一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法

摘要

本发明公开了一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法，所述的测量方法在光刻机上进行，所述光刻机包括光源、空间光调制器、第一透镜、分光镜、相机、第二透镜、第三透镜和载物台；所述的测量方法包括：S1.调节样品与第三透镜之间的位置；S2.空间光调制器上显示一系列条纹结构图；相机拍摄一系列待测样品图像；S3.计算得到一张调制度图；S4.第三透镜向下移动一个固定间距d并重复S3；S5.n1次重复S4；S6.对这n1张调制度图进行处理，得到样品表面微观轮廓图。本发明提供一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法，利用无掩模光刻机的现有硬件，实现光刻样品的三维形貌测量，使光刻机能够同时实现光刻和三维检测的复合功能。

说明书

技术领域

本发明属于三维轮廓测量技术领域，特别涉及一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法。

背景技术

无掩模光刻机是一种通过空间光调制器产生光刻图案的投影光刻机。它和常规光刻机的区别是，常规光刻机需要掩模板来确定光刻图案，通过精密光刻镜头将掩模板图案投影微缩到基板的光刻胶上。这种光刻机精度高，适合固定图案大批量生产，但缺点是需要掩模板，价格贵，周期长。无掩模光刻机将需要生成的图案加载到空间光调制器上，再通过光刻镜头将空间光调制器的图案微缩到基板上的光刻胶上。无掩模光刻机的优点是：空间光调制器可以通过编程改变其图案内容，这样当图案内容需要调整时，只需要通过编程即可完成。

无掩模光刻机工作方式：光源模块在空间光调制器有效区域内产生均匀的照明光,空间光调制器上加载的图案经过中间镜组，经过分光镜反射，通过光刻第三透镜成像在样品表面上的光刻胶上,形成光刻胶的曝光，从而把空间光调制器上的图案转移到样品表面胶层上。在光刻机工作时，需要确保样品表面位于第三透镜的焦面上，因此，光刻机需要高精度纵向扫描机构来微调第三透镜和样品之间的间隙。光刻机工作时，为了确认样品表面位于第三透镜焦面上，需要通过成像光路来观察样品表面，因此，光刻机上需要有一路成像光路，它的成像顺序是：从样品表面产生的反射光，通过第三透镜，透过分光镜，经过筒镜成像在相机上。存在的问题：当前无掩模光刻机在曝光光刻胶之后在光刻胶上产生曝光图像，曝光光刻胶再经过显影和刻蚀后，会生成三维光刻结构。为了调整或者验证光刻机工作参数，此时需要测量制作出的三维光刻结构微观三维形貌，进而确定光刻结构的指标，如台阶高度、线宽、线型等，是不是达到设计要求。这样的三维微观形貌测量工作目前必须要在专门的三维测量显微镜上完成，这就需要把光刻样品放到另外一台三维显微镜上去。这存在以下几个问题：1.专门的三维测量显微镜，比如白光干涉显微镜，共焦显微镜，通常价格昂贵，并不是所有单位都配备；2.三维测量显微镜的载物台都是标准化的，实际的光刻样品基板尺寸是经常变化的，有时会发生光刻样品不能够放入三维测量显微镜不能测量的问题；3.三维测量显微镜放置地点和光刻机放置地点经常不在一处，光刻样品搬运以及环境差异都有风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法，利用无掩模光刻机的现有硬件，实现光刻样品的三维形貌测量，使光刻机能够同时实现光刻和三维检测的复合功能，从而解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法，所述的测量方法在光刻机上进行，所述光刻机包括沿光轴方向依次设置的光源、空间光调制器、第一透镜和与光轴方向具有一定夹角的分光镜，以及在垂直于光轴方向且远离光源的一侧自上而下依次设置的相机、第二透镜、第三透镜和载物台，所述载物台用于放置样品，所述分光镜位于所述第二透镜和第三透镜之间，所述第三透镜连接有纵向扫描机构，所述纵向扫描机构用于纵向调节第三透镜的高度；

所述的测量方法按照如下步骤进行：

S1.将样品放至载物台上且位于第三透镜的焦面附近；通过相机拍摄的图案来控制纵向扫描机构微调第三透镜的高度，并使得第三透镜的焦面位于样品微观轮廓最高点的上方且与微观轮廓最高点之间具有预定距离；

S2.光源模块均匀照射空间光调制器；在空间光调制器上依次显示一系列预先编程好的条纹结构图案，该条纹结构图案经过第一透镜，分光镜反射，最后通过第三透镜照射在样品表面上；该条纹结构图案经过光源照射至样品表面的图像经第三透镜、分光镜和第二透镜后成像在相机上，相机采集一系列样品微观图像；

S3.对S2中的一系列图片进行图像处理，计算出一张调制度图；

S4.纵向扫描机构精确控制第三透镜向下移动一个固定间距，即向样品表面移动固定间距并在此位置重复S3，拍摄一系列图片，经过图像处理，计算出一张上述位置下的调制图；

S5.n次重复S4，这样可以获取到n张沿样品高度方向等间隔位置上的样品调制度图；直至样品表面完全位于第三透镜焦面的上方停止拍摄；

S6.对这n张调制度图进行处理，得到样品表面微观轮廓图。

进一步地说，所述分光镜与所述光轴之间的夹角为45°。

进一步地说，S1中所述的预定距离的大小为3-20μm。

进一步地说，S4中所述的固定间距的大小为0.04-5μm。

进一步地说，所述的S6中将n张调制度图处理得到样品表面微观轮廓图的处理方法是：将n张图片的相同位置的像素值组成一个序列，计算这个序列的峰值位置序号，该序号值即反映样品上该像素对应位置的高度值；将不同像素的对应位置高度值组合起来，就是样品微观轮廓的三维高度分布。

进一步地说，S1中通过手动控制纵向扫描机构微调第三透镜的高度。

本发明的有益效果：

本发明利用无掩模光刻机上的现有硬件，实现光刻样品的三维形貌测量，使光刻机能够同时实现光刻和三维检测的复合功能，使用方便，实用性强。

附图说明

图1为本发明的光刻机的结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为3幅固定120°相位偏移量的正弦条纹图；

图4为4幅固定90°相位偏移量的正弦条纹图；

图5为本发明的重心法示意图；

图6为本发明的曲线拟合法示意图；

图中各部分的附图标记如下：

光源1、空间光调制器2、第一透镜3、分光镜4、相机5、第二透镜6、第三透镜7和样品8。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。

实施例：一种基于无掩模光刻机的三维轮廓显微测量方法，所述的测量方法在光刻机上进行，如图1所示，所述光刻机包括沿光轴方向依次设置的光源1、空间光调制器2、第一透镜3和与光轴方向具有一定夹角的分光镜4，以及在垂直于光轴方向且远离光源的一侧自上而下依次设置的相机5、第二透镜6、第三透镜7和载物台(图未示出)，所述载物台用于放置样品8，所述分光镜位于所述第二透镜和第三透镜之间，所述第三透镜连接有纵向扫描机构，所述纵向扫描机构用于纵向调节第三透镜的高度；

如图2所示，所述的测量方法按照如下步骤进行：

S1.将样品放至载物台上且位于第三透镜的焦面附近；通过相机拍摄的图案来控制纵向扫描机构微调第三透镜的高度，并使得第三透镜的焦面位于样品微观轮廓最高点的上方且与微观轮廓最高点之间具有预定距离；

S2.光源模块均匀照射空间光调制器；在空间光调制器上依次显示一系列预先编程好的条纹结构图案，该条纹结构图案经过第一透镜，分光镜反射，最后通过第三透镜照射在样品表面上；该条纹结构图案经过光源照射至样品表面的图像经第三透镜、分光镜和第二透镜后成像在相机上，相机采集一系列样品微观图像，即空间光调制器每加载一个条纹结构图，相机拍摄一张该结构光照明下的样品表面图像；

S3.对S2中的一系列图片进行图像处理，计算出一张调制度图；

当光刻机空间光调制器上显示的一系列条纹结构光图是3幅固定120度(或者用弧度表示，2π/3)相位偏移量的正弦条纹图，如图3所示；

采用图3中的3幅条纹结构图时，相机拍摄到3幅样品图像且分别为D₀(x，y)，D₁₂₀(x，y)，D₂₄₀(x，y),则S3中计算调制度图的公式为：

其中，Din代表计算出来的当前对焦面的调制度图；x和y分别代表图像中两个维度上的像素坐标，比如，如果图片是1024*1280像素大小的，则x取值范围就是1-1280，y取值范围就是1-1024，m代表空间光调制器上显示条纹的对比度，m取值范围为0-1；

当光刻机空间光调制器上显示的一系列条纹结构光图是四幅固定90度(或者用弧度表示，π/2)相位偏移量的正弦条纹图，如图4所示；

采用图4中的这4幅条纹结构图时，相机拍摄到4幅样品图像且分别为D₀(x，y)，D₉₀(x，y)，D₁₈₀(x，y)，D₂₇₀(x，y),则S3中计算调制度图的方法是：

其中，Din代表计算出来的当前对焦面的调制度图；x和y分别代表图像中两个维度上的像素坐标，比如，如果图片是1024*1280像素大小的，则x取值范围就是1-1280，y取值范围就是1-1024，m代表空间光调制器上显示条纹的对比度，m取值范围为0-1；

S4.纵向扫描机构精确控制(光刻机程序设定固定间距)第三透镜向下移动一个固定间距，即向样品表面移动固定间距并在此位置重复S3，拍摄一系列图片，经过图像处理，计算出一张上述位置下的调制图；

S5.n次重复S4，这样可以获取到n张沿样品高度方向等间隔位置上的样品调制度图；直至样品表面完全位于第三透镜焦面的上方停止拍摄；

S6.对这n张调制度图进行处理，得到样品表面微观轮廓图。

所述的S6中将n张调制度图处理得到样品表面微观轮廓图的处理方法是：将n张图片的相同位置的像素值组成一个序列，计算这个序列的峰值位置序号，该序号值即反映样品上该像素对应位置的高度值；将不同像素的对应位置高度值组合起来，就是样品微观轮廓的三维高度分布。

对于每一个空间采样点，调制度最大的位置即对应该采样点位置样品的实际表面高度位置。因此，对n张调制度图，其相同位置(i,j)的调制度值(也可以叫像素值)C形成一个数组(C1,C2,...,Cn)，如图5所示。如果第一张调制度图对应的高度位置为0，则该数组和高度值的关系如图6所示，则图中该曲线的峰值位置所对应的高度值C即为位置(i，j)的高度值。

确定该高度值的计算方法有很多种，一种常见方法是曲线拟合法(如图6所示)，图6中横坐标为图片序号，纵坐标为调制度值。

本实施例中优选的是，所述分光镜与所述光轴之间的夹角为45°。

本实施例中优选的是，S1中所述的预定距离的大小为3-20μm。

本实施例中优选的是，S4中所述的固定间距的大小为0.04-5μm。

本实施例中优选的是，S1中通过手动控制纵向扫描机构微调第三透镜的高度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。