CN101755187B - 用于干扰测量法的生成模型信号 - Google Patents

Abstract

公开了一种方法，该方法包括：对于具有不同反射率的、测试物体上的测试表面的多个区域中的每一个，使用干涉测量系统以第一操作模式测量每一个区域，该第一操作模式在一定的角度和波长的范围内测量有关区域反射率的信息；使用同一干涉测量系统以第二操作模式测量测试表面，该第二操作模式在包括所述多个区域中的至少一些的范围内干涉地描绘测试表面形貌的轮廓；以及基于有关所述多个区域的反射率的信息校正轮廓以减少误差。

Description

用于干扰测量法的生成模型信号

技术领域

本发明涉及干扰测量法(interferometry)。

背景技术

干涉测量技术通常被用于测量物体表面的轮廓(profile)。为此，干涉仪(interferometer)结合从感兴趣的表面反射的测量波前(wavefront)与从参考表面反射的参考波前以产生干涉图(interferogram)。干涉图中的条纹表示在感兴趣的表面和参考表面之间的空间变化。

扫瞄干涉仪在可相较于或大于干涉波前的相干(coherence)长度的范围内、扫瞄在干涉仪的参考和测量臂(leg)之间的光程长度差(OPD)，以对用来测量干涉图的每个相机像素产生扫瞄干涉信号。有限干涉长度可由例如使用白光光源产生，其被称为扫瞄白光干涉测量法(SWLI)。典型的扫瞄白光干涉测量法(SWLI)信号是局限于(localized)接近零光程差(OPD)位置的一些条纹(fringes)。信号典型地由具有钟形(bell-shaped)条纹对比包络(contrast envelope)的正弦载波调制(“条纹”)特征化。传统构成SWLI计量学基础的理念在于利用条纹的局部化(localization)以测量表面轮廓。

SWLI处理技术包括两个原理倾向。第一种方法在于定位包络的峰值或中心，假定该位置对应于二光束干涉仪的零光程差(OPD)，并且其中一条光束是从物体表面反射的。第二种方法在于将信号转换到频域，并且计算相位随着波长改变的比率，假定实质上直线的斜率直接与物体位置成比例。参见，例如，Peter de Groot的美国专利第5,398,113号。后面的方法被称为频域分析(FDA)。

扫瞄干涉测量法可被用于测量具有复杂表面结构的物体的表面的形貌(topography)和/或其它特征，诸如薄膜、不同(dissimilar)材料的离散结构、或未能由干涉显微镜的光学分辨率解析(underresolved)的离散结构。这样的测量与平板显示器组件、半导体晶圆计量学、以及在原地的(insitu)薄膜与不同材料分析的特征化有关。参见，例如，Peter de Groot等人在2004年9月30日公开的美国专利公开第US-2004-0189999-A1号，名称为“Profiling ComplexSurface Structures Using Scanning Interferometry”，其内容通过引用结合于此，以及Peter de Groot在2004年5月6日公开的美国专利公开第US-2004-0085544-A1号，名称为“Interferometry Method for Ellipsometry，Reflectometry，and Scatterometry Measurements，Including Characterization ofThin Film Structures”，其内容通过引用结合于此。

用于光学地确定有关物体的信息的其它技术包括椭圆法(ellipsometry)和反射法(reflectometry)。椭圆法确定在以例如60°倾斜角、有时以可变的角度或多波长照明时，表面的复杂反射率。为了达到比可在传统椭圆仪中轻易达到的更大的分辨率，微椭圆仪测量在物镜(objective)的后焦面(back focalplane)(即，光瞳面(pupil plane))的相位和/或强度分布，在这里，各种不同的照明角度被映像到场位置。这样的装置是传统偏光显微镜或“锥光偏振仪”的现代化，历史上与结晶学和矿物学结合，其利用交叉的偏光板和勃氏透镜(Bertrand lens)，以分析光瞳面双折射材料。

用于薄膜特征化的传统技术(例如椭圆法和反射法)依靠下列事实，即未知的光学界面的复杂反射率取决于其内在特征(材料特性和个别层的厚度)，以及取决于用于测量反射率的光的三个特性：波长、入射角、和偏振态(polarizationstate)。实践中，特征化仪器记录在已知范围内由改变这些参数造成的反射率变动。然后，诸如最小平方法(least-square fits)的最优化程序被用于通过将在测量的反射率数据与从光学结构的模型得出的反射率函数之间的差异最小化而得到对未知参数的估计。

发明内容

发明人认识到能够以多种模式(例如描绘轮廓和椭圆模式)操作的干涉测量系统可提供大量的信息，这些信息可以以互补的方式用于提供有关测试物体的准确信息。

例如，发明人认识到对于使用透镜成像(image)干涉仪的出射光瞳(或“后焦面”或是“傅立叶面”)的干涉测量系统，简单的测量架构可通过确定例如光源的属性、照明和成像光学、以及干涉仪腔(cavity)而将系统特征化。再者，这些特征可在波长、偏振和入射角的宽大范围内确定。系统的属性可单从干涉测量数据确定，而不需要直接检查光源、光学组件、腔、或者干涉测量系统的许多(通常是非常灵敏的)组件的任何其它组件。

测量的干涉测量系统属性提供了用于组合和质量控制，和用于比较该系统与其它系统的有用指导。另外，信息可被用于改善测量的准确性。例如，这些属性可被用于准确地对系统将对给定测试表面结构测量的干涉信号建模(modeling)。这样的模型对于在许多干涉测量和分析方法中的使用是很重要的，特别是那些致力于准确地测量复杂的表面的(例如，那些具有包括异类材料特性的区域、薄膜结构、以及其它表面特征的)。我们现在总结本发明的各种不同的方面和特征。

在一个方面中，公开了一种方法，其包括：在照明角度的一定范围内将测试光指向第一校准表面，并且将从第一校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第一校准表面的测试光与参考光源自共同光源；将来自第一校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第一校准表面的不同照明角度；在照明角度的一定范围内将测试光指向不同于第一校准表面的第二校准表面，并且将从第二校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第二校准表面的测试光与参考光源自共同光源；将来自第二校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第二校准表面的不同照明角度。

基于对从第一和第二校准表面出射的测试光由检测器的不同组件测量的干涉信号以和有关第一和第二校准表面的其它信息，确定有关干涉测量系统的信息。

有关干涉测量系统的信息包括与下列至少其中一个对应的信息：共同光源的频谱分布、与平行于入射面的偏振状态相比垂直于入射面的偏振状态的相对衰减、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱分布的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的平均强度的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的相位的变化、以及穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱强度的变化。

该方法可包括许多特征，分别地或结合地。例如，在一些实施例中，有关第一和第二校准表面的其它信息包括有关第一和第二校准表面的反射率的信息。

在一些实施例中，第一校准表面包括：体硅、硅上氧化层、基板上介电层、基板上不透明金属层、金属的固体表面、介电材料的固体表面。

在一些实施例中，该方法包括：将有关干涉测量系统的信息与来自干涉测量系统的标准校准进行比较；以及基于所述比较修改干涉测量系统。

在一些实施例中，该方法包括：将有关干涉测量系统的信息与有关第二干涉测量系统的信息进行比较；以及基于所述比较修改干涉测量系统之一或两者。

在一些实施例中，该方法包括：基于有关干涉仪的信息和有关测试物体的多个模型的信息，产生多个模型扫瞄干涉信号，其中，测试物体的多个模型通过测试物体的一系列特征来参数化。

在一些实施例中，该方法包括：将对于在测试物体上的第一表面位置、从干涉测量系统取得的扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息进行比较。

在一些实施例中，该方法包括：基于所述比较确定测试物体的准确特征。

在一些实施例中，准确特征是第一表面位置的表面高度和/或第一表面位置的薄膜厚度。

在一些实施例中，准确特征的确定包括基于所述比较确定测试物体的哪个模型对应于测试物体的特征中准确的一个，并且使用对应于准确特征的测试物体的模型来计算有关测试物体的信息。

在一些实施例中，该方法包括：将对于额外的表面位置、可从扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息进行比较。

在一些实施例中，该方法包括：使用搜寻引擎以比较可从干涉测量系统取得的扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息。

在一些实施例中，所述比较包括计算一个或多个评价函数，所述评价函数表示在从扫瞄干涉信号中得出的信息与对应于每一个模型的信息之间的相似度。

在一些实施例中，该方法包括：使用干涉测量系统以干涉地(interferometrically)描绘测试表面形貌的轮廓的操作模式测量测试物体的测试表面；以及

基于有关干涉测量系统的信息提供校正的轮廓。

在一些实施例中，测试表面是测试物体的上表面或测试物体的埋入的表面。

在一些实施例中，该方法包括：确定有关在测试表面上一个或多个区域的信息。校正的轮廓也基于有关在测试表面上一个或多个区域的信息。

在另一个方面中，公开了一种方法，其包括：对于具有不同反射率的、测试物体上的测试表面的多个区域的每一个，使用干涉测量系统以第一操作模式测量每个区域，第一操作模式在角度和波长的一定范围内测量有关区域反射率的信息；使用同一干涉测量系统以第二操作模式测量测试表面，第二操作模式在包括所述多个区域中的至少一些的范围内干涉地描绘测试表面形貌的轮廓；以及基于有关多个区域的反射率的信息校正轮廓以减少误差。

在一些实施例中，测试表面是测试物体的上表面或测试物体的埋入的表面。

在一些实施例中，轮廓是厚度轮廓(thickness profile)。

在一些实施例中，校正对于每个区域包括：基于有关区域反射率的信息确定高度偏移；以及将该偏移加到轮廓的对应部分。

在一些实施例中，该方法包括：使用同一干涉测量系统在角度和波长的一定范围内测量有关两个或更多参考表面的反射率的信息；使用有关两个或更多参考表面的反射率的信息来确定有关干涉测量系统的信息。轮廓的校正还基于有关干涉测量系统的信息。

在一些实施例中，该方法包括：在角度和波长的一定范围内基于有关区域反射率的信息确定有关干涉测量系统的额外信息。轮廓的校正还基于有关干涉测量系统的信息。

在一些实施例中，该方法包括输出校正的轮廓。在一些实施例中，校正的轮廓的输出包括输出到下列其中之一：用户、显示器、电子存储器、电子控制器、以及被配置为基于有关轮廓、印制介质(printed media)和电子存储介质的信息操作一个或多个装置的电子控制器。在一些实施例中，输出包括输出以用于半导体计量学测量。

在另一个方面中，公开了一种干涉测量系统，其包括：光源、多组件检测器、干涉仪和电子处理器。干涉仪被配置为：

在照明角度的一定范围内将测试光指向第一校准表面，并且将从第一校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第一校准表面的测试光与参考光源自共同光源；

将来自第一校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第一校准表面的不同照明角度；

在照明角度的一定范围内将测试光指向不同于第一校准表面的第二校准表面，并且将从第二校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第二校准表面的测试光与参考光源自共同光源；以及

将来自第二校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第二校准表面的不同照明角度。

电子处理器被配置为：

基于对从第一和第二校准表面出射的测试光由检测器的不同组件测量的干涉信号和有关第一和第二校准表面的其它信息确定有关干涉测量系统的信息。

有关干涉测量系统的信息包括与下列至少其中一个对应的信息：共同光源的频谱分布、与平行于入射面的偏振状态相比垂直于入射面的偏振状态的相对衰减、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱分布的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的平均强度的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的相位的变化、以及穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱强度的变化。

在另一个方面中，公开了一种装置，其包括干涉仪系统。干涉仪系统被配置为：对于在具有不同反射率的、测试物体上的测试表面的多个区域的每一个，以第一模式操作，以在角度和波长的一定范围内测量有关区域反射率的信息；以第二模式操作，以在包括所述多个区域的每一个的至少一些的范围内干涉地描绘测试表面形貌的轮廓；以及基于有关多个区域的反射率的信息校正轮廓以减少误差。

应当理解任何上述特征可单独地或结合地包括在上述方法、装置和系统的不同实施例中。

干涉测量系统的光瞳面被了解为干涉仪的出射光瞳(exit pupil)的面，也被称为“后焦面”或是“傅立叶面”。

如这里所使用的，“光”不限于在可见频谱区域中的电磁辐射，还一般地指紫外光、可见光、近红外光、以及远红外光等的任一频谱区域。

除非另外定义，在这里使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域的一个普通技术人员所通常理解的相同意义。在与任何通过引用而结合的文件冲突的情况下，以本公开为准。

本发明的其它特征、目的、以及优点通过以下详细说明将更加清楚。

附图说明

图1是被配置为以椭圆模式操作的干涉测量系统100的示意图。

图2是示出当在干涉测量系统100中的测试和参考光之间的光程差(“OPD”)变化时、由检测器组件测量的干涉信号的示例的图形，其中，OPD由相机帧数表示。

图3是被重新配置为以轮廓描绘模式(profiling mode)操作的干涉测量系统100的示意图。

图4示出了对于在硅基板上具有1微米厚的二氧化硅的测试物体、由检测器组件收集的数据的绘图(plots)。左边绘图示出了在OPD扫瞄期间作为帧数的函数由检测器组件测量的干涉信号。右边绘图示出了相对于波数的干涉信号的傅立叶变换，其中频谱振幅(spectral magnitude)由实线示出而频谱相位由虚线示出。

图5示出了照明光源的频谱分布以及分析近似(analytical approximation)的绘图。

图6a示出了在空间频域中测量的干涉信号和模型干涉信号的频谱振幅的比较。

图6b示出了在空间频域中测量的干涉信号和模型干涉信号的频谱相位的比较。

图6c示出了作为扫瞄位置的函数、测量的干涉信号和模型干涉信号的信号强度的比较。

图7示出了监测干涉测量系统的特性的流程图。

图8示出了比较两个干涉测量系统的特性的流程图。

图9a示出了测试物体的俯视图。

图9b示出了测试物体的一部分的截面图。

图10a示出了包括未能解析的(underresolved)表面特征(feature)的物体。

图10b示出了包括未能解析的表面特征的物体的计算的轮廓。

图10c示出了对于包括未能解析的表面特征的物体、作为表面轮廓高度的函数的预测的高度偏移的绘图。

图11示出了基于模型的测量技术的流程图。

图12示出了另一个基于模型的测量技术的流程图。

图13示出了另一个基于模型的测量技术的流程图。

图14是干涉测量系统100的另一个实施例的示意图。

图15是干涉测量系统100的另一个实施例的示意图。

图16是干涉测量系统100的再一个实施例的示意图。

图17是被配置为以椭圆模式、特征(featuring)宽带、空间相干照明而操作的干涉测量系统100的示意图。

不同附图中相同的参考标号表示共同的组件。

具体实施方式

这里公开的实施例包括干涉测量系统和技术，用于对于测试表面的选择的区域、就干涉仪探测光束的全部三个光学特征(即，波长、入射角、和偏振态)在宽大范围内快速地收集物体的大量的反射率数据点。这个数据典型地通过成像干涉仪的光瞳面而获得，如下面说明。

再者，系统可从上述操作的椭圆模式切换到轮廓描绘模式(profilingmode)，以提供有关测试表面的横向解析的(laterally resolved)信息。另外，在椭圆模式中确定的信息可被用于改善在轮廓描绘模式中获得的信息的准确性。例如，椭圆模式可提供有关具有测试表面的测试物体的材料特性的信息，以创建不同光学界面的更准确的形貌图(topography map)，例如，对上表面(空气界面)特别感兴趣。这种多模式操作在以下文件中进行了更详细的说明，2006年1月19日申请的美国专利申请序号11/335,873，名称为“INTERFEROMETER FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF ANOBJECT SURFACE”，2006年1月19日申请的美国专利申请序号11/335,871，名称为“INTERFEROMETER WITH MULTIPLE MODES OF OPERATIONFOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECT SURFACE”，在2006年1月19日申请的美国专利申请序号11/334,949，名称为“INTERFEROMETER FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF ANOBJECT SURFACE，INCLUDING PROCES SING AND CALIBRATION”，在2005年1月20日申请的美国临时专利申请序号60/645,448，名称为“INTERFEROMETER FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF ANOBJECT SURFACE”，这些文件的每一个通过引用结合于此。

再者，技术被公开以通过在光瞳成像模式中执行已知表面的干涉测量而完全地将干涉仪及其光源的光学特性特征化。例如，如下面说明，可以确定以下中的一个或多个：

-光源的正规化的(normalized)频谱分布，包括其穿过干涉仪光瞳的变化。

-穿过干涉仪光瞳的光源平均强度或频谱强度的变化。

-作为在物体表面的波长和入射角的函数，当传播通过整个光学系统(从光源到检测器)时，与平行于入射面的偏振状态(P偏振)相比较、垂直于入射面的偏振状态(S偏振)的衰减量。

-作为波长、入射角和偏振状态的函数的干涉相位的系统偏移(这样的效果可以例如由在干涉仪腔的测试和参考臂上的材料厚度差、分光器涂层(coating)的特性、由于分光板不平坦造成的波前失真等而产生)。

-在物体表面由光学组件产生的照明入射角的范围(可能作为波长的函数)。

-光学系统的波前像差及其随着波长的变化(例如通过将波前斜率的测量分布和由阿贝(abbé)正弦条件预期的分布)。

在一些实施例中，这些特性提供组合干涉测量系统的诊断信息。它们也提供数量信息，其可被用于产生具有相似特征的仪器的套件(matched set)，从而允许在多个干涉仪之间的一致的测量。这有利于例如涉及多个仪器的生产线测试。

在一些实施例中，这些特性被用作不同模型的测量程序的关键输入。模型产生合成干涉信号，其可被用于例如在表面特征的背景中的基于数据库的(library-based)信号匹配(参见例如在2004年3月8日申请的美国专利第7,106,454号，名称为“PROFILING COMPLEX SURFACE STRUCTURESUSING SCANNING INTERFEROMETRY”，其内容通过引用结合于此)。合成信号也可以以与实验的信号相同的方式被分析以确定由表面光学特性产生的高度偏移。例子公开在下面的段落中。

例示装置

图1是干涉测量系统100的示意图。空间延展(spatially extended)光源102经由中继光学组件(relay optics)108和110以及分光器112将输入光104指向干涉物镜106。中继光学组件108和110将输入光104从空间延展光源102成像到干涉物镜106的孔径光阑115和对应的光瞳面114(如虚线的边缘光线116和实线的主光线117所示)。

在图1的实施例中，干涉物镜106为Mirau型，包括物镜118、分光器120、以及参考表面122。分光器120将输入光104分为测试光122和参考光128，其中测试光122指向测试物体126的测试表面124，参考光128从参考表面122反射。物镜118分别将测试和参考光聚焦待测试和参考表面。支撑参考表面122的参考光学组件130被涂层，以便只反射聚焦的参考光，从而输入光的大多数在被分光器120分光之前穿过了参考光学组件。

在从测试和参考表面反射之后，测试和参考光被分光器120重新结合以形成结合光132，其由分光器112和中继透镜136传输以便在电子检测器134(例如，多组件CCD或CMOS检测器)上形成光学干涉图案。穿过检测器的光学干涉图案的强度轮廓由检测器的不同组件测量，并且存储在电子处理器中(未显示)用于分析。与测试表面成像在检测器上的传统轮廓描绘干涉仪不同，在本实施例中，中继透镜136(例如，Bertrand透镜)将在光瞳面114上的不同点成像到在检测器134上的对应点(再次，如虚线的边缘光线116和实线的主光线117所示)。

因为照明光瞳面114的每个光源点建立照明测试表面124的测试光122的平面波前，在光瞳面114中的光源点的半径位置定义这个照明束(bundle)相对于物体法线的入射角。因此，位于距光轴给定距离的全部光源点对应于固定的入射角，物镜118由此将测试光122聚焦在测试表面124。位于中继光学组件108和110之间的视场光阑138定义由测试光122照明的测试表面124的区域。在从测试和参考表面反射之后，结合光132在物镜的光瞳面114形成光源的二次图像(secondary image)。因为在光瞳面上的结合光接着被中继透镜136再次成像(re-image)在检测器134上，检测器134的不同组件对应于在测试表面124上的测试光122的不同的照明角度。

偏振组件140、142、144、以及146定义指向各自的测试和参考表面的测试和参考光的偏振态，以及指向检测器的结合光的偏振态。取决于实施例，每个偏振组件可能是偏光器(例如，线性偏光器)、延迟板(retardation plate)(例如，半波板或四分之一波板)、或影响入射光束的偏振态的类似的光学组件。而且，在一些实施例中，一个或多个偏振组件可以没有。另外，取决于实施例，分光器112可以是偏振分光器或非偏振分光器。这些偏振组件的各种实施例的细节在以下进一步说明。通常，因为偏振组件140、142和/或146的存在，在测试表面124的测试光122的偏振的状态可以是在光瞳面114中的光线的方位角位置的函数。

在现在描述的实施例中，光源102在宽频带的波长上提供照明(例如，具有超过50nm的半高全宽(full-width，half-maximum)的发射频谱，或者最好甚至是超过100nm)。例如，光源102可以是白色发光二极管(LED)、卤素灯泡的灯丝、电弧灯，诸如氙弧灯或所谓的超连续光源，其使用光学材料中的非线性效应以产生非常宽的光源频谱(＞200nm)。波长的宽带对应于有限的相干长度。如同在传统的扫瞄干涉仪中，移动平台(translation stage)150调整在测试和参考光之间的相对光程长度，以便在每个检测器组件产生光学干涉信号。例如，在图1的实施例中，移动平台150是压电换能器，其耦接到干涉物镜106以调整在测试表面和干涉物镜之间的距离，并由此改变在检测器的测试和参考光之间的相对光程长度。

图2示出了在移动平台改变在测试和参考光之间的相对光程长度时、由检测器组件之一测量的示例的干涉信号。干涉信号由对应于光源的相干长度的对比包络来调制。参考表面位于干涉仪中，因此在测试和参考光之间的零光程长度差对应于相对于物镜118对准焦点的测试表面的位置。因此，最大对比度通常在测试表面在这个相对于干涉物镜的对准焦点的位置时被观察到。测量在比相干长度更大的范围内通过扫描移动平台来执行，使得在检测器测量的强度图案序列(sequence)中捕获对比包络。

在每个检测器组件测量的干涉信号由电子处理器分析，其被电子地耦接到检测器134和移动平台150两者。在现在描述的实施例中，例如，使用傅立叶变换，电子处理器把干涉信号转换成到频域，以便对于光源的不同波长成分提取相位和振幅信息。最好，光源频谱是宽的，以使得许多独立的频谱成分可以用这个程序来计算。如同将在下面更详细地说明，振幅和相位数据直接与测试表面的复杂的反射率相关，其可被分析以确定有关测试物体的信息。通常，电子处理器使用来自个别校准的信息，以校正对于参考反射镜(reference mirror)的反射率和干涉仪的其它光学特性的测量。因为干涉测量系统100的排列，对于特定的入射角和偏振态(根据偏振组件140、142、144和/或146的定向)，电子检测器134的每个检测器组件在由光源102产生的多样的波长提供反射率测量。检测器组件的收集因此覆盖了一定范围的入射角、偏振态和波长，其最大化了仪器的能力，以适当地特征化未知的光学结构。

许多校准程序可被用于从测量的干涉信号中得到测试表面的复杂的反射率。例如，校准测量可用已知的块材(bulk material)(不透明或者透明)做成的镜子(mirror)作为测试物体来进行，并且频谱滤波器可被用来将选择的波长与光源相隔离。在检测器上测量的干涉信号接着可被处理以确定对应于每个检测器组件的入射角和用于数据获得的扫瞄平台的速度。后面的信息对于适当地把干涉信号频谱成分和其各自的波长进行匹配是有用的。使用已知光学特性的物体的额外的测量也可用于在逐个像素的基础上得到干涉仪和成像系统的特性。例如，校准可以包括对于每个波长以及在每个检测器位置计算系统的传输的步骤。类似地，如果需要，可以对于每个检测器组件以及对于每个波长测量诸如在偏振的正交状态之间引入的相位偏移的偏振效应。校准的某些实施例的具体细节进一步在下面说明。

将干涉测量系统100从用于确定测试表面的复杂的反射率的椭圆模式切换到用于确定例如测试表面形貌的轮廓描绘模式，这足以改变成像系统的特性，使得该部分的图像聚焦在检测器上，而不是光源的图像。如图3所示，这可由例如以另一个透镜236取代中继透镜136、并将检测器位置保持固定来实现。在这种情况下，来自光源102的输入光继续被成像到光瞳面114，但是，在124上的点被成像到在检测器134上的对应点(如来自光源102的边缘光线216和主光线217所指示的)。如在2006年1月19日申请的美国专利申请序号11/335,871，名称为“INTERFEROMETER WITH MULTIPLE MODESOF OPERATION FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF AN OBJECTSURFACE”中所描述的，透镜的替换可机械地完成，允许在操作模式之间快速且有效地切换。

例如，图1a示出在干涉测量系统100中的不同组件如何可在电子处理器970的控制下被自动化的示意图，在现在描述的实施例中，其可包括用于进行数学分析的分析处理器972、用于控制在干涉测量系统中不同组件的装置控制器974、用户接口976(例如，键盘和显示器)、以及用于存储校准信息、数据文件、采样模型、和/或自动化协议的存储介质978。

首先，系统可包括机动化转座(motorized turret)910，其支撑多个物镜912，并且被配置为将选择的物镜引入到输入光104的路径中。一个或多个物镜可以是干涉物镜，用不同的干涉物镜提供不同的放大率。而且，在某些实施例中，一个(或多个)干涉物镜可通过将偏振组件146(例如，线性偏光器)依附于其上而被特别地配置用于椭圆模式的操作。剩下的干涉物镜可被使用于轮廓描绘模式中，并且，在某些实施例中，可以省略偏振组件146，以便增加光效率(诸如上述的实施例，其中，分光器112是偏振分光器，而偏振组件142是四分之一波板)。而且，一个或多个物镜可以是非干涉物镜(即，没有参考臂)，每个都具有不同的放大率，因此系统100也可在传统的显微镜模式中操作，用于收集测试表面的光学图像(无论在哪种情况，中继透镜被设定以将测试表面成像到检测器)。转座910在电子处理器970的控制下，其根据用户输入或某个自动化协议选择想要的物镜。

其次，系统包括机动化平台920(例如，筒镜支架)，用于支撑中继透镜136和236，并且选择性地将其中之一放置在结合光132的路径中，用于在光瞳面114成像到检测器的第一模式(例如，椭圆或反射模式)和测试表面成像到检测器的第二模式(例如，轮廓描绘或显微镜模式)之间进行选择。机动化平台920在电子处理器970的控制之下，其根据用户输入或某个自动化协议选择想要的中继透镜。在其它的实施例中，其中，移动平台被移动以调整检测器的位置，以在第一和第二模式之间进行切换，所述移动在电子处理器的控制之下。而且，在那些具有两个检测通道的实施例中，每个检测器被耦接到电子处理器970用于分析。

而且，系统可包括在电子处理器970的控制下的机动化孔径930和932，以分别控制视场光阑138及孔径光阑115的尺寸(dimension)。再者，机动化孔径在电子处理器970的控制之下，其根据用户输入或某个自动化协议选择想要的设定。

此外，移动平台150在电子处理器970的控制之下，其被用于改变在干涉仪的测试和参考臂之间的相对光程长度。如上所述，移动平台可被耦接以调整干涉物镜相对于用于支撑测试物镜126的底座940的位置。或者，在另外的实施例中，移动平台可调整干涉测量系统整体地相对于底座的位置，或者移动平台可耦接到底座，因此是移动底座而改变光程长度差。

而且，横向移动平台950，也在电子处理器970的控制之下，可耦接到支撑测试物体的底座940以横向地移动进行光学检验的测试表面的区域。在某些实施例中，移动平台950也可定向(orient)底座940(例如，提供倾斜)，以便对准与干涉物镜的光轴垂直(normal to)的测试表面。

最后，物体搬运站960，也在电子处理器970的控制之下，可耦接到底座940以便将测试采样自动化引入和移除提供到用于测量的系统100中。例如，在本领域中熟知的自动化晶圆搬运系统可用于这个目的。而且，如有必要，系统100和物体搬运系统可安放在真空或净化室的环境中，以最小化测试物体的污染。

导致的系统为提供各种各样的测量形态和程序提供很大的灵活性。例如，系统首先可在具有一个或多个选择的放大率的显微镜模式中配置，以得到对于物体的不同的横向位置的测试物体的光学图像。这样的图像可被用户或电子处理器970(使用机器视觉技术)分析，以识别物体中的某些区域(例如，特定的结构或形貌、地标、框标、缺陷等)。基于这样的识别，采样的所选择的区域可在椭圆模式中被研究以确定采样特性(例如，折射率、下面的薄膜厚度、材料识别等)。

因此，电子处理器使平台920将中继透镜切换为用于椭圆模式的透镜，并且进一步使转座910将适合的干涉物镜引入到输入光的路径中。为了改善椭圆测量的准确性，电子处理器可经由机动化孔径930减小视场光阑的大小，以隔离物体的很小的横向均质区域。在椭圆特征化完成之后，电子处理器970可将仪器切换到轮廓描绘模式，选择具有合适放大率的干涉物镜，并据以调整视场光阑的大小。如上所述，轮廓描绘模式捕获干涉信号，其允许重建例如构成物体的一个或多个界面的形貌。请注意，如下面详细说明的，在椭圆模式中确定的不同材料的光学特征的知识，考虑到校正所计算的薄膜的形貌或是不同的材料效应，其会以其它方式使轮廓变形。参见例如美国专利申请序号10/795,579，名称为“PROFILING COMPLEX SURFACE STRUCTURESUSING SCANNING INTERFEROMETRY”，并公布为美国专利公开第US-2004-0189999A1号，其通过引用结合于此。如果需要，电子处理器也可经由机动化孔径932调整视场光阑直径，以改善在各种各样的模式的任何一个中的测量。

当与自动化的物体搬运系统960一起使用时，测量程序可对于一系列采样被自动地重复。这对于不同的过程控制架构是有用的，诸如监控、测试、和/或优化一个或多个半导体处理步骤。

测量模型

为了示范由干涉测量系统100获得的干涉信号的分析，我们考虑一个实施例，其中，偏振组件140和144是线性偏光器，偏振组件142和146则没有，而分光器112是非偏振分光器。线性偏光器140的作用在于在光瞳面114的每一点创造相同的线性偏振态。因此，入射在测试表面124上的光的偏振是线性的，但其相对于入射面的定向是在光瞳面的光源点的方位角位置的函数。例如，属于平行于光瞳面中的线性偏振的方向的光瞳直径的光源点将产生照明光，其在测试表面的入射面内被线性偏振(这被称为P偏振态)。类似地，属于垂直于光瞳面中的线性偏振的方向的直径的光源点将产生照明光，其垂直于入射面被线性偏振(这被称为S偏振态)。不属于这两个直径的光源点将在具有S和P偏振态的混合(mix)的测试表面上产生照明光。因为测试表面的反射率系数对于S和P偏振光是不同，这是相关的。

两个线性偏光器可以具有许多相对的定向，其将规定(dictate)检测器检测到的干涉信号的内容。例如，如果偏光器是平行的，则测量的干涉信号对于光瞳面的一个直径将仅取决于入射到测试表面上的S偏振的测试光，而对于光瞳面的正交直径(类似地，对于入射到参考表面的参考光)将仅取决于入射在测试表面上的P偏振的测试光。因为在S和P反射率的振幅和相位之间的差异是椭圆测量法的基础，这是吸引人的。因此，若需要，简化的数据的处理可被限制于这两个直径。另一方面，使用在整个光瞳面上的数据需要考虑到两个偏振态的混合，但是提供更多的数据点，因此增加了测量的分辨率。

下列的分析适用于具有彼此平行对准的二线性偏光器的排列。这样的话，通过第二线性偏光器(偏振组件144)被传送到检测器134的测试光的数量可被表示为：

$E_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}(\cos {\left(\mathrm{\θ}\right)}^2\mathrm{rp}\·\mathrm{tp}-\sin {\left(\mathrm{\θ}\right)}^2\mathrm{rs}\·\mathrm{ts})E_{\mathrm{in}}---\left(1\right)$

其中，θ是相对于偏光器的方向被测量的方位角度，rp和rs是对于P和S偏振态的物体表面的复杂反射系数(也就是“Fresnel反射系数”)，tp和ts是对于通过干涉物镜106和主要分光器112的往返行程(round trip)的P和S偏振态的透射系数，而E_out是电场的复杂的振幅。这个模型假定光学组件没有双折射，并且离开物体表面的反射也没有会混合S和P偏振态的机制。例如，具有沿着局部表面法线的轴的单轴材料可在此背景中被特征化，但是，具有面内(in-plane)双折射的材料需要不同的模型。

实践中，相同的模型要求沿着干涉仪的参考臂传播的参考光，但是，反射和透射系数是先验的不同的：

$E_{\mathrm{out}}^r=\frac{1}{2}\left(\cos (\mathrm{\θ}{)}^2{\mathrm{rp}}^r\·{\mathrm{tp}}^r-\sin {\left(\mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{rs}}^r\·{\mathrm{ts}}^r\right)E_{\mathrm{in}}---\left(2\right)$

对于给定的光源波长λ和在光瞳面的给定的光源点在检测器测量的干涉图案由与乘积E_outE^r _out成比例的调制项构成：

其中，k＝2π/λ，λ是光的波长，z是相对于在测试和参考光之间的零光程长度差的机械扫瞄期间测试表面的垂直位置，α是在测试表面的光的入射角(其取决于在光瞳的光源点位置)，而

是在测试和参考电场之间的相位差。实践中，在给定的检测器位置测量的信号是由存在于光源频谱的各种不同波长产生的所有这样的信号的总数。结果，信号的傅立叶变换允许将这些贡献分割成对应于非常狭窄的波长范围复杂的频谱成分。请注意，为了将计算的频谱成分指定到特定的光源波长，应考虑到校正系数cos(α)，其移动这些频谱成分的位置。这个校正系数包含知道在检测器的每个像素的光的入射角。光学系统的校准可用于这个任务并在下面进一步讨论。

图4(上图)示出了当测量在硅上的1003-nm厚的二氧化硅薄膜时由检测器134的给定的检测器组件(对应于在光瞳面中的给定的位置)测量的代表性干涉信号。图4(下图)示出了对干涉信号进行傅立叶变换以产生作为波长(或是对应的波数k)的函数的频谱振幅和相位的结果。在频谱的强度和相位中的变化是作为波长(或波数)的函数的Fresnel反射系数的变化的结果。

在某些实施例中，频率转换处理被应用于在检测器上的光瞳面的图像内感兴趣的区域。例如，感兴趣的区域可能是环状(annulus)，其限定了在测试表面入射角的给定范围。在这个环形内的像素(即，检测器组件之一)的方位角位置限定了S和P偏振的混合，其照明测试表面，而像素到光轴径向距离限定了入射角。而且，在感兴趣的区域内的多重圆圈上如上所述提取(可能使用内插)频谱成分是有用的。在一个这样的圆圈上计算的这些成分可写成下列形式：

$\mathrm{with}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\α\λ}}=\frac{{\mathrm{rp}}_{\mathrm{\α\λ}}}{{\mathrm{rs}}_{\mathrm{\α\λ}}}\mathrm{and}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α\λ}}=\frac{{\mathrm{ts}}_{\mathrm{\α\λ}}}{{\mathrm{tp}}_{\mathrm{\α\λ}}}---\left(4\right)$

其中，下标指示函数相关性(functional dependence)，α是对应于在光瞳面的圆圈的半径的入射角，λ是光的波长，θ是相对于线性偏光器测量的方位角度，h是物体表面的高度偏移，L是与光源强度或信号强度有关的实数比例因数，而I是代表穿过光源的光强度的变化以及在光学组件中发生的相位和振幅变化的复合函数。

干涉测量系统特征化

在某些实施例中，系统校准的第一步骤包括基于在光瞳面中光源点的位置计算在测试表面的光束(beam bundle)的入射角。换句话说，我们想要将入射角α指定给对应于光瞳面的图像的检测器中的每个像素。这可以例如通过以窄带滤光器(filter)执行测量，使得由检测器检测的光基本上是单色的并具有已知波长而完成。在这种情况下，等式(3)示出了干涉信号的频率通过关系k cosα与光源波长和入射角成比例。信号频率可通过信号的傅立叶变换来计算，而入射角能从对移动平台的扫瞄速度和光源波长的了解而得到。

而且，移动平台的扫瞄速度最初未知，其可通过检测器上定位像素来确定，该像素的干涉信号具有最大频率。根据频率对关系k cosα的相关性，这个像素对应于垂直入射(即，α＝0)，因此平台速度可从测量的频率和对光源波长的了解而被直接提取。

请注意在显微物镜将在物体空间中的角度映像到光瞳位置的先验信息也可被用来改善这个校准的质量。例如，典型的物镜被校正慧差(coma)(几何象差)，其意味着在光瞳映射的光线表面上应该服从所谓“阿贝正弦条件”。这个条件意味着光源点与在光瞳的光轴的径向距离直接地与在物体空间中的入射角的正弦成比例。从而可计算每个像素的入射角，然后拟合(fit)从正弦条件得出的全域函数以提供分析函数，将光瞳位置映像到入射角。

来自穿过光瞳的理想角分布的入射角图(map)的偏差提供关于波前象差(aberration)的信息。这可用于例如将对某些类型的干涉仪的球型象差的内部补偿最佳化。在不同波长重复的测量根据光源频谱分布提供了进一步的信息和平衡象差的方法。

另外请注意入射角图也直接测量在光学系统中存在的不同的物理光阑所允许的照明方向的有用范围。这可能不同于给定的光学系统所期望的表面上的数值孔径。角度的实际范围对于测量系统的准确建模是关键的。

在某些实施例中，在上面略述的程序可对于不同的表面上的光源波长而被重复，从而考虑到角映射的色彩变化。拟合程序的副产品是在光瞳的光轴的像素位置。该信息也记录为波长的函数，并可在以后用于校正入射角的计算。

对某些实施例来说，校准包含计算不同系统参数的值，其使得在等式(4)中表达的可见Z与椭圆比率相关联。

例如，这可由测量具有已知光学特性的两个采样而完成，例如，通常与椭圆仪一起使用的校准晶圆。对于感兴趣的每个入射角和波长，电子处理器对于全部两个采样确定如等式(4)中的作为方位角度θ的函数的频谱成分Z。这些成分的比率接着被计算，而产生作为θ的函数的复合比率(complex ratio)z。

or               (5)

$z_{\mathrm{\α\λ\θ}}={\mathrm{zs}}_{\mathrm{\α\λ}}\frac{\cos {\left(\mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\α\λ}}^a-\sin {\left(\mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α\λ}}}{\cos {\left(\mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\α\λ}}^b-{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α\λ}}}$

其中，zs_αλ和τ_αλ是未知的复数(complex numbers)，而上标a或b标识一个或另一个校准采样。ρ_αλ ^a及ρ_αλ ^b使用两种材料的反射系数的比率计算。这些系数自身使用校准采样的已知的材料特性和已知的薄膜厚度(如果有的话)而计算。然后，电子处理器可使用求解器(solver)，例如基于Levenberg-Marquardt算法的最小平方法求解器，以找出两个未知参数的值，其使得在等式(5)两侧计算的数量之间的差最小化。对于其它入射角和波长重复该过程。在不同的实施例中，两个采样的测量可能同时或连续发生。请注意在一些实施例中，校准表面可包括在单一物体，其可进一步包括其它表面。

校准表面最好是光滑的，在干涉仪的测量点的大小内，其光学特性具有有限的横向变化。光学特性(例如，材料层的材料特性和厚度)应该已知具有很低的不确定性。另外，两个表面应该被选择，使得它们的复合反射率系数在感兴趣的波长和入射角的范围上不同。例示的表面包括介电薄膜(例如已证实的硅基板上的二氧化硅采样)、基板上不透明金属层、金属或介电材料的固体表面等。选择合适的校准表面的重要因素包括了解采样光学特性、这些特性作为时间的函数的稳定性、以及对空气的暴露等。

在某些实施例中，计算的另一步骤包含如通过检测器看见的、相对于光瞳的坐标系统建立偏光器精确的角定向。这可通过例如观察等式(5)随着周期π在θ方面是周期的而被完成。由此可知比率z的傅立叶变换的偶数成分的相位是偏光器的角偏移的直接测量。因此，该计算可以在确定zs_αλ和τ_αλ之前执行。

在另外的步骤中，图zs_αλ和τ_αλ被过滤和/或拟合到分析函数。然后，其可重新处理对每个采样获得的频谱成分并得出另一个校准参数，函数J：

or                 (6)

实践中，在等式(6)中示出的J的两个表达式可以被平均。作为入射角、波长和方位角的函数、J的计算值然后与函数τ_αλ的定义一起被电子处理器存储在校准文档中。

请注意为了在计算过程中受益于冗余，在上面略述的程序可扩展到两个以上的采样。

校准参数J(α，λ，θ)以及因素τ(α，λ)提供大量的信息，其可与上述技术一起被用于特征化干涉测量系统的特性。相较于作为在物体的波长和入射角的函数的P偏振光，因素τ(α，λ)提供S偏振光的衰减的测量。如下所述，校准参数J(α，λ，θ)提供许多其它有用的信息。

例如，J(α，λ，θ)的振幅测量光源的频谱分布和其在光瞳上的变化。而且，J(α，λ，θ)的相位提供有关系统波长和入射角相关的相位偏移的信息，其由在干涉仪内的测试和参考路径的光学特性中的差异而产生。以下，我们将说明校准参数J(α，λ，θ)以及去偏振因素τ(α，λ)的知识如何可被分析以特征化干涉仪的特性。有关这些特性的信息可被用于例如在干涉测量系统的组合期间的质量管理，和/或当在椭圆和轮廓描绘模式中对干涉仪的信号进行建模时，提供有用的输入。请注意，在各种不同的实施例中，将分析的近似值拟合到一个或多个上述参数通常是有用的，因此允许在下面说明的计算中的分析操作。

对于特定的光学结构，可分离更进一步简化建模过程的一些参数相关性。这在例如由检测器测量的波长分布相同而与在光瞳的位置无关时发生。这意味着在光瞳的光强度分布与波长无关。光源频谱接着被计算为：

V(λ)＝∫∫|J(α，λ，θ)|dαdθ(7)

例如，图5示出了以这种方式(“+”标志)测量的例示频谱50。还示出了定义为拟合到实验数据的三个高斯函数的总和的分析近似51。

在光瞳的强度是由在特定波长λ_u的J计算的：

D_L(α，θ)＝|J(α，λ_u，θ)|cosα.(8)

余弦项说明如上所述的傅立叶变换的频谱尺度。该分布可通过例如使用最小平方程序把实验数据拟合到模型函数而被分析函数逼近(approximated)。模型函数是例如标准多项式或泽尔尼克(Zernike)多项式的总和。

在光瞳的相位分布是通过对每个波长和入射角收集函数J的自变量而被计算：

$A(\mathrm{\α},\mathrm{\λ})=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\arg \left(J(\mathrm{\α},\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})\right)\mathrm{d\θ}---\left(9\right)$

一个这样的数据序列(固定的α和λ)限定了数据的“环”。该计算可能需要对于α和λ的固定值展开作为的函数的J的相位的额外步骤。该处理步骤的理由在于，在一些实施例中，相位通常仅能以2π为模(modulo)来计算。结果，可在连续的相位值之间，其已知为连续相位分布的采样，获得尖锐的2π相位跳动。在这种情况下，相位展开程序移除潜在的2π相位跳动。例如，若Ω_i(i∈[1，N])代表相位值序列，相位展开(unwrapping)可通过顺序地应用下列公式来完成

${\mathrm{\Ω}}_{i+1}={\mathrm{\Ω}}_{i+1}-2\mathrm{\πround}\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_{i+1}-{\mathrm{\Ω}}_i}{2\mathrm{\π}}\right)---\left(10\right)$

其中，round()函数使实数舍入为最接近的整数。

在某些情况下，维持大于如等式(9)所示的自变量的平均值是有用的。这可以例如通过收集不同的、先前得到的数据的环的最初一些(first few)傅立叶系数来完成。然后，可使用分析的拟合函数来描述作为α和λ的函数的傅立叶系数的变化。在这种情况下，描述相位的函数取决于3个变量：

。请注意在任何情况下：

$A(\mathrm{\α},\mathrm{\λ})=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\tilde{A}(\mathrm{\α},\mathrm{\λ},\mathrm{\θ})\mathrm{d\θ}---\left(11\right)$

当线性偏光器位于物镜光瞳时或当定义平行偏振态的偏光器位于全部光学系统的照明和成像区段(section)时，稍早说明的光学系统特征化提供了因数τ(α,λ)。在物镜与未偏振或圆形偏振光一起使用的情况下，首先执行线性偏振系统特征化是必要的。其次，以未偏振或圆形偏振光测量单一参考物体足以提供第二校准参数J_c(α，λ，θ)，其可如稍早说明的一样处理。

在一些光学结构中，光瞳强度分布采取简化的形式，其中，方位角相关性被降低：

$D_c\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\left|J_c(\mathrm{\α},{\mathrm{\λ}}_u,\mathrm{\θ})\right|\mathrm{d\θ}---\left(12\right)$

但是，请注意相位J_c(α，λ，θ)的相位的方位角相关性可能必须在某些情况下被保留，例如，建模为函数

质量管理

将了解上述的技术提供了关于许多干涉测量系统特征的定量信息。例如，参数J(α，λ，θ)的分析可提供关于光瞳照明均匀性的信息、在检测器测量的光源频谱、穿过光瞳的光源频谱变化、在物体空间中不同波长的波前质量、由于存在于干涉仪腔中的分光器造成的波前失真、干涉物镜的色差、以及在测试和参考臂上遇到的透明材料厚度的不平衡(J(α，λ，θ)的自变量由很大变化的来源)。另外，以上说明的技术可用于例如确定物镜的有效的数值孔径、扫瞄平台的速度、相较于切线偏振态的径向偏振态的光学涂层和光学组件材料导致的衰减。而且，物镜的双折射特性可通过以改变照明和成像偏振态(例如在照明和成像臂上的两个可调整的线性偏光器)执行多次测量来确定。

特别是，所有上述的特性都仅基于光瞳面测量来确定，而不需要对干涉仪的个别组件的直接分析。例如，照明光源频谱可从干涉数据中直接确定，而不直接检查光源。因此，干涉仪可被迅速和有效地被特征化。

例如，参见图7，在一个实施例中，上述技术被用于在生产过程中监控干涉测量系统的质量。在例如使用上述方法的步骤701中，干涉测量系统在椭圆(例如光瞳面)模式中操作以得到适于提供校准信息的扫瞄干涉数据。在步骤702中，数据被分析以确定干涉测量系统的一个或多个特性(例如，照明光源频谱、在干涉物镜的光瞳面的强度变化等)。在步骤703中，所确定的特性被与制造商的规格进行比较。如果特性在所指定的范围内，则方法移动到步骤704，认可该系统(例如最终销售、或转移到另一个生产平台)。如果特性不在被指定的范围内，则方法改为移动到步骤705，这里，干涉测量系统被调整(例如一个或多个组件被替换或修改)。在一些实施例中，调整的方式可以基于(至少部分地)有关在步骤702中确定的系统特性的信息。然后，方法返回步骤701，并且在需要时重复。

类似地，在图8中所示的实施例中，两个干涉测量系统是“匹配的”，以具有相同的特性。这允许穿过多个干涉测量系统的均匀的(uniform)测量。在使用例如上述方法的步骤801和802中，第一和第二干涉测量系统在椭圆(例如光瞳面)模式中操作，以得到适于提供校准信息的扫瞄干涉数据。在步骤803和804中，来自各个干涉测量系统的数据被分析以确定各系统的一个或多个特性。在步骤805中，所确定的特性被比较，以确定它们是否在指定的范围内匹配。若是的话，方法移动到步骤806，认可系统为良好匹配。若否的话，方法移动到步骤807，并且第二干涉测量系统被修改以尝试使其特性处于范围内。所述修改可包括例如替换、修改、或移动一个或多个光学组件、照明光源或干涉测量系统的任何其它组件。在修改之后，方法返回步骤802，并且步骤802、804、805、和807被重复，直到系统被良好匹配。请注意在一些实施例中，全部两个系统可被修改以达成匹配。

在上述技术中使用的干涉仪调整的例子包括：

-替换分光器组件以使得在测试和参考臂中的光学路径相等

-替换或调整补偿器光学组件以使色差最小化

-调整在照明、成像或干涉仪光学组件中的光学组件的位置以使得波前像差最小化

-调整分光器或参考反射镜倾斜(tip and tilt)

-交换光学组件和/或附属配件以达到上面列举的任何目标。在一些实施例中，干涉测量系统适于包括测试站，用于特征化仪器的附属元件。例如，如图1所示，系统100可被修改以允许干涉物镜106或光源102被交换出去，并由类似的附属系统取代。这允许系统被用于特征化将用在显微镜系统上的物镜和/或光源。

信号建模

如下面更详细的讨论，通常希望对将对于模型测量物体由干涉测量系统测量的干涉信号进行建模。这样的模型信号的准确性通常取决于模型将干涉测量系统的特性合并(incorporates)得有多好。在下面，我们说明如何使用在上面得到的系统特征化函数来产生准确的模型。

我们首先说明一般在轮廓描绘模式中得到的扫瞄干涉信号的物理模型。

物体表面具有高度特征h，即我们希望在由横向坐标x，y所指示的区域上描绘轮廓。平台提供对干涉物镜或如图所示物体本身的平滑的、连续的扫瞄ζ。在扫瞄期间，计算机对于在连续的相机帧中每个图像点或相机像素记录强度数据I_ζ，h。请注意在扫瞄位置和表面高度上的强度I_ζ，h的关键相关性由下标指示-我们将从头到尾使用的记号。

考虑到光源的部分相干、干涉仪中的偏振混合、高NA物镜的成像特性、以及在高入射角和出现不连续表面特征时电场向量的交互作用，光学组件的适当物理模型可以非常精巧。为了方便起见，我们通过假定完全随机、线性或圆形偏振和扩散、低相干延展光源来简化模型。将建模干涉信号简化以将穿过物镜的光瞳面和以入射角从物体表面反射的所有射线束的贡献加起来。

通过光学系统的单一光线束的干涉贡献正比于

$g_{\mathrm{\β},k,\mathrm{\ζ},h}=R_{\mathrm{\β},k}+X_{\mathrm{\β},k}+2\sqrt{R_{\mathrm{\β},k}{Z}_{\mathrm{\β},k}}\cos [2{\mathrm{\βkn}}_0(h-\mathrm{\ζ})+({\mathrm{\υ}}_{\mathrm{\β},k}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\β},k})]---\left(12\right)$

其中，X_β，k是有效物体强度反射率，包括例如分光器的效应，而R_β，k是有效参考反射率，包括分光器和参考反射镜。请注意这个计算是对于特定的线性偏振态而执行的。来自多个偏振的贡献以相同的公式计算并被简单地相加。周围介质的折射率为n₀，入射角α的方向余弦为

β＝cos(α)(13)

而光源照明的波数为

k＝(2π/λ)(14)

相位的符号法则引起表面高度的增加以对应于相位的正变化。相位项具有对干涉仪中的物体路径的贡献ω_β，k，包括来自物体表面的薄膜作用，以及对参考路径的贡献υ_β，k，包括在物镜中的参考反射镜和其它光学组件。

在整个光瞳面上结合的总干涉信号正比于

$I_{\mathrm{\ζ},h}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{1}{\∫}}{g}_{\mathrm{\β},k,\mathrm{\ζ},h}{U}_{\mathrm{\β}}{V}_k\mathrm{\βd\βdk}---\left(15\right)$

其中，U_β是光瞳面的光分布，而V_k是光学频谱分布。在等式(15)中的加权因数β对于光瞳面中宽度dα的环形的直径根据可归于投射角的cos(α)项和sin(α)项得出：

cos(α)sin(α)dα＝-βdβ(16)

这里，我们假设物镜遵守阿贝正弦条件。最后，在全部的入射角上的积分限制(integration limits)意味着

0≤β≤1(17)，

并且，在全部波数0≤k≤∞上的频谱积分。

在频域分析(FDA)中，我们首先计算干涉强度信号I_ζ，h的傅立叶变换。对字面(非数字)分析而言，我们将使用非正规化的傅立叶积分

$q_{K,h}=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_{\mathrm{\ζ},,h}\exp \left(\mathrm{iK\ζ}\right)\mathrm{d\ζ}---\left(18\right)$

其中，K是空间频率，例如每μm的周数。为了这个目的，对于预测的FDA频谱，我们将傅立叶变换的定义等式(17)以及干涉信号等式(15)结合到下列公式：

$q_{K,h}=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\∫}{g}_{\mathrm{\β},k,\mathrm{\ζ},h}\exp \left(\mathrm{iK\ζ}\right)U_{\mathrm{\β}}{V}_k\mathrm{\βd\βdkd\ζ}---\left(19\right)$

上述的形式可被改写以提供依据上述系统特征化函数表达的模型信号。当使用这些函数时，存在模型信号的最优化形式。例如，对于线性偏振照明的情况，我们可依据特征化参数将建模信号的复合频谱成分表达为

$q(K,h)=\exp \left(\mathrm{iKh}\right)\underset{K/2}{\overset{\∞}{\∫}}(\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}{D}_L({\mathrm{\α}}_{K,k},\mathrm{\θ})\left(\stackrel{\‾}{{\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}^2\mathrm{rp}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k)-{\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}^2\mathrm{\τ}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k)\mathrm{rs}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k)}\right)...\left(20\right)$

$...\exp (-i\tilde{A}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k,\mathrm{\θ}))\mathrm{d\θ})\frac{V\left({\mathrm{\λ}}_k\right)K}{2k^2}\mathrm{dk}$

其中：

α_K，k＝arccos(K/2k)(21)

λ_k＝2π/k

请注意模型包括用户定义的高度偏移参数h，其允许将物体表面的位置控制在被信号踪迹(trace)涵盖的高度范围内。

对于圆形偏振的情况而言，我们有更简单的形式：

$q(K,h)=\exp \left(\mathrm{iKh}\right)\underset{K/2}{\overset{\∞}{\∫}}\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{rp}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k)-\mathrm{\τ}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k)\mathrm{rs}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k)}\right)\exp (-\mathrm{iA}({\mathrm{\α}}_{K,k},{\mathrm{\λ}}_k))...$

$...\frac{D_c\left({\mathrm{\α}}_{K,k}\right)V\left({\mathrm{\λ}}_k\right)K}{2k^2}\mathrm{dk}---\left(22\right)$

其中，相位函数的可能的方位角相关性使用等式(11)而消失。

准确的模型信号可使用上述技术产生，以获得特征化的值。例如，图6a示出了在高放大率干涉显微镜与宽带光源和线性偏振照明光一起使用来特征化裸硅表面(bare silicon surface)的表面的情况下，使用等式20计算的复合频谱q(K，h)的强度。绘图也示出了以在形貌测量模式中的相同干涉显微镜获得的实验频谱的振幅。请注意在模型与实验数据之间极好的一致性(agreement)。类似地，图6b对于相同的实验将理论的相位频谱603与实验的相位频谱604进行比较。请再次注意在模型与实验数据之间极好的一致性。最后，图6c比较模型空间频谱到扫瞄域的傅立叶变换和扫瞄域实验信号。再一次，一致性是极好的。

请注意等式20和22是根据s和p偏振光的复合反射率来表示的。但是，在测试物体包括未解析的特征(即，具有低于或接近干涉测量系统的光学分辨率的特征大小的特征)的情况下，在给定偏振态的入射光可被混合到从测试物体反射的光的正交偏振态。这样的混合可以用例如马克斯威尔(Maxwell’s)等式和严格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis)技术来建模。一旦混合已经被说明，与等式20和22相同的表达式可被用作准确的模型信号。例如，下面的说明的技术可通过使用已对混合效应被校正的反射率rp和rs而被应用到具有未解析特征的物体。在全部其它方面中，形式维持不变。

基于模型的未知物体的测量

在下面，我们说明上述的模型信号产生技术如何被应用在测量未知物体(例如测量未知物体的表面轮廓)的技术中。参考图9，在一些实施例中，物体126包括四个表面区域901、902、903和904，每个都具有不同的薄膜特性(例如，不同的薄膜结构、材料、表面粗糙度、未解析的特征等)。例如，参见图9b，区域901的截面显示该区域包括被蚀刻以形成光栅908的薄膜堆栈。在一些实施例中，这个光栅908是未解析的(即，低于或接近干涉测量系统100的光学分辨率)。这些复杂的结构将影响干涉测量系统100在轮廓描绘模式中测量的干涉信号。因此，由测量信号产生的形貌图将显示穿过四个区域的错误。

特别，在很多实施例中，这个失真将表现为错误的高度偏移的形式，其取决于被测量区域的特征，因此随着区域而不同。

例如，当在操作的轮廓描绘模式时，材料和/或薄膜堆栈特性会影响干涉测量系统测量的表面高度轮廓。例如，若测试物体具有由半导体晶圆上的介电区域分开的铜的区域，则入射到表面的测量光将体验到关于反射的相位变化(PCOR)，其取决于入射区域的材料特性。PCOR是依赖于材料的，并且会影响形貌测量。例如，相对于介电区域，铜区域显得比它们实际上更低。这影响了形貌测量。类似的相关性和高度偏移在具有薄膜堆栈的表面的区域发生。

更进一步，即使很小的表面结构也会降低轮廓测量的准确性。例如，图10a显示具有光栅结构1005的表面区域1001的另一个例子。未解析的表面特性具有高于邻近表面S的高度H、间隔l、以及宽度d。高度H在这里也被称为图案结构(patterned structure)的调制深度。再次，“未解析的”意味着个别的形貌在表面轮廓图像中未被完全分开。图10b示出对于可见光波长的干涉仪(560nm的中心波长、110nm半高全宽带宽)以及0.8的物镜NA、在表面区域1001上的未解析特征的预测的表面轮廓。表面结构是未解析的(unresolved)，导致明显的被测量的表面轮廓，其并未完全显示出(resemble)实际的表面结构。对于这个计算，高度H＝20nm、间隔l＝200nm、而宽度d＝120nm。

图10c示出了10b的未解析的测量的轮廓作为特征的实际高度H的函数是如何改变的。值得注意的是，在测量的和真实的高度之间的关系是复杂的，并且甚至负相关在40nm以上。后面这个现象可以解释为将光耦合到狭窄的、次波长的沟槽中的困难。

克服由穿过感兴趣的表面的材料、薄膜堆栈、形貌等的变化所导致的在轮廓描绘测量中的错误的一种方法是将测量的轮廓描绘干涉信号与基于感兴趣的表面(和/或其区域)的模型产生的合成信号进行比较。通过匹配实验信号和合成信号，来确定良好地对应于实际表面的模型表面。

例如，图11示出了这样的方法的实施例的流程图。如上详细说明，干涉测量系统被使用，在椭圆模式中，以确定干涉测量系统的特征化参数(例如，J(α，λu，θ)、τ(α，λ)、和/或从其得到的参数)。理论的模型可对应于可能存在于物体上感兴趣的区域的各种材料、薄膜堆栈、未解析的特征等而产生(使用例如等式(20)或(22))。系统特征化信息1101、1102和理论的1103模型被结合1104以产生对应于表面的不同模型的合成信号的数据库。由轮廓描绘模式中的干涉测量系统收集的1105、1106的实验干涉信号接着在空间域或频域中与数据库项目进行比较。最好的数据库匹配1108确认出良好地对应于实际的感兴趣的表面的模型表面。这个模型提供了有关存在于物体表面上的材料或薄膜堆栈的信息，诸如厚度和折射率。最好的匹配信号数据库对于在数据库信号踪迹(trace)内的特定物体高度被定义。这个信息被用于计算例如在实验信号踪迹内物体表面的空气/材料界面的位置。这提供了报告不会由于不同材料或薄膜堆栈的存在而受到的影响的表面形貌的能力。

在更进一步的实施例中，如图12的流程图所示，在形貌模式中收集的实验信号通过迭代地改进描述在物体表面上存在的材料或薄膜堆栈的模型参数，而匹配到模型信号。如上面详细说明，干涉测量系统被使用，在椭圆模式中，以确定干涉测量系统的特征化数据1204。产生感兴趣的表面的参数化模型1205。模型表面的一个或多个特性可通过改变对应的参数而被调整。例如，图9b的区域901的参数化模型可包括参数，其可调整光栅间距905、光栅宽度906、薄膜堆栈厚度907、蚀刻深度909和表面高度910的一个或多个。合成的干涉信号基于特征化信息和模型参数化信号而产生。

在轮廓描绘模式中，干涉测量系统获得1201实验干涉信号。当参数被改变1203以确定在信号之间的良好匹配时，实验信号与从参数化模型产生的合成信号进行比较1202。具有最好的匹配参数的模型将良好地对应于实验地测量的表面结构。因此，这个模型可以被分析以确定1207有关感兴趣的表面的信息。例如，最佳拟合参数对于它们对应的物理特性(例如，薄膜厚度、表面高度等)给出了很好的估计。

在更进一步的实施例中，如图13的流程图所示，结合干涉测量系统的椭圆和轮廓描绘测量模式两者，用于产生形貌图，其对于诸如穿过感兴趣的物体的表面的材料特性、薄膜堆栈、未解析结构等的不同特征的作用而被校正。

轮廓描绘测量模式被用来1301获得物体表面的形貌图1302、1303。如上面说明，该图可包括由表面特征中的变化导致的错误。椭圆模式被用于确定在物体表面上的特定位置的这些特征，该位置处的特征在测量区域1303内是均匀的。

这样的区域可通过例如分析物体表面的强度或形貌图像，以确认必须使用椭圆模式的位置，而被确定。在典型的情况下，物体形貌的布局先验地已知。然后可使用图案匹配技术来定位感兴趣的区域。或者，形貌干涉数据的其它类型的处理可产生有关在具有相似的光学特性的物体表面上的区域的信息。例如，平均的干涉信号强度提供了估计物体反射率及其经过表面的变化的手段。另一个例示的属性为所谓相位间隙(在最大的条纹调制的位置测量的相位)。再一个属性是干涉信号的频谱的相位或振幅非线性。这些数量属性中的任意一个的图可用于实际定位要在椭圆模式中被特征化的均匀的区域。在不同的实施例中，机动化平台可以被用来通过移动采样或干涉仪以在合适的感兴趣的位置进行椭圆测量定位物体。

例如，参考图9a的物体126，测量位置991、992、993、和994将适于分别特征化表面区域901、902、903、和904。

如上面说明，测量1304的输出在多个波长、入射角及偏振上提供了表面的复合反射率。这个信息可以提供1305模型，该模型捕获了物体的光学特性，诸如材料模型或薄膜堆栈模型，和/或未解析的特征模型，包括诸如折射率、厚度等的信息。

回到图13，接着可将测量的反射率信息与1308、1309系统特征化信息一起输入1306到例如等式21或等式(22)，以产生对应于将在形貌模式中在这个位置测量的信号的模型信号。在模型信号中的高度偏移h被选择以等于在所选择的表面位置实验地测量的高度。这个模型信号然后以被用来产生形貌图的算法来处理，导致所选择的位置的模型高度。在所选择的位置的结果模型高度接着与在那个位置的物体表面的测量高度进行比较。这两个值的差对应于由在表面的相应区域中的物体的光学特性在形貌图中引起的高度偏移。这个高度偏移接着从在子区域内的形貌图中减去。这个过程对于在物体表面上的子区域901、902、903、和904的每一个被重复。最后的结果1310是没有材料或薄膜引起的偏移的物体表面的形貌图。如上面讨论，请注意上述的各种椭圆测量可被处理，以提供对例如材料光学特性和薄膜堆栈厚度的估计，其可与校正的形貌图一起被输出，或除校正的形貌图之外被输出。

或者，对于每个位置，高度偏移h可被任意地选择。例如，对于由覆盖基板的薄膜构成的位置，h可被选择以使得对应于空气/薄膜界面的信号的部分位于扫瞄的中心)。信号接着可使用轮廓描绘的算法被处理，以确定空气/薄膜界面的位置。在由算法输出的位置和由参数h的选择设定的位置之间的差将对应于高度偏移，其应被用于校正在该位置的轮廓图。

被校正的形貌轮廓可以另外的方式获得。请注意给定的位置的椭圆测量包括有关全部测试物体和干涉仪的特性的信息(例如，有关在光瞳面的照明的强度、频谱和相位信息)。在某些情况下，最好直接使用该信息，而非使用在等式20和22中出现的特征化函数。例如，在强度D_L(α，θ)已被建模的情况下，如上面说明，只使用一些泽尔尼克多项式，某些强度信息将遗失。等价的信息可从椭圆数据被更准确地获得。

从椭圆测量获得干涉特征化数据的困难在于测量的干涉信号被与测试物体的表面高度有关的影响复杂化。例如，参见图4(下图)，傅立叶变换的相位频谱通常与表面高度是相关的。但是，振幅频谱是沿着扫瞄的方向平移不变(invariant)，因此并不取决于表面高度。

因此，对于给定的位置，准确的模型信号可被如下获得。实验上测量的椭圆信号被获得并被傅立叶变换。为产生模型信号，对应于每个检测器组件的实验信号的频谱脱离(stripped of)其相位信息，其对于线性偏振光被等式23、以及对于圆形或非偏振光被等式24中所示复合系数的自变量替换，

((cosθ)²rp(α，λ)-(sinθ)²τ(α，λ)rs(α，λ))exp(-iA(α，λ))exp(iKh)(23)

(rp(α，λ)-τ(α，λ)rs(α，λ))exp(-iA(α，λ))exp(iKh)(24)

被修改的信号被相加，从而提供等式20或22的形式的模型信号，并且以高度不变的实验信息代替一个或多个系统特征化函数。如前，结果的模型信号仅通过任意的表面高度偏移h取决于表面高度，因此可使用上述技术被分析，以确定形貌图的表面高度校正。

轮廓描绘的附加实施例

取代关掉(switch out)中继透镜136，在进一步的实施例中，例如，可以不管中继透镜，而检测器134可被平移到测试表面聚焦的位置。这在图15中被示意地示出，该图示出了被耦合到在电子处理器770的控制下的机动化移动平台760的检测器134，相对于干涉测量系统700的剩余部分调整检测器位置用于接收结合光132。移动平台允许系统在对应于椭圆模式的第一位置(其中，光瞳面被成像到检测器)及对应于轮廓描绘模式的第二位置(其中，测试表面被成像到检测器)之间切换。

在更进一步的实施例中，在图17中示意地示出，分光器810可将从干涉测量系统800的剩余部分接收的结合光132分为具有两个相应的多组件检测器880和890的两个信道，其中一个信道使用中继光学组件875将光瞳面114成像到第一检测器880，以提供椭圆模式测量，而另一个信道使用中继光学组件885将测试表面成像到第二检测器890，以同时提供轮廓描绘模式测量。两个检测器均被耦接到电子处理器870，其如上所述分析检测器图像。

这些方法的各种组合也是可能的。例如，系统可以包括光学组件，其将光瞳面成像到共用的电子检测器的第一部分，并且将测试表面成像到共用的电子检测器的第二部分。在这种情况下，共用电子检测器的不同部分可被视为不同的检测器。

应用

上述技术具有广泛的应用性。例如，系统可被使用在半导体处理中，用于工具指定监控或用于控制处理流程本身。在处理监控应用中，单/多层薄膜通过对应的处理工具在未图案化的Si晶圆(监控晶圆)上被成长、沉积、研磨、或者蚀刻，接着使用在本公开的干涉测量系统(例如，透过使用椭圆模式、轮廓描绘模式、或两者)测量厚度和/或光学特性。这些监控晶圆的厚度(和/或光学特性)的平均值数(而且在晶圆均匀性内)被用于确定相关的处理工具是否正在目标规格内被操作，或应该被重新规定目标、调整、或从生产使用中取出。

在处理控制应用中，后者的单/多层薄膜通过相应的处理工具在图案化的Si生产晶圆上被成长、沉积、研磨、或者蚀刻，接着以在本公开的干涉测量系统(例如，透过使用椭圆模式、轮廓描绘模式、或两者)测量厚度和/或光学特性。用于处理控制的生产测量典型地包括小的测量场所(site)以及对感兴趣的采样区域对准测量工具的能力。这个场所可由多层薄膜堆栈(其本身可被图案化)组成，并且因此需要复杂的数学建模以便提取相关的物理参数。处理控制测量确定整合的处理流程的稳定性，并且确定整合的处理是否应该继续、被重新规定目标、重新指向到其它设备、或完全关闭。

具体地，例如，这里公开的干涉测量系统可被用于监控下列设备：扩散、快速热退火、化学汽相沉积工具(低压和高压)、介电质蚀刻、化学机械研磨机、等离子沉积、等离子蚀刻、平版印刷轨道和平版印刷曝光工具。另外，在本公开的干涉测量系统可被用于控制下列过程：沟槽和隔离、晶体管形成、以及层间介电质的形成(例如双镶嵌结构)。

宽带空间相干照明

在一些实施例中，测试物体被空间相干光照明。当电磁场的振荡对于在传播方向的横向方向上被空间分开的点、基本上被相关联时(即，具有基本上固定的相位关系)，光被称为空间相干。参见Encyclopedia of Laser Physics andTechnology，可在http://www.rp-photonics.com/coherence.html and E.Hecht，Optics，Second Edition，pp.516-517，Addison Wesley，1987获得。例如，在空间相干光束中，在光束的截面上的点的电磁场将以相关联的方式振荡。如将在下面说明者，空间相干光的使用允许在测试物体上的区域的衍射极限(diffraction limited)或近衍射极限照明。在某些实施例中，这允许对于测试表面的小、明确的区域的照明和测量。更进一步，在一些实施例中，如上所述，空间相干照明光可为频谱宽带，允许波长解析测量。

例如，参见图17，干涉测量系统100以椭圆模式操作，如图1所示，但以宽带空间相干照明系统1000(在下面更详细说明)，取代组件102、108、和138。在本实施例中，光源1001被耦接到光纤1002以产生空间相干输入光104(其主光线由实线标示)。输入光104穿过光纤1002的面(face)1003空间相干。如由主光线所指示的，输入光104被准直透镜1004对准。准直光束被扩展透镜1005扩展，以匹配物镜光瞳孔径光阑的大小，由透镜110重新对准，并且指向干涉物镜106的光瞳面114。例如，在光束形状为高斯(Gaussian)(或者名义上高斯)的实施例中，束腰可为成像的光瞳面114。

分光器120将输入光104分成测试光122，其被指向测试物体126的测试表面124，以及参考光128，其从参考表面122反射。物镜118分别将测试和参考光聚焦在测试和参考表面。支撑参考表面122的参考光学组件130被涂层，以便仅反射聚焦的参考光，使得大部分输入光在被分光器120分光之前通过参考光学组件。

在从测试和参考表面反射之后，测试和参考光被分光器120重新结合以形成结合光132，其被分光器112和中继透镜136传送，以便在电子检测器134上形成光学干涉图案。穿过检测器的光学干涉图案的强度轮廓被检测器的不同组件测量，并存储在电子处理器中(未显示)用于分析。在这个椭圆结构中，光瞳面114被成像到检测器上。在目前的实施例中，中继透镜136将在光瞳面114上的不同点成像到在检测器134上的对应点。

照明系统A1000在宽带波长上提供空间相干照明(例如，发射频谱具有大于50nm的半高全宽，或者最好，甚至大于100nm)。这样的宽带、空间相干照明可由许多类型的光源提供。

例如，在一些实施例中，光纤A1002是所谓的“单模”(monomode)光纤。单模光纤对于沿着光纤传播的光仅支持单一(或者，在某些情况下，一些)空间模(spatial mode)。参看例如，Encyclopedia of Laser Physics and Technology，可在http://www.rp-photonics.com/single_mode_fibers.html获得。因此，当光源1001被耦接到光纤时，输出光104主要包含在所支持的空间模中的光。穿过输出面1003的光因此被很好地关联，产生空间相干输出光104。单模光纤通常能在多种波长内支持单一空间模。因此，当光源A1001是宽带光源时(例如，宽带或“白光”LED、LED阵列、脉冲的或宽带激光光源等)，其在可支持的波长范围内的频谱范围上输入光，由单模光纤1002输出的光将是宽带和空间相干的。

在一些实施例中，光纤1002包括光子能隙材料(例如光子晶体材料)或其它非线性材料，其能在非常大范围的波长(例如高达数百奈米或更多)上支持空间相干光，从而允许非常宽带的空间相干照明。参看，例如Encyclopedia ofLaser Physics and Technology，可在http://www.rp-photonics.com/photonic_crystal_fibers.html获得。这样的系统有时被称为提供“超连续”照明。在一些这样的实施例中，光纤A1002也可为单模光纤，对于在非常宽的波长范围上(例如跨越从红外线及以上延伸到紫外线及以下的波长范围)的光，支持单一(或一些)的空间模。参看Encyclopedia of Laser Physics and Technology，可在http://www.rp-photonics.com/supercontinuum_generation.html获得。

在一些实施例中，光纤A1002包含非线性材料，其用于进一步把输入到光纤中的光的频谱范围扩大。当光沿着光纤传播时，非线性效应(例如拉曼散射或四波混合)出现，并产生并不存在于输入光中的波长的光。在一些这样的实施例中，光源A1001可为相对窄带光源，具有光纤A1002提供的频谱扩大，以产生宽带输出光104。

在更进一步的实施例中，照明系统A1000包括能够产生空间相干输出光束的共振腔。例如，光源1001可包括由光源(例如激光、LED、或LED阵列)激发的共振腔，以激发腔，在腔的单一(或一些)空间模产生共振。因此，腔的输出将是空间相干。在一些这样的实施例中，光纤A1002可被去除，输入光104直接从光源A1001(例如，作为共振腔的输出光束)得到。在一些实施例中，腔可包括滤光器，其用于限制共振腔支持的空间模的数目。

请注意相干照明不同于测量物体被具有低程度的空间相干性的光(例如，当使用成像在光瞳面114的空间相干延伸光源，以提供柯勒(Koehler)照明时)照明的情况。例如，在典型的应用中(例如为了有用的测量在检测器要求一些最小强度的应用)，空间非相干照明光束将在测试物体126产生很大的光斑大小(例如，显著宽于干涉物镜106的衍射光斑的光斑大小)。

但是，在目前的实施例中，测试光122是空间相干的，并且可被聚焦在测试物体126的很小的光斑大小。在这种情况下，在测试物体126的聚焦光束是通过其衍射点的干涉物镜106的几何点扩展函数的卷积。对于空间相干光瞳面照明，当所有的衍射效果被忽略时，几何点扩展被定义为在光瞳面114中的点光源在物体的发光分布。在典型的实施例中，干涉物镜106的几何点扩展取决于例如在物镜中的光学像差，并且可使用在本领域中已知的校正技术减少或者甚至消除。另一方面，由于包括例如沿着物镜的孔径的效果、昏暗等衍射效果，衍射光斑是在物体126的发光分布。

对于以空间相干光照明的良好校正的物镜，在测试物体126的光斑大小可接近或基本上等于在测试物体的衍射光斑的宽度。对于具有高数值孔径物镜(例如，约0.7或更大、或约0.9或更大)的物镜，衍射光斑对于照明光斑的中央主叶(central lobe)可以是例如一微米的一小部分。因此，在目前说明的实施例中并使用上述技术，干涉测量系统100，在椭圆模式中，可以对于测试物体126的测试表面124的小的、明确的区域，确定角度、波长、以及偏振解析信息(例如复合反射率信息)。这样的测量可在测试表面124上的多个区域上重复。例如，在穿过测试表面124的多个测试光斑采取复合反射率测量可被分析，以绘制(map out)测试物体126的特性，诸如薄膜厚度、材料类型、折射率等。这样的信息可被用于例如改进使用在轮廓描绘模式中操作的干涉测量系统100进行的表面轮廓测量。

请注意空间相干照明在另一方面与透过具有低度空间相干性的光的照明不同。对于空间非相干光，从测试表面124扩散反射的光将在检测器134无条理地(即以一种任意的相位关系)结合。因此，经过几个周期，对应于扩散反射光的检测器134的结合电磁场的强度将平均为零。当典型的检测时间通常比几个周期长很多时，扩散反射光将因此对由检测器134测量的干涉信号没有贡献。

这不是空间相干照明的情况。相反地，扩散反射光将在检测器134相干地结合。扩散反射光的强度将因此不平均为零，从而可对由检测器134测量的干涉信号做出贡献。在一些应用中，(例如当测试表面没有穿过测量光斑的大量的横向变化时)，该贡献将可忽视。在这样的情况下，等式3的测量模型保持良好的近似，允许使用上述的分析技术。在由扩散反射造成的对测量的干涉信号的贡献很显著的情况下，等式3不再是一个好的近似。但是，这样的信号仍可使用例如基于模型的技术来分析，其中，测量的信号与例如使用完全的马克斯威尔等式计算的模型信号和/或基于已知的参考采样的例示信号进行比较。这样的技术的例子在2006年12月22日申请的美国临时专利申请第60/876,748号中被发现，名称为“APPARATUS AND METHOD FORMEASURING CHARACTERISTICS OF SURFACE FEATURES”，其通过引用结合于此。

在一些实施例中，干涉测量系统100包括光学组件(例如扩散器)，其可被选择地切换到光束路径以降低照明光的空间相干性。在某些应用中，希望在被聚焦以便在测试物体提供小的测量光斑的空间相干照明和照明较大部分的测试物体的空间非相干照明之间切换。在某些情况下(例如当测量稍微粗糙或图案化的物体时)，较大的测量光斑可用于改善测量的统计数据。例如，通过将空间相干光源(即，光纤面1003)成像到放置在干涉物镜106的孔径光阑115内的扩散器(未显示)上，来提供柯勒照明的选项。

虽然目前说明的实施例描述了宽带相干照明光源与在椭圆模式中的干涉测量系统100一起使用，应了解这样的光源可在多种其它模式中被类似地使用，包括上述的轮廓描绘模式。

附加实施例

图1和3中显示的实施例实施了米劳(Mirau)型的干涉物镜，其中，在干涉物镜中的分光器沿着测试光的光轴向后指引参考光。在其它实施例中，干涉测量系统100可改为使用不同类型的干涉物镜，例如米切尔森(Michelson)物镜，其中，分光器指引参考光离开测试光的光轴(例如，分光器可以45度面向输入光，使得测试光和参考光彼此以直角行进)。在这种情况下，参考表面可位于测试光的路径外面。

在另一个实施例中，干涉物镜可为林尼克(Linnik)型，其中，分光器位于测试表面的物镜之前(相对于输入光)，并且沿着不同的路径指引测试和参考光。单独的物镜被用于将参考光聚焦到参考透镜。换句话说，分光器把输入光分成测试和参考光，且分开的物镜接着将测试和参考光聚焦到各自的测试和参考表面。理想地，两个物镜彼此匹配，从而测试和参考光具有相似的像差和光学路径。

附加的干涉仪结构也是可能的。例如，系统可被配置以收集测试光，其通过测试采样传送，然后与参考光结合。对于这样的实施例，例如，系统可实现在每个臂(leg)上具有双显微物镜的马赫·任德(Mach-Zehnder)干涉仪。

在某些实施例中，干涉仪可为使用球形测量波前的扫瞄干涉仪，诸如在2002年7月3日申请的美国专利第6714307号中所说明的，名称为“MEASUREMENT OF COMPLEX SURFACE SHAPES USING ASPHERICAL WAVEFRONT”，其通过引用结合于此。

在干涉仪中的光源可为下列任一种：白炽光源，诸如卤素灯泡或金属卤化物灯，具有或没有频谱带通滤光器；宽带激光二极管；发光二极管；相同或不同类型的数个光源的结合；电弧灯；在可见频谱区域中的任何光源；在IR频谱区域中的任何光源，特别是用于观看粗糙表面及应用相位轮廓描绘；以及在UV频谱区域中的任何光源，特别是用于增强的横向解析。对于宽带应用，光源最好具有比平均波长宽5％的净频谱带宽，或者更好是比平均波长大10％、20％、30％、或甚至50％。对于可调谐的窄带应用，调谐范围最好是宽的(例如，对于可见光，大于50nm、大于100nm、或甚至大于200nm)，以便在很宽的波长范围内提供反射率信息，而在任何特别的设定的频谱的宽度最好是狭窄的，以便最优化解析，例如，与10nm、2nm或1nm一样小。光源也可包括一个或多种扩散器组件以增加从光源发射的输入光的空间范围。

在一些实施例中，干涉仪可被配置，使得一些或所有的干涉仪的光学组件都是反射组件。例如，在其中输入光为在UV或极端UV(EUV)频谱的应用中，使用典型材料的折射光学组件将吸收大量的光。在这样的应用中，在干涉仪中的所有的折射组件可被诸如曲面反射镜的反射组件取代。

而且，在系统中的不同移动平台，诸如移动平台150，可以为：由压电装置、步进马达以及音圈的任何一个驱动；被光机械或光电子地实施，而非通过纯移动(例如，通过使用任何液晶、电光效应、应变光纤、以及旋转波板)引入光程长度变化；具有弯曲底座的驱动器和具有机械平台的任何驱动器的任意一个，例如滚子轴承或空气轴承。

电子检测器可为任何类型的检测器，用于测量具有空间分辨率的光学干涉图案，诸如多组件的CCD或CMOS检测器。

在不同的实施例中，干涉测量系统100将测量信息输出到例如用户显示器、打印机、机器可读介质或存储装置、电子控制器等。在某些实施例中，输出数据可自动控制另外的装置或装置(例如，集成电路处理和/或计量学工具)。

软件

上述分析步骤可以使用标准程序技术的计算机程序被实施。这样的程序被设计以便在可编程序的计算机上或特别设计的集成电路上执行，每个包括电子处理器、数据存储系统(包括内存和/或存储组件)、至少一个输入装置、以及至少一个输出装置，诸如显示器或打印机。程序代码被应用于将数据(例如，来自检测器的图像)输入以执行这里说明的功能并产生输出信息(例如，折射率信息、厚度测量、表面轮廓等)，其应用于一个或多个输出装置。每个这样的计算机程序可在高阶程序或物体导向程序语言、或者组合或机器语言中实施。而且，语言可为编译或解释的语言。每个这样的计算机程序可存储在计算机可读存储介质上(例如，CD ROM或磁性软盘)，其当由计算机读取时会使计算机中的处理器执行这里所描述的分析和控制功能。

已经描述了本发明的许多实施例。但是应了解各种各样的修改可在未脱离本发明的精神和范畴的情形下进行。

Claims (52)

1.一种干涉测量方法，包括：

在一定照明角度的范围内将测试光指向第一校准表面，并且将从第一校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第一校准表面的测试光与参考光源自共同光源；

将来自第一校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第一校准表面的不同照明角度；

在一定照明角度的范围内将测试光指向不同于第一校准表面的第二校准表面，并且将从第二校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第二校准表面的测试光与参考光源自共同光源；

将来自第二校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第二校准表面的不同照明角度；以及

基于对从第一和第二校准表面出射的测试光、由检测器的不同组件测量的干涉信号和有关第一和第二校准表面的信息来确定有关干涉测量系统的信息，

其中：

有关干涉测量系统的信息包括与下列至少其中一个相对应的信息：共同光源的频谱分布、与平行于入射面的偏振状态相比的垂直于入射面的偏振状态的相对衰减、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱分布的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的平均强度的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的相位的变化、以及穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱强度的变化，并且

所述有关第一和第二校准表面的信息包括有关第一和第二校准表面的反射率的信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一校准表面包括：体硅、硅上氧化层、基板上介电层、基板上不透明金属层、金属的固体表面、介电材料的固体表面。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

将有关干涉测量系统的信息与来自干涉测量系统的标准校准进行比较；以及

基于所述比较修改干涉测量系统。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

将有关干涉测量系统的信息与有关第二干涉测量系统的信息进行比较；以及

基于所述比较修改干涉测量系统之一或两者。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：基于有关干涉仪的信息和有关测试物体的多个模型的信息，产生多个模型扫瞄干涉信号，其中，所述测试物体的多个模型由测试物体的一系列特征参数化。

6.如权利要求5所述的方法，还包括：将对于在测试物体上的第一表面位置的、可从干涉测量系统取得的扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息进行比较。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：基于所述比较确定测试物体的准确特征。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述准确特征是第一表面位置的表面高度和/或第一表面位置的薄膜厚度。

9.如权利要求7所述的方法，其中，确定准确特征包括基于所述比较确定测试物体的哪个模型对应于测试物体的特征中准确的一个，并且使用对应于准确特征的测试物体的模型来计算有关测试物体的信息。

10.如权利要求6所述的方法，还包括：将对于额外表面位置、可从扫瞄干涉信号中得出的信息与从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息进行比较。

11.如权利要求6所述的方法，其中，所述比较包括使用搜寻引擎来比较可从干涉测量系统取得的扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息。

12.如权利要求6所述的方法，其中，所述比较包括计算一个或多个评价函数，所述评价函数表示在可从扫瞄干涉信号中得出的信息和对应于每一个模型的信息之间的相似度。

13.如权利要求1所述的方法，还包括：

使用干涉测量系统以干涉地描绘测试表面形貌的轮廓的操作模式，测量测试物体的测试表面；以及

基于有关干涉测量系统的信息提供校正的轮廓。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述测试表面是测试物体的上表面。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述测试表面是测试物体的埋入的表面。

16.如权利要求13所述的方法，还包括：

确定有关在测试表面上一个或多个区域的信息；以及

其中，校正的轮廓还基于有关在测试表面上一个或多个区域的信息。

17.一种干涉测量方法，包括：

对于具有不同反射率的、测试物体上的测试表面的多个区域中的每一个，使用干涉测量系统以第一操作模式测量每个区域，该第一操作模式在一定的角度和波长的范围内测量有关区域反射率的信息；

使用同一干涉测量系统以第二操作模式测量测试表面，该第二操作模式在包括所述多个区域中的至少一些的范围内干涉地描绘测试表面形貌的轮廓；以及

基于有关所述多个区域的反射率的信息校正轮廓以减少误差。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述测试表面是测试物体的上表面。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述测试表面是测试物体的埋入的表面。

20.如权利要求17所述的方法，其中，所述轮廓是厚度轮廓。

21.如权利要求17所述的方法，其中，所述校正对于每个区域包括：

基于有关区域反射率的信息来确定高度偏移；以及

将所述偏移加到所述轮廓的对应部分。

22.如权利要求17所述的方法，还包括：

使用同一干涉测量系统在一定角度和波长的范围内测量有关两个或更多参考表面的反射率的信息；

使用有关两个或更多参考表面的反射率的信息来确定有关干涉测量系统的信息；以及

其中，所述轮廓的校正还基于有关干涉测量系统的信息。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：

在一定角度和波长的范围内基于有关区域反射率的信息来确定有关干涉测量系统的信息；以及

其中，轮廓的校正还基于有关干涉测量系统的所述确定的信息。

24.如权利要求17所述的方法，还包括：输出校正的轮廓。

25.如权利要求17所述的方法，其中，所述校正的轮廓的输出包括输出到下列其中之一：用户、显示器、电子存储器、电子控制器、以及被配置为基于有关轮廓、印制介质和电子存储介质的信息来操作一个或多个装置的电子控制器。

26.如权利要求24所述的方法，其中，所述校正的轮廓用于半导体计量学测量。

27.一种干涉测量系统，包括：

光源；

多组件检测器；

干涉仪，被配置为：

在一定照明角度的范围内将测试光指向第一校准表面，并且将从第一校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第一校准表面的测试光和参考光源自共同光源；

将来自第一校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第一校准表面的不同照明角度；

在一定照明角度的范围内将测试光指向不同于第一校准表面的第二校准表面，并且将从第二校准表面射回的测试光与参考光结合以形成干涉图案，其中，来自第二校准表面的测试光与参考光源自所述光源；以及

将来自第二校准表面的结合光的至少一部分指向多组件检测器，使得检测器的不同组件通过测试光对应于第二校准表面的不同照明角度；以及

电子处理器，被配置为：

基于对从第一和第二校准表面出射的测试光、由检测器的不同组件测量的干涉信号和有关第一和第二校准表面的信息，确定有关干涉测量系统的信息，

其中：

有关干涉测量系统的信息包括与下列至少其中一个相对应的信息：共同光源的频谱分布、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱分布的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的平均强度的变化、穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的相位的变化、以及穿过干涉测量系统的光瞳面的照明的频谱强度的变化，并且

所述有关第一和第二校准表面的信息包括有关第一和第二校准表面的反射率的信息。

28.如权利要求27所述的干涉测量系统，其中，第一校准表面包括：体硅、硅上氧化层、基板上介电层、基板上不透明金属层、金属的固体表面、介电材料的固体表面。

29.如权利要求27所述的干涉测量系统，还包括：

将有关干涉测量系统的信息与来自干涉测量系统的标准校准进行比较；以及

基于所述比较修改干涉测量系统。

30.如权利要求27所述的干涉测量系统，其中，所述电子处理器被配置为：

将有关干涉测量系统的信息与有关第二干涉测量系统的信息进行比较；以及

基于所述比较修改干涉测量系统之一或两者。

31.如权利要求27所述的干涉测量系统，其中，所述电子处理器被配置为：

基于有关干涉仪的信息和有关测试物体的多个模型的信息，产生多个模型扫瞄干涉信号，其中，所述测试物体的多个模型由测试物体的一系列特征参数化。

32.如权利要求27所述的干涉测量系统，其中，所述电子处理器被配置为将对于在测试物体上的第一表面位置的、可从干涉测量系统取得的扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息进行比较。

33.如权利要求32所述的干涉测量系统，其中，所述电子处理器被配置为基于所述比较确定测试物体的准确特征。

34.如权利要求33所述的干涉测量系统，其中，所述准确特征是第一表面位置的表面高度和/或第一表面位置的薄膜厚度。

35.如权利要求33所述的干涉测量系统，其中，所述准确特征的确定包括基于所述比较确定测试物体的哪个模型对应于测试物体的特征中准确的一个，并且使用对应于准确特征的测试物体的模型来计算有关测试物体的信息。

36.如权利要求32所述的干涉测量系统，其中，所述电子处理器被配置为将对于额外的表面位置、可从扫瞄干涉信号中得出的信息与可从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息进行比较。

37.如权利要求32所述的干涉测量系统，其中，所述比较包括使用搜寻引擎来比较从干涉测量系统取得的扫瞄干涉信号中得出的信息与从多个模型扫瞄干涉信号中得出的信息。

38.如权利要求32所述的干涉测量系统，其中，所述比较包括计算一个或多个评价函数，所述评价函数表示在可从扫瞄干涉信号中得出的信息和对应于每一个模型的信息之间的相似度。

39.如权利要求27所述的干涉测量系统，其中，所述干涉测量系统被配置为：

以干涉地描绘测试表面形貌的轮廓的操作模式，测量测试物体的测试表面；以及

电子处理器被配置为基于有关干涉测量系统的信息提供校正的轮廓。

40.如权利要求39所述的干涉测量系统，其中，所述测试表面是测试物体的上表面。

41.如权利要求39所述的干涉测量系统，其中，所述测试表面是测试物体的埋入的表面。

42.如权利要求39所述的干涉测量系统，其中，所述电子处理器被配置为：

确定有关在测试表面上的一个或多个区域的信息；以及

其中，校正的轮廓还基于有关在测试表面上的一个或多个区域的信息。

43.一种装置，包括：

干涉测量系统，被配置为：

对于具有不同反射率的、测试物体上的测试表面的多个区域的每一个，以第一模式操作以在一定角度和波长的范围内测量有关区域反射率的信息；

以第二模式操作以在包括所述多个区域中的至少一些的范围内干涉地描绘测试表面形貌的轮廓；以及

基于有关所述多个区域的反射率的信息校正轮廓以减少误差。

44.如权利要求43所述的装置，其中，所述测试表面是测试物体的上表面。

45.如权利要求43所述的装置，其中，所述测试表面是测试物体的埋入的表面。

46.如权利要求43所述的装置，其中，所述轮廓是厚度轮廓。

47.如权利要求43所述的装置，其中，所述干涉测量系统被配置为对于每个区域：

基于有关区域反射率的信息来确定高度偏移；以及

将所述偏移加到所述轮廓的对应部分。

48.如权利要求43所述的装置，其中，所述干涉测量系统被配置为：

使用同一干涉测量系统在一定角度和波长的范围内测量有关两个或更多参考表面的反射率的信息

使用有关两个或更多参考表面的反射率的信息来确定有关干涉测量系统的信息；以及

其中，所述轮廓的校正还基于有关干涉测量系统的信息。

49.如权利要求48所述的装置，其中，所述干涉测量系统被配置为：

在一定角度和波长的范围内基于有关区域反射率的信息来确定有关干涉测量系统的信息；以及

其中，轮廓的校正还基于有关干涉测量系统的信息。

50.如权利要求43所述的装置，还包括：输出校正的轮廓。

51.如权利要求43所述的装置，其中，所述校正的轮廓的输出包括输出到下列其中之一：用户、显示器、电子存储器、电子控制器、以及被配置为基于有关轮廓、印制介质和电子存储介质的信息来操作一个或多个装置的电子控制器。

52.如权利要求50所述的装置，其中，所述校正的轮廓用于半导体计量学测量。

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