CN117091503A - 半导体测量设备 - Google Patents

Abstract

一种半导体测量设备包括：照明单元，其被配置为提供包括具有不同波长的线性偏振光束的照明光；光学单元，其包括被配置为允许照明光入射于样本上的物镜，光学单元被配置为传输当照明光被从样本反射时生成的反射光；自干涉发生器，其被配置为针对每个波长使从光学单元传输的反射光自干涉并且将反射光传输至第一图像传感器；以及控制器。控制器被配置为处理由第一图像传感器输出的测量图像，以针对每个波长将测量图像划分为表示反射光的偏振分量的强度比的第一图像和表示反射光的偏振分量的相位差的第二图像。

Description

半导体测量设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年5月20日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2022-0061906的优先权的利益，该申请的公开以引用方式全文并入本文中。

技术领域

一个或多个示例实施例涉及一种半导体测量设备。

背景技术

半导体测量设备可利用椭圆偏振法(ellipsometry)测量包括在半导体工艺中形成的结构的样本中的结构的临界尺寸等。在椭圆偏振法中，可执行视察，并且通常可确定结构的临界尺寸。临界尺寸可被包括在具有短波长的照明光辐射于其上的样本的区中。可通过以固定的方位角和入射角将照明光辐射于样本上并且利用从样本反射的反射光的光谱分布来确定临界尺寸。然而，反射光的光谱仅包括由具有短波长的照明光导致的光谱分布，因此有必要针对每个波长重复执行测量，以针对每个波长获得光谱分布。

发明内容

实施例涉及一种能够通过执行一次图像捕获获得针对每个波长以所有方位角和宽范围的入射角确定临界尺寸所需的数据的半导体测量设备。

根据一方面，提供了一种半导体测量设备，该半导体测量设备包括：照明单元，其被配置为提供具有不同波长的线性偏振光束作为照明光；光学单元，其包括被配置为允许照明光入射于样本上的物镜以及被配置为传输当照明光被从样本反射时生成的反射光的分束器；自干涉发生器，其被配置为针对每个波长自干涉并传输从分束器传输的反射光；图像传感器，其被配置为输出包括反射光在物镜的后焦平面上的干涉图案的测量图像；以及控制器，其被配置为处理测量图像以确定样本的照明光入射于其上的区中包括的结构的临界尺寸。控制器可被配置为：通过将测量图像变换为二维频率空间中的数据来寻找其中出现由自干涉导致的峰的区，通过将区中的每一个中包括的数据逆变换来获得后焦平面上的针对每个波长划分的二维图像，并且利用二维图像来确定样本中包括的结构的临界尺寸。

根据另一方面，提供了一种半导体测量设备，该半导体测量设备包括：照明单元，其被配置为提供包括具有不同波长的线性偏振光束的照明光；光学单元，其包括被配置为允许照明光入射于样本上的物镜，光学单元被配置为传输当照明光被从样本反射时生成的反射光；自干涉发生器，其被配置为针对每个波长使从光学单元传输的反射光自干涉并且将反射光传输至第一图像传感器；以及控制器，其被配置为处理由第一图像传感器输出的测量图像，以针对每个波长将测量图像划分为表示反射光的偏振分量的强度比的第一图像和表示反射光的偏振分量的相位差的第二图像。

根据另一方面，提供了一种半导体测量设备，该半导体测量设备包括：图像传感器，其被配置为：针对每个波长将当包括具有不同波长的线性偏振光束的照明光被从样本反射时生成的反射光以彼此正交或具有任意预定角度的偏振方向划分为第一偏振分量和第二偏振分量，并且输出针对每个波长的使第一偏振分量和第二偏振分量自干涉的干涉图案；以及控制器，其被配置为：通过将由图像传感器输出的干涉图案变换为二维频率空间中的数据来寻找其中出现由自干涉导致的峰的区，通过逆变换区中的每一个中包括的数据来获得针对每个波长划分的二维图像，以及针对每个波长从二维图像中获得表示从样本反射的反射光的偏振分量的强度比的第一图像和表示从样本反射的反射光的偏振分量的相位差的第二图像。

根据示例实施例，可通过以下步骤来测量样本中包括的结构的临界尺寸：将包括具有不同波长的线性偏振光的照明光辐射至样本；从通过针对每个波长使从样本反射的反射光自干涉而捕获的测量图像中获得表示偏振分量的强度差的第一图像和表示偏振分量的相位差的第二图像；以及利用第一图像和第二图像。

示例实施例的各种和有益优点和效果不限于上述描述，并且在描述具体示例实施例的过程中将更容易理解。

附图说明

通过参照附图详细描述示例性实施例，特征将对于本领域技术人员变得清楚，在附图中：

图1是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图；

图2A是示出从图1的照明单元中包括的光源输出的光的光谱的图；

图2B是示出从图1的照明单元中包括的波长选择器输出的光的光谱的图；

图3和图4是示出通过图1的半导体测量设备执行的测量方法的图；

图5是示出根据示例实施例的操作半导体测量设备的方法的流程图；

图6是示出根据示例实施例的通过半导体测量设备获得的测量图像的图；

图7A是图6的部分A的放大图；

图7B和图7C是相对于图6的部分A的比较例的图；

图8是示出通过将图6的测量图像变换到频率空间中而获得的图像的图；

图9A至图9C是在其中在图8中出现峰的区中选择的对应的区的放大图；

图10A至图10C分别是通过逆变换图9A至图9C的选择的区而获得的图；

图11A至图11C是示出校正来自图8的选择的区的处理的图；以及

图12至图18是示出半导体测量设备的各个示例实施例的图。

具体实施方式

下文中将参照附图更全面地描述示例实施例；然而，它们可以以不同的形式体现，并且不应被解释为局限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达示例性实现。

在图中，为了清楚说明，层和区的尺寸可以被夸大。还将理解，当层或元件被称为“在”另一层或元件“上”时，它可以直接在该另一层或者元件上，或者也可以存在中间层。此外，将理解，当层被称为“在”另一层“下”时，它可以直接在该另一层下，并且也可以存在一个或多个中间层。此外，还将理解，当层被称为“在”两层“之间”时，它可以是该两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记自始至终指代相同的元件。

将参照图1描述根据示例实施例的半导体测量设备。图1是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。

参照图1，根据示例实施例的半导体测量设备1可为使用椭圆偏振法的用于测量的设备。如图1所示，半导体测量设备1可包括照明单元10、光学单元20、自干涉发生器30、图像传感器40、控制器50等。半导体测量设备1可接收当具有多种波长的照明光L通过照明单元10辐射于样本60上并且从样本60反射时产生的反射光R，以生成测量图像。半导体测量设备1可分析测量图像以视察样本60中包括的结构，或者测量结构的临界尺寸。对结构的视察可理解为确定结构是否存在、被改变或被污染的处理。

照明单元10可包括光源11、波长选择器12、光纤13等。光源11可输出用于生成入射于样本60上的照明光L的光。例如，如图2A所示，光源11可具有包括从紫外波段至红外波段的宽带的连续波长。在一些示例实施例中，在照明单元10中，可省略波长选择器12，并且光源11可输出具有特定波长的单色光束。在示例实施例中，将描述其中光源11包括宽带的连续波长的情况作为示例。

波长选择器12可从由光源11发射的光中选择并输出至少两种波长。当光源11输出具有特定波长的光时，可省略波长选择器12。如图2B所示，例如，波长选择器12可选择两种波长λ1和λ2。在一些示例实施例中，波长选择器12可在将具有选择的波长λ1和λ2的光调整为具有基本相同的强度I之后执行输出。由波长选择器12选择的波长λ1和λ2中的每一种可包括一个波长，但是在一些示例实施例中可具有包括相邻波段的高斯分布。波长选择器12可选择性地输出相对于样本60的临界尺寸具有最高灵敏度的至少两种波长的光。

波长选择器12可被控制器50控制。波长选择器12可根据控制器50的控制选择至少两种波长。在控制器50中，可预存模拟根据样本60的临界尺寸的变化的反射光的变化率的数据库。控制器50可基于预存的数据库选择相对于样本60的临界尺寸具有最高灵敏度的至少两种波长的光，并且可控制波长选择器12选择具有选择的波长的光并且输出该光作为照明光L。因此，在其中样本60的结构具有精细尺寸的实施例中，可以无论彼此影响的临界尺寸的相互作用如何都仅精确地确定待测量的临界尺寸。例如，波长选择器12可包括声光调制器、衍射光栅和带通滤波器中的至少一个。

光纤13可为线缆形的光导构件，并且入射到光纤13的光可从照明透镜110提供至光学单元20。

光学单元20可包括偏振发生器100、第一分束器21、物镜22、第一中继透镜23、第二中继透镜24等。

偏振发生器100可包括照明透镜110和偏振器120。偏振发生器100可将提供至光纤13的照明光L转换为具有特定偏振分量的偏振光。

照明透镜110可为凸透镜，可通过调整由光纤13辐射的照明光L的角分布来将光入射于偏振器120上。例如，照明透镜110可将由光纤13辐射的照明光L转换为平行光。

偏振器120可以以预定偏振方向转换通过照明透镜110的照明光L，以入射于样本60上。在示例实施例中，偏振器120可以以相对于地倾斜45度的偏振方向使照明光L偏振，并且通过偏振器120的照明光L可传播至光学单元20的第一分束器21。

第一分束器21可反射从偏振器120接收的照明光L的第一部分，并且可透射接收到的照明光L的第二部分。从第一分束器21反射的照明光L的第一部分可入射于物镜22上。通过物镜22的照明光L的第一部分可入射于样本60上。例如，通过物镜22的照明光L的第一部分可入射为聚焦于样本60的目标区。

当通过物镜22的光的第一部分从样本60的目标区反射时，物镜22可接收被再次反射的反射光R。在示例实施例中，入射于样本60上的照明光L的第一部分和从样本60反射的反射光R中的每一个的光轴C可垂直于样本60的表面。物镜22可包括面对样本60的前表面和背对样本60布置的后表面。后焦平面可限定在物镜22的光瞳位置PL处。

辐射于样本60上的照明光L的第一部分可包括在特定方向上线性偏振的光。照明光L中包括的线性偏振光可具有与由波长选择器12选择的波长相对应的波长，并且可通过物镜22会聚，以入射于样本60的目标区上。照明光L可根据相对于样本60的表面确定的入射角包括P偏振光分量和S偏振光分量。

从样本60反射的反射光R可按次序通过物镜22、第一分束器21和中继透镜23和24。第一中继透镜23可会聚通过第一分束器21的反射光R，以形成图像，并且然后可允许反射光R入射于第二中继透镜24上。通过第二中继透镜24的反射光R可入射于自干涉发生器30上。

自干涉发生器30可包括棱镜构件31、偏振元件32等。棱镜构件31可针对每个波长将通过光学单元20的反射光R划分为在两个方向上线性偏振的光束。图3示出了棱镜构件31如何可针对每个波长再次将反射光R中包括的线性偏振光束R1和R2划分为两个线性偏振光束。自干涉发生器30可针对每个波长通过棱镜构件31将反射光R中包括的线性偏振光R1和R2划分为两个线性偏振光束，然后可将光束再次合并，并且将合并的光束提供至图像传感器40。反射光R中包括的线性偏振光R1和R2可通过棱镜构件31被划分，然后可被再次合并以彼此干涉，从而在物镜22的后焦平面上形成干涉图案。具有不同波长的线性偏振光束可不彼此干涉，因此可针对反射光R中包括的每个波长生成干涉图案。例如，棱镜构件31可被实施为具有双折射特性的Nomarski棱镜、Wol laston棱镜和Rochon棱镜中的至少一个。通过棱镜构件31生成的在两个方向上线性偏振的光束的偏振方向可分别被定义为彼此垂直的第一方向和第二方向。

偏振元件32可透射反射光R中的在相对于彼此垂直的第一方向和第二方向倾斜45度的方向上偏振的光。换句话说，偏振元件32可允许反射光R的偏振分量在相对于第一方向倾斜45度的方向上通过偏振元件32，并且可允许反射光R的偏振分量在相对于第二方向倾斜45度的方向上通过偏振元件32。通过偏振元件32的反射光R可入射于图像传感器40上。

图像传感器40可利用接收到的反射光R输出测量图像。由图像传感器40输出的测量图像可为包括通过偏振元件32的反射光R的干涉图案的图像。输出图像可包括针对每个波长的干涉图案。图像传感器40可将测量图像输出至控制器50，并且控制器50可处理测量图像以确定样本60的照明光L辐射于其上的区中包括的结构的临界尺寸。

图像传感器40可设置在位于与物镜22的光瞳位置PL共轭的光瞳共轭位置PCL处的光瞳平面上，使得图像可精确地形成在图像传感器40的表面上。下文中，将参照图4更详细地描述在后焦平面上形成的图像。

图4是示出通过图1的半导体测量设备执行的测量方法的图。

参照图4，照明光L可辐射于样本60的表面上，并且样本60的表面可被定义为X-Y平面。光轴C可从X-Y平面的原点延伸，并且可在垂直于X-Y平面的方向上延伸。光轴C可穿过邻近于样本60的物镜22的中心部分。物镜22可具有面对样本60的前表面和背对样本60布置的后表面，并且后焦平面可被定义为相对于物镜22的后表面位于预定距离处的平面。

后焦平面可为通过第一方向D1和第二方向D2限定的平面。例如，第一方向D1可与样本60的表面的X轴方向相同，第二方向D2可与样本60的表面的Y轴方向相同。通过物镜22的照明光L可按照点的形式会聚于样本60的目标区上，并且可从目标区被再次反射。照明光L然后可通过物镜22并且传播至后焦平面。在根据示例实施例的半导体测量设备中，可允许光以包括0度至360度的全方位角入射于样本60上，并且可根据物镜22的数值孔径(NA)来确定入射于样本60上的照明光L的入射角φ的范围。

在示例实施例中，可在半导体测量设备中采用数值孔径为0或更大并且小于0.95的物镜22，使得可通过单次图像捕获获得关于宽范围的入射角的数据。在这种情况下，通过物镜的光的最大入射角可大于或等于65度并且可小于90度。当在第一方向D1和第二方向D2上定义的后焦平面中包括的各个坐标被表示为极坐标r和θ时，可通过入射角φ来确定第一坐标r，如图4所示。第二坐标θ可为表示坐标相对于第一方向D1旋转的度数的值，因此，可与入射于样本60上的光的方位角相同，并且可具有0度至360度的值。

在根据示例实施例的半导体测量设备中，通过在从样本60的目标区反射光的同时执行单次图像捕获，可按照图像格式获得包括0度至360度的方位角和根据物镜22的数值孔径确定的入射角的范围内的干涉图案的数据。另外，通过物镜22的光可会聚并辐射至样本60的表面，以具有类似于点形的形状。这与根据现有技术的在倾斜方向上将光辐射至样本60的表面的方法相反。这样，可以以高分辨率捕获样本60的目标区中包括的图案的布置状态的图像。结果，根据示例实施例的半导体测量设备可精确计算样本60中包括的结构的临界尺寸。

控制器50可处理从图像传感器40输出的测量图像，以确定样本60的照明光L辐射于其上的区中包括的结构的临界尺寸。控制器50可控制半导体测量设备1的整体操作。例如，控制器50可被实施为处理器，诸如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等，并且可被实施为通用个人计算机(PC)。控制器50可包括用于存储半导体测量设备1的操作所需的各种数据的存储器。模拟根据样本60的临界尺寸的变化的反射光的变化率的数据库可预存在存储器中。

例如，控制器50可将测量图像变换到频率空间中，并且可针对每个波长选择其中出现干涉导致的峰的区。另外，控制器50可将选择的区中包括的数据逆变换，以针对每个波长将数据划分为一对二维图像。可将傅里叶变换、希尔伯特变换等应用于变换和逆变换。该一对二维图像可为第一图像和第二图像。第一图像可为表示根据从样本60反射的反射光R的偏振的强度的图像，并且第二图像可为表示根据从样本60反射的反射光R的偏振的相位差的图像。例如，当照明光L包括第一波长λ1和第二波长λ2时，反射光R可包括具有第一波长λ1的线性偏振光和具有第二波长λ2的线性偏振光。测量图像可包括第一波长λ1的第一图像和第二图像和第二波长λ2的第一图像和第二图像两者。第一图像可根据方位角和入射角对应于椭圆偏振法的第一参数Ψ，第二图像可根据方位角和入射角对应于椭圆偏振法的第二参数Δ。控制器50可针对每个波长从针对每个波长划分的第一图像和第二图像中计算椭圆偏振法的第一参数Ψ和第二参数Δ。

通过利用上述方法，根据示例实施例的半导体测量设备1可辐射光轴C垂直于样本60的表面并且包括不同波长的照明光L，并且可通过接收反射光R来确定样本60中包括的结构的临界尺寸，如上面参照图1所描述的。因此，可通过单次图像捕获获得针对每个波长与从0度至360度的全方位角相对应的数据。也可通过单次图像捕获获得与根据物镜的数值孔径的入射角的宽范围相对应的数据。另外，可针对每个波长通过单次图像捕获来计算椭圆偏振法的第一参数Ψ和第二参数Δ，从而提高利用半导体测量设备的工艺的效率。

将参照图6至图11C描述其中控制器50基于测量图像针对每个波长计算椭圆偏振法的第一参数Ψ和第二参数Δ的处理。

图6是示出根据示例实施例的通过半导体测量设备获得的测量图像的图。图7A是图6的部分A的放大图，并且图7B和图7C是比较例的图。图8是示出通过将图6的测量图像变换到频率空间中而获得的图像的图，图9是在其中在图8中出现峰的区中选择的区的放大图。图10A至图10C分别是通过逆变换图9A至图9C的选择的区而获得的图，图11A至图11C是示出校正选择的区的处理的图。

根据图6所示的示例实施例的测量图像200可为通过单次图像捕获通过半导体测量设备1中包括的图像传感器40获得的图像。可在限定后焦平面的第一方向D1和第二方向D2上表示测量图像200。可通过方位角和入射角来确定测量图像200中包括的像素中的每一个的坐标。

在与其中照明光L包括第一波长λ1和第二波长λ2的情况相对应的示例实施例中，将描述其中第一波长λ1和第二波长λ2分别具有450nm的波长和650nm的波长的情况作为示例。照明光L中包括的波长λ1和λ2可入射于样本60的表面上，作为线性偏振光。因此，按照相同方式，从样本60反射的反射光R也可包括具有第一波长λ1和第二波长λ2的线性偏振光束。反射光R中包括的线性偏振光束可分别通过自干涉发生器30而自干涉。因此，测量图像200可包括针对在辐射至样本之后反射的反射光R的每个波长的所有干涉图案。

参照图7A，可以看出测量图像200中的四个干涉图案P1、P2、P3和P4在它们之间以预定周期重复。图7B示出当辐射光仅包括第一波长λ1时的测量图像。图7B示出了在它们之间以预定周期重复的两个干涉图案P5和P6。图7C示出了当辐射光仅包括第二波长λ2时的测量图像。图7C示出了在它们之间以预定周期重复的两个干涉图案P7和P8。

换句话说，在图7A的测量图像200中，可由于图7B的第一波长λ1与图7C的第二波长λ2之间的波长差而出现周期图案。在这种情况下，当照明光L中包括的第一波长λ1和第二波长λ2之间的波长差过小时，在测量图像200中出现的干涉图案中可出现无周期性的图像。因此，可需要选择照明光L的第一波长λ1和第二波长λ2，使得在测量图像200中出现干涉图案。

控制器50可将测量图像200变换为二维频率空间中的数据并且可选择其中出现自干涉导致的峰的区。图8示出了通过将包括第一波长λ1和第二波长λ2的干涉图案的测量图像200变换为频率空间中的数据而获得的二维图像300。在图8中，可以看到出现了五个峰PK1、PK2、PK3、PK4和PK5。频率空间中的数据中出现的峰的数量可与照明光L中包括的波长的数量相关。当测量图像200被变换为频率空间中的数据时，测量图像200可被表示为恒定项与干涉项之和。

设置在二维图像300的中心部分中的第一峰PK1可对应于恒定项。第二峰PK2和第三峰PK3可对应于干涉项。另外，第四峰PK4和第五峰PK5可分别对应于第二峰PK2和第三峰PK3的共轭。换句话说，当照明光L中包括N个波长时，可以看到频率空间中的数据可包括对应于恒定项的一个峰和对应于干涉项的2N个峰。控制器50可标记包括峰的区，并且可从标记的区中选择一些区。换句话说，控制器50可标记其中出现第一峰至第五峰PK1、PK2、PK3、PK4和PK5的第一区至第五区310、320、330、340和350，并且可选择一些区。在示例实施例中，将通过示例的方式描述其中控制器50选择第一区310、第二区320和第三区320的情况。图9A至图9C是示出由控制器50选择的第一区310、第二区320和第三区320的图。

控制器50可将选择的区中的每一个中包括的数据逆变换，以将数据划分为二维图像。二维图像可包括第一图像和第二图像。第一图像可为表示反射光R的偏振分量的强度的图像，第二图像可为表示反射光R的偏振分量的相位差的图像。图10A示出了通过逆变换可仅被划分为第一图像311的第一区310中的数据获得的二维图像。图10B示出了通过逆变换可被划分为第一图像321和第二图像322的第二区320中的数据获得的二维图像。图10C示出了通过逆变换可被划分为第一图像331和第二图像332的第三区330中的数据获得的二维图像。

在一些示例实施例中，控制器50可在逆变换选择的区中包括的数据之前执行确定选择的区中的每一个中包括的峰的数量的处理，并且校正选择的区中的包括多个峰的异常区。将参照图11A至图11C描述其中控制器50校正异常区的处理。图11A示出了包括两个峰PK6和PK7的异常区360。当异常区360被逆变换以被划分为二维图像时，可以看到逆变换后的图像失真。

图11B和图11C是示出通过去除设置在图11A的异常区360外部的峰PK7而执行的校正的图。根据示例实施例，其中去除设置为相对远离异常区360的中心部分的峰PK7的情况(见图11A)被描述为示例，但是示例实施例不限于此。可将设置为靠近异常区360的中心部分的峰定义和描述为第一峰PK6，并且可将设置为相对远离异常区360的中心部分的峰定义和描述为第二峰PK7。控制器50可通过用其它数据替换包括第二峰PK7的区或者通过删除包括第二峰PK7的区来校正异常区360。

参照图11A和图11B，控制器50可执行用不包括第二峰PK7的第一区AR1中的数据替换选择的区360中的包括第二峰PK7的第二区AR2中的数据的校正。

可替换地，参照图11C，控制器50可执行删除选择的区360中的包括第二峰PK7的第三区AR3的校正。在这种情况下，第三区AR3可为不与峰PK6的带宽BW重叠的区。图11C示出了其中异常区被校正的图像中的每一个被正常地逆变换为二维图像。

控制器50可从针对每个波长获得的第一图像和第二图像中计算确定样本中包括的结构的临界尺寸所需的第一参数Ψ和第二参数Δ。在示例实施例中，第一波长λ1和第二波长λ2可被包括在测量图像200中。因此，可计算对应于第一波长λ1的第一参数Ψ1和第二参数Δ1和对应于第二波长λ2的第一参数Ψ2和第二参数Δ2。因此，根据示例实施例的半导体测量设备1可使用测量图像200来针对每个波长获得通过椭圆偏振法确定样本中包括的结构的临界尺寸所需的第一参数Ψ和第二参数Δ。

接着，将参照图5、图6、图7A至图7C、图8、图9A至图9C、图10A至图10C和图11A至图11C来描述操作图1的半导体测量设备1的方法。为防止重复描述，将省略相对于关于图1的半导体测量设备1描述的特征的详细描述。

参照图5和图1，根据示例实施例的半导体测量设备的操作可从选择照明光L的波长开始(S10)。控制器50可控制波长选择器12选择从光源11输出的光中的至少两种不同的波长。

在一些示例实施例中，控制器50可基于预存的数据库选择相对于样本60的临界尺寸具有最高灵敏度的至少两种波长的光，并且可控制波长选择器12选择具有选择的波长的光，并且输出该光作为照明光L。控制器50可根据样本60中包括的结构的结构特性和待测量的结构的临界尺寸来选择波长。例如，与其它波段的波长相比具有相对更高的灵敏度的波长可根据结构的延伸方向、结构的形状、结构的大致尺寸等而存在。因此，控制器50可根据样本60中包括的结构的结构特性和/或待测量的结构的临界尺寸来确定选择波长。

控制器50可在照明光L辐射至样本60上的同时获得测量图像(S20)。控制器50可将测量图像变换为二维频率空间中的数据(S30)。傅里叶变换、希尔伯特变换等可被应用于变换。控制器50可选择二维频率空间中的数据中的其中出现根据干涉的信号(即，自干涉导致的峰)的区(S40)。例如，在操作S40中选择的区中包括的数据可为与形成在限定在半导体测量设备的光学单元中包括的物镜的光瞳位置处的后焦平面上的图像相对应的数据。因此，控制器可逆变换在操作S40中选择的区中包括的数据，以获得在物镜22的后焦平面上形成的二维图像。例如，傅里叶变换和/或希尔伯特变换可应用于操作S30和S60的变换和逆变换。

控制器50可确定是否校正在操作S40中选择的区并且可在需要校正选择的区时校正选择的区。控制器50可通过逆变换选择的区中包括的数据来获得二维数据(S60)，并且可从二维图像中生成表示每个波长的分布的测量数据(S70)。

将参照图12描述根据示例实施例的半导体测量设备。图12是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。

参照图12，根据示例实施例的半导体测量设备2可包括照明单元10、光学单元20A、自干涉发生器30、第一图像传感器40、控制器50和传感器单元70。就光学单元20A和传感器单元70的特征而言，根据该示例实施例的半导体测量设备2与上述图1的半导体测量设备1不同。因此，将基于这些不同特征描述半导体测量设备2，并且将省略对其它特征的详细描述。

半导体测量设备2的第一图像传感器40可具有与图1的半导体测量设备1的图像传感器40相同的特征。例如，控制器50可利用通过第一图像传感器40生成的第一测量图像计算样本60的临界尺寸。

光学单元20A还可包括用于允许从样本60反射的反射光R入射于自干涉发生器30和传感器单元70中的每一个上的第二分束器25。

传感器单元70可包括偏振元件71和第二图像传感器72。偏振元件71可使通过第二分束器25折射的光偏振，以将偏振光传输至第二图像传感器72。第二图像传感器72可生成第二测量图像。控制器50可基于从第二图像传感器72传输的第二测量图像验证样本60的目标区，并且可聚焦于目标区。

图13是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。参照图13，根据示例实施例的半导体测量设备3可包括照明单元10、光学单元20、自干涉发生器30、图像传感器40、第一控制器50a和第二控制器50b。根据该示例实施例的半导体测量设备3与上述图1的半导体测量设备1的不同之处在于还包括第二控制器50b。将基于该不同特征描述半导体测量设备3，并且将省略对其它特征的详细描述。

半导体测量设备3的第一控制器50a就其操作而言可与图1的半导体测量设备1的控制器50相同。另外，在一些示例实施例中，第一控制器50a和第二控制器50b彼此集成。

第二控制器50b可连接至图像传感器40和波长选择器12，以观察从图像传感器40传输的测量图像中包括的干涉图案的周期性和对比度并且可确定是否针对每个波长将测量图像划分为第一图像和第二图像。当干涉图案的周期性不可验证或者干涉图案的对比度不满足参考值时，第二控制器50b可确定测量图像无法针对每个波长被划分为第一图像和第二图像。在这种情况下，第二控制器50b可重复地执行改变由波长选择器12选择的波长或通过控制波长选择器12调整波长中的每一个的光的量的反馈处理，直至从图像传感器40传输的测量图像针对每个波长被划分为第一图像和第二图像为止。

图14是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。图15是示出由图14的半导体测量设备执行的测量方法的图。

参照图14，根据示例实施例的半导体测量设备4可包括照明单元10B、光学单元20、自干涉发生器30B、第一图像传感器40和控制器50。就照明单元10B、自干涉发生器30B和偏振发生器100B的特征而言，根据该示例实施例的半导体测量设备4与上述图1的半导体测量设备不同。因此，将基于这些不同特征描述半导体测量设备4，并且将省略对其它特征的详细描述。

参照图14和图15，照明单元10B中的光源11可根据示例实施例输出具有特定波长的光。因此，省略根据上述示例实施例的波长选择器。

根据示例实施例，(偏振发生器100B中的)偏振器120a以及(自干涉发生器30B中的)棱镜构件31a和偏振元件32a中的每一个可基于光轴C被划分为四个部分。在示例实施例中，描述其中偏振器120a、棱镜构件31a和偏振元件32a中的每一个被划分为四个部分的情况作为示例。然而，示例实施例不限于这样的实施例。例如，偏振器120a、棱镜构件31a和偏振元件32a中的每一个可被划分为八个部分或任何其它合适数量的部分。

偏振器120a可包括各自具有扇形的四个划分的区块120a_1、120a_2、120a_3和120a_4。划分的区块120a_1、120a_2、120a_3和120a_4中的每一个可具有其中划分的区块120a_1、120a_2、120a_3和120a_4在它们之间具有对应于90度的差的干涉方向。因此，与上述示例实施例相比，根据示例实施例的半导体测量设备4的优点在于可以通过单次图像捕获获得在划分的区块中的每一个中干涉的反射光。

类似地，棱镜构件31a可包括各自具有正方形的四个划分的区块31a_1、31a_2、31a_3和31a_4，并且偏振元件32a可包括各自具有扇形的四个划分的区块32a_1、32a_2、32a_3和32a_4。

图16是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。参照图16，根据示例实施例的半导体测量设备5可包括照明单元10、光学单元20、自干涉发生器30C、图像传感器单元40C和控制器50。根据示例实施例的半导体测量设备5与上述图1的半导体测量设备1的不同之处在于图像传感器单元40C包括两个图像传感器40a和40b并且自干涉发生器30C包括偏振分束器34。因此，将基于这些不同特征描述半导体测量设备5，并且将省略对其它特征的详细描述。

图像传感器单元40C可包括第一图像传感器40a和第二图像传感器40b。第一图像传感器40a和第二图像传感器40b可分别输出第一测量图像200A和第二测量图像200B。控制器50可分别从第一图像传感器40a和第二图像传感器40b获得第一测量图像200A和第二测量图像200B。

自干涉发生器30C可包括棱镜构件31和偏振分束器34。偏振分束器34可被配置为反射偏振了45度的线性偏振光束，并且透射偏振了135度的线性偏振光束。因此，偏振分束器34可将具有不同偏振方向的线性偏振光束分别提供至第一图像传感器40a和第二图像传感器40b。

第一图像传感器40a可检测由偏振分束器34反射的每个偏振分量的干涉图案。第二图像传感器40b可检测通过偏振分束器34透射的每个偏振分量的干涉图案。因此，分别从第一图像传感器40a和第二图像传感器40b输出的第一测量图像200A和第二测量图像200B可包括相位彼此相反的干涉图案。

在根据上面参照图1描述的示例实施例的半导体测量设备1中，当由棱镜构件31划分的两个线性偏振光束之一的强度降低时，从图像传感器获得的测量图像的对比度可降低。然而，在该示例实施例中，可能不可确定强度降低的线性偏振光。然而，根据参照图16的示例实施例的半导体测量设备5可具有能够确定强度降低的线性偏振光的优点。

图17是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。参照图17，根据示例实施例的半导体测量设备6可包括照明单元10、光学单元20、自干涉发生器30D、图像传感器40和控制器50。根据该示例实施例的半导体测量设备6与上述图1的半导体测量设备1的不同之处在于自干涉发生器30D包括其中两个三角棱镜35和36彼此接合的偏振分束器。将基于这些不同特征描述半导体测量设备6，并且将省略对其它特征的详细描述。

根据示例实施例的自干涉发生器30D可包括其中第一三角棱镜35和第二三角棱镜36彼此接合的偏振分束器。第一三角棱镜35和第二三角棱镜36可具有作为基础表面的直角三角形。第一三角棱镜35可具有两个侧表面35a和35c(第一直角边在这两个侧表面35a和35c之间)以及与第一直角边相对的侧表面35b。第二三角棱镜36可具有两个侧表面36a和36c(第二直角边在这两个侧表面36a和36c之间)以及与第二直角边相对的侧表面36b。第二三角棱镜36可被设置为利用侧表面36a作为轴与第一三角棱镜35对称。第一三角棱镜35的侧表面35a和第二三角棱镜36的侧表面36a可彼此接合。作为接合表面操作的侧表面35a和36a可被配置为在由棱镜构件31划分的线性偏振光束中反射偏振了45度的线性偏振光束，并且透射偏振了135度的线性偏振光束。换句话说，由第一三角棱镜35和第二三角棱镜36制成的偏振分束器可将每个反射分量和每个透射分量输出至图像传感器40的后焦平面。因此，在根据示例实施例的半导体测量设备6中，图像传感器40可具有以下优点：能够确定通过偏振分束器的线性偏振光束中的强度降低的线性偏振光。

图18是示出根据示例实施例的半导体测量设备的示意图。参照图18，根据示例实施例的半导体测量设备7可包括照明单元10E、光学单元20E、自干涉发生器30、图像传感器40和控制器50。光学单元20E可包括偏振发生器100E和会聚透镜26。偏振发生器100E可包括照明透镜110和偏振器120。根据示例实施例的半导体测量设备7与上述图1的半导体测量设备1的不同之处在于照明单元10E、光学单元20E中的偏振发生器100E、光学单元20E中的会聚透镜26和自干涉发生器30被设置为相对于样本60倾斜，并且光学单元20E不包括分束器21。因此，将基于这些不同特征描述半导体测量设备7，并且将省略对其它特征的详细描述。

照明单元10E可用包括通过偏振发生器100E的线性偏振光的照明光L照射样本60。入射于样本60上的照明光L的光轴C可相对于样本60倾斜。与上述图1的半导体测量设备1相比，根据示例实施例的光学单元20E可不包括物镜。

光学单元20E中的会聚透镜26可传输当从样本60反射照明光L时生成的反射光R，以将反射光R输出至自干涉发生器30。反射光R的光轴C可相对于样本60的测量表面倾斜。图像传感器40可设置在会聚透镜26的后焦平面上。

本文中已经公开了示例实施例，并且尽管使用了特定术语，但它们仅在通用和描述性意义上被使用和被解释，而不是出于限制的目的。在一些情况下，如本领域普通技术人员自提交本申请起将清楚的，除非另有特别指示，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，或者与结合其他实施例描述的特征、特性和/或者元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，可在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，进行形式和细节的各种改变。

Claims (20)

1.一种半导体测量设备，包括：

照明单元，其被配置为选择具有不同波长的光并且提供所述光作为照明光；

光学单元，其包括被配置为选择所述照明光的偏振状态的偏振发生器、被配置为允许所述照明光入射于样本上的物镜、以及被配置为传输当所述照明光被从所述样本反射时生成的反射光的分束器；

自干涉发生器，其被配置为针对每个波长使从所述分束器传输的所述反射光自干涉并传输从所述分束器传输的所述反射光；

图像传感器，其被配置为输出包括所述反射光在所述物镜的后焦平面上的干涉图案的测量图像；以及

控制器，其被配置为处理所述测量图像以确定所述样本的所述照明光入射于其上的区中包括的结构的临界尺寸，

其中，所述控制器被配置为：通过将所述测量图像变换为二维频率空间中的数据来寻找与由所述照明单元选择的波长相对应的由自干涉导致的多个干涉分量的区，通过将所述区中的每一个中包括的数据逆变换来获得所述后焦平面上的针对每个波长划分的二维图像，并且利用所述二维图像确定所述结构的临界尺寸。

2.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为将所述区中的每一个中包括的所述数据逆变换，以针对每个波长将所述数据划分为表示所述反射光的偏振分量的强度比的第一图像和表示所述反射光的所述偏振分量的相位差的第二图像。

3.根据权利要求2所述的半导体测量设备，其中，

所述第一图像和所述第二图像包括像素，所述像素中的每一个包括与相对于光的光轴的距离相对应的第一分量和与相对于与所述样本的表面平行的参考轴的角度相对应的第二分量；并且

所述第一分量由入射于所述物镜上的所述照明光的入射角确定，并且所述第二分量由入射于所述物镜上的所述照明光的方位角确定。

4.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述自干涉发生器包括棱镜构件和偏振元件。

5.根据权利要求4所述的半导体测量设备，其中，所述棱镜构件是Nomarski棱镜、Wollaston棱镜和Rochon棱镜中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述图像传感器被配置为通过单次图像捕获以0度至360度之间的包括0度和360度的方位角获得所述反射光的所述测量图像。

7.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述照明单元包括：

光源，其被配置为发射具有宽带波长的光；以及

波长选择器，其被配置为从自所述光源发射的具有所述宽带波长的光中选择和输出具有不同波长的光。

8.根据权利要求7所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为控制所述波长选择器调整由所述波长选择器选择的具有不同波长的光的强度。

9.根据权利要求8所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为：

实时地分析所述测量图像，并且

改变由所述波长选择器选择的具有不同波长的光的波长或强度，直至所述干涉图案的周期性或对比度满足参考值为止。

10.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述偏振发生器设置在所述照明单元和所述自干涉发生器之间，并且包括被配置为选择所述照明光的偏振状态的偏振器。

11.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为：

识别所述区中包括的所述多个干涉分量的峰的数量，

将所述区中的每一个归类为包括一个峰的正常区和包括两个或更多个峰的异常区之一，所述两个或更多个峰包括第一峰和第二峰，所述第一峰比所述第二峰更靠近所述异常区的中心部分，以及

去除所述异常区的所述异常区中包括的所述两个或更多个峰中的所述第二峰。

12.根据权利要求11所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为用所述异常区中的不包括所述第二峰的数据替换所述异常区中的包括所述第二峰的数据。

13.根据权利要求11所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为删除所述异常区中的包括所述第二峰的数据。

14.根据权利要求13所述的半导体测量设备，其中，所述异常区的包括所述第二峰的部分不与所述第一峰的带宽重叠。

15.根据权利要求1所述的半导体测量设备，其中，所述图像传感器的表面设置在相对于所述后焦平面的位置的共轭位置。

16.一种半导体测量设备，包括：

照明单元，其被配置为提供包括具有不同波长的光的照明光；

光学单元，其包括被配置为选择所述照明光的偏振状态的偏振发生器和被配置为允许所述照明光入射于样本上的物镜，所述光学单元被配置为传输当所述照明光被从所述样本反射时生成的反射光；

自干涉发生器，其被配置为针对每个波长使从所述光学单元传输的所述反射光自干涉并且将所述反射光传输至第一图像传感器；以及

控制器，其被配置为处理由所述第一图像传感器输出的测量图像，以针对每个波长将所述测量图像划分为表示所述反射光的偏振分量的强度比的第一图像和表示所述反射光的所述偏振分量的相位差的第二图像。

17.根据权利要求16所述的半导体测量设备，其中，所述控制器被配置为：

将所述测量图像变换为二维频率空间中的数据，

在所述二维频率空间中的所述数据中寻找包括通过针对每个波长自干涉的所述反射光生成的多个干涉分量的区，

逆变换所述区中的每一个中包括的数据，以及

针对每个波长将所述数据划分为所述第一图像和所述第二图像。

18.根据权利要求16所述的半导体测量设备，其中，所述光学单元包括被设置为邻近于所述物镜并且所述照明光入射于其上的第一分束器和被设置为邻近于所述自干涉发生器并且所述反射光被从其分割的第二分束器。

19.根据权利要求18所述的半导体测量设备，还包括：

第二图像传感器，其被配置为对从所述第二分束器分割的所述反射光成像。

20.一种半导体测量设备，包括：

图像传感器，其被配置为：

针对每个波长将当包括具有不同波长的偏振分量的照明光被从样本反射时生成的反射光以彼此正交或具有任意预定角度的偏振方向划分为第一偏振分量和第二偏振分量，并且

输出针对每个波长的使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量自干涉的干涉图案；以及

控制器，其被配置为：

通过将由所述图像传感器输出的所述干涉图案变换为二维频率空间中的数据来寻找由自干涉导致的多个干涉分量的区，

通过逆变换所述区中的每一个中包括的数据来获得针对每个波长划分的二维图像，以及

针对每个波长从所述二维图像中获得表示从所述样本反射的所述反射光的偏振分量的强度比的第一图像和表示从所述样本反射的所述反射光的所述偏振分量的相位差的第二图像。