用于薄膜厚度监测的外差式反射计及其实现方法

专利名称：：用于薄膜厚度监测的外差式反射计及其实现方法
技术领域：
：本发明涉及反射测量法以及光栅干涉测量法。例如芯片、微型芯片、或集成电路(IC)的半导体由许多微小的晶体管、铝线或铜线以及电开关构成，其处理电流的流动。通过在晶片衬底和/或后续在衬底之上形成的覆层上执行各种处理，半导体晶片转化为IC;这些处理包括成像、沉积、蚀刻。半导体工业通常所持的公理表明，集成电路中晶体管的密度每十八个月增加一倍。因此为了满足这个目的，需要新的实现技术用于制造愈来愈小的半导体构造。由于芯片制造中对极精密容差要求的增加，在处理期间必须非常小心地控制后续覆层的物理性质以对于大多数应用获得令人满意的结果。一种用于监测覆层或者多个覆层的深度和/或厚度的方法是干涉测量法。宽泛地定义，干涉测量法涉及对波干涉的测量，在此为光波。干涉计工作于这样的原理，两个相位重合的相干波彼此增强，而相位相反的两个波相互抵消。—种现有的监测系统使用用于测量表面轮廓变化的干涉测量法，从中可以推断特征高度信息。HongzhiZhao等人的文章"APracticalHeterodyneSurfaceInterferometerwithAutomaticFocusing"(自动聚焦的实用外差表面干涉计)发表于2000年的SPIEProceedings第4231巻第301页，通过引用将其整体结合至此，文章公开了一种用于检测参考外差信号和测量信号之间相位差的干涉计。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波束产生，这是共同路径干涉计(commonpathinterferometer)。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，因为入射和反射波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査的平面。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"MethodofMeasuringtheThicknessofaTransparentMaterial"(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"ProcessandDeviceforMeasuringtheThicknessofaTransparentMaterialUsingaModulatedFrequencyLightSource"(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，通过引用将其整体结合至此。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波束获得外差信号，一个波束处于第一频率和极化而第二波束处于第二频率和极化。授予Haruna等人的名称为"MethodandApparatusforSimultaneouslyInterferometricallyMeasuringOpticalCharacteristicsinaNoncontactManner"(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"HeterodyneThicknessMonitoringSystem"(夕卜差式厚度监测系统)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。图l是外差式厚度监测装置的图解，其中一对频率分离、正交极化波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(ChemicalMechanicalPolishing,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。测量光学组件通常包括用于检测和测量反射波束光学频率中多普勒偏移的各种部件，包括激光源140、波束分离器(beamsplitter,BS)144、极化波束分离器(PBS)146、波束四分之一波板(quarter-waveplate)148、波束反射器152、波束四分之一波板150、混频极化器(mixingpolarizer)143、光电探测器147、混频极化器145、光电探测器149以及电连接到光电探测器147和149的输出的信号处理组件154。运行中，激光二极管140发射的波束具有第一波长的第一线性极化光分量102以及第二波长的、和第一极化分量正交极化的第二线性极化分量103。第一和第二极化分量102和103共线传播到BS144，两种分量的一部分在此如波束114和115所示反射到混频极化器145,然后如波束116和117所示达到探测器极化分量102和103的发射部分如波束104和105所示传播到PBS146。在PBS146,分量104沿着如波束106所示的第一传播路径并且经过参考四分之一波板148达到反射器152，以及如波束122(正交极化于波束106)所示后向反射经过四分之一波板148，在此其在PBS146反射到达混频极化器143并且如波束124所示到达探测器147。来自分量105的第二极化分量沿着分离于第一路径的如波束120所示的传输路径并且定向正交于第一极化分量104，因而从PBS146反射、如波束109所示经过四分之一波板150并且传播到光学透明可旋转基板115。波束109在后表面可旋转基板115、衬底112和薄膜114顶面之间的分界面经历部分反射，从而分别产生部分反射波束111S、111T和111B。每个反射波束109S、109T和109B后向传播经过四分之一波板150，如波束113S、113T和113B所示传输经过PBS146并且和波束122共线传输到混频极化器145，如波束124、115S、115T和115B所示，然后在光电探测器147探测为信号/2。重要的是，/2产生自以一定光学频率振荡、与薄膜相互作用的波束107和以另一个光学频率振荡、并且在不与薄膜相互作用的第二光学路径上传播的波束120。信号il和/2进行比较，用于得到厚度测里。当测量波束经历光学路径长度改变时，差拍将经历相应的相位偏移，如图2图解描述的模拟结果所示。其中当表面由抛光侵蚀时，由于来自薄膜114的顶面的部分反射波束111T的光学路径长度变化，差拍信号/2(曲线103)的相位描述为从差拍信号J,(曲线105)偏移A0。可以看出，波束111B在测量路径中传输通过晶片并且从晶片前表面反射。随着穿过晶片的光学波束变短，波束111B的反射光学频率经历多普勒频移。从而，一个光学频率(波束111S、111B和111T)和目标相互作用，而第二光学频率(波束122)不发生相互作用。然而以这种方式分离参考波束和测量波束具有缺点，降低了外差式干涉计的S/N比值并且减小了测量灵敏度。通常，现有技术所知的外差式千涉计的分辨率近似限制于6A，因而现有技术的外差式干涉计缺乏用于准确测量薄膜或者用于在处理中监测厚度微小变化所需的分辨率。发明概述本发明致力于一种外差式反射计系统和方法，根据外差光学信号获得高准确性的相移并且根据该相移计算准确的厚度。所述外差式反射计通常包括具有分离光学频率的光学光源、用于产生光学差拍信号的一对光学混频器、用于探测并转换所述光学差拍信号到电外差差拍信号的一对光学探测器、以及用于探测两个电信号之间相移的相移探测器。所述源产生线性极化光，包括彼此正交并且具有分离光学频率的两个线性极化分量，即分别为分离角频率"和"+Aa的s和p极化波束分量。具有两个频率的线性极化光束被定向朝向薄膜并且与其相互作用促使其中一种光学极化分量滞后于另一分量，源于该分量在薄膜中光学路径的增加。混频极化器对反射的极化分量进行混频。一个探测器接收从薄膜反射的波束并且产生测量信号。第二探测器接收入射到薄膜层之前的波束并且产生参考信号。由于和薄膜的相互作用，反射的波束分量具有相对于参考信号的相移。所述反射波束可以优化用于薄膜厚度测量，通过设定系统入射角接近薄膜的布鲁斯特角，该角由对应于源波长的折射率决定。参考信号和测量信号之间的最大相移存在于设定为布鲁斯特角的波束入射。测量信号和参考信号由相移探测器分析以获得相移。两者间的相移量与薄膜的厚度有关。然后探测的相移供给厚度计算器以获得薄膜厚度结果。典型地，厚度结果在较小厚度时更加准确而在较大厚度时准确性较低。厚度结果的准确性可以通过消除测量信号中的误差本质地提高，即测量的外差相移不同于预期的相移从而包含误差。通过对具有已知共同折射率和已知薄膜厚度的测试薄膜测量外差相移来构造误差校正算法。对校准薄膜测量的相移和对同等厚度获得的预期相移相比较，然后根据测量和预期相移构成误差校正。然后可以使用误差校正校正测量外差相移。本发明还致力于一种外差式反射计和光栅干涉计的结合系统和方法，用于同步获得校正的外差相移信息和校正的光栅相移信息，据此计算非常准确的薄膜厚度并且在厚度计算中动态地更新薄膜的折射率。这可以通过在上面描述的外差式反射计系统中结合光栅干涉计完成。具有间距p的光栅将反射的波束衍射为零阶和一阶带，然后由分离的探测器探测。一个探测器接收零阶波束并且产生另一个测量信号。另一个探测器接收一阶波束并且产生光栅信号。类似于上面的描述，来自光栅的测量信号和参考信号可以由鉴相器分析获得相移，该相移与薄膜的厚度以及薄膜的准确折射率有关。相反，或者测量信号可以由鉴相器结合光栅信号分析以探测由光栅产生的相移。对于波束的波长、光栅间距和薄膜上的入射角，可以直接根据光栅相移和外差相移计算薄膜的折射率。使用折射率和外差相移，可以对波长、间距和入射角确定薄膜的厚度。相反，可以独立于折射率，而无需知道对于波长、间距和入射角的薄膜折射率，直接根据光栅相移和外差相移计算薄膜的厚度。然而，光栅信号同样包含误差，其应当被校正。构造光栅误^校正，以对于厚度或折射率将测量的光栅相移校正为预期的光栅相移。通过对具有已知厚度的测试薄膜测量光栅相移并且将这些测量和预期的光栅相移相比较以获得厚度，可以在测量的和预期的相移之间构造光栅相移误差校正。然后可以对测量的光栅相移进行校正。可以根据校正后的外差相移和校正后的光栅相移产生更新的折射率，其用于接近实时地动态更新厚度校正。从而，对于超薄薄膜可以获得准确的薄膜厚度结果，甚至在处理过程中薄膜折射率漂移的情况下。此外，通过将来自第一路径的反射波束以入射角重定向返回薄膜的表面，本发明可以工作于双倍路径模式。被认为是本发明特性的新颖特征在所附的权利要求中阐述。然而，通过参考后面的示例性实施方式的详细描述以及附图，可以很好地理解本发明自身以及优选的使用模式、及其进一步的目标和优点，在附图中-图1是现有技术通常所知的外差式干涉计的图解图2是源于现有技术的外差式干涉计的测量信号和参考信号的图解，显示了由光学路径长度变化产生的测量信号的相位偏移；图3A是依照本发明示例性实施方式的一个用于测量薄膜厚度的外差式干涉计的图解；图3B是显示线性极化入射波束的反射和薄膜的图解，该入射波束包含s极化并且具有光学角频率^的分量、以及p极化并且具有分离光学角频率w+Aw的分量；图4是垂直入射情况下仿真结果的强度一时间曲线图5是20.CT入射角情况下仿真结果的强度一时间曲线图6是60°入射角情况下对两种不同薄膜厚度的仿真结果的强度-时间曲线图7是60°入射角情况下所估计的薄膜厚度和实际薄膜厚度之间的比较图8是误差和输入厚度之间的比较图，显示了薄膜的实际厚度和测量(估计)厚度之间的误差量；图9是源波长632nm、入射角60°、厚度在0和1000A之间的情况下，校正的薄膜厚度和实际薄膜厚度之间的比较图；图10是源波长404nm、入射角60°、厚度在0和IOOOA之间的情况下，校正的薄膜厚度和实际薄膜厚度之间的比较图11是流程图，描述了依照本发明示例性实施方式的用于外差相移测量的相移校正算法确定过程；图12A和12B是依照本发明示例性实施方式根据外差式反射计信号获得高精度薄膜厚度的过程流程图13是开有沟槽的多层堆叠的图解；图14A—14D是0A—2000A的厚度间隔范围上，作为输入厚度函数的预测厚度曲线的图解；图15A—15B是源波长632nm、入射角60°、0A—2000A的厚度间隔范围上，作为输入厚度函数的预测厚度曲线的图解；图16是依照本发明示例性实施方式使用薄膜折射率的动态更新数值的用于获得误差校正薄膜厚度的外差式反射计和光栅干涉计的结合图解；图17A和17B是描述光栅操作原理的图解，显示了所探测光束的至少一部分可以从参考信号和测量信号发生频移；图18是显示对于外差相移A&测量信号/k和参考信号i;。f之间关系的图解；图19是显示对于光栅相移A《w测量信号/h"和光栅信号^之间关系的图解；图20是描述依照本发明示例性实施方式的用于校正外差相移测量的同时确定外差相移校正算法和用于校正光栅相移测量的光栅频移校正算法的过程图解；图21A和21B是依照本发明示例性实施方式用于根据外差式反射计信号获得校正的薄膜厚度的过程流程图，其中厚度计算的折射率分量进行动态更新；图22是依照本发明示例性实施方式使用双倍路径(double-pass)方法测量薄膜厚度的外差式反射计的图解；图23是描述双倍路径方法的操作原理的图解，通过增大相移提高灵敏度；图24是描述参考相位和使用单倍路径方法、双倍路径方法获得的相位之间关系的图解；以及图25是流程图，描述了依照本发明示例性实施方式确定两个信号间相位差别的过程；图26A—26D是描述依照本发明示例性实施方式用于探测A-的各种装置的图解；图27是描述过程的流程图，用于依照本发明另一个示例性实施方式使用离散傅立叶变换(DFT)确定两个信号之间相位差(例如和/或A《rt，)。根据附图和后面的详细描述，本发明的其它特征将是显而易见的。具体实施例方式本发明有用于半导体结构中超薄薄膜的沉积监测。因此，可以与沉积工具和扩散炉集成在一起。此外，本发明提供一种简单有效的装置，用于扩展可视光反射计的使用以测量亚IOA到2000A薄膜厚度范围的薄膜。通过使用具有大的平均故障间隔时间(meantimebetweenfailure,MTBF)的单频源和十分简单的探测方案，使用本发明可以获得较好的结果。通常，现有技术光谱反射计扩展到这个厚度区域需要复杂的深紫外(de印ultraviolet,DUV)光源和反射或反射折射光学装置。此外，与现有技术反射计相比，本发明不需要其下覆层的先验知识来确定几个埃厚度顶层薄膜的厚度。此外，基于本发明的传感器拥有成本大大低于通常的现有技术DUV光谱反射计，并且本发明的方法学需要较少的预测量处理。本发明以及下面公开的技术的应用允许处理器准确地监测超薄薄膜上的区域或点目标的厚度，而避免由表面轮廓或大面积测量产生的误差。在迈克耳孙(Michelson)外差式干涉计中，干涉参考波束和测量波束具有微小的光学频率差，通常为^Hz到MHz。两者之间的干涉表示为等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>^是直流电分量；S是代表条纹可见度的信号分量；^是参考波束和测量波束之间的相位差；以及Aw是两个信号之间的角频率差。两者之间的干涉可以看作角频率等于角频率差Aw的差拍信号。当测量波束经历光学路径长度变化(Ac/)时，差拍信号将经历相应的相移A0-(4;rxA句//1，如图2的图解所描述的模拟结果。其中由于测量波束光学路径长度的变化，测量差拍信号103的相位描述为以A^偏移参考差拍信号105。下面呈现的本发明提供一种简单的外差式反射测量方法，针对现有技术的缺点致力于薄膜的测量。这种方法提供的灵敏度为，埃数量级的薄膜厚度测量可以准确地确定。此外，由于使用简单正弦波，可以实时地实现相移测量。通过图3A所示超薄薄膜厚度测量的外差式反射计的描述，可以更加彻底地理解本发明的这些以及其它特征。图3A是依照本发明示例性实施方式的用于测量薄膜厚度的外差式反射计的图解。为了描述本发明的特定方面的需要，在图3B中将区域301作为波束和薄膜相互作用的放大视图。外差式反射计300通常包括光学装置，用于定向入射波束303以入射角c入射到薄膜314和衬底312。波束303包括两个彼此正交的线性极化分量，具有分离的光学频率，即分离的频率分别为w和w+Aw的s极化和p极化波束分量。如这里所用的，Aw近似为20MHz，但这只是示例，在不脱离本发明范围的情况下可以使用其它的频率分隔。用于产生这个波束的光源320可以是例如塞曼分隔氦氖激光器(ZeemansplitHe-Nelaser)。作为替代，来自单个模式激光源的波束可以分割为两个分离的波束，分离波束中的一个或两个频移到预定的频率，例如使用声光调制器。然后频率分离的波束在入射薄膜314之前可以重组。使用任何适当的光学组件重新定向前面提到的光束的路径，将光束定向到入射平面内并且朝向薄膜314。如图所示，一对三角棱镜(入射棱镜332和反射棱镜334)将入射波束303定向到薄膜314并且接收来自薄膜314的反射波束305，但可选地，可以是定向光线路径同时保持波束极化的任何适当光学组件。例如，使用镜子或其它反射光学组件或者耦合到极化保持光线、其随后放置于以预定入射角发射波束的位置，光源320可以定向到入射平面内(以偏离垂直位置的入射角")。然而应当注意，与现有技术的完全对比，两个光学频率的路径沿着单一的路径与薄膜相互作用，即测量波束的s极化分量和p极化分量基本上是共线波束并且近似共轴。此外，s极化和p极化分量在薄膜314上照亮的区域在目标区域扩展范围近似相同。本发明外差式反射计的首要功能是根据所测量的相移A&确定实际的相移A0。所测量的相移A^，是参考信号/^的相位和测量信号/hst的相位之间的相位差，即根据非反射路径(参考信号)获得信号的拍和根据反射路径获得信号的拍。真实(或实际)相移A-是确定薄膜层的无错误以及准确厚度"必需的。因此，得到测量相移A&需要使用两个探测器，一个用于探测/产生参考信号/^而第二个用于探测/产生测量信号厶"。信号探测器340在反射离开薄膜314之前检测来自混合极化器354的分离波束(参考波束)304并且产生参考信号/r8f342，其是波束304相位-的指示，所述混合极化器混合波束304的s和p极化分量。探测器340可以是例如PIN(正一本征一负)探测器，或者是响应于拍频并且产生拍频为^-(w+Aw)l的参考信号力"的任何光电探测器。参考信号二f342传输到A&测量相移探测器362，在此用作确定薄膜314引起的测量相移的参考相位。另一方面，信号探测器350检测薄膜314相互作用之后、经过棱镜334传播、来自混合极化器355的反射波束356,所述混合极化器混合波束305的s和p极化分量。信号探测器350产生测量信号/het352，其指示波束356的相位0+A0，该相位以A^偏移参考信号二f的相位。探测器350可以是例如PIN探测器，监测反射光束356并且产生同样具有外差角频率Aw的外差测量信号/h"。测量信号/k和参考信号在图18中分别描述为信号曲线1802和1804，连同外差相移A么,(=AU。信号352在测量相移探测器362接收，所述探测器比较所测的外差测量信号/h。t352和参考信号/f342并且确定所测的相移A《。相移A^由薄膜314引起，相移的数值取决于多个因素，包括薄膜314的厚度、对于特定待监测薄膜的折射率"f、以及高相移情况下的校正因数。因素间的相互关系将在下面进一步详细说明。总之，根据获得自所测相移A^的校正相移A(K可以由处理器360确定准确的薄膜厚度d。然而，由于所测相移A《的固有误差，至少在较高的相移情况下，仅在对所测相移进行校正之后才可能获得准确的厚度测量。在此应当理解，数据处理系统360取决于特定的应用可以采用各种形式。通常，来自联机晶片处理的数据在电连接到反射计探测器340和350或者A&测量相移探测器362的计算机或PC上实时处理。然而依照其它的示例性实施方式，反射计系统可以预配置内部数据处理器和/或分离的固件组件，用于实时地存储和处理监测数据。依照再一个示例性实施方式，来自反射计而由数据处理系统处理的原始数据驻留在晶片处理设备上。在此情况下，晶片处理固件执行反射计的所有数据处理，包括厚度计算。因此，外^式反射计系统300描述为具有普通的数据处理系统360，其可以包括分离的固件和硬件组件。这些组件通常包括测量相移校正器366和厚度计算器368。可选地，系统360可以包括误差校正数据存储器364，其操作将在下面讨论。更特别地，A&相移探测器362接收来自相应探测器的参考信号/ref342和外差测量信号/w352并且测量两者之间的相移A么,。相移探测器362可以使用任何适当的机制，用于探测参考信号i^和测量信号/h。t上的相应点用于相位探测。然而，这些改进将关于图25和26A-26D分别讨论。虽然没有在图中描述，相移探测器362同样可以配备I/0接口，用于输入便利于信号探测的波长和/或振荡频率信息。'—旦探测到测量相移A&，转到A&测量相移校正器366用于误差校正。测量相移A《中的误差在高相移情况下可能是可估计的，但通过应用具有适当校正系数集合的多项式函数到A&可以校正误差。如通过下面对应于图7-10的讨论将显而易见，校正系数根据特定薄膜折射率导出。此外，A《校正器366需要特定的参数数据用于执行误差校正计算。这些数据包括源波长;u顶部薄膜层折射率"f、以及入射角"。a典型地设置为缺省值"=60°,而不是对于源波长和薄膜折射率"f的布鲁斯特角，其原因将在下面讨论。最后，4厚度计算器368从A^校正器366接收校正的相移A^并且计算待检验薄膜、即薄膜314的校正薄膜厚度。作为替代，d厚度计算器368可以从A&相移探测器362直接接收所测的相移A&，然后使用代数方法用取自存储器364的薄膜厚度校正数据校正所测的厚度。厚度校正误差数据、或者查找表(LUT)基于针对薄膜314的折射率预先装入存储器364。另一个可选项是在存储器364中存储校正厚度数值4的表格，其针对离散的测量相移数值进行索引。在此情况下，在从相移探测器362接收到A&时，4厚度计算器368从存储器364检索校正厚度数值并且输出该数值。本方法依赖于来自薄膜上表面的辐射的各向异性反射。因此，外差式反射计的结构最优化配置为入射角"接近布鲁斯特角。如下面将直接显示的，在特定待检查薄膜的折射率的布鲁斯特角，对于薄膜可以获得相移的最大灵敏度。在布鲁斯特角，来自薄膜上表面的反射P极化光的数量为零或者最小。从而，来自探测器350的信号/h"352含有丰富的薄膜厚度信息。然而，由于实践原因，监测系统中的光学组件可以是非永久性的配置为协同特定的处理装置(例如预置的60。入射角，仏=60°)。在这些系统中，调整入射角到准确的角度可能是困难的或者不可能的。然而，如在下面的讨论中将要显示的，所描述的本发明的一个优点是，厚度测量对于特定薄膜的折射率来说在布鲁斯特角周围宽大的范围上是高度精确的。此外，除了来自薄膜表面的各向异性反射以外，反射的各向异性还可以存在于薄膜内部以及薄膜下表面或衬底。己经假设薄膜材料和下部分界面对于s和p极化是各向同性的。然而，这个假设并非对于每种薄膜都是正确的，参见T.Yasuda等人的文章"OpticalAnisotropyofSingularandVicinalSi—Si02InterfacesandH—TerminatedSiSurfaces"，J.Vac.Sci.Technol.A12(4),1994年7月/8月，第1152页以及D.E.Aspnes的文章"Above-BandgapOpticalAnisotropiesinCubicSemiconductors:'AVisible-NearUltravioletProbeofSurfaces",J.Vac.Sci.Technol.B3(5),1985年9月/10月，第1498页。从而，在顶部薄膜和/或衬底展示出显著的反射各向异性的情况下，最佳入射角可以在垂直入射和布鲁斯特入射之间。更特殊地，在下面的的所有薄膜区域可能是反射/吸收各项异性的a)顶面；b)薄膜的介质；和/或c)底面。在薄膜的顶面，本质上由于上面讨论的原因和基本原理，其依靠在布鲁斯特角一种极化的反射优先于其它的极化，可能由于菲涅耳反射在测量信号中产生相移。一般而言，其直接应用于大多数薄膜并且提供大的信噪比。然而，薄膜表面的擦痕可能为反射的各向异性作贡献从而增强这种相移。薄膜的介质同样可以产生相移，尤其是关于铁磁薄膜、例如磁盘存储器件和铁电薄膜、例如CM0S中的电容。在薄膜的底面，即薄膜和衬底之间的分界面，除了铁磁薄膜之外，可能由晶体取向、或着色晶格结构(stainedcrystallinelatticestructure)产生相移。通过例子，己经展示出Si02/Si薄膜的下部分界面在垂直入射情况下对于s和P极化的反射是各向异性的。假设在垂直入射情况下顶面和Si02主体介质是各向同性的，可以基于薄膜厚度在测量信号中产生相移。然而，在这种情况下，相移由来自下部分解面而不是薄膜表面的各向异性反射产生。尽管在这里波束可以垂直定向到表面而不是缺省的60°角。当前描述的方法应用到吸收以及反射，而且可应用于扫描晶片以产生横过薄膜表面的薄膜厚度的地图，例如半导体晶片的表面。回到关于来自薄膜表面的各向异性反射的更一般的情况，根据下面的讨论应当理解，对于配置系统300的外差式反射计结构的入射角a涉及待检査薄膜的折射率"f和照射源的波长义并且可以随其改变。由于不同的薄膜具有不同的折射率，角度"可以相应于折射率的变化进行调整。如果希望，可以提供装置用于基于待检査的各种薄膜的折射率调整外差式反射计系统300的入射角。这可以通过使表格系统310和/或棱镜332和334可移动完成。例如，镜332和334可以配置为具有两种程度的移动，一种是在关于垂直于由波束303和305、以及薄膜314的法线构成的入射平面的轴的可旋转方向上，以及平行于表面法线的平移运动方向。作为替代，镜332和334可以具有一种关于垂直于入射平面的方向的旋转运动，那么表格组件310将具有一种在法线方向上的平移运动。后者的示例性实施方式在这里用镜332和334以及表格组件310(这里描述作表格315、薄膜314和衬底312)描述，使用假想的线指示移动。假想的组件显示重新定向到不同入射角《的入射波束303和接收反射波束305，相应于折射率"f数值的变化。然而，如上面和下面所强调的，使用缺省的入射角a=60°是有利的，超过对于薄膜和光源准确设定入射角为布鲁斯特角。转到图3B，描述了归因于薄膜314的相移A(2i的源。为了清楚，s极化分量描述为与p极化分量相分离。入射波束303包括彼此正交的s极化分量303s(具有光学角频率w)和p极化分量303口(具有光学角频率《+A)。分量303s和分量303p都以角a入射到薄膜314的法线。在薄膜314的表面，一部分波束分量303s反射为反射光线305-ls(下面称为^^:i),而波束分量303s的另一部分以折射角p折射进入薄膜314、然后反射离开衬底312并且折射出薄膜314作为折射光线305-2s(下面称为、0y))。类似地，波束分量303p分为反射光线305-lp(下面称为rlpO+A))和折射光线305-2p(下面称为》2pO+A^))。准确薄膜厚度计算的基础是优化光与薄膜的相互作用使其对薄膜厚度更灵敏，这反过来增强外差相移A《。目的是尽可能地增大相对于参考信号的外差信号相移，即增大△&。在本发明中，对于各向同性薄膜和衬底，这通过优化入射角来完成。由于反射波束由反射和折射的s和p分量射线组成，有利的是一种极化分量比另一种具有来自薄膜表面的较大部分的反射射线。因为使用分离频率的s和p极化光线用于测量，可以调整入射角"以获得这样的结果。如本领域充分理解的，通过设定入射角为源波长的布鲁斯特角，线性极化光展示出这样的结果。在布鲁斯特角情况下，实际上入射波束303p的全部p极化分量折射进入薄膜作为305-2p，而如果有的话也是非常少部分反射作为射线305-lp。相反，工作于布鲁斯特角，入射波束303s的s极化分量相当大的部分反射作为射线305-ls而其余透过薄膜作为折射射线305-2s。从而，可以调整角度"使得一种极化光分量的更多部分不发生反射而基本上完全折射入薄膜。因此在射线混合后，由于反射自薄膜表面的S极化分量的不均衡贡献，合成的波束对相移敏感。所以，应当理解，相移产生自折射分量在增加的路径距离上传播所需的时间，A"2a/A/")-sin2"。对于各向同性薄膜和衬底，对于波束303的极化分量最佳地是线性并且彼此正交，这已经在整个说明书中提到。然而，椭圆极化分量也可以产生类似的由厚度引起的相移，尽管稍有下降。因此依照本发明的其它示例性实施方式，波束303的分离频率是椭圆极化的。按照本发明的多个方面，通过使用轴外照射方法对极化信号进行外差，实现较高灵敏度的厚度确定。当反射角靠近布鲁斯特角时，本发明的这个方面依赖于来自薄膜顶面的电磁辐射的各向异性反射。使用这种方法胜过现有技术公共轴线或者垂直轴方法的原因将在下面直接提出，但应当承认，在衬底在垂直入射时展示出显著的反射各向异性的情况下入射角可以是垂直入射。对于单薄膜层，s极化反射可以写为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>类似地，P极化反射确定为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>其中5="^V"2-sin2axJJ是归因于薄膜厚度的相移；or是入射角？"是薄膜的折射率；以及d是薄膜厚度。当两种极化分量混合后，由探测器检测的合成幅度反射率可以写为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>功率反射比为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>V是来自探测器的混合幅度反射率；以及&*是^的复共轭。在等式(5)中代入等式(2)、(3)和(4)之后，可以表示为-^」d+《+2,1Acos2^!《+4+2riPcos,c#1+《+2仏cos251+々2;+2。,2/7cos25_2[(1+a6)g+6c+a"(1+a6)/]cos(Afirf)_+1+"2+》2+2aZ+a2Z>2+203+6+o2Z)+fl!Z)2)cos2(5+2o6cos4<52[ag+(l+aZ))c+a/]cos(A纽+2J)+1+a2+62+2aZ>+a262+2(a+6+a26+a62)cos25+2a6cos45⑥_2[>g+(1+。6)d+6/〗cos(A纽-2J)_+1+a2+62+2a6+a2Z2+2(a+6+a26+a62)cos25+2a6cos452accos(Aarf+4。+_cos(Aatf-4。_+1+a2+Z2+2fl*+a262+2(a+&+fl2&+a&2)cos2^+2aZcos4<J等式(6)的前两项代表s和p极化光线的标准外差反射比。对于给定的波长和薄膜厚度，这些项为功率反射比提供时间不变量(dc)。后面的五项代表极化混合器处s和p极化光线的相干增加产生的外差反射比。第三项的相移仅由AW确定而不受厚度变化的影响。另一方面，包含cos(A纽士2。和cos(AM士4。的项随着薄膜厚度的改变可以改变拍动信号的相位。在典型的外差式干涉测量法中，测量的相移直接与路径长度或者厚度变化成比例。然而，由于等式(6)的非线性特性，测量的相移可能仅是厚度变化的指示而非其直接度量值。有趣地，+<和-(5对相移都有贡献。从而对于任意厚度变化，零相移出现在垂直入射。这由模拟的结果验证。对其的理解可以通过认识到在垂直入射(即现有技术中的公共轴线入射)，cos(AW+2。的系数和cos(AW-2(5)相同，而cos(A^+45)的系数和cos(A纽-4。相同。因此一方产生的相移被另一方平衡。图4是强度一时间曲线图，对应于垂直入射(a-0.0。)情况的模拟结果。根据图解显而易见，对于100nm的薄膜，测量信号402的曲线与参考信号、参考信号曲线404对齐，即在垂直入射时对于100nm的薄膜测量信号和参考信号是同相的。此外，待测薄膜的厚度不改变这一结果。注意到类似于100nm薄膜，对于50mn薄膜测量信号406的曲线也与局部参考曲线404同相，即在垂直入射时对于50mn薄膜测量信号和参考信号同相。对比于垂直入射模式，在轴外模式下两对系数(cos(A纽i2。和cos(A纽土45))是不同的。因此，使用外差式反射计可以在各向同性材料中探测和测量由厚度产生的相移。图5是强度一时间曲线图，对应于20.0°入射角(《=20.0°)进行模拟的结果。对于这个图显而易见，对于100nm薄膜测量信号曲线504以A0(-A^)相移离开参考信号、参考曲线502。然而在入射角"=20.0°,对于lOOnm的厚度变化相移A0是非常小的。因此，外差式反射计的配置应当向着对厚度更敏感的方向优化，以便于更加有用于实时的薄膜厚度/变化监测。如果入射角是对于顶部薄膜的布鲁斯特角，那么、将近似为零。换句话说，通过选择入射角为布鲁斯特角，仅有s极化分量被反射。P分量的大部分将折射入薄膜，并且在薄膜衬底分界面上反射。关于等离子体蚀刻或者沉积过程，布鲁斯特角确定为arctan(/)，其中是处理腔内气体的折射率，而是顶部薄膜层的折射率。在此情况下，等式(5)可以改写如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage25</formula>在上面的等式中，具有相位信息的外差项归因于项的相干增加，包括&(w)和^(必+Aw)。这在某种程度上类似于经典的外差式干涉计，而没有关于参考波束从测量波束分离的噪声。图6是强度一时间的曲线图，对应于60°入射角(《=60.0°)情况下对两种不同薄膜厚度进行模拟的结果(在此应当理解，入射角a设定为60.(T，虽然大多数情况下布鲁斯特角可能接近57°)。从图中注意到，对于100nm薄膜的测量信号602和对于50nm薄膜的测量信号606都显著地相移离开参考信号、局部参考信号曲线604，并且彼此分开。与图5的比较显示，对于60°入射角的观测相移显著地大于对于20。的入射角。包含(A纽-。的项的消除似乎使得该技术对于厚度变化更加敏感。—旦外差式反射计的配置朝向对厚度更加敏感进行优化，可以建立根据相移A^确定厚度的计算。在经典的外差式干涉计中，相移被测量，并且波束路径差的相应变化△t/可以使用下面的表达式计算A—47rxAd/;i(8)是测量信号/h"相对于参考信号/f的相移，Arf是相应的波束路径差；以及义是外差式照射源的波长。从而△aT=/^;i/4;r(9)2;r在外差式反射计中，由于A^-23，并且^"2-si""，薄膜的厚度义可以通过下面的等式得到(10)、4ttxV"2-sin2a,在使用等式(6)模拟时，产生相应于薄膜厚度从0到lOOnm(lOOOa)的外差反射信号。然后关于参考信号估计每个信号的相移A-。根据所估计的相移，使用等式(10)预测/计算薄膜厚度的相应数值。然后所测量的厚度与输入厚度相比较。测量厚度和输入(已知)厚度之间的差是测量相移A&中的误差的函数。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage26</formula>(11)A^是测量信号Ihet相对于参考信号Iref的相移，"是根据测量的相移A&估计的薄膜厚度；"是薄膜的折射率；"是入射角；以及2是外差式照射源的波长。图7是所估计的薄膜厚度和实际薄膜厚度之间的比较图，关于60°的入射角。根据比较曲线702可以理解，对于直到大约300A的薄膜厚度，预测厚度与输入厚度充分一致并且曲线702相对为线性。超出300A的厚度，预测数值中的误差随着厚度的增加以非线性比率增加。图8中描述了误差和输入厚度的对比，误差曲线802描述薄膜的实际厚度和测量厚度之间的误差量。根据图6和7应当理解，直到300A的误差量为零或者是可以忽略的，但是在超出这个界限时误差增长迅速。然而，这一误差可以量化并且可以构造误差计算以将其消除。一种抵消误差的机制是通过对误差曲线802进行高次多项式函数拟合。通过使用由实际薄膜厚度和估计厚度推导的多项式函数的系数，这些厚度根据测量相移A《和实际相移A^计算，可以确定厚度计算中的误差。然后，只需通过将多项式误差函数包含在厚度计算(即校正测量相移A&)中，可以获得薄膜厚度(即实际的薄膜厚度)的估计数值。作为替代，根据相移测量获得的估计厚度数值可以通过代数运算直接将厚度误差校正值加入估计厚度来进行校正。图9和10示范了误差计算的有效性，用于对60'的入射角确定薄膜厚度。曲线902显示对于632nm的激光器，误差校正之后估计的厚度直到700A都非常准确，而直到900A范围仍然很好。仅在估计厚度数值超出900A之后，误差校正失败。从图10中的曲线1002可以看出，对于404nm激光的误差校正在超出900A的厚度屏障时仍然保持准确，该屏障对应于使用632nm激光进行的测量。根据上面的讨论显而易见，当顶部薄膜层的折射率"f已知时获得薄膜厚度的最准确数值。根据上面展示的模拟结果已经示范出，恰当配置的外差式反射计在确定低于200nm范围的薄膜厚度中非常有用。通过对根据相移计算的厚度确定误差校正，在薄膜厚度大于300A情况下可以获得准确的厚度结果。依照本发明的一个示例性实施方式，预先确定厚度/相移的误差校正。使用预定的校正，薄膜厚度的后续现场监测在晶片处理过程中可以获得实时的、准确的厚度。图11是确定相移校正多项式函数系数的过程流程图，用于确定依照本发明示例性实施方式的外差相移测量。过程开始于选择若千校准晶片，其具有单一的已知折射率/7f以及多个已知厚度^h(步骤1102)。折射率是公共因数，因此厚度误差校正多项式函数的系数将是特定折射率的。每个校准晶片的折射率应当完全等同于生产流水中顶层薄膜的折射率，以保证准确的厚度计算结果。通常，可以获得具有多种折射率和薄膜厚度的单层NIST可示踪氧化物晶片(traceableoxidewafer)用于此目的，但任何具有已知薄膜厚度和共同已知折射率的晶片就足够了。对于典型的晶片蚀刻或者沉积过程，所选校准晶片的薄膜厚度应当以5A为增量、从10A到100A的范围。然后，基于校准薄膜的已知折射率和照射源的波长调整外差式反射计系统的入射角"(步骤1104)。最佳地，入射角应当设定为尽可能地接近薄膜折射率的布鲁斯特角。然而，特定的监测系统可能是非可配置的，但预先配置为缺省的入射角，例如《=60°，从而无法调整入射角为布鲁斯特角。尽管如此，已经发现很多可商业获得薄膜的布鲁斯特角在缺省入射角"=60°的几度的范围内(典型地稍小于6『)。因为很多系统预配置为缺省角度，源于信号的任何附加的误差都是可忽略的。因此，有利的是在预定缺省角度、例如a-60。推导多项式函数的系数，而不是准确的薄膜布鲁斯特角。在此情况下，系数将适合于具有缺省入射角"=60°的预配置系统，并且那些可配置系统可以简单地具有调整为60°缺省值的入射角，虽然其稍大于薄膜的布鲁斯特角。应当理解，厚度测量误差在相当程度上更多来源于不正确地入射角调整、或者使用入射角的不适当多项式函数，而不是偏离薄膜的布鲁斯特角几度入射。操作中，分离频率极化波束反射离开外差式反射计系统中的薄膜，导致对于每个j晶片产生外差测量信号以及参考信号/f(步骤1106)。测量信号将相对于参考信号发生相移，相移的量和薄膜厚度相关。对于每个j校准晶片根据参考信号i;。f的相移和测量信号厶t的相位探测测量相移A-"'W(步骤1108)。使用所测量的相移信息，可以确定6次多项式函数的系数，这些系数和根据测量相移A&W估计的厚度的误差有关，而所述相移对应于已知的厚度^W和已知的折射率77f(步骤1110)。这可以通过使用相差算法、例如等式(ll)并且根据薄膜的己知厚度fl^-j和已知折射率"f确定实际的A^完成。从而，6次多项式函数可以应用于所测的相移，用于校正A&中的固有误差从而确定校正的薄膜厚度。实质上，误差校正多项式函数可以用在获得准确薄膜厚度的至少三种方式之一。首先，多项式函数可以直接装载在数据处理系统上而和厚度计算一起执行，用于根据所测的相移A&对所估计的厚度进行误差校正。作为替代，多项式函数可以用于和厚度计算相结合，用于事先产生一组厚度误差校正，其被编译到表格中并且和离散的测量相移A&数值相关联。可选地，误差校正厚度的数据集合可以使用多项式函数和厚度计算产生，替代厚度误差校正，并且同样在表格中以离散的测量相移A&数值为索引。如果厚度误差校正的表格编译完成，在操作过程中数据处理器根据测量的相移A《计算所测的厚度，然后使用来自表格的适当厚度误差校正来校正A&中的误差。作为替代，如果误差校正的厚度数据将被使用，数据处理器仅对获得自信号的每个测量相移从表格中取得误差校正的厚度测量，从而消除了数据处理器执行厚度计算的必要性。在此还应当理解，在一个物理机器上产生的校正系数可能无法很好地转移到另一台设备，即误差校正的准确性可能在一定范围上受损，即使两台设备配置完全相同。换句话说，对于相移误差多项式产生的系数可能至少部分地是限定于设备的。因此理想的是，八《应当获取自用于测量薄膜厚度的同一个设备。尽管如此，对于特定的生产器具，系数集合的适当性可以通过测量一组检验晶片的薄膜厚度来验证，每个具有薄膜的检验晶片具有共同的折射率和在待监测薄膜范围内的已知薄膜厚度。检验晶片的折射率应当类似于待监测薄膜的折射率。过程结束于，在开始生产流水之前6次多项式函数被读入数据处理器的RAM存储器，在此其在薄膜厚度计算中被执行，用于为每个测量A^获得实时校正A^，误差校正厚度产生于此(步骤1112)。作为替代，6次多项式函数可以保存作将来使用。由于误差校正厚度结果产生的系数集合的准确性取决于折射率"f和测量校准晶片的设置参数(即源波长A和入射角")，索引信息应当保留相应的校正系数。可选地，具有厚度误差校正或者误差校正厚度的LUT直接存储在或者装入存储器中用于立刻使用(步骤1112)。关于误差校正多项式，参考折射率系数和配置参数应当和LUT—起存储。如上面刚提到的，预计在很多情况下外差式监测装置不是可配置的。在那些情况下，必须基于预先设置在特定装置上的折射率和配置参数确定恰当的多项式函数。虽然预计很多监测系统使用惯用的数值进行预配置，即"-60。以及^-404nm或者632nm，同样可以存在其它数值。为此目标，具有多个可获得校正系数的集合是有益的，这些校正系数适用于非惯用的配置参数数值，这将相当大程度上为那些系统增加外差式反射测量法薄膜厚度测量过程的适用性。因此关于替代的示例性实施方式，对于使用可配置监测系统的特定折射率和配置参数数值范围，例如波长和入射角，可以预先产生对于多项式函数的多个校正系数集合。这可以通过重复执行图ll流程图中描述的校正过程并且重新设定"不等于薄膜布鲁斯特角来完成(参见步骤1104)。关于每个折射率，可以为每个配置参数数值的结合确定各自的校正系数集合。在开始生产流水之前，通过测量/验证一组检验晶片上的已知厚度，必须验证在特定物理装置上使用中系数集合对于特定生产应用的适用性。在类似情况下，通过在校准过程中使用具有不同波长的光源进行重复操作，可以对各种源波长产生多组校正系数。从而，当前描述的发明可以适用于多种系统配置而不损失厚度测量的准确性。本发明便于在工作中使用误差校正厚度等式的高准确度薄膜厚度计算。如上面简要讨论的，本发明一个特别有用的应用是在晶片蚀刻、沉积或类似过程中获得实时的薄膜厚度结果。图12A和12B是过程的流程图，用于依照本发明示例性实施方式根据外差式反射计信号获得高准确度的薄膜厚度测量。该过程开始于对晶片、例如生产晶片的顶部薄膜层确定初始折射率"f(步骤1202)。然后，确定适用于薄膜折射率/7f的6次多项式函数系数集合，并且函数装载如系统RAM中(步骤1204)。如果系统预配置为预定的入射角，由于系统的入射角不能调整，还必须基于参考入射角选择校正系数的集合。多项式函数用于校正测量相移A&中的误差，该测量相移一旦经过校正，可以用于计算准确的薄膜厚度gU然而，通过上面讨论的两个基本过程之一通常可以确定获得误差校正薄膜厚度"使用多项式函数即时确定校正的薄膜厚度；或者通过为查找表预计算厚度误差校正或校正厚度数值。所述厚度误差校正用于校正获得自所测相移A<的测量厚度数值"。作为替代，校正的厚度数值可以简单地基于所测相移在表中查找。在较后的情况下，对于薄膜折射率/Jf适当的校正数据LUT装入系统存储器(步骤1204)。假设外差式反射计监测系统是可配置的，那么基于参考函数的配置参数(即光源波长A和入射角")对系统进行配置(步骤1206)。—般认为，典型的生产流水包括多个处理晶片，每个具有相同的薄膜折射率，从而在典型的生产流水中前面描述的步骤对于后续的晶片不需要重复。此时可以进行厚度测量。将晶片装载到反射计工作台上(步骤1208)并且使用上面关于图3A的说明所描述的波束进行照射。反射的参考波束和来自薄膜层的测量波束被检测并且分别转换为参考信号/w和测量信号/^。信号i^和/Mf在(测量相移)探测器A^接收(步骤1210)，该探测器根据信号的相位确定测量相移A^'(步骤1212)。然后，使用具有校正系数的多项式函数校正A&的误差(步骤1214)。使用校正后的相移A^，使用标准的厚度计算、例如等式(10)可以确定校正的厚度4(步骤1218)，并且输出用于例如端点算法(endpointalgorithm)。回到步骤1212，如关于步骤1204所提到的，可以在厚度计算中替代使用测量相移A&，但误差将被带入结果、即测量厚度^中。这一厚度误差可以通过对oL应用厚度误差校正进行消除(步骤1216)。在此情况下，厚度误差校正数据集合将已经被装入存储器，并且基于测量相移A&获取需要的离散厚度校正数值，然后输出校正薄膜厚度d(步骤1218)。仍旧作为替代，误差校正厚度数据的集合可以装入存储器，基于离散的测量相移从中获取厚度数值。从而，由于厚度数据已经进行预处理并且以测量相移数值为索引，所以不需要执行厚度计算。假设处理没有停止，流程从步骤1210进行重复直到对晶片完成所有的厚度测量(步骤1220)。一旦完成，可能针对另一晶片进行检査(步骤1222)。如果没有其它晶片需要处理，则过程结束，否则相对于前一个晶片的折射率检查新晶片上薄膜的折射率(步骤1224)。如果两者匹配，处理开始于将新晶片装载到反射计工作台上(步骤1208)然后由此继续。因为折射率没有改变，校正多项式和系统配置都不变。然而如果新晶片和前一个晶片的折射率不一致，那么当前的校正系数集合是不恰当的，并且选择不同的校正多项式函数。如果反射计系统是可配置的，应当将反射计系统对新的折射率进行重新配置。从而，过程再次开始于步骤1202。无论何种情况，测量过程如上面的描述继续，直到对流水中的最后晶片进行了最后的厚度测量。然后过程结束。上面的讨论主要集中在单层的薄膜应用上。然而如下所示，所述的误差变换可以延伸到多层。虽然最初假定更复杂的层叠可能需要两种激光波长，进而需要两种各自的厚度校正以准确地估计感兴趣厚度间隔的厚度。下面给出对小于2000A薄膜厚度的监测测试结果。图13是具有沟槽的多层堆叠的图解，类似于申请人在测试方式中所仔细检査的。构造1300总的来说包括光阻(photoresist,PR)层1314、底部抗反射涂覆(bottomantirefelctioncoating,BARC)层1316、氧化层1318和硅衬底1312。为了模拟，构造1300分割为两个区域A和B。区域B代表构造1300中通道1320横穿PR层1314和BARC层1316、从而暴露出氧化层1318表面的那个部分。区域A是构造1300中暴露PR层1314表面的部分。使用特征矩阵方法可以计算两个区域的幅度反射率。由于本发明的外差式反射计使用空间相关波束，这些反射率被相干累加以便于计算构造1300的功率反射率。PR层1314的厚度从零到2000A变化，而另外两个层的厚度保持常数。当区域A中PR层1314的厚度变化时，区域B中沟槽1320的深度相应变化。如上面所提到的，预计通常情况下需要两种激光波长(^)的外差式反射计，用于在使用对应于所选相应波长的布鲁斯特角的入射角时估计感兴趣的厚度间隔。所使用的激光光源具有632nm和404nm波长。通过针对感兴趣厚度间隔仔细选择最佳的波长，可以根据差拍信号的相移准确地预测顶层薄膜的厚度。图HA—14D是所预测厚度的曲线图，所述预测厚度在0—2000A厚度间隔上是输入厚度的函数。从图中可以发现，入射角设定为顶层薄膜的布鲁斯特角，使用^=632nm的源可以准确地预测0A—900A和1600A—2000A的厚度间隔，但无法准确预测范围在910A—1590A内的厚度。对于这个厚度间隔，使用^-404nm的源(参见图14C)来获得满意的厚度测量准确性。从而，使用布鲁斯特角作为入射角，可以理解需要两种波长来准确地预测沟槽、多层堆叠结构的厚度。两种独特的波长需要两种各自的误差校正方案，其需要四组多项式系数来准确预测厚度。然而，进一步的计算机实验表明入射可以设定为这样的角度，在此角度可以仅使用单个激光波长、即632nm在整个厚度范围0—2000A上进行预测。对于所测试的薄膜样本，入射角根据实验确定为60°,使用具有632nm波长的光源(顶层薄膜对于该源波长的布鲁斯特角为57.38。)。因此仅需要一种算法，仅具有两组多项式系数。预测厚度和输入厚度在0A—2000A范围上的比较结果可以参见图15A和15B。因此，依照本发明的示例性实施方式入射角"预定为60。，从而消除了对两种波长配置外差式反射计的需要。当前描述的发明提供一种简单的机制和方法，使用外差式反射计实时确定超薄薄膜的厚度。然而，如相关技术中了解的，传统的厚度计算高度依赖于具有目标材料折射率的准确数值。这使得在半导体晶片处理过程中实现准确的厚度存在困难，因为顶层薄膜的折射率随着过程的进展经常漂移或改变，从而为厚度计算引入附加的误差。依照本发明的另一个示例性实施方式，外差式反射计结合光栅干涉计用于同步确定薄膜的厚度和折射率。而且，使用光栅干涉计的信息获得折射率，并且使用折射率实时地动态更新厚度计算。根据下面讨论的系统和方法的描述，可以理解本发明的这些以及其它方面。图16是依照本发明示例性实施方式的外差式反射计和光栅千涉计结合的图解，使用薄膜折射率的动态更新数值获得误差校正的薄膜厚度。外差式反射计/光栅千涉计系统1600(HR/GI1600)在很多方面类似于上面关于图3A所讨论的外差式反射计系统300，因而仅详细讨论两个实施方式之间的区别。图中一个明显的区别是，冊/GI1600进一步细分为具有探测器1611的外差式反射计子部分1670、和具有零阶波束探测器1612和一阶波束探测器1623的干涉计子部分1680。外差式反射计子部分1670功能与上面的描述完全一致，探测器1611产生测量信号/w而探测器1610产生参考信号/f(探测器1610、1611和探测器340、350相互关联，类似的还有信号1620和342、以及信号1621和352)。测量信号A。t和参考信号i;。f分别图形描述为图18中的信号曲线1802和1804,以及外差相移△0to。测量的外差相移A^由如上所述的A^探测器362探测，但为了清楚起见将其称为，同样还将讨论测量光栅相移A(V加。另一方面，光栅干涉计子部分1680使用具有间距"p"的光栅1630，用于将波束1640衍射入多个衍射带，明亮的中心带(零阶射线1642)外侧为多个高阶衍射带(一阶、二阶、三阶等等衍射带)，其中仅使用一阶射线1643。光栅的间距本质上基于满足三个要求对于所选波长A的布拉格衍射条件；厚度测量的动态范围；以及光栅干涉计分辨率。简单地参见图7A和17B可以看出光栅1630的操作原理，从那里可以理解，至少一部分衍射光束以附加的数量相移离开参考信号，即两个分离的相移。为了清楚起见，s极化分量李这些图中描述为和P极化分量分离。来自薄膜3U相互作用的第一相移结果完全如上面的讨论。入射波束303分离为反射射线305-ls和折射射线305-2s和305-2p,由衬底对每个折射射线反射，并且反射射线以垂直距离x彼此分离，其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage33</formula>;c是相邻射线之间的垂直距离；力是薄膜厚度；/是薄膜中的折射角；"是入射角；以及是薄膜的折射率。第二相移仅出现在来自衍射光栅1630的衍射光带、射线1643，进而仅在一阶衍射带(包括衍射射线1643-ls、1643-2s和1643-2p)上观测。在那里，由衍射光栅1630基于相干累加产生的一阶射线，即射线1643-ls、1643-2s和1643-2p，展示出由光栅引起的相移&，其对应于路径差PD,定义为尸Z)是相邻一阶衍射射线之间的垂直距离；m是对应衍射带的整数常数，而对于一阶带m-l;义是外差照射源的波长；以及p是薄膜中的折射角。由于零阶波束1642没有衍射，而是不发生变化地直接通过衍射光栅1630,和光栅1630相互作用产生的相移^_,仅可见于一阶射线1643-ls、1643-2s和1643-2p(再次说明这是因为入射角选择为接近布鲁斯特角(缺省入射角《=60°)，由于^0y+Aw)a0,缺少反射射线305-lp即BS1632后的1640-lp)。同样如上面提到的，射线305-2s和305-2p上归因于薄膜的相移是2^e,。因此，光栅处的总相移为&,，射线1643-2s和1643-2p上一阶折射为2&,，其中^^^+^。回到图16，光栅干涉计子部分1680使用探测器1612和1613产生两个分离的信号，分别对应于零阶衍射波束和一阶衍射波束。由于来自光栅1630的零阶射线1642没有发生衍射，其相位没有被光栅1630改变。从而，探测器1612产生外差测量信号U622，测量信号厶。t的相移相对于来自探测器1610的参考信号二f保持为原来的A^。因此由于实践的关系，路径356和探测器1611可以省略，BS1632同样如此。相反，来自光栅1630的一阶射线1643发生衍射，由傅立叶移位定理(Fouriershifttheorem)产生源于光栅的附加相移&w。探测器1613产生来自一阶波束1643的光栅信号/w1623。以根据信号厶"和i;。f探测A^^完全相同的方式，根据信号探测测量光栅相移A^h。如上面讨论的，信号/h。t和^f之间的测量相移Al,。,提供关于薄膜光学厚度的信息。另一方面，信号/w和厶"之间的光栅相移A^自提供在薄膜折射率77f的确定中有用的附加信息。从而，可以根据信号二f、i^和^获得薄膜的折射率"f。探测器362从相应的探测器接收参考信号/rrf1620以及测量信号/het1621或1622,并且探测/测量两者之间的相移A^自。如上面某处所讨论的，测量相移A^自应当在使用例如多项式函数进行厚度计算之前进行误差校正。因而，A^^校正器366200680006135.2说明书第25/35页从A么^探测器362接收测量相移数值deltaphinctm并且应用误差校正算法。然后校正后的相移A么e,传给d计算器368，而且由于下面将立即进行讨论的原因，还传给/7f计算器1696。探测器1690从相应的探测器接收光栅信号/SI1623以及测量信号/het1621或1622，并且探观I/测量由光栅自身在光栅信号A1623上产生的相移，即在光栅信号/CI1623和测量信号A。t1621、或者1622之间的探测。测量信号i^和光栅信号/分别图形描述为图19中的信号曲线1802和1902，以及外差相移A^w。本发明的一个特征是使用薄膜折射率的更新校正数值实时地动态更新厚度计算的能力。从而，在生产过程中可以获得非常准确的薄膜厚度，其独立于薄膜折射性能的变化。折射率的变化可能源于过程自身折射率A的变化，例如在栅极加工过程中Si02的氮化以形成高k值SiON。待检验薄膜的折射率可以根据相移A^^和相移A《f,确定。然而，类似于测量外差相移A^^,由A^^探测器1690探测的测量光栅相移A《,具有固有的误差，必须在进行折射率计算之前进行校正。然后经过校正的光栅相移A(^传送到A计算器1696。刀r计算器1696使用单独的函数确定/7r(例如下面的等式(24))，然后将其传送到4计算器368。例如上面由d计算器368使用的等式(IO)，薄膜厚度计算使用A计算薄膜厚度4。作为替代，薄膜厚度4可以根据实际校正光栅相移A(^,和校正外差相移A(^获得。在此，正如"计算器370，相移A《接收自校正器1692而A0to接收自校正器366。例如上面由4计算器370使用的等式(23)，薄膜厚度计算独立于^计算薄膜厚度d。装置配置为具有接近布鲁斯特角的入射角"("=60°)。在这个角度，有最少的、或者没有p极化光从薄膜的顶面反射。这使得来自探测器1611的测量信号/hst1621含有丰富充足的薄膜厚度信息。对于Si衬底上的薄膜，来自探测器1611的测量信号/het可以表示为<table>tableseeoriginaldocumentpage35</column></row><table>其中"=尸力，，Z>=r1;/2/7，c=^r2,d^r,/^,/="2/2;7，g:/y^以及&,=,7^^^是需要被测的相移，以便于计算薄膜厚度。对于lnm义的SiON薄膜，其为25mrad。在等式(14)中，具有相位信息的外差项源于包括^(w)和^O+A0)的项的相干累加。根据等式(18)求取薄膜厚度信息的方法将另行说明。光栅干涉计的目的是提供测量薄膜相位/厚度的替代性方法。通过将这一测量和外差式反射计的测量相结合，可以确定薄膜的折射率。按照对外差式反射计的分析，可以理解对于来自光栅干涉计的一阶波束的下述等式。对于单层薄膜堆叠，s极化反射可以使用下面的等式描述—+《(15)对于p极化反射为等式rp=lp2p16)其中=[一V"2-sin2axrf+—^—~〈~xd]。对于一阶波束为义Z7Vw"—siiTa2W以及附-i当两种极化分量混合后，探测器检测的合成幅度一反射可以写为rG/=(W+。e'(一)')xC0S45°(17)接下来功率反射可以表示为及g,=~/x~/*x(cos45。)2(18)在等式(18)中代入等式(15)、(16)、和(17)后，在探测器1613处来自布鲁斯特角的Rd的信号1623可以表示为rj+r22'+cos2<5G,2/cos(厶&)01+S《+2c2icos2(5^11++2acos25G/2[c+q/"]cos(Afi^+2<5G/)2accos(A奴+4<5G/)H--j--1--^-1+a+2<3Cos2<5G/1+a+2flcos2<5G,xZ)五(19)其中DE是一阶波束的衍射效率，以及:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage37</formula>等式(14)是来自探测器1611或1612的测量信号i^的代表。在光栅干涉计1680中，通过监测测量信号1622/h。t和光栅信号1623/e,的零点交叉，可以确定光栅产生的相移&rt。光栅产生的相移(^,还可以根据其它已知的相位测量技术探测。通过比较参考信号1620T^和测量信号1621或1622_/^的零点交叉，可以确定超薄薄膜产生的相移AAe,。外差相移A&,还可以通过其它已知的相位测量技术探测。这个外差相移可以表示为(21)根据测量信号1621或1622i^和光栅信号1623可以独立于A^,确定光栅产生的相移A(z^。光栅相移可以表示为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage37</formula>示为—sma通过将等式(21)乘以等式(22)并且经过一些简单的代数运算，物理厚度可以表咖示为、16;rsinaxcosa通过将等式(21)除以等式(22)并且经过一些简单的代数运算，折射率"可以表△a_I-sinaxcosa(24)从而，当前和光栅干涉计(GI)结合的外差式反射计(HR)可以用于在计算器370中独立地确定薄膜的物理厚度4和折射率/7f，如图16所示，计算器370产生的4输出371独立于计算器368产生的"输出369。这个特征在栅极绝缘层度量中尤其显著，其中薄膜经历折射率变化以及厚度变化。例如，在高k值栅极氧化物加工过程中，绝缘层薄膜经历光学厚度变化。这种变化的一部分归因于薄膜的增长，而另一部分归因于其折射率变化。能够分离这两者对于过程控制是重要的。现有技术无法从测量中独立地将两者相分离。当前的过程37克服了这个缺点，因为使用光栅产生的相移A(^可以独立地确定薄膜厚度4和薄膜折射率A,而相移A《"可以独立于外差相移A(^,进行确定。折射率计算需要准确的外差相移信息A^。,，以及准确的光栅相移信息^^，因而应当推导校正算法用于校正每个测量值。上面参考图11所示的流程图已经讨论了根据已知薄膜厚度和已知衍射率的校准晶片获取外差相移校正算法的过程。图20描述了对于具有间隔P的光栅、根据已知薄膜厚度和已知衍射率的校准晶片推导光栅相移校正算法的过程，作为获取相移校正算法的同步过程。从而，过程开始于选择具有单个己知折射率A和多个已知厚度^卜j的校准晶片(步骤2002)。如果需要，基于已知折射率/7fk和外差源波长;i针对入射角a调整外差式反射计系统(步骤2004)。作为替代，入射角a可以设定为预定的缺省值，例如《=60°。在这一点上，同样注意到了光栅的间隔p。在操作中，分离频率极化波束反射离开外差式反射计系统的薄膜，结果对每个j晶片产生外差测量信号/het和光栅信号id(步骤2006)。这些信号和校准晶片的已知薄膜厚度一起用于确定对于测量外差相移A0tem的多项式函数的一组校正系数，以及对于测量光栅相移A&自的多项式函数的另一组校正系数。对每个j校准晶片根据参考信号/r。f和测量信号/h"探测测量外差相移A^自(步骤2008)，然后将其用于六次多项式函数的系数确定，该多项式函数有关于测量相移A《w中的误差(步骤2010)。以类似的方式，对每个j校准晶片根据测量信号厶"和光栅信号/w探测测量光栅相移A^rt,(步骤2012)。然后根据已知的折射率A和多个已知的薄膜厚度^w可以计算实际的光栅相移A《^力(如上面等式(22)所示)，然后将其用于推导六次多项式函数的一组系数，该多项式函数有关于测量相移A《mW中的误差(步骤2014)。重要的是，校正光栅相移A(V,和校正外差相移A^,将用于确定薄膜的折射率/7f(例如使用上面的等式(24))。然后可以使用来自校正相移的折射率A动态地更新薄膜厚度计算。从而，用于校正测量外差相移A^自的多项式函数的那组校正系数和用于校正测量光栅相移A^^的多项式函数的第二组校正系数连同校准晶片地参考折射率和配置参数一起存储。本发明便于借助使用误差校正厚度等式即时地计算高准确度的薄膜厚度，所述等式对于薄膜层中折射率地变化动态更新。从而，晶片处理过程中折射率的变化将不会影响薄膜厚度结果的准确性。下面给出一种示例性方法，用于在厚度计算过程中动态更新折射率。图21A和21B是依照本发明示例性实施方式根据外差式反射计信号获得校正薄膜厚度的过程流程图，其中厚度计算的折射率分量进行动态更新。过程开始于针对晶片、例如生产晶片的顶层薄膜确定初始折射率A(步骤2102)。使用该折射率，针对测量信号的误差校正确定两个适当的多项式函数并且装入系统RAM(步骤2104)。确定具有一组适当校正系数的第一多项式函数用于校正测量外差相移A(^^中的误差。确定具有一组适当校正系数的第二多项式函数用于校正测量光栅相移A0^,中的误差。对于测量外差相移A么自的多项式函数，其外差校正系数用于根据测量外差相移A^自确定校正的外差相移A^^，然后将其用于产生准确的薄膜厚度。相反，对于测量光栅相移误差的多项式函数，其光栅校正系数用于根据测量光栅相移A^自确定校正的光栅相移A(^,，然后可以将其与校正的外差相移A^^结合用于产生准确的薄膜折射率"f。由于厚度计算的准确性决定于折射率的准确性，这个新的折射率用于动态地更新薄膜厚度计算、例如厚度等式(10)中的折射率项(步骤2106)。由于单个处理过程中晶片的薄膜折射率通常保持常数，所以在典型的生产流水中这个步骤不需要针对后续的晶片重复。现在可以使用动态更新的折射率进行厚度测量计算。将晶片装载到反射计工作台上(步骤2108)并且进行照射。来自光源的参考波束以及来自薄膜层的测量波束和光栅波束被探测并且转变为参考信号二f、测量外差信号/h。t和光栅信号l。在A^^外差相移探测器接收外差测量信号i^和参考信号厶f，同时在A&自光栅产生的相移探测器接收外差测量信号/w和光栅信号/w(步骤2110)。A么自探测器根据/,。f和i^信号确定A么自(步骤2112)。对A么^使用误差校正多项式函数，将测量外差相移A^自校正为A(^,(步骤2114)。虽然相对于现有技术的方法，对测量外差相移A^自的误差校正极大地增加了厚度测量的准确性，在处理过程中可以通过动态更新变化或漂移的薄膜厚度计算中的参数来达到更高的准确性；其中最重要的是薄膜的折射率。从而在并行操作中，A^，，探测器根据/w和/w信号确定A^自(步骤2116)。然后对A《自使用误差校正多项式函数，将测量光栅相移A-一，校正为A《rt(步骤2118)。通过具有实际的校正光栅相移Aj^,和校正外差相移A5^,，使用折射率计算式、例如等式(22)(以及其它必要信息，例如源波长信息A、入射角"和间距p)可以确定折射率的工艺数值(步骤2120)。然后可以将更新的折射率用于对薄膜厚度计算中的折射率参数实时地进行动态更新(步骤2120)并且从中(当然还要使用源波长信息义和入射角a)获得薄膜厚度oK步骤2124)。然后4可以输出用于例如端点确定(步骤2126)。作为替代或者同时，在步骤2118薄膜厚度^可以使用上面的等式23(以及源波长信息义和入射角a)直接通过实际校正光栅相移A和校正外差相移获得(步骤2123)。由光栅干涉计子系统产生的4数值然后可以和由外差式反射计子系统产生的d数值进行比较，作为质量保证证明和/或直接用于例如端点确定(步骤2126)。对于当前晶片，流程从步骤2110不断重复直到过程停止(步骤2128)，在这一步中可能针对初始折射率检验另一个晶片(步骤2130和2132)并且测量过程如上面所述继续进行，直到流水中最后一个晶片的最后厚度测量完成。然后过程结束。依照本发明的再一个示例性实施方式，通过将反射波束重新定向以入射角"再次返回目标薄膜来增强测量信号A"。这种双倍路径方法具有优点，可以很好地抑制上面讨论的单倍路径方法中来自薄膜表面的P极化光。图22是依照本发明示例性实施方式的外差式反射计和光栅干涉计结合的图解，其中通过将反射波束重新定向返回目标薄膜而利用双倍路径方法。外差式反射计/光栅干涉计系统2200类似于上面关于图3A和图16讨论的外差式反射计系统300以及外差式反射计和光栅干涉计的组合1600，因而仅对与双倍路径方法相关的方面进行讨论。然而应当清楚，双倍路径方法在讨论的任何反射计实施例中提供了增强的反射计测量灵敏性。本质上，测量波束的双倍路径通过将由薄膜表面反射的波束重新定向、以与第—路径相同的入射角返回薄膜来实现。例如关于图22，入射波束303通过BS223、在棱镜332重定向并且回到目标薄膜314。在棱镜334接收反射波束305，棱镜334在一个表面上具有HR(高反射)覆层,反射波束305包括分离频率s极化和p极化分量，作为波束2206反射回到薄膜314上的目标位置。如这个实施例中所示的，波束2206实质上是将波束305的路径以入射角a折回到目标位置。波束2206和薄膜314相互作用并且作为反射波束2208反射回到棱镜332，然后到达BS2233，在此重定向到外差式反射计子部分1670和/或外差式反射计光栅干涉计子部分1680上。如此，归因于薄膜的相移被有效地加倍，从而以因数2增强了反射计的测量灵敏性。虽然当前描述的实施例使用带有覆层的棱镜来重定向波束路径，实质上是返回到自身，可以使用例如镜面的其它光学部件或者一组光学部件将波束重定向回到薄膜，在由初始路径确定的原入射平面中、或者在不同于原入射平面的其它平面中。此外，在特定的情况下使多于两个途径通过薄膜可能是有利的。虽然由于A^自的变化，波束的路径距离增加了，其被有效地加倍，相移的增加将在多项式函数的系数校正中调整。图23图解描述了本实施例的外差式反射计的分析。为了清楚起见，s极化分量描述为与P极化分量分离。根据描述可以理解，两种极化分量都经历双倍路径薄膜反射。例如，s极化分量303s和薄膜314相互作用产生射线305-ls和305-2s，并且被镜面2236重定向返回薄膜314。然后这些射线和薄膜再次相互作用，产生可被探测的双倍路径s极化分量2208s。p极化分量303p基本上沿着完全相同的路径，但如上所讨论的，和薄膜314以与s极化分量不同的方式相互作用。对于单层薄膜堆叠，s极化反射系数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage41</formula>p极化反射系数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage41</formula>(26)其中5=~^vV—sin2axd，并且a为入射角,义当两种极化分量混合后，由探测器检测的合成幅度反射系数可以写为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage41</formula>(27)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage41</formula>(28)cos45。代表两种极化在探测器的混合。等式(4)的代数计算是难于手工处理的，产生324个分子项和81个分母项，因此等式是作为模型的。图24中显示了单倍路径方法和双倍路径方法之间的比较曲线。根据图解可以理解标准单倍路径外差式反射计(参考曲线2402和单倍路径曲线2404之间的差别)和高灵敏性的双倍路径外差式反射计(参考曲线2402和双倍路径曲线2406之间的差别)之间的差别。如所期望的，对于给定的薄膜厚度，双倍路径外差式反射计检测的相移是单倍路径外差式反射计的两倍。这意味着，使用0.2°分辨率的探测器可以获得0.7A的分辨率(在10%氮化的SiON薄膜情况下)。这在现货供应(off-the-shelf)电子器件(例如矢量电压表)的性能之内。虽然双倍路径方法提供了对来自薄膜表面的p极化光的更好抑制，但在s极化光的强度中同样存在一定的相应降低。如在模拟中所示的，这引起边缘对比的一定降低。当前的分析假设，薄膜内部产生的"驻波"不对波节和波腹处的任何折射率差别产生贡献。考虑到这里使用的波长以及外差式反射计中的功率电平，这是个合理的假设。再次转向本发明反射计的示例性实施方式的图解，即图3A、16和22，重要的是应当理解，厚度测量的准确性取决于相移探测器362和1690所探测的测量相移的准确性。将对这些分量的操作进行描述。因为本发明中相移探测器的示例性实施方式的操作既可以应用于外差相移探测器(用于确定A"和厶f之间的相位差)也可以应用于光栅相移探测器(用于确定A。t和/w之间的相位差)，这些信号将被一般性地提及。然而，在可以准确地确定信号间地相移差之前，应当将信号转换为更好的形式以进行相位比较。这通过使用等式(l)来实现，等式(l)是用于转换信号的"拟合函数(fitfunction)"的基础。图25是依照本发明示例性实施方式的过程流程图，用于确定两个信号间的相移差。这个方法对于根据相移信号计算A^^和/或A^，有用。最初，应当对信号数据进行预处理以消除拟合函数中的参数，例如DC分量参数。这通过对每个信号将数据信号的平均值中心化然后将振幅规一化到最高幅度来完成(步骤2502)。然后将参考数据拟合到拟合函数../r-Acos(A^V+A)(步骤2504)，其中^是参考信号的振幅；^是两个外差信号之间的相位差；以及A^是两个外差信号之间的角频率差。之后将样本数据拟合到类似的拟合函数A^Aco^Ac^+A)(步骤2506)，其中A是样本信号的振幅；A.是两个外差信号之间的相位差；以及Acy,是两个外差信号之间的角频率差。使用拟合到类似拟合函数的参考数据和样本数据，两个信号之间的相位角可以探测为=&-&(步骤2508)。下面将立即给出探测~的各种装置，其组件在图26A—26D中适当地图解给出。依照一个示例性实施方式，参考数据和样本数据之间的相位角可以通过对两个信号应用互相关方法进行确定。使用这种选择，首先应用互相关函数到两个数据序列(例如用于算法开发和数据可视化的高级技术计算语言中提供的xcorr(datal,data2)，例如MatLab,其为Massachuset州Natick的MathWorks公司的注册商标并且可以从该公司获得)。然后，寻找互相关具有最大数值的延迟。最后，根据该延迟和差拍周期中数据点数量的比值确定参考信号和样本信号之间的相移(即，延迟/(数字化比率X差拍频率))。更特别地，互相关程序是一种估计两个序列相关程度的方法。在数学上，该程序定义如下J][(X(Z.)-*(X〖-力-一]"'(29)存wo-薦)y不oo'—，)2其中x(/)和jO')代表被分析的两个序列，其中/=0,1,2〖(^-1)，而d是所估计互相关对应的延迟。数值TOC和wy是相应序列的平均值。互相关通常表示为/"W)。本质上，参考信号和样本信号的数字化数据和数字化比率对差拍频率的比值一起收集，确定相位角的分辨率，因此这些数据必须以大于所希望相位角分辨率的速率进行数字化。所收集数据的长度(样本的数量N)必须足够长以允许应用噪声降低技术。在系统中没有漂移的情况下，优选长的收集时间。然后，将互相关函数施加到两个数据序列。给出互相关计算的示例代码如下.[c,/ags]=xcwr(ttoa(:，l),dato(:,2))然后，挑选互相关具有最大数值的延迟。互相关函数的最大值通过下面的示例性代码计算U,/]=max(afo(c》最后，通过求滞后数值与数字化比率比差拍频率比值的比值从而产生小数相位，将延迟数值转换为相移滞后数值，其可以转换为角度。在实践中，上面列出的程序应当执行两次。第一次作为无效测量，因为没有垂装样本来消除由于光学部件或电子器件引起的任何系统相移。在第二次，样本被安装并且对样本薄膜直接确定相移。作为替代并且如图26A所示，参考RF1和样本RF2信号可以传送到时间间隔计数器2602，在此测量信号中(开始Tl和停止T2之间)两个参考点、例如零交叉点之间的时间。还测量信号的周期。时间差和周期的关系产生相移。依照图26B所示的用于确定参考信号串和样本信号串之间相移的再一个方法，信号RF1和RF2传送到混频器2612，在此产生和频率以及差频。由于信号RF1和RF2具有相同的频率，差频是和相位差成比例的电压。可选地，还可以包含相移器2610用于设定信号为在混频器2612具有相同的初始相位，从而相位变化的后续测量可以在没有偏移的情况下完成，同样地在输出端可以使用低通滤波器2614降低噪声。在图26C所示的修改方法中，输出通过放大器2616反馈到相移器2610以保持混频器2612相位锁定。这里信号是反馈信号，其和相位差成比例。关于图26D所示的测量相位差的再一种结构，参考RF1和样本RF2信号传送到分离的混频器2612和2622,每个具有由振荡器2630设定的共同的参考频率。来自混频器2612和2622的结果差频传送到时间间隔计数器2632。由计数器2632决定的差拍信号间的时间差和相位差有关。图27是依照本发明再一个示例性实施方式的过程流程图，使用离散傅立叶变换(DFT)确定两个信号之间的相位差(例如A^,",和/或A《rtm)。流程图描述了计算外差参考信号之间的相位差(步骤2702—2708)，接着计算外差测量信号之间的差(步骤2710—2716)，但由于实践原因在不脱离本发明实质和范围的情况下这两种计算可能并行进行或者和所描述的相反。此外，这个过程对于确定任意两个信号之间的相位差有用，例如根据参考信号/w和测量信号/h"、和/或测量信号/h"和光栅信号id、如A^^,探测器362和/或A《^探测器1690所执行的。无论如何，外差信号被传送到数字转换器中，其以足够小的采样间隔&对每个信号进行采样，该采样率超过差拍频率A必的两倍(步骤2702和2710)。每个数字转换器的输出传送到数字信号处理器，其累积相应的n个数据块Block^和Blocks,这些数据块代表信号的大量振荡周期。传送到数字信号处理器的数据为^形式，其中r-l,2，3,K^。为了有效的处理，块中样本的数量n最好设定为2的整数次幂。数据块越长，使用其确定相位的准确性越高。然后数字信号处理器对每个块计算DFT(DFThet和DFTref)(步骤2704和2712)。在每种情况下，DFT输出将包括由n个复数v,构成的序列，其中s为l,2,3,K,w。仅需要考虑序列中前半部分的数值。为了确定相移A^，仅需要识别最接近满足等式Aw=的s对应的数值(步骤2710和2714)。最后，对于每个块DFTf和威DFTh。t，对任意的测量、参考或光栅信号，根据复数v,的虚部与复数v，的实部比值的反正切计算相位，即--tan一(步骤2708和2716)随着每个信号的相位已知，可以计算任何两个相位之间的差，即A么咖=A"_或者=<^_l,，然后过程结束。下面权利要求中的相应结构、材料、行为以及所有方法或步骤、功能要素的等效物，意图包括结合特定权利要求的其它要素执行该功能的任意结构、材料、或行为。虽然关于沉积和蚀刻过程讨论了本发明，其应用是广泛的。例如依照再一个示例性实施方式，本发明可以应用于针对剩余残留检查晶片表面，例如CMP后的晶片中的薄层Cu残留。具有Cu的区域将比无Cu的邻近区域展示出较高的相移A&。本领域技术人员将易于认识和理解本发明在其它用途中的应用。为了例证和描述目的给出了本发明的上述说明，但无意以所公开的形式穷尽或者限制本发明。在不脱离本发明范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。选择并描述这些实施方式是为了更好地解释本发明的原理和实践应用，以及使本领域技术人员理解本发明，根据预期的特定应用进行各种适当的修改构成各种实施方式。权利要求1.一种用于测量厚度的外差式反射计，包括光学光源，用于产生分离频率、双极化波束；波束路径转向光学部件，用于将分离频率、双极化波束以预定入射角向目标传播第一探测器，用于接收分离频率、双极化波束并且产生参考信号；第二探测器，用于从目标接收反射的分离频率、双极化波束并且产生测量信号；鉴相器，用于接收参考信号和测量信号并且探测所述参考和测量信号之间的相移；以及数据处理器，用于根据相移计算与目标相关的厚度。2.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述分离频率、双极化波束进一步包括以第一频率振荡的第一椭圆极化波束分量；以及以第二频率振荡的第二椭圆极化波束分量，所述第一频率不同于所述第二频率。3.权利要求l所述的外差式反射计，其中所述分离频率、双极化波束进一步包括以第一频率振荡的第一线性极化波束分量；以及以第二频率振荡的第二线性极化波束分量，所述第一频率不同于所述第二频率。4.权利要求l所述的外差式反射计，其中所述分离频率、线性极化波束进一步包括以第一频率振荡的S极化波束分量；以及以第二频率振荡的p极化波束分量，其中所述p极化波束分量正交于所述S极化波束分量。5.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述目标为薄膜。6.权利要求1所述的外差式反射计，进一步包括极化混频器，用于将反射分离频率、双极化波束中反射的第一频率反射第一极化分量和第二频率反射第二极化分量混频。7.权利要求1所述的外差式反射计，进一步包括相移校正器，用于校正相移中的误差，其中所述数据处理器接收所述校正后的相移并且根据校正后的相移计算厚度。8.权利要求7所述的外差式反射计，其中所述相移校正器通过基于已知厚度的实际相移和已知厚度的预期相移之间差值的比较对所述相移进行调整产生校正后的相移。9.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述预定入射角与目标的折射率有关。10.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述预定入射角预定缺省角度。11.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述预定入射角接近目标的布鲁斯特角。'12.权利要求1所述的外差式反射计，其中基于对所述分离频率、双极化波束各向同性的目标材料和位于目标下的分界面之一，所述预定入射角的下边界为0度。13.权利要求1所述的外差式反射计，进一步包括光栅，用于将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为一阶波束；第三探测器，用于接收所述一阶波束并且产生光栅信号；以及第二鉴相器，用于接收所述光栅信号和所述测量信号并且探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移，其中所述数据处理器根据所述相移和所述由光栅引起的相移计算厚度。14.权利要求8所述的外差式反射计，进一步包括-光栅，用于将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为一阶波束；第三探测器，用于接收所述一阶波束并且产生光栅信号；以及第二鉴相器，用于接收所述光栅信号和所述测量信号并且探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移，其中所述数据处理器根据所述校正后的相移和所述由光栅引起的相移计算厚度。'15.权利要求14所述的外差式反射计，进一步包括光栅相移校正器，通过对由光栅引起的相移中的误差进行校正产生校正后的由光栅引起的相移，其中所述数据处理器根据所述校正后的由光栅引起的相移和所述校正后的相移计算厚度。16.权利要求15所述的外差式反射计，其中所述数据处理器根据所述校正后的由光栅引起的相移和所述校正后的相移计算目标地折射率，并且根据所述折射率和所述校正后的相移计算厚度。17.权利要求1所述的外差式反射计，进一步包括-第二路径转向光学部件，从目标接收所述分离频率、双极化波束并且将所述分离频率、双极化波束向所述薄膜传播。18.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括映射函数，用于将所述参考信号和所述测量信号拟合到预定形式。19.权利要求18所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括信号调节器，用于在将信号拟合到预定形式之前对参考信号和测量信号进行标准20.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括时间间隔计数器，用于测量参考信号和测量信号中两个对应参考点之间的时间。21.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括混频器，用于产生输出电压，该电压与参考信号和测量信号之间的相位差成比例。22.权利要求21所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括-移相器，用于将参考信号和测量信号设定为初始相位。23.权利要求22所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括-反馈回路，用于将输出电压反馈到移相器。24.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括振荡器，用于产生频率信号；第一混频器，用于根据所述参考信号和所述频率信号产生第一差拍信号；第二混频器，用于根据所述测量信号和所述频率信号产生第二差拍信号；时间间隔计数器，用于测量所述第一和第二差拍信号中两个对应参考点之间的时间。25.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括离散傅立叶变换装置，用于确定所述参考信号和测量信号之间的相移。26.权利要求25所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括-至少一个数字转换器，用于基于所述测量信号和参考信号的外差式差频以预定速率对所述测量信号和参考信号中的每一个进行采样。27.权利要求1所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括互相关函数，用于确定所述参考信号和外差信号之间的相移。28.权利要求27所述的外差式反射计，其中所述鉴相器进一步包括至少一个数字转换器，用于基于所述测量信号和参考信号的外差式差频以预定速率对所述测量信号和参考信号中的每一个进行采样，并且用于确定所述测量信号和参考信号一个差拍周期内样本点数量对应的延迟。29.—种用于测量厚度参数的外差式反射计，包括光学光源，用于产生分离频率、双极化波束，所述分离频率、双极化波束具有以第一频率振荡的第一极化波束分量和以第二频率振荡的第二极化波束分量，所述第一频率不同于所述第二频率；波束路径转向光学部件，用于将所述分离频率、双极化波束以预定入射角向目标传播，所述目标具有表面和本体部分；第一探测器，用于接收所述分离频率、双极化波束并且产生参考信号；第二探测器，用于从目标接收反射的分离频率、双极化波束并且产生测量信号，所述反射的分离频率、双极化波束包括来自目标表面的反射的第一极化波束分量和反射的第二极化波束分量中占主导地位的一种波束分量、以及来自目标表面之下的反射的第一极化波束分量和反射的第二极化波束分量中占主导地位的另一种波束分量；以及鉴相器，用于接收参考信号和测量信号并且探测所述参考信号和测量信号之间的相移，所述相移由所述目标本体的厚度引起。30.权利要求29所述的外差式反射计，进一步包括-数据处理器，用于根据所述相移计算所述目标本体厚度的厚度。31.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述第一极化分量是第一椭圆极化波束分量，所述第二极化分量是第二椭圆极化波束分量。32.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述第一极化分量是第一线性极化波束分量，所述第二极化分量是第二线性极化波束分量。33.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述第一极化分量是s极化波束分量，所述第二极化分量是p极化波束分量，其中所述p极化波束分量正交于所述s极化波束分里。34.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述目标为薄膜。35.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述预定入射角与所述目标的折射率有关。36.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述预定入射角是预定缺省角度。37.权利要求36所述的外差式反射计，其中所述预定缺省角度接近60度。38.权利要求29所述的外差式反射计，其中所述预定入射角接近所述目标的布鲁斯特角。39.权利要求29所述的外差式反射计，其中基于对所述分离频率、双极化波束各向同性的目标材料和位于目标下的分界面之一，所述预定入射角的下边界为0度。40.权利要求29所述的外差式反射计，进一步包括-极化混频器，用于将反射分离频率、双极化波束中反射的第一频率反射第一极化分量和第二频率反射第二极化分量混频。41.权利要求29所述的外差式反射计，进一步包括-相移校正器，用于校正所述相移中的误差，其中所述数据处理器接收所述校正后的相移并且根据所述校正后的相移计算厚度。42.权利要求41所述的外差式反射计，其中所述相移校正器通过基于已知厚度的实际相移和所述已知厚度的预期相移之间差值的比较对所述相移进行调整产生校正后的相移。43.权利要求29所述的外差式反射计，进一步包括光栅，用于将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为一阶波束；第三探测器，用于接收所述一阶波束并且产生光栅信号；以及第二鉴相器，用于接收所述光栅信号和所述测量信号并且探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移，其中所述数据处理器根据所述相移和所述由光栅引起的相移计算厚度。44.权利要求42所述的外差式反射计，进一步包括-光栅，用于将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为一阶波束；第三探测器，用于接收所述一阶波束并且产生光栅信号；以及第二鉴相器，用于接收所述光栅信号和所述测量信号并且探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移，其中所述数据处理器根据所述校正后的相移和所述由光栅引起的相移计算厚度。45.—种用于测量厚度参数的反射测量方法，包括定向光学光源以预定入射角朝向目标产生分离频率、双极化波束，所述分离频率、双极化波束具有以第一频率振荡的第一极化波束分量和以第二频率振荡的第二极化波束分量，所述第一频率不同于所述第二频率，所述目标包括表面和本体；通过以第一频率振荡的所述第一极化波束分量和以第二频率振荡的所述第二极化波束分量进行外差产生参考信号；从所述目标接收反射的分离频率、双极化波束；以及通过以第一频率振荡的第一反射极化波束分量和以第二频率振荡的第二反射极化波束外差产生测量信号；以及探测所述参考信号和所述测量信号之间的相移，所述相移由所述目标本体的厚度引起。46.权利要求45所述的反射测量方法，进一步包括根据所述相移计算所述目标丰体厚度的厚度。47.乙权利要求45所述的反射测量方法，其中所述第一极化分量是第一椭圆极化波束分量，第二极化分量是第二椭圆极化波束分量。48.权利要求45所述的反射测量方法，其中所述第一极化分量是第一线性极化波束分量，第二极化分量是第二线性极化波束分量。49.权利要求45所述的反射测量方法，其中所述第一极化分量是s极化波束分量，所述第二极化分量是P极化波束分量，其中所述p极化波束分量正交于所述s极化波束分里。50.权利要求45所述的反射测量方法，其中所述目标为薄膜。51.权利要求45所述的反射测量方法，其中所述预定入射角与所述目标的折射率有关。52.权利要求45所述的反射测量方法，其中所述预定入射角是预定缺省角度。53.权利要求52所述的反射测量方法，其中所述预定缺省角度接近60度。54.权利要求45所述的反射测量方法，其中所述预定入射角接近所述目标的布鲁斯特角。55.权利要求45所述的反射测量方法，其中基于对所述分离频率、双极化波束各向同性的目标本体和位于目标表面下的分界面之一，所述预定入射角的下边界为0度。56.权利要求45所述的反射测量方法，进一步包括将反射分离频率、双极化波束中反射的第一频率反射第一极化分量和第二频率反射第二极化分量混频。57.权利要求45所述的反射测量方法，进一步包括校正所述相移中的误差；根据校正后的相移计算经过误差校正的厚度。58.权利要求57所述的反射测量方法，其中校正所述相移中的误差的步骤进一步包括通过基于己知厚度的实际相移和所述已知厚度的预期相移之间差值的比较对所述相移进行调整产生校正后的相移。59.权利要求45所述的反射测量方法，进一步包括将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为一阶波束，所述一阶波束包括第一一阶极化波束分量和第二一阶极化波束分量；接收所述一阶波束；通过所述第一一阶极化波束分量和所述第二一阶极化波束分量外差产生光栅信号；探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移；以及根据所述相移和所述由光栅引起的相移计算厚度。60.权利要求58所述的反射测量方法，进一步包括-将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为一阶波束，所述一阶波束包括第一一阶极化波束分量和第二一阶极化波束分量；接收所述一阶波束；通过所述第一一阶极化波束分量和所述第二一阶极化波束分量外差产生光栅信号；探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移；以及根据所述相移和所述由光栅引起的相移计算厚度。61.权利要求60所述的反射测量方法，进一步包括-通过基于已知折射率的实际相移和所述已知折射率的预期相移之间差值的比较对所述由光栅引起的相移中的误差进行校正产生校正后的由光栅引起的相移；以及根据所述校正后的由光栅引起的相移和所述校正后的相移计算经过误差校正的厚度。62.权利要求61所述的反射测量方法，进一步包括根据所述校正后的由光栅引起的相移和所述校正后的相移计算所述目标的折射率；以及根据所述折射率和所述校正后的相移计算经过误差校正的厚度。63.—种用于测量厚度参数的方法，包括定向光学光源以预定入射角朝向目标产生分离频率、双极化波束，所述分离频率、双极化波束具有以第一频率振荡的第一极化波束分量和以第二频率振荡的第二极化波束分量，所述第一频率不同于所述第二频率，所述目标包括表面和本体；通过以第一频率振荡的所述第一极化波束分量和以第二频率振荡的所述第二极化波束分量进行外差产生参考信号；从所述目标接收反射的分离频率、双极化波束；将所述反射的分离频率、双极化波束衍射作为零阶波束和一阶波束，所述零阶波束包括第一零阶极化波束分量和第二零阶极化波束分量，所述一阶波束包括第一一阶极化波束分量和第二一阶极化波束分量；接收所述零阶波束；通过所述第一零阶极化波束分量和所述第二零阶极化波束分量外差产生测量信号；探测所述测量信号和参考信号之间的测量相移；接收所述一阶波束；通过所述第一一阶极化波束分量和所述第二一阶极化波束分量外差产生光栅信号；探测所述光栅和测量信号之间的由光栅引起的相移；根据所述由光栅引起的相移和所述测量相移计算所述目标本体的厚度。64.权利要求63所述的方法，其中计算所述目标本体的厚度的步骤进一步包括，确定所述由光栅引起的相移和所述测量相移的乘积，其中所述目标的所述厚度与所述由光栅引起的相移和所述测量相移的乘积成比例。65.权利要求63所述的方法，其中将所述反射的分离频率、双极化波束衍射的步骤进一步包括将所述波束衍射通过具有预定间距的光栅。66.权利要求65所述的方法，其中计算所述目标本体的厚度的步骤进一步包括，确定所述由光栅引起的相移、所述测量相移、所述间距和所述第一频率的乘积，其中所述厚度与所述由光栅引起的相移、所述测量相移、所述间距和所述第一频率的乘积成比例。67.权利要求66所述的方法，其中计算所述目标本体的厚度的步骤进一步包括确定两个乘积的商，第一个乘积为所述由光栅引起的相移、所述测量相移、所述间距和所述第一频率的乘积，第二个乘积为所述由光栅引起的相移和所述测量相移、以及预定入射角的三角函数的乘积，其中所述目标的厚度与所述预定入射角的三角函数成反比。68.权利要求63所述的方法，其中所述第一极化分量是第一椭圆极化波束分量，所述第二极化分量是第二椭圆极化波束分量。69.权利要求63所述的方法，其中所述第一极化分量是第一线性极化波束分量，所述第二极化分量是第二线性极化波束分量。70.权利要求63所述的方法，其中所述第一极化分量是s极化波束分量，所述第二极化分量是p极化波束分量，其中所述p极化波束分量正交于所述s极化波束分量。71.权利要求63所述的方法，其中所述目标为薄膜。72.权利要求63所述的方法，其中所述预定入射角与所述目标的折射率有关。73.权利要求63所述的方法，其中所述预定入射角是预定缺省角度。74.权利要求73所述的方法，其中所述预定缺省角度接近60度。75.权利要求63所述的方法，其中所述预定入射角接近所述目标的布鲁斯特角。76.权利要求63所述的方法，其中基于对所述分离频率、双极化波束各向同性的目标本体和位于目标表面之下的分界面之一，所述预定入射為的下边界为0度。77.权利要求63所述的方法，进一步包括-将反射分离频率、双极化波束中反射的第一频率反射第一极化分量和第二频率反射第二极化分量混频。78.权利要求63所述的方法，进一步包括-通过基于已知折射率的实际相移和所述已知折射率的预期相移之间的比较对所述由光栅引起的相移中的误差进行校正产生校正后的由光栅引起的相移；以及根据所述校正后的由光栅引起的相移和所述校正后的相移计算经过误差校正的厚度。79.权利要求78所述的方法，进一步包括根据所述校正后的由光栅引起的相移和所述校正后的相移计算所述目标的折射率；以及根据所述折射率和所述校正后的相移计算经过误差校正的厚度。80.权利要求63所述的方法，进一步包括-通过来自所述目标的以第一频率振荡的第一反射极化波束分量和来自所述目标的以第二频率振荡的第二反射极化波束分量外差产生第二测量信号；探测所述第二参考信号和所述第二测量信号之间的由光栅引起的相移，所述相移由所述目标本体的厚度引起；以及根据所述相移计算所述目标本体的第二厚度。81.权利要求80所述的方法，其中校正所述相移中误差的步骤进一步包括通过基于已知厚度的实际相移和所述已知厚度的预期相移之间差值的比较对所述相移进行调整产生校正后的相移。82.权利要求81所述的方法，进一步包括将所述目标的第一厚度、根据所述由光栅引起的相移和所述测量相移计算的所速目标的厚度、根据所述第二测量相移计算的所述目标的第二厚度进行比较。全文摘要一种用于根据外差光学信号获取相移信息的外差式反射计系统和方法，根据这些信号可以计算薄膜的深度。具有两个彼此正交、具有分离光学频率线性极化分量的线性极化光定向朝向薄膜，促使其中一个光学极化分量滞后于另一个分量，因为该分量在薄膜中的光学路径的增加。一对探测器分别接收从薄膜层反射的波束并且产生测量信号、以及入射到薄膜层之前的波束并且产生参考信号。测量信号和参考信号由鉴相器分析以获得相移。然后探测的相移供给厚度计算器以获得薄膜厚度结果。可以在外差式反射计系统中结合光栅干涉计，其中的光栅将反射的波束衍射到零阶和一阶带。文档编号G01B9/02GK101128718SQ200680006135公开日2008年2月20日申请日期2006年2月21日优先权日2005年2月25日发明者亚恩·安娜斯·艾耶·艾耶,安德鲁·威克斯·库尼,肯尼斯·C·哈维,马克·A·麦勒尼申请人:真实仪器公司