[发明专利]光学计量系统和方法

说明书

提供了一种用于光学计量测量的测量系统。该测量系统包括处理原始测量数据的控制系统，原始测量数据指示响应于入射到样品的顶部部分的照明电磁场而在样品上测量的光谱干涉信号并且光谱干涉信号包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围。处理包括：从原始测量数据中提取光谱干涉信号的一部分，光谱干涉信号的一部分描述在干涉测量期间随着光路差OPD的改变而变化的信号强度，提取信号部分与响应于所述照明电磁场从样品的底部部分返回的干涉信号无关；以及从所述提取部分中直接确定来自样品的顶部部分的电磁场的反射的光谱振幅和相位，从而确定表征样品的顶部部分的测量光谱特征。

技术领域和背景技术

本发明属于图案化结构(如半导体晶片)的光学测量领域，特别适用于计量测量。

广泛用于半导体计量和过程控制的光学测量方法，传统上依赖于光谱反射仪和/或光谱椭圆仪。然而，由于从结构中散射出来的电磁场也包含光谱相位信息，这也有利于从测量中提取更多或更准确的信息，而在光学频率下不可能直接获取这些信息，因此使用光谱干涉仪。

一些光谱干涉技术例如在美国专利第10,739,277号和第10,161,885号中有所描述，这两个专利都转让给了本申请的受让人。

发明内容

本领域需要一种新颖的技术，用于在图案化结构中实现基于红外(IR)的光谱干涉测量，能够基于干涉仪的有限时间相干性，分离出来自结构的背面的贡献。

将散射测量的波长范围扩大到红外范围有多种好处，特别是能够穿透在可见光-紫外(Vis-UV)范围内不可穿透的材料，具有独特的敏感性(例如，对材料的特性)，在模拟的简单性方面具有优势，等等。更具体地说，当在部分或全部光学系统的操作波长部分或完全可穿透的结构中进行测量时(例如，在(标准)硅晶片上制造的结构)，入射光在结构内不被吸收，而是继续在结构内传播并从底部(背面)部分反射回来，当通过结构的顶部部分输出时，呈现一个寄生信号，该信号要与顶部表面反射分开。对于超过～1.1μm的波长，硅衬底变得可穿透，可能会由于来自晶片背面的反射产生重大污染。晶片的底部反射由于重复性低/晶片夹具表面而不稳定。

通常希望使用正常入射测量，与斜入射操作相比，它有几个优点。这些优点的例如涉及到硬件简单(照明和收集光学器件在光路的重要部分是共同的)，尺寸紧凑，允许将解决方案集成到小尺寸的实现中(如集成测量)，甚至光-物质相互作用模拟简单。

然而，使用红外照明的正常入射模式不可避免地导致收集结构的顶部部分(所需数据)和结构的底部部分(污染)的反射。当需要高光谱质量时，就像当前的计量要求一样，这种污染会不利于对测量数据的正确解释。因此，人们希望在保持其他系统参数(如光斑大小和吞吐量)的同时，避免或准确地消除这种污染。

有几种方法可以缓解这个问题。例如，晶片背面的反射可以通过共焦光学布局来消除(共焦布局的实施可以显著减少焦点外的贡献)。然而，共焦模式对散射测量来说存在问题，因为它使得对微小的焦点误差强烈敏感。根据晶片背面反射去除算法，晶片背面反射产生的信号贡献被估计出来，并通过算法从测量信号中减去。然而，晶片上的不同位置的背面反射会有所不同(取决于粗糙度，甚至是固定晶片的底层平台的特性)，同时，被测结构(制造在晶片顶部的)也会影响背面反射的信号：由于这种结构的变化会影响通过它的整体光传输，我们不能将背面反射视为一个“恒定”贡献。预期的与背面反射相关的光谱误差为几个百分点(对于某些光学布局来说甚至是百分之几)，这有时仍然允许以合理的误差进行定量解释。然而，对于高端散射测量，处理先进的应用，这样的误差是完全不可接受的，因此不能简单地忽略背面的贡献。因此，用于半导体计量的红外散射测量通常基于斜入射测量。

本发明的技术是基于分析原始测量数据的新方法，在样品上测量的光谱干涉信号指示在样品和干涉仪参考臂之间的不同光路差，并利用包括样品基本上不吸收的波长的操作波长。本发明能够直接提取样品顶部部分的光谱反射和相位，而不考虑原始测量数据是否还包括来自样品顶部部分以外的界面的反射(例如，底部部分的反射)。