使用光子納米噴射、利用光學計量的自動化過程控制的制作方法

專利名稱：使用光子納米噴射、利用光學計量的自動化過程控制的制作方法
使用光子納米噴射、利用光學計量的自動化過程控制技術領域本申請一般涉及光學計量，并且更具體的，涉及使用光子納米噴射(photonicnanojet)檢査半導體晶片的監測區域。
技術背景對于以集成電路(IC)裝置的較小幾何尺寸為目標的當前趨勢，隨著特 征變小，IC裝置特征的測量日益困難。光學顯微鏡方法和頻譜技術已得到了 充分發展。然而，傳統的光學顯微鏡方法有根本的局限性。在使用遠場區中 的光場傳播對目標進行成像的情形中，根本的限制是光的衍射，其將傳統光 學顯微鏡限制到相當于二分之一波長的空間分辨率，即對于可見光而言大約 200nm。隨著關注的問題進一步推進到納米體系中，允許納米級分辨率或靈敏 度的成像技術的重要性已經穩步增長。已經開發了利用倏逝(evanescent)場的近場光學技術以克服遠場光學的 衍射限制。特別地，稱作近場掃描光學顯微鏡(NSOM)的鄰近探針技術已經 延伸到超越衍射限制的光學測量范圍，并且激發了許多學科的關注，尤其是 材料和生物科學。然而，低集光效率、較低的圖像采集速率以及無能力對 NSOM表面之下的目標進行成像或檢測根本地限制了它的效用。發明內容在一個實施例中，可使用光學計量來控制制造集群(fabrication cluster)。 在晶片上使用制造集群執行制造工藝。產生光子納米噴射，它是電介質微球 體的遮蔽側表面處引起的光學強度圖案。使用光子納米噴射掃描晶片上的監 測區域。隨著光子納米噴射掃描監測區域，獲得從電介質微球體回^1"光的測 量結果。使用獲得的回射光的測量結果確定監測區域中結構的存在狀態。基 于監測區域中結構的存在狀態，調節制造集群的一個或多個工藝參婁女。


圖1為示出使用光子納米噴射確定半導體晶片監測區域中結構的存在狀 態的示例性工藝的流程圖。圖2為光子納米噴射測量系統的結構圖。圖3a-c示出光子納米噴射的演化圖。圖4a-c示出光子納米噴射的細化。圖5示出局部化光子納米噴射的強度分布。圖6a-b示出用時域有限差分(FDTO)計算的微分散射截面的改變的絕對 值曲線圖。圖7示出納米噴射中的結構的反向散射增強因子作為結構尺寸的函數的圖。圖8a示出具有微球體的透鏡聚焦作用的增強反向散^"強度與經典瑞利散 射強度作為尺寸參數的函數的比較圖。圖8b示出反向散射增強因子(即增強的反向散射強度對經典瑞利散射強 度的比率)作為尺寸參數的函數的圖。圖9a-c示出對比光子納米噴射寬的結構進行掃描的光子納米噴射。圖10a-c示出來自圖9a-c光子納米噴射位置的測得反向散射信號的相應的圖。圖11為示出使用光學計量控制生產集群的示例性工藝的流程圖。圖12示出具有光子納米噴射計量系統的自動化處理控制系統的結構圖。
具體實施方式
為了提供本發明的更透徹的理解，下面的描述提出許多具體細節，例 如，具體結構、參數、示例以及類似物。然而，應該認識到，這些描述并不 應當作為本發明的范圍的限制，而是意圖提供示例性實施例的更好的描述。圖1為檢查半導體晶片的監測區域的示例性工藝的流程圖。在步驟102 中，產生光子納米噴射，即電介質微球體(microsphere)的遮蔽側表面處引起 的光學強度圖案。參見下文中"光子納米噴射的產生"部分以進一步討論該步在步驟104，使用光子納米噴射掃描監測區域。可通過使光子納米噴射相 對于晶片移動、使晶片相對于納米噴射移動或使晶片和納米噴射相對于彼此 都進行移動而掃描監測區域。可使用移動載物臺移動晶片。可使用致動器移 動納米噴射。可使用壓電納米定位系統或其它類似系統實現晶片和/或納米噴 射的微小移動。應該認識到，可通過晶片和/或納米噴射的連續或不連續移動來掃描監測 區域。例如，可通過在監測區域上連續移動納米噴射掃描監測區域。可替代 地，可通過將納米噴射移動至監測區域中的一個位置、停止在監測區域中的 該位置之上、然后將納米噴射移動至監測區域中的另一位置，來掃描監測區 域。在步驟106中，在使用光子納米噴射掃描監測區域之時，從電介質微球 體獲得回射光的測量值。具體地，由于光子納米噴射與晶片表面相互作用， 從電介質微球體回射部分入射光。可使用檢測器測量回射光，檢測器可包括 光電二極管、光電倍增器或其它基于分光儀的裝置。在步驟108中，使用獲得的回射光的測量值確定監測區域中結構的存在狀態。具體地，可使用回射光的測量值產生測量到的反向散射信號(signature)。當納米噴射碰到監測區域中的結構時，可觀察到反向散射信號 中的幾個數量級的改變。因此，可通過將測量到的反向散射信號與先前納米 噴射中沒有結構的情況下獲得的反向散射信號相比較來確定結構的存在狀 態。可替代的，測量到的反向散射信號可與反向散射信號庫相比較，該反向 散射信號庫是在納米噴射中有結構以及沒有結構的情況下仿真或測量的。如 果測量到的反向散射信號與納米噴射中有結構的情況下仿真或測量到的庫中 的反向散射信號相匹配，則確定為結構存在。如果測量到的反向散射信號與 納米噴射中沒有結構的情況下仿真或測量到的庫中的反向散射信號相匹配， 則確定為不存在結構。該結構可以是任何在晶片上形成的孤立的、非周期性的、或周期性的結 構，例如柵(gate)、線、接觸孔、通孔、漏(drain)、周期性結構以及類似 物。另外，該結構可以為外來物質(foreign matter)，例如污染微粒。通過確定該結構的存在，可評估制造工藝。例如，如果意圖在晶片上的特定位置中 形成結構，那么可檢查該特定位置以確定該結構是否存在。如果結構不存 在，另P么可以檢測到制造工藝中的錯誤(fault)。可替代地，假如晶片上的特 定位置應當不被圖案化，那么可檢査該特定位置以確定是否存在結構，所述 結構包括污染微粒。如果該結構存在，那么可檢測到制造工藝中的錯誤或制 造工藝中的污染。除了確定監測區域中的結構的存在狀態外，在一個示例性實施例中，可 使用獲得的回射光的測量值確定結構的高度和寬度。如上所述，可通過使用 回射光的測量值產生測量到的反向散射信號。該測量到的反向散射信號可包 括反向散射強度。如下面討論的，增強的反向散射強度(納米噴射中具有和不具有結構的情況下的反向散射強度之間的差)與結構的高度和寬度的3次冪成比例。因此，可基于增強的反向散射強度確定結構的高度和寬度。在基于庫的工藝中，可通過將測量到的反向散射信號與對應于不同高度 和寬度的結構的反向散射信號的庫相比較，確定結構的高度和寬度。更具體 地，庫中的每個反向散射信號與具有特定高度和寬度的結構相關聯。當在測 量到的反向散射信號和庫中的反向散射信號之一之間獲得匹配時，或者當測 量到的反向散射信號與庫中的反向散射信號之一的差值在預置標準或匹配標 準之內時，則認為對應于庫中的匹配反向散射信號的結構的高度和寬度為該 結構的實際高度和寬度。可以對于具有不同高度和寬度的結構，仿真或預先 測量庫中的反向散射信號。可替代的，可確定結構的位置。具體地，可通過與移動納米噴射和/或晶 片聯合使用的定位系統確定納米噴射在晶片上的位置。因此，當確定了結構 的存在狀態時，納米噴射在晶片上的位置可用于確定該結構的位置。 為了確定比納米噴射的寬度更大的結構的高度和寬度，掃描該大結構。圖9a-c示出掃描大結構902的光子納米噴射906。參考圖9a-c，作為在電介質 微球體904的遮蔽側表面處引起的光學強度圖案，產生了納米噴射906。圖 10a-c示出由圖9a-c的光子納米噴射位置的測量所產生的測得反向散射信號的 相應曲線圖。圖10a-c中的曲線圖的y-軸為強度，x-軸為散射角，以度為單 位。圖9a示出在大結構902的角落或邊緣之上的納米噴射906。圖10a中測量 到的反向散射信號對應于如圖9a中所示的在部分結構902之上定位的納米噴 射906。圖9b示出在大結構902的中間之上的納米噴射906。圖10b中的測量反 向散射信號對應于在大結構902之上但不是在結構的邊緣之上的納米噴射 906。圖9c示出在大結構902的相反角落或邊緣之上的納米噴射906。圖10c中 測量到的反向散射信號對應于如圖9c所示的在部分結構902之上定位的納米 噴射906。來自定位系統的位置信息，如上討論的，可與一組測量到的反向散射信 號(例如，圖10a-c中示出的信號)結合。可利用該結合信息確定大結構902 在一個方向上的位置、寬度和高度。可利用由沿掃描的各個點收集到的聯合高度信息確定在一個方向中結構 902的高度或不同高度。注意，可由單獨的信號確定該結構的每個部分的高 度。然而，結構的其它部分可能具有不同的高度。因而，可以優選地掃描整 個結構以確定該結構的任何不同高度。此外，可進行其它方向的類似掃描以確定結構902的其它尺寸。例如， 假定結構902是方形的，在垂直方向上的掃描可確定結構902的其它兩個邊 緣。將來自定位系統的位置信息與在垂直掃描中識別的邊緣相結合，可確定 結構902的第三維。該描述的實施例應當作為示例性的并非限制性的；可以有任何數目的測 量值來確定不同結構的尺寸。也有各種掃描能夠利用的不同掃描方法，例如 追蹤結構的邊緣。圖2為用于檢查半導體晶片上的監測區域的光子納米噴射計量系統200的 結構圖。在一個示例性實施例中，光子納米噴射計量系統200包括光源202、 光學透鏡204、光纖214、電介質微球體216、檢測器208以及處理器226。如圖2所示，光纖214的最近末端耦合至光學透鏡204。光纖214的遠側 末端耦合至電介質微球體216。可使用粘合劑耦合光纖214的遠側末端以及電 介質微球體216。可替代地，可通過使用兩個沿反向傳播的C02 、激光束融化光纖214的末端直接制造電介質微球體。微球體的尺寸可通過控制加熱時間 和/或激光能量來精確控制。當光源202 (例如連續波激光器)通過透鏡204將光引入光纖214時，通 過入射光210照射電介質微球體216。如將在下面更具體討論的，然后可作為 在電介質216的遮蔽側表面側引起的光學強度圖案產生光子納米噴射228 (同 樣見圖4和5)。容易從許多商業來源獲得電介質微球體，在下面討論電介質 微球體的合適選擇。使用光子納米噴射228掃描晶片218上的監測區域。由于光子納米噴射 228與晶片表面相互作用，部分入射光210從電介質微球體216回射。回射光 212通過光纖214返回。檢測器208被連接至光纖214，獲得回射光212的測 量值。處理器226被連接至檢測器208，可通過使用獲得的回射光212的測量 值確定監測區域中結構的存在狀態。如上所述的，反向散射信號的庫232可 用于確定結構的存在狀態。如圖2中所示，在本示例性實施例中，可在光學透鏡204和電介質微球體 216之間沿光纖214設置光學循環器(circulator) 206。圖2中還示出，通過光 學循環器206，檢測器208連接至光纖214。因而，應當意識到，光纖214可 以至少包括3段(g卩，第一段將光學透鏡204連接至光學循環器206，第二段 將光學循環器206連接至電介質微球體216，并且第三段將光學循環器206連 接至檢測器208)。在本示例性實施例中，光纖214為單模光纖。如上所述的，晶片218可相對于光子納米噴射228移動。因此，在本示例 性實施例中，光子納米噴射計量系統200包括載物臺220，樣品操作器222和 載物臺定位系統224。可配置樣品操作器222使晶片218在載物臺220上自動 定位和定向。可以配置載物臺220具有沿x-軸、y-軸和z-軸的移動和旋轉的六 個自由度。載物臺220的精密對準和定位可通過載物臺定位系統224控制，該 系統可以是壓電納米定位系統或其它類似系統。在本示例性實施例中，光子納米噴射計量系統200可以包括鄰近電介質 微球體216的測距機230。設置測距機230以測量光子納米噴射228和晶片 218之間的距離。可替代地，由檢測器208測量到的反向散射信號可用于測量 光子納米噴射216和晶片218之間的距離。具體地，在反向散射信號中的變化可與測量光子納米噴射216和晶片218之間的距離相關。在確定光子納米噴射 228和晶片218之間的距離之后，可通過載物臺定位系統224保持合適的距 離。如圖2中所示，處理器226可連接至載物臺220、樣品操作器222、載物 臺定位系統224和測距儀230。可配置處理器226以使用載物臺220、樣品操 作器222、載物臺定位系統224和測距儀230來控制晶片218的移動。應當意 識到，處理器226可由任意數量的處理器或控制器來實現。光子納米噴射的產生已經報道了幾種對于平面波照射的有限電介質圓柱的內部和近外部電磁 場的空間分布的計算。參見J.F.Owen, R.K.Chang以及P.W.Barber， 'Internal electric field distributions of a dielectric cylinder at resonance wavelengths," Opt. Lett. 6, 540-542(1981);和D.SJBenincas^ P.W.Barber， J,Z.Zhang， W.RHsieh和R.K.Chang, "Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatter^" Appl. Opt 26, 1348-1356(1987)。這些計算顯示，即使對于非共 振條件，也可以沿入射軸在內部和近外部場中都存在高強度峰值。這些近場 峰值的位置和強度取決于圓柱和其周圍的介質之間的折射率對比以及圓柱的尺寸參數F^F27TO/X(其中G!為半徑并且X為入射波長)。已經可使用射線理論(raytheory)或電磁波散射理論的半經典界限來檢測由圓柱體使傾斜入射的 平面波散射中產生的內部和外部焦散(caustic)。參見C.L.Adler, J.A.Lock, B.R.Stone禾口 C丄Garcia， 'Tffigh-order interior caustics produced in scattering of a diagonally incident plane wave by a circular cylinder," J.Opt.Soc.Am.A 14, 1305-1315 (1997)禾口 J.A,Lock^ C.LAdler禾口 E.A.Hovenac， 'Exterior caustics produced in scattering of a diagonally incident plane wave by a circular cylinder: semiclassical scattering theory analysis," J.OptSoc.Am.A 17,1846-1856 (2000)。采用麥克斯韋方程組的高分辨率時域有限差分(FDTD)數值解,已經檢驗了 平面波照射電介質圓柱的內部和近外部場產生峰值的現象。已經考慮了二維 (2-D)橫向磁場(TM)情形，即入射磁場向量與固定橫截面的無限長圓柱的 軸線垂直的情況。已經研究了約500nm的光學波長和約5/mi的圓柱直徑。通過計算幾個均勻的、各向同性的、圓形電介質圓柱的微分散射截面并且將這些結果與基于分離變量法所得到的精確解進行比較，來驗證FDTD計 算機代碼。吸收邊界條件的理想匹配層(PML)可用于FDTD仿真以有效地 終止計算網格的外部邊界。對于具有1.25nrn的均勻正方形單元尺寸(對于全 部計算機運轉，比電介質波長的百分之一更細)的FDTO空間網格，在散射 角度的整個范圍內，對于散射截面的結果與精確結果一致達到士1.5dB的程 度。對于該一致程度，典型的計算動態范圍是60dB。圖3顯示的關鍵結果示出了當圓柱的折射率相對于包圍其的介質的折射 率變化時，光子納米噴射的演變。在這種情況下，考慮了直徑d二5/mi、折射 率為nl的無限電介質圓柱，其嵌入折射率n2=1.0的無限真空媒介之內。該 圓柱由在媒介2中波長X2=500nm的向右傳播的正弦平面波垂直照射。圖3a、 3b和3c分別顯示對于nl=3.5, 2.5和1.7，正弦穩態電場的FDTO計算包絡 線。對于nl的每次減小，內部電場峰值明顯地沿著正向朝圓柱的遮蔽側移 動。從圖3 (c)中的圓柱遮蔽側表面形成的電場峰值作為強噴射狀分布。光 子納米噴射既不是倏逝的也不是衍射的。它具有大約900nrn的長度(稍微小 于2X2)以及約250nm (0.5X2)的半高全寬(FWHM)腰(waist)。對于強度 (定義為電場的平方)分布，其具有約200nm的腰，小于二分之一波長。對于 nl 2，光子納米噴射從該電介質圓柱的遮蔽側表面的產生與先前通過電介質 圓形圓柱由光學焦散而產生的情況基本相一致。對于垂直入射平面波的散射，通過嵌入到無限真空媒介中的電介質圓柱 產生的內部尖點焦散(cuspcaustic)的尖點焦線的位置由下式給出F-o(-l卿-l,), (1)由戶=1的近距離圓柱失真尖點焦散構成的外部焦散的尖點焦線由下式給出戶—2("廣1)] (2)其中ce為圓柱的半徑。 為圓柱的折射率。p代表射線軌跡的內部弦的數 量，即在焦散形成之前，產生內部或外部焦散的射線族已經經歷了 次內反 射。式(1)和(2)可用于近似的預測內部電場峰值的位置和分析光子噴射 的演變。通過增大周圍介質的折射率(相當于減小入射光的波長)，可使圖3(c)中示出的光子噴射更薄。這在圖4 (a)中示出，其顯示對于J=5|Lim， =3.5， w2=2.0并且、=250nm的參數組，正弦穩態電場分布的FDTD計算包絡 線。圖4 (a)的納米噴射具有約160nrn的腰和約400nm的長度。在強度分布 方面，其具有約120nm的腰，小于二分之一波長。己經確定，如果 /"2和 d/X2不從圖4 (a)的情況變化，則可使用& 、"2和入2的不同結合產生類似 于圖4 (a)中的光子納米噴射。這在圖4 (b)中示出，其顯示對于 6pm， =23275， 《2=1.33并且X2=300nm的參數組，正弦穩態電場分布的 FDTD計算包絡線。圖4 (b)的納米噴射具有約200nm的腰和約500nm的長 度。在強度分布方面，其具有約130nm的腰，小于二分之一波長。作為另一 實例，圖4 (c)示出通過d二10iLim, ^=2.3275, w2=1.33并且、=300腿的參數 組合產生的納米噴射。除了圓柱直徑從6pm增加至10,，用于這種情況的所有參數與用于圖 4(b)的相同。此處，納米噴射具有約1000nm的長度和約200nm的腰。在強度 分布方面，其具有約140nm的腰，小于二分之一波長。從這些示例，通過圓 柱的尺寸有效地控制納米噴射的長度，而納米噴射的腰由周圍介質中的入射 波長確定。納米噴射現象可容易地從2-D延伸到3-D中去，即從電介質微柱到微球 體。電介質球的外部近場的空間分布的計算基于Mie理論，球坐標中麥克斯 韋方程組的精確的分離變量特征函數解。假定入射平面波沿x-軸偏振并且沿z 軸傳播。取坐標系的原點位于球的中心。于是，單位振幅的入射波以球諧波 形式展開為<formula>formula see original document page 17</formula> (3) =1M和N為向量球面諧波。散射場的展開式由下式給出五贈<formula>formula see original document page 17</formula> (4) 和& 為散射系數。附加在M和N上的上標代表球面貝塞耳方程的種類。總外部強度由下式限定圖5示出從Mie級數計算沿從電介質球的遮蔽側表面入射的方向產生的局部光子納米噴射的強度分布，其中電介質球的折射率#尸1.73并且半徑a= 3pm。假設該球被折射率為AH的真空包圍并由300nrn的波長照射。可觀察 到該光子納米噴射的兩個特征(a)其強度高達入射平面波的強度的800 倍；以及(b)它既不是倏逝的也不是衍射的。其具有大于500nrn的長度，和 BOnm的半高全寬(FWHM)腰，小于二分之一波長(即衍射極限)。注意，兩個參數在產生光子納米噴射中關鍵的。球的尺寸參數 X^C^27ID/X控制納米噴射的尺寸(包括寬度和長度)，而球與包圍球的介質之 間的折射率差確定了局部強度分布的位置。納米噴射之內的納米粒子和納米結構的檢測光子納米噴射可與納米級粒子及結構強烈地相互作用并且在從納米級結 構的反向散射信號中引起幾個數量級的增強。對光子納米噴射進一步的計算 研究已證實光子納米噴射確實大大增強了位于納米噴射之內的納米級電介 質微粒對光的有效反向散射。對于微柱和微球體產生的納米噴射中，都存在 納米微粒的反向散射增強。唯一的差別在于微球體產生納米噴射的情形比在 微柱產生納米噴射的情形中增強的數量級高得多。圖6和7示出圖示了微柱中該現象的FDTO數字實驗結果。特別地，是 圖4b的情形W=6)im，"產2.3275, w2=133并且X尸300nm)，其中正方形的" =1.5電介質納米粒子插入6)im圓柱的表面上光子納米噴射的中心處。FDTO 計算機代碼中對于數據采用了雙精度表示，以用精確的分辨率檢測測試納米 粒子。圖6a和6b分別繪出分別當側面尺寸s二5nm和s=10nm的納米粒子插 入至光子納米噴射的中心時，在反向散射的土10。之內FDTD計算的微分散射 截面的變化的絕對值。這些圖還繪出了孤立的納米粒子的對應微分散射截 面。可以看出，每個納米粒子的有效反向散射截面增強了幾個數量級，具體 地，對于5nm的物體增強了 104，對于10nm的物體增強了 103。另外， 10nm物體的反向散射附近的微分截面的旁瓣比5nm物體的情況更寬。這可以 作為用于檢測不同尺寸的納米微粒的另一指標。圖7繪出反向散射增強因子 隨納米微粒尺寸變化的函數。明顯的，相對于孤立納米微粒的情況，由大得 多的6pm圓柱產生的光子納米噴射使納米微粒的有效反向散射截面方面尺寸增加了。下面的描述將集中在由納米顆粒造成的微球體引起反向散射增強，所述 納米顆粒包括但不限于半導體特征和灰塵，或其它可能污染生產工藝的微 粒。公知在I4^《1的瑞利(Rayleigh)散射極限中，此處m和x分別為折射系 數和小微粒的尺寸參數，瑞利散射系數由& = (-2Z/3)[—2 c= l)/(m2 c 2)]x3給出。 相應的散射幅度矩陣元素為S尸3cV2和&=3舉(^/2,其中0為散射角。因此無 量綱的散射強度W2和^12與/成比例。真實的(real)散射強度/與無散射 強度|《2的關系依據/ = |《/*^2量綱，其中i 為從微粒至檢測器的距離。因 而，在瑞利散射極限中，來自單一絕緣納米微粒的散射強度小并且隨著微粒 尺寸的減小而快速下降。使用傳統的光學儀器，通常不可能從單個孤立納米 微粒檢測這種低程度散射強度。適當的挑選電介質微柱或微球體，可產生明顯超過激發場的局部光場的 納米噴射。通過位于納米噴射之內的納米微粒增強的光的反向散射，可導致 與用于尺寸在100—lnm之間的微粒的經典瑞利散射分別相對應的107—1C)H之 間的增強因子。該現象涉及微米級電介質球與從微球體的遮蔽側以固定表面 間距定位的納米微粒之間的相互作用。為了獲得數據，應用普遍的多粒子Me (GMM)理論，它是Me理論的 擴展，是多個球或粒子造成的散射的嚴格分析解。在Y,L.Xu, Appl.Opt 34, 4573 (1995)中進一步討論了應用普遍的多粒子Mie理論，于此并入作為參考。 由于GMM充分考慮了對于多粒子任意結構的相互作用散射效應，所以它提 供了計算微球體和納米球的電磁波作用的有效方法。根據GMM理論，對于與納米球耦合的微球體的交互散射系數由下式給出":^r(/d&^u:^局+zco局]) (5)v=l￡=r《-l;l:[";:《(A^)+zcx(A^)]) ⑥V=l /i=—V上標M和N分別代表微球體和納米球。a-和^^是對于孤立微球體的 Mie散射系數。p"和/為微球體的中心附近(即，在微球體的坐標系中)的入射波的展開系數。a二和zc為用于微球體的交互散射系數。j;:ov,m)和萬(7v，m)為表征從納米球進入微球體的入射波中的散射波的向量轉換系數。 注意，在右側的第一項指初始入射波，第二項指由納米球散射的場的散射。 類似地，對于與微球體耦合的納米球的交互散射系數由下式給出<formula>formula see original document page 20</formula>對于雙球系統的總的散射系數由下式給出<formula>formula see original document page 20</formula>此處，^27T/X為波數，d為微球體與納米球的中心間距離，0為散射角。 由此，雙球系統的散射幅度由下式給出<formula>formula see original document page 20</formula>">0竭=:jd:(cos外p;;(co竭為n次m階(n和m為整數)第一類連帶勒讓德方程。在相反的方向，&(i8(y)"&(i8(y)，雙球系統的無量綱反向散 射強度由下式給出s(180f卡](180。)H-&(180°)|2 。使用GMM理論，可計算微球體一納米球系統的無量綱反向散射強度， 其中具有m=l.l的折射率的納米球位于圖5的光子納米噴射中。微球體和納米球之間的表面間距離為25nm。反向散射強度表示為。反向散射強度也用于孤立微球體的計算，表示為 散射強度中的微擾定義為5。因而，由納米球引起的微球體的反向<formula>formula see original document page 20</formula>其代表由于納米球與微球體的相互作用，增強的納米球的反向散射強度。圖8 (a)將隨著納米球的尺寸參數變化的公式(13)的增強反向散射強度(紅色實線)與孤立納米微球的經典瑞利反向散射強度^S^ (藍色虛線) 相比較。圖8 (a)也示出微球體的透鏡聚焦作用(綠色點劃線)，即由于被高強度光子納米噴射照射而得的效應。圖8 (b)繪出比率——^，即反向增強因子(紅色實線)。注意到，由于獨立和非獨立變量的寬動態范圍，所以 使用了對數一對數坐標。從圖8中可觀察到三個特征。第一，納米球的增強散射強度高于其經典 瑞利散射強度7—11個數量級。第二，微球體的透鏡聚焦作用可為這個增強 貢獻幾乎3個數量級。因而，觀測到的超增強現象與傳統的微透鏡顯著不 同。第三，與經典瑞利散射強度相比較，該增強散射強度與納米球的尺寸參 數的較低次冪成比例。由于微球體通過其自身的透鏡聚焦作用可對增強納米球的反向散射做貢 獻，所以需要額外的物理機制徹底的解釋該現象。為了確認這些機制，可基 于基本GMM理論進行微擾分析。由于在光子納米噴射中存在納米球而在微 球體的散射系數中造成的微擾通過公式(5)和(6)中的第二項給出，艮口"rl:&a;u:w竭+zc《(w局](i4a)V=l /i=—V在公式(14)中，a二和/^為用于納米球的交互散射系數，特征在于通過微球體散射的原始入i波和i級波的散射。為了獲得^！和zC的簡化形式，首先使用GMM理論計算微球體一納米球系統中由納米噴射照射的納米 球的內部電場強度分布。計算表明，相對于平面波照射導致的結果，納米噴 射照射的納米球的內部電場強度分布增大了約800倍并且在納米球內幾乎是 均勻的。接著，計算基于其內部電場分布的、與微球體耦合的由納米噴射照射的 納米球的遠場散射強度。通過使用自由空間格林函數并且在納米球的體積范 圍上積分求得納米球的內部電場，來進行該計算。注意到，如在前面圖8中 看到的(綠色點劃線)，該遠場散射強度代表微球體的透鏡聚焦作用。基于該分析，與微球體耦合的納米球的交互散射系數可近似寫作<formula>formula see original document page 22</formula><formula>formula see original document page 22</formula>(15b)其中<formula>formula see original document page 22</formula>為在納米球的橫截面上平均的光子納米噴射的強度，
/。為原始入射波的強度，^和^為孤立納米球的Mie散射系數。在瑞利散 射極限<formula>formula see original document page 22</formula>中，在公式(15) ^，涉及xS和更高次冪的高階Mie散射系數 可以忽略。結果，可顯著地簡化公式(14):<formula>formula see original document page 22</formula>(16a)<formula>formula see original document page 22</formula>(16b)此處，a「為孤立納米球的瑞利散射系數并且由下式給出<formula>formula see original document page 22</formula>公式(16)的物理含義如下(1) a「代表孤立納米球的瑞利散射；(2) ^j;/r。a「體現由于微球體的3t鏡聚焦作用，從納米球增強的散射；(3) 由于微球體的透鏡聚焦作用，從納米球增強的散射場被轉換到微球體的入射場，該轉換通過向量轉換系數^c和s;l解決；以及(4)來自納米球的轉換散射場再次受到散射并且沿相反方向被i球體收集，其通過微球體的Mie散射系數^:和z^描述。以公式"(16)為基礎，可分析通過位于光子納米噴射中的納米球引入的微球體的反向散射強度中的微擾。在反向中，<formula>formula see original document page 22</formula>微球體一納米球系統的無量綱反向散射強度可寫作<formula>formula see original document page 22</formula>(17)其中上標*代表復共軛，"，和l由公式(9)和(10)給出，<formula>formula see original document page 23</formula> 表用于孤立微球體的無量綱反向散射強度，由下式給出<formula>formula see original document page 23</formula>(18)并且<formula>formula see original document page 23</formula>代表通過位于光子納米噴射中的納米球引入的微球體的無量 綱反向散射強度中的微擾。將公式(9) 、 (10)和(16)代入到5S^2并且忽略包括在5a;l和 ^Z/"的乘積中的高階項，得到<formula>formula see original document page 23</formula>(19)其中，x為納米球的尺寸參數，,對于給定的微球體是W的函數，fe/由下式給出<formula>formula see original document page 23</formula>(20)其中 是微球體的半徑， 是納米球的半徑，并且A為微球體和納米球之間 的表面間距離。對于在瑞利極限中的小納米球，<formula>formula see original document page 23</formula>(21)因而，對于固定波長和微球體與納米球之間的固定表面間距離，<formula>formula see original document page 23</formula>近似常數。結果，<formula>formula see original document page 23</formula>近似與納米球的尺寸參數的三次冪成比例。對于微 球體，<formula>formula see original document page 23</formula>具有104的數量級。注意，此處分析的納米噴射引起的電介質微球體在物理機制方面顯著不 同于傳統微透鏡。它是反向散射檢測系統，與成像透鏡系統相反。結果，它 不受通常的衍射極限影響。通過納米和微球體之間彼此相互作用，增強了相 鄰納米球的有效反向散射。納米粒子首先通過從微球體產生的光子納米噴射 激發，并且如由納米噴射的強度確定的，它的散射強度增加了兩個數量級。 由納米噴射激發的納米粒子產生的散射場傳播進入微球體，通過作為組合系 統的一部分的納米粒子導致光的非瑞利反向散射。該交互作用使得來自納米噴射激發的納米粒子的反向翻寸強度額外增大了 4到9個數量級。自動化處理控制圖11示出使用光學計量控制造集群的示例性工藝1100。在步驟1102 中，使用生產集群，在晶片上執行制造工藝。在步驟1104中，產生光子納米噴射，它是在電介質微球體的遮蔽側表面導致的光學強度圖案。在步驟1106 中，使用光子納米噴射掃描晶片的監測區域。在步驟1108中，隨著光子納米 噴射掃描監測區域，從電介質微球體獲得回射光的測量結果。在步驟1110 中，使用得到的回射光的測量結果，確定監測區域中結構的存在狀態。在步 驟1112中，基于對監測區域中結構的存在狀態的確定，調節制造集群的一個 或更多工藝參數。如上所述，除了確定監測區域中結構的存在狀態，還可使用獲得的回射 光的測量結果確定結構的高度和寬度。在一個示例性實施例中，基于確定的 監測區域中的結構的高度和寬度，調節制造集群的一個或多個制造參數。在一個示例性實施例中，使用第一制造集群執行步驟1102中的制造工 藝，并且在步驟1112中調節的一個或多個工藝參數是在第一制造集群中的這 些參數。基于對監測區域中結構的存在狀態的測量結果，也可調節第二制造 集群的一個或多個參數。另外，當確定結構的高度和寬度時，可基于確定的 監測區域中的結構的高度和寬度，來調節第一制造集群和/或第二制造集群的 一個或多個工藝參數。第二制造集群可先于第一制造工藝處理晶片。可替代 的，第二制造集群也可在第一制造集群之后處理晶片。圖12示出一種使用光學計量控制制造集群的示例系統1200。系統1200 包括第一制造集群1204、光子納米噴射計量系統1208和計量處理器1220。在 一個示例性實施例中，系統1200還包括第二制造集群1214和光子納米噴射計 量系統1218。如圖12中所示，光子納米計量系統1208可以是計量集群1206的元件， 光子納米計量系統1218可以是計量集群1216的元件。制造集群1204和計量 集群1206可以是第一制造系統1202的元件，制造集群1214和計量集群1216 可以是第二制造系統1212的元件。第一制造集群1204被配置為在晶片上執行制造工藝。同樣，第二制造集 群1214也被配置為在晶片上執行制造工藝。例如，可配置第一制造集群1204和第二制造集群1214以執行光刻、亥鵬、熱處理、金屬化、注入、化學氣相 沉積、化學機械拋光等。第二制造集群1214可先于第一制造集群1204處理晶片。例如，可配置第 一制造集群1204以執行光刻工藝的顯影步驟。可配置第二制造集群1214以執 行曝光步驟，其在光刻步驟的顯影步驟之前執行。可替代的，第二制造集群 1214也可在第一制造集群1204之后處理晶片。例如，可配置第一制造集群 1204以執行光刻步驟的顯影步驟。可配置第二制造集群1214以執行刻蝕步 驟，其在光刻步驟的顯影步驟之后執行。光子納米噴射計量系統1208和1218可配置為確定晶片上監測區域中結構 的存在狀態。如上所述，除了確定監測區域中的結構的存在狀態以外，還可 配置光子納米噴射計量系統1208和1218以確定結構的高度和寬度。光子納米 噴射計量系統1208和1218可與圖2中示出的光子納米計量系統200相同或相計量處理器1220連接至第一制造集群1204和光子納米噴射計量系統 1208。配置計量處理器1220以基于對監測區域中結構的存在狀態的測量結果 來調節第一制造集群1204的一個或多個工藝參數。計量處理器1220也可連接 至第二制造集群1214和光子納米計量系統1218。可配置計量處理器1220以 基于對監測區域中結構的存在狀態的測量結果來調節第二制造集群1214的一 個或多個工藝參數。另外，當確定了結構的高度和寬度時，可配置計量處理 器1220以基于監測區域中所確定的高度和寬度來調節第一制造集群1202和/ 或第二制造集群1214的一個或多個工藝參數。如圖12中所示，示例系統1200可包括計量數據源1222。在一個示例性 實施例中，計量數據源1222可包括計量工具的脫機集群，例如反射計、橢偏 儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、光子納米噴射計量系統等。計量數據源1222 也可包括遠程數據服務器、遠程處理器或提供計量數據的站點，所述站點可 包括反向散射信號庫。同樣如圖12所示，示例系統1200可包括計量數據存〗諸器1224。在一個 示例性實施例中，計量數據存儲器1224可包括被光子納米噴射計量系統1208 和/或光子納米噴射計量系統1218使用的反向散射信號庫。計量數據存儲器1224可包括通過光子納米噴射計量系統1208和/或光子納米噴射計量系統 1218確定的結構的存在狀態和/或高度及寬度。盡管為了清楚的理解起見，已經較詳細的描述了上述發明，但顯然可在 所附權利要求的范圍之內進行某些改變和變型。因而，描述的實施例應作為 示意性的并非限制性的，并且發明不應限制于此處給出的細節而是應當由權 利要求及其等價物的全部范圍定義。
權利要求
1. 一種使用光學計量對制造集群進行控制的方法，所述方法包括使用第一制造集群在晶片上執行制造工序；產生光子納米噴射，其中，所述光子納米噴射為在電介質微球體的遮蔽側表面引起的光學強度圖案；使用所述光子納米噴射掃描所述晶片上的監測區域；隨著使用所述光子納米噴射掃描所述監測區域，獲得來自所述電介質微球體的回射光的測量數據；使用獲得的所述回射光的測量結果確定所述監測區域中結構的存在狀態；以及基于所述監測區域中結構存在狀態的確定結果，調節所述第一制造集群的一個或多個工藝參數。
2. 根據權利要求1的方法，進一步包括使用獲得的所述回射光的測量結果確定所述監測區域中的所述結構的高 度和寬度；以及基于確定的所述監測區域中所述結構的高度和寬度，調節所述第一制造 集群的所述一個或多個工藝參數。
3. 根據權利要求2的方法，其中，確定所述結構的高度和寬度包括 使用所述回射光的測量結果，產生測得反向散射信號； 從反向散射信號以及對應結構的高度和寬度的庫，確定對于所述測得反向散射信號的匹配反向散射信號；以及將所述監測區域中所述結構的高度和寬度確定為來自所述庫的匹配反向 散射信號的相應的高度和寬度。
4. 根據權利要求2的方法，進一步包括基于所述監測區域中確定的結構的高度和寬度，調節第二制造集群的一 個或多個工藝參數。
5. 根據權利要求4的方法，其中，所述第二制造集群先于所述第一制造集 群處理晶片，或者，所述第二制造集群在所述第一制造集群之后處理晶片。
6. 根據權利要求1的方法，其中，所述結構選自由柵、線、接觸孔、通 孔、漏和周期性結構構成的組，或者，所述結構為雜質粒子。
7. 根據權利要求1的方法，進一步包括基于所述監測區域中結構的存在狀態的確定結果，調節第二制造集群的 一個或多個工藝參數。
8. 根據權利要求7的方法，其中，所述第二制造集群先于所述第一制造集 群處理晶片，或者，所述第二制造集群在所述第一制造集群之后處理晶片。
9. 一種計算機可讀存儲媒介，其包含用來使計算機使用光學計量控制制 造集群的計算機可執行指令，所述計算機可讀存儲媒介包括用于下列內容的 指令隨著使用光子納米噴射掃描所述監測區域，獲得來自電介質微球體的回 射光的測量數據，其中，所述光子納米噴射為在電介質微球體的遮蔽側表面 引起的光學強度圖案，并且，使用第一制造集群在晶片上執行制造工藝；使用獲得的所述回射光的測量結果確定監測區域中結構的存在狀態；以及基于所述監測區域中的結構的存在狀態的確定結果，調節所述第一制造 集群的一個或多個工藝參數。
10. 根據權利要求9所示的計算機可讀存儲媒介，進一步包括用于下述內 容的指令使用獲得的回射光測量結果確定所述監測區域中所述結構的高度和寬度。
11. 根據權利要求10的計算機可讀存儲媒介，其中確定結構的高度和寬度 包括用于下述內容的指令使用回射光的測量結果產生測得反向散射信號；從反向散射信號以及對應的結構的高度和寬度的庫，確定對于所述測得 反向散射信號的匹配反向散射信號；以及將所述監測區域中所述結構的高度和寬度確定為來自所述庫的匹配反向 散射信號的相應的高度和寬度。
12. 根據權利要求10的計算機可讀存儲媒介，進一步包括用于下述內容的指令-基于確定的所述監測區域中所述結構的高度和寬度，調節第二制造集群 的一個或多個工藝參數。
13. 根據權利要求11的計算機可讀存儲媒介，其中，所述第二制造集群先 于所述第一制造集群處理晶片，或者，所述第二制造集群在所述第一制造集 群之后處理晶片。
14. 根據權利要求11的計算機可讀存儲媒介，進一步包括用于下述內容的指令基于所述監測區域中所述結構的存在狀態的確定結果，調節第二制造集 群的一個或多個工藝參數。
15. —種系統，用于使用光學計量來控制制造集群，所述系統包括 第一制造集群，其被配置為在晶片上執行制造工藝； 光子納米噴射計量系統，包括光源； 光纖；光學透鏡，其耦合至所述光纖的近端；電介質微球體，其耦合至所述光纖的遠端，其中，作為所述電介質微球體的遮蔽側表面引起的光學強度圖案而產生光子納米噴射；連接至所述光纖的檢測器，其中，所述檢測器被配置為獲得來自所述電 介質微球體的回射光的測量結果；和連接至所述檢測器的處理器，其中，所述處理器被配置為使用獲得的回 射光測量結果確定所述監測區域中結構的存在狀態；以及計量處理器，其連接至所述第一制造集群和所述光子納米噴射計量系 統，其中，所述計量處理器被配置為基于所述監測區域中所述結構的存在狀 態的確定結果，調節所述第一制造集群的一個或多個工藝參數。
16. 根據權利要求15的系統，進一步包括連接至所述光纖的光學循環器，其中，所述檢測器通過所述光學循環器 連接至所述光纖，并且其中，所述光學循環器被配置為將通過所述光纖傳輸 的回射光從所述電介質微球體發送至所述檢測器。
17. 根據權利要求15的系統，其中，所述系統進一步包括 鄰近所述電介質微球體設置的測距儀，其中，所述測距儀被配置為測量所述晶片與所述光子納米噴射之間的距離。
18. 根據權利要求15的系統，其中，所述處理器被進一步配置為確定所述 監測區域中所述結構的高度和寬度。
19. 根據權利要求17的系統，進一步包括反向散射信號以及對應的結構的高度和寬度的庫。
20. 根據權利要求18的系統，其中，所述處理器被配置為 使用所述回射光的測量結果產生測得反向散射信號； 從所述庫為所述測得反向散射信號確定匹配反向散射信號；以及 將所述監測區域中所述結構的高度和寬度確定為來自所述庫的所述匹配反向散射信號的相應的高度和寬度。
21. 根據權利要求17的系統，其中，所述計量處理器被配置為基于所述監測區域中確定的所述結構的高度和寬度，調節第二制造集群 的一個或多個工藝參數。
22. 根據權利要求20的系統，其中，所述第二制造集群先于所述第一制造 集群處理晶片，或者，所述第二制造集群在所述第一制造集群之后處理晶 片。
23. 根據權利要求20的系統，其中，基于所述監測區域中所述結構的存在 狀態的確定結果，調節第二制造集群的一個或多個工藝參數。
24. 根據權利要求20的方法，其中，所述第二制造集群先于所述第一制造 集群處理晶片，或者，所述第二制造集群在所述第一制造集群之后處理晶 片。
25. —種對半導體晶片的監測區域進行檢査的方法，包括 產生光子納米噴射，其中，所述光子納米噴射為在電介質微球體的遮蔽側表面引起的光學強度圖案；使用所述光子納米噴射掃描所述監測區域；隨著使用所述光子納米噴射掃描所述監測區域，獲得來自所述電介質微 球體的回射光的測量數據；以及使用獲得的回射光的測量結果，確定所述監測區域中結構的存在狀態。
26. 根據權利要求25的方法，進一步包括確定所述監測區域中所述結構的位置。
27. 根據權利要求25的方法，進一步包括使用獲得的回射光的測量結果，確定所述監測區域中所述結構的高度和 寬度。
28. 根據權利要求25中的方法，其中，確定結構的高度和寬度包括: 使用所述回射光的測量結果產生測得反向散射信號；從反向散射信號以及對應結構的高度和寬度的庫確定對于所述測得反向 散射信號的匹配反向散射信號；以及將所述監測區域中所述結構的高度和寬度確定為來自所述庫的所述匹配 散射信號的相應的高度和寬度。
29. 根據權利要求25的方法，其中，所述光子納米噴射是使用連續波激光 產生的。
30. 根據權利要求25的方法，其中，所述結構選自由柵、線、接觸孔、通 孔、漏和周期性結構構成的組，或者所述結構為雜質粒子。
31. —種計算機可讀存儲媒介，其包含用來使計算機使用光學計量控制制 造集群的計算機可執行指令，所述計算機可讀存儲媒介包括用于下述內容的 指令隨著使用所述光子納米噴射掃描所述監測區域，獲得來自電介質微球體 的回射光的測量數據，其中，所述光子納米噴射為在所述電介質微球體的遮 蔽側表面引起的光學強度圖案；使用獲得的所述回射光的測量結果確定所述監測區域中結構的存在狀態。
32. 根據權利要求31的計算機可讀存儲媒介，進一步包括用于下述內容的 指令確定所述監測區域中所述結構的位置。
33. 根據權利要求31的計算機可讀存儲媒介，進一步包括用于下述內容的 指令使用獲得的所述回射光的測量結果，確定所述監測區域中所述結構的高度和寬度。
34. 根據權利要求31的計算機可讀存儲媒介，其中，確定所述結構的高度 和寬度包括用于下述內容的指令-使用所述回射光的領懂結果產生須嶋反向散射信號；從反向散射信號以及對應結構的高度和寬度的庫，確定對于所述測得反 向散射信號的匹配反向散射信號；以及將所述監測區域中所述結構的高度和寬度確定為來自所述庫的匹配反向 散射信號的相應的高度和寬度。
35. —種系統，用于針對結構的存在狀態對半導體晶片的監測區域進行檢測，所述系統包括光源； 光纖；光學透鏡，其耦合至所述光纖的近端；電介質微球體，其耦合至所述光纖的遠端，其中，作為在電介質微球體 的遮蔽側表面弓i起的光學強度圖案而產生光子納米噴射；和連接至所述光纖的檢測器，其中，所述檢測器被配置為獲得來自所述電 介質微球體的回射光的測量結果；和連接至所述檢測器的處理器，其中，所述處理器被配置為使用獲得的回 射光的測量結果確定所述監測區域中所述結構的存在狀態。
36. 根據權利要求35的系統，進一步包括連接至所述光纖的光學循環器，其中，所述檢測器通過所述光學循環器 連接至所述光纖，并且其中，所述光學循環器被配置為將通過光纖傳輸的回 射光從所述電介質微球體發送至所述檢測器。
37. 根據權利要求35的系統，其中，所述系統進一步包括 鄰近所述電介質微球體設置的測距儀，其中，所述測距儀被配置為測量所述晶片與所述光子納米噴射之間的距離。
38. 根據權利要求35的系統，其中，所述處理器被進一步配置為確定所述 監測區域中所述結構的高度和寬度。
39. 根據權利要求38的系統，進一步包括反向散射信號以及對應的結構的高度和寬度的庫。
40. 根據權利要求38的系統，其中，所述處理器被配置為 使用回射光的測量結果產生測得反向散射信號；從所述庫確定對于所述測得反向散射信號的匹配反向散射信號；以及 將所述監測區域中所述結構的高度和寬度確定為來自所述庫的所述匹配 散射信號的相應的高度和寬度。
41. 根據權利要求35的系統，其中，所述光源為連續波激光。
42. 根據權利要求35的系統，其中，所述結構選自由柵、線、接觸孔、通 孔、漏和周期性結構構成的組，或者所述結構為雜質粒子。
全文摘要
本發明公開了使用光子納米噴射、利用光學計量的自動化過程控制。可使用光學計量來控制制造集群。使用制造集群在晶片上執行制造工藝。產生光子納米噴射，它是在電介質微球體的遮蔽表面側引起的光學強度圖案。使用光子納米噴射掃描晶片上的監測區域。隨著光子納米噴射掃描監測區域，獲得來自電介質微球體的回射光的測量數據。使用獲得的回射光的測量數據確定監測區域中結構的存在狀態。基于監測區域中的結構的存在狀態的確定結果，調節該第一制造集群的一個或多個工藝參數。
文檔編號G01B11/02GK101276214SQ200810096658
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月20日 優先權日2007年3月20日
發明者曼紐爾·瑪德瑞加, 李世芳, 褚漢友, 陳智剛 申請人:東京毅力科創株式會社