專利名稱：真空紫外參考反射計的制作方法
真空紫外參考反射計本申請是申請號為200480027513. 6、申請日為2004年9月21日、發明名稱為“真 空紫外參考反射計”的發明專利申請的分案申請。
背景技術：
本發明一般地涉及真空紫外反射率光譜法的儀器操作和應用。在一個實施例中， 本發明可用于向具有高吞吐量的半導體制造商提供用于制造尖端半導體器件期間的過程 控制的非接觸式度量能力。此外，本發明充分緊湊，以促進它在集成(線上)過程控制應用 中的使用。半導體工業目前正在開發處理技術，以使得能夠制造由比過去任何時候都更薄的 層構成的器件和處理比過去任何時候都更小的特征尺寸。為了能夠獲得這些進步，必須開 發支持性度量技術，這是因為當前的系統缺乏檢測處理條件的微妙變化所需的靈敏性。長時間以來，光學度量儀器被用于半導體處理應用中，這是因為它們一般是非 接觸式的、非破壞性的并且實現了較高的測量吞吐量。這些儀器大部分采用橢圓偏光法 (ellipsometry)和/或反射法(reflectometry)方法來表征材料。傳統上，這些儀器已被 用于測量膜厚度、光學屬性和其他材料特性，比如組成成分、孔隙度和粗糙度。最近，已經對 擴展所述儀器以通過散射法(scatterometry)建模技術來表征關鍵的器件特征尺寸產生 了興趣。事實上，所有當前的橢圓偏光法和反射法度量儀器都在深紫外( 200nm)和近紅 外( lOOOnm)波長之間的光譜區域的某個部分中操作。不幸的是，隨著半導體處理技術 的進步，以及隨著器件幾何形狀的縮小，這種儀器對于處理條件的變化的靈敏度降低了。如 果沒有來自度量儀器的靈敏、精確和可重復的反饋，半導體制造就無法充分控制過程設備， 從而無法實現高產量。簡言之，常規光學儀器已經達到了使其不適合于未來技術的極限。一些公司已意識到對于真空紫外(VUV)(波長一般短于190nm)光學度量設備的 逐漸發展的需求，并且已制造了針對解決此需要的商業產品。示例包括德國的Sentech Instruments GmbH、美國的J. A. Woolam有限公司以及法國的Sopra公司。但是，這些公司 都設計了依賴于橢圓偏光法技術的儀器，這種技術從其真正本質上來說要求復雜的硬件和 控制系統。這種設備一般較緩慢，并且不能夠提供半導體制造環境中所需的高水平測量吞 吐量。此外，這種儀器一般采用許多透射性極化元件，這些元件從效果上而言限制了可采用 的最短波長光子。結果，當前的VUV橢圓偏光法度量系統只能在長于約140nm的波長上操 作。此外，現有技術美國專利No. 6，414，302 (Freeouf)描述了在整個光路都被保持在 受控環境中的幾何形狀中執行高能鏡面雙向橢圓偏光法測量的益處。雖然此方法確實嘗試 了利用通過使用更高能量的光子而獲得的改進的信號分辨能力，但是它也遭受著上述的與 采用復雜橢圓偏光技術相關聯的復雜情況。此外，這種設計要求在實際測量以及一系列測 量之間都嚴格且可再現地控制周圍環境，以便獲得精確、可再現的結果。即，為了使由于環 境影響而導致的測得數據的不確定性最小化，必須確保不僅實現適當的條件，而且在每一個測量期間都可再現地實現和保持相同的適當條件。如果條件變化，則儀器的可重復性和 穩定性都會受到不利影響。在美國專利申請20020149774中，McAninch公開了一種不需要將樣本放置在受控 環境中的光學度量工具的凈化系統。利用這種布置將會難以實現可再現的穩態條件，這是 因為預期流動特性將會根據測量期間樣本的放置而發生相當大的變化。還可預期到，諸如 樣本尺寸和樣本表面上帶圖案的結構的存在也會影響流動特性。此外，此公開沒有提到如 何能將數據參考結合到設計中。其他公司，比如均為美國公司的Acton Research公司禾PMcPherson有限公司也已 開發了用于執行VUV區域中的反射率和/或透射的光譜測量的光學儀器。一般來說，這些系 統采用步進掃描技術，按照這種技術，通過結合在某個角度范圍上掃描衍射光柵，使用單個 元件檢測器來記錄光譜。這樣，這些系統是耗時的，并且不太適合于半導體制造商的需求。為了利用反射計實現可重復性非常高的結果，必須提供一種裝置，通過這種裝置， 反射率數據可以參考相對標準或與相對標準相比較。這樣一來，可正確地考慮系統中發生 在首次校準系統的初始時間和執行樣本測量的之后的時間之間的變化。在現有技術中存在許多參考技術，但是一般來說這些方法不是耗時并且涉及將參 考樣本以機械方式定位到樣本位置之中和之外，就是對樣本和參考測量采用了單獨的檢測 組件(即衍射元件和檢測器)，這可能導致不精確的結果。例如，一種利用單獨的檢測組件 來參考反射計數據的方法是采用“雙光束”配置。在這種布置中，一般利用分光計來分散寬 帶光，以便產生單色出射光束。此光束被分離成兩個部分樣本光束和參考光束。樣本光束 被樣本反射并且被樣本檢測器所記錄，而參考光束繞過樣本并且被參考檢測器所記錄。該 方法是耗時的，這是因為它要求掃描色散光柵，并且還遭受著早前描述的檢測器問題。從而，希望光學測量工具結合迅速且緊湊的、高度精確的參考裝置，以便促進其在 線上(in-line)度量應用中的使用。隨著器件幾何形狀的縮小，期望度量儀器在越來越小的樣本區域上執行測量。如 果度量工具能夠在樣本的局部區域內的多個這種部位同時執行測量以便獲得更多信息，而 沒有一般與樣本的重新定位和重新對準相關聯的時間增加，則將會是非常有利的。由于當前可用的光學度量技術中沒有一個克服了與在VUV區域中收集精確且可 重復的光學數據相關聯的困難，因此設計這種儀器將會大有益處。事實上，所有光學度量儀器都結合某種形式的建模算法，以從它們最初記錄的量 中提取有意義的實質信息。這種算法的性能嚴重依賴于它們要簡縮的數據集合的性質。覆 蓋較寬波長范圍的數據集合一般向擬合算法提供更多約束，從而導致更快的收斂和更精確 的結果。用于收集至少覆蓋兩個光譜區域的寬波長范圍上的反射率數據的常規技術是采 用步進掃描技術，其中結合使用了單個元件檢測器和旋轉光柵單色器。通常如果所調查的 波長范圍足夠大，則在單個寬帶數據集合的獲取期間，可能必須手動改變光柵、檢測器、光 學器件和源。此方法通常是耗時的，并且不太適合于像半導體工業中遇到的制造環境那樣 的制造環境。干涉計被廣泛用于紅外光譜區域中，以收集寬波長范圍上的數據；但是，這些儀器 一般不被用于VUV中，這是因為儀器的光學和機械容限隨著波長而縮放，并且難以滿足此頻譜區域。在美國專利申請20030071996中，Wang公開了一種具有單獨的經優化的光束路徑的測量系統。雖然此系統使得能夠在多個光譜子帶上執行有效的測量，但是它沒有為收集 到的數據提供參考的裝置。從而，雖然信號吞吐量可能較高，但是系統可重復性可能相當 差。當在VUV中操作時其影響尤其大，這是因為這種波長非常易受大氣變化的影響，其迫使 進行頻繁的參考。VUV中的高度可重復的反射率(reflectance)數據的收集大概可以用這樣一種系統來最好地實現這種系統被設計為使由改變數據的環境變化所引入的誤差最小化和/或 完全消除這種誤差，所述環境變化可能發生在校準測量結束和后續的樣本測量開始之間。 這種系統的一個示例在美國專利序列號10/668，644中描述。申請人已認識到，擴展這種能 力以促進其在能夠獲取包括VUV和至少一個其他光譜區域在內的寬波長范圍上的數據的 反射計中使用，將會是合乎需要的。申請人:還認識到，確保來自構成整個寬波長帶的每個光譜區域的數據集合是從樣本上的相同物理位置收集的并且是以相同的斑點尺寸收集的，將會是合乎需要的。此外，如 果使用相同的相對于樣本的方位(即入射角度和方向)來收集這種數據集合以確保遇到類 似的散射條件，則也將會是有利的。申請人:還認識到，如果所述系統利用以下這種串行收集過程，則將會是合乎需要的在該串行收集過程中，來自每個光譜區域的數據被順序收集以避免漫射光的復雜情況， 而如果采用并行過程則將會預期這種復雜情況。

發明內容
本發明的一個目的是向半導體制造工業提供能夠表征結合了更薄的層和更小的特征的半導體器件的可靠的光學度量工具。此儀器充分利用了通過等于或低于VUV波長區 域的材料表征而提供的對處理條件的微小變化的靈敏度提高。此儀器將會是非接觸式和非 破壞性的，并將利用帶參考的反射法數據。所述儀器的設計簡單且健壯，從而使其易于在VUV波長上操作。由于它的簡單，因此它快速，從而使它適用于高吞吐量制造應用中。系統被設計為緊湊，并且要求的空間很 小。儀器提供了使環境影響達到最低限度的優點，以使得不需要在校準、參考和樣本測量期 間維持可再現的受控環境。此外，它提供了較小的測量斑點尺寸，以便能夠進行在線測量或 產品采樣，并且采用了成像光學器件，以便能夠同時獲得對局部區域內的一系列部位的多 個測量。在一個實施例中，提供了在真空紫外光譜中操作的光譜學系統。更具體而言，提供了在真空紫外光譜中使用反射法技術的系統，以用于度量應用中。該系統還包括結合成像 分光計使用陣列檢測器。這樣一來，可同時收集多個波長的數據。此外，可為二維樣本區域 同時收集多個波長的數據。該系統還包括使用固定衍射光柵，并且不需要使用極化元件。為 了確保精確且可重復的測量，光路的環境受到控制。光路可包括環境受控腔，其中存在非吸 光性凈化氣體，或使用了真空抽空技術。受控環境還可包括單獨的儀器腔和單獨的樣本腔。 受控環境以可重復的方式限制對VUV光子的吸收。在另一個實施例中，提供了在真空紫外光譜中操作的光譜學系統。更具體而言，提供了在真空紫外光譜中使用反射法技術的系統，以用于度量應用中。為了確保精確和可重 復的測量，光路的環境受到控制，以限制可能存在于光路中的氣體的吸光作用。為了考慮到 仍可能發生的吸光作用，光路的長度被最小化。為了進一步考慮到吸光作用，可以將反射率 數據參考相對標準。參考在VUV反射計中尤其有利，這是因為較低的可用光子通量和記錄 數據對光路中包含的氣體介質的組成成分的靈敏性。從而，可減小由受控環境的變化所引 入的誤差。在一個典型實施例中，VUV反射計可利用這樣一種技術，在該技術中光束分離器 被用于產生樣本光束和參考光束，以形成接近平衡的Mach Zehnder干涉計的兩臂。在另一 個典型實施例中，參考通道可由Michelson干涉計構成。在另一個實施例中，提供了在真空紫外光譜中操作的光譜學系統。更具體而言，提 供了在真空紫外光譜中使用反射法技術的系統，以用于度量應用中。為了確保精確和可重 復的測量，光路的環境受到控制，以限制可能存在于光路中的氣體的吸光作用。VUV反射計 可被用于監視半導體處理環境中的多種數據。例如，該技術可用于測量膜或膜疊層的厚度、 光學屬性、組成成分、孔隙度以及粗糙度。此外，這些VUV技術和裝置可用于表征器件的臨 界尺寸和其他特征。VUV反射計系統可用作獨立的工具，或者系統的相對緊湊的性質可被利 用，以便系統被結合到其他過程工具中。從而，例如，這里所描述的VUV技術可被直接結合 到用于淀積、蝕刻、光刻等的過程工具中，以便可有利地獲得在線測量、監視和控制。本發明的一個目的是向半導體制造工業提供能夠表征結合了更薄的層和更小的 特征的半導體器件的可靠的光學度量工具。儀器用戶所采用的任何擬合算法可通過充分利 用由兩個或多個光譜區域構成的數據集合所提供的更高級別的約束，來實現更快的收斂和 更精確的結果。此儀器將會是非接觸式和非破壞性的，并將利用寬帶反射率數據。此儀器將會針對在第一光譜區域中操作而被優化，并且能夠在至少一個其他光譜 區域中具有良好性能。選擇出來的用于不同光譜區域中的源和檢測器被結合到儀器中的光 學模塊內，所述儀器允許對其選擇。此外，此模塊包含公共的輸送和收集光學器件，以使得 利用類似的斑點屬性來收集不同光譜區域中的測量。此外，本發明采用了串行收集方法，通 過該方法，來自不同光譜區域的數據被順序收集，以避免漫射光復雜情況。在一個實施例中，提供了一種光譜法系統，該系統針對在第一光譜區域中操作而 被優化，并且能夠在至少一個其他光譜區域中具有良好性能。該系統被設計為使得在收集 來自第一光譜區域的數據時不涉及移動的光學元件(除了快門之外)。此外，該系統結合了 光學模塊，該光學模塊提供了針對不同光譜區域被優化的可選擇的源和檢測器。同樣，該光 學模塊提供了公共的輸送和收集光學器件，以使得能夠用類似斑點屬性收集不同光學區域 中的測量。該模塊還提供了迅速為測得的數據提供參考的裝置，以確保實現可重復性很高 的結果。在另一個實施例中，提供了一種光譜法系統，該系統針對在VUV中操作而被優化， 并且能夠在DUV-NIR中具有良好性能。此外，該系統結合了光學模塊，該光學模塊提供了針 對VUV和DUV-DIR被優化的可選擇的源和檢測器。同樣，該光學模塊提供了公共的輸送和 收集光學器件，以使得能夠用類似斑點屬性收集兩個光學區域中的每次測量。該模塊還提 供了迅速為測得的數據提供參考的裝置，以確保實現可重復性很高的結果。該模塊還在VUV 源、樣本腔和VUV檢測器之間提供了受控環境，該受控環境起到以可重復的方式限制對VUV 光子的吸收的作用。使用除DUV-NIR波長外還包括VUV波長的寬帶數據集合使得能夠有意義地表征更多種材料?？刹捎没陉嚵械臋z測儀器以允許同時收集更大的波長區域。以查閱以上描述和相關附圖之后，可實現對本發明的性質和優點的進一步理解。


通過結合附圖參考以下描述，可獲得對本發明及其優點的更全面的理解，附圖中 類似的標號指示類似的特征。但是，要注意，附圖僅僅示出本發明的示例性實施例，因此不 應當被視為限制其范圍，因為本發明可允許其他同等有效的實施例。圖1-對經過100cm的標準大氣的光學透射和經過100cm的包含1PPM的H20和02 的受控環境的光學透射的比較。圖2-VUV反射計的示意圖。圖3-來自配備有MgF2窗口的Hamamatsu氘燈的光譜輸出。圖 4-來自 Action Research 公司的 “Solar-blind” 寬帶 VUV 濾光器。圖5-VUV反射計的顛倒示意圖，其中示出了參考通道的結合。圖6-典型偏軸拋物面鏡。圖7-來自Acton Research公司的寬帶VUV-UV反射涂層。圖8-利用小角度(實線)和大角度(虛線)入射配置的“穿透表膜 (through-pellicle) ”測量的示例。圖9-利用成像反射計來同時記錄來自帶圖案的樣本上的不同物理位置的多個光
並圖10-具有參考通道的備選VUV反射計的示意圖。
圖11-幾乎所有光學器件都被容納在儀器腔內的備選VUV反射計的示意圖。
圖11a-圖11的系統的備選示意圖。
圖lib-與過程工具集成的圖11的系統的示意圖。
圖12-典型測量流程圖。
圖12a-示例性詳細測量流程圖。
圖13-與Acton Research公司所制造的VUV光束分離器相關聯的典型屬性。
圖14作為濃度差異和路徑長度差異的函數的誤差圖線。
圖15-典型反射率測量的示意圖。
圖16-測量出和計算出的來自淀積在硅襯度上的AI20E薄層的反射率光譜。
圖17-通過迭代擬合過程對AI203層獲得的光學屬性(n和k值)。
圖18-與淀積在掩膜板上的殘余光阻材料的超薄(5 A )層相關聯的反射信號。
異信號對應于層厚度增大lnm。圖19-來自硅襯度上的10 A、14 A和18 A SiON層的反射率信號。圖20-與10人SiOn層的膜厚度增大相關聯的130nm、157nm和193nm處的反射率
差異信號。圖21-與10-15%范圍內的16 A SiON層處理氮濃度矩陣相關聯的反射率信號。圖22-與具有10%的氮的16人SiON層的氮濃度增大相關聯的130nm、157nm和 193nm處的反射率差異信號。圖22a-對于20人SiON膜的不同氮摻雜分布圖。在所有情況下，樣本都被暴露到le15原子/cm2的相同劑量。圖22b_由于多種非均勻氮分布而產生的反射率差異信號(相對于均勻摻雜的樣 本)。圖23-反射率測量期間入射的DUV和VUV光子與典型半導體疊層樣本的交互作用。圖24-來自展現不同SiN厚度的Si02/SiN/Si樣本的反射率光譜。圖25-來自展現不同Si02層厚度的Si02/SiN/Si樣本的反射率光譜。圖26-典型散射法測量的示意圖，其中示出了反射的光束和衍射的光束。圖27-通過散射法測量獲得的典型輸出的圖示。圖28-與標稱65nm行陣列相關聯的反射信號和與標稱65nm行寬的lnm增大相對
應的差異信號。圖29-與由63nm、65nm和67nm行和間隔構成的行陣列相關聯的反射信號。圖30-與由65nm寬的行和間隔(對于1000 1的標稱行高)構成的行陣列相關 聯反射信號。與所述結構的行高的10人增大相對應的差異信號。圖31-具有光學模塊的寬帶反射計的示意圖。圖32-覆蓋VUV和DUV-NIR光譜區域的寬帶參考反射計。圖33-覆蓋VUV和DUV-NIR光譜區域的寬帶參考反射計的串行測量流程圖。圖34-覆蓋三個光譜區域的寬帶參考反射計。圖35-覆蓋三個光譜區域的寬帶參考反射計的串行測量流程圖。圖36-利用旋轉鏡和覆蓋VUV和DUR-NIR光譜區域的寬帶參考反射計的備選實施 例。圖37-覆蓋三個光譜區域的寬帶參考反射計的備選實施例。圖38-不具有內翻式(flip-in)鏡并覆蓋兩個光譜區域的寬帶參考反射計的備選 實施例。圖39-不具有內翻式鏡并覆蓋兩個光譜區域的寬帶參考反射計的串行測量流程 圖。
具體實施例方式為了提高光學度量設備的靈敏度以用于挑戰性的應用，希望擴展執行這種測量的 波長范圍。具體而言，利用擴展到被稱為真空超紫外(VUV)的電磁光譜的區域之中并超過 電磁光譜的區域的波長較短(能量較高)的光子，將會是有利的。過去，由于承認VUV(以 及更低的)光子在標準大氣條件下被強烈吸收這一事實，花費在開發被設計成在這些波長 上操作的光學儀器的精力相對較少。真空超紫外(VUV)波長一般被視為小于深紫外(DUV) 波長的波長。從而，VUV波長一般被視為小于約190nm的波長。雖然對于VUV范圍的底端 沒有普適的截止點，但是本領域中的某些人會認為VUV終止，而極紫外(EUV)范圍開始(例 如某天會定義小于lOOnm的波長為EUV)。雖然這里所描述的原理可以適用于高于lOOnm的 波長，但是這些原理一般也適用于低于lOOnm的波長。從而，將會意識到，這里所使用的術 語VUV是想要指示小于約190nm的波長，但是VUV不想要排除更低的波長。從而，這里所描 述的VUV —般是想要包括一般小于約190nm的波長，但是不排除低端波長。此外，低端VUV一般可以被解釋成低于約140nm的波長。實際上，一般幾乎所有形式的物質(固體、液體和氣體)在VUV波長上都展現越來越強的光學吸收特性。諷刺的是，正是這個相當基本的物質屬性本身要為VUV光學度量技術可獲得的增大的靈敏度負責。這是因為在較長波長上產生不可檢測的材料光學行為變化的小的過程條件變化，在VUV波長上可導致這種材料的可測量特性的相當大且易檢測的變化。VUV光子被大多數形式的物質強烈吸收這一事實妨礙了簡單地擴展或修改常規的波長較長的光學度量設備以促進在VUV中的操作。當前的工具被設計為在標準大氣條件下操作，并且除了缺乏其他以外，一般還缺乏在這些較短波長上操作所需的受控環境。VUV輻射被O2和H2O分子都強烈吸收，從而這些種類的物質必須被保持在相當低的水平，以允許VUV光子透射經過儀器的光路。為了更好地說明這一點，在圖1中以光子波長的函數的方式繪出了經過IOOcm路徑長度的標準大氣(圖線100)和包含IPPM的O2和H2O濃度級別(圖線110)的受控環境的光學透射。正如從該圖中可看到的，經過標準大氣的光子透射在低于約200nm的波長處陡降。常規光學儀器不僅是打算在標準大氣條件中工作的，而且它們一般采用使得它們不適合于VUV操作的一批光學元件和設計。為了利用反射計實現可重復性高的結果，希望提供這樣一種裝置，通過該裝置，反射率數據可以參考相對標準或與相對標準相比較。這樣一來，可正確考慮發生在首次校準系統的初始時間和執行樣本測量的之后的時間之間的系統變化。在較長的波長上，這種變化中通常是源的光譜輸出的強度變化占優勢。但是，當在VUV波長上工作時，環境條件的變化(即光路的環境中的吸光物類的濃度的變化)可能扮演重要得多的角色。從而，常規的波長較長的系統未能針對解決吸光環境對測量過程的重大影響。為了確保獲得精確且可重復的反射率數據，希望不僅提供控制包含光路的環境的裝置，而且還確保在校準、測量和參考過程的所有方面期間都正確考慮到確實發生的吸光作用。從而，希望提供一種具有受控環境的光學度量工具，其被設計為在VUV波長上以及低于VUV波長的波長上操作。此外，為了確保獲得精確且可重復的結果，希望所述設計結合健壯的參考方法，這種參考方法起的作用是減少或完全去除由受控環境的變化所引入的誤差。在圖2中給出了示出本發明的一個實施例的光學反射計度量工具200的示意圖。如圖所示，源210、光束調節模塊220、光學器件(未示出)、分光計230和檢測器240被包含在環境受控的儀器腔202內。樣本250、附加光學器件260、機動臺270 (其可包括可任選的去吸器(desorber))被容納在單獨的環境受控的樣本腔204中，以便能夠在不污染儀器腔環境質量的情況下加載和卸載樣本。儀器腔和樣本腔經由可控耦合機構206相互連接，所述耦合機構206允許發生光子傳送，并且如果需要的話還允許發生氣體交換。例如，耦合機構206可以是光學窗口，可以是在需要光學透射路徑時打開的閘式閥，或者可以是適當地允許光路被耦合在兩個腔之間的其他機構。這樣一來，提供了儀器腔和樣本腔之間的光路。此外，位于受控環境外部的處理器290可被用于分析測得的數據。將會意識到，處理器290可以是可以對收集到的數據提供適當的數據處理和/或存儲的多種計算裝置中的任何一種。
雖然在圖2中未明確示出，但是要注意，系統還可配備有自動設備和其他相關的 機械化組件，以幫助以自動方式加載和卸載樣本，從而進一步增大測量吞吐量。此外，正如 本領域中已知的，還可結合樣本腔而使用負載固定腔，以改善環境控制，并增大系統交換樣 本的吞吐量。在操作中，來自源210通過光束調節模塊220被修改，并且經由輸送光學器件通過耦合機構窗口 206被定向和聚焦在容納在樣本腔204中的樣本250上。從樣本反射的光傳 播回來，經過耦合機構206，被收集光學器件所捕捉，并被聚焦到分光計230的入射平面上。 正如下文中更詳細討論的，在一個實施例中，分光計230可以是成像分光計。此類分光計一 般配備有某種形式的多元件檢測器240 (例如陣列檢測器)，以使得它能夠同時收集某個范 圍中的多個數據點。設備的整個光路被保持在受控環境內，所述受控環境的作用是去除吸 光物類并允許VUV光子透射。根據所需要的最低操作波長，可通過向儀器腔和樣本腔引入 諸如高純度氮、氬、或氦之類的非吸光性的凈化氣體，和/或通過經由真空進行抽空，從而 利用凈化或真空系統280產生受控環境。如果使用高純度凈化氣體，則耦合機構206可由 MgF2窗口構成，而如果是被抽空的，則可采用機械閘式閥。其他可能的合適的窗口材料包括 熔凝硅石、摻雜了氟的熔凝硅石、石英、CaF, SrF, BaF, MgF2, LaF和LiF。將會意識到，通過 利用抽空技術和機械閘式閥的組合，可進一步減少光子吸收。在本發明的一個實施例中，VUV源210是長鼻突型氘(D2)燈，例如由日本的 Hamamatsu制造的L7293型。這種源是寬帶VUV源，并且將成熟的弧光燈技術與氟化鎂 (MgF2)窗口相組合，以提供低至約115nm的連續發射(見圖3的圖線300)。但是該窗口可 由多種VUV材料構成，包括熔凝硅石、摻雜了氟的熔凝硅石、石英、CaF, SrF, BaF, MgF2, LaF 和LiF。燈的突出式設計提供了良好的方向性，從而使得能夠將VUV光子有效地耦合到反射 計光學系統中。D2弧光燈的特征在于高穩定性、高亮度和長壽命，從而使它們非常適合于要 求嚴苛的半導體度量應用。本發明的備選實施例可結合多種其他VUV源，包括但不限于窄 帶源和無窗口釋放源，其可發射低至115nm及以下的光子。例如，無窗口源可以是差動抽吸 式釋放源。從而，這里提供的系統和技術對于低端VUV(或更低)應用尤其有用。再次參考圖2，光束調節模塊220允許空間和/或光譜過濾元件修改源光束的屬 性。雖然一般可能不需要此功能，但是可能出現認為該功能有利的應用。示例可包括通過使 用孔隙來修改源光束的空間或時間相干性，或引入“日盲(solar blind)”濾光器以防止波 長較長的光通過可能出現在光束路徑中的各種光學表面處的散射機構而生成偽VUV信號。 在設備的一個特定實施例中，“日盲”濾光器是來自ActonResearch公司的VUV濾光器，其典 型反射屬性在圖4中示出，其中圖線400用于Acton Research部件號120-VBB濾光器，圖 線410用于Acton Research部件號170-VBB濾光器。在圖5中提供了光學反射計度量工具500的一個實施例的更詳細的圖，其中更詳 細示出了包括設備的測量和參考通道的光學器件。雖然未示出，但是將會意識到，光學反射 計度量工具可包括圖2所示的組件，例如凈化或真空系統280、處理器290、臺270等等。如 圖5所示，在儀器腔502中可提供源510、分光計530和陣列檢測器540。樣本腔504通過 耦合機構(未示出)耦合到儀器腔502。再次參考圖5，將描述樣本測量的光路?？梢钥闯?，來自源510的光被鏡1調準并 定向為朝向光束分離器1，在這里源光束被分離成樣本光束和參考光束成分(一般分別由光束508和506表示)。樣本光束508從光束分離器1反射到平面鏡5，在這里它被重新定 向為朝向鏡2。在這里，光被向下聚焦(進入該圖的平面中)到樣本550上。從樣本550反 射的光(從該圖的平面向外)被調準光學器件(鏡3)所捕捉，在這里它通過光束分離器2 被定向為朝向聚焦光學器件，即鏡4。在這里光隨后被聚焦到分光計530的入射平面上。在 樣本的測量期間，快門1和2是打開的，而快門3保持關閉。在一個實施例中，鏡1、鏡2、鏡3和鏡4是偏軸拋物面反射鏡；其示例在圖6中被 示為偏軸鏡600。這些鏡最好在其制造之后被用常規技術拋光，然后被覆蓋上某種形式的 寬帶反射性涂層610，比如AVMgF2 (某些制造商可直接將鋁和MgF2層重疊著實現在鏡上， 或者其他材料的薄層可位于鋁層之下或之上)。后拋光通過使由于菱形車削假象(diamond turning artifact)產生的問題達到最小限度，從而改善了鏡的成像屬性。寬帶涂層610 被定制為提高VUV中的鏡反射屬性。尤其適合于用作涂層610的涂層的示例是由Acton Research公司生產的。圖7示出Acton Research公司生產的涂層#1000、#1200和#1600 的反射率圖線(分別是圖線700、710和720)。對于在較短波長上工作的情況，其他像單質 銥這樣的涂層可能更合適。雖然其他類型的鏡也可被結合到系統中，但是使用偏軸拋物面反射鏡使得能夠用 近法向入射照射/收集來獲得反射率數據，從而產生了許多益處。這些優點包括簡化了 隨后的測量數據分析，這是因為極化作用可被忽略；在樣本上產生了對稱的測量區域照射； 使得利用較大的入射角時遇到的樣本平面處的散射作用達到最低限度；以及促進了緊湊的 系統設計，這對于集成和/或線上度量應用來說是很重要的考慮因素。此外，某些光學測量 本身就可能受益于近法向配置的使用。典型示例包括但不限于利用散射方法和對光子掩膜 的穿透表膜測量來對高縱橫比特征進行的尺寸表征。例如，正如圖8所示的和本領域已知 的，半導體光刻掩膜襯底800可具有一個或多個膜810，這些膜被表膜820所保護。對一個 (或多個)膜810的穿透表膜測量可以受益于近法向配置。偏軸拋物面鏡通常是由不同光學器件制造商所生產的；它們本身易于獲得且相對 便宜。就集成和對準而言，它們提供了較大的自由度，并且與用于類似應用的曲面鏡相比， 它們不會遭受同樣程度的散光。在本發明的一個尤其有用的實施例中，偏軸拋物面鏡被設計成使得偏軸角(在圖 6中表示為Θ)等于90°。這種布置提供了相當大的靈活性，并且更不易受較短波長上的 散射影響(所涉及的入射角較小的結果)。靈活性產生于以下事實一個這種光學器件繞 與光學器件的中心光線軸平行的軸的旋轉映射出二維圖案(即圓)，這與處理其他偏軸角 的光學器件的三維圖案(即錐體)相反。此特定幾何配置提供了許多系統增強的可能性和 優點。這種增強的一個示例是使得能夠將多個源結合到系統中。其他源可被放置在圍繞 與光學器件的中心光線軸垂直的軸的適當位置處。為了選擇另一個源，只需要使光學器件 繞軸旋轉。這種布置的另一個優點將會實現在儀器的初始對準階段。利用法向入射配置使 得能夠簡單地確定工具的照射和收集臂上的正確對準，這是因為，從它們會聚焦到與中心 聚焦相垂直的表面這個意義上來說，它們將會在軸上工作。這導致了更好的斑點清晰度，從 而導致了更好的整體成像性能。 再次返回圖5，一旦光進入分光計530，它就被平面鏡531反射，被聚焦鏡532調準，并且入射在衍射光柵533上。被光柵衍射的光中的某個部分被第二聚焦鏡534收集，并 且聚焦到對VUV敏感的陣列檢測器540的表面上。正如本領域中已知的，從衍射光柵反射 的光變成在空間上間隔跨檢測器的寬度的波長。注意，在該特定實施例中，分光計內的所有 光學器件也都被涂覆上了諸如AVMgF2之類的寬帶反射性涂層，以提高其效率。理想情況 下，分光計是成像分光計，這種成像分光計是以這樣一種方式來設計的它在大面積平面場 中提供無散光成像，就像Chromex Instruments制造的250is/sm的情況那樣(另見美國專 利No. 4932768)。這種分光計通常允許寬范圍的多個波長同時離開分光計，以被檢測器元件 所檢測(這與某些類型的嘗試將出射光限制到單個波長的分光計相反)。通常，這種分光計 利用固定衍射光柵，這是因為不需要可移動衍射光柵來生成變化的波長上的數據。成像分 光計可以與陣列檢測器結合使用，以便離開分光計的多個波長可散布在陣列檢測器的寬度 上。從而，跨檢測器的寬度的列被提供以不同波長的光。成像分光計的內部元件可被設計 成使得多個波長被充分分辨，以便陣列檢測器可精確地獲得各種波長的數據。此外，如果衍射光柵是全息離子蝕刻型的，以便使由于在短波長上散射的光而產 生的漫射光最少，則將會是有利的。本發明的備選實施例也可結合其他類型的VUV分光計， 包括比如法國的Jobin-Yvon制造的那種非周期性曲面光柵配置，比如加拿大的Resonance 有限公司制造的那種羅蘭環配置，或者比如美國的Catalina Scientific公司制造的那種 小階梯光柵配置。此外，所使用的衍射光柵不需要是可移動的，而是更寧愿被實現為固定衍 射光柵。雖然對于本發明可使用任何數目的對VUV敏感的陣列檢測器，但是希望使用這樣 一種檢測器，它提供VUV光子的高效轉換，同時提供寬動態范圍。背面稀疏、背面照射、未經 涂覆的電荷耦合器件(CCD)尤其適合于此應用，這是因為它們提供了高度靈敏性，并且避 免了由于多晶硅柵區域中的VUV光子吸收而引起的損耗，而這種多聚硅柵區域中的VUV光 子吸收正是這種器件的涂覆磷的、正面照射的對應物所遇到的。一般預期，與那些處理抗反 射層的器件相比，未經涂覆的器件在寬波長范圍上的性能較好?？梢允褂玫牧硪环N類型的 陣列檢測器是耦合到標準CCD或光敏二極管(PDA)的微通道板狀檢測器。適合于此應用的 微通道板狀檢測器的一個示例是由美國的Burle Industries有限公司制造的?；蛘?，如 果正面照射的CXD或光敏二極管陣列配備有以下這樣的磷涂層，則可獨立使用正面照射的 CCD或光敏二極管陣列這種磷涂層吸收短波長光子并重新發射較長波長光子，這些較長 波長的光子隨后可被器件有效地收集。陣列檢測器540的另一個方面是它可被冷卻到低溫(低于0°C )，以降低暗計數 (即由于熱而生成的載體)，在低光子級別占優勢的情況下，這種暗計數會掩蔽測得的信號 并且會不利地影響系統精度。為了冷卻檢測器，必須將其封裝在密封腔中，以防止可冷凝物 類累積在設備上。這通常是通過將設備安裝在用MgF2窗口密封的真空腔中以防止VUV光 子通過，從而實現的。為了在較短波長上(一般低于約115nm，這是MgF2的透射截止點)工 作，可去除保護性窗口，這是因為受控環境可能是由真空形成的，而不是由非吸光性凈化氣 體形成的。尤其適合的檢測器(DV-420-BN型)是由北愛爾蘭的AndorTechnology制造的。 此特定檢測器是寬度為26. 6mm、高度為6. 7mm的陣列檢測器。這種檢測器是由排列成行和 列的像素陣列形成的。在該示例中，典型像素的寬度和高度可為26微米，雖然具有更小的 10微米量級上的分辨率的檢測器一般也是可獲得的。
為了幫助在帶圖案的樣本上選擇離散的測量位置，可采用光學照相機系統565(即照相機加必要的聚焦元件)。雖然有許多種將這種系統集成到反射計配置中的方 式，但一種可能的方法是用它來捕捉經過樣本通道508并且從光束分離器2反射的光束。當 以這種方式使用時，照相機系統565可被用于在樣本光束508處于使用狀態時(即當快門1 打開時)的任何時間收集圖像?；蛘?，可向照相機系統添加內翻式鏡，以暫時將樣本光束的 一部分(在從樣本反射之后)重新定向到照相機。最后，還可以選擇將單獨的照射和/或 收集光學器件引入反射計中，以獲取圖像并定位樣本上的特定特征。結合基于陣列的檢測器使用成像光譜儀，使得與利用常規掃描單色儀和單個元件 檢測器布置的情況相比，能夠更快且更精確地收集整個光譜(這是因為缺少移動部件)。此 夕卜，它實現了高質量成像反射法，從而允許來自樣本上的小區域的數據易被收集和從空間 上分辨。這允許了在實際的帶圖案的產品樣本上執行測量，而不是只在覆蓋型“測試”襯底 或晶片上執行測量。實際上，成像光學器件和高靈敏度的檢測系統的組合使得能夠在局部 區域內的一系列部位同時執行多個測量。圖9示出了實現這種多測量的方式。這些技術利用了所選擇的作為二維陣列檢測 器的檢測器。從而，例如，對于圖5，陣列檢測器540可以是二維陣列檢測器。圖9的左側給 出了帶圖案的樣本50的一部分，其中形成了四個矩形結構900。例如，這種結構900可形成 在半導體襯底上，例如帶圖案的多晶硅襯底結構、金屬結構或形成在半導體晶片上的其他 結構。結構900可被半導體襯底的不帶圖案的區域所圍繞(將會意識到所示結構只是說明 性的，用于幫助理解本發明，而正如這里所說明的，樣本的某些部分或結構可能經歷同時的 多個測量)。疊加在樣本的中間兩個特征上的是垂直矩形920，其限定被成像到分光計的入 射狹縫上的空間區域。雖然實際上可能會照射樣本上的大得多的區域，但是只有從指定區 域反射的光才會被分光計收集，從而被檢測器記錄。此區域的寬度和高度是分光計入射狹 縫的狹縫寬度930和狹縫高度940結合所選擇的支持性收集和照射光學器件的函數。典型 狹縫的可具有20-30微米量級的寬度，以及1厘米量級的高度。如圖9的示例中所示，樣本 和狹縫可被視為由行和列形成(行是從頁左到頁右，例如行950，列是從頁頂到頁底)。來自 樣本的經過分光計的入射狹縫的信息隨后被衍射光柵衍射，然后被提供到陣列檢測器。樣 本的行信息從物理上映射到檢測器的行，但是列信息卻不是如此，這是因為衍射光柵分散 列信息，以使得源自所有列的給定波長成分將會映射到檢測器上的單個列。結果，與樣本上 的不同垂直位置(即行)相對應的數據被成像到檢測器的不同垂直位置(行)上。由于檢測器是由一系列像素行(通常是256、512或1024行)構成的，因此每行像 素將會記錄與帶圖案的樣本上的不同離散位置相對應的數據。這一點在圖9的右側示出， 其給出了從樣本550上的五個不同行部位950收集到的反射率光譜圖線960。從而，對于樣 本信息的任何給定行部位950，可獲得某個范圍的波長的光譜圖線。此外，陣列檢測器可同 時收集來自多個不同行部位950的信息。從而，可同時收集多個波長以及多個行部位的數 據?？蓹z測到的樣本部分的各行的分辨率依賴于陣列檢測器中使用的像素高度。通過選擇 和/或調整收集和照射光學器件、入射狹縫寬度和檢測器像素組合(binning)配置，可實現 各種大小的一系列測量部位。這樣一來，樣本的二維區域可被光路照射，并且來自二維區域 的數據可被記錄在二維陣列檢測器上。如圖9的光譜圖線960所示，這種技術可被用來表 征樣本結構900和/或區分樣本結構900和樣本不帶圖案的區域。此外，雖然狹縫寬度被示為只將給定行映射到樣本結構900上，但是樣本也可被移動(在圖中左右移動)，以便狹縫寬度的給定行與帶圖案的區域和不帶圖案的區域都交疊，從而提供的數據指示兩個區域 的組合。同是收集來自給定局部區域內的多個離散位置的數據的能力提供了測量吞吐量 方面的優點，這是因為常規儀器中每個部位的測量時間中的一大部分產生于樣本放置(即 將樣本部位精確調整和定位到測量位置中)。此外，這種獨特的能力在對間隔較近的部位之 間的比較測量感興趣的應用中也是有用的。典型示例包括但不限于與化學機械拋光應用相 關的凹陷和腐蝕研究。從而，不是結合樣本移動執行多個單獨的測量，而是單個測量就可返 回與樣本的二維區域中的多個位置相關的數據。將會意識到，在這種技術中，光學元件(例 如鏡、光束分離器等)的質量應當是這樣的與不利用二維測量的應用相比，提供較大的無 失真區域。從而，在一個實施例中，這里所提供的光學VUV反射計系統也可表征為二維反射 計系統。將會意識到，這種二維數據收集的許多用途將與上述照相機元件一起被利用，以便 可發生對被分析的二維樣本區域的圖案識別。這里所描述的系統和技術尤其有利于用在需要高速測量的應用中。除了獲得來自 給定局部區域內的多個離散位置的數據的能力之外，還可在不需要利用可移動衍射光柵的 緩慢的步進掃描技術的情況下獲得這些測量。作為早前討論的吸光問題的結果，小環境擾動可大大影響VUV波長上的測得數 據。因此，需要提供一種裝置，這種裝置能夠在短時間段中執行測量，以便使由測量過程期 間發生的環境變化導致的有害作用達到最小限度。此外，需要提供一種裝置，通過這種裝 置，可以使測得的數據參考已知標準，以便進行數據歸一化。此外，提供參考的裝置應當用 于進一步最小化和/或完全消除發生在校準測量結束和后續樣本測量開始之間的改變數 據的環境變化所引起的誤差。為了確保系統(即源的輸出、環境條件等等)中的變化被正確考慮到并且不會導 致不精確的數據，參考是有必要的。雖然對于確保任何波長段中的反射法結果的穩定性都 是必要的，但當在VUV中操作時，參考更加重要，這是因為可用光子通量更低，并且所記錄 的數據對于光路中包含的氣態介質的成分的敏感度更高。再次參考圖5，在這里所描述的VUV裝置中，數據參考是通過使用參考光束通道 506來完成的。正如這里更詳細描述的，希望參考光束通道與源光束通道508相平衡(或與 源光束通道508具有相同的光束長度)。此參考光束通道506在圖5中示出，它是當源光束 被分離成樣本和參考成分時在光束分離器1處產生的。此光束透射經過光束分離器，并被 鏡6、7和8反射，然后被鏡9反射。然后光束被光束分離器2反射，之后沿著與先前針對樣 本光束通道508描述的路徑相同的路徑去到檢測器。可控孔隙可被用來選擇性地啟用或禁 用參考光束通道和樣本光束通道。例如，孔隙可從可控光快門形成。在參考測量期間，快門 1被關閉，而快門2和快門3保持打開。對于本領域的技術人員將會顯而易見的是，如果樣本和參考光束從光束分離器1到光束分離器2傳播過的光路被精確調整以便它們的長度幾乎相等，則它們形成接近平衡 的Mach-Zehnder干涉計的兩臂。還易看出的是，存在許多結合了其他干涉計設計以實現此 目的的其他等同布置。一個這種備選實施例的示例在圖10中示出，其中Michelson干涉計 被結合到了設計中。雖然未示出，圖2或5的系統的其他元件，例如耦合機構、照相機、凈化或真空系統、處理器等等也可與圖10的系統的使用相結合。在圖10的布置中，來自源 1010的光被鏡1調準，并且被定向為朝向光束分離器1020，在這里樣本光束1030和參考光 束1040被分割。樣本光束1030傳播經過快門1，并且被偏軸拋物面反射鏡(鏡2)聚焦到 樣本1050上。來自樣本的光被相同的光學器件捕捉，并沿其原始路徑傳播回去。然后光束 傳播經過光束分離器1020，并被另一偏軸拋物面反射鏡(鏡3)聚焦到分光計1070的入射 狹縫1060上，最后被定向為朝向陣列檢測器1080。在樣本測量期間，快門1和2是打開的， 而快門3保持關閉。 在參考測量期間，參考光束1040經過光束分離器1020和快門3，然后它被鏡4沿 其路徑反射回去。然后它以與樣本光束類似的方式被光束分離器1020反射并被聚焦取分 光計1070的入射狹縫1060上。在參考測量期間，快門2和3是打開的，而快門1保持關閉。這些參考配置的益處可描述如下。因為由吸光性大氣物類引起的VUV光子衰減是 光路長度的功能(路徑越長，就遇到越多的吸光性分子)，并且由于此相關性是非線性的， 因此如果每個光束要遇到類似的衰減作用，則樣本和參考臂的長度應當基本相同。如果不 是這樣，并且臂具有不同的長度，則校準測量之后的任何時間獲得的數據只有在環境中的 吸光性物類的濃度與執行校準測量時存在的濃度精確相等時才是精確的。由于要確保此條 件幾乎是不可能的，因此除非樣本和參考路徑長度相等，否則要獲得精確結果的可能性很 低。正如下文中更詳細描述的，提供參考光束允許了獲得指示光學反射計系統條件的 測量。例如，光學反射計系統內吸光性氣體的存在可能嚴重影響從特定樣本獲得的數據。參 考光束通道提供了指示環境或其他系統條件的機制。于是從參考通道獲得的數據可被用來 調整或校正從樣本獲得的數據。從而，使用參考光束來提供指示光路的環境條件的機制允 許了根據從光學度量系統獲得的數據進行計算的精確度提高。此外，使用參考光束可允許 在寬范圍的環境條件上獲得合適的樣本數據，從而減輕了環境標準，對于波長較短的測量 尤其如此。除了確保獲得高度精確的反射率數據外，參考通道配置還提供了多個其他直接益 處。首先，參考方案擴展了能夠獲得可靠且精確的數據的可接受的環境操作條件的范圍。很 簡單，只要吸光性物類的濃度低到足以允許可測量的一部分VUV光子離開源、被樣本反射 并到達檢測器，就可執行精確的測量。這降低了對受控環境的要求，并使得能夠在更寬范圍 的條件上進行數據收集。從根本上來說，參考方法使得能夠在寬范圍的適當環境(而不是 可再現)環境上執行精確測量。同樣，這里所描述的干涉計方法不僅平衡了通道的路徑長 度，而且還起到了平衡檢測器所看到的頻譜強度分布的作用。這是很重要的，因為它允許了 較長的集成時間，并幫助減輕了檢測器所固有的任何非線性作用。在本發明的另一個實施例中，除了樣本本身以外，幾乎所有光學元件都被容納在 儀器腔內。圖11中示出了此配置，它大大降低了對樣本腔的空間要求，從而使得它很適合 于集成過程控制應用。如圖11所示，提供了光學反射計度量工具1100。在儀器腔1102內 提供了源1110、分光計1170和陣列檢測器1180。在儀器腔內還提供了樣本光束路徑和參 考路徑的所有光學元件。從而，鏡1-6和快門1-3都位于儀器腔1102內。鏡2將光束向下 (進入該圖的平面中)聚焦，經過耦合機構1106進入樣本腔1104中。然后，樣本光束從樣 本1150向上(從該圖的平面向外)傳播，經過耦合機構到鏡3。如圖11所示，參考光束路徑經過兩個耦合機構1105A(例如窗口或閘式閥)，這兩個耦合機構1105A將參考光束從儀 器腔1102耦合到樣本腔1104中，然后返回儀器腔1102中。這樣一來，參考光束經歷了樣本 腔的環境，就像樣本光束一樣。理想情況下，參考光束在樣本腔1104中傳播的距離將會匹 配樣本光束在樣本腔中傳播的距離。此外，將會注意到，就像樣本光束一樣，參考光束經過 一個耦合機構兩次。從而，參考光束的光路被設計為嚴格模擬樣本光束的情況。這樣一來， 參考光束和樣本光束的光路不僅整體上類似，而且就在儀器腔和樣本腔中路徑來說也是類 似的。將會意識到，圖11所示的耦合機構的路徑和布置是示例性的，可在仍實現這里所描 述的益處的同時利用其它的路徑和布置。圖11a示出了圖11的包含鏡2和3的儀器腔1102、耦合機構1106以及包含樣本 1150的樣本腔1104的布置。如圖11a所示，樣本光束1107和參考光束1109傳播經過樣本 腔1104。將會意識到，雖然可能不那么合乎需要，但系統可被配置成使得參考光束不經過 樣本腔。這種配置例如可用于，就初始校準時間和之后的樣本測量時間而言，樣本光束在樣 本腔中傳播的路徑長度充分小并且樣本腔中的吸光性物類的濃度充分受控之時，從而這種 配置所引入的誤差在可接受的誤差容限內。在這種情況下，參考光束可被配置為使得參考 光束和樣本光束在儀器腔中都傳播相同的光學距離。由于參考光束僅在儀器腔中傳播，總 光束路徑因此將會不同。這樣一來，兩個光束經歷的環境仍一般性地匹配(除了樣本腔中 的路徑長度外)。在樣本腔被用高質量非吸光性氣體凈化或它被用高真空設備抽空的情況 下，可實現這種條件。圖11和圖11a的系統可被用作獨立的工具，或者可以與另一個過程工具相集成。 在一個實施例中，圖11a的系統可以僅僅被用某個機構附接到過程工具，該機構允許在過 程工具和度量工具樣本腔之間傳輸樣本。但是，圖lib示出了用于將光學反射計度量工具 與過程工具相集成的另一種方式。如圖lib所示，儀器腔1102被耦合到耦合機構1106。耦 合機構1106例如可以是窗口。在該情況下，耦合機構1106可以是形成在過程工具1105上 的閘式閥，或者允許過程工具1105的環境與樣本腔1104共享的某個其他機構。如圖1 lb所 示，樣本1150不需要離開過程工具的環境，相反樣本1150可被包含在過程工具的區域1175 內。區域1175可以是處理腔、傳輸區域或過程工具內的其他區域。在圖示示例中，當耦合 機構1106(例如閘式閥)打開時，區域1175和樣本腔1104之間的環境被共享(注意雖然 被稱為樣本腔，但樣本腔1104不接收樣本，而是具有與包含樣本的區域共享的環境)。或 者，打開耦合機構可被視為從效果上而言擴展了樣本腔1104以包括區域1175。這樣一來， 在區域1175和樣本腔1104之間，諸如吸光物類的濃度之類的環境條件可能是類似的。參 考光束1109和樣本光束1107的光束路徑再一次可被設計為在區域1175和樣本腔1104的 公共環境內具有類似的長度。圖lib的機構的有利之處同樣在于可通過提供諸如閘式閥這 樣的單個簡單耦合機構來利用樣本工具完成集成。如上所述，如果區域1175內的環境可被 嚴格控制，則可以在可接受的誤差容限內實現測量，而無需在樣本腔和區域1175之間共享 環境。在這種情況下，耦合機構1106可以是窗口，而度量工具將會不需要樣本腔1104。圖lib的過程工具1105可以是任何類型的樣本處理機構，例如淀積過程工具、蝕 刻過程工具、光刻過程工具、平面化(planarization)過程工具等等。在該布置中，樣本將 被包含在過程工具1105內。過程工具可包含位于可被經過耦合機構1106的光束所觸及的 光路中的樣本。樣本可位于專供度量測量使用的過程工具樣本腔中，或者可位于過程工具的某個其他區域內。在圖lib的配置中，光學反射計度量工具1100從而可以是單獨附加單 元，該單元由儀器腔1102 (和相關聯的元件)構成，該儀器腔1102可連接到具有耦合機構 1106的過程工具1105。圖lib的配置的有利之處在于光學度量工具容易適應于用于多種 過程工具，這是因為過程工具制造只需要在過程工具上提供耦合機構，而無需要在工具本 身內結合重要的度量元件。利用圖ll、lla和lib的配置，相對于儀器腔內所包含的光路長度，樣本腔內的光 路長度可能相當短。在優選實施例中，樣本腔中的光路可以短到在微米范圍內?；蛘?，為了 易于設計過程工具，路徑可以長到數百厘米范圍內。但是，光路越長，就越需要使吸光性特 征的存在達到最小限度，從而增大了對樣本腔施加的環境要求。如果利用短光路，則對樣本 腔環境質量的要求降低，從而降低了穩定時間并增加和樣本吞吐量。另一個益處是，與光學 表面位于樣本腔的循環環境中的情況相比，容納在被持續維護的儀器腔內的光學表面不易 受到污染影響。雖然在圖11中沒有明確示出，但是暗示了不論通過對樣本腔本身的明智設 計、還是通過某種其他的調整或定位樣本或者樣本和儀器腔之間的一個或多個耦合機構的 手段，參考和樣本光束的光路長度都是接近相等的。圖ll、lla和lib示出了對尺寸減小的 樣本腔的使用。將會再次意識到，圖2、5、ll、lla和/或lib的系統的其他特征和元件可彼 此互換，即使圖中并未示出這種特征或元件的全部。從而，例如，圖11的光學反射計度量工 具可利用照相機、凈化或真空系統、處理器、Michelson干涉計設計等，并且將會意識到，在 任何特定圖中示出的系統并不限于僅用于所示出的那些元件或所示出的元件布置。設備中采用的光束分離器可以具有各種設計。例如，光束分離器可以是遮掩整個 光束直徑的部分透射性光束分離器，或者是遮掩整個光束直徑的某個部分的完全反射鏡。 如果需要在115nm以上的波長上操作并且VUV光子通量充足，則可利用采用MgF2襯底的常 規薄膜干涉光束分離器。尤其合適于此應用的光束分離器是由Acton Research公司制造 的(VUVBS-45-MF-2D型)。此光束分離器的典型反射率和透射率屬性在圖13中呈現為圖線 1310和1320。圖線1310和1320分別示出作為波長函數的45°處的百分比反射率和45° 處的百分比透射率。如果需要在低于115nm的波長上操作，或者如果光子級別足夠低，則可 使用空間光束分離器(對分光路的完全反射鏡)或內翻式鏡方法(利用內翻式鏡替換光束 分離器1和2并去除快門1和2)。鏡6、7和8提供了一種調整參考臂中的路徑長度以便它與參考臂中的路徑長度嚴 格平行的手段，例如圖5所示的那樣。本領域的技術人員將會意識到，存在許多完成此目的 的備選手段。例如，可使用圖11所示的配置，其中不存在鏡7和8。與這種做法相關聯的 益處在進行圖14的檢查時變得顯而易見，其中對于不同的路徑長度差異和02和吐0污染物 濃度(以PPM為單位)繪出了樣本臂和參考臂之間的吸光率差異。圖14繪出了從校準系 統的初始時間到測量未知樣本的之后的時間的污染物濃度差異與儀器的樣本通道和參考 通道的路徑長度的差異之間的關系。圖線1410、1420和1430對應于對于特定的一組濃度 和路徑長度差異，在測得的反射率數據中將會引入的0.01%、0. 10%和的絕對誤差線。 從而，例如，點1445示出，如果測量校準樣本的時間和測量樣本測量的時間之間的濃度差 異在1. 0E+01到1. 0E+02之間，并且路徑長度差異約為0. 01厘米，則會導致0. 01%的近似 絕對誤差。將會意識到，圖14是用于證明這里所描述的原理的典型曲線圖。例如，圖14中 的曲線圖假設02和H20同時變化(即，10PPM的濃度差異對應于02的10PPM變化和H20的10PPM變化)。此外，將會意識到，可能存在其他的作為吸光性物類的污染物。此外，雖然圖 14給出145nm波長上的數據，但是其他波長也會類似地反映這里所描述的概念。從而，如果特定應用要求誤差被保持在0. 以下，并且如果可以預期在初始校準 和最終樣本測量時間之間樣本腔中的吸光性物類的濃度將會在100PPM的量級上變化，則 如圖14所反映的，可計算最大路徑長度差異。在所給出的示例中，這種路徑長度差異可以 小于約0. 025cm。如果所預期的濃度差異越大，則可接受的路徑長度差異將會減小。類似地， 如果誤差必須被保持得更低，則可接受的路徑長度差異(對于給定的濃度差異)必須更低。 注意，這些效果高度依賴于環境中的吸光性物類的存在性，并且對于給定路徑長度差異，吸 光率差異會隨著環境惡化而非線性增大。雖然不同應用可以承受不同程度的非精確性，但是可能在許多應用中，一般寧愿 將這種誤差保持在低于0. 1%，而在許多情況下保持在0.01%以下或更低。可能遇到的濃 度差異的范圍很大程度上將會依賴于如何設計和使用儀器。例如，獨立系統可被設計成與 充分的凈化和/或真空控制一起使用，以便濃度差異可能被保持在非常低的級別(在一位 數PPM的級別)，而在度量儀器被附接到其他過程工具的集成應用(例如參考圖lib所描述 的，從而樣本腔的某個部分位于其他過程工具內)中，則可能無法控制差異。在樣本測量和參考測量兩者期間，以上參考圖5、10或11描述的實施例的快門2 起精確控制測量持續時間的作用，而測量持續時間直接影響所測得的數據的精確度。這樣， 快門2最好是可以在毫秒時間等級上被精確控制的高速電子快門。這種快門的一個示例是 由美國的Thermo Oriel制造的76994型?？扉T2還起到防止來自源的光到達儀器中的光 學表面的作用，以便防止由于暴露到來自源的光的時間延長而導致的這些表面的變化。注意到以下這點是很重要的利用這里給出的設計，來自樣本通道和參考通道的 信號都是用分光計內的衍射光柵的相同區域來分散的，并且都是用公共的檢測器來記錄 的。這幫助了避免由于光柵的局部性能差異和多個檢測器之間的響應差異而導致的不精確 性。此外，希望存在這樣一種手段，其調整或調節樣本光束和參考光束進入分光計的 角度，以便兩個光束相一致。兩個光束的入射角之間的差異可能導致復雜情況，其中包括但 不限于由于不同的有效光譜分辨率(由于兩個光束“看到”不同的有效狹縫寬度)而造成 的兩個信號的比率之中的假象和不需要的特征。通過使用用來支持光束分離器2的標準動 力學安裝裝置，可提供調整入射角的有效手段。本領域的技術人員將會意識到也可采用許 多其他的調整入射角的手段。如上所述，可能希望使樣本光束和參考光束的光路距離嚴格 匹配，以便獲得接近相等的光路長度。還可能希望使諸如鏡、光束分離器等光學元件的數目 和類型相匹配，以便提供具有基本上類似的特性的參考和樣本路徑。但是，由于由腔的環境 條件導致的吸收將會是主要因素，因此光路距離可能會是匹配光束路徑方面的最關鍵的因素.考慮到環境吸收所給出的挑戰，希望將設備的整體光學長度減小到盡可能小。對 此設計參考可被優化到什么程度的限制將會依賴于許多系統特性，其中包括但不限于源的 亮度和所需要的光譜分辨率。此外，減小儀器的體積以便使穩定時間和凈化儀器和/或樣 本腔所需的凈化氣體的質量達到最小限度，也是有益的?？赡茴A期，通過引入受迫循環和智 能機械設計以確保發生充分的氣體混合，可從某種程度上影響這些特性。
儀器的受控環境帶來了許多相關益處。首先，真空或高純度凈化條件的使用必然 暗示著不存在可能導致氧化物增加、碳氫化合物增多、水分吸收之類的可能的污染物。由于 尖端晶片處理技術結合了更薄的層和更小的特征，這些更薄的層和更小的特征現在相當于 和/或小于與通過污染過程無意產生的膜的厚度相關的尺寸，因此這種考慮因素變得越發 重要。在涉及越薄層的應用中，很可能通過在任選的解吸器單元(見圖2)中對樣本進行預 測量處理以便去除可能存在的污染層，從而來實現測量精度的提高。正如本領域中已知的， 這種解吸器可以通過熱處理來去除水分和諸如碳氫化合物之類的其他污染物。這種能力在 確保校準和測試材料的精度方面也將會扮演關鍵角色。受控環境的另一個益處是它將會提 供極佳的測量穩定度，這是因為儀器內的溫度和顆粒級別將受到良好控制?？赡茏⒁獾?，這里所描述的參考技術提供了超越傳統校準技術的優點，并且參考 技術可以與校準技術聯合被使用，和/或取代校準技術被使用。在傳統校準技術中，提供了 具有已知特性(例如已知反射率)的參考以便測量。然后來自已知樣本的測量被用于幫助 分析從取自未知樣本的測量所獲得的數據。但是，如果每次在對未知樣本進行測量之前都 執行校準(尤其是在對每個樣本執行多個測量時)，這種校準技術是耗時的。此外，校準本 身會引入誤差，這是因為校準樣本的質量可能隨著時間而降低(例如因為校準樣本隨時間 而變得受污染)。此外，校準樣本移動進樣本腔和移動出樣本腔會引入更多的影響數據分析 的精確度的環境變化。這里所描述的參考技術可以在沒有誤差的機械引入的情況下完成。但是，這里所提供的參考技術可以迅速地并且在對系統影響最小的情況下被執 行。從而，例如，在每次從樣本收集測量之前，可很容易地獲得參考測量。從而可獲得在時 間上接近樣本數據收集的實時數據參考，以指示度量系統的條件。此外，此參考數據可用于 調整樣本數據，這是因為系統吸光效果已被檢測到。此外，此參考數據可真實地表征系統， 而不依賴于標準樣本。此參考數據還可用于調整樣本數據，這是因為已發生了其他系統變 化(即源輸出的相似變化)。參考技術也可與傳統校準技術相結合，以更充分地表征收集到 的數據。從而，可以在某種周期性基礎上(一天一次、一周一次等等)上執行系統校準，并 且可以更頻繁地執行參考技術，例如每樣本一次或在每次從樣本取得測量之前。在圖12中，在高級別上提供了校準、參考和測量序列1200中涉及的典型步驟示 例。如步驟1202所示，校準樣本可被加載到樣本腔中，并且適當的系統狀態(例如吸光性 物類)可被確立。然后，可對已知校準樣本執行測量以便校準光學反射計系統，如步驟1204 所示。將會注意到，系統可以在此時被實際校準，或者校準數據可以僅僅被收集以被用來調 整從對未知樣本進行的測量給出的任何最終數據結果(例如通過后續軟件算法實現的調 整)。然后，如步驟1206所示，可獲得對參考通道的測量，以便表征和記錄執行校準測量時 反射計系統的狀態。將會注意，如圖所示，對參考通道的測量被示為是在對校準樣本的測量 之后執行的，但是，參考測量也可在校準測量之前被執行。但是，希望使這種測量在時間上 相對接近，以便可確定校準時的系統特性。接下來，需要分析的未知樣本被加載到樣本腔中，并且適當的系統狀態(例如吸 光性物類)可被確立，如步驟1208所示。然后，可從未知樣本獲得光學反射計測量，如步驟 1212中所示。然后，如步驟1214所示，可獲得對參考通道的測量，以便表征和記錄對未知樣 本執行測量時反射計系統的狀態。再次注意到，如圖所示，對參考通道的測量被示為是在對 未知樣本的測量之后執行的，但是，參考測量也可在未知樣本測量之前被執行。最后，如步驟1216中所示，可利用來自系統校準測量之時和樣本測量之時執行的參考測量的記錄信 息來調整樣本測量的結果。進行這些調整是為了去除由系統狀態變化導致的誤差。從而， 這樣一來，可考慮到校準之時和未知樣本測量之時吸光性物類的濃度變化。從而，參考光束 可被用于幫助表征周圍環境濃度或濃度變化，尤其是在諸如路徑長度差異之類的其他變量 是已知的或者可被精確估計的情況下。正如以下將參考圖14更詳細描述的，參考光束路徑 和樣本光束路徑之間的非零路徑長度差異的存在將會限制可能由于吸光性物類濃度變化 而進行的校正的精確度。此外，可能考慮到的變化還包括校準測量時與未知樣本測量時之 間可能存在的參考光束路徑和樣本光束路徑之間公共的系統元件的變化。例如，可能針對 源特征、共享光學器件、分光計、檢測器等的變化。這種變化可能是使用年限/壽命變化、溫 度變化、機械變化等的結果。在圖12a的流程圖中提供了校準、參考和測量序列1200中涉及的典型步驟的更詳 細示例。如步驟1205所示，具有已知反射率的校準樣本可被加載到測量位置中(例如樣本 腔內)，然后可能發生凈化和/或真空抽吸以確立適當低的吸光性物類環境濃度。然后可從 校準樣本獲得光學反射計測量，以記錄校準樣本的強度，如步驟1210所示。這種數據可被 處理器或其他計算系統保存。接下來，可計算源強度分布，如步驟1215所示。步驟1220包 括在時刻^記錄參考通道的強度。然后利用先前記錄和計算數據，可計算參考反射率，如 步驟1225中所示。接下來，可將未知樣本加載到系統中，并且再次獲得適當的吸光性物類濃度，如步 驟1230所示。然后另一個參考測量可被記錄和保存，如步驟1235所示，其中在時刻t2參考 通道的強度被記錄。然后在步驟1240中利用來自步驟1235的數據再次計算源強度分布。 源強度分布可被改寫，如步驟1245中所示。然后未知樣本的強度可被記錄，如步驟1250中 所示，并且樣本反射率可被計算，如步驟1255中所示?？衫貌襟E1260和1265的改寫方 程來計算樣本反射率。將會注意到，步驟1265的方程的指數項是針對單個腔中有兩個光束 (樣本和參考)的情況來寫的。在更復雜的兩腔情況下，它將會擴展到包括兩個指數成分， 一個用于表征第一腔中的差異，第二個用于表征第二腔中的差異。然后可對同一未知樣本或另一未知樣本執行附加測量。將會意識到，對于這種附 加參考，可能不會對每個這種測量都進行校準樣本的另一次加載和測量，相反，校準數據可 能被存儲以供再次使用，而只需要再次執行參考和未知樣本步驟。在另一個實施例中，參考 步驟的數據也可被再次使用，以使得不是對每個附加的未知樣本測量都執行附加參考。從 而，將會意識到，可以以多種方式來利用這里所描述的參考技術，而同時仍獲得參考技術的 益處中的至少某些。如圖12a的步驟1255-1265中所示，路徑長度和濃度差異的相關性被清楚示出。正 如步驟1265中也示出的，當路徑長度差異(Lsample-Lreferece)朝著零減小時，由指數相 關項導致的任何誤差都減小，這是因為當差異逼近零時，指數項逼近1。注意，這將在獨立于 濃度差異(N2-N1)的情況下發生。除了圖中所示的典型步驟外，意識到在不存在光的情況 下執行的背景測量(即在樣本和參考快門都關閉的情況下進行的測量)將會被記錄，并被 從所有后續測量中減去。由于儀器中使用的檢測器既被冷卻已受到溫度控制這一事實，不 太可能需要定期執行這種背景測量，因為預期與這種檢測器配置相關聯的背景級別是較低 的且非常穩定的。
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將會意識到，可以在不需要使用上述參考技術的情況下獲得這里所公開的光學度 量系統的優點。從而，可獨立于參考技術或與參考技術相結合地實現這里所公開的系統和 技術。此外，可以用不同于這里所公開的系統的光學度量系統或用在不同波長上操作的系 統來利用這里提供的參考技術。但是，這里所公開的參考技術和光學度量系統在被結合使 用時可能會尤其有利。雖然在圖12和12a中未示出，但是在存在相當高級別的漫射光的情況下，在數據 獲取過程期間執行額外的校正性步驟將會是有用的。漫射光是指通過散射過程在系統的光 束路徑中的光學表面處生成的光。這種光的存在最終將會導致檢測器所記錄的偽計數(即 波長不是入。的光入射到與X。相對應的像素上)。雖然這里所描述的VUV裝置已被設計 成大大減少設備內的漫射光的生成，但是在某些情況下針對這種現象進行校正仍將是有利 的。針對系統內的漫射光進行校正的一種方法涉及嘗試記錄儀器的光譜范圍之下 (即設備的較低波長截止點之下)的光。在此區域下記錄的任何信號不應當被定義為存在， 而是應該被假定為是由散射過程產生的。在擁有對這種信號的強度(作為波長的函數)的 理解的情況下，可以從儀器的光譜范圍內的同時記錄“真”信號的較長波長區域中減去適當 的“漫射光”貢獻。這里所公開的概念提供了一種VUV光學反射計度量工具。這種工具的設計簡單且 健壯，從而使其易于在VUV波長上操作。此外，該工具避免了與橢圓偏光法技術相關聯的許 多問題。例如，可以在沒有極化元件的情況下利用這里所公開的工具的技術。在橢圓偏光 法中，從樣本表面反射的光的極化狀態的變化被測量。典型的橢圓偏光法技術使用至少兩 個極化元件(一個在樣本之前的光路中，一個在樣本之后的光路中)。由于針對多個極化角 收集數據的性質，這種技術是耗時的。此外，極化元件一般是吸光性的，從而使其不適合于 低波長測量，尤其是在約140nm或更小的VUV區域中。從而，這里所描述的系統和技術(其 可在無極化元件的情況下使用)尤其有利于用于處于低端VUV區域(或更低的)波長。極 化元件的吸光性質也增大了收集充足的光以獲得測量所需要的時間。從而，可能希望提供一種反射計工具，其利用這里所公開的技術，并具有非極化光 路，以便可獲得獨立于極化的測量。這里所示的獨立于極化的技術提供了一種獨立于相位 的反射系數幅度測量。這里所公開的反射計工具一般在光路內包括多個波長，直到光路撞 擊衍射光柵，在這里波長在空間上分隔開來。傳統上，橢圓偏光法技術涉及在光路中的某點 將光源過濾為單個波長。應當注意，這里所描述的技術和工具中至少某些可適用于被稱為 極化反射法的應用。這種應用一般可使用位于樣本之前或之后的單個極化元件，以使得能 夠收集兩個可能的極化狀態之一的反射系數幅度數據。這里所公開的工具和技術與橢圓計技術相比之所以有利還因為光束相對于樣本 所需的較小的入射角。從而，例如參考圖11a所示，與通常使用70°量級的入射角的橢圓計 技術相對，利用這里所公開的技術，10°或更小，甚至4°或更小的入射角①都是可能的。 這是有利的，因為度量工具的覆蓋區更小，并且度量工具與過程的集成更簡單。例如，可以 通過使用一個耦合機構，而不是需要多個耦合機構，來將這里所公開的度量工具與過程工 具相集成。一旦光譜反射率數據被檢測器所記錄，它就被發送到圖1所示的處理器單元，在
25這里它隨后經由解析算法被簡縮。這些算法一般使光學數據(例如反射率)與樣本的其他 屬性相聯系，然后樣本的其他屬性可被測量和/或記錄。如果樣本由襯底1510上的薄膜 1505 (或薄膜疊層)構成，則情況可如圖15所示，并且相關聯的樣本屬性可包括以下的量 例如但不限于膜厚度、復折射率、組成成分、孔隙度和表面或界面粗糙度。
數據簡縮一般是通過用某種形式的Fresnel方程結合一個或多個模型以描述構 成樣本的一個或多個材料的光學屬性，從而來完成的。根據所涉及的材料的性質，存在大量 這種模型，它們具有不同程度的適用性。常用模型包括但不限于有效中值近似(EMA)和通 常稱為“諧波振蕩器”的變化。不論數據集合簡縮時使用的特定模型為何，更大的目標一般 都是使用有效數學表達式來描述測得的數據，以便可通過迭代優化過程來獲得與樣本屬性 有關的某些參數(如上所述)。即，將測得的數據集合與利用依賴于與樣本性質相關的參數 集合的表達式計算出的數據集合相比較。通過反復調整參數值直到實現兩個數據集合之間 的充分吻合，來使測得的數據集合和計算出的數據集合之間的差異達到最小。此差異通過 是按“吻合度”參數來量化的。由于與深紫外(DUV)和可見光區域中的較長波長相比，許多材料在其光學屬性的 VUV區域中展現的結構要多得多，因此存在與這里所描述的VUV裝置所提供的數據范圍擴 展相關聯的相當大的優點，尤其是當與數據簡縮過程相關時。這一點通過圖16和圖17中提 供的示例來說明。圖16中的兩條曲線代表淀積在硅襯底上的薄( 50 A )氧化鋁(Al2O3) 層的測得的反射率光譜1610 (實線)和計算出的反射率光譜1620 (點線)。計算出的結果 是用上述數據簡縮方法獲得的。很明顯，在測得的光譜和計算出的光譜之間獲得了極佳的 吻合，從而提供了對所獲取的結果的精確度的高置信度。針對Al2O3層獲得的η和k值(分別為復折射率的實部和虛部的值)在圖17中 給出。正如從η值圖線1710和k值圖線1720中顯而易見的，DUV和可見光區域中的光學 屬性在限定結構方面揭示的東西很少，這是因為與η和k光譜相關聯的主峰都在VUV中的 較短波長上。由于擬合算法中的參數固有地與這些峰的位置、幅度和寬度相關(除了與其 他事物相關以外)，因此通過向擬合例程提供跨越感興趣的波長的實際測得數據，可大大幫 助對這種參數的精確確定。換言之，由于許多材料的光學屬性往往在VUV(而不是DUV或可 見光區域)中展現其限定結構的大部分，因此在嘗試精確確定這種屬性時，非常希望利用 此光譜區域中的測得數據。圖18示出如何利用這里所公開的VUV技術來識別和測量半導 體工藝環境中的非常薄的層。圖中的第一曲線1810對應于右側的y軸，它給出了與掩膜板 襯底上的超薄(5 A )殘余光阻層相關聯的反射率信號。第二典型180對應于左側的y軸， 它給出了與所述殘余光阻層的膜厚度的1人增加相關聯的差異信號。很明顯，差異信號的 最大變化發生在較短的VUV波長處，并且當波長接近DUV中的較長波長時，差異信號趨向于 零。圖19提供了如何使用所公開的方法來測量或監視超薄層的厚度的另一個示例。圖中 給出了三條曲線，它們對應于從由淀積在硅襯底上的氮氧化硅(SiON)的薄10 A層(曲線 1810)、薄14人層(曲線1820)和薄18人層(曲線1830)構成的樣本記錄的反射率光譜。 很明顯，光譜之間的差異同樣在較短的VUV波長處最大，并且在該情況下，在較長的DUV波 長處根本不存在。由于其涉及半導體過程控制，因此這是越來越重要的一個方面，這是因為 半導體工業正在不斷努力將越來越薄的層結合到半導體器件中。在進行圖20的檢查時進一步強調了這一點，圖12給出了作為膜厚度的函數(相對于具有13%氮的標稱10人層)的SiOQ.87NQ.13層反射率變化(相對于標稱的10 A 層)。正如從圖中顯而易見的，對于給定膜厚度變化，130nm(圖線2010)處的反射率變化比 157nm(圖線2020)或193nm(圖線2030)處所預期的大。實際上，130nm處的VUV中的變化 比起193nm處的DUV中所展現的要大7倍。圖21和圖22示出一般如何使用這里所描述的 VUV技術來監視材料或膜的組成成分。圖21給出了淀積在Si上的濃度從10%到15%的 一系列六個16人厚SiON層的反射率光譜。很明顯，區域2110是對SiON膜的組成成分變 化的靈敏度最高的區域，并且其中心約在130nm處。在圖22的檢查之后進一步強調了這一 點，圖22給出了作為膜厚度的函數(相對于標稱10人層)的SiON層反射率變化(相對于 具有10%氮的標稱10人層)。正如從圖中顯而易見的，對于給定膜厚度變化，130nm(圖線 2010)處的反射率變化比157nm(圖線2020)或193nm(圖線2030)處所預期的大。作為使用這里所給出的VUV方法所提供的益處的另一個示例，考慮確定展現非均 勻氮分布(是膜厚度的函數)的SiON膜的組成成分。圖22a給出了經歷le15氮原子/cm2 劑量的20人Si02膜的一系列四個氮分布。氮原子百分比被繪作膜深度(從環境/膜界面 開始測量)的函數。雖然在四個樣本內包含相同數目的氮原子，但是這里原子的分布大有 不同。在一種情況下，氮被均勻分散在層的整個厚度中(圖線2240)，在另一情況下，它的結 合方式是使得它展現以膜厚度為中心的寬高斯型分布(圖線2250)，在另一情況下，它展現 底重式高斯型分布(中心更接近膜/襯底界面)(圖線2260)，在最后一種情況下，它展現指 數衰減型分布(圖線2270)。圖22b給出與展現居中寬高斯型(圖線2251)、底重式高斯型(圖線2261)和指 數衰減型(圖線2271)分布的樣本相關聯的反射率差異信號。反射率差異信號是通過從與 其他三個分布相關聯的反射率信號中減去與正常分布的樣本相關聯的反射率信號而獲得 的。很明顯，非均勻分布的樣本都在光譜的VUV區域中展現重大且清楚可辨的反射率差異 信號，而同時在較長的波長處展現很少或不展現差異。此圖幫助進一步說明了這里所公開 的VUV技術如何能夠用于測量和/或監視超薄層的組成分布。雖然圖17-圖22b的典型層是A1203、光阻材料和SiON層，但是將會意識到，也可 以按類似的方式測量淀積在多種襯底上的其他材料的層和膜疊層，所述多種襯底包括但不 限于硅晶片和光掩膜板。當測量某些由兩層或多層構成的膜疊層時，可實現由VUV波長所提供的另一優 點。隨著疊層中的膜數目增大，一般優化例程中探索的參數數目也會增大。隨著參數數目 增大，參數之間存在相關性的可能性也會增大。在某些情況下，這可能促成測得結果的不精 確或不穩定。在某些情況下，可以通過經由結合智能加權函數來使用VUV中的光學數據，從 而簡化該問題，因而降低優化例程中探索的參數的數目。此函數在以下被稱為“動態加權函數”，它涉及根據特定數據對所探索的參數集合 的確定的預期貢獻，來在優化過程期間動態地對所述特定數據給予更大或更小的強調。在 這種方法，預期貢獻是基于樣本的預期配置(即構成樣本的層的厚度和組成成分)來動態 估計的，并且是在逐次迭代的基礎上被更新的。例如，如圖23所示，當測量由淀積在硅襯底 2340上的二氧化硅(Si02)層2310和氮化硅(SiN)層2320構成的兩層膜疊層時，可以證 明，在搜索頂部的Si02膜的厚度期間，對VUV中的數據點給出更大的強度將會是有益的。這 是由于以下事實造成的在大于約1000人的厚度下，SiN實際上對VUV光子是不透明的。
27從而，如圖23中所示，來自SiN-襯底界面的反射率2350可能存在于用DUV波長進行的測 量中，但可能不存在于用VUV波長進行的測量中。從而，如果忽略DUV和更長的波長數據， 則在優化過程期間，實際上可以不考慮下面的SiN層的厚度。在進行圖24和圖25的檢查 之時進一步說明了這一點。圖24給出了來自三個Si02/SiN/Si樣本的反射率數據。在這 些樣本中，SiN層厚度從1000 A (圖線2410)變到2000 A (圖線2420)再變到3000 A (圖線2430)，而Si02層厚度保持固定在10 AJ艮明顯，來自三個樣本的反射率光譜在DUV 區域中顯得顯著不同，而在VUV波長上幾乎相同。這是由于以下事實造成的VUV光子不會 穿透SiN層，而是“看到”由淀積在SiN襯底上的10人的Si02構成的樣本。從而，應用很強 調VUV而很不強調DUV和更長波長的加權函數減少了優化例程所探索的參數集合，這是因 為結果對SiN層厚度就不敏感了。這種方法減少或完全去除了 Si02*SiN層的厚度參數 之間的可能存在的任何相關性，從而起到了提高測量結果的精度和可重復性的作用。此外， 與可能使用常規方法相比，這種方法一般會導致解答在短得多的時間段中收斂。這種動態加權函數的益處的更多證明在圖25中給出，該圖也給出了來自三 個Si02/SiN/Si樣本的反射率光譜。在該情況下，在這些樣本之中，SiN層厚度固定在 1000 A,M Si02層從0 k (圖線2510)變化到10 A (圖線2520)再變化到20 A (圖線 2530)。如圖所示，光譜在VUV區域中展現清楚的差異，而在DUV中看起來幾乎是相同的。從 而，由于這里所描述的工具和技術對吸光效果的靈敏性，所測量的薄膜中對較短波長的吸 收可被有利地利用。此外，在對期望樣本特性的粗略估計(例如對下面的SiN膜厚度的粗 略估計)已知的情況下，對于某些波長區域中的反射系數數據可賦予更大的重要性(或動 態加權)。雖然圖23、圖24和圖25的典型樣本是由Si02/SiN/Si構成的，但是很明顯動態加 權函數方法也可用于測量和監視處理多于兩層并且由不同材料構成的樣本。動態加權函數也可與迭代數據擬合過程結合使用。例如，對于從以上參考圖23-25 描述的Si02/SiN/Si層收集的數據，迭代過程可被用來嘗試確定每層的厚度。在擬合例程的 每次迭代期間，可在每個波長上從數據上比較計算出的數據集合和測得的數據集合之間的 差異，并將該差異用于確定擬合例程的參數值(在此情況下是膜厚度)中做出的改變是否 是對前次迭代中獲得的參數值的改進。包括考慮到樣本的近似性質的加權因子是有利的。 例如，圖25中的數據清楚地揭示出 180nm以上的波長不包含關于頂部Si02層的厚度的 信息。傳統數據擬合方法在探索此厚度時將會忽略這個事實，并嘗試比較在所有被測波長 上的測得數據和計算出的數據。結果，被比較的波長中的大多數(大于180nm的那些)只 能增大結果的不確定性，這是因為它們代表加權比較函數中的一大部分。利用動態加權函 數方法，可解決此問題，以便只有能被合理預期包含有用信息的測得數據才會被包括到加 權比較函數中。該方法是動態的，因為做出判決的過程(其中測得的數據應當被考慮)可 在每次迭代之后被重復。當涉及帶圖案的樣本時，一般調用附加理論構造來正確描述光散射，這種光散射 是由于測量光子和周期性帶圖案特征之間的交互而發生的。參考圖26示出這種光散射。圖 26示出帶圖案的襯底2610以及由入射光束2640產生的反射光束2620和衍射光束2630。 這種形式的非成像光學尺寸度量被稱為散射法，并且通常涉及在數據簡縮過程期間采用某 種形式的“嚴格耦合波分析(RCWA)”。此技術利用了從帶圖案的樣本散射光的靈敏性，并通過使用適當的數學表達式將構成樣本的特征的尺寸與從該樣本記錄的光學信號聯系起來。 換言之，散射法使得能夠通過考慮從包含帶圖案的特征的樣本散射或衍射的光，來確定帶 圖案的特征的尺寸?？梢岳么朔椒ㄔ趲D案的襯底2700上測量和/或監視的典型量的示例在圖27 中圖示出，并且包括但不限于臨界尺寸(線寬)2710、側壁角度2720、溝深(或線高)2730、 溝寬2740和膜厚度2750。要理解，這些量代表可以在薄膜疊層和/或結構中測量和/或監 視的許多這種量中選擇出的一些。在包括半導體器件和存儲介質在內的許多領域中都能找 到這種性質的帶圖案的薄膜樣本。實際上，對光散射物理學的回顧揭示短波長光子，比如VUV中的光子，生來就比 波長較長的光子更適合于測量或監視帶圖案的特征的較小的臨界尺寸，這是由于前者所提 供的更大的靈敏度造成的?？梢钥闯?，對于許多涉及尖端半導體器件的臨界尺寸度量應用， 測量只可能用短波長VUV光子進行。這一點將通過以下提供的示例來進一步說明。圖28示出與線寬確定相關的典型VUV測量。圖中的第一曲線2810對應于右側的 y軸，它給出了從具有130nm節距(pitch)的65nm線陣列獲得的反射信號。即，被構造成展 現由65nm寬的間隙隔開的65nm寬的線的線陣列。圖28中的第二曲線2820對應于左側的 y軸，它給出了 66nm和65nm線陣列之間的反射信號差異。即，該曲線代表了與展現65nm寬 的線和間隙的線陣列的線寬增大lnm相關聯的差異信號。正如從圖中可明顯看出的，只有 在與線陣列的節距(65nm線寬度+65nm間隙寬度=130nm節距)相對應的波長上以及低于 該波長的波長上，才會預期差異信號的突出且顯著的變化。從而，為了利用這里所描述的方 法測量或監視這種結構中的線寬度，所測量的波長范圍必須包括等于或低于節距波長的波 長。圖29示出與節距確定相關的典型VUV測量。圖中的三條曲線代表預期來自由 63nm(曲線2910)、65nm(曲線2920)和67nm(曲線2930)的線和間隙構成的線陣列的反射 率信號。即，數據代表來自具有相等線寬度和間隙寬度、但具有126nm、130nm和134nm的節 距的信號。正如從圖中可明顯而看出，三個光譜的變化在與線陣列節距相對應的波長(在 該示例中又是接近130nm)處和低于該波長的波長處的光譜區域中最為明顯。圖30示出這里所描述的VUV技術和裝置如何能被用于測量或監視構成線陣列的 線高度的變化。圖中給出了兩條曲線。第一曲線3010對應于左側的y軸，它給出了來自具 有65nm線和間隙的線陣列的預期反射率信號，其中線高是1000人。第二曲線3020對應于 右側的y軸，它給出了與相同線陣列的線高度10人增大相關聯的差異信號。很明顯，線高 度的變化帶來的光譜特征與通過稍早給出的線寬度和節距(參見圖29和30)引入的變化 顯著不同。即，展現由高度變化導致的最小的差異信號的光譜區域實際上是展現由線寬度 和節距變化導致的最大的差異信號的同一光譜區域。這里所描述的VUV技術和裝置在半導體過程控制度量領域的應用既是眾多的又 是范圍廣泛的。一般而言，已證明這里所提供的VUV反射計技術可提供示出給定波長上的 反射率大小的數據。此外，這些測量的靈敏度可以與半導體制造過程數據有意義地聯系起 來，以提供指示各種過程變量的數據。這樣一來，這里所提供的系統和技術可用于過程控制 和過程表征應用中。已給出了這種情況中選中的某些情況的特定示例，但是本領域的技術 人員將會意識到，這些方法可進一步應用到許多其他情況中。
這里所描述的技術可被結合到用于度量應用的離線(off-line)獨立度量設備 中。但是，由于可以用可相對迅速且可重復地產生測量結果的相對不復雜的硬件解決方案 來實現這些技術，因此這里所描述的技術可能尤其適合于結合到多種半導體過程工具中的 任何一種中。從而，例如，這里所描述的VUV技術可被直接結合到用于淀積、蝕刻、光刻等的 工具中，以便可有利地獲得在線測量、監視和控制。上述設備、組件、材料和技術可被用于利用寬帶范圍波長的系統中。例如，包括VUV 波長的反射計可被配置為在至少一個其他光譜區域中操作。從而，以上參考圖1-30所描述 的系統和技術中的全部或部分可結合寬帶系統和技術被使用。圖31-39以及以下的相關文 本描述了可以與上述設備、組件、材料和技術結合使用的各種寬帶系統和技術。寬帶系統3100的一個實施例的簡化圖示在圖31中給出。在操作中，來自三個源 3102,3104和3106之一的光被光學模塊3108選擇、定向和聚焦到樣本3110的表面上。在 從樣本反射之后，光再次被收集和定向到三個檢測器3112、3114和3116中光學模塊3108 所選擇的那個。在某些情況下，光學模塊還可在源、樣本腔3120和檢測器之間提供受控環 境。此外，在某些情況下，光學模塊可以通過提供用來為收集到的數據提供參考的裝置來起 到改進系統性能的作用。光學模塊被處理器3122所控制，該處理器還可用來分析檢測器所 記錄的數據。圖32給出本發明的實施例3200，該實施例被配置為收集VUV和DUV-NIR中的參考 寬帶反射率數據。在操作中，來自這兩個光學區域的光以串行方式被獲得。即，來自VUV的 反射率數據首先被獲得和被提供參考，之后來自DUV-NIR區域的反射率數據被收集和被提 供參考。一旦兩個數據集合都已被記錄，它們就被接合在一起以形成單個寬帶光譜。儀器被分隔成兩個環境受控的腔，儀器腔3202和樣本腔3204。儀器腔3202容納 大多數系統光學器件，并且不會定期對大氣開放。樣本腔3204容納樣本3206和參考光學 鏡M-5，并且定期開放以幫助更換樣本。在操作中，首先通過將內翻式源鏡FM-1切換到“外”位置以允許來自VUV源3201 的光被聚焦鏡M-1收集、調準并重新定向為朝向光束分離器元件BS，從而獲得VUV數據。利 用平衡Michelson干涉計布置，沖擊光束分離器的光被分割成兩個成分，樣本光束3210和 參考光束3212。樣本光束被光束分離器BS反射，并傳播經過快門S-1。在此期間快門S-2 關閉。樣本光束繼續經過補償板CP，并經由聚焦鏡M-2通過窗口 W-1被重新定向和聚焦到 樣本腔中。包括補償板是為了消除樣本和參考路徑之間可能發生的相位差異，這種相位差 異產生于以下事實由于光束分離器的操作性質，在樣本通道中傳播的光只經過光束分離 器襯底一次，但是在參考通道中傳播的光卻經過光束分離器襯底三次。從而，補償板與光束 分離器由相同材料構造而成，并且具有相同厚度。這確保了傳播經過樣本通道的光也經過 相同的光束分離器襯底材料總厚度。窗口 W-1是由對VUV波長充分透明的材料構造成的， 以便保持上述系統中較高的光吞吐量。進入樣本腔3204的光沖擊樣本3206并通過W_1被反射回來，在這里它被鏡M_2 收集、調準和重新定向。來自M-2的光傳播經過補償板CP、快門S-1和光束分離器BS，在這 里它在不受內翻式檢測器鏡FM-2(與FM-1同時切換到“外”位置)阻礙的情況下通過，在 FM-2處它被聚焦鏡M-3重新定向和聚焦到VUV分光計3214的入射狹縫上。在此處，來自樣 本光束的光被VUV分光計分散，并被與其相關聯的檢測器所獲取。
在樣本光束3210的收集之后，參考光束3212被測量。這是通過關閉快門S_1和 打開快門S-2來完成的。這使得參考光束3212能夠傳播經過光束分離器BS和快門S-2，其 中它經由聚焦鏡M-4通過窗口 W-2被重新定向和聚焦到樣本腔中。窗口 W-2也是由對VUV 波長充分透明的材料構造而成的，以便保持上述系統中的較高的光吞吐量。一旦在樣本腔3204內，光就被平面反射鏡M-5的表面反射，并被反射回鏡M_4，在 鏡M-4處它被收集、調準和重新定向為朝向光束分離器BS。然后光被光束分離器BS反射為 朝向鏡M-3，在鏡M-3處它被重新定向和聚焦到VUV分光計3214的入射狹縫上。一旦樣本光束和參考光束都已被收集，處理器(未示出)就可被用于計算帶參考 的VUV反射率光譜。在測量VUV數據集合之后，通過將源和檢測器內翻式鏡、FM-1和FM-2都分別切換 到“內”位置來獲得DUV-NIR數據。結果，來自VUV源3201的光被阻擋，而來自DUV-NIR源 3203的光被允許在被聚焦鏡M-6收集、調準和重新定向之后經過窗口 W-3。類似地，將內翻 式鏡FM-2切換到“內”位置將會引導來自樣本光束3210 (當快門S-1打開和快門S-2關閉) 和參考光束3212(光快門S-2打開并且快門S-1關閉時)的光經過窗口 W-4到鏡M-7上， 該鏡M-7將光聚焦到DUV-NIR分光計3216的入射狹縫上，在DUV-NIR分光計3216處它被 分散并被其檢測器收集。適當的DUV-NIR分光計和檢測器在當今市場中是常見的。尤其匹 配良好的組合是由法國的Jobin Yvon制造的。VS-70結合了不采用翻轉鏡的高效率(f/2) 光學設計。此儀器具有小的物理覆蓋區，結合了排序波光器，并且可以與線性CCD或PDA檢 測器一起使用。用于系統中的內翻式鏡被設計為使得它們能夠迅速并可重復地切換位置，以便使 與光束方向性誤差相關聯的光吞吐量的損耗達到最小。尤其合適的機動型內翻式鏡是由美 國的New Focus制造的。在經略微修改的實施例中，這些鏡可被光束分離器/快門對完全 取代；但是這可能伴隨著不合需要的VUV信號強度損耗。一旦樣本光束和參考光束都已被獲得，則處理器被用于計算帶參考的DUV-NIR反 射率光譜。這樣一來，在VUV和DUV-NIR光譜區域中串行地獲得了帶參考的反射率數據。注 意，VUV和DUV-NIR分光計都需要配備有必要的排序濾波器，以避免由于較高階的衍射成分 而造成的復雜情況。由于兼容真空的組件與其標準對應物相比一般設計起來都更難并且制造起來更 昂貴，因此對于VUV操作不關鍵的系統元件被安裝在受控環境之外。從而，DUV-DIR源3203 和分光計/檢測器3216被安裝在受控環境之外。但這種布置不是必需的。圖33中給出了總結與本發明的這個實施例的操作相關聯的串行收集過程的流 程圖3300。更具體而言，如步驟3302中所示，系統首先通過將內翻式源(FM-1)和檢測器 (FM-2)鏡切換到“外”位置來允許VUV光譜區域的收集。然后在步驟3304中，系統通過打 開快門S-1來開始VUV樣本通道數據獲取。此外，在步驟3306中，通過關閉快門S-1停止 VUV樣本通道數據獲取。然后在步驟3308中，通過打開快門S-2來開始VUV參考通道數據 獲取。接下來在步驟3310中，通過關閉快門S-2停止VUV參考通道數據獲取。此外，在步 驟3312中，計算VUV反射率光譜。然后，在步驟3314中，通過將內翻式源(FM-1)和檢測器 (FM-2)鏡切換到“內”位置來允許DUV-NIR光譜區域的收集。接下來，在步驟3316中，通過 打開快門S-1來開始DUV-NIR樣本通道數據獲取。然后，在步驟3318中，通過關閉快門S_1停止DUV-NIR樣本通道數據獲取。然后在步驟3320中，通過打開快門S-2來開始DUV-NIR 參考通道數據獲取。接下來在步驟3322中，通過關閉快門S-2停止DUV-NIR參考通道數據 獲取。此外，在步驟3324中，計算DUV-NIR反射率光譜。然后，在步驟3326中，來自VUV和 DUV-NIR光譜區域的數據被接合在一起以獲得單個寬帶反射率光譜。本發明的這個實施例提供了許多益處。例如，系統已被優化以獲得更高效和精確 的VUV性能。除了其他事物以外，這還要求包含VUV光子傳播的光路的環境被控制，以便諸 如氧和水分之類的吸光性物類的濃度被保持在充分低的水平，以允許充分的光吞吐量。這 可以按以上更詳細描述的多種方式來實現。這種技術包括根據所需要的系統性能級別，來 利用非吸光性氣體凈化環境和/或經由真空系統進行抽空。在VUV數據獲取期間，內翻式源和檢測器鏡被切換到“外”位置，因此不為測量貢 獻任何機械不確定性。實際上，在VUV數據的獲取中不涉及移動的光學元件(除了快門以 外)。這是有利的，其原因很多。首先，由于較低的可用光子通量和可用的有效光學器件和 涂層的普遍短缺，比起在其他波長區域中進行的測量來，短波長VUV測量一般執行起來挑 戰性更大。第二，超薄(<100人)膜的表征嚴重依賴于精確的強度或幅度信息，這是因為 來自這種膜的反射率光譜一般不會展現像來自其較厚膜對應物的光譜那樣的與干涉作用 相關的突出光譜特征。此實施例所提供的另一益處是它提供了一種為收集到的數據集合提供參考的迅 速且自動化的手段，從而實現了可重復性很高的結果。此能力起到了減少或完全去除由系 統的光吞吐量變化所引入的誤差的作用。在較長的波長上，這種變化一般是由源輸出變化 所驅動的，而在VUV中，預期光路的環境中的吸光性物類的濃度變化將會占優勢。本發明的這個實施例所提供的另一個益處與使用單個光學輸送/收集模塊相關。 此公共模塊起到了不論所調整的光譜區域如何，都能幫助利用相同的斑點尺寸和方位收集 來自樣本上的相同位置的數據的作用。為此，DUV-NIR源和分光計被選擇為使其與VUV源 和分光計保持基本上類似的光收集/輸送特性。系統的這個方面在研究帶圖案的樣本的情 況下尤其重要。此外，單個光學模塊簡化了集成和制造期間的儀器對準，尤其是針對由自聚焦例 程所引起的復雜情況而言。本發明所提供的另一個益處產生于其串行操作方法。通過散射過程生成的漫射光 可能是成問題的，因為它無法被簡單地以參考方式去掉，從而可能導致非線性系統響應和 記錄的反射率數據的不精確性。通過串行地收集來自每個波長區域的數據并為其提供參 考，檢測器處記錄的散射光子的強度可被大大減小。這是因為在任何給定時刻只有來自一 個源的光傳播經過系統。從而，來自其他光譜區域的光無法散射和導致檢測器處記錄的偽 信號。當在VUV波長區域中工作時這尤其有利的，這是因為與波長較長的情況相比，在VUV 波長區域中散射機制扮演的角色重大的得多。只要通過添加備選的源、分光計和檢測器，就易將上述寬帶系統和技術擴展到包 含其他光譜區域。圖34給出了本發明的一個實施例中的備選寬帶系統3400，它已被優化以 便在第一光譜區域中操作，并且被設計為在第二和第三光譜區域中都性能良好。例如，除了 如圖32所示的源3201和3203外，還可使用第三源3302。在一個實施例中，源3201可以 是VUV源，源3203可以是DUV源，源3302可以是NIR源。相應的VUV分光計3214、DUV分光計3216和NIR分光計3304可以與各相關源一起使用。和以前一樣，源和檢測器內翻式 鏡集合被用于將光從備選源輸送到備選分光計和檢測器。在該實施例中，第一光譜區域數 據是用處于“外”位置的內翻式鏡(FM-l、FM-2、FM-3和FM-4)來收集的，第二光譜區域數據 是在只有內翻式鏡FM-1和FM-2被切換到“內，，位置的情況下用源3203收集的，第三光譜 區域數據是在只有FM-3和FM-4被切換到“內”位置的情況下用源3302收集的。此實施例的串行測量過程的流程圖3500在圖35中給出。更具體而言，如步驟3502 中所示，通過將所有內翻式源和檢測器鏡都切換到“外”位置來允許第一光譜區域的收集。 然后在步驟3504中，通過打開快門S-1來開始第一樣本通道數據獲取。接下來，在步驟3506 中，通過關閉快門S-1停止第一樣本通道數據獲取。此外在步驟3508中，通過打開快門S-2 來開始第一參考通道數據獲取。然后在步驟3510中，通過關閉快門S-2停止第一參考通道 數據獲取。然后，在步驟3512中，計算第一光譜區域反射率光譜。此外，在步驟3514中，通 過將內翻式源(FM-1)和檢測器(FM-2)鏡切換到“內”位置來允許第二光譜區域的收集。接 下來，在步驟3516中，通過打開快門S-1來開始第二光譜區域樣本通道數據獲取。接下來， 在步驟3518中，通過關閉快門S-1停止第二光譜區域樣本通道數據獲取。然后在步驟3520 中，通過打開快門S-2來開始第二光譜區域參考通道數據獲取。接下來在步驟3522中，通 過關閉快門S-2停止第二光譜區域參考通道數據獲取。此外，在步驟3524中，計算第二光 譜區域反射率光譜。然后，在步驟3526中，通過將內翻式源(FM-1)和檢測器(FM-2)鏡切 換到“外”位置并將內翻式源(FM-3)和檢測器(FM-4)切換到“內”位置來允許第三光譜區 域的收集。接下來，在步驟3528中，通過打開快門S-1來開始第三光譜區域樣本通道數據 獲取。接下來，在步驟3530中，通過關閉快門S-1停止第三光譜區域樣本通道數據獲取。 接下來在步驟3532中，通過打開快門S-2來開始第三光譜區域參考通道數據獲取。此外在 步驟3534中，通過關閉快門S-2停止第三光譜區域參考通道數據獲取。然后，在步驟3536 中，計算第三光譜區域反射率光譜。接下來，來自第一、第二和第三光譜區域的數據被接合 在一起以獲得單個寬帶反射率光譜。本發明的一個實施例中的備選寬帶系統3600在圖36中給出，其中對源3201和 3203以及分光計3214和3216的選擇是通過聚焦光學器件RM_1和RM_2的旋轉而不是通 過使用內翻式鏡來完成的。在該實施例中，RM-1和RM-2是轉動角為90°的偏軸拋物面鏡。 從而，RM-1可繞連接RM-1和光束分離器BS的線所限定的光軸旋轉，以便收集來自VUV源 3201或DUV-DIR源3203的光。類似地，聚焦鏡冊_2可繞由冊_2和BS之間的線所限定的 軸旋轉，以將光聚焦到VUV分光計3214或DUV-DIR分光計3216的入射狹縫上。這種布置與圖32的實施例相比使用的光學組件更少，從而可產生更小的儀器覆 蓋區。這種方法的潛在缺陷是由于聚焦光學器件RM-1和RM-2的旋轉，它確實向VUV測量 過程引入了某種程度的機械不確定性。本發明的備選實施例在圖37中參考系統3700給出，其中參考通道3212中采用的 平衡干涉計是Mach-Zehnder型的而不是圖32、圖34和圖36的實施例中所示的Michelson 配置的。此實施例需要附加的光學元件，但是就去往和來自樣本3206表面的光的角輸送和 收集而言，提供了更大的靈活性。在操作中，來自第一源3201的光被聚焦鏡M-1收集、調準并被重新定向為朝向光 束分離器BS-1，在這里它被分割成樣本光束3210和參考光束3212成分。當打開快門S_1并關閉快門S-2時，啟用了樣本光束3210。在該狀態下，從光束分離器BS-I反射的光被聚焦鏡M-2通過W-I收集和聚焦到樣本上。從樣本3206反射的光經由窗口 W-I離開樣本腔 3204，并被聚焦鏡M-3收集、調準和重新定向為朝向平面鏡M-4。離開鏡M-4的光傳播經過 第二光束分離器BS-2，并被聚焦鏡M-5收集和聚焦到第一光譜區域分光計3214的入射狹縫 上。在此處，來自樣本光束3210的光被分光計分散，并被檢測器獲取。在收集第一光譜區域樣本光束之后，測量第一光譜區域參考光束。這是通過關閉 快門S-I并打開快門s-2來完成的。這允許了參考光束3212傳播經過光束分離器BS-1，在 這里它經由聚焦鏡M-6通過窗口 W-2被重新定向和聚焦到樣本腔3204中。一旦在樣本腔 3204內，光就從平面參考鏡M-7的表面反射，并被聚焦鏡M-8收集、調準和重新定向為朝向 平面鏡M-9。此光被光束分離器BS-2反射，并被聚焦鏡M-5重新定向和聚焦到第一光譜區 域的分光計3214的入射狹縫上。一旦已獲得樣本光束和參考光束，就用處理器(未示出) 計算第一光譜區域的帶參考的反射率數據。來自第二和第三光譜區域的數據再次被用源和檢測器內翻式鏡集合收集，以將光 從備選源輸送到備選分光計及其相關聯的檢測器。具體而言，當只有內翻式鏡FM-I和FM-2 被切換到“內”位置時，第二光譜區域數據被收集，而當只有FM-3和FM-4被切換到“內”位 置時，第三光譜區域數據被收集。本發明的另一個實施例在圖38中作為系統3800給出。這個雙光譜區域配置也結 合了 Mach-Zehnder干涉計參考系統，但不需要使用內翻式鏡來選擇光譜區域。相反，兩個 附加源快門(S-1和S-4)已被添加到系統中以完成此任務。當執行第一光譜區域的測量時， 快門S-I是打開的，快門S-4是關閉的。相反，當執行第二光譜區域測時，快門S-I是關閉 的，而S-4是打開的。由于此實施例不使用內翻式鏡，因此與前述實施例相比，系統可重復性可在某種 程度上有所改進，這是因為去除了與內翻式鏡相關聯的機械定位誤差。圖38的實施例的串行測量過程的流程圖3900在圖39中給出。更具體而言，如步 驟3902中所示，第一光譜區域的收集是通過打開第一源快門S-I來允許的。然后在步驟 3904中，通過打開快門S-2來開始第一光譜區域樣本通道數據獲取。接下來，在步驟3906 中，通過關閉快門S-2停止第一光譜區域樣本通道數據獲取。然后在步驟3908中，通過打開 快門S-3來開始第一光譜區域參考通道數據獲取。此外在步驟3910中，通過關閉快門S-3 停止第一光譜區域參考通道數據獲取。然后，在步驟3912中，計算第一光譜區域反射率光 譜。接下來，在步驟3914中，通過關閉第一源快門S-I并打開第二源快門S-4來允許第二 光譜區域的收集。然后，在步驟3916中，通過打開快門S-2來開始第二光譜區域樣本通道 數據獲取。接下來，在步驟3918中，通過關閉快門S-2停止第二光譜區域樣本通道數據獲 取。此外在步驟3920中，通過打開快門S-3來開始第二光譜區域參考通道數據獲取。然后 在步驟3922中，通過關閉快門S-3停止第二光譜區域參考通道數據獲取。接下來，在步驟 3924中，計算第二光譜區域反射率光譜。然后，在步驟3926中，來自第一和第二光譜區域的 數據被接合在一起以獲得單個寬帶反射率光譜。從而，如上所述，提供了寬帶系統，其可被優化以便在第一光譜區域中操作并且能 夠在至少一個其他光譜區域中具有良好性能。光學模塊中的公共輸送和收集光學器件使得 能夠用類似的斑點屬性來收集不同的光譜區域。例如，可獲得用于從樣本進行收集的類似的斑點尺寸。此外，在不同光譜區域之間，收集光斑的方位可以基本類似。此外，所描述的 系統和技術允許了串行數據收集方法，通過該方法來自不同光譜區域的數據被串行收集以 避免漫射光復雜情況。系統可被設計成使得在收集來自第一光譜區域的數據時不涉及移動 的光學元件(除了快門以外)。此外，系統可結合一個光學模塊，該光學模塊提供了針對不 同光譜區域而優化的可選擇的源和檢測器。光學模塊還可提供了用于迅速為測得數據提供 參考的機構，以便確保可實現可重復性較高的結果。因此上述寬帶系統和技術提供了一種度量方法，其允許在多個光譜范圍上精確收集來自樣本的光學度量數據。通過具有寬范圍波長的光學數據，儀器用戶所采用的擬合算 法可通過充分利用由兩個或多個光譜區域構成的數據集合所提供的更高級別的約束，來實 現更快的收斂和更精確的結果。當如上所述針對多個光譜區域收集光學數據時，數據可在計算機、處理器等中被 組合以形成可被分析的連續數據集合?？梢园炊喾N方式來組合數據，理想情況下，在光譜區 域連接處，來自每個分光計的數據將會匹配。例如，可選擇預定波長以確定對于特定波長將 會用哪個分光計來收集數據。例如，對于190nm以下的波長，將會只從VUV分光計取得數據， 而對于大于190的波長，可從DUV-NIR分光計取得數據。但是，如果在交叉點處來自每個分 光計的結果不同的化，則這種方法可能導致波長交叉點處收集到的數據的不連續。這種變 化可能使得擬合算法和數據處理復雜化。在另一種方法中，從每個分光計收集數據的波長 在某個確定的范圍(例如20nm)中是交疊的。在該交疊區域中，每個波長的數據可被計算 成來自每個分光計的平均值。在另一種備選方案中，可應用分級平均或最佳擬合算法來連 接數據。也可利用任何其他適當的組合來自每個光譜區域的數據的方法。在考慮到本說明書的情況下，對本發明的更多修改和備選實施例對于本領域的技 術人員將會是顯而易見的。因此，本說明書應當被解釋為只是說明性的，并且是用來教導本 領域的技術人員實現本發明的方式的。應當理解，這里所示出和描述的本發明的形式應當 被理解為目前優選的實施例。等同元素可取代這里所示出和描述的那些，并且本發明的某 些特征的使用可以獨立于其他特征的使用，這對于受益于本發明的此說明書的本領域的技 術人員來說都是顯而易見的。
權利要求
一種反射計裝置，包括光源，其被用于產生樣本通道光路；至少一個參考通道光路，該參考通道光路被配置為不遇到樣本；至少一個光學元件，其選擇性地啟用或禁用所述參考通道光路或所述樣本通道光路中的至少一個；以及多個反射計系統元件，其被所述樣本通道光路和所述參考通道光路兩者共享，其中所述參考通道光路被配置為收集可用來考慮系統或環境變化的數據，以調整通過使用所述反射計獲得的反射率數據。
2.一種反射計，包括光源，其被用于產生樣本通道光路，該樣本通道光路被配置為遇到具有至少一個未知 屬性的樣本；以及用于為所述反射計提供參考的裝置，以使得能夠調整從所述樣本獲得的反射率數據以 便考慮到反射計校準時間和獲得樣本反射率數據的時間之間的反射計或環境變化， 其中所述用于提供參考的裝置包括參考通道光路。
3.一種獲得來自第一樣本的反射率數據的方法，包括 提供樣本光學通道；提供參考光學通道，所述樣本光學通道和所述參考光學通道至少共享某些公共的光學 元件，其中至少包括衍射光柵和檢測器的公共部分；利用所述參考光學通道來用所述檢測器獲得參考數據，所述參考數據指示獨立于所述 樣本光學通道路徑中任何樣本的使用的系統或環境參數；以及通過利用與從所述第一樣本收集樣本反射率數據相關聯的參考數據來為從所述樣本 光路獲得的反射率數據提供參考。
4.一種獲得來自未知樣本的反射率數據的方法，包括 提供樣本光學通道；提供參考光學通道，所述樣本光學通道和所述參考光學通道至少共享某些公共的光學 元件，其中至少包括衍射光柵和檢測器的公共部分；利用所述檢測器來檢測來自校準樣本的反射率數據；利用所述參考光學通道來用所述檢測器獲得第一參考數據，其獲得時間與所述校準時 間相接近，所述第一參考數據指示獨立于所述樣本光學通道路徑中任何樣本的使用的系統 或環境參數；利用所述檢測器檢測來自未知樣本的反射率數據；利用所述參考光學通道來用所述檢測器獲得第二參考數據，其獲得時間與所述未知樣 本反射率數據的檢測時間相接近，所述第二參考數據指示獨立于所述樣本光學通道路徑中 任何樣本的使用的系統或環境參數；以及通過利用所述第一參考數據和所述第二參考數據來為從所述未知樣本獲得的反射率 數據提供參考。
5.一種反射測量裝置，其在低于深紫外(DUV)波長的波長上操作，所述裝置包括 光源，該光源提供包括等于或低于DUV波長的波長的源光束；樣本通道光路；參考通道光路；分光計，其在光從樣本反射之后接收來自所述樣本通道光路的光；以及 檢測器，其接收從所述分光計的輸出透射的等于或低于DUV波長的光波長， 其中所述參考通道光路被用于為所述反射計提供參考以便至少某些反射計系統特征 的獲得時間與獲得來自所述樣本的反射系數數據的時間相接近。
6.一種用于獲得來自二維樣本區域的反射率數據的光學反射計，該反射計包括 光源，其提供光束；多個光學元件，其被配置為利用樣本通道光束路徑以引導所述光束去往二維樣本區域 和來自所述二維樣本區域；至少一個參考通道光束路徑，所述參考通道光束路徑被配置為不遇到樣本； 至少一個光學元件，其選擇性地啟用或禁用所述參考通道光束路徑或所述樣本通道光 束路徑中的至少一個；分光計，其既在所述參考通道光束路徑中又在所述樣本通道光束路徑中，所述分光計 在所述分光計的出口處提供多個空間上分離的光波長；以及陣列檢測器，其既在所述參考通道光束路徑中又在所述樣本通道光束路徑中，所述陣 列檢測器接收多個空間上分離的光波長以使得能夠為所述二維樣本區域內的多個部位同 時獲得反射率數據，其中所述參考通道光束路徑被配置為收集可被用來考慮系統或環境變化的數據，以調 整通過使用所述反射計所獲得的反射率數據。
7.一種利用反射計分析樣本的反射率特性的方法，該方法包括 提供至少一個光束；通過利用樣本光學通道將所述光束引導到樣本的二維樣本區域上； 在所述光束被所述樣本反射之后，在成像分光計內接收所述光束的至少一部分； 在所述分光計的出射平面處提供多個空間上分離的光波長；利用二維陣列檢測器接收所述多個空間上分離的光波長，以便允許為所述樣本的二維 區域內的多個部位同時獲得反射率數據；提供參考光學通道，所述樣本光學通道和所述參考光學通道至少共享某些公共的光學 元件；利用所述參考光學通道來用所述檢測器獲得參考數據，所述參考數據指示獨立于所述 樣本光學通道路徑中任何樣本的使用的系統或環境參數；以及通過利用與從所述樣本收集樣本反射率數據相關聯的參考數據為從所述樣本光路獲 得的反射率數據提供參考。
8.一種分析由形成在襯底上的多個薄膜構成的樣本的方法，該方法包括 提供形成在所述襯底上的至少第一和第二薄膜的預期配置；至少部分基于所述預期配置確定最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定 的所述第一薄膜的至少一個光學屬性和不是最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍 中限定的所述第二薄膜的至少一個光學屬性；在包括至少多個低于深紫外(DUV)波長的波長在內的波長范圍上記錄所述樣本的光 學響應數據集合；以及通過基于對最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定的所述第一薄膜的至 少一個光學屬性的確定和對不是最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定的所 述第二薄膜的至少一個光學屬性的確定，對所記錄的光學屬性數據集合加權，來表征所述 第一薄膜的至少一個屬性。
9.一種分析由形成在襯底上的至少一個薄膜構成的微型器件的方法，該方法包括 提供所述至少一個薄膜的預期配置；至少部分基于所述預期配置確定最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定 至少一個器件光學屬性；利用反射計記錄在包括至少多個低于深紫外(DUV)波長的波長在內的波長范圍上的 所述器件的光學響應數據集合；以及通過基于對最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定的所述至少一個器件 光學屬性的確定，對所記錄的光學屬性數據集合加權，來表征所述器件的至少一個物理屬 性。
10.一種用于分析由形成在襯底上的至少一個薄膜構成的襯底的裝置，該裝置包括 光源，其提供至少具有低于DUV波長的波長的源光束；至少一個環境受控腔，光束在其中傳播，所述腔被充分控制以允許低于DUV光的波長 的透射；樣本通道光路，其被配置為遇到所述襯底；參考通道光路，其被配置為提供不遇到所述襯底的路徑，其中所述參考通道光路被配 置為收集可用來考慮到系統或環境變化的數據，以調整通過使用所述反射計所獲得的反射 率數據；分光計，其接收所述源光束的至少一部分，所述分光計在所述分光計的出射平面處提 供多個空間上分離的光波長，所述多個空間上分離的光波長包括低于DUV波長的光波長；陣列檢測器，其接收所述多個空間上分離的光波長，所述陣列檢測器為所述襯底的二 維區域內的多個部位同時獲得低于DUV波長的波長反射率數據；以及數據處理器，其耦合到所述陣列檢測器，以檢測所述襯底反射率數據，所述數據處理器 被配置為接收與所述至少一個薄膜的預期配置相關的數據，至少部分基于所述預期配置確定最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定 的至少一個薄膜光學屬性，在包括至少多個低于深紫外(DUV)波長的波長在內的波長范圍上記錄所述襯底的光 學響應數據集合；以及通過基于對最主要在低于深紫外(DUV)波長的波長范圍中限定的所述至少一個光學 屬性的確定，對所記錄的光學響應數據集合加權，來表征所述第一薄膜的至少一個物理屬 性。
11. 一種用于獲得來自二維樣本區域的反射率數據的光學反射計，該反射計包括 光源，其提供光束；多個光學元件，其被配置為弓I導所述光束去往和來自二維樣本區域； 分光計，其接收所述光束，所述分光計在所述分光計的出射平面處提供多個空間上分離的光波長；以及陣列檢測器，其接收所述多個空間上分離的光波長，以使得能夠為所述二維樣本區域 內的多個部位同時獲得反射率數據。
12. 一種利用反射計分析樣本的反射率特性的方法，該方法包括提供至少一個光束；將所述光束引導到樣本的二維區域上；在所述光束被所述樣本反射之后，在成像分光計內接收所述光束的至少一部分；在所述分光計的出射平面處提供多個空間上分離的光波長；以及利用二維陣列檢測器來接收所述多個空間上分離的光波長，以便允許為所述樣本的二 維區域內的多個部位同時獲得反射率數據。
13. 一種寬帶反射計裝置，包括第一光源，其在第一光譜區域中操作；第二光源，其在第二光譜區域中操作，所述第一和第二光譜區域至少部分不同；以及與所述第一光源和所述第二光源一起使用的公共光學模塊，所述光學模塊包括輸送和 收集光學器件，以幫助在所述第一光源和所述第二光源之間進行選擇，并且幫助在所述第 一光譜區域和所述第二光譜區域中進行測量，以便每個光譜區域的樣本斑點具有至少一個 類似的斑點屬性，其中所述第一光源、所述第二光源和所述公共光學模塊被配置為采用串行數據收集方 法，以便從所述第一光譜區域和所述第二光譜區域順序地收集的數據可被連接在一起，以 產生由所述第一光譜區域和所述第二光譜區域兩者的至少某些部分構成的寬帶光譜區域 的反射率數據。
14. 一種寬帶反射計裝置，包括光學模塊，被配置為在具有第一光譜區域的光和具有第二光譜區域的光之間進行選 擇，所述光學模塊包括至少某些公共的輸送和收集光學器件，以幫助在所述第一光譜區域 和所述第二光譜區域進行測量，以便每個光譜區域的樣本上的樣本斑點至少具有一個類似 的斑點屬性；以及至少一個參考通道光路，所述參考通道光路被配置為獨立于所述樣本；其中所述寬帶反射計裝置針對在所述第一光譜區域中的操作而優化，而同時仍至少能 夠收集所述第二光譜區域中的數據。
15. 一種寬帶反射計裝置，包括第一光源，其在第一光譜區域中操作；第二光源，其在第二光譜區域中操作，所述第一和第二光譜區域至少部分不同；以及與所述第一光源和所述第二光源一起使用的公共光學模塊，所述光學模塊包括輸送和 收集光學器件，以幫助在所述第一光源和所述第二光源之間進行選擇，并且幫助在所述第 一光譜區域和所述第二光譜區域中進行測量，以便每個光譜區域的樣本上的樣本斑點具有 類似的方位。
16. 一種寬帶反射計裝置，其針對在VUV區域中操作而被優化，并且至少能夠在DUV區 域中操作，該反射計裝置包括單個光學模塊，其被配置為在VUV光源和DUV光源之間以及VUV分光計和DUV分光計之間進行選擇，所述單個光學模塊包括至少某些公共的輸送和收集光學器件，有助于以至少一個類似的斑點屬性在每個光譜 區域中進行測量；至少一個樣本通道光路；至少一個參考通道光路；以及環境受控腔，其包圍所述單個光學模塊的至少一部分，其中所述VUV光源、所述DUV光源和所述單個光學模塊被配置為采用串行數據收集方 法，以便從VUV光譜區域和DUV光譜區域順序地收集的數據可被連接在一起，以產生由所 述VUV光譜區域和所述DUV光譜區域兩者的至少某些部分構成的寬帶光譜區域的反射率數 據。
17. 一種在寬帶光譜范圍上獲得來自第一樣本的反射率數據的方法，包括 產生第一光譜范圍中的第一光波長，所述第一光波長被用于在所述反射計中產生第一 光束；將所述第一光束引導到樣本上；在所述第一光束已被所述樣本反射之后，在第一分光計內接收所述第一光束的至少一 部分；產生第二光譜范圍中的第二光波長，所述第二光譜范圍與所述第一光譜范圍不同；所 述第二光波長被用于在所述反射計中產生第二光束；以及將所述第二光束引導到樣本上，以提供所述第二光譜范圍中的波長的反射率數據， 提供樣本光學通道；提供參考光學通道，所述樣本光學通道和所述參考光學通道至少共享某些公共的光學 元件；以及利用所述參考光學通道來獲得所述第一光譜范圍或所述第二光譜范圍中的至少一個 中的參考數據，所述參考數據指示獨立于所述樣本光學通道中任何樣本的使用的系統或環 境參數。
全文摘要
提供了在真空紫外光譜中操作的光譜學系統(500)。更具體而言，提供了在真空紫外光譜中使用反射法技術的系統，以用于度量應用中。為了確保精確且可重復的測量，光路(506、508)的環境受到控制，以限制可能存在于光路中的氣體的吸光作用。為了考慮到仍可能發生的吸光作用，光路的長度被最小化。為了進一步考慮到吸光作用，可以使反射率數據參考相對標準。
文檔編號G01N21/55GK101799326SQ20101015671
公開日2010年8月11日 申請日期2004年9月21日 優先權日2003年9月23日
發明者戴爾·A.·哈瑞森 申請人:喬丹谷半導體有限公司