專利名稱：薄膜厚度測(cè)量裝置和反射系數(shù)測(cè)量與異物檢測(cè)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量物體上形成的薄膜厚度的技術(shù)，測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)的技術(shù)，以及檢測(cè)物體上異物的技術(shù)。
背景技術(shù)：
作為測(cè)量物體表面上形成的薄薄膜厚度的方法，常規(guī)采用的是橢圓偏光法或反射系數(shù)光譜學(xué)，或不涉及橢圓偏光法的被稱作白光干涉測(cè)量法的方法(在下文中，這兩種方法稱為“白光干涉測(cè)量法等”)。一般地說，橢圓偏光法允許對(duì)薄的薄膜進(jìn)行高精度的薄膜厚度測(cè)量；而與橢圓偏光法相比的測(cè)量，白光干涉測(cè)量法等允許對(duì)較厚的薄膜或多層薄膜進(jìn)行測(cè)量。
日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)第61-182507號(hào)揭示了由橢圓偏光計(jì)測(cè)得的折射率和由干涉儀得到的干涉波確定物體上薄膜厚度的方法，其中橢圓偏光計(jì)和干涉儀是設(shè)置在一個(gè)裝置中。
日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)第11-271027號(hào)提出了一種測(cè)量薄膜厚度的方法，其中通過白光干涉測(cè)量法等測(cè)定物體上薄膜的厚度范圍，和基于該測(cè)定的薄膜厚度范圍通過橢圓偏光法測(cè)量薄膜厚度。
然而，在橢圓偏光法中，由于在得出薄膜厚度的計(jì)算中使用發(fā)射到物體的光的波長(zhǎng)和入射角，因此，為了高精度的薄膜厚度測(cè)量，就必須精確測(cè)定入射光的波長(zhǎng)，保持物體的測(cè)量表面水平，等等。此外，由于測(cè)量區(qū)域非常小，當(dāng)極微小的異物(如亞微粒子)附著于物體表面時(shí)，就不可能實(shí)現(xiàn)高精度的薄膜厚度測(cè)量。
另一方面，在白光干涉測(cè)量法等中，必須使用反射系數(shù)是已知的參考物體來校正測(cè)量值，并且如果由于參考物體表面的天然氧化該反射系數(shù)發(fā)生變化，就不可能正確地校正該測(cè)量值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是高精度地測(cè)量物體上形成的薄膜的厚度。
本發(fā)明旨在測(cè)量物體上形成的薄膜厚度的薄膜厚度測(cè)量裝置。
按照本發(fā)明，該薄膜厚度測(cè)量裝置包括第一光源，用于發(fā)射偏振光給物體；光接收部分，用于接收來自該物體的偏振光的反射光，以獲取反射光的偏振狀態(tài)；計(jì)算部分，基于該偏振狀態(tài)獲得物體上的薄膜厚度；第二光源，用于發(fā)射照明光；光學(xué)系統(tǒng)，用于導(dǎo)引照明光至物體并從該物體導(dǎo)引照明光的反射光至預(yù)定位置；光屏蔽光柵，設(shè)置在與從第二光源至該物體的光路上的孔徑光闌位置準(zhǔn)光學(xué)共軛的位置；以及成像元件，用于獲取在預(yù)定位置形成的光屏蔽光柵的映像。并且在該薄膜厚度測(cè)量裝置中，基于成像元件的輸出，計(jì)算部分得出該物體的傾斜角度，進(jìn)而使用該傾斜角度從偏振狀態(tài)獲得薄膜厚度。
在本發(fā)明的薄膜厚度測(cè)量裝置中，在獲得物體傾斜角度的同時(shí)，可獲得物體上薄膜的厚度。
按照優(yōu)選的實(shí)施例，該薄膜厚度測(cè)量裝置進(jìn)一步包括濾光片，該濾光片設(shè)置在與從第二光源至物體的光路上的視場(chǎng)光闌位置準(zhǔn)光學(xué)共軛的位置，并且在該薄膜厚度測(cè)量裝置中，該濾光片截止在相應(yīng)于得到物體上的顯微區(qū)域(microscopic region)部分外的部分的至少特定波長(zhǎng)的光。這就使得獲取得出物體上顯微區(qū)域的傾斜角度成為可能。
本發(fā)明還旨在用于測(cè)量一個(gè)測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)的反射系數(shù)測(cè)量裝置。該反射系數(shù)測(cè)量裝置更適合用于測(cè)量該測(cè)量物體的薄膜厚度。
按照本發(fā)明，該反射系數(shù)測(cè)量裝置包括薄膜厚度測(cè)量部分，以橢圓偏光法測(cè)量參考物體上的薄膜厚度；和反射系數(shù)測(cè)量部分，以照明光照射該參考物體和測(cè)量物體，以獲取參考物體和測(cè)量物體的反射光的各自的光譜強(qiáng)度，隨后獲得該測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)，并且在該反射系數(shù)測(cè)量裝置中，該反射系數(shù)測(cè)量部分包括計(jì)算部分，基于由薄膜厚度測(cè)量部分測(cè)得的參考物體上的薄膜厚度計(jì)算該參考物體的光譜反射系數(shù)，并參照該參考物體的光譜反射系數(shù)獲得該測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)。
本發(fā)明的反射系數(shù)測(cè)量裝置使它能夠正確地獲得測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步旨在另一種薄膜厚度測(cè)量裝置。按照本發(fā)明，該薄膜厚度測(cè)量裝置包括光源，用于發(fā)射偏振光給物體；光接收部分，用于接收來自物體的偏振光的反射光，以獲取反射光的偏振狀態(tài)；計(jì)算部分，基于該偏振狀態(tài)獲得物體上的薄膜厚度；開關(guān)機(jī)構(gòu)，在非測(cè)量期間內(nèi)導(dǎo)引來自光源的光至預(yù)定位置；以及波長(zhǎng)測(cè)量部分，用于獲取導(dǎo)引到該預(yù)定位置的光的波長(zhǎng)，并且在該薄膜厚度測(cè)量裝置中，該計(jì)算部分使用由波長(zhǎng)測(cè)量部分獲取的波長(zhǎng)獲得物體上的薄膜厚度。
本發(fā)明的薄膜厚度測(cè)量裝置可使它在得到來自光源的光的波長(zhǎng)的同時(shí)，能夠高精度地獲得物體上的薄膜厚度。
本發(fā)明進(jìn)一步旨在檢測(cè)襯底上存在或不存在異物的一種異物檢測(cè)裝置。
按照本發(fā)明，該異物檢測(cè)裝置包括光源，以預(yù)定入射角將光發(fā)射至襯底；光接收部分，用于獲取來自襯底的反射光的p偏振分量的強(qiáng)度；以及判斷部分，基于該p偏振分量的強(qiáng)度判斷襯底上存在或不存在異物。
本發(fā)明的異物檢測(cè)裝置可以快速且簡(jiǎn)易地檢測(cè)襯底上存在或不存在異物。該異物檢測(cè)裝置更適合用于測(cè)量襯底的光譜反射系數(shù)及該襯底上薄膜的厚度，并且提高了測(cè)量結(jié)果的精度。
本發(fā)明的目的還針對(duì)應(yīng)用于前述裝置的方法。
本發(fā)明的這些以及其它目的、特性、方式和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖的本發(fā)明的詳細(xì)描述中將更為明晰。


圖1是薄膜厚度測(cè)量裝置示意結(jié)構(gòu)的視圖；圖2是激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)流程的流程圖；圖3是異物檢測(cè)流程的流程圖；圖4是表示薄膜厚度測(cè)量結(jié)果與傾斜角之間關(guān)系的曲線圖；以及圖5是表示基于光干涉單元輸出的薄膜厚度測(cè)量的操作流程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示依據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的薄膜厚度測(cè)量裝置1的示意結(jié)構(gòu)圖。薄膜厚度測(cè)量裝置1包括工作臺(tái)2，其上設(shè)置有半導(dǎo)體襯底(在下文中稱為“襯底”)9，在此襯底上形成多層薄膜(此薄膜可以是單層的)；橢圓偏光計(jì)3，用于獲取在襯底9上的薄膜上執(zhí)行橢圓偏光法的信息；光干涉單元4，用于獲取來自襯底9的光(反射光)的光譜強(qiáng)度；控制部分5，由用于各種計(jì)算的CPU、用于儲(chǔ)存各種信息等的存儲(chǔ)器組成；以及工作臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)21，用于相對(duì)于由橢圓偏光計(jì)3和光干涉單元4的光照射的位置移動(dòng)工作臺(tái)2。
橢圓偏光計(jì)3具有光源單元31，用于發(fā)射偏振光到襯底9；以及光接收單元32，用于接收來自襯底9的反射光，以獲取反射光的偏振狀態(tài)。指示所獲取偏振狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸出至控制部分5。
光源單元31具有半導(dǎo)體激光器(LD)312，用于發(fā)射光束；和LD驅(qū)動(dòng)控制部分311，用于控制半導(dǎo)體激光器312的輸出，并且從半導(dǎo)體激光器312發(fā)出的光束入射到偏振濾光片313。偏振濾光片313提取該光束中的線性偏振的光，并且四分之一波片(在下文中，稱為“λ/4波片”)314生成圓偏振的光。從λ/4波片314來的光以預(yù)定的入射角度(例如72到80度)通過透鏡331被導(dǎo)引至工作臺(tái)2上的襯底9表面。因此，光源單元31是由LD驅(qū)動(dòng)控制部分311、半導(dǎo)體激光器312、偏振濾光片313及λ/4波片314組成，并發(fā)射圓偏振的光至襯底9。在光源單元31中(具體地說，是在半導(dǎo)體激光器312與偏振濾光片313之間的光路上)提供用于關(guān)斷光束的電磁開關(guān)315，以執(zhí)行對(duì)射向襯底9的光的出射的開/關(guān)控制。
來自襯底9的反射光通過透鏡332被導(dǎo)引至旋轉(zhuǎn)檢偏器321，當(dāng)該旋轉(zhuǎn)檢偏器321繞著平行于光軸的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，透射光就被導(dǎo)引到光電二極管322，并且指示接收的光強(qiáng)度的信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器34輸出到控制部分5。因此，光接收單元32是由旋轉(zhuǎn)檢偏器321及光電二極管322所組成，并且反射光的偏振狀態(tài)是通過將光電二極管322的輸出與旋轉(zhuǎn)檢偏器321的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)獲得的。
光干涉單元4具有光源41，用于發(fā)射白光作為照明光；分光儀42，用于分散來自襯底9的反射光；光屏蔽光柵成像元件43，用于獲取稍后討論的光屏蔽光柵的映像；襯底成像元件44，用于在襯底9上實(shí)現(xiàn)照明光照射位置的成像；以及光學(xué)系統(tǒng)45。該光學(xué)系統(tǒng)45導(dǎo)引來自光源41的照明光至襯底9，并且還導(dǎo)引來自襯底9的反射光至分光儀42、光屏蔽光柵成像元件43和襯底成像元件44。
具體地說，光源41發(fā)出的照明光被引入光纖451的一端，并從設(shè)在光纖另一端的透鏡452引出。出射的照明光通過透鏡450a導(dǎo)引至孔徑光闌元件453。在孔徑光闌元件453上提供預(yù)定的光屏蔽光柵453a(例如十字形的刻度標(biāo)記)。照明光通過透鏡450b被導(dǎo)引到視場(chǎng)光闌元件454，透鏡450b相應(yīng)于光屏蔽光柵453a的部分被切割掉。
其視場(chǎng)被視場(chǎng)光闌元件454所限制的照明光通過透鏡450c導(dǎo)引至半透明反射鏡(half mirror)455，通過該半透明反射鏡455，并進(jìn)一步導(dǎo)引至半透明反射鏡456。由半透明反射鏡456反射的照明光通過物鏡457發(fā)射到襯底9的表面。此時(shí)，襯底9上的照明光照射區(qū)域的范圍對(duì)應(yīng)于視場(chǎng)光闌元件454的視場(chǎng)限制，但是在襯底9上不形成孔徑光闌元件453的光屏蔽光柵的映像。
來自襯底9的反射光通過物鏡457導(dǎo)引至半透明反射鏡456，部分光向著半透明反射鏡455反射。反射光由半透明反射鏡455進(jìn)一步反射，并通過透鏡450d由光屏蔽光柵成像元件43接收。在從光屏蔽光柵453a通過襯底9表面至光屏蔽光柵成像元件43的光學(xué)系統(tǒng)中，光屏蔽光柵成像元件43的位置是與光屏蔽光柵453a光學(xué)共軛，光屏蔽光柵453a的映像形成在光屏蔽光柵成像元件43上，且光屏蔽光柵453a的映像數(shù)據(jù)輸出至控制部分5。
通過半透明反射鏡456的反射光進(jìn)一步通過半透明反射鏡458，導(dǎo)引至半透明反射鏡459并且其中部分光被反射。反射的光通過透鏡450e并且導(dǎo)引至襯底成像元件44并被接收。因?yàn)橐r底成像元件44的位置是與視場(chǎng)光闌元件454及襯底9表面的位置光學(xué)共軛，襯底成像元件44在襯底9上實(shí)現(xiàn)照明光照射位置的成像，并且獲取的映像數(shù)據(jù)輸出到控制部分5。
通過半透明反射鏡459的光通過透鏡450f導(dǎo)引至分光儀42，并且得到反射光的光譜強(qiáng)度。光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸出到控制部分5。因此，光學(xué)系統(tǒng)45是由透鏡450a至450f及452，光纖451，孔徑光闌元件453，視場(chǎng)光闌元件454，半透明反射鏡455、456、458和459以及物鏡457組成。
光干涉單元4進(jìn)一步具有自動(dòng)聚焦檢測(cè)單元(在下文中，稱為“AF檢測(cè)單元”)46，用于檢測(cè)物鏡457與襯底9的表面之間的距離。AF檢測(cè)單元46具有發(fā)射光束的半導(dǎo)體激光器461；和AF檢測(cè)元件463，用于檢測(cè)由PSD元件接收的光的位置，并且從半導(dǎo)體激光器461發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)45入射到襯底9的表面。來自襯底9的該光束的反射光通過光學(xué)系統(tǒng)45導(dǎo)引至AF檢測(cè)單元46的柱面透鏡462，并進(jìn)一步導(dǎo)引至AF檢測(cè)元件463。
AF檢測(cè)元件463從接收的光的位置檢測(cè)物鏡457與襯底9表面之間的距離，并且物鏡457與襯底9表面之間的距離是由在工作臺(tái)2中提供的升降機(jī)構(gòu)(未示出)控制不變。此時(shí)，物鏡457與襯底9表面之間的距離就是入射到物鏡457的光的平行射線在襯底9表面上成像的距離(即焦距)。
工作臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)21具有X方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)22，用于在圖1的X方向上移動(dòng)工作臺(tái)2；和Y方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)23，用于在Y方向上移動(dòng)工作臺(tái)2。X方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)22包括馬達(dá)211及滾珠絲杠(ball screw)(未示出)，并且隨著馬達(dá)221的旋轉(zhuǎn)，Y方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)23沿導(dǎo)軌222在圖1中的X方向移動(dòng)。Y方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)23與X方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)22具有相同的構(gòu)造，并且隨著馬達(dá)231的旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)2通過滾珠絲杠(未示出)沿導(dǎo)軌232在Y方向移動(dòng)。
工作臺(tái)2上有鏡24，用來檢查稍后討論的光源單元31發(fā)出的光的波長(zhǎng)，它是如此傾斜以便反射光源單元31發(fā)射的光，具有預(yù)定的入射角，垂直向上(也就是朝向物鏡457)。
控制部分5具有用于執(zhí)行各種計(jì)算的計(jì)算部分51，并且由光屏蔽光柵成像元件43、分光儀42、襯底成像元件44及光接收單元32所獲得的各種信息都輸入到計(jì)算部分51。光源41、光源單元31及工作臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)21也都連接到控制部分5，并且控制部分5控制這些組成部分通過薄膜厚度測(cè)量裝置1進(jìn)行對(duì)襯底9上形成的薄膜厚度的測(cè)量。
在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，當(dāng)襯底9上的薄膜相對(duì)薄時(shí)，基于指示來自橢圓偏光計(jì)3的偏振狀態(tài)的輸出，計(jì)算部分51通過橢圓偏光法執(zhí)行薄膜厚度測(cè)量，而當(dāng)薄膜相對(duì)厚或是多層膜時(shí)，基于指示來自光干涉單元4的光譜強(qiáng)度的輸出，操作部分51通過獲得光譜反射系數(shù)來計(jì)算薄膜厚度。
在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，當(dāng)薄膜厚度測(cè)量是基于橢圓偏光計(jì)3的偏振狀態(tài)輸出實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先完成從光源單元31發(fā)射的光波長(zhǎng)的檢查(在下文中，稱為“激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)”)，隨后完成異物檢測(cè)，以檢測(cè)在襯底9上測(cè)量位置存在或不存在異物。當(dāng)確定沒有異物存在時(shí)(換句話說，確定在襯底9的測(cè)量位置能夠精確地執(zhí)行薄膜厚度測(cè)量)，在測(cè)量襯底9的傾斜角后，執(zhí)行薄膜厚度測(cè)量。下面將討論薄膜厚度測(cè)量裝置1的操作，以通過橢圓偏光計(jì)3一步一步地測(cè)量襯底9上的薄膜厚度。
圖2是表示激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)流程的流程圖。在激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)中，首先，工作臺(tái)2上的鏡24由工作臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)21移動(dòng)至偏振光的照射位置(步驟S11)；并且由控制部分5控制開始從光源單元31發(fā)射偏振光(步驟S12)。藉此，來自光源單元31的光由鏡24反射并導(dǎo)引至光干涉單元4的分光儀42。
在分光儀42中，獲得接收光的光譜強(qiáng)度，由此，實(shí)質(zhì)上獲得從半導(dǎo)體激光器312發(fā)射的光束的波長(zhǎng)。指示波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算部分51并存儲(chǔ)在計(jì)算部分51的存儲(chǔ)器中(步驟S13)。獲得的光束波長(zhǎng)用于通過橢圓偏光計(jì)3的薄膜厚度測(cè)量。
因而，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，通過移動(dòng)工作臺(tái)2可以在襯底9和將設(shè)置在光源單元31發(fā)出的光的照射位置的鏡24之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且在非測(cè)量期間，光源單元31發(fā)出的光被導(dǎo)引至分光儀42，以獲得光束(即偏振光)的波長(zhǎng)。這樣，即使由于環(huán)境溫度或光源單元31的組成部分的特性等的變化，光源單元31發(fā)出光的波長(zhǎng)改變，薄膜厚度測(cè)量裝置1也能夠高精度地獲得薄膜厚度。
可使用用于散射光的散射體(scatterer)來取代鏡24。鏡24或該散射體可從工作臺(tái)2中的一部分移動(dòng)至偏振光的照射位置。
下面將討論薄膜厚度測(cè)量裝置1中在襯底9上的異物的檢測(cè)。在該異物檢測(cè)中，從光源41發(fā)射照明光，襯底9上的映像由襯底成像元件44預(yù)先獲取，然后工作臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)21基于該映像移動(dòng)工作臺(tái)2，以將襯底9的測(cè)量位置與橢圓偏光法的偏振光的照射位置對(duì)準(zhǔn)。
圖3是表示異物檢測(cè)流程的流程圖。首先，偏振光的發(fā)射是從光源單元31開始，并且襯底9的測(cè)量位置以預(yù)定入射角入射的偏振光照射(步驟S21)。此時(shí)，以偏振光照射的襯底9上的照射區(qū)域例如是直徑為10μm的圓形區(qū)域。來自襯底9的偏振光的反射光被導(dǎo)引至光接收單元32。此時(shí)，光接收單元32的旋轉(zhuǎn)檢偏器321的方向是固定的，只透射p偏振分量，光電二極管322只獲取反射光的p偏振分量的光強(qiáng)(步驟S22)。
計(jì)算部分51基于從光接收單元32進(jìn)入的光的強(qiáng)度判斷襯底9上存在或不存在異物(步驟S23)。例如，當(dāng)偏振光至襯底9的入射角是72至80度時(shí)，如果沒有異物存在于襯底9上的該光的照射位置，則在來自襯底9的反射光中就幾乎沒有p偏振分量存在。另一方面，如有某種異物存在，p偏振分量就變得相對(duì)大。因此，當(dāng)檢測(cè)到p偏振分量時(shí)，計(jì)算部分51就判斷出有某種異物存在。
因而，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，獲得從光源單元31發(fā)射的并被襯底9反射的光的p偏振分量的強(qiáng)度，并且基于該p偏振分量的強(qiáng)度，計(jì)算部分51可判斷在襯底9上存在或不存在異物。因此，薄膜厚度測(cè)量裝置1能夠容易地檢測(cè)出存在或不存在異物。
雖然通過比較作為指示在稍后討論的薄膜厚度測(cè)量中獲得的偏振狀態(tài)的部分信息的周期強(qiáng)度信號(hào)與預(yù)先計(jì)算的周期信號(hào)，可以判明在襯底9上存在或不存在異物，但在這種情形下，為獲得偏振狀態(tài)必須對(duì)旋轉(zhuǎn)檢偏器321進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)，這就降低了透過量。另一方面，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，因?yàn)樾D(zhuǎn)檢偏器321的方向在檢測(cè)期間是固定的，可以快速地執(zhí)行異物檢測(cè)。
即使當(dāng)光源單元31發(fā)出光的入射角在72到80度的范圍之外，或當(dāng)光源單元31發(fā)出的光不是偏振的，也可以從光接收單元32獲得的p偏振分量的強(qiáng)度的變化來判斷存在或不存在異物。然而在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，通過使偏振光以72到80度的入射角入射，可以高靈敏度地檢測(cè)存在或不存在異物。
當(dāng)確定沒有異物存在于襯底9上的測(cè)量位置時(shí)，隨后測(cè)量襯底9與水平表面(即圖1中的XY平面)間的傾斜角度。首先，從光源41開始發(fā)射照明光，光屏蔽光柵成像元件43執(zhí)行成像，且光屏蔽光柵453a的映像數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算部分51。
如前所述，光屏蔽光柵成像元件43的位置通過襯底9的表面與光屏蔽光柵453a成光學(xué)共軛(因?yàn)楣馄帘喂鈻?53a幾乎在孔徑光闌位置，所以光屏蔽光柵成像元件43幾乎在物鏡光瞳位置)，而光屏蔽光柵成像元件43獲得的映像中的光屏蔽光柵的位置對(duì)應(yīng)于襯底9的傾斜角(確切地說，是在照明光的照射位置的傾斜角)的位置。
計(jì)算部分51預(yù)先存儲(chǔ)當(dāng)傾斜角為0度時(shí)的映像中的光屏蔽光柵的重心位置(在下文中，稱為“參考位置”)，襯底9的傾斜角(確切地說，是指示襯底9法線方向的矢量)通過計(jì)算獲得的映像中光屏蔽光柵的重心位置與參考位置之間的距離(矢量)而獲得。
具體地說，假設(shè)物鏡457與襯底9表面之間的距離(也就是因AF檢測(cè)單元46保持不變的距離)為f，襯底9的傾斜角為θ，而來自襯底9的反射光在物鏡457接收，以獲得光屏蔽光柵453a的映像，在所獲得的映像中的光屏蔽光柵位置在對(duì)應(yīng)于從襯底9的傾斜角為0度的情形傾斜的方向移動(dòng)(f×tan(2θ))。因此，光屏蔽光柵成像元件43所獲得的映像移動(dòng)了一個(gè)距離，該距離為(f×tan(2θ))乘以在相應(yīng)于傾斜的方向朝向物鏡457的位置的放大倍數(shù)，且這個(gè)距離是在前述參考位置與檢測(cè)的重心位置之間的距離。因?yàn)榫嚯xf是由AF檢測(cè)單元46保持不變，所以計(jì)算部分51能夠精確地獲得襯底9的傾斜角θ。
當(dāng)完成傾斜角的測(cè)量時(shí)，偏振光就從光源單元31發(fā)射到襯底9，并且反射光的偏振態(tài)由光接收單元32獲得。計(jì)算部分51基于偏振狀態(tài)獲得襯底9上的薄膜厚度，該偏振狀態(tài)是使用由激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)而獲得的光源單元31發(fā)出的偏振光的波長(zhǎng)以及從傾斜角度(和傾斜方向)獲得的精確的入射角而獲得的。在傾斜角測(cè)量期間可獲得來自襯底9的反射光的偏振狀態(tài)。
圖4是表示基于當(dāng)一個(gè)襯底9的傾斜角變化時(shí)獲得的偏振狀態(tài)計(jì)算的薄膜厚度的曲線圖。在圖4中，曲線61表明使用測(cè)得的傾斜角而得到的薄膜厚度計(jì)算結(jié)果，曲線62表明沒有進(jìn)行傾斜角測(cè)量(即假設(shè)傾斜角為0秒)得到的薄膜厚度計(jì)算結(jié)果。從圖4中可以看出，當(dāng)未進(jìn)行傾斜角測(cè)量時(shí)，計(jì)算出的薄膜厚度由于襯底9的傾斜角的作用而變化，但是當(dāng)進(jìn)行傾斜角測(cè)量時(shí)，可高精度地計(jì)算恒定的薄膜厚度。
因此，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，孔徑光闌元件453提供的光屏蔽光柵453a的映像由光屏蔽光柵成像元件43所獲得，以獲得襯底9的傾斜角。然后，使用得到的傾斜角以高精度獲得襯底9上的薄膜厚度。這就使得薄膜厚度測(cè)量裝置1能夠獲得薄膜厚度同時(shí)恰當(dāng)?shù)匦Ｕ∧ず穸?，即使襯底9是傾斜的也無需控制襯底9的傾斜。
當(dāng)薄膜厚度測(cè)量是由橢圓偏光計(jì)3進(jìn)行時(shí)，并不總是必須進(jìn)行全部的激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)、異物檢測(cè)及傾斜角測(cè)量。不需要為每一次薄膜厚度測(cè)量進(jìn)行激光波長(zhǎng)校準(zhǔn)，而可以是定期地(例如，每隔預(yù)定的測(cè)量次數(shù))進(jìn)行。
下面將討論襯底9的傾斜角測(cè)量的另一實(shí)例。在根據(jù)另一實(shí)例的傾斜角測(cè)量中，視場(chǎng)光闌元件454具有濾光片454a，以截止在預(yù)定區(qū)域之外部分的特定的波長(zhǎng)。例如，當(dāng)光源41使用鎢鹵燈時(shí)，視場(chǎng)光闌元件454具有光屏蔽濾光片454a，以截止在中心部分之外部分的波長(zhǎng)大于或等于800nm的紅外光。只用來透射紅外光的透射濾光片附著于光屏蔽光柵成像元件43。這就使得波長(zhǎng)大于或等于800nm的紅外光只發(fā)射到襯底9上照明光照射位置中的顯微區(qū)域，相應(yīng)于光屏蔽濾光片的中心部分。該顯微區(qū)域的位置與光源單元31發(fā)出的偏振光的照射位置重疊。
照明光的反射光被導(dǎo)引至光屏蔽光柵成像元件43，并且只有相應(yīng)于該顯微區(qū)域的反射光被光屏蔽光柵成像元件43接收，而光屏蔽光柵453a的映像通過來自該顯微區(qū)域的光形成。在獲得的映像中光屏蔽光柵453a的映像的重心位置根據(jù)如前所述的在襯底9的顯微區(qū)域的傾斜角從參考位置移動(dòng)。因此，基于參考位置與檢測(cè)的重心位置之間的矢量可得到僅僅該顯微區(qū)域的傾斜角。
由于襯底9上的整個(gè)照射區(qū)被波長(zhǎng)小于或等于800nm的光所照射，襯底9上照明光的照射位置可由襯底成像元件44獲得的映像確定，而偏振光的照射位置可移動(dòng)到襯底9上的希望位置。也在由稍后討論的光干涉單元4的薄膜厚度測(cè)量中，可使用波長(zhǎng)小于或等于800nm的光來進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量?？紤]到由光干涉單元4進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量，自然地光屏蔽濾光片454a可從光路中移開。
當(dāng)相對(duì)于顯微區(qū)域的傾斜角測(cè)量完成后，來自光源單元31的偏振光被發(fā)射到襯底9上的顯微區(qū)域，并且偏振光的反射光由光接收單元32接收，以獲得反射光的偏振態(tài)?；谑褂孟鄬?duì)于顯微區(qū)域的傾斜角獲得的偏振狀態(tài)，計(jì)算部分51獲得相對(duì)于襯底9上顯微區(qū)域的薄膜厚度。
因而，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，通過在視場(chǎng)光闌元件454中提供光屏蔽濾光片454a，能夠更精確地獲得襯底9上顯微區(qū)域的薄膜厚度。光屏蔽濾光片454a并不是必須設(shè)置在視場(chǎng)光闌元件454的位置上，并且可設(shè)置在與從光源41到襯底9的光路中的視場(chǎng)光闌位置成準(zhǔn)光學(xué)共軛的位置。這個(gè)光屏蔽濾光片454a必須截止在相應(yīng)于襯底9的顯微區(qū)域部分外的部分的至少特定波長(zhǎng)的光，并且可以截止全部波長(zhǎng)的光。
下面將討論基于指示來自光干涉單元4的光譜強(qiáng)度的輸出得到光譜反射系數(shù)進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量(特別是相對(duì)厚的薄膜或多層薄膜的厚度測(cè)量)的薄膜厚度測(cè)量裝置1的操作。圖5是表示使用光干涉單元4進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量的薄膜厚度測(cè)量裝置1的操作流程的流程圖。下面將依照?qǐng)D5進(jìn)行討論。
在該光干涉測(cè)量方法的薄膜厚度測(cè)量中，使用參考物體(在下文中，稱為“參考襯底”)。作為參考襯底，通常使用硅襯底，但是長(zhǎng)時(shí)間放置在大氣中的參考襯底形成二氧化硅(SiO2)的天然氧化物薄膜。于是，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，首先，參考襯底上的天然氧化物薄膜的厚度使用橢圓偏光計(jì)3的橢圓偏光法測(cè)量(步驟S31)。
因?yàn)橛蓹E圓偏光計(jì)3測(cè)量不需要參考物體，只要指定入射光的波長(zhǎng)、入射角(在照射位置的傾斜角)等，就可獲得薄膜厚度的絕對(duì)值(在下文中，稱為“絕對(duì)薄膜厚度”)。獲得的參考襯底的絕對(duì)薄膜厚度存儲(chǔ)在計(jì)算部分51。
當(dāng)參考襯底的絕對(duì)薄膜厚度測(cè)量完成后，在光干涉單元4中，照明光是從光源41發(fā)射并由光學(xué)系統(tǒng)45導(dǎo)引到參考襯底，而來自該參考襯底的反射光被導(dǎo)引至分光儀42。然后，由分光儀42獲得反射光的光譜強(qiáng)度(步驟S32)，且參考襯底的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算部分51。隨后，作為測(cè)量目標(biāo)的襯底9(在下文中，稱為“目標(biāo)襯底9”，以區(qū)別于參考襯底)放置在工作臺(tái)2，來自光源41的照明光發(fā)射到目標(biāo)襯底9的測(cè)量位置，而由分光儀42獲得反射光的光譜強(qiáng)度(步驟S33)。目標(biāo)襯底9的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸出至控制部分5。
在計(jì)算部分51中，參考襯底的(垂直的)光譜反射系數(shù)可通過在步驟S31中獲得的參考襯底的絕對(duì)薄膜厚度的理論計(jì)算來計(jì)算(步驟S34)。在下文中，在步驟S34中獲得的光譜反射系數(shù)稱為“理論光譜反射系數(shù)”。
隨后，基于參考襯底的理論光譜反射系數(shù)，從參考襯底和目標(biāo)襯底9的光譜強(qiáng)度獲得目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)(步驟S35)。在此，假設(shè)參考襯底的理論光譜反射系數(shù)是Rc(λ)，參考襯底的光譜強(qiáng)度是Ic(λ)，則目標(biāo)襯底9的光譜強(qiáng)度是Im(λ)，而目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)是Rm(λ)，由(Rm(λ)＝(Im(λ)/Ic(λ)×Rc(λ)獲得目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)Rm(λ)。換句話說，由光干涉單元4獲得的目標(biāo)襯底9的光譜強(qiáng)度乘以參考襯底的理論光譜反射系數(shù)和參考襯底光譜強(qiáng)度之比可獲得目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)。計(jì)算部分51從目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)襯底9的薄膜厚度(步驟S36)。
因而，在薄膜厚度測(cè)量裝置1中，基于由橢圓偏光法測(cè)量的參考襯底上的薄膜厚度計(jì)算參考襯底的光譜反射系數(shù)，和參考該參考襯底的計(jì)算的光譜反射系數(shù)獲得目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)。因此，薄膜厚度測(cè)量裝置1能夠正確地獲得目標(biāo)襯底9的光譜反射系數(shù)，而不受參考襯底上的天然氧化物薄膜的影響，從而高精度地計(jì)算薄膜厚度。
參考襯底不是必須是硅襯底，而可以是金屬襯底等等。圖5示出的薄膜厚度測(cè)量流程可在允許的限制內(nèi)適當(dāng)?shù)母淖?，例如，在?jì)算參考襯底的理論光譜反射系數(shù)之后獲得參考襯底的光譜強(qiáng)度。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已在前面討論了，但本發(fā)明不限于上面討論的優(yōu)選實(shí)施例，而是允許各種變化。
在前述優(yōu)選實(shí)施例中在使用橢圓偏光計(jì)3的薄膜厚度測(cè)量中進(jìn)行異物檢測(cè)時(shí)，有關(guān)異物檢測(cè)的組成部分僅用于半導(dǎo)體制造過程等等中的異物檢測(cè)。
在異物檢測(cè)中，當(dāng)在襯底9上存在大的異物或許多異物時(shí)，由于光干涉單元4的分光儀42從襯底9接收反射光，因此也能夠通過分光儀42進(jìn)行異物檢測(cè)。
光屏蔽光柵453a不是必須設(shè)置于孔徑光闌元件453的位置，但只是必須設(shè)置在與從光源41到襯底9的光路中的孔徑光闌位置成準(zhǔn)光學(xué)共軛的位置。光屏蔽光柵453a可以是僅截止特定波長(zhǎng)光的光柵，并且在此情形下，僅透射特定波長(zhǎng)光的濾光片可提供在光屏蔽光柵成像元件43中。
從光源單元31發(fā)射到襯底9的偏振光不限于圓偏振光，而是根據(jù)需要可使用適合的各種偏振光(如45度線性偏光)。
襯底9不限于半導(dǎo)體襯底，而可以是用于液晶顯示器或其它平板顯示器等的玻璃襯底。
雖然本發(fā)明已示出并具體描述了，前面的描述在所有方面都是示例性的并非限制性的。因此應(yīng)當(dāng)懂得，在不脫離本發(fā)明范圍下可做出許多修改與變化。
權(quán)利要求
1.一種薄膜厚度測(cè)量裝置，用于測(cè)量形成在物體上的薄膜厚度，其特征在于包括第一光源，用于發(fā)射偏振光至物體；光接收部分，用于接收來自所述物體的所述偏振光的反射光，以獲得所述反射光的偏振狀態(tài)；計(jì)算部分，基于所述偏振狀態(tài)獲得所述物體上的薄膜厚度；第二光源，用于發(fā)射照明光；光學(xué)系統(tǒng)，用于導(dǎo)引所述照明光至所述物體，并導(dǎo)引來自所述物體的所述照明光的反射光至預(yù)定位置；光屏蔽光柵，設(shè)置在與從所述第二光源至所述物體的光路上的孔徑光闌位置成準(zhǔn)光學(xué)共軛的位置；以及成像元件，用于獲得形成在所述預(yù)定位置的所述光屏蔽光柵的映像，其中所述計(jì)算部分基于所述成像元件的輸出獲得所述物體的傾斜角，并使用所述傾斜角從所述偏振狀態(tài)獲得所述薄膜的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜厚度測(cè)量裝置，其特征在于進(jìn)一步包括濾光片，設(shè)置在與從所述第二光源至所述物體的光路上的視場(chǎng)光闌位置成準(zhǔn)光學(xué)共軛的位置，其中所述濾光片截止在相應(yīng)于所述物體上的顯微區(qū)域的部分外的至少特定波長(zhǎng)的光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜厚度測(cè)量裝置，其特征在于所述計(jì)算部分基于在預(yù)定參考位置與從所述成像元件的所述輸出指示的映像中的所述光屏蔽光柵映像的重心位置之間的矢量獲得所述傾斜角度。
4.一種反射系數(shù)測(cè)量裝置，用于測(cè)量一個(gè)測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)，其特征在于包括薄膜厚度測(cè)量部分，通過橢圓偏光法測(cè)量參考物體上的薄膜厚度；以及反射系數(shù)測(cè)量部分，以照明光照射所述參考物體及測(cè)量物體，以獲得來自所述參考物體及所述測(cè)量物體的反射光各自的光譜強(qiáng)度，隨后獲得所述測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)，其中所述反射系數(shù)測(cè)量部分包括計(jì)算部分，基于由所述薄膜厚度測(cè)量部分測(cè)量的在所述參考物體上的所述薄膜的所述厚度，計(jì)算所述參考物體的光譜反射系數(shù)，并參照所述參考物體的所述光譜反射系數(shù)獲得所述測(cè)量物體的所述光譜反射系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反射系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述計(jì)算部分使用所述測(cè)量物體的所述光譜反射系數(shù)進(jìn)一步獲得在所述測(cè)量物體上的薄膜厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反射系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述參考物體是硅襯底，而所述參考物體上的所述薄膜是天然氧化物薄膜。
7.一種薄膜厚度測(cè)量裝置，用于測(cè)量在物體上形成的薄膜厚度，其特征在于包括光源，用于發(fā)射偏振光到物體；光接收部分，用于接收來自所述物體的所述偏振光的反射光，以獲得所述反射光的偏振狀態(tài)；計(jì)算部分，基于所述偏振狀態(tài)獲得所述物體上的薄膜厚度；開關(guān)機(jī)構(gòu)，在非測(cè)量期間導(dǎo)引來自所述光源的光到預(yù)定位置；以及波長(zhǎng)測(cè)量部分，用于獲得導(dǎo)引至所述預(yù)定位置的所述光的波長(zhǎng)，其中所述計(jì)算部分使用由所述波長(zhǎng)測(cè)量部分獲得的所述波長(zhǎng)獲得所述物體上所述薄膜的所述厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的薄膜厚度測(cè)量裝置，其特征在于所述開關(guān)機(jī)構(gòu)具有工作臺(tái)，在其上放置所述物體；鏡，設(shè)置在所述工作臺(tái)上；以及機(jī)械裝置，用于移動(dòng)所述工作臺(tái)到在來自所述光源的所述光的照射位置的所述物體或所述鏡的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的薄膜厚度測(cè)量裝置，其特征在于進(jìn)一步包括另一個(gè)光源，用于發(fā)射照明光至所述物體，其中所述波長(zhǎng)測(cè)量部分是分光儀，并且所述分光儀接收來自所述物體的所述照明光的反射光，以獲得所述反射光的光譜強(qiáng)度。
10.一種異物檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)襯底上存在或不存在異物，其特征在于包括光源，以預(yù)定的入射角發(fā)射光至襯底；光接收部分，用于獲得來自所述襯底的反射光的p偏振分量的光強(qiáng)；以及判斷部分，基于所述p偏振分量的所述光強(qiáng)判斷所述襯底上存在或不存在異物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的異物檢測(cè)裝置，其特征在于來自所述光源的所述光在入射所述襯底前是偏振的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的異物檢測(cè)裝置，其特征在于所述光源和所述光接收部分是橢圓偏光計(jì)的一部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的異物檢測(cè)裝置，其特征在于所述入射角是這樣的角度如果沒有異物存在，則在此角度時(shí)在來自襯底的反射光中幾乎沒有p偏振分量存在。
14.一種測(cè)量被測(cè)量物體的光譜反射系數(shù)的反射系數(shù)測(cè)量方法，包括步驟通過橢圓偏光法測(cè)量在參考物體上的薄膜厚度；以照明光照射所述參考物體及測(cè)量物體，以獲得來自所述參考物體及所述測(cè)量物體的反射光的各自的光譜強(qiáng)度；以及基于所述參考物體上的所述薄膜的所述厚度，計(jì)算所述參考物體的光譜反射系數(shù)，并參照所述參考物體的所述光譜反射系數(shù)獲得所述測(cè)量物體的所述光譜反射系數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的反射系數(shù)測(cè)量方法，進(jìn)一步包括步驟使用所述測(cè)量物體的所述光譜反射系數(shù)獲得所述測(cè)量物體上的所述薄膜的厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的反射系數(shù)測(cè)量方法，其中所述參考物體是硅襯底，而所述參考物體上的所述薄膜是天然氧化物薄膜。
17.一種檢測(cè)襯底上存在或不存在異物的異物檢測(cè)方法，包括步驟以預(yù)定的入射角從光源發(fā)射光至襯底；獲得來自所述襯底的反射光的p偏振分量的光強(qiáng)；以及基于所述p偏振分量的所述光強(qiáng)判斷在所述襯底上存在或不存在異物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的異物檢測(cè)方法，其中來自所述光源的所述光在入射所述襯底之前是偏振的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的異物檢測(cè)方法，其中當(dāng)通過橢圓偏光法測(cè)量襯底上薄膜厚度時(shí)使用來自所述光源的光。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的異物檢測(cè)方法，其中所述入射角是這樣的角度如果沒有異物存在，則在此角度時(shí)在來自襯底的反射光中幾乎沒有p偏振分量存在。
全文摘要
薄膜厚度測(cè)量裝置(1)包括橢圓偏光計(jì)(3)，用于獲取襯底(9)上薄膜的偏振狀態(tài)；和光干涉單元(4)，用于獲取襯底(9)上薄膜的光譜強(qiáng)度。在光干涉單元(4)的光學(xué)系統(tǒng)(45)中，光屏蔽光柵(453a)設(shè)置在孔徑光闌元件(453)中，來自光源(41)的照明光通過光學(xué)系統(tǒng)(45)發(fā)射至襯底(9)。來自襯底(9)的反射光導(dǎo)引至光屏蔽光柵成像元件(43)，在此獲取光屏蔽光柵(453a)的映像。當(dāng)橢圓偏光計(jì)(3)進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量時(shí)，基于光屏蔽光柵(453a)的映像得出襯底(9)的傾斜角，并且光接收單元(32)獲得反射光的偏振狀態(tài)。使用得到的傾斜角由反射光的偏振狀態(tài)，計(jì)算部分(51)高精度地得出薄膜厚度。
文檔編號(hào)G01N21/95GK1502969SQ03160220
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2003年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月18日
發(fā)明者堀江正浩, 林秀樹, 北村藤和, 赤鹿久美子, 和, 美子 申請(qǐng)人:大日本網(wǎng)目版制造株式會(huì)社