CC BY
9
УДК 535.44
РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТАНОВКИ ЗЕРКАЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ БИНАРНОГО ДИФРАКЦИОННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Александр Сергеевич Конченко
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
В статье обсуждается разработка оптической схемы сканирующей установки спектроскопической рефлектометрии. Показаны недостатки оптической схемы на основе линзовой оптики и преимущества схемы с зеркальных микрообъективов. Привезена экспериментальная реализация оптической схемы с различающимися оптическими путями падающего и отраженного излучения, позволяющая изменять размер сканирующего пятна путем замены освещающего волокна.
Ключевые слова: измерение глубины травления, профилометрия, зеркальная спектроскопическая рефлектометрия, зеркальная оптика, оптическая схема.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF OPTICAL SCHEME FOR SPECULAR SPECTROSCOPIC SCATTEROMETRY SETUP FOR ETCH DEPTH MEASURING OF BINARY DIFFRACTION STRUCTURES
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., leading researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Alexander S. Konchenko
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
The disadvantages of optical scheme with lens optics for specular spectroscopic scatterometry setup are discussed. The article offers a new optical scheme based on mirror objectives that solves those disadvantages of lens optic. The experimental realization of optical scheme with separated incident and reflected beams in presented.
Key words: etch depth measurement, profilometry, specular spectroscopic scatterometry, mirror optics, optical scheme.
Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) с бинарным фазовым рельефом широко используются в современной промышленности. Например, это дифракционные корректоры, предназначенные для контроля асферической оптики. Детальный анализ карты глубины травления фазовых бинарных ДОЭ является важной задачей, так как погрешность глубины травления и ее неоднород-
ность по площади элемента влияют на форму формируемого асферического волнового фронта. Дифракционные элементы могут иметь достаточно большой размер (свыше 200 мм) и широкий диапазон изменения периодов дифракционной структуры, от долей до сотен микрон, что практически исключает возможность оперативного анализа с использованием стандартных профилометров.
Ранее авторами для задачи измерения глубины бинарных фазовых дифракционных структур предложен и исследован упрощенный метод зеркальной спектроскопической рефлектометрии (ЗСР), не требующий сложных расчетов в рамках точной теории дифракции [1]. Метод основан на том, что интенсивность нулевого порядка дифракции является периодической функцией волнового числа света. Экстремумы интенсивности в спектре отраженного света в нулевом порядке дифракции будут наблюдаться при волновых числах падающего света (к = 1/А) удовлетворяющих условию:
k. и (k )=m •cos и,
w 4H
где m - целое число полуволн, укладывающихся в оптической разности хода. Глубина рельефа H определяется по формуле:
H = _cos^ у -1-, (1)
4(N -1), ÍN-1 - k+Л+1) W
Для реализации этого метода была создана сканирующая установка, использующая волоконный осветитель с широким спектром излучения и волоконный спектрометр [2]. Установка зеркальной спектроскопической рефлектомет-рии позволяет оперативно получить спектр отражения нулевого порядка дифракции света, отраженного от поверхности измеряемого объекта и вычислить глубину бинарной структуры по формуле 1.
Схема с рефракционной оптикой. В экспериментальной установке была использована оптическая схема, фокусирующая падающее излучение на измеряемый образец, состоящая из сдвоенного оптического волокна и кварцевой линзы (рис. 1). Такая схема позволяет сохранить широкий спектральный диапазон излучения, а падающий и отраженный в нулевом порядке свет в ней проходят по одному и тому же оптическому пути. У оптической схемы с кварцевой линзой существует два основных критических недостатка. Во-первых, при использовании фокусирующей линзовой оптики для широкополосного излучения неизбежно возникает хроматическая аберрация. Это приводит к тому, что размер сканирующего пятна и фокусное расстояние для разных длин волн различаются. При сканировании не плоского объекта интенсивность сигнала на разных длинах волн изменяется по-разному, что может приводить к возрастанию погрешности измерений.
Второй недостаток вызван тем, что оптические пути падающего и отраженного света совпадают. Для того, чтобы уменьшить размер сканирующего
пятна и увеличить пространственное разрешение установки, необходимо увеличить числовую апертуру фокусирующей линзы. При увеличении числовой апертуры падающего излучения ненулевые дифракционные порядки отраженного излучения вносят вклад в измеряемый спектр, уменьшая амплитуду модуляции сигнала. Этот эффект не позволяет сфокусировать излучение высокоап-ертурным объективом в маленькое пятно и увеличить пространственное разрешение установки.
Рис. 1. Оптическая схема ЗСР с кварцевой линзой
Схемы с зеркальной оптикой. Для того, чтобы избавиться от описанных выше недостатков было принято решение использовать зеркальный объектив вместо фокусирующей линзы. Такая конструкция позволила избавиться от хроматизма в оптической системе. Но, при попытке увеличения пространственного разрешения также, как и при использовании линзы, угол сходимости падающего пучка а не должен превышать угол дифракции первого дифракционного порядка ф (а < ф). Так как синус угла дифракции обратно пропорционален периоду sin(ф) = Х/D, где D - период измеряемой структуры, то данное ограничение
не позволяет измерять глубину структуры с большим периодом при малом диаметре сканирующего пятна.
Для того, чтобы разрешить описанное ограничение была предложена схема с двумя зеркальными объективами, расположенными входными окнами друг к другу наподобие телескопа (рис. 2, а). Такая схема позволяет переносить изображение освещающего волокна на поверхность измеряемого объекта в масштабе 1 : 1 независимо от числовой апертуры используемых объективов. Ограничение апертуры снизу определяет только расходимость излучения, вышедшего из освещающего волокна. В экспериментах числовая апертура волокна
^Аволокна = 016.
При дальнейшей модернизации была разработана оптическая схема с разделением оптических путей падающего и отраженного излучения, позволяющая дополнительно сократить эффективную числовую апертуру примерно в три раза благодаря не полному заполнению входной апертуры объективов.
В процессе экспериментальной реализации оптической схемы с двумя зеркальными объективами авторы столкнулись со сложностью юстировки системы. Настройка входящего и выходящего пучков осуществляется одной и той же зеркальной призмой. При разделении призмы на два отдельных зеркала возникает техническая проблема размещения настроечных механизмов двух зеркал в малом пространстве. С целью упрощения настройки и технической реализации, отраженный пучок света был выведен в отдельный объектив, фокусирующий пучок на волокно спектрометра (рис. 2, б), что позволило значительно упростить процесс юстировки.
1
€ / 2
11 777
6
4
А)
Б)
Рис. 2. Оптические схемы ЗСР с зеркальными объективами.
1 - волоконный источник света; 2 - зеркальные объективы; 3 - зеркальная призма; 4 - измеряемый образец; 5 - поворотное зеркало; 6 - волоконный спектрометр
1
2
Экспериментально реализована оптическая схема, состоящая из трех зеркальных объективов со следующими параметрами: увеличение 15Х, апертура 0,28, рабочий отрезок 24,5 мм. Пучок от осветителя до измеряемой поверхности проходит с одной стороны от оси объектива, а отраженный с другой. При одностороннем прохождении пучков через объективы с апертурой 0,28 вариация углов падения лучей на исследуемую поверхность приводит к увеличению погрешности измерения на + 2,5% [3].
Оптическая система переносит изображение торца волокна в масштабе 1 : 1 на исследуемую поверхность и затем на торец волокна спектрометра. Это позволяет изменять размер сканирующего пятна и разрешение сканирующей установки путем замены освещающего волокна на волокно с другим диаметром сердцевины. Для увеличения интенсивности пучка на спектрометре и, соответственно, быстродействия системы были использованы волокна с диаметром сердцевины 100 мкм. Изображение пятна сфокусированного излучение показано на рис. 3.
Диаметр изображение получено при фокусировке излучения на ПЗС матрицу с размером пиксела 1.67 мкм. Диаметр пятна в фокусе составил 96 мкм, что позволяет сканировать объекты с достаточным пространственным разрешением. Для адекватной работы метода необходимо, чтобы дифракционные порядки разошлись - в сканирующем пятне должно уместиться не менее пяти периодов структуры. Поэтому сканирующее пятно диаметром 100 мкм является применимым при измерении большинства бинарных фазовых ДОЭ. Данная установка может использоваться также для измерения толщины тонких пленок фоторезиста, возникающих в процессе изготовления конформальных корректоров и ДОЭ с кусочно-непрерывной формой рельефа [4]. Для этих целей нет ограничения снизу на размер сканирующего пятна, необходимо лишь соблюдать баланс между удовлетворительным пространственным разрешением и погрешностью, вызванной большой сходимостью пучка.
Разработаны и исследованы оптические схемы установки зеркальной спектроскопической рефлектометрии на основе зеркальных объективов. Схемы позволяют контролируемо изменять размер сканирующего пятна и пространственное разрешение путем замены освещающего волокна. При этом схемы не имеют хроматической аберрации и позволяют уменьшить погрешность измерений путем подбора зеркальных объективов с меньшей числовой апертурой. Наиболее удобной для экспериментальной реализации оказалась схема на основе трех объективов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Спектрометрический метод измерения глубины калибровочных решеток / В. П. Корольков, А. С. Конченко // Автометрия. - 2012. - Вып. 1 (48). - С. 119-127.
2. Etch depth mapping of phase binary computer-generated holograms by means of specular spectroscopic scatterometry / V. P. Korolkov, A. S. Konchenko, V. V. Cherkashin, N. G. Mironnikov, A G. Poleshchuk // Optical Engineering. - 2013. - № 52 (9). - С. 091722.
3. Разработка методов формирования и контроля заданного распределения толщины фоторезиста при изготовлении конформальных корректоров / В. П. Корольков, А. С. Конченко, В. В. Черкашин, Н. Г. Миронников // Компьютерная оптика. - 2016. - Т. 40, № 4. -С. 493-499. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-4-493-499.
© В. П. Корольков, А. С. Конченко, 2017
Рис. 3. Изображение сфокусированного пятна излучения
