CN114616437A - 用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置和方法 - Google Patents

用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114616437A
CN114616437A CN202080075406.XA CN202080075406A CN114616437A CN 114616437 A CN114616437 A CN 114616437A CN 202080075406 A CN202080075406 A CN 202080075406A CN 114616437 A CN114616437 A CN 114616437A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
measurement
light
interferometric
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080075406.XA
Other languages
English (en)
Inventor
贝恩德·斯罗卡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sente Electronic Measurement Co ltd
Original Assignee
Sente Electronic Measurement Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sente Electronic Measurement Co ltd filed Critical Sente Electronic Measurement Co ltd
Publication of CN114616437A publication Critical patent/CN114616437A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/0207—Error reduction by correction of the measurement signal based on independently determined error sources, e.g. using a reference interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0641—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of polarization
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于对具有未知材料的平的物体(20)的物体表面(40)进行轮廓测量的方法和装置(2)，该装置包括：光学干涉测量***(4)；椭圆偏振测量***(5)；用于将光源(111)的光束***成干涉测量光束(410)和椭圆偏振光束(420)的分光器(82)；和评估单元，评估单元被构造成，由在干涉测量***的检测器单元(250)中评估的评估光束(490)和在椭圆偏振传感器(220)中接收的传感器光束(520)查明物体表面(40)上的测量区域中的轮廓高度。干涉测量***(4)包括分束器(91)、参考镜(60)和检测器单元(250)。椭圆偏振测量***(5)包括：用于偏振椭圆偏振光束(420)并且将该椭圆偏振光束传递到物体表面(40)上的测量区域上的偏振器(190)；以及具有偏振滤光器的椭圆偏振传感器(220)，以确定所接收的传感器光束的偏振状态。

Description

用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置以及一种相应的方法。该装置包括基于干涉式测量的光学测量***。
背景技术
在许多行业中，平面产品的表面轮廓利用光学成像方法进行测量。在半导体工业中，这些平面产品尤其是晶圆。晶圆是由半导体材料、玻璃材料或陶瓷材料制成的切片。在某些的应用中，通常对晶圆的整个表面或至少大部分表面进行检查。在晶圆上制造电路“芯片”，这些电路“芯片”随后在计算技术、传感器技术、控制和监测的电子设备中实现多种目的。在芯片的生产过程中，为了进行质量控制，需要执行多种测量任务。例如在多次要执行的CMP步骤(CMP＝化学机械抛光)之后对芯片表面的平整度进行必要的测量。实施这些步骤，以对于后续的工艺步骤而言再次具有平坦的加工面。为此，在目前的结构宽度中，平整度要求在几nm至100nm的范围内。通常，出现的缺陷图像具有几μm至几mm的横向延展。
需在其他的工艺步骤中完成类似的轮廓测量任务。因此，目前例如正在开发将多个芯片堆叠起来形成复合体的方法。在此，应该几乎完全放弃使用突起的接触结构。这些方法被研究用于在晶圆复合体中的集成以及用于分别放置在仍处于晶圆复合体中的芯片上的各个芯片。为此，也需要精确和快速的轮廓测量，以确保在低纳米范围内对表面平面性的高要求。这些方法的接触结构的典型尺寸为几μm范围内的直径和几nm至几十nm的轮廓高度。
对于示例性提到的和类似的任务而言，需要快速且精确的测量方法，该测量方法能够实现高度轮廓的准确的且尽可能快速的测量。在此，特殊的挑战在于，待测量的表面由频繁变化的材料构成并且还可能覆盖有一个或多个透明的层。然而，轮廓测量应该精确地反映整个材料复合体的表面，而不应该由于材料或层***出错。对于其他结构而言且在其他行业中也必须解决类似的任务。
所有这些应用的共同之处在于，需要对非常平的物体的表面轮廓进行准确地检查，而不会由于位于其下的材料组合出错，并且需要高的测量速度。这种物体是晶圆、显示器等。此外，这些应用的共同之处在于，通常无法以足够的精确度获知位于其下的材料组合和层结构的厚度。这些应用的共同之处还在于使用用于产生被探测的结构的轮廓数据和/或高度数据的传感器。
传统的高度测量方法使用点式传感器、行式传感器或面式传感器。基于诸如偏转测量法的面式传感器或白光干涉仪的优点是能够将一个表面整体地感测。在偏转测量法中，要测量的表面被用作镜子，通过它可以观察到一个有规律结构化的光源。物体的高度变化反映在该镜像的失真中，并可从中提取。在白光干涉法中，必须在与物体或干涉仪镜子的不同距离上进行一系列记录。在这种情况下，从系列内的每个记录点的信号曲线中查明在该点处的相应的轮廓高度。行式传感器使用例如三角测量、立体测量或彩色共焦成像。所有这些方法的共同之处在于，这些光学方法的所使用的信号受到材料以及可能存在的透明层的影响。如果没有对位于其下的材料组合和层结构的厚度的精确了解，就不可能例如以校正所记录的测量值的形式对材料组合和层结构的厚度进行足够精确的考虑。这种了解通常是不存在的。现有技术是用薄金属层覆盖关键的表面并在其上进行轮廓测量。用能够解决测量任务的非破坏性方法取代这种被归类为破坏性的方法是非常令人感兴趣的。
US 6,856,384 B1提出，为了改进干涉测量，借助事后执行的椭圆偏振测量(Ellipsometriemessung)来确定校正因子。在此，执行多次椭圆偏振测量，其仅须测定表面上的与干涉测量相同的测量区域。这种组合是有利的，因为测量***的一些部件可以用于两种测量。但是，US 6,856,384 B1的光学测量***的前提是，待检测的表面梯级
Figure BDA0003618124680000021
的材料是已知的，在成分、厚度和平整度方面是相同的并且可以被建模。此外，在可接受的测量时间内仅能够确定单独的梯级高度，因为测量***局限于点式传感器。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种改进的装置和一种改进的方法，利用该装置和方法，即使当物体在其表面上具有不同的材料时，平的物体的表面轮廓的测量也提供可靠和精确的结果。尤其地，应该能够在较短的时间内以高精度进行测量，而不会由于位于表面下方的结构和层而出错。
本发明的目的通过具有权利要求1的特征的、用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置得以实现。该目的还通过具有权利要求2的特征的***以及通过具有权利要求18的特征的方法得以实现。
根据本发明，该目的通过一种用于对具有未知材料的物体进行轮廓测量的装置得以实现，该装置除了光学干涉测量***之外还包括椭圆偏振测量***、分光器和评估单元。干涉测量***和椭圆偏振测量***在时间上并行地工作，使得评估单元可以同时处理两个测量***的传感器数据。
分光器将光源的光束***成干涉测量光束和椭圆偏振光束。干涉测量光束被引向光学干涉测量***，而椭圆偏振光束同时被引向椭圆偏振测量***。
在此，光学干涉测量***具有分束器，其将光源的干涉测量光束分束为参考光束和测量光束。参考光束在***的镜子(参考镜)处被反射并且作为镜子光束被引导返回至分束器。测量光束被引导到待测量的物体的物体表面上的测量区域上并且在该处被反射。在反射之后，测量光束作为物体光束被引导返回至分束器并且在此与镜子光束干涉成评估光束，该评估光束被供应至干涉测量***的检测器单元。检测器单元被配置成接收和评估评估光束。由两个光束的所产生的干涉测量的叠加和所产生的干涉信号强度可以推断出表面的轮廓高度。
然而，该值由于物体的不同材料而出错。为了校正这些干涉信号强度，使用借助椭圆偏振测量获得的参数。
已经证明有利的是，一次椭圆偏振测量足以查明校正因子。因此，每次干涉测量仅执行一次附加的椭圆偏振测量。
根据本发明的装置和相应的***被配置和构造为，当物体具有未知的材料和/或层结构时，查明物体及其结构的表面和轮廓。物体的材料和层不必是均匀的。
用于校正的椭圆偏振测量***包括用于偏振椭圆偏振光束并且用于将其传递到待测量的物体的物体表面上的测量区域上的偏振器。椭圆偏振传感器具有偏振滤光器，使得可以查明所接收的光束的偏振。因此可以分析传感器光束的偏振状态。在此，椭圆偏振光束在穿过偏振器之后被偏振地引导到物体表面上的测量区域上，并且在测量区域处反射之后作为传感器光束被转向至椭圆偏振传感器，使得该椭圆偏振光束在借助偏振滤光器滤光之后撞击偏振传感器。
现在在评估单元中分析由椭圆偏振传感器接收的传感器光束。从分析结果中查明可以用于校正干涉测量的测量结果的参数。优选地，被称为椭圆偏振数据(Ellipsometriedaten)的参数是下述值，其反映物体的测量区域中的待测量的材料组合的有效折射率和有效吸收系数。借助该椭圆偏振数据，在干涉测量***中测量的强度被校正成，使得可以推断出测量区域中的物体表面的实际轮廓高度并且可以计算该轮廓高度。因此，可以校正物体表面的不同材料的影响。
有利地，本发明能够通过同时测量干涉式测量信号和椭圆偏振信号来测量在未知材料或具有局部变化的材料的样品上的表面结构及其轮廓，而不破坏或改变材料样品，无需对待测量的层***明确地建模。目前，实践是为样品设有恒定厚度的金属层。由此，虽然得到的表面结构具有一致的材料，但该表面结构等同于没有施加层的表面结构。然而，所探测的样品在施加金属之后不再能使用。通过本发明消除了现有技术的这种缺点，因为不会破坏或改变待探测的物体。
因此，使用附加的椭圆偏振测量并考虑可测量的偏振效果能够排除由局部材料差异引起的相移。在此使用由椭圆偏振测量查明的校正参数。
本发明的目的还通过一种用于对物体表面进行轮廓测量的***得以实现，该***包括：上述装置；用于产生单色光束的光源；以及用于在装置与待测量的物体之间实施相对移动的移动单元。
因为不仅要观察待测量的物体上的测量点或测量区域，还必须在物体和测量装置之间进行相对移动。优选地可以通过测量装置的移动来实现待测量的物体和测量装置之间的相对移动。在此，待测量的物体可以卡固在其位置中。替选地或附加地，待测量的物体也可以相对于测量装置移动。例如，为此可以将物体保持在滑座上，该滑座由驱动单元以希望的方式和方法移动。通常，在一个维度上的平移运动是有利的。如果测量物体和装置都实施成可移动的，则测量区域可以在物体表面上移动，从而例如可以自动化地测量整个晶圆。由此可以使根据本发明的测量方法自动化，如下面描述的那样。
在优选的实施方式中，滑座可以包括用于接纳物体的保持件，其中由移动单元移动保持件。例如可能的是，保持件或滑座以前后运动的方式移动，而装置在与此垂直的移动方向上移动。
根据本发明的用于感测具有未知材料的物体的物体表面并且用于测量表面轮廓的方法使用干涉测量和同时执行的椭圆偏振测量。由光源发出的单色光束朝向光学装置的方向发出并且借助分光器被***成干涉测量光束和椭圆偏振光束。优选地，被***的光束可以彼此垂直。干涉测量光束用于执行干涉式测量，在干涉式测量时干涉测量光束被引导到待测定的物体表面的测量区域处。在干涉式测量时，可以通过对评估信号进行评估或测量干涉图案的光强度将干涉测量光束分束为测量光束和参考光束，该测量光束和参考光束在测量区域或镜子处反射之后彼此干涉并且到达检测器单元。
被***的椭圆偏振光束用于在物体表面的测量区域处执行椭圆偏振测量，其中优选地使用光学干涉测量***。为了改进测量结果，可选地并且优选地使用光源的监控信号，以便确定光源的输出强度并且将其用于由椭圆偏振测量查明校正参数。在考虑光源的输出强度的情况下，由椭圆偏振测量的结果计算校正参数。这些校正参数优选地包括物体在所观察的测量点或测量区域处的有效折射率和有效吸收系数。也可以在不考虑输出强度的情况下查明校正参数。
根据本发明的方法的其他步骤规定，借助来自椭圆偏振测量的校正参数来校正利用干涉测量查明的测量值。由校正的干涉测量值和校正参数来确定物体表面处的测量区域的轮廓高度。因此，可以确定物体的未知材料的表面处的轮廓高度。通过校正参数来校正干涉测量的可能的出错。
通过使用椭圆偏振测量，不需要提供整个样品、即待测量的物体的模型。仅能测量未知材料的表面的全部有效效应就足够了。这些有效的光学效应用于补偿基于不同材料特性的干涉式测量信号的效果并且因此能够推断出在测量区域中的表面的实际高度。
在本发明的优选的实施方式中，分束器和/或分光器可以设计成半透射镜。由此可能的是，实现光束、例如干涉测量光束和椭圆偏振光束的简单的分束。在镜子布置成45°的情况下，分束的两个光束彼此之间可以具有90°的角度。
在其他的优选的实施方式中，在装置的光路中，在待测量的物体的物体表面上的测量区域之前设有透镜。物体使光束转向成，使得偏振的椭圆偏振光束以预定的角度撞击到物体表面上的测量区域上并且被反射。干涉测量的测量光束优选地以直角(或近似直角)撞击到物体表面上的测量区域上，并且同样地再次被物体垂直地反射。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，椭圆偏振测量***在椭圆偏振光束的光路中包括镜子，该镜子布置成，使得椭圆偏振光束在其到达待测量的物体之前垂直地落到偏振器上。透镜优选地布置在偏振器和物体之间。
优选地，根据本发明的装置在光路中在干涉测量***的检测器单元之前包括镜筒光学器件，其将评估光束聚焦成，使得焦点位于检测器单元或检测器单元的传感器表面上。优选地，替选地或附加地，可以在椭圆偏振测量***的光路中在椭圆偏振传感器之前设有镜筒光学器件，其将传感器光束聚焦在椭圆偏振传感器上，即，传感器光束被聚焦成，使得焦点位于椭圆偏振传感器的传感器表面上。
在优选的实施方式中，根据本发明的***的光源是激光器。激光特别适合于执行干涉测量和椭圆偏振测量，因为它提供单色光。光的波长是足够恒定的并且可以精确地限定。
根据本发明的***的光源优选地包括监控二极管，借助该监控二极管确定和监测光源的输出强度。以这种方式，可以明确地确定，光源的光以何种强度入射到根据本发明的装置中，使得光强度能够用于测量和评估、尤其是椭圆偏振测量***中的评估。
在该***的优选的实施方式中设有多个光源，每个光源都用于产生单色光束。特别优选地，各个光源的光束具有不同的波长，其中非常优选地，没有一个光束的波长是另外的光束的波长的整数倍。在该***的特别优选的实施方式中，光束在光束整形光学器件中被聚束。优选地，光束整形光学器件在光路中布置在分光器之前。
在使用多个光源时，椭圆偏振测量***优选地包括多个具有偏振滤光器的椭圆偏振传感器，该椭圆偏振传感器用于分析所接收的传感器光束的偏振状态。特别优选地，针对现有的光束的每个使用的波长设有椭圆偏振传感器。因此，通常针对每个光源使用椭圆偏振传感器。
在使用多个椭圆偏振传感器时，在根据本发明的装置中优选地设有光学分离元件。光学分离元件根据现有的所有光束的波长以波长特定的方式分离传感器光束。以这种方式可以将各个波长的部分分离出来。优选地，分离元件在光路中设置成，实现了传感器光束在其之前撞击椭圆偏振传感器的布置。
在特别优选的实施方式中，光学分离元件设计成二色镜。该二色镜能以简单的方式实现特定波长的精确分离或特定波长的光束的精确分离。如果使用多于两个的具有不同波长的光源，则优选地设置多个分离元件的串联，以便使一个波长的多个光束解耦。
在优选的实施方式中，装置包括行式传感器，其优选地既在干涉测量***中也在椭圆偏振测量***中使用。优选地使用行扫描相机或多通道行扫描相机。使用具有多像素的行能实现并行测量并且显著提高装置的测量速度。
优选地，例如可以使用四通道行扫描相机，以便尤其在使用四个偏振滤光器时能实现对四个偏振状态的同时测量。
在优选的实施方式中，根据本发明的装置的检测器单元包括时间延迟积分相机。非常优选地，检测器单元包括彩色时间延迟积分相机。在特别优选的实施方式中，使用多通道行扫描相机。非常优选地将它们实施成时间延迟积分多通道行扫描相机。
该装置的其他优选的实施方式规定，将椭圆偏振传感器设计成时间延迟积分相机(TDI相机)。优选地使用行扫描相机、非常优选地使用TDI行扫描相机、特别优选地使用多通道TDI行扫描相机。在特别优选的变型方案中，椭圆偏振测量***包括四通道TDI行扫描相机，其特别优选地具有四个偏振滤光器。通过使用四个偏振滤光器，可以明确地查明光束的偏振状态，从而只需一次椭圆偏振测量就可以明确地说明测量的光束的偏振状态。
因此，根据本发明，提出的目的可以通过实施不同的方法步骤得以实现，该方法步骤在此作为优选的变型方案再次列出。步骤为：
a)用至少一个单色波长的、例如一个照明组件或光源的光连续地照明物体；
b)在组合的椭圆偏振测量***/干涉测量***与物体之间优选地连续地且无中断地执行相对移动；
c)将光束***成，使得用于椭圆偏振法的照明部分(椭圆偏振光束)以一定角度撞击物体的表面并且被线性地偏振；
d)将用于干涉法的照明部分(干涉测量光束)转向成，使得该照明部分优选地至少几乎以直角撞击该表面；
e)利用椭圆偏振测量***的传感器记录光束的至少四个偏振方向的信号强度；
f)利用干涉测量***的传感器记录通过表面轮廓对其强度进行调制的信号强度；
g)由椭圆偏振数据查明在每个测量点处刚刚测量的材料组合的有效折射率和有效吸收系数的值；
h)鉴于在每个测量点处刚刚测量的材料组合的影响，借助查明的有效折射率和消光系数，校正利用干涉测量***的传感器测量的强度；和
i)由校正的干涉信号强度计算物体的轮廓高度。
在这种布置中，行式传感器优选地用于干涉测量。由此可以连续地测量物体的宽的条。优选地，本发明的主要内容是校正待测量的物体的不同的表面材料的影响。对于许多可能的应用而言，所用光的半波长的高度测量范围就足够了。对于更大的工作范围，可以同时使用多个波长。该方法的基本构思在专利申请EP19188318中公开。在实施例中阐述了细节。
由通过干涉法调制的信号的强度测量，可以以非常高的分辨率清楚地查明距测量物体的距离。然而，这仅适用于测量物体的表面100％地反射所使用的光或者已知具有相应的精度的反射率和可能的相移的情况。本发明所基于的知识是，反射的光的相移由于在层界面处反射的光分量彼此间的干涉以及与在表面处反射的光的干涉而产生。因为在层厚度中且有时也在材料中的偏差通常与待测量的表面的变化处于相同的量级，所以在此不能计算针对层***的标称值。此外，对于非常薄的层，除了层厚度的不确定性之外，光学材料参数也不是充分已知的。针对其厚度低于激子半径的层(对于Si而言例如约20nm)，由于量子限制效果，参数明显偏离已知的体积值。
在本发明的范围内认识到，仅由测量信号本身(例如由白光干涉仪的干涉图的细节)查明层结构非常受限并且仅对于非常简单的层结构而言是可能的。由此产生很大的不精确性。另一方面已经认识到，对于表面轮廓测量而言，对层结构不是很关注。更确切地说，已知或查明层堆叠或材料总体上对干涉法的有效影响就足够了。
本发明还基于以下认识，即任意层***的吸收特性和反射特性可以明确地概括为有效折射率neff和有效消光系数keff。在确切地知道光学参数、即折射率和吸收系数和***中的层厚度时，可以在使用从文献中充分已知的菲涅耳公式和转移矩阵模型(Transfer-Matrix-Formalismus)的情况下清楚地查明有效折射率neff和有效消光系数keff。两个参数neff和keff完全描述了表面处的反射，只要样品由均匀的材料构成或者最上层吸收如此多的入射光，使得在位于其下的界面处的反射对测量信号没有明显的影响。
在存在至少部分透明的层时，为了描述有效的替代***，附加地需要有效的层厚度deff和通过特定的折射率nsubst和消光系数ksubst描述的基底。已经认识到，这对于表示反射光波的由干涉效果产生的相位偏移而言是必要的。因此，对于由待探测的样品反射的光波的完整的描述而言需要并且足够的是，假设三层***(环境、有效层和基底)并且用相应的参数neff、keff、deff、nsubst和ksubst来表征该三层***。对于环境而言，在不限制通用性的情况下，在下文中假设空气，其中n＝1并且k＝0。
对于待执行的轮廓测量而言，可以假定具有其参数nsubst和ksubst的基底材料是已知的。因此，必须确定折射率、消光系数和基底厚度的有效参数neff、keff和deff，以便在没有对层***的详细了解的情况下精确地校正来自干涉测量的干涉测量值，并且因此查明待测量的物体的表面与传感器之间的查找的实际距离。
本发明的一个方面优选地在于，通过除了记录干涉式测量信号之外的附加的测量来查明参数neff、keff和deff。这可以以有利的方式通过并行实施的椭圆偏振测量得以实现。椭圆偏振法对以限定的偏振状态到达样品的光束的偏振的变化进行测量。对于均匀的材料而言，使用借助偏振椭圆进行表示是足够的。在此通过偏振椭圆(参见图2)示出偏振变化。椭圆的位置和形状在椭圆偏振测量中确定并且通过值Ψ和Δ进行描述。在这种情况下，与复反射系数ρ的关系为：
ρ＝tan(ψ)eiΔ (1)
可以直接由ρ计算复介电常数ε。
Figure BDA0003618124680000101
在此，φi表示在测量点中相对于物体表面(也称为样品表面)的法线测量的光束的入射角。相对介电常数通过以下公式与折射率n和消光系数k相关联：
(n+ik)2＝(ε′r+iε″r)μr (3)
对于n和k的非磁性材料(μr～1)，关系式如下：
Figure BDA0003618124680000111
Figure BDA0003618124680000112
这些基本关系原则上是本领域技术人员已知的，并且可以在多本教科书中详细阅读(例如椭圆偏振法操作手册，参见文献(2))。所示的关系适用于每个波长。
如果要考虑一个或多个透明层，如在半导体制造中用于半导体晶圆或其他晶圆时通常需要的那样，则一般的手段尚不充分。因此，根据本发明，使用在已知的基底上的有效的、所得到的层(通过neff、keff和deff描述)的所描述的手段。
此外，使用关于所使用的基底(通过其参数nsubst和ksubst描述)的知识。如果这些基底参数不是充分已知的，则优选地可以利用根据本发明的装置在基底暴露的合适位置(例如在晶圆的边缘处或在背面处)进行的预备测量中确定这些基底参数。此外，根据本发明利用如下事实，即，在使用已知的转移矩阵模型的情况下可以借助针对复折射率和层厚度的有效值来描述由基底和一个或多个材料层构成的***的光学响应，其作为三层***(基底、层、环境)的光学响应。
在下面的相互关系的数学表示中，为了较短的书写方式，三个层及其参数用索引0、1、2表示。也就是说，对于环境而言，n0＝1、k0＝0；对于替代层而言，n1、k1、d1对应于neff、keff、deff的组，并且对于基底而言，n2、k2分别代表nsubst和ksubst.。
因此，根据本发明，将所使用的单色光分束为两部分，其中一部分(干涉测量光束)用于干涉测量，而第二部分(椭圆偏振光束)用于要并行实施的椭圆偏振测量。对于要实施的椭圆偏振测量，利用入射光束的固定的入射角和确定的偏振方向的测量是足够的。为了明确地确定反射的光束的偏振状态，针对反射的光束的各自不同的偏振方向优选地需要四个光强度测量参量。
这里所示的方法首先仅针对单个检测器元件进行描述。可以理解的是，对于干涉法和椭圆偏振法两者而言有利的是，利用行扫描检测器工作来同时测量多个测量点。在此针对每个行元素(Zeilenelement)可以单独地实施四次椭圆偏振强度测量和干涉测量并且确定查找的参量。在图1中示例性地示出测量装置的一种可能的实现方案并且在下文对其进行进一步阐释。
下面，同样仅针对单个检测器元件并且针对用于测量的波长λ示出用于干涉式测量信号的校正以及随后由椭圆偏振法确定校正参数。为了以高速度和高精度实现轮廓测量，有利地使用根据TDI原理(时间延迟积分原理)工作的行扫描相机。对于椭圆偏振测量而言，优选地同样使用合适的TDI行扫描相机。它们具有四个TDI块，其分别具有用于入射光的四个不同的偏振滤光器。替选地，也可以使用相应的面扫描相机，其在传感器之前具有代替彩色拜耳模板滤光器的偏振滤光器组。同样可能的是，通过更换滤光器并依次进行测量，可以使用没有滤光器或只有一个偏振方向的滤光器的相机进行测量，尽管速度有相当大的损失。
可能的优选的改进方案是使用多个波长。这种优选的结构对于下述轮廓高度而言是有利的，即其高度范围超过所使用的光的半波长。在本发明的范围内已经认识到，使用多个波长对于更平的轮廓也是有利的，因为用于确定替代层的有效材料参数(neff和keff)和层厚度deff的椭圆偏振测量的次数必然相应地倍增。虽然为每个附加使用的光波长添加两个新的、待确定的、未知的材料参数(因为neff和keff与波长相关)，但是有效的层厚度对于所有波长而言是相同的。因此，改进了独立测量与未知参量的数量的比例，并且相应地有助于测量的稳健性。
在下文中，将更详细地阐释干涉测量校正，即利用由椭圆偏振测量获得的参数来校正干涉测量的测量值。
用于干涉法的光在物体表面处的反射产生在由实际反射系数R描述的被反射的振幅中的变化，以及光波的由相位偏移量
Figure BDA0003618124680000134
描述的相移。由于位于表面之下的界面处的干涉效果而发生相移。到达干涉测量检测器处的信号S可以表示为：
Figure BDA0003618124680000131
在此，q表示光源的强度；R表示测量物体的表面在波长λ时的实际反射系数；γ表示仪器常数，该仪器常数由检测器灵敏度和在光学器件处的吸收损失和反射损失得出；以及zr和zs表示干涉仪的分束器(分束镜)与参考镜(在该处反射参考光束的镜子)或测量物体表面之间的距离。
在使用替代(Substitutionen)的情况下：
Δz＝zr-zs (7)
查找的参量Δz(样品表面的轮廓关于分束镜和参考镜之间的固定的距离)可以表示为：
Figure BDA0003618124680000132
因此，除了测量的信号强度S之外，要由测量查明的参量是在测量物体表面处的实际反射系数R和可能存在的相移
Figure BDA0003618124680000135
下面将更详细地阐释由椭圆偏振测量查明校正参数。
为了能够将用于求解所谓的干涉公式(8)的反射表示为真实的反射振幅R和相移
Figure BDA0003618124680000136
应假设例如根据图3的模型层***，其具有在已知的基底L2(n2、k2或nsubst、ksubst)上的通过n1、k1描述的层L1和厚度d1(＝neff、keff、deff)。在该图中，在不限制通用性的情况下，将空气假设为环境(n0＝1并且k1＝0)。当然也可以使用具有相应参数的其他材料(以便可能利用浸没效果)，如水或油。
针对已经穿过层L1一次的波的光程差的相位因子β由下述公式得出：
Figure BDA0003618124680000133
其中n1*＝n1+i k1是L1的复折射率。
可以由斯涅尔折射定律计算环境/层L1和层L1/基底这两个界面处的折射角。利用
Figure BDA0003618124680000141
得出：
Figure BDA0003618124680000142
Figure BDA0003618124680000143
对于相位因子，在(9)中代入后得到
Figure BDA0003618124680000144
已知的菲涅耳公式适用于第一界面处的反射：
Figure BDA0003618124680000145
Figure BDA0003618124680000146
Figure BDA0003618124680000147
Figure BDA0003618124680000148
在此，索引s和p表示光波的电振幅的如下分量，该分量的偏振方向位于入射平面中(p＝平行)或垂直于入射平面(s＝垂直)，如在图4中用索引标记π和σ示出的那样。应该注意，所有标有*的折射率通常是复折射率。因此，用于光波ρi,k的振幅的反射系数通常同样是复合参量。为了考虑在介质0/1和1/2的界面处的多次反射，借助反射的振幅形成可直接计算其极限值的几何序列。
因此，针对在样品表面处(即在介质0/1的界面处，因此在环境/替代层的界面处)的整个反射得出：
Figure BDA0003618124680000149
Figure BDA00036181246800001410
这些场振幅反射系数现在可以直接用于计算辐射测量式椭圆偏振仪的检测器处的光强度(参见图4)。椭圆偏振仪包括光源，角度为α1的偏振器、待测量的样品(物体)、角度为α2的分析器和检测器。
可以借助琼斯模型(Jones-Formalismus)来表示检测器处产生的强度。在琼斯模型中，电场的偏振状态被概括为矢量并且波传播的时间分量被抑制。由下述公式给出偏振器之后的电场(没有时间分量)：
Figure BDA0003618124680000151
在此Ei是光源的电场振幅，并且α1是偏振器的角度。
通过矩阵：
Figure BDA0003618124680000152
利用在公式(18)和(19)中计算的两个反射系数描述样品处的反射，所述两个反射系数是在模型***处反射的光波的平行场分量和垂直场分量。
在借助旋转矩阵R将***旋转到分析器的坐标系中之后，可以通过矩阵Ta来描述假设为理想的分析器的作用：
Figure BDA0003618124680000153
Figure BDA0003618124680000154
在这种情况下，检测器处的琼斯矢量为
Figure BDA0003618124680000155
Figure BDA0003618124680000156
Figure BDA0003618124680000157
由此得到检测器处的光强度为：
Figure BDA0003618124680000158
Figure BDA0003618124680000159
Figure BDA00036181246800001510
Figure BDA0003618124680000161
如果将该公式转换成具体的、α1＝45°的椭圆偏振测量情况，并针对四个角度α2＝0°、45°、90°和-45°测量强度，则可以将结果写成：
Figure BDA0003618124680000162
Figure BDA0003618124680000163
Figure BDA0003618124680000164
Figure BDA0003618124680000165
Figure BDA0003618124680000166
选择角度α1和α2只是为了便于表示和计算。在本发明的意义上，也可以选择合适的其他五个角度，利用这些角度可以完全确定光波在检测器处的偏振状态。
在(30)至(33)中的乘积
Figure BDA0003618124680000167
是光源在装置处的输入强度，其对应于光源处的输出强度，并且可以缩写为I0。该输入强度在根据本发明的装置中可以通过借助理想的镜子或作为样品的已知的材料进行的预备测量来测量。有利地，附加地在测量待探测的未知样品(物体)期间借助在光源本身处的监控测量对该输入强度进行监测。为此适用例如在用作光源的激光器处的监控二极管。针对反射系数得出四个公式：
Figure BDA0003618124680000168
Figure BDA0003618124680000169
Figure BDA00036181246800001610
Figure BDA00036181246800001611
冗余的第四次测量可以用于改进稳定性：
Id,0+Id,90＝Id,45+Id,-45 (38)
因此可能的是，由四个测量值(三个独立的强度值和一个冗余值)查明三个未知的参量neff、keff、deff，从该参量中能够计算出复反射系数ρi,k。通过参考测量并且并行地通过对光源的监测来确定输入强度。
相同的琼斯模型可以用于干涉测量光束，以便描述由样品反射的波。这里省略了部件，即偏振器和分析器。此外，可以忽略并行偏振的分量，因为主要的光束强度垂直地落到样品上。
因此，对于返回的波得出：
Figure BDA0003618124680000171
这里的索引“IF”表示干涉测量光束的关系。该索引又表示检测器处的光波，索引i表示输入光波。可以由此确定针对干涉测量公式(8)搜索的参量R：
Figure BDA0003618124680000172
Figure BDA0003618124680000173
在垂直的光入射和空气作为环境介质的情况下得出：
Figure BDA0003618124680000174
Figure BDA0003618124680000175
Figure BDA0003618124680000176
根据该公式(40)和(41)，通过n1、k1和d1表示R和
Figure BDA0003618124680000177
如果根据公式(34)至(37)由四个椭圆偏振值的测量来查明有效替代层的这三个参数，则可以计算R和
Figure BDA0003618124680000178
因此，在在(8)中使用之后，可以在考虑样品(物体)处的与材料相关的反射的校正的情况下计算在参考反射镜(参考镜)和样品表面分别距分束镜(分束器)之间的距离差。由此得出表面的搜索的高度轮廓。
在使用仅一个波长用于干涉测量以及此前所示的根据本发明的解决方案的情况下，测量的距离工作范围被限制为所使用的光的半波长。在该范围之外，在强度与距离之间的关系变得模糊，因为不能单独由信号强度直接查明在参考光束与物体光束之间的路径差为多少个周期。常规的干涉仪通过在初始化和随后的对测量的强度周期进行不间断地计数时查明参考距离来解决这个问题。然而，这不适合用于根据本发明的行扫描式干涉仪的使用，因为必须提供平行于干涉仪行扫描组件的半波长以上的参考，并且在测量物体上不允许存在大于半波长高度的梯级。然而，至少后者例如不能用于对于晶圆上的接触结构的测量。
相反，如果使用两个或更多个不同的波长，则可以扩展工作范围，在该工作范围内可以在没有起始参考和周期计数的情况下明确地进行测量。不同的波长具有不同的周期性。因此，可以根据使用的波长的信号的组合在其他范围内进行明确的测量。这种方法的基础例如在K.Meiners-Hagen等人的“使用二极管激光器进行长度测量的多波长干涉式测量法(Multi-Wavelength Interferometry for Length Measurements Using DiodeLasers)”中有所描述。
因此针对两个波长λ1和λ2的可直接感测的工作范围A是：
Figure BDA0003618124680000181
如果不仅考虑合成的波长Λ的总强度曲线，而且分别考虑两个波长λ1和λ2本身，则工作范围A可以延展到波长λ1和λ2的多倍(精确相分法)。在上面提到的公开出版物中示出的方法可以通过将多个波长在进入组件之前合并的方式与本发明组合。参数组neff、keff和deff在这种情况下变为neff,i、keff,i和deff，其中索引i参考使用的波长，因为折射率和吸收针对每个波长是不同的并且因此必须针对所有使用的波长进行确定。
因此，本发明的一个方面考虑同时测量干涉式测量信号和椭圆偏振信号以及观察样品材料(物体的材料)和在包括环境、有效层和基底在内的有效的三层***中的层结构的影响。
附图说明
下面根据一些选择的实施例结合附图对本发明进行详细说明和阐释。在附图中：
图1示出了根据本发明的用于通过同时记录椭圆偏振数据进行干涉式距离测量的***的示意图；
图2示出了借助偏振椭圆的光波的偏振比的原理图；
图3示出了在由环境/透明层/基底组成的三层***处的光反射的示意图；
图4示出了具有固定的偏振器、样品和分析器的辐射测量式椭圆偏振测量***的示意性原理图；
图5示出了用于准备用于干涉式距离测量的干涉测量***的方法步骤的视图；
图6示出了用于借助干涉测量***执行干涉式距离测量的方法步骤的视图；和
图7示出了根据本发明的用于干涉式距离测量的***的示意图，该***在使用三个光波长的情况下同时记录椭圆偏振数据。
具体实施方式
首先根据图1至图4和图7描述根据本发明的***的测量结构和光路，然后在图5和图6中讨论用于利用本发明的优选的实施方式预备测量的方法流程以及用于执行测量的方法流程。
图1和图7示出了根据本发明的用于对具有未知材料的平的物体20的物体表面40进行轮廓测量的***1的两个不同的实施方式。***1包括用于对物体表面20进行轮廓测量的光学装置2，用于产生单色光束的光源111和移动单元10，利用该移动单元可以使物体20相对于装置2移动。根据图1的***1的实施方式具有仅一个光源111，而根据图7的***1包括三个光源111。各个实施方式的装置2相应地有所不同。
在这两个实施方式中，装置2包括干涉测量***4，该干涉测量***具有分束器91，参考镜60和用于接收和评估评估光束490的检测器单元250。椭圆偏振测量***5包括偏振器190和用于分析所接收的传感器光束520的偏振状态的椭圆偏振传感器220。评估单元从利用干涉测量***4和椭圆偏振测量***5测量得出的结果中查明物体20、例如晶圆的物体表面40的轮廓高度。在此，利用椭圆偏振测量的校正参数校正干涉测量的测量结果，以便获得可靠的测量值，以便考虑物体表面的不同的和局部不同的材料。
晶圆或其他平的物体20相对于根据本发明的***1和***1的相机依次移动。在本实施例中，相机是位置固定的，物体20借助移动单元10在相机下方通过。在另外的实施例中，优选地移动相机。在替选的实施例中，优选地将相对移动分配到相机和物体20上，从而例如，相机在轴向上执行移动，而物体20可以在与之垂直的方向上移动。相机和物体20之间的移动优选是连续的。
图1中的实施例使用激光二极管110作为光源111、TDI行扫描相机251(TDI＝时间延迟积分)作为用于干涉式测量信号(在此是评估光束490)的检测器单元250、和具有集成的偏振滤光器(未示出)的TDI多通道行扫描相机221作为用于构造为椭圆偏振信号的传感器光束520的椭圆偏振传感器220。然而，也可以使用其他数量的光源111。同样，也可以使用较宽频带的光源与窄频带的滤光器的组合作为替代。也可以使用简单的(多通道)行式传感器(无TDI方法)或面扫描相机或由多个行扫描相机构成的组来代替TDI传感器。
在图1的实施例中，激光二极管110的光通过光纤耦合器100供应至测量组件(装置2)。光作为光束84从光纤耦合器100射出。通过光导体的传输只是用于将激光器110与实际记录***、即装置2脱离。代替光导体传输，(激光)光束84也可以直接通过合适的光学器件转向到记录单元(装置2)，这样可以减少损失，但需要更多的调整工作。
通过光束整形光学器件80，光束84形成为平行的光聚束(光束400)该光聚束具有与记录面匹配的截面。光束400(光聚束)由构造为50％半透明的镜子的分光器82分束为两个子聚束，即干涉测量光束410和椭圆偏振光束420。分束不必是50/50。也可以以其他比例进行分束，并因此根据光路和传感器的灵敏度要求进行匹配。
干涉测量光束410通过分束器91部分地作为子聚束经由透镜50转向到待测量的物体表面40上，该分束器构造为50％半透明的镜子90。该子聚束是测量光束430。干涉测量光束410的另外50％作为参考光束440穿过半透明的镜子90。然后参考光束440撞击到参考镜60上，其在该处被反射。如此产生的、返回的子聚束(镜子光束450)在半透明的镜子90处再次反射50％并且作为子聚束460行进至干涉测量检测器252、即检测器单元250。
转向至晶圆的物体表面40上的测量光束430通过透镜50聚焦在成像区域。由于在物体表面40处反射，测量光束430作为物体光束470通过透镜50被反射回来。来自物体光束470的光的一半穿过半透明的镜子90并且作为聚束480继续行进至干涉测量检测器252。两个聚束460和480的光彼此干涉成评估光束490。评估光束490的强度现在一方面根据半透明的镜子90和参考镜60之间的距离差以及另一方面根据半透明的镜子90和物体表面40之间的距离差通过光波的干涉进行调制。评估光束490通过镜筒光学器件260作为聚束495聚焦在TDI行扫描相机251。检测器单元250因此记录经距离调制的干涉式测量信号。
椭圆偏振光束420在此经由两个100％镜子70和72、其角位置可调整的偏振器190作为聚束500通过所述镜子并且穿过透镜50以中等的入射角Φ转向至物体表面40。从表面40反射的光聚束510穿过透镜50并经由镜子74和76作为传感器光束520到达镜筒光学器件230，并且从镜筒光学器件聚焦在四通道椭圆偏振传感器220上。在本示例中，椭圆偏振传感器220是四通道TDI行式传感器，其在4个TDI块中的每个TDI块之前已经安装有偏振滤光器。将偏振滤光器以合适的方式取向成，使得可以完全分析进入的光(传感器光束520)的偏振状态(例如在0°、45°、90°和-45°的角度中)。因此，可以在形成椭圆偏振传感器220的列的四个检测器元件中分别记录四个椭圆偏振信号，使得可以从这四个信号中完全确定在该列中进入的光的偏振状态。
为了监测光源111的强度，借助监控二极管140持续地控制和测量激光器输出功率。
在图7中示出了根据本发明的替选的布置，在该组件中为了改进测量的稳健性和/或为了扩展明确的工作范围而使用三个波长。这三个波长通过激光器110、120和130(激光二极管)产生并且借助监控二极管140、150和160监测其强度。通过优选拼接的光纤耦合器100，各个激光二极管的光束被聚集并且优选地被聚成光束84。与图1的布置不同，在此在图7中为了干涉测量而使用多色TDI行扫描相机255，以便针对三个波长分开地记录信号。同样不同的是，用于测量的椭圆偏振信号借助分离元件600被分离。椭圆偏振信号优选地借助两个二色镜610和620被分解成三个波长部分，并且作为光束522、524和528被引导通过镜筒光学器件232、234和230，并且最后借助于椭圆偏振传感器220、222和224被测量。
该图示是原则上的布置，其当然可以以多种方式设置。因此，例如可以颠倒光束分解(610、620)成波长部分以及借助镜筒光学器件(232、234和230)进行聚焦的顺序。
根据图5和图6描述了根据本发明的方法的优选的实施方式，该实施方式优选首先包括一些准备步骤。为了预备测量，根据本发明设有以下准备步骤(参见图5)：
1)在光源111关闭时测量暗信号，以确定检测器的暗信号；
2)将光源111调节至预定的工作亮度；
3)测量作为样品的100％镜子处的反射，以确定公式(8)中的仪器常数γ；
4)测量在作为样品的100％镜子或已知的、均匀的材料处的反射，以确定用于椭圆偏振测量***5的仪器常数γe。
为了优选地借助根据本发明的***1执行实际测量，根据本发明为每个测量点设有以下步骤。
1)在物体表面的希望的测量点处同时测量干涉式测量信号、监控信号和椭圆偏振信号，即接收和评估该评估光束490和传感器光束520；
2)由椭圆偏振通道的测得的四个强度值和光源111的监控值计算ρs和ρp；
3)利用椭圆偏振通道的入射角Θ0和物体20的基底的预定参数nSubst、kSubst，由ρs和ρp计算有效参数neff、keff和deff；
4)由neff、keff和deff计算干涉通道的垂直的光入射的ρs；
5)由垂直的光入射的ρs计算R和
Figure BDA0003618124680000231
6)计算参考反射镜和样品表面分别到分束器91(分束镜)的距离差Δz；
7)计算测量点处的轮廓高度(参照参考镜的距离)。
在利用装置2和其中所包括的干涉测量***4和椭圆偏振测量***5进行测量之后，在评估单元700中进行信号评估。
为了简化图示，在下文仅以一个波长来阐释对表面轮廓的计算。在使用多个波长的情况下，公式分别以类似的方式适用于每个波长。同样地，仅分别针对一个像素组、即针对有利地使用的行扫描相机的一个行扫描位置进行显示。这些公式以类似的方式适用于相应的行扫描位置处的每个像素组。在此，像素组表示干涉测量相机和椭圆偏振相机中属于相同的行扫描位置的像素。
因此，可以根据传感器尺寸和布置同时查明轮廓的多个高度点。对于当前可提供的每行16384个点的行扫描相机，这意味着相机的每个读出周期相应地有16384个高度值。此外，在这里描述的装置和***1中，行扫描相机可以相对于晶圆(物体)连续移动。根据相机的周期速度，相应地获得每单位时间内具有高度信息的多个行。因此，在建议的多通道TDI行扫描相机221的周期例如为100kHz时，每秒可获得超过1600Mio.个高度值。不同的制造商(例如Vieworks和Dalsa Teledyne)都提供这样的相机。使用这种类型的TDI多通道行扫描相机是特别合适的变型方案，因为可以实现非常高的测量速度。这些相机在一台相机中包含多个(通常4个)TDI块，其可以同时操作和读出。当使用这种相机时，依次记录属于晶圆表面上的一行的所用波长。这意味着，当第一TDI块记录在λ1时的行区域期间，第二TDI块查明在λ2时的信号，并且第三TDI块查明在λ3时的信号。原则上，这种时间上的错开对于随后描述的计算不重要。只需要将获得的信号图以在时间上分阶段的方式(对应于TDI块的空间错开)进行分配和评估。通过这种布置，高信号质量(相应地高分辨率的和稳健的测量)可以特别好地与高速度合并。下文将阐释替选布置。
图5和图6说明了测量和其准备工作的过程。为了正确地确定高度值，必须通过暗信号测量和确定光学器件和传感器件的传递函数来预备测量。
在暗信号测量中，在光源关闭时在两个行扫描相机(椭圆偏振传感器220和检测器单元250)的每个相机像素y处测量信号d。因此确定了相机的所谓的暗噪声，其代表了针对每次进一步测量的偏移量并将其从信号中减去。这是对两个传感器组件220(索引z＝1至4)和250(索引z＝5)进行的。
dyz＝在传感器z的像素y处读出的信号-暗值
为了确定布置的光学和电气的传输函数，用100％镜子进行亮信号测量h。为此目的，晶圆表面或物体表面40被具有已知反射特性的平面镜子所取代。由于每个传感器像素处的信号h明确地通过光源111的强度(信号值q)、传输函数M、镜子的反射率R、两个干涉光聚束460和480(撞击在检测器单元250＝传感器，z＝5上)的路程差lz和暗信号d来确定，只要已知值h、q、R、d，就可以查明用于在传感器行z的每个传感器行中的每个像素y的传输函数M。
对于干涉测量传感器、即检测器单元250(z＝5)而言，其是路径差lz的函数。对于椭圆偏振传感器220(z＝1至4)而言，只要在聚焦区域内移动，M与样品高度无关。传输函数通常对于每个像素y和每个传感器z而言是不同的。该传输函数通过各个像素的灵敏度，通过照度、材料特性、涂层和光学器件的成像误差确定。
为了检查激光光源111的输出强度并且将其作为校正值或参考值纳入计算，直接使用通常安装在每个激光模块110中的监控二极管140(在激光器的背离输出端的一侧上)的信号q。
对于干涉测量传感器(检测器单元250)而言，亮参考测量的信号h是：
hyz,href(lz)＝qhref*Myz(lz)*Rhref+dyz (46)
其中：
hyz,href(lz)＝作为路径差lz的函数的、在传感器z(干涉测量传感器250[z＝5]、椭圆偏振传感器220[z＝1…4])的像素y处参考测量的测量值
qhref＝参考测量期间激光源的光强度
Myz(lz)＝作为路径差lz的函数的在传感器z的像素y处的传输函数
Rhref＝在参考测量(已知材料)中镜子的反射率
自变量lz在此表示两个干涉的聚束460和480(撞击在传感器250，z＝5上)相对于彼此具有的路径差。在此反射率R可以被作为真实值(reelle
Figure BDA0003618124680000252
)使用，因为对于参考测量有利地选择不会由于层参考而产生相位偏移的镜子。
如果为了改进长期稳定性例如使用具有保护涂层的镜子，则由保护层产生的相位偏移没有影响，因为参考测量仅用于确定传输函数的最大值。
对于椭圆偏振传感器220而言适用：
hyz,href＝qhref*Myz*Rhref+dyz (47)
对于椭圆偏振通道而言要注意的是，在查明传输函数时必须在计算中考虑例如由于可能的保护涂层引起的镜子处的相位偏移。
为了确定晶圆表面与传感器组件zsample的距离，将传输函数M(l)分解为非干涉因子Mmax和干涉效应。因子Mmax通过为每个传输函数M(l)确定最大值来获得。在这种情况下，由干涉引起的强度调制可以直接从测量运行的值中查明。
传输函数适用于检测器单元250的传感器：
Figure BDA0003618124680000251
并且对于椭圆偏振传感器220而言，Myz在聚焦区域内是恒定的。
其中：
Myz(lz)＝作为路径差lz的函数的在传感器z的像素y处的传输函数
Figure BDA0003618124680000261
zmirror＝分束镜-干涉测量的参考镜的距离
zsample＝分束镜-晶圆表面的距离
由此对于干涉测量传感器(检测器单元250)得出：
Figure BDA0003618124680000262
其中：
Figure BDA0003618124680000263
通过下述方式确定Mmax，即连续地改变用于测量的镜子的距离zsample，并且这样运行完整的波长周期，在此记录信号并查明最大值。
在待探测的未知的晶圆表面(物体表面40)的测量运行中，现在同时记录椭圆偏振相机传感器220[z＝1…4]的传感器信号iy1至iy4和干涉测量传感器(检测器单元250)[z＝5]的传感器信号iy5，以及借助安装的监控二极管140测量激光光源111的输出强度q。
对于相机(椭圆偏振传感器220)中的传感器块处的信号，适用：
iyz＝q*Myz*ryz,wafer+dyz (50)
其中：
iyz＝在传感器z的像素y处的椭圆偏振测量值/干涉测量值
q＝入射光强度
Myz＝在传感器z的像素y处的传输函数
ryz,wafer＝在偏振角z的情况下在像素y的位置处晶圆的反射系数
dyz＝在传感器z的像素y处的读出的暗信号值
在此，根据公式(30)至(33)由样品的材料特性并且在相应选择的偏振角的情况下得出反射系数ry,wafer。现在，从这些测量中借助公式(34)至(37)和(13)至(19)计算出描述样品材料的参量
Figure BDA0003618124680000271
n1,y＝neff,y，k1,y＝keff,y和d1,y＝deff,y，其中在公式***(34)至(37)中使用以q＝I0变换的强度值Id,z＝Id,Polarisationswinkel：
Figure BDA0003618124680000272
这样查明的材料值现在可以根据公式(43)用于确定在干涉测量传感器[z＝5]的像素y的位置处的垂直的光入射的复反射系数ρs,y5。最后，根据公式(40)和(41)可以由ρs,y5为每个像素位置y查明(真实)反射率Ry和相位偏移φy。
对于在检测器单元250处测量的强度而言，由此得到：
Figure BDA0003618124680000273
由此，最后可以计算出搜索的参量Δzy＝zmirror,y–zsample,y＝样品表面40距(分束)镜90的距离与参考镜60距(分束)镜90的距离的差值：
Figure BDA0003618124680000274
如果如图7所示使用多个、例如优选三个波长，以扩大测量区域和/或改进测量的稳健性，则必须针对每个波长单独地进行至此所示的计算。在此，首先由公式(51)以相应的半波长λx为单位确定距离差值Δzxy，其中x是波长的索引。在这种情况下，根据所谓的精确相分量的方法，该距离差值可以分别表示为整数部分δx和分数余数fx之和：
Figure BDA0003618124680000275
通过查明整数部分的三倍δx(对此，所属的Δzyx与相应的平均值的平均偏差最小)，从Δzyx查明所求的距离差Δzy，接下来计算剩余三个分数部分的平均值。
通过适当选择x＝1、2、3的波长λ1、λ2和λ3，可以毫不费力地建立0.5mm的工作范围，将强度测量值三倍ixy5明确地与距离差Δzy对应关联，这足以满足各种轮廓测量任务。这一点在开头提到的K.Meiners-Hagen、R.
Figure BDA0003618124680000281
F.Pollinger和A.Abou-Zeid的公开出版物中详细进行了阐释。在其中披露的布置中，例如使用了532nm、632nm和780nm的波长，实现了具有距离差的明确对应关联的0.6mm的工作范围。
下面描述本发明的其他优选的实施方式。这些替选的优选的实施方式变型方案旨在成为本发明的一部分，但未限制通用性。
因此，在所提出的布置中使用TDI技术只是为了改进信噪比，对于本发明的原理而言不是必须的。因此，对于更简单的测量配置和要求，也可以选择由四个独立的行式传感器相机或四个独立的单通道TDI行式传感器相机组成的组件来代替作为椭圆偏振传感器220、222、224的TDI多通道相机行式传感器。
替选地，也可以使用传统的面扫描相机或以面读出模式操作的TDI单通道行扫描相机。在这种布置中，时钟频率相应地降低到例如1kHz的时钟频率(用于TDI单通道行扫描相机的所描述的面读出模式)，每秒仍然可以获得超过16Mio.个高度值。
可以理解的是，当在面读出模式下使用面扫描相机或TDI单通道行扫描相机时，三个波长λ1、λ2和λ3在相机传感器上成像为不同的行x＝1、2、3。在三个波长时分别观察在晶圆表面40上的相同的点的所获得的信号图相互间的对应关联通过相机传感器的区域的空间对应关联来进行。对于上述原则性的评估，是以空间方式(对于面式传感器)还是以在时间上分阶段的方式(对于行式传感器)进行对应关联并不重要。
应该注意的是，对于横向的高分辨率应用(例如在几μm范围内)，通过使用多个相机，无论如何都需要对记录的信号图进行横向和旋转的校正，因为难以以机械方式实现将整个测量组件调整为相机的偏移量小于1μm。这种数学校正通常可以通过记录参考图案来实现，从该参考图案中可以查明由每个像素所观察到的晶圆上的精确位置。
在其他可能的实施方式变型方案中，使用的波长的数量可以匹配所需的工作范围。对于特别小的工作范围，只用一个波长的实施方式已经是可能的，或者对于小范围，用两个波长。对于更大的工作范围或通过测量的冗余来改进可靠性而言，扩展到三个或更多个波长是合适的，这尤其可以通过上述的多块TDI相机来实现(已经介绍了具有七个TDI块的相机)。
可以用连续辐射的单色光源适当地实现照明。为此目的，激光与其他宽频带的光束源一样合适，它们可以与对应的干涉滤光器结合。唯一的条件是，所使用的光的相干长度对于待实现的工作范围而言是足够大的。
在使用不同波长时，辐射可以使用拼接的光波导或二色镜来进行会聚。拼接光波导是指在某个部分融合在一起或者是相互接近地引导的光波导，从而使光从一个光波导进入另一个光波导。在二色镜中，只有某个波长范围的光被反射，而至少一个其他波长范围的光被透射。这种镜子的尺寸可以针对在不同的角度的使用来设定。最常见的使用角度是45°。因此，在适当的布置中，出射的反射光和透射光可以有相同的传播方向。
替代二色镜，一个或多个棱镜、光栅或其他光谱色散措施也可用于分离在椭圆偏振光路中的不同波长的光束。空间分离使得信号可以同时被记录，这允许高的测量速度。然而，也可以通过在不同的波长时依次进行测量来实现时间上的分离，其中需接受更长的测量时间。
同样，可以使用具有方形截面的粘合棱镜来代替分束器91或镜子90，该棱镜在粘合的45°表面上配设有部分镜化的层。在使用这种棱镜时，参考臂可以通过直接在棱镜的外表面上气相沉积镜化部来产生。由于干涉仪的参考臂和测量臂的色散明显不同，这种布置导致了干涉对比度的降低；然而由于其稳健性，对于简单的要求是有利的。
尤其可以规定，用于产生干涉的光学组件包括半透射的镜子，其在第一表面朝向物体表面的方向反射一部分辐射，并允许另一部分辐射透射。然后，然后，反射的辐射可以与已经透过的光束合并。例如，这可以通过下述方式来实现，透过的光束在镜子上反射回自身并在半透明的镜子处耦合到反射的光束中。这种组件被称为迈克尔逊干涉仪。然而也可以使用其他组件，例如所谓的马赫曾德尔干涉仪，其中入射的光被分束并且在子光束在样品表面处反射后重新合并。
其他优选的变型方案已经在专利申请EP19188318中进行了陈述，该专利申请的全部内容在此应引入作为参考。
文献
(1)“使用二极管激光器进行长度测量的多波长干涉式测量法(Multi-WavelengthInterferometry for Length Measurements Using Diode Lasers)”K.MeinersHagen、R.
Figure BDA0003618124680000301
F.Pollinger、A.AbouZeid，《测量科学评论》(Measurement Science Review)，第9卷，第3章，2009年11月1日
(2)“椭圆偏振法操作手册(Handbook of Elliposmetry)”，Harland G.Tompkins、Eugene A.Irene，斯普林格出版社(Springer)，2005年，ISBN 0815514999

Claims (19)

1.一种用于对具有未知材料的平的物体(20)的物体表面(40)进行轮廓测量的装置，包括：
用于将光源(111)的光束(84、400)***的分光器(82)，
用于同时测量所述物体表面(40)上的测量区域的光学干涉测量***(4)和椭圆偏振测量***(5)，和
评估单元(700)，
其中：
a)所述光学干涉测量***(4)包括：
用于将光源(111)的干涉测量光束(410)分束为参考光束(440)和测量光束(430)的分束器(91)；
用于反射所述参考光束(440)的参考镜(60)；
用于接收和评估所述干涉测量***(4)的评估光束(490)的检测器单元(250)；
其中，
所述测量光束(430)被引导到所述物体表面(40)上的测量区域上以进行反射，并且在反射之后作为物体光束(470)被引导至所述分束器(91)；
所述参考光束(440)在所述参考镜处被反射并且作为镜子光束(450)被引导至所述分束器(91)；
所述物体光束(470)和所述镜子光束(450)在撞击到所述分束器(91)上之后发生干涉并作为评估光束(490)被供应至所述检测器单元(250)以用于评估；
b)所述椭圆偏振测量***(5)包括：
偏振器(190)，所述偏振器用于偏振椭圆偏振光束(420)并且用于将所述椭圆偏振光束(420)传递到所述物体表面(40)上的所述测量区域上；
具有偏振滤光器的椭圆偏振传感器(220、222、224)，所述偏振滤光器被构造用于分析所接收的传感器光束(520)的偏振状态；
其中所述椭圆偏振光束(420)被引导到所述物体表面(40)上的所述测量区域上并且在所述物体表面(40)的所述测量区域处反射之后作为传感器光束(520)撞击到所述椭圆偏振传感器(220、222、224)上；
c)所述分光器(82)被构造用于将所述光源(111)的光束(84、400)***成所述干涉测量光束(410)和所述椭圆偏振光束(420)；
以及
d)所述评估单元(700)被构造用于，同时处理在所述检测器单元(250)中评估的所述评估光束(490)和在所述椭圆偏振传感器(220、222、224)中接收的所述传感器光束(520)并且查明所述物体表面(40)上的所述测量区域中的所述轮廓高度，无需对待测量的层***明确地建模。
2.一种用于对具有未知材料的平的物体(290)的物体表面(40)进行轮廓测量的***，包括：
用于产生单色光束(84、400)的光源(111)；
根据权利要求1所述的光学装置(2)；和
用于在所述装置(2)和待测量的所述物体(20)之间实施相对移动的移动单元(10)。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述移动单元(10)移动所述装置(2)和/或所述物体(20)，其中优选地设有在移动所述物体(20)时用于接纳所述物体(20)的保持件，由所述移动单元(10)移动所述保持件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置或***，其特征在于，所述分束器(91)和/或所述分光器(82)是半透射镜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置或***，其特征在于，在光路中设有透镜(50)，所述透镜使光束(84、400)转向成，使得偏振的所述椭圆偏振光束(420)以预定的角度撞击到所述物体表面(40)上的所述测量区域上并且所述测量光束(430)以直角撞击到所述物体表面(40)上的所述测量区域上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置或***，其特征在于，在所述椭圆偏振光束(420)的所述光路中设有镜子(70、72、74、76)，所述镜子使所述椭圆偏振光束(420)垂直地转向至所述偏振器(190)和/或使所述传感器光束(520)垂直地转向至所述椭圆偏振传感器(220、222、224)。
7.根据前述权利要求所述的装置或***，其特征在于，在所述光路中在所述检测器单元(250)之前设有镜筒光学器件(260)，所述镜筒光学器件将所述评估光束(490)聚焦到所述检测器单元(250)上，和/或在所述光路中在所述椭圆偏振传感器(220、222、224)之前设有镜筒光学器件(230、232、234)，所述镜筒光学器件将所述传感器光束(520)聚焦到所述椭圆偏振传感器(220、222、224)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于，所述光源(111)是激光二极管(110、120、130)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于，所述光源(111)具有监控二极管(140、150、160)，借助所述监控二极管确定和监测所述光源(111)的输出强度。
10.根据前述权利要求2至8中任一项所述的***，其特征在于，设有用于产生单色光束(84、400)的多个光源(111)，所述多个光源的光束(84、400)优选地具有不同的波长，并且优选地没有一个光束(84、400)的波长是另外的光束(84、400)的波长的整数倍，并且优选地借助光束整形光学器件(80)将所述光源的所述光束(84、400)聚束。
11.根据前述权利要求所述的***，其特征在于，所述***(1)包括用于查明所接收的传感器光束(520)的所述偏振状态的多个椭圆偏振传感器(220、222、224)，优选地针对现有的光束的每个波长设有椭圆偏振传感器(220、222、224)。
12.根据前述权利要求所述的装置或***，其特征在于，所述装置(2)包括用于以波长特定的方式分离所述传感器光束(520)的光学分离元件(600)，所述光学分离元件布置成，使得在所述传感器光束撞击所述椭圆偏振传感器(220、222、224)之前实现所述传感器光束(520)的分离。
13.根据前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于，所述椭圆偏振传感器(220、222、224)包括多个、优选地四个偏振滤光器，使得为了分析所接收的传感器光束(520)的所述偏振状态优选地同时记录和评估多个、优选地四个偏振方向。
14.根据前述权利要求所述的装置或***，其特征在于，所述光学分离元件(600)是二色镜(610、620)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置或***，其特征在于，所述检测器单元(250)包括时间延迟积分相机、优选地彩色时间延迟积分相机、特别优选地时间延迟积分多通道行扫描相机。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置或***，其特征在于，所述椭圆偏振传感器(220、222、224)包括时间延迟积分相机、优选地时间延迟积分行扫描相机、进一步优选地多通道时间延迟积分行扫描相机、特别优选地四通道时间延迟积分行扫描相机，所述四通道时间延迟积分行扫描相机优选地包括四个偏振滤光器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置或***，其特征在于，优选地借助待测量的所述物体(20)的利用所述椭圆偏振测量***(5)查明的有效折射率和/或有效吸收系数和/或借助替代层的有效层厚度，在所述评估单元中对所述检测器单元(250)的测量结果进行校正，所述替代层整合所述物体(20)的一个或多个层的有效光学效应。
18.一种用于借助干涉式测量并同时借助椭圆偏振测量对具有未知材料的物体的物体表面(40)的表面轮廓进行感测的方法，包括下述步骤：
借助光源(111)朝向光学装置(2)的方向发出单色光束(84、400)；
借助分光器(82)将所述光源(111)的所述光束(84、400)***成干涉测量光束(410)和椭圆偏振光束(420)；
借助光学干涉测量***(111)在所述物体表面(40)的测量区域处利用所述干涉测量光束(410)执行干涉式测量；
对所述光源(111)的监控信号进行测量以确定所述光源(111)的输出强度；
在所述干涉式测量的同时借助光学椭圆偏振测量***(5)在所述物体表面(40)的所述测量区域处执行所述椭圆偏振测量；
利用所述椭圆偏振测量的结果并且在考虑所述光源(111)的输出强度的情况下计算校正参数；
借助所述校正参数对利用干涉测量查明的测量值进行校正；
在考虑校正的所述测量值的情况下借助评估单元确定在所述物体(20)的未知材料的表面处的所述测量区域的所述轮廓高度。
19.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述校正参数包括替代层的有效层厚度和/或有效吸收系数和/或有效折射率，所述替代层整合所述物体(20)的一个或多个层的所述有效光学效应，所述物体在每个测量点处包括正好测量的材料。
CN202080075406.XA 2019-10-25 2020-10-14 用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置和方法 Pending CN114616437A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19205397.3 2019-10-25
EP19205397.3A EP3812697A1 (de) 2019-10-25 2019-10-25 Vorrichtung und verfahren zur profilmessung von flachen objekten mit unbekannten materialien
PCT/EP2020/078927 WO2021078609A1 (de) 2019-10-25 2020-10-14 Vorrichtung und verfahren zur profilmessung von flachen objekten mit unbekannten materialien

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114616437A true CN114616437A (zh) 2022-06-10

Family

ID=68382155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080075406.XA Pending CN114616437A (zh) 2019-10-25 2020-10-14 用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220390355A1 (zh)
EP (2) EP3812697A1 (zh)
CN (1) CN114616437A (zh)
WO (1) WO2021078609A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022118379A1 (de) * 2022-07-22 2024-01-25 Technische Universität Wien Abbildendes Ellipsometer zur flächigen Schichtdickenmessung einer Probe und Verfahren mit einem abbildenden Ellipsometer

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5638178A (en) * 1995-09-01 1997-06-10 Phase Metrics Imaging polarimeter detector for measurement of small spacings
US6856384B1 (en) * 2001-12-13 2005-02-15 Nanometrics Incorporated Optical metrology system with combined interferometer and ellipsometer
US8107084B2 (en) * 2009-01-30 2012-01-31 Zygo Corporation Interference microscope with scan motion detection using fringe motion in monitor patterns
US8643840B2 (en) * 2010-02-25 2014-02-04 Kla-Tencor Corporation Cell for light source
WO2013019776A2 (en) * 2011-08-01 2013-02-07 University Of Florida Research Foundation, Inc. Simultaneous refractive index and thickness measurments with a monochromatic low-coherence interferometer
US10495446B2 (en) * 2015-06-29 2019-12-03 Kla-Tencor Corporation Methods and apparatus for measuring height on a semiconductor wafer
US10908072B2 (en) * 2016-12-15 2021-02-02 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Total internal reflection and transmission illumination fluorescence microscopy imaging system with improved background suppression
US10429296B2 (en) * 2017-07-25 2019-10-01 Kla-Tencor Corporation Multilayer film metrology using an effective media approximation

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021078609A1 (de) 2021-04-29
EP3812697A1 (de) 2021-04-28
EP4048978A1 (de) 2022-08-31
US20220390355A1 (en) 2022-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5042949A (en) Optical profiler for films and substrates
US4999014A (en) Method and apparatus for measuring thickness of thin films
EP1853874B1 (en) Interferometer for determining characteristics of an object surface
USRE40225E1 (en) Two-dimensional beam deflector
JP3697279B2 (ja) 薄膜厚測定装置
KR100490325B1 (ko) 2차원형 검출기를 이용한 박막 특성 측정 장치 및 그 측정 방법
US5557399A (en) Optical gap measuring apparatus and method
US20040184038A1 (en) Method and apparatus for measuring the shape and thickness variation of polished opaque plates
US5218424A (en) Flying height and topography measuring interferometer
KR20190118603A (ko) 높은 공간 해상도의 일립소메트리에서 사용하기 위한 시스템 및 방법
Jo et al. Thickness and surface measurement of transparent thin-film layers using white light scanning interferometry combined with reflectometry
JP2009509150A (ja) 干渉測定装置
TW201923305A (zh) 藉由干涉距離測量手段來偵測物體表面輪廓之組件
CN105143814B (zh) 光学相位测量方法和***
USRE38153E1 (en) Two-dimensional beam deflector
JP3764208B2 (ja) 多層皮膜構造を特徴づけ、その皮膜に直面する２つの面の間の距離を測定する方法及び装置
KR101987402B1 (ko) 편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치
CN114616437A (zh) 用于对具有未知材料的平的物体进行轮廓测量的装置和方法
JP2010048604A (ja) 膜厚測定装置および膜厚測定方法
US12025424B2 (en) Device and method for measuring height profiles on an object
Debnath et al. Determination of film thickness and surface profile using reflectometry and spectrally resolved phase shifting interferometry
US20230098439A1 (en) Systems and methods for concurrent measurements of interferometric and ellipsometric signals of multi-layer thin films
Ghim et al. One-shot measurement technique for inspection of multilayer thin-films
Fanton et al. Novel technique for performing ellipsometric measurements in a submicrometer area
Marcus et al. Low-coherence light interferometry, instrumentation design, and application development

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination