TW200813420A - An optical measurement system with simultaneous multiple wavelengths, multiple angles of incidence and angles of azimuth - Google Patents

Description

200813420 ‘ 、 * 九、發明說明： 優先權聲明 本申請案宣稱2006年5月10曰申請之名稱為，，An Optical Measurement System with Simultaneous Multiple Wavelengths, Multiple Angles of Incidence and Angles 〇f Azimuth”的暫時專利申請案的優先權，其 申请案唬為607799, 043。該申請案在此全部一併供做參考。 _ 【發明所屬之技術領域】 ;本發明係有關於-種檢測及量測系統，特別係有關於 諸如半導體4置及/或晶圓的待測部件（“ DUT” ）的光學檢 測及量測。 【先前技術】 經由導向的入射光束被待測部件反 生的資訊具有多種用途。在晶圓 九束所產 i仕日日上的不同鍍膜（單層 的厚度可由反射率或相對反射率 〆曰 山-^ , 干尤ϋ日决疋。同時，也可導 出早一波長的反射率。這有助於確 疋否'日日5]之^ ^ /,Α止 阻在微影曝光機台使用波長之反土佈的先 該晶圓的曝光强度大小，< 是 疋適當的用于 J 3疋將先阻的厚声畀#儿^ 整個堆疊鍍膜的反射率達到最小。 又U ，f传 分析精確量測的反射光譜而被決定;、的折射率也可經由 在多種工業應用中，經由一 相位，特別有助於以在_卜上^鏡量測樣品的反射率 在“上！測—非常薄的膜(厚度小

1201-8842-PF 5 200813420 於約300埃）的厚度。例如，樣品可為一半導體晶圓，且非 系濤的膜可被塗在晶圓的石夕基板上。 口為在半導體製私中通常對允許誤差要求非常高，故 需要用以精確之量測晶圓的反射率的裝置。在傳統的反射 率里測系統中，單色或寬帶光被晶圓反射，且反射的光被 收集及量測。例如，參閱圖1，在傳統的量測及/或檢測系 統中，使用一透鏡100,在該處進入的入射光線1〇2通過 Φ 透鏡1〇〇折射，且被聚焦104在待測部件106上，並產生 可被分析的反射率資訊。 门數值孔>/工（ΝΑ )透鏡（ΝΑ〜〇· 95)已被用以達成同 時大範圍的入射角及方位角。不過，其具有許多限制。首 先’由於在UV波長的材料會吸收人射光’其非常難以將波 長延伸至UV(例如，低於400nm)波段。第二，由於色像差， 〃非丰難以以見的覓帶輻射工作，諸如同時從至 lOOOnm第二，隨著光通過透鏡，有光吸收的問題，光的 •㊣度隨著其通過透鏡被減小。第四，隨著光通過透鏡，因 為為了具有好的光折射’透鏡的品質變成非常緊要，故光 隨著其通過透鏡的折射也是一個問題。 為了達成X▼系統性能的一致性，需要反射型的光學 H由於其有限數目的設計變量，設計的選擇也被限制。 例如，史瓦西（Schwarzchild)設計的反射物鏡具有有限的 NA及中央的光束障礙。其無法達成大範圍的入射角。非球 形反射面也被廣泛地使用。不過，其最常以傳統的方式被 使用，亦即，對稱轴係垂直於表面，入射角的範圍也被限

1201-8842-PF 6 200813420 w 制。 ’可推斷出表面的特 強度、偏振、相位、 射率、薄膜厚度、表 表面上的粒子、表面 經由分析反射或透射光束的特性 性。反射或透射光束的特性包括光的 反射角、波長等。表面的特性包括反 面或薄膜的折射率、表面的微結構、 上的缺陷及表面粗糙度等。 關於反射或透射光束之被檢測的資訊越多，越多關於 表面特性的資訊可被推斷。為該目的，希望能有—發明， 其容許檢測⑴全範圍的人射角（0至近9G度）；⑵大範圍 的方位角；（3)非常大範圍的波長；及⑷任何的偏振狀態。 因此，在光學量測及檢測系'统中希Μ束可從不同的 入射角或不同的方位角入射至物體上。其進一步希望光束 係多波長或連續波長。 【發明内容】 本發明之目的在於提供方法及裝置，其可以由反射面 達成全範圍的入射角（〇度至接近90度）。 本务明之另一目的在於提供方法及裝置，其可達成大 範圍的方位角。 本發明之另一目的在於提供方法及裝置，其可達成非 常大的範圍之波長。 I月之另目的在於提供方法及裝置，其可達成任 何的偏振狀態。 簡5之，本發明揭示一光學量測裝置，包括：——光源，

1201-8842-PF 7 200813420 用以提供入射光線；一半拋物面形反射器，具有一内反射 面，其令，言亥反射器具有一焦點及一對稱轴，且待測部件 被配置在焦點附近；其令，進人與反射器之對稱軸平行之 入射光線會被導向焦點且反射離開該待測部件並產生表示 该待測部件的資訊；其中，該反射光線離去該反射器；及 一檢測陣列，用接收離去的光線。 可由反射面達 ’其可達成大 ，其可達成非 ’其可達成任 ❿ 本發明之優點係其提供方法及裝置，其 成全範圍的入射角（〇度至接近90度）。 本發明之另一優點係其提供方法及裝置 範圍的方位角.。 本發明之另一優點係其提供方法及裝置 常大的範圍之波長。 本發明之·另一優點係其提供方法及裝置 何的偏振狀態。 下面參考圖式及其應用的例子進一步說明本發明。 【實施方式】 參閱圖2,本發明之實施例的關鍵基礎概念被闡明。 給出被設置在"由及z軸上的拋物線21〇，概念上地，拋 物線的形狀可被描述為一簡單的數學函數，z = a〆，其中 平行於z轴之進入的入射光線將在其焦點” f，，與z軸交 叉，其中焦點係位於（〇，1/4a)，且，，a，，係一常數。進入 的入射光線與拋物線表面交又且其被再導向在入射面 21 2(垂直於對稱軸且通過焦點” F，，的平面）的焦點。

1201-8842-PF 8 200813420 在此’如圖所示，入射之進入的光線214平行於對稱 轴。光線照射拋物線表面且拋物線反射器，由於其特性， 將光束導引朝向其焦點並在交叉點” F”與z軸交叉。在交 叉之後’光線再次照射到拋物線表面，且抛物線表面將光 線218再導引向後朝向其平行於對稱軸之入射方向。由於 抛物線之獨特的特徵，若進入的光線平行於對稱轴，則反 射的光線將一直平行於對稱軸。 在本發明之較佳實施例中，參閱圖3，一拋物面反射 器310被繪示，其可為半拋物面的形狀。在此，上述特性 對於二維拋物形狀也同樣適用。例如，進入的入射光線 314，光線！，其平行於對稱軸而進入，將在316反射離開 拋物面。由於拋物面的特徵，反射的光線將被導向至拋物 面的焦點，點，’ F” ，其也是在交叉面312及z軸，對稱軸， =間的交又點。光線會反射離開點” F，，，產生相關於待測 部件（未顯示）的資訊並再次反射到拋物面上點318，最後 從該點離開且被拋物面反射器反射，成爲光線320而離 開其將被檢測器（未顯示）讀取。再次，由於拋物面之獨 特的特徵，若進人的人射光線平行於對稱軸，則反射的光 線將一直平行於對稱軸。 本發明之實施例中反射器的形狀可為抛物面，其可由 繞著其對稱軸旋轉一拋物線而被製作。反射器可經由將拋 物面沿著其旋轉軸切成兩半加以製作。在實際的使用中， 本發明之較佳實施例的反射器可稍小於拖物面的一半，使 得拋物面之可被設置於將被量測或檢測的待測部件

1201-8842-PF 9 200813420 的表面上。拋物面反射器的内面會是反射面。 取決於在光線與拋物面交叉處，光線將以不同的入射 及方位角舆抛物面平坦表面交叉。在拋物形表面上之交叉 點與光線角度之間的關係可輕易地被計算。參閱圖4，在 觀看進入拋物形反射器的開口時，若我們朝向反射光束觀 看’拋物形反射器看起來像一半的半球。讓我們想像在反 射為的端面有一極座標，則進入的光線之截面係四分之一 圓，而反射的光束之截面也是四分之一圓。 φ 以1/(2a)的半徑進入的入射光線也將以相同的半徑射 出（參看進入的入射光線1，，I i，，及出去的出射光線 1 01 )。可輕易地看出，任何進入的入射光線在從對稱 轴起之距離” b”處與拋物形表面交叉，然後離去的出射光 線將在（1 /2a)2/b的距離處與拋物形表面交叉。在入射面量 測的角度將相同。所以，在極座標（ρ，θ)中，若進入的入射 光線具有座標（Ρ，Θ)，離去的出射光線將具有座標 φ (r /ρ，π 2Θ)，其中r = l/(2a)。一光線，諸如平行於ζ 軸進入的入射光線2( “12”及，，02”），也會平行於ζ軸 離去。 參閱圖5,繪示反射器51〇的側視圖。在此，焦點 (〇，l/4a)係位於512,且與傳統的檢測系統相比時，待測 部件可相當大。在此，光線！、2、3及4係平行於ζ轴進 入，且如圖式說明，在照射到待測部件之後，光線被再導 向並反射離開反射器，從反射器被再導引出去。 參閱圖6,以入射面612及方位角9繪示反射器61〇的

1201-8842-PF 10 200813420 -=16 線1平行於Z軸進入614且從反射器的 /、、、.、:然後，在待測部件(未顯示)上反射離開且再次其 反射益上點620反射，並成爲出射光線622平行於2軸 從反射器出去。光線2沿著並平行於ζ轴進入且沿著2 的路徑離去。 /口者相Π 離去的出射光線，因為其已被反射離開待測部件，它 參t’的特徵會提供表示待測部件的資訊。反射的光線合被一 檢測裝置收集且然後實施反射 幻尤線之刀析。檢測裝置可 為依仏測工作或量測工作的本質而定之任何類型。 筝閱圖7，在本發明之再一每 妨署/ 力之再““列中，光源714可被 射2 ’使光從焦點發出且被再導向以在離去反 中°°二準直先束。參閱圖8，在本發明之再-實施例 !=檢測器814可被放置在焦點犯以收集進入反射 二先且束。：另一實施例中’-光源可被放置在焦點(參看 • 心也可同樣地被放置在焦點（參看圖8)以收 ==測部件反射的任何光，其中，待測部件可被放 置在反射益（未顯不8 1 g )的 ν% , ^ b)的開口。或者’光檢測器可被放 置在反射為的背面以收集準直光束。 你在本發明之另一實施例中，參閱圖9,本發明之一拖 面反與-檢測器陣列9〇4被一起放置，其可為 - η維陣列且最好是二維檢測器陣列。檢測器陣列；以是 f纖或者光轉換器或者是其他器件的陣列。檢測器陣列也 疋提供反射光線空間分右卢自 ]刀布k息的一種手段。在.接收從拋物

1201-8842-PF 11 200813420 形反射器反射的光線之後，這些光線可被檢測器陣列檢測 且檢測的信號經由光譜儀輸入光纖91〇被傳送至一或多個 光譜儀。被檢測器陣列接收的信號的例子之前視圖被繪示 在906。關於在檢測器陣列上之接收信號的位置之資訊也 可同樣地被用於例如計算不同的角度及強度。 參

在一實施例中，參閱圖10，與濾光輪1〇14結合的一 實施例的侧視圖被繪示。在此，有一濾光輪丨〇14，其可被· 一馬達1012轉動。準直光線1018會通過濾光輪上的一選 疋波長的渡光裔且被一半透半反鏡或分光器1〇1〇反射離 開，光線會被反射朝向拋物面反射器1 〇〇2且被導向至焦點 以反射離開待測部件1〇08。然後，反射的光線會再次反射 離開拋物形反射器並通過半透半反鏡1 〇 i且被檢測器陣列 1 004收集。可收集光線的二維檢測器像素矩陣的前視圖被 繪示於1 0 0 6。這是光譜反射儀的一個結構。注意濾光輪具 有許多帶通濾光器1115A、1115B.....及1115E。 圖11A繪示被圖1 〇繪示的實施例之上視圖。在此，濾 光輪1114具有一些波長濾光器ni5A—1115E。可選擇期望 的波長濾光器且光束可被導向以通過該濾光器且被半透半 反鏡1110分開並被導引朝向拋物面反射器。在光線反射離 開拋物面反射器及待測部件之後，其可被檢測器陣列n04 收集。注意半透半反鏡（分光器）可僅被放置在抛物面反射 器（如圖所示）的一側或在兩侧上。圖11B繪示說明由被繪 示於圖11A的個別的波長濾光器（1115A- 1115E)傳送的波 長之帶通濾光·器圖式。關於檢測器陣列，在檢測器陣列上 1201-8842-PF 12 200813420 2像素可表示在該波長之—個❹個類型的角度（即入 =、衍㈣和散射角）及—個唯—的方位角。對於在據 、輪上的各帶通濾光器來說’該過程可被重複。 圖12繪示本發明之再一個實施例。在此，一可選的可 調式及可選擇的起偏器12〇6可被加至靠近光源，使得偏振 的光線通過並反射離開半透半反冑1203及拋物面反射器 1 202。除了可選的起偏器12〇6外，一可選的可調式及可選 擇的k偏盎12 0 7可被增加靠近檢測器陣列丨2 〇 4。然後， 光線可被檢測器陣列1 204接收。此外，若如此希望’，、可選 的波片1 220(由一馬達1222驅動)可被放置靠近光源以容 許特定相位的選擇。 圖13繪不本發明之再一個實施例，其中可選的起偏器 1 306及可選的檢偏器13〇7和一波長濾光器配在一起，其 可被放置靠近光源1 324或靠近檢測器陣列！ 3〗4。在此， 先線1318通過起偏器1306及波長濾光輪1324並經半透半 響 反鏡分光’經拋物面反射器1 3 0 2反射至待測部件1 3 0 8。 然後’光線反射離開待測部件1 3 〇 8，並通過半透半反鏡 1 303、濾光輪1314及檢偏器1307至檢测器陣列1 304。因 此，光線已被偏振且關注的波長被選擇。 圖14A-14C繪示利用不同類型的光源之其他實施例。 圖14A繪示一實施例，其中光源1428係一可調式光源。圖 14B繪示一實施例，其中光源係一排鐳射 1450A-1450M，各 具有特定的波長。各鐳射可被選擇地開啟或關閉且半透半 反鏡1472-1478可被用以將鐳射光束反射至半透半反鏡 1201-8842-PF 13 200813420 1470。圖14C繪示-實施例，其中光源通過-可調式遽光 器 1480 〇 本發明之實施例已被說明使用反射模式。本發明也可 被應用至透射模式，其中待測部件係透明的，在該處可通 過光線。圖15繪示此種實施例，其中待測部件15〇8是透 明的（此種本質使光可通過）且光線1518通過一可選的起 偏器1 506,反射離開半透半反鏡15〇3及第一抛物面反射 器i5〇2j通過待測部件1 508。光線繼續反射離開第二拋物 面反射DD 1 503 ’通過一可選的檢偏器，並且被檢測器陣列 1 5 0 4收集。在此，待測部件的特徵可被檢測、檢驗及量測。 本發明之另一實施例被繪示於圖1 6。在此，有一開口 1610在拋物形反射器1602上，其係直接在焦點（正常位置） 上方。-強烈的純光’諸如鐘射光束’被導向至待測部件 刪。若在待測部件上被發現一粒子，則會產生散射光線 且被檢測器陣列1 604收集。在另一應用中，參閱圖17’ 籲此實施例也可檢測在待測部件17〇8上很小的微粒及表面 粗缝度。 本發明之再一實施例被繪示於圖丨8。在此，一開口 1810被提供在反射器μ - , _ t 引裔上，其中一強烈的純光被提供 通過反射器1802的一開口 1β1η ^ u 4 a、^ ’、 181 〇而到達待測部件1 $ q 8。在 待測部件1 8 0 8上的粒子岑姓搂奋客 丁 q、纟。構會產生散射光且會被檢 器陣列1 804收集。 ' 雖 本發明 然 並 本發明已參考某些較佳實施例加以說 不限定於此特定的實施例。更確切地 明 ，應瞭解 發明人主

1201-8842-PF 14 200813420 張本發明應以如下列之申請專利範圍所表現的最廣泛的意 義被瞭解及建構。從而，申請專利範圍將被理解為不僅包 含在此描述的較佳實施例，也包含所有其他及進一步的變 更及修改，熟知此技藝者當可明瞭。 【圖式簡單說明】 圖1係繪示用於使用檢測及/或量測系統之透鏡聚焦 光束的習知技術； 參 圖2係本發明之技術的二維概念圖式； 圖3係本發明之較佳實施例的三維上侧視圖； 圖4係本發明之拋物面反射器内的視圖； 圖5係本發明之拋物面反射器的侧視圖； 圖6係本發明之抛物面反射器的上視圖·， 圖7係本發明之另一實施例，其中光源被放置在拋物 面反射器的焦點； 馨 圖8係本發明之另一實施例，其中光檢測器被放置在 拋物面反射器的焦點； 圖9緣示被放置與檢測器陣列結合的拋物面反射器， 檢測益陣列連接一個或多個鐳射； 圖10繪不與波長濾光輪、分光器及檢測器陣列一起的 拋物面反射器的側視圖； 圖11A繪示舆波長濾光輪、分光器及檢測器陣列一起 的拋物面反射器的上視圖； 圖11B繪示與圖11A的濾光輪上的波長濾光器對應之

1201-8842-PF 15 200813420 帶通濾光器圖式； 圖1 2繪示與起偏器、波片、分光器及檢偏器一起的拋 物面反射器的側視圖； 圖13繪不與起偏器、分光器、靠近光源的濾光輪、靠 近檢測盗陣列的濾光輪、檢偏器及檢測器陣列一起的拋物 形反射器的侧視圖；

圖1 4A繪示與可調式光源、起偏器、分光器、濾光輪 及心偏裔一起的另一拋物面反射器的侧視圖； 圖14B %示與做為光源的多個鐳射光束、起偏器、分 光為、濾光輪及檢偏器一起的拋物面反射器的侧視圖； —圖14C繪示與可調式濾光器、起偏器、分光器、濾光 輪及檢偏器一起的拋物面反射器的侧視圖；

圖U繪示在透射模式中之本發明的實施例； 圖 1 6 置具有開口， 對於粒子； 示本發明之另一實施例，在反射器上於正常位 用以容許強光通過以檢測待測部件，特別是 圖 1 7絡_ , 置具有心、 明之另—實施例，在反射器上於正常位 對於粗糙表面用：容許強光通過以檢測待測部件，特別是 圖18纷 置具有開口 子0 不本發明之另一實施例，在反射器上於侧邊位 用以容許強光通過以檢測待測部件上的小粒 【主要元件符號說明】 1201 ~8842-pp 16 200813420 1、2、3、4、214、218、314、1018、1318、1518: t 線； 100 :透鏡； 101 、 1110 、 1203 、 1303 、 1470 、 1472-1478 、 1503 : 半透半反鏡； 106 、 1008 、 1308 、 1508 、 1608 、 1708 、 1808 : DUT ; 210 :拋物線； 310 、 902 、 1002 、 1202 、 1302 、 1502 、 1503 、 1602 : w 拋物面反射器； 312 :交叉面； 318 :抛物面表面； 610、1802 :反射器； 612 :入射面； 712、81 2 :焦點； 714、1 324、1428 :光源； _ 814 :光檢測器； 904、1 004、1104、1 204、1 304、1314、1 504、1 604、 1804 :檢測器陣列； 910、1115A-1115E、1 308、1480 :濾光器； 1010 :分光器； 1012、1 222 :馬達； 1014、1114、1314、1324 :濾光輪； 1206 、 1306 、 1506 :起偏器； 1 207、1 307 :檢偏器；

1201-8842-PF 17 200813420 1 220 :波片； 1450A-1450M : 1610 、 1810 : 鐳射； 開口。

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Claims (1)

1. 200813420 十、申請專利範園·· 一種光學裝置，包括： 光源，用以提供進入的入射光線； 、一半拋物面反射器，具有-反射面及-焦黑占，用以將 進入的光線♦焦在待測部件上，#中進人的光線從待測部 件反射離開且其中反射的光線提供表示待測部件的資訊； 才欢則陣列，用以收集從該待測部件反射離開之反射 的光線。 2. 如申請專利範圍帛μ的裝置m則陣列係 -矩陣的檢測器且從反射器反射的光線的位置係對 測陣列。 3. 如申請專利範圍第μ的裝置，更包括_起偏器， 其中進入的光線在反射離開反射器之前通過起偏哭。 4. 如申請專利範圍第！項的裝置，更包括_；檢偏哭， 其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過撿偏哭。° 5_如申請專利範圍第3項的裝置，更命红" 人巴枯_檢偏哭， 其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過檢偏％ σσ 6.如申請專利範圍第1項的裝置，更包括一為。 為，其中進入的光線在反射離開反射哭 、長k擇 器。 …則通過波長選擇 器， 器。 Ί·如申請專利範圍第1項的裝置， 其中反射的光線在被檢測陣列收集 更包括〜波長選擇

   1201-8842-PF 19 200813420 8 ·如申請專利範圍第6項的裝置，更包括一波長選擇 為’其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過波長選擇 器。 9 ·如申请專利範圍第1項的裝置，更包括一波片，其 中進入的光線在反射離開反射器之前通過波片。 10·如申請專利範圍第i項的裝置，更包括一波片， 其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過波片。 _ 11·如申請專利範圍第9項的裝置，更包括一波片， 其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過波片。 12·如申請專利範圍帛1項的裝置，其中，光源係_ 可調式光源。 ' 光源係複 13·如申請專利範圍第丨項的裝置，其中 數可選的鐳射光束。

   14.如申請專利範圍第 可调式錐射。 1項的裝置

   15·如申請專利範圍第〗項的裝置，其中 一可調式濾光器。 光源通過 16· 一種光學裝置，包括： 光源’用以提供進入的光線； 起偏裔，其中進入的光線通過該起偏器； 、 汉射裔，具有一反射面及一焦點，函、 進入的光線平隹* 4 用以將 Α…在待測"Η牛上，其中進入的光線從技、 件反射離開Η贫rb Π： 4 、、炎《待須部 及 ，、中反射的光線提供表示待測部件的資訊； 1201-8842-PF 20 200813420 檢偏為'，其中反射的光線通過該檢偏器； 一檢測陣列，用以收集從該待測部件反射離開之被檢 偏的反射光線，其中檢測陣列係一矩陣的檢測器且從反射 器反射的光線的位置係對照於檢測陣列。 Π·如申請專利範圍第16項的裝置，更包括一波長選 擇m其中進入的光線在反射離開反射器之前通過波長選 擇器。 • 18.如申叫專利範圍第16項的裝置，更包括一波長選 攀擇器，其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過波長選 擇器。 1 9.如申請專利範圍第i 6項的裝置，更包括一波片， 其中進入的光線在反射離開反射器之前通過波片。 20·如申請專利範圍第16項的裝置，更包括一波片， 其中反射的光線在被檢測陣列收集之前通過波片。 21. —種測量待測部件的方法，包括·· _^提供進入拋物面的入射光源； 抛物面將光線反射到抛物面的焦點和待測部件上·， 收集從待測部件上反射、傳送、散射和衍射的光線。 22. 如中請專利範圍第21項的方法，其中光線和抛物 面對稱軸平行。 23. 如申請專利範圍第21項的方法，其中 光線。 24. 如申請專利範圍帛211員的方法，其中收集到的光 線和拋物面對稱轴平行。 1201-8842-PF 21 200813420 25.如申請專利範圍第21項的方法，其中收集光線的 步驟是採用和一個或多個光譜儀耦合的檢測器矩陣來收集 光線。 1201-8842-PF 22