本发明的一个目的是向半导体制造工业提供能够表征结合了更 薄的层和更小的特征的半导体器件的可靠的光学度量工具。此仪器充 分利用了通过等于或低于VUV波长区域的材料表征而提供的对处理 条件的微小变化的灵敏度提高。此仪器将会是非接触式和非破坏性的， 并将利用带参考的反射法数据。
所述仪器的设计简单且健壮，从而使其易于在VUV波长上操作。 由于它的简单，因此它快速，从而使它适用于高吞吐量制造应用中。 系统被设计为紧凑，并且要求的空间很小。仪器提供了使环境影响达 到最低限度的优点，以使得不需要在校准、参考和样本测量期间维持 可再现的受控环境。此外，它提供了较小的测量斑点尺寸，以便能够 进行在线测量或产品采样，并且采用了成像光学器件，以便能够同时 获得对局部区域内的一系列部位的多个测量。
在一个实施例中，提供了在真空紫外光谱中操作的光谱学系统。 更具体而言，提供了在真空紫外光谱中使用反射法技术的系统，以用 于度量应用中。该系统还包括结合成像分光计使用阵列检测器。这样 一来，可同时收集多个波长的数据。此外，可为二维样本区域同时收 集多个波长的数据。该系统还包括使用固定衍射光栅，并且不需要使 用极化元件。为了确保精确且可重复的测量，光路的环境受到控制。 光路可包括环境受控腔，其中存在非吸光性净化气体，或使用了真空 抽空技术。受控环境还可包括单独的仪器腔和单独的样本腔。受控环 境以可重复的方式限制对VUV光子的吸收。
在另一个实施例中，提供了在真空紫外光谱中操作的光谱学系 统。更具体而言，提供了在真空紫外光谱中使用反射法技术的系统， 以用于度量应用中。为了确保精确和可重复的测量，光路的环境受到 控制，以限制可能存在于光路中的气体的吸光作用。为了考虑到仍可 能发生的吸光作用，光路的长度被最小化。为了进一步考虑到吸光作 用，可以将反射率数据参考相对标准。参考在VUV反射计中尤其有 利，这是因为较低的可用光子通量和记录数据对光路中包含的气体介 质的组成成分的灵敏性。从而，可减小由受控环境的变化所引入的误 差。在一个典型实施例中，VUV反射计可利用这样一种技术，在该技 术中光束分离器被用于产生样本光束和参考光束，以形成接近平衡的 Mach Zehnder干涉计的两臂。在另一个典型实施例中，参考通道可 由Michelson干涉计构成。
在另一个实施例中，提供了在真空紫外光谱中操作的光谱学系 统。更具体而言，提供了在真空紫外光谱中使用反射法技术的系统， 以用于度量应用中。为了确保精确和可重复的测量，光路的环境受到 控制，以限制可能存在于光路中的气体的吸光作用。VUV反射计可被 用于监视半导体处理环境中的多种数据。例如，该技术可用于测量膜 或膜叠层的厚度、光学属性、组成成分、孔隙度以及粗糙度。此外， 这些VUV技术和装置可用于表征器件的临界尺寸和其他特征。VUV 反射计系统可用作独立的工具，或者系统的相对紧凑的性质可被利用， 以便系统被结合到其他过程工具中。从而，例如，这里所描述的VUV 技术可被直接结合到用于淀积、蚀刻、光刻等的过程工具中，以便可 有利地获得在线测量、监视和控制。
本发明的一个目的是向半导体制造工业提供能够表征结合了更 薄的层和更小的特征的半导体器件的可靠的光学度量工具。仪器用户 所采用的任何拟合算法可通过充分利用由两个或多个光谱区域构成的 数据集合所提供的更高级别的约束，来实现更快的收敛和更精确的结 果。此仪器将会是非接触式和非破坏性的，并将利用宽带反射率数据。
此仪器将会针对在第一光谱区域中操作而被优化，并且能够在至 少一个其他光谱区域中具有良好性能。选择出来的用于不同光谱区域 中的源和检测器被结合到仪器中的光学模块内，所述仪器允许对其选 择。此外，此模块包含公共的输送和收集光学器件，以使得利用类似 的斑点属性来收集不同光谱区域中的测量。此外，本发明采用了串行 收集方法，通过该方法，来自不同光谱区域的数据被顺序收集，以避 免漫射光复杂情况。
在一个实施例中，提供了一种光谱法系统，该系统针对在第一光 谱区域中操作而被优化，并且能够在至少一个其他光谱区域中具有良 好性能。该系统被设计为使得在收集来自第一光谱区域的数据时不涉 及移动的光学元件(除了快门之外)。此外，该系统结合了光学模块， 该光学模块提供了针对不同光谱区域被优化的可选择的源和检测器。 同样，该光学模块提供了公共的输送和收集光学器件，以使得能够用 类似斑点属性收集不同光学区域中的测量。该模块还提供了迅速为测 得的数据提供参考的装置，以确保实现可重复性很高的结果。
在另一个实施例中，提供了一种光谱法系统，该系统针对在VUV 中操作而被优化，并且能够在DUV-NIR中具有良好性能。此外，该 系统结合了光学模块，该光学模块提供了针对VUV和DUV-DIR被优 化的可选择的源和检测器。同样，该光学模块提供了公共的输送和收 集光学器件，以使得能够用类似斑点属性收集两个光学区域中的每次 测量。该模块还提供了迅速为测得的数据提供参考的装置，以确保实 现可重复性很高的结果。该模块还在VUV源、样本腔和VUV检测器 之间提供了受控环境，该受控环境起到以可重复的方式限制对VUV 光子的吸收的作用。使用除DUV-NIR波长外还包括VUV波长的宽带 数据集合使得能够有意义地表征更多种材料。可采用基于阵列的检测 仪器以允许同时收集更大的波长区域。
以查阅以上描述和相关附图之后，可实现对本发明的性质和优点 的进一步理解。

通过结合附图参考以下描述，可获得对本发明及其优点的更全面 的理解，附图中类似的标号指示类似的特征。但是，要注意，附图仅 仅示出本发明的示例性实施例，因此不应当被视为限制其范围，因为 本发明可允许其他同等有效的实施例。
图1-对经过100cm的标准大气的光学透射和经过100cm的包 含1PPM的H2O和O2的受控环境的光学透射的比较。
图2-VUV反射计的示意图。
图3-来自配备有MgF2窗口的Hamamatsu氘灯的光谱输出。
图4-来自Action Research公司的“Solar-blind”宽带VUV滤光 器。
图5-VUV反射计的颠倒示意图，其中示出了参考通道的结合。
图6-典型偏轴抛物面镜。
图7-来自Acton Research公司的宽带VUV-UV反射涂层。
图8-利用小角度(实线)和大角度(虚线)入射配置的“穿透 表膜(through-pellicle)”测量的示例。
图9-利用成像反射计来同时记录来自带图案的样本上的不同 物理位置的多个光谱。
图10-具有参考通道的备选VUV反射计的示意图。
图11-几乎所有光学器件都被容纳在仪器腔内的备选VUV反 射计的示意图。
图11a-图11的系统的备选示意图。
图11b-与过程工具集成的图11的系统的示意图。
图12-典型测量流程图。
图12a-示例性详细测量流程图。
图13-与Acton Research公司所制造的VUV光束分离器相关联 的典型属性。
图14作为浓度差异和路径长度差异的函数的误差图线。
图15-典型反射率测量的示意图。
图16-测量出和计算出的来自淀积在硅衬度上的AI2OE薄层的 反射率光谱。
图17-通过迭代拟合过程对AI2O3层获得的光学属性(n和k 值)。
图18-与淀积在掩膜板上的残余光阻材料的超薄(5)层相关 联的反射信号。差异信号对应于层厚度增大1nm。
图19-来自硅衬度上的10、14和18SiON层的反射率信 号。
图20-与10SiOn层的膜厚度增大相关联的130nm、157nm 和193nm处的反射率差异信号。
图21-与10-15％范围内的16SiON层处理氮浓度矩阵相关 联的反射率信号。
图22-与具有10％的氮的16SiON层的氮浓度增大相关联的 130nm、157nm和193nm处的反射率差异信号。
图22a-对于20SiON膜的不同氮掺杂分布图。在所有情况下， 样本都被暴露到1e15原子/cm2的相同剂量。
图22b-由于多种非均匀氮分布而产生的反射率差异信号(相对 于均匀掺杂的样本)。
图23-反射率测量期间入射的DUV和VUV光子与典型半导体 叠层样本的交互作用。
图24-来自展现不同SiN厚度的SiO2/SiN/Si样本的反射率光 谱。
图25-来自展现不同SiO2层厚度的SiO2/SiN/Si样本的反射率 光谱。
图26-典型散射法测量的示意图，其中示出了反射的光束和衍 射的光束。
图27-通过散射法测量获得的典型输出的图示。
图28-与标称65nm行阵列相关联的反射信号和与标称65nm 行宽的1nm增大相对应的差异信号。
图29-与由63nm、65nm和67nm行和间隔构成的行阵列相 关联的反射信号。
图30-与由65nm宽的行和间隔(对于1000的标称行高)构 成的行阵列相关联反射信号。与所述结构的行高的10增大相对应的 差异信号。
图31-具有光学模块的宽带反射计的示意图。
图32-覆盖VUV和DUV-NIR光谱区域的宽带参考反射计。
图33-覆盖VUV和DUV-NIR光谱区域的宽带参考反射计的串 行测量流程图。
图34-覆盖三个光谱区域的宽带参考反射计。
图35-覆盖三个光谱区域的宽带参考反射计的串行测量流程 图。
图36-利用旋转镜和覆盖VUV和DUR-NIR光谱区域的宽带参 考反射计的备选实施例。
图37-覆盖三个光谱区域的宽带参考反射计的备选实施例。
图38-不具有内翻式(flip-in)镜并覆盖两个光谱区域的宽带参 考反射计的备选实施例。
图39-不具有内翻式镜并覆盖两个光谱区域的宽带参考反射计的 串行测量流程图。

为了提高光学度量设备的灵敏度以用于挑战性的应用，希望扩展 执行这种测量的波长范围。具体而言，利用扩展到被称为真空超紫外 (VUV)的电磁光谱的区域之中并超过电磁光谱的区域的波长较短 (能量较高)的光子，将会是有利的。过去，由于承认VUV(以及更 低的)光子在标准大气条件下被强烈吸收这一事实，花费在开发被设 计成在这些波长上操作的光学仪器的精力相对较少。真空超紫外 (VUV)波长一般被视为小于深紫外(DUV)波长的波长。从而，VUV 波长一般被视为小于约190nm的波长。虽然对于VUV范围的底端没 有普适的截止点，但是本领域中的某些人会认为VUV终止，而极紫 外(EUV)范围开始(例如某天会定义小于100nm的波长为EUV)。 虽然这里所描述的原理可以适用于高于100nm的波长，但是这些原 理一般也适用于低于100nm的波长。从而，将会意识到，这里所使 用的术语VUV是想要指示小于约190nm的波长，但是VUV不想要 排除更低的波长。从而，这里所描述的VUV一般是想要包括一般小 于约190nm的波长，但是不排除低端波长。此外，低端VUV一般可 以被解释成低于约140nm的波长。
实际上，一般几乎所有形式的物质(固体、液体和气体)在VUV 波长上都展现越来越强的光学吸收特性。讽刺的是，正是这个相当基 本的物质属性本身要为VUV光学度量技术可获得的增大的灵敏度负 责。这是因为在较长波长上产生不可检测的材料光学行为变化的小的 过程条件变化，在VUV波长上可导致这种材料的可测量特性的相当 大且易检测的变化。
VUV光子被大多数形式的物质强烈吸收这一事实妨碍了简单地 扩展或修改常规的波长较长的光学度量设备以促进在VUV中的操作。 当前的工具被设计为在标准大气条件下操作，并且除了缺乏其他以外， 一般还缺乏在这些较短波长上操作所需的受控环境。VUV辐射被O2和H2O分子都强烈吸收，从而这些种类的物质必须被保持在相当低的 水平，以允许VUV光子透射经过仪器的光路。为了更好地说明这一 点，在图1中以光子波长的函数的方式绘出了经过100cm路径长度的 标准大气(图线100)和包含1PPM的O2和H2O浓度级别(图线110) 的受控环境的光学透射。正如从该图中可看到的，经过标准大气的光 子透射在低于约200nm的波长处陡降。
常规光学仪器不仅是打算在标准大气条件中工作的，而且它们一 般采用使得它们不适合于VUV操作的一批光学元件和设计。为了利 用反射计实现可重复性高的结果，希望提供这样一种装置，通过该装 置，反射率数据可以参考相对标准或与相对标准相比较。这样一来， 可正确考虑发生在首次校准系统的初始时间和执行样本测量的之后的 时间之间的系统变化。在较长的波长上，这种变化中通常是源的光谱 输出的强度变化占优势。但是，当在VUV波长上工作时，环境条件 的变化(即光路的环境中的吸光物类的浓度的变化)可能扮演重要得 多的角色。
从而，常规的波长较长的系统未能针对解决吸光环境对测量过程 的重大影响。为了确保获得精确且可重复的反射率数据，希望不仅提 供控制包含光路的环境的装置，而且还确保在校准、测量和参考过程 的所有方面期间都正确考虑到确实发生的吸光作用。
从而，希望提供一种具有受控环境的光学度量工具，其被设计为 在VUV波长上以及低于VUV波长的波长上操作。此外，为了确保获 得精确且可重复的结果，希望所述设计结合健壮的参考方法，这种参 考方法起的作用是减少或完全去除由受控环境的变化所引入的误差。
在图2中给出了示出本发明的一个实施例的光学反射计度量工具 200的示意图。如图所示，源210、光束调节模块220、光学器件(未 示出)、分光计230和检测器240被包含在环境受控的仪器腔202内。 样本250、附加光学器件260、机动台270(其可包括可任选的去吸器 (desorber))被容纳在单独的环境受控的样本腔204中，以便能够 在不污染仪器腔环境质量的情况下加载和卸载样本。仪器腔和样本腔 经由可控耦合机构206相互连接，所述耦合机构206允许发生光子传 送，并且如果需要的话还允许发生气体交换。例如，耦合机构206可 以是光学窗口，可以是在需要光学透射路径时打开的闸式阀，或者可 以是适当地允许光路被耦合在两个腔之间的其他机构。这样一来，提 供了仪器腔和样本腔之间的光路。此外，位于受控环境外部的处理器 290可被用于分析测得的数据。将会意识到，处理器290可以是可以 对收集到的数据提供适当的数据处理和/或存储的多种计算装置中的 任何一种。
虽然在图2中未明确示出，但是要注意，系统还可配备有自动设 备和其他相关的机械化组件，以帮助以自动方式加载和卸载样本，从 而进一步增大测量吞吐量。此外，正如本领域中已知的，还可结合样 本腔而使用负载固定腔，以改善环境控制，并增大系统交换样本的吞 吐量。
在操作中，来自源210通过光束调节模块220被修改，并且经由 输送光学器件通过耦合机构窗口206被定向和聚焦在容纳在样本腔 204中的样本250上。从样本反射的光传播回来，经过耦合机构206， 被收集光学器件所捕捉，并被聚焦到分光计230的入射平面上。正如 下文中更详细讨论的，在一个实施例中，分光计230可以是成像分光 计。此类分光计一般配备有某种形式的多元件检测器240(例如阵列 检测器)，以使得它能够同时收集某个范围中的多个数据点。设备的 整个光路被保持在受控环境内，所述受控环境的作用是去除吸光物类 并允许VUV光子透射。根据所需要的最低操作波长，可通过向仪器 腔和样本腔引入诸如高纯度氮、氩、或氦之类的非吸光性的净化气体， 和/或通过经由真空进行抽空，从而利用净化或真空系统280产生受控 环境。如果使用高纯度净化气体，则耦合机构206可由MgF2窗口构 成，而如果是被抽空的，则可采用机械闸式阀。其他可能的合适的窗 口材料包括熔凝硅石、掺杂了氟的熔凝硅石、石英、CaF、SrF、BaF、 MgF2，LaF和LiF。将会意识到，通过利用抽空技术和机械闸式阀的 组合，可进一步减少光子吸收。
在本发明的一个实施例中，VUV源210是长鼻突型氘(D2)灯， 例如由日本的Hamamatsu制造的L7293型。这种源是宽带VUV源， 并且将成熟的弧光灯技术与氟化镁(MgF2)窗口相组合，以提供低至 约115nm的连续发射(见图3的图线300)。但是该窗口可由多种 VUV材料构成，包括熔凝硅石、掺杂了氟的熔凝硅石、石英、CaF、 SrF、BaF、MgF2，LaF和LiF。灯的突出式设计提供了良好的方向性， 从而使得能够将VUV光子有效地耦合到反射计光学系统中。D2弧光 灯的特征在于高稳定性、高亮度和长寿命，从而使它们非常适合于要 求严苛的半导体度量应用。本发明的备选实施例可结合多种其他VUV 源，包括但不限于窄带源和无窗口释放源，其可发射低至115nm及 以下的光子。例如，无窗口源可以是差动抽吸式释放源。从而，这里 提供的系统和技术对于低端VUV(或更低)应用尤其有用。
再次参考图2，光束调节模块220允许空间和/或光谱过滤元件修 改源光束的属性。虽然一般可能不需要此功能，但是可能出现认为该 功能有利的应用。示例可包括通过使用孔隙来修改源光束的空间或时 间相干性，或引入“日盲(solar blind)”滤光器以防止波长较长的光 通过可能出现在光束路径中的各种光学表面处的散射机构而生成伪 VUV信号。在设备的一个特定实施例中，“日盲”滤光器是来自Acton Research公司的VUV滤光器，其典型反射属性在图4中示出，其中 图线400用于Acton Research部件号120-VBB滤光器，图线410用 于Acton Research部件号170-VBB滤光器。
在图5中提供了光学反射计度量工具500的一个实施例的更详细 的图，其中更详细示出了包括设备的测量和参考通道的光学器件。虽 然未示出，但是将会意识到，光学反射计度量工具可包括图2所示的 组件，例如净化或真空系统280、处理器290、台270等等。如图5 所示，在仪器腔502中可提供源510、分光计530和阵列检测器540。 样本腔504通过耦合机构(未示出)耦合到仪器腔502。
再次参考图5，将描述样本测量的光路。可以看出，来自源510 的光被镜1调准并定向为朝向光束分离器1，在这里源光束被分离成 样本光束和参考光束成分(一般分别由光束508和506表示)。样本 光束508从光束分离器1反射到平面镜5，在这里它被重新定向为朝 向镜2。在这里，光被向下聚焦(进入该图的平面中)到样本550上。 从样本550反射的光(从该图的平面向外)被调准光学器件(镜3) 所捕捉，在这里它通过光束分离器2被定向为朝向聚焦光学器件，即 镜4。在这里光随后被聚焦到分光计530的入射平面上。在样本的测 量期间，快门1和2是打开的，而快门3保持关闭。
在一个实施例中，镜1、镜2、镜3和镜4是偏轴抛物面反射镜； 其示例在图6中被示为偏轴镜600。这些镜最好在其制造之后被用常 规技术抛光，然后被覆盖上某种形式的宽带反射性涂层610，比如 Al/MgF2(某些制造商可直接将铝和MgF2层重叠着实现在镜上，或者 其他材料的薄层可位于铝层之下或之上)。后抛光通过使由于菱形车 削假象(diamond turning artifact)产生的问题达到最小限度，从而 改善了镜的成像属性。宽带涂层610被定制为提高VUV中的镜反射 属性。尤其适合于用作涂层610的涂层的示例是由Acton Research公 司生产的。图7示出Acton Research公司生产的涂层#1000、#1200 和#1600的反射率图线(分别是图线700、710和720)。对于在较短 波长上工作的情况，其他像单质铱这样的涂层可能更合适。
虽然其他类型的镜也可被结合到系统中，但是使用偏轴抛物面反 射镜使得能够用近法向入射照射/收集来获得反射率数据，从而产生了 许多益处。这些优点包括：简化了随后的测量数据分析，这是因为极 化作用可被忽略；在样本上产生了对称的测量区域照射；使得利用较 大的入射角时遇到的样本平面处的散射作用达到最低限度；以及促进 了紧凑的系统设计，这对于集成和/或线上度量应用来说是很重要的考 虑因素。此外，某些光学测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对光子掩膜的穿透表膜测量来 对高纵横比特征进行的尺寸表征。例如，正如图8所示的和本领域已 知的，半导体光刻掩膜衬底800可具有一个或多个膜810，这些膜被 表膜820所保护。对一个(或多个)膜810的穿透表膜测量可以受益 于近法向配置。
偏轴抛物面镜通常是由不同光学器件制造商所生产的；它们本身 易于获得且相对便宜。就集成和对准而言，它们提供了较大的自由度， 并且与用于类似应用的曲面镜相比，它们不会遭受同样程度的散光。
在本发明的一个尤其有用的实施例中，偏轴抛物面镜被设计成使 得偏轴角(在图6中表示为θ)等于90°。这种布置提供了相当大的灵 活性，并且更不易受较短波长上的散射影响(所涉及的入射角较小的 结果)。灵活性产生于以下事实：一个这种光学器件绕与光学器件的 中心光线轴平行的轴的旋转映射出二维图案(即圆)，这与处理其他 偏轴角的光学器件的三维图案(即锥体)相反。此特定几何配置提供 了许多系统增强的可能性和优点。
这种增强的一个示例是使得能够将多个源结合到系统中。其他源 可被放置在围绕与光学器件的中心光线轴垂直的轴的适当位置处。为 了选择另一个源，只需要使光学器件绕轴旋转。这种布置的另一个优 点将会实现在仪器的初始对准阶段。利用法向入射配置使得能够简单 地确定工具的照射和收集臂上的正确对准，这是因为，从它们会聚焦 到与中心聚焦相垂直的表面这个意义上来说，它们将会在轴上工作。 这导致了更好的斑点清晰度，从而导致了更好的整体成像性能。
再次返回图5，一旦光进入分光计530，它就被平面镜531反射， 被聚焦镜532调准，并且入射在衍射光栅533上。被光栅衍射的光中 的某个部分被第二聚焦镜534收集，并且聚焦到对VUV敏感的阵列 检测器540的表面上。正如本领域中已知的，从衍射光栅反射的光变 成在空间上间隔跨检测器的宽度的波长。注意，在该特定实施例中， 分光计内的所有光学器件也都被涂覆上了诸如Al/MgF2之类的宽带反 射性涂层，以提高其效率。理想情况下，分光计是成像分光计，这种 成像分光计是以这样一种方式来设计的：它在大面积平面场中提供无 散光成像，就像Chromex Instruments制造的250is/sm的情况那样(另 见美国专利No.4932768)。这种分光计通常允许宽范围的多个波长同 时离开分光计，以被检测器元件所检测(这与某些类型的尝试将出射 光限制到单个波长的分光计相反)。通常，这种分光计利用固定衍射 光栅，这是因为不需要可移动衍射光栅来生成变化的波长上的数据。 成像分光计可以与阵列检测器结合使用，以便离开分光计的多个波长 可散布在阵列检测器的宽度上。从而，跨检测器的宽度的列被提供以 不同波长的光。成像分光计的内部元件可被设计成使得多个波长被充 分分辨，以便阵列检测器可精确地获得各种波长的数据。
此外，如果衍射光栅是全息离子蚀刻型的，以便使由于在短波长 上散射的光而产生的漫射光最少，则将会是有利的。本发明的备选实 施例也可结合其他类型的VUV分光计，包括比如法国的Jobin-Yvon 制造的那种非周期性曲面光栅配置，比如加拿大的Resonance有限公 司制造的那种罗兰环配置，或者比如美国的Catalina Scientific公司制 造的那种小阶梯光栅配置。此外，所使用的衍射光栅不需要是可移动 的，而是更宁愿被实现为固定衍射光栅。
虽然对于本发明可使用任何数目的对VUV敏感的阵列检测器， 但是希望使用这样一种检测器，它提供VUV光子的高效转换，同时 提供宽动态范围。背面稀疏、背面照射、未经涂覆的电荷耦合器件 (CCD)尤其适合于此应用，这是因为它们提供了高度灵敏性，并且 避免了由于多晶硅栅区域中的VUV光子吸收而引起的损耗，而这种 多聚硅栅区域中的VUV光子吸收正是这种器件的涂覆磷的、正面照 射的对应物所遇到的。一般预期，与那些处理抗反射层的器件相比， 未经涂覆的器件在宽波长范围上的性能较好。可以使用的另一种类型 的阵列检测器是耦合到标准CCD或光敏二极管(PDA)的微通道板 状检测器。适合于此应用的微通道板状检测器的一个示例是由美国的 Burle Industries有限公司制造的。或者，如果正面照射的CCD或光 敏二极管阵列配备有以下这样的磷涂层，则可独立使用正面照射的 CCD或光敏二极管阵列：这种磷涂层吸收短波长光子并重新发射较长 波长光子，这些较长波长的光子随后可被器件有效地收集。
阵列检测器540的另一个方面是它可被冷却到低温(低于0℃)， 以降低暗计数(即由于热而生成的载体)，在低光子级别占优势的情 况下，这种暗计数会掩蔽测得的信号并且会不利地影响系统精度。为 了冷却检测器，必须将其封装在密封腔中，以防止可冷凝物类累积在 设备上。这通常是通过将设备安装在用MgF2窗口密封的真空腔中以 防止VUV光子通过，从而实现的。为了在较短波长上(一般低于约 115nm，这是MgF2的透射截止点)工作，可去除保护性窗口，这是 因为受控环境可能是由真空形成的，而不是由非吸光性净化气体形成 的。尤其适合的检测器(DV-420-BN型)是由北爱尔兰的Andor Technology制造的。此特定检测器是宽度为26.6mm、高度为6.7mm 的阵列检测器。这种检测器是由排列成行和列的像素阵列形成的。在 该示例中，典型像素的宽度和高度可为26微米，虽然具有更小的10 微米量级上的分辨率的检测器一般也是可获得的。
为了帮助在带图案的样本上选择离散的测量位置，可采用光学照 相机系统565(即照相机加必要的聚焦元件)。虽然有许多种将这种 系统集成到反射计配置中的方式，但一种可能的方法是用它来捕捉经 过样本通道508并且从光束分离器2反射的光束。当以这种方式使用 时，照相机系统565可被用于在样本光束508处于使用状态时(即当 快门1打开时)的任何时间收集图像。或者，可向照相机系统添加内 翻式镜，以暂时将样本光束的一部分(在从样本反射之后)重新定向 到照相机。最后，还可以选择将单独的照射和/或收集光学器件引入反 射计中，以获取图像并定位样本上的特定特征。
结合基于阵列的检测器使用成像光谱仪，使得与利用常规扫描单 色仪和单个元件检测器布置的情况相比，能够更快且更精确地收集整 个光谱(这是因为缺少移动部件)。此外，它实现了高质量成像反射 法，从而允许来自样本上的小区域的数据易被收集和从空间上分辨。 这允许了在实际的带图案的产品样本上执行测量，而不是只在覆盖型 “测试”衬底或晶片上执行测量。实际上，成像光学器件和高灵敏度的 检测系统的组合使得能够在局部区域内的一系列部位同时执行多个测 量。
图9示出了实现这种多测量的方式。这些技术利用了所选择的作 为二维阵列检测器的检测器。从而，例如，对于图5，阵列检测器540 可以是二维阵列检测器。图9的左侧给出了带图案的样本50的一部分， 其中形成了四个矩形结构900。例如，这种结构900可形成在半导体 衬底上，例如带图案的多晶硅衬底结构、金属结构或形成在半导体晶 片上的其他结构。结构900可被半导体衬底的不带图案的区域所围绕 (将会意识到所示结构只是说明性的，用于帮助理解本发明，而正如 这里所说明的，样本的某些部分或结构可能经历同时的多个测量)。 叠加在样本的中间两个特征上的是垂直矩形920，其限定被成像到分 光计的入射狭缝上的空间区域。虽然实际上可能会照射样本上的大得 多的区域，但是只有从指定区域反射的光才会被分光计收集，从而被 检测器记录。此区域的宽度和高度是分光计入射狭缝的狭缝宽度930 和狭缝高度940结合所选择的支持性收集和照射光学器件的函数。典 型狭缝的可具有20-30微米量级的宽度，以及1厘米量级的高度。如 图9的示例中所示，样本和狭缝可被视为，由行和列形成(行是从页左 到页右，例如行950，列是从页顶到页底)。来自样本的经过分光计 的入射狭缝的信息随后被衍射光栅衍射，然后被提供到阵列检测器。 样本的行信息从物理上映射到检测器的行，但是列信息却不是如此， 这是因为衍射光栅分散列信息，以使得源自所有列的给定波长成分将 会映射到检测器上的单个列。结果，与样本上的不同垂直位置(即行) 相对应的数据被成像到检测器的不同垂直位置(行)上。
由于检测器是由一系列像素行(通常是256、512或1024行)构 成的，因此每行像素将会记录与带图案的样本上的不同离散位置相对 应的数据。这一点在图9的右侧示出，其给出了从样本550上的五个 不同行部位950收集到的反射率光谱图线960。从而，对于样本信息 的任何给定行部位950，可获得某个范围的波长的光谱图线。此外， 阵列检测器可同时收集来自多个不同行部位950的信息。从而，可同 时收集多个波长以及多个行部位的数据。可检测到的样本部分的各行 的分辨率依赖于阵列检测器中使用的像素高度。通过选择和/或调整收 集和照射光学器件、入射狭缝宽度和检测器像素组合(binning)配置， 可实现各种大小的一系列测量部位。这样一来，样本的二维区域可被 光路照射，并且来自二维区域的数据可被记录在二维阵列检测器上。 如图9的光谱图线960所示，这种技术可被用来表征样本结构900和/ 或区分样本结构900和样本不带图案的区域。此外，虽然狭缝宽度被 示为只将给定行映射到样本结构900上，但是样本也可被移动(在图 中左右移动)，以便狭缝宽度的给定行与带图案的区域和不带图案的 区域都交叠，从而提供的数据指示两个区域的组合。
同是收集来自给定局部区域内的多个离散位置的数据的能力提 供了测量吞吐量方面的优点，这是因为常规仪器中每个部位的测量时 间中的一大部分产生于样本放置(即将样本部位精确调整和定位到测 量位置中)。此外，这种独特的能力在对间隔较近的部位之间的比较 测量感兴趣的应用中也是有用的。典型示例包括但不限于与化学机械 抛光应用相关的凹陷和腐蚀研究。从而，不是结合样本移动执行多个 单独的测量，而是单个测量就可返回与样本的二维区域中的多个位置 相关的数据。将会意识到，在这种技术中，光学元件(例如镜、光束 分离器等)的质量应当是这样的：与不利用二维测量的应用相比，提 供较大的无失真区域。从而，在一个实施例中，这里所提供的光学VUV 反射计系统也可表征为二维反射计系统。将会意识到，这种二维数据 收集的许多用途将与上述照相机元件一起被利用，以便可发生对被分 析的二维样本区域的图案识别。
这里所描述的系统和技术尤其有利于用在需要高速测量的应用 中。除了获得来自给定局部区域内的多个离散位置的数据的能力之外， 还可在不需要利用可移动衍射光栅的缓慢的步进扫描技术的情况下获 得这些测量。
作为早前讨论的吸光问题的结果，小环境扰动可大大影响VUV 波长上的测得数据。因此，需要提供一种装置，这种装置能够在短时 间段中执行测量，以便使由测量过程期间发生的环境变化导致的有害 作用达到最小限度。此外，需要提供一种装置，通过这种装置，可以 使测得的数据参考已知标准，以便进行数据归一化。此外，提供参考 的装置应当用于进一步最小化和/或完全消除发生在校准测量结束和 后续样本测量开始之间的改变数据的环境变化所引起的误差。
为了确保系统(即源的输出、环境条件等等)中的变化被正确考 虑到并且不会导致不精确的数据，参考是有必要的。虽然对于确保任 何波长段中的反射法结果的稳定性都是必要的，但当在VUV中操作 时，参考更加重要，这是因为可用光子通量更低，并且所记录的数据 对于光路中包含的气态介质的成分的敏感度更高。
再次参考图5，在这里所描述的VUV装置中，数据参考是通过 使用参考光束通道506来完成的。正如这里更详细描述的，希望参考 光束通道与源光束通道508相平衡(或与源光束通道508具有相同的 光束长度)。此参考光束通道506在图5中示出，它是当源光束被分 离成样本和参考成分时在光束分离器1处产生的。此光束透射经过光 束分离器，并被镜6、7和8反射，然后被镜9反射。然后光束被光束 分离器2反射，之后沿着与先前针对样本光束通道508描述的路径相 同的路径去到检测器。可控孔隙可被用来选择性地启用或禁用参考光 束通道和样本光束通道。例如，孔隙可从可控光快门形成。在参考测 量期间，快门1被关闭，而快门2和快门3保持打开。
对于本领域的技术人员将会显而易见的是，如果样本和参考光束 从光束分离器1到光束分离器2传播过的光路被精确调整以便它们的 长度几乎相等，则它们形成接近平衡的Mach-Zehnder干涉计的两臂。 还易看出的是，存在许多结合了其他干涉计设计以实现此目的的其他 等同布置。一个这种备选实施例的示例在图10中示出，其中Michelson 干涉计被结合到了设计中。虽然未示出，图2或5的系统的其他元件， 例如耦合机构、照相机、净化或真空系统、处理器等等也可与图10 的系统的使用相结合。在图10的布置中，来自源1010的光被镜1调 准，并且被定向为朝向光束分离器1020，在这里样本光束1030和参 考光束1040被分割。样本光束1030传播经过快门1，并且被偏轴抛 物面反射镜(镜2)聚焦到样本1050上。来自样本的光被相同的光学 器件捕捉，并沿其原始路径传播回去。然后光束传播经过光束分离器 1020，并被另一偏轴抛物面反射镜(镜3)聚焦到分光计1070的入射 狭缝1060上，最后被定向为朝向阵列检测器1080。在样本测量期间， 快门1和2是打开的，而快门3保持关闭。
在参考测量期间，参考光束1040经过光束分离器1020和快门3， 然后它被镜4沿其路径反射回去。然后它以与样本光束类似的方式被 光束分离器1020反射并被聚焦取分光计1070的入射狭缝1060上。在 参考测量期间，快门2和3是打开的，而快门1保持关闭。
这些参考配置的益处可描述如下。因为由吸光性大气物类引起的 VUV光子衰减是光路长度的功能(路径越长，就遇到越多的吸光性分 子)，并且由于此相关性是非线性的，因此如果每个光束要遇到类似 的衰减作用，则样本和参考臂的长度应当基本相同。如果不是这样， 并且臂具有不同的长度，则校准测量之后的任何时间获得的数据只有 在环境中的吸光性物类的浓度与执行校准测量时存在的浓度精确相等 时才是精确的。由于要确保此条件几乎是不可能的，因此除非样本和 参考路径长度相等，否则要获得精确结果的可能性很低。
正如下文中更详细描述的，提供参考光束允许了获得指示光学反 射计系统条件的测量。例如，光学反射计系统内吸光性气体的存在可 能严重影响从特定样本获得的数据。参考光束通道提供了指示环境或 其他系统条件的机制。于是从参考通道获得的数据可被用来调整或校 正从样本获得的数据。从而，使用参考光束来提供指示光路的环境条 件的机制允许了根据从光学度量系统获得的数据进行计算的精确度提 高。此外，使用参考光束可允许在宽范围的环境条件上获得合适的样 本数据，从而减轻了环境标准，对于波长较短的测量尤其如此。
除了确保获得高度精确的反射率数据外，参考通道配置还提供了 多个其他直接益处。首先，参考方案扩展了能够获得可靠且精确的数 据的可接受的环境操作条件的范围。很简单，只要吸光性物类的浓度 低到足以允许可测量的一部分VUV光子离开源、被样本反射并到达 检测器，就可执行精确的测量。这降低了对受控环境的要求，并使得 能够在更宽范围的条件上进行数据收集。从根本上来说，参考方法使 得能够在宽范围的适当环境(而不是可再现)环境上执行精确测量。 同样，这里所描述的干涉计方法不仅平衡了通道的路径长度，而且还 起到了平衡检测器所看到的频谱强度分布的作用。这是很重要的，因 为它允许了较长的集成时间，并帮助减轻了检测器所固有的任何非线 性作用。
在本发明的另一个实施例中，除了样本本身以外，几乎所有光学 元件都被容纳在仪器腔内。图11中示出了此配置，它大大降低了对样 本腔的空间要求，从而使得它很适合于集成过程控制应用。如图11 所示，提供了光学反射计度量工具1100。在仪器腔1102内提供了源 1110、分光计1170和阵列检测器1180。在仪器腔内还提供了样本光 束路径和参考路径的所有光学元件。从而，镜1-6和快门1-3都位于 仪器腔1102内。镜2将光束向下(进入该图的平面中)聚焦，经过耦 合机构1106进入样本腔1104中。然后，样本光束从样本1150向上(从 该图的平面向外)传播，经过耦合机构到镜3。如图11所示，参考光 束路径经过两个耦合机构1105A(例如窗口或闸式阀)，这两个耦合 机构1105A将参考光束从仪器腔1102耦合到样本腔1104中，然后返 回仪器腔1102中。这样一来，参考光束经历了样本腔的环境，就像样 本光束一样。理想情况下，参考光束在样本腔1104中传播的距离将会 匹配样本光束在样本腔中传播的距离。此外，将会注意到，就像样本 光束一样，参考光束经过一个耦合机构两次。从而，参考光束的光路 被设计为严格模拟样本光束的情况。这样一来，参考光束和样本光束 的光路不仅整体上类似，而且就在仪器腔和样本腔中路径来说也是类 似的。将会意识到，图11所示的耦合机构的路径和布置是示例性的， 可在仍实现这里所描述的益处的同时利用其它的路径和布置。
图11a示出了图11的包含镜2和3的仪器腔1102、耦合机构1106 以及包含样本1150的样本腔1104的布置。如图11a所示，样本光束 1107和参考光束1109传播经过样本腔1104。将会意识到，虽然可能 不那么合乎需要，但系统可被配置成使得参考光束不经过样本腔。这 种配置例如可用于，就初始校准时间和之后的样本测量时间而言，样 本光束在样本腔中传播的路径长度充分小并且样本腔中的吸光性物类 的浓度充分受控之时，从而这种配置所引入的误差在可接受的误差容 限内。在这种情况下，参考光束可被配置为使得参考光束和样本光束 在仪器腔中都传播相同的光学距离。由于参考光束仅在仪器腔中传播， 总光束路径因此将会不同。这样一来，两个光束经历的环境仍一般性 地匹配(除了样本腔中的路径长度外)。在样本腔被用高质量非吸光 性气体净化或它被用高真空设备抽空的情况下，可实现这种条件。
图11和图11a的系统可被用作独立的工具，或者可以与另一个 过程工具相集成。在一个实施例中，图11a的系统可以仅仅被用某个 机构附接到过程工具，该机构允许在过程工具和度量工具样本腔之间 传输样本。但是，图11b示出了用于将光学反射计度量工具与过程工 具相集成的另一种方式。如图11b所示，仪器腔1102被耦合到耦合机 构1106。耦合机构1106例如可以是窗口。在该情况下，耦合机构1106 可以是形成在过程工具1105上的闸式阀，或者允许过程工具1105的 环境与样本腔1104共享的某个其他机构。如图11b所示，样本1150 不需要离开过程工具的环境，相反样本1150可被包含在过程工具的区 域1175内。区域1175可以是处理腔、传输区域或过程工具内的其他 区域。在图示示例中，当耦合机构1106(例如闸式阀)打开时，区域 1175和样本腔1104之间的环境被共享(注意虽然被称为样本腔，但 样本腔1104不接收样本，而是具有与包含样本的区域共享的环境)。 或者，打开耦合机构可被视为从效果上而言扩展了样本腔1104以包括 区域1175。这样一来，在区域1175和样本腔1104之间，诸如吸光物 类的浓度之类的环境条件可能是类似的。参考光束1109和样本光束 1107的光束路径再一次可被设计为在区域1175和样本腔1104的公共 环境内具有类似的长度。图11b的机构的有利之处同样在于可通过提 供诸如闸式阀这样的单个简单耦合机构来利用样本工具完成集成。如 上所述，如果区域1175内的环境可被严格控制，则可以在可接受的误 差容限内实现测量，而无需在样本腔和区域1175之间共享环境。在这 种情况下，耦合机构1106可以是窗口，而度量工具将会不需要样本腔 1104。
图11b的过程工具1105可以是任何类型的样本处理机构，例如 淀积过程工具、蚀刻过程工具、光刻过程工具、平面化(planarization) 过程工具等等。在该布置中，样本将被包含在过程工具1105内。过程 工具可包含位于可被经过耦合机构1106的光束所触及的光路中的样 本。样本可位于专供度量测量使用的过程工具样本腔中，或者可位于 过程工具的某个其他区域内。在图11b的配置中，光学反射计度量工 具1100从而可以是单独附加单元，该单元由仪器腔1102(和相关联 的元件)构成，该仪器腔1102可连接到具有耦合机构1106的过程工 具1105。图11b的配置的有利之处在于光学度量工具容易适应于用于 多种过程工具，这是因为过程工具制造只需要在过程工具上提供耦合 机构，而无需要在工具本身内结合重要的度量元件。
利用图11、11a和11b的配置，相对于仪器腔内所包含的光路长 度，样本腔内的光路长度可能相当短。在优选实施例中，样本腔中的 光路可以短到在微米范围内。或者，为了易于设计过程工具，路径可 以长到数百厘米范围内。但是，光路越长，就越需要使吸光性特征的 存在达到最小限度，从而增大了对样本腔施加的环境要求。如果利用 短光路，则对样本腔环境质量的要求降低，从而降低了稳定时间并增 加和样本吞吐量。另一个益处是，与光学表面位于样本腔的循环环境 中的情况相比，容纳在被持续维护的仪器腔内的光学表面不易受到污 染影响。虽然在图11中没有明确示出，但是暗示了不论通过对样本腔 本身的明智设计、还是通过某种其他的调整或定位样本或者样本和仪 器腔之间的一个或多个耦合机构的手段，参考和样本光束的光路长度 都是接近相等的。图11、11a和11b示出了对尺寸减小的样本腔的使 用。将会再次意识到，图2、5、11、11a和/或11b的系统的其他特征 和元件可彼此互换，即使图中并未示出这种特征或元件的全部。从而， 例如，图11的光学反射计度量工具可利用照相机、净化或真空系统、 处理器、Michelson干涉计设计等，并且将会意识到，在任何特定图 中示出的系统并不限于仅用于所示出的那些元件或所示出的元件布 置。
设备中采用的光束分离器可以具有各种设计。例如，光束分离器 可以是遮掩整个光束直径的部分透射性光束分离器，或者是遮掩整个 光束直径的某个部分的完全反射镜。如果需要在115nm以上的波长上 操作并且VUV光子通量充足，则可利用采用MgF2衬底的常规薄膜干 涉光束分离器。尤其合适于此应用的光束分离器是由Acton Research 公司制造的(VUVBS-45-MF-2D型)。此光束分离器的典型反射率和 透射率属性在图13中呈现为图线1310和1320。图线1310和1320分 别示出作为波长函数的45°处的百分比反射率和45°处的百分比透射 率。如果需要在低于115nm的波长上操作，或者如果光子级别足够 低，则可使用空间光束分离器(对分光路的完全反射镜)或内翻式镜 方法(利用内翻式镜替换光束分离器1和2并去除快门1和2)。
镜6、7和8提供了一种调整参考臂中的路径长度以便它与参考 臂中的路径长度严格平行的手段，例如图5所示的那样。本领域的技 术人员将会意识到，存在许多完成此目的的备选手段。例如，可使用 图11所示的配置，其中不存在镜7和8。与这种做法相关联的益处在 进行图14的检查时变得显而易见，其中对于不同的路径长度差异和 O2和H2O污染物浓度(以PPM为单位)绘出了样本臂和参考臂之间 的吸光率差异。图14绘出了从校准系统的初始时间到测量未知样本的 之后的时间的污染物浓度差异与仪器的样本通道和参考通道的路径长 度的差异之间的关系。图线1410、1420和1430对应于对于特定的一 组浓度和路径长度差异，在测得的反射率数据中将会引入的0.01％、 0.10％和1％的绝对误差线。从而，例如，点1445示出，如果测量校 准样本的时间和测量样本测量的时间之间的浓度差异在1.0E+01到 1.0E+02之间，并且路径长度差异约为0.01厘米，则会导致0.01％的 近似绝对误差。将会意识到，图14是用于证明这里所描述的原理的典 型曲线图。例如，图14中的曲线图假设O2和H2O同时变化(即，10PPM 的浓度差异对应于O2的10PPM变化和H2O的10PPM变化)。此 外，将会意识到，可能存在其他的作为吸光性物类的污染物。此外， 虽然图14给出145nm波长上的数据，但是其他波长也会类似地反映 这里所描述的概念。
从而，如果特定应用要求误差被保持在0.1％以下，并且如果可 以预期在初始校准和最终样本测量时间之间样本腔中的吸光性物类的 浓度将会在100PPM的量级上变化，则如图14所反映的，可计算最 大路径长度差异。在所给出的示例中，这种路径长度差异可以小于约 0.025cm。如果所预期的浓度差异越大，则可接受的路径长度差异将 会减小。类似地，如果误差必须被保持得更低，则可接受的路径长度 差异(对于给定的浓度差异)必须更低。注意，这些效果高度依赖于 环境中的吸光性物类的存在性，并且对于给定路径长度差异，吸光率 差异会随着环境恶化而非线性增大。
虽然不同应用可以承受不同程度的非精确性，但是可能在许多应 用中，一般宁愿将这种误差保持在低于0.1％，而在许多情况下保持在 0.01％以下或更低。可能遇到的浓度差异的范围很大程度上将会依赖 于如何设计和使用仪器。例如，独立系统可被设计成与充分的净化和/ 或真空控制一起使用，以便浓度差异可能被保持在非常低的级别(在 一位数PPM的级别)，而在度量仪器被附接到其他过程工具的集成 应用(例如参考图11b所描述的，从而样本腔的某个部分位于其他过 程工具内)中，则可能无法控制差异。
在样本测量和参考测量两者期间，以上参考图5、10或11描述 的实施例的快门2起精确控制测量持续时间的作用，而测量持续时间 直接影响所测得的数据的精确度。这样，快门2最好是可以在毫秒时 间等级上被精确控制的高速电子快门。这种快门的一个示例是由美国 的Thermo Oriel制造的76994型。快门2还起到防止来自源的光到达 仪器中的光学表面的作用，以便防止由于暴露到来自源的光的时间延 长而导致的这些表面的变化。
注意到以下这点是很重要的：利用这里给出的设计，来自样本通 道和参考通道的信号都是用分光计内的衍射光栅的相同区域来分散 的，并且都是用公共的检测器来记录的。这帮助了避免由于光栅的局 部性能差异和多个检测器之间的响应差异而导致的不精确性。
此外，希望存在这样一种手段，其调整或调节样本光束和参考光 束进入分光计的角度，以便两个光束相一致。两个光束的入射角之间 的差异可能导致复杂情况，其中包括但不限于由于不同的有效光谱分 辨率(由于两个光束“看到”不同的有效狭缝宽度)而造成的两个信号 的比率之中的假象和不需要的特征。通过使用用来支持光束分离器2 的标准动力学安装装置，可提供调整入射角的有效手段。本领域的技 术人员将会意识到也可采用许多其他的调整入射角的手段。如上所述， 可能希望使样本光束和参考光束的光路距离严格匹配，以便获得接近 相等的光路长度。还可能希望使诸如镜、光束分离器等光学元件的数 目和类型相匹配，以便提供具有基本上类似的特性的参考和样本路径。 但是，由于由腔的环境条件导致的吸收将会是主要因素，因此光路距 离可能会是匹配光束路径方面的最关键的因素。
考虑到环境吸收所给出的挑战，希望将设备的整体光学长度减小 到尽可能小。对此设计参考可被优化到什么程度的限制将会依赖于许 多系统特性，其中包括但不限于源的亮度和所需要的光谱分辨率。此 外，减小仪器的体积以便使稳定时间和净化仪器和/或样本腔所需的净 化气体的质量达到最小限度，也是有益的。可能预期，通过引入受迫 循环和智能机械设计以确保发生充分的气体混合，可从某种程度上影 响这些特性。
仪器的受控环境带来了许多相关益处。首先，真空或高纯度净化 条件的使用必然暗示着不存在可能导致氧化物增加、碳氢化合物增多、 水分吸收之类的可能的污染物。由于尖端晶片处理技术结合了更薄的 层和更小的特征，这些更薄的层和更小的特征现在相当于和/或小于与 通过污染过程无意产生的膜的厚度相关的尺寸，因此这种考虑因素变 得越发重要。在涉及越薄层的应用中，很可能通过在任选的解吸器单 元(见图2)中对样本进行预测量处理以便去除可能存在的污染层， 从而来实现测量精度的提高。正如本领域中已知的，这种解吸器可以 通过热处理来去除水分和诸如碳氢化合物之类的其他污染物。这种能 力在确保校准和测试材料的精度方面也将会扮演关键角色。受控环境 的另一个益处是它将会提供极佳的测量稳定度，这是因为仪器内的温 度和颗粒级别将受到良好控制。
可能注意到，这里所描述的参考技术提供了超越传统校准技术的 优点，并且参考技术可以与校准技术联合被使用，和/或取代校准技术 被使用。在传统校准技术中，提供了具有已知特性(例如已知反射率) 的参考以便测量。然后来自已知样本的测量被用于帮助分析从取自未 知样本的测量所获得的数据。但是，如果每次在对未知样本进行测量 之前都执行校准(尤其是在对每个样本执行多个测量时)，这种校准 技术是耗时的。此外，校准本身会引入误差，这是因为校准样本的质 量可能随着时间而降低(例如因为校准样本随时间而变得受污染)。 此外，校准样本移动进样本腔和移动出样本腔会引入更多的影响数据 分析的精确度的环境变化。这里所描述的参考技术可以在没有误差的 机械引入的情况下完成。
但是，这里所提供的参考技术可以迅速地并且在对系统影响最小 的情况下被执行。从而，例如，在每次从样本收集测量之前，可很容 易地获得参考测量。从而可获得在时间上接近样本数据收集的实时数 据参考，以指示度量系统的条件。此外，此参考数据可用于调整样本 数据，这是因为系统吸光效果已被检测到。此外，此参考数据可真实 地表征系统，而不依赖于标准样本。此参考数据还可用于调整样本数 据，这是因为已发生了其他系统变化(即源输出的相似变化)。参考 技术也可与传统校准技术相结合，以更充分地表征收集到的数据。从 而，可以在某种周期性基础上(一天一次、一周一次等等)上执行系 统校准，并且可以更频繁地执行参考技术，例如每样本一次或在每次 从样本取得测量之前。
在图12中，在高级别上提供了校准、参考和测量序列1200中涉 及的典型步骤示例。如步骤1202所示，校准样本可被加载到样本腔中， 并且适当的系统状态(例如吸光性物类)可被确立。然后，可对已知 校准样本执行测量以便校准光学反射计系统，如步骤1204所示。将会 注意到，系统可以在此时被实际校准，或者校准数据可以仅仅被收集 以被用来调整从对未知样本进行的测量给出的任何最终数据结果(例 如通过后续软件算法实现的调整)。然后，如步骤1206所示，可获得 对参考通道的测量，以便表征和记录执行校准测量时反射计系统的状 态。将会注意，如图所示，对参考通道的测量被示为是在对校准样本 的测量之后执行的，但是，参考测量也可在校准测量之前被执行。但 是，希望使这种测量在时间上相对接近，以便可确定校准时的系统特 性。
接下来，需要分析的未知样本被加载到样本腔中，并且适当的系 统状态(例如吸光性物类)可被确立，如步骤1208所示。然后，可从 未知样本获得光学反射计测量，如步骤1212中所示。然后，如步骤 1214所示，可获得对参考通道的测量，以便表征和记录对未知样本执 行测量时反射计系统的状态。再次注意到，如图所示，对参考通道的 测量被示为是在对未知样本的测量之后执行的，但是，参考测量也可 在未知样本测量之前被执行。最后，如步骤1216中所示，可利用来自 系统校准测量之时和样本测量之时执行的参考测量的记录信息来调整 样本测量的结果。进行这些调整是为了去除由系统状态变化导致的误 差。从而，这样一来，可考虑到校准之时和未知样本测量之时吸光性 物类的浓度变化。从而，参考光束可被用于帮助表征周围环境浓度或 浓度变化，尤其是在诸如路径长度差异之类的其他变量是已知的或者 可被精确估计的情况下。正如以下将参考图14更详细描述的，参考光 束路径和样本光束路径之间的非零路径长度差异的存在将会限制可能 由于吸光性物类浓度变化而进行的校正的精确度。此外，可能考虑到 的变化还包括校准测量时与未知样本测量时之间可能存在的参考光束 路径和样本光束路径之间公共的系统元件的变化。例如，可能针对源 特征、共享光学器件、分光计、检测器等的变化。这种变化可能是使 用年限/寿命变化、温度变化、机械变化等的结果。
在图12a的流程图中提供了校准、参考和测量序列1200中涉及 的典型步骤的更详细示例。如步骤1205所示，具有已知反射率的校准 样本可被加载到测量位置中(例如样本腔内)，然后可能发生净化和/ 或真空抽吸以确立适当低的吸光性物类环境浓度。然后可从校准样本 获得光学反射计测量，以记录校准样本的强度，如步骤1210所示。这 种数据可被处理器或其他计算系统保存。接下来，可计算源强度分布， 如步骤1215所示。步骤1220包括在时刻t1记录参考通道的强度。然 后利用先前记录和计算数据，可计算参考反射率，如步骤1225中所示。
接下来，可将未知样本加载到系统中，并且再次获得适当的吸光 性物类浓度，如步骤1230所示。然后另一个参考测量可被记录和保存， 如步骤1235所示，其中在时刻t2参考通道的强度被记录。然后在步 骤1240中利用来自步骤1235的数据再次计算源强度分布。源强度分 布可被改写，如步骤1245中所示。然后未知样本的强度可被记录，如 步骤1250中所示，并且样本反射率可被计算，如步骤1255中所示。 可利用步骤1260和1265的改写方程来计算样本反射率。将会注意到， 步骤1265的方程的指数项是针对单个腔中有两个光束(样本和参考) 的情况来写的。在更复杂的两腔情况下，它将会扩展到包括两个指数 成分，一个用于表征第一腔中的差异，第二个用于表征第二腔中的差 异。
然后可对同一未知样本或另一未知样本执行附加测量。将会意识 到，对于这种附加参考，可能不会对每个这种测量都进行校准样本的 另一次加载和测量，相反，校准数据可能被存储以供再次使用，而只 需要再次执行参考和未知样本步骤。在另一个实施例中，参考步骤的 数据也可被再次使用，以使得不是对每个附加的未知样本测量都执行 附加参考。从而，将会意识到，可以以多种方式来利用这里所描述的 参考技术，而同时仍获得参考技术的益处中的至少某些。
如图12a的步骤1255-1265中所示，路径长度和浓度差异的相关 性被清楚示出。正如步骤1265中也示出的，当路径长度差异(Lsample -Lreferece)朝着零减小时，由指数相关项导致的任何误差都减小， 这是因为当差异逼近零时，指数项逼近1。注意，这将在独立于浓度 差异(N2-N1)的情况下发生。除了图中所示的典型步骤外，意识到 在不存在光的情况下执行的背景测量(即在样本和参考快门都关闭的 情况下进行的测量)将会被记录，并被从所有后续测量中减去。由于 仪器中使用的检测器既被冷却已受到温度控制这一事实，不太可能需 要定期执行这种背景测量，因为预期与这种检测器配置相关联的背景 级别是较低的且非常稳定的。
将会意识到，可以在不需要使用上述参考技术的情况下获得这里 所公开的光学度量系统的优点。从而，可独立于参考技术或与参考技 术相结合地实现这里所公开的系统和技术。此外，可以用不同于这里 所公开的系统的光学度量系统或用在不同波长上操作的系统来利用这 里提供的参考技术。但是，这里所公开的参考技术和光学度量系统在 被结合使用时可能会尤其有利。
虽然在图12和12a中未示出，但是在存在相当高级别的漫射光 的情况下，在数据获取过程期间执行额外的校正性步骤将会是有用的。 漫射光是指通过散射过程在系统的光束路径中的光学表面处生成的 光。这种光的存在最终将会导致检测器所记录的伪计数(即波长不是 λo的光入射到与λo相对应的像素上)。虽然这里所描述的VUV装置 已被设计成大大减少设备内的漫射光的生成，但是在某些情况下针对 这种现象进行校正仍将是有利的。
针对系统内的漫射光进行校正的一种方法涉及尝试记录仪器的 光谱范围之下(即设备的较低波长截止点之下)的光。在此区域下记 录的任何信号不应当被定义为存在，而是应该被假定为是由散射过程 产生的。在拥有对这种信号的强度(作为波长的函数)的理解的情况 下，可以从仪器的光谱范围内的同时记录“真”信号的较长波长区域中 减去适当的“漫射光”贡献。
这里所公开的概念提供了一种VUV光学反射计度量工具。这种 工具的设计简单且健壮，从而使其易于在VUV波长上操作。此外， 该工具避免了与椭圆偏光法技术相关联的许多问题。例如，可以在没 有极化元件的情况下利用这里所公开的工具的技术。在椭圆偏光法中， 从样本表面反射的光的极化状态的变化被测量。典型的椭圆偏光法技 术使用至少两个极化元件(一个在样本之前的光路中，一个在样本之 后的光路中)。由于针对多个极化角收集数据的性质，这种技术是耗 时的。此外，极化元件一般是吸光性的，从而使其不适合于低波长测 量，尤其是在约140nm或更小的VUV区域中。从而，这里所描述的 系统和技术(其可在无极化元件的情况下使用)尤其有利于用于处于 低端VUV区域(或更低的)波长。极化元件的吸光性质也增大了收 集充足的光以获得测量所需要的时间。
从而，可能希望提供一种反射计工具，其利用这里所公开的技术， 并具有非极化光路，以便可获得独立于极化的测量。这里所示的独立 于极化的技术提供了一种独立于相位的反射系数幅度测量。这里所公 开的反射计工具一般在光路内包括多个波长，直到光路撞击衍射光栅， 在这里波长在空间上分隔开来。传统上，椭圆偏光法技术涉及在光路 中的某点将光源过滤为单个波长。应当注意，这里所描述的技术和工 具中至少某些可适用于被称为极化反射法的应用。这种应用一般可使 用位于样本之前或之后的单个极化元件，以使得能够收集两个可能的 极化状态之一的反射系数幅度数据。
这里所公开的工具和技术与椭圆计技术相比之所以有利还因为 光束相对于样本所需的较小的入射角。从而，例如参考图11a所示， 与通常使用70°量级的入射角的椭圆计技术相对，利用这里所公开的 技术，10°或更小，甚至4°或更小的入射角Φ都是可能的。这是有利 的，因为度量工具的覆盖区更小，并且度量工具与过程的集成更简单。 例如，可以通过使用一个耦合机构，而不是需要多个耦合机构，来将 这里所公开的度量工具与过程工具相集成。
一旦光谱反射率数据被检测器所记录，它就被发送到图1所示的 处理器单元，在这里它随后经由解析算法被简缩。这些算法一般使光 学数据(例如反射率)与样本的其他属性相联系，然后样本的其他属 性可被测量和/或记录。如果样本由衬底1510上的薄膜1505(或薄膜 叠层)构成，则情况可如图15所示，并且相关联的样本属性可包括以 下的量：例如但不限于膜厚度、复折射率、组成成分、孔隙度和表面 或界面粗糙度。
数据简缩一般是通过用某种形式的Fresnel方程结合一个或多个 模型以描述构成样本的一个或多个材料的光学属性，从而来完成的。 根据所涉及的材料的性质，存在大量这种模型，它们具有不同程度的 适用性。常用模型包括但不限于有效中值近似(EMA)和通常称为“谐 波振荡器”的变化。不论数据集合简缩时使用的特定模型为何，更大的 目标一般都是使用有效数学表达式来描述测得的数据，以便可通过迭 代优化过程来获得与样本属性有关的某些参数(如上所述)。即，将 测得的数据集合与利用依赖于与样本性质相关的参数集合的表达式计 算出的数据集合相比较。通过反复调整参数值直到实现两个数据集合 之间的充分吻合，来使测得的数据集合和计算出的数据集合之间的差 异达到最小。此差异通过是按“吻合度”参数来量化的。
由于与深紫外(DUV)和可见光区域中的较长波长相比，许多材 料在其光学属性的VUV区域中展现的结构要多得多，因此存在与这 里所描述的VUV装置所提供的数据范围扩展相关联的相当大的优点， 尤其是当与数据简缩过程相关时。这一点通过图16和图17中提供的 示例来说明。图16中的两条曲线代表淀积在硅衬底上的薄(～50) 氧化铝(Al2O3)层的测得的反射率光谱1610(实线)和计算出的反 射率光谱1620(点线)。计算出的结果是用上述数据简缩方法获得的。 很明显，在测得的光谱和计算出的光谱之间获得了极佳的吻合，从而 提供了对所获取的结果的精确度的高置信度。
针对Al2O3层获得的n和k值(分别为复折射率的实部和虚部的 值)在图17中给出。正如从n值图线1710和k值图线1720中显而 易见的，DUV和可见光区域中的光学属性在限定结构方面揭示的东西 很少，这是因为与n和k光谱相关联的主峰都在VUV中的较短波长 上。由于拟合算法中的参数固有地与这些峰的位置、幅度和宽度相关 (除了与其他事物相关以外)，因此通过向拟合例程提供跨越感兴趣 的波长的实际测得数据，可大大帮助对这种参数的精确确定。换言之， 由于许多材料的光学属性往往在VUV(而不是DUV或可见光区域) 中展现其限定结构的大部分，因此在尝试精确确定这种属性时，非常 希望利用此光谱区域中的测得数据。图18示出如何利用这里所公开的 VUV技术来识别和测量半导体工艺环境中的非常薄的层。图中的第一 曲线1810对应于右侧的y轴，它给出了与掩膜板衬底上的超薄(5) 残余光阻层相关联的反射率信号。第二典型180对应于左侧的y轴， 它给出了与所述残余光阻层的膜厚度的1增加相关联的差异信号。 很明显，差异信号的最大变化发生在较短的VUV波长处，并且当波 长接近DUV中的较长波长时，差异信号趋向于零。图19提供了如何 使用所公开的方法来测量或监视超薄层的厚度的另一个示例。图中给 出了三条曲线，它们对应于从由淀积在硅衬底上的氮氧化硅(SiON) 的薄10层(曲线1810)、薄14层(曲线1820)和薄18层(曲 线1830)构成的样本记录的反射率光谱。很明显，光谱之间的差异同 样在较短的VUV波长处最大，并且在该情况下，在较长的DUV波长 处根本不存在。由于其涉及半导体过程控制，因此这是越来越重要的 一个方面，这是因为半导体工业正在不断努力将越来越薄的层结合到 半导体器件中。
在进行图20的检查时进一步强调了这一点，图12给出了作为膜 厚度的函数(相对于具有13％氮的标称10层)的SiO0.87N0.13层反 射率变化(相对于标称的10层)。正如从图中显而易见的，对于给 定膜厚度变化，130nm(图线2010)处的反射率变化比157nm(图 线2020)或193nm(图线2030)处所预期的大。实际上，130nm处 的VUV中的变化比起193nm处的DUV中所展现的要大7倍。图21 和图22示出一般如何使用这里所描述的VUV技术来监视材料或膜的 组成成分。图21给出了淀积在Si上的浓度从10％到15％的一系列六 个16厚SiON层的反射率光谱。很明显，区域2110是对SiON膜 的组成成分变化的灵敏度最高的区域，并且其中心约在130nm处。 在图22的检查之后进一步强调了这一点，图22给出了作为膜厚度的 函数(相对于标称10层)的SiON层反射率变化(相对于具有10％ 氮的标称10层)。正如从图中显而易见的，对于给定膜厚度变化， 130nm(图线2010)处的反射率变化比157nm(图线2020)或193nm (图线2030)处所预期的大。
作为使用这里所给出的VUV方法所提供的益处的另一个示例， 考虑确定展现非均匀氮分布(是膜厚度的函数)的SiON膜的组成成 分。图22a给出了经历1e15氮原子/cm2剂量的20SiO2膜的一系列 四个氮分布。氮原子百分比被绘作膜深度(从环境/膜界面开始测量) 的函数。虽然在四个样本内包含相同数目的氮原子，但是这里原子的 分布大有不同。在一种情况下，氮被均匀分散在层的整个厚度中(图 线2240)，在另一情况下，它的结合方式是使得它展现以膜厚度为中 心的宽高斯型分布(图线2250)，在另一情况下，它展现底重式高斯 型分布(中心更接近膜/衬底界面)(图线2260)，在最后一种情况下， 它展现指数衰减型分布(图线2270)。
图22b给出与展现居中宽高斯型(图线2251)、底重式高斯型 (图线2261)和指数衰减型(图线2271)分布的样本相关联的反射率 差异信号。反射率差异信号是通过从与其他三个分布相关联的反射率 信号中减去与正常分布的样本相关联的反射率信号而获得的。很明显， 非均匀分布的样本都在光谱的VUV区域中展现重大且清楚可辨的反 射率差异信号，而同时在较长的波长处展现很少或不展现差异。此图 帮助进一步说明了这里所公开的VUV技术如何能够用于测量和/或监 视超薄层的组成分布。
虽然图17-图22b的典型层是Al2O3、光阻材料和SiON层，但 是将会意识到，也可以按类似的方式测量淀积在多种衬底上的其他材 料的层和膜叠层，所述多种衬底包括但不限于硅晶片和光掩膜板。
当测量某些由两层或多层构成的膜叠层时，可实现由VUV波长 所提供的另一优点。随着叠层中的膜数目增大，一般优化例程中探索 的参数数目也会增大。随着参数数目增大，参数之间存在相关性的可 能性也会增大。在某些情况下，这可能促成测得结果的不精确或不稳 定。在某些情况下，可以通过经由结合智能加权函数来使用VUV中 的光学数据，从而简化该问题，因而降低优化例程中探索的参数的数 目。
此函数在以下被称为“动态加权函数”，它涉及根据特定数据对所 探索的参数集合的确定的预期贡献，来在优化过程期间动态地对所述 特定数据给予更大或更小的强调。在这种方法，预期贡献是基于样本 的预期配置(即构成样本的层的厚度和组成成分)来动态估计的，并 且是在逐次迭代的基础上被更新的。例如，如图23所示，当测量由淀 积在硅衬底2340上的二氧化硅(SiO2)层2310和氮化硅(SiN)层 2320构成的两层膜叠层时，可以证明，在搜索顶部的SiO2膜的厚度 期间，对VUV中的数据点给出更大的强度将会是有益的。这是由于 以下事实造成的：在大于约1000的厚度下，SiN实际上对VUV光 子是不透明的。从而，如图23中所示，来自SiN-衬底界面的反射率 2350可能存在于用DUV波长进行的测量中，但可能不存在于用VUV 波长进行的测量中。从而，如果忽略DUV和更长的波长数据，则在 优化过程期间，实际上可以不考虑下面的SiN层的厚度。在进行图24 和图25的检查之时进一步说明了这一点。图24给出了来自三个 SiO2/SiN/Si样本的反射率数据。在这些样本中，SiN层厚度从1000 (图线2410)变到2000(图线2420)再变到3000(图线2430)， 而SiO2层厚度保持固定在10。很明显，来自三个样本的反射率光 谱在DUV区域中显得显著不同，而在VUV波长上几乎相同。这是由 于以下事实造成的：VUV光子不会穿透SiN层，而是“看到”由淀积在 SiN衬底上的10的SiO2构成的样本。从而，应用很强调VUV而很 不强调DUV和更长波长的加权函数减少了优化例程所探索的参数集 合，这是因为结果对SiN层厚度就不敏感了。这种方法减少或完全去 除了SiO2和SiN层的厚度参数之间的可能存在的任何相关性，从而起 到了提高测量结果的精度和可重复性的作用。此外，与可能使用常规 方法相比，这种方法一般会导致解答在短得多的时间段中收敛。
这种动态加权函数的益处的更多证明在图25中给出，该图也给 出了来自三个SiO2/SiN/Si样本的反射率光谱。在该情况下，在这些样 本之中，SiN层厚度固定在1000，而SiO2层从0(图线2510)变 化到10(图线2520)再变化到20(图线2530)。如图所示，光 谱在VUV区域中展现清楚的差异，而在DUV中看起来几乎是相同的。 从而，由于这里所描述的工具和技术对吸光效果的灵敏性，所测量的 薄膜中对较短波长的吸收可被有利地利用。此外，在对期望样本特性 的粗略估计(例如对下面的SiN膜厚度的粗略估计)已知的情况下， 对于某些波长区域中的反射系数数据可赋予更大的重要性(或动态加 权)。
虽然图23、图24和图25的典型样本是由SiO2/SiN/Si构成的， 但是很明显动态加权函数方法也可用于测量和监视处理多于两层并且 由不同材料构成的样本。
动态加权函数也可与迭代数据拟合过程结合使用。例如，对于从 以上参考图23-25描述的SiO2/SiN/Si层收集的数据，迭代过程可被用 来尝试确定每层的厚度。在拟合例程的每次迭代期间，可在每个波长 上从数据上比较计算出的数据集合和测得的数据集合之间的差异，并 将该差异用于确定拟合例程的参数值(在此情况下是膜厚度)中做出 的改变是否是对前次迭代中获得的参数值的改进。包括考虑到样本的 近似性质的加权因子是有利的。例如，图25中的数据清楚地揭示出 ～180nm以上的波长不包含关于顶部SiO2层的厚度的信息。传统数据 拟合方法在探索此厚度时将会忽略这个事实，并尝试比较在所有被测 波长上的测得数据和计算出的数据。结果，被比较的波长中的大多数 (大于180nm的那些)只能增大结果的不确定性，这是因为它们代 表加权比较函数中的一大部分。利用动态加权函数方法，可解决此问 题，以便只有能被合理预期包含有用信息的测得数据才会被包括到加 权比较函数中。该方法是动态的，因为做出判决的过程(其中测得的 数据应当被考虑)可在每次迭代之后被重复。
当涉及带图案的样本时，一般调用附加理论构造来正确描述光散 射，这种光散射是由于测量光子和周期性带图案特征之间的交互而发 生的。参考图26示出这种光散射。图26示出带图案的衬底2610以及 由入射光束2640产生的反射光束2620和衍射光束2630。这种形式的 非成像光学尺寸度量被称为散射法，并且通常涉及在数据简缩过程期 间采用某种形式的“严格耦合波分析(RCWA)”。此技术利用了从带 图案的样本散射光的灵敏性，并通过使用适当的数学表达式将构成样 本的特征的尺寸与从该样本记录的光学信号联系起来。换言之，散射 法使得能够通过考虑从包含带图案的特征的样本散射或衍射的光，来 确定带图案的特征的尺寸。
可以利用此方法在带图案的衬底2700上测量和/或监视的典型量 的示例在图27中图示出，并且包括但不限于临界尺寸(线宽)2710、 侧壁角度2720、沟深(或线高)2730、沟宽2740和膜厚度2750。要 理解，这些量代表可以在薄膜叠层和/或结构中测量和/或监视的许多 这种量中选择出的一些。在包括半导体器件和存储介质在内的许多领 域中都能找到这种性质的带图案的薄膜样本。
实际上，对光散射物理学的回顾揭示：短波长光子，比如VUV 中的光子，生来就比波长较长的光子更适合于测量或监视带图案的特 征的较小的临界尺寸，这是由于前者所提供的更大的灵敏度造成的。 可以看出，对于许多涉及尖端半导体器件的临界尺寸度量应用，测量 只可能用短波长VUV光子进行。这一点将通过以下提供的示例来进 一步说明。
图28示出与线宽确定相关的典型VUV测量。图中的第一曲线 2810对应于右侧的y轴，它给出了从具有130nm节距(pitch)的65 nm线阵列获得的反射信号。即，被构造成展现由65nm宽的间隙隔 开的65nm宽的线的线阵列。图28中的第二曲线2820对应于左侧的 y轴，它给出了66nm和65nm线阵列之间的反射信号差异。即，该 曲线代表了与展现65nm宽的线和间隙的线阵列的线宽增大1nm相 关联的差异信号。正如从图中可明显看出的，只有在与线阵列的节距 (65nm线宽度+65nm间隙宽度＝130nm节距)相对应的波长上 以及低于该波长的波长上，才会预期差异信号的突出且显著的变化。 从而，为了利用这里所描述的方法测量或监视这种结构中的线宽度， 所测量的波长范围必须包括等于或低于节距波长的波长。
图29示出与节距确定相关的典型VUV测量。图中的三条曲线代 表预期来自由63nm(曲线2910)、65nm(曲线2920)和67nm(曲 线2930)的线和间隙构成的线阵列的反射率信号。即，数据代表来自 具有相等线宽度和间隙宽度、但具有126nm、130nm和134nm的节 距的信号。正如从图中可明显而看出，三个光谱的变化在与线阵列节 距相对应的波长(在该示例中又是接近130nm)处和低于该波长的波 长处的光谱区域中最为明显。
图30示出这里所描述的VUV技术和装置如何能被用于测量或监 视构成线阵列的线高度的变化。图中给出了两条曲线。第一曲线3010 对应于左侧的y轴，它给出了来自具有65nm线和间隙的线阵列的预 期反射率信号，其中线高是1000。第二曲线3020对应于右侧的y 轴，它给出了与相同线阵列的线高度10增大相关联的差异信号。很 明显，线高度的变化带来的光谱特征与通过稍早给出的线宽度和节距 (参见图29和30)引入的变化显著不同。即，展现由高度变化导致 的最小的差异信号的光谱区域实际上是展现由线宽度和节距变化导致 的最大的差异信号的同一光谱区域。
这里所描述的VUV技术和装置在半导体过程控制度量领域的应 用既是众多的又是范围广泛的。一般而言，已证明这里所提供的VUV 反射计技术可提供示出给定波长上的反射率大小的数据。此外，这些 测量的灵敏度可以与半导体制造过程数据有意义地联系起来，以提供 指示各种过程变量的数据。这样一来，这里所提供的系统和技术可用 于过程控制和过程表征应用中。已给出了这种情况中选中的某些情况 的特定示例，但是本领域的技术人员将会意识到，这些方法可进一步 应用到许多其他情况中。
这里所描述的技术可被结合到用于度量应用的离线(off-line)独 立度量设备中。但是，由于可以用可相对迅速且可重复地产生测量结 果的相对不复杂的硬件解决方案来实现这些技术，因此这里所描述的 技术可能尤其适合于结合到多种半导体过程工具中的任何一种中。从 而，例如，这里所描述的VUV技术可被直接结合到用于淀积、蚀刻、 光刻等的工具中，以便可有利地获得在线测量、监视和控制。
上述设备、组件、材料和技术可被用于利用宽带范围波长的系统 中。例如，包括VUV波长的反射计可被配置为在至少一个其他光谱 区域中操作。从而，以上参考图1-30所描述的系统和技术中的全部或 部分可结合宽带系统和技术被使用。图31-39以及以下的相关文本描 述了可以与上述设备、组件、材料和技术结合使用的各种宽带系统和 技术。
宽带系统3100的一个实施例的简化图示在图31中给出。在操作 中，来自三个源3102、3104和3106之一的光被光学模块3108选择、 定向和聚焦到样本3110的表面上。在从样本反射之后，光再次被收集 和定向到三个检测器3112、3114和3116中光学模块3108所选择的那 个。在某些情况下，光学模块还可在源、样本腔3120和检测器之间提 供受控环境。此外，在某些情况下，光学模块可以通过提供用来为收 集到的数据提供参考的装置来起到改进系统性能的作用。光学模块被 处理器3122所控制，该处理器还可用来分析检测器所记录的数据。
图32给出本发明的实施例3200，该实施例被配置为收集VUV 和DUV-NIR中的参考宽带反射率数据。在操作中，来自这两个光学 区域的光以串行方式被获得。即，来自VUV的反射率数据首先被获 得和被提供参考，之后来自DUV-NIR区域的反射率数据被收集和被 提供参考。一旦两个数据集合都已被记录，它们就被接合在一起以形 成单个宽带光谱。
仪器被分隔成两个环境受控的腔，仪器腔3202和样本腔3204。 仪器腔3202容纳大多数系统光学器件，并且不会定期对大气开放。样 本腔3204容纳样本3206和参考光学镜M-5，并且定期开放以帮助更 换样本。
在操作中，首先通过将内翻式源镜FM-1切换到“外”位置以允许 来自VUV源3201的光被聚焦镜M-1收集、调准并重新定向为朝向光 束分离器元件BS，从而获得VUV数据。利用平衡Michelson干涉计 布置，冲击光束分离器的光被分割成两个成分，样本光束3210和参考 光束3212。样本光束被光束分离器BS反射，并传播经过快门S-1。 在此期间快门S-2关闭。样本光束继续经过补偿板CP，并经由聚焦镜 M-2通过窗口W-1被重新定向和聚焦到样本腔中。包括补偿板是为了 消除样本和参考路径之间可能发生的相位差异，这种相位差异产生于 以下事实：由于光束分离器的操作性质，在样本通道中传播的光只经 过光束分离器衬底一次，但是在参考通道中传播的光却经过光束分离 器衬底三次。从而，补偿板与光束分离器由相同材料构造而成，并且 具有相同厚度。这确保了传播经过样本通道的光也经过相同的光束分 离器衬底材料总厚度。窗口W-1是由对VUV波长充分透明的材料构 造成的，以便保持上述系统中较高的光吞吐量。
进入样本腔3204的光冲击样本3206并通过W-1被反射回来， 在这里它被镜M-2收集、调准和重新定向。来自M-2的光传播经过补 偿板CP、快门S-1和光束分离器BS，在这里它在不受内翻式检测器 镜FM-2(与FM-1同时切换到“外”位置)阻碍的情况下通过，在FM-2 处它被聚焦镜M-3重新定向和聚焦到VUV分光计3214的入射狭缝 上。在此处，来自样本光束的光被VUV分光计分散，并被与其相关 联的检测器所获取。
在样本光束3210的收集之后，参考光束3212被测量。这是通过 关闭快门S-1和打开快门S-2来完成的。这使得参考光束3212能够传 播经过光束分离器BS和快门S-2，其中它经由聚焦镜M-4通过窗口 W-2被重新定向和聚焦到样本腔中。窗口W-2也是由对VUV波长充 分透明的材料构造而成的，以便保持上述系统中的较高的光吞吐量。
一旦在样本腔3204内，光就被平面反射镜M-5的表面反射，并 被反射回镜M-4，在镜M-4处它被收集、调准和重新定向为朝向光束 分离器BS。然后光被光束分离器BS反射为朝向镜M-3，在镜M-3 处它被重新定向和聚焦到VUV分光计3214的入射狭缝上。
一旦样本光束和参考光束都已被收集，处理器(未示出)就可被 用于计算带参考的VUV反射率光谱。
在测量VUV数据集合之后，通过将源和检测器内翻式镜、FM-1 和FM-2都分别切换到“内”位置来获得DUV-NIR数据。结果，来自 VUV源3201的光被阻挡，而来自DUV-NIR源3203的光被允许在被 聚焦镜M-6收集、调准和重新定向之后经过窗口W-3。类似地，将内 翻式镜FM-2切换到“内”位置将会引导来自样本光束3210(当快门S-1 打开和快门S-2关闭)和参考光束3212(光快门S-2打开并且快门S-1 关闭时)的光经过窗口W-4到镜M-7上，该镜M-7将光聚焦到 DUV-NIR分光计3216的入射狭缝上，在DUV-NIR分光计3216处它 被分散并被其检测器收集。适当的DUV-NIR分光计和检测器在当今 市场中是常见的。尤其匹配良好的组合是由法国的Jobin Yvon制造 的。VS-70结合了不采用翻转镜的高效率(f/2)光学设计。此仪器具 有小的物理覆盖区，结合了排序波光器，并且可以与线性CCD或PDA 检测器一起使用。
用于系统中的内翻式镜被设计为使得它们能够迅速并可重复地 切换位置，以便使与光束方向性误差相关联的光吞吐量的损耗达到最 小。尤其合适的机动型内翻式镜是由美国的New Focus制造的。在经 略微修改的实施例中，这些镜可被光束分离器/快门对完全取代；但是 这可能伴随着不合需要的VUV信号强度损耗。
一旦样本光束和参考光束都已被获得，则处理器被用于计算带参 考的DUV-NIR反射率光谱。这样一来，在VUV和DUV-NIR光谱区 域中串行地获得了带参考的反射率数据。注意，VUV和DUV-NIR分 光计都需要配备有必要的排序滤波器，以避免由于较高阶的衍射成分 而造成的复杂情况。
由于兼容真空的组件与其标准对应物相比一般设计起来都更难 并且制造起来更昂贵，因此对于VUV操作不关键的系统元件被安装 在受控环境之外。从而，DUV-DIR源3203和分光计/检测器3216被 安装在受控环境之外。但这种布置不是必需的。
图33中给出了总结与本发明的这个实施例的操作相关联的串行 收集过程的流程图3300。更具体而言，如步骤3302中所示，系统首 先通过将内翻式源(FM-1)和检测器(FM-2)镜切换到“外”位置来 允许VUV光谱区域的收集。然后在步骤3304中，系统通过打开快门 S-1来开始VUV样本通道数据获取。此外，在步骤3306中，通过关 闭快门S-1停止VUV样本通道数据获取。然后在步骤3308中，通过 打开快门S-2来开始VUV参考通道数据获取。接下来在步骤3310中， 通过关闭快门S-2停止VUV参考通道数据获取。此外，在步骤3312 中，计算VUV反射率光谱。然后，在步骤3314中，通过将内翻式源 (FM-1)和检测器(FM-2)镜切换到“内”位置来允许DUV-NIR光谱 区域的收集。接下来，在步骤3316中，通过打开快门S-1来开始 DUV-NIR样本通道数据获取。然后，在步骤3318中，通过关闭快门 S-1停止DUV-NIR样本通道数据获取。然后在步骤3320中，通过打 开快门S-2来开始DUV-NIR参考通道数据获取。接下来在步骤3322 中，通过关闭快门S-2停止DUV-NIR参考通道数据获取。此外，在 步骤3324中，计算DUV-NIR反射率光谱。然后，在步骤3326中， 来自VUV和DUV-NIR光谱区域的数据被接合在一起以获得单个宽带 反射率光谱。
本发明的这个实施例提供了许多益处。例如，系统已被优化以获 得更高效和精确的VUV性能。除了其他事物以外，这还要求包含VUV 光子传播的光路的环境被控制，以便诸如氧和水分之类的吸光性物类 的浓度被保持在充分低的水平，以允许充分的光吞吐量。这可以按以 上更详细描述的多种方式来实现。这种技术包括根据所需要的系统性 能级别，来利用非吸光性气体净化环境和/或经由真空系统进行抽空。
在VUV数据获取期间，内翻式源和检测器镜被切换到“外”位置， 因此不为测量贡献任何机械不确定性。实际上，在VUV数据的获取 中不涉及移动的光学元件(除了快门以外)。这是有利的，其原因很 多。首先，由于较低的可用光子通量和可用的有效光学器件和涂层的 普遍短缺，比起在其他波长区域中进行的测量来，短波长VUV测量 一般执行起来挑战性更大。第二，超薄(＜100)膜的表征严重依赖 于精确的强度或幅度信息，这是因为来自这种膜的反射率光谱一般不 会展现像来自其较厚膜对应物的光谱那样的与干涉作用相关的突出光 谱特征。
此实施例所提供的另一益处是它提供了一种为收集到的数据集 合提供参考的迅速且自动化的手段，从而实现了可重复性很高的结果。 此能力起到了减少或完全去除由系统的光吞吐量变化所引入的误差的 作用。在较长的波长上，这种变化一般是由源输出变化所驱动的，而 在VUV中，预期光路的环境中的吸光性物类的浓度变化将会占优势。
本发明的这个实施例所提供的另一个益处与使用单个光学输送/ 收集模块相关。此公共模块起到了不论所调整的光谱区域如何，都能 帮助利用相同的斑点尺寸和方位收集来自样本上的相同位置的数据的 作用。为此，DUV-NIR源和分光计被选择为使其与VUV源和分光计 保持基本上类似的光收集/输送特性。系统的这个方面在研究带图案的 样本的情况下尤其重要。
此外，单个光学模块简化了集成和制造期间的仪器对准，尤其是 针对由自聚焦例程所引起的复杂情况而言。
本发明所提供的另一个益处产生于其串行操作方法。通过散射过 程生成的漫射光可能是成问题的，因为它无法被简单地以参考方式去 掉，从而可能导致非线性系统响应和记录的反射率数据的不精确性。 通过串行地收集来自每个波长区域的数据并为其提供参考，检测器处 记录的散射光子的强度可被大大减小。这是因为在任何给定时刻只有 来自一个源的光传播经过系统。从而，来自其他光谱区域的光无法散 射和导致检测器处记录的伪信号。当在VUV波长区域中工作时这尤 其有利的，这是因为与波长较长的情况相比，在VUV波长区域中散 射机制扮演的角色重大的得多。
只要通过添加备选的源、分光计和检测器，就易将上述宽带系统 和技术扩展到包含其他光谱区域。图34给出了本发明的一个实施例中 的备选宽带系统3400，它已被优化以便在第一光谱区域中操作，并且 被设计为在第二和第三光谱区域中都性能良好。例如，除了如图32 所示的源3201和3203外，还可使用第三源3302。在一个实施例中， 源3201可以是VUV源，源3203可以是DUV源，源3302可以是NIR 源。相应的VUV分光计3214、DUV分光计3216和NIR分光计3304 可以与各相关源一起使用。和以前一样，源和检测器内翻式镜集合被 用于将光从备选源输送到备选分光计和检测器。在该实施例中，第一 光谱区域数据是用处于“外”位置的内翻式镜(FM-1、FM-2、FM-3和 FM-4)来收集的，第二光谱区域数据是在只有内翻式镜FM-1和FM-2 被切换到“内”位置的情况下用源3203收集的，第三光谱区域数据是在 只有FM-3和FM-4被切换到“内”位置的情况下用源3302收集的。
此实施例的串行测量过程的流程图3500在图35中给出。更具体 而言，如步骤3502中所示，通过将所有内翻式源和检测器镜都切换到 “外”位置来允许第一光谱区域的收集。然后在步骤3504中，通过打开 快门S-1来开始第一样本通道数据获取。接下来，在步骤3506中，通 过关闭快门S-1停止第一样本通道数据获取。此外在步骤3508中，通 过打开快门S-2来开始第一参考通道数据获取。然后在步骤3510中， 通过关闭快门S-2停止第一参考通道数据获取。然后，在步骤3512中， 计算第一光谱区域反射率光谱。此外，在步骤3514中，通过将内翻式 源(FM-1)和检测器(FM-2)镜切换到“内”位置来允许第二光谱区 域的收集。接下来，在步骤3516中，通过打开快门S-1来开始第二光 谱区域样本通道数据获取。接下来，在步骤3518中，通过关闭快门 S-1停止第二光谱区域样本通道数据获取。然后在步骤3520中，通过 打开快门S-2来开始第二光谱区域参考通道数据获取。接下来在步骤 3522中，通过关闭快门S-2停止第二光谱区域参考通道数据获取。此 外，在步骤3524中，计算第二光谱区域反射率光谱。然后，在步骤 3526中，通过将内翻式源(FM-1)和检测器(FM-2)镜切换到“外” 位置并将内翻式源(FM-3)和检测器(FM-4)切换到“内”位置来允 许第三光谱区域的收集。接下来，在步骤3528中，通过打开快门S-1 来开始第三光谱区域样本通道数据获取。接下来，在步骤3530中，通 过关闭快门S-1停止第三光谱区域样本通道数据获取。接下来在步骤 3532中，通过打开快门S-2来开始第三光谱区域参考通道数据获取。 此外在步骤3534中，通过关闭快门S-2停止第三光谱区域参考通道数 据获取。然后，在步骤3536中，计算第三光谱区域反射率光谱。接下 来，来自第一、第二和第三光谱区域的数据被接合在一起以获得单个 宽带反射率光谱。
本发明的一个实施例中的备选宽带系统3600在图36中给出，其 中对源3201和3203以及分光计3214和3216的选择是通过聚焦光学 器件RM-1和RM-2的旋转而不是通过使用内翻式镜来完成的。在该 实施例中，RM-1和RM-2是转动角为90°的偏轴抛物面镜。从而，RM-1 可绕连接RM-1和光束分离器BS的线所限定的光轴旋转，以便收集 来自VUV源3201或DUV-DIR源3203的光。类似地，聚焦镜RM-2 可绕由RM-2和BS之间的线所限定的轴旋转，以将光聚焦到VUV分 光计3214或DUV-DIR分光计3216的入射狭缝上。
这种布置与图32的实施例相比使用的光学组件更少，从而可产 生更小的仪器覆盖区。这种方法的潜在缺陷是由于聚焦光学器件 RM-1和RM-2的旋转，它确实向VUV测量过程引入了某种程度的机 械不确定性。
本发明的备选实施例在图37中参考系统3700给出，其中参考通 道3212中采用的平衡干涉计是Mach-Zehnder型的而不是图32、图 34和图36的实施例中所示的Michelson配置的。此实施例需要附加 的光学元件，但是就去往和来自样本3206表面的光的角输送和收集而 言，提供了更大的灵活性。
在操作中，来自第一源3201的光被聚焦镜M-1收集、调准并被 重新定向为朝向光束分离器BS-1，在这里它被分割成样本光束3210 和参考光束3212成分。当打开快门S-1并关闭快门S-2时，启用了样 本光束3210。在该状态下，从光束分离器BS-1反射的光被聚焦镜M-2 通过W-1收集和聚焦到样本上。从样本3206反射的光经由窗口W-1 离开样本腔3204，并被聚焦镜M-3收集、调准和重新定向为朝向平面 镜M-4。离开镜M-4的光传播经过第二光束分离器BS-2，并被聚焦 镜M-5收集和聚焦到第一光谱区域分光计3214的入射狭缝上。在此 处，来自样本光束3210的光被分光计分散，并被检测器获取。
在收集第一光谱区域样本光束之后，测量第一光谱区域参考光 束。这是通过关闭快门S-1并打开快门S-2来完成的。这允许了参考 光束3212传播经过光束分离器BS-1，在这里它经由聚焦镜M-6通过 窗口W-2被重新定向和聚焦到样本腔3204中。一旦在样本腔3204内， 光就从平面参考镜M-7的表面反射，并被聚焦镜M-8收集、调准和重 新定向为朝向平面镜M-9。此光被光束分离器BS-2反射，并被聚焦 镜M-5重新定向和聚焦到第一光谱区域的分光计3214的入射狭缝上。 一旦已获得样本光束和参考光束，就用处理器(未示出)计算第一光 谱区域的带参考的反射率数据。
来自第二和第三光谱区域的数据再次被用源和检测器内翻式镜 集合收集，以将光从备选源输送到备选分光计及其相关联的检测器。 具体而言，当只有内翻式镜FM-1和FM-2被切换到“内”位置时，第 二光谱区域数据被收集，而当只有FM-3和FM-4被切换到“内”位置 时，第三光谱区域数据被收集。
本发明的另一个实施例在图38中作为系统3800给出。这个双光 谱区域配置也结合了Mach-Zehnder干涉计参考系统，但不需要使用 内翻式镜来选择光谱区域。相反，两个附加源快门(S-1和S-4)已被 添加到系统中以完成此任务。当执行第一光谱区域的测量时，快门S-1 是打开的，快门S-4是关闭的。相反，当执行第二光谱区域测时，快 门S-1是关闭的，而S-4是打开的。
由于此实施例不使用内翻式镜，因此与前述实施例相比，系统可 重复性可在某种程度上有所改进，这是因为去除了与内翻式镜相关联 的机械定位误差。
图38的实施例的串行测量过程的流程图3900在图39中给出。 更具体而言，如步骤3902中所示，第一光谱区域的收集是通过打开第 一源快门S-1来允许的。然后在步骤3904中，通过打开快门S-2来开 始第一光谱区域样本通道数据获取。接下来，在步骤3906中，通过关 闭快门S-2停止第一光谱区域样本通道数据获取。然后在步骤3908中， 通过打开快门S-3来开始第一光谱区域参考通道数据获取。此外在步 骤3910中，通过关闭快门S-3停止第一光谱区域参考通道数据获取。 然后，在步骤3912中，计算第一光谱区域反射率光谱。接下来，在步 骤3914中，通过关闭第一源快门S-1并打开第二源快门S-4来允许第 二光谱区域的收集。然后，在步骤3916中，通过打开快门S-2来开始 第二光谱区域样本通道数据获取。接下来，在步骤3918中，通过关闭 快门S-2停止第二光谱区域样本通道数据获取。此外在步骤3920中， 通过打开快门S-3来开始第二光谱区域参考通道数据获取。然后在步 骤3922中，通过关闭快门S-3停止第二光谱区域参考通道数据获取。 接下来，在步骤3924中，计算第二光谱区域反射率光谱。然后，在步 骤3926中，来自第一和第二光谱区域的数据被接合在一起以获得单个 宽带反射率光谱。
从而，如上所述，提供了宽带系统，其可被优化以便在第一光谱 区域中操作并且能够在至少一个其他光谱区域中具有良好性能。光学 模块中的公共输送和收集光学器件使得能够用类似的斑点属性来收集 不同的光谱区域。例如，可获得用于从样本进行收集的类似的斑点尺 寸。此外，在不同光谱区域之间，收集光斑的方位可以基本类似。此 外，所描述的系统和技术允许了串行数据收集方法，通过该方法来自 不同光谱区域的数据被串行收集以避免漫射光复杂情况。系统可被设 计成使得在收集来自第一光谱区域的数据时不涉及移动的光学元件 (除了快门以外)。此外，系统可结合一个光学模块，该光学模块提 供了针对不同光谱区域而优化的可选择的源和检测器。光学模块还可 提供了用于迅速为测得数据提供参考的机构，以便确保可实现可重复 性较高的结果。
因此上述宽带系统和技术提供了一种度量方法，其允许在多个光 谱范围上精确收集来自样本的光学度量数据。通过具有宽范围波长的 光学数据，仪器用户所采用的拟合算法可通过充分利用由两个或多个 光谱区域构成的数据集合所提供的更高级别的约束，来实现更快的收 敛和更精确的结果。
当如上所述针对多个光谱区域收集光学数据时，数据可在计算 机、处理器等中被组合以形成可被分析的连续数据集合。可以按多种 方式来组合数据，理想情况下，在光谱区域连接处，来自每个分光计 的数据将会匹配。例如，可选择预定波长以确定对于特定波长将会用 哪个分光计来收集数据。例如，对于190nm以下的波长，将会只从 VUV分光计取得数据，而对于大于190的波长，可从DUV-NIR分光 计取得数据。但是，如果在交叉点处来自每个分光计的结果不同的化， 则这种方法可能导致波长交叉点处收集到的数据的不连续。这种变化 可能使得拟合算法和数据处理复杂化。在另一种方法中，从每个分光 计收集数据的波长在某个确定的范围(例如20nm)中是交叠的。在 该交叠区域中，每个波长的数据可被计算成来自每个分光计的平均值。 在另一种备选方案中，可应用分级平均或最佳拟合算法来连接数据。 也可利用任何其他适当的组合来自每个光谱区域的数据的方法。
在考虑到本说明书的情况下，对本发明的更多修改和备选实施例 对于本领域的技术人员将会是显而易见的。因此，本说明书应当被解 释为只是说明性的，并且是用来教导本领域的技术人员实现本发明的 方式的。应当理解，这里所示出和描述的本发明的形式应当被理解为 目前优选的实施例。等同元素可取代这里所示出和描述的那些，并且 本发明的某些特征的使用可以独立于其他特征的使用，这对于受益于 本发明的此说明书的本领域的技术人员来说都是显而易见的。