TWI439661B - 用於在干涉儀產生規格信號之方法及系統 - Google Patents

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Description

用於在干涉儀產生規格信號之方法及系統/
本發明係有關於干涉技術。
干涉技術通常被用以測量一物體表面的輪廓。為此，一干涉儀結合從感興趣的表面反射的測量波前與從一參考表面反射的參考波前以產生干涉圖。干涉圖中的條紋係表示在感興趣的表面及參考表面間的空間變化。
一掃瞄干涉儀係在可相較於或大於干涉波前的同調長度之範圍間掃瞄在干涉儀的參考及測量臂間的光程差(OPD)以對被用以測量干涉圖的各個照相機像素產生掃瞄干涉信號。有限干涉長度可由例如使用白光光源產生，其被稱為掃瞄白光干涉術(SWLI)。典型的掃瞄白光干涉(SWLI)信號係局限於接近零光程差(OPD)位置的一些條紋。信號通常係由具有鐘形條紋對比包跡的正弦載波調變(“條紋”)特徵化。傳統構成SWLI量測的基礎之觀念係利用條紋的局部化以測量表面輪廓。
SWLI處理技術包括兩個原理傾向。第一種方法係找出包跡的峰值或中心，假定此位置對應於二光束干涉儀的零光程差(OPD)且其一光束係從物體表面反射。第二種方法係將信號轉換至頻域並且計算相位隨著波長改變的比率，假定一實質上直線的斜率直接與物體位置成比例。參閱例如Peter de Groot的美國專利第5398113號。後面 的方法被稱為頻域分析(FDA)。
掃瞄干涉技術可被用以測量具有複雜表面結構的物體之表面形貌及/或其他特徵，諸如薄膜、不同材料的離散結構、或未能由干涉顯微鏡的光學解析度解析的離散結構。此種測量係有關於平面顯示器組件、半導體晶圓量測、及在原處的薄膜與不同材料的分析之特徵化。參閱例如Peter de Groot等人在2004年九月30日公開的美國專利刊物第US－2004－0189999－A1號，名稱為”Profiling Complex Surface Structures Using Scanning Interferometry”，其內容在此一併供做參考，及Peter de Groot在2004年五月6日公開的美國專利刊物第US－2004－0085544－A1號，名稱為”Interferometry Method for Ellipsometry,Reflectometry,and Scatterometry Measurements,Including Characterization of Thin Film Structures”，其內容在此一併供做參考。
光學地決定有關一物體的資訊之其他技術包括橢圓法及反射法。橢圓法係決定在以例如60°之傾斜角，有時係以一可變的角度或多波長，被照明時的一表面之複雜反射率。為了達到比可在傳統橢圓儀中輕易達到者大的解析度，微橢圓儀測量在物鏡的後焦面(亦即，光瞳面)之相位及/或強度分佈，在該處，不同的照明角度被映射至場位置。此種裝置係歷史上被聯結至結晶學及礦物學之傳統的偏光顯微鏡或”錐光偏振儀”的現代化，其利用交叉的偏 光板及一勃氏透鏡(Bertrand lens)以分析光瞳面雙折射材料。
用於薄膜特徵化的傳統技術(例如橢圓法及反射法)係依靠下列事實，即一未知的光學界面之複雜反射率係取決於其本質特徵(材料特性及個別層的厚度)及被用於測量反射率的光之三個特性：波長、入射角、及偏振態。實際上，特徵化儀器在已知範圍內記錄由改變這些參數造成的反射率變動。然後，諸如最小平方法的最佳化程序被用以經由將在測量的反射率資料與從光學結構的一模型得出的反射率函數間的差異最小化而得到對未知參數的估計。
發明人瞭解能夠以多模式(例如描繪輪廓及橢圓模式)操作的干涉系統可提供大量的資訊，其可以互補的方式被用以提供有關物體之準確的資訊。
例如，發明人瞭解對於使用一透鏡以將干涉儀的出射光瞳(或”後焦面”或是”傅立葉面”)成像的干涉系統，一簡單的測量架構可經由決定例如光源的屬性、照明及成像光學、及干涉儀腔而將系統特徵化。再者，這些特徵可在一大範圍的波長、偏振及入射角內被決定。系統的屬性可僅由干涉測量資料被決定，而不需要直接檢查光源、光學元件、腔、或是干涉系統的許多(通常是非常靈敏的)組件的任何其他組件。
測量的干涉系統屬性提供使用於組合及品質控制，與用於比較此系統及其他系統的有用指導。另外，資訊可被用以改善測量的準確性。例如，這些屬性可被用以準確地將系統將對於一特定的測試表面結構測量的干涉信號模型化。此等模型對於在一些干涉測量及分析架構中的使用是重要的，特別是那些致力於準確地測量複雜的表面者(例如，那些具有包括不同材料特性的區域、薄膜結構、及其他表面特點者)。我們現在總結本發明之不同的特徵及特點。
在一特徵中，一種方法被揭露，其包括：在一個範圍的照明角度內將測試光指向第一校正表面並且將從第一校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第一校正表面的測試光與參考光係源自一共同光源；將來自第一校正表面的結合光的至少一部分指向一多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第一校正表面的不同照明角度；在一個範圍的照明角度內將測試光指向不同於第一校正表面的第二校正表面並且將從第二校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第二校正表面的測試光與參考光係源自共同光源；將來自第二校正表面的結合光的至少一部分指向多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第二校正表面的不同照明角度。
基於對從第一及第二校正表面出射的測試光由檢測器的不同元件測量的干涉信號及有關第一及第二校正表 面的其他資訊決定有關干涉系統的資訊。
有關干涉系統的資訊包括與下列至少其中一個對應的資訊：共同光源的光譜分佈、與平行於入射面的偏振狀態相比之垂直於入射面的偏振狀態之相對衰減、穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜分佈的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的平均強度的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的相位的變化、及穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜強度的變化。
方法可包括一些特點，分別地或結合地。例如，在一些實施例中，有關第一及第二校正表面的其他資訊包括有關第一及第二校正表面的反射率之資訊。
在一些實施例中，第一校正表面包括：塊狀矽、矽上氧化層、基板上介電層、基板上不透明金屬層、金屬的實心表面、介電材料的實心表面。
在一些實施例中，方法包括：將有關干涉系統的資訊與來自干涉系統的標準校正比較；及基於比較修改干涉系統。
在一些實施例中，方法更包括：將有關干涉系統的資訊與有關一第二干涉系統的資訊比較；及基於比較修改干涉系統之一或二者。
在一些實施例中，方法包括：基於有關干涉儀的資訊及有關測試物體的多模型的資訊，產生多模型掃瞄干涉訊號，其中，測試物體的多模型係由一系列之測試物體的特徵參數化。
在一些實施例中，方法包括：將對於在測試物體上的第一表面位置之可從干涉系統取得的掃瞄干涉訊號得出的資訊與可從多模型掃瞄干涉訊號得出的資訊相比較。
在一些實施例中，方法包括：基於比較決定測試物體之準確特徵。
在一些實施例中，準確特徵係第一表面位置的表面高度及/或第一表面位置的薄膜厚度。
在一些實施例中，準確特徵的決定包括基於比較決定測試物體的哪一個模型對應於測試物體之特徵中之準確者，並且使用對應於準確特徵之測試物體的模型計算有關測試物體的資訊。
在一些實施例中，方法包括：比較從額外的表面位置之掃瞄干涉信號得出的資訊與從多模型掃瞄干涉信號得出的資訊。
在一些實施例中，方法包括使用一搜尋引擎以比較從干涉系統取得的掃瞄干涉信號得出的資訊與從多模型掃瞄干涉信號得出的資訊。在一些實施例中，比較包括計算一或多個評價函數，其表示在從掃瞄干涉信號得出的資訊及對應於每一個模型的資訊間的相似性。
在一些實施例中，方法包括：使用干涉系統以一操作模式，其干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓，測量測試物體的測試表面；及基於有關干涉系統的資訊提供一修正的輪廓。
在一些實施例中，測試表面係測試物體之上表面或測 試物體之一埋入的表面。
在一些實施例中，方法包括：決定有關在測試表面上之一或多個區域的資訊。修正的輪廓也是基於有關在測試表面上之一或多個區域的資訊。
在另一特徵中，一種方法被揭露，其包括：對於具有不同反射率之在一測試物體上的一測試表面之多重區域的每一個，使用一干涉系統以第一操作模式測量各區域，第一操作模式係在一個範圍的角度及波長之間測量有關區域反射率的資訊；使用同樣的干涉系統以第二操作模式測量測試表面，第二操作模式係在包括至少一些的多重區域之範圍內干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓；及基於有關多重區域的反射率之資訊修正輪廓以減少誤差。
在一些實施例中，輪廓係厚度輪廓。
在一些實施例中，修正係對於每個區域包括：基於有關區域反射率的資訊決定高度偏移；及將偏移加到輪廓之對應部分。
在一些實施例中，方法包括：使用相同的干涉系統在一個範圍的角度及波長之間測量有關二或更多個參考表面的反射率之資訊；使用有關二或更多個參考表面的反射率之資訊決定有關干涉系統的資訊。輪廓的修正係進一步基於有關干涉系統的資訊。
在一些實施例中，方法包括：在一個範圍的角度及波長之間基於有關區域反射率的資訊決定有關干涉系統的額外的資訊。輪廓的修正係進一步基於有關干涉系統的資 訊。
在一些實施例中，方法包括輸出修正的輪廓。在一些實施例中，修正的輪廓之輸出包括輸出至下列其中之一：一使用者、一顯示器、電子儲存、一電子控制器、及被裝配以基於有關輪廓、印刷媒體及電子儲存媒體的資訊操作一或多個裝置的電子控制器。在一些實施例中，輸出包括輸出以用於半導體量測測量中。
在另一特徵中，一種干涉系統被揭露，其包括：一光源、一多元件檢測器、一干涉儀及一電子處理器。干涉儀被裝配以：在一個範圍的照明角度內將測試光指向第一校正表面並且將從第一校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第一校正表面的測試光與參考光係源自一共同光源；將來自第一校正表面的結合光的至少一部分指向一多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第一校正表面的不同照明角度；在一個範圍的照明角度內將測試光指向不同於第一校正表面的第二校正表面並且將從第二校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第二校正表面的測試光與參考光係源自共同光源；及將來自第二校正表面的結合光的至少一部分指向多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第二校正表面的不同照明角度。
電子處理器被裝配以：基於對從第一及第二校正表面出射的測試光由檢測器的不同元件測量的干涉信號及有關第一及第二校正表面的其他資訊決定有關干涉系統的資訊。
有關干涉系統的資訊包括與下列至少其中一個對應的資訊：共同光源的光譜分佈、與平行於入射面的偏振狀態相比之垂直於入射面的偏振狀態之相對衰減、穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜分佈的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的平均強度的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的相位的變化、及穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜強度的變化。
在另一特徵中，一種裝置被揭露，其包括一干涉儀系統。干涉儀系統被裝配以對於在具有不同反射率之測試物體上的一測試表面之多重區域的每一個，以第一模式操作以在一個範圍的角度及波長之間測量有關區域反射率的資訊；以第二模式操作以在包括多重區域的每一個的至少一些之範圍內干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓；及基於有關多重區域的反射率之資訊修正輪廓以減少誤差。
應瞭解任何上述特點可單獨或結合地包括上述方法、裝置及系統的不同實施例。
干涉系統的光瞳面被瞭解為干涉儀的出射光瞳的面，被某些人稱為”後焦面”或是”傅立葉面”。
如在此使用者，”光”不限於在可見光譜區域中的電磁幅射，而是指紫外光、可見光、近紅外光、及遠紅外光 等的任一光譜區域。
除非另外定義，在此使用的所有科技名詞具有熟知本發明所屬之技藝者通常瞭解的相同意義。在與任何供做參考的文件衝突的情況中，以本說明書為準。
本發明之其他特點、目的、及優點將由下面的詳細說明而更加清楚。
在此揭露的實施例包括一干涉系統及技術，用以對於測試表面的選擇的區域就干涉儀探測光束的全部三個光學特徵(亦即，波長、入射角、及偏振態)在一大範圍間快速地收集一物體之大量的反射率資料點。此資料通常係經由將干涉儀的光瞳面成像而獲得，如下面說明。
再者，系統可從上述之操作的橢圓模式切換至輪廓描繪模式以提供有關測試表面之橫向解析的資訊。另外，在橢圓模式中決定的資訊可被用以改善在輪廓描繪模式中獲得的資訊之準確性。例如，橢圓模式可提供有關具有測試表面的測試物體之材料特性的資訊以產生不同光學界面之準確的表面形貌圖，舉例而言，對上表面(空氣界面)係特別感到興趣。多模式操作更詳細地說明於在2006年一月19日申請的美國專利申請案序號11/335873，名稱為”INTERFEROMETER FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT SURFACE”，及在2006年一月19日申請的美國專利申請案序號11/335871，名稱”INTERFEROMETER WITH MULTIPLE MODES OF OPERATION FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT SURFACE”，及在2006年一月19日申請的美國專利申請案序號11/334949，名稱為”INTERFEROMETER FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT SURFACE,INCLUDING PROCESSING AND CALIBRATION”，及在2005年一月20日申請的美國暫時專利申請案序號60/645448，名稱”INTERFEROMETER FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT SURFACE”，其各自在此被一併供做參考。
再者，技術被揭露以經由在光瞳成像模式中執行已知表面的干涉測量而完全地將干涉儀及其光源的光學特性特徵化。例如，如下面說明，可決定下面的一或多個：
－光源之正規化光譜分佈，包括其通過干涉儀光瞳的變化。
－通過干涉儀光瞳的光源平均強度或光譜強度的變化。
－做為在物體表面之波長及入射角的函數，當傳播通過整個光學系統(從光源至檢測器)時，與平行於入射面的偏振狀態(P偏振)相比之垂直於入射面的偏振狀態(S偏振)的衰減量。
－做為波長、入射角及偏振狀態的函數之干涉相位的系統偏移(此種作用可由例如在干涉儀腔的測試及參考臂上之材料厚度差、分光器鍍膜的特性、由於分光板不平坦造成的波前扭曲等產生)。
－在物體表面由光學元件產生的照明入射角的範圍(可能做為波長的函數)。
－光學系統的波前像差及其隨著波長的變化(例如經由比較波前斜率之測量分佈及由阿貝正弦條件預期者)。
在一些實施例中，這些特性提供組合干涉系統的診斷資訊。它們也提供數量的資訊，其可被用以產生具有相似特徵之儀器的套件，從而容許穿過多干涉儀之一致的測量。這有利於例如包含多個儀器的生產線測試。
在一些實施例中，這些特性被使用做為不同模型的測量程序之關鍵輸入。模型產生合成干涉信號，其可被用於例如在表面特徵的背景中之資料庫式信號匹配(參閱例如在2004年三月8日申請的美國專利第7106454號，名稱為”PROFILING COMPLEX SURFACE STRUCTURES USING SCANNING INTERFEROMETRY”，其內容在此一併供做參考)。合成信號也可以與實驗的信號相同的方式被分析以決定由表面光學特性產生的高度偏移。例子被揭露在下面的段落中。
例示裝置
圖1係干涉系統100的示意圖。空間延展光源102經由中繼光學元件108及110與分光器112將輸入光104指向干涉物鏡106。中繼光學元件108及110將輸入光104從空間延展光源102成像至干涉物鏡106的孔徑光闌115及對應的光瞳面114(如虛線的邊緣光線116及實線的主 要光線117所示)。
在圖1的實施例中，干涉物鏡106係米勞型，包括一接物透鏡118、分光器120、及參考表面122。分光器120將輸入光104分成測試光122，其被指向測試物體126的一測試表面124，以及參考光128，其從參考表面122反射。接物透鏡118分別將測試及參考光聚焦至測試和參考表面。支撐參考表面122的參考光學元件130被鍍膜以只反射被聚焦的參考光，使得多數的輸入光在被分光器120分開之前通過參考光學元件。
在從測試和參考表面反射之後，測試和參考光被分光器120重新結合以形成結合的光132，其係由分光器112及中繼透鏡136傳送以在電子檢測器134(例如，多元件CCD或CMOS檢測器)上形成光學干涉圖案。穿過檢測器的光學干涉圖案的強度輪廓係由檢測器的不同元件測量並且儲存在用以分析的一電子處理器中(未顯示)。與測試表面被成像至檢測器上的傳統的輪廓描繪干涉儀不同，在本實施例中，中繼透鏡136(例如，一勃氏透鏡)將在光瞳面114上的不同點成像至在檢測器134上的對應點(再次如虛線的邊緣光線116及實線的主要光線117所示)。
因為照明光瞳面114的每個光源點建立照明測試表面124的測試光122之平面波前，在光瞳面114中的光源點的半徑位置定義此照明束相對於物體法線的入射角。因此，位於距光軸一規定距離的全部光源點對應於一固定的入射角，接物透鏡118由其將測試光122聚焦至測試表面 124。位於中繼光學元件108和110之間的一場光闌138定義由測試光122照明的測試表面的面積。在從測試和參考表面反射之後，結合光132在接物透鏡的光瞳面114形成光源的二次影像。因為在光瞳面上的結合光接著被中繼透鏡136再次成像至檢測器134上，檢測器134的不同元件對應於在測試表面124上之測試光122的不同的照明角度。
偏振元件140、142、144、及146定義被指向各自的測試和參考表面之測試和參考光的偏振態，以及被指向檢測器的結合光之偏振態。取決於實施例，各偏振元件都可能是偏光器(例如，線性偏光器)、延遲板(例如，半波板或四分之一波板)、或影響入射光束的偏振態之類似的光學元件。而且，在一些實施例中，一或多個偏振元件可不存在。另外，取決於實施例，分光器112可為偏振分光器或非偏振分光器。這些偏振元件之各種實施例的細節被進一步說明於後。通常，因為偏振元件140、142及/或146的存在，在測試表面124的測試光122的偏振態可為在光瞳面114中的光之方位角位置的函數。
在現在說明的實施例中，光源102在一個波長的寬帶上提供照明(例如，具有超過50奈米的半高全寬的發射光譜，或者最好甚至是超過100奈米)。例如，光源102可為一白色發光二極體(LED)、一鹵素燈泡的燈絲、一電弧燈，諸如一氙弧燈或一所謂超連續光源，其使用光學材料中的非線性效應以產生很寬的光源頻譜(>200奈米)。波長 的寬帶對應於一有限的同調長度。如同在傳統的掃瞄干涉儀中，一移動平台150調整在測試和參考光之間的相對的光程長度以在每種檢測器元件產生一光學干涉信號。例如，在圖1的實施例中，移動平台150係一壓電換能器，其被耦接至干涉物鏡106以調整在測試表面和干涉物鏡之間的距離，從而改變在檢測器的測試和參考光之間的相對的光程長度。
圖2顯示在移動平台改變在測試和參考光之間的相對的光程長度時由檢測器元件之一測量的一例示的干涉信號。干涉信號係由對應於光源的同調長度之對比包跡加以調變。參考表面係位於干涉儀中，以便在測試和參考光之間的一零光程長度差對應於一測試表面的位置，其相對於物鏡118是對準焦點的。因此，最大對比度通常係在測試表面相對於干涉物鏡在此對準焦點的位置時被觀察。測量係在比同調長度大的範圍上被實行，使得對比包跡係於在檢測器被測量的一連串的強度圖案中被捕獲。
在各檢測器元件被測量的干涉信號係由電子處理器分析，其係被電子地耦接至檢測器134及移動平台150。在目前說明的實施例中，例如，透過使用傅立葉變換，電子處理器把干涉信號轉換成為頻域，以對於光源的不同的波長成分擷取相位及振幅資訊。最好，光源頻譜是寬的，以使得許多個別的光譜成分可用此程序計算。如同將在下面更詳細地說明，振幅和相位資料直接與測試表面的複雜的反射率相關，其可被分析以決定有關測試物體的資訊。 通常，電子處理器使用來自個別的校正的資訊以修正對於參考反射鏡的反射率和干涉儀的其他光學特性的測量。因為干涉系統100的排列，對於一特定的入射角和偏振態(根據偏振元件140、142、144及/或146的定向)，電子檢測器134的各個檢測器元件在由光源102產生之多樣的波長提供反射率測量。從而，檢測器元件的收集包含多種入射角、偏振態和波長，其使儀器的能力最大化以適當地將未知的光學結構特徵化。
許多校正程式可被用以從測量的干涉信號得到測試表面的複雜的反射率。例如，校正測量可用由已知的塊材(不透明或者透明)做成的反射鏡製作以做為測試物體，且一光譜濾波器可被用以把一選擇的波長與光源隔離。在檢測器上測量的干涉信號接著可被處理以決定對應於各檢測器元件的入射角和用於數據收集的掃瞄平台的速度。後面的資訊對於適當地把干涉信號光譜成分和其各自的波長匹配是有用的。使用已知光學特性的物體之額外的測量也可被用以在逐個像素的基礎上得到干涉儀和成像系統的特性。例如，校正可包括對於每個波長及在每個檢測器位置計算系統的輸送的步驟。與此類似，若需要的話，諸如在正交的偏振態間被引進的相位偏移之偏振效應也可對於每個檢測器元件及對於每個波長被測量。校正的某些實施例的具體細節進一步在下面被說明。
為了將干涉系統100從用以決定測試表面的複雜的反射率之一橢圓模式切換至例如用以決定測試表面的表面 形貌的一輪廓描繪模式，其足以改變成像系統的特性，使得此部分的影像聚焦於檢測器上，而非光源的影像。如圖3所示，這可由例如以另一透鏡236取代中繼透鏡136並且將檢測器位置保持固定而被完成。這樣的話，來自光源102的輸入光繼續被成像至光瞳面114，不過，在124上的點係被成像至在檢測器134上的對應點(如來自光源102的邊緣光線216及主要光線217所示)。如在2006年一月19日申請的美國專利申請案序號11/335871，名稱為”INTERFEROMETER WITH MULTIPLE MODES OF OPERATION FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT SURFACE”中說明者，透鏡的替換可被機械地完成，允許在操作模式之間快速且有效地切換。
例如，圖1a顯示在干涉系統100中的不同組件如何可在電子處理器970的控制下被自動化的示意圖，在目前說明的實施例中，其可包括用於進行數學分析的分析處理器972、用於控制在干涉系統中之不同組件的裝置控制器974、一使用者界面976(例如，鍵盤和顯示器)、以及用於儲存校正資訊、資料檔案、樣品模型、及/或自動化協定的儲存媒體978。
首先，系統可包括一機動化轉座910，其支撐多個物鏡912並且被裝配以將一選擇的物鏡引進至輸入光104的路徑中。一或多個物鏡可為干涉物鏡，不同的干涉物鏡提供不同的放大率。而且，在某些實施例中，一(或多)個干涉物鏡可經由使偏振元件146(例如，線性偏光器)依附於 其上而對於操作的橢圓模式被特別地裝配。剩下的干涉物鏡可被使用於輪廓描繪模式中，且在某些實施例中，可忽略偏振元件146，以便增加光的效率(諸如上述的實施例，其中，分光器112係一偏振分光器且偏振元件142係四分之一波板)。而且，一或多個物鏡可為非干涉物鏡(亦即，沒有參考腳者)，各自具有一不同的放大率，使得系統100也可在用於收集測試表面的光學影像之傳統的顯微鏡模式中操作(無論在哪種情況，中繼透鏡被設定以將測試表面成像至檢測器)。轉座910係在電子處理器970的控制下，其根據使用者輸入或某種自動化協定選擇想要的物鏡。
其次，系統包括一機動化平台920(例如，筒鏡支架)，用於支撐中繼透鏡136和236並且選擇地將其中之一放置在結合光的路徑中，用以在光瞳面114被成像至檢測器的第一模式(例如，橢圓或反射模式)及測試表面被成像至檢測器的第二模式之間選擇(例如，輪廓描繪或顯微鏡模式)。機動化的平台920係在電子處理器970的控制之下，其係根據使用者輸入或某種自動化協定選擇想要的中繼透鏡。在其他的實施例中，其中，一移動平台被移動以調整檢測器的位置以在第一和第二模式之間切換，移動係在電子處理器的控制之下。而且，在那些具有二檢測通道的實施例中，各檢測器被耦接至用於分析的電子處理器970。
而且，系統可包括在電子處理器970的控制下之機動化孔徑930和932以分別控制場光闌138及孔徑光闌115 的大小。再者，機動化孔徑係在電子處理器970的控制之下，其根據使用者輸入或某一自動化協定選擇想要的設定。
此外，移動平台150，其被用以改變在干涉儀的測試和參考腳之間的相對的光程長度，係在電子處理器970的控制之下。如上所述，移動平台可被耦接以調整干涉物鏡相對於用以支撐測試物鏡126的底座940之位置。或者，在另外的實施例中，移動平台可整體地相對於底座調整干涉系統的位置，或者移動平台可被耦接至底座，因此係移動底座以改變光程長度差。
而且，一個橫向移動平台950，也在電子處理器970的控制之下，可被耦接至支撐測試物體的底座940以橫向地移動在光學檢驗下的測試表面的區域。在某些實施例中，移動平台950也可定位底座940(例如，提供傾斜)以便對準與干涉物鏡的光軸垂直的測試表面。
最後，一物體搬運站960，也在電子處理器970的控制之下，可被耦接至底座940以將測試樣品自動化引進至用於測量的系統100及移除。例如，在此技藝中熟知的自動化晶圓搬運系統可被用於此目的。而且，如有必要，系統100和物體搬運系統可被安放在真空或潔淨室的環境下以使測試物體的污染減到最小。
導致的系統為提供各種各樣的測量形態和程式提供大的靈活性。例如，系統首先可在具有一或多種選擇的放大率之顯微鏡模式中被裝配以對於物體的不同的橫向位 置得到測試物體的光學影像。此種影像可被使用者或被電子處理器970(使用機器視覺技術)分析以識別物體中的某些區域(例如，特定的架構或形貌、地標、基準標記、缺陷等)。基於此種識別，樣品的選擇區域可在橢圓模式中被研究以決定樣品特性(例如，折射率、下面的薄膜厚度、材料識別等)。
因此，電子處理器使平台920將中繼透鏡切換至為橢圓模式而裝配者並且進一步使轉座910將一適合的干涉物鏡引入至輸入光的路徑中。為了改善橢圓測量的準確性，電子處理器可經由機動化孔徑930減小場光闌的大小以隔離物體的一小的橫向均質區域。在橢圓特徵化完成之後，電子處理器970可將儀器切換到輪廓描繪模式，選擇具有合適放大率的干涉物鏡並據以調整場光闌的大小。如上所述，輪廓描繪模式捕獲干涉信號，其允許重建例如構成物體的一或多個界面之表面形貌。特別地，如下面的詳細說明，在橢圓模式中被決定的不同材料的光學特徵的知識考慮到修正被計算的薄膜的表面形貌或是不同的材料效應，其會以其他方式使輪廓變形。參閱例如美國專利申請案序號10/795579，名稱為”PROFILING COMPLEX SURFACE STRUCTURES USING SCANNING INTERFEROMETRY”且被公佈為美國專利刊物第US－2004－0189999 A1號，其與上面的參考文獻一併供做參考。若想要，電子處理器也可經由機動化孔徑932調整場光闌直徑以改善在各種各樣模式的任一個中的測量。
當與自動化的物體搬運系統960一起使用時，測量程序可對於一系列樣品被自動地重複。這對於不同的過程控制架構是有用的，諸如監控、測試、及/或優化一或多個半導體處理步驟。
測量模型
要證明由干涉系統100獲得的干涉信號的分析，我們考慮一實施例，其中，偏振元件140和144係線性偏光器，偏振元件142和146則不存在，且分光器112係一非偏振分光器。線性偏光器140的作用係在光瞳面114的每一點創造一相同的線性偏振態。因此，入射至測試表面124的光的偏振是線性的，但其相對於入射面的定向係在光瞳面的光源點之方位角位置的函數。例如，屬於一光瞳直徑(其平行於光瞳面中的線性偏振的方向)的光源點將產生照明光，其係在測試表面的入射面內被線性偏振(這被叫做P偏振態)。類似地，屬於一直徑(其垂直於光瞳面中的線性偏振的方向)的光源點將產生照明光，其係垂直於入射面被線性偏振(這被叫做S偏振態)。不屬於這兩直徑的光源點將在具有S和P偏振態的混合偏振態之測試表面上產生照明光。因為測試表面的反射率係數對於S和P偏振光不同，這是有意義的。
二線性偏光器可具有許多相對的定向，其將規定檢測器檢測到的干涉信號的內容。例如，若偏光器是平行的，則測量的干涉信號對於光瞳面的一直徑將僅取決於入射至測試表面上的S偏振測試光且對於光瞳面的正交直徑(且類似地，對於入射至參考表面的參考光)將僅取決於入射至測 試表面上的P偏振測試光。因為在S和P反射率的振幅及相位之間的差異係橢圓測量術的基礎，這是引人注目的。因此，若想要，簡化的資料的處理可被限制於使二直徑。另一方面，使用在整個光瞳面上的資料需要考慮到混合二偏振態，但是提供更多的資料點，且因此增加測量的解析度。
下列的分析適用於具有彼此平行對準的二線性偏光器的排列。這樣的話，通過第二線性偏光器(偏振元件144)被傳送至檢測器134的測試光的數量可被表示為： 這裡，θ是相對於偏光器的方向被測量的方位角度，rp 和rs 係對於P和S偏振態之物體表面的複雜反射係數(也就是”Fresnel反射係數”)，tp 和ts 係對於通過干涉物鏡106及主要分光器112的來回全程之P和S偏振態的透射係數，且E out 係電場的複雜的振幅。此模型假定光學元件沒有雙折射且離開物體表面的反射也沒有會混合S和P偏振態的機構。例如，沿著局部表面法線的單軸材料可在此背景中被特徵化，不過，具有面內雙折射的材料需要不同的模型。
實際上，相同的模型要求沿著干涉儀的參考腳傳播的參考光，不過，反射和透射係數係先驗的不同：
對於一給定的光源波長λ 及在光瞳面的一給定的光源點於檢測器被測量的干涉圖案係由比例於乘積EoutE’ out 的調變項構成： 這裡，k ＝2π /λ 係光的波長，z 係相對於在測試和參考光之間的零光程長度差之在一機械掃瞄期間的測試表面的垂直位置，α 係在測試表面之光的入射角(其取決於在光瞳的光源點位置)且φ係在測試和參考電場之間的相位差。實際上，在一給定的檢測器位置被測量的信號係由存在於光源頻譜的不同波長產生的所有此種信號的總數。因此，信號的傅立葉轉換容許將這些貢獻分割成對應於非常狹窄的波長範圍之複雜的光譜成分。注意為了將一計算的光譜成分指定至一特定的光源波長，應考慮到修正係數cos(α )，其移動這些光譜成分的位置。這個修正係數包含知道在檢測器的每個像素之光的入射角。光學系統的校正可被用於這項任務且在下面被進一步討論。
圖4(上圖)顯示當測量一在矽上之1003奈米厚的二氧化矽薄膜時由檢測器134之一給定的檢測器元件(對應於在光瞳面中之一給定的位置)測量的干涉信號。圖4(下圖)顯示將干涉信號傅立葉轉換以產生做為波長(或是對應的波數k )的函數之光譜強度及相位的結果。在光譜的強度和相位中的變化係做為波長(或波數)的函數之Fresnel反射係數的變化的結果。
在某些實施例中，頻率轉換處理被應用於在檢測器上的光瞳面的影像內之一感興趣的區域。例如，感興趣的區域可能是一環狀物，其決定在測試表面之入射角的一給定的範圍。在此環狀物內的像素(亦即，檢測器元件之一)的 方位角位置決定S和P偏振的混合，其照明測試表面，且像素至光軸徑向距離決定入射角。而且，其對於在感興趣的區域內之多重圓圈上擷取(可能使用內插)如上所述的光譜成分是有用的。在一個此種圓圈上被計算的這些成分可被寫成下列形式： 這裡，下標指示功能依存性，α 係對應於在光瞳面的圓圈的半徑之入射角，λ 係光的波長，θ 係相對於線性偏光器被測量的方位角度，h 係物體表面的高度偏移，L係與光源強度或信號強度有關的一實數比例因子且I係表示穿過光源的光強度的變化以及在光學元件中發生的相位和振幅變化的一複數函數。
干涉系統特徵化
在某些實施例中，系統校正的第一步驟包括基於在光瞳面中之光源點的位置計算在測試表面的光束之入射角。換句話說，我們想要將入射角α 指定給對應於光瞳面的影像之檢測器中的各個像素。這可經由例如以一窄帶濾光器執行測量，使得由檢測器檢測的光基本上是單色的且具有一已知的波長而被完成。這樣的話，方程式(3)顯示干涉信號的頻率係透過關係k cosα 比例於光源波長和入射角。信號頻率可經由信號的傅立葉轉換被計算且入射角能可由對移動平台的掃瞄速度和光源波長的了解而得到。
而且，移動平台的掃瞄速度最初未知，其可經由將像素設置於其干涉信號具有最大頻率的檢測器上而被決定。根據頻率對關係k cosα 的依存性，此像素對應於垂直入射(亦即，α ＝0)，且因此平台速度可從測量的頻率及對光源波長的了解被直接擷取。
注意接近顯微物鏡將在物體空間中的角度映射至光瞳位置的先驗資訊也可被用來改善此校正的品質。例如，一典型的物鏡被修正慧差(幾何像差)，其意味著在光瞳映射的光線表面上應該服從所謂”阿貝正弦條件”。此條件表示光源點與在光瞳的光軸之徑向距離直接正比於在物體空間中的入射角的正弦。從而可計算每個像素的入射角，然後擬合從正弦條件得出的一全域函數以提供一分析函數，以將光瞳位置映射至入射角。
來自穿過光瞳之一理想的角分佈之入射角圖的誤差提供波前像差的資訊。這可被用於例如將對某些類型的干涉儀的球型像差之內部補償最佳化。在不同波長重複的測量根據光源頻譜分佈提供進一步的資訊和平衡像差的方法。
另外注意到入射角圖也直接測量在光學系統中存在的不同的物理光闌容許的照明方向的有用範圍。這可能不同於一給定的光學系統所期望的表面上的數值孔徑。角度的實際範圍是測量系統的準確模型化的關健。
在某些實施例中，在上面略述的程序可對於不同的表面上的光源波長被重複，使得角映射的色彩變化被考慮。擬合程序的一項副產品是在光瞳的光軸的像素位置。該資 訊也被記錄為波長的函數且可在以後被用以修正入射角的計算。
對某些實施例來說，校正包含計算不同系統參數的值，其使得被表示在方程式(4)中之顯著的Z 與橢圓比率相關聯。
例如，這可由測量具有已知光學特性的二樣品而完成，例如，通常與橢圓儀一起使用的校正晶圓。對於感興趣的每個入射角和波長，電子處理器對於二樣品決定與方程式(4)一樣之做為方位角度θ 的函數之光譜成分Z 。這些成分的比率接著被計算，而產生做為θ 的函數之複數比率z 。
這裡，zs αλ 和τ αλ 係未知的複數且上標a或b等同一個或其它的校正樣品。ρa αλ 及ρb αλ 係使用兩種材料的反射係數的比率被計算。這些係數係使用校正樣品之已知的材料特性及已知的薄膜厚度(若存在的話)而自己被計算。然後，電子處理器可使用一求解器，例如一個基於Levenberg－Marquardt演算法的最小平方法求解器，以找出二未知參數的值，其使得在方程式(5)的兩側被計算的數量之間的差最小化。此過程對於其他入射角和波長被重複。在不同的實施例中，兩個樣品的測量可能同時或連續發生。注意在一些實施例中，校正表面可被歸入至單一物體，其可進一步包括其他 表面。
校正表面係儘可能光滑，在干涉儀的測量點的大小內具有其光學特性之有限的橫向變化。光學特性(例如，材料層的材料特性和厚度)應該已知具有一低的不確定性。另外，兩個表面應該被選擇，使得它們的複數反射率係數在感興趣的波長和入射角的範圍上不同。例示的表面包括介電薄膜(例如公認的矽基板上的二氧化矽樣品)、基板上不透明金屬層、金屬或介電材料的實心表面等。選擇合適的校正表面的重要因素包括了解樣品光學特性、做為時間的函數之這些特性的穩定性、及對空氣的暴露等。
在某些實施例中，計算的另一步驟包含如透過檢測器看見的相對於光瞳的座標系統確定偏光器的精確的角定向。這可經由例如觀察方程式(5)隨著周期π 在θ 方面是周期的而被完成。由此可知比率z 的傅立葉轉換的偶數成分的相位係偏光器的角偏移的直接測量。因此，此計算可在決定zs αλ 和τ αλ 之前被進行。
在另外的步驟中，圖zs αλ 和τ αλ 被過濾及/或擬合至分析函數。然後，其可重新處理各個樣品獲得的光譜成分並且得出另一個校正參數，函數J ：
實際上，在方程式(6)中顯示的J 的二表示式可被平 均。做為入射角、波長及方位角的函數之J 的計算值接著與函數τ αλ 的決定一起被電子處理器儲存在一個校正檔案中。
注意為了在計算過程中受益於冗餘，在上面略述的程序可被擴展至兩個以上的樣品。
校正參數J (α ,λ ,θ )以及因素τ (α ,λ )提供大量的資訊，其可與上述技術一起被用以特徵化干涉系統的特性。相較於做為在物體的波長及入射角的函數之P偏振光，因素τ (α ,λ )提供S偏振光的衰減的測量。如下所述，校正參數J (α ,λ ,θ )提供許多其他有用的資訊。
例如，J (α ,λ ,θ )的強度測量光源的光譜分佈和其在光瞳上的變化。而且，J (α ,λ ,θ )的相位提供有關系統波長和入射角依存的相位偏移的資訊，其係由在干涉儀內的測試及參考路徑的光學特性中的差異產生。在下面，我們將說明校正參數J (α ,λ ,θ )以及去偏振因素τ (α ,λ )的知識如何可被分析以特徵化干涉儀的特性。有關這些特性的資訊可被用於例如在干涉系統的組合期間的品質管理及/或當在橢圓和輪廓描繪模式中將干涉儀的信號模型化時提供有用的輸入。注意，在不同的實施例中，其通常有用於將分析的近似值擬合至一或多個上述參數，因此容許在下面說明的計算中之分析操作。
對特定的光學結構，可分離更進一步簡化模型化過程的一些參數依存性。這在例如由檢測器測量的波長分佈與在光瞳的位置無關而相同時發生。這意味著在光瞳的光強度分佈不依存於波長。光源頻譜接著被計算為：
例如，圖5顯示用此模式(“＋”標誌)測量的例示光譜50。另外顯示的是被決定為擬合至實驗資料的高斯函數的總和之分析近似51。
在光瞳的強度係由在特定波長λ u 的J 加以計算：D L (α ,θ )＝|J (α ,λ u ,θ )|cosα . (8)
餘弦項說明如上所述的傅立葉轉換的光譜尺度。此分佈可透過例如使用一最小平方程序把實驗資料擬合至一模型函數而被一分析函數逼近。模型函數係例如標準多項式或澤爾尼克(Zernike)多項式的總和。
在光瞳的相位分佈係經由對每個波長和入射角收集函數J 的引數而被計算：
一個此種資料序列(固定的α 及λ )決定資料的環。此計算可能需要對於α 及λ 的固定值展開做為的函數之J 的相位的額外步驟。此處理步驟的理由在於，在一些實施例中，相位通常僅能以2π 為模被計算。結果，可在連續的相位值之間，其已知係連續相位分佈的樣本，獲得尖銳的2π 相位跳動。這樣的話，相位展開程序移除潛在的2π 相位跳動。例如，若Ωi (i [1,N])表示一連串的相位值，相位展開可經由連續地應用下列公式而被完成 這裡，round()函數使一個實數湊整為最接近的整數。
在某些情況中，維持大於如方程式(9)所示的引數的平均值是有用的。這可經由例如收集不同的先前得到的資料的環之最初幾個傅立葉係數被完成。然後可使用分析的擬合函數以說明做為α 及λ 的函數之傅立葉係數的變化。在此情況中，說明相位的函數取決於3個變量：(α,λ,θ)。注意在任何情況中：
當一線性偏光器被設置在物鏡光瞳時或當決定平行偏振態的偏光器被設置在光學系統的照明及成像區段時，稍早說明的光學系統特徵化提供因子τ(α,λ)。在物鏡與未偏振或圓形偏振光一起被使用的情況中，首先執行線性偏振系統特徵化是必要的。其次，以未偏振或圓形偏振光測量單一參考物體足以提供第二校正參數J c (α,λ,θ)，其可如稍早說明一樣被處理。
在一些光學結構中，光瞳強度分佈採取一簡化的形式，其中，方位角的依存性降低： 不過，注意相位J c (α,λ,θ)的相位之方位角的依存性可能必須在某些情況中被維持，例如被模型化為一個函數(α,λ,θ)。
品質管理
將瞭解上述的技術提供關於許多干涉系統特徵的定量資訊。例如，參數J (α,λ,θ)的分析可提供關於光瞳照明均勻性的資訊、在檢測器測量的光源頻譜、穿過光瞳的光源頻譜變化、在不同波長於物體空間中的波前品質、由於存在於干涉儀腔中的分光器的波前扭曲、干涉物鏡的色差、及在測試和參考腳遭遇的透明材料的厚度的不平衡(J (α,λ,θ)的引數之大的變化的來源)。另外，技術被說明於上，其可被用以例如決定物鏡之有效的數值孔徑、掃瞄平台的速度、相較於切線偏振態之徑向偏振態的光學鍍膜及光學元件材料導致的衰減。而且，物鏡的雙折射特性可經由以改變照明和成像偏振態(例如在照明及成像腳上之二可調整的線性偏光器)執行多測量而被決定。
特別是，所有上述的特性都僅基於光瞳面測量被決定，且不需要干涉儀的個別元件的直接分析。例如，照明光源頻譜可從干涉資料被直接決定，而不直接檢查光源。因此，干涉儀可被迅速且有效地特徵化。
例如，參閱圖7，在一個實施例中，上述技術被用以在生產過程中監控一干涉系統的品質。在使用例如上述方法的步驟701中，一干涉系統在一橢圓(例如光瞳面)模式中操作以得到適於提供校正資訊的掃瞄干涉資料。在步驟702中，資料被分析以決定干涉系統的一或多個特性(例如，照明光源頻譜、在一干涉物鏡的光瞳面之強度變化等)。在步驟703中，決定的特性被與製造商的規格比較。如果特性是在被指定的範圍內，方法移動至步驟704，認可系統(例如 進行最後的銷售、或移到另一個生產平台)。如果特性不在被指定的範圍內，方法改為移動到步驟705，這裡，干涉系統被調整(例如一或多個組件被替換或修改)。在一些實施例中，調整的方式可能基於(至少部分地)有關在步驟702中被決定的系統特性的資訊。然後，方法返回步驟701，並且在需要時重複。
類似地，在圖8中顯示的實施例中，二干涉系統被”匹配”以具有相同的特性。這容許穿過多個干涉系統之不變的測量。在使用例如上述方法的步驟801和802中，第一及第二干涉系統係在一橢圓(例如光瞳面)模式中操作以得到適於提供校正資訊的掃瞄干涉資料。在步驟803和804中，來自各自的干涉系統的資料被分析以決定各自的系統的一或多個特性。在步驟805中，被決定的特性被比較以決定他們是否在一指定的範圍內匹配。若是的話，方法移動至步驟806，認可系統為良好匹配。若否的話，方法移動至步驟807，且第二干涉系統被修改以試圖使其特性位於範圍內。修改可包括例如替換、修改、或移動一或多個光學元件、照明光源或干涉系統的任何其他元件。在修改之後，方法返回步驟802，且步驟802、804、805、和807被重複，直到系統被良好匹配。注意在一些實施例中，兩個系統可被修改以達成匹配。
在上述技術中使用的干涉儀調整的例子包括：－替換分光器組件以使得在測試和參考腳中的光學路徑相等 －替換或調整補償器光學元件以使色差減到最小－調整在照明、成像或干涉儀光學元件中的光學元件的位置以使得波前像差減到最小－調整分光器或參考反射鏡傾斜－交換光學組件和附屬組件以達到上面列舉的任何目標。在一些實施例中，一干涉系統被適用以包括一測試站，用以特徵化一儀器的附屬零組件。例如，如圖1所示，系統100可被修改以容許干涉物鏡106或光源102被交換出去並且由相似的附屬系統取代。這容許系統被用以特徵化將被使用在顯微鏡系統上的物鏡及/或光源。
信號模型
如下面更詳細的討論，通常希望模型化干涉信號，其將對於一模型測量物體由干涉系統測量。此一模型信號的準確性通常將取決於模型將干涉系統的特性合併得多好。在下面，我們說明一準確的模型如何可使用在上面得到的系統特徵化函數被產生。
我們首先說明一般在輪廓描繪模式中獲得的掃瞄干涉信號的物理模型。
物體表面具有高度特徵h ，即我們希望在由橫向座標x ,y 標示的一區域上描繪輪廓者。平台提供干涉物鏡或如圖所示之物體本身一平滑、連續的掃瞄ζ。在掃瞄期間，一電腦對於在連續的照相機畫面中之各影像點或照相機像素記錄強度資料I ζ . h 。注意在掃瞄位置及表面高度上的強度I ζ . h 的關鍵依存性係由下標指示－一種我們將從頭至尾使用的記號。
考慮到光源的部分同調、在干涉儀中混合的偏振、高NA物鏡的成像特性、以及在高入射角及在含有不連續的表面形貌的情況下之電場向量的交互作用，光學元件的一個適當的物理模型可非常精巧。為了方便起見，我們經由採用完全隨機、線性或圓形偏振及擴散、低同調延展光源而簡化模型。將模型化干涉信號簡化以將通過物鏡的光瞳面及以一入射角從物體表面反射的所有光線束的貢獻加起來。
通過光學系統之單一光線束的干涉貢獻係正比於 這裡，X β,k 係有效的物體強度反射率，包括例如分光器的效應，且R β,k 係有效的參考反射率，包括分光器和參考反射鏡。注意此計算係對於一特定的線性偏振態被執行。來自多種偏振的貢獻係以相同的公式被計算且被簡單地合計。周遭媒體的折射率係n 0 ，入射角α的方向餘弦係β＝cos(α) (13)且光源照明的波數係k ＝(2π/λ) (14)相位的符號法則引起表面高度的增加以對應於相位的正變化。相位項具有對干涉儀中的物體路徑之貢獻ω β，k ，包括來自物體表面的薄膜作用及對參考路徑的貢獻 β,k ，包括在物鏡中的參考反射鏡和其他光學元件。
在整個光瞳面上結合的總干涉信號係正比於
這裡，光瞳面的光分佈且V k 係光學頻譜分佈。在方程式(15)中的加權因子β係對於在光瞳面中之寬度dα 的環狀物的直徑根據可歸屬於投射角的cos(α)項及sin(α)項得出：cos(α)sin(α)d α＝－βd β (16)這裡，我們假設物鏡遵守阿貝正弦條件。最後，在全部的入射角上之積分限制意味著 且在全部的波數上之頻譜積分0 k ∞。
在頻 域分析(FDA)中，我們首先計算干涉強度信號I ζ , h 的傅立葉轉換。就文字(非數字)分析而言，我們將使用非正規化的傅立葉積分 這裡，K 係空間頻率，例如周/每微米。為此目的，我們結合傅立葉變換的定義方程式(17)及干涉信號方程式(15)成為下列被預測的FDA頻譜的公式： 上述的形式可被改寫以提供依據上述系統特徵化函數表示的一模型信號。當使用這些函數時，模型信號的最佳化形式存在。例如，對於線性偏振照明的情況，我們可依據特徵化參數將模型化信號的複數光譜成分表示為 這裡：α K,k ＝arccos(K /2k )λ k ＝2π /k (21) 注意模型包括一使用者定義的高度偏移參數h ，其容許將物體表面的位置控制在被信號蹤跡包含的高度範圍內。
對於圓形偏振的情況而言，我們有更簡單的形式： 這裡，相位函數的一可能的方位角依存性使用方程式(11)而消失。
準確的模型信號可經由使用上述技術以獲得特徵化的值而被產生。例如，在高放大率干涉顯微鏡與寬帶光源及線性偏振照明光一起被使用以特徵化一裸矽表面之表面的情況中，圖6a顯示使用方程式20計算的複數光譜q (K ,h )的強度。圖也顯示以在表面形貌測量模式中之相同的干涉顯微鏡獲得的實驗光譜的大小。以實驗資料指出模型之極好的協定。類似地，圖6b對於相同的實驗使理論的相位頻譜603與實驗的相位頻譜604比較。再次以實驗資料指出模型之極好的協定。最後，圖6c比較模型空間頻譜至掃瞄領域的傅立葉變換和掃瞄領域實驗信號。再一次，協定是極好的。
注意方程式20和22係對於s及p偏振光依據複數反射率被表示。但是，在測試物體包括未被解析的形貌(亦即，具有低於或接近干涉系統的光學解析度之特徵大小的形貌)的情況中，處於特定偏振態的入射光可被混合至從測試物體反射的光之正交偏振態。此種混合使用例如馬克斯威爾方程式和嚴格耦合波分析技術被模型化。一旦混合已經被說明，與方程式20和22相同的表示式可被用以做為準確的模型信號。例如，下面的說明的技術可經由使用已對混合效應被修正的反射率rp 和rs 而被應用至具有未解析形貌的物體。在全部其他方面中，形式維持不變。
基於模型的一未知物體的測量
在下面，我們說明上述的模型信號產生技術如何被應用於用以測量一未知物體(例如測量未知物體的表面輪廓)的技術中。參考圖9，在一些實施例中，物體126包括各自具有不同的薄膜特性(例如，不同的薄膜結構、材料、表面粗糙度、未解析的形貌等)。例如，參閱圖9b，區域901的截面顯示區域包括被蝕刻以形成光柵908的一薄膜堆疊。在一些實施例中，此光柵908係未被解析(亦即，低於或接近干涉系統100的光學解析度)。這些複雜的結構將影響由在輪廓描繪模式中之干涉系統100測量的干涉信號。因此，由測量信號產生的形貌圖將顯示遍佈四個區域的錯誤。
特別，在很多實施例中，此扭曲將表現錯誤的高度偏移的形式，其取決於被測量區域的特徵，且因此隨著區域 而不同。
例如，當在操作的輪廓描繪模式時，材料及/或薄膜堆疊特性會影響干涉系統被測量的表面高度輪廓。例如，若一測試物體具有由半導體晶圓上之介電區域分開的銅的區域，則入射至表面的測量光將在它是事件的區域的材料特性的依靠的反射(PCOR)上經歷一種相位變化。PCOR是依材料而不同並且影響形貌測量。例如，相對於介電區域，銅區域似乎比它們實際上更低。這影響形貌測量。類似的依存性和高度偏移與具有薄膜堆疊的表面的區域一起發生。
更進一步，即使小的表面結構可能降低輪測量的準確性。例如，圖10a顯示具有光柵結構1005的表面區域1001的另一個例子。未解析的表面特性具有高於鄰近表面S 的高度H 、一間隔1 以及一寬度d 。高度H在此也被稱為圖案化結構的調變深度。再次，經由”未解析”，其意味著個別的形貌在表面輪廓影像中未被完全分開。圖10b係對於可見光波長的干涉儀(560奈米的中心波長、110奈米半高全寬帶寬)及0.8的物鏡NA繪示在表面區域1001上之未解析形貌之預測的表面輪廓。表面結構未解析，導致一明顯的被測量的表面輪廓，其在全部的實際的表面結構並不類似。對於此計算，高度H ＝20奈米、間隔1 ＝200奈米且寬度d ＝120奈米。
圖10c顯示10b之未解析的被測量的輪廓如何改變為一形貌的實際高度H 的函數。值得注意的是在測量和真實的高度之間的關係是錯綜複雜的並且甚至負關聯超過40奈米以 上。此後者的現象可被解釋為將光耦合至狹窄的、次波長的溝槽中的困難。
克服由穿過感興趣的表面之材料、薄膜堆疊、表面形貌等的變化導致的在輪廓描繪測量中的錯誤的一種方法係比較測量的輪廓描繪干涉信號及基於感興趣的表面(及/或其區域)的模型產生的合成信號。經由匹配實驗信號及合成信號，決定良好對應於實際表面的一模型表面。
例如，圖11顯示此種方法的實施例的流程圖。如上詳細說明，一干涉系統被使用，在橢圓模式中，以決定干涉系統的特徵化參數(例如，J (α,λ u ,θ)、τ(α,λ)、及/或從那裡得到的參數)。理論的模型係對應於可能存在於物體上之感興趣的區域之各種材料、薄膜堆疊、未解析的形貌等而被產生(使用例如方程式(20)或(22))。系統特徵化資訊1101、1102和理論的1103模型被結合1104以產生對應於表面的不同模型之合成信號的資料庫。由輪廓描繪模式中的干涉系統收集1105、1106的實驗干涉信號接著在空間域或頻域中被與資料庫輸入比較。最好資料庫匹配1108確認良好對應於實際的感興趣的表面之模型表面。此模型提供有關在物體表面上出現的材料或薄膜堆疊的資訊，諸如厚度和折射率。最好的信號匹配資料庫係對於在資料庫信號蹤跡內的特定物體高度被定義。此資訊被用以計算例如在實驗信號蹤跡內之物體表面的空氣/材料界面的位置。這提供能力描述表面形貌，其未受不同材料或薄膜堆疊的存在的影響。
在一更進一步的實施例中，如圖12的流程圖所示，在形貌模式中收集的實驗信號係經由迭代地淨化說明在物體表面上存在的材料或薄膜堆疊之模型參數而被匹配至模型信號。如上面詳細說明，一干涉系統被使用，在一橢圓模式中，以決定干涉系統的特徵化資料1204。感興趣的表面之參數化的模型被產生1205。模型表面的一或多個特性可經由改變一對應的參數而被調整。例如，圖9b的區域901的參數化模式可包括參數，其可調整光柵間距905、光柵寬度905、薄膜堆疊厚度907、蝕刻深度909和表面高度101的一或多個。合成的干涉信號係基於特徵化資訊和模型參數化信號被產生。
在一輪廓描繪模式中，干涉系統獲得1201實驗干涉信號。當參數被改變1203以決定在信號之間的良好匹配時，實驗信號被比較1202至被由參數化模型產生的合成信號。具有最好的匹配參數的模型將良好地對應於實驗上測量的表面結構。因此，此模型可被分析以決定1207有關感興趣的表面的資訊。例如，最佳擬合參數對於它們所對應的物理特性(例如，薄膜厚度、表面高度等)進行好的估計。
一更進一步的實施例，如圖13的流程圖所示，結合干涉系統的橢圓和輪廓描繪測量模式，用於產生一形貌圖，其係對於諸如穿過感興趣的物體的表面之材料特性、薄膜堆疊、未解析結構等的不同特徵的作用被修正。
輪廓描繪測量模式被使用1301以獲得物體表面的一形 貌圖1302、1303。如上面說明，此圖可包括由在表面特徵中的變化引起的錯誤。橢圓模式被用以決定在物體表面上的特定位置的這些特徵，在該處特徵係在測量區域1303內一致。
此種區域可經由例如分析物體表面的強度或形貌影像而被決定以確認必須使用橢圓模式的位置。在通常的情況中，物體形貌的佈局係先驗地已知。然後可使用圖案匹配技術以找到感興趣的區域。或者，形貌干涉資料的其他類型的處理可產生有關在具有相似的光學特性之物體表面上的區域之資訊。例如，平均的干涉信號強度提供一種估計物體反射率和其遍佈表面的變化的方法。另一個例示的屬性係所謂相位間隙(在最大的條紋調變的位置被測量的相位)。又一個屬性係干涉信號的光譜的相位或強度非線性。數量屬性的任一個的圖實際上可被用以找到在橢圓模式中被特徵化之一致的區域。在不同的實施例中，一機動化平台可被用以經由移動樣品或干涉儀以在合適的感興趣的位置進行橢圓測量而決定物體的位置。
例如，參考圖9a的物體126，測量位置991、992、993、和994將適於分別特徵化表面區域901、902、903、和904。
如上面說明，測量1304的輸出在多波長、入射角及偏振上提供表面的複數反射率。此資訊可提供1305一模型，其獲得物體的光學特性，諸如一材料模型或薄膜堆疊模型及/或未解析的形貌模型，其包括諸如折射率、厚度等的資訊。
回到圖13，接著可將測量的反射率資訊與1308、1309系統特徵化資訊一起輸入1306至例如方程式21或方程式(22)以產生對應於將以形貌模式在此位置被測量的信號之模型信號。在模型信號中的高度偏移h 被選擇以等於在選擇的表面位置被實驗地測量的高度。此模型信號然後以被用來產生形貌圖的演算法處理，導致被選擇的位置之模型高度。在被選擇的位置之導致的模型高度接著與在該位置的物體表面的測量高度比較。此二值的差對應於一高度偏移，其係由在表面的對應區域中之物體的光學特性在形貌圖中引起。此高度偏移接著從在子區域內的形貌圖被減去。此過程對於在物體表面上的子區域901、902、903、和904的每一個被重複。最後的結果1310係物體表面的一形貌圖，其沒有材料或薄膜引起的偏移。如上面討論，注意上述的各種橢圓測量可被處理以提供對例如材料光學特性和薄膜堆疊厚度的估計，其可與修正的形貌圖一起被輸出，或除修正的形貌圖之外被輸出。
或者，對於每個位置，高度偏移h 可被任意地選擇。例如，對於一個由覆蓋一基板的薄膜構成的位置，h 可被選擇以使得對應於空氣/薄膜界面的信號的部分被設置在掃瞄的中心)。信號接著可使用輪廓描繪的演算法被處理以決定空氣/薄膜界面的位置。在由演算法輸出的位置及由參數h 的選擇設定的位置之間的差將對應於高度偏移，其應被用以修正在該位置的輪廓圖。
被修正的形貌輪廓可以另外的方式被獲得。注意一給 定的位置的橢圓測量包括有關兩個測試物體和干涉儀的特性的資訊(例如；有關在光瞳面的照明之強度、光譜和相位資訊)。在某些情況中，最好直接使用此資訊，而非使用在方程式20及22中出現的特徵化函數。例如，在強度D L (α ,θ )已被模型化的情況中，如上面說明，只使用一些澤爾尼克多項式，則某一強度資訊將遺失。等價的資訊可從橢圓資料被更準確地獲得。
從橢圓測量獲得干涉特徵化資料的困難在於測量的干涉信號被與測試物體的表面高度有關的影響複雜化。例如，參閱圖4(下圖)，傅立葉轉換的相位光譜通常將是依存於表面高度。不過，強度頻譜係沿著掃瞄的方向平移不變，因此不取決於表面高度。
因此，對於一給定的位置，一準確的模型信號可被獲得如下。實驗上測量的橢圓信號被獲得且被傅立葉轉換。要產生一模型信號，對應於各檢測器元件的實驗信號的頻譜被刪去其相位資訊，其對於線性偏振光被方程式23中及對於圓形或非偏振光被方程式24中顯示的複數係數的引數替換， 被修改的信號被合計，從而提供方程式20或22的形式之模型信號，且以高度不變的實驗資訊代替一或多個系統特徵化函數。如前，導致的模型信號僅通過一任意的表面高度 偏移h 取決於表面高度，因此可使用上述技術以決定一形貌圖的表面高度修正而被分析。
輪廓描繪的附加實施例
取代關掉中繼透鏡136，在進一步的實施例中，例如，中繼透鏡可不管而檢測器134可被平移至測試表面對焦的一位置。這被概略地顯示於圖15中，其顯示被耦合至在電子處理器770的控制之下的機動化移動平台760以相對於干涉系統700的剩餘部分調整檢測器位置用以接收結合光132。移動平台使系統可在對應於橢圓模式的第一位置(其中，光瞳面被成像至檢測器)及對應於輪廓描繪模式的第二位置(其中，測試表面被成像至檢測器)之間切換。
在一更進一步的實施例中，概略顯示在圖17中，一分光器810可將從干涉系統800的剩餘部分接收的結合光132劈開成具有二對應的多元件檢測器880及890之二通道，且一通道使用中繼光學元件875以將光瞳面114成像至第一檢測器880以提供橢圓模式測量且另一通道使用中繼光學元件885以將測試表面成像至第二檢測器890以同時提供輪廓描繪模式測量。二檢測器均被耦接至電子處理器870，其如上所述分析檢測器影像。
這些方法的不同結合也是可能的。例如，系統可包括光學元件，其將光瞳面成像至一一般的電子檢測器的第一部分並且將測試表面成像至一般的電子檢測器的第二部分。在此情況中，一般電子檢測器的不同部分可被視為是 個別的檢測器。
應用
上述技術有寬廣的應用性。例如，系統可被使用在半導體製程中，用於工具指定監控或用於控制處理流程本身。在製程監控應用中，單/多層薄膜係經由對應的製程工具在未圖案化的Si晶圓(監控晶圓)上被成長、沉積、研磨、或者蝕刻，且接著厚度及/或光學特性係使用在此揭露的干涉系統(例如，透過使用橢圓模式、輪廓描繪模式、或兩者)被測量。這些監控晶圓的厚度(及/或光學特性)的平均數以及晶圓內均勻度被用以決定相關的製程工具是否正在目標規格內被操作或應該被重新規定目標、調整、或從生產使用取出。
在製程控制應用中，後者的單/多層薄膜係經由對應的製程工具在圖案化的Si生產晶圓上被成長、沉積、研磨、或者蝕刻，且接著厚度及/或光學特性係以在此揭露的干涉系統(例如，透過使用橢圓模式、輪廓描繪模式、或兩者)被測量。用於製程控制的生產測量通常包括一小的測量場所及對感興趣的樣品區域對準測量工具的能力。此場所可由多層薄膜堆疊(其可被其本身圖案化)組成且因此為了擷取相關的物理參數而需要複雜的數學模型。製程控制測量決定整合的製作流程的穩定性並且決定整合的處理是否應該繼續、被重新規定目標、重新指向至其他設備、或完全關閉。
具體地，例如，在此揭露的干涉系統可被用以監控下列設備：擴散、快速熱退火、化學汽相沈積工具(低壓和高壓)、介電質蝕刻、化學機械研磨機、電漿沉積、電漿蝕刻、顯影系統和微影曝光工具。另外，在此揭露的干涉系統可被用以控制下列過程：溝槽和隔離、電晶體形成、以及層間介電質的形成(例如雙鑲嵌結構)。
寬帶空間同調照明
在一些實施例中，測試對象係被空間同調光照明。當電磁場的振盪對於在傳播方向的橫向方向上被空間分開的點大體上被相互關聯時(亦即，具有大體上固定的相位關係)，光被稱為空間同調。參閱Encyclopedia of Laser Physics and Technology, 可在http://www.rp－photonics.com/coherence.html and E.Hecht,Optics,Second Edition,pp. 516－517,Addison Wesley,1987取得。例如，在空間同調光束中，在光束的截面上的點之電磁場將以被相互關聯的方式振盪。如將在下面說明者，空間同調光的使用容許在測試物體上的區域之繞射極限或近繞射極限照明。在某些實施例中，這容許對於測試表面的小、明確的區域的照明和測量。更進一步，在一些實施例中，如上所述，空間同調照明光可為光譜寬帶，容許波長解析測量。
例如，參閱圖17，干涉系統100係以一橢圓模式操作，如圖1所示，但以一寬帶空間同調照明系統1000(在下面更 詳細說明)，取代元件102、108、和138。在本實施例中，光源1001被耦接至光纖1002以產生空間同調輸入光104(其主要光線係由實線標示)。輸入光104係穿過光纖1002的面1003之空間同調光。如由主要光線所指明者，輸入光104被準直透鏡1004對準。準直光束被擴展透鏡1005擴展以匹配物鏡光瞳孔徑光闌的大小，由透鏡110重新對準，並且指向干涉物鏡106的光瞳面114。例如，在光束的形狀係高斯(Gaussian)(或者名義上高斯)的實施例中，光束的腰可被為成像的光瞳面114。
分光器120將輸入光104分成測試光122，其被指向測試物體126的一測試表面124，以及參考光128，其從參考表面122反射。接物透鏡118分別將測試和參考光聚焦至測試和參考表面。支撐參考表面122的參考光學元件130被鍍膜以僅反射聚焦的參考光，使得大部分輸入光在被分光器120分開之前通過參考光學元件。
在從測試和參考表面反射之後，測試和參考光被分光器120重新結合以形成結合光132，其被分光器112和中繼透鏡136傳送以在電子檢測器134上形成光學干涉圖案。穿過檢測器之光學干涉圖案的強度輪廓係被檢測器的不同元件測量並儲存在用於分析的一電子處理器中(未顯示)。在此橢圓結構中，光瞳面114被成像至檢測器上。在目前的實施例中，中繼透鏡136將在光瞳面114上的不同點成像至在檢測器134上的對應點。
照明系統A1000係在一波長的寬帶上提供空間同調照 明(例如，發射光譜具有大於50奈米的一半高全寬，或者最好甚至大於100奈米)。此寬帶、空間同調照明可由許多類型的光源被提供。
例如，在一些實施例中，光纖A1002係所謂的"單模"光纖。單模光纖對於沿著光纖傳播的光僅支持單一(或者，在某些情況中係一些)空間模。參看例如Encyclopedia of Laser Physics and Technology, 可在http://www.rp－photonics.com/single_mode_fibers.html取得。因此，當光源1001被耦接至光纖時，輸出光104主要包含在支持的空間模中的光。穿過輸出面1003的光因此被很好地關聯，產生空間同調輸出光104。單模光纖通常能在多種波長內支持單一空間模。因此，當光源A1001是一寬帶光源時(例如，一寬帶或"白光"LED、一LED陣列、一脈衝或寬帶雷射光源等)，其在可支持的波長範圍內之一光譜範圍上輸入光，由單模光纖1002輸出的光將係寬帶且空間同調。
在一些實施例中，光纖1002包括一種光子能隙材料(例如光子晶體材料)或其他非線性材料，其能在非常大範圍的波長(例如高達數百奈米或更多)上支持空間同調光，從而容許非常寬帶的空間同調照明。參看，例如Encyclopedia of Laser Physics and Technology, 可在http://www.rp－photonics.com/photonic_crystal_fibers.html得到。此種系統有時被假定提供”超連續”照明。在一些此種實施例中，光纖A1002也可為單模光纖，對於在 非常大範圍的波長(例如從紅外線及其上延伸至紫外線及其下的波長之範圍)上的光支持單一(或很少)的空間模。參看Encyclopedia of Laser Physics and Technology, 可在http://www.rp－photonics.com/supercontinuum_generation.html得到。
在一些實施例中，光纖A1002包含非線性材料，其作用以進一步把輸入至光纖中的光之光譜範圍擴大。當光沿著光纖傳播時，非線性效應(例如拉曼散射或四波混合)出現，而產生並不存在於輸入光中的波長的光。在一些此種實施例中，光源A1001可為一相對窄帶光源，且具有光纖A1002提供的光譜擴大以產生寬帶輸出光104。
在更進一步的實施例中，照明系統A1000包括一能夠產生空間同調輸出光束的共振腔。例如，光源1001可包括由一光源(例如一雷射、LED、或LED陣列)激發的一共振腔以激發腔在腔的單一(或一些)空間模產生共振。因此，腔的輸出將是空間同調。在一些此種實施例中，光纖A1002可被除去，且輸入光104係直接從光源A1001(例如，作為共振腔的輸出光束)得到。在一些實施例中，腔可包括一濾光器，其作用以限制被共振腔支持的空間模的數目。
注意同調照明係不同於測量物體被具有低度空間同調性的光(例如當使用成像在光瞳面114的空間同調延伸光源以提供柯勒(Koehler)照明時)照明的情況。例如，在通常的應用中(例如那些某一最小強度為了有用的測量而在檢測器被要求者)，一空間非同調照明光束將在測試物體126 產生一大的光斑尺寸(例如，顯著比干涉物鏡106的繞射光斑寬的一光斑尺寸)。
不過，在目前的實施例中，測試光122係空間同調，並且可被聚焦至在測試物體126的一小的光斑尺寸。在此情況中，在測試物體126之被聚焦的光束係經由其繞射點之干涉物鏡106的幾何點擴展函數的摺積。對於空間同調光瞳面照明，當所有的繞射效果被忽略時，幾何點擴展被定義為在光瞳面114中的點光源在物體之發光分佈。在通常的實施例中，干涉物鏡106的幾何點擴展取決於例如在物鏡中的光學像差，並且可使用在此技藝中已知的修正技術被減少或者甚至消除。另一方面，由於包括例如沿著物鏡之孔徑的效果、昏暗等之繞射效果，繞射光斑係在物體126的發光分佈。
對於以空間同調光照明之良好修正的物鏡，在測試物體126的光斑尺寸可接近或基本上等於在測試物體的繞射光斑的寬度。對於具有高數值孔徑物鏡(例如，約0.7或更大、或約0.9或更大)的物鏡，繞射光斑對於照明光斑的中央主葉可為例如一微米的一小部分。因此，在目前說明的實施例和使用上述技術中，干涉系統100，在一橢圓模式中，可對於測試物體126的測試表面124之一小的、明確的區域決定角度、波長、及偏振解析資訊(例如複數反射率資訊)。此一測量可在測試表面124上的多個區域上被重複。例如，在遍佈測試表面124之多個測試光斑採取的複數反射率測量可被分析以擬定測試物體126的特性，諸如薄膜厚度、材料類型、折射率等。此種資訊可被用以例如改進使 用以輪廓描繪模式操作的干涉系統100完成的表面輪廓測量。
注意空間同調照明在另一方面與透過具有低度空間同調性的光之照明不同。對於空間非同調光，從測試表面124擴散反射的光將在檢測器134無條理地(亦即以一種任意的相位關係)結合。因此，越過幾個周期，對應於擴散反射光之在檢測器134的結合電磁場的強度將平均成零。當典型的檢測時間通常比幾個周期長得多時，擴散反射光將因此對於由檢測器134測量的干涉信號沒有貢獻。
這不是空間同調照明的情況。相反地，擴散反射光將在檢測器134同調地結合。擴散反射光的強度將因此不平均至零，且因此可對由檢測器134測量的干涉信號做出貢獻。在一些應用中，(例如當測試表面沒有穿過測量光斑之大量的橫向變化時)，此貢獻將可忽視。在此種情況中，方程式3的測量模型保持一良好的近似，容許使用上述的分析技術。在由擴散反射造成對被測量的干涉信號的貢獻重大的情況中，方程式3不再是一個好的近似。但是，此種信號仍可使用例如基於模型的技術被分析，其中，測量的信號被比較至例如使用完全的馬克斯威爾方程式計算的模型信號及/或基於已知的參考樣品之例示信號。此種技術的例子係在2006年十二月22日申請的美國暫時專利申請案第60/876748號中被發現，名稱為”APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF SURFACE FEATURES”，其在此一併供做參考。
在一些實施例中，干涉系統100包括一光學元件(例如一擴散器)，其可被選擇地切換至光束路徑以降低照明光的空間同調性。在某些應用中，最好是在被聚焦以在測試物體提供小的測量光斑之空間同調照明及照明較大部分的測試物體之空間非同調照明之間切換。在某些情況中(例如當測量一稍微粗糙或圖案化的物體時)，一較大的測量光斑可被用以改善測量的統計資料。例如，可經由將空間同調光源(亦即，光纖面1003)成像至被放置在干涉物鏡106的孔徑光闌115內的擴散器(未顯示)上而提供柯勒照明的選擇。
雖然目前說明的實施例係說明寬帶同調照明光源與在橢圓模式中的干涉系統100一起的使用，應瞭解此一光源可在多種其他模式中被類似地使用，包括上述的輪廓描繪模式。
附加實施例
圖1和3中顯示的實施例實現米勞(Mirau)型的干涉物鏡，其中，在干涉物鏡中的分光器沿著測試光的光軸向後指引參考光。在其他實施例中，干涉系統100可改為使用不同類型的干涉物鏡，例如一米切爾森(Michelson)物鏡，其中，分光器指引參考光離開測試光的光軸(例如，分光器可以45度面向輸入光，使得測試光和參考光彼此以直角行進)。在此情況中，參考表面可被設置在測試光的路徑外面。
在另一實施例中，干涉物鏡可為林尼克(Linnik)型，其中，分光器被設置在測試表面的接物透鏡之前(關於輸入 光)並且沿著不同的路徑指引測試和參考光。單獨的物鏡被用以將參考光聚焦至參考透鏡。換句話說，分光器把輸入光分成測試和參考光，且分開的接物透鏡接著將測試和參考光聚焦至各自的測試和參考表面。最好，二接物透鏡被彼此匹配，使得測試和參考光具有相似的像差和光學路徑。
附加的干涉儀結構也是可能的。例如，系統可被配置以收集測試光，其係透過測試樣品被傳送，且然後與參考光結合。對於此種實施例，例如，系統可實現在各腳上具有雙顯微物鏡的一馬赫．任德(Mach－Zehnder)干涉儀。
在某些實施例中，干涉儀可為使用球形測量波前的掃瞄干涉儀，諸如在2002年七月3日申請之美國專利第6714307號中說明者，名稱為”MEASUREMENT OF COMPLEX SURFACE SHAPES USING A SPHERICAL WAVEFRONT”，其部分內容在此被一併提供。
在干涉儀中的光源可為下列任一種：白熾光源，諸如一鹵素燈泡或金屬鹵化物燈，具有或沒有光譜帶通濾光器；一寬帶雷射二極體；一發光二極體；相同或不同類型的數個光源的結合；一電弧燈；在可見光譜區域中的任何光源；在IR光譜區域中的任何光源，特別是用於觀看粗糙表面及適用相位輪廓描繪；以及在UV光譜區域中的任何光源，特別是用於增強的橫向解析。對於寬帶應用，光源最好具有比平均波長的5%寬的淨光譜帶寬，或者更好是比平均波長的10%、20%、30%、或甚至50%大。對於可調諧的窄帶應用，調諧範圍最好是寬的(例如，對於可見光，大於50 奈米、大於100奈米、或甚至大於200奈米)以在很寬的波長範圍內提供反射率資訊，而在任何特別的設定之光譜的寬度更好是狹窄的，以將解析最佳化，例如，與10奈米、2奈米或1奈米一樣小。光源也可包括一或多種擴散器元件以增加從光源被發射的輸入光的空間範圍。
在一些實施例中，干涉儀可被配置，使得一些或所有的干涉儀的光學元件都是反射元件。例如，在輸入光係在UV或極端UV(EUV)光譜的應用中，使用通常材料的折射光學元件將吸收大量的光。在此種應用中，在干涉儀中的所有的折射元件可被諸如曲面反射鏡的反射元件取代。
而且，在系統中之不同的移動平台，諸如移動平台150，可為：由一壓電裝置的任一個驅動、一步進馬達及一音圈；被光機械或光電子地實施，而非純移動(例如，經由使用任何液晶、電光效應、應變光纖、及旋轉波板)以引進一光程長度變化；具有彎曲底座的一驅動器和具有機械平台的任何驅動器的任一個，例如滾子軸承或空氣軸承。
電子檢測器可為任何類型的檢測器，用於測量具有空間解析度的光學干涉圖案，諸如多元件的CCD或CMOS檢測器。
在不同的實施例中，干涉系統100輸出測量資訊至例如一使用者顯示器、一印表機、一機器可讀媒體或儲存裝置、一電子控制器等。在某些實施例中，輸出資料可自動控制一另外的裝置或裝置(例如，積體電路處理及/或量測工具)。
軟體
上述分析步驟可以使用標準程式技術的電腦程式被實施。此種程式被設計以在可編程式的電腦上或特別設計的積體電路上執行，各包括一電子處理器、一資料儲存系統(包括記憶體及/或儲存元件)、至少一輸入裝置、及至小一輸出裝置，諸如顯示器或印表機。程式碼被應用以將資料(例如，來自檢測器的影像)輸入以執行在此說明的功能並且產生輸出資訊(例如，折射率資訊、厚度測量、表面輪廓等)，其被應用於一或多個輸出裝置。每個這樣的電腦程式可被在一高階程序或物件導向程式語言、或者一組合或機器語言中實施。而且，語言可為編譯或組譯的語言。每個這樣的電腦程式可被儲存在一電腦可讀儲存媒體上(例如，CD ROM或磁性軟碟)，其當由電腦讀取時會使得在電腦中的處理器執行分析和控制在此說明的功能。
本發明的許多實施例已經被說明。雖然如此，應瞭解各種各樣的修改可在未脫離本發明的精神和範疇的情形下完成。
100、700、800‧‧‧干涉系統
101‧‧‧表面高度
102、1001‧‧‧光源
104‧‧‧輸入光
106‧‧‧干涉物鏡
108、110、875、885‧‧‧中繼光學元件
112、120、810‧‧‧分光器
114‧‧‧光瞳面
115‧‧‧孔徑光闌
116、216‧‧‧邊緣光線
117、217‧‧‧主要光線
118‧‧‧接物透鏡
122‧‧‧參考表面
124‧‧‧測試表面
126‧‧‧測試物體
128‧‧‧參考光
130‧‧‧參考光學元件
132‧‧‧結合光
134‧‧‧電子檢測器
136‧‧‧中繼透鏡
138‧‧‧場光闌
140、142、144、146‧‧‧偏振元件
150、760、950‧‧‧移動平台
236‧‧‧透鏡
603、604‧‧‧相位頻譜
770、870、970‧‧‧電子處理器
880、890‧‧‧多元件檢測器
901、902、903、904‧‧‧區域
905‧‧‧光柵間距
907‧‧‧薄膜堆疊厚度
908‧‧‧光柵
909‧‧‧蝕刻深度
910‧‧‧機動化轉座
912‧‧‧物鏡
920‧‧‧機動化平台
930、932‧‧‧機動化孔徑
940‧‧‧底座
960‧‧‧物體搬運站
972‧‧‧分析處理器
974‧‧‧裝置控制器
976‧‧‧使用者界面
978‧‧‧儲存媒體
991、992、993、994‧‧‧測量位置
1000‧‧‧寬帶空間同調照明系統
1002、A1002‧‧‧光纖
1003‧‧‧光纖面
1004‧‧‧準直透鏡
1005‧‧‧擴展透鏡
1302、1303‧‧‧形貌圖
A1000‧‧‧照明系統
圖1係被裝配而以橢圓模式操作的干涉系統100的示意圖。
圖2係顯示當在干涉系統100中的測試及參考光之間的光程差(“OPD”)變化時由一檢測器元件測量的干涉信號的一例之圖式，其中，OPD係由照相機圖框數表示。
圖3係被重新裝配而以輪廓描繪模式操作的干涉系統100的示意圖。
圖4係顯示對於在矽基板上具有1微米厚的二氧化矽的測試物體之由一檢測器元件收集的資料的平面圖。平面圖左邊顯示在OPD掃瞄期間做為圖框的函數之由檢測器元件測量的干涉信號。平面圖右邊顯示相對於波數之干涉信號的傅立葉轉換，且頻譜強度係由實線顯示且頻譜相位係由虛線顯示。
圖5顯示照明光源的光譜分佈以及分析近似的平面圖。
圖6a顯示在空間頻域中之測量干涉信號及模型干涉信號的頻譜強度的比較。
圖6b顯示在空間頻域中之測量干涉信號及模型干涉信號的頻譜相位的比較。
圖6c顯示做為掃瞄位置的函數之測量干涉信號及模型干涉信號的信號強度的比較。
圖7顯示監測干涉系統的特性之流程圖。
圖8顯示比較二干涉系統的特性之流程圖。
圖9a顯示測試物體的俯視圖。
圖9b顯示測試物體的一部分之截面圖。
圖10a顯示包括未能解析的表面特徵之物體。
圖10b顯示包括未能解析的表面特徵之物體的計算的輪廓。
圖10c係對於包括未能解析的表面特徵之物體顯示做 為表面輪廓高度的函數之預測的高度偏移的平面圖。
圖11顯示以模型為基礎的測量技術的流程圖。
圖12顯示另一個以模型為基礎的測量技術的流程圖。
圖13顯示另一個以模型為基礎的測量技術的流程圖。
圖14係干涉系統100的另一個實施例的示意圖。
圖15係干涉系統100的另一個實施例的示意圖。
圖16係干涉系統100的再一個實施例的示意圖。
圖17係被裝配而以橢圓模式、特徵寬頻、空間同調照明操作的干涉系統100的示意圖。
在不同圖式中之相同參考數字表示共同的元件。
100‧‧‧干涉系統
102‧‧‧光源
104‧‧‧輸入光
106‧‧‧干涉物鏡
108、110‧‧‧中繼光學元件
112、120‧‧‧分光器
114‧‧‧光瞳面
115‧‧‧孔徑光闌
116‧‧‧邊緣光線
117‧‧‧主要光線
118‧‧‧接物透鏡
122‧‧‧參考表面
124‧‧‧測試表面
126‧‧‧測試物體
128‧‧‧參考光
130‧‧‧參考光學元件
132‧‧‧結合光
134‧‧‧電子檢測器
136‧‧‧中繼透鏡
138‧‧‧場光闌
140、142、144、146‧‧‧偏振元件
150‧‧‧移動平台

Claims (54)

  1. 一種干涉測量方法，包括：在一個範圍的照明角度內將測試光指向第一校正表面並且將從第一校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第一校正表面的測試光與參考光係源自一共同光源；將來自第一校正表面的結合光的至少一部分指向一多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第一校正表面的不同照明角度；在一個範圍的照明角度內將測試光指向不同於第一校正表面的第二校正表面並且將從第二校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第二校正表面的測試光與參考光係源自共同光源；將來自第二校正表面的結合光的至少一部分指向多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第二校正表面的不同照明角度；及基於對從第一及第二校正表面出射的測試光由檢測器的不同元件測量的干涉信號及有關第一及第二校正表面的其他資訊決定有關干涉系統的資訊，其中：有關干涉系統的資訊包括與下列至少其中一個對應的資訊：共同光源的光譜分佈、與平行於入射面的偏振狀態相比之垂直於入射面的偏振狀態之相對衰減、穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜分佈的變化、穿過干涉系統的 光瞳面之照明的平均強度的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的相位的變化、及穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜強度的變化。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，有關第一及第二校正表面的其他資訊包括有關第一及第二校正表面的反射率的資訊。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，第一校正表面包括：塊狀矽、矽上氧化層、基板上介電層、基板上不透明金屬層、金屬的實心表面、介電材料的實心表面。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，更包括：將有關干涉系統的資訊與來自干涉系統的標準校正比較；及基於比較修改干涉系統。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，更包括：將有關干涉系統的資訊與有關一第二干涉系統的資訊比較；及基於比較修改干涉系統之一或二者。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，更包括：基於有關干涉儀的資訊及有關測試物體的多模型的資訊，產生多模型掃瞄干涉訊號，其中，測試物體的多模型係由一系列之測試物體的特徵參數化。
  7. 如申請專利範圍第6項的方法，更包括：將對於在測試物體上的第一表面位置之可從干涉系統取得的掃瞄干涉訊號得出的資訊與可從多模型掃瞄干涉訊號得出 的資訊相比較。
  8. 如申請專利範圍第7項的方法，更包括：基於比較決定測試物體之準確特徵。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，準確特徵係第一表面位置的表面高度及/或第一表面位置的薄膜厚度。
  10. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，準確特徵的決定包括基於比較決定測試物體的哪一個模型對應於測試物體之特徵中之準確者，並且使用對應於準確特徵之測試物體的模型計算有關測試物體的資訊。
  11. 如申請專利範圍第7項的方法，更包括：比較從額外的表面位置之掃瞄干涉信號得出的資訊與從多模型掃瞄干涉信號得出的資訊。
  12. 如申請專利範圍第7項的方法，其中，比較包括使用一搜尋引擎以比較從干涉系統取得的掃瞄干涉信號得出的資訊與從多模型掃瞄干涉信號得出的資訊。
  13. 如申請專利範圍第7項的方法，其中，比較包括計算一或多個評價函數，其表示在從掃瞄干涉信號得出的資訊及對應於每一個模型的資訊間的相似性。
  14. 如申請專利範圍第1項的方法，更包括：使用干涉系統以一操作模式，其干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓，測量測試物體的測試表面；及基於有關干涉系統的資訊提供一修正的輪廓。
  15. 如申請專利範圍第14項的方法，其中，測試表 面係測試物體之上表面。
  16. 如申請專利範圍第14項的方法，其中，測試表面係測試物體之一埋入的表面。
  17. 如申請專利範圍第14項的方法，更包括：決定有關在測試表面上之一或多個區域的資訊；及其中，修正的輪廓也是基於有關在測試表面上之一或多個區域的資訊。
  18. 一種干涉方法，包括：對於具有不同反射率之在一測試物體上的一測試表面之多重區域的每一個，使用一干涉系統以第一操作模式測量各區域，第一操作模式係在一個範圍的角度及波長之間測量有關區域反射率的資訊；使用同樣的干涉系統以第二操作模式測量測試表面，第二操作模式係在包括至少一些的多重區域之範圍內干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓；及基於有關多重區域的反射率之資訊修正輪廓以減少誤差。
  19. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，測試表面係測試物體之上表面。
  20. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，測試表面係測試物體之一埋入的表面。
  21. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，輪廓係厚度輪廓。
  22. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，修正係 對於每個區域包括：基於有關區域反射率的資訊決定高度偏移；及將偏移加到輪廓之對應部分。
  23. 如申請專利範圍第18項的方法，更包括：使用相同的干涉系統在一個範圍的角度及波長之間測量有關二或更多個參考表面的反射率之資訊；使用有關二或更多個參考表面的反射率之資訊決定有關干涉系統的資訊；及其中，輪廓的修正係進一步基於有關干涉系統的資訊。
  24. 如申請專利範圍第23項的方法，更包括：在一個範圍的角度及波長之間基於有關區域反射率的資訊決定有關干涉系統的額外的資訊；及其中，輪廓的修正係進一步基於有關干涉系統之該被決定的資訊。
  25. 如申請專利範圍第18項的方法，更包括：輸出修正的輪廓。
  26. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，修正的輪廓之輸出包括輸出至下列其中之一：一使用者、一顯示器、電子儲存、一電子控制器、及被裝配以基於有關輪廓、印刷媒體及電子儲存媒體的資訊操作一或多個裝置的電子控制器。
  27. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，輸出包括輸出以用於半導體量測測量中。
  28. 一種干涉系統，包括：一光源；一多元件檢測器；一干涉儀，被裝配以：在一個範圍的照明角度內將測試光指向第一校正表面並且將從第一校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第一校正表面的測試光與參考光係源自一共同光源；將來自第一校正表面的結合光的至少一部分指向一多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第一校正表面的不同照明角度；在一個範圍的照明角度內將測試光指向不同於第一校正表面的第二校正表面並且將從第二校正表面射回的測試光與參考光結合以形成一干涉圖案，其中，來自第二校正表面的測試光與參考光係源自共同光源；將來自第二校正表面的結合光的至少一部分指向多元件檢測器，使得檢測器的不同元件經由測試光對應於第二校正表面的不同照明角度；及基於對從第一及第二校正表面出射的測試光由檢測器的不同元件測量的干涉信號及有關第一及第二校正表面的其他資訊決定有關干涉系統的資訊，其中：有關干涉系統的資訊包括與下列至少其中一個對應的資訊：共同光源的光譜分佈、與平行於入射面的偏振狀 態相比之垂直於入射面的偏振狀態之相對衰減、穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜分佈的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的平均強度的變化、穿過干涉系統的光瞳面之照明的相位的變化、及穿過干涉系統的光瞳面之照明的光譜強度的變化。
  29. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，其中，有關第一及第二校正表面的其他資訊包括有關第一及第二校正表面的反射率的資訊。
  30. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，其中，第一校正表面包括：塊狀矽、矽上氧化層、基板上介電層、基板上不透明金屬層、金屬的實心表面、介電材料的實心表面。
  31. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，更包括：將有關干涉系統的資訊與來自干涉系統的標準校正比較；及基於比較修改干涉系統。
  32. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，其中，電子處理器被裝配以：將有關干涉系統的資訊與有關一第二干涉系統的資訊比較；及基於比較修改干涉系統之一或二者。
  33. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，其中，電子處理器被裝配以：基於有關干涉儀的資訊及有關測試物體的多模型的 資訊，產生多模型掃瞄干涉訊號，其中，測試物體的多模型係由一系列之測試物體的特徵參數化。
  34. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，其中，電子處理器被裝配以將對於在測試物體上的第一表面位置之可從干涉系統取得的掃瞄干涉訊號得出的資訊與可從多模型掃瞄干涉訊號得出的資訊相比較。
  35. 如申請專利範圍第34項的干涉系統，其中，電子處理器被裝配以基於比較決定測試物體之準確特徵。
  36. 如申請專利範圍第35項的干涉系統，其中，準確特徵係第一表面位置的表面高度及/或第一表面位置的薄膜厚度。
  37. 如申請專利範圍第35項的干涉系統，其中，準確特徵的決定包括基於比較決定測試物體的哪一個模型對應於測試物體之特徵中之準確者，並且使用對應於準確特徵之測試物體的模型計算有關測試物體的資訊。
  38. 如申請專利範圍第34項的干涉系統，其中，電子處理器被裝配以比較從額外的表面位置之掃瞄干涉信號得出的資訊與從多模型掃瞄干涉信號得出的資訊。
  39. 如申請專利範圍第34項的干涉系統，其中，比較包括使用一搜尋引擎以比較從干涉系統取得的掃瞄干涉信號得出的資訊與從多模型掃瞄干涉信號得出的資訊。
  40. 如申請專利範圍第34項的干涉系統，其中，比較包括計算一或多個評價函數，其表示在從掃瞄干涉信號得出的資訊及對應於每一個模型的資訊間的相似性。
  41. 如申請專利範圍第28項的干涉系統，其中，干涉系統被裝配而：以一操作模式，其干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓，測量測試物體的測試表面；及電子處理器被裝配以基於有關干涉系統的資訊提供一修正的輪廓。
  42. 如申請專利範圍第41項的干涉系統，其中，測試表面係測試物體之上表面。
  43. 如申請專利範圍第41項的干涉系統，其中，測試表面係測試物體之一埋入的表面。
  44. 如申請專利範圍第41項的干涉系統，其中，電子處理器被裝配以：決定有關在測試表面上之一或多個區域的資訊；及其中，修正的輪廓也是基於有關在測試表面上之一或多個區域的資訊。
  45. 一種裝置，包括：一干涉系統，被裝配以：對於具有不同反射率之在一測試物體上的一測試表面之多重區域的每一個，以第一模式操作以在一個範圍的角度及波長之間測量有關區域反射率的資訊；以第二模式操作以在包括多重區域的每一個的至少一些之範圍內干涉地描繪測試表面的表面形貌的輪廓；及基於有關多重區域的反射率之資訊修正輪廓以減少誤差。
  46. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，測試表面係測試物體之上表面。
  47. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，測試表面係測試物體之一埋入的表面。
  48. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，輪廓係厚度輪廓。
  49. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，干涉系統被裝配以對於每個區域：基於有關區域反射率的資訊決定高度偏移；及將偏移加到輪廓之對應部分。
  50. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，干涉系統被裝配以：使用相同的干涉系統在一個範圍的角度及波長之間測量有關二或更多個參考表面的反射率之資訊；使用有關二或更多個參考表面的反射率之資訊決定有關干涉系統的資訊；及其中，輪廓的修正係進一步基於有關干涉系統的資訊。
  51. 如申請專利範圍第50項的裝置，其中，干涉系統被裝配以：在一個範圍的角度及波長之間基於有關區域反射率的資訊決定有關干涉系統的額外的資訊；及其中，輪廓的修正係進一步基於有關干涉系統的資訊。
  52. 如申請專利範圍第45項的裝置，更包括：輸出修正的輪廓。
  53. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，修正的輪廓之輸出包括輸出至下列其中之一：一使用者、一顯示器、電子儲存、一電子控制器、及被裝配以基於有關輪廓、印刷媒體及電子儲存媒體的資訊操作一或多個裝置的電子控制器。
  54. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，修正的輪廓之輸出包括輸出以用於半導體量測測量中。
TW097126924A 2007-07-19 2008-07-16 用於在干涉儀產生規格信號之方法及系統 TWI439661B (zh)

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