够实现对待测微结构的覆盖性测量，并通过将不同结构的光做叠加扫描后，获得微结构资料；也可以做单一角度入射扫描，工作人员通过调整步进距离，最终提取相干结果。因此在技术上，通过相干傅里叶散射技术，能够周期性识别光栅结构的尺寸资料，并进行多层、单层的扫描，并且因为使用了覆盖测量技术，所以测量结果中的重叠部分中含有相干信息，所以数据的精准度得到保障。

2 相干光光路系统实现

2.1 相干光光路系统的设计思路

在相干光光路系统中，照明部分光路属于激光器发射的光，激光在经过滤波器处理后改变为单色光；单色光在经过散射器的加工处理后，会直接成像至CBFP（共轭后焦平面）,经偏振控制器后转变为具有单一偏态特征的线偏光。此时根据科勒照明原理，后焦平面的任意一个透光孔位置上的点光源均可映射为平面波，该平面波可根据测量需求设置特定的偏向角度[2]。

在相干光系统中，多角度照明主要是通过后焦平面上的多个位置照明实现的；用偏振控制器调整光的偏振态状态，由此能够更有效的利用相干光光路参数。每个角度的光在经过透镜与分光片后，最终以多角度照明模式映射至待测光栅上，并在光栅位置产生衍射，衍射光会在接收面完成反射。

2.2 多角度照明方法实现

2.2.1 多角度照明方法的关键技术

本次研究中采用了科勒照明技术实现多角度照明，该技术的主要优势是可以在表面上衍生不同角度的照射光，且每个点光源会最终汇聚至聚光镜后焦平面上。

2.2.2 平行光的衍射计算

在计算中，根据RCWA模型算法的相关要求，可获得零级衍射信号的光强度数据，且其中的数据变化体现了不同角度的光强度数据。

研究期间，通过任意调整一周期的光栅结构，所设置的测试环境为：光栅由硅（Si）材料组成，设置光栅深度200nm，宽度150cm；采集周期300nm，光源波长度532nm。

在光照测量后，结果显示光源波长度与测量结果之间呈现出正比例关系，光波越短则证明尺寸越小，其中将激光器的波长设置为193nm，光栅周期50nm，光栅深度200nm，光栅的凸起尺寸大小为25nm。

2.3 相干光光路系统的应用

在相干光光路系统应用中，本文根据傅里叶域成像方法，对所检测的参数做成像分析，系统的基本结构如图1所示。

图1 系统结构

在图1的结构上，本文使用了在CCD面上成像的方法，这种技术手段的主要优势，就是可以改变待测样本的轴向位置，并满足离焦图像重建的要求，能够快速生成3D图像，满足微电子结构更小尺寸的测量要求，目前来看是突破衍射极限的有效方法，文献［3］指出，这种测量方法已经满足纳米级别的精度测量要求。

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2021/0207/463.html