TWI297387B - Self referencing heterodyne reflectometer and method for implementing - Google Patents

Description

1297387 N > i 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 /本發明係關於-種反射儀，其特別在於本發曰月提供一反射儀 糸統及其操作方法，用以藉由一外差式干涉法量測反射之分頻信 號之間的相位差而獲得厚度資訊。再者，本發明係.-方法及 糸統而可科差歧職職得的㈣錢來量板表面上 之薄或非常薄之薄膜厚度。另外，本發明铜於—自參照外差式 , 反射儀量_膜厚度’其伽補償铜器之偏移。且本發 明係關於-外差式反射儀其係可補償由光學量測元件所產生之 寄生雜訊。本發明係關於一外差式反射儀用來即時量測薄膜厚 度。 【先前技術】 由於在晶片製造上超精細公差的需求增加，在製造過程中之 層狀結構物理特性必需小心的控制以達成在眾多應用中所需滿 ，足的要求。廣義來說，干涉法係關於量測波之交互作用，例如光 波。一干涉儀之工作原理係來自兩個同調光，若同相位則將使光 強度增強’反之則相互抵消。一先前技術之量測系統，其係利用 干涉法量測表面輪廓之變化，並可得到高度資訊。H〇ngzhizha〇, et aL, in A Practical Heterodyne Surface Interferometer with Automatic Focusing，” SPIE Proceedings，Vol· 4231，2000, p· 301， 其係為一具體化實施例，其係包含用來量測一參考外差式訊號與 量測訊號間相位變化之干涉儀，從此測量可獲得關於表面被高度 照明點處之高度資訊。雖然此處產生之參考訊號與量測訊號經由 不同路徑傳播，仍將之稱為共路徑干涉儀。因此入射和反射光束 7 1297387 故地之同—频她，且此路徑係垂直於待測表面， 故此_時也稱為共轴方式或垂直軸方式。”表面 笪之術n彳轉干賴6知之—項缺料為所钟 产。二係為參考訊號所照亮之大範圍面積内之平均高 二，所传結果之鱗度較表面祕度所 之 =法之另-限制係其無法量測或計算出-薄膜層之L;; 達成膜厚度^之另—技術係以調變光源之頻率訊號來 f成外差形式。關專利第5,657424號（t〇 Zhang)，名為“一 # η 1個__絲來量啦賴料厚度之程序與 極弁虔tit體實施例。參照此裝置，其係包含—具調頻之偏 刀里並知射在目標樣本表面，並從目標樣本之上表面與底 部所反射出之兩道光束偵測出外差式干涉訊號嘯由比較外差式 干涉，號與光源之線性調變強度之間每—調變週期之be她數目 來。十算轉度。此賊置之主要缺點為魏独_調變來達成 外差形式’耻光賴可量狀最㈣解度較頻寬所限制。 外其匕的外差式干涉儀從兩個分開之光束獲得外差訊號，其中 第一光束具有第-鮮與絲方向，第二光束具有第二頻率與偏 極方向。美國專利第6，172,752號(Harnna，et al·)，名為“以一種 同時性非接觸干涉式方法量測光學特性之方法與裝置，，和美國 f利第6,261，152號(Aiyer)，名為“外差式厚度量測系統，，，正 疋此一類之具體實施例，並顯露出此一形式之干涉儀。 圖1係顯示先前習知之外差式厚度量測裝置圖。在此實施例 中包含一對具不同頻率與偏極方向正交之光束，其在混合外差前 8 1297387 % % 分別以不同路徑傳播；與一般習知技術相同，使用一化學機械研 磨(CMP)裝置。另外，外差式厚度量測系統1〇〇通常包括一化學 機械研磨(CMP)裝置、晶圓110以及一光學量測模組。該晶圓no 係包括一基板112和薄膜114。

該光學量測模組一般包括各種偵測與量測反射光束因都普 勒效應所產生之頻率位移(Dopplershift)之元件，係包括一雷射光 源140、分光器144、偏極化分光器146、四分之一波長板148、 反射儀152、四分之一波長板150、混合偏極器143、光偵測器 147、混合偏極器145、光偵測器149和一信號處理模組154，該 訊號處理模組154係電氣連接至光偵測器147、149之出口端。 在才呆作上，該雷射光源140發射出第一線性偏極光分量1〇2, 其係具有第一波長，和第二線性偏極光分量103，其係具有第二 波長且偏極方向係垂直於第一偏極光分量。該第一線性偏極光分 篁102與弟二線性偏極光分量1〇3係經由同一路徑傳播至分光 144，自該處反射出一部份之光束分量134、135並傳播至該混合 偏極器145,再分出光束分量116、117並傳播至該光偵測器149, 並產生12訊號。 該偏極光分量102、103之穿透光束分量1〇4、1〇5將傳播至 偏極化分光器146。在該偏極化分光器146處光束分量1〇4第一 次穿透並形成光束分量106，並穿過該四分之一波長板148來至 反射儀152，並反射後再經過四分之一波長板148，且再度經過 偏極化分光器146並形成光束分量122，該光束分量122之偏極 化方向係垂直於光束分量106並行經混合偏極器143而形成光束 分量124，最後，照射至光偵測器丨47。 從光束分量105而來之第二偏極化分量依循分開的穿透路 9 1297387

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徑，經第一路徑而形成之光束分量120，該分量之偏極化方向係 與第一偏極光束分量104垂直，並由偏極化分光器146反射並經 過四分之一波長板150而形成光束分量1〇9，並傳播來到光學透 明旋轉載體115。該光束分量109並在光學透明旋轉載體115背 面、基板112與薄膜114之介面與薄膜114之背面處部分反射並 分別形成光束分量111S、111T、及111B。每一個反射光束分量 109S、109T以及109B，並往回經過四分之一波長板15〇、穿過 偏極化分光器146而形成光束分量ins、113T、及113B，該光 束分量113S、113T及113B係與光束分量122重疊並傳播通過混 合偏極器145形成光束分量124、135S、135T及135B ,並由光 偵測器147所偵測且輸出訊號II。重要的是，η是由光束分量 1〇7與光束分量120所產生，其中該光束分量1〇7以第一頻率並 與薄膜114交互作用，而光束分量120係以第二頻率並經由第二 光路徑而不與薄膜114交互作用。經由比較訊號η和12則可量 測出薄膜114厚度。 當量測光束之光路徑長發生改變，拍頻訊號將因相位差而改 變。相位移量可經由比較量測光束與未經此光路徑光束之相位而 得到。經由此兩光束之相位差可推斷出距離，並可得目標樣本之 厚度（或厚度改變）。 顯而易見的，因為訊號II是偵測兩個不同光路徑之光束分 里，且只有其中之一與樣本有交互作用，在任兩個光束分量間之 光路控改變皆起因於與薄膜表面之距離改變。再者，因為只有量 測薄膜表面單點之距離，因此影響量測之外來因素，例如晶圓傾 斜，皆造因於厚度之改變。因此，把該類反射儀皆歸類成輪廓量 測儀 1297387 因此，本發明之發明人有鑑於習知光學量測之反射儀的缺 失，乃亟思發明一種自參照外差式反射儀及其量測方法。 【發明内容】 本發明係提供一可從外差式光訊號中取得精準相位差之自 參A?、外差式反射儀系統及其操作方法；該系統係不需再經由來考 晶圓校正。此外差式反射儀係包含一提供一對不同頻率之光源裝 置、一對產生光拍訊號之混合器、一對偵測光拍訊號並轉換成電 外差式拍訊號之光偵測器以及一偵測兩電子訊號相位差之相位 差偵測器。 該自參照外差式反射儀係有兩種操作模式；其一為外差式反 射(HR)模式，另一為自參照模式。該外差式反射(HR)模式係利用 頻率分別為ω與ω+Δω之s與p偏極方向之HR光束分量，而 5亥自參^椒式係利用頻率為ω與ω+Δ ω之p偏極方向之sr光 束分量。由HR光束分量偵測出之iref與ihet訊號可得相位差 5 Ref/film，而由SR光束分量偵測出之iref與met訊號則可得參 考相位差5Ref/Sub。利用HR光束分量之拍訊號量測所得之相 位差可仔薄膜厚度。該SR光束分量為p偏極方向且在該薄膜表 面處無有意義之反射，且於薄膜與基板介面所反射之光束並不包 含薄膜之任何資訊，因此，由SR光束分量之拍訊號所產生之相 位差（5Ref/Sub係等效於由參考樣本所得之相位差。 藉由在HR與SR兩模式間快速的切換，兩模式在偵測器上 因溫度引起之雜訊與相位漂移可視為相同。因此，由相位移 與參考相位移占以仍诎可計算出薄膜相位移 △ pfilm。依循此法，在由兩偵測器因溫度引起之雜訊與相位移 11 1297387 \ 可互相抵消，並可得一與溫度無關之△ pfllm。 由於參考相位移JRef/Sub並不受薄膜厚度改變和基板所影 響，因此任何參考相位移占Ref/Sub之改變皆可歸因於偵測器之 雜訊或溫度相關之相位漂移。且藉由監測連續的參考相位移值可 偵測出不了接父之雜訊局度，則罝測之相位改變量可與雜訊閥值 比較。 為使熟悉該項技藝人士了解本發明之目的、特徵及功效，茲 _ 藉由下述具體實施例，並配合圖式，對本發明詳加說明如後。 【實施方式】 在邁克遜(Michelson)外差干涉儀中，參考干涉光束與量測光 束之間具有微小的光學頻率差，一般這樣的先學頻率差是在幾千 赫紅到幾兆赫茲之間，兩者之間的干涉現象可由下述的方程式表 現： /=/4+5cos(A(〇 什 φ) ⑴ 其中A係表示直流電分量，B係表示信號分量並影響干擾條 紋的可見度’彡係表示參考光束與制絲之相位差；以及^係 指涉及光束分量及量測光束分量之信號角頻差。兩信號之間的干 涉係可透過具有相同於角頻差之角頻率的觸發信號而觀察得到。 當量測光束分量經過一光學路徑長度改變量(Ad)，該觸發信 號將會產生相位差7τχΔ(1)/λ。 前述本發明之發明人揭露一使用外差式反射儀與光栅式干 涉儀之薄膜厚度監測方法(Method for M〇nit〇ring Film加咖挪 12 1297387

Using Heterodyne Reflectometry and Grating Interferometry)以及一 外差式反射儀之薄膜厚度監測方法及其裝置(Heterodyne Reflectometer for Film Thickness Monitoring and Method for

Implementing)，其分別係西元2005年7月10日申請之審查中的 美國第11/066,933號申請案以及西元2005年2月25日申請之審 查中的美國第11/066,933號申請案，且係利用一簡單的外差式反 射儀達到薄膜量測。關於前述方法中，其量測信號係兩個分別與 樣本信號相互作之觸發信號的外差，兩個觸發信號中之一幾乎係 完全折射進入該薄膜中且自該薄膜底部反射，而另一觸發信號係 自該薄膜表面反射。因此，前述兩個觸發信號的光路徑差會產生 該外差量測信號的相位，而該光路徑差即係該樣本薄膜的厚度。 這樣的觀念也將會在後續的圖2中做進一步的說明。 圖2係顯示本發明自參照外差式反射儀一具體貧施例之薄膜 量測示意圖。一外差式反射儀200係包括一光學儀器，用以提供 直接之入射光束分量203以入射角α入射至該一膜214以及一 基板212上。一光源裝置220係可產生具有兩個線性極化分量的 光束202，此二線性極化分量係操作在不同的頻率且係相互正 交。舉例來說，該光束202可具有—s偏極化光束分量且頻率為 ω以及一P偏極化光束分量且頻率為ω+Δω。 一光束203係包括兩個相互正交的線性極化光束分量，此二 線性極化分量係具有在不同的解，如s偏極化絲分量與ρ偏 極化光束分量且鮮分職ω與ω+Δω。如騎述，頻率“ 係接近20百萬赫兹(ΜΗζ)，但是這只是一個示範性的例子，且在 ^它頻率下並轉開本發_祕。該光職置⑽制以產生 & it光束舉例來說可以係利用—季曼办⑽⑽)氦氮雷射 13 1297387

(He-Nelaser)。另一方面，自單一模態雷射光源產生的該光束可被 分離形成兩個光束分量，且可使用聲光調制器將該光束分量中的 一個或兩個的頻率偏移至到預設值。此二光束分量可先合併之 後，載入射至該薄膜214。使用任何適當的光學元件，用以調整 前述光述分量的路徑，使得該光束分量係直接入射至該平面，並 接近該薄膜214。如圖2所示，一對三棱柱（一入射棱鏡232以 及一反射棱鏡234)直接投射一入射光束分量203至一薄膜214， 且接收自該薄膜214的一反射光束205，其中係可使用任何適當 的光學元件，用以提供入射固定偏極化方向之光束的光路徑。舉 例來說’該光源裝置220係可透過一鏡面或其它的光學反射元件 將光線入射在以垂直線基準起算之入射角α的入射平面上，另 一方面該光源裝置220也可以係結合在偏極化光纖並以預先設計 的入射角投射一光束。 特別要指出的是這兩個光頻率之光路徑會在該薄膜中沿著 一單一路徑發生光學干涉，亦即該量測光束之s偏極化分量與ρ 偏極化分量幾乎會是在同一軸線上。再者，該薄膜214上的照光 區域中，該S偏極化分量與Ρ偏極光分量係共同擴張在一目標位 置。 本發明之外差式反射儀的一主要功能係根據量測之相位移 △ Pm計算該實際相位移△ ρ。該量測之相位移△ φπι係該參 考訊號Iref之相位與該量測信號迅贫之相位的相位差，亦即，自 一非反射光路徑所獲得之訊號（該參考訊號）的激發以及自一反 射光路徑所獲得之訊號的激發。該實際相位移△ $係需要作為 计算薄膜層厚度之誤差以及精確度df。因此，找尋量測相位移 △ W係需要兩個訊賊測器，其_係作為侧/產生該參考訊號 1297387

Iref以及另一係作為偵測/產生該量測信號伍过。 -訊號感測器240偵測自該混合偏極器254產生之該參考光 束204，該齡偏極器254係混合該參考光束2〇4之s偏極光分 量與p偏極光分量，priorto反獅P賴_2M,以及產生參考 訊號Iref 242，其以光束204之相位表示，相位^。舉例來說， 該訊號感测器240可以係一 piN光二極體 (Positive-Intrinsic-Negative)感測器，或是任何可感測觸發頻率以 及產生具有觸發頻率為|ω - (ω+Δ ω)|之參考訊號iref的光感測 器。該參考訊號Iref 242係傳輸至一相位移感測器262，該參考 訊號Iref 242係作為計算量測之該薄膜214導致之相位移△ 的參考相位。 另一方面，一訊號感測器250係偵測一混合偏極器255產生 的一反射光束25() ’該混合偏極器255係混合一光束205傳遞經 過該反射棱鏡234且在該薄膜214發生光學干涉的s偏極光分量 與p偏極光分量。該Ifl號感測器250產生一量測信號ihet 252以 傳輸该反射光束256的相位’即相位$ + △ $，且此項為係相對 於該參考sfl號Iref之相位而具有相位移△ $。舉例來說，該感測 器250可以係一 PIN光感測器，用以監測該反射光束256以及產 生一外差式量測信號Ihet，該外差式量測信號ihe具有外差角頻 率△ ω 〇 該量測訊號252係由該相位移感測器262所接收，並比較所 量測到的外差式量測信號Ihet252與該參考訊號Iref242而計算出 量測之相位移△ pm。該相位移△ p係經由該薄膜214所導致 的，且該相位移的量係和許多參數有相關性，這些參數包括該薄 膜214的厚度、所監測之薄膜的折射係數nf以及在較高相位移中 15 1297387 、 的校正係數。這些參數之間的相關性將於後做進一步的說明。在 各個實施例中，可由處理器260根據已校正的相位移計算 出精確的薄膜厚度df ’該相位移△ p係由量測之相位移△ 所獲得。無論如何，既然量測之相位移△ 具有一固有誤差 (inherent error)，因此至少在高相位移時，該量測之相位移校正後 才能進行精確的厚度量測。 該處理器260可以係依據所要使用的狀況而有不同的型態。 通常在生產線上的晶圓製程必須透過計算機或個人電腦進行即 , 時運算(real time process)，且此計算機或個人電腦係電器連接至 該訊號感測器240以及250或該相位移感測器262。無論如何， 該反射儀系統係可以預先架構一内部的資料處理器及/或離散式 勃體元件，藉以即時儲存以及處理所監測的訊號資料。再者，可 藉由已經設置在晶圓製程裝置中的處理器處理該反射儀量測獲 得的未處理訊號資料。在這個實施例中，該晶圓製程裝置之處理 器的韌體可進行該反射儀所有需要的資料處理，這些資料處理係 包括厚度計异。因此，該外差式反射儀系統2〇〇係可具有智慧型 的處理态260’該處理器260可包括離散式的韌體以及硬體元件。 這些元件一般疋包括一量測相位移校正器266以及一厚度計算器 268。另外，該系統260也可包括一誤差資料校正記憶體264，且 其操作將於後續說明中詳細討論。 刖述之貫施例係特別在於，該相位移感測器262接收分別自 所對應之感測器所偵測到該參考訊號红# 242以及該外差式量測 信號Ihet252,並量測該參考訊號以⑽與該外差式量測信號驗 252之間的相位移△ φηι。該相位移感測器262係可使用任何適 合的手段以進行該參考訊號Iref以及該量測信號_之相位賴 16 1297387 測。 雖然圖中位顯示，該相位移感測器262也可以係設置有一訊 號輸出入介面(I/O interface)，用以輸入波長及/或震盪頻率資訊， 以方便訊號偵測所需。 一但偵測到該量測之相位移△ ，該相位移△ 訊號會 被傳輸至量測相位移校正器266，以進行誤差校正。該量測之相 位移△ pm中的誤差可以係適用在高相位移的狀況，但是該誤差 可以藉由引入一關於該相位移△ φπι的多項式函數，該多項式函 『數係具有適化的校正係數(correcti〇n coefflcients)。再者，該量測 相位移权正器266需要一確定的參數資料，以進行誤差校正的計 算。這些資料包括該訊號源的波長λ、該薄膜層頂部的折射係數 nf以及該入射角α。該入射角α通常係内建為6〇度，比在布魯 斯特角度會有較好的精確度，其原因在美國第11/〇66,933號專利 申請案（使用外差式反射儀以及光栅干涉儀監測薄膜厚度之方 法）以及美國第11/〇66,933號專利申請案（用以監測薄膜厚度之 外差式反射儀及其方法）中都有所討論。 ^ 最後，該厚度計算器268接收根據該量測相位移校正器266 的已校正的相位移，並進行該薄膜214的薄膜厚度沉校正 計算。另一方面，該厚度計算器268可以係直接由該相位移感測 器262接收量測之相位移△ ，且依據該誤差資料校正記憶體 64所儲存之薄膜厚度校正資料並經由代數演算以校正該量測得 到的厚度。该厚度誤差校正資料或一查詢表(look-uptable，LUT；)， 係事先載入该誤差資料校正記憶體264，並對應該薄膜214的折 射係數。 再者’另一種方式係儲存該已校正厚度值仳在該誤差資料校 17 1297387 正錢體264中’且係索引至該些量測得的她移離散數值。在 此實施例中，在接收該相位移感測器262所獲得的該量測之相位 移△㈣’該厚度計算器268自該誤差資料校正記憶體撕輸入 一已权正厚度值並輸出該已校正厚度值。 這類方法係依據該薄膜上表面反射光的輻射係非等向性反 射的，因此’該外差式反射儀較⑽設定雜該人射肖“接近 布魯斯特角度。特仅待測薄膜的折射魏，其薄膜之相位移最 大的敏感度係在布魯斯㈣度時。#在布魯斯特角度時自該薄 膜表面反射之ρ偏極化光束的量是非常小，甚至是沒有反射量。 因此，自該訊號感測器250輸出的該量測訊號！het中的膜厚資訊 佔的成分比較大。 具體來說，在-監_統中的光學元件可以配合—特別的處 理器裝置而採用係非永續性的(Semkpermanently)設定，舉例來 說，可預設入射角度為60度，亦即α=60。。在這樣的系統中， 精準地調整該入射角係非常困難，甚至是不可能的。然而，在後 續所述内容中將討論，本發明的優點之一係在布魯斯特角度附近 的一個相當大的角度範圍中，或對於某些特定薄膜折射係數中， 其厚度量測的精確度高。 再者’除了該薄膜表面的非等向性反射外，非等向性反射也 會發生在該薄膜中以及該薄膜表面底部或該基板。這裡假設對s 偏極光分量與Ρ偏極光分量而言，該薄膜材質以及該下層介面皆 為等向性。無論如何，這個假設可能無法在各種不同薄膜形式的 狀況下成立，其詳細的解釋可在學術文獻T· Yasuda，et al·，“Optical Anisotropy of Singular and Vicinal Si_Si02 Interfaces and Η-Terminated Si Surfaces，” J· Vac· Sci· Technol· A12(4)， 18 1297387

Jul/Aug 1994, ρ·1152 and D· Ε· Aspnes，“Above-Bandgap Optical Anisotropies in Cubic Semiconductors: A Visible-Near Ultraviolet

Probe of Surfaces，” J· Vac. Sci· Technol· B 3(5)，Sep/Oct 1985, p· 1498中獲得進一步的解釋。因此，在該薄膜頂端及/或該基板顯 示明顯的非等向性反射的這些狀況中，可以係以介於垂直角與布 魯斯特角度之間的角度作為最佳化的入射角。

該外差式反射儀200設定入射角α係依據待測薄膜之折射 係數nf以及光源的波長。由於不同的薄膜具有不同的折射係數， 所以該入射角α係可以根據折射係數的不同而作調整。如果需 要調整該入射角α，必須提供一對應的裝置以基於各種不同待測 薄膜之折射係數，調整該外差式反射儀系統200之入射角，而這 樣的可以係藉由一平台系統210及/或入射棱鏡232與234達成。 舉例來說，該入射棱鏡232與234可以係設置為具有兩種調整角 度者，其一係可調整該光束203與205入射面之表面方向（亦即 薄膜214的表面方向），以及其二係可調整平行該入射面之侧向 移動。另一方面，該入射棱鏡232與234可以具有以垂直該入射 面與該平台系統210之方向為轉軸的旋轉自由度，而使得該入射 棱鏡232與234具有平行該入射面之侧向移動的自由度。該後續 的具體實施例中，將針對該入射棱鏡232與234以及該平台系統 210 (圖式中包括平台215、薄膜214及基板212)，該虛線係顯 示δ亥平口糸統210的移動方向，藉以配合折射係數，進行調整 入射光束203以及反射光束2〇5之入射角α。無論如何，對於該 薄膜以及光源裝置來說，本發明所強調者係使用一預設的入射角 α為60度會比該入射角精確地設置在該布魯斯特角度更好。 明參考圖3Α以及圖3Β，其係顯示該薄膜214所導致的相位 19 1297387

移△ p。一 HR光束之s偏極化分量(圖3A所顯示)會與該HR光 束之p偏極化分量（圖3B所顯示）相互分離（FIG.3A)。一入射 光束分量303係包括一 s偏極化分量303s(具有一光學角頻率ω ) 以及一 Ρ偏極化分量303ρ (具有一光學角頻率ω+Δ ω )，且該s 偏極化分量303s與該ρ偏極化分量303ρ係相互正交。該s偏極 化分量303s與該ρ偏極化分量303ρ皆係以入射角α入射至該薄 膜214表面。在該薄膜214表面，參考圖3Α所顯示，該s偏極 化分量303s的部分會反射成為一反射光束3〇5-ls，且該s偏極化 分量303s的另一部分以折射角ρ折射進入該薄膜314並接著自 基板212反射離開該薄膜214而形成一折射光束305-ls。再者， 該HR光束之ρ偏極化分量’參考圖3B所顯示，該ρ偏極化分 量303p係分開形成反射光束305-lp以及一折射光束3〇5-2p。 為了計算精確的薄膜厚度，最佳的方式係該光束在該薄膜形 成的光學干涉對於該薄膜的厚度能更靈敏，而進一步加強其外差 相位移△ pm的量。其目的係自該參考訊號中儘量地增加該外差 訊號之相位移Α φιη。而這又必須仰賴能採用最佳的入射角。既 然該反射光束係混合反射與折射之該s偏極化光束分量以及該ρ 偏極化光束分置’因此單極化光束分量係有利於使得自該薄膜表 面反射的光束能比其他的光束分量大很多。因為由於量測時係使 用具有不同頻率之該s偏極化光束分量以及該ρ偏極化光束分 篁，所以可以調整該入射角α而達到提供一偏極化光束分量之 目的。一種習知的技術中，一線性極化光束的使用將展現這樣的 結果，對應光源的波長並設定其入射角為該布魯斯特角度。在布 魯斯特角度，實際上進入的該入射光束分量3〇3ρ之ρ偏極化分 量係折射進入該薄膜而形成該折射光束305_2ρ，並伴隨非常小的 折射光束305-lt03產生。另一方面，操作在該布魯斯特角度時， 1297387 該入射光束分量3〇3s之s偏極化光束分量係該反射光束3〇5七， 並同時穿透該触而形成折射光束3Q5_2s。目此，該人射α係 可以調節到使得該偏極化光束分量大部份的能量不反射，但幾乎 都在該薄财補。因此，在職絲混合後，其混成之光束係 用以提供自該薄膜表面反射的8偏;&化光束分量的不均句所導致 的相位移_。相⑽由折騎產生的必須透珊厚度更敏感之 外差式反射儀去量測獲得，且必須建立利用相位移“計算厚 度的機制。在典型的外差式干涉儀巾，該她移制以量測所對 應=光成差W = ，其計算向採用 今。其中該3係該薄膜厚度所引起之相位移，該 α係入射角，該η係該薄膜之折射係數，且該d係該薄膜的厚度7 當外差式干涉儀對厚度更敏感時，便可從相位移△ p推算 出厚度。在典型的外差式干涉儀中，藉由量侧相位移△ $，則光 程差△(!的相應變化便可由以下公式求得： Δ φ=(4πχΑά)/ λ (2) 遠△ φ係該量測訊號Ihet的相位移，該Ad係光程差，以 及该又係該外差式光源之波長。因此得到 Δά=Δφλ/4π ⑶ 2^外差式干涉儀中，因為占，且 S=：^^sm2axd，故薄膜的厚度便可依據以下的公式求得： dJ—_ U苁 X 4n2 - sin7» J (4) 方程式（2)至⑷的證明係可參考以下所討論之美國第 ιι/〇66,933號專利申請案以及美國第11/〇66,933號專利申請案。 該外差式反射儀係利用一微分量測技術（differentiai 21 1297387 measurement technique)。在習知技術中，—薄膜的相位移的量側 係$用參考具有6知驗厚度之-基板。理想上，其操作者在每 次置測晶圓或其他產品前，必須具有-參考樣本以獲得-參考量 測°其缺點是’操作者需要料差式反射儀制H夠健全以避免 在下-個參考樣本完成量顺發生相位漂移 。高準確度的量測會 X到由光學το件所導致_外差鮮偏移與該相位移偏移，並維 持表面乾淨以及反應溫度之效應。一些干擾係可以被削除的。因 為該外差式反射儀的特性，包括頻率漂移並不會影響量測結果。 光學το件導至她移係可披覆層厚度以及人射肖而被計算 出。獲知資料在一受控制的環境中，避免因為量測的引響所造成 的影響。必須研究外差式反射儀制H，且其具有她漂移顯示 (O.Oldeg/。C)可導致在一外差式反射儀系統或該感測器溫度不被 受控。 因此’關於本發明之自參照外差式反射儀及其方法係揭露於 本說明書中。本發明所揭露之自參照外差式反射儀及其方法係無 需倚賴在參考晶圓樣本的可用性上。本發明將利用圖4A至圖4C 做進一步的說明。 圖4A至圖4C係顯示本發明自參照外差式反射儀中一具體實 施例之不使用參考晶圓的薄膜量測示意圖。圖4A係顯示一量得 相位6Ref/film與參考相位占Ref/Sub之完整操作狀態之自參照 外差式反射儀。圖4B係顯示量測（JRef/film之操作狀態；圖4C 係顯示量測占Ref/Sub之操作狀態。 與圖2所示之外差式反射儀2〇〇類似，本發明之自參照外差 式反射儀一般係包括一光學儀器，用以直接提供之入射光束分量 以入射角α入射至該一薄膜214以及一基板212上。一光源裝 22 1297387 置400係可產生具有兩個線性極化分量的光束4〇2，此二線性極 化分量係操作在不同的頻率且係相互正交。舉例來說，該光束4〇2 可具有一 s偏極化光束分量且頻率為ω以及一p偏極化光束分量 且頻率為ω+Δ ω，此後，該光束402即稱為HR光束分量。在 本發明中，以△ ω大約為20MHz為例，而在不悖離本發明之範 圍内也可使用其它頻率。舉例來說，該產生此光束之光源裝置4〇〇 可為塞哭分頻乱氣雷射光源(Zeeman split He-Ne laser)。另一方 面，自單一模態雷射光源產生的該光束可被分離形成兩個光束分 里’且可使用聲光調制器將該光束分量中的一個或兩個的頻率偏 移至到預設值。此二光束分量可先合併之後，再入射至該薄膜 214。使用任何適當的光學元件，用以調整前述光述分量的路徑， 使付6亥光束分篁係直接入射至該平面，並接近該薄膜214。 該HR光束分量402係以HR光束分量403傳播，並經由分 光斋412部分反射而形成HR光束分量404，該光束404並穿透 一偏極器414(@45° )入射至偵測器416而得一參考訊號^#。該 參考訊號Iref係提供光束未與樣本作用之相位資訊。部分穿透分 光器412之光束分量403經由反射光學元件418'420 (鏡子或其 它類似功用之元件）並入射至該薄膜214與基板212 (基本上為 一晶圓）。如上所述，入射角度α係設置為光源裝置4〇〇之波長 λ與該薄膜折射率nf所形成之布魯司特角(Brewster angle)，該角 度之詳細說明可參考美國專利第11/〇66,933號與第11/〇66,933號 (或缺省值設為α =60。）。 該HR光束分量403係與該薄膜214與基板212作用後反射 出光束分量405-1、405-2，並再經過偏極器422 (@45。）而入射 至一偵測器426，該偵測器426係量測該HR光束並得到外差式 23 1297387 量測信號Ihet。如上所述，由於此方法係利用薄膜214之異向十生 反射，光束405-1係為由薄膜214之上表面反射並且絕大部分係 為s偏極化方向，光束405-2則為與該薄膜214下方區域作用所 得之光束，因此該光束405-2除了有一些s偏極化分量外，還包 括絕大部分入射光束之p偏極化分量。參考如圖2所示，該薄膜 厚度資訊可經由外差式量測信號Ihet與參考信號Iref得到。

當將偏極器410與二分之一波長板411之混成裝置置入光束 402之路徑上，會產生包含ω和ω+Δω頻率之p偏極化外差光 束433，此後，該光束都稱為SR (自參照）光束。 該SR光束分量433係經由分光器412部分反射而形成SR 光束分量434,該光束434並穿透過一偏極器414 (@45。）入射至 偵測器416而得一參考訊號Iref。部分穿透分光器412之光束分 量433經由與入射HR光束分量403相同路徑經反射光學元件 418、420並入射至該薄膜214與基板212。該光束分量433係與 該薄膜214與基板212作用後反射出光束分量435，並再經過偏 極器422 (@45° )而入射至一偵測器426,該偵測器426係量測該 SR光束並得到一外差式量測信號Ihet。

當該SR光束入射至介電薄膜時，該介電薄膜表面並無或有 嚴重的反射（反射率〜1〇-3)。從該薄膜-基板介面之反射分量並沒 有攜帶關於該薄膜之任何相位資訊，因此，由該SR光束分量所 得之拍信號可用來當作一參考相位值，該參考相位值係等效於由 一參考樣本所得之值。然而，因為該入射Sr光束分量433為p 偏極方向，幾乎沒有從薄膜214表面之反射量，但在薄膜214與 基板212之介面有作用並有反射量。該反射之p偏極方向311光 束係為光束435並具有頻率〇和ω + 分量。因此，從該SR 24 1297387 光束分量435經由偵測器426所量測之信號Ihet係可提供一不受 薄膜厚度影響之參考相位值。 圖4A係顯示產生SR與HR光束之整合操作狀態，但實際應 用上SR與HR光束係接續地產生並傳播，並得到相位 與hef/film。圖4B係顯示在HR光束產生模式下之自參照外差 式反射儀畺測5Ref/film之操作狀態；根據本發明之具體實施 例，一整合偏極器與二分之一波長板41〇/411係為一可滑動光學 元件並包含一孔徑413。該滑動偏極板、二分之一波長板與孔徑 ，之整合裝置410/411/413係提供一快速切換HR光束與SR光束之 機構。在HR光束模式，該滑動偏極板、二分之一波長板與孔徑 之整合裝置410/411/413係位於將孔徑413與光束402路徑重疊 之位置上’因此可使得由光源裝置4〇〇所產生之hr光束可通過。 相池，在SR光束模式下，該滑動偏極板、二分之一波長板與 孔徑之整合裝置410/411/413係位於將偏極板與二分之一波長板

整合裝置410/411與光束402路徑重疊之位置上，因此使得HR 光束402轉換成SR光束433。提供此需求動力的係為一滑動致 動器470，並由滑動控制器461所控制。 Ψ

接著，在HR光束產生模式，該滑動控制器461命令該滑動 致動器470作動並到達HR光束位置，即為該孔徑413與光束4〇2 路控之同一直線位置。該入射HR光束403傳播至如上所述之偵 測|§ 416、426，並產生參考信號iref與外差式量測信號迅过。信 號Iref與Ihet係由滑動控制器461所控制，依據傳播模式切換信 號路徑至占Ref/Sub偵測器462或占Ref/fiim偵測器463 ;在HR 模式下，信號Iref與Ihet被送至占Ref/fllm偵測器463，在SR 模式下，信號Iref與Ihet被送至仙_油偵測器462。該 25 1297387 (5Ref/film係為在hr操作模式下信號Iref與Ihet之相位差。根 據方程式(5)，可得由SRef/mm偵測器463偵測信號fref與迅贫 之相位 。 占 Ref/film = + 0n〇isel _(^het + 必⑽ + ㈣匕 + φ noise2 (5) 其中’（5Ref/film係為該薄膜之相位移； 0Ref係為從分光器412至參考偵測器之相位移； Φ 0noisel係為關於偵測器雜訊之相位移； 0het係為從分光器412至外差式量測偵測器之相位移； 0 noise2係為關於债測器雜訊之相位移；， 0 Sub係為關於該基板之相位移；和 0 film係為關於該薄膜基板之相位移。 圖4C係顯不在sr光束產生模式下之自參照外差式反射儀之 操作狀悲。该滑動控制器461命令該滑動致動器47〇作動並到達 馨 SR光束位置，即為該偏極板與二分之一波長板整合裝置*腦u 與光束402 5^徑之同一直線位置。因此使得HR光束4〇2轉換成 P偏極方向SR光束，並同時具有分裂頻ω與〇 + ^(张光束 433。該入射SR光束433傳播至如上所述之偵測器416、426， 並產生參考仏遽Iref與外差式量測信號Ihet。信號Iref與臉係 由滑動控制态461所控制，此時並切換信號路徑至5Ref/Sub偵 測為462。该（5Ref/Sub係為在SR操作模式下信號㈣與脇 ，相位差。根據方程式⑹，可得由占Ref/Sub偵測器463偵測信 號Iref與Ihet之相位占Ref/sub。 26 1297387 (5Ref/Sub - (0Ref + 0noisel) -(0het + 0Sub + 0noise2) ⑹ 其中’ SRefSub係為該基板之參考相位移；0Ref係為從分 光态412至參考偵測器之相位移；0n〇isel係為關於偵測器雜訊 之相位移；0het係為從分光器412至外差式量測_器之相位 移；0n〇iSe2係為關於偵測器雜訊之相位移；0Sub係為關於該 基板之相位移。 不像方程式(5)，尋找6Ref/Sub相位之方程式⑹内並不包含 該薄膜相位移之任何項次，因此，該相位值dRef/Sub並不受薄 膜相位改變之影響（例如，該薄膜厚度改變）。 σ由於快速地在HR與SR模式下切換，此兩者量測間在偵測 器上由溫度引起之雜訊可視為一樣，且在參考相位/Ref/Sub與 1測相位占Ref/film也相等，例如0n〇isel = 0n〇ise2。因此該 薄膜之相位移即可經由方程式(7)計算得到。當作如此計算的時 候，由溫度引起之偵測器雜訊可有效地互相抵消，並得一=隨時 間變之相位差△ % film.

I 2 Δ φ film = 5 Ref/Sub - δ Ref/film (7) 其中，該ΔρίΠηι係為關於薄膜層之相位移。 藉由方程式⑺，關於該薄膜層之相位移可由 (5Ref/Sub與5Ref/film量測並由△ φίϊ1ηι計算器466計算出。 假設在兩者精確地量測間之雜訊相等（或足夠小），該薄膜Μ# 之厚度df可直接經由df計算器468計算出，該計算係由方程式 (4)中之此薄膜折射率nf、該光源裝置4〇〇之波長^與入射角度 α所計算出。 ^ 27 1297387 'v 比較連續的5Ref/Sub的量測值中，該感測器雜訊的等級的 監測係可以改變的。該5Ref/Sub係利用一自參照光束所計算庐 得的，該自參照光束係沒受到薄膜厚度的影響而沒有改變， 5Ref/Sub的量測值也不會因為薄膜厚度而改變。根據前述之方 程式(6)，連續的6Ref/Sub的量測中，該dRef/Sub的量測值不 會改變’除非e亥感測|§雜訊的專級改變。因此，該感測器雜气的 強度(severity)係可透過比較該連續的SRe分Sub量測值與雜訊闕 值而計算出。

因此，本發明在另一方面，該感測器雜訊係被監測的，且當 該雜訊等級不被接受時，具有相位差△ φί11πι係取數次梁測結果 的平均值。回到圖4Α至圖4C，該閥值雜訊感測器465自一 5Ref/Sub感測器462監測連續之5Ref/Sub量測值，並比較該雜 訊等級與一閥值。若該雜訊等級係低於該閥值等級，該閥值雜訊 感測器465不會作動，但若該雜訊等級係高於該閥值等級，該 5Ref/Sub感測器462會指示一 △pfiim平均器467會將一 △ φfilm計算器466經過數次量測所獲得之△ φβ1πι資料取平 均，並輸出一平均△ pfilm(AVG)至一 df計算器468。 圖5係顯示本發明自參照外差式反射儀之量測方法一具體實 施例的步驟流程圖，其步驟係包括：步驟5〇2，此流程一開始以 具有s偏極方向頻率為ω與卩偏極方向頻率為ω+Αω之敗 光束分量以α角度入射至目標樣本；步驟5〇4，該反射iHR光 束分量並被一偵測器與一外差式測量偵測器所量測；步驟5〇6， 從各自偵測器所得之信號Iref與Ihet可決定出占Ref/film ;步驟 508 ’與自我參照模式之操作流程類似。步驟51〇，一具有p偏極 28 1297387

方向頻率為ω與p偏極方向頻率為ω+Δ ω之SR光束分量以 α角度入射至目標樣本；該反射之811光束分量並被一偵測器與 一外差式測量偵測器所量測；步驟512，從各自偵測器所得之信 號Iref與Ihet可決定出（5Ref/Sub。步驟514，因此從占Ref/Sub 與5Ref/film之差別，可計算得到關於薄膜與溫度無關之相位移 △ pfilm;步驟516,最後根據方程式⑷中之Δφ，ηί; ^與入可 計算出薄膜厚度df，但該薄膜之折射率nf必須事先知道。另外， 若該外差式反射儀之量測偵測器再外加如美國專利號11/〇66,933

和11/066,933所示之柵攔式干涉儀，則可動態量測該薄膜之折射 率nf〇 圖6A係顯示本發明自參照外差式反射儀一具體實施例中的 HR光束作用示意圖；圖6B係顯示本發明自參照外差式反射儀 一具體實施例中的SR光束作用示意圖。圖6A係顯示HR光束作 用，圖6B係顯示SR光束作用。實質上，圖6A係為前述圖3A 與圖3B之組合，並顯示一包含兩個互相垂直之線性8與1)偏極 方向光束分量之入射HR光束分量403，且此兩偏極方向光束分 別具有頻率ω與ω+Δω ;該s偏極方向光束分量與薄膜214表 面作用’並部份反射出光束405-1，該光束405-1絕大部分為s 偏極方向。入射光束之角度α係為薄膜214之布魯斯特角，並 使得反射s偏極方向光束分量405-1可最佳化。另一方面，該ρ 偏極方向光束分量並沒有與薄膜214表面作用，而是以折射角ρ 穿透過並在薄膜214與基板212介面處反射出光束405-2;然而， 因有也有部份之s偏極方向光束分量折射，故光束4〇5_2係包括 s-與Ρ-偏極光分量。同時，當薄膜214厚度改變時，通過之HR 光束分量403、405-1、405-2距離也跟著改變，因此在偵測器上 量測得到之相位也會跟著改變。 29 I29、7387 \

V 圖6B係顯示包含s偏極化方向與p偏極化方向兩個線性之 入射SR光束433，其中兩線性偏極光頻率分別為〇與〇 + Δω。以薄膜214之布魯斯特角為入射角度α，使得ρ偏極方向 =光束分量在薄膜2Μ表面有最小之反射量；該入射SR光束分 直极係折射穿過薄膜m，並在薄膜214與基板212介面處反 射出一夾角P之光束435。與册光束不一樣，由於該驭光束 2不與薄膜2H表面作用，因此並不會受到薄膜214厚度改變之 影響。由SR光束所產生之拍信號可得一參考相位值，其作用就 - 如=由參考樣本所得之值_樣，如此可減少重覆去取得參考晶圓 並，測之時間。此獲得之參考相位並不隨薄膜厚度而改變，但是 與量測薄膜相位-樣卻會因溫度影響而產生相位漂移，故可用來 即時修正所量得之薄膜相位。 為了補償因溫度所引起之她漂移與消除使用校正晶圓，此 參考相位也提供-取得伽魏之機制；如上所述，該偵測器 之溫度相位漂移或雜訊可假設與後續飼—樣並抵鱗。缺而°， 當該_器之雜訊到達一定財後，有可能使得此假設發生錯 ， $ ’在此狀況下，僅消除雜訊有可能導致較差的結果。根據本發 明之具體貫糊，該細H之雜贿度仙即時狀⑽測，因此 可提供一精確的雜訊消除方式。 圖7係顯示本發明自參照外差式反射儀量測方法之雜訊消除 具體貫施例的步驟流程圖，其步驟係包括：步驟702，該流程一 開始係從連續之SR光束量測中尋找連續的慰編值，例如 恤仍诎1與（51^職11)2;該參考相位她驗>並不受薄膜厚 度和曰仁卻又到读測器雜訊與溫度所產生之漂移影響。由於快 速《測’在連續量測間之相位漂移和其他影響相位之雜訊可假 30 1297387 没性地被忽略，然而，還是有一些雜訊可能存在。若占Re£/Subi -5^ef/Sub2 = 0，則偵測器雜訊和相位漂移可忽略，然而，當兩 連績:£測間之相位差大於零，例如6Ref/SuM _占Ref/Sub2>〇， 則表不雜訊存在，且取決於該雜訊量，此結果應該被抑制。針對 於此，該特別應用需採用雜訊閥值，低於此則該結果可被接受且 不需額外之雜訊抑制；步驟704，雜訊閥值偵測器465比較連續 的參考相位之相位差與雜訊閥值，例如丨3RefSubl 卜 閥值，步驟706若雜訊增加量低於該閥值，則由量測相位 (5Ref/film與參考相位5Ref/Sub得到薄膜所產生之相位差 △ pfilm，並由α和又可得薄膜厚度仳（步驟 710)若步驟704之丨版f/Subl _5Ref/Sub2丨值大於雜訊闕值，則 ，外之雜訊抑制機概需實施。步驟，其係為將幾個連續的 量測值取平均使得雜訊變平滑；步驟谓，△㈣lm，处故触 和f Ref/film或df皆可平均，但△ p版，$歸灿和版麵瓜 之平均值可在前面幾個步剩完成，在任何實例巾，經由該 △ pfilm，nf，α and λ可得平均之薄膜厚度df。 乂 圖4A至4C係顯示本發明滑動在HR光束路徑上之λ/2偏 極板達成快速切換HR模式與SR模式之示意圖；1中取模式 係用來偵測減版趣m，而SR模式係用來偵測參考相ς ⑽ef/Sub。® 8 _林發明自參照外差式反射儀巾—具體實施 例之不移動光學元件之示意圖。其巾圖8Α係顯示本發明自參照 外差式反射儀於HR模式操作下量測相位之示意圖； 圖8B係顯林_自參料差式反輯於SR模式操作下1測參 考相位dRef/Siib之示意圖。此結構係與上述之圖4八至4c ς 仿，因此以下只特別敘述其不同處。 31 1297387

在此具體實施例中，HR光束802選擇性地在HR路徑和SR 路控中傳播；滑動式遮光器809選擇性地打開一路徑，同時並關 閉另路徑。该滑動控制器461係提供一操作控制信號來控制滑 動式遮光器809之位置。在HR操作模式下，HR路徑打開並以 滑動式遮光器809遮斷SR路徑。HR光束803經分光器812反射 形成光束804並入射至偵測器816，並產生參考信號&#。1111光 束802之一部分光HR光束8〇3入射並穿過分光器812，並與薄 膜214作用，且形成光束8〇5心、8〇5_2並照射至偵測器似6。該 滑動控制器461接收到上述之信號Iref和迅贫，並連接至 5 Ref/film偵測器463量測出相位占Ref/fllm。 在SR操作模式下，滑動式遮光器809遮斷HR路徑並打開 SR路徑。從光源裝置8〇〇發出iHR光束8〇2經分光器骱1與光 讀828之反射並經由靜止之偏極板與λ/2板裝置8i()/8ii則可 形成SR光束833。該HR光束係包含分頻ω與頻率ω + Δω且 正交之線性偏極化光束；而該SR光束係一對頻率為ω與ω + △ ω之ρ偏極方向光束。入射SR光束咖係為經分光器術反 射而重回到入射HR光束803之路徑上，再經由分光器812反射 形成絲834並照射至偵測器816產生參考信號μ。而一部份 之SR光束833則透過分光器812、與薄膜214作用，且形成光 束835並照射至_器826 ;該滑動控制㉟461接收到上述之信 號Iref和Ihet ,並連接至5Ref/Sub偵測器462量測出相位 d Ref/Sub。 在此具體實施例中’相當程度之光源量會損失，因此該光源 裝置800需具有光源損失補償機制。附帶一提，分光器8ιι、聊 與反射元件828、8四之組合就像是邁克遜干涉儀，但由於並沒 32 1297387 有同日守使用自參知光束833與HR光束803，因此並無光干涉與 有限條紋之議題。並且，由於量測信號IRef與Ihet間之相位差是 於分光态812之後，因此在分光器812之前之不同光束路徑並不 會在相位量測上造成任何影響。 由該參考相位6Ref/Sub，在不使用參考晶圓下係可導出一 與溫度無關之薄膜相位差。在經過晶圓之 0Sub2=0Subn假設下，HR光束與SR光束照射至薄膜之點可 不在同一位置；因此，如圖8A與8B之自參照外差式反射儀可藉 由分開SR光束與HR光束路徑來輕易達成。 曰 圖9A係顯示本發明自參照外差式反射儀中一具體實施例中 的HR光束路徑示意圖；圖9B係顯示本發明自參照外差式反射 儀中一具體實施例中的SR光束路徑示意圖。圖9A與圖9B顯示

之自參照外差式反射儀狳了入射與反射SR光束路徑外係與圖8A 與8B相同。其中SR光束933係透過反射元件917而沿著與hr 光束903路徑平行之路徑傳播，而不是利用一對分光器來分散和 聚焦在分開的光路徑上，且該反射元件917係與分光器9〇1在不 同直線上。光束902經分光器901使之轉向至SR路徑，並經由 靜止偏極板與λ/2板裝置910/9U、反射元件917反射而形成SR 光束933。 圖10A係顯示本發明自參照外差式反射儀中一具體實施例 中的對轉HR光路徑示意圖；目應係顯示本發明自參照外差式 反射儀中-具體實施例中的對轉SR光路徑示意圖；對開關模式 而言，需兩個同步之遮光器，其中各個偵測器各有一個。再者， 由於4 HR光束和sr光束以相反方向傳播，因此偵測器偵 測hr光束分量腦之信號Iref和SR絲分量則之信號 33 1297387

Ihet ;相反地，偵測器1026偵測SR光束分量1034之信號Iref 和HR光束分量1005之信號Ihet。在HR操作模式下，HR光束 分量1002經分光器1018反射後形成入射HR光束分量1003，並 經分光器1041反射、經過打開之遮光器1051而到達偵測器 1016 ;在分光器1041處，部分透過之HR光束分量1〇〇3係以逆 時鐘方向傳播（參考圖10A與圖10B)，並經反射儀1020反射後 打在薄膜214上反射出HR光束分量1〇〇5，再經反射儀1〇21反 射以及經過分光器1023與打開之遮光器1〇52而到達偵測器 1026。在SR操作模式下，hr光束分量1〇〇2經過分光器1〇18 後至偏極板與λ/2板1010/1011，並轉換成p偏極方向、且具分 頻之SR光束分量1〇33。在分光器1〇23部分透射之SR光束分量 1033在隅角立方反射器1050轉向，再經分光器1〇23反射並經過 打開之遮光器1052而到達偵測器1〇26。在分光器1〇23部分反射 之SR光束分量1〇33係以與HR光束分量1〇〇3相反方向之路徑 傳播，經反射儀1021並打在薄膜214上反射出SR光束分量 1035，再經反射儀1020、分光器1〇42之反射，再經過打開之遮 光器1051而到達偵測器1〇16。 。圖11係顯示本發明自參照外差式反射儀利用液晶可調延遲 器達成HR與SR操作模式電子式變換之一具體實施例示意圖； 如圖11之自參照外差式反射儀結構與圖8所示相仿，不同處在 於hr光束分量路徑中之偏極分光器1119與sr光束分量路徑中 周延遲^ llu，且操作上也不盡相同。該液晶可調延遲 抑U11係為使一光束分量之偏極方向旋轉一角度之裝置，且其角 f係為知加其上之賴·制。當設置此延遲器使偏極方向沒有 旋轉，則此裝置即為前述之外差式干涉儀；而#當設置此延遲器 使偏極方向_9〇。，_兩侧率之光束皆為p偏極方向，則 34

1297387 此即為SR模式。在此具體實施例中，光損耗量可減少。另一方 面，介於偏極化分光器1119與分光器11〇7間之路徑就像是一邁 克遜干涉儀。 在HR操作模式下，HR光束分量11〇2在偏極化分光器1119 處分成P偏極光分量與s偏極光分量；其中光束分量11〇3係為p 偏極光分量（頻率為ω+ Δω),且光束分量1133係為s偏極光 分量（頻率為ω )。該光束分量11〇3經由分光器m2反射而形 成光束分量1104，並入射至偵測器1U6。入射之HR光束分量 1103係為HR光束分量11〇2部份穿透過分光器1112之光束，並 與薄膜214作用，且反射出光束11〇5而入射至偵測器1126。該 HR光束分量1102之s偏極光分量經過液晶可調延遲器nu而形 成光束分量1133,而在此HR操作模式下，該液晶可調延遲器mi 係為關閉；該光束分量1133並經由分光器11〇7、分光器m2反 射而形成光束分量1134，並入射至偵測器1116 ;該HR光束分 量1134、1104並產生參考信號Iref。部份穿透過分光器1112之 光束分量1133與薄膜214作用，且反射出光束U354、1135-2 而入射至偵測器1126。該光束分量11〇3與光束分量1133係為外 差式干涉彳s號，且反射之HR光束分量1105、1135-1、1135-2產 生外差式量測信號Ihet。 在SR操作模式下，HR光束分量1102在偏極化分光器1119 處分成P偏極光分量與s偏極光分量；其中如前述，該光束分量 1103係為p偏極光分量（頻率為光束分量11〇2 之s偏極光分量經過液晶可調延遲器lm而形成光束分量1133, 而在此SR操作模式下，該液晶可調延遲器lm係為打開狀態； 該光束分量1133並經由分光器1107、分光器1112反射而形成光 35 1297387 束分量1134，並入射至偵測器1116 ;該光束分量1134、1104產 生在SR模式下之參考信號Iref。部份穿透過分光器1112之光束 分量1133與薄膜214作用，並反射出光束1135而入射至债測器 1126。反射之SR光束分量1105、1135並產生外差式量測信號_。 圖12係顯示本發明自參照外差式反射儀利用SR光束未通過 樣本得到偵測器相位漂移之一具體實施例示意圖。為了消除來自 系統之相位漂移效應，係以交替方式由偵測器1226量測具分頻 之光束。在晶圓量測模式（HR模式），HR光束分量12〇2經由分 光器1218反射後可得HR光束分量1203，該光束分量1203再經 分光為1212反射形成光束分量12〇4並射入偵測器1216，並量得 此HR操作模式下之參考信號时；而穿過分光器丨犯之取光 束勺里1203與薄膜214作用後並反射經過打開之遮光器1217， 並以光束1205入射至偵測器1226，並量得此HR操作模式下之 外差式量測信號Ihet;部分穿透分光器1218之光束分量12〇2被 遮光器1209所阻斷。在晶圓量測模式（SR模式）下，遮光器12〇9 與遮光$ 1217係操作在相反的位置上，即遮光器1217阻斷反射 之HR光束分量12G5，而遮光器聰則打開；該光束分量12〇5 穿透過分光器1218並由偵測器1226所量測，而反射之光束分量 1204則由偵測益1216所量測。此量測方式可以得到光束在進入 或未進入到晶圓之前在每個偵測器之相位偏移。 以上已將本發明作-詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明 之較佳實關而已，當祕限林_實狀細。即凡依本發 =請範讀作之解變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利^ 蓋範圍内。 36 1297387 【圖式簡單說明】 圖1係顯不習知外差式干涉儀之示意圖； 圖2係顯示本發明自參照外差式反射儀一具體實施例之薄膜 量測示意圖； 圖3A係顯示本發明自參照外差式反射儀中一線性極化入射 光束的s極化光束分量光角頻為〇狀態下的示意圖；

圖3Β係顯不本發明自參照外差式反射儀中一線性極化入射 光束的Ρ極化光束分量光角頻為ω+Δω狀態下的示意圖； 圖4係顯示本發明自參照外差式反射儀中一具體實施例之不 使用參考晶圓的薄膜量測示意圖； 圖5係顯不本發明自參照外差式反射儀之量測方法一具體實 施例的步驟流程圖； 圖6Α係顯示本發明自參照外差式反射儀一具體實施例中的 HR光束作用示意圖； 圖6B係顯示本發明自參照外差式反射儀—具體實施例中的 P偏極化外差光束作用示意圖； ，7 _林發明自參照外差式反射儀麵方法之雜訊消除 具體貫施例的步驟流程圖； 圖8係顯示本發明自參照外差式反射儀中—具體實施例之不 移動光學元件之示意圖； 圖9A係顯示本發明自參照外差式反射儀中一具體實施例中 的HR光束路經示意圖； 、 37 1297387 的㈣自參餅差狀賴巾—频實施例中 中的酬織謝—具體實施例 =_===自她卜繊謝―__

圖11係顯林發明自參照外差式反賴·液晶可調減速 °°成HR與SR操作模式變換之一具體實施例示意圖； 圖12係顯示本發明自參照外差式反射儀利用SR光束未通過 樣本得到债測器相位漂移之一具體實施例示意圖; 【主要元件符號說明】 外差式厚度量測系統100 第一線性偏極光分量1〇2 第一線性偏極光分量1〇3 光束分量104 光束分量105 光束分量106 光束分量107 光束分量109 反射光束分量109S、109T、109B 晶圓110 38 1297387 光束Ills、光束111T、光束111B 基板112 光束113S、光束113T、光束113B 薄膜114

光學透明旋轉載體115 光束分量116 光束分量117 光束分量120 光束分量122 光束分量124 光束分量134 光束分量135

光束分量135S、光束分量135T、光束分量135B

雷射光源140 混合偏極器143 分光器144 混合偏極器145 偏極化分光器146 光偵測器147 四分之一波長板148 39 1297387

光偵測器149 四分之一波長板150 反射儀152 訊號處理模組154 外差式反射儀200 光束202 入射光束203 光束204 反射光束205 平台系統210 基板212 薄膜214 平台215 Φ 光源裝置220 入射棱鏡232 反射棱鏡234 訊號感測器240 產生參考訊號242 訊號感測器250 量測訊號252 1297387

混合偏極器254 混合偏極器255 反射光束256 處理器260 相位移感測器262 誤差貧料校正記憶體264 量測相位移校正器266 厚度計算器268 入射光束分量303 s偏極化分量303s p偏極化分量303p 反射光束305-ls 反射光束305-lp 折射光束305-2s 折射光束305-2p 光源裝置400 光束402 外差反射光束分量403 反射外差反射光束分量404 光束405-1 41 1297387

光束405-2 偏極器410 二分之一波長板411 分光器412 孔徑413 偏極器414 偵測器416 反射光學元件418 反射光學元件420 偏極器422 偵測器426

p偏極化外差光束433 SR反射光束434 反射光束435 滑動控制器461 5Ref、Sub 偵測器 462 6Ref、film 镇測器 463 雜訊閥值偵測器465 △cpfilm 計算器 466 △cpfilm 平均器 467 42 1297387

df計算器468 滑動致動器470 步驟502 步驟504 步驟506 步驟508 步驟510 步驟512 步驟514 步驟516 步驟702 步驟704 步驟706 步驟708 步驟710 光源裝置800 分光器801 外差反射光束802 外差反射光束803 光束804 1297387 光束805-1 光束805-2 分光器807 滑動式遮光器809 靜止偏極板與半波長板裝置810、811 分光器812 偵測器816

偵測器826 光元件828 反射元件829 SR光束833 光束834 光束835

分光器901 外差反射光束902 外差反射光束903 靜止偏極板與半波長板裝置910、911 反射元件917 SR光束933 外差反射光束分量1002 44 1297387 入射外差反射光束分量1003 外差反射光束分量1004 外差反射光束分量1005 偏極板與半波長板1010、1011 偵測器1016 分光器1018 反射儀1020

反射儀1021 分光器1023 偵測器1026 SR光束分量1034 p偏極方向且具分開頻率之SR光束分量1033 SR光束分量1035

分光器1041 分光器1042 隅角立方反射器1050 遮光器1051 遮光器1052 外差反射光束分量1102 光束分量1103 45 1297387

光束分量1104 光束1105 分光器1107 液晶可調延遲器1111 分光器1112 偵測器1116 偏極分光器1119 偵測器1126 光束分量1133 光束分量1134 光束分量1135 光束 1135-1、1135-2 外差反射光束分量1202 光束分量1203 光束分量1204 光束1205 光束1205-1 光束1205-2 遮光器1209 分光器1212 46 1297387 偵測器1216 遮光器1217 分光器1218 偵測器1226

Claims (1)

1297387 \ V V 十、申請專利範圍·· ^以量測厚度參數之自參照外差式反射儀制方法，包 括··量測一外差相位移，其係包括·· 、，魏-分裂辭之雙極化絲；細―參考域自該雙極 化光束，傳輸該雙極化光束至一目標樣本，·接收該目標樣本反 ，之雙極化光束，侧該雙減絲之制信號；以及量测該 ^考訊號與該量測信號之_雙極化光束相位差；量測一自^ 丨"、、相位移，其係包括：接收—分裂鮮之p偏極化分量光束； ^亥分裂鮮之P偏極化分量光束中細—參考訊號；傳輸該 分裂頻率之P偏極化分量光束至一目標樣本；自該目標樣本接 收一反射之分裂頻率的p偏極化分量光束；自該反射之分裂頻 率的P偏極化分量光束偵測一第二量測信號；以及量測該分裂 ^率的p偏極化分量光束之該參考訊號與該量測信號的一自參 妝相位差；以及校正該目標樣本之具有自參照相位差的相位差。 2、一種量測一厚度參數之方法，其包括： 操作一外差式反射儀模式，其包括： 產生一反射儀光束； 傳輸遠反射儀光束，且該反射儀光束係以一預設之入射角 入射至一目標樣本； 1測自該目標樣本反射的一反射儀光束外差相位； 自該反射儀光束外差相位搜尋一反射儀光束外差相位移， 其中該反射儀光束外差相位移係由該反射儀光束與該目標樣本 發生光學干涉所產生； 48 以該預設的入射角 自參照光束外差相

雩 厚度參數之方法，其中操 1297387 \ 操作一自參照模式，包括： 產生一自參照光束； 傳輸該自參照光束，且該自參照光束係 入射至該目標樣本； 量測該自參照光束自該目標樣本的— 位；以及 自該自參照光束外差相位搜尋—自參照光束外差相位移， 其中該衫照光束外差相位移係由該自參照光束與該目標樣本 發生光學干涉所導致的；以及 *自該反射儀絲外差她移與該自參照光束外差相位移搜 尋一厚度參數。 3、如申請專利範圍第2項所述之量測_厚度參數之方法，其 作該外差式反射儀模式進一步包括： ^ 量測該反射儀光束之-反射儀光束參考相位，其中自該反 射儀光束外差相位搜尋該反射儀光束外差相位移進一步包括搜 尋-相位移該反射儀光束外差相位與該反射儀光束之間的 相你。 ’ 1 4、如申請專利範圍第3項所述之量測一 作自參照模式進一步包括·· 、量測該自參照光束之自參照光束參考相位以及自該自參照 光束外差相位搜尋該自參照光束外雜位移進—步包括：搜尋 違自參照光束外差相位與該自參照光束參考相位之間的一相位 移相付。 49 1297387 \

如申凊專利範圍第4 預設的入射角係根據 項所述之量測一厚度參數之方法， 該目標樣本之布魯斯特角度。 其中該 6、 二:述之量測-厚度參數之方法 ’其中產生 產生一分裂頻率之雙極化光束。 其中產 7、厚度參數之方法 產生一分裂頻率之雙極化光束。 8如申明專利範圍第7項所述之量測一厚度參數之方法，盆中該 分裂頻率之雙極化光束光束進—步包括： ^ 具有一第一頻率之一 S偏極化光束分量；以及 具有一第二頻率之一P偏極化光束分量。 9、如申請專利範圍第6項所述之量測—厚度參數之方法，其中該 分裂頻率之雙極化光束進一步包括：

具有一第一頻率之一s偏極化光束分量；以及 具有一第二頻率之一P偏極化光束分量。 10、如申請專利範圍第9項所述之量測一厚度參數之方法，其中搜 尋一厚度參數自該反射儀光束外差相位移以及該自參照光束外 差相位移進一步包括： 自該反射儀光束外差相位移以及該自參照光束外差相位移 搜尋該目標樣本之厚度、該第一頻率以及第二頻率之一以及該 目標樣本之折射光束。 50 1297387 \ \ 1卜如申請專利範圍第ίο項所述之量測一厚度參數之方法，其中產 生一自參照光束進一步包括： 、 偏移該具有-第-頻率之S偏極化光I分量之相位至具有 一第一頻率之P偏極化光束分量。 12、 如申請專利範圍第11項所述之量測一厚度參數之方法，進—步 包括： 疊代該外差式反射儀模式以及自參照模式；以及 I%1 在每次的疊代中搜尋該目標樣本之厚度。 13、 一種自參照外差式反射儀，包括： 一外差式反射儀光束光源； 一操作模式轉換器，用以接收該外差式反射儀光束以及轉 換該外差式反射儀光束為一自參照光束； 一參考感測态，用以接收該外差式反射儀光束以及產生一 參考外差式反射儀相位訊號，並用以接收該自參照光束以及產 _ 生一參考自參照相位訊號； 一目標樣本； 第一光學元件，用以傳輸該外差式反射儀光束以及該自參 照光束以一預設入射角入射至該目標樣本； 一量測感測器，用以接收該目標樣本之外差式反射儀光束 以及產生一量測外差式反射儀相位訊號，並用以接收該自參照 光束自該目標樣本以及產生一量測自參照相位訊號； 一外差相位移感測器，用以偵測該參考外差式反射儀相位 51 1297387 \ 訊號與該量測外差式反射儀相位訊號之間的一外差相位移；以 及 一自參照相位移感測器，用以偵測該參考自參照相位訊號 以及該量測自參照相位訊號之間的一參考相位移。 Η、如申請專利範圍第13項所述之自參照外差式反射儀，其中進一 步包括： 一相位移演算器，用以接收該量測相位移以及該參考相位 I 移’並演异該目標樣本導致的一相位移。 15、 如申請專利範圍第13項所述之自參照外差式反射儀，其中該外 差式反射儀光束光源產生具有一第一頻率之一 s偏極化光束分 量以及具有一第二頻率之一p偏極化光束分量。 16、 如申請專利範圍第15項所述之自參照外差式反射儀，其中該操 作模式轉換器轉換該具第一頻率之s偏極化光束分量為具有第 一頻率之ρ偏極化光束分量。 17、 如申請專利範圍第15項所述之自參照外差式反射儀，其中該操 作模式轉換器進一步包括： 一偏極化器； 一半波長板；以及 一滑動機構，用以在該外差式反射儀光束的一光路徑中滑 動該偏極化器以及該半波長板。 1S、如帽專職圍第17項所述之自參照外差式反射儀，其中進一 步包括： 一滑動控制器，用以疊代該外差式反射儀模式以及自參照 52 1297387 模式，前述之滑動控制器的操作係配合該操作模式轉換器，該 =㈤目位移感以及該自參照相位移感測器，其中在自參照 核式中’-操作員指補操作模式轉換器驅動該滑動機構在該 外差j反射儀光束的一光路徑中滑動以及指示該自參照相位移 感，偵測=目位移，域中在該外差式反射儀模式中，該操 作員♦日不雜他式轉換器驅賴職機構移出該料差式反 射儀光束的光路徑，並指示該外差相位移感測器侧一相位移。 19、如申料利範圍第18項所述之自參照外差式反射儀，其中進一 1 步包括： -厚度演算H，用以接收該相位移演算器之她移，用以 演算該目標樣本之厚度。 2〇、如申請專利範圍帛19項所述之自參照外差式反射儀，其中該外 差式反射儀光束光源進一步包括·· 一氦氖雷射。 2卜申請專利範圍第19項所述之自參照外差式反射儀，其中該預設 ^ 的入射角的設定係根據該目標樣本之布魯斯特角度。 ° 22、一種用以量測厚度參數之方法，其包括·· 豐代-外差式反射縣作模式以及—自參照操賴式之間 的一光束，前述之外差式反射儀操作模式包括產生具有一第一 頻率之一 s偏極化光束分量以及具有一第二頻率之一 p偏極化 光束分量，且前述之自參照操作模式包括產生具有該第一頻率 之- s偏極化光束分量以及具有該第二頻率之一 p偏極化光束 分量； -參考感·触該絲，且產生—參考光束相位訊號； 53 1297387 傳輸該反射儀光束以一預設入射角入射至該目標樣本； 一里測感測為接收該目標樣本之光束，且產生一^量測光束 相位訊號； 在每次疊代中，自該量測光束相位訊號搜尋一反射儀光束 外差相位移，且該參考光束相位訊號以及自該反射儀光束外差 相位移搜尋該目標樣本之厚度參數。 54

1297387 4 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：圖（1)。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 外差式厚度量測系統100 第一線性偏極光分量102 第二線性偏極光分量103 光束分量104 光束分量105 光束分量106 光束分量107 光束分量109 晶圓110 光束111S、光束111T、光束111B 基板112 光束113S、光束113T、光束113B 薄膜114 光學透明旋轉載體115 光束分量116 光束分量117 光束分量122 5 1297387 光束分量124 光束分量134 光束分量135 光束分量135S、光束分量135T、光束分量135B 雷射光源140

混合偏極器143 分光器144 混合偏極器145 偏極化分光器146 光偵測器147 四分之一波長板148 光偵測器149 四分之一波長板150 反射儀152 訊號處理模組154 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 6