CN110312909A - 用来判断在样本堆叠中的层厚度的方法及组件 - Google Patents
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Abstract
一种用来判断样本堆叠层的一层或多层的厚度、或判断其他影响光的强度的性质的方法，所述光被包含组件的样本堆叠反射，所述组件包含有用来照射样本堆叠层的光源、及具有检测器的相机，该检测器用以检测在限定的波长范围内，由样本堆叠层所反射的光的强度，所述方法包含以下步骤，以来自光源的光照射样本堆叠层；在不同的波长范围内，以检测器来检测反射自样本堆叠层的光的强度；由检测器所检测到的强度来判断厚度或其他性质；其特征在于，检测器为阵列检测器，其具有呈行列排列的数个检测元件；样本堆叠层的图像被产生在检测器上；检测器包含有呈平行条纹形式的数个区域，所述条纹同时检测由样本堆叠层所反射的光的强度；检测器的每一区域仅检测选定的波长范围中的光；在垂直于平行条纹的纵向的方向上，产生在检测器或平行条纹上的样本堆叠层的图像的运动，使得被检查的样本堆叠层的每个点在每个不同的波长范围内被检测到至少一次。
Description
技术领域
本发明关于一种用来判断样本堆叠中的一层或多层的厚度、或判断其他可影响样本堆叠所反射的反射光的强度的性质的方法，其组件包含用来照射所述样本堆叠层的光源，及具有检测器的相机，该检测器用以检测在限定的波长范围内，样本堆叠层所反射的反射光的强度，该方法包含以下步骤：
(a)利用来自光源的光，照射所述样本堆叠层；
(b)利用检测器来检测在不同波长范围中，所述样本堆叠层所反射的反射光的强度；以及
(c)利用检测器所检测到的强度来判断厚度或其他性质。
进一步而言，本发明关于一种检测组件，其被用来判断样本堆叠层的一层或多层的厚度、或判断其他影响样本堆叠所反射的反射光的强度的性质，该检测组件包含：
(a)光源，其用以照射样本堆叠层；以及
(b)具有检测器的相机，用以检测在不同波长范围中，所述样本堆叠层所反射的反射光的强度；以及
(c)运算部件，其用以利用检测器所检测到的强度来判断厚度或其他性质。
在该产业的不同分支产业中，用光学方法检查平面产品的性质，在半导体和太阳能电池产业中，包括晶圆及太阳能电池，晶圆为半导体、玻璃、片材或陶瓷材料的圆盘，所述被检查的性质可为组成特定层的材料混合物的材料成份。例如该混合物为Si1-xGex，其用来在半导体电晶体中产生应变，使用不同材料的层，例如用来制造电子半导体装置(“芯片”)，根据所使用的具体技术，该堆叠最多可包含至10层。
特别相关的领域为用于现代半导体装置的特殊晶圆(所谓的SOI晶圆)的制造，现代科技的晶圆在顶面具有双层结构，所述晶圆的顶面由氧化硅(silicon oxide)层与硅(silicon)层所构成。在关于(尤其是具有低功率和/或高性能的)新装置的现代方法中，所述两层的厚度在数纳米(nanometer)范围内，极小的层厚度对在晶圆上所生产的芯片的功能影响很大，因此，其准确度及横向均质性对芯片制造过程及后续的装置性能而言相当重要，故对于在制造过程中，特别注重在短时间内对每个晶圆以高横向解析度及高精度来测量其层厚度及其均质性。
类似的要求必须在其他领域加以满足，层堆叠的厚度及横向均质性对于最终产品参数而言可能为至关重要。
背景技术
用于非破坏性层的椭圆偏振测量是本领域已知的技术，以偏振光照射样品，最终检测到层之间界面的反射光或透射在层之间的光，层的性质则利用所检测到的光的偏振状态的变化加以判断，该测量值绝大多数取决于样品表面的焦点位置和倾斜度，该方法具有高度的精确性，且如果使用合适的层模型，该方法可适用于涉及多层的非常复杂的层堆叠。然而，这种方法耗时，每点需要数秒的时间，其空间解析度被限制在几十微米(μm)，因此，椭圆偏振测量在生产控制领域是受限的。
类似的考量适用于光谱反射法的方法，光谱反射法可利用使用光谱仪或所谓的高光谱成像相机来加以实施，光谱仪提供几百到几千波长点的光谱反射率数据，高光谱成像相机提供12至256波长点的反射率数据，这两种方法都可用于相当广范围的厚度值，并提供准确的结果，获得的结果在很大程度上取决于所使用的波长数据点的数量，但对于高速和高解析度率映射而言速度太慢。
专利公开WO2014072109、EP2426717、US2014293295及US2013063733揭露了用来判断双层堆叠的一层的厚度方法，其仅使用反射光强度的测量，所公开的方法特定测量较为有效，所述测量针对已知双层各自的额定厚度值且仅须确定与该额定厚度值的微小偏差量，在所述四个专利公开案的关键构想在于以一原则将测量限制在预选的小波长范围内，此原则对第二层的影响最小，在选定的小波长范围内，反射光强度与厚度变化的偏差几乎为零，该构想基于一个事实，即由于光波的干涉是根据层的厚度，故由基底顶部的双层堆叠所反射的光的强度将随着波长范围而强烈变化。
所述的方法将依据条件而有所不同，即如何在方法的标准化程序中取得良好的参数以及何种方法为最佳方法能避免第二层的影响，该方法可以用于检查的双层堆叠内的顶层或底层，并选择不同地合适的小波长范围。然而，所有上述的方法缺乏下述事实，即其假设第二层厚度变化影响在选定的波长范围内是可以被忽略的，但在现实中，该变化影响可能无法被忽略，且对于高解析度的方法而言，该第二层的影响可提高数个百分点而使测量结果无效。
专利申请EP15178999号申请案(未公开)为本案申请人所申请，其中揭露一种在双层系统中判断各层厚度的方法，如SOI晶圆，其被利用在两个适当的波长范围内测量层堆叠的反射率，所述在不同波长范围内的同步测量被利用使用分束器产生两个光路径来完成，不同的波长范围则接着由两个滤波器来选择，其中也揭露了使用光栅或棱镜来选择适当的波长范围，光的强度被分布在两个测量频道中，其中包含信噪比，该现有的组件需要许多光学构件。
菲涅耳公式(Fresnel formulas)描述了两种材料界面处波反射的一般物理特性，依据该公式，材料内部和沿着其界面的电磁波的行进速度和场振幅对材料参数的依赖性在本技术领域中是公知常识，对波传播的理论描述最关键的问题是对材料参数的准确了解，以折射率作为此种材料参数的例子，虽然菲涅耳公式准确地描述了在光滑、理想的材料界面上的传播，但正确地考虑表面粗糙度效应可能更为复杂，因此，在实际的解决方案中，需要校准程序来补充第一物理原理。
折射率被提供为以描述折射和吸收的复合值，举例而言，该方法被总结于第WO2014072109号专利公开案中，现有技术检测方法的基本构想，在对第二层影响最小的小波长范围内使用由样本堆叠反射的反射光。
在较小厚度范围内的两层的影响可以通过近似关系来描述。举一个现有技术的简单示例，使用名为例如A和B的两层的层堆叠，两层堆叠中各层具有额定厚度，在层A和B的额定层厚度的处的泰勒级数可以用来计算反射光的强度R：
【数学式1】
其中
tA：A层的厚度
tB：B层的厚度
tA0：A层的额定厚度
tB0：B层的额定厚度
R：在层A和B具有的厚度值tA和tB的点处所测量到的真实反射光的强度
R0：在各层具有的额定厚度的点处所测量到的反射光的强度，即tA＝tA0且tB＝tB0
及分别表示在层A和B具有其额定厚度值的点处取的一阶或二阶偏导数
ΔtA：ΔtA＝tA-tA0的差值表示；
ΔtB：ΔtB＝tB-tB0的差值表示。
由于光波的干涉，反射光强度R在波长上的变化取决于两层的厚度。在现有技术测量部件中需选择其中一层(例如层B)的影响是可忽略的波长范围，意味着必须找到该波长范围，其中趋近于零而非为零，更确切的说，必须远小于若高阶导数由于通常在泰勒级数中的影响较小而被忽略，则方程式(1)读为：
【数学式2】
假设tB具有其额定值tB＝tB0并且因此可忽略对R的影响，则可以容易地使用这种关系来判断层厚度tA，A层的厚度可以通过使用校准方法来确定R和tA之间的关系，对于校准层，以tB＝tB0和具有在tA0附近的几个厚度值的tA来制作堆叠，然后通过参考方法测量层堆叠样本，例如高精度椭圆偏光术(ellipsometry)。然后可以从测量点处的测量强度值创建校准曲线R＝f(tA)。前述方法被揭露于WO2014072109号专利公开案中。该方法的缺点在于，假设层B在所有点处均正好处于其额定值tB＝tB0处，层B的厚度的影响被完全忽略，这种忽略导致层A的确定厚度tA的系统性误差，这在现有技术的方法中无法加以解决。
在假设tA具有其额定值tA＝tA0的情况下，相同的考量也适用于判断层厚度tB。
发明内容
本发明的目的是提供一种上述类型的组件和方法，其允许以高精度、高速度与微米级和亚微米级横向解析度范围同时精确测量一个或多个层的厚度。本发明的另一目的是以时间和成本有效的方式来判断样本堆叠中的一个或多个层的厚度，进而避免了庞大的光谱评估方法，如通常使用的椭圆偏光术或光谱反射法。
根据本发明，该目的通过上述类型的方法来实现，其特征在于：
(a)该检测器为阵列式检测器，其具有成行列排列的数个检测单元；
(b)该检测器产生层的样本堆叠的图像；
(c)该检测器包含有平行条纹式的数个部份，所述条纹同时检测由所述多个层的样本堆叠的反射光的强度；
(d)检测器的各部份仅检测在选定的波长范围内的光；
(e)在垂直于平行条纹的纵向的方向上产生在检测器上或平行条纹上的层的样本堆叠的图像的运动，使得被检查的样本堆叠层的每个点在每个不同的波长范围内被检测到至少一次。
该目的还通过上述类型的检查组件来实现，其特征在于：
(a)该检测器为阵列式检测器，其具有成行列排列的数个检测单元；
(b)该检测器上具有光学部件用以产生层的样本堆叠的图像；
(c)该检测器包含有平行条纹式的数个部份，所述条纹同时检测由所述多个层的样本堆叠的反射光的强度；
(d)滤波部件，其仅将一个选择的波长范围的光仅透射到检测器的多个部分中的每个部分的仅一个、或者适于仅在多个部分中的每一个中测量一个选择的波长范围的光的检测器元件；
(e)移动部件，其用以移动图像，该图像是在垂直于平行条纹的纵向的方向上产生在检测器上或平行条纹上的层的样本堆叠的图像，使得检查的样本堆叠层的每个点在每个不同的波长范围内能够能被检测到至少一次。
检测器上的条纹可以是一系列的行或一系列的列，如此的行或列可以特别是相邻的行或列，达到的结果并不取决于条纹在此方面的定义，条纹从检测器的一侧延伸到检测器的相对侧，其中每个图像点由4个色彩敏感检测器元件组成，其与RGB(红-绿-蓝)-检测器的情况一样，均不适用于本发明。
光源较佳地具有在用于检查所有波长范围上延伸的连续的波长谱，发射光谱不需要具有均匀的强度分布，但必须将光由所有考虑的波长范围加以发射或转换，合适的连续光源具有例如从400nm到800nm范围内的近紫外光(UV)到可见光(VIS)的光谱，此波长范围适合于芯片生产中一般用于层的厚度，显然地，如果厚度变化超出了本领域目前使用的范围，则波长范围可能不同，然而，也可以使用一个以上的光源并组合其光以实现充分覆盖所考虑的波长范围，波长范围的宽度可由半宽度来表示，意即具有大于最大强度值的一半强度的波长范围，选择所述宽度使得光的强度足以提供良好的信噪比，但仍能小到足够提供良好的精确度，例如5至20nm的半宽度可适用于前述的波长范围。
使用具有诸如反射镜或透镜的组件的成像光学装置来生成检测器阵列上的层的样本堆叠的图像，光的路径可具有中间呈现平面但非必需，可以利用任何合适的成像比例来产生图像，以获得良好的信噪比和足够的高解析度与负担得起的检测器。
在检测步骤之间(即在拍摄图像之间)在垂直于条纹的纵向产生图像的相对移动，相对运动可利用许多不同的方式进行，可移动层的堆叠样本的载板；可移动检测器的相机；其他替代方案如仅利用在光路中可移动的反射镜来仅移动图像而不移动相机或层的样本堆叠；另一替代方案为提供如下所述的滤波器，其垂直于条纹移动。所有的替代方案也可加以结合运用，仅有的条件是至少有一部分运动垂直于条纹的纵向，该移动使得每个检测器元件检测到相同图像点的不同波长范围。
所述条纹可在一个阶段覆盖整个图像，条纹沿着物体的图像透射，反之亦然，进而在所有波长范围内测量所有图像点，整个检测器阵列的测量结果均被使用，只有当滤波器位于物体图像边缘的范围内，而不用完全使用检测器阵列时，才会有n-1个测量值，其中n是所使用的波长范围的数量。
类似于上述的双层堆叠，在小范围厚度变化中，对层在层堆叠中的影响可通过近似关系来加以描述。举一个简单的例子，使用一个n层的层堆叠，堆叠的n层中的每一层具有额定厚度ti0，其中i从1到n，可以使用所有层的额定层厚度点处的泰勒级数来计算反射光强度R：
【数学式3】
其中：
ti，j：i层相对于j层的厚度
ti0：i层的额定厚度
R：在层由其额定厚度值ti0偏离Δti的点处所测量到的实际反射光强度
R0：在所有层具有其额定厚度值ti0的点处所测量到的反射光强度
及分别表示在所有层B具有其额定厚度值的点处取的一阶或二阶偏导数
Δti：Δti＝ti-ti0的差值表示
由检测器元件检测到的反射光强度R随着波长变化，此变化是基于光波的干涉，其根据堆叠中的层的厚度而产生，为了判断n个独立参数，如n层的厚度值，需要使用一系列的n次独立测量，在不限制整体构想的情况下，可利用与膜厚度类似的方式来考虑膜组成变量，例如Si1-xGex中的组成指数，唯一的区别是数学式3中的偏导数是dThickness/dComposition而不是厚度值，在此定义下，前述tij也可以是材料组成而不是厚度值。
数学式3中的所有偏导数的知识，无论是从理论计算还是从使用具有已知厚度和组成的参考样本的校准测量，都允许基于n次独立测量的结果精准地判断所有n个未知参数ti，对于n次测量，数学式3表示对于n个导数Δti的n个独立的线性方程组，其可以通过常用的线性方程组算法来求解，此算法可以是例如高斯-约当(Gauβ-Jordan)方法。
对于非常有限的参数范围，在只需要判断一个或两个代表厚度或材料组成的未知参数的情况，仅须根据R对未知参数的理论已知依赖性，甚至可以在没有校准的情况下通过多个波长的测量来获得结果。
利用本发明，可以准确地判断层堆叠中的n层的厚度，在n个不同波长范围内的测量需要使用n个系列的校准曲线，每个波长范围需要一个系列。每个系列在已知的厚度和成分条件下提供关于反射光强度的信息，如果要判断两个或多个厚度，则属于一个特定反射率的堆叠的不同层的厚度组合是不明确的，本发明的重要特征是可以通过使用不同的波长范围来找到此种组合，术语“波长范围”是指可由单一波长值表示的范围，即由干涉滤波器等透射的范围，并不意味着其范围延伸将远超过数十纳米。
在n个波长范围内由层的堆叠所反射的反射光的强度同时或近乎同时被检测到，因此，可快速进行测量，且设置的变化不产生任何影响，再者，通过减去暗值并利用参考值来标准化所测量到的强度是有用的作法，其中该参考值取自例如在众所周知且稳定的参考材料目标处的反射。
在本发明的较佳实施例中，检测器的相同部分中的检测器元件仅对不同波长范围中的一个波长范围敏感。也即第一条纹对第一波长范围敏感，第二条纹则对不同的第二波长范围敏感等等。
在本发明的另一实施例中，光源与检测器之间的光路中的光由条纹几何顺序的多个不同带通滤波器进行滤波，每个带通滤波器仅透射其中的选定波长范围的光并定位在物平面、检测器平面、中间图像平面或与物体共轭的任何其它平面中。
本发明非常适合设置使用具有高动态范围、高解析度(高像素数)、和高速度的高性能科学相机，为了实现所设置的波长范围，检测器可结合由n个带通滤波器组成的滤波器，滤波器组件将检测器区域划分为n个不同敏感性的条纹，其提供了n个带通滤波器，以条形的形式形成对各个波长范围敏感的n个部分。在检测器的每次发光和信号获取之后，图像相对移动。例如，如果移动距离是在n个步骤之后在垂直于条纹的方向上的整个检测器长度的1/n，则针对相机整个视场的所有n个波长范围内的反射强度由检测器确定，并被存储在计算机中。根据该信息，可以使用如上所述的存储的参考信息和/或校准曲线来计算多达n层的厚度或组成参数。
为某些层组合选择特定滤波器可以提高每个波长范围内的信号对特定层或层组合的选择性，并提高信噪比，本发明提供了使用固定的滤波器组并将检测器的有用敏感范围划分为一系列的n个波长范围，通过此设置，可利用足够的精度测量各种层的堆叠，使用固定的滤波器组也降低了设置的复杂性，并增加了稳定性，此种固定设置也可以用于较少未知参数的系统，例如，只有2、3或4层的层堆叠，在此应用中，附加的测量值提供了系统在测量数量方面的过采样，且可以方便地通过在最佳拟合方法中使用它们来提高测量的可靠性。
在本领域中熟知在光路中使用波长滤波器，然而，此种光滤波器通常只有一个波长范围，为了避免污垢的成像以及滤波器上的刮痕，此种已知的滤波器被设于任何图像平面的外部，与此种已知的滤波器相反，本发明通过例如多个波长滤波器来使用多个波长范围，此种滤波器位于图像平面中，存在于所有图像中的滤波器的缺陷将通过图像处理方法加以去除。
如果滤波条纹被提供在中间图像平面中，则使用具有两组条纹的滤波器可能较为有用，即对于每个波长使用两个条纹，以此种方式，可轻易地测量边缘而不必改变移动方向。
本发明的一个较佳的改进方案提供了：利用检测器拍摄一系列图像，并且在拍摄每个图像之前，生成样本堆叠层的图像在检测器上的移动、或平行条纹的移动，移动的长度对应于检测器上的部分的宽度。然而，也可以在运动之间采集一个以上的样本堆叠的图像，为了尽可能快速地获得所有信息，较佳者为始终沿相同的方向移动图像或滤波器。
根据本发明的较佳变化，不同波长范围的数量与条纹的数量相同，进而达到条纹之间的最小转换，条纹均都可具有相同的宽度。
根据本发明的一个替代方案，层的样本堆叠具有比波长范围数量更少的层数，且至少一个层的厚度和/或其他性质由两次或更多次测量来加以判断，使用另一个波长范围的每个附加测量将提高准确性、或者在没有校准测量的情况下达到更好的判断，在此情形下，可以从多个测量结果中判断至少一个层的厚度和/或其他性质，而不需要测量的校准曲线，然而，也可以使用用于判断仅一个层的厚度和/或其他特性的多个测量值，来通过配对所判断的值以提高准确度。
本发明的变化方案可提供：使用层的材料性质的理论值来计算在没有测量的校准曲线的情况下所判断的厚度和/或其他性质。
本发明的另一个替代的变化方案为，对于每个检测的层使用测量的校准曲线来判断厚度和/或其他性质，进而可检查多达n层的堆叠。
本发明更多的变化方案是从属权利要求的主题，下面参照附图更详细地描述一实施例。
附图说明
图1a为在不同波长下同时测量反射率的设备的示意图，其在检测器平台上具有滤波器组。
图1b为在不同波长下同时测量反射率的设备的示意图，其在中间平台上具有移动地滤波器组。
图2图示了层的堆叠的光路径。
图3图示了在图1的组件中使用的6个宽带滤波器的光谱透射分布图的示例。
图4a为在图1的组件中使用的宽带滤波部件的示意图。
图4b为如图4a的示意图，其具有移动地层的堆叠。
图5呈现在多层堆叠处的反射的典型波长依赖性。
图6呈现在多层堆叠处的反射变化的典型波长依赖性。
图7呈现用椭圆偏光术获得的典型校准曲线。
图8呈现数个堆叠样本的一系列校准曲线。
图9图示了不同波长下两个不同层的可能厚度值之间的相关性。
图10图示了对于硅上不同厚度的SiO2层以及用于测量的不同波长范围的双层堆叠处的反射变化的典型波长依赖性。
具体实施方式
1.实施例：在6个不同的波长测量双层堆叠
图1a及1b揭露组件701，其用来在不同的波长范围测量样本700的反射率，样本700包含有一待检测的层堆叠702，图2中更详细的呈现出双层情况的态样，来自光源710(如LED、钨丝灯、电弧放电灯)的宽带光703通过光学部件720加以均化，所述光学部件使横向和倾斜的光分布均匀，其可利用如具有六边形或矩形横切面的玻璃棒或扩散器来实现，均匀化的光接着被50％的反射镜730通过物镜740偏转到样本700上，这利用标号704来绘制表示光路。
光在样本700的表面705处被部分地反射，反射光706的强度被调制，如以下参考图2所示，调制是由在每个材料界面处部分反射光的干涉效应所引起，反射回来的光706通过反射镜730，光通过定位在相机内部的检测器800前方的管状光学件780，由此在检测器800上产生样本700的图像，检测器800是具有2560×2160个检测器元件的高速阵列检测器，检测器元件呈行列排列。
滤波部件760或者被结合到相机的检测器组件中、或产生中间图像平面708且滤波部件被可移动地定位在中间图像平面708中，滤波部件760利用仅允许某些波长范围的光通过来达实现检测器的感测器芯片的预定位置进行滤光，图3中描绘了该实施例的光谱波长选择特性。
图4a和4b呈现了滤波部件760的前视图，图4b还示意性呈现了在两个不同的测量时间1和时间2处的被检查的晶圆，在时间1和时间2之间通过移动载台707来移动芯片，滤波部件760由光学宽带滤波器的6个平行条纹761、762、763、764、765和766组成，波长范围采用透射轮廓的波峰值，如图3所示，lambda 1、lambda1 2...lambda1 6，每个条纹沿检测器阵列的整个宽度延伸，即2560个检测器元件，条纹761、762、763、764、765和766的宽度是检测器阵列在相同方向上的宽度的六分之一，即360个检测器元件，当然，6个滤波部件的数量是可变的，并且可以使用任何数量的滤波条纹。
因此，整个主动检测器阵列被分成6个部分，以从探测器的一端延伸到另一端的平行条纹的形式，该部分用于6个不同的波长范围，如图3所示，检测器上的每个部分包括由滤波部件760选择的6个波长范围中的每个波长范围所照射的360×2560个检测器元件，因此，在这些波长区域中的每一处，特定波长区间的光强度被以感测器组件800的360×2560像素的解析度来加以判断。
图3揭露了所描述的实施例的波长特性，在滤波部件的6个区域中选择六个波长范围，该图显示了每个滤波部件的波长透射特性，下表(表1)显示了滤波部件设置的关键参数。
【表1】
FWHM为在最大值一半时的全宽，Lambda是最大强度的波长，T是强度的透射值。
使用多元件感测器组件作为检测器允许快速地测量层的层厚度的均匀性及空间分布，下面更详细描述的计算可以分别针对检测器组件的每个检测器元件执行，由此，一测量步骤提供了样本中的一区域或一线上的大量厚度值，够过将移动台707设置在组件701上，该组件701相对横向移动于检测器和样本700之间，可以扫描整个样本表面705并且建立整个表面705的厚度值的完整图像。
通过使用具有不同放大率的不同物镜740，就如同显微镜的普通做法一样，检测器800的横向解析度可适用于测量任务的需求，因此，可非常精确地测量层的厚度，并且以小至几百纳米的横向解析度来高速测量。
图2呈现了样本700处的反射的物理效应，样本700是所谓的双层堆叠702，双层堆叠702具有折射率为n1的顶层20和具有折射率为n2的埋底层30，顶层20和埋底层30堆叠在具有折射率n3的基底材料40上，尽管基底是堆叠的一部分，但其厚度对于本发明而言不构成问题，因此，基底并不构成此处所指的“层”。
堆叠702被放置在环境材料10的环境中，环境材料10在本实施例中为空气，但也可能是真空、油或水，环境材料10具有折射率n0，如上所述，光50入射到样本表面705上，光50穿过环境材料10，光在环境材料10和顶层20之间的界面90处被部分地反射，则光50被分成初始反射光60和通过由表面705形成的界面90所透射的光70，而其同时被折射。
光也被部分地反射，并分别在材料20和30以及30和40之间的各界面100和110处分离成反射光和透射光。
在具有不同折射率的材料10、20、30或40之间的界面90、100或110中的任何一个上入射和反射多次的光，将最终反射到环境空间10中。这由光束80表示，由于在界面处的反复反射和透射，在检测器800处测量到的光束80的强度将比入射光50的强度小，由于光束80由以附加方式行进通过层20和30的材料的光所组成，所以构成光束80的波相对于初始反射光60而言以不同的时间差产生时间延迟，如此则会造成干扰，因此，包括所有反射光60和80在内的所测量到的强度，均根据其时间延迟并由光波60和80的破坏性和相长干涉来加以调制，由于光80的时间延迟分别由层20和30的厚度乘以其的折射率n1和n2来加以判断，所以反射光80的强度的调制是层20和层30的层厚的函数，因此，分析强度调制可以用来判断层20和30的层厚度，其使用众所周知的材料的折射率。
描述这种效应的公式与电磁波迭加的基本原理共同被称为菲涅耳方程(Fresnelequations)，这些功能也可以通过实验确定，如椭圆偏光术(ellipsometry)。
如果强度由入射光50的波长的函数来加以判断，例如在已知环境材料10的环境内的已知材料的基底40上，具有已知材料的层20和30的双层堆叠，将得出反射强度函数，对于具有12nm硅层形式的顶层20和25nm氧化硅层形式的埋底层30的系统，在图5中呈现了典型的反射强度函数200，层20和层30堆叠在作为环境材料10的空气中的硅基底40的顶部上，图5表现了该实施例的效果，并且可以针对任何材料/厚度组合重复该效果，整个环境/层/基底系统200的有效反射系数在绝对值上显示，相对于以nm为单位的波长显示，可以看出，相较于例如在500nm以上的范围内的光而言，在400nm范围内的光以更高的强度被反射。
如果层20或30的层厚度改变，则所测得的反射光的强度改变，该变化可以数学方式表示为反射的偏导数除以层厚度的形式。
图6表示了与图2同样位于300nm和700nm之间的波长范围的比率，曲线300和310表示硅顶层20的厚度变化的影响，曲线310表示氧化物层30的厚度细微不同的影响，以相同的方式，曲线320和330表示埋氧化物层30的厚度变化的影响，与曲线320被用来表示额定硅厚度相比，曲线330表示硅层20的厚度细微不同下的情形。
虚线框340示意性地表示测量硅层20的厚度的第一波长范围。已知的方法中假设，由于如320和330所示的反射对氧化物厚度的导数值几乎为零，氧化物层30的厚度的影响远小于硅层的厚度的影响，且可能因此而被忽略，然而，由于明显的曲线300和310在波长范围340中是不相同的，所以忽略会产生系统误差。
因此，本实施例使用另外的波长间隔350、360、370、380、390用于进一步测量，其为近乎相互独立的，波长范围由图4所示的滤波器所界定，其透射分布如图3所示，将通过使用在不同波长间隔340、350、360、370、380和390处的反射的独立测量出的数据来获得厚度层值，由于在本实施例中只对两层进行6个波长的检测，因此存在一定量的过采样，此过采样被用来提高结果的准确性，如果使用校准曲线，可以以不同的波长来最多检测6层，显然如果选择合适的波长范围，也可以检查任何其它数量的层。
可以理解的是，这样的计算可以针对堆叠中的任何数量的层来执行，用于基于菲涅耳方程计算层与层效应的矩阵形式在本技术领域是公知常识。
为了从反射率测量获得厚度值，需要先进行校准，现有技术方法将测量的灰度值与层的“实际”厚度值相关联，例如，通过椭圆光度法获得的“实际”值，也可以使用来自对应数种厚度的已知材料参数的反射光来直接计算，然而，在实际的实施例中，椭圆偏光术将提供一个很好的参考方法。
图7表示根据现有技术的具有25nm厚埋底部氧化物层和具有不同硅层厚度的各种样本的双层系统的校准曲线361，如图6所示，在波长范围340中仅使用一个小波长间隔的准单色光条件下进行反射率测量，为了排除仪器的影响，有目的的获取反射强度，此目的为将测量的强度相对于某个反射标准进行标准化，使用测量值并将其与参考方法结果进行比较的优点是为了避免引起其他效应(例如本实施例的光学效应)，通过从已知的材料参数和由参考方法测量的厚度值直接计算反射强度并寻找与测量的灰色的最佳配对，通过从理论导出曲线的形式，可进一步增强所得校准曲线的准确度值。
本发明的实施例通过对具有不同厚度的氧化物层30的一系列样本，重复与图7中的校准曲线360所使用的相同的程序来校准，进而获得如图8所示的一系列校准曲线400、410、420、430、440和450。校准曲线400表示如硅层30的不同厚度与具有23nm的氧化物层30的厚度的样本的测量强度之间的关系，校准曲线410表示同样与厚度值为24nm的氧化物层30之间的关系，测量具有不同厚度的氧化物层30和不同厚度的硅层20的样本，此外，首先用来自范围340内的一个小波长间隔的光来进行所有的反射率测量。
如果使用椭圆偏光术作为确定硅厚度的参考方法，则同时检查氧化物层厚度，并且相应地对数据值对进行分类。
利用如图8所示的校准曲线，可以通过测量特定的反射率值来检查相同材料系统但未知层厚度的未知样本，例如，如果标准化的反射率灰度值是0.3，如图8中的直线460所示，则校准曲线400、410、420、430、440和450中所测量的反射率的交叉点提供硅层20和氧化物层30的可能的厚度值之间的关系，例如，点470表示氧化物层30的厚度为23nm以及硅层20的厚度为13.6nm(纵坐标轴上的值)满足在线460处测量的反射率标准的第一可能组合，可为每个校准曲线所建立此种关系。
换句话说，在一个波长处的未知样本的反射强度的测量将提供可由一函数表示的多个可能的厚度组合，此函数在图7中以曲线500的形式表示，为了选择正确的值，在第二波长间隔中重复测量，在本实施例中，使用波长范围350(见图4)中的间隔，结果由图9中的曲线510表示。
对于使用入射光的不同小波长间隔的多个测量中的任何一个存在多条曲线(如曲线500和510)，任何此成对的曲线对都具有仅一个交叉点520，其中从相同的两个层厚度值同时获得测量的反射标准，在图9的例子中，此结果为硅层厚度为13.14nm和氧化物层厚度为24.2nm。
将这种方法推广到建立m个测量值和n个未知参数的m个波长范围，其中参数可为层厚度或材料组成，将基于以下考虑获得所述参数。对于m个不同的波长范围，即准独立测量，m个波长范围中的m个反射强度的相关性可以由n+1维空间中的m个表面表示，n维是n个参数，即层厚度或材料组成，第n+1维是所考虑的波长范围内的强度，m个波长范围中的各波长范围均建立这样的n+1维空间，其中表面描述来自n个参数的反射强度的函数依赖性。
m个波长范围中的m个测量强度中的各测量强度现在于相应表面上定义n维曲线，所述表面描述针对测量的该特定强度值的可能解向量，这些具有n维的m条曲线具有至少一个共同的交点，这个交叉点是最终的解向量，其特征在于具有相同的n个参数并且是所有m个面的点，在数学上，这个最终解向量是通过求解具有n个向量元素的m个向量的m个方程式的方程组来找到的，当然，m(即准独立测量的数量)必须高于或等于n(像层厚度或材料成分的未知参数的数量)。
2.实施例：在硅上测量一个SiO2层
图10揭露了不同的实施例，其中使用与上述第一实施例相同的测量装置，然而，本实施例仅测量一层厚度值，即硅上的SiO2层的厚度，可模拟反射函数，并且该模拟可通过与例如莱文贝格-马夸特算法(Levenberg-Marquardt-algorithm)进行配对来适用于这些值，层的厚度范围从20nm到200nm，使用6个波长范围进行测量，其被指定为元件符号810、820、830、840、850和860，由于仅针对一个未知厚度值测量了6个值，所以统计误差将增加，且测量范围增加：波长范围820约为500nm，将无法分辨厚度值20nm、150nm和200nm，单凭这样的测量，其结果将是不明确的，在几个不同波长范围的测量将允许区分这种情况。
理论上对于可测量的参数有一些限制，此处所述参数可以是任何影响层堆叠被视为整体的光学性质的层特性(更准确的说其影响折射率和/或消光系数)，这些参数的最显著的例子是单独的层厚度和材料组成，方程组可为明确可解的、或只有一组参数，或者，如果至少两个参数对所有n个波长范围内的反射具有完全相同的效果或者效果相互补偿，则可以存在多种解决方案，且由于其周期性，该方法被限制在菲涅耳方程不能提供另一个解的范围内，菲涅耳方程的周期性将限制该方法特别是厚层。
清楚的是，给定的实施例仅仅是举例说明根据本发明的方法，类似地的情形下，该方法可以用于基底上的两层堆叠的任何其它材料和/或厚度组合，举例而言，应变硅(strained silicon)、硅-锗(silicon-germanium)、锗(germanium)、砷化镓(gallium-arsenide)、磷化铟(indium-phosphide)、砷化铟(indium-arsenide)、铟-砷化镓(indium-gallium-arsenide)、碲化汞(mercury-telluride)、III-V和II-VI三元和四元半导体合金(III-V and II-VI ternary and quaternary semiconductor alloys)、其他氧化物和氮化物、光致抗蚀剂、薄金属层、玻璃、石英和塑料材料。
从上面的说明中可以明显看出，如波长间隔使得来自一个层厚度值的反射的依赖性被最小化，则不能选择该波长间隔，可以更自由地选择它们例如为反射测量提供高且近似相似的信号标准以提高测量稳定性，波长间隔用于最大化测量的解析度。
本发明不仅能够确定层的厚度，而且能够确定材料组成。
符号说明
700样本 701组件
702堆叠 703宽带光
704光路 705表面
706光 707移动台
708中间图像平面 710光源
720光学部件 730反射镜
740物镜 760滤波部件
761、762、763、764、765、766条纹
780光学件 800检测器
10环境材料 20、30层
40基底 50光
90、100、110界面 60初始反射光
80光束 200反射强度函数
300、310、320、500曲线 340波长范围
350、360、370、380、390波长间隔
361、400、410、420、430、440、450校准曲线。
Claims (15)
1.一种用来判断样本堆叠层(700，702)的一层或多层的厚度、或判断其他影响光(706)的强度的性质的方法，所述光被包含组件的样本堆叠反射，所述组件包含有用来照射样本堆叠层(700，702)的光源(710)、及具有检测器(800)的相机，该检测器用以检测在限定的波长范围(340，350，360，370，380，390)内，由样本堆叠层(700，702)所反射的光(706)的强度，所述方法包含以下步骤：
(a)以来自光源(710)的光(703，704，50)照射样本堆叠层(700，702)；
(b)在不同的波长范围(340，350，360，370，380，390)内，以检测器(800)来检测反射自样本堆叠层(700，702)的光(706)的强度；
(c)由检测器(800)所检测到的强度来判断厚度或其他性质；
其特征在于：
(d)检测器(800)为阵列检测器，其具有呈行列排列的数个检测元件；
(e)样本堆叠层(700)的图像被产生在检测器(800)上；
(f)检测器(800)包含有呈平行条纹(761，762，763，764，765，766)形式的数个区域，所述条纹同时检测由样本堆叠层所反射的光的强度；
(g)检测器(800)的数个区域(761，762，763，764，765，766)中的每一区域仅检测一个选定的波长范围(340，350，360，370，380，390)中的光；
(h)在垂直于平行条纹(761，762，763，764，765，766)的纵向方向的方向上，产生在检测器(800)或平行条纹上的样本堆叠层(700)的图像的运动，使得被检查的样本堆叠层的每个点在每个不同的波长范围(340，350，360，370，380，390)内被检测到至少一次。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该检测器(800)的相同区域的检测元件仅对所述不同波长范围(340，350，360，370，380，390)中的一个波长范围敏感。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，数个不同的带通滤波器(760)以一条纹几何顺序来过滤光在光源(710)与检测器(800)之间的光路径中的光，各带通滤波器(760)仅透射选定的波长范围(340，350，360，370，380，390)中的一个波长范围的光，并定位在物平面(705)、检测器平面(800)、中间图像平面或与物体共轭的任何其它平面中。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用检测器(800)拍摄一系列图像，并且在拍摄每个图像之前，生成样本堆叠层(700)的图像在检测器(800)上的移动、或平行条纹(761，762，763，764，765，766)的移动，移动的长度对应于检测器(800)上的部分的宽度。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述不同波长范围(340，350，360，370，380，390)的数量与所述条纹(761，762，763，764，765，766)的数量相同。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，样本堆叠层(700)具有少于所述波长范围(340，350，360，370，380，390)的层(20，30)，且至少一层(20，30)的厚度和/或其他性质由两个或多个测量来加以判断。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该至少一层(20，30)的厚度和/或其他性质在无测量校准曲线的情况下，由多次测量加以判断。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在无测量校准曲线的情况下利用层(20，30)的材料性质的理论值计算所判断的厚度和/或其他性质。
9.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，测量校准曲线(361)被用于各被检测层(20，30)，以判断厚度和/或其他性质。
10.一种用来判断样本堆叠层(700)的一层或多层(20，30)的厚度、或判断其他影响光的强度的性质的检测组件(701)，所述光(706)被包含以下各项的样本堆叠层(700)反射：
(a)用来照射样本堆叠层(700)的光源(710)；及
(b)具有检测器(800)的相机，该检测器用以检测在指定的不同波长范围(340，350，360，370，380，390)内，由样本堆叠层所反射的光(706)的强度；及
(c)计算部件，其利用检测器(800)所检测到的强度来判断厚度或其他性质；
其特征在于：
(d)检测器(800)为阵列检测器，其具有呈行列排列的数个检测元件；
(e)提供光学部件(740，780)，其用以在检测器(800)上产生样本堆叠层(700)的图像；
(f)检测器(800)包含有呈平行条纹(761，762，763，764，765，766)形式的数个区域，所述条纹被适配成同时检测由样本堆叠层(700)所反射的光(706)的强度；
(g)提供滤波部件(760)，其用来透射至检测器(800)或检测器元件的数个区域(761，762，763，764，765，766)中的每个的仅一个区域的仅一个选定的波长范围(340，350，360，370，380，390)中的光，所述检测器或检测器元件适配成测量数个区域(761，762，763，764，765，766)中的每个区域中的在仅一个选定的波长范围(340，350，360，370，380，390)中的光；及
(h)提供移动部件(707)，其在垂直于平行条纹的纵向的方向上，移动在检测器(800)或平行条纹上的样本堆叠层(700)的图像，使得被检查的样本堆叠层(700)的每个点在每个不同的波长范围(340，350，360，370，380，390)内能够被检测到至少一次。
11.如权利要求10所述的检测组件(701)，其特征在于，该检测器(800)的相同区域的检测元件仅对所述不同波长范围(340，350，360，370，380，390)中的一个波长范围敏感。
12.如权利要求10所述的检测组件(701)，其特征在于，数个不同的带通滤波器被以一条纹几何顺序设于物平面(705)、检测器平面、中间图像平面、或与在光源(710)与检测器(800)之间的物体共轭的任何其它平面，各带通滤波器(760)仅透射选定的波长范围(340，350，360，370，380，390)中的一个波长范围的光。
13.如权利要求10至12中任一项所述的检测组件(701)，其特征在于，所述不同波长范围(340，350，360，370，380，390)的数量与所述条纹(761，762，763，764，765，766)的数量相同。
14.如权利要求10至13中任一项所述的检测组件(701)，其特征在于，所述检测器(800)由具有多个波长范围(340，350，360，370，380，390)的多色线相机(multi-color linecamera)所形成。
15.如权利要求14所述的检测组件(701)，其特征在于，所述线相机的检测器的线由时间延迟积分(TDI，time delayed integration)感测器区块所形成。
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