本發(fā)明總體屬于光學(xué)測量技術(shù)的領(lǐng)域，并且涉及用于利用相位測量確定圖案化樣品的參數(shù)和/或性質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)和方法，尤其可用于半導(dǎo)體行業(yè)中。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步需要制造越來越小的器件。這種發(fā)展必須伴隨計量能力的同時改進，以便監(jiān)測和控制制造過程。

在過去幾十年中，光學(xué)臨界尺寸(OCD)計量由于其極度敏感性、準(zhǔn)確性、靈活性和速度已經(jīng)在半導(dǎo)體制造過程中起關(guān)鍵作用。為提供計量能力的充分改進，OCD工具已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的改進和細(xì)化，并且目前可提供極其準(zhǔn)確的寬帶光譜測量和極高的生產(chǎn)力。

除改進基本工具特性的過程以外，通過其可改進OCD性能的另外的著眼點為通過使測量的信息多樣化。通常，測量的光學(xué)性質(zhì)為不同入射角度的反射率、方位、偏振和波長。另外，反射的TE和TM偏振分量之間的相對相位可通過(例如)橢偏測量進行訪問。

從圖案化結(jié)構(gòu)散射的光的另一個重要屬性為其光譜相位。該量描述入射電磁波和反射電磁波之間的相對相位。通常，該相位針對不同的波長、入射角度/方位和偏振具有不同的值。

由于直接以光學(xué)頻率訪問相位是不可能的，所以必須使用通常借助干涉儀觀察的干涉效應(yīng)，并且恢復(fù)來自干涉效應(yīng)的編碼相位信息。大多數(shù)干涉儀由分離的光學(xué)路徑組成，分離光學(xué)路徑重新組合以形成干涉條紋。保持路徑的一個支路為參考，而另一個支路與樣品相互作用。然后使用來自這些兩個分量的干涉信號提取光譜相位。

US 6.985,232描述了一種相敏干涉寬帶反射儀，用于光學(xué)地檢查和評估對象。根據(jù)該技術(shù)，寬帶光束被分成探測光束部分和參考光束部分；引導(dǎo)探測光束被對象反射；在探測光束已經(jīng)被對象反射之后，將探測光束和參考光束重新結(jié)合。在測量期間，將探測光束或參考光束行進的路程的長度調(diào)制在預(yù)定范圍內(nèi)。然后，基于預(yù)定范圍內(nèi)的所選一組點處的每一波長，執(zhí)行重新結(jié)合的光束的光譜分析。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在現(xiàn)有技術(shù)中存在對新穎相位測量技術(shù)的需求，新穎相位測量技術(shù)允許以測量信號中的、期望的高信噪比進行有效測量。而且，可期望具有消除或至少顯著減少對光學(xué)系統(tǒng)元件的移動要求的測量系統(tǒng)。

通過提供光譜干涉測量系統(tǒng)，本發(fā)明提供用于光譜相位測量的新穎系統(tǒng)和方法，其中光譜干涉圖案通過光譜傳感器檢測并且呈多個(至少兩個)光譜干涉特征的形式，光譜干涉特征對應(yīng)樣品支路和參考支路之間的不同(至少兩個)光程差(OPD)。在一些實施例中，通過在照射通道和檢測通道中使用偏振濾波，此類光譜干涉測量系統(tǒng)利用基于交叉偏振的測量。在本發(fā)明的一些實施例中，通過使用在任意z位置處即在參考光束和與樣品相互作用的探測光束的光學(xué)路徑之間的任意距離處的單次曝光(單個測量)獲得光譜干涉圖案(多個光譜特征)。在這一點上，應(yīng)當(dāng)理解以下內(nèi)容：

如上所指示，光譜相位可使用干涉測量進行測量。傳統(tǒng)的干涉測量技術(shù)要求緊密控制光程差以便獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。在零差干涉儀(諸如相移干涉測量)中，相位信息的完整恢復(fù)要求使用若干個路徑長度相位偏移進行一連串的測量(至少3個連續(xù)測量)。這通常要求依序測量過程，并且測量準(zhǔn)確性在序列期間受到裝置不穩(wěn)定性的危害。這些挑戰(zhàn)也延及白光反射儀。而且，基于掃描光源、垂直/相位掃描和多z技術(shù)的常用技術(shù)通常使用依序測量過程：

由于以下附加因素，在晶片計量工具中獲得足夠的系統(tǒng)穩(wěn)定性甚至是更大的挑戰(zhàn)。通常，此類系統(tǒng)要求高速運動用于以高生產(chǎn)率在多個點處對晶片進行取樣。這為系統(tǒng)增添了重型的、高精度機械，該機械以高加速度和速率進行操作，同時具有其相關(guān)問題，諸如振動、穩(wěn)定時間、氣流和湍流以及加熱和冷卻循環(huán)。另外，晶片為相對大的樣品，從而由于必須跨越晶片的大框架而使事情進一步復(fù)雜化。這將系統(tǒng)暴露于對短期效應(yīng)諸如振動和湍流，以及長期效應(yīng)諸如熱膨脹和卡盤污染的更高敏感性下。最后，晶片堆疊多樣性和可變性引起來自晶片的絕對高度(z)測量(對于光學(xué)傳感器和電容傳感器兩者而言)的偏移，從而為系統(tǒng)增添了不期望的復(fù)雜性。

鑒于上述問題，可期望具有允許使用任意Z值處的單次曝光進行完整的光譜相位恢復(fù)的干涉儀。

本發(fā)明解決使用寬帶(“白光”)和/或用于測量光譜相位的相移干涉測量的主要難點中的若干個難點，以便執(zhí)行OCD和薄膜計量，以及材料光學(xué)性質(zhì)調(diào)查。

本發(fā)明提供有效的校準(zhǔn)方案和數(shù)據(jù)分析方法。如將在以下進一步更具體描述地，特定的校準(zhǔn)可用于考慮關(guān)于測量信號的主要的系統(tǒng)相關(guān)效應(yīng)。對于光譜相位測量，存在選擇使用哪種測量性質(zhì)的自由，以便提取所需數(shù)據(jù)。本發(fā)明人已經(jīng)示出，通過正確選擇要與計算結(jié)果進行比較的量，可顯著改善敏感性并且獲得穩(wěn)健的測量。

本發(fā)明還提供算法方法以在光譜反射儀數(shù)據(jù)的分析中考慮系統(tǒng)相關(guān)效應(yīng)。例如，本發(fā)明人已經(jīng)示出可如何使用正確的算法處理考慮振動敏感性，振動敏感性為限制干涉方法的可用性的主要因素。

如上所指示，本發(fā)明提供基于白光干涉儀的對光譜相位測量的獨特實施的構(gòu)造，白光干涉儀允許使用交叉偏振方案和/或在任意z(沿光軸的尺寸)處的單次曝光獲得完整的光譜相位。單次曝光使系統(tǒng)免除危害依序測量的瞬時不穩(wěn)定性效應(yīng)。如在大部分白光干涉儀中所常見，單個測量的高度的模糊性可通過執(zhí)行關(guān)于測量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)變換(諸如展開)，和/或通過高度的估計值的現(xiàn)有知識得到補償。由于在OCD領(lǐng)域中，通常已知被檢查的結(jié)構(gòu)在其尺寸上具有一些可變性，所以該現(xiàn)有知識大部分可用。本發(fā)明提供了若干實現(xiàn)單次曝光相位測量的方法(其可以根據(jù)需要用附加的測量加以擴展)。這些方法包括攝譜白光干涉測量；光譜外差白光干涉測量；位置相關(guān)的光譜白光干涉測量。

本發(fā)明還提供了用于基于若干干涉測量進行光譜相位測量的方法。在這種情況下，使用特殊設(shè)計的算法通過考慮若干個數(shù)據(jù)集并有效地消除噪聲效應(yīng)來提取準(zhǔn)確的相位。這些測量可以在不同的光程差(OPD)或在Z掃描期間進行。

本發(fā)明包括能夠同時在許多OPD處進行干涉測量并且通過其實現(xiàn)更好的噪聲消除的測量方案。

除測量方法之外，本發(fā)明提供了實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)健分析的若干算法方法。這些方法可以專門適應(yīng)干涉測量所施加的挑戰(zhàn)。

測量數(shù)據(jù)的處理包括測量數(shù)據(jù)和理論模型之間的擬合過程。通常，擬合過程包括價值函數(shù)定義(merit function definition)。價值函數(shù)是計算(理論)數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)之間的擬合程度的度量。價值函數(shù)可以是測量數(shù)據(jù)片和計算數(shù)據(jù)片之間的RMS誤差，其中測量數(shù)據(jù)片和計算數(shù)據(jù)片中的每個同時呈反射強度I和相位φ的形式。例如，反射強度和相位中的每個可以是在測量、偏振和入射/反射角中使用的一個或多個波長的函數(shù)。可以呈現(xiàn)和解釋其他類型的數(shù)據(jù)，例如復(fù)數(shù)電場分量或測量相位的sin/cos。

由于干涉測量提供了用于相位測量的最直接的方法，為此，下面描述的本發(fā)明的方法中的一個涉及使用時間相關(guān)測量用于該目的。該方法避開了干涉測量引入的許多難點。

本發(fā)明因此提供了用于OCD應(yīng)用的光譜相位測量。與典型地僅用于厚度和z相關(guān)測量的傳統(tǒng)干涉測量相比，本發(fā)明的技術(shù)可以特別地用于CD測量。本發(fā)明利用相位提取的光譜性質(zhì)或所謂的“干涉光譜”。本發(fā)明的技術(shù)提供了用于光譜相位測量以及偏振光譜相位測量的基于模型的解決方案，并且允許將光譜相位測量與常規(guī)光譜反射測量(SR)組合。本發(fā)明的測量技術(shù)可以有利地結(jié)合在自動光學(xué)檢查(AOI)系統(tǒng)中，從而利用法線入射模式和/或斜入射模式。

因此，根據(jù)本發(fā)明的一個廣泛方面，其提供了在圖案化樣品的測量參數(shù)中使用的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)更包括：寬帶光源；光學(xué)系統(tǒng)，配置為干涉測量系統(tǒng)；檢測單元；以及控制單元；其中干涉測量系統(tǒng)定義具有樣品支路和參考支路的照射通道和檢測通道、并且被配置為用于在樣品支路與參考支路之間引起光程差，其中參考支路包括參考反射器；檢測單元包括被配置為并且能夠操作用于檢測由從所述反射器反射的光束和從樣品的支撐件傳播的光束形成的組合光束、并且生成指示由至少兩個光譜干涉特征形成的光譜干涉圖案的測量數(shù)據(jù)；并且所述控制單元被配置為并且能夠操作用于接收測量的數(shù)據(jù)，并將基于模型的處理應(yīng)用到光譜干涉圖案，以用于確定樣品中的圖案的一個或多個參數(shù)。

在一些實施例中，干涉測量系統(tǒng)包括在照射通道和檢測通道中的偏光器。

干涉測量系統(tǒng)包括用于在樣品支路與參考支路之間引起光程差(OPD)的機構(gòu)。在一些實施例中，此OPD引入機構(gòu)包括驅(qū)動單元，驅(qū)動單元用于沿干涉測量系統(tǒng)的光軸可控制地移動反射器和樣品的支撐件中的一個或兩個，同時反射器和樣品兩者均垂直于光軸取向。

在一些其他實施例中，此OPD機構(gòu)在無需移動反射器和/或樣品的情況下實施。這可通過將樣品的支撐件和反射器中的至少一個關(guān)于干涉測量系統(tǒng)的光軸以固定傾斜位置取向來實現(xiàn)。在另一個示例中，OPD機構(gòu)通過在沿參考支路朝向反射器傳播的照射光束上引起散焦效應(yīng)(defocusing effect)來實施，例如，通過將反射器定位在與干涉測量系統(tǒng)的物鏡單元的焦平面平行并且與其隔開的平面中。用于在無任何移動元件的情況下實施OPD機構(gòu)的另一個示例為通過將反射器配置為回射器組件(retro-reflector assembly)。

在一些實施例中，光源被配置為并且能夠操作用于產(chǎn)生呈超短脈沖形式的照射。

根據(jù)本發(fā)明的另一廣泛方面，其提供了在圖案化樣品的測量參數(shù)中使用的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)被配置為光譜干涉測量系統(tǒng)，所述光譜干涉測量系統(tǒng)定義具有樣品支路和包括參考反射器的參考支路的照射通道和檢測通道、并且被配置為用于在樣品支路與參考支路之間引起光程差，使得沿檢測通道向光譜儀傳播的組合光束由從所述反射器反射的光束和從樣品傳播的光束形成、并且指示由對應(yīng)于至少兩個光程差的至少兩個光譜干涉特征形成的光譜干涉圖案。

根據(jù)本發(fā)明的又一廣泛方面，其提供了在圖案化樣品的參數(shù)測量中使用的方法，該方法包括：

引導(dǎo)寬帶光通過干涉光學(xué)系統(tǒng)，所述干涉光學(xué)系統(tǒng)具有樣品支路和參考支路，其中在樣品支路與參考支路之間具有光程差；

檢測組合光束，并且生成測量數(shù)據(jù)，所述組合光束由從參考支路中的反射器反射的光束和從被測樣品傳播的光束形成，所述測量數(shù)據(jù)指示由至少兩個光譜干涉特征形成的光譜干涉圖案；以及

將基于模型的處理應(yīng)用到光譜干涉圖案并且確定樣品中的圖案的一個或多個參數(shù)。

附圖說明

為更好地理解本文公開的本發(fā)明主題并且例示其如何在實踐中執(zhí)行，現(xiàn)在將參考附圖僅以非限制性示例的方式描述實施例，其中：

圖1A示意性地說明配置為光譜干涉儀系統(tǒng)的本發(fā)明的測量系統(tǒng)；

圖1B和圖1C示意性地說明利用傾斜場(傾斜反射鏡或樣品)的本發(fā)明的測量系統(tǒng)的兩個更多示例；

圖1D說明由2D傳感器檢測的干涉圖案；

圖2A至圖2D以及圖3A至圖3C說明探測光束和參考光束的光學(xué)路徑之間的光程差(OPD)控制的不同實施的原理，其中圖2A和圖3A例示利用參考反射鏡或樣品傾斜的傾斜場實施例的配置和光譜圖，圖2B和圖3B例示散焦參考光束實施例的配置和光譜圖，以及圖2C-圖2D和圖3C例示使用回射器的配置和光譜圖；

圖4說明干涉光譜和非干涉光譜；

圖5A至圖5C示出在兩個z位置處的干涉光譜的測量數(shù)據(jù)的相位校準(zhǔn)(圖5A)，擬合光譜和測量光譜之間的差異(圖5B)，以及表征光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化相位函數(shù)(圖5C)；

圖6示出由本發(fā)明的光譜干涉測量獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)的示例；

圖7示出記錄自硅晶片上的氧化硅線的光柵(線寬度，溝槽寬度，線高度)的測量光譜；

圖8說明乘以CW載波的低頻信號(“包絡(luò)”)，從而提供外差信號；

圖9說明來自理想的反射鏡樣品和參考的干涉光譜的模擬結(jié)果(計算的外差干涉信號)；

圖10說明外差方案，其相比于載波(底部)示出寬帶受限信號(頂部)，寬帶受限信號占據(jù)頻率空間中的區(qū)域(在該情況下為“z”)；

圖11示出z空間中的外差檢測；

圖12說明實施外差方法的實踐上的難點；

圖13示出通過3相載波進行的感興趣信號的取樣；

圖14示出衍射受限的干涉儀和簡單光柵在z空間中的相干函數(shù)；

圖15A和圖15B分別示出使樣品和/或參考反射鏡傾斜從而創(chuàng)建位置相關(guān)的條紋的效果，以及使用與樣品/參考反射鏡的散射組合的后焦面(BFP)成像的效果。

具體實施方式

參考圖1A，其示意性地說明本發(fā)明的測量系統(tǒng)的示例，該測量系統(tǒng)被配置為光譜干涉儀系統(tǒng)，光譜干涉儀系統(tǒng)能夠操作為測量從圖案化結(jié)構(gòu)(例如，半導(dǎo)體晶片)返回(反射和/或散射)的光的光譜相位，以能夠確定圖案的參數(shù)。

應(yīng)當(dāng)注意，在圖1A的該具體的但非限制性示例中，以及以下描述的圖1B和圖1C的示例中，該系統(tǒng)作為被配置為用于以法線入射模式和明場測量模式進行操作被例示。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于該配置，并且通常，測量可在任何(斜的或其他)入射角度模式中獲得，并且可利用暗場測量模式或明場測量模式和暗場測量模式的組合。此外，如以下將參考圖1A所描述，該系統(tǒng)可實施基于偏振的暗場(dark-field)測量模式，同時具有主要的法線入射明場(normal-incidence bright-filed)配置。

測量系統(tǒng)基于樣品反射率得到準(zhǔn)確測量通用的光譜干涉儀配置，但經(jīng)修改以利用根據(jù)本發(fā)明的干涉測量。更具體地，在圖1A中通常指示為10的測量系統(tǒng)包括：光源14，提供相應(yīng)地包括探測光束L_p和參考光束L_r的寬帶輸入光L_in(白光)；檢測單元16；以及光學(xué)系統(tǒng)20，配置為導(dǎo)光布置，用于朝向位于樣品的支撐件12上的被測樣品/結(jié)構(gòu)并且朝向光程差引入機構(gòu)28(在該示例中為平面鏡)引導(dǎo)來自光源14的光，并且將返回的光引導(dǎo)至檢測單元16。

在圖1A的示例中，此平面鏡位于垂直于光學(xué)系統(tǒng)20的光軸的平面中(即，“非傾斜反射鏡”)，并且可以或可以不沿光軸移動。而且，在圖1A的示例中，檢測單元16包括光譜儀(分光光度計)19B用于生成入射在其上的光譜數(shù)據(jù)，并且還可選地包括成像檢測器19A用于導(dǎo)航到結(jié)構(gòu)上的測量部位。檢測單元16的輸出傳送(經(jīng)由無線或有線信號通信)到控制單元30。

光學(xué)系統(tǒng)20被配置為限定照射通道和檢測通道，照射通道用于朝向結(jié)構(gòu)平面12傳播來自光源14的輸入光L_in，檢測通道用于將被測量的光L_meas傳播到檢測單元16。輸入光L_in被分成探測光束L_p和參考光束L_ref，并且被測量的光L_meas包括探測光束L_p的來自結(jié)構(gòu)12上的照射區(qū)域的反射(散射)L′_p和自參考反射鏡28反射的光L_r。

光學(xué)系統(tǒng)20包括分束器/組合器22以及物鏡單元24(一個或多個透鏡)，分束器/組合器22被配置為用于在入射光L_in和被測量的光L_meas之間進行空間上的分離。在使用法線入射和明場檢測模式的系統(tǒng)配置的本示例中，這些單元22和24位于照射通道和檢測通道兩者中。導(dǎo)光布置20還可選地包括在照射通道中的準(zhǔn)直透鏡21和在檢測通道中的管透鏡(tube lens)23，準(zhǔn)直透鏡21在輸入光L_in從光源朝向分光束22傳播的光學(xué)路徑中，管透鏡23在測量光向檢測單元傳播的光學(xué)路徑中。

光學(xué)系統(tǒng)20進一步包括分束器/組合器26，分束器/組合器26為將輸入光L_in分成探測光束L_p和參考光束L_r，并且分別沿樣品支路朝向結(jié)構(gòu)12和沿參考支路朝向參考反射鏡28引導(dǎo)它們。反射鏡28將參考光束L_r反射回到分束器/組合器26，參考光束L_r在分束器/組合器26中與探測光束L_p的來自結(jié)構(gòu)12上的照射區(qū)域的反射(散射)L′_p組合成待測量/待檢測的組合光束L_meas。組合光束傳播到檢測單元16，即，穿過物鏡24和分束器22，并且進一步經(jīng)由管透鏡23，管透鏡23將組合光束聚焦到檢測單元16的光譜儀19B上。

根據(jù)本發(fā)明，在圖1A的該示例中，光學(xué)系統(tǒng)20包括分別位于照射通道和檢測通道中的偏光器32和34。更具體地，輸入光L_in在其來自光源14的路途上穿過偏光器32，并且特定偏振(例如，線性偏振)的輸入光(L_in)_pol由分束器/組合器26引導(dǎo)至物鏡24，物鏡24將其引導(dǎo)至分束器/組合器26。分束器/組合器26將偏振輸入光(L_in)_pol分成探測偏振光束L_p和參考偏振光束L_r，并且分別將它們引導(dǎo)至支撐件12上的結(jié)構(gòu)和參考反射鏡28。來自結(jié)構(gòu)和反射鏡的反射L′_p和L_r通過分束器/組合器26組合成具有所述特定偏振的組合光束L_meas，組合光束L_meas穿過物鏡24和分束器22到偏光器34，偏光器34僅允許具有所述特定偏振的光(L_meas)_pol傳播到檢測單元。分束器29將該組合的偏振光束分成光部分(L_meas)₁和(L_meas)₂，光部分(L_meas)₁和(L_meas)₂分別被引導(dǎo)至成像檢測器19A和光譜傳感器(光譜儀)19B。光譜儀19B分別測量每個波長的強度，并且相應(yīng)地，由光譜儀生成的測量數(shù)據(jù)對應(yīng)于光譜干涉圖案。系統(tǒng)10還包括與反射鏡28和樣品支撐件12中的一個或兩個相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動單元33，用于可控制地沿光軸即z軸移動反射鏡28和樣品支撐件12中的一個或兩者，從而引起造成光譜干涉圖案的時間變化的光程差。應(yīng)當(dāng)理解，使用如上所描述的被提供和取向的偏光器32和34實際上提供了交叉偏振方案，這導(dǎo)致暗場測量模式。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)不使用反射鏡28時(即，反射鏡28移出入射光的光學(xué)路徑之外或者通過使用適當(dāng)?shù)恼诎鍖⑵浣?，系統(tǒng)10可作為光譜反射儀進行操作。因此，相同的系統(tǒng)10可在作為光譜干涉儀和光譜反射儀的兩種不同的操作模式之間切換。

控制單元30通常為計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)尤其包括作為數(shù)據(jù)輸入和輸出實用程序30A的此類實用程序(軟件/硬件)、存儲器30B、數(shù)據(jù)處理器30C和光程差控制器30D。在控制單元中還可選地提供校準(zhǔn)實用程序30E，如將在以下進一步描述。

現(xiàn)在參考圖1B-圖1D，其示出本發(fā)明的光譜干涉儀系統(tǒng)的一些其他示例。為有助于理解，使用相同的附圖標(biāo)號用于標(biāo)識在所有示例中共有的部件。在這些非限制性示例中，光譜干涉儀系統(tǒng)利用不同的原理用于引起光程差，但利用系統(tǒng)的維持在固定位置處但關(guān)于光軸傾斜(傾斜場)的固定安裝部件，即，反射鏡和/或樣品支撐件。應(yīng)當(dāng)注意，該傾斜場方法可與照射通道和檢測通道的上述的基于偏振的配置組合。

因此，圖1B的示例的系統(tǒng)100大致類似于圖1A的系統(tǒng)進行配置，但系統(tǒng)100中的光學(xué)系統(tǒng)120與系統(tǒng)10的光學(xué)系統(tǒng)20的不同之處在于，用于光學(xué)系統(tǒng)20的非傾斜的、可移動的或固定的反射鏡28在光學(xué)系統(tǒng)120中被傾斜反射鏡128取代。而且，在圖1B的圖中未示出成像傳感器(在圖1A中的19A)，并且相應(yīng)地也未示出分束器(在圖1A中的29)。如上所指示，盡管在圖1B中未示出偏光器，但它們?nèi)钥捎糜谙到y(tǒng)100中。圖1C所示的系統(tǒng)200大致類似于圖1A的系統(tǒng)10進行配置，不同之處在于系統(tǒng)200包括由成像傳感器和光譜傳感器限定的兩個檢測通道，并且光學(xué)系統(tǒng)200(導(dǎo)光布置)包括分束器29。然而，類似于圖1B的該系統(tǒng)200具有傾斜反射鏡128。在圖1C的示例中，可以使用或可以不使用偏光器(未示出)。

進一步地，在系統(tǒng)100(圖1B)和系統(tǒng)200(圖1C)中，檢測單元16包括2D光譜儀18。因此，在圖1B和圖1C的示例中的光學(xué)系統(tǒng)120和220分別包括圓柱形管透鏡123與223和在光譜儀檢測通道中的衍射光柵，如具體在圖1C中所說明但未在圖1B中示出。

因此，根據(jù)本發(fā)明的在圖1B和圖1C中例示的一些實施例，創(chuàng)建探測光束L_p和參考光束L_r之間的光程差(OPD)而無需移動任何光學(xué)元件。這可通過提供以下固定安裝布置中的一個來實現(xiàn)：(1)傾斜反射鏡或傾斜樣品支撐件；(2)在參考光束上引起散焦效應(yīng)，例如，通過將傾斜反射鏡定位在與焦平面隔開的平面(與物鏡的焦平面共軛的平面)中；或者(3)通過將反射鏡配置為回射器組件(翻轉(zhuǎn))，引起到參考光束的場切換，即，傾斜的瞳孔/移位場(titled pupil/displaced field)。

在圖1B和圖1C的示例中，說明了傾斜平面鏡實施例。該選項和其他選項將在以下進一步地更詳細(xì)描述。

因此，來自光源14的輸入光Lin在樣品支路和參考支路之間分離，其中傾斜反射鏡128位于參考支路。從參考反射鏡128反射的光L_r與來自樣品的光反射L′_p在分束器26中組合，并且被引導(dǎo)至檢測單元。如在圖1C中更具體地示出，光譜傳感器18為2D傳感器，并且組合光束L_meas的被引導(dǎo)至光譜傳感器的部分(L_meas)₂優(yōu)選地通過圓柱形管透鏡223和衍射光柵35傳播。對應(yīng)于不同OPD的信號由于固定參考反射鏡128的傾斜而由沿一條軸線的2D傳感器檢測，而另一軸線為光譜信號表示。由于反射鏡128傾斜而樣品未傾斜，所以類似于利用附加z掃描的干涉，在不同的OPD處出現(xiàn)每條干涉線。應(yīng)當(dāng)理解，如果平面鏡未傾斜(即，垂直于光軸)，同時結(jié)構(gòu)位于傾斜支撐件上，也可獲得相同的結(jié)果，即，通過反射鏡或樣品的傾斜，在參考路徑或測量路徑中引起OPD。干涉圖案呈現(xiàn)在圖1D中。

應(yīng)當(dāng)注意，反射鏡傾斜被提前校準(zhǔn)，并且相應(yīng)地攝譜儀上的空間軸線被完全校準(zhǔn)，并且每條線表示已知的OPD。還應(yīng)當(dāng)注意，干涉測量對振動高度敏感，并且利用多z測量的干涉儀系統(tǒng)在連續(xù)測量之間經(jīng)受漂移和振動變化。使用本發(fā)明的上述實施例的原理(即，在不使參考支路中的反射鏡移動的情況下獲得z掃描)，提供了更穩(wěn)定的攝譜方案，因為所有z測量均同時獲得(單個圖像)，并且因此共享漂移和振動。

現(xiàn)在參考圖2A-圖2D以及圖3A-圖3C，其說明探測光束和參考光束的光學(xué)路徑之間的光程差(OPD)控制的三種不同實施的原理。

如圖2A的示例中所示，使參考反射鏡或樣品(或者通常為傾斜場)形成OPD(沿z軸，或系統(tǒng)的光軸)，OPD確定為：

Δz＝x·tanθ

其中，為θ傾斜角度，并且x為樣品平面中的對應(yīng)尺寸。

回到圖1B和圖1C，該配置在場中提供線性條紋(fringe)，其中

atan(l/FOV)·θ＝1條紋

圖3A示出針對圖2A的傾斜場剪切配置的測量的光譜圖(頂部)和在交叉條紋的偏移中的相位效應(yīng)(底部)。

在圖2B的示例中，使用了散焦參考光束，OPD確定為：

Δz＝h·conθ＝h·(1-S²)^1/2

其中S＝sinθ，并且h為散焦。

圖3B示出針對圖2B的散焦瞳孔剪切配置的測量的光譜圖(頂部)和在光譜條紋的偏移中的相位效應(yīng)(底部)。

圖2C和圖2D的配置假設(shè)S的瞳孔一致，并且沿瞳孔(pupil)獲得線性條紋：

l/2NA·偏移＝1條紋

NA為數(shù)值孔徑，并且OPD確定為：

Δz＝S·Δx，

其中為Δx為散焦。

圖3C示出針對圖2C和圖2D的傾斜瞳孔剪切配置的測量的光譜圖(頂部)和在交叉條紋的偏移中的相位效應(yīng)(底部)。

如圖所見，場剪切配置(圖2A)似乎為最簡單的選項。如果使用高NA物鏡，則散焦剪切配置(圖2B)可以較小的Δz(加少的光譜條紋)進行操作。在瞳孔剪切配置(圖2C和圖2D)中，可使用與理想條紋形式(線性或菲涅耳)的任何偏差來估計NA中的相位變化。

通常，借助光譜干涉儀測量的信號由下式給出：

|I_k(p,z)|²＝F_Ω{|S_k(p,Ω)+R_k(Ω)·exp(ikz)|²} (1)，

其中S_k(p)為從樣品反射的復(fù)數(shù)電場，R_k為從參考反射鏡反射的電場，并且k為波矢量。場為波矢量(大小和方向)以及樣品的參數(shù)p(諸如，結(jié)構(gòu)、厚度、光學(xué)性質(zhì)等)的函數(shù)。符號Ω包括各種系統(tǒng)參數(shù)，諸如光學(xué)數(shù)值孔徑、偏振、振動、光學(xué)像差等。函數(shù)F_Ω代表對各種系統(tǒng)參數(shù)Ω進行求和的數(shù)學(xué)操作。

如在公式(1)中所見，干涉信號|I_k(p,z)|并非僅取決于樣品參數(shù)p而且取決于樣品和參考反射鏡之間的光學(xué)距離z。

圖4例示干涉光譜和非干涉光譜。使用干涉光譜儀裝置分別測量沿光軸的不同樣品位置z₁和z₂的干涉光譜S⁽¹⁾_int和S⁽²⁾_int，并且在阻擋干涉儀支路中的一個時，分別測量樣品和參考的非干涉光譜S⁽¹⁾_int和S⁽²⁾_int。如在圖中所見，當(dāng)將樣品關(guān)于參考反射鏡定位在不同位置(z₁，z₂)處時，信號顯著改變。

反射系數(shù)R_k為復(fù)數(shù)，并且可以寫為：

其中，被稱為“校準(zhǔn)相位”。

為正確地分析從測量的目標(biāo)反射的信號，首先必須準(zhǔn)確地表征參考反射鏡的振幅和相位?？赏ㄟ^例如將樣品從系統(tǒng)中簡單地去除找到振幅|R_k|，因此公式(1)簡化為反射鏡振幅反射系數(shù)的平方(圖4中的曲線R_non)。然而，校準(zhǔn)相位隱藏在此測量中。相位校準(zhǔn)可通過將良好表征的樣品(諸如，裸硅)放置在系統(tǒng)中并且測量干涉信號來執(zhí)行。在這一點上，參考圖5A-圖5C，其示出在兩個z位置處的干涉光譜的測量數(shù)據(jù)的相位校準(zhǔn)(圖5A)，擬合光譜和測量光譜之間的差異(圖5B)，以及表征光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化的相位函數(shù)(圖5C)。

更一般地，可控制參考反射鏡的性質(zhì)，以便使計量性能優(yōu)化。如將在以下描述的，干涉信號敏感性取決于樣品和參考反射鏡之間的相對相位，以及它們的相對振幅。可改變反射鏡材料/結(jié)構(gòu)用于優(yōu)化性能，和/或可獲得若干測量，其中反射鏡的反射率適當(dāng)?shù)馗淖?例如，使用具有印刷圖案的反射鏡，并且使其轉(zhuǎn)動以便改變其反射率)。

為從此類測量中提取校準(zhǔn)相位，發(fā)明人認(rèn)為測量光譜和計算光譜(理論上的、基于模型的數(shù)據(jù))之間的差異如下：

其中|I(z)|²為測量光譜，并且公式的項根據(jù)樣品、參考反射鏡的已知反射系數(shù)和積分算子進行計算?？墒褂脙?yōu)化算法來找出相位函數(shù)和z位置，使得最小化。

可使用在一個z位置處或多個位置處的單個測量用于噪聲降低或更好的優(yōu)化。

該途徑可擴展到若干個校準(zhǔn)目標(biāo)用于更好的校準(zhǔn)和優(yōu)化。此途徑可特別重要，以便允許針對全光譜范圍的準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

圖5B示出用于優(yōu)化圖5C所示的函數(shù)的誤差光譜實際上，當(dāng)假設(shè)該函數(shù)表征由光學(xué)系統(tǒng)引起的相位時，殘余誤差可以忽略。

重要的是，注意在校準(zhǔn)步驟中，可插入更多擬合參數(shù)到對M_k的優(yōu)化，使得各個系統(tǒng)參數(shù)被引入到積分算子F_Ω{}。這些可包括系統(tǒng)振動分布、數(shù)值孔徑、光譜模糊和退相干、校準(zhǔn)樣品和反射鏡參數(shù)等。

可以考慮由光譜干涉儀測量的樣品(例如，半導(dǎo)體樣品)獲得其結(jié)構(gòu)(幾何性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì))參數(shù)(即，OCD計量)。如上所述，測量信號由下式給出：

(3)|I_k(p,z)|²＝F_Ω{|S_k(p,Ω)+R_k(Ω)·exp(ikz)|²}

其中R_k(Ω)和F_Ω現(xiàn)在完全由校準(zhǔn)測量表征(如上所述或其他合適的技術(shù))。現(xiàn)在可限定可進行優(yōu)化的各種價值函數(shù)(MF)以便獲得表征測量的樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)p(CD、高度、側(cè)壁角度、厚度、材料性質(zhì)等)。此函數(shù)的示例由下式給出：

其中T_k(p,Ω)為給定目標(biāo)樣品的計算的復(fù)數(shù)反射系數(shù)。

如在任何OCD計量程序中一樣，該價值函數(shù)MF均用作計算(理論上的)光譜和測量光譜之間的“擬合優(yōu)度”的測量。當(dāng)找到提供最佳擬合條件(最小MF)的應(yīng)用參數(shù)時，這些應(yīng)用參數(shù)被識別為表征測量樣品的參數(shù)。提供最佳擬合條件的一組應(yīng)用參數(shù)的搜尋以及價值函數(shù)MF的優(yōu)化定義可基于用于OCD的算法方法，如例如在轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且通過引用并入本文的WO2011/104712中所描述。另選地，如將在以下描述，可改變價值函數(shù)定義以改進針對噪聲的穩(wěn)健性和收斂準(zhǔn)確性。

然而，對于標(biāo)準(zhǔn)OCD，常用的價值函數(shù)包括計算和測量之間的RMS誤差，在此處所考慮的情況下，在其定義中存在附加靈活性。然后，將另選的(更高級的)價值函數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，即，所謂的余弦價值函數(shù)，并且由下式給出：

其中

可定義包括各種指標(biāo)和在多于一個z位置處的各種測量的通用價值函數(shù)：

現(xiàn)在參考圖6，其示出通過本發(fā)明的光譜干涉測量獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)的示例。這是關(guān)于Si測量的SiO₂的示例(具有薄氧化硅(的厚度)的空白硅晶片)。在此，非干涉光譜(曲線S_non)與干涉光譜(曲線S_int)一起示出，并且示出為公式6中的標(biāo)準(zhǔn)化余弦光譜C_k(z)的所謂余弦光譜(曲線S_norm)，其中實曲線和虛曲線分別對應(yīng)測量光譜和計算光譜。當(dāng)使用正確的氧化物厚度和z位置時，理論上的光譜匹配測量的光譜。顯而易見的是，通過優(yōu)化光譜差異，可獲得氧化硅厚度和z位置。

以上提到的價值函數(shù)僅為許多可能性中的幾個示例。也可使用從干涉測量或測量的復(fù)數(shù)場的分量(實數(shù)部分和虛數(shù)部分)中提取的光譜相位。這些實體可與它們的模型化對應(yīng)部分進行比較并且用于找出樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

也可測量和分析在半導(dǎo)體行業(yè)(包括無覆蓋物樣品)中常用的許多復(fù)數(shù)應(yīng)用。參考圖7，其示出記錄自硅晶片上的氧化硅線的光柵(線寬度，溝槽寬度，線高度)的測量光譜。在附圖中，實曲線和虛曲線對應(yīng)測量光譜和計算光譜，并且曲線S_non、S_int和S_norm分別對應(yīng)非干涉光譜、干涉光譜和標(biāo)準(zhǔn)化余弦光譜(公式(6)中的C_k(z))。再次，當(dāng)使用正確的結(jié)構(gòu)參數(shù)(氧化物層、線間距、線寬和z位置)時，理論上的光譜匹配測量的光譜。

代替使用光譜儀來單獨測量每個波長的干涉信號，可通過消色檢測器(諸如，CCD相機)測量干涉，并且在掃描樣品和參考(z)之間的光學(xué)距離的同時重復(fù)該測量。類似的方法用于白光干涉儀[Griffiths,P.；deHasseth,J.A.(2007年5月18日).Fourier Transform Infrared Spectrometry(2nd ed.)(傅立葉變換紅外光譜法(第2版)).Wiley Blackwell.ISBN0-471-19404-2]，其中IR中的光譜信息通過多個干涉測量獲得，從而改變參考支路長度。

為分析該情況，可相應(yīng)地將樣品和參考的光學(xué)信號考慮為時間域S(t)，R(t)中的脈沖。參考和樣品之間的光程差中的偏移由時移τ來指示。由于檢測器可操作以在總脈沖寬度上進行積分，所以此測量信號由下式給出：

并且使用傅立葉變換：

其中ω＝2πc/λ為角頻率。

從量中，可獲得復(fù)數(shù)樣品反射系數(shù)因為量中包括兩個偏移項(∫|S(t)|²dt，∫|R(t)|²dt)和可提前測量的參考函數(shù)

該測量方法實際上表示上述光譜干涉測量的傅立葉共軛。光譜干涉測量中的光譜軸線在此由空間軸線(z)替代。

一旦獲得復(fù)數(shù)反射系數(shù)可使用上述方法，即，價值函數(shù)優(yōu)化。

可使用光譜干涉測量的遵循外差測量原理的上述新穎方法進行準(zhǔn)確的光譜相位測量。外差測量原理通常已知并且無需進行詳細(xì)描述，除了下文所述之外。外差概念可被看作用于僅使用實數(shù)值信號編碼復(fù)數(shù)值信號的振幅和相位的方法。該過程的概要如下：將信號乘以高頻連續(xù)波(CW)載波(如將在以下更具體地進行描述)，并且采用實數(shù)部分生成外差信號；外差信號的包絡(luò)為原始信號的振幅；并且外差信號相對于載波的偏移為原始信號的相位。

圖8說明這種概念，其示出乘以CW載波的低頻信號(“包絡(luò)”)，并且提供外差信號。原始信號的振幅和相位兩者可從外差結(jié)果中推導(dǎo)出。

在白光干涉儀中，失衡支路的光譜獲得具有與Δz成比例的頻率的CW分量e^ikΔz，Δz為支路之間的光程差。在此，k＝2π/λ指示波長為λ的光的自由空間波數(shù)，并且為簡化起見，可假設(shè)參考支路為光譜中性的。對于足夠大的Δz，該CW分量可用于生成與來自樣品的原始光譜信號S(k)(復(fù)數(shù)振幅和相位)混合的外差信號。

此類大的Δz值可用于允許使用外差工具進行信號分析。

光學(xué)強度測量生成信號和載波的乘積

(10)I(k)＝|S(k)+e^ikΔz|²＝1+|S(k)|²+2Re{S(k)e^-ikΔz}。

該公式(10)類似于以上的公式(1)，但為清楚起見被簡化(公式1表示更全面的描述)。

在公式(10)中，最后的項2Re{S(k)e^-ikΔz}為外差信號。

圖1A-圖1C示出實現(xiàn)光譜外差測量的光譜干涉儀。用于干涉儀中的光源12具有足夠的光譜范圍以覆蓋感興趣的光譜區(qū)域。光譜儀包括光束分離器單元22和光束組合器26，光束分離器單元22將輸入光分成參考支路L_ref和與樣品相互作用的樣品(探測)支路L_p，光束組合器26在樣品支路與樣品相互作用之后將兩個支路的輸出組合。用于控制和生成(固定或可變的)支路之間的光學(xué)路徑長度差(OPD)的控制設(shè)備/機構(gòu)可使用可移動的傾斜反射鏡28或固定的傾斜反射鏡128實施。在圖1A所示的本發(fā)明的光譜干涉儀中，如果考慮反射模式中的測量，則使用參考支路中的傾斜反射鏡28的移動或者樣品支撐件12的移動。在圖1B和圖1C所示的本發(fā)明的光譜干涉儀中，在測量期間，反射鏡或樣品兩者均不移動，這通過上述的傾斜或散焦配置實現(xiàn)。OPD足夠大以生成具有足夠高頻率的CW載波信號e^ikΔz。用于測量干涉信號的光譜強度的干涉儀具有合適的光譜分辨率以正確地對CW載波信號進行取樣，同時保持足夠的相干性，如將在下面所討論。

圖9示出來自理想反射鏡樣品和參考的干涉光譜的模擬結(jié)果(計算的外差干涉信號)。這是上述CW載波信號e^ikΔz的實數(shù)部分的表現(xiàn)，但水平標(biāo)度為波長(不同于波數(shù))，以及由此的線性調(diào)頻表觀。

可對測量結(jié)果進行解釋，以便提取樣品的(復(fù)數(shù))反射系數(shù)(振幅和相位兩者)。如在圖1A-圖1B中所例示，控制單元30適當(dāng)?shù)嘏渲糜糜谔幚砗头治鲋甘竟庾V干涉圖案的測量數(shù)據(jù)，光譜干涉圖案包括兩個或更多個光譜干涉特征。該數(shù)據(jù)處理利用基于模型的方法。數(shù)據(jù)處理實用程序30D包括擬合模塊。如將在以下關(guān)于外差檢測算法所描述，關(guān)于干涉光譜的直接信息可用于推算關(guān)于樣品的計量數(shù)據(jù)。然而，應(yīng)當(dāng)注意，在基于模型的計量中，可生成已經(jīng)形成與實際測量相比的光譜干涉試驗測量的模型?；谀Ｐ偷姆椒ㄌ峁┦褂媚膫€光譜元件的靈活性。使用本發(fā)明的外差檢測算法提供了對用于基于模型的計量方法的所需工作點的了解，其中通過該測量可生成有意義的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)地，外差檢測基于載波和寬帶受限(BW)信號的光譜性質(zhì)。更具體地，需要它們占據(jù)頻譜(z空間，其與當(dāng)前情況下的波數(shù)k共軛)中的不同區(qū)域。圖10說明外差方案，其示出相比于載波(底部)的寬帶受限信號(頂部)，寬帶受限信號占據(jù)頻率空間(在情況下為“z”)中的區(qū)域。

從以上的公式10中，對于理想的單位參考而言，干涉信號為：

(11)I＝1+|S|²+Se^-ikΔz+S^*e^ikΔz。

頻率空間可用于將以上總和中的4個分量分開。然而，這要求CW頻率為信號帶寬(BW)的至少3倍以避免混疊。這在圖11和圖12中進行說明，圖11示出z空間中的外差檢測。將低頻信號乘以載波信號，從而形成兩個旁瓣。只要這些旁瓣與低頻分量無重疊，便可在無混疊誤差的情況下實施外差。圖12示出實施外差方法的實踐上的難點。測量信號的離散性在z空間中的信號分量之間形成重疊，從而導(dǎo)致混疊誤差。

然后，將公式11中的第三項乘以載波以恢復(fù)信號

(12) S＝(Se^-ikΔz)e^ikΔz。

然而，考慮該方法到如由白光干涉儀生成的光譜測量的應(yīng)用，由于檢測器對干涉信號離散地取樣，所以該方法使用離散傅立葉變換實施。然而，離散傅立葉圖像處理經(jīng)受光譜泄露：k的非周期性的任何函數(shù)將泄露到相鄰區(qū)間。這導(dǎo)致4個分量之間的串?dāng)_，從而損害所提取的信號。確保樣品的光譜和載波e^ikΔz在測量的k-空間窗口上是周期性的是不實際的。將干涉信號窗口化減輕泄露，但不足以用于敏感的計量應(yīng)用。

為克服以上問題，本發(fā)明提供了不同的方法。應(yīng)當(dāng)注意，在零差干涉測量中，為完全恢復(fù)信號至少需要3個相位偏移。可以將CW載波看作恒定變化的相位偏移。由于假設(shè)信號緩慢變化(3BW≤CW)，所以載波至少以用3個不同相位對每個信號信息“小區(qū)”進行取樣。這在圖13中進行說明，其示出通過3相載波對感興趣信號進行取樣。

假設(shè)樣品信號表示為有限數(shù)目的實值基函數(shù)f_kn,n＝1,…,N的總和，我們有：

(13)S_k＝∑_nf_kn(a_n+ib_b)

合適的基函數(shù)的可能的候選為在合適的k-空間取樣光柵上居中的sincs、在此光柵上的求sinc的平方或三角函數(shù)(線性的1D有限元形狀函數(shù))。應(yīng)當(dāng)注意，需要對取樣光柵進行調(diào)整以匹配基函數(shù)帶寬，即，如果相鄰函數(shù)之間的間隔過大，則將存在混疊問題。

接下來，假設(shè)已經(jīng)測量樣品強度|S_k|²，參考強度|R_k|²和干涉強度I_k，其中k＝1、…、K，則干涉強度由下式給出：

其中為γ_k≤1退相干項，可能來自z抖動、有限相干長度、檢測器噪聲、對瞳孔或場或兩者或其他自由度諸如偏振等的積分。

為對該方程組進行求解，將γ_k吸收到未知系數(shù)中，即：

(15)γ_kS_k＝∑_nf_kn(a_n+ib_n)

并且然后對線性系統(tǒng)進行求解：

最后，提取對退相干的估計，并且解為：

可以考慮自由度。有2N個未知系數(shù)和K個測量，從而產(chǎn)生要求K≥2N。與來自經(jīng)典的外差檢測方案的預(yù)期3倍要求相比，這是一種簡化，因為樣品強度|S_k|²也得到了測量。

代數(shù)算法的優(yōu)點在于，其提供難以控制和估計的退相干效應(yīng)，并且還給出針對其強度的估計。結(jié)合退相干效應(yīng)還允許準(zhǔn)確重構(gòu)干涉信號，以便獲得殘余測量相對于實際測量的解決方案(solution)。

載波頻率Δz必須足夠高，使得矩陣條件良好并且在數(shù)值上可逆(這是相位變化具有足夠的每個基函數(shù)f_kn的樣品的物理要求)。最后的要求可以由各個延遲z_j處的若干個測量代替：由于若干個Δz_j，每個基函數(shù)f_kn由足夠的相位進行取樣。由于對線性系統(tǒng)求解較快，所以可對未知參數(shù)進行擬合，諸如對Δz_j進行微調(diào)以使解余數(shù)(solution residue，解殘余)最小化。這允許使用相對少的數(shù)值資源對多個z跳躍不準(zhǔn)確性進行擬合。

應(yīng)當(dāng)注意，如在任何光譜測量中，e^ikΔz中的z模糊性意為光譜僅已知達到線性相位項。為將檢測信號與給定光譜進行比較，需要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)固定程序，諸如(但不限于)將線性相位項設(shè)定為零，或者僅考慮相位的第二導(dǎo)數(shù)(derivative)。

因此，顯而易見的是，需要足夠的基函數(shù)N以正確地描述假設(shè)的光譜信號S_k＝∑_nf_kn(a_n+ib_n)。因此，反過來，需要K≥2N個測量點，其中載波振蕩足以用于每個基函數(shù)。這意為，Δz必須足夠大，使得e^ikΔz每個基函數(shù)執(zhí)行一個循環(huán)，并且K個取樣點間隔開以對干涉信號正確地取樣。然而，根據(jù)光譜儀的相干長度，大的Δz導(dǎo)致干涉條紋對比度降低。對于具有一致的、簡單光柵的衍射受限的干涉儀，相干函數(shù)具有三角形形狀，如圖14所示，圖14示出衍射受限的干涉儀和簡單光柵在z空間中的相干函數(shù)，其中N為光柵線的數(shù)目，并且n為衍射級。

相干函數(shù)的傅立葉變換為光譜儀的光譜分辨率點擴展函數(shù)(PSF)：

(19)γ(λ,λ′)＝sinc²(2πNn(λ-λ′)/λ′)

因為，為了以細(xì)微細(xì)節(jié)執(zhí)行關(guān)于光譜的外差檢測，光譜儀需要的光譜分辨率為對光譜強度正確取樣所需的光譜分辨率的至少兩倍，并且，由于高的條紋對比度確保足夠的信噪比(SNR)，并且還需要克服其他可能的退相干原因。

可避開有助于超快光學(xué)技術(shù)的干涉儀方案的難點。具有極短持續(xù)時間的光學(xué)脈沖(例如，飛秒脈沖)包括非常廣泛的光譜分量。通常關(guān)注此類脈沖的光譜相位，并且由此，已經(jīng)研究了各種表征技術(shù)[Rick Trebino，F(xiàn)requency Resolved Optical Gating:The Measurement of Ultrashort Laser Pulses(頻率分辨光學(xué)快門：超短波激光脈沖的測量).Springer(2002)；Mitsuo Takeda等人“Fourier_transform method of fringe_pattern analysis for computer_based topography and interferometery(用于基于計算機的地形學(xué)和干涉測量的條紋圖案分析的傅立葉變換方法)”.J.Opt.Soc.Am.72 156(1982)；US 6,611,336]。這些技術(shù)中的大部分利用非線性光學(xué)交互作用來推斷光譜相位。

在當(dāng)前情況下，使用超快激光脈沖，其中其所有波長均被相位鎖定(變換受限的脈沖)。撞擊到樣品上的變換受限的脈沖

f(t)＝∫|F(ω)|·exp(iωt)dω

變換成

(St)＝∫S(ω)·exp(iωt)dω，

其中

新振幅|S(ω)|對應(yīng)于測量樣品的反射光譜。相對相位對應(yīng)于由樣品引起的到脈沖中的每個頻率的不同相位偏移(光程差)。如上所述，各種表征技術(shù)均能夠測量反射脈沖的相位函數(shù)，并且因此能夠獲得該至關(guān)重要的實用信息而無需干涉儀。

回到說明本發(fā)明的光譜干涉儀的圖1B至圖1C，樣品由白光源通過干涉物鏡照射。在攝譜儀上收集信號并使其成像。干涉物鏡可經(jīng)由例如入口狹縫執(zhí)行在其2D CCD的一個軸線上的樣品的成像，并且展開在CCD的另一個軸線上的每個成像像素的光譜。

根據(jù)提取相位的具體方法，該裝置可具有實現(xiàn)待提取的反射場的光譜相位的許多變型，并且可具有保證有效SNR的能力，且減少不需要的系統(tǒng)效應(yīng)。

在使用“標(biāo)準(zhǔn)”干涉測量的情況下，通過樣品和參考反射率的測量以及組合干涉信號的測量提取相位。本發(fā)明的光譜干涉測量系統(tǒng)的使用提供用于比空間信息中更豐富的攝譜數(shù)據(jù)的獲取，因此實現(xiàn)了相位空間變化的求平均、噪聲減少以及測量。

如參考圖1B-至圖1D和圖2A所述，通過將傾斜引入平面中的一個或它們中的兩個，使樣品和/或參考反射鏡傾斜的使用沿成像軸線形成恒定的散焦梯度。這反過來在場中產(chǎn)生線性條紋，線性條紋由沿成像軸線的不同OPD引起。在這一點上，參考圖15A，其示出使樣品和/或參考反射鏡傾斜的效果，從而形成位置相關(guān)的條紋。這種位置相關(guān)可用于準(zhǔn)確提取光譜相位。由于散焦梯度恒定，所以這將允許信號的更好擬合。

如上參考圖1B-圖1D和圖2B所述，通過將散焦引入到平面中的一個或它們中的兩個，交替使用與樣品/反射鏡的散焦組合的后焦面(BFP)成像在場中導(dǎo)致菲涅耳條紋，菲涅耳條紋由NA平面中的散焦相關(guān)的相位變化引起。這在圖15B中示出。通過擬合到該條紋圖案，可以高的準(zhǔn)確性提取光譜相位。該相位變化具有具體的、已知的、功能性的依賴性。由于散焦為單個參數(shù)，所以使用攝譜儀對BFP成像改善了提取光譜相位的能力。

在上述方法中，應(yīng)考慮系統(tǒng)性質(zhì)。例如，在使用散焦方法的BFP中，存在較大NA的優(yōu)點，從而允許散焦敏感性。否則，必須達到大的散焦距離以便使菲涅耳條紋出現(xiàn)。

具體地，被設(shè)計為測量目標(biāo)的角強度分布的系統(tǒng)(諸如后焦面成像或圓頂成像)可與干涉儀結(jié)合以使用相位信息補充測量數(shù)據(jù)。另選地，特別設(shè)計的波前傳感器(相位檢測器)可用于測量角強度和相位而無需干涉儀。該選項包括各種相位和強度表征方法，諸如轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的在WO 2014/102792中所描述的“相干點顯微鏡(Coherent Point Microscopy)”(CPM)。CPM技術(shù)提供隊來自樣品的光強度圖案的測量，光強度圖案涉及樣品的散射矩陣的傅立葉變換，并且因此包含關(guān)于樣品的振幅和相位的信息。CPM方法利用與相干光源結(jié)合的成像光學(xué)與所謂的“臨界照射”的組合，即，提供到樣品上的一定范圍的照射角度和在不同照射角度之間的相干干涉的照射。這可通過例如直接將點狀光源成像到被測樣品上，或交替地將準(zhǔn)直激光束聚焦到樣品上來獲得。

以下為測量的數(shù)據(jù)解釋的一些示例。

可設(shè)計和優(yōu)化許多算法方法，用于解釋測量的光譜相位。OCD光譜解釋的標(biāo)準(zhǔn)方法包括，基于測量結(jié)構(gòu)的一些幾何描述，可將測量的光譜與基于模型的計算進行比較?？梢耘c用于其他基于OCD的方法(基于庫的方法，實時回歸分析等)相同的方式使用許多變化和修改。

除該方法以外，可使用無模型方法，其中測量光譜中一些特征與表征應(yīng)用的一些參數(shù)相關(guān)。通過一些物理論證或者在測量具有已知屬性的若干個樣品之后，可獲得相關(guān)性(即，半經(jīng)驗地)。

可與任何其他光學(xué)或非光學(xué)計量方法組合使用該計量方法。例如，所獲取的信息可以與光譜反射儀、光譜橢偏儀、圓頂散射儀、CD-SEM數(shù)據(jù)等結(jié)合使用。這些補充數(shù)據(jù)集可用于去除參數(shù)之間的相關(guān)性。另選地，來自一種計量方法的準(zhǔn)確信息(例如，來自CD-SEM的頂部-CD)可注入(作為固定值)光譜干涉測量的解釋過程中。

如上所述，參考圖1B-圖1B和圖2A-圖2D，提供本發(fā)明的技術(shù)用于獲取光譜干涉數(shù)據(jù)，光譜干涉數(shù)據(jù)用于使用單次測量提取結(jié)構(gòu)參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，如果需要，本發(fā)明的光譜干涉儀可提供所謂的多z測量。可獲得關(guān)于若干個樣品高度值(在光軸的方向上)或者關(guān)于參考反射鏡的不同位置的測量，并且這些測量可用于提取更清潔的測量。還如上所述，z可以用作擬合參數(shù)，擬合參數(shù)可提取自測量光譜。

測量光譜可作為一些基函數(shù)集的線性組合被跨越，從而能夠以簡單線性問題的形式復(fù)述擬合過程。選擇合適的基函數(shù)可改善擬合準(zhǔn)確性，以及噪聲穩(wěn)健性。對于多種類型的基函數(shù)，可使用例如高階有限元形狀函數(shù)擴展該方法。對于非平移不變基函數(shù)，可使用例如微波、多項式等擴展該方法。

在擬合過程中可包括關(guān)于信號的時間相干性的信息?？紤]該因子將引起干涉光譜的一些模糊，這可以是重要的(特別是如果光譜分辨率不高)。可基于系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)容易地估計相干因子?？商娲?，可通過使用相干因子作為擬合參數(shù)從測量(一個或多個)中推斷相干因子。

可使用測量系統(tǒng)的其他光學(xué)設(shè)計，這些光學(xué)設(shè)計通過包括攝譜儀的裝置獲得，因此將本發(fā)明的方法擴展到多通道情況。

本發(fā)明的測量系統(tǒng)可使用任何合適類型的光源，諸如燈、LED、激光、超連續(xù)光譜激光、激光驅(qū)動的等離子體等其他光源，以及任何照射類型，諸如Kohler照射、臨界照射、擴展照射相對于點照射等?？墒褂萌魏魏线m類型的光束分離器/組合器和配置，諸如半鍍銀板、立方體、纖維分離器/組合器、平面光波電路分離器/組合器，以及偏振光束分離器。而且，可使用分開的分離器/組合器(在Mach-Zehnder配置中)或單個分離器/組合器(在Michelson配置中)。移動的光束分離器可用于在標(biāo)準(zhǔn)的反射儀測量與干涉測量之間交替。檢測單元可利用任何光譜儀類型和配置，所述類型和配置包括使用攝譜儀在多個平行通道(諸如但不限于，樣品橫截面、散射的瞳孔橫截面)中獲取外差光譜測量的選項，和/或使用第二光譜儀獲取干涉儀組合器的“拒絕”通道的測量，和/或使用附加光譜儀同時從樣品獲得純強度(非干涉)測量。本發(fā)明的測量技術(shù)在測量期間(包括各種交叉偏振測量)可利用偏振光或非偏振光，以及不同的照射和收集偏振狀態(tài)。光學(xué)路徑長度控制可使用固定的路徑長度差、反射鏡、回射器、空間光調(diào)節(jié)器、液晶、MEMS等，以及通過樣品路徑或參考路徑或兩者的控制來實施。MEMS參考反射鏡可用于控制干涉儀的OPD和傾斜。而且，可使用與樣品進行光學(xué)相互作用的任何合適的方案，諸如通過樣品的傳輸或反射或雙程通過樣品(其中反射鏡/反射器在樣品之后)，法線和/或斜的照射和收集角度，在各個方位的傾斜，光學(xué)分辨或未分辨的樣品，變跡的照射/收集孔徑。

光學(xué)部件可以為任何合適的已知類型，諸如高NA或低NA物鏡、定制的或現(xiàn)有的、針對激光照射和/或?qū)拵д丈鋬?yōu)化的、反射或折射的。不同的配置對于干涉測量元件均是可行的，諸如Michelson、Mirau、Linnik。還可通過擴展測量的數(shù)目(在不同的z中或其他)減少噪聲并且降低非線性度。改變可應(yīng)用于傅立葉平面中(諸如相位對比)，或者可使用傅立葉濾波。

本發(fā)明的技術(shù)可以與其他光學(xué)技術(shù)相關(guān)并組合，例如，CPM，在使用Bertrand透鏡的情況下，直接獲得傅立葉平面中的光譜相位(如在轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且通過引用并入本文的WO2014/102792中所述)。光譜相位的測量可結(jié)合到更全面的OCD計量方案中，從而實施其他信息通道。例如，光譜相位測量可伴隨角相位測量技術(shù)，兩者中的任一個作為附加測量單元，附加測量頭或甚至在相同計量頭中的不同通道。