TW200837326A - Self referencing heterodyne reflectometer and method for implementing - Google Patents

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200837326 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及反射計。更具體地講，本發明涉及透過外 • 差反射計在反射分離頻率信號中藉由測量相位移以獲得厚 - 度資訊的反射計系統和方法，而在檢測過程中不需要一參 考晶片。進一步，本發明涉及使用外差反射計的外差信號 測量基底上形成的薄或極薄薄膜的厚度的方法和系統。尤 其地，.本發明涉及用來監控補償檢測器漂移的薄膜厚度的 自相關外差反射計。另外，本發明涉及補償在光測量元件 ' 中產生的寄生雜訊的外差反射計。本發明也涉及現場監控 薄膜厚度的外差反射計。 【先前技術】 由於在晶片製造中對極精確公差的要求提高，在處理 期間必須非常仔細地控制隨後層的物理特性來獲得對於大 部分應用來說滿意的結果。廣泛地定義，干涉儀涉及波的 相互作用的測量，例如光波。干涉儀工作原理是相位相同 的兩個相干波會相互增強而相位相反的兩個波會相互削 弱。先前技術的監控系統利用干涉儀在表面輪廓中測量變 化，從中可以推斷特徵高度資訊。Hongzhi Zhao等人的文 章 “A Practical Heterodyne Surface Interferometer with Automatic Focusing”（自動聚焦的實用外差表面干涉計） 發表於2000年的SPIE Proceedings第4231卷第301頁， 其全部内容在此引作參考，揭露了一個檢測參考外差信號 7 200837326 和測量信號之間相位差的干涉儀。可以從測量中推斷出與 表面上的明顯亮點相關的高度資訊。儘管參考信號和測量 信號是由不同路徑上傳播的光束來產生，這就是共路徑干 涉計（common path interferometer)。這種方法有時稱為共轴 線（common_axis)方法或者垂直軸線(norrnal-axis)方法，因 為入射和反射光束佔用到達目標位置的公共路徑或轴線， 該路徑或軸線垂直於待檢查的平面。 先前技術中共路徑干涉計的一個缺點是：根據參考信 號大尺寸照明區的平均高度來計算高度資訊。因此，結果 的準確度受到表面粗糙程度的不利影響。先前技術之共路 徑方法的另一個侷限是··不對薄膜層的實際厚度參數進行 測量或者計算。 監測薄膜厚度的其他嘗試係通過光源的頻率調制來獲 得外差的作用。授予Zhang的名稱為“Method of Measuring the Thickness of a Transparent Material”（用於測量透明材 料厚度的方法）的美國專利No· 5657124和授予Zhang等 人的名稱為 “Process and Device for Measuring the Thickness of a Transparent Material Using a Modulated Frequency Light Source”（使用調制頻率光源的測量透明 材料厚度的方法和設備）的美國專利No· 6215556公開了 這樣的設備，其全部内容在此引作參考。關於這些設備， 具有調制頻率的極化光束被定向到目標表面，並且根據兩 條光束檢測外差干涉信號，一條由目標的頂面反射，而第 二條由目標的底面反射。通過比較外差干涉信號和光源的 200837326 線性調制強度，根據每調制週期中差拍的數量確定厚度。 這些類型設備的原理性缺陷是，由於通過光源的頻率調制 獲得外差，其帶寬限制了可測量的最薄薄膜。 • 纟他外奸涉計根據兩解獨的光束獲得外差信號，· ' —個絲處於第—頻率和極化1^第二光束處於第二頻率和 極化。授予Hanma等人的名稱為“Meth〇d福加

Simultaneously Interferometrically Measuring Optical 〇 Characteristics in a N〇ncontact Manner，，（以非接觸方式同 步干涉測量光學特性的方法和裝置）的美國專利N〇. 6172752 和授予 Aiyer 的名稱為“Heter〇dyne Thkkness

Monitoring System”（外差式厚度監測系統）的美國專利 No. 6261152公開了這種干涉計，通過引用將其整體結合到 此。其全部内容在此引作參考。 第一圖是外差式厚度監測裝置的示意圖，其中一對頻 率分離、正交極化光束在被混合以及外差之前傳播於分離 I7 的光學路徑中，如先前技術習知之化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)裝置所使用的。從而，外差厚 度監測系統100通常包括CMP裝置、晶片110和測量光學 元件。晶片110包括基底112和薄膜114。 測量光學元件通常包括用於檢測和測量反射光束光學 頻率中都卜勒偏移的各種部件，包括雷射源140、光束分 離器（beam splitter，BS)144、極化光束分離器（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、混頻極化器（mixing p〇larizer)143、 9 200837326 光電檢測器147、混頻極化器145、光電檢測器149以及電 連接到光電檢測器147和149的輸出信號處理元件154。 運行中，雷射二極體140發射的光束具有第一波長的 第一線性極化光分量102以及第二波長但與第一極化分量 正交極化的第二線性極化分量103。第一和第二極化分量 102和103共線傳播到BS 144，兩種分量的一部分在此 如光束134和135所示反射到混頻極化器145，然後如光 束116和117所示達到檢測器149，在此產生信號12。 極化分量102和103的發射部分如光束1〇4和1〇5所 示傳播到PBS 146。在PBS 146，分量1〇4沿著如光束106 所示的第一傳播路徑並且經過參考四分之一波板148達到 反射器152，以及如光束122 (正交極化於光束1〇6)所示 後向反射經過四分之一波板148，在此其在PBS 146反射 到達混頻極化器143並且如光束124所示到達檢測器147。 來自分量105的第二極化分量沿著分離於第一路徑， 如光束107所示的傳輸路徑並且定向正交於第一極化分量 104，因而從PBS 146反射、如光束109所示經過四分之一 波板150並且傳播到光學透明可旋轉載體115。光束109 在後表面可旋轉載體115、基底112和薄膜114頂面之間的 分介面經歷部分反射，從而分別產生部分反射光束111S、 111T和111B。每個反射光束109S、109T和109B後向傳 播經過四分之一波板150，如光束113S、113T和113B所 示傳輸經過PBS146並且和光束122共線傳輸到混頻極化 器145，如光束124、135S、135T和135B所示，然後在光 200837326 電檢測器147檢測為信號h °重要的是，I!產生自以一定 光學頻率振蘯、與薄膜相互作用的光束107和以另一個光 •學頻率振盡、並且在不與薄膜相互作用的第二光學路徑上 傳播的光束106。信號Ιι和I2進行比較得到厚度測量。 • 當測量光束經歷光學路徑長度改變時，差拍信號將經 歷相應的相位偏移。相位偏移的量可以通過比較測量光束 的相位和沒有光通道長度改變的光束的相位來確定。光束 ° 之間的相位偏移可以推斷出一距離，該推斷之距離為目標 樣本的厚度（或厚度之改變）。 丁 /月疋的X因為&號;^從具有不同光路徑的兩個光 束中檢測到的，其中只有一個與樣本互相作用，任何一個 絲的光路徑改變皆可以被推斷作為到薄膜表面距離的改 變。而且，因為只測量了到薄膜表面的-個點的距離，影 響測量的外來因素可作為厚度改變的解釋，例如晶片傾 fj 斜。因此，此種反射計大部分被用於輪廓測量。 【發明内容】 、本發明致力於—種外差式反射計之系統和方法，根據 外差光學信號獲得高準確性的相位移並且根據該相位移計 算準確的厚度，而不用一個參考晶片來校正。所述外差式 反射計通常包括具有分離光頻率的光學光源、用於產生光 子差拍彳。號的對頻H、用於檢測並轉換所述光學 差拍信號到電外差差拍信號的一對光學檢測器、以及用於 檢測兩個電信號之間相位移量的相位移檢測器。 11 200837326 自參考外差反射計在兩種模式下操作··外差反射計 (HR )模式’其中使用的hr光束包含s和p極化光束分 量.，該極化光束分量係於分角頻率為Αω下極化 的；和自參考（SR)模式，其中使用的8尺光束包含ρ極 化光束分量，該極化光束分量係於分角頻率為 下極化的。根據從HR光束中檢測到的/〜/和^信號得到 測量相位偏移5Ref/film，根據從SR光束中檢測到的/_和/_ 信號得到參考相位偏移SRef/Sub。從HR光束的差拍信號產生 的測量相位偏移5]^龍1111用於薄膜厚度測量。SR光束是p極 化的，不會從薄膜表面產生顯著的反射。從薄膜基底介面 返回的反射不會攜帶任何屬於薄膜的相位資訊。因此，從 SR光束的差拍信號產生的參考相位偏移3心仍❿等同於使 用參考樣本得到的資訊。 通過快速連續地在HR和SR模式之間轉換，可以假設 檢測器中溫度感應雜訊和相位偏移就此二測量來說是相同 的。可以從測量相位偏移5Ref/film和參考相位偏移5以仍❿計 异出薄膜相位偏移。這樣，兩個檢測器中的溫度感應 才双測裔雜訊和相位偏移都被有效的消除了，產生與溫度無 關的△())_。 既然參考相位偏移§Ref/Sub不會被薄膜改變所影響，並 且基底不改變，連續參考相位偏移值之間的變化歸因於檢 測裔雜汛或相位偏移相關的溫度。可以通過監控連續參考 相位2移值的變化來檢測不可接受的雜訊級別。然後可以 把测i之間的相位變化數量與雜訊門禮比較。 12 200837326 【實施方式】 在邁克耳孫(Michelson)外差干涉計中，干涉參考光束 和測量光束具有微小的光學頻率差，通事為〜KHz到MHz。 兩者之間的干涉表示為等式： · I - Λ + BQos{^ωt + φ) (1) 」是直流電分量； 5是代表條紋可見度的信號分量； ο υ 卢是參考光束和測量光束之間的相位差；以及 心是兩個信號之間的角頻率差。兩者之間的干涉可以 看作角頻率等於角頻率差心的差拍信號。 當測量光束經歷光學路徑長度變化（△〃）時，差拍信號 將經歷相應的相位移。 本發明揭露了 一種簡單外差反射計，用於2〇〇5年7月 ίο*日提交、名稱為“使用外差反射計和光栅干涉測量法監 控薄膜厚度的方法”的共同提交美國專利申請 N〇.11/178,856’和2005年2月25日提交、^稱為“用於 監控薄膜厚度的外差絲収其實現料，，的美 ==N_66’933 量的方法。根據‘方 法，.的f級兩個皆與樣本作料光束分量被外差。 2先束分量幾乎全部折射到薄膜中並反射到薄膜底部， I:::面广，外差測量信號的相位由嫌 先束刀罝在先路針的不同由此而涉及到樣本的 論第二圖巾的外差反料將理。予又。# 第二圖是測量薄膜厚度的外差反料的示意圖。外差 200837326 反射計200通常包括使直接入射光束203以入射角α入射到 薄膜214和基底212的光學元件。光源220產生有兩個線 性極化分量以分離光頻率運行的光束220，他們彼此正交 來如、免目標。例如，光束可有以頻率0進行s極化的光束分 量和以頻率⑺+ ―進行Ρ極化的光束分量。 光束203包括兩個彼此正交的線性極化分量，具有分 離的光學頻率，即分離的頻率分別為仍和μ心的s極化和ρ 極化光束分量。如這裡所用的，心約為2〇ΜΗζ，但這只是 示例，在不脫離本發明範圍的情況下可以使用其他的頻率 分隔。用於產生這個光束的光源220可以是例如塞曼分隔 氦氖雷射器（Zeeman split He-Ne laser)。作為替代，來自單 個模式雷射源的光束可以分割為兩個分離的光束，分離光 束中的一個或兩個頻移到預定的頻率，例如使用聲光調制 裔。然後頻率分離的光束在入射薄膜214之前可以重組。 使用任何適當的光學元件重新定向前面_的光束的路徑 ，將光束定向到入射平面内並且朝向薄膜214。如圖所示， 一對二角棱鏡（入射棱鏡232和反射棱鏡234)將入射光 束203定向到薄膜214並且接收來自薄膜214的反射光束 205 ’但可遠地’可以是定向光線路徑同時保持光束極化的 任何適當光學元件。例如，使用鏡子或其他反射光學元件 或者輕合到極化保持光纖、其隨後放置於以預定人射角發 射光束的位置，_22G可以定_人射平面内（以偏離 垂直位置的入射角“）。 然而應當注意兩個光頻率的路徑沿著單一的路徑與薄 14 200837326 目=作用’即測量光束的3極化分量和p極化分量基本 、泉光束亚且近似共軸。此外，5極化和p極化分量在 ."、4上照亮的區域在目標區域擴展範圍近似相同。 明外差反射計的首要功能是根據賴量的相位移 '貫際的相位㈣。所測量的相位移从是參考信號 ref、目位和測里仏號U的相位之間的相位差，即根據非 反射路徑（參考信號）獲得的差拍信號和根據反射路徑獲 Γ?得的至拍信號。真實（或實際）相位移△卢是確定薄膜層的 無錯誤以及準確厚度办必需的。因此，得到測量相位移△九 ，要使用兩個檢測器，—個用於檢測/產生參考信號U而 第二個用於檢測/產生測量信號/}^。 信號檢測器240在反射光離開薄膜214之前，檢測來 自混合極化H 2S4的分離光束（參考光束）2(M，該光束混 合s和p極化分量，並且產生參考信號Λκ242，其乃光束 204相位#的指示。檢測器240可以是例如 〇 PIN(Positive_Intrinsic_NegatiVe)檢測器，或者是響應於拍頻 並且產生拍頻為如+^)|的參考信號/ref的任何光電檢測 态。參考#號/ref 242傳輸到測量相位移檢測器a]，在 此用作確定薄膜214引起的測量相位移的參考相位。 另一方面，信號檢測器250檢測與薄膜214相互作用 之後、經過棱鏡234傳播、來自混合極化器255的反射光 束256，所述混合極化器混合光束205的s和p極化分量。 信號檢測器250產生測量信號252，其指示光束356的 相位彡+ △彳’該相位以△彡偏移參考信號/ref的相位。檢測器 15 200837326 例如咖檢_、，監測反射光束w並且產生 同樣^外差角頻率△竭外差測量信號/het。 器比較===擁移檢測器262接收，所_ 且確定所測物=號/het252和參考信號4f242並 移的數值取# 。相位㈣由薄臈214引起，相位 值取决於多個因素 定待監測薄膜的折射率 ㈣料度、對於特 :據互關係將在下面進-步詳細說明 I "相位移从來校正的相位。 誤差，至小^ ^ ’由於所_位移从的固有 行於正兩的相位移情況下，僅在對所測相位移進 丁权f之後才可能獲得準確的厚度測量。 、^料f理系統遍根據特定的應用可以採用各種形式 =和=晶片處理的資料在電連接到反嶋 或者从測量相位移檢測器262的電^ 上即時處理。“，反料W賊置 戈分離的固件元件，用於㈣地儲存和處理監测 =晶片處理設備上。在此情況下，晶片處理固二1 射計的所有資料處理’包括厚度計算。因此，外差式反射 汁系統200描述為具有普通的資料處理系統260,其可以 包括分，的固件和硬體元件。這些元件通常包括測量相位 移杈正器266和厚度計算器268。可選地，系統2⑹可以 包括誤差校正資料記憶體264，其操作將在下面討論。 16 200837326 更特別地，Δ(^相位移檢測器262接收來自相應檢測器 的參考信號/ref 242和外差測量信號/het 252並且測量兩者 之間的相位移△‘。相位移檢測器262可於相位檢測中，使 用任何適當的機制來檢測參考信號/ref和測量信號4et上的 相應點。 Ο Ο 雖然沒有在圖中描述，相位移檢測器262同樣可以配 備I/O介面，用於輸入便利於信號檢測的波長和/或振盪頻 率資訊。 一旦檢測到測量相位移△九，就會傳到△九測量相位移校 正器266來做誤差校正。測量相位移△九中的誤差在高相位 移情況下可能是可估計的，但通過運用具有適當校正係數 集合的多項式函數到△九可以校正誤差。此外，△九校正器 266需要特定的參數資料來執行誤差校正計算。這些資料 包括來源波長h頂部薄膜層折射率叫、以及入射角『'a典 型地設置為預設值㈣。’而不是對於來源波長和薄膜折射 率叫的布魯斯特角，其在名稱為“使射卜差反射計和 光栅干涉測量法監控薄膜厚度的方法，，的美國專利申往 No. η/066,933和名稱為“用於監控薄膜厚度的外差反月 計及其實現方法”的共同提交美國專利中請⑽職 中有討論。 ’ 最後，/f厚度計算器268從从校正器266接收校正的 相位移雜且计异待檢驗薄膜.㈣膜2 厚度。反之，料度計算器268可以從^目位移 = 直接接收賴的相位移△<，然後❹代數方法用取自記憶 17 200837326 體=的薄膜厚度校正資料校正所測的厚度。厚度校正誤 至貝枓、或者查閱資料表(LUT)基於針對薄膜214的折射率 會預先載入記憶體264。 另I個做法是在記憶體264中存儲校正厚度數的 表格，其乃將離散的測量相位移數值編成索引。在此情況 相262雛喻，w計算請 隐體64&索校正厚度數值並且輸出該數值。 。因反射 布魯斯。在妾近 對於薄膜來說可以獲得最大的相位移4:角， 角，來自每膜！·主 洲立私重破度。在布魯斯特 。從而t白私面的反射P極化光的數量為零或者最小 度：。來自檢測器25。的信號‘ 252含有充裕的‘ 特定=理1==因’監測“中的光學元件為協同 非永久性的射角可以是 度可能是困難的<者^⑪4整人射肖到準確的角 將要顯不的，所描述的本發明的一個優點是 2中 薄膜的折射率來說在布魯 :二= 疋鬲度精確的。 固見人的乾圍上 的各=性面的各向異性反射以外，反射 。已經假設薄叫抑及薄财細或基底 材抖和下部分介面對於S和Ρ極化是各向 18 200837326 同性的。然而，這個假設並非對於每種薄膜都是正確的， 參見 T. Yasuda 等人的文章“Optical Anisotropy of Singular and Vicinal Si-Si02 Interfaces and Η-Terminated Si Surfaces • ’’，J· Vac· Sci· Technol· A 12(4)，1994 年 7 月 /8 月，第 1152 * 頁以及 D· Ε· Aspnes 的文章“Above_Bandgap Optical Anisotropies in Cubic Semiconductors: A Visible-Near

Ultraviolet Probe of Surfaces”，J· Vac· Sci· Technol· B3(5)， 〇 1985年9月/1()月，第1498頁。從而，在頂部薄膜和/或基 底顯示出顯著的反射各向異性的情況下，最佳入射角可以 在垂直入射和布魯斯特入射之間。 對於配置系統200的外差式反射計結構的入射角“涉 及待檢查薄膜的折射率和照射源的波長々並且可以隨其 麦由於不同的溥膜具有不同的折射率，角度α可以相應 於折射率的變化進行調整。如果有需要，可以提供一裝置， 〇 #基於待檢查的各種薄膜的折料，可驢外差式反射計 系統200的入射角。這可以透過使平台系統二⑺和/或棱鏡 232和234的可移動性來完成。例如，棱鏡232和234可 以配置為具有兩種程度的移動，一種是在垂直於由光束2〇3 =〇5構成的入射平面的軸線上之可旋轉方向上，以及於 2膜214之去線上平行於此表面法線的平移運動方向。再 棱鏡232和234可以具有一種關於垂直於入射平面的 方向上旋轉運動，那麼平台系統210將具有-種在法線方 向上的平移運動。後者的示例性實施方式在這裡用棱鏡M2 4以及平台系統21G (這裡描述作平台215、薄膜214 19 200837326 和基底212)來描述，使用假想的線指示移動。假想的元 件顯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 ’相應於折射率數值的變化。然而，如前述 和後述所強調的，使用預設的入射角α = 6〇。是有利的，優於 對於薄膜和光源準確設定入射角為布魯斯特角。 請參見第三Α圖和第三Β圖，描述了薄膜214產生相 位移△彡的原由。為了清楚起見’ HR光束的s極化分量（第 三A圖）與HR光束的p極化分量（第三β圖）分開表示。 請參見第三A圖描述的HR光束的s極化分量，入射光束 303包含彼此正交的s極化分量303s (具有光學角頻率必） 和p極化分量303p (具有光學角頻率料—分量3〇3s和 分量303P都以對於薄膜214的法線呈“角來入射。在薄膜 214的表面，一部分光束分量3035反射為反射光線3〇5_1s， 而光束分量303s的另一部分以折射角p折射進入薄膜214 、然後反射離開基底212並且折射出薄膜214作為折射光 線305-2S。請參見第三B圖描述的HR光束的p極化分量， 入射光束分量303P分為反射光線3〇5_lp和折射光線 305-2p。 準確薄膜厚度计异的基礎是最佳化光與薄膜的相互作 用使其對賴厚度更錄，這反過來會增強外差相位移从 。目的是盡可能地增大相對於參考信號的外差信號的相位 移，即增大从。這可經由最佳化人射角來完成。由於反射 光束由反射和折射的S和p分㈣束組成，較佳的是對於 來自薄膜表面的反㈣束，—種極化分量比另—種且有較 20 200837326 Ο Ο 大部分的反射光束。因為使用分離頻率的s*p極化光線 用於測量，可以調整入射角《以獲得這樣的結果。如本領域 充分理解的，透過對來源波長設定入射角為布魯斯特角: 線性極化光顯示出這樣的結果。在布魯斯特角情況下·，， 際上入射光束303P的全部p極化分量折射進入薄膜作為Λ 3〇5-2ρ，而如果有的話也是非常少部分反射作為光束 Up。相反的，工作於布魯斯特角，入射光束3〇 當大的部分反射作為光束3°5七而其餘透過 :寻膜作為折射光束3()5_2s。從而，可以調整角度峨 分量的更多部分不發生反射而基本上完全折射 、光束混合後，由於反射自薄膜表面的S極化1 里、不均衡貢獻，合成的光束對相位移敏 刀 =:相位移產生自折射應當 而的日守間，鲂= 其中^上傳播所 5是歸因於薄膜厚度的相位偏移； “是入射角度； ”是薄膜的折射率；以及 Θ是薄膜厚度。 佳化射計的配置朝向對厚度更加敏残進Ρ 外差J 3立出由相位㈣確定厚度的計算。=仃取 中，相位移被測量，並且 J可以使用下面的運算式計算： 仫是的相應

A^^^xAd/A △殘测量信號I的相位移， 21 (2) 200837326 μ是相應的光束路徑差；以及 又是外差式照射源的波長。 從而： (3) ^Sin2aX"，薄膜的厚度可以通過下面 ,r Μ-λΛ ^卜面的等式得到 2 (4) 差歧射計中，由於一於，並且 λ d 公式⑺-⑷的證明可以在上述之美國 N0.11/178,856 和 NO.U/066,933 中找到。 /外差反射計本質上是一種差分測量技術。招 衡，薄膜的相位偏移測量與已知厚度薄 二 刖 〇if,a+, Μ錢的辦基底有關 I :地’為了’人在測4產品/監控晶片之前進行參考測 操作者有權使財考樣本。缺乏參考樣本時，可以要 ^外差反射計感應器足夠耐用以致於在進行下次參考樣本 /則量之前沒有（系統的）相位偏移。外差頻率中的偏移， ，分量導致的相位偏移，表面污染的存在，和回應於溫度 變化的檢測器都影響高精度測量（〜0·001度）。有些二二 可以克服。由於外差反射計的普通模式本質，長期的頻率 偏移不會影響測量。光分量導致的相位偏移可以通過使用 適當的塗層和入射角度而消除。在可控制環境中獲取資料 可以阻止表面污染影響測量。對外差反射計感應器的研究 顯示，在外差反射計系統中如果沒有控制檢測器溫度，可 以產生0.01度/攝氏度的相位偏移。 22 200837326 因此，根據本發明的一個方面， 差反射計及其實現方法。根據本發明的：工-：自參考： 了一種為了精確不依賴可用參考晶片樣本的:差:射二: =财法。本發·這些方面，財其他方面，在下面 时_弟四Α至第四c圖後將更好理解。

ϋ 第四A至第四C圖是依照本發明的—示例性實施方式 ’測量薄财度而沒有可轉考晶片的自參考外差反射計 .示意圖。第四A圖描述了為獲得相位測量和〜卿參 考相位測量而合成操作狀態的自參考外差反射計示意圖。 第四B圖顯示了獲得&_測量的操作狀態圖，而第四c 圖顯示了獲得心e//M測量的操作狀態圖。 類似於第二圖中討論的外差反射計2〇〇，本發明的自 參考外差反射計通常包括使直接入射光束以入射角“入射 到薄膜214和基底212的光學元件。光源400產生有兩個 線性極化分量以分離光學角頻率運行的同線光束（光束 402)，他們彼此正交來照亮目標；一個以頻率必進行s極化 的光束分量和一個以頻率料細進行化的光束分量。在 下文中這個光束被稱為HR (外差反射計）光束。如這裡所 用的’—近似為20MHz，但這只是示例，在不脫離本發明 範圍的情況下可以使用其他的頻率分隔。用於產生這個光 束的光源400可以是例如塞曼分隔氦氖雷射器（Zeeinan splitHe-Nelaser)。再者，來自單個模式雷射源的光束可以 分割為兩個分離的光束，分離光束中的一個或兩個頻移到 預定的頻率，例如使用聲光調制器。然後頻率分離的光束 23 200837326 在入射薄膜214之前可以重組。使 重新定向前面提到的光束的路徑，將光束^的光學兀件 •内並且朝向薄膜214。 疋向到入射平面 册光束4〇2以HR光束彻傳播，並被 離器）412分離通過極化器414 (45戶 ，、BS (先束分 束彻，在此檢測器416檢測到參考^ 光 使用立方體帶來了一定的缺點， 應田…識到 的極化性能的熱應力雙折射片相關:因 ，=7=熔融石英元件顯示出更多的熱雙折難 雙丄那些元件顯得更不理想，因為 考产❹57 ϋ倍。在選擇其他光學元件時應當 考慮熱應力雙折射性，如反射鏡或類似的。 光束在與樣本相互影響之前提供相㈣訊。部分的光束： 通=化傳送到反射光學元件叫42〇 (反射鏡或類 似的）；、、、、後入射到薄膜214和基底212 (傳統上是晶片）。 如上所述，為了光源働的光源波長场薄膜折射率〜，入 射角《(未顯示）典型的設置為接近布魯斯特角，其原因在 美國專利巾睛No.11/178,856和11/G66,933中討論（或一個 預汉值，如α = 60。，而不是正好在布魯斯特角）。 HR光束403與薄膜214和基底212相互作用，結果是 反射光束分量405-1和405-2,其通過極化器422 (45度角 )，在此檢測器426檢測到HR光束的參考信號八“。如上 面所述的，因為這個方法依賴於來自於薄膜的上表面 24 200837326 輻射的各向異性反射，光束分量405-1幾乎全部排除了薄 膜214的表面反射的s極化分量，而光束分量405-2來自 於薄膜214下表面的相互作用。因此，除了一些s極化分 ’ 量以外，光束分量405-2實質上包括了來自於入射光束的 • 所有P極化分量。薄膜厚度資訊可以如上面關於第二圖所 討論的那樣從外差測量信號/〜和參考信號k得到。 當極化器410和；L/2波板411結合體（以下稱之為極化 ζ) 器/乂/2結合體410/411或部件410/411 )引入到光束402的 路徑中時，產生了由α和料心頻率組成的合成光束ρ極化 外差光束433。該光束於後被稱為SR (自參考）光束。 SR光束433被BS (光束分離器）412分離成反射SR 光束434，通過極化器414 (45度角），在此檢測器416檢 測到SR光束的參考信號/〜。部分的光束433會通過BS412 以反射光分量418和420傳播，並且射入薄膜214和基底 212產生反射光束435，435通過極化器422 (45度角）， U 在此檢測器426檢測到SR光束的外差測量信號l 。 當SR光束入射到絕緣薄膜上時，從絕緣薄膜表面上 沒有反射或為可以忽略的（〜1〇_3)。來自於薄膜基底介面 的反射不會攜帶任何屬於薄膜的相位資訊。因此，SR光束 產生的差拍彳&號可以用來得到一個參考相位值，它等同於 使用參考樣本得到的相位值。因此，因為入射SR光束433 是p極化的，實質上沒有來自於薄膜214的表面的反射， 但是替換為與薄膜相互作用和被薄膜214和基底212之間 的介面反射。反射的p極化SR光束的0和μ心頻率分量都 25 200837326 被反射為一個SR光束，即光束435。相應地，檢測器似 從SR光束43 5檢測到的測量信號提供了 一個不被薄膜 厚度變化所影響的參考相位值。 、 第四A圖描述了—個產生SR光束和hr光束的合成 操作狀態圖，但是作為一個實用因素，SR和HR光束是順 序傳播的，、心和、/伽也是順序產生的。第四B圖顯 示了自參料差反射計在HR光束產生模式中檢測測量相 位心^伽的操作狀態圖。根據本發明的示意性實施例，極 化器/A/2結合體410/411 $是固定的，是一個滑動光學部件 且進一步包括光圈413。滑動極化器/Λ/2/光圈結合體 4謂11/413提供了-個在HR光束和SR光束之間快速轉 換的衣置。在HR光束模式下，滑動極化器/w光圈結合 體410/411/413被這樣放置使光圈413排列在光束4〇2的路 徑上，從而允許光源4〇〇產生的HR光束通過。相反地， 在SR光束模式下，滑動極化器/；1/：2/光圈結合體 410/411/413被這樣放置使極化器/；1/2結合體41〇/411排列 在光束402的路徑上，從而把HR光束4〇2轉換成SR光束 433。必要的移動力量由滑動控制器461控制的滑動致動器 470提供。 繼續，在HR光束產生模式下，滑動控制器461指示 滑動致動器470移動到HR光束模式位置，即光圈413排 列在光束402的路徑上。入射HR光束403如上面所述的 傳播給檢測器416和426產生參考信號和測量外差信號 7〜。信號/^和/^被傳送給滑動控制器461，滑動控制器 26 200837326 4 61接者根據傳播模式把信號的路徑切換到~㈤檢測器 462或~e//如檢測器463 ;在HR模式下信號~和u被傳 送給檢測器463，在SR模式下信號~和^被傳送給 ’、腸檢测器462。是操作在HR模式下信號~和 -^之間的相位差值。使用下面的公式(5)，‘伽檢測器 463從信號^和/^檢測出心//y?/m。 SRef!film = (φΜ + φΜ)- + cpSub + ^ + ψη〇^ (5) 〇 其中，^鮮/伽是由於薄膜所產生的相位偏移， ~是從BS 412關於參考檢測器的相位偏移， 是與檢測器雜訊相關的相位偏移， I是胃從B S 412與外差測量檢測器相關的相位偏移， 是與檢測器雜訊相關的相位偏移， I是與基底相關的相位偏移，和 心加疋與薄膜相關的相位偏移。 r .、帛四C圖顯7^了自參考外差反射計在SR光束產生模 f下的知作狀悲圖。這裡，滑動控制器461指示滑動致動 為470移動到極化器/A/2結合體柳411排列在光束術 ㈣徑上的SR*束模式位置，從而把冊光束4〇2轉換成 分光頻率為極化從光束⑽光束則。入 射狄光束433如上面所述的傳播給檢測器4工6和π6產 生广考b虎和測1外差信號7心。信號和仏被傳送 、口 β動抆制為461 ’滑動控制器461把信號的路徑切換到 462 〇 SR^^T^f 狀y和k之間的相位差值。使用下面的公式⑹，檢 27 200837326 測器462從信號和u檢測出$

Ref/Sub ° SRef/Sub ^ {φΜ + Ψn〇ised^ ^het + ^ + φ , 其中日.，‘是由於基底產生的:;相位二， ~疋從BS 412關於麥考檢測器的相位偏移，. 是與檢測器雜訊相關的相位偏移 疋從BS 412與外差測量檢測哭 里你冽為相關的相位偏移， %心2疋與檢測器雜訊相關的相位偏移矛 I是與基底相關的相位偏移。 注意到不像公式(5)，公式⑹為了得到、㈣’於此不 包括任何依賴於薄膜相位偏移的項，因此，〜⑽的值不 會被薄膜相位的改變（即薄膜厚度的改變）所影響。 藉由HR和SR模式之間的快速連續轉換，^假設檢 測器中溫度感應雜訊就測量來說是相同的，並且對於參考 相位和測量4e//御是有效等同的，即 。·5Γ

I r noisel r noise! J 以使用下面的公式(7)計算薄膜的相位偏移。這樣，兩個檢 測裔中的溫度感應檢測裔雜訊被有效的消除了，產生盘溫 度無關的。 ^ΦβΙηι ^ ^Ref/Sub ^ ^Ref I film ⑺ 其中，是由於薄膜層而產生的相位偏移。 使用公式（7)，在每個加和測量之後，薄膜 層而產生的相位偏移由計算器466計算出來。 假設連續測量之間的雜訊級別相同（或足夠小），然後薄膜 214的厚度冬可以由今計算器468使用上面的公式（4)和特 定薄膜的折射率〜，光源400的波長^’入射角α直接確定。 28 200837326 可以通過比較連續心e//—測量的變化來監控檢測器雜 訊級別。上述之心是根據不被薄膜厚度改變所影響的 自參考光束計算得到的，因此Af//g也不會被薄膜厚度的 . 改變所影響。從上面的公式（6)，很顯然心e//如的值在連續 • 的^心//加測量之間不會改變，除非檢測器雜訊級別改變了 。因此，檢測器雜訊的嚴重程度可以透過連續心e//M測量 之間的^化與雜訊門捏值比較而確定。 Γ 因此，根據本發明的另一個方面，監控檢測器的雜訊 並且當雜訊級別不可接受時，就根據幾個測量週期對A❼/w 進行平均。回到第四A至四C圖，門檻值雜訊檢測器465 監控來自於⑽檢測器462連續的加測量，並且把雜 訊級別的變化與一個門檻值進行比較。如果級別低於門檻 級別’門播值雜訊檢測器465不採取任何行動，但如果雜 訊級別高於可接受的雜訊門檻值，心檢測器462指示 g m平均器467對幾個或更多週期之來自於計算器 466的資料進行平均，並且向々計算器468輸出平均 film{AVG) 0 弟五圖疋依知本發明示例性實施方式，使用自參考外 差反射什測置與溫度無關的薄膜厚度的方法流程圖。流程 的開始是傳播以頻率⑵進行S極化和以頻率料―進行p極 化的HR光束以入射角以入射到目標樣本（步驟5〇2)。參 考檢測器和外差測量檢測器檢測到反射HR光束（步驟 504 )，並且根據各自檢測器的~和/λ"信號得到&…伽（步 驟506)。自參考模式的處理是類似的。以頻率⑺進行ρ極 29 200837326 化和以頻率料—進行p極化的SR光束以入射角“入射到目 標樣本（步驟508)。參考檢測器和外差測量檢測器檢測到 反射SR光束（步驟510)，並且根據各自檢測器的k和u 信號得到&e//加（步驟512)。下一步，根據Aw㈤和 的差值計算薄膜之與溫度無關的相位偏移A》》〜（步驟 5Η)。敢後’根據ΔίΖ^，心，“和a的使用，例如公式(4)可計算 出薄膜厚度冬（步驟516)。特定薄膜的折射率〜應該在之 前已經知道。可選擇地，可以用一個薄膜折射率被動態測 量為'的光柵干涉計來增強自參考外差反射計中的測量檢 測器，如美國專利申請Ν〇·ιι/〇66,933和Νο·11/178,856中 所揭露的。 第六Α圖和第六β圖概略地說明與薄膜和基底作用的 HR光束和/或SR光束。第六A圖顯示了 HR光束作用，第 六圖顯示了 SR光束作用。第六A圖本質上是上面討論的 第二A和第三β圖的合成，顯示了包括兩個彼此正交的線 性極化s極化和p極化光束分量，具有分離的光學頻率必和 料心的入射HR光束403。3極化分量與薄膜214的表面互 相影響，部分被反射為光束4〇5-1。光束405」幾乎全部是 s極化的。為了最佳化光束4054的反射3極化分量，入射 角α以布魯斯特角入射到薄膜214。另一方面，p極化分量 不與薄膜214的表面互相作用，從薄膜214和基底212之 間以角度ρ折射成為光束405-2。然而，因為一些s極化分 罝也被折射，光束405-2包括s極化和ρ極化分量。清楚 地，隨著薄膜214的厚度改變，HR光束（光束4〇3和光束 30 200837326 405-1 )牙越的距離會改變，從而檢測器的測得的相位也會 產生相應的改變。 第/、B圖顯不了包括兩個線性極化s極化和p極化光 . 束仝里，具有分離的光學頻率必和的入射SR光束433 •。由於入射角α以布魯斯特角入射到薄膜214，因此在薄膜 214的表面有最少的ρ極化sr光束反射。取而代之的是 ’入射SR光束433折射進入薄膜214並且在薄膜214和 Ο 基底212之間的介面上以角度政射成為光束435。不像 HR光束，因為光束不與薄膜表面互相作用，所以狄光束 不被薄膜214的厚度改變所影響。SR光束產生的差拍信號 可以用來得到-個參考相位值，它等同於用參考樣本得到 的值、。魏減少了週期性地使用參考晶片的需要。參考相 位不被薄膜厚度改變所影響，但像測量薄膜相位—樣隨著 /皿度偏私-定量’參考相位的有效性要考慮測量薄膜相位 的即時相位偏移校正。 ϋ 除了補償與溫度相關的相位偏移和減少校準晶片的必 要性之外，參考相㈣纽性還提供了估計檢㈣雜訊的 機制。如上所述，來自於檢測器的溫度感應相位偏移（或 雜訊）可以假設在隨後的測量中都是相同的’因此可以忽 略。然而，有可能檢測器中欺騙雜訊的級別達到一個級= 使假設不能成立。在這種情況下，僅僅忽略雜訊可能帶來 很差的結果。根據本發明另一個示意性實施例，可以即時 監控檢測器雜訊的級別，由此為更精確的雜訊消除測量^ 供了實現的基礎。 31 200837326 第七圖是依照本發明示例性實施方式之識別檢測器雜 式的方法流程圖，該檢測器雜訊可以牴抗雜訊而消除。流 程的開始是從連續的SR光束測量中檢測的連續值， 即心e//_和加2 (步驟7〇2 )。如前所述，參考相位 3Ref 丨 Sub 不會被薄膜厚度的改變所影響，但是會被檢測器雜訊和溫 度偏移所影響。假設在快速連續測量中連續測量之間的相 位偏移和其他影響相位的雜訊可以忽略。然而，有些雜訊 仍r、、:存在。如果脳丨―加2 = 〇，檢測器雜訊和/或相 位偏移是可以忽略的。然而，當連續測量之間的相位差值 大於0時，即心e//AH -6e//加2 > 〇，有些雜訊是存在的，根 據其數量，應當被抑制。對一個特定應用可以採用一個雜 汛門桎L值，下面的結果是可接受的，並且不需要另外的雜 汛抑制。因此，門檻雜訊檢測器465把連續參考相位測量 之間的相位差值與一個雜訊門檻比較，即 丨、咖-丨> Γ(步驟7〇4 )。如果雜郭 3 於Η齡透過從測量相位和參考得 潯馭產生的相位偏移^伽（步驟7〇6)，然後從”以 得到薄膜厚度〜（步驟710)。如果在步驟704，伽 I的值大於純，就純行另外的雜 過程。—鮮意性㈣程是透過對幾個連續測量週 勺、、、。果進行平均來平滑雜訊輪廓（步驟7 ‘ 和 5 ^ , ψΓύτη J 〇Ref! 二，中的任思一個都可以平均，但 咐二口、㈤可以在過程的更早階段完成。雖 :

度’在任何情況下，可從平句, • 伽，，，"和^得到薄臈厚度J/C 32 200837326 本發明，如第四A至四C圖所示，為了檢測％_相 位測量和心e//加參考相位在HR光束路徑上藉由滑動極化 =M/2 —光圈元件，在HR模式和SR模式之間快速轉換。 . 第八A圖和第八B圖是依照本發明示例性實施方式之沒有 - 配置移動光學元件的自參考外差反射計示意圖。第八a圖 顯=自參考外差反射計在HIU莫式下檢測、⑽相位測量 和第八B圖顯示反射計在紐模式下檢測4_參考相位。 Ο 报多結構類似於上面在第四A至四B圖中所提及的，因此 只詳細說明其區別特徵。 根據示意性實施例，HR光束802有選擇性地在fjR路 徑和SR路徑中傳播。滑閥8〇9選擇性地打開一條路徑， 同時關閉另一條路徑。滑動控制器461為轉換滑閥8〇9提 供操作控制信號。在HR模式下，HR路徑是打開的同時滑 閥809封鎖SR路徑。HR光束8〇3從68812反射成為光 Q 束804射向檢測器816,產生參考信號~。入射HR光束 J 8〇3中，HR光束8〇2的一部分通過BS 812與薄膜214相 互作用，成為光束805-1和805-2射向檢測器826。滑動控 ，态461如上所述接收信號~和7〜，傳送給5鮮,獅檢測 器463用來檢測測量相位。 在SR模式下，滑閥8〇9封鎖HR路徑並且打開8尺路 扭。來自于光源800的HR光束802在BS 801轉變方向並 且在光學元件828處反射到固定極化器/A/2結合體81〇/811 ，在此形成SR光束833。如前述，HR光束為分離頻率， 線性極化其中一個以頻率^進行極化的極化分量與一個以 33 200837326 頻率料^進行極化的極化分量正交。SR光束是分離頻率p 極化光束。入射SR光束833在BS 807匯聚到入射HR光 束的路徑上。SR光束833在BS 812反射成為光束834射 向檢測器816，產生參考信號/<。一部分的SR光束803 通過BS 812與薄膜214相互作用，成為光束835射向檢測 器826。滑動控制器461如上所述接收信號~和八"，傳送 給、/加檢測器462用來檢測心測量相位。 在這個示意性實施例中損失了大量的光線，因此應選 擇光源800來調節光線損耗。作為一個提示，由反射元件 828和8二9使BS811和8〇7的組合建議考慮MachZehnder 干涉儀，但是因為自參考光束833和11尺光束8〇3不同時 使用，所以在他們之間沒有光干涉，因此沒有有限條紋的 問題。逯有，光束到達Bs 812之前經過的不同路徑不影響 相位測里目為每個光束D 7心信號之間的相位差值是 在BS 812之後得到的。 參考相位提供一個參考，其中可以不使用夂考 晶片得到精確且與溫度無社薄助位偏移可^假 设對於-個晶片，因此射在薄膜上 光束=共同擴展的。因此，第八A圖和第八B圖中： 不的自參考外差反射計通過分離SR光束和h 以顯著地減少損耗。 凡术路徑可 第九A圖和第九6圖是依照本發明示例性實施 二分離的:R光束和HR光束路徑的自參考外差反二 圖。弟九A圖和第^圖中所示的自參考外差反射計^ 34 200837326 八A和八B圖中所示的相同，除了入射和反射SR光束的 路徑。不同於使用一對光束分離器來分離和校準分開的光 束路徑’ SR光束933通過超出bS 901路徑的反射光學元 件917，以基本上與HR光束9〇3路徑平行的路徑傳播。 HR光束902在BS 901偏移進入SR路徑到達固定極化器 /A/2結合體910/911，在此形成SR光束933，然後到達反 射光學元件917。 第十A圖和第十B圖是依照本發明示例性實施方式之 具有相反旋轉路徑的SR光束和HR光束的自參考外差反射 計示意圖。兩個同步閥門對於切換模式是必要的，其中一 個對應於一個檢測器。應當明確的是，因為HR* SR光束 在相反方向傳播，檢測器1016檢測HR光束1004的信號 和SR光束1035的信號/^。相反地，檢測器1〇26檢測SR 光束1034的信號/<和HR光束1〇〇5的信號/^。在HR模 式中，HR光束1002光束在BS 1018反射，而入射HR光 束1003在BS 1041反射，穿過開放閥門1051到達檢測器 1016。在BS 1041，光束1〇〇3的發送部分以反時針方向（關 於第十A和第十B圖）在光反射器1〇2〇反射進入薄膜214 ，並且反射HR光束1005繼續在光反射器1〇21上反射， 通過BS 1023和開放閥門1052到達檢測器1026。在SR模 式中，HR光束1002通過BS 1018發送到達極化器 /又/21010/1011並且轉換成p極化的分離頻率SR光束1033 。在BS 1023，SR光束1033的發送部分在邊角立方體1〇5〇 轉換方向，射向BS 1023並且通過開放閥門1052到達檢測 35 200837326 器1026。在BS 1023，SR光束1033的反射部分以HR光 束1003的反方向來傳播，在光反射器1〇2i處反射到達薄 膜214，並且反射SR光束1035繼續在光反射器1〇2〇處反 射，反射後通過BS 1042和通過開放閥門1051到達檢測器 1016 〇 第十一A和第十一B圖是依照本發明示例性實施方式 ，為了 HR和SR操作模式之間的電切換而使用的液晶可變 減速器（LCVR)之自參考外差反射計示意圖。第十一 A和第 十一 B圖中所示之自參考外差反射計的構造類似於第八a 和弟八B圖中所示’除了 HR光束模式路徑中的極化bs 1119和SR光束路徑中的LCVR 1111，不過它們的操作卻 非常的不一樣。LCVR 1111是一個設備，它使光束以一個 角度旋轉進行極化，角度取決於提供給它的電壓大小。當 減速器設置為不旋轉極化時，這個設備作為如上所述的外 差干涉計。當減速器設置為極化旋轉90。時，兩個頻率的光 束都是p極化的，並且得到SR功能。在這個實施例中， 減少了光損耗。另一方面，PBS 1119和BS 1107之間的路 徑充當了一個Mach Zehnder干涉儀。 在HR模式中，HR光束1102在極化光束分離器pB§ 1119被分_為p極化和s極化分量，p極化分量（頻率為 料心）作為光束1103傳播，s極化分量（頻率為幻作為 光束1133傳播。光束1103在Bs 1112反射為光束11〇4射 向檢測器1116。入射HR光束11〇3，是HR光束1102通過 BS 1112傳播的一部分，與薄膜214相互作用，並且作為光 36 200837326 束1105到達檢測器ii26°HR光束1102的s極化分量穿過 LCVR 1111，它在HR模式下是關閉的，成為光束1133。 光束1133在BS 1107和BS 1112反射成為光束1134到達 檢測器1116。HR光束1134和1104產生參考信號/<。一 - 部分的光束1133通過BS 1112並與薄膜214相互作用，並 且作為光束1135-1和1135-2到達檢測器1126。綜合起來， 光束1103和1133是HR。反射HR光束分量1105, 1135-1， 0 1135_2產生外差測量信號。 在SR模式中，HR光束1102在極化光束分離器pbs 1119被分離為p極化和s極化分量，其p極化分量（頻率 為㈣心）如上所述作為光束1103傳播。HR光束u〇2的5 極化分量由LCVR 1111轉換為p極化光束1133，lcvr mi 在SR模式下是打開的。光束1133在BS n〇7和Bs 1112 反射成為光束1134到達檢測器Π16。光束1134和11〇4 產生SR模式的參考信號心^。一部分的光束1133通過Bs CJ 1112並與薄膜214相互作用，並且作為光束1135到達檢測 器Π26。反射SR光束分量1105和1135產生外差測量信 说 Ifiet。 第十二A圖和第十二B圖是依照本發明示例性實施方 式的自參考外差反射計示意圖，其中811光束為了確定檢 測器的唯-問題-相位偏移而繞過樣本。為了從系統中消除 相位偏移的影響，分離頻率光線由檢測器1226以交互模式 來測量。在HR模式，HR光束·由光束分離器恥i2i8 反射為HR光束1203。光束12〇3在Bs 1212反射為光束 37 200837326 1204到達檢測器⑵6，產生HR模式的參考信號~。入 射HR光束12G3與薄膜214相互作用，通過閥門到 達檢測器1226成為光束1顧實際上是1205-1和1205-2) 產生HR模式的外差測量信號八“。一部分 通過BS 1218且被閥門麗阻擔。在晶片測量模式（SR 模式）閥門和1217交換他們的狀態使閥門1217阻擔 反fHR光束分量12〇5,而閥門12〇9處於打開狀g。在 測器1226處測量通過Bs 1218傳送的光束12〇5，而反射 ，束1204在檢测器1216處測量。這個測量能夠在晶片測 里之鈾或之後確定每個檢測器之間的相位偏移。 本發明貫注於為了檢測恤相位測量和心參考 相位在HR模式和SR模式之間快速轉換的自參考外差反射 汁。第四A至四C圖中所示的示意性實施例在HR光束的 路徑上使用滑動極化器/W光圈元件來產生SR光束。根 據本發明另一個示意性實施例，揭露了一個通過在與SR 光束路徑分離的路徑上傳播1111光束而在HR模式和811模 式之間轉換的自參考外差反射計，因此允許分開控制 和fR光束。根據第八A圖和第八3圖中所示的本發明的 示意性實施例，為了在HR模式下測量〜/伽相位和紐模 式下測量&e//加之間轉換（當然控制器461會根據是哪個 光，入射到目標，而把/<和U信號傳送到〜^相位檢 、J J 463或(5^/如相位;J：欢測器462 ) ’使用了由滑動控制器 控制的滑閥來轉換光束。然而作為一個實際問題，滑閥的 稍慢導致A❼〜資料的計算週期相對的變稍長。如上面別處 38 200837326 二差二 差是溫度對檢測器的作用引起的檢 二因此，檢測器溫度誤差在較長測量週咖 大，由此可以透過縮㈣量週期減少檢測器誤差。 Ο

本發明實施例是關於旋轉光斷路器，斷路器僅僅是外差反 射計在HR模式和SR模式之間切換的一個示意性設備，其 切換速度比檢測器中溫度變化的速度更快。如此一來，檢 測器溫度造成的相位測量中的任何誤差在連續的HR* sr 測量中是可比較的，可以有效地在相位計算中忽略。本領 ^此’根據本發明另—個示意性實施例，為了㈣週 /月中先束和SR光束之間的快逮轉換使用了一個高頻光 開關。這樣的光開關是-個旋轉斷路器。旋轉光斷路器在 現有技術中是熟知的，是—個金屬圓片其上侧有狹槽， 被放置在驅動軸上旋轉。圓片被放置在光束路徑上使光束 被圓片上㈣合部分週期性地巾斷。因此，測量光束能夠 快速地從HR模式切換到SR模式，反之亦然，由此大大縮 短了檢測器溫度偏移的時間間隔，並且因此排除了相位測 量中不期望的溫度感應誤差。應當理解到雖然下面描述的 域普通技術人員容易理解的，為了上述目的之其他等同於 機械式斷路器的光切換設備可以存在和/或以後將存在。 在這點上，第十三A圖和第十三B圖顯示了使用機械 或電磁設備在HR和8尺光束之間，以比檢測器中溫度偏移 更快的速度來切換，或反之亦然的自參考外差反射計。圖 式顯示了類似於上面第八A圖和第八B圖中討論的示意性 自參考外差反射計的操作模式。第十三A圖顯示了在 39 200837326 模式中檢测相位測量的自參考外差反射計，而第十 三B圖顯示了在SR模式中檢測〜/⑽參考相位的反射計。 大部分結構類似於上面討論的第四A至四c圖，還有第八 A和第八B圖，因此只詳細說明其區別。 .· /根據示意性實施例，HR光束13〇2選擇性地在HR路 徑和SR路經中傳播。高頻光_ 13〇9選擇性地打開一停 路徑，同時關閉另-條。光開關1309在圖中顯示為一對旋 轉光斷路器，一個處於HR路徑13〇3上，另一個處於狃 路徑1333上。光開關1309是異相的，這樣隨著路徑關閉， 完=测量週期的第-部分，對應的路徑打開繼而完成整個 測量週期。可選地，可以在兩條光束路徑上設置—個打開 狹槽對於光束是異相的光開關，例如旋轉斷路器。如上面 關於第八A和第八B圖所討論的，斷路器控制器1361提 供設置（旋轉）光斷路器1309的操作控制信號，並且如果 自參考外差反射計具有-對斷路器而不是一個斷路器就可 使他們同步於測量週期。在HR模式下，第十三A圖所示， HR路徑打開而斷路器13〇9阻擋SR路徑。HR光束 在BS 1312反射為光束1304到達檢測器1316，產生參考 信號。入射HR光束1303，即一部分的光束13〇2通過 BS 1312與薄膜214相互作用，並且作為光束和 1305_2到達檢測器1326。斷路器控制器1361如上所述接 收信號和/^，信號和、傳送到檢測器463 用來檢測測量相位。 在SR模式下，第十三B圖所示，斷路器13〇9阻擋 200837326 HR路徑並且使一個狹槽與SR路徑對齊，由此打開SR路 徑1333。光源1300的HR光束1302在BS 1301處偏向， 在光學元件1328反射到固定極化器/A/2組合1310/1311， 參 # ' 在此形成SR光束1333。如前述，HR光束是分離頻率線性 • 極化的，一個極化分量以頻率⑺進行極化與另一個以頻率 α + Δα進行極化的極化分量相互正交。SR光束是分離頻率p 極化光束。入射SR光束1333在BS 1329集中到入射HR f) 光束1303的路徑上。一部分的SR光束1333通過BS 1312 成為光束1304到達檢測器1316，產生參考信號。SR光 束1333在BS 1312反射與薄膜214相互作用，並且作為光 束1335到達檢測器1326。斷路器控制器1361如上所述接 收信號和/〜，信號和/〜傳送到㈤檢測器462 用來檢測 3Ref / Sub 測量相位。 在這個示意性實施例中，大量光線被損耗了，因此應 ¥每擇光源1300來調節光線損耗。作為一個提示，具有反 射元件1328和1329的BS 1311和13〇7的組合建議考慮

Mach Zehnder干涉儀，但是因為自參考光束1333和HR光 束1303不同時使用，所以在他們之間沒有光干涉，因此沒 有有限條紋問題。還有，光束到達Bs 1312之前經過的不 同路徑不影響相位測量，因為每個光束的^,和信號之 間的相位差值是在BS 1312之後得到的。 ^ Ref J Sub 參考相位φξ：供一個參考，其中可以不使用參考 晶片得到精確且與溫度無關的薄膜相位偏移。可以假 。又對於一個晶片^ % β ^，因此射在薄膜上的Hr和狀 41 200837326 光束不必是共同擴展的。因此，第十三人圖和第十三 /中所示的自參考外差反射計通過分離紐光束和hr _ = 徑可以顯著地減少光線損耗。 —雖然沒有顯示在圖中，但是第九A圖和第九㈣ :的自。參考外差反射計也可以使用高頻光開關，例如旋 斷路裔’來產生平行路徑HR和SR光束。 、第十四A圖和第十四B圖是依照本發明示例性實施方 式之具相反旋轉的SR光束和皿光束路徑的自參考外差反 射計示意圖，其中使用了高頻糾關來最小化相位測量中 檢測器因溫度改變所造成的誤差。第十四A圖和第十四B 圖中所示的自參考外差反射計等同於第十A圖和第十㈣ 中所示的，除了光開關之外。為了快速切換模式，兩個同 步斷路器是必須的，在任一檢測器前各一個，而如圖所示 兩個斷路器都有兩個光束通道，一個用來調整hr路徑， 另一個用來調整S R路徑（如此一來光束能夠以相同^位 角度不同光通道入射到斷路器）。如同上面第十A圖和第 十B圖中所討論的，HR和SR光束以相反方向傳播，因此 檢測器1416檢測HR光束1404的信號/<和SR光束1435 的k。檢測器1426檢測SR光束1434的信號和Hr光 束1405的/心，。在HR模式，斷路器1451和1452旋轉到 分別對HR光束1404和HR光束1405打開，因此允許光束 为別傳播入射到檢測器1416和檢測器1426。斷路器1451 和1452同時旋轉到對SR光束1435和SR光束1434關閉。 在接近HR模式時，測量週期的hr部分，斷路器1451和 42 200837326 1452旋轉到對HR光束14〇4和HR光束1405關閉，並且

對SR光束1435和SR光束1434打開。SR光束1435和SR 光束1434傳播入射到檢測器1416和檢測器1426，檢測器 產生/〜和信號，但是與HR模式下信號與檢測器的對 應相反。 Ο Ο 第十五A圖和第十五b圖是依照本發明示例性實施方 式之使用了斷路器的自參考外差反射計示意圖，其中SR 光束為了確疋檢測器的唯一問題_相位偏移而繞過樣本。雖 然使用高頻光開關減少了溫度相關的檢測器偏移所造成的 誤差，一些相位偏移仍然是不可避免的，其影響如上面關 於第十二A圖和第十圖巾所討論的是可測量的。 雖然上面对論的自參考外差反射計實施例是高精確和 穩定的’仍然有兩個缺陷。首先，為了儘量減少狀光束 ^口 HR光束之間測置的不_致，前述每一個實施例都使用 早個光源來產生訊和HR光束。因此，對於每個操作模式 光束的強度減半了（除非使用—個閥門，妓這樣又馬上 產生上述已討論的其他缺陷）。進—步地，第二，使用平行 SR和HR光束路徑則會提高了啟動和調整的複雜性。這些 他缺1¾可以藉由使用與振幅調彻結 統，產生調幅㈤）參考光束。在兩個調制振幅如+t 之間調制敎綠総的_來產生 號^精麵相位測量何忽略分離㈣《的路徑距ς ，類減上面討論之使用頻率+_的取光束分量離 弟十針六β岐依照本發㈣例性實施方 43 200837326 式’使用-振幅調制光束作為與HR光束結合的參考光束 之自參考外差反射計示意圖。這裡描述的自參考外差反射 計係依照本發明示例性實施方式，使用斷路器⑽9在皿 和振幅調制(AM)操作模式之間切換。第十六A圖和第十六 B圖中所示之自參考外差反射的HR路徑設置類似於第十 一 A圖和第十—b圖中所示的，然* SR光束路徑由調幅 (AM)光束替代。依照示例性實施方式，光源工儀產生具 有兩個線性極化分量的HR光束麗，其運作於分離的光 學角頻率，相互正交來照明目標；一個以頻率β進行s極化

的光束分量和一個以頻率料心進行P極化的光束分量。HR ，束16 02只在-個η R路徑中傳播。進一步根據示意性實 施例，光源1611產生一個振幅被振幅調制器1613調制的 光束，產生兩個調制振幅具有單個頻率①，的ΑΜ 光束1603。頻率ω’可以與11尺光束的頻率ω不同，然而， 振幅調制器1613以接進於取光束的頻率礎行振幅振廬 。進一步地，雖然AM光束顯示為ρ極化光束，但它僅需 要有P分量。 斷路器1609選擇性地打肖一個路徑，同時關閉另一個 。斷路器控制器（未顯示）為斷路器16〇9和檢測器信號路 徑（參見第四和第八圖的討論）提供操作控制信號。在 模式，HR路徑打開同時斷路器16〇9阻擋AM光束路徑。 HR光束1602通過BS 1612成為光束1604到達檢測器1616 ，產生參考信號/<。HR光束1603，即一部分的hr光束 1602通過BS 1612與薄膜214相互作用，並且作為光束 44 200837326 1605-1和1605_2到達檢測器1626產生參考信號。從信 號k和HR光束的/心以上面所述的方式同樣得到心/ " 相位測量。 e…

在AM杈式，斷路器1609阻擋HR路徑同時打開AM 路徑。在振幅調制器1613調制來自於光源1611的光束ΐ6〇ι 的振幅，並且一部分在BS 1612處偏向成為光束1634到達 檢測器1616，產生參考信號~。光束1633，即一部分的 AM光束1601通過BS 1612與薄膜214相互作用，並且作 為光束1635到達檢測器1626產生參考信號從信號~ 和am光束的以上面所述關於SR光束的方式同樣得到 心相位測量。相位和薄膜厚度心如上所述來自於 〜/灿相位和咖相位。 立為了示意和描述目的給出了本發明的上述說明，但無 〜乂所揭路的㊉式窮盡或者限制本發明。在不脫離本發明 範圍和實質的情況下，許多修改和變化對於本發明所屬技 術邊，的人貝來說將㈣而易見的。選擇並描述這些實施 ^是為了更好地解釋本發明的原理和實踐其應用，以及 =發明所屬技術領域的人員理解本發明，根據預期的特 疋μ用進行各種適當的修改構成各種實施方式。 【圖式簡單說明】 、、本發明特性的新穎特徵在後述的申請專利範圍中闡 述。然而’透過參考前述的神m實施方紅詳細描述以 及附圖，可讀好地理解本發明自身以及最佳的使用模 45 200837326 式、及其進一步的目標和優點，在附圖中： 第一圖為習知技術通常所知的外差干涉計的示意圖。 第二圖為測量薄膜厚度的外差反射計示意圖。 第三A和三B圖為顯示了線性極化入射光束與薄膜作 用的示意圖，該入射光束包含S極化並且具有光學角頻率0 的分量、以及p極化並且具有分離光學角頻率0 + 的分量。 第四Α至四C圖為依照本發明示例性實施方式之測量 薄膜厚度而沒有可用參考晶片的自參考外差反射計操作狀 態不意圖。 第五圖為依照本發明示例性實施方式之使用自參考外 差反射計測量薄膜厚度的方法流程圖。 第六A和六B圖為概略地說明與薄膜和基底作用的 HR光束和/或SR光束。 第七圖為依照本發明示例性實施方式之識別檢測器雜 訊的方法流程圖，該檢測器雜訊可以抵抗雜訊而消除。 第八A和八B圖為依照本發明示例性實施方式之沒有 配置移動光學元件的自參考外差反射計示意圖。 第九A和九B圖為依照本發明示例性實施方式之具有 分離的SR光束和HR光束路徑的自參考外差反射計示意 圖。 第十A和十B圖為依照本發明示例性實施方式之具有 相反旋轉路徑的SR光束和HR光束的自參考外差反射計示 意圖。 第十一A和十一 B圖為依照本發明示例性實施方式為 46 200837326 了 HR和SR操作模式之間的電切換而使用的液曰曰。^ 器（LCVR)之自參考外差反射計示意圖。 曰9可變戏速 第十二Α和十二Β圖為依照本發明示例性實a 自參考外差反射計示意圖，其中SR光束為了確，方式的 的唯一問題-相位偏移而繞過樣本。 定檢鲫器 Ο Ο 第十三A和十三B圖為顯示了使用機械 HR和SR光束之間，以比檢测器中溫度偏移 = 切換，或反之亦然的自參考外差反射計。 、度來 第十四A和十四b圖為依照本發 具相反旋轉的SR光束和HR光束^^一 只施方式之 示意圖，其中使用了高頻光 器因溫度改變所造成的誤差。 化相也則1中檢測 第十五A和十五B圖為依照太 使用了斷路H的自參考外差反射計二不例性貫施方式之 °卞不思、圖，其中φ 4 了確^ ”唯i K目位偏移而繞過樣本。 第十六A和十六B圖為依照本發明示例性實施之 自參考外差反射計的示意圖，其中、〇 1 ^ 、 光束替代。 +狄光束__幅(綱 【主要元件符號說明】 100 外差厚度監測系統 102 光束 103 光束 104 光束 47 200837326 105 106 107 109 110 111S 111B 111T 112 113S 113 丁 113B 114 115 116 117 122 124 134 135 135S 135T 135B 140 光束 光束 光束 光束 晶片 反射光束 反射光束 反射光束 基底 光束 光束 光束 薄膜 可旋轉載體 光束 光束 光束 光束 光束 光束 光束 光束 光束 雷射源 200837326 143 144 145 - 146 . 147 148 149 〇 . 150 152 154 160 200 202 203 204 Ο 205 210 212 214 215 220 222 224 232 極化器 光束分離器 極化器 極化光束分離器 檢測器 四分之一波板 檢測器 四分之一波板 光束反射器 信號處理元件 光源 外差反射計 光束 光束 光束 光束 平台系統 基底 薄膜 平台 光源 反射器 光束分離器 棱鏡 49 200837326 234 棱鏡 240 檢測器 242 參考信號 250 檢測器 252 測量信號ihet 254 極化器 255 極化器 256 光束 260 處理器 262 檢測器 264 記憶體 266 校正器 268 呤計算器 269 +輸出 303s 分量 303p 分量 305-1S 反射光線 305-2S 折射光線 305-IP 光束 305-2P 折射光線 400 光源 402 光束 403 光束 404 光束 50 200837326 〇

U 405-1 光束 405-2 光束 410 極化器 411 A/2波板 412 光束分離器 413 光圈 414 極化器 416 檢測器 418 反射器 420 反射器 422 極化器 424 透鏡 426 檢測器 433 光束 434 光束 435 光束 461 滑動控制器 462 檢測裔 463 5财檢測裔 465 門檻值雜訊檢測器 466 計异器 467 平均器 468 今計算器 469 +輸出 51 200837326 470 滑動致動器 800 光源 801 光束分離器 802 光束 803 光束 804 光束 805-1 光束 805-2 光束 807 光束分離器 809 閥門 810 極化器 811 义/2波板 812 光束分離器 815 極化器 816 檢測器 818 反射器 820 反射器 822 極化器 824 透鏡 826 檢測器 828 反射器 829 反射器 833 光束 834 光束 200837326

L) 835 光束 900 光源 901 光束分離器 902 光束 903 光束 904 光束 905-1 光束 905-2 光束 909 閥門 910 極化器 911 2/2波板 912 光束分離器 915 極化器 916 檢測器 917 反射鏡 918 反射鏡 920 反射鏡 922 極化器 924 透鏡 926 檢測器 928 反射鏡 929 反射鏡 933 光束 934 光束 53 200837326 935 先束 1000 光源 1002 光束 1003 光束 1004 光束 1005 光束 1010 極化器 1011 又/2波板 1015 透鏡 1016 檢測器 1018 光束分離器 1020 反射器 1021 反射器 1022 極化器 1023 光束分離器 1024 透鏡 1026 檢測器 1033 光束 1034 光束 1035 光束 1041 光束分離器 1042 光束分離器 1050 邊角立方體 1051 閥門 200837326 〇 ο 1052 閥門 1100 光源 1102 光束 1103 光束 1104 光束 1105 光束 1107 光束分離器 1111 LCVR 1112 光束分離器 1114 極化器 1116 檢測 1118 反射器 1119 光束分離器 1120 反射器 1122 極化器 1124 透鏡 1126 檢測器 1128 反射器 1129 反射器 1133 光束 1134 光束 1135 光束 1135-1 光束 1135-2 光束 200837326 1200 光源 1202 光束 1203 光束 1204 光束 1205 光束 1209 閥門 1212 光束分離器 1214 極化器 1216 檢測器 1217 閥門 1218 光束分離器 1220 棱鏡 1221 棱鏡 1222 極化器 1226 檢測器 1233 光束分離器 1300 光源 1301 光束分離器 1302 光束 1303 HR光束 1304 光束 1305-1 光束 1305-2 光束 1309 光斷路器 200837326

1310 極化器 1311 又/2波板 1312 光束分離器 1315 極化器 1316 檢測器 1318 反射器 1320 反射器 1322 極化器 1324 透鏡 1326 檢測器 1328 反射器 1329 反射器 1333 光束 1335 光束 1361 斷路器控制器 1400 光源 1402 光束 1403 光束 1404 光束 1405 光束 1410 極化器 1411 乂/2波板 1415 透鏡 1416 檢測器 57 200837326 1418 光束分離器 1420 反射器 1421 反射器 1422 極化器 1424 透鏡 1426 檢測器 1433 光束 1434 光束 1435 光束 1441 光束分離器 1442 光束分離器 1450 邊角立方體 1451 光斷路器 1452 光斷路器 1500 光源 1502 光束 1503 光束 1504 光束 1505 光束 1509 光斷路器 1512 光束分離器 1514 極化器 1516 檢測器 1517 光斷路器 58 200837326

1518 光束分離器 1520 棱鏡 1521 棱鏡 1522 極化器 1526 檢測器 1533 光束 1600 光源 1601 外差反射光束 1602 外差反射光束 1603 外差反射光束 1604 外差反射光束 1605-1 外差反射光束 1605-2 外差反射光束 1609 光斷路器 1611 自參考振幅調制光源 1612 光學元件 1613 自參考振幅調制光源 1614 極化器 1616 檢測器 1618 反射器 1620 反射器 1622 極化器 1624 透鏡 1626 檢測器 59 200837326 1633 1634 1635 自參考振幅調制光束 自參考振幅調制光束 自參考振幅調制光束

Claims (1)

1. 200837326 十、申請專利範圍： L 一種測量厚度參數的方法，包括： 測量一外差相位偏移，包括： - 接收一分離頻率，雙極化光束； • 從該分離頻率、雙極化光束檢測一參考信號； 傳播該分離頻率、雙極化光束到一目標； 從該目標接收一反射分離頻率、雙極化光束； ^ 從該反射的分離頻率、雙極化光束檢測一測量信 號；和 於該參考信號和從反射的分離頻率、雙極化光束所 量測的該測量信號之間測量一相位差值； 測量一自參考相位偏移，包括： 接收一單頻率、振幅調制光束； 從該單頻率、振幅調制光束中檢測一參考信號； 傳播該單頻率、振幅調制光束到一目標； I) 從該目標接收一反射的單頻率、振幅調制光束； 從該反射的單頻率、振幅調制光束檢測一第二測量 信號；和 於該參考信號和該振幅調制光束的該測量信號之間 測量一自參考相位差值； 用該自參考相位差值校正該目標的相位差值，和 計算一該目標的厚度參數。 2. —種自參考外差反射計，包括： 一外差反射光源（1600)用於產生一外差反射光束 61 200837326 (1603)； 一自參考振幅調制光源（1611/1613)用於產生一自參 考振幅調制光束（1633); " 一細作模式切換器（1609)用於接收該外差反射光束 (16〇3)和该自參考振幅調制光束（1633); 參考檢测器（1616)用於接收該外差反射光束（16〇4) 和產生-參考外差反射相位信號（~)，和接收該自參考 振幅調制光束（1634)和產生一參考自參考相位信號 (、）； 一目標材料(214); 第一光學元件（1612/1618/1620)用於以一個預定入 射角度傳播該外差反射光束（1603)入射到該目標材料 (214)； 第二光學元件（1612/1618/1620)用於以該預定入射 角度傳播該自參考振幅調制光束（1633)入射到該目標 材料(214); 一測量檢測器（162 6)用於從該目標材料(214)接收一 反射的外差反射光束（1605-1/1605-2)和產生一測量外差 反射相位信號（7〜），和從該目標材料(214)接收該反射的 自參考振幅調制光束（1635)和產生一測量自參考振幅調 制相位信號〜； 一外差相位偏移檢測器（463)用於檢測該參考外差 反射相位信號（'/)和該測量外差反射相位信號（/,〃）之 間的一外差相位偏移（¾释）；和 62 200837326 一自參考相位偏移檢測器（462)用於檢測該參考自 參考相位信號（/<)和該測量自參考振幅調制相位信號 (Ae,)之間的一參考相位偏移（3鮮/恤）。 3 ·如申凊專利範圍第2項所述之自參考外差反射計，進一 • 步包括： 一相位偏移計算器（466)用於接收該外差相位測量 鮮/伽）和該參考相位測量（心,//m)並且計算由該目標材 〇 料(214)產生的該測量信號（/^)的一相位偏移（△&〜）。 4·如申請專利範圍第2項所述之自參考外差反射計，其中 該外差反射光源（1600)產生一分離頻率、雙極化光束和 該自參考振幅調制光源（1611/1613)產生一具有至少一 p 極化光分量的單頻率、雙振幅光束。 5·如申請專利範圍第2項所述之自參考外差反射計，其中 該操作模式切換器（1609)是一光斷路器。 6·如申請專利範圍第2項所述之自參考外差反射計，其中 〇 該第一光學元件（1612/1618/1620)和該第二光學元件 (1612/1618/1620)中的一個是由基於熱應力雙折射性的 材料構成的。 7·如申请專利範圍第6項所述之自參考外差反射計，其中 該材料是熔融石英和BK7石英中的一種。 8·如申請專利範圍第2項所述之自參考外差反射計，其中 。玄外差反射光源（16〇〇)以該第一頻率產生一 s極化光束 分量和以該第二頻率產生一 Ρ極化光束分量。 9·如申請專利範圍第8項所述之自參考外差反射計，其中 63 200837326 該操作模式切換器（1609)傳播該外差反射光束 該自參考振幅調制光束（1633)中的—個，同時阻和 差反射光束（1603)和該自參考振幅調制光束（15亥外 另一個，由此在外差反射操作模式和自參考操作模的 間在該測量檢測器（1626)切換—個測旦=之 (1635/1605-1/1605-2)。 里、’束 10·如申睛專利範圍第9項所述之自參考外差反射、 步包括： 、叶，進一 厚度叶异态（468)用於從相位偏移計算器（％ 收相位偏移資訊（△‘），並且計算一目標^ 厚度（、）。 π 的 11. 如申請專利範圍第10項所述之自參考外差反射 一步包括： ° 門檻值雜訊檢測器（465)用於從連續的自參考操作 模式，控該參考相位測量(、_)，並且把連續參考相 位測置（〜他）之間的變化與一預先確定的門棱值雜訊 級別進行比較。 12. 如申請專利範圍第9項所述之自參考外差反 步包括： :斷路器控制器（1361)在外差反射操作模式和自 參^呆作模式之間重複執行，該斷路H控制H(1361)操 作，連接到該操作模式切換11(1609)，並且在該測量檢 測為（1626)與該外差相位偏移檢測器（463)和該自參考 相位偏移檢測H(462)二者之間切換，並且在該參考檢 64 200837326 測器（1616)與該外差相位偏移檢測器（463)和該自參考 相位偏移檢測器（462)二者之間切換， 其中在該自參考操作模式^時，該操作模式切換器 (1609)阻擋該外差反射光束（16〇2)的路徑，並且該斷路 . 11 f制11 (1361)指示該自參考相位偏移檢測H (462)在 "亥夢考自參考相位信號（/<)和該測量自參考振幅調制 相位信號（D之間檢_參考相位偏移（、似），和 〇 其中在該外差反射模式時，該操作模式切換器 (1609)阻擋所述自參考振幅調制光束（ι6〇ι)的路徑，並 且該斷路器控制器（1361)指示該外差相位偏移檢測器 (463)檢測該參考外差反射相位信號（~)和該測量外差 纟射相則之間的該外差相位偏移伽）。 13.如申請專利範圍第9項所述之自參考外差反射計，進一 步包括： r ^相位偏移平均器（467)用於在連續的外差反射操 J 雜式巾從該相位偏移計算器⑽)接收相位偏移。 M.如申請專利範圍第9項所述之自參考外差反射計，其中 該^考振幅調制光源（1611/1613)的一雙振幅調制頻 率疋基於該外差反射光源（1_)分離頻率中的-個或 兩個。 15. 如申請翻範圍第2項所述之外差反射計，其中該預定 入射角度⑺與該目標層(214)的折射率有關。 16. 如申請專利範㈣2韻述之外差反射計，其中該預定 入射角度⑺是—個預定的預設角度。 65 200837326 17·如申請專利範圍第2項所述之外差反射計，其中對今 才示層（214)之该預定入射角度（α )接近布魯斯特角。 18· —種測量放置在一基底上一目標層厚度之外差反射 計，包括： 一個光斷路器（1309/1451/1452/1509/1517/1609)用 於 接收一外差反 射光束 (1303/1404/1405/1504/1505/1602/1603)和一個自參考光 束（1333/1434/1435/1533/1601/1633); 一第一外差檢測器（χ16)用於接收該外差反射光束 (χ04)和產生一參考電外差差拍信號（/<)和接收該自參 考光束(χ34)和產生一參考自參考電差拍信號; 第一光學元件（χ12/χ18/χ20)用於以一預定入射角 度（“）傳播該外差反射光束（χ03)入射到一目標材料 (214)； 第二光學元件（χ12/χ18/χ20)用於以該預定入射角 度〇)傳播該自參考光束(χ33)入射到該目標材料(214); 一第二外差檢測器（χ26)用於從目標層接收一反射 的外差反射光束(χ05/χ05-1/χ05-2)和產生一測量電外差 差拍信號（/^ )和從目標層接收一反射的自參考光束 (χ35)和產生一測量自參考電差拍信號（/^); 一外差相位偏移檢測器（χ63)用於檢測該參考外差 反射相位信號（/<)和該測量外差反射相位信號之 間的^一外差相位偏移（)，和 一自參考相位偏移檢測器（X62)用於檢測該參考自 66 200837326 參考相位信號（7〃/)和該測量自參考振幅調制相位信號 (^0之間的一參考相位偏移（心w);和 • 一相位偏移計算器（466)用於接收該外差相位測量 (心//伽）和該參考相位測量（、心）並且計算由該目標 材料（214)產生之該測量信號（)的一相位偏移 (^film ) ° 19·如申請專利範圍第18項所述之外差反射計，進一步包 括： 一分離頻率、雙極化光源(x〇〇)用於產生該外差反 射光束（1303/1404/1405/1504/1505/1602/1603)和該自參 考光束（1333/1434/1435/1533/1601/1633)。 20·如申請專利範圍第μ項所述之外差反射計，進一步包 括：. 一分離頻率、雙極化光源(x00)用於產生該外差反 射光束（1303/1404/1405/1504/1505/1602/1603);和 一分離振幅、單頻率光源（1611/1613)用於產生該自 參考光束(1333/1434/1435/1533/1601/1633)。 21. 如申請專利範圍第19項所述之外差反射計，其中該分 離頻率、雙極化光束進一步包括： 一以第一頻率振盡的第一線性極化光分量； 一以第二頻率振盪的第二線性極化光分量，該第一 頻率與該第二頻率不同。 22. 如申請專利範圍第20項所述之外差反射計，其中該分 離頻率、雙極化光束進一步包括： 67 200837326 一以第一頻率振盪的第一線性極化光分量； 一以第二頻率振盪的第二線性極化光分量，該第一 頻率與該第二頻率不同；和 該分離一分離振幅、單頻率光束進一步包括： 至少一以第一頻率和第一振幅振盪的第一線性極 化光分量；和 至少該第一線性極化光分量以該第一頻率和第二 振幅振盪。 23. 如申請專利範圍第18項所述之自參考外差反射計，其 中該第一光學元件(xl2/xl 8/x20)和該第二第一光學元 件（xl2/xl8/x20)中的一個是由基於熱應力雙折射性的 材料構成的。 24. 如申請專利範圍第23項所述之自參考外差反射計，其 中該材料是熔融石英和BK7石英中的一種。 25. 如申請專利範圍第18項所述之外差反射計，其中該預 定入射角度（“)與該目標層（214)的折射率有關。 26. 如申請專利範圍第18項所述的外差反射計，其中該預 定入射角度P)是一個預定的預設角度。 27. 如申請專利範圍第18項所述之外差反射計，其中對該 目標層（214)的該預定入射角度（α)接近布魯斯特角。 28. 如申請專利範圍第19項所述之自參考外差反射計，其 中該外差反射光源(x〇〇)以該第一頻率產生一 s極化光 束分量和以該第二頻率產生一 P極化光束分量。 29. 如申請專利範圍第8項所述之自參考外差反射計，其中 68 200837326 該一光斷路器（1309/1451/1452/1509/1517/1609)傳播該 外差反射光束（1303/1404/1405/1504/1505/1602/1603)和 該自參考光束（1333/1434/1435/1533/1601/1633)中的一 * 個，同時阻擋該外差反射光束 - (1303/1404/1405/1504/1505/1602/1603)和該自參考光束 (1333/1434/1435/1533/1601/1533)中的另一個，由此在 外差反射操作模式和自參考操作模式之間於該測量檢 f) 測器（x26)切換一測量光束(x35/x〇5-1/x05-2)。 30·如申請專利範圍第29項所述的自參考外差反射計，進 一步包括： 一斷路器控制器（x61)在外差反射操作模式和自參 考操作模式之間重複執行，該斷路器控制器（X6i)操作 4連接到該操作模式切換器（x〇9)，並且在該測量檢測 器（x26)與該外差相位偏移檢測器（463)和該自參考相位 I 偏移檢測器（462)二者之間切換，並且在該參考檢測器 . (xl6)與該外差相位偏移檢測器（463)和該自參考相位偏 移檢测器（462)二者之間切換， 其中在该自參考操作模式時該操作模式切換器 (x〇9)阻擋該外差反射光束(x〇2)的路徑，並且該斷路器 控制器（x61)指示該自參考相位偏移檢測器（462)在該參 考自參考相位信號（Jre/)和該測量自參考振幅調制相位 ^號（D之間檢測該參考相位偏移（心6//如），和 其中在該外差反射模式時該操作模式切換器（χ〇9) 阻擋该自參考振幅調制光束(χ〇1)的路徑，並且該斷路 69 200837326 器控制器（χ61)指示該外差相位偏移檢测器（463)檢測該 參考外差反射相位信號（~)和該測量外差反射相位信 號)之間的該外差相位偏移（&e//灿ί。 31.如申請專利範圍第3〇項所述之自參考外差反射計，進 一步包括： 尽度δ十异為（468)用於從相位偏移計算器（々Μ)接 收相位偏移資訊（Α^μ)並且計算一目標材料(214)的厚 度（)。 32·如申睛專利範圍第31項所述之自參考外差反射 一步包括： 。， 門檻值雜訊檢測器（465)用於從連續的自參考操作 模式監控該參考相位測量（心e//w)並且把連續參考=位 /則i (心价加）之間的變化與一預先確定的 級別進行比較。 凰雜訊 33·如申請專利範圍第32項所述之自參考外差反 一步包括： 進 一相位偏移平均器（467)用於在連續的外差反 作模式中從該相位偏移計算器（466)接收相位偏移。于知