TWI448661B - 使用極化掃描法之干涉儀 - Google Patents

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Description

使用極化掃描法之干涉儀
本發明係有關於分析包括例如薄膜厚度、材料組成、及未光學解析的表面結構之表面結構特徵的方法。
干涉測量技術通常被用來測量一個物體的表面的輪廓。為此，一干涉儀結合從所關心的表面反射的測量波前及從參考面反射的參考波前以產生一干涉圖。在干涉圖中的條紋表現出在所關心的表面和參考面之間的空間變化。
一掃描干涉儀在相當於或大於干涉波前的同調長度之範圍內掃描在干涉儀的參考及測量臂之間的光程差(OPD)，以對用以測量干涉圖之每個照相機像素產生一掃描干涉信號。一有限同調長度可透過使用例如白色光源被產生。通常，低同調掃描干涉測量法被稱為掃描白光干涉測量法(SWLI)。SWLI信號是被局部化接近零OPD位置的一些條紋。信號通常係經由具有鐘型條紋對比波封之一正弦載波調變(即，條紋)特徵化。構成SWLI計量學的基礎之傳統想法是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趨勢。第一種方法是確定波封的峰值或中心的位置，且假定此位置對應於一光束從物體表面反射之二光束干涉儀的零光程差。第2種方法是把信號轉變成頻域並且計算相位對波長的變化率，且假定一個本質上線性的斜率直接與物體位置成正比。參看例如Peter de Groot的美國專利第5398113號。後面的方法被稱為頻域分析法(FDA)。
掃描干涉測量法可被用以測量具有複雜表面結構(諸如薄膜、不同材料的離散結構、或未由一干涉顯微鏡的光學解析度解析的離散結構)的物體之表面形貌及/或其他特性。此種測量與例如平面顯示器組件的特徵、半導體晶圓計量學及在原位薄膜和不同材料分析有關。參看例如2004年9月30日出版的Peter de Groot et al.的美國專利出版號碼US-2004 0189999 A1，名稱為”Profiling Complex Surface Structures Using Scanning Interferometry”，其內容在此被一併供做參考，及2006年11月21日發佈的Peter de Groot的美國專利第7139081號，名稱為”Interferometry Method for Ellipsometry,Reflectometry,and Scatterometry Measurements,Including Characterization of Thin Film Structures“，其內容在此被一併供做參考。
用於光學地決定有關一個物體的資訊的其他技術包括橢圓測量術和反射測量術。當以一斜角，例如60°，照明時，有時帶有一可變角度或具有多波長，橢圓測量術決定一表面的複雜反射率。為了達到比傳統橢圓儀可輕易達成者更大的解析度，顯微橢圓儀測量相位及/或在物鏡的背焦面(也就是光瞳面)中的強度分佈，在光瞳面處，不同的照射角度被映射至場位置。此種裝置是傳統偏振顯微鏡或”錐光偏振儀”的現代化，歷史上被連結至結晶學和礦物學，其利用正交的偏光器和一伯特蘭透鏡以透過將光瞳面成像來分析雙折射材料。
用於表面特徵化的傳統技術(例如，橢圓測量術和反射測量術)依賴下列事實，即一未知的光學界面的複雜反射率取決於其固有特性(例如，個別的層的材料特性和厚度)及被用於測量反射率之光的三特性：波長、入射角和偏振態。實際上，特徵化儀器記錄由在已知範圍上改變這些參數導致的反射率波動。
諸如最小平方擬合法的優化程序接著被用以透過使在被測量的反射率數據及從光學結構的模型導出的反射率函數之間的差異最小化以取得對未知參數的評估。這些被導出的候選解經常被提前計算並且儲存在一資訊庫中，其經由一最小平方或等效匹配及內插技術以決定正確的解。參看例如K. P. Bishop et al.的”Grating line shape characterization using scatterometry”，SPIE 1545,64-73(1991)和C. J. Raymond et al.的”Scatterometry for CD measurements of etched structures”，SPIE 2725,720-728(1996)。
諸如嚴格耦合波分析(RCWA)的詳細模型化解決發現特徵結構(其產生觀察到繞射效應之被觀察到的干涉信號)的反向問題。參看例如M. G. Moharam和T. K. Gaylord的參考文獻，”Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction”，JOSA，71(7)，811(1981)和S. S. H. Naqvi et al.的”Linewidth measurement of gratings on photomasks: a simple technique”，Appl. Opt.,31(10),1377-1384(1992)。
來自光罩和晶圓上的光柵測試圖案之繞射圖案的分析提供線寬和與製程控制相關的其他形貌特徵的非接觸性測量。參看例如H. P. Kleinknecht et al.的”Linewidth measurement on IC masks and wafers by grating test patterns”，Appl Opt. 19(4),525-533(1980)和C. J. Raymond的”Scatterometry for Semiconductor Metrology”，Handbook of silicon semiconductor metrology，A. J. Deibold,Ed.,Marcel Dekker,Inc.,New York(2001)。
如上所述，一測試表面的特徵可經由在角度的一個範圍上，及可選擇地在波長的一個範圍上，分析測試表面的複雜反射率而加以決定。這可由對於通過顯微物鏡照射測試物體的光導入在正交的偏振態間之連續變化的光程差(OPD)而達成。裝置將顯微物鏡的光瞳面或測試物體表面成像至照相機上，其記錄使用一偏振檢偏器在此OPD掃描期間於從測試表面反射後混合(干涉)二偏振態的結果。對於可能的結構參數，諸如薄膜厚度及表面形貌外形，接收到的信號與測試表面的反射特性的模型之比較產生有關測試物體的資訊。
在物鏡光瞳面被成像至照相機上的實施例中，對於各照相機像素，偏振OPD掃描對於對應在成像光瞳中的特定位置之入射角與入射偏振的特定結合產生一信號，其包含有關測試表面的反射特性的資訊。
這些實施例可被用於詳細分析在表面上的單一位置之表面結構，例如，多層膜堆疊的厚度及折射率、或是未被光學地解析的形貌之關鍵尺寸及形狀參數。
在測試表面被成像至照相機上的實施例中，照相機檢測在所有的入射角及所有的偏振態上被積分的信號，其係在測試表面上的特定點之特徵。此實施例可被用於產生在穿過測試表面的結構中之變化的二維(2D)及三維(3D)合成影像，例如，薄膜的厚度輪廓、或是做為表面上的位置的函數之在未被光學地解析的形貌之關鍵尺寸中的變化。
光源在頻譜上可為寬頻(例如，包括在多波長的能量)。在此種實施例中，足夠大以至少包含光源的同調長度之在整個OPD掃描獲得的信號的數學分析可提供經由例如傅立葉分析將信號分成表示特定波長的多種複合信號。此變化提供做為波長的函數之有關測試表面反射率的詳細資訊。
光源可為空間非同調，使得在光瞳面中的不同點也彼此非同調。因為信號產生機構依賴同調性，只有那些從相同光源點產生的繞射光束導致由電子控制器記錄的信號。從而，舉例而言，在測試物體將來自對光瞳影像中的許多點的照射中之一點的光繞射的實施例中，這些繞射光束將不與來自光瞳面中的其他光源點的鏡面或繞射光束干涉。這可簡化用於分析將在傳統顯微鏡中被不良地解析或未光學地解析的表面結構繞射或散射的模型化問題。
偏振OPD掃描可被引進至顯微鏡的成像部分或照明部分。因此，偏振OPD可在先從測試表面反射之前在光之前或之後被掃描。另一種可能是將偏振OPD掃描器直接放置在顯微物鏡之前，使得照明及成像光通過它。在此種實施例中，顯微物鏡、偏振OPD掃描器及偏振檢偏器的組合可被包裝成單一的子系統，其可方便地取代傳統顯微鏡之標準的成像物鏡或干涉顯微鏡之傳統的干涉物鏡。
通常，在第一方面中，本發明之特點在於方法，其包括：使用一顯微鏡以將從測試物體反射的光導向一檢測器，改變在光之正交的偏振態之間的光程差(OPD)，以在改變正交的偏振態間的OPD時，從檢測器獲得一信號，及基於獲得的干涉信號，決定有關測試物體的資訊。
方法的實施可包括一或多個下列特點及/或其他方面的特點。例如，決定資訊可包括將信號轉換(例如，使用傅立葉轉換)成一反向OPD領域(例如，空間頻域)。
多種信號可在改變偏振態間的OPD時被獲得，各信號對應於檢測器的一不同的檢測器元件。有關測試物體的資訊可基於多種獲得的信號被決定。
顯微鏡可被配置以將測試物體成像至檢測器上。或者，顯微鏡可被配置以將顯微鏡的一光瞳面成像至檢測器上。
在正交的偏振態間之光程差可被改變一數量，其大於提供光的光源之同調長度。例如，對於一低同調光源，光程差可被改變約2微米或更大(例如，約5微米或更大、約10微米或更大)。在一些實施例中，光程差可被改變100微米或更少(例如，約50微米或更少、約20微米或更少)。在正交的偏振態間之光程差可在光從測試物體反射之前及/或之後被改變。
光可由一低同調光源提供。光可為寬頻光(例如，具有一頻譜的半高全寬，其為約5nm或更大、約10nm或更大、約50nm或更大、約100nm或更大)。光可為單色光。光可由一點光源提供。或者，光可由一空間擴展光源提供。
測試物體可包括一表面形貌，其係未由顯微鏡解析，且決定有關測試物體的資訊可包括決定有關未光學解析的表面形貌的資訊。有關未光學解析的表面形貌的資訊可包括表面形貌的高度輪廓、表面形貌的蝕刻深度、表面形貌的步階高度、表面形貌的側壁角度、表面形貌的間距、及/或表面形貌的線寬。有關表面形貌的資訊可為表面形貌的一關鍵尺寸(CD)。
決定有關表面形貌的資訊可包括將干涉信號或從干涉信號被導出的資訊與跟一組表面形貌模型相關聯的一組模型化信號或是從與該組表面形貌模型相關聯的該組模型化干涉信號被導出的資訊比較。決定有關表面形貌的資訊可包括接收一模型化干涉信號或基於一模型表面形貌的嚴格耦合波分析從模型化干涉信號被導出的資訊。
表面形貌可為一繞射結構。測試物體可包括一矽晶圓。測試物體可包括一平面顯示器的一組件。
通常，在另一方面，本發明之特點在於方法，其包括：導引一第一光束及一第二光束以照射在一測試物體上，第一及第二光束係從一共同光源被導出且具有正交的偏振態；當改變在第一及第二光束之間的一光程差時，使用一共同的檢測器檢測從測試物體反射的第一及第二光束；當改變在第一及第二光束之間的光程差時，獲得對應於在檢測的光束中之強度變化的一信號；及基於獲得的干涉信號決定有關測試物體的資訊。
方法的實施可包括一或多個下列特點及/或其他方面的特點。例如，第一及第二光束可沿著一共同路徑照射在測試物體上。
通常，在另外的方面，本發明之特點在於裝置，其包括：一顯微鏡，被配置以將光導向照射在一測試物體上，並將從測試物體反射的先導向一檢測器；及一偏振光程差掃描器，被配置以改變在由顯微鏡導向至檢測器的光之正交的偏振態間的一光程差(OPD)。
裝置的實施可包括一或多個下列特點及/或可被配置以實施本發明之其他方面的方法。在一些實施例中，裝置包括一電子處理器，被耦合至檢測器且被配置以回應於變化的OPD從檢測器接收一信號。電子處理器也可被耦合至偏振OPD掃描器且被配置以使OPD的變化與由檢測器獲得信號協調一致。電子處理器可被配置以基於信號決定有關測試物體的資訊。電子處理器可被配置以將信號轉換至一反向OPD領域且基於轉換的信號決定有關測試物體的資訊。電子處理器可被耦合至一電腦可讀媒體，其儲存與測試物體的模型表面形貌有關的一資訊庫，且電子處理器可被配置以將信號或從信號導出的資訊與資訊庫比較，以決定有關測試物體的資訊。
檢測器可為一像素化檢測器且各像素可被配置以在檢測光時產生一對應的信號。顯微鏡可包括一或多個光學組件，其被配置以將顯微鏡的光瞳面成像在檢測器上。一或多個光學組件可形成一伯特蘭(Bertrand)透鏡。顯微鏡可包括一或多個光學組件，其被配置以將測試物體成像在檢測器上。
顯微鏡可包括一物鏡且偏振OPD掃描器可被設置在物鏡及檢測器之間。顯微鏡可包括一檢偏器(例如，線性偏光器)，其將從在檢測器之前的測試物體反射的光偏振。
裝置可包括一光源，其被配置以將光導向至顯微鏡。偏振OPD掃描器可被設置在光源及顯微鏡之間的光的路徑中。光源可為一寬頻光源或一單色光源。光源可為一低同調光源。光源可為一點光源或一空間擴展光源。
偏振OPD掃描器可將光分開成二個不同的光束，各自具有一正交的偏振態(例如，正交的線性偏振態)，沿著不同的路徑將光束導向，在此，路徑中的至少一個係一可變的路徑。偏振OPD掃描器可為一機械光學偏振OPD掃描器。偏振OPD掃描器可為一電光偏振OPD掃描器。偏振OPD掃描器可為一磁光偏振OPD掃描器。
裝置可被安裝在晶圓或平面顯示器工廠中且被用以做為一計量工具以評估在微晶片或平面顯示器的生產中之不同步驟。
在其他的優點中，實施例相對於傳統的干涉顯微鏡可具有對振動之較低的敏感性。例如，在某些實施例中，因為二干涉光束均從物體表面反射，實施例對於振動可為低敏感性的(例如，第一階)。因此，當使用在將顯微鏡暴露於振動的環境中時，實施例可提供比傳統的干涉顯微鏡更準確的測量。另一個優點係傳統顯微鏡可被輕易地採用以能夠實施揭露的技術。例如，一偏振OPD掃描器可在光路徑的一可輕易存取的部分，諸如在光源及成像光學元件之間，被加入至一顯微鏡。
本發明之一或多個實施例的詳細說明被提出在附圖及下面的說明中。其他的特點及優點將經由說明、圖式、及申請專利範圍而明瞭。
參考第1圖，一系統100包括一顯微鏡101、一寬頻低同調光源110、一偏振光程差(OPD)掃描器130、及一電子控制器120(例如，一電腦)。顯微鏡101包括一物鏡170、一光源成像透鏡165、一分光器160、一伯特蘭透鏡150、及一照相機140(例如，包括一像素陣列的一數位相機)。一笛卡兒座標系統被提供做為參考。
在操作期間，來自光源110的光係經由透鏡112被導向至掃描器130，其改變在光的正交偏振態之間的OPD。一場光闌132，被設置於掃描器130和顯微鏡101之間，把光輸出掃描器130的光圈縮小，以提供一光束給顯微鏡101。
分光器160(一非偏振分光器)透過物鏡170將光導向至測試物體180。因此，測試物體180的一表面181被具有正交的線性偏振態的光照射。被測試物體180反射的光返回通過物鏡170，並且通過分光器160和伯特蘭透鏡150被傳送到照相機140。顯微鏡101也包括偏振混合器145(例如，一檢偏器)，其被配置以將提供一偏振的混合光束給照相機140之正交偏振態取樣。例如，偏振混合器145可包括一檢偏器，其具有相對於從測試表面181反射的光之正交偏振態定向於45°的傳輸軸。
如說明，伯特蘭透鏡150包括一第一透鏡152和一第二透鏡154，且被配置以將物鏡170的一光瞳面151成像到照相機140上。照相機140和偏振OPD掃描器130被連接至電子控制器120。當電子控制器120記錄照相機強度資料時，偏振OPD掃描器130在從光源110發出的光之正交的偏振態間引進光學路徑中的變化。因為在光瞳面中的各點表示對於表面181上的入射光之一特定入射角和一特定偏振定向，對於各個照相機像素，經由偏振的干涉，偏振掃描對於入射角及入射偏振的一特定結合產生包含有關表面181的反射特性之資訊的信號。
物鏡170可為一高數值孔徑(NA)的物鏡。例如，物鏡170可具有大約0.4或更大(例如，0.5或更大、0.7或更大)的NA。在一些實施例中，物鏡170可具有1或更大的NA(例如，物鏡170可與浸液結合被使用以將NA增加超過1)。
不希望受理論約束，一給定像素之導致的信號可被數學地表示為
其中
並且
這裡，Ω是在光瞳面中的方位角，且r p 和r s 係對應於入射角Φ之測試表面的s-和p-偏振反射率。角波數ω係干涉條紋經過的速率。例如，ω=v2 π/λ，其中，v 是OPD變化的速率且λ 是波長。
對於遵守正弦條件的成像系統，入射角Φ根據下式由光瞳面中的位置x ,y 而產生
其中，ρ是光瞳的最大半徑。對於一碳化矽表面之相位θ的變化及穿過光瞳面的平均強度I x +I y 分別被顯示於第2A圖和第2B圖。相位範圍是81度，且穿過光瞳的強度變化是50%。對於此資料而言，物鏡170的NA是0.8。
在獲得資料之後，信號可用許多方法處理以決定有關測試物體的資訊。在一些實施例中，信號的處理包括如上面討論般對於一些或所有信號將信號轉換到反向的尺寸。此種轉換可包括一信號的傅立葉轉換。因為例如在表面地形圖中的領域變化、光學系統參數及/或薄膜厚度，信號和轉換係各個像素不同。轉換可在頻域分析法(FDA)期間或者其擴展期間進行。例示的FDA方法被說明於美國專利第5398113號，名稱為”METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE TOPOGRAPHY MEASUREMENTS BY SPATIAL-FREQUENCY ANALYSIS OF INTERFEROGRAMS”和2003年3月8日申請的美國專利申請案序號10/795,808，名稱為”PROFILING COMPLEX SURFACE STRUCTURES USING HEIGHT SCANNING INTERFEROMETRY”，專利和專利申請案的內容在此被供做參考。不過，應理解處理一個信號不需要轉換。例如，即使沒有信號的轉換，一干涉波封的最大值可提供有關測試物體的資訊。
資料分析可包括將信號或從信號導出的資訊(例如，信號的頻譜)與對應於例如已知的表面結構(例如，模型化結構或其特徵已經由諸如掃描探針或電子顯微術之其他技術被決定的結構)之一預先存在的資料庫比較。例如，在此說明的系統可被用以決定有關測試物體之未光學地解析的表面形貌的資訊，諸如有關未光學地解析的光柵、貫孔、溝槽、或凸塊的資訊。
在上面討論之用於表面特徵化的傳統技術(例如，橢圓測量術和反射測量術)可被應用於資料。例如，經由將儲存於資料庫中之測量的資料與從光學結構的模型導出的對應函數之間的差異最小化，最佳化程序(例如，最小平方擬合)可被用以估計測試物體的形貌的未知結構參數。
雖然在系統100中的顯微鏡101係被配置以將光瞳面成像到照相機，其他的配置也是可能的。例如，在一些實施例中，顯微鏡可被配置以將測試表面181成像到照相機140上。例如，參閱第3圖，顯示以此方式被配置的系統200。特別，顯微鏡101包括一筒鏡250，其將測試表面181成像到照相機140上，而不包括一伯特蘭透鏡。在此，各照相機像素對應於在測試表面181上的一點。
對於各照相機像素，偏振OPD掃描產生一信號，其包含有關在物鏡之所有的照明角度積分的測試表面上的特定點之反射特性的資訊。從而，對於一特別的像素，
這導致做為時間的函數之強度，其係在測試物體表面上的各特定點的光學特性的特徵。進一步的細節可經由例如放置在光瞳面的孔徑而被選擇地收集，以便例如隔離光瞳的區域並且檢查光瞳的這些區域之積分的干涉如何在物體表面上隨位置而變化。例如，環形孔徑可被用以隔離在測試表面181之特定角度的入射。做為另一個例子，可使用偶極或四極孔徑。
在上述的系統中，OPD掃描器130被設置在光源110和顯微鏡101之間的光的路徑中。不過，其他的構造也是可能的。例如，參閱第6圖，一系統600可包括一偏振OPD掃描器630，其位於分光器160及物鏡170之間的光路徑中。在此配置中，光復行通過OPD掃描器，使得，至少對於某些光線，在正交的偏振態之間的光程差將大約是兩倍於設置在光單次通過掃描器處之對應的偏振OPD掃描器的數量。雖然此結構包括筒鏡250且被配置以將表面181成像在照相機140上，選擇地，顯微鏡可包括如系統100中所示之一伯特蘭透鏡，且可將光瞳面151成像到照相機140上。
在系統600中，偏振OPD掃描器130和偏振混合器645就被放在顯微目鏡之前。此方法的優點係裝置組件中的數個可在一表面分析子系統601中結合。例如，此子系統可被弄成與一傳統的顯微鏡或干涉顯微鏡平台相容，因此簡化說明的技術的實施。一顯微鏡的傳統目鏡可被替換成例如子系統。
對於系統600，在方位角Ω=0°,90°,180°,270°之x,y 偏振軸的最簡單的例子中，分析固定光瞳面成像係與方程式(1)相同。對其它的方位角，分析因為復行而可能更複雜，但是仍然提供有用的資訊。在成像的情況中，如第6圖所示，不同的調變係以類似方程式(6)的方式被整合。
不同的顯微鏡系統的示意圖被顯示於第7A-7C圖。特別，參閱第7A圖，在一些實施例中，一顯微鏡系統701包括一電子控制器710、一偏振OPD掃描器720、一空間擴展光源730、及一分光器740，其經由OPD掃描器從光源將光經由顯微物鏡750導向至一測試表面760。從測試表面760反射的光經由顯微物鏡750回到分光器740且經由表面成像透鏡790和偏振混合器780被導向照相機770。
選擇地，表面成像透鏡790可與一光瞳面(例如，伯特蘭)透鏡791交換。電子控制器710被耦接至偏振OPD掃描器720及照相機770並控制其操作。
參考第7B圖，另一顯微鏡系統702包括與顯微鏡系統701的其它組件結合的寬頻光源732及長掃描偏振OPD掃描器722。在此，"長掃描"意為包含大於光源的同調長度之長度的掃描。例如，典型的白光光源具有大約2至10微米的同調長度，且帶有對應於較寬的頻寬之較小的同調長度。因此，在一些實施例中，一長掃描可為在從大約2至10微米的範圍內。
參考第7C圖，一另外的顯微鏡系統703包括與顯微鏡系統701的其它組件結合的一光源734及一偏振OPD掃描器724。在此，掃描器724係被排列於在分光器740和物鏡750之間的光路徑中，而不是在光源和分光器740之間。
偏振OPD掃描器可被設置在如上所述的顯微鏡系統的其他位置。例如，在一些實施例中，偏振OPD掃描器可被設置在分光器740和照相機770之間。
通常，多種不同類型的光源可被用於光源110。例如，光源110可為一寬頻光源(例如，一寬頻LED光源、一螢光光源、一白熾光源、一電弧燈)或一單色光源(例如，雷射源，諸如一雷射二極體、或與一窄帶通濾光器結合使用的一寬頻光源)。舉例而言，寬頻光源可具有諸如一波長頻譜，其具有至少6nm、至少12.25nm、至少25nm、至少50nm、至少100nm、或至少150nm的半高全寬(FWHM)。
光源110可為一空間擴展光源或點光源。在某些實施例中，例如，使用光瞳面或測試表面的成像，光源110可為光譜上寬頻，並且可同時以至少兩個波長照射測試表面。在此情況中，偏振OPD掃描產生類似於第4圖顯示者的一調變信號，其繪示將被觀察到的一信號，具有以500nm的波長為中心之100nm寬的連續的寬頻頻譜。干涉效應的局部化係由下列事實導致，即不同的波長產生可只在兩個偏振態之間的零OPD的位置一致之重疊干涉信號。在第4圖中的信號的傅立葉轉換把信號分成其組成波長，使計算機可決定在二偏振態間的相對相位，以及對於二或更多波長的每一個之干涉信號貢獻的強度。第5圖顯示在第4圖中的信號的傅立葉變換的大小。標示K的空間頻率係線性地正比於光源頻譜的角波數k 。在此，k 0 ,=2 π/500nm。
現在移到偏振OPD掃描器130和630，通常，能夠相對於一正交偏振偏移一偏振態的任何設備可被使用。其包括兩個電光偏振OPD掃描器、磁光偏振OPD掃描器、及光學機械OPD掃描器。電光OPD掃描器和磁光偏振OPD掃描器分別經由電場及磁場改變從一偏振態至另一偏振態的OPD。
通常，它們包括一組件，其光學特性取決於電或磁場的存在而變化。組件包括液晶胞和電光晶體，例如，機械光學偏振移位器利用一移動組件改變在偏振態之間的OPD。參考第8圖，一OPD掃描器800包括一麥克森干涉儀。一偏振分光器810將進來的光分裂成具有正交偏振態的二光束，並且沿著不同的路徑導引二光束。在第8圖中，不同的路徑係分別表示為x偏振路程和y偏振路程。x偏振路程包括一反射鏡850，其相對於分光器810被固定。y偏振路程包括一反射鏡840，被耦接到致動器860(例如，PZT致動器)，其被配置以相對於分光器810掃描反射鏡840的位置。從反射鏡850及840反射的光被分光器810重新結合並且被導引離開OPD掃描器800。額外的光學組件可被包括以根據需要導引輸出光。也被包括在OPD掃描器800中的分別是透鏡822、824、826和828及四分之一波片812和814。例如，在與寬頻光源結合被使用處，四分之一波片812和814根據需要可為無色的四分之一波片。
參考第9圖，偏振OPD掃描器900的更進一步的例子包括一對偏振分光器950和940，其中，偏振分光器950被設置以從反射鏡910接收一輸入光束。分光器950沿著一固定路徑20將對應於進入的光之一偏振態的第一光束導向至偏振分光器940。固定的反射鏡920被設置在此光束的路徑中。
對應於正交偏振態的其它光束從另一致動器932反射並且經由偏振分光器940與第一光束結合以產生一輸出光束。反射鏡930被安裝在一致動器932上，其被配置以改變反射鏡930的位置，從而改變在分光器950和分光器940之間的第2光束的光程距離。
其他機械光學構造也是可能的。
通常，偏振OPD掃描器的掃描範圍可以變化。對於包含寬頻光源的實施例來說，掃描範圍至少應該包含光源的同調長度，例如對於典型的白色光源的數個微米。在一些實施例中，掃描範圍可在從大約1到100λ的範圍內，這裡λ是光源的代表波長(例如，峰值波長)。
通常，雖然顯微鏡系統和偏振OPD移位器的某些實施例已被說明，其他的實施例也是可能的。例如，一或多個額外的組件可被包括在說明的系統中。例如，顯微鏡及/或OPD移位器可包括額外的組件，諸如一或多個濾光器或者用於直接觀察測試物體的一接目鏡。
上述系統可被用於21種的應用。例如，系統可被用於測試物體180的表面結構的分析，包括薄膜厚度、材料指數和未光學地解析的表面結構。
可被分析的測試物體的類型包括半導體晶圓、MEMS裝置、光學組件、平板顯示器、以及一般的R&D和生產控制使用。
在其他應用中，技術可被應用在半導體製造中的程序控制。一個這種例子是關鍵尺寸(CD)的在製程中的監控，其對於微米和奈米大小的很多高科技組件是重要的。例子包括半導體IC製程，諸如電晶體和邏輯創造，以及銅鑲嵌連接。廣義地定義，CD包括橫向尺寸、蝕刻深度、薄膜厚度、步階高度、側壁角度和影響半導體裝置的效能之相關的物理尺寸。CD計量學提供在製造的過程中發生的製程控制和缺陷檢測，特別是由於諸如蝕刻、研磨、清潔和圖案化的製程。另外，CD計量學所必需的基本測量能力具有在半導體IC製造(包括例如顯示器、奈米結構和繞射光學元件)之外的寬廣應用。
更一般地，如上所述的技術可被用於任何下列的表面分析問題：簡單的薄膜；多層薄膜；繞射或以其他方式產生複雜的干涉效應之銳角部及表面形貌；不解析的表面粗糙；未解析的表面形貌，例如，在一不這樣光滑的表面上之次波長寬度的溝槽；不同的材料；表面之偏振依存的特性；導致干涉現象之入射角依存的擾動之表面或變形表面形貌的撓曲、振動或移動。對於簡單的薄膜的情況來說，所關心的可變參數可為薄膜厚度、薄膜的折射率、基板的折射率、或一些其結合。對於不同材料的情況來說，例如，表面可包括薄膜和一固態金屬的結合，且一適當數量之角度依存的表面特性將被產生至一理論推估的資料庫，其可包括兩表面結構類型以經由匹配至對應的干涉強度信號而自動地辨識薄膜或固態金屬。
上述的任何計算機分析方法可用硬體或軟體或兩者的結合被實現。方法可用電腦程式被實施，其使用遵循在此說明的方法和特點之標準編程技術。程式碼被應用於輸入資料以執行在此說明的功能並且產生輸出資訊。輸出資訊被應用於一或多個輸出裝置，諸如一顯示監視器。各程式可用高階程序或物件導向編程語言被實施以與一電腦系統通訊。不過，若想要，程式可用組合或機器語言被實施。無論如何，語言可為編譯或直譯式語言。而且，程式可在為該目的被預先編程之專用的積體電路上執行。
各個此種電腦程式最好被儲存在儲存媒體或裝置上(例如，ROM或磁碟)，其可被一般或特殊用途之可編程電腦讀取，用於在儲存媒體或裝置被電腦讀取時配置並操作電腦以執行在此說明的程序。電腦程式也可在程式執行期間常駐在快取或主記憶體中。分析方法也可被實施為電腦可讀取的存儲媒體，其配置有一電腦程式，這裡，如此配置的儲存媒體使得一電腦以一特定及預先定義的方式操作以實行在此說明的功能。
因此，其他實施例係位於下列申請專利範圍內。
20．．．固定路徑
100、200、600．．．系統
101．．．顯微鏡
110．．．寬頻低同調光源
112．．．透鏡
120、710．．．電子控制器
130、630、720、724、900．．．偏振OPD掃描器
132．．．場光闌
140、770．．．照相機
145．．．偏振混合器
150．．．伯特蘭透鏡
151．．．光瞳面
152．．．第一透鏡
154．．．第二透鏡
160、740．．．分光器
165．．．光源成像透鏡
170．．．物鏡
180．．．測試物體
181、760．．．測試表面
250．．．筒鏡
601．．．表面分析子系統
645、780．．．偏振混合器
701、702、703．．．顯微鏡系統
722．．．長掃描偏振OPD掃描器
730．．．空間擴展光源
732．．．寬頻光源
734．．．光源
750．．．顯微物鏡
790．．．表面成像透鏡
791．．．光瞳面透鏡
800．．．OPD掃描器
810、950、940．．．偏振分光器
812、814．．．四分之一波片
822、824、826、828．．．透鏡
840、850、910、920、930．．．反射鏡
860、932．．．致動器
第1圖係干涉系統的一實施例的圖式。
第2A圖及第2B圖分別係在干涉系統的一例子中穿過一光瞳面的模型化相位及強度的圖表。
第3圖係干涉系統的一實施例的圖式。
第4圖係採用一寬頻照明，對於當在一偏振OPD掃描期間混合二正交偏振態時產生的單一像素之一例示的干涉信號的標繪圖。
第5圖係顯示圖4所示的信號之傅立葉轉換的標繪圖。
第6圖係干涉系統的一實施例的圖式。
第7A-7C圖係顯示干涉系統的實施例的示意圖。
第8圖係機械光學偏振OPD移位器的一實施例。
第9圖係機械光學偏振OPD移位器的一實施例。
在不同圖式中的同樣的參考符號標示同樣的元件。
101．．．顯微鏡
110．．．寬頻低同調光源
112．．．透鏡
120．．．電子控制器
130．．．偏振OPD掃描器
132．．．場光闌
140．．．照相機
145．．．偏振混合器
150．．．伯特蘭透鏡
151．．．光瞳面
152．．．第一透鏡
154．．．第二透鏡
160．．．分光器
165．．．光源成像透鏡
170．．．物鏡
180．．．測試物體
181．．．測試表面

Claims (48)

  1. 一種方法，包括：使用一顯微鏡以將光導向一測試物體，並將從測試物體反射的光導向一檢測器，在該處光包括具有正交偏振態的分量；改變在光的分量之間的光程差(OPD)；在改變分量間的OPD時，從檢測器獲得一干涉信號；及基於獲得的干涉信號，決定有關測試物體的資訊；其中，決定資訊包括將信號轉換至一反向OPD領域。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，信號係使用傅立葉轉換被轉換。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，當改變偏振態間的OPD時，獲得多種信號，各信號對應於檢測器的一不同的檢測器元件。
  4. 如申請專利範圍第3項的方法，其中，有關測試物體的資訊係基於多種獲得的信號被決定。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，顯微鏡被配置以將測試物體成像至檢測器上。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，顯微鏡被配置以將顯微鏡的一光瞳面成像至檢測器上。
  7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，OPD係被改變一數量，其大於提供光的光源之同調長度。
  8. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，改變具有正 交偏振態的分量間的OPD包括沿著不同的路徑導引分量，且當分量係位於不同路徑上時改變至少一分量的光程。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，分量係在光從測試物體反射之前沿著不同的路徑被導引。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中，分量係在光從測試物體反射之前沿著相同的路徑被重新結合。
  11. 如申請專利範圍第9項的方法，其中，分量係在光從測試物體反射之後沿著相同的路徑被重新結合。
  12. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，分量係在光從測試物體反射之後沿著不同的路徑被導引。
  13. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，光係由一低同調光源提供。
  14. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，光係寬頻光。
  15. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，光係單色光。
  16. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，光係由一點光源提供。
  17. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，光係由一空間擴展光源提供。
  18. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，測試物體包括一表面形貌，其係未由顯微鏡光學解析，且決定有關測試物體的資訊包括決定有關未光學解析的表面形貌的資訊。
  19. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，有關未光學解析的表面形貌的資訊包括表面形貌的高度輪廓、表面形貌的蝕刻深度、表面形貌的步階高度、表面形貌的側壁角度、表面形貌的間距、或表面形貌的線寬。
  20. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，決定有關表面形貌的資訊包括將信號或從信號被導出的資訊與跟一組表面形貌模型相關聯的一組模型化信號或是從與該組表面形貌模型相關聯的該組模型化信號被導出的資訊比較。
  21. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，決定有關表面形貌的資訊包括接收一模型化信號或基於一模型表面形貌的嚴格耦合波分析從模型化信號被導出的資訊。
  22. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，表面形貌係一繞射結構。
  23. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，測試物體包括一矽晶圓。
  24. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，測試物體包括一平面顯示器的一組件。
  25. 一種方法，包括：導引一第一光束及一第二光束以照射在一測試物體上，第一及第二光束係從一共同光源被導出且具有正交的偏振態；當改變在第一及第二光束之間的一光程差(OPD)時，使用一共同的檢測器在第一及第二光束從測試物體反射之後檢測第一及第二光束； 當改變在第一及第二光束之間的OPD時，獲得對應於在檢測的光束中之強度變化的一干涉信號；及基於獲得的信號決定有關測試物體的資訊。
  26. 如申請專利範圍第25項的方法，其中，第一及第二光束沿著一共同的路徑照射在測試物體上。
  27. 一種裝置，包括：一光源；一顯微鏡，被排列以將來自光源的光以照射在一測試物體上，並將從測試物體反射的光導向一檢測器，在該處光包括具有正交偏振態的分量；及一偏振光程差(OPD)掃描器，被配置以改變在光的分量間的一OPD。
  28. 如申請專利範圍第27項的裝置，更包括一電子處理器，被耦合至檢測器且被配置以回應於變化的OPD從檢測器接收一信號。
  29. 如申請專利範圍第28項的裝置，其中，電子處理器也被耦合至偏振OPD掃描器且被配置以使OPD的變化與由檢測器獲得信號協調一致。
  30. 如申請專利範圍第28項的裝置，其中，電子處理器被編程以基於信號決定有關測試物體的資訊。
  31. 如申請專利範圍第30項的裝置，其中，電子處理器被編程以將信號轉換至一反向OPD領域且基於轉換的信號決定有關測試物體的資訊。
  32. 如申請專利範圍第28項的裝置，其中，電子處理 器被耦合至一電腦可讀媒體，其儲存與測試物體的模型表面形貌有關的一資訊庫，且電子處理器被編程以將信號或從信號導出的資訊與資訊庫比較，以決定有關測試物體的資訊。
  33. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，檢測器係一像素化檢測器且各像素被配置以在檢測光時產生一對應的信號。
  34. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，顯微鏡包括一或多個光學組件，其被配置以將顯微鏡的光瞳面成像在檢測器上。
  35. 如申請專利範圍第34項的裝置，其中，一或多個光學組件形成一伯特蘭透鏡。
  36. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，顯微鏡包括一或多個光學組件，其被配置以將測試物體成像在檢測器上。
  37. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，顯微鏡包括一物鏡且偏振OPD掃描器被設置在物鏡及檢測器之間。
  38. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，顯微鏡包括一檢偏器，其將從檢測器之前的測試物體反射的光偏振。
  39. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，偏振OPD掃描器被設置在光源及顯微鏡之間的光的路徑中。
  40. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，光源係一寬頻光源。
  41. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，光源係一 低同調光源。
  42. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，光源係一單色光源。
  43. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，光源係一點光源。
  44. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，光源係一擴展光源。
  45. 如申請專利範圍第27項的裝置，其中，偏振OPD掃描器包括一分光器，其將光的分量分開成二個不同的光束，各自對應於一分量。
  46. 如申請專利範圍第45項的裝置，其中，偏振OPD掃描器包括光學組件，其在重新組合光束之前沿著不同的路徑導引二個不同的光束。
  47. 如申請專利範圍第46項的裝置，其中，偏振OPD掃描包括一可調整的組件，其被配置以改變路徑中的至少一個的光程長度。
  48. 如申請專利範圍第47項的裝置，其中，可調整的組件係一機械光學組件、一電光組件、或一磁光組件。
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