专利名称：用于白光干涉法以及镀膜表征的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及白光干涉法，特别涉及以白光干涉法测量各种表面特性以及进行镀膜 表征。
背景技术：
有关白光干涉法的现有技术仍有一些尚待克服之问题。下面的例子虽未必包括全 部状况，但由下面更细节之描述可知这些问题包括非必要的降低了白光干涉分辨率，和耗 用过多非必要信号处理时间及或计算资源。现仍有此基本需求来改进基于白光干涉法的测量技术。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种方法，以利用具有宽广光谱光源之白光干涉仪测 量一样品之表面形态。基于在样品和一参考面之间的相对扫描，干涉仪检测到样品一系列 取样幅数上的干涉图形强度数据。该方法包含的步骤为，对于样品上的每个感兴趣的点(X， y)(亦即待测点)先对每一待测点(x，y)上因前述相对运动所产生干涉强度变化找出该待 测点(X，y)之包迹(envelope)，由此包迹可初步估计该待测点之粗略高度(Zraugh)，然后再 根据白光干涉的模式，由最佳曲线拟合法，去拟合已纪录之干涉信号，找出干涉信号中之相 位差θ，由此相位差数据去改进粗略高度之解析度，得到该有兴趣待测点(χ，y)之高分辨 率形状Zfim，此高分辨率形状Zfim改进了粗略高度(Zraugh)之分辨率。本发明的另一个目的在于利用具有宽广光谱光源之白光干涉仪提供一表征样品 基材上膜层的方法。该方法为对于每个样品上感兴趣的点(x，y)(亦即待测点)，基于在样 品和参考面之间进行的相对扫描，干涉仪纪录待测面上每一点(χ，y) 一系列取样幅数之干 涉强度变化，并由此干涉强度变化找出相对应之合成包迹(envelope)，此合成包迹是由两 组干涉信号所造成由膜层表面反射产生之干涉信号R，由膜层底部与基板界面反射产生 之干涉信号T。一旦找到由此两信号合成之包迹，则相应之方法为找到对应包迹最高点之 信号幅数mmax，由包迹最高点之信号幅数mmax建立一信号处理区间[Himax-AnUA2],其中， A1及八2均为整数；位于此一信号处理区间之包迹为合成包迹，位于信号处理区间以外之 包迹定义为0。由此信号处理区间合成包迹找到在量测点(x，y)对应此主信号之高度zd。m; 再由测量区没有镀膜部份，找到该部份之平均高度，做为参考高度avg ；由此参考高度与 主信号高度差别之绝对值及相关转换因子得到对应量测点U，y)上之镀膜厚度t(x，y)。在某些情况，此方法还可能包含如下内容利用白光干涉的模式，由最佳曲线拟合 法，拟合信号处理区间内之干涉信号，找出对应之主信号相位差θ d。m ；然后移除相位差 中之2 π不确定量，进而找到该量测点(x，y)上之高分辨率形状zd。m,fiM，此由相位找到之高 度提高了 zd。m之分辨率。本发明的又一个目的在于提供又一种利用具有宽广光谱光源之白光干涉仪表征 样品基材上膜层的方法。该方法为对于样品上的每个感兴趣的位置(x，y)(亦即待测点)，基于在样品和参考面之间进行的相对扫描，干涉仪检测到待测面上每一点(χ，y) 一系列取 样幅数之干涉强度变化，找出合成干涉信号之包迹，此包迹包括由膜层表面反射产生之干 涉信号R，由膜层底部与基板界面反射产生之干涉信号T ；由合成信号包迹最高点之信号幅 数HImax建立一信号处理区间[Himax-A1, Π1_+Δ2]，其中，L1I Δ2均为整数；位于此一信号 处理区间之包迹为合成包迹，位于信号处理区间以外之包迹定义为0。该方法进一步包括 如下内容利用此区间之包迹找到在量测点(x，y)对应主信号之高度zd。m ；再用一高斯函数 (Gaussian function)去拟合位于信号处理区间内之包迹，然后用全部合成信号包迹减去 此高斯函数；此一减去高斯函数后之包迹称为中间包迹(intermediateenvelope)，由此可 用以找出待测面上每一点(X，y)对应此中间包迹之高度Zint ；最后由zd。m与Zint之差别，算 出待测面上每一点(X，y)上之镀膜厚度t(x，y)。在某些情况，此方法还可能包括利用白光干涉的模式，由最佳曲线拟合法，拟合 信号处理区间内之干涉信号，找出对应之主信号相位差θ d。m ；然后移除相位差ed。m中之 2 π不确定量，进而找到该量测点(x，y)上之高分辨率形状zd。m,fiM，此由相位找到之高度提 高了 zd。m之分辨率。本发明的又一个目的在于提供又一种利用具有宽广光谱光源之白光干涉仪表征 样品基材上膜层的方法。该方法包括如下内容基于在样品和参考面之间进行的相对扫描， 检测到一系列取样幅数的干涉信号I (Z)，将其转换为相对应之空间频率(频率领域)信号， 处理此空间频率信号可得到样品上每点膜厚t(x，y)之初步估计dMUght，并可由宽广光源干 涉模式以最佳化曲线方式拟合干涉信号I (ζ)之部分信号，得到相位差信号，再由初步 估计之draugh去移除不确定部分，得到细微膜厚dfiM.此细微膜厚dfiM可提 高初步膜厚draugh之分辨率。本发明的其它目的还在于提供计算机可读媒介，包括计算机程式，当处理器执行 此计算机程式时，即可实现本发明的上述方法。适用本发明之某些具体形式尚具有如下特征与式样。
附图用于描述本发明，但本发明并不仅仅局限于如下所述之具体形式。图1为适用于本发明方法及系统之白光干涉显微镜的结构示意图；图2a为可以图1所示白光干涉显微镜进行表征的样品表面的形态示意图；图2b为当样品与参考面沿纵轴方向(ζ)做相对运动时，由图1所示白光干涉显微 镜记录到的样品上某一点(x，y) = (Xi, Yi)的干涉信号强度变化示意图；图3a为利用已有技术，即仅用干涉信号之包迹数据去得到样品上每一点(x，y)= (Xi, Yi)之表面高度的方法，在样品上沿y方向所描绘之高度曲线；图3b为利用图2b中之干涉信号，直接计算信号中之相位，显示相位之2 π不确定 性之曲线；图3c为采用已有傅立叶转换(Fourier Transfer)技术所得到的，具有条纹印出 误差(Fringe print-through)的表面形态；图4为本发明实施例中，以干涉方法表征样品表面的流程图；图5a为采用图4所示干涉方法表征样品之分辨率与现有技术中近采用包迹信息所获结果之分辨率的对比图。图5b为采用图4所示干涉方法测量样品表面所得的，无条纹印出误差的表面形 态；图6a及6b为适用本发明方法表征镀膜样品之示意图，其中，图6a为具有未镀膜 之参考区的样品示意图，图6b为完全被镀膜覆盖的样品示意图；图7a为光线从基材上具有镀膜之样品上进行反射的示意图；图7b及7c是由基材上具有镀膜之样品所获干涉信号强度的曲线；图8为本发明实施例中采用干涉方法表征基材上具有镀膜之样品的部分流程示 意图；图9a及9b为本发明实施例中采用干涉方法表征基材上具有镀膜之样品的又一部 分流程示意图；图10为采用图9b所示方法将全部包迹减去高斯拟合包迹程序之示意图。图11为本发明另一实施例中，采用干涉方法表征基材上具有镀膜之样品的又一 种流程示意图；图12为由薄膜模型公式计算出的，因不同膜厚d造成的不同相位的示意图。
具体实施例方式以下细节描述将可帮助对本发明更加了解，不过并非限制本发明须完全按照所有 这些细节。在某些情形下，为人熟知之组件可能不显示或特别描述，以免影响对发明本身之 描述。所以这些描述及插图是用来解释发明，而非将发明限制于这些描述范围内。本发明的目的在于，使用白光干涉之方法，在空间领域由最佳曲线拟合，得到干涉 信号中相位讯息，而用以估测待测样品表面形状。本发明的其他目的在于，对具有镀膜样 品，用门槛方法区分干涉图中包迹分量，进行镀膜表征。如图1所示为一适用于本发明之方法及系统的白光干涉显微镜10示意图，其可用 以测量样品12之表面特征。所谓特征，举例来说，包括样品12在ζ方向之表面形状(xyz 坐标如图1)。样品12之表面形状包括样品12上每一量测点(X，y)在ζ方向之高度。干涉仪10包括一白光或非同调光源(incoherent light source) 14。这里所述的 白光系指非同调光源，亦即短同调距离及宽带电磁辐射光源。举一并非特定之例，光源波长 在400nm到700nm(或频率4. 3 X IO14到7. 5 X IO14Hz)之间。举另一并非特定之例，光源可 包括一或多个白热辐射灯泡，一或多个发光二极体(LED)。一般来说光源14最好能有75nm 以上光谱范围。在某些情况光源14光谱范围有200nm以上。白光干涉显微镜中之照明光学系统16聚集光源14之发光20A，照射至分光镜18 如光线20B。照明光学系统16包括两个透镜组(16A，16B)镜筒(16C)及孔径(16D)。孔径 之作用为选择样品12上照明范围，及遮挡杂散光以增进影像对比。利用照明光学系统之知 识，照明光学系统16可利用较多或较少光件或利用其它种类光学组件。系统16 —般来说 可包括任何光学组件，并非局限于图中之示意设计。在所述的干涉仪10中，分光镜从照明光学系统16接收光线20B。一部分光线20B 经过分光镜18反射后，形成光线20C进入物镜22。此处所述的物镜22包括一单独的聚焦 透镜，但这并非是必然的。在某些情况下，物镜22还可能包括很多透镜及其它光学组件。显微物镜22接收光线20C，并输出照射于样品12和参考面26的光束20D。光线20D在显微物镜中被分光镜24分成两部份，反射部份为光线20E，穿透部份 为光线20F。反射光线20E被反射面26反射回物镜22和成像元件28、30、32 (将在下面描 述)。此反射面26将被称之参考面26。参考面最好为一高品质平滑表面之光学反射面。穿 透部份光线20F触及样品12 (待测面)后，又有部份光被反射回物镜22以及成像元件28、 30、32(亦将在下面描述)。从物镜22传回之光线20G包括从参考面26反射回物镜22之光20E及从样品 12(测试面)反射回物镜22之光20F。对于样品12表面(待测面)上的每一点及参考面 上相应的点来说，均存在如20F和20E之类的多对光线。每对光线均对样品上的一个点相 应的干涉产生影响。运用好的照明光学设计(如Kohler照明)及选择适当光源，使得所有 发光点合起来造成之干涉信号能有良好对比而重迭于传统之显微镜影像上。光线20G被指向一成像系统，所述的成像系统包括反射镜28、成像光件30以及传 感器32。光线20G经反射镜28反射后形成光线201，并直接指向成像光件30。在本实施例 中，成像光件30为一透镜，但这并非必然之事。实际上，成像光件30也可包括多个透镜及 其它合适光件。光线201穿过成像光学系统30后以光线20J的形态传输至传感器32。传 感器32可能包含一阵列像素，每一像素包括一个或多个感应器(如CXD和或CMOOS光感应 器，图中未显示)，这些感应器可感应照于其上之光线20J的强度，并输出代表在与这些感 应器所在像素区域内的光强度之信号34。传感器32可能包括一数码相机或类似装置，这些 装置包括其自有的成像光件和处理信号电子元件(均未显示于图中)。在本实施例中，设置传感器32以提供测量到的强度信号34给处理器36。虽然在 图1仅以一条线代表信号强度信号34，但本领域技术人员悉知，强度信号34代表传感器阵 列32中每一像素所检测到的强度信号。虽未在图中显示，在某些情况下，传感器32和处理 器36之间还可设置一些合适的信号处理元件，这些信号处理元件可能还包括但并非局限 于如下装置，如放大电路、电压数码转换装置、驱动电路、滤波电路、记忆装置及信号选择电 路等。处理器36可能为具有适当配置之计算机系统的一部份(图中未示出)，或可能是属 于嵌入干涉仪系统的一部分。图1中处理器36可能不只一个，他们可能是受控于中央处理 器以及或被分配工作。根据此领域为人所知技术，处理器36最好有内置存储元件和/或者 也可读取外设的存储器件(图中未示出)。处理器36内部或已有编好程序或可读取程序38。参见如下具体说明，处理器36 执行程序38，用以处理信号34，算出样品12之表面形状讯息40。处理器36也可藉控制信 号35控制传感器32读取信号。图2A为一典型但并非惟一样品示意图，此类样品通常可由干涉仪10量测表面特 征。图2样品之表面52，从宏观来看近似平面(χ-y平面)，但实际上样品之表面52其表面 形状(如，在ζ方向上的高度)呈现各种微小变化。在白光干涉显微镜实际工作时，会造成样品12与参考面26之间的相对运动，用以 改变从样品表面52反射的光20F以及从参考面26反射的光20E之间的光程差。造成相对 运动之方法(但并非全部方法)可为移动样品12、移动样品12所在平台(图中未示出)， 移动参考面26，和/或移动物镜22 (参考面26与显微物镜22 —体设置的情况下)。本实 施例中，相对运动是藉传动装置42让参考面26与显微物镜22 —起ζ方向做精密移动所产生的。驱动装置42可选用，但不局限于如下设备压电陶瓷驱动、马达驱动、手动或由一个 或结合数个其它合适驱动装置。处理器36可藉控制信号44来控制传动装置42。传动装置 42中可能还包括一个位置传感器(图中未示出)，该位置传感器能经控制信号44反馈位置 信号给处理器36。本实施例中，处理器36经由控制信号44，使传动装置42带动参考面26在ζ方向 运动。当参考面26在ζ方向上移动时，处理器36藉由控制信号35控制传感器32捕获强 度信号34。处理器36可能以同步方式控制参考面26之运动及传感器32捕获强度信号34。 举例来说，信号处理器36可能控制侦检器32在分别时段，亦即对应参考面26相对待测面 12在不同ζ位置，读取信号强度34。对应在这各个时段，空间各个高度之ζ位置，在本描述 中以幅(数)代表。对于每一幅来说，从待测面反射之光20F与从参考面反射之光20Ε有 不同之光程差。如上所述，从待测面反射之光20F与从参考面反射之光20Ε没有光程差时， 两者造成之干涉信号有最好的对比。图2Β所述图标50标示了待测样品12表面52上某一点(x，y) = (Xi, Yi)信号强 度34之变化。信号强度34称为干涉数据、干涉信号或干涉图。图2B之信号强度34乃参 考面26相对于样品12(待测面)做纵向(ζ)运动时由传感器32纪录之一系列幅数信号。 对某些装置，待测面12上某一点(x，y) = (X^yi)即对应传感器32上一像素。在图中描绘 数据50，于每幅取样位置所得之信号以方块表示。从代表信号强度34之描绘数据50，我们 可发现几件事首先如所预料，描绘数据50显示信号强度34在某一取样区间内有相对较强 信号(如图中幅数30至70)。这是因为对每一量测点(x，y) = (Xi，yi)，其干涉信号为由光 源上不同位置及不同波长之光所造成，对这些迭加信号，只有在从待测面反射之光20F与 从参考面反射之光20E其光程差接近于零之情况，其合成信号对比最好(亦即信号中振幅 最高部份)。从图标50中也可见到传感器32所量到之背景信号强度Ibg(称为直流强度)。 此为从待测面反射之光20F与从参考面反射之光20E其光程差相当大时，传感器32所量到 之信号强度，代表没有明显之干涉信号。从待测面12上某一点(x，y) = (X^yi)所量到之干涉信号对比最强之位置是当 参考面26上对应之一点，其反射光20E之光程与该待测点反射光20F相等时。在该位置， 信号强度34之振幅最大。不过在图2之图标50可见纪录每一光强度34之幅数，彼此之间 有一间距ΔΖ。考虑到如下因素，如计算资源消耗太多以及光源本身强度振荡变化及干涉信号34 中之噪声，因此并不易直接由很小的取样间距，来决定从待测面反射光20F与从参考面反 射光20Ε其光程相等之精确位置。以640X480之像素阵列之一幅数据为例为例，若取样间 距ΔΖ = lnm，扫描10 μ m，须要储存10000组640 X 480光强数据，这是一不实际，需要太长 时间而且昂贵的做法。因此有必要对如图2B中图标50所示此类型取样数据干涉强度信号34进行处理， 以便获得最佳信号对比位置，其精确度能小于取样间距Δζ。在现有技术中有多种可判别对 应于最佳信号对比的ζ位置之技术。这些现有技术包括估计一干涉强度信号34(如图2Β) 之”包迹”，然后估计出包迹之最高点或包迹之质心。图2Β中以虚线显示此包迹Mm(ζ)。如 图2Β所示，包迹Mm(ζ)显示信号34之强度范围。在这些情况下，包迹Mm(ζ)与光源14之能 率频谱有关，亦即包迹Mm (ζ)为光源14能率频谱之傅立叶转换。
对现有以包迹为基础之方法，若以强度信号34的模式来解释则易于理解。图2B 中图标50显示之空间强度信号34可以如下模式表述，即Im (xi Yi) = Ibg {1+V (Xi, Yi) Gm (Xi, Yi) cos [2 π k0 (2m Δ ζ) + θ (Xi, Yi) ]}⑴式中符号为m为取样幅数(即在ζ方向取样数据编号)，m= {1，2，···，Ν}；Iffl(Xi, Yi)为待测面12上某一量测点(X，y) = (Xi, Yi)在第m个取样幅数之强度 信号34 ；Ibg为背景DC信号；V(xi; Yi)为待测面12上某一量测点(X，y) = (Xi, Yi)干涉之对比度(通常为一 常数)；Gffl (xi; Yi)为强度信号在第m个取样幅数之包迹值；Δ z为取样间距。Kino等人在美国专利US5，194,918中提出的方案是以包迹为基础运用休伯特转 换(Hilbert transform)之方法，(以下将以此专利列为休伯特转换方法之参考文件)。休 伯特转换是将强度信号引进90°相位差，因此在(1)式中随ζ值在空间变化之量及其休伯 特转换将可分别写成IbgV (Xi, Yi) Gm (Xi, Yi) cos [2 π k0 (2m Δ ζ) + θ (Xi, Yi) ](la)IbgV (Xi, Yi) Gm (Xi, Yi) sin [2 π k0 (2m Δ ζ) + θ (Xi, Yi) ](lb)上两式中三角函数前系数Mm = IbgV(xi; Yi)Gm(xi; Yi)将可由式(Ia)及(Ib)平方 和再开方得到。由于IbgV(Xi，Yi)在多数状况为一常数，对任一幅数之包迹值Gm(Xi，Yi)乃 正比于此系数Mm，Mffl(xi; Yi)将被称为调制系数或因其正比于Gm(Xi，yi)，亦可被称为包迹。另一由K. Larkin 提出以包迹为基础之方法(K. Larkin, "Efficientnonlinear algorithm for envelope detection in white lightinterferometry,"J. Opt. Soc. Am. A 13,832-843(1996)，(以下将以此文称为Larkin方法之参考文件)，系根据以下假设对任 一幅数m，当邻近幅数η = m-2, m_l，m+1, m+2，其包迹值GnUi，Yi)相当接近包迹值Gm (Xi， Yi) ο系数Mm= IbgV (Xi，yi)Gm (Xi，yi)即可用以下公式直接算出Mm(U) = 1/4 Mnrl-IX-I1^Im-U)2]1/2 (2)运用此公式时，取样间距Δ ζ约须光源14中主要波长(即公式(l)kQ之倒数)1/8 之长度。尚有如Ai等人于美国专利US5633715提出的以包迹为基础之方法，此技术由强度 信号对ζ微分的平方来估计包迹，亦即Mm(Xi,yi) = [I' m(Xi,yi)]2(3)其中Γ m为强度信号Im对ζ的微分(以下将以此专利列为此微分方法之参考文 件)。一旦找到包迹Mm(Xi，yi)，即可找到其最大值Mmax以及其对应的位置zmax。Zfflax即为 估计之强度信号中对比最佳位置，也就是对样品12上某一点(x，y) = (X^yi)所估算之高 度。如前所述，样品12上之位置(X，y) = (xi; Yi)可能是对应传感器32上之像素。经过一趟纵向(ζ)扫描后，可以理解的是，传感器32上每一 像素对应之ζ方向资讯Zmax即可找到，所以可估算出待测面12之整体表面形状。
另一个用包迹Mm(Xi，yi)找出强度信号34中对比最佳位置之方法为计算强度信号 34之质心位置。这种技术(或称质量中心技术)系利用质心公式
权利要求
一种用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，该样品包括基材及设置在基材上的一层薄膜，其特征在于，该方法包括如下步骤针对样品上每一个有兴趣之位置(x，y)基于在样品和参考面之间进行的一系列取样幅数的扫描，检测到干涉信号I(z)；将I(z)转换为相对应之频率领域信号，处理此频率信号可得到样品上有兴趣之位置(x，y)的膜厚d(x，y)之初步估值drough；由宽广光源干涉模式以最佳化曲线方式拟合干涉信号I(z)之部分信号，得到相位差信号θfine，再由初步估计之drough去移除θfine中之2π不确定部分，得到优化之膜厚dfine，此优化膜厚dfine分辨率高于膜厚drough。
2.根据权利要求1所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征 在于，所述的宽广光源模式可以下式表示，即Im (xi Yi) = Ibg{1+V (Xi, Yi) Gm(Xi, Yi) cos [2 π k0 (2m Δ ζ) + θ (Xi, Yi)]}式中，m为取样幅数(即在ζ方向取样数据编号)，Iffl(xi; Yi)为待测面上某一量测点 (x，y) = (Xi^yi)在第m个取样幅数之强度信号，Ibg为背景DC信号，V(Xi，yi)为待测面12 上某一量测点(χ，y) = (xi; Yi)干涉之对比度(通常为一常数)，Gm(Xi，Yi)为强度信号在 第m个取样幅数之包迹值，Δ ζ为取样间距。
3.根据权利要求1或2所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其 特征在于，该方法中，将I(Z)转换为相对应之频率领域信号的过程包括将检测到的空间领 域中的强度信号I(Z)在频率领域特性与相应的薄膜光谱分布模式之特性进行比较。
4.根据权利要求3所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征 在于，该方法中，薄膜光谱分布模式具体如下式所示
5.根据权利要求4所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征 在于，该方法中，I(Z)在频率领域信号具体如下式所示If(Kz)) I = |u(k) I |B(k) |_s，其中，k为波长倒数、u(k)为光源照射于样品之电场光 谱分布、B(k)为样品薄膜之电场光谱分布，且在处理I(Z)频率信号的过程中，还从I(Z)中 移除了 u(k)项，从而由I(Z)的频率领域信号中分离出一个测量到的振幅量|B(k) Iffleas0
6.根据权利要求5所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，比较检测到的强度信号I(Z)在频率领域中的特性与相应的薄膜光谱分布模式之特性的过程包括比较测量到的振幅量|B(k) I_s和由薄膜光谱分布模式预估的量
7.根据权利要求6所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征 在于，该方法中，比较测量到的振幅量|B(k) |_s和由薄膜光谱分布模式预估的量|B(k) I的 过程包括通过变化一膜层厚度参数d从而确定|B(k) |_s和|B(k) I在频率领域上的最佳相 关性，以及选择此具有最佳相关性膜层厚度参数d为膜层厚度d(x，y)估算值draugh。
8.根据权利要求7所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征在于，当相关性为最大值时，相关性最佳。
9.根据权利要求6所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征 在于，比较测量到的振幅量|B(k) |_s和由薄膜光谱分布模式预估的量|B(k) I的过程包括 最小化一优化函数，该优化函数是基于对|B(k) !.,和|B(k) ι在频率领域的距离，以及选取 优化函数最小时的膜层厚度参数d为膜层厚度d(x，y)的估算值dMUgh。
10.根据权利要求9所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，所述的优化值包含|B(k) |_s与|B(k) I之差值的平方和。
11.根据权利要求3 10中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，估算一在一宽广光源的中心波数h的薄膜光谱分布模式 相位吣。-0^，(1)，其随薄膜厚度(10^7)于(_π，π]范围内周期性变化之相位值，且并用 膜层厚度d(x，y)的估算值dMUgh除去因相位差θ fiM引起的不确定性，从而在有兴趣的位置 (X，y)获取一膜层厚度d(x，y)的高分辨率值dfiM，其具体步骤包括将薄膜光谱分布模式相位θω(Λ10ν(1)的变化分区，其每一区对应相位θ ^el(Ivd)变 化的一个周期；选用一特定来移除相位差的不确定性，此0fiM为与估算值Clraugh在同一分 区的特定值；以及，选取对应于此特定θ fine的高分辨率估值dfiM。
12.根据权利要求11所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法还包含这样的步骤，即，提供一对照表(LUT)，此对照表提供膜层厚度d(x， y)，在一宽广光源的中心波数h情况，由薄膜光谱模式计算，所对应之相位θ model(k0, d)。
13.根据权利要求1 12中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品 之方法，其特征在于，该方法中，估算检测到的强度信号I(Z)的相位差的过程为根据所检测强度信号I (ζ)之振幅而决定该所检测强度信号I (ζ)的一包迹；根据该包迹而决定在有兴趣之位置(x，y)上该样品表面形状的一粗略估值zMUgh;采用最佳曲线拟合法，以一宽广光谱干涉模型拟合至少检测强度信号I(z)的一部分， 藉此来估算该所检测强度信号之一初步相位差θ ；采用粗略估值zMUgh，或者其角度等量，从初步相位差θ中移除不确定性，从而获得所 检测到的强度信号I(Z)的相位差0fine。
14.根据权利要求13所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，确定粗略估值Zraugh的过程包括确定一包迹的质心，以及令粗略估值Zraugh与包迹的 质心相等。
15.根据权利要求13 14中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，采用最佳曲线拟合法以宽广光谱干涉模式拟合至少检测 强度信号I (ζ)的一部分，此过程包括将一优化函数最小化，对所检测强度信号I (ζ)的每一 幅数m信号，此优化函数将宽广干涉模式与所检测强度信号I (ζ)联系起来，加以最小化，并 对各幅数m以其对应的包迹值来加权优化函数。
16.根据权利要求13所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，估算所检测的强度信号I (ζ)的相位差θ fine的过程为确定一对应于包迹最大值的幅数mmax ；采用幅数mmax确定一处理区间，该处理区间包含多个处于[Himax-ApUA2]内的幅数， 其中KxR Δ2为整数幅数，且处于该处理区间内的幅数数目少于所检测强度信号I(z)的 幅数。
17.根据权利要求16所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，根据所检测强度信号I(Z)的振幅确定所检测强度信号I (ζ)的包迹的过 程为确定一处理区间包迹，在处于处理区间以内情况下，该处理区间包迹具有一所检测强 度信号I(Z)的包迹值，而在超出处理区间的情况下，该处理区间包迹的值为零。
18.根据权利要求17所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，确定粗略估值Zraugh的过程为确定处理区间包迹的质心，并将粗略估值 Zrough设定为与处理区间包迹的质心相等。
19.根据权利要求17 18中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，采用最佳曲线拟合法以将所检测强度信号I(Z)的至少 一部分拟合至一宽广光谱干涉模式的过程为最小化一优化函数，对于处于处理区间内的 每一幅数m来说，此优化函数将所检测强度信号I(Z)与宽广光谱干涉模式联系起来，加以 最小化，并对于处于处理区间内的每一幅数m由相应的有关第m幅数的处理区间包迹的值 来加权优化函数。
20.根据权利要求16 18中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中估算所检测到的强度信号I (ζ)的相位差的过程为，利用最大幅数m_确定一第 二处理区间，该处理区间包括处于[mmax-Δ 3，mmax+Δ 4]范围内的多数个幅数，其中Δ3、Δ4& 含整数幅数，且处于处理区间内的幅数数目少于所检测到的强度信号Ι(ζ)的幅数数目，并 且Δ3、Δ4不同于Δ” Δ2。根据所检测强度信号I (ζ)的振幅确定所检测强度信号I(z)的包迹的过程为去定一 第二处理区间包迹，在处于第二处理区间包迹的情况下，该第二处理区间包迹具有一所检 测强度信号I(Z)的包迹值，而在超出第二处理区间包迹的情况下，该第二处理区间包迹的 值为零；以及，采用最佳曲线拟合法以将所检测强度信号I(Z)的至少一部分拟合至一宽广光 谱干涉模式的过程为最小化一优化函数，对于处于第二处理区间内的每一幅数m来说，此 优化函数将所检测强度信号I(Z)与宽广光谱干涉模式联系起来，加以最小化，并对于处于 第二处理区间内的每一幅数m由相应的有关第m幅数在第二处理区间包迹的值来加权优化 函数。
21.根据权利要求16 18中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，其中包括采用最佳曲线拟合法以将所检测强度信号I (ζ) 的至少一部分拟合至一宽广光谱干涉模式的过程为最小化一优化函数，对于每一幅数m 来说，此优化函数将所检测强度信号I(Z)与宽广光谱干涉模式联系起来，加以最小化，并 对于每一幅数m由相应的有关第m幅数的包迹值来加权优化函数。
22.根据权利要求16 21中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，其中处于处理区间[Himax-Anmma^A2]范围内的幅数数量和膜层厚度d(x，y)无关。
23.根据权利要求16 22中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，在空间领域内，处理区间[Himax-AnUA2]的宽度少于 广谱光源中心波长λ ^的两倍。
24.根据权利要求13 23中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，其中采用粗略估值Zraugh或者其角度等量，从初步相位差 θ中移除不定性，包括确定至少如下之一的量一个是整数P另一是在0<ν<2π范围 内的数值V，此二数是在此式(xi; Yi) =ρ(2π)+ν中定出，其中根据式
25.根据权利要求24所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，采用粗略估值Zraugh或者其角度等量，从初步相位差θ中移除不确定性， 从而获得所检测到的强度信号I (ζ)的相位差θ fine的过程，包括根据式θ fine = 2 π ρ+ θ和 θ fine =之一，来确定相位差0fim。
26.一种用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状的方法，其特征在 于，该方法包含如下步骤针对该样品上每一有兴趣之位置(χ，y)检测该样品与一参考表面间一相对扫描之一连串幅数的干涉图样强度资料； 根据该所检测强度资料之振幅而决定该所检测强度资料的一包迹； 根据该包迹而决定在该有兴趣之位置(x，y)上该样品表面形状的一粗略估值Zraugh; 采用最佳曲线拟合法以将该所检测强度资料拟合至一宽广光谱干涉模型，藉此来估算 该所检测强度资料之一相位差θ ；以及采用该相位差θ再精化该表面形状的一粗略估值ZMUgh，以获取在该有兴趣之位 置(x，y)上该样品表面形状的一精算估值Zfim，该精算估值Zfim具有较该粗略估值Zraugh为 高的分辨率。
27.根据权利要求26所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的方法，其特征在于，宽广光谱干涉模型的形式为Im (xi Yi) = Ibg{l+V(Xi, Yi) Gm (xi; Yi) cos [2 Jik0 (2m Δ ζ)+θ (Xi, Yi)]}其中 m 为取样幅数，Iffl(Xi, Yi)为在位置(X，Y) = (Xi, Yi)在第m个取样幅数之强度信号，Ibg为背景DC信号，V(Ui)为在位置(x，y) = (Xi^yi)干涉之对比度，Gm(Xi，yi)为强度信号在第m个取 样幅数之包迹值，Δ Z为取样间距。
28.根据权利要求26 27中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算 一样品表面形状的方法，其特征在于，该方法还包含如下步骤在使用该最佳曲线拟合法之 前，去估算所检测强度资料之一 DC分量，并从该所检测强度资料减去该DC分量以获取移除 DC分量强度资料。
29.根据权利要求28所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的方法，其特征在于，估算DC分量之步骤包含取下列二资料之一平均值在检测强度资料中，沿第一方向，记录多个在空间分开的幅数及强度资料，在检测光强 度资料中，沿第二方向，为相反与第一方向者，记录多个在空间分开的幅数其光强度资料。
30.根据权利要求28项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形 状的方法，其特征在于，在采用该曲线拟合法之前，从该宽广光谱干涉模型中移除一 DC项， 而获得一 DC移除模型，且其中采用该最佳曲线拟合法之步骤包含将一优化函数最小化，该 优化函数使得DC移除强度资料与该DC移除模型相关。
31.根据权利要求30所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一 样品表面形状的方法，其特征在于，该方法中，DC移除模型所具有的形式为 I: =M卵12 Jiko (2mA ⑴,其中m为幅数，I；该DC移除模型第m幅数之值，Mm为该DC 移除模型第m个幅数之包迹项，Δ ζ为取样间距，k。为该宽广光谱光源之中心波数，并且θ 是与该幅数m无关之相位差。
32.根据权利要求30所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的方法，其特征在于，该方法中，对于该连串幅数之每一个幅数m，该DC移除强度资料被第m 幅数之包迹所对应之值Mm加权。
33.根据权利要求30所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的方法，其特征在于，用一宽广光谱模式去拟合检测强度信号I (ζ)，此过程包括将一优化函 数最小化，此优化函数将宽广干涉模式与所检测强度信号I(Z)联系起来，并对第m幅以其 包迹的对应值来加权优化函数。
34.根据权利要求26 33中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一 样品表面形状的方法，其特征在于，该方法中，估算相位差之步骤包括获取具有2 π不确定 量之一相位值，并且其中采用相位差θ以再精化该表面形状之粗略估值Zraugh的步骤包含 展开相位差θ以从该相位值移除该2 π不确定量。
35.根据权利要求34所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的的方法，其特征在于，展开相位差之步骤涉及到决定以下至少一项在方程式=ρ2π+ν中之一整数ρ值，以及于0彡ν<2π范围内一 ν值，其中为根据式 2π
36.根据权利要求35所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的方法，其特征在于，采用相位差以再精化该表面形状之粗略估值Zraugh的步骤，包括根据 Cj5fine = 2 πρ+θ与Cj5fine=其中之一来决定采用相位单位之一精算估值ΦΗηε。
37.根据权利要求36所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一样品表面形状 的方法，其特征在于，该方法还包括的步骤为将以角相位表示之精算估值，转换成以 对应于该宽广光谱光源之中心波长λ。的空间单位来表示之精算估值^㈣。
38.根据权利要求26 31中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中估算一 样品表面形状的方法，其特征在于，该方法中，决定样品之表面形状之粗略估值Zraugh的步 骤，包括计算包迹之一质心并将粗略估值Zraugh设定为与包迹之质心相等。
39.一种用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，该样品包括基材及设 置在基材上的一层薄膜，该方法包括如下步骤针对样品上每一个有兴趣之位置(χ，y)检测样品与一参考表面间一相对扫描之一连串幅数的干涉图样强度资料； 根据所检测强度资料之振幅来决定所检测强度资料之一合成包迹，合成包迹包含下属 项目之组合一 R干涉图样，其对应于反射自薄膜之一曝露表面的光；以及一 T干涉图样， 其对应于反射自基材与薄膜间之一界面的光；确定对应于合成包迹之一极大值的一幅数mmax ；采用该幅数Hlmax以决定一处理区间与一处理区间包迹，该处理区间包含在[Hlmax-A1, HIfflax+Δ 2]范围内之多个幅数，其中A1与Δ2包含整数个幅数；该处理区间包迹对应于在该 处理区间内之合成包迹，并且在该处理区间外具有一零值；根据该处理区间包迹而决定在该有兴趣之位置(χ，y)上之一第一表面形状之一估值rJ ·zMom >采用该第一表面形状之估值Zd。m以估算薄膜在有兴趣之位置一厚度t(x，y)。
40.根据权利要求39所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，所述宽广光谱光源之干涉模式为Im (xi Yi) = Ibg {1+V (xi; Yi) Gm (xi; Yi) cos [2 π k0 (2m Δ ζ) + θ (Xi，yi) ]}，其中 m 为取样幅数，Iffl(Xi, id为在位置(X，Y) = (Xi, Yi)在第m个取样幅数之强度信号，Ibg为背景DC信号，V(Ui)为在位置(x，y) = (Xi^yi)干涉之对比度，Gm(Xi，yi)为强度信号在第m个取 样幅数之包迹值，Δ Z为取样间距。
41.根据权利要求39 40中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，根据处理区间包迹以决定第一表面形状之估值Zd。m的步 骤，包括决定处理区间包迹之一质心并将表面形状之估值Zd。m设定成与处理区间包迹之质 心相等。
42.根据权利要求41所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法包括如下步骤采用一最佳曲线拟合法以将对应于该处理区间包迹幅数所检测强度资料之部分拟合 至一宽广光谱干涉模型，来估算对应于该处理区间包迹幅数所检测强度资料部分之相位差9 dom 展开相位差θ dim以从其移除一 2 π不确定量并获取一个经展开之相位差； 以及，采用该经展开之相位差以再精化表面形状之估值Zd。m，以获取在有兴趣之位置 (X，y)上表面形状之一精算估值Zd。m,fiM，该精算估值Zd。m,fiM具有较粗略估值Zd。m为高的分 辨率。
43.根据权利要求42所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，采用该最佳曲线拟合法以将对用于该处理区间之包迹之该等幅数之所 检测强度资料之该部分拟合至一宽广光谱干涉模型之步骤，包含将一优化函数最小化，对 在该处理区间包迹内之每一个幅数m而言，该优化函数使得所检测强度资料与宽广光谱干 涉模型相关，且其中将该优化函数最小化之步骤包含对于在该处理区间包迹内之每一个幅 数m，以对应第m个幅数之该合成包迹对所检测强度资料在优化函数中加权。
44.根据权利要求39 43中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特征在于，该方法中，在该处理区间[Himax-AnmmaJA2]内之该等多个幅数之数 量与该薄膜之厚度t(x，y)无关。
45.根据权利要求39 44中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，该处理区间[Himax-AnmmaJA2]之宽度小于该宽广光谱光 源在空间领域之一中心波长λ ^的两倍。
46.根据权利要求39 45中任一项所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样 品之方法，其特征在于，该方法中，采用第一表面形状之估值Zd。m以估算该薄膜之厚度t (χ, y)的步骤包含估算该基材之一参考面之一平均表面形状Zref, avg，该基材参考面位于远离该薄膜处；以及，决定该表面形状之该估值Zd。m与该基材参考面之平均表面形状ZMf, avg间之一差 值，并采用该差值来估算在该有兴趣之位置(x，y)的薄膜厚度t(x，y)。
47.根据权利要求46所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，采用该差值来估算在有兴趣之位置(x，y)的薄膜厚度t(x，y)之步骤包 括若该R干涉图样是该R干涉图样与该T干涉图样之主要分量，则采用该差值以作为在 该有兴趣之位置(χ，y)的薄膜厚度之估值t(x，y)，以及，若该T干涉图样是该R干涉图样 与该T干涉图样之主要分量，则将该差值之一绝对值除以一因子N(k。)-1，以获取在该有兴 趣之位置(χ，y)之该薄膜厚度t(x，y)之一估值，其中N(k。)是该薄膜之一群折射率，并且 K0是该宽广光谱光源之一中心波数。
48.根据权利要求46所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，若该R干涉图样是该R干涉图样与该T干涉图样之主要分量，则在该有兴趣之位置(X， y)之该第一表面形状之估值Zd。m代表该薄膜之该曝露表面之该表面形状之一估值。
49.根据权利要求39到45任一所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之 方法，其特征在于，该方法中采用该第一表面形状之估值Zd。m来估算该薄膜之厚度t (x, y) 的步骤包含有下列步骤将该处理区间包迹拟合至一高斯函数；从该合成包迹减去该高斯函数以决定一中间包迹；基于该中间包迹来决定在该有兴趣之位置(χ，y)之一第二表面形状之一第二估值7 -z^int ·以及，决定该第一表面形状之第一估值zd。m与该第二表面形状之该第二估值Zint间一 差值，并使用该差值来估算在该有兴趣之位置之该薄膜之一厚度t (x, y)。
50.根据权利要求49所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法中，使用差值来估算在有兴趣之位置(x，y)之薄膜之厚度t(x，y)的步骤包 含有如下步骤若R干涉图样是R干涉图样与T干涉图样之主要分量，则将差值除以一因子N(K。)，以 获取在有兴趣之位置(x，y)之薄膜之厚度t(x，y)之估值，其中N(K。)是薄膜之一群折射率， 并且K0是宽广光谱光源之一中心波数；以及，若T干涉图样是R干涉图样与T干涉图样之主要分量，则将差值之一绝对值除以一因子N(K。)，以获取在有兴趣之位置(x，y)之薄膜之厚度t(x，y)之估值.
51.根据权利要求49所述用于在具有宽广光谱光源之干涉仪中测量样品之方法，其特 征在于，该方法进一步包括估算薄膜之曝露表面形状，其中若R干涉图样是R干涉图样与T干涉图样之主要分量，则在有兴趣之位置(X，y)之第 一表面形状之第一估值Zd。m代表薄膜之曝露表面之表面形状之一估值；以及，若T干涉图样是R干涉图样与T干涉图样之主要分量，在有兴趣之位置(x，y)之 第二表面形状之第二估值Zint代表薄膜之曝露表面之表面形状之一估值。
52.一种包含有电脑之指令之电脑程式产品，该等电脑指令在由一经适当组配之处理 器执行时，会致使该处理器去执行如权利要求1 51所述之方法。
53.包含此处所述任何特征、或这些特征的组合，或这些特征的替代组合的方法。
54.一种包含有电脑之指令之电脑程式产品，该等电脑指令在由一经适当组配之处理 器执行时，会致使该处理器去执行包含此处所述任何特征、或这些特征的组合，或这些特征 的替代组合的方法。
全文摘要
本发明涉及一种利用具有宽广光谱光源之白光干涉仪测量一样品之表面形态的方法。该方法是基于在样品和一参考面之间的一系列取样幅数的扫描，干涉仪检测到样品上的干涉图形强度数据，其包含的步骤为，对于样品上的每个感兴趣的点(x，y)(亦即待测点)先对每一待测点(x，y)上因前述相对运动所产生干涉强度变化找出该待测点(x，y)之包迹，由此包迹可初步估计该待测点之粗略高度(zrough)，然后再根据白光干涉的模式，由最佳曲线拟合法，去拟合已纪录之干涉信号，找出干涉信号中之相位差θ，由此相位数据及已找到之粗略高度，进一步得到该点之正确高度，也就是白光干涉应该得到之高分辨率形状zfine，进而提高了仅由粗略高度在白光干涉技术中所未能获得之分辨率。类似的方法可用于描述覆盖于基材上的膜层。
文档编号G01N21/45GK101952683SQ200880114402
公开日2011年1月19日 申请日期2008年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者万德深 申请人:苏州信达光电科技有限公司