提高激光外差差分干涉仪定位精度的装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于测量微细图形尺寸的激光外差差分干涉仪的高精度定位装置及方法。它是在激光外差差分干涉仪上加装高精度定位装置，此定位装置可以是激光干涉测长仪，也可以是其他接触式(如电感)测长仪；测量之前应首先调整工作台定位装置，使其测量方向与工作台的移动方向平行。测量时，移动工作台，利用激光外差差分干涉仪的两个分立的测量光点，一个光点在基底，一个扫过被测物台阶，当激光束扫描被测物台阶边缘时，就可以得到相位渐变过程的多组测量数据，将此多组测量数据的坐标值依次代入计算机，进行运算处理得到被测台阶的边缘位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量微细图形尺寸的激光外差差分干涉仪的高精度定位装置及方法。

背景技术

工业领域中微细图形的测量，不论其对象是线纹、台阶、沟槽，还是各种介质的、半导体的及金属的镀膜，以及集成电路内部的各种微线条等，被测对象都可以抽象为一个台阶，只不过其高度、宽度范围不等，材料不同而已，因此我们也称其为规则图形。同时整个的测量过程实际上是要确定两个参数，一个是台阶的高度，另一个是台阶的宽度或台阶边缘的坐标位置。目前台阶高度和宽度的高精度测量是分别由不同的测量方法及设备完成的，既单纯的厚度测量和单纯的宽度测量。

目前的激光外差干涉仪是采用偏振光外差干涉技术和相位测量方法获得nm精度的被测高度，测量时，彼此相邻很近的、从被测表面反射的两束测量光束的差拍信号与激光器出射的两个不同频率光束的拍频信号比相，其相位差反映了两个测量光点之间的高度差。这种仪器虽然很适合高精度表面粗糙度和各种膜厚、微细图形高度的高精度测量，但是，在测量台阶边缘时的横向分辨率受测量光束束径大小的限制，一般为2～4μm。台阶边缘定位的解析方法是解决干涉仪横向分辨率低问题的一种有效方法，但是由于需要对测量光束在台阶边缘的束径预先进行估算，同时该方法定位精度与工作台步距大小和平稳性有关，当定位精度为0.1μm时，工作台步距也要与之相对应而且要相当的平稳，而且每步的移动距离还要相等，这使工作台的制作难度很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高外差干涉仪横向分辨率的装置和方法。本发明的技术解决方案是，激光测量光束由一般的聚焦物镜得到，高精度定位装置接于工作台的侧面，此定位装置可以是激光干涉测长仪，也可以是其他接触式(如电感)测长仪；当使用激光干涉测长仪时，在精密工作台的移动台面上安装一个定位用反射镜，使定位干涉仪测量光路的光心方向与工作台移动方向平行。当使用接触式测长仪时，应保证触头的测量方向与工作台测量方向平行。测量之前应首先调整工作台定位装置，使其测量方向与工作台的移动方向平行。测量时，移动工作台，利用激光外差差分干涉仪的两个分立的测光点，一个光点在基底，一个扫过被测物台阶，当激光束扫描被测物台阶边缘时，就可以得到相位渐变过程的多组测量数据，将此多组测量数据的坐标值依次代入计算机，进行运算处理得到被测物的光强值，此光强值再与被测点的正态分布式进行比较，其处理步骤为：

1用于计算机初始化的步骤；

2用于输入测量光点扫描到的坐标位置x₁，和被测相位值y_i，测量光束同在测量基底的测量相位值D₁、测量光束一个在测量基底一个在台阶表面的测量相位值D₂、及基底和被测台阶的反射率Q₁、Q₂的步骤；

3用于得到测量光点扫描到坐标位置x_i处时，位于台阶上的光点的归一化光强分布的步骤；

4用于确定标准正态分布数据解析表达式f(z)的步骤；

5用于利用横坐标0～∞的标准正态分布数据确定-∞～+∞标准正态分布数据的步骤。

6用于通过归一化光强分布与标准正态分布f(z)进行比较，从而确定使标准正态分布f(z)和归一化光强值相等时的标准正态分布的横坐标值z_i的步骤；

7用逐步逼近法递增标准正态分布的横坐标值z_i直到标准正态分布的值f(z)与归一化光强分布的值之差小于预先给定的误差限ε的步骤；

8用于确定横坐标在-∞～+∞时标准正态分布的横坐标z的步骤；并对x_i是否＜0做出选择，或是，标准正态分布的横坐标为负值，或否，标准正态分布的横坐标为正值；

9用于比较归一化光强分布和标准正态分布f(z)的相位部分，确定x、z与β^-1(相当于激光束半径)、x₀(台阶边缘位置)间的关系 $>x>=>z>\sqrt{>2>\beta >\; >+>x>0>>>s>的比较步骤。}$

10用于利用不等间距线性回归技术确定测量过程中的坐标x与激光半径β^-1和被测物体边缘坐标x₀关系的步骤。 $>x>=>z>\sqrt{>2>\beta >\; >+>x>0>>>s>中的未知系数\beta -1和x}$₀的步骤。

11测量结束，测得被测物的长、宽、高。

工作台的步距要足够小但不要求步距的均匀性，和传统的干涉仪相比，其测长仪的精度应保证工作台的定位精度优于0.1μm。通过已建立的相位渐变数学模型和回归技术，再利用以上的测量数据就可以计算出被测台阶的精确位置。当工作台的定位精度优于0.1μm时，台阶边缘的定位精度为亚微米级。本发明的台阶测量定位精度高，可达到亚微米量级，测量光束的束径不是要小，反而是要有一定的宽度值，而且该值也不必预先测量；工作台的移动步距在0.8μm左右，改变了以往的工作台步距越小越好的要求，且每一步移动的距离也不一定相等；工作台步距和激光束径间只要能满足台阶边缘从光点的一侧走到另一侧时具有足够的分割点以利于剔除随机误差的影响即可。同时由于台阶高度测量和工作台移动距离的测量都具有比较高的精度，所以本发明的横向定位精度得以大大提高。而且工作台结构简单，数据处理方便。

附图说明

图1为本发明定位装置的结构示意图；  

图2为本发明扫描时两测量光点与扫描方向平行示意图；

图3为本发明扫描时两测量光点与扫描方向垂直示意图；

图4为本发明的测量流程图；

图5为本发明的基底与被测材料相位之间的关系图。

具体实施方式

整个干涉系统由干涉头1，微动工作台2和工作台定位装置3组成。被测工件4放在工作台上。测量之前应首先调整工作台定位装置，使其测量方向与工作台的移动方向平行。当使用激光干涉测长仪时，应在精密工作台的移动台面上安装定位用反射镜。安装时，使定位干涉仪测量光路的光心方向与工作台移动方向平行。当使用接触式测长仪时，应保证触头的测量方向与工作台测量方向平行。测量时，移动工作台，实现光点对被测台阶的扫描。将扫描得到的数据以下述步骤进行运算，获取所需被测物的尺寸：

1用于计算机初始化的步骤；

2用于输入测量光点扫描到的坐标位置x_i，和被测相位值y_i，测量光束同在测量基底的测量相位值D₁、测量光束一个在测量基底一个在台阶表面的测量相位值D₂、及基底和被测台阶的反射率Q₁、Q₂的步骤；

3用于得到测量光点扫描到坐标位置x_i处时，位于台阶上的光点的归一化光强分布的步骤；

4用于确定标准正态分布数据解析表达式f(z)的步骤；

5用于利用横坐标0～∞的标准正态分布数据确定-∞～+∞标准正态分布数据的步骤。

6用于通过归一化光强分布与标准正态分布f(z)进行比较，从而确定使标准正态分布f(z)和归一化光强值相等时的标准正态分布的横坐标值z_i的步骤；

7用逐步逼近法递增标准正态分布的横坐标值z_i直到标准正态分布的值f(z)与归一化光强分布的值之差小于预先给定的误差限ε的步骤；

8用于确定横坐标在-∞～+∞时标准正态分布的横坐标z的步骤；并对x_i是否＜0做出选择，或是，标准正态分布的横坐标为负值，或否，标准正态分布的横坐标为正值；

9用于比较归一化光强分布和标准正态分布f(z)的相位部分，确定x、z与β^-1之间关系的比较步骤；

10用于利用不等间距线性回归技术确定测量过程中的坐标x与激光半径β^-1和被测物体边缘坐标x₀关系的步骤。

11测量结束，测得被测物的长、宽、高。

Z是使和f(z)相等时的标准正态分布的横坐标值，可由标准正态分布表查得。因此，x、z与β^-1、x₀之间的关系可以归结为一个一元线性方程 $>x>=>z>\sqrt{>2>\beta >\; >+>x>0>>>s>的回归。}$

扫描时两个测量光点5的连线可以与扫描方向垂直(如图2所示)，也可以与扫描方向平行(如图3所示)。以工作台起始测量位置为原点，设工作台移动方向为x方向，则随着工作台的移动，可以得到x与被测相位之间的关系(如图5所示)。由图可见，由于激光具有一定的束径，在被测台阶附近，被测相位不是理想的阶跃，而是具有一定的相位渐变。其中曲线1代表当被测台阶与基底为同一材料时的结果，该曲线相对于台阶边缘对称；曲线2、3代表当被测台阶和基底为不同材料时的结果，相位渐变曲线相对于台阶边缘非对称(图5)。在本系统中，要保证工作台步距是激光束径的1/5～1/10，这样在相位渐变曲线上可以得到足够多的测量点(x_i，y_i)(其中y_i是相对于x_i的相位测量值)。将这些点按图4所示框图进行数据处理，可以求出台阶边缘的坐标(x₀)。

为了验证上述方法的正确性，进行了以下仿真测量计算，假设为标准正态分布时，x_i每0.01取一个数据点，部分横坐标的估计值如表中所示，被测物台阶边缘坐标的估计值是0.0023，真值是0.00，激光束径的估计值为1.3987，真值为1.414。它们的估计偏差分别是0.0023和-0.0164。

标准正态分布横坐标x₁仿真数据表

 真值 估计值 真值 估计值 真值 估计值 真值估计值真值估计值 0.10 0.0981 0.18 0.1797 0.26 0.2611 0.34 0.3420 0.42 0.4337 0.11 0.1084 0.19 0.1899 0.27 0.2711 0.35 0.3520 0.43 0.4326 0.12 0.1187 0.20 0.2002 0.28 0.2814 0.36 0.3622 0.44 0.4426 0.13 0.1288 0.21 0.2104 0.29 0.2914 0.37 0.3722 0.45 0.4526 0.14 0.1391 0.22 0.2206 0.30 0.3015 0.38 0.3822 0.46 0.4627 0.15 0.1492 0.23 0.2307 0.31 0.3116 0.39 0.3923 0.47 0.4728 0.16 0.1596 0.24 0.2407 0.32 0.3217 0.40 0.4024 0.48 0.4829 0.17 0.1696 0.25 0.2509 0.33 0.3319 0.41 0.4125 0.49 0.4928

在实际测量中，如果一个测量光点在被测基底，一个在线纹上扫描时，左右两个台阶边缘定位值之差即为台阶宽度，当两激光束同时扫描单个台阶时，两次相位跳变的中心值所对应的横坐标之差即为两个测量光束的间距。