[发明专利]自相关外差反射计及其实现方法

说明书

背景技术

本发明涉及反射计。更具体地讲，本发明涉及通过外差反射计在 反射分离频率信号中测量相移获得厚度信息的反射计系统和方法。进 一步，本发明涉及使用外差反射计的外差信号测量感光衬底上形成的 薄或极薄薄膜的厚度的方法和系统。尤其地，本发明涉及用来监控薄 膜厚度的补偿检测器漂移的自相关外差反射计。另外，本发明涉及补 偿在光测量元件中产生的寄生噪声的外差反射计。本发明也涉及现场 监控薄膜厚度的外差反射计。

由于在芯片制造中对极精确公差的要求提高，在处理期间必须非 常仔细地控制随后层的物理特性来获得对于大部分应用来说满意的 结果。广泛地定义，干涉仪涉及波的相互作用的测量，例如光波。干 涉仪工作原理是相位相同的两个相干波会相互增强而相位相反的两 个波会相互削弱。一个现有技术监控系统利用干涉仪在表面轮廓中测 量变化，从中可以推断特征高度信息。Hongzhi Zhao等人的文章“A Practical Heterodyne Surface Interferometer with Automatic Focusing”(自动聚焦的实用外差表面干涉计)发表于2000年的SPIE Proceedings第4231卷第301页，其全部内容在此引作参考，公开了 一个检测参考外差信号和测量信号之间相位差的干涉仪。可以从测量 中推断出与表面上的明显亮点相关的高度信息。虽然参考信号和测量 信号可以通过在不同路径上传播的光束产生，这是共同路径干涉计 (common path interferometer)。这种方法有时称为公共轴线 (common-axis)方法或者垂直轴线(normal-axis)方法，因为入射和反 射光束占用到达目标位置的公共路径或轴线，该路径或轴线垂直于待 检查的平面。

现有技术公共路径干涉计的一个缺点是，根据参考信号大尺寸照 明区的平均高度计算高度信息。因此，结果的准确度受到表面粗糙程 度的不利影响。现有技术公共路径方法的另一个局限是，不对薄膜层 的实际厚度参数进行测量或者计算。

监测薄膜厚度的其它尝试通过光源的频率调制获得外差作用。授 予Zhang的名称为“Method of Measuring the Thickness of a Transparent Material”(用于测量透明材料厚度的方法)的美国专利 No.5657124和授予Zhang等人的名称为“Process and Device for Measuring the Thickness of a Transparent Material Using a Modulated Frequency Light Source”(使用调制频率光源的测量透明 材料厚度的方法和设备)的美国专利No.6215556公开了这样的设备， 其全部内容在此引作参考。。关于这些设备，具有调制频率的极化光 束被定向到目标表面并且根据两条射线检测外差干涉信号，一条由目 标的顶面反射，而第二条由目标的底面反射。通过比较外差干涉信号 和光源的线性调制强度，根据每调制周期中差拍的数量确定厚度。这 些类型设备的原理性缺陷是，由于通过光源的频率调制获得外差，其 带宽限制了可测量的最薄薄膜。

其它外差干涉计根据两个单独的光束获得外差信号，一个光束处 于第一频率和极化而第二光束处于第二频率和极化。授予Haruna等 人的名称为“Method and Apparatus for Simultaneously Interferometrically Measuring Optical Characteristics in a Noncontact Manner”(以非接触方式同步干涉测量光学特性的方法和 装置)的美国专利No.6172752和授予Aiyer的名称为“Heterodyne Thickness Monitoring System”(外差式厚度监测系统)的美国专利No. 6261152公开了这种干涉计，通过引用将其整体结合到此。其全部内 容在此引作参考。

图1是外差式厚度监测装置的示意图，其中一对频率分离、正交 极化光束在被混合以及外差之前传播于分离的光学路径中，如现有技 术通常所知的伴随化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing， CMP)装置使用的。从而，外差厚度监测系统100通常包括CMP装 置、晶片110和测量光学组件。晶片110包括衬底112和薄膜114。