CN101438126B - 自相关外差反射计及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于根据外差光学信号获取高精确的相位偏移信息的自参考外差反射计系统和方法，不用一个参考晶片来校正。该自参考外差反射计在外差反射(HR)模式和自参考(SR)模式之间快速转换，其中在HR模式使用了包括以ω和ω+Δω的分离角频率极化的s和p极化光束分量的HR光束，在SR模式使用了包括以ω和ω+Δω的分离角频率极化的p极化光束分量的SR光束。当两个测量快速连续的进行时，假设检测器中的温度感应噪声对两个测量是相同的。从HR光束中产生一个测量相位偏移δ_Ref/film，从SR光束中产生一个参考相位偏移δ_Ref/Sub。从HR光束的差拍信号产生的测量相位偏移δ_Ref/film用于薄膜厚度测量。SR光束是p极化的，不会从薄膜表面产生显著的反射，并且不会携带任何属于薄膜的相位信息。从SR光束的差拍信号产生的参考相位偏移δ_Ref/Sub等同于使用参考样本得到的信息。然后从测量相位偏移δ_Ref/film和与温度造成的相位偏移无关的参考相位偏移δ_Ref/Sub得到薄膜相位偏移信息。从薄膜相位偏移信息计算得到薄膜厚度。

Description

自相关外差反射计及其实现方法

背景技术

本发明涉及反射计。更具体地讲，本发明涉及通过外差反射计在反射分离频率信号中测量相移获得厚度信息的反射计系统和方法。进一步，本发明涉及使用外差反射计的外差信号测量感光衬底上形成的薄或极薄薄膜的厚度的方法和系统。尤其地，本发明涉及用来监控薄膜厚度的补偿检测器漂移的自相关外差反射计。另外，本发明涉及补偿在光测量元件中产生的寄生噪声的外差反射计。本发明也涉及现场监控薄膜厚度的外差反射计。

由于在芯片制造中对极精确公差的要求提高，在处理期间必须非常仔细地控制随后层的物理特性来获得对于大部分应用来说满意的结果。广泛地定义，干涉仪涉及波的相互作用的测量，例如光波。干涉仪工作原理是相位相同的两个相干波会相互增强而相位相反的两个波会相互削弱。一个现有技术监控系统利用干涉仪在表面轮廓中测量变化，从中可以推断特征高度信息。Hongzhi Zhao等人的文章“APractical Heterodyne Surface Interferometer with AutomaticFocusing”(自动聚焦的实用外差表面干涉计)发表于2000年的SPIEProceedings第4231卷第301页，其全部内容在此引作参考，公开了一个检测参考外差信号和测量信号之间相位差的干涉仪。可以从测量中推断出与表面上的明显亮点相关的高度信息。虽然参考信号和测量信号可以通过在不同路径上传播的光束产生，这是共同路径干涉计(common path interferometer)。这种方法有时称为公共轴线(common-axis)方法或者垂直轴线(normal-axis)方法，因为入射和反射光束占用到达目标位置的公共路径或轴线，该路径或轴线垂直于待检查的平面。

现有技术公共路径干涉计的一个缺点是，根据参考信号大尺寸照明区的平均高度计算高度信息。因此，结果的准确度受到表面粗糙程度的不利影响。现有技术公共路径方法的另一个局限是，不对薄膜层的实际厚度参数进行测量或者计算。

监测薄膜厚度的其它尝试通过光源的频率调制获得外差作用。授予Zhang的名称为“Method of Measuring the Thickness of aTransparent Material”(用于测量透明材料厚度的方法)的美国专利No.5657124和授予Zhang等人的名称为“Process and Device forMeasuring the Thickness of a Transparent Material Using aModulated Frequency Light Source”(使用调制频率光源的测量透明材料厚度的方法和设备)的美国专利No.6215556公开了这样的设备，其全部内容在此引作参考。。关于这些设备，具有调制频率的极化光束被定向到目标表面并且根据两条射线检测外差干涉信号，一条由目标的顶面反射，而第二条由目标的底面反射。通过比较外差干涉信号和光源的线性调制强度，根据每调制周期中差拍的数量确定厚度。这些类型设备的原理性缺陷是，由于通过光源的频率调制获得外差，其带宽限制了可测量的最薄薄膜。

其它外差干涉计根据两个单独的光束获得外差信号，一个光束处于第一频率和极化而第二光束处于第二频率和极化。授予Haruna等人的名称为“Method and Apparatus for SimultaneouslyInterferometrically Measuring Optical Characteristics in aNoncontact Manner”(以非接触方式同步干涉测量光学特性的方法和装置)的美国专利No.6172752和授予Aiyer的名称为“HeterodyneThickness Monitoring System”(外差式厚度监测系统)的美国专利No.6261152公开了这种干涉计，通过引用将其整体结合到此。其全部内容在此引作参考。

图1是外差式厚度监测装置的示意图，其中一对频率分离、正交极化光束在被混合以及外差之前传播于分离的光学路径中，如现有技术通常所知的伴随化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)装置使用的。从而，外差厚度监测系统100通常包括CMP装置、晶片110和测量光学组件。晶片110包括衬底112和薄膜114。

测量光学组件通常包括用于检测和测量反射光束光学频率中多普勒偏移的各种部件，包括激光源140、光束分离器(beam splitter，BS)144、极化光束分离器(PBS)146、光束四分之一波板(quarter-waveplate)148、光束反射器152、光束四分之一波板150、混频极化器(mixing polarizer)143、光电检测器147、混频极化器145、光电检测器149以及电连接到光电检测器147和149的输出的信号处理组件154。

运行中，激光二极管140发射的光束具有第一波长的第一线性极化光分量102以及第二波长的、和第一极化分量正交极化的第二线性极化分量103。第一和第二极化分量102和103共线传播到BS 144，两种分量的一部分在此如光束114和115所示反射到混频极化器145，然后如光束116和117所示达到检测器149，在此产生信号I₂。

极化分量102和103的发射部分如光束104和105所示传播到PBS 146。在PBS 146，分量104沿着如光束106所示的第一传播路径并且经过参考四分之一波板148达到反射器152，以及如光束122(正交极化于光束106)所示后向反射经过四分之一波板148，在此其在PBS 146反射到达混频极化器143并且如光束124所示到达检测器147。

来自分量105的第二极化分量沿着分离于第一路径的如光束120所示的传输路径并且定向正交于第一极化分量104，因而从PBS 146反射、如光束109所示经过四分之一波板150并且传播到光学透明可旋转基板115。光束109在后表面可旋转基板115、衬底112和薄膜114顶面之间的分界面经历部分反射，从而分别产生部分反射光束111S、111T和111B。每个反射光束109S、109T和109B后向传播经过四分之一波板150，如光束113S、113T和113B所示传输经过PBS146并且和光束122共线传输到混频极化器145，如光束124、115S、115T和115B所示，然后在光电检测器147检测为信号I₂。重要的是，I₂产生自以一定光学频率振荡、与薄膜相互作用的光束107和以另一个光学频率振荡、并且在不与薄膜相互作用的第二光学路径上传播的光束120。信号I₁和I₂进行比较得到厚度测量。

当测量光束经历光学路径长度改变时，差拍将经历相应的相位偏移。相位偏移的量可以通过比较测量光束的相位和没有光通道长度改变的光束的相位来确定。光束之间的相位偏移可以根据从目标样本推断出的厚度推延一定距离。

清楚的是，因为信号I₁是从有不同光通道的两个光束检测到的，其中只有一个影响样本，任何一个光束的光通道的改变可以被推断作为到薄膜表面的距离的改变。而且，因为只测量了到薄膜表面的一个点的距离，影响测量的外来因素可以作为厚度的改变来解释，例如晶片倾斜。因此，大量地把反射计应用于轮廓测量。

发明概述

本发明致力于一种外差式反射计系统和方法，根据外差光学信号获得高准确性的相移并且根据该相移计算准确的厚度。所述外差式反射计通常包括具有分离光学频率的光学光源、用于产生光学差拍信号的一对光学混频器、用于检测并转换所述光学差拍信号到电外差差拍信号的一对光学检测器、以及用于检测两个电信号之间相移的相移检测器。

自参考外差反射计在两种模式下操作：外差反射计(HR)模式，其中使用包括以ω和ω+Δω的分离角频率极化的s和p极化光束分量的HR光束；和自参考(SR)模式，其中使用包括以ω和ω+Δω的分离角频率极化的p极化光束分量的SR光束。根据从HR光束中检测到的I_ref和I_het信号得到测量相位偏移δ_Ref/film，根据从SR光束中检测到的I_ref和I_het信号得到参考相位偏移δ_Ref/Sub。从HR光束的差拍信号产生的测量相位偏移δ_Ref/film用于薄膜厚度测量。SR光束是p极化的，不会从薄膜表面产生显著的反射。从薄膜衬底接口返回的反射不会携带任何属于薄膜的相位信息。因此，从SR光束的差拍信号产生的参考相位偏移δ_Ref/Sub等同于使用参考样本得到的信息。

通过快速连续地在HR和SR模式之间转换，可以假设检测器中温度感应噪声和相位偏移就测量来说是相同的。可以从测量相位偏移δ_Ref/film和参考相位偏移δ_Ref/Sub计算出薄膜相位偏移Δφ_film。这样，两个检测器中的温度感应检测器噪声和相位偏移都被有效的消除了，产生与温度无关的Δφ_film。

既然参考相位偏移δ_Ref/Sub不会被薄膜改变所影响，并且衬底不改变，连续参考相位偏移值之间的变化归因于检测器噪声或相位偏移相关的温度。可以通过监控连续参考相位偏移值的变化来检测不可接受的噪声级别。然后可以把测量之间的相位变化数量与噪声门限比较。

附图说明

被认为是本发明特性的新颖特征在所附的权利要求中阐述。然而，通过参考后面的示例性实施方式的详细描述以及附图，可以很好地理解本发明自身以及优选的使用模式、及其进一步的目标和优点，在附图中：

图1是现有技术通常所知的外差干涉计的示意图；

图2是测量薄膜厚度的外差反射计的示意图；

图3A和3B显示了线性极化入射光束的干涉示意图，该入射光束包含s极化并且具有光学角频率ω的分量、以及p极化并且具有分离光学角频率ω+Δω的分量，和薄膜；

图4A-4C是依照本发明示例性实施方式的测量薄膜厚度的没有可用参考晶片的自参考外差反射计的操作状态示意图；

图5是依照本发明示例性实施方式的使用自参考外差反射计测量薄膜厚度的方法的流程图；

图6A和6B概略地说明有薄膜和衬底的HR光束和/或SR光束之间的干涉；

图7是依照本发明示例性实施方式的显示识别检测器噪声的方法的流程图，该检测器噪声可以抵抗噪声消除；

图8A和8B是依照本发明示例性实施方式的没有配置移动光组件的自参考外差反射计的示意图；

图9A和9B是依照本发明示例性实施方式的有分离的SR光束和HR光束路径的自参考外差反射计的示意图；

图10A和10B是依照本发明示例性实施方式的有相反旋转的SR光束和HR光束路径的自参考外差反射计的示意图；

图11A和11B是依照本发明示例性实施方式的为了HR和SR操作模式之间电切换而使用液晶可变减速器(LCVR)的自参考外差反射计的示意图；

图12A和12B是依照本发明示例性实施方式的自参考外差反射计的示意图，其中SR光束为了确定检测器相位偏移的唯一问题而分流样本；

图13A和13B显示了使用机械或电磁设备在HR和SR光束之间以比检测器中温度偏移更快的速度切换，或反之亦然的自参考外差反射计；

图14A和14B是依照本发明示例性实施方式的有相反旋转的SR光束和HR光束路径的自参考外差反射计的示意图，其中使用了高频光开关来最小化相位测量中检测器温度改变造成的误差；

图15A和15B是依照本发明示例性实施方式使用了断路器的自参考外差反射计的示意图，其中SR光束为了确定检测器相位偏移的唯一问题而分流样本；和

图16A和16B是依照本发明示例性实施方式的自参考外差反射计的示意图，其中SR光束路径被调幅(AM)光束替代；

根据附图和后面的详细描述，本发明的其它特征将是显而易见的。

具体实施方式

在迈克耳孙(Michelson)外差干涉计中，干涉参考光束和测量光束具有微小的光学频率差，通常为～KHz到MHz。两者之间的干涉表示为等式：

I＝A+Bcos(Δωt+φ)       (1)

A是直流电分量；

B是代表条纹可见度的信号分量；

φ是参考光束和测量光束之间的相位差；以及

Δω是两个信号之间的角频率差。两者之间的干涉可以看作角频率等于角频率差Δω的差拍信号。

当测量光束经历光学路径长度变化(Δd)时，差拍信号将经历相应的相移Δφ＝(4π×Δd)/λ。

本发明公开了一种简单外差反射计，用于2005年7月10日提交、名称为“使用外差反射计和光栅干涉测量法监控薄膜厚度的方法”的共同提交美国专利申请No.11/178,856，和2005年2月25日提交、名称为“用于监控薄膜厚度的外差反射计及其实现方法”的共同提交美国专利申请No.11/066,933中薄膜测量的方法。根据这个方法，测量信号从两个每个都干涉样本的光束分量被外差。一个光束分量几乎全部折射到薄膜中并反射到薄膜底部，另一个反射到表面。因此，外差测量信号的相位由于两个光束分量在光路径中的不同由此而涉及到样本的厚度。讨论图2中的外差反射计将理解这个概念。

图2是测量薄膜厚度的外差反射计的示意图。外差反射计200通常包括使直接入射光束203以入射角α入射到薄膜214和衬底212的光学器件。光源220产生有两个线性极化分量以分离光频率运行的光束220，他们彼此正交来照亮目标。例如，光束可以有以频率ω进行s极化的光束分量和以频率ω+Δω进行p极化的光束分量。

光束203包括两个彼此正交的线性极化分量，具有分离的光学频率，即分离的频率分别为ω和ω+Δω的s极化和p极化光束分量。如这里所用的，Δω近似为20MHz，但这只是示例，在不脱离本发明范围的情况下可以使用其它的频率分隔。用于产生这个光束的光源220可以是例如塞曼分隔氦氖激光器(Zeeman split He-Ne laser)。作为替代，来自单个模式激光源的光束可以分割为两个分离的光束，分离光束中的一个或两个频移到预定的频率，例如使用声光调制器。然后频率分离的光束在入射薄膜214之前可以重组。使用任何适当的光学组件重新定向前面提到的光束的路径，将光束定向到入射平面内并且朝向薄膜214。如图所示，一对三角棱镜(入射棱镜232和反射棱镜234)将入射光束203定向到薄膜214并且接收来自薄膜214的反射光束205，但可选地，可以是定向光线路径同时保持光束极化的任何适当光学组件。例如，使用镜子或其它反射光学组件或者耦合到极化保持光线、其随后放置于以预定入射角发射光束的位置，光源220可以定向到入射平面内(以偏离垂直位置的入射角α)。

然而应当注意两个光学频率的路径沿着单一的路径与薄膜相互作用，即测量光束的s极化分量和p极化分量基本上是共线光束并且近似共轴。此外，s极化和p极化分量在薄膜214上照亮的区域在目标区域扩展范围近似相同。

本发明外差反射计的首要功能是根据所测量的相移Δφ_m确定实际的相移Δφ。所测量的相移Δφ_m是参考信号I_ref的相位和测量信号I_het的相位之间的相位差，即根据非反射路径(参考信号)获得信号的拍和根据反射路径获得信号的拍。真实(或实际)相移Δφ是确定薄膜层的无错误以及准确厚度d_f必需的。因此，得到测量相移Δφ_m需要使用两个检测器，一个用于检测/产生参考信号I_ref而第二个用于检测/产生测量信号I_het。

信号检测器240在反射离开薄膜214之前检测来自混合极化器254的分离光束(参考光束)204并且产生参考信号I_ref 242，其是光束204相位φ的指示，所述混合极化器混合光束204的s和p极化分量。检测器240可以是例如PIN(正-本征-负)检测器，或者是响应于拍频并且产生拍频为|ω-(ω+Δω)|的参考信号I_ref的任何光电检测器。参考信号I_ref242传输到Δφ_m测量相移检测器262，在此用作确定薄膜214引起的测量相移Δφ_m的参考相位。

另一方面，信号检测器250检测薄膜214相互作用之后、经过棱镜234传播、来自混合极化器255的反射光束256，所述混合极化器混合光束205的s和p极化分量。信号检测器250产生测量信号I_het252，其指示光束356的相位φ+Δφ，该相位以Δφ偏移参考信号I_ref的相位。检测器250可以是例如PIN检测器，监测反射光束256并且产生同样具有外差角频率Δω的外差测量信号I_het。

信号252在Δφ_m测量相移检测器262接收，所述检测器比较所测的外差测量信号I_het252和参考信号I_ref242并且确定所测的相移Δφ_m。相移Δφ由薄膜214引起，相移的数值取决于多个因素，包括薄膜214的厚度、对于特定待监测薄膜的折射率n_f、以及高相移情况下的校正因数。因素间的相互关系将在下面进一步详细说明。总之，根据获得自所测相移Δφ_m的校正相移Δφ，可以由处理器260确定准确的薄膜厚度d_f。然而，由于所测相移Δφ_m的固有误差，至少在较高的相移情况下，仅在对所测相移进行校正之后才可能获得准确的厚度测量。

数据处理系统260根据特定的应用可以采用各种形式。通常，来自联机晶片处理的数据在电连接到反射计检测器240和250或者Δφ_m测量相移检测器262的计算机或PC上实时处理。然而依照其它的示例性实施方式，反射计系统可以预配置内部数据处理器和/或分离的固件组件，用于实时地存储和处理监测数据。依照再一个示例性实施方式，来自反射计而由数据处理系统处理的原始数据驻留在晶片处理设备上。在此情况下，晶片处理固件执行反射计的所有数据处理，包括厚度计算。因此，外差式反射计系统200描述为具有普通的数据处理系统260，其可以包括分离的固件和硬件组件。这些组件通常包括测量相移校正器266和厚度计算器268。可选地，系统260可以包括误差校正数据存储器264，其操作将在下面讨论。

更特别地，Δφ_m相移检测器262接收来自相应检测器的参考信号I_ref 242和外差测量信号I_het 252并且测量两者之间的相移Δφ_m。相移检测器262可以使用任何适当的机制，用于检测参考信号I_ref和测量信号I_het上的相应点用于相位检测。

虽然没有在图中描述，相移检测器262同样可以配备I/O接口，用于输入便利于信号检测的波长和/或振荡频率信息。

一旦检测到测量相移Δφ_m，转到Δφ_m测量相移校正器266用于误差校正。测量相移Δφ_m中的误差在高相移情况下可能是可估计的，但通过应用具有适当校正系数集合的多项式函数到Δφ_m可以校正误差。此外，Δφ_m校正器266需要特定的参数数据用于执行误差校正计算。这些数据包括源波长λ、顶部薄膜层折射率n_f、以及入射角α。α典型地设置为缺省值α＝60°，而不是对于源波长和薄膜折射率n_f的布鲁斯特角，其原因在名称为“使用外差反射计和光栅干涉测量法监控薄膜厚度的方法”的美国专利申请No.11/066,933和名称为“用于监控薄膜厚度的外差反射计及其实现方法”的共同提交美国专利申请No.11/066,933中讨论。

最后，d_f厚度计算器268从Δφ_m校正器366接收校正的相移Δφ并且计算待检验薄膜、即薄膜214的校正薄膜厚度。作为替代，d_f厚度计算器268可以从Δφ_m相移检测器262直接接收所测的相移Δφ_m，然后使用代数方法用取自存储器264的薄膜厚度校正数据校正所测的厚度。厚度校正误差数据、或者查找表(LUT)基于针对薄膜214的折射率预先装入存储器264。

另一个可选项是在存储器264中存储校正厚度数值d_f的表格，其针对离散的测量相移数值进行索引。在此情况下，在从相移检测器262接收到Δφ_m时，d_f厚度计算器268从存储器264检索校正厚度数值并且输出该数值。

本方法依赖于来自薄膜上表面的辐射的各向异性反射。因此，外差式反射计的结构最优化配置为入射角α接近布鲁斯特角。如下面将直接显示的，在特定待检查薄膜的折射率的布鲁斯特角，对于薄膜可以获得相移的最大灵敏度。在布鲁斯特角，来自薄膜上表面的反射p极化光的数量为零或者最小。从而，来自检测器250的信号I_het 252含有丰富的薄膜厚度信息。

然而，由于实际原因，监测系统中的光学组件可以是非永久性的配置为协同特定的处理装置(例如预置的60°入射角，α.＝60°)。在这些系统中，调整入射角到准确的角度可能是困难的或者不可能的。然而，如在下面的讨论中将要显示的，所描述的本发明的一个优点是，厚度测量对于特定薄膜的折射率来说在布鲁斯特角周围宽大的范围上是高度精确的。

此外，除了来自薄膜表面的各向异性反射以外，反射的各向异性还可以存在于薄膜内部以及薄膜下表面或衬底。已经假设薄膜材料和下部分界面对于s和p极化是各向同性的。然而，这个假设并非对于每种薄膜都是正确的，参见T.Yasuda等人的文章“Optical Anisotropyof Singular and Vicinal Si-SiO₂ Interfaces and H-Terminated SiSurfaces”，J.Vac.Sci.Technol.A 12(4)，1994年7月/8月，第1152页以及D.E.Aspnes的文章“Above-Bandgap Optical Anisotropies inCubic Semiconductors：A Visible-Near Ultraviolet Probe ofSurfaces”，J.Vac.Sci.Technol.B3(5)，1985年9月/10月，第1498页。从而，在顶部薄膜和/或衬底展示出显著的反射各向异性的情况下，最佳入射角可以在垂直入射和布鲁斯特入射之间。

对于配置系统200的外差式反射计结构的入射角α涉及待检查薄膜的折射率n_f和照射源的波长λ并且可以随其改变。由于不同的薄膜具有不同的折射率，角度α可以相应于折射率的变化进行调整。如果希望，可以提供装置用于基于待检查的各种薄膜的折射率调整外差式反射计系统200的入射角。这可以通过使表格系统210和/或棱镜232和234可移动完成。例如，镜232和234可以配置为具有两种程度的移动，一种是在关于垂直于由光束203和205、以及薄膜214的法线构成的入射平面的轴的可旋转方向上，以及平行于表面法线的平移运动方向。作为替代，镜232和234可以具有一种关于垂直于入射平面的方向的旋转运动，那么表格组件210将具有一种在法线方向上的平移运动。后者的示例性实施方式在这里用镜232和234以及表格组件210(这里描述作表格215、薄膜214和衬底212)描述，使用假想的线指示移动。假想的组件显示重新定向到不同入射角α的入射光束203和接收反射光束205，相应于折射率n_f数值的变化。然而，如上面和下面所强调的，使用缺省的入射角α＝60°是有利的，超过对于薄膜和光源准确设定入射角为布鲁斯特角。

转到图3A和3B，描述了归因于薄膜214的相移Δφ的源。为了清楚，HR光束的s极化分量(图3A)描述为与HR光束的p极化分量(图3B)相分离。转到图3A中描述的HR光束的s极化分量，入射光束303包括彼此正交的s极化分量303s(具有光学角频率ω)和p极化分量303p(具有光学角频率ω+Δω)。分量303s和分量303p都以角α入射到薄膜214的法线。在薄膜214的表面，一部分光束分量303s反射为反射光线305-1s，而光束分量303s的另一部分以折射角ρ折射进入薄膜214、然后反射离开衬底22并且折射出薄膜214作为折射光线305-2s。转到图3B描述的HR光束的p极化分量，入射光束分量303p分为反射光线305-1p和折射光线305-2p。

准确薄膜厚度计算的基础是优化光与薄膜的相互作用使其对薄膜厚度更灵敏，这反过来增强外差相移Δφ_m。目的是尽可能地增大相对于参考信号的外差信号相移，即增大Δφ_m。这通过优化入射角来完成。由于反射光束由反射和折射的s和p分量射线组成，有利的是一种极化分量比另一种具有来自薄膜表面的较大部分的反射射线。因为使用分离频率的s和p极化光线用于测量，可以调整入射角α以获得这样的结果。如本领域充分理解的，通过设定入射角为源波长的布鲁斯特角，线性极化光展示出这样的结果。在布鲁斯特角情况下，实际上入射光束303p的全部p极化分量折射进入薄膜作为305-2p，而如果有的话也是非常少部分反射作为射线305-1p。相反，工作于布鲁斯特角，入射光束303s的s极化分量相当大的部分反射作为射线305-1s而其余透过薄膜作为折射射线305-2s。从而，可以调整角度α使得一种极化光分量的更多部分不发生反射而基本上完全折射入薄膜。因此在射线混合后，由于反射自薄膜表面的s极化分量的不均衡贡献，合成的光束对相移敏感。所以，应当理解，相移产生自折射分量在增加的路径距离上传播所需的时间， $\mathrm{\Δd}={2d}_f\sqrt{n_f^2-{\sin }^2\mathrm{\α}},$ 其中n

δ是归因于薄膜厚度的相位偏移；

α是入射角度；

n是薄膜的折射率；以及

d是薄膜厚度。

随着外差式反射计的配置朝向对厚度更加敏感进行优化，可以建立根据相移Δφ确定厚度的计算。在经典的外差式干涉计中，相移被测量，并且光束路径差的相应变化Δd可以使用下面的表达式计算：

Δφ＝4π×Δd/λ           (2)

Δφ是测量信号I_het的相移，

Δd是相应的光束路径差；以及

λ是外差式照射源的波长。

从而：

Δd＝Δφλ/4π        (3)

在外差式反射计中，由于Δφ＝2δ，并且 $\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}\×d,$ 薄膜的厚度可以通过下面的等式得到：

$d=\left(\frac{\mathrm{\Δ\φ}\×\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}\×\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}\right)---\left(4\right)$

公式(2)-(4)的证明可以在上面讨论的美国专利申请No.11/178,856和No.11/066,933中找到。

外差反射计本质上是一种差分测量技术。根据现有技术，测量对应于薄膜的相位偏移关于到有已知厚度的薄膜的参考衬底。理想地，为了每次在测量产品/监控晶片之间进行参考测量，操作者有权使用参考样本。缺乏参考样本时，可以要求外差反射计感应器足够耐用以致于在进行下次参考样本测量之前没有(系统的)相位偏移。外差频率中的偏移，光分量导致的相位偏移，表面污染的存在，和响应于温度变化的检测器都影响高精度测量(～0.001度)。有些障碍可以克服。由于外差反射计的普通模式本质，长期的频率偏移不会影响测量。光分量导致的相位偏移可以通过使用适当的覆盖层和入射角度而消除。在可控制环境中获取数据可以阻止表面污染影响测量。对外差反射计感应器的研究显示在外差反射计系统中如果没有控制检测器温度，可以产生0.01度/摄氏度的相位偏移。

因此，根据本发明的一个方面，公开了一种自参考外差反射计及其实现方法。根据本发明的另一个方面，公开了一种为了精确不依赖可用参考晶片样本的外差反射计及其实现方法。本发明的这些方面，还有其它方面，在下面讨论图4A-4C后将更好理解。

图4A-4C是依照本发明示例性实施方式的测量薄膜厚度的没有可用参考晶片的自参考外差反射计的示意图。图4A描述了为获得δ_Ref/film相位测量和δ_Ref/Sub参考相位测量而显示合成操作状态的自参考外差反射计。图4B显示了获得δ_Ref/film测量的操作状态图而图4C显示了获得δ_Ref/Sub测量的操作状态图。

类似于图2中讨论的外差反射计200，本发明的自参考外差反射计通常包括使直接入射光束以入射角α入射到薄膜214和衬底212的光学器件。光源400产生有两个线性极化分量以分离光角度频率运行的同线光束(光束402)，他们彼此正交来照亮目标；一个以频率ω进行s极化的光束分量和一个以频率ω+Δω进行p极化的光束分量。在下文中这个光束被称为HR(外差反射)光束。如这里所用的，Δω近似为20MHz。但这只是示例，在不脱离本发明范围的情况下可以使用其它的频率分隔。用于产生这个光束的光源400可以是例如塞曼分隔氦氖激光器(Zeeman split He-Ne laser)。作为替代，来自单个模式激光源的光束可以分割为两个分离的光束，分离光束中的一个或两个频移到预定的频率，例如使用声光调制器。然后频率分离的光束在入射薄膜214之前可以重组。使用任何适当的光学组件重新定向前面提到的光束的路径，将光束定向到入射平面内并且朝向薄膜214。

HR光束402以HR光束403传播，并被BS(光束分离器)412分离通过极化器414(45度角)成为反射HR光束404，在此检测器416检测到参考信号I_ref。应当意识到使用立方体带来了一定的缺点，原则上与产生降低了分量的极化性能的热应力双折射片相关。因此，本发明中使用的光束分离器应当有低热应力双折射性，例如，低线性双折射片SF57透镜。熔融石英元件显示出更多的热双折射性，具有BK7衬底的那些元件显得更不理想，因为它们的热双折射性特性比SF57差两倍。在选择其它光学元件时应当考虑热应力双折射性，如反射镜或类似的。参考信号I_ref为光束在其与样本相互影响之前提供相位信息。光束403通过BS 412发送的部分传送到反射光学元件418和420(反射镜或类似的)然后入射到薄膜214和衬底212(典型的是晶片)。如上所述，为了光源400的光源波长λ和薄膜折射率n_f，入射角α(未显示)典型的设置为接近布鲁斯特角，其原因在美国专利申请No.11/178,856和11/066,933中讨论(或默认的，如α＝60°，而不是正好在布鲁斯特角)。

HR光束403与薄膜214和衬底212相互作用，结果是反射光束分量405-1和405-2，其通过极化器422(45度角)，在此检测器426检测到HR光束的参考信号I_het。如上面所述的，因为这个方法依赖于来自于薄膜214的上表面辐射的各向异性反射，光束分量405-1几乎全部排除了薄膜214的表面反射的s极化分量，而光束分量405-2来自于薄膜214下表面的相互作用。因此，光束分量405-2实质上包括了来自于入射光束的所有p极化分量，除了一些s极化分量以外。薄膜厚度信息可以如上面关于图2所讨论的那样从外差测量信号I_het和参考信号I_ref得到。

当极化器410和λ/2波板411结合体(以下称之为极化器/λ/2结合体410/411或部件410/411)引入到光束402的路径中时，由ω和ω+Δω频率组成的合成光束p极化外差光束433产生了。

SR光束433被BS(光束分离器)412分离成反射SR光束434，通过极化器414(45度角)，在此检测器416检测到SR光束的参考信号I_ref。光束433通过BS 412发送的部分以反射光分量418和420传播，并且射入薄膜214和衬底212产生反射光束435，435通过极化器422(45度角)，在此检测器426检测到SR光束的外差测量信号I_het。

当SR光束入射到绝缘薄膜上时，从绝缘薄膜表面没有或可以忽略反射(～10^-3)。来自于薄膜衬底接口的反射不会携带任何属于薄膜的相位信息。因此，SR光束产生的差拍信号可以用来得到一个参考相位值，它等同于使用参考样本得到的相位值。因此，因为入射SR光束433是p极化的，实质上没有来自于薄膜214的表面的反射，但是替换为相互作用和被薄膜214和衬底212之间的接口反射。反射的p极化SR光束的ω和ω+Δω频率分量都作为一个SR光束，光束435被反射。相应地，检测器426从SR光束435检测到的测量信号I_het提供了一个不被薄膜厚度变化所影响的参考相位值。

图4A描述了一个产生SR光束和HR光束的合成操作状态图，但是作为一个实用因素，SR和HR光束是顺序传播的，δ_Ref/Sub和δ_Ref/film也是顺序产生的。图4B显示了自参考外差反射计在HR光束产生模式中检测测量相位δ_Ref/film的操作状态图。根据本发明的示意性实施例，极化器/λ/2结合体410/411不是固定的，是一个滑动光部件进一步包括光圈413。滑动极化器/λ/2/光圈结合体410/411/413提供了一个在HR光束和SR光束之间快速转换的装置。在HR光束模式下，滑动极化器/λ/2/光圈结合体410/411/413被这样放置使光圈413排列在光束402的路径上，从而允许光源400产生的HR光束通过。相反地，在SR光束模式下，滑动极化器/λ/2/光圈结合体410/411/413被这样放置使极化器/λ/2结合体410/411排列在光束402的路径上，从而把HR光束402转换成SR光束433。必要的移动力量由滑动控制器461控制的滑动致动器470提供。

继续，在HR光束产生模式下，滑动控制器461指示滑动致动器470移动到光圈413排列在光束402的路径上的HR光束模式位置。入射HR光束403如上面所述的传播给检测器416和426产生参考信号I_ref和测量外差信号I_het。信号I_ref和I_het被传送给滑动控制器461，滑动控制器461接着根据传播模式把信号的路径切换到δ_Ref/Sub检测器462和δ_Ref/film检测器463；在HR模式下信号I_ref和I_het被传送给检测器463，在SR模式下信号I_ref和I_het被传送给δ_Ref/Sub检测器462。δ_Ref/film是操作在HR模式下信号I_ref和I_het之间的相位差值。使用下面的公式(5)，δ_Ref/film检测器463从信号I_ref和I_het检测出δ_Ref/film。

其中，δ_Ref/film是由于薄膜产生的相位偏移，

是从BS 412关于参考检测器的相位偏移，

是与检测器噪声相关的相位偏移，

是从BS 412与外差测量检测器相关的相位偏移，

是与检测器噪声相关的相位偏移，

是与衬底相关的相位偏移，和

是与薄膜相关的相位偏移。

图4C显示了自参考外差反射计在SR光束产生模式下的操作状态图。这里，滑动控制器461指示滑动致动器470移动到极化器/λ/2结合体410/411排列在光束402的路径上的SR光束模式位置，从而把HR光束402转换成分光频率为ω和ω+Δω的p极化SR光束(SR光束433)。入射SR光束433如上面所述的传播给检测器416和426产生参考信号I_ref和测量外差信号I_het。信号I_ref和I_het被传送给滑动控制器461，滑动控制器461把信号的路径切换到δ_Ref/Sub检测器462。参考相位δ_Ref/Sub是操作在SR模式下信号I_ref和I_het之间的相位差值。使用下面的公式(6)，δ_Ref/Sub检测器462从信号I_ref和I_het检测出δ_Ref/Sub。

其中，δ_Ref/Sub是由于衬底产生的参考相位偏移，

是从BS 412关于参考检测器的相位偏移，

是与检测器噪声相关的相位偏移，

是从BS 412与外差测量检测器相关的相位偏移，

是与检测器噪声相关的相位偏移，和

是与衬底相关的相位偏移。

注意到不象公式(5)，公式(6)为了得到δ_Ref/Sub不包括任何依赖于薄膜相位偏移的项，因此，δ_Ref/Sub的值不会被薄膜相位的改变(即薄膜厚度的改变)所影响。

通过HR和SR模式之间的快速连续转换，可以假设检测器中温度感应噪声就测量来说是相同的，并且对于参考相位δ_Ref/Sub和测量δ_Ref/film是有效等同的，即

可以使用下面的公式(7)计算薄膜的相位偏移。这样，两个检测器中的温度感应检测器噪声被有效的消除了，产生与温度无关的Δφ_film。

2Δφ_film＝δ_Ref/Sub-δ_Ref/film        (7)

其中，Δφ_film是由于薄膜层而产生的相位偏移。

使用公式(7)，在每个δ_Ref/Sub和δ_Ref/film测量之后，由于薄膜层而产生的相位偏移Δφ_film由Δφ_film计算器466计算出来。假设连续测量之间的噪声级别相同(或足够小)，然后薄膜214的厚度d_f可以由d_f计算器468使用上面的公式(4)和特定薄膜的折射率n_f，光源400的波长λ，入射角α直接确定。

可以通过比较连续δ_Ref/Sub测量的变化来监控检测器噪声级别。回想δ_Ref/Sub是根据不被薄膜厚度改变所影响的自参考光束计算得到的，因此δ_Ref/Sub也不会被薄膜厚度的改变所影响。从上面的公式(6)，很显然δ_Ref/Sub的值在连续的δ_Ref/Sub测量之间不会改变，除非检测器噪声级别改变了。因此，检测器噪声的严重程度可以通过把连续δ_Ref/Sub测量之间的变化与噪声门限值比较而确定。

因此，根据本发明的另一个方面，监控检测器的噪声并且当噪声级别不可接受时，就根据几个测量周期对Δφ_film进行平均。回到图4A-4C，门限值噪声检测器465监控来自于δ_Ref/Sub检测器462的连续的δ_Ref/Sub测量，并且把噪声级别的变化与一个门限值进行比较。如果级别低于门限级别，门限值噪声检测器465不采取任何行动，但如果噪声级别高于可接受的噪声门限值，δ_Ref/Sub检测器462指示Δφ_film平均器467对几个或更多周期的来自于Δφ_film计算器466的Δφ_film数据进行平均，并且向d_f计算器468输出平均Δφ_film(AVG)。

图5是依照本发明示例性实施方式的使用自参考外差反射计测量与温度无关的薄膜厚度的方法的流程图。流程的开始是传播以频率ω进行s极化和以频率ω+Δω进行p极化的HR光束以入射角α入射到目标样本(步骤502)。参考检测器和外差测量检测器检测到反射HR光束(步骤504)，并且根据各自检测器的I_ref和I_het信号得到δ_Ref/film(步骤506)。自参考模式的处理是类似的。以频率ω进行p极化和以频率ω+Δω进行p极化的SR光束以入射角α入射到目标样本(步骤508)。参考检测器和外差测量检测器检测到反射SR光束(步骤510)，并且根据各自检测器的I_ref和I_het信号得到δ_Ref/Sub(步骤512)。下一步，根据δ_Ref/Sub和δ_Ref/film的差值计算薄膜的与温度无关的相位偏移Δφ_film(步骤514)。最后，根据Vφ，n_f，α和λ使用，例如公式(4)计算出薄膜厚度d_f(步骤516)。特定薄膜的折射率n_f应该在之前已经知道。可选择地，可以用一个薄膜折射率为n_f的光栅干涉计来增强自参考外差反射计的测量检测器，如美国专利申请No.11/066,933和No.11/178,856中所公开的，和动态测量自参考外差反射计的测量检测器。

图6A和6B概略地说明有薄膜和衬底的HR光束和/或SR光束之间的干涉。图6A显示了HR光束干涉，图6B显示了SR光束干涉。图6A本质上是上面讨论的图3A和3B的合成，显示了包括两个彼此正交的线性极化s极化和p极化光束分量，具有分离的光学频率ω和的入射HR光束403。s极化分量与薄膜214的表面互相影响，部分被反射为射线405-1。射线405-1几乎全部是s极化的。为了优化射线405-1的反射s极化分量，入射角α以布鲁斯特角入射到薄膜214。另一方面，p极化分量不与薄膜214的表面互相影响，从薄膜214和衬底212之间以角度ρ折射成为射线405-2。然而，因为一些s极化分量也被折射，射线405-2包括s极化和p极化分量。清楚地，随着薄膜214的厚度改变，HR光束(光束403和射线405-1)穿越的距离会改变，从而检测器的相位也会产生相应的改变。

图6B显示了包括两个线性极化s极化和p极化光束分量，具有分离的光学频率ω和的入射SR光束433。由于入射角α以布鲁斯特角入射到薄膜214，因此在薄膜214的表面只有最少的p极化SR光束反射。替代地，入射SR光束433折射进入薄膜214并且在薄膜214和衬底212之间的接口上以角度ρ折射成为射线435。不象HR光束，因为光束不与薄膜表面互相干涉，所以SR光束不被薄膜214的厚度改变所影响。SR光束产生的差拍信号可以用来得到一个参考相位值，它等同于用参考样本得到的值。这就减少了周期性地访问参考晶片地需要。参考相位不被薄膜厚度改变所影响，但象测量薄膜相位一样随着温度偏移一定量，参考相位的有效性要考虑测量薄膜相位的实时相位偏移校正。

除了补偿与相位偏移相关的温度和减少校准晶片的必要性之外，参考相位的有效性还提供了估计检测器噪声的机制。如上所述，来自于检测器的温度感应相位偏移(或噪声)可以假设在随后的测量中都是相同的，因此可以忽略。然而，有可能检测器中欺骗噪声的级别达到一个级别使假设不能成立。在这种情况下，仅仅忽略噪声可能带来很差的结果。根据本发明另一个示意性实施例，可以实时监控检测器噪声的级别，由此为实现更精确的噪声消除测量提供了基础。

图7是依照本发明示例性实施方式的显示识别检测器噪声的方法的流程图，该检测器噪声可以抵抗噪声消除。流程的开始是从连续的SR光束测量中检测δ_Ref/Sub的连续值，即δ_Ref/Sub1和δ_Ref/Sub2(步骤702)。回想起参考相位δ_Ref/Sub不会被薄膜厚度的改变所影响，但是被检测器噪声和温度偏移所影响。假设在快速连续测量中连续测量之间的相位偏移和其他影响相位的噪声可以忽略。然而，有些噪声仍然存在。如果δ_Ref/Sub1-δ_Ref/Sub2＝0，检测器噪声和/或相位偏移是可以忽略的。然而，当连续测量之间的相位差值大于0时，即δ_Ref/Sub1-δ_Ref/Sub2＞0，有些噪声是存在的，根据其数量，应当被抑制。对一个特定应用可以采用一个噪声门限值，下面的结果是可接受的，并且不需要另外的噪声抑制。因此，门限噪声检测器465把连续参考相位测量之间的相位差值与一个噪声门限比较，即|δ_Ref/Sub1-δ_Ref/Sub2|＞THRESHOLD(步骤704)。如果噪声增加量小于门限值，通过从测量相位δ_Ref/film和参考δ_Ref/Sub得到的薄膜产生的相位偏移Δφ_film(步骤706)，然后从Δφ_film，n_f，α和λ得到薄膜厚度d_f，来进行d_f的计算(步骤710)。如果在步骤704，|δ_Ref/Sub1-δ_Ref/Sub2|的值大于噪声门限，就要执行另外的噪声抑制过程。一个示意性的过程是通过对几个连续测量周期的结果进行平均来平滑噪声轮廓(步骤708)。Δφ_film，δ_Ref/film和δ_Ref/Sub或d_f中的任意一个都可以平均，但是平均Δφ_film，δ_Ref/film和δ_Ref/Sub可以在过程的更早阶段完成。任何情况下，从Δφ_film，n_f，α和λ得到薄膜厚度d_f，虽然是平均厚度。

本发明，如图4A-4C所示，为了检测δ_Ref/film相位测量和δ_Ref/Sub参考相位在HR光束路径上通过滑动极化器/λ/2-光圈组件在HR模式和SR模式之间快速转换。图8A和8B是依照本发明示例性实施方式的没有配置移动光组件的自参考外差反射计的示意图。图8A显示自参考外差反射计在HR模式下检测δ_Ref/film相位测量和图8B显示反射计在SR模式下检测δ_Ref/Sub参考相位。很多结构类似于上面在图4A-4C中所讨论的，因此只详细说明其区别特征。

根据示意性实施例，HR光束802有选择性地在HR路径和SR路径中传播。滑阀809选择性地打开一条路径，同时关闭另一条路径。滑动控制器461为转换滑阀809提供操作控制信号。在HR模式下，HR路径是打开的同时滑阀809封锁SR路径。HR光束803从BS 812反射成为光束804射向检测器816，产生参考信号I_ref。入射HR光束803是HR光束802通过BS 812传送的部分，与薄膜214相互影响，成为射线805-1和805-2射向检测器826。滑动控制器461如上所述接收信号I_ref和I_het，传送给δ_Ref/film检测器463用来检测δ_Ref/film测量相位。

在SR模式下，滑阀809封锁HR路径并且打开SR路径。来自于光源800的HR光束802在BS 801转变方向并且在光组件828处反射到固定极化器/λ/2结合体810/811，在此形成SR光束833。回想HR光束是分离度频率线性极化其中一个以频率ω进行极化的极化分量与一个以频率ω+Δω进行极化的极化分量正交。SR光束是分离频率p极化光束。入射SR光束833在BS 807汇聚到入射HR光束的路径上。SR光束833在BS 812反射成为光束834射向检测器816，产生参考信号I_ref。SR光束803通过BS 812传送的部分，与薄膜214相互影响，成为射线835射向检测器826。滑动控制器461如上所述接收信号I_ref和I_het，传送给δ_Ref/Sub检测器462用来检测δ_Ref/Sub测量相位。

在这个示意性实施例中，大量的光线丢失了，因此应选择光源800来调节光线损耗。作为一个可选项，具有反射组件828和829的光束分离器801和807的组合建议考虑Mach Zehnder干涉仪，但是因为自参考光束833和HR光束803不同时使用，所以在他们之间没有光干涉，因此没有有限条纹问题。还有，光束到达BS 812之前经过的不同路径不影响相位测量，因为每个光束I_ref和I_het信号之间的相位差值是在BS 812之后得到的。

δ_Ref/Sub参考相位提供一个参考，其中可以不使用参考晶片得到精确的温度无关薄膜相位偏移Δφ_film。可以假设对于一个晶片

因此射在薄膜上的HR和SR光束不必是共同扩展的。因此，图8A和8B中所示的自参考外差反射计通过分离SR光束和HR光束路径可以显著地减少损耗。

图9A和9B是依照本发明示例性实施方式的有分离的SR光束和HR光束路径的自参考外差反射计的示意图。图9A和9B中所示的自参考外差反射计与图8A和8B中所示的相同，除了入射和反射SR光束的路径。与其使用一对光束分离器来分离和校准分开的光束路径，不如SR光束933通过超出BS 901的路径的反射光学器件917，以基本上与HR光束903的路径平行的路径传播。HR光束902在BS 901偏移进入SR路径到达固定极化器/λ/2结合体910/911，在此形成SR光束933，然后到达反射光学器件917。

图10A和10B是依照本发明示例性实施方式的有相反旋转的SR光束和HR光束路径的自参考外差反射计的示意图。两个同步阀门对于切换模式是必要的，一个对应于一个检测器。应当明确的是，因为HR和SR光束在相反方向传播，检测器1016检测HR光束1004的信号I_ref和SR光束1035的信号I_het。相反地，检测器1026检测SR光束1034的信号I_ref和HR光束1005的信号I_het。在HR模式中，HR光束1102光束在BS 1018反射，而入射HR光束1003在BS 1041反射，穿过开放阀门1051到达检测器1016。在BS 1041，光束1003的发送部分以反时针方向(关于图10A和10B)在光反射器1020反射进入薄膜214，并且反射HR光束1005继续在光反射器1021上反射，通过BS 1023和开放阀门1052到达检测器1026。在SR模式中，HR光束1002通过BS 1018发送到达极化器/λ/21010/1011并且转换成p极化的分离频率SR光束1033。在BS 1023，SR光束1033的发送部分在边角立方体1050转换方向，射向BS 1023并且通过开放阀门1052到达检测器1026。在BS 1023，SR光束1033的反射部分以反方向传播到达HR光束1003，在光反射器1021处反射到达薄膜214，并且反射SR光束1035继续在光反射器1020处反射，反射后通过BS 1042和通过开放阀门1051到达检测器1016。

图11A和11B是依照本发明示例性实施方式的为了HR和SR操作模式之间电切换而使用液晶可变减速器(LCVR)的自参考外差反射计的示意图。图11A和11B中所示的自参考外差反射计的构造类似于图8A和8B中所示的，除了HR光束模式路径中的极化BS 1119和SR光束路径中的LCVR 1111，但是它们的操作区别非常大。LCVR1111是一个设备，它使光束以一个角度旋转进行极化，角度取决于提供给它的电压大小。当减速器设置为不旋转极化时，这个设备作为如上所述的外差干涉计。当减速器设置为极化旋转90°时，两个频率的光束都是p极化的，并且得到SR功能。在这个实施例中，减少了光损耗。另一方面，PBS 1119和BS 1107之间的路径充当了一个Mach Zehnder干涉仪。

在HR模式中，HR光束1102在极化光束分离器PBS 1119被分离为p极化和s极化分量，p极化分量(频率为ω+Δω)作为光束1103传播，s极化分量(频率为ω)作为光束1133传播。光束1103在BS1112反射为光束1104射向检测器1116。入射HR光束1103，是HR光束1102通过BS 1112传播的部分，与薄膜214相互干涉，并且作为射线1105到达检测器1126。HR光束1102的s极化分量穿过LCVR1111，它在HR模式下是关闭的，成为光束1133。光束1133在BS 1107和BS 1112反射成为光束1134到达检测器1116。HR光束1134和1104产生参考信号I_ref。光束1133通过BS 1112传播的部分与薄膜214相互干涉，并且作为射线1135-1和1135-2到达检测器1126。综合起来，光束1103和1133是HR。反射HR光束分量1105，1135-1，1135-2产生外差测量信号I_het。

在SR模式中，HR光束1102在极化光束分离器PBS 1119被分离为p极化和s极化分量，其p极化分量(频率为ω+Δω)如上所述作为光束1103传播。HR光束1102的s极化分量由LCVR 1111转换为p极化光束1133，LCVR 1111在SR模式下是打开的。光束1133在BS 1107和BS 1112反射成为光束1134到达检测器1116。光束1134和1104产生SR模式的参考信号I_ref。光束1133通过BS 1112传播的部分与薄膜214相互干涉，并且作为射线1135到达检测器1126。反射SR光束分量1105和1135产生外差测量信号I_het。

图12A和12B是依照本发明示例性实施方式的自参考外差反射计的示意图，其中SR光束为了确定检测器相位偏移的唯一问题而分流样本。为了从系统中消除相位偏移的影响，分离频率光线由检测器1226以交互模式来测量。在HR模式，HR光束1202由光束分离器1218反射为HR光束1203。光束1203在BS 1212反射为光束1204到达检测器1216，产生HR模式的参考信号I_ref。入射HR光束1203与薄膜214相互干涉，通过阀门1217到达检测器1226成为射线1205(实际上是1205-1和1205-2)，产生HR模式的外差测量信号I_het。光束1202通过BS 1218发射的部分被阀门1209阻挡。在晶片测量模式(SR模式)阀门1209和1217交换他们的状态使阀门1217阻挡反射HR光束分量1205，而阀门1209处于打开状态。在检测器1226处测量通过BS 1218传送的光束1205，而反射光束1204在检测器1216处测量。这个测量能够在晶片测量之前或之后确定每个检测器之间的相位偏移。

本发明贯注于为了检测δ_Ref/film相位测量和δ_Ref/Sub参考相位在HR模式和SR模式之间快速转换的自参考外差反射计。图4A-4C中所示的示意性实施例在HR光束的路径上使用滑动极化器/λ/2/光圈元件来产生SR光束。根据本发明另一个示意性实施例，公开了一个通过在与SR光束路径分离的路径上传播HR光束而在HR模式和SR模式之间转换的自参考外差反射计，因此允许分开控制HR和SR光束。根据图8A和8B中所示的本发明的示意性实施例，为了在HR模式下测量δ_Ref/film相位和SR模式下测量δ_Ref/Sub之间转换(当然控制器461根据哪个光束是入射到目标的光束，也把I_ref和I_het信号传送到或者δ_Ref/film相位检测器463或者δ_Ref/Sub相位检测器462)，使用了由滑动控制器控制的滑阀来转换光束。然而作为一个实际问题，滑阀有点慢导致Δφ_film数据的计算周期相对有点长。如上面别处所述，Δφ_film测量中的误差是温度对检测器的作用引起的检测器误差。因此，检测器温度误差在较长测量周期中比较大，由此可以通过缩短测量周期减少检测器误差。

因此，根据本发明另一个示意性实施例，为了测量周期中在HR光束和SR光束之间快速转换使用了一个高频光开关。这样的光开关是一个旋转断路器。旋转光断路器在现有技术中是熟知的，是一个金属圆片其上蚀刻有狭槽，被放置在驱动轴上旋转。圆片被放置在光束路径上使光束被圆片上的闭合部分周期性地中断。因此，测量光束能够快速地从HR模式切换到SR模式，反之亦然，由此大大缩短了检测器温度偏移的时间间隔，并且因此排除了相位测量中不期望的温度感应误差。应当理解到虽然下面描述的本发明实施例是关于旋转光断路器，断路器仅仅是外差反射计在HR模式和SR模式之间切换的一个示意性设备，其切换速度比检测器中温度变化的速度更快。如此一来，检测器温度造成的相位测量中的任何误差在连续的HR和SR测量中是相当的，可以有效地在相位计算中忽略。本领域普通技术人员容易理解为了上述目的其它等同于机械式断路器的光切换设备可以存在和/或以后将存在。

在这点上，图13A和13B显示了使用机械或电磁设备在HR和SR光束之间以比检测器中温度偏移更快的速度切换，或反之亦然的自参考外差反射计。图示了类似于上面图8A和8B中讨论的示意性自参考外差反射计的操作模式。图13A显示了在HR模式中检测δ_Ref/film相位测量的自参考外差反射计，而图13B显示了在SR模式中检测δ_Ref/Sub参考相位的反射计。大部分结构类似于上面讨论的图4A-4C，还有图8A和8B，因此只详细说明其区别。

根据示意性实施例，HR光束1302选择性地在HR路径和SR路径中传播。高频光开关1309选择性地打开一条路径，同时关闭另一条。光开关1309在图中显示为一对旋转光断路器，一个处于HR光束1303的路径上，另一个处于SR光束1333的路径上。光开关1309是异相的，这样随着路径关闭，完成测量周期的第一部分，对应的路径打开完成整个测量周期。可选地，可以在两条光束路径上设置一个打开狭槽对于光束是异相的光开关，例如旋转断路器。如上面关于图8A和8B所讨论的，断路器控制器1361提供设置(旋转)光断路器1309的操作控制信号，并且如果自参考外差反射计具有一对断路器而不是一个断路器就使他们同步到测量周期。在HR模式下，如图13A所示，HR路径打开而断路器1309阻挡SR路径。HR光束1303在BS 1312反射为光束1304到达检测器1316，产生参考信号I_ref。入射HR光束1303，即光束1303通过BS 1312传播的部分，与薄膜214相互干涉，并且作为射线1305-1和1305-2到达检测器1326。断路器控制器1361如上所述接收信号I_ref和I_het，信号I_ref和I_het传送到δ_Ref/film检测器463用来检测δ_Ref/film测量相位。

在SR模式下，如图13B所示，断路器1309阻挡HR路径并且如此一来一个狭槽与SR路径对齐，由此打开SR路径。光源1300的HR光束1302在BS 1301偏斜，在光学元件1328反射到固定极化器/λ/2组合1310/1311，在此形成SR光束1333。回想HR光束是分离频率线性极化的，一个极化分量以频率ω进行极化与另一个以频率ω+Δω进行极化的极化分量相互正交。SR光束是分离频率p极化光束。入射SR光束1333在BS 1307集中到入射HR光束1303的路径上。SR光束1333在BS 1312反射为光束1334到达检测器1316，产生参考信号I_ref。SR光束1333通过BS 1312传播的部分，与薄膜214相互干涉，并且作为射线1335到达检测器1326。断路器控制器1361如上所述接收信号I_ref和I_het，信号I_ref和I_het传送到δ_Ref/Sub检测器462用来检测δ_Ref/Sub测量相位。

在这个示意性实施例中，大量光线损耗了，因此应当选择光源1300来调节光线损耗。作为一个可选项，具有反射组件1328和1329的光束分离器1301和1307的组合建议考虑Mach Zehnder干涉仪，但是因为自参考光束1333和HR光束1303不同时使用，所以在他们之间没有光干涉，因此没有有限条纹问题。还有，光束到达BS 1312之前经过的不同路径不影响相位测量，因为每个光束的I_ref和I_het信号之间的相位差值是在BS 1312之后得到的。

δ_Ref/Sub参考相位提供一个参考，其中可以不使用参考晶片得到精确的温度无关薄膜相位偏移Δφ_film。可以假设对于一个晶片

因此射在薄膜上的HR和SR光束不必是共同扩展的。因此，图13A和13B中所示的自参考外差反射计通过分离SR光束和HR光束路径可以显著地减少光线损耗。

虽然没有显示在图中，但是图9A和9B中所示的自参考外差反射计也可以使用高频光开关，例如旋转断路器，来产生平行路径HR和SR光束。

图14A和14B是依照本发明示例性实施方式的有相反旋转的SR光束和HR光束路径的自参考外差反射计的示意图，其中使用了高频光开关来最小化相位测量中检测器温度改变造成的误差。图14A和14B中所示的自参考外差反射计等同于图10A和10B中所示的，除了光开关。为了快速切换模式，两个同步断路器是必须的，一个在一个检测器，如图所示两个断路器都有两个光束通道，一个用来调整HR路径另一个用来调整SR路径(如此一来光束能够以相同方位角度在不同光通道入射到各自的断路器)。如同上面图10A和10B中所讨论的，HR和SR光束以相反方向传播，因此检测器1416检测HR光束1404的信号I_ref和SR光束1435的I_het。检测器1426检测SR光束1434的信号I_ref和HR光束1405的I_het。在HR模式，断路器1451和1452旋转到分别对HR光束1404和HR光束1405打开，因此允许光束分别传播入射到检测器1416和检测器1426。断路器1451和1452同时旋转到对SR光束1435和SR光束1434关闭。在接近HR模式时，测量周期的HR部分，断路器1451和1452旋转到对HR光束1404和HR光束1405关闭，并且对SR光束1435和SR光束1434打开。SR光束1435和SR光束1434传播入射到检测器1416和检测器1426，检测器产生I_het和I_ref信号，但是与HR模式下信号与检测器的对应相反。

图15A和15B是依照本发明示例性实施方式使用了断路器的自参考外差反射计的示意图，其中SR光束为了确定检测器相位偏移的唯一问题而分流样本。虽然使用高频光开关减少了温度相关的检测器偏移造成的误差，一些相位偏移仍然是不可避免的，其影响如上面关于图12A和12B中所讨论的是可测量的。

虽然上面讨论的自参考外差反射计实施例是高精确和稳定的，仍然有两个缺陷。首先，为了尽量减少SR光束和HR光束之间测量的不一致，前述每一个实施例都使用单个光源来产生SR和HR光束。因此，对于每个操作模式光束的强度减半了(除非使用一个阀门但是有马上讨论的上述其他缺陷)。进一步地，第二，使用平行SR和HR光束路径提高了启动和调整的复杂性。这些和其他缺陷可以通过使用与调幅结合的第二光源来克服，产生调幅(AM)参考光束。在两个调制幅度α和α+Δα之间调制独立产生的光束的幅度产生参考外差信号，该信号允许精确的相位测量而不在意到独立的检测器的路径距离，类似于上面讨论的使用频率ω和ω+Δω的HR光束分量。

图16A和16B是依照本发明示例性实施方式的使用幅度调制光束作为参考结合HR光束的自参考外差反射计的示意图。这里描述的自参考外差反射计依照本发明示例性实施方式使用断路器1609在HR和幅度调制(AM)操作模式之间切换。图16A和16B中所示的自参考外差反射的HR路径的设置类似于图13A和13B中所示的，然而SR光束路径由调幅(AM)光束替代。依照示例性实施方式，光源1600产生有两个线性极化分量的HR光束1602，其运作于分离光角频率，相互正交来照明目标；一个以频率ω进行s极化的光束分量和一个以频率ω+Δω进行p极化的光束分量。HR光束1602只在一个HR路径中传播。进一步根据示意性实施例，光源1611产生一个幅度被调幅器1613调制的光束，产生在两个调制幅度α和α+Δα具有单个频率ω’的AM光束1601。频率ω’可以与HR光束的频率ω不同，然而，调幅器1613以接进于HR光束的频率ω进行幅度振荡。进一步地，虽然AM光束显示为p极化光束，它只需要有p分量。

断路器1609选择性地打开一个路径，同时关闭另一个。断路器控制器(未显示)为断路器1609和检测器信号路径(参见图4和8的讨论)提供操作控制信号。在HR模式(如图16A所示)，HR路径打开同时断路器1609阻挡AM光束路径。HR光束1602通过BS1612成为光束1604到达检测器1616，产生参考信号I_ref。HR光束1603，即HR光束1602通过BS 1612反射的部分，与薄膜214相互干涉，并且作为射线1605-1和1605-2到达检测器1626产生参考信号I_ref。从信号I_ref和HR光束的I_het以上面所述的方式同样得到δ_Ref/film相位测量。

在AM模式(如图16B所示)，断路器1609阻挡HR路径同时打开AM路径。在调幅器1602调制来自于光源1601的光束的幅度，并且一部分在BS 1612处偏斜成为光束1634到达检测器1616，产生参考信号I_ref。AM光束1603通过BS 1612传送的部分，与薄膜214相互干涉，并且作为射线1605到达检测器1626产生参考信号I_het。从信号I_ref和AM光束的I_het以上面所述关于SR光束的方式同样得到δ_Ref/Sub相位测量。相位Δφ_film和薄膜厚度d_f如上所述来自于δ_Ref/film相位和δ_Ref/Sub相位。

为了示意和描述目的给出了本发明的上述说明，但无意以所公开的形式穷尽或者限制本发明。在不脱离本发明范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。选择并描述这些实施方式是为了更好地解释本发明的原理和实践应用，以及使本领域技术人员理解本发明，根据预期的特定应用进行各种适当的修改构成各种实施方式。

Claims (19)

1.一种测量厚度参数的方法，包括：

测量一个外差相位偏移，包括：

接收一个分离频率、双极化光束；

从所述分离频率、双极化光束检测一个参考信号；

传播所述分离频率、双极化光束到一个目标；

从所述目标接收一个反射分离频率、双极化光束；

从所述反射的分离频率、双极化光束检测一个测量信号；和

测量所述参考信号和所述反射的分离频率、双极化光束的所述测量信号之间的一个相位差值；

从外差相位偏移测量快速连续地切换到自参考相位偏移测量；

测量一个自参考相位偏移，包括：

接收一个分离频率、p极化光束；

从所述分离频率、p极化光束检测一个参考信号；

传播所述分离频率、p极化光束到一个目标；

从所述目标接收一个反射分离频率、p极化光束；

从所述反射的分离频率、p极化光束检测一个第二测量信号；和

测量所述参考信号和所述分离频率、p极化光束的所述测量信号之间的一个自参考相位差值；

用所述自参考相位差值校正所述目标的相位差值；

基于校正后的所述相位差值获得所述厚度参数。

2.一种测量厚度参数的方法，包括：

在外差反射模式中操作，包括：

产生反射光束；

将该反射光束传播以目标材料的布鲁斯特角入射到目标材料；

测量该反射光束的反射光束参考相位；

测量该反射光束从该目标反射的反射光束外差相位；

根据该反射光束外差相位得到反射光束外差相位偏移、和该反射光束外差相位和该反射光束参考相位之间的相位偏移，其中该反射光束外差相位偏移是由该反射光束与该目标材料的相互作用引起的；

在自参考模式中操作，包括：

产生自参考光束，其中所述自参考光束和所述反射光束均是具有一定频率差且偏振方向正交的线偏光；

将该自参考光束传播以布鲁斯特角入射到该目标材料；

测量该自参考光束的自参考光束参考相位；

测量该自参考光束从该目标材料反射的自参考光束外差相位；

根据该自参考光束外差相位得到自参考光束外差相位偏移、和该自参考光束外差相位和该自参考光束参考相位之间的相位偏移，其中该自参考光束外差相位偏移是由该自参考光束与该目标材料的相互作用引起的；以及

根据该反射光束外差相位偏移和该自参考光束外差相位偏移得到厚度参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中产生反射光束进一步包括：

产生分离频率、双极化光束。

4.根据权利要求3所述的方法，其中产生自参考光束进一步包括：

产生分离频率、极化光束。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该分离频率、极化光束进一步包括：

位于第一频率的s极化光束分量；和

位于第二频率的p极化光束分量。

6.根据权利要求3所述的方法，其中该分离频率、双极化光束进一步包括：

位于第一频率的s极化光束分量；和

位于第二频率的p极化光束分量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中根据该反射光束外差相位偏移和该自参考光束外差相位偏移找到厚度参数进一步包括：

根据该反射光束外差相位偏移和该自参考光束外差相位偏移、该第一和第二频率中的一个和该目标材料的折射角度得到该目标材料的厚度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中产生自参考光束进一步包括：

将位于该第一频率的s极化光束的相位偏移到位于该第一频率的p极化光束。

9.根据权利要求8所述的方法，其中包括：

在外差反射模式和自参考模式之间重复；以及

在每次重复得到该目标材料的厚度。

10.一种自参考外差反射计，包括：

外差反射光源；

操作模式切换器用于接收外差反射光束和将该外差反射光束转换成自参考光束，其中所述自参考光束和所述反射光束均是具有一定频率差且偏振方向正交的线偏光；

参考检测器用于接收该外差反射光束和产生参考外差反射相位信号，和接收该自参考光束和产生参考自参考相位信号；

目标材料；

第一光元件用于以该目标材料的布鲁斯特角度传播该外差反射光束和该自参考光束入射到该目标材料；

测量检测器用于从该目标材料接收该外差反射光束和产生测量外差反射相位信号，和从该目标材料接收该自参考光束和产生测量自参考相位信号；

外差相位偏移检测器用于检测该参考外差反射相位信号和该测量外差反射相位信号之间的外差相位偏移；和

自参考相位偏移检测器用于检测该参考自参考相位信号和该测量自参考相位信号之间的参考相位偏移。

11.如权利要求10所述的自参考外差反射计，进一步包括：

相位偏移计算器用于接收测量相位偏移和该参考相位偏移并且计算由该目标材料产生的相位偏移。

12.如权利要求10所述的自参考外差反射计，其中该外差反射光源产生位于第一频率的s极化光束分量和位于第二频率的p极化光束分量。

13.如权利要求12所述的自参考外差反射计，其中该操作模式切换器将位于该第一频率的该s极化光束分量转换到位于第一频率的p极化分量。

14.如权利要求13所述的自参考外差反射计，其中该操作模式切换器进一步包括：

极化器；

半波板；和

机械滑动器用于将该极化器和该半波板在该外差反射光束的路径上滑动。

15.如权利要求14所述的自参考外差反射计，进一步包括：

滑动器控制器用于在外差反射模式和自参考模式之间重复，所述滑动器控制器可操作地连接到该操作模式切换器、该外差相位偏移检测器和该自参考相位偏移检测器，其中在自参考模式中，该控制器指示该操作模式切换器将该机械滑动器滑动到该外差反射光束的路径上，并指示该自参考相位偏移检测器检测所述参考相位偏移，以及其中在外差反射模式中，该控制器指示该操作模式切换器将该机械滑动器滑出该外差反射光束的路径，并指示该外差反射相位偏移检测器检测所述外差相位偏移。

16.如权利要求15所述的自参考外差反射计，进一步包括：

厚度计算器用于从该相位偏移计算器接收相位偏移并且计算该目标材料的厚度。

17.如权利要求16所述的自参考外差反射计，其中该外差反射光源进一步包括：

He-Ne激光器。

18.如权利要求10所述的自参考外差反射计，其中该操作模式切换器是光断路器。

19.一种测量厚度参数的方法，包括：

在外差反射操作模式和自参考操作模式之间重复，所述外差反射操作模式包括产生位于第一频率的s极化光束分量和位于第二频率的p极化光束分量，所述自参考操作模式包括产生位于第一频率的p极化光束分量和位于第二频率的p极化光束分量；

在参考检测器接收外差反射光束，并产生参考光束相位信号；

以目标材料的布鲁斯特角传播该外差反射光束入射到目标材料；

在测量检测器接收来自于该目标材料的该外差反射光束，并产生测量光束相位信号；

在每次重复中，从该测量光束相位信号和该参考光束相位信号得到反射光束外差相位偏移，并从该反射光束外差相位偏移得到该目标材料的厚度参数。

Images