專利名稱：微分數(shù)值孔徑方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計量學(xué)，具體地說涉及一種散射儀、橢圓儀以及利用入射角測量的相似分析方法，更具體地說，涉及一種利用微分改變照射和觀測數(shù)值孔徑并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)測定的裝置和方法。
各種散射儀和相關(guān)的裝置和測量方法已經(jīng)用于表征微電子和光電半導(dǎo)體材料、計算機硬盤、光盤、精細研磨的光學(xué)部件以及其它具有橫向尺寸在幾十微米到十分之一微米范圍內(nèi)的其它材料的微觀結(jié)構(gòu)。例如，由阿森特光學(xué)技術(shù)公司(ACCENT OPTICAL TECHNOLOGIES INC)制造和銷售、部分已經(jīng)在美國專利No.5,703,692公開的CDS200散射儀是一個完全自動無損臨界尺寸(critical dimension CD)測量和截面形狀分析系統(tǒng)。此裝置通過掃描橫向穿過高數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)的進入瞳孔的激光束，測量作為樣品入射角和偏振的函數(shù)的樣品的鏡面反射。此裝置也能在重復(fù)解析小于1nm的臨界尺寸的同時確定截面形狀并進行層厚度的估算。此裝置也能監(jiān)測作為照射光束的入射角函數(shù)的單衍射級序的強度。0th或鏡面級序以及樣品的更高衍射級序的強度變化都可以按這種方式監(jiān)測，這也提供了用于確定照射的樣品目標性質(zhì)的信息。因為用于制造樣品目標的過程確定了樣品目標的性質(zhì)，所以作為過程的間接監(jiān)測的信息也是有用的。這種方法在半導(dǎo)體加工的文獻中已經(jīng)進行了說明。同時，這些文獻中也講述了包括那些在美國專利NO.4,710,642、5,164,790、5,241,369、5,703,692、5,867,276、5,889,593、5,912,741和6,100,985中說明的用于散射儀分析的許多方法和裝置。
散射儀及相關(guān)的裝置也可以使用許多不同的操作方法。在一種方法中，使用已知的單波長光源，而且入射角θ在整個確定的連續(xù)范圍內(nèi)變化。在另外一種方法中，使用多個激光束光源，每一個都任選不同的入射角θ。在還一種方法中，使用具有從任選保持恒定的一定范圍的光波和入射角θ的照射的入射光作為入射廣譜光線源。已知可變相位的光線分量，利用用于檢測最終衍射相位的檢測器等光學(xué)設(shè)備和過濾器產(chǎn)生一系列的入射相位。也可能使用可變偏振狀態(tài)的光線分量，利用光學(xué)設(shè)備和過濾器改變光線偏振從S分量到P分量。也可以在范圍φ內(nèi)調(diào)節(jié)入射角，以便光線或其它發(fā)射源繞目標區(qū)域旋轉(zhuǎn)，或另外的目標相對于光線或其它發(fā)射源旋轉(zhuǎn)。利用這些不同裝置中的任何裝置及其組合或交換，都可能并且公知可以獲得樣品目標的衍射特征信號。
除了散射儀裝置外，還有其它的裝置和方法能利用反射掉或透射過目標樣品的光源在0th級序或更高衍射級序時確定衍射特征信號，如通過檢測儀捕捉光線的衍射光柵。這些其它的裝置和方法除了散射儀外，還包括橢圓儀和反射儀。
在現(xiàn)有技術(shù)中利用不同的技術(shù)和裝置確定CD的許多方法已經(jīng)公開。如Piwonka-Corle等的美國專利NO.5,910,842公開了在入射角范圍內(nèi)使用反射光學(xué)設(shè)備用于分光鏡橢圓對稱的方法和系統(tǒng)。其公開了其中具有孔徑的調(diào)節(jié)器位置板，以便在選擇的窄范圍內(nèi)觀測入射角。然而，此專利沒有公開微分開口孔徑以結(jié)合成更寬范圍的入射角。
美國專利Aspnes和Opsal的NO.5,877,859及相關(guān)的美國專利Fanton和Opsal的NO.5,596,411專利公開了橢圓儀和橢圓對稱的方法。在相應(yīng)的實施方式中公開了孔徑的使用，但只是控制最后成像在檢測器組上樣品區(qū)域的尺寸。在相關(guān)的方法中，也采用角積分橢圓儀，但只是在波長的較大范圍內(nèi)角度的固定范圍。
美國專利Spanler等的NO.5,166,752專利公開了一種橢圓儀和橢圓對稱的方法。其提供了可變的小孔，但沒有公開在測量周期中改變孔徑，其還涉及了獨立地同時檢測多個不同光線入射角的方法。
用于CD測量使用的一種方法是通過所謂的BRDF(雙向反射系數(shù)能分布函數(shù)(Bi-direction Reflectance Distribution Function)來測量。在這種方法中，BRDF是少量波長λ的光束以及由Stokes向量S0表示的以方位角Φ0和天頂角θ0入射在散射面上的偏振狀態(tài)散射進入由Stokes向量S表示的中心在方位角Φ和天頂角θ的偏振狀態(tài)的微分立體角δΩ。對大多數(shù)表面的BRDF是入射角和入射光子的Stokes向量、散射方向及表面性質(zhì)的復(fù)雜函數(shù)。與之相比，理想的鏡面具有最簡單的BRDF當(dāng)散射的方位角等于入射方位角而且散射的方位角與入射的方位角相對時，所有其它的散射角都為零，而散射的偏振狀態(tài)等于入射的偏振狀態(tài)。
許多表面都具有描述為BRDF的減少獨立測量需求數(shù)量的對稱性質(zhì)。例如，由絕緣材料構(gòu)成的無限橫向尺寸的微分光柵不與光柵槽正交的入射光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)或混合。在此正交方位入射偏振狀態(tài)上BRDF的獨立性可以簡單地由表示S和P入射偏振狀態(tài)的兩個獨立的BRDF進行說明。在這些條件下，BRDF在180度的光柵方位旋轉(zhuǎn)下對稱。工業(yè)上的散射儀通常采用這些對稱的優(yōu)點以便簡化BRDF模式和測量裝置。
BRDF廣泛應(yīng)用于對表面散射的條件的定義，而且經(jīng)常地應(yīng)用到散射光線更廣地進入許多方向的光學(xué)粗糙表面。與之相對，大多數(shù)普通的光學(xué)粗糙表面并不在很寬范圍散射；它們具有光學(xué)平滑性并具有簡單如鏡子一般的BRDF。這樣的表面通常由反射系數(shù)、衍射效率或偏振旋轉(zhuǎn)來描述，而不是通過表述它們完整的BRDF。當(dāng)然，這些表面性質(zhì)是大多數(shù)普通BRDF的特例。
不透明的光學(xué)表面可以由其BRDF很好地表述。然而，半透明光學(xué)表面的描述就需要另外的雙向透射分布函數(shù)(Bi-DirectionalTransmission Distribution Function-BTDF)來表述，其限定為與BRDF類似的透射測量。在大多數(shù)一般條件下，BRDF和BTDF為表述表面散射的雙向散射分布函數(shù)(Bi-Directional Scattering DistributionFunction-BSDF)的子集。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，構(gòu)成的集成處理和制造裝置合并了各種分文件器或曝光部件、顯影部件、烘干部件、計量部件及其類似的部件。因此，任何通常尺寸的標準硅晶片都可以引入到集成處理和制造裝置中，而所有的裝配和計量步驟都在裝置內(nèi)進行，通常是在計算機控制下，采用精加工晶片并在其上刻蝕需要的結(jié)構(gòu)，然后退出裝置。這種方法優(yōu)選需要集成測量，例如CD的測量。因此，理想的是這些部件微型化到可能的程度并占用最小可能的軌跡，并具有最少的移動零件。
在相關(guān)的實施方式中，該裝置包括產(chǎn)生光束的光源；用于在數(shù)值孔徑范圍內(nèi)改變數(shù)值孔徑的同時獲得用于確定參數(shù)的數(shù)據(jù)，從而改變投射到樣品上照射線的角度范圍的可變照射數(shù)值孔徑部件；在固定的角度范圍內(nèi)接收樣品散射線的觀測孔徑部件；以及第一檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征通過觀測孔徑部件接收的光線。
在另一相關(guān)的實施方式中，該裝置包括產(chǎn)生光束的光源；確定照射線投射到樣品上時的角度范圍的照射孔徑部件；用于在增量的數(shù)值孔徑范圍內(nèi)改變數(shù)值孔徑的同時獲得用于確定參數(shù)的數(shù)據(jù)，從而改變接收的來自樣品散射線的角度范圍的可變觀測數(shù)值孔徑部件；以及第一檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征通過可變觀測數(shù)值孔徑部件接收的光線。
本發(fā)明還提供了一種用于測定樣品參數(shù)的方法，方法包括步驟產(chǎn)生光束；在樣品上聚焦光束；至少改變光線入射到到樣品的入射角范圍和通過至少一個可變量值孔徑檢測到的樣品散射角的范圍組成的組中選擇的一個參數(shù)；以及檢測和表征散射的光線。在本發(fā)明中，改變至少一個參數(shù)的步驟可包括同時改變光線入射到樣品的入射角的范圍和檢測的樣品散射角的范圍兩項。光線入射到樣品的入射角范圍通過第一可變量值孔徑改變，而檢測的樣品散射角的范圍通過第二可變量值孔徑改變。該方法還包括步驟偏振投射到樣品的光線；以及偏振自樣品散射的光線。在本方法中，至少一個可變量值孔徑可包括光圈、縮放透鏡部件、可變光束放大器、可變孔徑光圈放大成像部件、孔徑光圈空間傅立葉變換部件和前述部件的組合。檢測和表征可以包括使用光電檢測器和光譜儀的步驟，還包括用于記錄與接收和表征的光線相關(guān)的數(shù)據(jù)的計算機兼容輸出。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種通過微分數(shù)值孔徑技術(shù)用于結(jié)構(gòu)，特別是規(guī)則結(jié)構(gòu)的CD測量的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于散射測量和橢圓測量分析的方法和裝置，其中入射角的范圍能通過可變量值孔徑部件進行改變。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于結(jié)構(gòu)的CD微分數(shù)值孔徑分析的方法，其中采用照射系統(tǒng)，其在照射線投射到結(jié)構(gòu)表面時通過微小和微分增量角度范圍改變，從而提供可變照射數(shù)值孔徑，或者其中采用觀測系統(tǒng)，其在接收從結(jié)構(gòu)表面散射的光線時通過微小和微分增量角度范圍改變，從而提供可變觀測數(shù)值孔徑，或其同時采用照射系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于微分改變照射數(shù)值孔徑或觀測數(shù)值孔徑，或兩者，并同時記錄散射進入觀測數(shù)值孔徑中的放大倍數(shù)的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種方法和裝置，其中利用與可變照射數(shù)值孔徑或可變觀測數(shù)值孔徑，或兩者相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)，并部分通過在照射和觀測數(shù)值孔徑范圍內(nèi)積分散射模式，以找到說明結(jié)構(gòu)表面散射的模式中的未知參數(shù)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點在于提供了一種利用最少的活動件且占用最小軌跡的散射計量法和橢圓計量法的裝置。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于提供了一種在集成半導(dǎo)體處理和制造裝置中作為模塊或部件結(jié)合使用的用于CD測量的裝置。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于提供了一種CD計量方法，其既可以應(yīng)用散射計量又可以應(yīng)用橢圓計量，也可以應(yīng)用于通常使用BRDF、BTDF或BSDF分析的任何方法。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于提供了一種通過改變可變數(shù)值孔徑部件中的數(shù)值孔徑，用于掃描通過的不同的入射或反射角、或兩者的方法。
本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和創(chuàng)新特征、以及應(yīng)用范圍將部分參照相應(yīng)的


，部分體現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的實施使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員通過考察可以明知的范圍中。本發(fā)明的目的和優(yōu)點可以通過附屬權(quán)利要求書中具體指出的裝置和結(jié)合來實現(xiàn)。
圖1中示出了本發(fā)明中所述裝置的普通實施方式。光源20提供有用于照射光束100的光線源，其光源20可以產(chǎn)生任何形式的光線，既可以在可見光譜內(nèi)也可以在可見光譜外。光源20通常產(chǎn)生單色光，在優(yōu)選方式中產(chǎn)生相干光，從而可以使用通常的激光、發(fā)光二極管及其類似的光線。當(dāng)然，在本發(fā)明的實施方式中，也可以使用將在下面說明的其它光源和光的形式。由光源20產(chǎn)生的照射光束柱部分穿過照射孔徑30，照射孔徑30可以在測量或掃描過程中改變尺寸或形狀，或二者均改變。在一種實施方式中，照射孔徑30包括如圖10中的光圈。在圖10A中可變槽光圈510設(shè)置在板510中，可變槽光圈可以擴展到圖10A中所示的不同的寬度。同樣，在圖10B中，設(shè)置有可變正方形光圈520，在圖10C中，設(shè)置有可變圓形光圈530。應(yīng)該理解光圈可以是任何形狀或結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明并不局限于圖10所示的形狀。
從照射孔徑30發(fā)出的部分照射光束100部分與光束分離器50相交，部分照射光束100通過光束分離器50反射形成光束110，而剩余的部分作為光束105穿過光束分離器50。光束分離器50可以是將光束100分離成至少兩部分的任意光學(xué)或包含光學(xué)的部件。這樣的部件可以將光束100分離成如圖1所示的90°角，或任何其它與圖1裝置性能一致的角。光束分離器50可以是通常的半透明反射鏡、立體光束分離器、偏振立體光束分離器或起任何其它部件或?qū)崿F(xiàn)光束分離器作用的部件。
反射光束110通過透鏡60聚焦，也可以是包括兩個或多個單獨的透鏡或其它的光學(xué)部件的聚焦透鏡系統(tǒng)如物鏡系統(tǒng)。透鏡60在樣品表面95上產(chǎn)生一系列入射角，入射角由照射孔徑30、樣品表面95與透鏡60的距離、光束110頻譜范圍以及透鏡60的光學(xué)性質(zhì)確定。通常，樣品表面95可以是例如固定在支座90上的晶片上的衍射光柵，并將任意地散射包括光束100的光線。在透鏡60的數(shù)值孔徑內(nèi)的散射光線部分穿過透鏡60并形成作為散射光束120的散射光線柱。任何射線距離透鏡60的光學(xué)軸的距離和此射線從表面95散射的角度之間的關(guān)系可以根據(jù)圖1裝置的光學(xué)性質(zhì)的知識精確地估算出來。
光束120穿過光束分離器50而且部分穿過觀測孔徑40，其中觀測孔徑40的尺寸或者形狀、或者尺寸與形狀二者均可以進行控制。在一種實施方式中，觀測孔徑40包括如圖10所示并在上述相應(yīng)的照射孔徑30中已經(jīng)說明的光圈。通過調(diào)節(jié)觀測孔徑40的直徑，或更通常的其形狀和尺寸，檢測系統(tǒng)70接收形成部分與特定散射角范圍對應(yīng)的光束120的散射光。同樣，調(diào)節(jié)照射孔徑30改變?nèi)肷涞綐悠繁砻?5的入射角度的范圍。
檢測系統(tǒng)70可以包括任意用于檢測任何與形成光束120相關(guān)的參數(shù)的檢測器裝置，從而表征接收光線。也可以包括例如強度、偏振狀態(tài)、光譜特性及其性質(zhì)。在一種實施方式中，檢測系統(tǒng)70包括一個或更多光電二極管、光電倍增管或其它適用于檢測光線形成光束120的波長或強度或二者均包括的部件。單一部件檢測器提供了作為觀測孔徑40或照射孔徑30或二者的數(shù)值孔徑變化結(jié)果的樣品表面95上入射角度范圍的綜合測量結(jié)果。如果能檢測到與散射性質(zhì)相關(guān)的波長，則光源20可以在整個測量范圍順序提供不同波長的光線，或光源20可以提供白光或短波長光，通常是毫微微秒到微微秒范圍的激光脈沖。檢測系統(tǒng)70也可以包括與要檢測的性質(zhì)和使用光線的形式相適應(yīng)的頻譜解析系統(tǒng)，如衍射光柵單色儀、可調(diào)Fabry-Perot諧振器、棱鏡、或任何其它一些標準光譜工具。在一種實施方式中，由于照射光譜的每個組件部件有效地獨立，因此檢測系統(tǒng)70可以測量更廣范圍或平行設(shè)置的波長，其非常適宜于在樣品具有可忽略的非線性性質(zhì)的情況。在另一實施方式中，如果將檢測系統(tǒng)70設(shè)置到檢測器部件或部件上，則檢測系統(tǒng)70包括光束聚焦器或其它將所有光線都集中在觀測孔徑40對應(yīng)的角度范圍內(nèi)的聚焦部件。檢測系統(tǒng)70還包括作為其部件或獨立零件的各種數(shù)據(jù)處理部件，可以任選包括計算機如處理器、數(shù)據(jù)儲存裝置和數(shù)據(jù)檢索裝置。檢測系統(tǒng)70的計算機或處理器部件、或獨立的部件也可以提供用于記錄數(shù)據(jù)、有選擇地取消數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、模塊系統(tǒng)的產(chǎn)生、模式系統(tǒng)模塊系統(tǒng)的比較及類似的功能。
圖1的裝置還任選包括檢測系統(tǒng)80，檢測系統(tǒng)80可以與檢測系統(tǒng)70一樣或不一樣。檢測系統(tǒng)80包括用于檢測與光線形成光束105相關(guān)的任意參數(shù)的任何檢測器裝置，在優(yōu)選方式中，包括部分用于通過測量光束105已知部分的光束105以監(jiān)測光束100光照放大倍數(shù)的光檢測器，從而提供一個或更多在圖1裝置用于校準的數(shù)據(jù)組。在一種實施方式中，檢測系統(tǒng)80包括檢測器組。檢測系統(tǒng)80還可以包括一維而在優(yōu)選方式中是二維的檢測器組。這樣的組可以包括光電二極管、電荷耦合裝置或其它與要檢測的波長和強度相適應(yīng)的檢測器組。檢測器組的使用提供了在相應(yīng)的入射角范圍內(nèi)的光束105的測量方法。同樣，也可以確定任何其它需要的參數(shù)，以及包括任何在各種統(tǒng)計分析技術(shù)中作為校準數(shù)據(jù)使用的參數(shù)。
雖然圖1的示意圖中顯示的裝置只介紹了樣品表面95的一個點，但本發(fā)明的裝置包括與照射的區(qū)域和樣品橫向尺寸的觀測進入窗口相匹配的圖像光學(xué)設(shè)備。因此，部分通過利用光線的波長和形成樣品表面95的部分的結(jié)構(gòu)的尺寸可以確定要分析的樣品表面95的區(qū)域。
圖2的裝置示出了另一實施方式，其中照射數(shù)值孔徑部件130包括可調(diào)節(jié)望遠鏡，或改變照射光束100的光柱直徑的可調(diào)節(jié)光束放大器。通過利用如可調(diào)節(jié)望遠鏡、縮放透鏡組、可調(diào)節(jié)光束放大器及類似的光學(xué)部件，可以改變有效的照射數(shù)值孔徑而不改變光束100的總光照放大倍數(shù)。通?？烧{(diào)節(jié)光束放大器限定在大約1∶1到大約6∶1的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但也可以采用已知并能構(gòu)成的更強大的光束放大器，包括由相應(yīng)的縮放透鏡組組合的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。也可以是其它的組合和排列，以便觀測孔徑40可以連同可調(diào)節(jié)光束放大器或同樣在觀測孔徑40后但在檢測器70前改變散射光束120光柱直徑的光學(xué)設(shè)備一起使用。
圖3示出了本發(fā)明的一種實施方式，其中包括偏振部件150以及任選的偏振部件155。偏振部件150和155可以包括線性偏振器、可旋轉(zhuǎn)光波板，如可旋轉(zhuǎn)90度光波板或其它偏振光學(xué)部件。也可以選擇偏振部件150和155以便控制照射光束100或散射光束120或二者的偏振狀態(tài)。在此實施方式中，檢測系統(tǒng)70和任選的檢測系統(tǒng)80另外測量一個或多個與光線形成光束120相關(guān)的偏振狀態(tài)。應(yīng)該理解，部件的設(shè)置方式可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)改變。例如，偏振部件150可以形成光源20的一部分，并可以置于在觀測孔徑30前或后。同樣，偏振部件155也可以置于觀測孔徑40前或后。所以，偏振部件150也可以用于照射數(shù)值孔徑部件130，并形成其中的一部分，或可以是分離的部件、并可以置于部件130前或后。在使用偏振光學(xué)部件的任何這樣的實施方式中，標準橢圓儀的分析方法可以任選擴展到說明在距離光軸一段距離的散射區(qū)域的橢圓儀狀態(tài)的可能變化，從而提供一種在測量系統(tǒng)上這些部件效果的精確模式。
在圖4中示出了另一實施方式，其中檢測系統(tǒng)70包括多個形成檢測器組的檢測器72。檢測系統(tǒng)70還可以包括一維(例如，單行或單列檢測器)，而在優(yōu)選方式中為二維檢測器組。這樣的組包括光電二極管、電荷耦合裝置或其它與要檢測的波長和強度相適應(yīng)的檢測器組。檢測器組的使用提供了一種較大散射角范圍內(nèi)的測量方法。檢測器72還包括任何包括提供空間解析強度測量的檢測部件，如videcon、nuvecon等。當(dāng)圖4的裝置包括觀測孔徑40時，應(yīng)當(dāng)理解，可以使用形成檢測器組的多個檢測器72而不是觀測孔徑40，或另外可以使用觀測數(shù)值孔徑部件140。所以也可以使用圖3的偏振光學(xué)組件光學(xué)部件及圖4中的組。圖4還顯示了包括形成檢測器組的多個檢測器82的檢測系統(tǒng)80，其中組可以是如檢測器72所述的組。檢測器82的組可以適用于本發(fā)明的任何實施方式，而不局限于圖4的實施方式。
圖5示出了另外一種實施方式的裝置，其中沒有設(shè)置可變照射孔徑或性能同樣的照射數(shù)值孔徑部件，而其中唯一的可變孔徑為觀測孔徑40。此實施方式能用于表征擴射地散射的表面，但通常不適用于幾乎是鏡面的表面，如次波長衍射光柵。在圖6中顯示了補充的另外一種實施方式的裝置，其中可變照射孔徑30具有固定觀測孔徑45。在這種情況下，在透鏡60的數(shù)值孔徑內(nèi)的所有散射光線和固定的觀測孔徑45總是觀測，其中照射角度范圍通過照射孔徑30發(fā)生變化。此實施方式可以使用弱性、散射的表面，其散射效率主要根據(jù)入射角變化。觀測到散射角的大范圍包括但不局限于整個范圍增加了在獲得用于限制觀測數(shù)值孔徑范圍的信號等級。
此外，數(shù)值孔徑可以通過圖像技術(shù)改變或影響而不是通過直接調(diào)整孔徑光圈。對于許多應(yīng)用場合，圖像技術(shù)的使用提供了良好的結(jié)果。例如，光圈的使用，特別是用于照射孔徑，光線通過光圈的通道可能產(chǎn)生衍射圈。因此，針孔孔徑可以產(chǎn)生表示衍射級次的同心圓的空氣盤。系統(tǒng)設(shè)計可以通過將照射光圈成像到透鏡60的孔徑光圈上以解決衍射，特別是透鏡60包括物鏡系統(tǒng)，如包括兩個或更多單獨的透鏡和孔徑光圈的聚焦透鏡系統(tǒng)。圖像系統(tǒng)通常使用包括一個或更多透鏡，除附圖所示的透鏡外，還可以包括技術(shù)中熟知的其它光學(xué)部件。圖像系統(tǒng)也使照射光圈放大或縮小，從而影響數(shù)值孔徑中的變化。
下面有幾種用于調(diào)節(jié)數(shù)值孔徑的技術(shù)，包括但不局限于(a)可以使用縮放元件以擴展或縮回物鏡有效的焦點長度，從而減少或增加數(shù)值孔徑；(b)通過采用可變的放大率成像孔徑光圈，調(diào)節(jié)孔徑光圈的有效尺寸(確定相關(guān)錐形光束的直徑)；(c)在載片上印制孔徑光圈，更具體地，在載片上印制孔徑光圈的空間傅立葉變換形式(spatia1 FourierTransform)，或者在空間光線調(diào)節(jié)器(spatial light modulator)上形成圖案，然后將空間光線調(diào)節(jié)器投影到系統(tǒng)中，從而通過改變載片或圖案來改變孔徑光圈；(d)直接改變孔徑的尺寸，如通過打開或關(guān)閉光圈；以及(e)任意或上述一些的組合或排列。也有可能或可以考慮到數(shù)值孔徑可以通過液晶部件改變，如液晶作為開關(guān)用于或阻隔或傳送光線的部件，從而形成孔徑的一部分。使用液晶組或面板還具有偏振器的作用。使用液晶組或面板還能形成可變數(shù)值孔徑部件的一部分，以便本發(fā)明的裝置沒有活動的機械零件。上述所有內(nèi)容的目的都在數(shù)值孔徑中公開，而在附圖和描述的裝置中，任何改變數(shù)值孔徑的上述方法都可以作為替代形式。
圖8A提供了另外一種實施方式的裝置，在后文中將展示微分數(shù)值孔徑(diferential numerical aperture-DNA)特征圖像(signature)來區(qū)別衍射光柵樣品之間的不同。從光源220發(fā)出的光線300，如Helium-Neon激光，部分從光束分離器240反射形成光束310，此光束穿過偏振器250，如Glan-Thomson偏振器，使光束沿基座290上的衍射光柵樣品295上的槽產(chǎn)生偏振。當(dāng)其穿過包括透鏡280和透鏡285的牛頓望遠鏡時，光束310的直徑擴展了6倍的系數(shù)，從而使最終的光束320變成足夠大以充滿顯微物鏡260的孔徑。具有窄矩形槽的面板230位于包括透鏡280和透鏡285的望遠鏡和顯微物鏡260之間，并當(dāng)測微計的撥盤推動面板230時使光束320形成位置沿長軸方向移動的窄矩形光束330。如圖8B所示，縫隙235位于沿衍射光柵樣品295上槽的縱向。在一種實施方式中，縫隙235近似為500μm寬，至少與顯微物鏡260的孔徑一樣長。顯微物鏡260將矩形光束330聚焦在樣品295上并校準反射光束340。在其返回的通道上穿過縫隙235的反射光束340部分再由偏振器250偏振，穿過光束分離器240，穿過去除背景光線的頻譜過濾器275，然后激勵光電檢測器270。DNA特征圖像是作為縫隙235位置的函數(shù)光電檢測器270響應(yīng)。
在圖8的實施方式中，縫隙235放置在光束分離器240的后面并靠近物鏡260。這就減小了縫隙235的衍射效果，通常是減小限定照射角范圍的脆性(crispness)。另一實施方式保持了圖1所示裝置照射孔徑在光束分離器前的位置，并另外包括成像系統(tǒng)以便延遲照射孔徑進入顯微物鏡260孔徑光圈的圖像。
本發(fā)明的裝置一般地提供作為入射光線函數(shù)的已知照射強度，并任選波長和偏振狀態(tài)，并提供對觀測表面散射的光線進入特定的方向和偏振狀態(tài)的觀測。觀測的效率可以以通過已知的方式加以改變。在此處通常稱為BRDF的表面模式提供了在給定波長從給定方向以給定的偏振狀態(tài)入射的光線將散射成特定的方向和偏振狀態(tài)的可能性。散射的可能性與樣品的表面參數(shù)有關(guān)，而這些參數(shù)正是本發(fā)明的方法和裝置所要確定的。通過在整個照射狀態(tài)的范圍卷積BRDF和照射藩屬，可能構(gòu)建散射成特定方向和偏振狀態(tài)的光線的強度。然后在整個觀測狀態(tài)的范圍卷積散射的強度和觀測的效率。通過將卷積的結(jié)果與對照射狀態(tài)、觀測狀態(tài)和表面參數(shù)組合的測量DNA數(shù)據(jù)比較，就確定了模擬和測量之間的誤差。然后微分變換照射或觀測狀態(tài)、或二者，從而產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)和誤差點。重復(fù)這個過程直到測量到需要點的數(shù)量。利用測量的數(shù)據(jù)，改變表面參數(shù)，并再計算模擬和度量誤差，直到確定一組低誤差的表面數(shù)據(jù)結(jié)果。這組表面參數(shù)具有在模式、技術(shù)和實驗誤差內(nèi)的精度，這樣分析完成。
本發(fā)明的方法和裝置提供了對給定的樣品在整個照射或觀測數(shù)值孔徑，或二者范圍內(nèi)測定數(shù)據(jù)點的方法和裝置，其數(shù)值孔徑的范圍必須與入射和/或散射角對向。應(yīng)該理解，數(shù)據(jù)點可以是分段的或跨越整段時間。例如，照射數(shù)值孔徑部件的數(shù)值孔徑可以以任意的比率在從0到大約1的范圍內(nèi)逐漸增加或減少。在每個增加步驟，都要對散射光線強度在整個范圍內(nèi)檢測角度進行測量。然后按逐步方式累積數(shù)據(jù)。另外，數(shù)值孔徑在整個時間內(nèi)按已知的比率變化，散射光線強度的檢測與初始數(shù)值孔徑和變化的比率有關(guān)。同樣，觀測數(shù)值孔徑可以任選增量步驟或已知的比率，但與散射光線強度的檢測有關(guān)。通過這種裝置，可以改變?nèi)肷浣呛蜋z測的散射角，這種變化也提供了分析基礎(chǔ)，包括BRDF確定。
通常，本發(fā)明的DNA方法適合于求出表面散射模式的未知參數(shù)。由于DNA特征圖像(DNA signature)是表面散射模式函數(shù)與照射和觀測數(shù)值孔徑函數(shù)的卷積，所以通常不能直接導(dǎo)出散射函數(shù)本身。當(dāng)然，如果表面參數(shù)的變化導(dǎo)致在任何觀測角處散射性能的變化，則此變化將在DNA特征圖像中重復(fù)。如果表面參數(shù)中的變化增加了在觀測角較廣范圍內(nèi)的散射，則DNA特征圖像的效果將由于測量性質(zhì)的集成而增大。當(dāng)然，如果表面參數(shù)的變化只在很小的范圍內(nèi)導(dǎo)致觀測角變化，則DNA特征圖像的效果將變得相對小一些。
在CD散射計量中，通常用于樣品的是周期為次波長的散射光柵，使BRDF在很大的觀測角范圍內(nèi)緩慢地變化。本發(fā)明的DNA方法能很好地適應(yīng)這樣的測量，這是由于在很大的角度范圍內(nèi)反射系數(shù)變化即使很小也能在DNA特征圖像產(chǎn)生相當(dāng)大的效果。通常，由于本技術(shù)的積分性質(zhì)將整個峰和谷“平均”，因此DNA方法不適應(yīng)于觀測角快速變化的樣品。當(dāng)然，此種類通常情況也有例外，例如表面參數(shù)觀測的變化會導(dǎo)致樣品的BRDF產(chǎn)生縮放的情況，由于這種情況的積分效果將很大。
本發(fā)明還提供了一種與已知和傳統(tǒng)的穿過入口瞳孔橫向掃描的方法相反的方法，其通過微分變換照射或觀測數(shù)值孔徑或二者測量作為入射角函數(shù)的散射。本發(fā)明的方法和裝置還用于在單一的波長或光譜下實現(xiàn)角度解析散射計量、橢圓計量及雙向反射分布函數(shù)的測量。
本發(fā)明的方法和裝置還適用于透射研究。在雙向投射分布函數(shù)測量的情況下，照射設(shè)置于樣品下面。
觀測和照射孔徑可以作為數(shù)值孔徑獨立地控制，并可以在位置上相對于光束、尺寸或形狀或其綜合任選改變。例如，根據(jù)構(gòu)造形式相對于光束改變固定孔徑可以在數(shù)值孔徑中產(chǎn)生有效的變化。
圖7顯示了利用圖1的裝置的簡化一般概念性測量順序。在每組設(shè)定的照射數(shù)值孔徑中，測量作為觀測數(shù)值孔徑函數(shù)的檢測器的光電流。光電流中的增量差確定了更高角度散射的影響。在圖7中，設(shè)定情況A顯示了照射和觀測孔徑光圈幾乎完全關(guān)閉的情形，以便二者的數(shù)值孔徑的數(shù)值很低，所以樣品是單一地在近似正入射時照射并只測量鏡面反射。在設(shè)定情況B和C(沿X軸移動)中，觀測孔徑光圈按增量階段打開，隨著增加觀測數(shù)值孔徑部件的數(shù)值孔徑值，記錄每個階段的觀測光電流。應(yīng)該理解，雖然顯示的是B和C兩個階段，但可以采用比顯示的更精細或小增量的許多步驟。在設(shè)定的D到F情況中，照射孔徑光圈在一增量打開并保持在這個位置，同時打開觀測孔徑光圈一個較小步階。從位置D到F產(chǎn)生的測量與位置A到C產(chǎn)生的對應(yīng)測量之間的差異即為偏軸照射的散射結(jié)果。在設(shè)定的G到I中，最后一組測量設(shè)置成照射數(shù)值孔徑最大，同時以較小步階打開觀測孔徑光圈。也有可能按Y軸方向移動，如從A到D到G，以便固定觀測孔徑光圈并以小步階打開照射觀測孔徑光圈。
如圖7所示的通常順序包括，在檢測器設(shè)定的最高和最低數(shù)值孔徑以及頻帶寬界限內(nèi)，所有來自樣品的散射信息均具有軸對稱性質(zhì)。對于不具有軸對稱的樣品，對照射和觀測孔徑的形狀進行協(xié)調(diào)以提供與相應(yīng)的適宜對稱和修正的測量順序。對于衍射光柵，孔徑可以具有矩形對稱，而測量順序可以沿圖7所示設(shè)定的對角線方向進行。
利用如圖8所示的裝置，可以在潔凈無殼硅晶片和由光刻方法制作并包含于晶片，如300mm硅晶片第4行和第5和6列的衍射光柵上進行測量。面板230由測微計移動。設(shè)定最初的測微計撥盤以便縫隙235的下邊緣處在光學(xué)軸上；這樣在其返回通道上縫隙235完全阻隔反射光束并獲得0信號。通過測微計，將縫隙的下邊緣按2.5μm的步階移動到光學(xué)軸下面，同時通過光電檢測器270測量反射的放大倍數(shù)。持續(xù)此微分步驟微分過程直到反射倍數(shù)停止增長，意味著縫隙位于光學(xué)軸的中心。然后用同樣的方法測量衍射光柵，第4行第5列的光柵按2.5μm的步階，5.0μm的步階和5.0μm的步階進行測量。相臨的第4行第6列的光柵測量兩次，每次的步階為5.0μm。最后的數(shù)據(jù)顯示在圖9中，其中Y軸表示信號，而X軸表示的觀測數(shù)值孔徑的計算在下面說明。無殼硅晶片的符號為“硅”，“4,5#1”表示光柵的測量在第4行，第5列，步階為2.5μm，而“4,5#3”表示同樣的光柵測量步階為5.0μm，符號“4,6#1”和“4,6#2”都表示光柵的測量在第4行，第6列，步階為5.0μm。
圖9的數(shù)據(jù)表明，兩個光柵的特征圖像重復(fù)的單獨特征圖像相比較好地分離，也較好地與無殼硅晶片分離。特征圖像隨著觀測數(shù)值孔徑的增加而增加，這是因為樣品是鏡面的，而且對于所有存在的數(shù)據(jù)照射數(shù)值孔徑超過了觀測數(shù)值孔徑。通過校準的射線對照射的理想透鏡使用正弦規(guī)則將測微計讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為觀測數(shù)值孔徑值。正弦規(guī)則為sinθ＝x/f公式1其中x是射線距離光學(xué)軸的距離，f是物鏡的焦點長度，而θ是當(dāng)離開物鏡后射線與光學(xué)軸的角度。射線初始平行于光軸并在其以上高度x時將以角度θ投射到樣品。在樣品的鏡面性質(zhì)給定的情況下，低于光學(xué)軸的縫隙下邊緣的位置確定了有效觀測系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，定義空氣中的樣品為NA＝sinθ＝x/f公式2其中x表示縫隙下邊緣低于光學(xué)軸的距離，而NA為數(shù)值孔徑。最初的觀測數(shù)值孔徑為零。當(dāng)縫隙的下邊緣移到光學(xué)軸下面時，通過顯微物鏡增加觀測數(shù)值孔徑直到其達到設(shè)定的最大值，已知的數(shù)值為0.8，得到0.8＝x_max/f 公式3通過從最大信號時測微計上的讀出值減去零信號時最低位置處測微計的讀出值，x_max的值確定為2.97。估算f，得到作為x函數(shù)的數(shù)值孔徑NA＝0.8*x/x_max 公式4然后利用NA的計算值畫出圖9顯示的與信號相對的曲線。
在上述的實施例中，照射光由單波長和偏振狀態(tài)的光組成。由于縫隙是沿光柵樣品槽的方位，所以可以考慮一種模式，其中樣品作為普通鏡子，其反射系數(shù)隨角度而產(chǎn)生改變。為簡化起見，認為縫隙足夠窄，所以樣品的有效反射系數(shù)在整個與縫隙的長度正交的入射方向上變化不很明顯。雖然激光束的高斯性質(zhì)不會在整個縫隙面積上產(chǎn)生均勻的照射，但從簡化起見可以認為幾乎是均勻照射。在這種模式內(nèi)，由于模式中光柵只是作為具有反射系數(shù)的普通鏡子，所以在測量的最初狀態(tài)沒有可見信號；在鏡面反射模式內(nèi)，預(yù)計根本沒有照射光線能在由縫隙限定的觀測數(shù)值孔徑中觀測到。由于縫隙在光學(xué)軸的下面，所以預(yù)計當(dāng)照射遠離光學(xué)軸，不論在其上或者之下，在縫隙的下邊緣低于軸時，都將落入觀測數(shù)值孔徑中并被觀測到。如圖9所示，在少量的第一測量中，縫隙的下邊緣恰好剛剛在光學(xué)軸的下面，所以只有法線入射處的樣品實際反射系數(shù)重要。第一測量構(gòu)成了樣品表面正反射系數(shù)的非校準測量。假定硅樣品的反射系數(shù)已知，就可能對幾乎法線入射的光柵樣品直接進行校準測量。
由于縫隙被微分地降低，如果光柵的有效反射系數(shù)為恒定，則信號級將以縫隙降低速率的兩倍線性增加，軸上面維持全部照射的縫隙部分及當(dāng)縫隙下降時在縫隙下面線性增加的部分產(chǎn)生兩個系數(shù)，縫隙上面和下面的部分都由系統(tǒng)觀測。測量特征圖像的觀察觀測表明對于第一級序特征圖像在觀測數(shù)值孔徑中是線性的。當(dāng)縫隙下降時，觀測系統(tǒng)在越來越大的入射角上繼續(xù)積聚信號直到最后達到物鏡的極限。當(dāng)縫隙恰好在軸的下面時，只有初始測量能夠進行清楚的解釋；通常，測量值表示在整個角度范圍內(nèi)積分的樣品的反射系數(shù)。當(dāng)然，利用上述的分析過程可以找到最適合的表面參數(shù)。
利用前述，可以構(gòu)成用于DNA分析的致密裝置并且可以采用不同的構(gòu)造來實現(xiàn)。這樣的構(gòu)造可以包括如集成處理的模式或部件以及用于半導(dǎo)體制造的制造裝置的應(yīng)用。例如，圖8所示的裝置包括單一的活動件、包括縫隙235的面板230，其同時作為觀測和照射數(shù)值孔徑的函數(shù)。通過將二極管激光用于光源220以及偏振立體光束分離器用于光束分離器240和偏振器250，裝置中組件可以裝配在幾乎5cm×5cm×25cm或更小數(shù)量級的尺寸范圍內(nèi)。同樣，圖1的裝置和同樣的實施方式只使用一個或兩個活動件，而且能裝配在5cm×20cm×20cm或更小數(shù)量級的尺寸范圍內(nèi)。利用液晶孔徑，本發(fā)明也可能提供沒有活動機械件的裝置。這樣，使有效的小型化具有可能并得以實現(xiàn)，而這是許多場合所需求的。
前述實施例可以通過替換所述一般或特定的部件和/或前面實施例中使用的本發(fā)明的操作條件以成功地重復(fù)實現(xiàn)。
雖然本發(fā)明通過優(yōu)選實方式進行了公開和說明，但其它實施方式也能實現(xiàn)同樣的效果。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員顯然可以對本發(fā)明作出變更和修改，而這些變更和等同物將落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍中。上述所有引用的參考文獻、申請、專利和公開出版物在此作為參考。
權(quán)利要求
1.一種用于確定樣品參數(shù)的裝置，包括產(chǎn)生光束的光源；可變照射數(shù)值孔徑部件，其在數(shù)值孔徑范圍內(nèi)變化的同時獲得用于確定參數(shù)的數(shù)據(jù)，改變數(shù)值孔徑從而改變投射到樣品上照射線的角度范圍；可變觀測數(shù)值孔徑部件，其在數(shù)值孔徑范圍內(nèi)變化的同時獲得用于確定參數(shù)的數(shù)據(jù)，改變數(shù)值孔徑從而改變接收來自樣品的散射線的角度范圍；以及第一檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征通過可變觀測數(shù)值孔徑部件接收的光線。
2.一種用于確定樣品參數(shù)的裝置，包括產(chǎn)生光束的光源；用于在數(shù)值孔徑范圍內(nèi)改變數(shù)值孔徑的同時獲得用于確定參數(shù)的數(shù)據(jù)，從而改變投射到樣品上照射線的角度范圍的可變照射數(shù)值孔徑部件；在固定的角度范圍內(nèi)接收來自樣品的散射線的觀測孔徑部件；以及第一檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征通過觀測孔徑部件接收的光線。
3.一種用于確定樣品參數(shù)的裝置，包括產(chǎn)生光束的光源；確定照射線投射到樣品上時的角度范圍的照射孔徑部件；用于在增量的數(shù)值孔徑范圍內(nèi)改變數(shù)值孔徑的同時獲得用于確定參數(shù)的數(shù)據(jù)，從而改變接收的來自樣品散射線的角度范圍的可變觀測數(shù)值孔徑部件；以及第一檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征通過可變觀測數(shù)值孔徑部件接收的光線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任何一項所述的裝置，還包括定位成使光源產(chǎn)生的光線束指向樣品的光束分離器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任何一項所述的裝置，還包括透鏡，其定位成使投射到樣品上的照射線聚焦并收集來自樣品的散射射線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任何一項所述的裝置，還包括用于偏振光線的第一部件，其定位成使透射到樣品上的光線發(fā)生偏振；以及用于偏振光線的第二部件，其定位成來自樣品的散射光線在通過第一檢測系統(tǒng)接收和表征之前產(chǎn)生偏振。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于用于偏振光線的第一部件和用于偏振光線的第二部件包括從由偏振器、光波板、電光調(diào)制器、光測彈性調(diào)制器和液晶組成的組中選擇的部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一項所述的裝置，還包括第二檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征在可變照射數(shù)值孔徑部件之后但在投射到樣品之前的光線的第一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，還包括光束分離器，其定位使光線的第一部分指向第二檢測系統(tǒng)并使光線的第二部分指向樣品。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于可變照射數(shù)值孔徑部件包括從由光圈、縮放透鏡組件、可變光束放大器、可變孔徑光圈放大成像部件、孔徑光圈空間傅立葉變換部件和前述部件的組合組成的組中選擇的部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于光圈為任意形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任何一項所述的裝置，其特征在于第一檢測系統(tǒng)包括從由光電檢測器和光譜儀組成的組中選擇的部件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任何一項所述的裝置，其特征在于第一檢測系統(tǒng)包括用于記錄與接收和表征的光線相關(guān)的數(shù)據(jù)的計算機兼容輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括用于控制可變照射數(shù)值孔徑部件和可變觀測數(shù)值孔徑部件的數(shù)值孔徑的處理器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于可變照射數(shù)值孔徑部件的數(shù)值孔徑在從0到大約1的數(shù)值孔徑范圍內(nèi)變化。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，還包括用于控制可變照射數(shù)值孔徑部件的數(shù)值孔徑的處理器。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括第二檢測系統(tǒng)，其定位成接收和表征在照射孔徑部件之后但在投射到樣品之前的光線的第一部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括用于控制可變觀測數(shù)值孔徑部件的數(shù)值孔徑的處理器。
19.一種用于確定樣品參數(shù)的方法，包括步驟產(chǎn)生光束；在樣品上聚焦光束；至少改變光線入射到到樣品的入射角范圍和通過至少一個可變量值孔徑檢測到的樣品散射角的范圍組成的組中選擇的一個參數(shù)；以及檢測和表征散射的光線。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于改變至少一個參數(shù)的步驟包括同時改變光線入射到樣品的入射角的范圍和檢測的樣品散射角的范圍兩項。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于光線入射到樣品的入射角范圍通過第一可變量值孔徑改變，而檢測的樣品散射角的范圍通過第二可變量值孔徑改變。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括步驟偏振投射到樣品的光線；以及偏振自樣品散射的光線。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于至少一個可變量值孔徑包括從由光圈、縮放透鏡部件、可變光束放大器、可變孔徑光圈放大成像部件、孔徑光圈空間傅立葉變換部件和前述部件的組合組成的組中選擇的部件。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于檢測和表征包括使用從由光電檢測器和光譜儀組成的組中選擇的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于檢測和表征包括用于記錄與接收和表征的光線相關(guān)的數(shù)據(jù)的計算機兼容輸出。
全文摘要
一種利用由可變照射(30)或觀測數(shù)值孔徑(40)或二者產(chǎn)生的入射角的測量結(jié)果，用于樣品微分數(shù)值孔徑分析的方法和裝置。本發(fā)明提供了一種計量學(xué)的應(yīng)用，特別是包括散射儀、橢圓儀及類似的分析方法，包括雙向反射或透射分布函數(shù)的測量。本發(fā)明提供的裝置和方法能利用最少的活動件，通過可變數(shù)值孔徑或者孔徑(30、40)在變化的投射或散射角度范圍對樣品的臨界尺寸進行分析。
文檔編號G01J3/02GK1468367SQ01816801
公開日2004年1月14日 申請日期2001年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月3日
發(fā)明者約翰·V·桑杜斯基, 約翰 V 桑杜斯基 申請人:安格盛光電科技公司