專利名稱：光刻掩模版金屬膜厚度測量方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測量方法，特別是一種光刻掩模版金屬膜厚度測量方法，屬于物理測量領域。
背景技術：
近三十來，隨著微電子技術特別是集成電路的發展，薄膜厚度及關鍵尺寸線寬測量的研究和應用取得了長足進步。其中，衰減全反射法已經進入實用，對它的報道也較多。 經文獻檢索發現，中國專利號為02136611. X，專利名稱為雙面金屬膜波導測量方法及其裝置，該專利提出了一種測量光學薄膜厚度的方法，該方法中，在待測薄膜的兩面采用蒸鍍、濺射或其它方法形成測量裝置，選擇激光波長和入射角度的偏振方式；接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束光強，或從下層金屬膜透射出的激光束光強，變化激光入射角度得到光強-入射角度曲線，找出導模吸收峰的共振角度和相應吸收峰的寬度和深度，計算得到薄膜材料的折射率和厚度值。該發明實現了高精確度的測量，大量程、快速實時的測量，裝置制造工藝簡單、價格低廉、易于操作、易用于操作、小型化。該方法能對薄膜的厚度以及反射率等光學特性進行測量，但由于在這種結構中，沒有采用兩種非對稱的雙面金屬包覆波導結構測量，也不適用于兩種金屬薄膜鍍在兩側不同的襯底玻璃上的情況。
發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種光刻掩模版金屬膜厚度測量方法， 使其適用于光刻版的膜厚測量，儀器小型化操作簡使，能實現精確測量。本發明的技術方案是這樣實現的，本發明的裝置由上至下由耦合器件、上層金屬膜、空氣層、下層金屬膜、光刻版石英玻璃襯底構成，上層金屬膜、空氣層和下層金屬膜為雙面金屬波導結構，上下層金屬膜為波導的上下覆蓋層，光被耦合到波導中傳輸。耦合器件采用高折射率棱鏡(η > 1. 5)、光柵和耦合波導等器件，棱鏡的形狀可根據實際需要選擇等邊、或等腰、或柱面。上層金屬膜一般可選用對工作波長吸收較小的金屬，金屬介電常數與工作波長有關，且該層金屬膜的厚度應嚴格控制使入射光與犁的耦合最為有效。上層金屬膜的厚度在 20nm-80nm之間。下層金屬鉻膜的厚度在80nm-100nm之間，上層金屬種類可選擇銀、金、鋁、 銅等在光頻范圍內介電常數虛部較小的金屬。待測薄膜的折射率等性質將最直接的影響導波光的傳輸性質，有效的提高了測量效率和精度。本發明方法基于上述測量裝置，用一種全新的思路實現了薄膜的厚度的精確測量，具體步驟如下第一步在已鍍金屬膜的棱鏡接近光刻版的鉻面，形成本發明方法的雙面金屬波導結構，其結構為“耦合器件-上層金屬膜-空氣層-下層金屬膜”的四層結構；
第二步選擇合適的激光波長和入射角度以及偏振方式，選用激光作為光源，工作波長可以在可見光和紫外光范圍內選擇，從激光器輸出的激光束入射到耦合器件上，要求入射角度在ο到90度間變化時能激發多個共振吸收峰，偏振方式可根據測量要求選定，既可以選擇橫磁波(TM模)，也可選擇橫電波(TE模)。第三步在耦合器件的另一側利用光強測量裝置接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束光強，或從底面方向接收并記錄下層金屬膜透射出的激光束光強；第四步在0到90度范圍內連續變化激光入射角度，并同期記錄其反射(透射) 光強，形成反射(透射)光強-入射角度曲線，在曲線上找出導模吸收峰的共振角度和相應的吸收峰寬度和深度，然后，根據雙面金屬波導的特征公式，可以通過計算得到薄膜材料的折射率和厚度的精確值。以下對本發明方法作進一步描述①利用雙面金屬波導的ATR(衰減全反射)導模吸收峰對于波導介質的折射率等光學特性非常敏感且有一一對應的特性，和反射(透射)光強隨激光入射角度變化有曲線，將薄膜厚度和折射率光學特性的測量以及波導參數的表征，轉化為對反射光強隨入射角度變化曲線的測量；②利用雙面金屬波導的ATR吸收峰對于波導介質的折射率等光學特性非常敏感且一一對應的特性，選擇ATR導模區作為工作區；③工作點即入射角度選擇在ATR吸收峰高階模區、低階模區和表面模區，包括在一個器件中使用多個工作點同時工作及使用透射光進行測量的情況；④利用雙面金屬波導TE和TM模分離的特點，在對光偏振敏感的薄膜進行測量時， 只用橫電(TE)或橫磁(TM)模光信號作為入射光，并用另一模式的光作為參考光，可以實現雙光束測量，通過光信號的比對，有效的消除光源帶來的噪音；⑤利用雙面金屬波導能承載多個模式的特點(通常三個以上)，可以同時待測對薄膜的厚度進行測量，從而提高測量精度和實用性。在本發明方法中，雙面金屬波導中ATR導模吸收峰的角度、深度和寬度等特征隨薄膜的折射率、厚度等特性變化非常敏感且一一對應，利用這些參數結合波導特性公式對薄膜的折射率和厚度進行精確的測量，其實質是將薄膜的折射率和厚度等特性轉化為與之一一對應的雙面金屬波導的導模吸收峰和各項參數，從而實現對薄膜折射率和厚度的精確測量。本發明同現有的通過棱鏡耦合和對稱雙面金屬波導結構對掩模版金屬薄膜的光學特性和厚度進行測量的技術相比，具有以下優點測量量程大，精度高。利用本方法，對薄膜厚度的測量精度在臨界邊緣條件下可以達到3nm左右，正常工作區可以達到Inm或更高。相比通常的棱鏡耦合測量技術而言，其厚度的測量量程可以擴展到從0. 5個微米到1個毫米的量級。空氣耦合的方式也突破了以往的要求薄膜材料的折射要低于耦合棱鏡折射率的限制。方法簡單，操作方便，對薄膜的折射率和厚度的測量一次完成，無需更多步驟。制成的儀器具有小型化的特點，測量周期短，可實現實時測量，本發明具有實質性特點和顯著進步。
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具體實施例方式如附圖所示，本發明的技術方案是這樣實現的，本發明裝置由上至下由耦合器件、 上層金屬膜、空氣層、下層金屬膜、光刻版金屬襯底構成，上層金屬膜、空氣層和下層金屬膜為雙面金屬波導結構，上下層金屬膜為波導的上下覆蓋層，光被耦合到波導中傳輸。耦合器件采用高折射率棱鏡(η > 1. 5)、光柵和耦合波導等器件，棱鏡的形狀可根據實際需要選擇等邊、或等腰、或柱面。上層金屬膜一般可選用對工作波長吸收較小的金屬，金屬介電常數與工作波長有關，且該層金屬膜的厚度應嚴格控制使入射光與犁的耦合最為有效。上層金屬膜的厚度在20nm-80nm之間。下層金屬鉻膜的厚度在SOnm-IOOnm之間，上層金屬種類可選擇銀、鋁、銅等在光頻范圍內介電常數虛部較小的金屬。待測薄膜的折射率等性質將最直接的影響導波光的傳輸性質，有效的提高了測量效率和精度。結合本發明的內容，提供以下實施例第一步耦合器件1選用高折射率等邊三角棱鏡(n = 1.幻，再鍍上金膜，然后靠近光刻版的鉻膜，并在其間留有空氣薄層，形成比面金屬小組導結構，上層金屬膜2厚度為 34nm，待測薄膜3為空氣，厚度的真實值為5微米，折射率真實值為1. 0(介電系數為1. 0)， 下層金屬鉻膜4厚度為IOOnm ；第二步，選用入射激光5波長為690. Onm,入射光為橫磁波(TM模)，入射角度7在 0到90度之間掃描；第三步，在棱鏡的另一側接收并測量從棱鏡底面反射的激光束6光強，反射光強級小值即為共振吸收峰，記錄所激發的相鄰三具共振吸收峰的角度，得θ j = 23. 4829°，θ 2 = 16. 2165°，θ 3 = 13. 6215°將以上數據代入雙面金屬波導的特征方程求解，可得D = 99. 88213236um，與真實值之間偏差為 0. 12%。計算表明對待測薄膜厚度可以達到0. 12%的精度。 附圖是光刻掩模版金屬膜厚度測量方法示意圖。
權利要求
1.一種光刻掩模版金屬膜厚度測量方法，其特征在于，具體步驟如下第一步在已鍍金屬膜的棱鏡接近光刻版的鉻面，形成本發明方法的雙面金屬波導結構，其結構為“耦合器件-上層金屬膜-空氣層-下層金屬膜”的四層結構；耦合器件可采用高折射率棱鏡(η > 1.5)、光柵和耦合波導等器件，棱鏡的形狀可根據實際需要選擇等邊、或等腰、或柱面。本發明的裝置由上至下由耦合器件、上層金屬膜、空氣層、下層金屬膜、 光刻版石英玻璃襯底構成，上層金屬膜、空氣層和下層金屬膜為雙面金屬波導結構，上下層金屬膜為波導的上下覆蓋層，光被耦合到波導中傳輸。上層金屬膜一般可選用對工作波長吸收較小的金屬，金屬介電常數與工作波長有關，且該層金屬膜的厚度應嚴格控制使入射光與犁的耦合最為有效。上層金屬膜的厚度在20nm-80nm之間。下層金屬鉻膜的厚度在 SOnm-IOOnm之間，上層金屬種類可選擇銀、金、鋁、銅等在光頻范圍內介電常數虛部較小的金屬。待測薄膜的折射率等性質將最直接的影響導波光的傳輸性質，有效的提高了測量效率和精度。第二步選擇合適的激光波長和入射角度以及偏振方式，選用激光作為光源，工作波長可以在可見光和紫外光范圍內選擇，從激光器輸出的激光束入射到耦合器件上，要求入射角度在0到90度間變化時能激發多個共振吸收峰，偏振方式可根據測量要求選定，既可以選擇橫磁波(TM模)，也可選擇橫電波(TE模)。第三步在耦合器件的另一側利用光強測量裝置接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束光強，或從底面方向接收并記錄下層金屬膜透射出的激光束光強；第四步在0到90度范圍內連續變化激光入射角度，并同期記錄其反射(透射)光強， 形成反射(透射)光強-入射角度曲線，在曲線上找出導模吸收峰的共振角度和相應的吸收峰寬度和深度，然后，根據雙面金屬波導的特征公式，可以通過計算得到薄膜材料的折射率和厚度的精確值。
2.根據權利要求1所述的這種光刻掩模版金屬膜厚度測量方法，其特征是以下對本發明方法作進一步描述將對金屬薄膜厚度的測量，轉化為對反射光強隨入射角度變化曲線的測量；屬于非對稱雙面金屬波導結構；工作點即入射角度選擇在衰減全反射吸收峰高階模區、低階模區和表面模區，包括在一個器件中使用多個工作點同時工作及使用透射光進行測量的情況。
全文摘要
光刻掩模版金屬膜厚度測量方法屬于物理測量領域。方法如下用底面蒸鍍金膜的三棱鏡，放置于接近掩模版金屬鉻面上，形成待測的雙面金屬波導結構，選擇激光波長和入射角度的偏振方式，接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束光強，或從下層金屬膜透射出的激光束光強，變化激光入射角度得到光強——入射角度曲線，找出導模吸收峰的共振角度和相應吸收峰的寬度和深度，計算得到薄膜材料的折射率和厚度值。本發明實現了高精確度的測量，易用于操作、小型化。
文檔編號G01B11/06GK102478389SQ20101056243
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者曹莊琪, 沈益翰, 陳開盛 申請人:上海光刻電子科技有限公司