CN101398293B - 用椭偏法测量临界尺寸的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用椭偏法测量临界尺寸的设备，按照本发明测量具有外形双折射的表面图形的设备包括一个光源为带有表面图形的表面提供入射光；一个光探测器用来测量入射光被表面图形反射后的特性；一个转台使样品表面转动，使得入射光因转台转动而以不同的角度入射；还包括一个处理器来处理测得的反射光特性，并使之与测得的表面图形相关联。本发明还包括测量具有外形双折射的表面图形的方法。

Description

用椭偏法测量临界尺寸的设备和方法

本申请是于1999年12月2日提交的申请号为99125883.5、发明名称为“用椭偏法测量临界尺寸的设备和方法”的申请的分案申请。技术领域

此项发明是关于测量设备和方法的，尤其是测量半导体器件中亚1/4微米尺寸的测量设备和方法。这类尺寸称为临界尺寸(cd)。

背景技术

在半导体器件的制作中，小于1微米的临界尺寸通常是用精密控制的扫描电镜来测量的。尽管扫描电镜是一种有用的测量手段，但它也有一些缺点。缺点之一就是会使待测样品带电而可能引入污染。

扫描电镜(SEM)主要用于在或接近固体(如半导体芯片)表面成像。借助电子束在样品表面上扫描，可使探头对样品的位置与电子束在成像装置，如示波器上的位置建立起一一对应的关系。所产生的亮度调制信号给出可视图象。如前所述，SEM需要用电子束轰击样品。这就使样品带电而可能对半导体器件造成损伤。而且，电子束还可能使样品原子发生质量输运，导致对半导体器件不同区域的污染。

SEM和原子力显微镜(AFM)的应用也是有限的，这些技术主要是用来测量半导体器件表面上单个的图形结构而非结构组合。

发明内容

因此，有必要找到一种方法和设备来改善亚1/4微米测量的分辨率。也有必要找到一种方法和设备不使测量时样品带电而致污染样品。更有必要对结构组合进行测量而改善测量的统计值。为此我们建议装备一台带有转台的微椭偏仪，以成为一种新的测量工具，我们称之为各向异性微椭偏仪(AME)(亦即，转动椭偏仪)。正如下面将要说明的，AME能以高分辨率测量亚微米结构组合的临界尺寸(cd)而没有任何前述的缺点。常规的椭偏仪在本领域技术中是众所周知的，其优点是对样品无损伤和侵害。常规的椭偏仪用来测量覆盖在样品表面上薄膜的表面和厚度的光学参数。为此，测量是在静止样品上完成的。

与常规的椭偏仪不同，本发明使用椭偏仪，即AME，来测量横向临界尺寸(cd)。另外本发明修改了常规的椭偏仪，使样品转动(转动椭偏仪)。

按照本发明，用来测量具有外形双折射的表面图形临界尺寸的设备，有一个光源为表面图形提供入射光，所述表面图形包括沿平行于表面方向延伸的图形。一个光探测器用来测量入射光被表面图形反射后的特性。一个样品转台使表面转动，这样就使入射光因转台的转动而沿不同的角度入射。还有一个处理器来处理测得的反射光特性，并使之与表面图形的测量建立联系。

在这个测量设备的另一个示例中，可通过光的复折射率与图形外形尺寸间的公式关系来建立测得的反射光特性与表面图形间的关系，所述表面图形包括沿平行于表面方向延伸的图形。这些表面图形包括沿平行于表面方向延伸的图形和/或沿垂直于表面延伸的厚度。入射光可包括线偏振光。反射光可包括椭圆偏振光。光源和探测器最好是常规的椭偏仪。借助于反射光特性与图形外形尺寸间经过校准的经验关系，可使测得的反射光特性与表面图形建立联系。长度在250纳米以下的表面图形是更适于测量的。按照本发明，对于具有外形双折射的表面图形，其临界尺寸的测量方法包括以下步骤：提供带有表面图形的表面，用第一偏振光照射表面图形，测量由表面图形反射的偏振光，转动样品使表面图形转动以测量至少在一个新转到的位置上的反射光的偏振，然后使反射偏振与表面图形尺寸相关联。

在此例中，提供样品表面的步骤可以是提供带有表面图形的半导体器件。用第一偏振光照射表面图形的步骤可以是用线偏振光来照射表面图形。测量表面图形反射光偏振的步骤可以是测量反射光的椭偏角Δ和Ψ。转动样品使表面图形转动以测量至少在一个新转到的位置上的反射光偏振的步骤，可以用约20度的小步幅来转动表面图形。使反射偏振与表面图形尺寸建立联系的步骤可借助于反射光特性与表面图形尺寸相关的公式。用偏振角表征反射光更为合适。反射偏振与表面图形尺寸的关系可这样建立：提供表面图形的校准数据，建立反射光特征与校准数据的关系以确立表面图形的特性曲线，将反射光特性与特性曲线进行比较就可量度表面图形的尺寸。确立反射偏振与表面图形尺寸的关系的步骤也可以建立一个介电张量，以使反射光特性与表面图形尺寸相关联。水平和垂直方向图形尺寸的测量都可这样进行。也可这样测量小于250纳米的图形尺寸。

因此，根据本发明，提供了一种使用各向异性微椭偏仪测量具有外形双折射的表面图形尺寸的设备，包括：一个光源，提供入射光射到具有表面图形的表面上，所述表面图形包括沿平行于表面方向延伸的图形；一个光探测器，测量入射光被表面图形反射后的特性；一个转台，用于转动所述表面以使入射光由于转台的转动而以不同的入射光与表面法线之间的角度入射；一个处理器，处理测得的反射光特性，并使之与表面图形尺寸相关联。

其中测得的反射光特性通过光的复折射率与图形外形尺寸间的公式关系而与表面图形尺寸相关联。

其中表面图形包括沿垂直于表面的厚度方向延伸的图形。

其中入射光包括线偏振光。

其中反射光包括椭圆偏振光。

其中光源在椭偏仪中。

其中测得的反射光特性通过反射光特性与图形外形尺寸间校准的经验关系而与表面图形尺寸相关联。

其中测量长度小于250nm的表面图形尺寸。

本发明还提供了一种使用各向异性微椭偏仪测量具有外形双折射的表面图形尺寸的方法，包括以下步骤：提供具有表面图形的表面，所述表面图形包括沿平行于表面方向延伸的图形；用第一偏振光照射表面图形；测量被表面图形反射的光的偏振；转动样品使表面图形转动，以测量至少在一个新的转动位置上反射光的偏振；使反射偏振与表面图形尺寸相关联。

其中提供表面的步骤是提供带有表面图形的半导体器件。

其中用第一偏振光照射表面图形的步骤包括用线偏振光照射表面图形。

其中测量表面图形反射光的偏振的步骤包括测量反射光的椭偏角。

其中转动表面的步骤是以20度的步幅转动表面来使表面图形转动。

其中使反射偏振与表面图形尺寸相关联的步骤是提供一个使反射光特性与表面图形尺寸相关联的公式。

其中反射光特性包括偏振角。

其中使反射偏振与表面图形尺寸相关联的步骤由以下步骤组成：提供表面图形的校准数据；使反射光特性与校准数据相关联以确定表面图形的特性曲线；将反射光特性与特性曲线作比较来测定表面图形的尺寸。

其中使反射偏振与表面图形尺寸相关联的步骤是建立一个介电张量，以使反射光特性与表面图形尺寸相关联。

其中还可以包括测量水平和垂直方向图形尺寸的步骤。

其中还可以包括测量小于250nm的图形尺寸的步骤。

本发明还提供了一台在各向异性样品上以高的水平分辨率测量临界尺寸的设备，所说的各向异性样品表现出外形双折射，所说的设备包括以下部分：一台椭偏仪，用来测量椭偏参数Δ和Ψ，所说的椭偏仪将线偏振的入射光射到样品上选定的区域以产生椭圆偏振反射光，所说的椭偏仪将所说的线偏振入射光与所说的椭圆偏振反射光作比较，以测量所说的椭偏参数Δ和Ψ；转台，被置于所说的椭偏仪下方用以转动样品，以改变对转轴中心的转角α，所说的转轴中心是与所说的椭偏仪对准的，所说的椭偏仪使所说的椭偏参数Δ和Ψ与所说的转角α相关联，从而以高的水平分辨率测定样品选定区域的临界尺寸。

其中所说的椭偏仪还包括以下部分：一个光源，用来产生光；一个偏振器，用来使所说的光偏振而成为所说的线偏振光；一个聚焦单元，使所说的线偏振光聚焦以得到高的水平分辨率；一个X-Y-Z台，用于改变所说的样品沿X，Y，Z方向的位置，所说的样品置于X-Y-Z台上，所说的线偏振光被所说的样品反射而产生所说的椭圆偏振反射光；一台显微镜，对准所说的转台的转动中心，用以选择所说的样品上的区域来测定其临界尺寸；一个转动分析器用来比较所说的第一偏振态和第二偏振态，以便根据偏振态来得到所说的椭偏参数Δ和Ψ，所说的转动分析器则将所说的角Δ和Ψ转换成光强；一个探测器，用以探测所说的光强，以得到椭偏参数Δ和Ψ；一个控制单元，与所说的探测器、转动分析器、X-Y-Z台及转台相连，使由所说的探测器测得的椭偏参数Δ和Ψ与转角α相关联以确定样品选定区域的临界尺寸。

其中所说的光源是激光束，或是多色仪，或是二极管列阵。

其中所说的聚焦单元是透镜系统，或是显微镜物镜。

其中样品是集成电路器件。

本发明还提供了一种用来以高的水平分辨率确定样品的临界尺寸的方法，所说的样品至少由一种材料组成并有外形双折射的表面图形，所说的方法包含以下步骤：产生一校准曲线，使一组第一椭偏幅度与一组第一临界尺寸值相关联，使每个第一椭偏幅度对应一个第一临界尺寸值；转动样品，在样品的一个选定区域上对某一转角α范围测量第二个椭偏参数以确定第二椭偏幅度；用第二椭偏幅度作为索引，由校准曲线确定样品选定区域的临界尺寸以便由校准曲线确定相应的第一临界尺寸值。

其中所说的产生校准曲线的步骤至少是用一个测试样品来完成的，测试样品至少是由外形双折射材料构成的，并且至少由一个第一临界尺寸值来表征。

其中产生校准曲线的步骤还包括以下步骤：至少在所说的外形双折射测试样品上测量一组第一临界尺寸值；对每个第一临界尺寸值，转动所说的至少一个测试样品来测量对转角α的第一椭偏参数，以产生一组第一椭偏参数值；对每组第一椭偏参数值确定第一椭偏幅度，它代表由这组第一椭偏参数值确定的第一个极大与第一个极小值之差；使第一椭偏幅度与第一临界尺寸值相关联来得出校准曲线。

其中还包括由对转角α测得的第二椭偏参数得出第二组椭偏参数值。

其中这组第二椭偏参数值确定了第二椭偏参数曲线，而第二椭偏幅度就是第二椭偏参数曲线的第二极大与第二极小值之差。

其中还包括定义第二椭偏幅度为这组第二椭偏参数值所确定的第二极大与第二极小值之差的步骤。

其中第一椭偏参数和第二椭偏参数都是Δ。

其中第一椭偏参数和第二椭偏参数都是Ψ。

其中第一椭偏参数和第二椭偏参数是对转角α测量的。

其中第一椭偏参数Δ和第一椭偏参数Ψ是作为转角α的函数来测量的以得到一组椭偏参数值Δ(α)。

其中第一和第二椭偏参数Ψ都是作为部分转角α的函数来测量的以得到一组椭偏参数值Ψ(α)。

其中第一椭偏参数和第二椭偏参数还都包含椭偏参数Δ和椭偏参数Ψ。

其中校准曲线还包含第一校准曲线和第二校准曲线。

其中第一校准曲线是对第一椭偏参数Δ得到的，第二校准曲线是对第一椭偏参数Ψ得到的。

其中椭偏参数Δ和Ψ是对转角α测量的。

其中椭偏参数Δ和Ψ是对转角α测量的以分别得到一组椭偏参数值Δ(α)和Ψ(α)。

其中第二椭偏幅度还包括Δ(α)幅度和Ψ(α)幅度。

其中第二椭偏幅度的Δ(α)幅度和Ψ(α)幅度被分别用作第一校准曲线和第二校准曲线的索引，以确定相应的临界尺寸值。

其中相应于Δ(α)幅度和Ψ(α)幅度的临界尺寸值被平均以确定外形双折射结构的临界尺寸。

其中第二椭偏参数是将线偏振入射光聚焦射到样品选定的区域上以高的水平分辨率测量的，以产生椭圆偏振反射光，然后测量椭圆偏振反射光的第二椭偏参数。

其中所说的样品是表现出外形双折射的集成电路器件。

由下面详述的示例结合着附图，本发明的种种目的、特点和优点将越发明显。

参照以下的附图，本发明将详细描述下面的一些合适的示例。

附图说明

图1是所谓的介电张量及其关于样品表面和入射椭偏面的取向；

图2A是在没有任何图形(即，均匀的各向同性表面)的样品上的椭偏测量；

图2B是按照本发明的一个示例对线条和间隔结构的椭偏测量；

图3是按照本发明对三个不同芯片上的线条结构所做的Ψ和Δ测量与α的函数关系；

图4是按照本发明的临界尺寸校准曲线；

图5是按照本发明的光谱校准曲线；

图6和图7分别为在图2A和2B的结构上测得的Ψ和Δ的椭圆偏振谱，在700nm附近所示的峰用于产生图5的校准曲线；

图8是本发明的测量设备的示意图；

图9是按照本发明测量垂直和水平方向尺寸的步骤流程图；

图10是按照本发明建立测量数据与表面图形关系的步骤的流程图。

具体实施方式

此项发明是关于测量设备和方法的，尤其是测量半导体器件中亚1/4微米尺寸的测量设备和方法。亚微米微电子器件的生产需要精密的测量技术来测量在器件结构上设计的图形结构的水平(临界尺寸(cd))和垂直方向的图形尺寸(厚度)。本发明用外形双折射来高分辨地测量带有结构的表面，(如半导体芯片)的图形。所发明的设备和方法可以同时测量水平和垂直方向的图形尺寸。本发明还可测量图形结构的组合，因而改善了测量统计值。待测的图形组合尺寸可按照样品上聚焦的光斑大小来调节。水平分辨率约为1nm量级。对于规则排列的结构，其尺寸比分子的尺度大而比光的波长小，这就产生了光学的各向异性。这种物理现象称为外形双折射(form birefringence)。现代的亚微米微电子器件中的结构就属于这个范围。这就是说用光刻和腐蚀技术制作的接触孔、沟槽或线条结构都是各向异性的，即使这些结构包含着光学各向同性材料。这种物理特性常常干扰，如果不是妨碍，常规光学方法(如椭偏法，光谱法)的使用。

本发明描述了一种新颖的方法和设备，用来对图形结构进行光学测量，尤其适于测量半导体器件上的图形结构。本发明的测量方法通常称之为各向异性微椭偏法(AME)。AME使用外形双折射，并可测量水平和垂直方向的图形尺寸。AME具有椭偏法的全部优点，包括无侵害，高灵敏测量技术，且水平和垂直方向的图形尺寸均可测量。AME也提供了一种方法，用椭偏法的垂直灵敏度转换为同时和原位，即在制备期间或工艺步骤间，来测量水平尺寸，而不像SEM那样引起沾污或带电。

用在现代的亚微米微电子器件中的结构，如存储芯片，表现出的双折射是基于几何学而非材料性质。当光入射到待测样品表面时就转换为各向异性光学系统。任何各向异性系统的光学性质可完全用一3×3复介电张量来描述。在其主轴系中，这个张量包括异常的复折射率N_e1，N_e2和正常的复折射率N₀作为其对角元。复折射率N定义为N＝n+ik，式中n为常规的折射率，k为吸收系数(i为复数单位)。对于每一种特定结构，其图形尺寸与其光学参数间都存在着定量关系。例如，对于线条与间隔结构有如下关系：

N_e ²-N₀ ²＝f₁f₂(N₁ ²-N₂ ²)²/(f₁N₂ ²+f₂N₁ ²)              (1)

式中f₁＝cd₁/(cd₁+cd₂)，f₂＝cd₂/(cd₁+cd₂)，其中cd₁为线宽(临界尺寸)，cd₂为线间距。N₁是线条材料(通常为各向同性的)的复折射率，N₂是间隔材料(如，空气＝1)的复折射率。任何线条和间隔结构在光学上都是单轴的。这就使得下述关系是成立的：N_e1＝N_e2＝N_e。显然，一旦测得介电张量的对角元，由(1)式就可定量地确定临界尺寸。对于较不规则的结构或是其他结构，一般可推得相应的方程。而且，临界尺寸可用下述的校准法来确定。正如本领域技术上众所周知的，常规的椭偏法是对于光学参数最灵敏的测量技术。椭偏法测量了由样品表面反射的线偏振光偏振状态的变化。反射后的光是椭圆偏振的。椭偏法通过测量两个量，即角Δ和Ψ，来测量椭圆偏振光的偏振状态。众所周知，任何椭圆都由两个量来完全确定。因此，偏振状态完全由Δ和Ψ来确定。由于每次都测量两个量，对于各向同性系统通过一次测量就可确定复折射率的实部和虚部。

常规的椭偏仪对Δ和Ψ可分辨0.01度。对于典型的设备，100nm的层厚差引起的Δ的改变约360度。因此，垂直方向图形尺寸的变化可探测至埃的量级。光学参数也可以同样的精度来测定。在其主轴系统中，介电张量包含3个复数(6个参数)，即N_e1，N_e2和N₀。因此，这个张量的测定至少需要三次独立的椭偏测量(三对Δ和Ψ)。这可在椭偏测量中改变欧拉角来达到。对于具体的细节可参看几个图，在这些图中同样的数码表示相似的或同样的单元。现在先看图1，欧拉角α，φ描述介电张量对样品表面10和入射椭偏面12的取向。如前所述，介电张量含有折射率N₀，N_e1，N_e2。欧拉角α可简单地使样品绕其表面法线转动来改变。此外，所用椭偏仪偏振器的方位角也可改变。

参考图1，2和3，对于两个不同的样品，相应的测量Δ/度和Ψ/度作为样品绕表面法线转动(α角)的函数示于图2。为了比照常规的椭偏法说明所发明的AME法的原理，图2A表示在没有任何图形(即，均匀的各向同性表面)的样品上的椭偏测量。在这种情况下，椭偏测量参数Δ和Ψ表现出与样品转角α无关。这就是常规椭偏法的情形。因此，在常规椭偏法中，样品完全不转动，Δ和Ψ的测量只在一个固定的α角下进行。

与之相反，在图2B所示的线条与间隔结构的情况下，Δ和Ψ与转角α间的关系呈类似正弦形的变化。这是由于这种结构的外形双折射造成的。这就是AME的情形。分析这些Δ(α)和Ψ(α)曲线就可完全确定此结构的各向异性光学参数(即，介电张量)。这些光学参数(介电张量)是与临界尺寸相关的，见(1)式。因此，对具有外形双折射的任何结构进行Δ(α)和Ψ(α)曲线的AME测量就可以确定它的临界尺寸。

图3表示三种不同的线条与间隔结构(例如在存储器芯片中抗蚀剂显影后的栅导体GC的平行线条)的这样的Δ(α)和Ψ(α)曲线，三种结构具有不同的cd值。不同的芯片的cd值是：芯片F＝224nm，芯片A＝249nm，芯片E＝280nm，三种情况的沟槽宽度都是一样的(440nm)。这些芯片和尺寸只是个例子，用来证明本发明的能力以资比较。

这些测量是用光谱椭偏仪来完成的。样品在转台上以20度的步幅来转动，并以α角描述之。对于所有的cd值都观察到Δ和Ψ随α有较大的改变。变化的幅度，Δ为100度，Ψ为30度，考虑到椭偏仪的分辨率为0.01度，这样的变化是极其巨大的。

每个所示Δ(α)和Ψ(α)曲线都可用三个量来表征，即平均值、幅度和相位。用熟知的常规拟合步骤，例如平方拟合求和，介电张量的分量就可由这些曲线来确定。为此，可以使用技术上熟知的通用椭偏(GE)形式。对于详细的数学讨论可参见，例如，A.Michaelis and J.W.Schultze，Thin Solid Films 274(1996)82-94，其全部内容已列入本文的参考文献。张量的变换可用一个或多个程序处理器来完成。程序处理器可包含软件程序以完成变换。用这样的定量方法就可确定介电张量。然后，水平和垂直方向的图形尺寸(cd和厚度)就可由(1)式得到。

与结构的几何形状有关，估计其精度为亚纳米范围。另外，如果采用校准办法，不需定量地确定介电张量，本发明的方法也可使用。为此，可用任一种独立方法(如SEM，AFM等)来测量一个测试结构的cd值。然后使这些cd值与Δ和Ψ曲线的相应幅度或/和极小极大值相关联。

图4是说明图3引用的GC线条结构的校准曲线。考虑到椭偏法Δ和Ψ的分辨率为0.01度，由这些曲线可以估计cd的分辨率为亚纳米范围。另一方面，校准曲线也可由椭偏光谱直接得到。为此必须在Δ和Ψ谱中选一特征峰。然后，与cd的变化相关可以确定此峰值的波长移动。得到的相应曲线示于图5。这种方法由于光谱测量装置有限的波长分辨率，其分辨率可能稍低。上述各图示例的原始谱示于图6和图7中。

图8表示以高的水平分辨率测量样品26上膜的内应力的设备20。此设备由椭偏仪和转台22组成。转台被置于椭偏仪的下方以使样品绕转轴中心转动来改变转角α。椭偏仪测量椭偏参数Δ和Ψ，是将一束线偏振光入射到样品26的区域上以产生椭圆偏振的反射光。椭偏仪将线偏振的入射光与所说的椭圆偏振反射光进行比较来测量椭偏参数Δ和Ψ的值。与常规的椭偏仪相比，设备20可测量椭偏参数Δ(α)和Ψ(α)作为样品转角α的函数曲线。

椭偏仪由光源28(例如，激光束、单色仪、多色仪、二极管探测器列阵等)、偏振器606、聚焦单元608、X-Y-Z样品台24、显微镜610、转动分析器612、探测器32和控制单元34组成。光源28产生入射光，如激光束，光束或任何类型的光。尤其是使用波长可调谐的光源可以实现光谱测量。偏振器606接收入射光而使之线偏振。聚焦单元608，例如透镜，接收线偏振的入射光，使之聚焦到样品26的表面上以提供高的水平分辨率。样品26置于X-Y-Z样品台24上，使样品能沿X，Y和Z方向改变位置。显微镜610对准转台22的旋转中心，以在样品26上选择一个区域测定临界尺寸。

参照图6，聚焦的和线偏振的入射光射到样品26的选定区域上，然后反射离开样品26，产生椭圆偏振的反射光。转动分析器612接收椭圆偏振反射光并将偏振状态转换成强度变化。对强度信号进行分析就可确定椭偏参数Δ和Ψ。探测器32接收通过转动分析器的反射光并探测光强，按照光强来得到椭偏参数Δ和Ψ。控制单元34与探测器32、转动分析器612、X-Y-Z样品台24及转台22相连以协调这些单元。控制单元或CPU 34接收来自探测器32的椭偏参数Δ和Ψ，得出Δ和Ψ与转角α的关系，以确定样品26上所选区域的临界尺寸(cd)。这样的仪器结构使我们能够选择样品26上的任意位置(即，映射)并使之转动而不影响椭偏仪的安排。此外，入射角争偏振器的角度都是可调的。因此在椭偏仪下转动样品，设备20就可测量椭偏参数Δ和Ψ，以及椭偏参数曲线Δ(α)和Ψ(α)，从而使用上述技术测定样品26上的临界尺寸。

图9表示测量样品上水平和垂直方向表面图形的方法的步骤。方框40，样品装在转台上。方框42，光入射到样品上并优选被椭偏仪从那里反射。在方框44，测量反射光，记录其特性。方框46，转台再按预定量转一次并再次取得数据。方框48，重复此过程直至积累了足够的数据以确定介电张量或将数据加以处理，再用(1)式得到数据与表面图形的关系。

在另一种方法中，见图10，方框48可包括以下步骤。方框50是个校准步骤，这里的数据是在测试结构上用不同的测量技术，如AFM或SEM得到的。方框52，画出表面图形的映射，并在同一测试样品上用AME记录反射光的响应信号。方框54，将AME的Δ(α)和Ψ(α)曲线，特别是这些曲线的幅度和平均值，与用不同的测量技术得到的表面图形数据进行比较。方框56，用这种方法可得到AME响应信号与实际测量的图形尺寸间的关系，并得到校准曲线。然后，方框58，AME被用于任何未知cd值的结构上，校准曲线用来确定cd值。注意，只需在测试结构上做一次校准。此后，任何相似的结构都可被测量。椭偏仪已被安装在生产线上且本发明基于常规椭偏仪。任何具有微点选项的椭偏仪，只要加装了转台都可以使用。然而仪器的排列及获取数据的步骤必须修改。为了定量的分析数据，可开发完整的软件以处理数据。这个方法能以很高的局部分辨率在线应用，且是无损的。

已描述的合适的示倒是为了说明(且不限于这些)，在亚1/4微米范围测量水平和垂直方向表面图形的新设备和方法，然而值得注意的是，按照上面的讲述，本领域技术人员可对之加以修改和变动。因此应知道，对本发明给出的一些特殊的示例所作的改变都属于本发明的精神和范畴，这已概述在所附的专利要求书中。这样在描述了专利法要求的此项发明的细节及特性后，所要求保护的权利也在所附的专利要求书中做了阐述。

Claims (23)

1.一台在各向异性样品上以高的水平分辨率测量临界尺寸的设备，所说的各向异性样品表现出外形双折射，所说的设备包括以下部分：

一台椭偏仪，用来测量椭偏参数Δ和Ψ，所说的椭偏仪将线偏振的入射光射到样品上选定的区域以产生椭圆偏振反射光，所说的椭偏仪将所说的线偏振入射光与所说的椭圆偏振反射光作比较，以测量所说的椭偏参数Δ和Ψ；

转台，被置于所说的椭偏仪下方用以转动样品，以改变对转轴中心的转角α，所说的转轴中心是与所说的椭偏仪对准的，所说的椭偏仪使所说的椭偏参数Δ和Ψ与所说的转角α相关联，从而以高的水平分辨率测定样品选定区域的临界尺寸；

其中所说的椭偏仪还包括以下部分：

一个光源，用来产生光；

一个偏振器，用来使所说的光进行偏振而成为所说的线偏振光；

一个聚焦单元，使所说的线偏振光聚焦以得到高的水平分辨率；

一个X-Y-Z台，用于改变所说的样品沿X，Y，Z方向的位置，所说的样品置于X-Y-Z台上，所说的线偏振光被所说的样品反射而产生所说的椭圆偏振反射光；

一台显微镜，对准所说的转台的转动中心，用以选择所说的样品上的区域来测定其临界尺寸；

一个转动分析器用来比较第一偏振态和第二偏振态，以便根据第一和第二偏振态来得到所说的椭偏参数Δ和Ψ，所说的转动分析器则将所说的椭偏参数Δ和Ψ转换成光强；

一个探测器，用以探测所说的光强，以得到椭偏参数Δ和Ψ；

一个控制单元，与所说的探测器、转动分析器、X-Y-Z台及转台相连，使由所说的探测器测得的椭偏参数Δ和Ψ与转角α相关联以确定样品选定区域的临界尺寸。

2.权利要求1所要求的设备，其中所说的光源是激光束。

3.权利要求1所要求的设备，其中所说的聚焦单元是透镜系统。

4.权利要求1所要求的设备，其中所说的聚焦单元是显微镜物镜。

5.权利要求1所要求的设备，其中样品是集成电路器件。

6.一种用来以高的水平分辨率确定样品的临界尺寸的方法，所说的样品至少由一种材料组成并有外形双折射的表面图形，所说的方法包含以下步骤：

产生一校准曲线，使一组第一椭偏幅度与一组第一临界尺寸值相关联，使每个第一椭偏幅度对应一个第一临界尺寸值；其中产生校准曲线的步骤还包括以下步骤：至少在所说的外形双折射测试样品上测量一组第一临界尺寸值；对每个第一临界尺寸值，转动至少一个测试样品来测量对转角α的第一椭偏参数，以产生一组第一椭偏参数值；对每组第一椭偏参数值确定第一椭偏幅度，它代表由这组第一椭偏参数值确定的第一个极大与第一个极小值之差；使第一椭偏幅度与第一临界尺寸值相关联来得出校准曲线；

转动样品，在样品的一个选定区域上对某一转角α范围测量第二个椭偏参数，由对转角α测得的第二椭偏参数得出第二组椭偏参数值，以确定第二椭偏幅度，这组第二椭偏参数值确定了第二椭偏参数曲线，而第二椭偏幅度就是第二椭偏参数曲线的第二极大与第二极小值之差；

用第二椭偏幅度作为索引，由校准曲线确定样品选定区域的临界尺寸以便由校准曲线确定相应的第一临界尺寸值。

7.权利要求6所要求的方法，其中所说的产生校准曲线的步骤至少是用一个测试样品来完成的，测试样品至少是由外形双折射材料构成的，并且至少由一个第一临界尺寸值来表征。

8.权利要求6所要求的方法，其中还包括定义第二椭偏幅度为这组第二椭偏参数值所确定的第二极大与第二极小值之差的步骤。

9.权利要求6所要求的方法，其中第一椭偏参数和第二椭偏参数都是椭偏参数Δ。

10.权利要求6所要求的方法，其中第一椭偏参数和第二椭偏参数都是椭偏参数Ψ。

11.权利要求6所要求的方法，其中第一椭偏参数和第二椭偏参数是对转角α测量的。

12.权利要求9所要求的方法，其中第一椭偏参数Δ和第二椭偏参数Δ是作为转角α的函数来测量的以得到一组椭偏参数值Δ(α)。

13.权利要求10所要求的方法，其中第一和第二椭偏参数Ψ都是作为部分转角α的函数来测量的以得到一组椭偏参数值Ψ(α)。

14.权利要求8所要求的方法，其中第一椭偏参数和第二椭偏参数还都包含椭偏参数Δ和椭偏参数Ψ。

15.权利要求14所要求的方法，其中校准曲线还包含第一校准曲线和第二校准曲线。

16.权利要求15所要求的方法，其中第一校准曲线是对第一椭偏参数Δ得到的，第二校准曲线是对第一椭偏参数Ψ得到的。

17.权利要求15所要求的方法，其中椭偏参数Δ和Ψ是对转角α测量的。

18.权利要求15所要求的方法，其中椭偏参数Δ和Ψ是对转角α测量的以分别得到一组椭偏参数值Δ(α)和Ψ(α)。

19.权利要求18所要求的方法，其中第二椭偏幅度还包括Δ(α)幅度和Ψ(α)幅度。

20.权利要求18所要求的方法，其中第二椭偏幅度的Δ(α)幅度和Ψ(α)幅度被分别用作第一校准曲线和第二校准曲线的索引，以确定相应的临界尺寸值。

21.权利要求20所要求的方法，其中相应于Δ(α)幅度和Ψ(α)幅度的临界尺寸值被平均以确定外形双折射结构的临界尺寸。

22.权利要求6所要求的方法，其中第二椭偏参数是将线偏振入射光聚焦射到样品选定的区域上以高的水平分辨率测量的，以产生椭圆偏振反射光，然后测量椭圆偏振反射光的第二椭偏参数。

23.权利要求6所要求的方法，其中所说的样品是表现出外形双折射的集成电路器件。

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