TWI429896B - 橢圓偏光測定儀器及監控製程之方法 - Google Patents

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Description

橢圓偏光測定儀器及監控製程之方法
本發明係概括的關於樣品(samples)之檢測，更具體的說，係關於樣品之聚焦光束散射及其他量測方法。
由於微電子裝置之積體密度及操作頻率的不斷增高，使得製造這些裝置之方法要求能夠測定製造這些裝置之次微電子構體的尺寸以及澱積在該構體之上面，周圍及下面之薄膜的厚度。這些測定係在石印、蝕刻及澱積薄膜等製造步驟期間實行。新電晶體之生成係在製造多層薄膜期間形成之非平面構體所形造，而這些電晶體之形造在製造之每一步驟實行多層薄膜的測定之外更需實行其他多種測定。
光學的測定法可提供快速、精確、非破壞性且較便宜之分析技術。隨著樣品(即微電子裝置等)之尺寸變成小於或相當於光波長度，利用顯微鏡等之影像測定法已變為不可能，而要求能分析由樣品散射之光的強度及/或偏光性。若測定樣品之周期性陣列(periodic array)，則能達成最簡單的分析且高精確的測定結果。
為了實施次微構體之尺寸及包圍該構體之薄膜的厚度之精確特性需要有非破壞性，非接觸性、小測點、高效率及高精確之測定方法及裝置。
在此說明書中吾人盡可能的使用標準之名詞，但為了避免誤解對於下舉之各詞特加以定義：“特性”，“參數”，“模態”，“樣品”及“構體”。應知，上舉之各詞具有一般習知之意義，故盡可能的保留其意義。下面之附加定義，其目的只在於澄清。
“樣品(sample)”指具有一或多個結構的物體或澱積或形成於其上之物質。在此文中“樣品”、“基板”及“晶圓”等詞係交互使用。
“構體(structure)”：指樣品上之物體或被測定樣品之一部份。此詞有時交互用以代表例如形成於樣品上之“光棚(grating)”、“線條(line)”或“層(layer)”。再者，應予一提的是，“樣品”典型的是由多層形成，同時該等層可形成於除了光棚或線條等之外之一或多個物體(object)之上面、下面及附近。
“特性(characteristic)”：指樣品上之構體的客觀特性，包括尺寸、幾何形狀、位置或排列。
“參數(parameter)”：指由觀察(使用測定儀器)或數學(經由適當模式解法)所得或導出之值(value)且其與樣品之一或多個特性(例如樣品之測定Rp/RS比)至少部分的相關連。應知，參數可直接測得，即可直接關連於由檢測器直接導出之光的強度，但亦可由該強度資料導出。附帶參數可包含但不限定例如散射樣式、光譜、光譜樣式、強度、反射光之偏光狀態、折射指數、摻雜物濃度、結晶構造、應力、應變、化學組成等。
“模態(model)”：指一或多個方程式及/或其解法(solutions)代表在預先規定之一組條件下之樣品的一或多個參數。該一組條件可例如(但不限定為)入射角、入射光波長、光棚的周期性(periodicity of gratings)、線性結構物的側壁形狀或模造及成形樣品的材料之光學特性。模態係用以預測在設定的一組條件下可能發生的事。
現說明圖1A~1D，此等圖顯示聚焦光束散射測量系統100之一例的簡化圖。其中圖1A為適合實施本發明的實施例之系統100，此系統包括但不限定臨界尺寸測量、塗層對準測量、邊側粗細度測量、線寬測量及線幾何形狀測量等。圖1B為圖1A所示樣品10的斷面圖，圖1C為平面圖，而圖1D系統100與其他量測或檢測系統連用之示意圖。
系統100備有一或多個例如雷射器等產生平行光束20之干涉光源1。此平行光束20通過偏光器2(polarizer)及調整器3藉由聚焦鏡片4聚焦於樣品10上。聚焦光束21照射樣品10上由聚焦光束21所形造的測定光點(measurement spot)11內的周期性構體9部分。
反射光束22由接光鏡5收集後，將其轉變成為平行光束23。由樣品10散射之對應於各入射角之光係沿著平行光束23之斷面分佈。此平行光束23通過一檢光鏡6而入射至檢測陣列(detector array)7。由該檢測陣列7之每一像素(未顯示)所檢測之光的強度係對應於其入射之角度，而此強度被轉變成為測定信號(measured signals)51。由於來自反射光束22之斷面91之不同部分及平行光束23之光會碰擊檢測陣列7之不同像素，於是分解多入射角而提供快速且同時多角度測量之功能。在本發明之一實施例中，系統100係設計成具有在入射光由構體(structure)反射後變更該入射光的強度及極性狀態兩者之特性。此種構成之系統已描述於Spanier等人之美國專利第5,166,752號(此專利併入本案供作參考)中。該專利之系統應用於多層薄膜之測定，而由本申請人公司(魯德府科技公司)以商標名ASER及Ultra量測器提供應用於多層薄膜之特性測定。
上述入射光的強度係由檢測陣列7轉變為測定信號51、調整器3、偏光器2及檢光器(檢光鏡)6之一或多個係可旋轉。另外應知，調整器3為一任意元件，可有可無。同時該調整器3亦可由光學彈性調變器取代或與其組合使用。上述之調整器3、偏光器2及/或檢光鏡6等元件之旋轉會改變檢測陣列7上之入射光的偏光狀態，同時允許P－及S－偏光反射性之偏光比率，即Rp/Rs之檢測值作為旋轉元件旋轉速度之函數。旋轉元件(例如調整器3、偏光器2及檢光鏡6之一或多個)上之編碼器50提供有關各個元件之位置及旋轉速率之資訊資料處理/測定控制系統8中以解譯在每一檢測器像素之強度變化狀態，同時藉由資料處理/控制系統8將其轉變為Rp/Rs比。精於此項技術之人應知道上面所描述之系統100可如散射測定器、偏光測定器或反射測定器般的運作，同時作為偏光測定器運作時，可以多重靜態或動態方式運作。系統100運作的有些模式之例子係包括，但不限定，旋轉調整器偏光測定、旋轉偏光器偏光測定、旋轉分析器偏光測定、零偏光測定及斯托克斯偏光測定(stokes ellipsometry)及消弧偏光測定(extinction ellipsometry)。
資料處理/控制系統8係使用測出之信號51根據光散射模式辨認構體參數。進而藉計算一設定之波長、入射角及構體配向之散射光(scattered light)之Rp/Rs比以及與該構體關連之一或多個模態參數(model parameters)。測定的結果包含例如構體間距，層厚、臨界尺寸及側壁角度等。應知，可獲得其他額外的測值或參數。如圖1B所示，入射面60為含有入射光(例如聚焦光束21)之平面，而向量(vector)61與樣品10之表面62呈垂直。入射角(θ1 )64係入射光及向量61之夾角。應知，入射角64之大小係由聚焦透鏡4界定。在圖1B之例子中，入射角係使用聚焦光束21之中心或主光軸66測定。另外，在圖1B中入射面60係X－Z平面，但應知，該入射面60可以任何所期望之角度配位於垂直向量61之周圍。
在Opsal等人之美國專利第7,206,070號中有揭示一種散射光測定用標準偏光測定器(即偏光橢圓計)，此測定器係於當來自偏光測定器之資料由於偏光狀態及方位角(azimuthal angle)間之聯結受阻擾時使用。因發生聯結時，由於反射光極性狀態及方位角的改變導致無法區分發生於輸出(output)內之變化。為此Opsal等人提供聯結有該輸出於其系統內之設計之測定器，而其一替代之方案為實行相當複雜之一系列計算以分離(de－couple)資料。
本發明之系統可免除上述之缺失，提供一組資料，在其中投射於樣品10上之光，其方位角之幾乎整個範圍之反射光的偏光狀態實質上均勻。因此對於給定之一組條件，系統100之預設回應模態不需要在必要獨立變數之間提供聯結。如此可大幅簡化模態，同時免除偏光狀態及方位角分離之需要。
使用聚焦光束同時的實施多角度量測之系統已揭露於Opsal等人之美國專利第6,429,943號中，此專利係利用一大數值口徑透鏡以光束中央垂直於樣品10表面之方式將光投射於樣品表面62，使在樣品10表面62形成一光點(spot)15。圖1A 及 IC之實施例亦為顯示Spanier等人之美國專利第5,166,752號，此專利之內容併入本案作為參考。此專利倡議聚焦光束21對於樣品不呈垂直(直角)而通常為偏離直角約50度(例如入射角64，θ1 為50度)。此種偏離直角之配置示於圖1C之X－Y平面部分101，如此便可由偏離直角之光束形成一如美國專利第6,429,943號之由垂直光束形成之光點15之橢圓測定光點(elliptical measurement spot)11，如圖1A~1C所示。美國專利第5,166,752號之偏離直角之配置及圖1A~1C提供入射角64，θ1 高達70度，此種入射角之值被知為對多層薄膜、被覆周期性構體之薄膜以及形成於聚矽閘電極線路側壁之薄隔距層較敏感(參照Thompon等人著“A Logic Nanotechnology Featuring Strained－Silicon”載於IEEE Electron Device Letters第25卷No.4(2004年4月)。
聚焦光束21之入射角的錐形部(cone)為聚焦鏡片4之函數(function)。在一實施例中，該聚焦鏡片4為折射光學元件或其他組合件。該聚焦鏡片4亦可為例如Schmidt－Cassegrain光學裝置或其一部分，同時亦可為折射及反射光學元件之組合，例如反折射透鏡或其一部分。由於上面所舉例子之聚焦光學鏡片4為習知且可互相替換應用，因此在本說明書中只就使用折射光學元件加以說明。
入射角之絕對範圍為相當的大且可自約0°擴大至約90°。由聚焦鏡片4提供之入射角的錐形部的範圍為數字口徑的函數且可在光學設計上有用或可能的設定變動極限(constraints)內盡量的大或盡量的小。入射角的錐形部的範圍之一個例子為至少30°或聚焦光束21之主光軸66之兩側＋/－15°，例如使用主光軸50°之入射角則可獲得絕對範圍約35°至65°之入射角。因此，改變聚焦鏡片4之光學設計及改變主光軸66之位置至所要的位置，即可獲得多種不同範圍及方位之入射角之聯立範圍(simultaneous range)之外，聚焦鏡片4可提供方位角Φ之聯立範圍。當聚焦鏡片4在主光軸66周圍之對稱位置時，方位角Φ之範圍將會實質上相同於入射角之範圍。但是，在某些實施例中聚焦鏡片4位於光軸66之對稱位置，例如聚焦鏡為反射或反折射設計之一部分之場合。在這些實施例中，方位角的範圍會不同於入射角之範圍。由圖1C可知，X－軸構成主方位軸。
利用單色光之聚焦光束21照射構體(structure)及薄膜層，並藉檢測器陣列7檢測反射光便可獲得包括次微構體(例如周期構體9)及澱積於構體之上、下及周圍之薄膜層之厚度及/或周期性測值等特性。
樣品10之薄膜及/或構體之特性可用量測之信號(measured signal)51決定，然後將其與構體之模態的散射問題解法所得之預計模態值比較。模態參數(例如由量測之信號51界定者)提供最適值予量測之參數構成一測定結果。模態計算需要使用有關材料之分散性質的一些預備知識，例如構體及構體本身的幾何形狀等。除了標準的內插及外插技術之外亦可使用Levenberg－Marquardt算法或如下述之其他技術等習知非線性最佳化技術實行分析。上述其他非線性最佳化技術包括揭示於Dpsal等人之美國專利第6,429,943號；Rovira等人之美國專利第6,713,713；及Zhao等人之美國專利第6,721,052等之在模態化Rp/Rs的預定多尺寸資料中尋找最佳搭配供模態參數值之組合集使用之技術。上述各美國專利之揭示內容併入本說明書中供作參考。
在有些實施例中係使用構體(即例如由半導體裝置設計師提供之層及光棚、線條等物)的指定尺寸來創製模態。應知，處理的偏差會變更樣品10上構體的尺寸，因此需驗證構體的尺寸使模態本身最佳化。此可藉使用系統100，從樣品10之量測位址(metrology site)取得如層厚等資料得以達成。若欲測定之構體為實質上透明時，可使用偏光測定法(例如使用系統100)。另外可用一種偏光測定器101在同一量測位址與系統100之測值同時或在不同量測位址或不同時間，獲得所要之尺寸資料。如果構體之一或多層為足夠不透明或吸收入射光以致無法量測取得有用之光學或尺寸資料時，可使用例如微微秒超音速量測法或X－光量測系統等量測系統101來取得有用之尺寸資料(例如層厚以及其他有關材料之特性等資料)。但應知，偏光測定器亦能用來獲得不透明材料之例如層厚等尺寸資料，但深度(厚度)只達約200~300A°。因此，不透明材料之層厚或形成於其表面之構體之厚度大於200~300A°時，偏光測定器就無法提供任何尺寸資料。層厚等尺寸資料可直接用以調整使用於散射量測法之模態，同時亦可用以調整模態所輸出之預測結果(predicted results)。在上述任一場合，尺寸資料可用以修正系統100所獲得之結果或使其最佳化。
在半導體製程中用以測定周期性構體之散射量測系統已揭露於例如Xu等人之美國專利第6,483,580號，Zhao等人之美國專利第6,721,052號，Finarov等人之美國專利第6,657,736號及Rovira等人之美國專利第6,713,753號中，其揭露內容併入本說明書中供作參考。這些專利揭示之系統均根據光譜量測或反射量測法，測定一光波長度範圍之單一入射角之反射性及/或偏光性。其量測之精確度係靠在寬波長光譜之構體材料複合折射指數的精確資訊。
使用具有一或數個分離波長值之光之多入射角及方位角之測值的精確度需要只在這些波長之樣品材料的複合折射指數之資訊。在較簡單的樣品上使用相同分離波長測得之獨立測值(independent measurements)可用在樣品材料建立所要波長之折射指數。因此，在本說明書中之一實施例中，以許多分離波長實行樣品之測定，而將測定所得之資料組合並加以分析。使用雷射器(例如作為干涉光源1)作為單色光源可使此例示之測定系統比傳統之使用連續光譜光源系統較快速且又較穩定。此外，使用一個以上之光波長，可提供獲取更多之構體資訊以覆蓋較廣範圍之參數變化所需之資訊，並解決可能之分歧。實行包括使用多相干涉光源1之多重測定的方法將參照圖2~4說明於下。應知，干涉光源1之典型為雷射器，但亦可為雷射發光二極體(LED)及其他可產生干涉光之裝置。在有些實施例中，部分或完全非干涉光源配置，以輸出實質上單一之波長(single wavelength)。上述之光源可為發光二極體(LED)。另外，將適當之濾光器(未圖示)或單色光鏡(未圖示)配置於光源1及偏光器2之間，亦可獲得適當之入射光束21。
由於用以從測值擷取構體參數之模態影響由入射光涵蓋之無限數之繞射光糊周期(grating periods)，因此散射量測宜儘可能涵蓋較多之樣品構體的周期。Opsal等人之美國專利第6,429,943號所揭示之標準入射系統在樣品上具有圓狀小測光點15。在該專利中倡議該光點15跨越周期性構件9被掃描以涵蓋更多之周期性構件9之周期。但是圖1A~IC中例示之系統卻在樣品10上提供一偏光量測光點11，此光點11如圖IC所示，可配置成涵蓋周期性構體9之更多周期。偏光量測光點11提供超額的周期70，因此比使用量測光點15所得者更佳之結果。在一個實施例中，樣品10上之量測光點可為大約50微米平方大。當半導體裝置之大小繼續的縮小、量測位址之尺寸亦隨著縮小，舉例而言，新近的半導體裝置可含大小約30微米平方之量測位址。量測光點15可為任何形狀，但不限定為正方形、矩形、三角形、圓形、橢圓形及設計師認為適合之其他形狀。
資料之處理/控制系統8係典型的含有一或多個連接於記憶體(未圖示)之處理機(未圖示)。該處理/控制系統8可包含多分離網路電腦系統等。上述處理/控制系統8乃典型的含有軟體部分(未圖示)，此軟體含有可由處理/控制系統8執行之指令。該軟體可嵌置於信號攜帶媒體中構成一有形而可由處理/控制系統8(例如其一或多個處理機)執行之機機可讀取指令程式。上述之處理機通常為通用處理機，但亦可為數位信號處理機、資料號處理機或可有效的產生模式化散佈資料之專用處理器。
與以不同波長量測樣品10同樣，對偏光器之入射面60成不同方位量測樣品10時可獲得更多有關周期性構體9之資訊且可提供不同選擇性靈敏度(selective sensitivities)予不同構體參數。當周期性構體9之線條92與偏光器之入射面呈平行或垂直時，在周期性方向71(參照圖1C)之定位上不應發生S－及P－偏光性之混合，以減少測值受樣品方位變化度之影響。圖1B顯示周期性方向71與X軸呈平行(即與Y軸呈垂直)同時亦與入射面60平行。線條92沿垂直於周期性方向71延伸、周期性方向71之其他配向亦可用。
在圖1A之實施例中，樣品10係置於樣品台板12上，此台板12可使樣品10定位於數個不同之配向，對應於周期性方向，圖中所示者為其配向由周期性方向71界定。上述樣品台板12亦可提供平移運動(例如沿X軸及/或Y軸移動)。及/或回轉移動(例如對樣品台板之中心轉動)及/或垂直運動(例如沿X軸移動)。此等運動係使樣品定位(例如使量測光點11聚焦於一特定之周期性構體上)或為聚焦。又，樣品10亦可被定位，使其周期性構體9之最大周期數位置於聚焦量測光點11內。
現參照(如需要)圖1A~1C說明圖2。圖2顯示量測流程之示意圖200，在圖中使用包括方法及輸入、輸出以及方法所用之內部資料等步驟量測樣品10。代號210、260、275及280係關於輸入、輸出及內部資料，而代號220、230、240、250及270係關於方法。
符號210代表提供樣品10之步驟，樣品包含多層薄膜，一般包含介電或金屬周期性構體。應知，亦可量測“平面”測值，此值係取自樣品之“平面部分”或“平面樣品”。所謂樣品之“平面部分”係指不含有構體(例如不含有周期性構體9)之樣品的平面區域，而“平面樣品”係指不含有構體(例如不含有周期性構體9)之樣品10。
代號220表示樣品的定位及聚焦裝置，即將樣品定位及聚焦。定位包括例如確實的使量測點11位於樣品10之一特定位置。例如可將一特定的周期性構體9或其組群對準量測光點11排列及藉該量測光點11照射(illuminated)。另一實施例係使樣品10之平坦部分對準量測光點11及藉該光點11照射。此定位亦可包括例如微微秒超音速工具等其他量測裝置之定位。
代號230表示使用樣品量測系統測定樣品100之特性，具體而言，使用一或多個光散射量測系統240(例如圖1A之光散射量測系統100，其可包含偏光測定及反射測定系統)產生對應於被照射樣品10部分之量測信號260(例如圖1A之量測信號51)。代號270表示使用資料分析算法270分析量測信號260決定樣品10之輸出特性。在一實施例中，藉由資料分析算法270產生量測資料275。舉例言之，資料分析算法270將類比量測信號260轉變為數位量測資料275。另一實施例係利用資料分析算法270將量測信號260轉換(映射)為量測資料275。在又一個實施例中，量測信號260係在不產生量測資料275下被使用。樣品10之輸出特性可包括薄膜厚度(例如樣品之平坦部分以及含有周期性構體9之部分)及周期性構體9之參數(例如節距、臨界尺寸、間距大小等構體尺寸以及例如閘電極等構體的寬度)。
再一實施例包括使用光散射量測系統240(例如偏光測定器)及微微秒超音速量測儀250來測定樣品10，其中光散射量測系統240係用於平面測定(即樣品10之平坦面部分或平坦樣品之測定)，而微微秒超音速量測儀250係用於平面測定，進而在資料分析計算步驟270中將量測信號260(例如，或量測資料275)合併以產生樣品10之特性的改進結果。再又一實施例中，係使用光散射量測系統240實行構體測定(即，測定具有周期性構體9之樣品的一部分)及使用微微秒超音速量測儀250實行構造測定，進而在資料分析計算步驟270中將量測信號260(例如，或量測資料275)合併以產生樣品10之特性的改進結果。圖1D顯示系統100與一個第2系統101合併之一實施例。在此實施例中，使用系統100以外之一或多個基本度量系統101取得樣品10之特性測值。此等特性測值可用以增進在系統100中測定之樣品10之測定正確度。例如，可使用微微秒超音速量測儀獲得材料或樣品之折射指數。此種量測儀揭露於美國專利第6,175,416號及第7,050,178號中，此等專利併入本說明書中供作參考。折射指數亦可使用偏光測定器、分光(光譜)測定器、單色光測定器、反射儀、折射儀等獲得。其他特性可藉使用系統100以外之量測或檢測系統獲得，並用以增進包括透光度、表面反射性及樣品10之材料之其他有用光學性質等測值之正確度。系統101可為例如微微秒超音速量測儀、單色光測定器、分光測定器、反射儀、巨視或微視缺點檢測儀或其他任何有用之量測或檢測裝置。又一個實施例，系統100係如偏光測定器運作而發揮如散射儀般之功能。在此實施例中，樣品之特性偏光測值係用以修正量測資料及模態之間之模態及/或相互關係以確保適當且有效之功能。
茲參照前面各圖說明圖3於下。圖3之流程圖為例示實行多重測定，包括利用聚焦光束散射量測含有周期性構體之樣品的特性所用之方法300。此方法300係由步驟305開始，即將樣品10定位於一特定方向，例如將樣品10定位使周期性方向71與入射面60平行(參照圖1B)。圖2及4，“量測資料”一詞包括一或多個之量測資料275或量測信號260。
在步驟310量測樣品10上之周期性構體9。步驟320及325為步驟310之量測周期性構體之兩個可替換性技術。在步驟320實行多重量測(multiple measurements)，每一量測使用單波長實行。每單波長由干涉光源1產生。在步驟325亦可使用單波長實行單次量測(single measurement)。
在步驟315決定是否實行微微秒超音速量測，若為“是”，即在步驟330實行，若為“否”，則在步驟325或步驟330之後，在步驟335決定是否使用其他方向。若在此步驟335決定“是”即在步驟305將樣品10定位於另一特定方向。舉例而言，將樣品10再定位使周期性方向71(參照圖1B)定位於在步驟305早先實行之原周期性方向71成90度之位置。在上述之步驟305中，周期性方向71可從原周期性方向(在步驟305早先實行)之對入射面60平行改變為對入射面60垂直。亦可配置於上述之對入射平面呈平行及垂直以外之其他方位。應知，周期性方向71，若需要可用角度來特徵化(界定)。例如，與入射面60平行之周期性方向71可視為零(0)度，而垂直之周期性方向可視為90度。使用這種界定法通常在量測上可使用0~90度之範圍來特定周期性方向。
假如在步驟335決定無(即”否”)使用其他方向，則在步驟340組(併)合方法300之步驟320、325及330量測之數據(資料)與方法300所用之周期性方向71資料。方法300之步驟340可將許多不同量測資料組合並將其分析。舉例言之，使用單波長(步驟325)在兩個不同周期性方向71之每一方向進行量測，而將此兩個量測所得之資料在步驟340合併。另一實施例係將上述兩個量測所得之資料與步驟330所得之兩個微微秒超音速量測資料(在樣品10上之周期性方向71之兩個微微秒超音速量測值)合併。
又另一實施例中，可實行多重量測，每一量測用單波長實行(步驟320)，但此多重量測只限在樣品的單周期性方向71實行，量測所得之資料乃在步驟340合併。但在步驟320及330只能在樣品的單周期性方向71實行量測。以上所舉實施例只是方法300之許多可能方案之數個例子。
現參照前面所示圖式，說明圖4。圖4所示為實施包括聚焦光散射法決定樣品之“平坦部分”或“平坦樣品”之特性之多重量測的一個方法400之流程圖。在此所謂樣品之“平坦部分”係指不含有構體(例如周期性構體9)之樣品10的平坦區域，而“平坦樣品”係指不含有例如周期性構體9等構體之樣品10。步驟400與上述方法300雷同，因此其各步驟之詳細說明從略。
方法400由步驟405開始(測定樣品10之平坦部分或平坦樣品10時)。步驟410及420係可任選一個在步驟405中用以量測周期性構體9。在步驟410中實行多重量測，每一量測使用單波長。每一單波長係由干涉光源1產生。若選用步驟420，則使用單波長實行單次量測。
在步驟430決定是否實行微微秒超音速量測，若是“是”，即在步驟435實行；若是“否”或在步驟435已實行微微秒超音速量測後，則在步驟440將來自410、420及435之量測資料合併並分析。方法400與方法300之不同處是方法400不具有在周期性構體9之不同方位量測資料之步驟，因為在方法400中無此種周期性構體9被量測。但一如方法300，方法400可將許多不同之量測資料合併而加以分析(參照步驟445)。
舉例言，使用單波長之單次量測資料(步驟420)可與微微秒超音速量測資料(步驟435)合併(步驟445)。依另一實施例，上述步驟410可不實行步驟435而實行，並將量測資料在步驟445與微微秒超音速量測資料合併。依再一實施例，步驟410及435之量測資料可在步驟445合併。上述實施例只是方法400之許多可能改變實施例之數則例子而已。
在另一實施例中，使用偏光測定器(ellipsometer)以多種入射角(約40~70度)及採用數種(例如1~6)波長連續量測周期性構體特性，在此量測時，使用一種聚焦入射光束(其係從樣品散射後收集而投射於檢測器上者)。此時之光源可包括干涉或非干涉光源且可為寬頻或實質上如上面建議之單色光源。
在有些實施例中，量測可在樣品10之周期性方向71之數個方位(orientation)及散射系統(例如偏光測定器)之入射平面60上實行。標準之量測係對入射面60呈0~90度之周期性方向71實行。但在一些實施例中，可在對入射面呈0~90度以外之周期性方向71的方位實行多重量測。在一個實施例中，周期性方向71的“理想”方位係被計算出，並獲得在該計算出之理想方位或鄰近之周期性方向71的方位之多重量測資料以證明該計算出之理想方位為一最佳方位。此項證明工作可對每一樣品之每一量測點或位址實行，或作為處方設定工序(recipe set up process)之一部分實行，上述處方設定工序係處理許多樣品10之前發生且可在處方設定程序期間只發生單次或只發生數次。
將來自不同方位(入射角及方位角)及波長之量測資料(測值)合併，同時比較這些測值與模態以決定最佳模態參數(特性)亦為有用的。其一個例子為將合併的量測資料全數，連同適當的加權因數(weighting factors)置入模態中。上述加權因數與樣品之多項特性或特徵互相關連，例如在有些實施例中，參數或特徵對於方位角較為敏感，因此可根據方位角比施加予入射角為多之權重(weight)予資料之轉換(differentiation of data)。
在又一實施例中，可實行多步驟解法，其中使用複數之不同量測資料或其組合來決定一或多個模態參數。在繼下之步驟中，這些得自第一步驟模態參數乃作為固定參數用於第一步驟所得之測值。下述的步驟涉及導出自系統100或系統101之不同量測資料組。例如，模態可被用以決定參數A、B及C。第一步驟固定參數A，而繼下的步驟，即若要決定參數B及C時，使用該固定參數A。作為額外的實施例，超音速及偏光測定係對周期性及非周期性構體的各種特性，同時亦對不同的參數係敏感的。因此，超音速測定可用以決定構體之深度(即厚度)，同時該決定之深度可進而用以處理偏光測定資料，以獲得澱積於構體上之薄膜的厚度。
圖1D顯示用以在量測點或量測位址實行量測之系統101，一如系統100。在其他實施例中，此等系統100及101可被安排在互相隔開之量測點(雖然不常，但時有)對相同量測點進行量測。又，這些系統100及101亦可互相錯開方位，或可互相橫向偏置，以對相同量測點同時進行量測。由下述可知，由系統100及101導出之資料可分別處理，但為了量測程序之最佳化，常一起處理。
量測可由系統100及/或系統101在各種波長下實行。此可一如光譜偏光測定器之場合，同時的實行，或一如使用實質上單波長多重獨立光源之偏光測定器，依序的實行。
在一實施例中，檢測器陣列7可為例如光學多路分析器(OMA)等一或多維檢測器。在此實施例中，檢測器陣列7可輸出每一入射角之單一強度資料值(single intensity data value)。為了獲取有關多方位角之資料，樣品10或系統100需要互相轉動。又，若想要多波長資料，則需在每一方位角捕捉多波長資料
在又一實施例中，複數之OMA可互相前後排列配置，使每一OMA輸出特定入射角之多強度資料值(multiple intensity data value)。每一OMA與單方位角相關連。事實上，OMA之陣列(前後排列配置)之作用與二維CCD(電荷耦合裝置，即電子光感應器)陣列極類似。如上述亦可使用二維CCD陣列，在此場合每一雖(each dimension)可被映射(mapped)於一不同參數上。例如入射角、方位角或波長，在一實施例中，系統100作為偏光器運作，而CCD之水平列(horizontal rows)可用以輸出單入射角之資料，而每一水平列與一入射角相關連。在此實施例中，CCD陣列之垂直列(vertical rows)可被映射在方位角或波長上，且於檢光鏡6及檢測器7之間配置有一適當之透鏡、光棚(grating)或其他分光裝置。
接光透鏡5收集反射光束22，使其再平行化後再將該平行光束投射至檢測器陣列7上。由上面之敘述可知，該平行光束包含映射於檢測器陣列7上之分離入射角及方位角成分。擋片(stops)、切縫(slits)及/或孔眼(apertures)等光欄(均未圖示)可含於系統100中以縮限入(投)射於檢測器陣列7上之光束23大小。於是，整體反射光束22之捕捉提供決定不同入射角及構體方位之Rp/Rs之重要資訊。此種安排可用來替代上述使用聚焦於同一點之多重偏光測定器系統之實施例。
上面所舉示者係非限制性之實施例，只是發明人認為實行本發明最佳之技術之實施態樣。精於此項技術的人可根據本發明揭露之內容作諸多之修飾及改變，這些修飾及改變應仍屬於本發明範圍內。
2‧‧‧偏光器
3‧‧‧調整器
4‧‧‧聚焦透鏡
5‧‧‧接光透鏡
6‧‧‧檢光鏡
7‧‧‧檢測器陣列
9‧‧‧周期性構體
10‧‧‧樣品
20‧‧‧平行光束
21‧‧‧聚焦光束
22‧‧‧反射光束
23‧‧‧平行光束
50‧‧‧編碼器
51‧‧‧測定信號
60‧‧‧入射面
64‧‧‧入射角
100、101‧‧‧系統
圖1A為實施本發明揭露之樣品的測定所適用之聚焦光散射量測系統之示意圖；圖1B為圖1A所示樣品之剖面示意圖；圖1C為圖1A所示樣品之俯視圖；圖1D顯示圖1A之系統與一分離之量測系統連用之示意圖；圖2為本發明量測方法之一實施例的流程圖；圖3為實施含有周期性構體之樣品的特性量測用聚焦光散射量測多重測定方法之流程實施例圖；及圖3為實行多重量測，包括聚焦光散射光測定，以決定含周期性構體之樣品之特性所用方法之流程圖；及圖4為實行多重量測，包括聚焦光散射測定，以決定“平坦”樣品之特性所用之方法之流程圖。
1．．．干涉光源
2．．．偏光器
3．．．調整器
4．．．聚焦透鏡
5．．．接光透鏡
6．．．檢光鏡
7．．．檢測器陣列
8．．．資料處理/控制系統
9．．．周期性構體
10．．．樣品
11．．．測定光點
12．．．樣品台板
20．．．平行光束
21．．．聚焦光束
22．．．反射光束
23．．．平行光束
50．．．編碼器
51．．．測定信號
66．．．主光軸
100．．．系統

Claims (21)

  1. 一種橢圓偏光測定儀器，用來光學地量測基板之特性，包括：適於輸出入射光束之至少一光源；第1光學元件，該第1光學元件將入射光以複數之入射角及複數之方位角聚焦於其上形成有周期性構體之基板之一測定位址，該第1光學元件之光軸係相對於基板之平面傾斜一斜角；及第2光學元件，該第2光學元件將測定位址之反射光導引至檢測器，而該檢測器之輸出至少部分的與測定位址的入射光之入射角及方位角互相關連。
  2. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，其中該檢測器係光敏元件之二維陣列，每一元件輸出一光強度值而此光強度值至少部分的測定位址及入射光波長的入射光之入射角及方位角互相關連。
  3. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，其中該至少一光源包含複數之光源，而每一光源輸出不同波長之大致單色光。
  4. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，進一步包括：設置於至少一光源及第1光學元件之間之一偏光器及一調整器，設置於第2光學元件及檢測器之間之一檢光鏡，其中該偏光器、調整器及檢光鏡之至少一個係沿該測定儀器之 光軸為中心以習知之速率旋轉。
  5. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，其中該檢測器之輸出係從一由入射角、方位角、波長、入射光之偏光狀態及折射指數構成之組群中選出之至少二個變數之函數。
  6. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，進一步包括一控制系統，該控制系統具有用於複數之模態的周期性構體之預期解法程式庫及用以將該檢測器之輸出與該程式庫中之解法之至少一者相關連以鑑別可產生該檢測器之輸出之合適基板組態。
  7. 如請求項6之橢圓偏光測定儀器，其中該預期解法係從一由入射角、方位角、波長、入射光之偏光狀態及折射指數構成之組群中選出之至少二個變數之函數。
  8. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，其中該入射光係投射於基板之測定位址上而對測定儀器之光軸呈約±30度之入射角範圍者。
  9. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，其中該入射光係投射於基板之測定位址上而對測定儀器之光軸呈約±30度之方位角範圍者。
  10. 如請求項1之橢圓偏光測定儀器，其中該第1光學元件係選自折射光學元件及反射光學元件之至少一個。
  11. 一種監控製程之方法，包括：以一範圍之入射斜角及一範圍之方位角導引其上形成有周期性構體的樣品之測定位址處的光束，各別範圍之入射斜角及方位角係設置圍繞一斜的光軸，其中該光束為習知偏光狀態；將該樣品之測定位址反射之光束收集而導引至檢測器；及從檢測器輸出至少部分的與該光束之偏光狀態、該光束反射時的相位轉變、光束之入射角及光束之方位角相關連之至少一陣列的資料值。
  12. 如請求項11之方法，進一步包括：調整投射於樣品上之入射光束的波長。
  13. 如請求項11之方法，進一步包括：以至少二個主要方位角將光束導引至測定位址；及根據在該至少二個主要方位角所得之測定結果決定最佳主要方位角。
  14. 如請求項11之方法，進一步包括：從資料值之至少一陣列導出至少一參數；及 比較該至少一參數與至少一預計算之參數，以鑑定該樣品之至少一特性。
  15. 如請求項11之方法，進一步包括：以光束之主光軸之±20度量測之方位角之聯立範圍，將光束導引至樣品之測定位址上。
  16. 如請求項15之方法，進一步包括：從樣品之模態鑑別光束的最佳方位角；及比較檢測器在光束之主軸的最佳方位角輸出之資料與在光束之主軸的其他至少一個方位角輸出之資料，以確認該模態。
  17. 如請求項16之方法，進一步包括：更新該模態以調整期望資料與由檢測器所得之實際資料之偏差。
  18. 如請求項11之方法，進一步包括：根據樣品的預期特性之至少一部分形成一模態；獲得有關該樣品的預期特性之資料；及根據所獲得之預期特性形成該模態。
  19. 如請求項18之方法，其中該預期特性係該樣品之折射指數。
  20. 如請求項18之方法，其中該模態係用於第1測定系統，而有關該預期特性之至少一個資料係得自第2測定系統。
  21. 如請求項20之方法，其中該第1測定系統為偏光測定器，第2測定系統係選自微微秒超音速測定系統、輪廓儀、偏光鏡、反射測定器、光譜測定儀、偏光測定器、X-光反射測定儀、X-光螢光測定儀及缺點檢測系統之一者。
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