CN112384750B - 双干涉测量样本测厚仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种厚度测量系统，其可包含：照明源；光束分光器，其将来自所述照明源的照明分裂为两个光束；平移台，其配置成沿着测量方向平移参考样本；第一干涉仪，其在测试样本的第一表面与所述参考样本的第一表面之间产生第一干涉图；和第二干涉仪，其在所述测试样本的第二表面与所述参考样本的第二表面之间产生第二干涉图。厚度测量系统可进一步包含在所述平移台扫描所述参考样本时从所述第一干涉仪和所述第二干涉仪接收干涉信号的控制器，且基于所述参考样本的厚度和所述平移台在所述干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来确定所述测试样本的厚度。

Description

双干涉测量样本测厚仪
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(e)主张2018年7月3日申请的名称为双干涉测量晶片测厚仪(Dual Interferometry Wafer Thickness Gauge)的命名Avner Safrani为发明人的美国临时申请第62/693,573号的优先权，所述申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及采样厚度测量，且更确切地说，涉及干涉测量采样厚度测量。
背景技术
薄采样(例如但不限于半导体晶片)的绝对厚度的精确测量是广泛适用的，特别适用于半导体制造和度量中。举例来说，采样的高分辨率厚度测量可用于确定与采样上的构造特征相关的应变，所述应变可指示潜在缺陷。借助于另一实例，特定工具(例如但不限于X射线度量衡工具)具有相对缓慢聚焦机制，使得采样厚度的精确测量可促进所述采样的有效对准。此外，通常需要提供厚度测量技术，所述厚度测量技术可广泛适用于多种采样，所述多种采样包含图案化和未图案化的采样或具有多种物理、光学或机械特性的采样。此外，厚度测量的方法必须在成本、系统复杂性和系统可靠性的增大上保持平衡。因此可能需要开发用于精确和有效厚度测量的系统和方法。
发明内容
公开根据本发明的一或多个说明性实施例的系统。在一个说明性实施例中，系统包含通信耦合到第一干涉仪和第二干涉仪的控制器。在另一说明性实施例中，控制器从第一干涉仪接收第一干涉信号，其中第一干涉仪在沿着测量方向扫描测试样本或参考样本中的至少一个时利用第一照明光束在测试样本的第一表面与具有已知厚度的参考样本的第一表面之间产生第一干涉图。举例来说，第一照明光束可包含来自光束分光器的照明光束的第一部分。在另一说明性实施例中，控制器从第二干涉仪接收第二干涉信号，其中第二干涉仪利用第二照明光束在测试样本的第二表面与参考样本的第二表面之间产生第二干涉图。举例来说，第二照明光束可包含来自光束分光器的照明光束的第二部分。在另一说明性实施例中，控制器基于参考样本的厚度和平移台在第一干涉信号与第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿测量方向确定测试样本的厚度。
公开根据本发明的一或多个说明性实施例的系统。在一个说明性实施例中，系统包含照明源。在另一说明性实施例中，系统包含光束分光器，其配置成将来自照明源的照明分裂为第一照明光束和第二照明光束。在另一说明性实施例中，系统包含平移台，其配置成沿着测量方向线性地平移参考样本，其中参考样本具有已知厚度。在另一说明性实施例中，系统包含第一干涉仪，其配置成利用第一照明光束在测试样本的第一表面与参考样本的第一表面之间产生第一干涉图。在另一说明性实施例中，系统包含第二干涉仪，其配置成利用第二照明光束在测试样本的第二表面与参考样本的第二表面之间产生第二干涉图。在另一说明性实施例中，系统包含通信耦合到第一干涉仪和第二干涉仪的控制器。在另一说明性实施例中，控制器在平移台沿测量方向扫描参考样本时从第一干涉仪和第二干涉仪接收第一干涉信号和第二干涉信号，所述第一干涉信号和所述第二干涉信号包含第一干涉图和第二干涉图的干涉条纹强度。在另一说明性实施例中，控制器基于参考样本的厚度和平移台在第一干涉信号与第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿测量方向确定测试样本的厚度。
公开根据本发明的一或多个说明性实施例的方法。在一个说明性实施例中，方法包含沿着测量方向扫描测试样本或具有已知厚度的参考样本中的至少一个。在另一说明性实施例中，方法包含从第一干涉仪接收利用第一照明光束与在测试样本的第一表面与参考样本的第一表面之间的第一干涉图相关的第一干涉信号，其中第一照明光束包含来自光束分光器的照明光束的第一部分。根据本发明的一或多个说明性实施例，方法包含从第二干涉仪接收利用第二照明光束与在测试样本的第二表面与参考样本的第二表面之间的第二干涉图相关的第二干涉信号，其中第二照明光束包含来自光束分光器的照明光束的第二部分。根据本发明的一或多个说明性实施例，方法包含基于参考样本的厚度和平移台在第一干涉信号与第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿测量方向确定测试样本的厚度。
应理解，前述一般描述和以下实施方式均仅是示范性和解释性的，且未必限制所主张的本发明。并入说明书中且构成说明书的一部分的随附图式说明本发明的实施例，且连同一般描述一起用以阐明本发明的原理。
附图说明
本领域的技术人员可参考附图优选地理解本发明的众多优势，在附图中：
图1A是根据本发明的一或多个实施例的双干涉测量采样测厚仪的概念图；
图1B是根据本发明的一或多个实施例的布置成将源光束聚焦到测试样本和参考样本上的绕射限制光斑大小的采样测厚仪的概念图；
图1C是根据本发明的一或多个实施例的说明包含在参考臂中而不在第一干涉仪的采样臂中的镜面但包含在采样臂中而不在第二干涉仪中的镜面的采样测厚仪的概念图；
图2A是根据本发明的一或多个实施例的说明用于基于双干涉测量来测量厚度的方法中进行的步骤的流程图；
图2B是根据本发明的一或多个实施例的说明用于基于峰值分离距离和参考样本的厚度来确定测试样本的厚度的子步骤的流程图；
图2C是根据本发明的一或多个实施例的说明用于使用数字信号处理技术来确定第一干涉信号和第二干涉信号的包络线的子步骤的流程图；
图3是根据本发明的一或多个实施例的每一干涉仪的采样臂和参考臂的概念图；
图4A是根据本发明的一或多个实施例的所采样干涉信号、所重构干涉信号、所重构干涉信号的包络线以及模拟高斯(Gaussian)包络线的曲线图；
图4B是根据本发明的一或多个实施例的所采样第一干涉信号和所采样第二干涉信号、所重构第一干涉信号和所重构第二干涉信号、第一重构信号和第二重构信号的包络线以及用于与第一干涉仪和第二干涉仪相关的第一干涉条纹和第二干涉条纹的高斯包络线的曲线图；
图5包含根据本发明的一或多个实施例的具有由原子力显微法验证的高度的阶梯特征的采样的空间解析双干涉测量厚度测量；以及
图6是根据本发明的一或多个实施例的说明具有776μm的标称厚度的300mm采样晶片的30次重复测量的曲线图。
具体实施方式
现将详细参考所公开的主题，其说明于附图中。已特定地展示且关于某些实施例和其特定特征描述本发明。本文中所阐述的实施例视为说明性的，而非限制性的。所属领域的一般技术人员应容易地了解，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行各种改变和修改。
本发明的实施例涉及用于使用双干涉仪和共享参考样本来测量采样的绝对厚度的系统和方法。如本文中所描述的双干涉仪厚度测量系统可包含两个干涉仪，所述两个干涉仪布置成在测试样本的相对侧与具有两个相对光学抛光表面和已知厚度的参考样本的相对侧之间产生干涉图。举例来说，第一干涉仪可在测试样本的第一表面与参考样本的第一表面之间产生干涉图，且第二干涉仪可在测试样本的第二表面与参考样本的第二表面之间产生干涉图。双干涉仪厚度测量系统可进一步包含低相干光学光源(例如但不限于宽带激光源)，使得干涉仪仅在干涉仪的臂基于光源的相干长度在限制范围内匹配时产生干涉条纹。确切地说，在干涉仪的臂匹配且可随干涉仪的臂之间的长度差超出任一个方向上的相干长度而减小时，与干涉条纹的强度相关的包络线函数(例如，条纹包络线)可呈现峰值。
在一些实施例中，测试样本的绝对厚度测量值通过以下操作产生：沿测量方向平移测试样本或参考样本，且基于两个干涉仪的条纹包络线的峰值之间的平移采样的平移距离(例如峰值分离距离)和已知采样厚度来确定测试样本的绝对厚度。
系统和方法可提供针对测试样本上的单个位置或测试样本上的延伸区的取决于照明条件和所用检测器类型的厚度测量。在一些实施例中，光源聚焦于测试样本和参考样本上的相对光斑。因此，每一干涉仪可包含单像素检测器以检索与照明位置相关的条纹强度。在一些实施例中，光源是准直的或以其它方式导引到测试样本和参考样本上的相对延伸区。因此，各干涉仪可包含多像素检测器以同步检索与照明区中的多个光斑相关的条纹强度。在这方面，照明区内的二维厚度映射可在单个测量中进行检索。
在本文中应认识到，本文中所描述的双干涉测量厚度测量可提供高度精确且有效的厚度测量。
举例来说，使用两个干涉仪在测试样本与参考样本的相对侧之间同步产生干涉图提供在峰值分离距离与测试样本厚度之间具有线性关系的两个干涉图之间的极佳同步化，因此实现高度精确测量。此外，测量重复性可基于平移和采样系统的重复性而非参考组件的位置误差。当基于单个线性扫描来同步产生双干涉图时，测量重复性可基于平移系统中的线性编码器的重复性。举例来说，当前编码器系统可提供但不限于+/-1nm的重复性。
此外，因为测量是不同的，因此在整个系统中需要为稳定的扫描距离是相对小的，使得大多机械部件适于以最小的系统产生噪声进行操作。举例来说，300mm半导体晶片的厚度通常在750与850μm之间变化，使得具有800nm参考样本的厚度测量将需要在约50μm的范围内稳定操作。作为非限制性实例，在250mm/s的平移速度的情况下，时间稳定性是仅约200μs。
借助于另一实例，本文中所描述的双干涉测量厚度测量可适用于具有不同光学、物理或机械特性的包含图案化或未图案化表面的大量采样的厚度测量。举例来说，光源可进行选择或调节以提供对应于待测量的测试样本的反射率的所需频谱。此外，当执行厚度测量时，可充分理解且考虑膜层对干涉图的采样的影响。
图1A为根据本发明的一或多个实施例的双干涉仪样本测厚仪100的概念图。
在一个实施例中，样本测厚仪100包含光源102以产生具有限制或已知时间相干长度的源光束104。在这方面，光源102可以是低相干源、部分相干源或类似物。在另一实施例中，样本测厚仪100包含源光束分光器106以分裂源光束104，使得源光束104的部分可导引到干涉仪108。源光束分光器106可包含所属领域中已知的任何类型的光束分光器，其包含(但不限于)基于光纤的光束分光器、立方体光束分光器或平板光束分光器。
在另一实施例中，样本测厚仪100包含两个干涉仪108(例如，干涉仪108a和108b)，所述干涉仪布置成基于从测试样本110和参考样本112的相对表面的反射来产生干涉图。此外，参考样本112可包含沿测量方向120具有已知或校准厚度的两个相对光学光滑表面。
举例来说，如图1A中所说明，第一干涉仪108a可在测试样本110的第一测试表面114a与参考样本112的第一参考表面116a之间产生干涉图，而第二干涉仪108b可在测试样本110的第二测试表面114b与参考样本112的第二参考表面116b之间产生干涉图。
在另一实施例中，样本测厚仪100包含用于沿着测量方向120(例如，沿着待测量的测试样本110的厚度方向)平移参考样本112或测试样本110中的至少一个的至少一个线性平移台118。举例来说，图1A说明定位成沿测量方向120平移参考样本112的线性平移台118。然而，尽管未展示，但样本测厚仪100可包含线性平移台118以平移测试样本110。此外，样本测厚仪100可包含两个线性平移台118以定位参考样本112和测试样本110两者。
在另一实施例中，样本测厚仪100包含控制器122。在另一实施例中，控制器122包含一或多个处理器124，所述处理器配置成执行在内存媒体126(例如，内存)中保持的程序指令。在这方面，控制器122的一或多个处理器124可执行贯穿本发明所描述的各种程序步骤中的任一个。
控制器122的一或多个处理器124可包含所属领域中已知的任何处理组件。在此意义上，一或多个处理器124可包含配置成执行算法和/或指令的任何微处理器型装置。在一个实施例中，一或多个处理器124可由桌面计算机、主计算机系统、工作站、图像计算机、平行处理器或配置成执行程序的任何其它计算机系统(例如，联网计算机)构成，所述程序配置成运行样本测厚仪100，如贯穿本发明所描述。应进一步认识到，术语“处理器”可广泛地定义为涵盖具有一或多个处理组件的任何装置，所述装置执行来自非暂时性内存媒体126的程序指令。
内存装置126可包含所属领域中已知的适合于存储可由相关一或多个处理器124执行的程序指令的任何存储媒体。此外，内存媒体126可存储由样本测厚仪100的任何组件所用的任何类型的数据，例如但不限于由干涉仪108产生的干涉图。举例来说，内存媒体126可包含非暂时性内存媒体。借助于另一实例，内存媒体126可包含但不限于只读存储器、随机存取内存、磁性或光学内存装置(例如，磁盘)、磁带、固态驱动器以及类似物。进一步注意，内存媒体126可容纳于具有一或多个处理器124的共享控制器外壳中。在一个实施例中，内存媒体126可相对于一或多个处理器124和控制器122的物理位置而远程定位。举例来说，控制器122的一或多个处理器124可存取可经由网络(例如，因特网、企业内部网络和类似物)存取的远程内存(例如，服务器)。因此，上述描述不应解译为对本发明的限制而仅为说明。
此外，控制器122和任何相关组件(例如，处理器124、内存媒体126或类似物)可包含容纳于共享外壳中或多个外壳内的一或多个控制器。此外，控制器122可与样本测厚仪100中的任何组件的功能集成和/或执行所述功能。
在另一实施例中，控制器122包含至少一个模拟到数字转换器128以对来自与干涉图相关的干涉仪108的模拟信号采样且使其数字化。此外，模拟到数字转换器128可使用任何技术来对信号采样。举例来说，模拟到数字转换器128可依基于内部时钟的所定义间隔对信号采样。借助于另一实例，模拟到数字转换器128可基于触发信号来对信号采样。在一个实施例中，线性平移台118依所选位置间隔将硬件位置触发提供到模拟到数字转换器128，以提供在线性平移台118的所选位置处的采样。
控制器122可进行本文中所公开的任何数目个处理或分析步骤，所述步骤包含(但不限于)从干涉仪108接收干涉图、分析干涉图或基于干涉图来执行测试样本110的厚度测量。此外，控制器122可采用任何数目种算法、程序流程或类似物。
现大体参看图1A到1C，将更详细地描述样本测厚仪100的各种组件。
光源102可包含所属领域中已知的任何类型的光源，所述任何类型的光源适用于提供具有受限或另外已知的相干长度的源光束104。在本文中应认识到，当干涉仪108的臂具有相同长度时，在干涉仪108中的每一个中，测试样本110与参考样本112之间的干涉条纹的信号强度将达到峰值。此外，干涉条纹的信号强度将随干涉仪108的臂之间的光学路径长度差超出源光束104的时间相干长度而下降。来自干涉仪108中的每一个的干涉条纹的信号强度可因此由具有峰值的包络线函数表征，其中干涉仪108的臂之间的光学路径长度差匹配且具有与源光束104的时间相干长度相关的半宽。因此，源光束104的时间相干长度可进行选择以提供所需包络线宽度。
在一个实施例中，光源102是激光源。举例来说，光源102可包含一或多个宽带激光，例如但不限于一或多个超连续激光或白光激光。借助于另一实例，光源102可包含一或多个超发光激光二极管(SLD)。在另一实施例中，光源102包含一或多个发光二极管(LED)。在另一实施例中，光源102包含灯源，例如但不限于电弧灯、放电灯、无电极灯或类似物。
此外，光源102可提供使用任何技术的源光束104。举例来说，光源102可经由光纤提供源光束104。借助于另一实例，光源102可提供源光束104作为从由空间光束。
光源102可提供具有任何波长或波长范围的源光束104。此外，可基于采样的待表征的光学特性(例如，吸收率、反射率、透射率或类似物)来选择源光束104的频谱。在本文中应进一步认识到，源光束104的频谱宽度可与时间相干长度成反比相关，使得增大源光束104的频谱宽度可减小时间相干长度，且反之亦然。
在一个实施例中，样本测厚仪100包含可选择性利用的具有不同频谱的两个或更多个光源102。在另一实施例中，光源102可包含可调谐光源102以提供具有可调谐频谱的源光束104。在另一实施例中，样本测厚仪100包含一或多个频谱滤光片(例如，可调谐频谱滤光片、一系列可选择固定频谱滤光片或类似物)以控制源光束104的频谱。
干涉仪108可包含所属领域中已知的适用于在测试样本110与参考样本112之间产生干涉条纹的任何类型的干涉仪，包含但不限于迈克尔逊(Michelson)干涉仪或林尼克(Linnik)干涉仪。此外，干涉仪108可将源光束104投射或聚焦在测试样本110或参考样本112上到任何所需光斑大小。
在一个实施例中，每一干涉仪108包含光束分光器130，所述光束分光器配置成将相应源光束104分裂为两个臂，其中采样臂132(例如，采样臂132a、132b)包含测试样本110且参考臂134(例如，参考臂134a、134b)导引到参考样本112。在另一实施例中，每一干涉仪108包含检测器136，所述检测器配置成从两个臂接收组合反射信号。在这方面，检测器136上的光强度可基于测试表面114与参考表面116之间的干涉而变化。
每一干涉仪108可包含所属领域中已知的任何类型的检测器136。在一个实施例中，检测器136可包含至少一个单像素检测器，例如但不限于光电二极管、雪崩光电二极管或类似物。在另一实施例中，检测器136可包含至少一个多像素检测器，例如但不限于互补金属氧化物半导体(CMOS)装置或电荷耦合装置(CCD)。在这方面，检测器136可产生与测试样本110的延伸照明区相关的二维干涉图，其中每一像素处的光强度对应于测试样本110的一不同部分。此外，二维干涉图可用于确定跨延伸照明区的测试样本110的厚度变化。
在另一实施例中，每一检测器136连接到控制器122(例如，控制器122的模拟到数字转换器128)使得控制器122可接收由检测器136产生的信号。
样本测厚仪100可进一步包含一或多个额外光学组件以导引和/或修改源光束104，所述额外光学组件例如但不限于翻转镜面(例如，镜面138)、透镜、强度滤光片或频谱滤光片。
图1B是根据本发明的一或多个实施例的布置成将源光束104聚焦到测试样本110和参考样本112上的绕射限制光斑大小的样本测厚仪100的概念图。在这方面，样本测厚仪100可确定在定位点140处的测试样本110的厚度。
在一个实施例中，样本测厚仪100包含基于光纤的光源102，其耦合到基于光纤的源光束分光器106。在这方面，每一干涉仪108可经由光纤142接收源光束104的一部分。
在另一实施例中，来自光纤142的源光束104由光束分光器130分裂为采样臂132和参考臂134。
在另一实施例中，至少一个干涉仪108包含一或多个聚焦组件144(例如，透镜、弧形镜面或类似物)以收集来自光纤142的源光束104且将源光束104导引到测试样本110和参考样本112。此外，一或多个聚焦组件144可定位于光束分光器130之前、采样臂132中、参考臂134中或其任何组合。
在一个实施例中，如图1B中所说明，聚焦组件144将源光束104聚焦到测试样本110和参考样本112(例如，到绕射限制光斑)上。在另一实施例中，尽管未展示，但聚焦组件144使源光束104准直以照明测试样本110和参考样本112的延伸区。
在本文中应认识到，将源光束104聚焦在测试样本110和参考样本112上可为测试样本110或参考样本112与照明延伸区有关的未调平(mis-leveling)提供更大容限，而利用源光束104的延伸照明可提供单个光斑中的延伸厚度测量(例如，以测量测试样本110的变化、测试样本110上的构造特征或类似物)。在另一实施例中，聚焦组件144是可调整或可去除的，使得聚焦条件可进行调整或另外选择。举例来说，干涉仪108可包含可去除物镜以在聚焦照明与延伸照明之间选择性地切换。借助于另一实例，干涉仪108可包含可调整透镜(例如，具有可调整放大率的透镜、平移台上的透镜或类似物)以在聚焦照明与延伸照明之间选择性地切换。
在另一实施例中，至少一个干涉仪108包含一或多个光学聚光器146以将组合光从测试样本110和参考样本112导引和/或聚焦到检测器136。
此外，情况未必是第一干涉仪108a和第二干涉仪108b在相应臂中具有与图1A和1B中所说明相同的组件。图1C是根据本发明的一或多个实施例的说明包含在参考臂134中而不在第一干涉仪108a的采样臂132中的镜面148但包含在采样臂132中而不在第二干涉仪108b中的镜面148的样本测厚仪100的概念图。在图1C中所说明的样本测厚仪100的配置中，参考臂134中的源光束104的一部分传播穿过光束分光器130且入射于参考表面116上，而采样臂132中的源光束104的一部分由光束分光器130反射且由镜面148导引到测试样本110。
现参看图2A到2C，更详细地描述用于基于双干涉测量来测量厚度的各种步骤。
图2A是根据本发明的一或多个实施例的说明用于基于双干涉测量来测量厚度的方法200中进行的步骤的流程图。申请人注意到，本文中先前在样本测厚仪100的上下文中所描述的实施例和致能技术应解译为延伸到方法200。进一步注意，然而，方法200不限于样本测厚仪100的架构。
在一个实施例中，方法200包含沿着测量方向120扫描测试样本110或参考样本112中的至少一个的步骤202。在另一实施例中，方法200包含在扫描期间从第一干涉仪108a接收与在测试样本110的第一测试表面114a与参考样本112的第一参考表面116a之间的干涉图相关的干涉信号的步骤204。在另一实施例中，方法200包含在扫描期间从第二干涉仪108b接收与在测试样本110的第一测试表面114b与参考样本112的第一参考表面116b之间的干涉图相关的干涉信号的步骤206。在另一实施例中，方法200包含基于参考样本112的已知厚度和平移台在第一干涉信号与第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿测量方向120确定测试样本110的厚度的步骤208。
如本文中先前所描述，当干涉仪108的臂具有相同长度时，在干涉仪108中的每一个中，测试样本110与参考样本112之间的干涉条纹的信号强度将达到峰值。此外，干涉条纹的信号强度将随干涉仪108的臂之间的光学路径长度差超出源光束104的时间相干长度而下降。因此，扫描参考样本112可从第一干涉仪108a同步产生干涉条纹，当第一测试表面114a与第一参考表面116a之间的光学路径长度差为零时，所述干涉条纹达到峰值；且从第二干涉仪108b同步产生干涉条纹，当第二测试表面114b与第二参考表面116b之间的光学路径长度差为零时，所述干涉条纹达到峰值。如果参考样本112的厚度是已知的，那么测试样本110的厚度可基于已知厚度和与来自第一干涉仪108a和第二干涉仪108b的信号相关的峰值位置之间的差而确定。
举例来说，使用图1C中的第一干涉仪108a确定测试样本110的厚度(例如，步骤208中)可由以下等式描述。然而，应理解，图1C中所说明的第一干涉仪108a的配置以及以下对应等式仅提供用于说明的目的且不应解释为限制性的。相反，类似公式可产生以用于干涉仪108的额外配置(例如，图中1C中的第二干涉仪108b，图1B中的干涉仪108，或任何替代配置)。
从测试样本110(ES)和从参考样本112(ER)反射的投影到检测器136的光的电场可描述为：
Figure BDA0002881894330000101
Figure BDA0002881894330000102
其中tBS和rBS是光束分光器130的透射系数和反射系数，rS是测试样本110的反射系数，rR是参考样本112的反射系数，rM是镜面148的反射系数，ω是源光束104的频谱频率，c是光速，zS是第一干涉仪108a的采样臂132a的自由空间长度，zR是第一干涉仪108a的参考臂134a的自由空间长度，φS是在采样臂132a中由任何光学组件产生的相位，φR是在参考臂134a中由任何光学组件产生的相位，且E0(ω)描述源光束104的形状。
然后检测器136上的光的强度(I(ω))可以是：
Figure BDA0002881894330000103
其中R是检测器136的响应度。
在高斯源光束104的非限制性实例中，检测器136上的光的强度(I(ω))可书写如下：
Figure BDA0002881894330000104
其中
Figure BDA0002881894330000105
Figure BDA0002881894330000106
Figure BDA0002881894330000107
其中相应地，A0是最大频谱强度，ωc是峰值频率，且σω是源光束104的频谱的标准偏差。
然后检测器136上的总体强度可通过强度I(ω)随时间积分而得到：
Figure BDA0002881894330000108
其中
γ＝A0αR， (9)
Figure BDA0002881894330000111
Figure BDA0002881894330000112
且deff是与干涉仪108的臂中的光学组件有关的恒定路径长度。
这一模型的结果是每一干涉仪108(例如，干涉仪108a、108b)在扫描期间产生具有随高斯包络线升高的余弦的形状的干涉信号。此外，每一干涉仪108的高斯包络线的峰值对应于以下条件
zR-zS+deff＝0， (12)
基于等式(8)，所述式对应于采样臂132a和参考臂134a的路径长度与所述干涉仪108匹配之处的位置。
因此，测试样本110的厚度可与在来自两个干涉仪108的干涉信号的峰值之间的距离(例如，峰值分离距离)和参考样本112的厚度有关。
然而，应理解，与高斯光束相关的上述等式仅提供用于说明的目的且不应解释为限制性的。类似等式可制定以用于具有不同轮廓的光束。
图3是根据本发明的一或多个实施例的每一干涉仪108的采样臂132和参考臂134的概念图。应注意，无论干涉仪108的每一臂中的特定光学组件如何，图3可皆应用。如图3中所说明，第一干涉仪108a的采样臂132、第二干涉仪108b的采样臂132以及测试样本110的厚度(TS)的组合路径等于第一干涉仪108a的参考臂134、第二干涉仪108b的参考臂134以及参考样本112的厚度(TR)的组合路径。在这方面，在图3中，ZR＝ZS。
此外，图3说明在第二干涉仪108b并入第二测试表面114b和第二参考表面116b的路径长度相等之处的参考样本112的位置。确切地说，在这一位置处，第二干涉仪108b的路径长度满足以下条件：
zR2-zS2+deff,2＝zR2-zS2+(deff,R2-deff,S2)＝0。 (13)
其基于上述等式(8)和(12)而对应于来自第二干涉仪108b的干涉信号的峰值。
类似地，参考样本112平移Δzp的距离(例如，峰值分离距离)使得第一干涉仪108a并入第一测试表面114a和第一参考表面116a的路径长度相等。在这一位置处(未展示)，第一干涉仪108a的路径长度满足以下条件：
zR1-zS1+deff,1＝zR1-zS1+(deff,R1-deff,S1)＝0， (14)
其基于上述等式(8)和(12)而对应于来自第一干涉仪108a的干涉信号的峰值。
一旦确定，那么峰值分离距离Δzp可与测试表面114的厚度(TS)相关。举例来说，在ZR＝ZS的条件下：
deff,R1+zR1+Δzp+TR+zR2+deff,R2＝deff,S1+zS1+TS+zS2+deff,S2， (15)
其简化为：
TS＝Δzp+TR。 (16)
现将更详细地描述用于确定峰值分离距离Δzp的步骤。
图2B是根据本发明的一或多个实施例的用于基于峰值分离距离Δzp和参考样本112的厚度(TR)(例如与步骤208相关)来确定测试样本110的厚度(TS)的子步骤的流程图。
在本文中应认识到，虽然当相关干涉仪108的采样臂132和参考臂134匹配时，干涉信号在线性平移台118的扫描期间的峰值可在理论上出现，但采样分辨率、噪声或其它波动可导致在与峰值检测值(例如，采样值)相关的线性平移台118的位置与采样臂132和参考臂134匹配之处的位置之间差。因此，可需要应用一或多种信号处理技术以提供用于确定第一干涉信号和第二干涉信号的峰值位置的精确且稳健的技术。
在一个实施例中，步骤208包含确定第一干涉信号和第二干涉信号的包络线的步骤210。在另一实施例中，步骤208包含确定对应于第一干涉信号和第二干涉信号的峰值的线性平移台118的位置(例如，峰值位置)的步骤212。在另一实施例中，步骤208包含基于参考样本112的厚度(TR)和峰值位置之间的距离(Δzp)来确定测试表面114的厚度(TS)的步骤214。举例来说，上述等式(16)可用于基于参考样本112的厚度(TR)和峰值位置之间的距离(Δzp)来确定测试表面114的厚度(TS)。
情况可能是可通过比直接地确定第一干涉信号和第二干涉信号的峰值位置更高程度的精确性和/或可靠性来确定干涉条纹的相对缓慢变化包络线函数的峰值位置的确定。此外，如在下文将更详细地论述，在对干涉信号采样的情况下，情况可能是在相关干涉仪108的臂匹配之处的线性平移台118的精确位置处未对干涉信号中的至少一个采样。
与第一干涉信号和第二干涉信号相关的包络线函数(例如，步骤210)可使用所属领域中的任何技术而确定。此外，步骤208和上述相关子步骤(例如，步骤210到214)中的任一个可使用模拟或数字处理技术的任何组合而实施。举例来说，与第一干涉信号和第二干涉信号相关的包络线函数(例如，步骤210)可通过将低通滤波器(数字或模拟)应用于第一干涉信号和第二干涉信号以去除与干涉相关的高频振荡而确定。
图2C是根据本发明的一或多个实施例的说明用于使用数字信号处理技术来确定第一干涉信号和第二干涉信号的包络线的子步骤的流程图。在一个实施例中，步骤210包含(例如，使用模拟到数字转换器128)对第一干涉信号和第二干涉信号采样的步骤216。举例来说，情况可能是在扫描期间由检测器136产生的第一干涉信号和第二干涉信号是模拟信号。因此，对干涉信号采样可使得数字信号处理技术能够用于确定第一干涉信号和第二干涉信号的包络线。
可使用所属领域中已知的任何技术对第一干涉信号和第二干涉信号采样。举例来说，可基于来自线性平移台118的硬件位置触发依常规位置间隔对第一干涉信号和第二干涉信号采样。借助于另一实例，可基于频率信号依常规时间间隔对第一干涉信号和第二干涉信号采样。
在一个实施例中，步骤210包含根据所采样第一干涉信号和所采样第二干涉信号来重构第一干涉信号和第二干涉信号的步骤218，和基于所重构第一干涉信号和所重构第二干涉信号来确定第一干涉信号和第二干涉信号的包络线的步骤220。可使用所属领域中已知的任何技术产生重构信号(例如，步骤中218)。举例来说，可使用一或多种内插技术(例如，多项式内插法、样条内插法或类似物)重构所采样干涉信号，使得可估计采样数据点之间的未采样数据。借助于另一实例，所采样干涉信号可拟合于使用一或多种曲线拟合技术(例如，回归或类似物)由理论和/或模拟导出的一或多个函数。举例来说，所采样干涉信号可基于上述等式(4)到(7)而拟合。此外，一或多个平滑操作可应用于所重构干涉信号。类似地，内插、曲线拟合、平滑技术或类似物的任何组合可应用于基于所重构干涉信号而产生的包络线信号(例如，步骤220中)。举例来说，基于所重构干涉信号而产生的包络线信号可进一步经处理以减缓包络线中的噪声或其它波动，从而有助于确定对应于给定干涉仪108的采样臂132和参考臂134匹配之处的线性平移台118的位置的峰值位置。
图4A是根据本发明的一或多个实施例的所采样干涉信号402、所重构干涉信号404、所重构干涉信号的包络线406以及模拟高斯包络线408的曲线图。举例来说，图4A的所采样干涉信号402具有100nm的采样分辨率，且所重构干涉信号404在10nm分辨率的情况下产生。
在本文中应认识到，由与理论(或仿真)数据相对的所采样数据产生的包络线的精确性可通常取决于所采样点追踪理论数据的轮廓的范围。如图4A中所说明，所采样干涉信号402可不包含干涉条纹的峰值处的采样点，使得仅基于所采样干涉信号402的包络线函数可包含大量误差。对比而言，所重构干涉信号404在足够分辨率的情况下产生以提供干涉条纹的峰值处的数据。因此，对应于基于所采样干涉信号402而产生的包络线的所重构干涉信号的包络线406紧密地跟踪干涉条纹的峰值。此外，所重构干涉信号的包络线406提供与模拟高斯包络线408(例如，基于上述等式(1)到(11))的极佳一致性。
图4B是根据本发明的一或多个实施例的所采样第一干涉信号和所采样第二干涉信号、所重构第一干涉信号和所重构第二干涉信号、第一重构信号和第二重构信号的包络线以及用于与第一干涉仪108a和第二干涉仪108b相关的第一干涉条纹和第二干涉条纹的高斯包络线的曲线图。
确切地说，信号的最右集是由第二干涉仪108b产生且对应于图4A中的曲线图，而信号的最左集是由第一干涉仪108a产生且包含所采样干涉信号410、所重构干涉信号412、所重构干涉信号的包络线414以及模拟高斯包络线416。
峰值分离距离(Δzp)可因此基于第一重构干涉信号的包络线406与第二重构干涉信号的包络线414的峰值位置之间的差而确定。此外，峰值的位置(例如，步骤212中)以及峰值分离距离(Δzp)可使用所属领域中已知的任何技术而确定。在一个实施例中，干涉信号的峰值位置可通过识别对应于峰值附近的干涉信号(例如，第一干涉信号或第二干涉信号)的零相位的位置而确定。举例来说，方法200可包含获得峰值附近的第一干涉信号和第二干涉信号的相位，和将峰值位置识别为第一干涉信号和第二干涉信号的相位为零之处的位置。
再次参考图2A到2C，方法200可包含一或多个验证步骤。举例来说，方法200可包含信号强度验证步骤以确保至少一个检测器136上的信号强度为上述所选阈值。在信号强度并不高于上述所选阈值的情况下，方法200可进一步包含一或多个校正性步骤。举例来说，方法200可包含增大源光束104的功率。在另一例子中，方法200可包含修改源光束104的频谱(例如，操作带宽)。在这方面，源光束104的频谱可进行调谐以包含适用于提供增强信号强度的波长，例如但不限于在其下测试样本110具有更高反射率的波长。借助于另一实例，方法200可包含验证针对任一个干涉仪108的干涉信号的包络线(例如，步骤210中)的形状和/或拟合。举例来说，方法200可包含包络线函数拟合所选容限内的高斯分布。在形状和/或拟合并非在选定容限内的情况下，方法200可包含一或多个校正性步骤，例如但不限于在修改源光束104的强度和/或频谱之后重复测量，或应用不同技术以确定峰值分离距离(Δzp)。
现参看图5，本文中所描述的双干涉测量厚度测量可测量在采样的多个位置处的厚度变化。图5包含根据本发明的一或多个实施例的具有由原子力显微法验证的高度的阶梯特征的采样的空间解析双干涉测量厚度测量。确切地说，曲线图502包含具有517nm的已知步长(如500nm)的采样的测量，曲线图504包含具有4.7μm的已知步长(如4.6μm)的采样的测量，曲线图506包含具有0.98μm的已知步长(如1.0μm)的采样的测量，且曲线图508包含具有9.4μm的已知步长(如9.3μm)的采样的测量。
如本文中先前所描述，如本文所描述的双干涉测量厚度测量可经由各种技术提供空间解析厚度测量值。借助于另一实例，具有与多像素检测器耦合的空间延伸光束的双干涉测量可同步提供针对延伸区内的采样上的多个位置的厚度测量值。
现参看图6，双干涉测量可提供具有短测量时间的高度可重复测量。图6是根据本发明的一或多个实施例的说明具有776μm的标称厚度的300mm采样晶片的30次重复测量的曲线图。如图6中所说明，重复测量呈现具有32nm的标准偏差的776.010μm的平均厚度值。
本文中所描述的主题有时说明含于其它组件内或与其它组件连接的不同组件。应理解，这些所描绘架构仅为示范性的，且实际上可实施达成相同功能性的诸多其它架构。在概念意义上，将达成相同功能性的组件的任何布置是有效“相关”的，从而达成所要功能性。因此，本文中经组合以达成特定功能性的任何两种组件可视为彼此“相关”，以使得达成所需功能性，而与架构或中间组件无关。同样，如此相关的任何两种组件也可视为彼此“连接”或“耦合”以达成所要功能性，且能够如此相关的任何两种组件也可视为彼此“可耦合”以达成所要功能性。可耦合的特定实例包含(但不限于)物理上可交互和/或物理上交互的组件，和/或无线可交互和/或无线交互的组件，和/或逻辑可交互和/或逻辑交互的组件。
咸信，本发明和其许多伴随优势将通过前述描述予以理解，且显然，可在不背离所公开主题或不牺牲其所有材料优势的情况下对组件的形式、构造和布置进行各种改变。所描述的形式仅为解释性的，且以下权利要求书的意图为涵盖且包含这些改变。此外，应理解，本发明由随附权利要求书界定。

Claims (29)

1.一种测量系统，其包括：
控制器，其经通信耦合到第一干涉仪和第二干涉仪，所述控制器包含一或多个处理器，所述一或多个处理器配置成执行使得所述一或多个处理器进行以下操作的程序指令：
从所述第一干涉仪接收第一干涉信号，其中所述第一干涉仪利用第一照明光束在沿着测量方向扫描所述测试样本或所述参考样本中的至少一个时在测试样本的第一表面与具有已知厚度的参考样本的第一表面之间产生第一干涉图，所述第一照明光束包含来自光束分光器的照明光束的第一部分；
从所述第二干涉仪接收第二干涉信号，其中所述第二干涉仪利用第二照明光束在所述测试样本的第二表面与所述参考样本的第二表面之间产生第二干涉图，所述第二照明光束包含来自所述光束分光器的所述照明光束的第二部分；和
基于所述参考样本的所述厚度和平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿所述测量方向确定所述测试样本的厚度。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束分光器经配置以接收来自照明源的照明，且所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述包络线的宽度与来自所述照明源的所述照明的时间相干长度相关。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪将所述第一照明光束和所述第二照明光束聚焦到所述测试样本的所述第一表面和所述第二表面的相对点，其中所述测试样本沿所述测量方向的所述厚度包含所述相对点之间的单个厚度测量值。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪包含单像素检测器。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪将所述第一照明光束和所述第二照明光束作为准直光束导引到所述测试样本的所述第一表面和所述第二表面的相对区，其中所述测试样本沿所述测量方向的所述厚度与所述相对区之间的多个厚度测量值相关。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪包含多像素检测器，其中所述第一干涉信号和所述第二干涉信号各自包含与所述相对区内的所述测试样本的所述第一表面和所述第二表面上的多个相对点相关的多个信号。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束分光器经配置以接收来自照明源的照明，且所述照明源包括：
宽带激光源。
8.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述光束分光器经配置以接收来自照明源的照明，且照明源包括：
发光二极管LED。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其中所述LED包括：
超发光LED。
10.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述控制器依所选间隔对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样以产生所采样第一干涉信号和所采样第二干涉信号。
11.根据权利要求10所述的测量系统，其中所述控制器包含用以对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样的模拟到数字转换器。
12.根据权利要求11所述的测量系统，其中所述模拟到数字转换器依所述所选间隔从扫描所述测试样本或所述参考样本中的所述至少一个的所述平移台接收硬件位置触发后，对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样。
13.根据权利要求10所述的测量系统，其中基于所述参考样本的所述厚度和在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的包络线的峰值之间的距离而沿所述测量方向确定所述测试样本的厚度包括：
根据所述所采样第一干涉信号和所述所采样第二干涉信号来重构所述第一干涉信号和所述第二干涉信号；
基于所重构第一干涉信号和所重构第二干涉信号来确定所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述包络线；
确定所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的峰值位置；和
基于所述峰值位置来确定在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的所述包络线的所述峰值之间的所述距离。
14.根据权利要求13所述的测量系统，其中确定在所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述峰值处的所述平移台的位置包括：
获得在所述峰值附近的所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的相位；和
将所述峰值位置识别为其中所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述相位为零的位置。
15.一种测量系统，其包括：
照明源；
光束分光器，其配置成将来自所述照明源的照明分裂为第一照明光束和第二照明光束；
平移台，其配置成沿着测量方向线性地平移参考样本，所述参考样本具有已知厚度；
第一干涉仪，其配置成利用所述第一照明光束在测试样本的第一表面与所述参考样本的第一表面之间产生第一干涉图；
第二干涉仪，其配置成利用所述第二照明光束在所述测试样本的第二表面与所述参考样本的第二表面之间产生第二干涉图；和
控制器，其通信耦合到所述第一干涉仪和所述第二干涉仪，所述控制器包含一或多个处理器，所述一或多个处理器配置成执行使得所述一或多个处理器进行以下操作的程序指令：
在所述平移台沿所述测量方向扫描所述参考样本时从所述第一干涉仪和所述第二干涉仪接收第一干涉信号和第二干涉信号，所述第一干涉信号和所述第二干涉信号包含所述第一干涉图和所述第二干涉图的干涉条纹强度；和
基于所述参考样本的所述厚度和所述平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿所述测量方向确定所述测试样本的厚度。
16.根据权利要求15所述的测量系统，其中所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述包络线的宽度与来自所述照明源的所述照明的时间相干长度相关。
17.根据权利要求15所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪将所述第一照明光束和所述第二照明光束聚焦到所述测试样本的所述第一表面和所述第二表面的相对点，其中所述测试样本沿所述测量方向的所述厚度包含所述相对点之间的单个厚度测量值。
18.根据权利要求17所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪包含单像素检测器。
19.根据权利要求15所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪将所述第一照明光束和所述第二照明光束作为准直光束导引到所述测试样本的所述第一表面和所述第二表面的相对区，其中所述测试样本沿所述测量方向的所述厚度与在所述相对区之间的多个厚度测量值相关。
20.根据权利要求19所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪包含多像素检测器，其中所述第一干涉信号和所述第二干涉信号各自包含与所述相对区内的所述测试样本的所述第一表面和所述第二表面上的多个相对点相关的多个信号。
21.根据权利要求15所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪中的至少一个配置为迈克尔逊(Michelson)干涉仪。
22.根据权利要求15所述的测量系统，其中所述第一干涉仪和所述第二干涉仪中的至少一个配置为林尼克(Linnik)干涉仪。
23.根据权利要求15所述的测量系统，其中所述控制器在所选平移台位置处对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样以产生所采样第一干涉信号和所采样第二干涉信号。
24.根据权利要求23所述的测量系统，其中所述控制器包含用以对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样的模拟到数字转换器。
25.根据权利要求24所述的测量系统，其中所述模拟到数字转换器在所述所选平移台位置处接收硬件位置触发后，对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样。
26.根据权利要求23所述的测量系统，其中基于所述参考样本的所述厚度和所述平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离而沿所述测量方向确定所述测试样本的厚度包括：
根据所述所采样第一干涉信号和所述所采样第二干涉信号来重构所述第一干涉信号和所述第二干涉信号；
基于所重构第一干涉信号和所重构第二干涉信号来确定所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述包络线；
确定在所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述峰值处的所述平移台的峰值位置；和
基于所述峰值位置来确定所述平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的所述包络线的所述峰值之间行进的所述距离。
27.根据权利要求26所述的测量系统，其中确定在所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述峰值处的所述平移台的位置包括：
获得在所述峰值附近的所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的相位；和
将所述峰值位置识别为其中所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述相位为零的位置。
28.一种测量方法，其包括：
沿着测量方向扫描测试样本或具有已知厚度的参考样本中的至少一个；
从第一干涉仪接收利用第一照明光束与在所述测试样本的第一表面与所述参考样本的第一表面之间的第一干涉图相关的第一干涉信号，其中所述第一照明光束包含来自光束分光器的照明光束的第一部分；
从第二干涉仪接收利用第二照明光束与在所述测试样本的第二表面与所述参考样本的第二表面之间的第二干涉图相关的第二干涉信号，其中所述第二照明光束包含来自所述光束分光器的所述照明光束的第二部分；和
基于所述参考样本的所述厚度和平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离来沿所述测量方向确定所述测试样本的厚度。
29.根据权利要求28所述的测量方法，其中基于所述参考样本的所述厚度和所述平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的包络线的峰值之间行进的距离而沿所述测量方向确定所述测试样本的厚度包括：
依所选间隔对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号采样以产生所采样第一干涉信号和所采样第二干涉信号；
根据所述所采样第一干涉信号和所述所采样第二干涉信号来重构所述第一干涉信号和所述第二干涉信号以产生所重构第一干涉信号和所重构第二干涉信号；
基于所述所重构第一干涉信号和所述所重构第二干涉信号来确定所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述包络线；
确定所述第一干涉信号和所述第二干涉信号的所述峰值的峰值位置；和
基于所述峰值位置来确定所述平移台在所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的所述包络线的所述峰值之间行进的所述距离。
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