CN1224829C - 微分数值孔径方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用由可变照射或观测数值孔径或二者产生的入射角的测量结果用于样品微分数值孔径分析的方法和装置。其中所述装置包括：产生光束的光源；可变照射数值孔径部件，其在数值孔径范围内变化的同时获得用于确定参数的数据，改变数值孔径从而改变投射到样品上照射线的角度范围；可变观测数值孔径部件，其在数值孔径范围内变化的同时获得用于确定参数的数据，改变数值孔径从而改变接收来自样品的散射线的角度范围；以及第一检测系统，其定位成接收和表征通过可变观测数值孔径部件接收的光线。本发明提供的装置和方法能利用最少的活动件，通过可变数值孔径或者孔径在变化的投射或散射角度范围对样品的临界尺寸进行分析。

Description

微分数值孔径方法及装置
技术领域
本发明涉及计量学，具体地说涉及一种散射仪、椭圆仪以及利用入射角测量的相似分析方法，更具体地说，涉及一种利用微分改变照射和观测数值孔径并在此基础上实现测定的装置和方法。
背景技术
应该注意，由于最近出版的一些出版物注明了一些不能作为本发明现有技术予以考虑的出版物，下面的讨论参照了许多作者的出版物和出版年代。其中对这样出版物的讨论是为了给出更完整的技术背景，而不应当解释为认可这些出版物为本发明可专利性判定目的相关的现有技术。
各种散射仪和相关的装置和测量方法已经用于表征微电子和光电半导体材料、计算机硬盘、光盘、精细研磨的光学部件以及其它具有横向尺寸在几十微米到十分之一微米范围内的其它材料的微观结构。例如，由阿森特光学技术公司(ACCENT OPTICAL TECHNOLOGIES INC)制造和销售、部分已经在美国专利No.5,703,692公开的CDS200散射仪是一个完全自动无损临界尺寸(critical dimension CD)测量和截面形状分析系统。此装置通过扫描横向穿过高数值孔径透镜系统的进入瞳孔的激光束，测量作为样品入射角和偏振的函数的样品的镜面反射。此装置也能在重复解析小于1nm的临界尺寸的同时确定截面形状并进行层厚度的估算。此装置也能监测作为照射光束的入射角函数的单衍射级序的强度。Oth或镜面级序以及样品的更高衍射级序的强度变化都可以按这种方式监测，这也提供了用于确定照射的样品目标性质的信息。因为用于制造样品目标的过程确定了样品目标的性质，所以作为过程的间接监测的信息也是有用的。这种方法在半导体加工的文献中已经进行了说明。同时，这些文献中也讲述了包括那些在美国专利NO.4,710,642、5,164,790、5,241,369、5,703,692、5,867,276、5,889,593、5,912,741和6,100,985中说明的用于散射仪分析的许多方法和装置。
散射仪及相关的装置也可以使用许多不同的操作方法。在一种方法中，使用已知的单波长光源，而且入射角θ在整个确定的连续范围内变化。在另外一种方法中，使用多个激光束光源，每一个都任选不同的入射角θ。在还一种方法中，使用具有从任选保持恒定的一定范围的光波和入射角θ的照射的入射光作为入射广谱光线源。已知可变相位的光线分量，利用用于检测最终衍射相位的检测器等光学设备和过滤器产生一系列的入射相位。也可能使用可变偏振状态的光线分量，利用光学设备和过滤器改变光线偏振从S分量到P分量。也可以在范围φ内调节入射角，以便光线或其它发射源绕目标区域旋转，或另外的目标相对于光线或其它发射源旋转。利用这些不同装置中的任何装置及其组合或交换，都可能并且公知可以获得样品目标的衍射特征信号。
除了散射仪装置外，还有其它的装置和方法能利用反射掉或透射过目标样品的光源在Oth级序或更高衍射级序时确定衍射特征信号，如通过检测仪捕捉光线的衍射光栅。这些其它的装置和方法除了散射仪外，还包括椭圆仪和反射仪。
在现有技术中利用不同的技术和装置确定CD的许多方法已经公开。如Piwonka-Corle等的美国专利NO.5,910,842公开了在入射角范围内使用反射光学设备用于分光镜椭圆对称的方法和系统。其公开了其中具有孔径的调节器位置板，以便在选择的窄范围内观测入射角。然而，此专利没有公开微分开口孔径以结合成更宽范围的入射角。
美国专利Aspnes和Opsal的NO.5,877,859及相关的美国专利Fanton和Opsal的NO.5,596,411专利公开了椭圆仪和椭圆对称的方法。在相应的实施方式中公开了孔径的使用，但只是控制最后成像在检测器组上样品区域的尺寸。在相关的方法中，也采用角积分椭圆仪，但只是在波长的较大范围内角度的固定范围。
美国专利Spanler等的NO.5,166,752专利公开了一种椭圆仪和椭圆对称的方法。其提供了可变的小孔，但没有公开在测量周期中改变孔径，其还涉及了独立地同时检测多个不同光线入射角的方法。
用于CD测量使用的一种方法是通过所谓的BRDF(双向反射系数能分布函数(Bi-direction Reflectance Distribution Function)来测量。在这种方法中，BRDF是少量波长λ的光束以及由Stokes向量S0表示的以方位角Φ0和天顶角θ0入射在散射面上的偏振状态散射进入由Stokes向量S表示的中心在方位角Φ和天顶角θ的偏振状态的微分立体角δΩ。对大多数表面的BRDF是入射角和入射光子的Stokes向量、散射方向及表面性质的复杂函数。与之相比，理想的镜面具有最简单的BRDF：当散射的方位角等于入射方位角而且散射的方位角与入射的方位角相对时，所有其它的散射角都为零，而散射的偏振状态等于入射的偏振状态。
许多表面都具有描述为BRDF的减少独立测量需求数量的对称性质。例如，由绝缘材料构成的无限横向尺寸的微分光栅不与光栅槽正交的入射光的偏振状态旋转或混合。在此正交方位入射偏振状态上BRDF的独立性可以简单地由表示S和P入射偏振状态的两个独立的BRDF进行说明。在这些条件下，BRDF在180度的光栅方位旋转下对称。工业上的散射仪通常采用这些对称的优点以便简化BRDF模式和测量装置。
BRDF广泛应用于对表面散射的条件的定义，而且经常地应用到散射光线更广地进入许多方向的光学粗糙表面。与之相对，大多数普通的光学粗糙表面并不在很宽范围散射；它们具有光学平滑性并具有简单如镜子一般的BRDF。这样的表面通常由反射系数、衍射效率或偏振旋转来描述，而不是通过表述它们完整的BRDF。当然，这些表面性质是大多数普通BRDF的特例。
不透明的光学表面可以由其BRDF很好地表述。然而，半透明光学表面的描述就需要另外的双向透射分布函数(Bi-DirectionalTransmission Distribution Function-BTDF)来表述，其限定为与BRDF类似的透射测量。在大多数一般条件下，BRDF和BTDF为表述表面散射的双向散射分布函数(Bi-Directional Scattering DistributionFunction-BSDF)的子集。
在半导体工业中，构成的集成处理和制造装置合并了各种分文件器或曝光部件、显影部件、烘干部件、计量部件及其类似的部件。因此，任何通常尺寸的标准硅晶片都可以引入到集成处理和制造装置中，而所有的装配和计量步骤都在装置内进行，通常是在计算机控制下，采用精加工晶片并在其上刻蚀需要的结构，然后退出装置。这种方法优选需要集成测量，例如CD的测量。因此，理想的是这些部件微型化到可能的程度并占用最小可能的轨迹，并具有最少的移动零件。
发明内容
在一种实施方式中，本发明提供了一种用于测定样品参数的装置，装置包括产生光束的光源；可变照射数值孔径部件，其在数值孔径范围内变化的同时获得用于确定参数的数据，改变数值孔径从而改变投射到样品上照射线的角度范围；可变观测数值孔径部件，其在数值孔径范围内变化的同时获得用于确定参数的数据，改变数值孔径从而改变接收来自样品的散射线的角度范围；以及第一检测系统，其定位成接收和表征通过可变观测数值孔径部件接收的光线。该装置包括定位成使光源产生的光线束指向样品的光束分离器，还可以包括透镜系统，其定位成使投射到样品上的照射线聚焦并收集来自样品的散射的射线。在相关的实施方式中，该装置包括用于偏振光线的第一部件，其定位成使透射到样品上的光线发生偏振；以及用于偏振光线的第二部件，其定位成来自样品的散射光线在通过第一检测系统接收和表征之前产生偏振。用于偏振定位的光线以便部件偏振投射到样品上的光线的第一部件；以及用于偏振定位的光线以便部件在通过第一检测系统接收和表征之前偏振样品散射的光线的第二部件。用于偏振光线的第一和第二部件可包括偏振器、光波板、电光调制器、光测弹性调制器和液晶或其它偏振旋转装置。装置也可包括包括第二检测系统，其定位成接收和表征在可变照射数值孔径部件之后但在投射到样品之前的光线的第一部分。这样的检测系统任选包括用于偏振检测光线的部件。光束分离器，其定位使光线的第一部分指向第二检测系统并使光线的第二部分指向样品。在此装置中，可变照射数值孔径可包括光圈、缩放透镜组件、可变光束放大器、可变孔径光圈放大成像组件、孔径光圈空间傅立叶变换部件或前述部件的组合。可变孔径光圈放大成像组件可包括提供投影图像的组件。光圈可以包括非机械光圈，包括但不仅限于形成光圈的液晶组。光圈可以是任意形状。在本装置中，第一检测系统还可以包括光电检测器或者光谱仪。第一检测系统还可以包括用于记录与接收和表征的光线相关的数据的计算机兼容输出，并且可进一步包括用于控制可变照射数值孔径部件和可变观测数值孔径部件的数值孔径的处理器。在本装置中，可变照射数值孔径部件的数值孔径在从0到大约1的数值孔径范围内变化。同样，可变观测数值孔径部件的数值孔径在从0到大约1的数值孔径范围内变化。
在相关的实施方式中，该装置包括产生光束的光源；用于在数值孔径范围内改变数值孔径的同时获得用于确定参数的数据，从而改变投射到样品上照射线的角度范围的可变照射数值孔径部件；在固定的角度范围内接收样品散射线的观测孔径部件；以及第一检测系统，其定位成接收和表征通过观测孔径部件接收的光线。
在另一相关的实施方式中，该装置包括产生光束的光源；确定照射线投射到样品上时的角度范围的照射孔径部件；用于在增量的数值孔径范围内改变数值孔径的同时获得用于确定参数的数据，从而改变接收的来自样品散射线的角度范围的可变观测数值孔径部件；以及第一检测系统，其定位成接收和表征通过可变观测数值孔径部件接收的光线。
本发明还提供了一种用于测定样品参数的方法，方法包括步骤：产生光束；在样品上聚焦光束；至少改变光线入射到到样品的入射角范围和通过至少一个可变量值孔径检测到的样品散射角的范围组成的组中选择的一个参数；以及检测和表征散射的光线。在本发明中，改变至少一个参数的步骤可包括同时改变光线入射到样品的入射角的范围和检测的样品散射角的范围两项。光线入射到样品的入射角范围通过第一可变量值孔径改变，而检测的样品散射角的范围通过第二可变量值孔径改变。该方法还包括步骤：偏振投射到样品的光线；以及偏振自样品散射的光线。在本方法中，至少一个可变量值孔径可包括光圈、缩放透镜部件、可变光束放大器、可变孔径光圈放大成像部件、孔径光圈空间傅立叶变换部件和前述部件的组合。检测和表征可以包括使用光电检测器和光谱仪的步骤，还包括用于记录与接收和表征的光线相关的数据的计算机兼容输出。
本发明的主要目的在于提供一种通过微分数值孔径技术用于结构，特别是规则结构的CD测量的方法和装置。
本发明的另一目的在于提供一种用于散射测量和椭圆测量分析的方法和装置，其中入射角的范围能通过可变量值孔径部件进行改变。
本发明的另一目的在于提供一种用于结构的CD微分数值孔径分析的方法，其中采用照射系统，其在照射线投射到结构表面时通过微小和微分增量角度范围改变，从而提供可变照射数值孔径，或者其中采用观测系统，其在接收从结构表面散射的光线时通过微小和微分增量角度范围改变，从而提供可变观测数值孔径，或其同时采用照射系统和观测系统。
本发明的另一目的在于提供一种用于微分改变照射数值孔径或观测数值孔径，或两者，并同时记录散射进入观测数值孔径中的放大倍数的方法和装置。
本发明的另一目的在于提供一种方法和装置，其中利用与可变照射数值孔径或可变观测数值孔径，或两者相关的观测数据，并部分通过在照射和观测数值孔径范围内积分散射模式，以找到说明结构表面散射的模式中的未知参数。
本发明的主要优点在于提供了一种利用最少的活动件且占用最小轨迹的散射计量法和椭圆计量法的装置。
本发明的另一优点在于提供了一种在集成半导体处理和制造装置中作为模块或部件结合使用的用于CD测量的装置。
本发明的另一优点在于提供了一种CD计量方法，其既可以应用散射计量又可以应用椭圆计量，也可以应用于通常使用BRDF、BTDF或BSDF分析的任何方法。
本发明的另一优点在于提供了一种通过改变可变数值孔径部件中的数值孔径，用于扫描通过的不同的入射或反射角、或两者的方法。
本发明的其它目的、优点和创新特征、以及应用范围将部分参照相应的附图说明，部分体现在根据本发明的实施使本领域专业技术人员通过考察可以明知的范围中。本发明的目的和优点可以通过附属权利要求书中具体指出的装置和结合来实现。
附图说明
下述附图结合在说明书中并形成说明书的一部分，其与说明书一起对本发明的一个或者多个实施方式进行说明，并用于对本发明主旨进行解释。附图仅在于说明本发明的一个或多个优选实施方式，而不应当解释为对本发明的限制。在图中：
图1是说明本发明一个实施方式的示意图，其中可变照射和观测数值孔径都采用可变光圈；
图2是说明本发明一个实施方式的示意图，其中可变照射数值孔径采用光束放大器；
图3是说明本发明一个实施方式的示意图，其中可变照射和观测数值孔径设置有偏振部件；
图4是说明本发明一个实施方式的示意图，其中可具有检测器部件；
图5是说明本发明一个实施方式的示意图，其中通过采用可变光圈的可变观测数值孔径设置有固定照射光圈；
图6是说明本发明一个实施方式的示意图，其中通过采用可变光圈的可变照射数值孔径设置有固定观测光圈；
图7是显示利用本发明具有可变照射和观测数值孔径的实施方式显示具有不同入射和反射角的对应检测的不同观测点处的变量范围的示意图；
图8是说明本发明一个实施方式的示意图，其中照射和观测采用利用可变槽光圈的单偏振器和单个可变量值孔径；
图9是利用本发明的微分数值孔径从三个样品中获得的作为观测数值孔径函数的信号的曲线图，其中照射和观测均采用单偏振器和单可变量值孔径；以及
图10是本发明一个实施方式中可采用的可变光圈的示意图。
具体实施方式
图1中示出了本发明中所述装置的普通实施方式。光源20提供有用于照射光束100的光线源，其光源20可以产生任何形式的光线，既可以在可见光谱内也可以在可见光谱外。光源20通常产生单色光，在优选方式中产生相干光，从而可以使用通常的激光、发光二极管及其类似的光线。当然，在本发明的实施方式中，也可以使用将在下面说明的其它光源和光的形式。由光源20产生的照射光束柱部分穿过照射孔径30，照射孔径30可以在测量或扫描过程中改变尺寸或形状，或二者均改变。在一种实施方式中，照射孔径30包括如图10中的光圈。在图10A中可变槽光圈510设置在板500中，可变槽光圈可以扩展到图10A中所示的不同的宽度。同样，在图10B中，设置有可变正方形光圈520，在图10C中，设置有可变圆形光圈530。应该理解光圈可以是任何形状或结构，而本发明并不局限于图10所示的形状。
从照射孔径30发出的部分照射光束100部分与光束分离器50相交，部分照射光束100通过光束分离器50反射形成光束110，而剩余的部分作为光束105穿过光束分离器50。光束分离器50可以是将光束100分离成至少两部分的任意光学或包含光学的部件。这样的部件可以将光束100分离成如图1所示的90°角，或任何其它与图1装置性能一致的角。光束分离器50可以是通常的半透明反射镜、立体光束分离器、偏振立体光束分离器或起任何其它部件或实现光束分离器作用的部件。
反射光束110通过透镜60聚焦，也可以是包括两个或多个单独的透镜或其它的光学部件的聚焦透镜系统如物镜系统。透镜60在样品表面95上产生一系列入射角，入射角由照射孔径30、样品表面95与透镜60的距离、光束110频谱范围以及透镜60的光学性质确定。通常，样品表面95可以是例如固定在支座90上的晶片上的衍射光栅，并将任意地散射包括光束100的光线。在透镜60的数值孔径内的散射光线部分穿过透镜60并形成作为散射光束120的散射光线柱。任何射线距离透镜60的光学轴的距离和此射线从表面95散射的角度之间的关系可以根据图1装置的光学性质的知识精确地估算出来。
光束120穿过光束分离器50而且部分穿过观测孔径40，其中观测孔径40的尺寸或者形状、或者尺寸与形状二者均可以进行控制。在一种实施方式中，观测孔径40包括如图10所示并在上述相应的照射孔径30中已经说明的光圈。通过调节观测孔径40的直径，或更通常的其形状和尺寸，检测系统70接收形成部分与特定散射角范围对应的光束120的散射光。同样，调节照射孔径30改变入射到样品表面95的入射角度的范围。
检测系统70可以包括任意用于检测任何与形成光束120相关的参数的检测器装置，从而表征接收光线。也可以包括例如强度、偏振状态、光谱特性及其性质。在一种实施方式中，检测系统70包括一个或更多光电二极管、光电倍增管或其它适用于检测光线形成光束120的波长或强度或二者均包括的部件。单一部件检测器提供了作为观测孔径40或照射孔径30或二者的数值孔径变化结果的样品表面95上入射角度范围的综合测量结果。如果能检测到与散射性质相关的波长，则光源20可以在整个测量范围顺序提供不同波长的光线，或光源20可以提供白光或短波长光，通常是毫微微秒到微微秒范围的激光脉冲。检测系统70也可以包括与要检测的性质和使用光线的形式相适应的频谱解析系统，如衍射光栅单色仪、可调法布里-佩罗(Fabry-Perot)谐振器、棱镜、或任何其它一些标准光谱工具。在一种实施方式中，由于照射光谱的每个组件部件有效地独立，因此检测系统70可以测量更广范围或平行设置的波长，其非常适宜于在样品具有可忽略的非线性性质的情况。在另一实施方式中，如果将检测系统70设置到检测器部件或部件上，则检测系统70包括光束聚焦器或其它将所有光线都集中在观测孔径40对应的角度范围内的聚焦部件。检测系统70还包括作为其部件或独立零件的各种数据处理部件，可以任选包括计算机如处理器、数据储存装置和数据检索装置。检测系统70的计算机或处理器部件、或独立的部件也可以提供用于记录数据、有选择地取消数据、数据分析、模块系统的产生、模式系统模块系统的比较及类似的功能。
图1的装置还任选包括检测系统80，检测系统80可以与检测系统70一样或不一样。检测系统80包括用于检测与光线形成光束105相关的任意参数的任何检测器装置，在优选方式中，包括部分用于通过测量光束105已知部分的光束105以监测光束100光照放大倍数的光检测器，从而提供一个或更多在图1装置用于校准的数据组。在一种实施方式中，检测系统80包括检测器组。检测系统80还可以包括一维而在优选方式中是二维的检测器组。这样的组可以包括光电二极管、电荷耦合装置或其它与要检测的波长和强度相适应的检测器组。检测器组的使用提供了在相应的入射角范围内的光束105的测量方法。同样，也可以确定任何其它需要的参数，以及包括任何在各种统计分析技术中作为校准数据使用的参数。
虽然图1的示意图中显示的装置只介绍了样品表面95的一个点，但本发明的装置包括与照射的区域和样品横向尺寸的观测进入窗口相匹配的图像光学设备。因此，部分通过利用光线的波长和形成样品表面95的部分的结构的尺寸可以确定要分析的样品表面95的区域。
图2的装置示出了另一实施方式，其中照射数值孔径部件130包括可调节望远镜，或改变照射光束100的光柱直径的可调节光束放大器。通过利用如可调节望远镜、缩放透镜组、可调节光束放大器及类似的光学部件，可以改变有效的照射数值孔径而不改变光束100的总光照放大倍数。通常可调节光束放大器限定在大约1∶1到大约6∶1的范围内调节，但也可以采用已知并能构成的更强大的光束放大器，包括由相应的缩放透镜组组合的结构构成。也可以是其它的组合和排列，以便观测孔径40可以连同可调节光束放大器或同样在观测孔径40后但在检测器70前改变散射光束120光柱直径的光学设备一起使用。
图3示出了本发明的一种实施方式，其中包括偏振部件150以及任选的偏振部件155。偏振部件150和155可以包括线性偏振器、可旋转光波板，如可旋转90度光波板或其它偏振光学部件。也可以选择偏振部件150和155以便控制照射光束100或散射光束120或二者的偏振状态。在此实施方式中，检测系统70和任选的检测系统80另外测量一个或多个与光线形成光束120相关的偏振状态。应该理解，部件的设置方式可以在本发明的范围内改变。例如，偏振部件150可以形成光源20的一部分，并可以置于在观测孔径30前或后。同样，偏振部件155也可以置于观测孔径40前或后。所以，偏振部件150也可以用于照射数值孔径部件130，并形成其中的一部分，或可以是分离的部件、并可以置于部件130前或后。在使用偏振光学部件的任何这样的实施方式中，标准椭圆仪的分析方法可以任选扩展到说明在距离光轴一段距离的散射区域的椭圆仪状态的可能变化，从而提供一种在测量系统上这些部件效果的精确模式。
在图4中示出了另一实施方式，其中检测系统70包括多个形成检测器组的检测器72。检测系统70还可以包括一维(例如，单行或单列检测器)，而在优选方式中为二维检测器组。这样的组包括光电二极管、电荷耦合装置或其它与要检测的波长和强度相适应的检测器组。检测器组的使用提供了一种较大散射角范围内的测量方法。检测器72还包括任何包括提供空间解析强度测量的检测部件，如视频摄像管(videcon、neuvicon)等。当图4的装置包括观测孔径40时，应当理解，可以使用形成检测器组的多个检测器72而不是观测孔径40，或另外可以使用观测数值孔径部件140。所以也可以使用图3的偏振光学组件光学部件及图4中的组。图4还显示了包括形成检测器组的多个检测器82的检测系统80，其中组可以是如检测器72所述的组。检测器82的组可以适用于本发明的任何实施方式，而不局限于图4的实施方式。
图5示出了另外一种实施方式的装置，其中没有设置可变照射孔径或性能同样的照射数值孔径部件，而其中唯一的可变孔径为观测孔径40。此实施方式能用于表征扩射地散射的表面，但通常不适用于几乎是镜面的表面，如次波长衍射光栅。在图6中显示了补充的另外一种实施方式的装置，其中可变照射孔径30具有固定观测孔径45。在这种情况下，在透镜60的数值孔径内的所有散射光线和固定的观测孔径45总是观测，其中照射角度范围通过照射孔径30发生变化。此实施方式可以使用弱性、散射的表面，其散射效率主要根据入射角变化。观测到散射角的大范围包括但不局限于整个范围增加了在获得用于限制观测数值孔径范围的信号等级。
此外，数值孔径可以通过图像技术改变或影响而不是通过直接调整孔径光圈。对于许多应用场合，图像技术的使用提供了良好的结果。例如，光圈的使用，特别是用于照射孔径，光线通过光圈的通道可能产生衍射圈。因此，针孔孔径可以产生表示衍射级次的同心圆的空气盘。系统设计可以通过将照射光圈成像到透镜60的孔径光圈上以解决衍射，特别是透镜60包括物镜系统，如包括两个或更多单独的透镜和孔径光圈的聚焦透镜系统。图像系统通常使用包括一个或更多透镜，除附图所示的透镜外，还可以包括技术中熟知的其它光学部件。图像系统也使照射光圈放大或缩小，从而影响数值孔径中的变化。
下面有几种用于调节数值孔径的技术，包括但不局限于(a)可以使用缩放元件以扩展或缩回物镜有效的焦点长度，从而减少或增加数值孔径；(b)通过采用可变的放大率成像孔径光圈，调节孔径光圈的有效尺寸(确定相关锥形光束的直径)；(c)在载片上印制孔径光圈，更具体地，在载片上印制孔径光圈的空间傅立叶变换形式(spatial FourierTransform)，或者在空间光线调节器(spatial light modulator)上形成图案，然后将空间光线调节器投影到系统中，从而通过改变载片或图案来改变孔径光圈；(d)直接改变孔径的尺寸，如通过打开或关闭光圈；以及(e)任意或上述一些的组合或排列。也有可能或可以考虑到数值孔径可以通过液晶部件改变，如液晶作为开关用于或阻隔或传送光线的部件，从而形成孔径的一部分。使用液晶组或面板还具有偏振器的作用。使用液晶组或面板还能形成可变数值孔径部件的一部分，以便本发明的装置没有活动的机械零件。上述所有内容的目的都在数值孔径中公开，而在附图和描述的装置中，任何改变数值孔径的上述方法都可以作为替代形式。
图8A提供了另外一种实施方式的装置，在后文中将展示微分数值孔径(diferential numerical aperture-DNA)特征图像(signature)来区别衍射光栅样品之间的不同。从光源220发出的光线300，如氦-氖激光，部分从光束分离器240反射形成光束310，此光束穿过偏振器250，如格兰—汤姆森偏振器，使光束沿基座290上的衍射光栅样品295上的槽产生偏振。当其穿过包括透镜280和透镜285的牛顿望远镜时，光束310的直径扩展了6倍的系数，从而使最终的光束320变成足够大以充满显微物镜260的孔径。具有窄矩形槽的面板230位于包括透镜280和透镜285的望远镜和显微物镜260之间，并当测微计的拨盘推动面板230时使光束320形成位置沿长轴方向移动的窄矩形光束330。如图8B所示，缝隙235位于沿衍射光栅样品295上槽的纵向。在一种实施方式中，缝隙235近似为500μm宽，至少与显微物镜260的孔径一样长。显微物镜260将矩形光束330聚焦在样品295上并校准反射光束340。在其返回的通道上穿过缝隙235的反射光束340部分再由偏振器250偏振，穿过光束分离器240，穿过去除背景光线的频谱过滤器275，然后激励光电检测器270。DNA特征图像是作为缝隙235位置的函数光电检测器270响应。
在图8的实施方式中，缝隙235放置在光束分离器240的后面并靠近物镜260。这就减小了缝隙235的衍射效果，通常是减小限定照射角范围的脆性(crispness)。另一实施方式保持了图1所示装置照射孔径在光束分离器前的位置，并另外包括成像系统以便延迟照射孔径进入显微物镜260孔径光圈的图像。
本发明的装置一般地提供作为入射光线函数的已知照射强度，并任选波长和偏振状态，并提供对观测表面散射的光线进入特定的方向和偏振状态的观测。观测的效率可以以通过已知的方式加以改变。在此处通常称为BRDF的表面模式提供了在给定波长从给定方向以给定的偏振状态入射的光线将散射成特定的方向和偏振状态的可能性。散射的可能性与样品的表面参数有关，而这些参数正是本发明的方法和装置所要确定的。通过在整个照射状态的范围卷积BRDF和照射藩属，可能构建散射成特定方向和偏振状态的光线的强度。然后在整个观测状态的范围卷积散射的强度和观测的效率。通过将卷积的结果与对照射状态、观测状态和表面参数组合的测量DNA数据比较，就确定了模拟和测量之间的误差。然后微分变换照射或观测状态、或二者，从而产生新的数据和误差点。重复这个过程直到测量到需要点的数量。利用测量的数据，改变表面参数，并再计算模拟和度量误差，直到确定一组低误差的表面数据结果。这组表面参数具有在模式、技术和实验误差内的精度，这样分析完成。
本发明的方法和装置提供了对给定的样品在整个照射或观测数值孔径，或二者范围内测定数据点的方法和装置，其数值孔径的范围必须与入射和/或散射角对向。应该理解，数据点可以是分段的或跨越整段时间。例如，照射数值孔径部件的数值孔径可以以任意的比率在从0到大约1的范围内逐渐增加或减少。在每个增加步骤，都要对散射光线强度在整个范围内检测角度进行测量。然后按逐步方式累积数据。另外，数值孔径在整个时间内按已知的比率变化，散射光线强度的检测与初始数值孔径和变化的比率有关。同样，观测数值孔径可以任选增量步骤或已知的比率，但与散射光线强度的检测有关。通过这种装置，可以改变入射角和检测的散射角，这种变化也提供了分析基础，包括BRDF确定。
通常，本发明的DNA方法适合于求出表面散射模式的未知参数。由于DNA特征图像(DNA signature)是表面散射模式函数与照射和观测数值孔径函数的卷积，所以通常不能直接导出散射函数本身。当然，如果表面参数的变化导致在任何观测角处散射性能的变化，则此变化将在DNA特征图像中重复。如果表面参数中的变化增加了在观测角较广范围内的散射，则DNA特征图像的效果将由于测量性质的集成而增大。当然，如果表面参数的变化只在很小的范围内导致观测角变化，则DNA特征图像的效果将变得相对小一些。
在CD散射计量中，通常用于样品的是周期为次波长的散射光栅，使BRDF在很大的观测角范围内缓慢地变化。本发明的DNA方法能很好地适应这样的测量，这是由于在很大的角度范围内反射系数变化即使很小也能在DNA特征图像产生相当大的效果。通常，由于本技术的积分性质将整个峰和谷“平均”，因此DNA方法不适应于观测角快速变化的样品。当然，此种类通常情况也有例外，例如表面参数观测的变化会导致样品的BRDF产生缩放的情况，由于这种情况的积分效果将很大。
本发明还提供了一种与已知和传统的穿过入口瞳孔横向扫描的方法相反的方法，其通过微分变换照射或观测数值孔径或二者测量作为入射角函数的散射。本发明的方法和装置还用于在单一的波长或光谱下实现角度解析散射计量、椭圆计量及双向反射分布函数的测量。
本发明的方法和装置还适用于透射研究。在双向投射分布函数测量的情况下，照射设置于样品下面。
观测和照射孔径可以作为数值孔径独立地控制，并可以在位置上相对于光束、尺寸或形状或其综合任选改变。例如，根据构造形式相对于光束改变固定孔径可以在数值孔径中产生有效的变化。
图7显示了利用图1的装置的简化一般概念性测量顺序。在每组设定的照射数值孔径中，测量作为观测数值孔径函数的检测器的光电流。光电流中的增量差确定了更高角度散射的影响。在图7中，设定情况A显示了照射和观测孔径光圈几乎完全关闭的情形，以便二者的数值孔径的数值很低，所以样品是单一地在近似正入射时照射并只测量镜面反射。在设定情况B和C(沿X轴移动)中，观测孔径光圈按增量阶段打开，随着增加观测数值孔径部件的数值孔径值，记录每个阶段的观测光电流。应该理解，虽然显示的是B和C两个阶段，但可以采用比显示的更精细或小增量的许多步骤。在设定的D到F情况中，照射孔径光圈在一增量打开并保持在这个位置，同时打开观测孔径光圈一个较小步阶。从位置D到F产生的测量与位置A到C产生的对应测量之间的差异即为偏轴照射的散射结果。在设定的G到工中，最后一组测量设置成照射数值孔径最大，同时以较小步阶打开观测孔径光圈。也有可能按Y轴方向移动，如从A到D到G，以便固定观测孔径光圈并以小步阶打开照射观测孔径光圈。
如图7所示的通常顺序包括，在检测器设定的最高和最低数值孔径以及频带宽界限内，所有来自样品的散射信息均具有轴对称性质。对于不具有轴对称的样品，对照射和观测孔径的形状进行协调以提供与相应的适宜对称和修正的测量顺序。对于衍射光栅，孔径可以具有矩形对称，而测量顺序可以沿图7所示设定的对角线方向进行。
利用如图8所示的装置，可以在洁净无壳硅晶片和由光刻方法制作并包含于晶片，如300mm硅晶片第4行和第5和6列的衍射光栅上进行测量。面板230由测微计移动。设定最初的测微计拨盘以便缝隙235的下边缘处在光学轴上；这样在其返回通道上缝隙235完全阻隔反射光束并获得0信号。通过测微计，将缝隙的下边缘按2.5μm的步阶移动到光学轴下面，同时通过光电检测器270测量反射的放大倍数。持续此微分步骤微分过程直到反射倍数停止增长，意味着缝隙位于光学轴的中心。然后用同样的方法测量衍射光栅，第4行第5列的光栅按2.5μm的步阶，5.0μm的步阶和5.0μm的步阶进行测量。相临的第4行第6列的光栅测量两次，每次的步阶为5.0μm。最后的数据显示在图9中，其中Y轴表示信号，而X轴表示的观测数值孔径的计算在下面说明。无壳硅晶片的符号为“硅”，“4，5#1”表示光栅的测量在第4行，第5列，步阶为2.5μm，而“4，5#3”表示同样的光栅测量步阶为5.0μm，符号“4，6#1”和“4，6#2”都表示光栅的测量在第4行，第6列，步阶为5.0μm。
图9的数据表明，两个光栅的特征图像重复的单独特征图像相比较好地分离，也较好地与无壳硅晶片分离。特征图像随着观测数值孔径的增加而增加，这是因为样品是镜面的，而且对于所有存在的数据照射数值孔径超过了观测数值孔径。通过校准的射线对照射的理想透镜使用正弦规则将测微计读出的数据转换为观测数值孔径值。正弦规则为：
sinθ＝x/f                             公式1
其中x是射线距离光学轴的距离，f是物镜的焦点长度，而θ是当离开物镜后射线与光学轴的角度。射线初始平行于光轴并在其以上高度x时将以角度θ投射到样品。在样品的镜面性质给定的情况下，低于光学轴的缝隙下边缘的位置确定了有效观测系统的数值孔径，定义空气中的样品为：
NA＝sinθ＝x/f                         公式2
其中x表示缝隙下边缘低于光学轴的距离，而NA为数值孔径。最初的观测数值孔径为零。当缝隙的下边缘移到光学轴下面时，通过显微物镜增加观测数值孔径直到其达到设定的最大值，已知的数值为0.8，得到：
0.8＝x_max/f                           公式3
通过从最大信号时测微计上的读出值减去零信号时最低位置处测微计的读出值，x_max的值确定为2.97。估算f，得到作为x函数的数值孔径：
NA＝0.8*x/x_max                        公式4
然后利用NA的计算值画出图9显示的与信号相对的曲线。
在上述的实施例中，照射光由单波长和偏振状态的光组成。由于缝隙是沿光栅样品槽的方位，所以可以考虑一种模式，其中样品作为普通镜子，其反射系数随角度而产生改变。为简化起见，认为缝隙足够窄，所以样品的有效反射系数在整个与缝隙的长度正交的入射方向上变化不很明显。虽然激光束的高斯性质不会在整个缝隙面积上产生均匀的照射，但从简化起见可以认为几乎是均匀照射。在这种模式内，由于模式中光栅只是作为具有反射系数的普通镜子，所以在测量的最初状态没有可见信号；在镜面反射模式内，预计根本没有照射光线能在由缝隙限定的观测数值孔径中观测到。由于缝隙在光学轴的下面，所以预计当照射远离光学轴，不论在其上或者之下，在缝隙的下边缘低于轴时，都将落入观测数值孔径中并被观测到。如图9所示，在少量的第一测量中，缝隙的下边缘恰好刚刚在光学轴的下面，所以只有法线入射处的样品实际反射系数重要。第一测量构成了样品表面正反射系数的非校准测量。假定硅样品的反射系数已知，就可能对几乎法线入射的光栅样品直接进行校准测量。
由于缝隙被微分地降低，如果光栅的有效反射系数为恒定，则信号级将以缝隙降低速率的两倍线性增加，轴上面维持全部照射的缝隙部分及当缝隙下降时在缝隙下面线性增加的部分产生两个系数，缝隙上面和下面的部分都由系统观测。测量特征图像的观察观测表明对于第一级序特征图像在观测数值孔径中是线性的。当缝隙下降时，观测系统在越来越大的入射角上继续积聚信号直到最后达到物镜的极限。当缝隙恰好在轴的下面时，只有初始测量能够进行清楚的解释；通常，测量值表示在整个角度范围内积分的样品的反射系数。当然，利用上述的分析过程可以找到最适合的表面参数。
利用前述，可以构成用于DNA分析的致密装置并且可以采用不同的构造来实现。这样的构造可以包括如集成处理的模式或部件以及用于半导体制造的制造装置的应用。例如，图8所示的装置包括单一的活动件、包括缝隙235的面板230，其同时作为观测和照射数值孔径的函数。通过将二极管激光用于光源220以及偏振立体光束分离器用于光束分离器240和偏振器250，装置中组件可以装配在几乎5cm×5cm×25cm或更小数量级的尺寸范围内。同样，图1的装置和同样的实施方式只使用一个或两个活动件，而且能装配在5cm×20cm×20cm或更小数量级的尺寸范围内。利用液晶孔径，本发明也可能提供没有活动机械件的装置。这样，使有效的小型化具有可能并得以实现，而这是许多场合所需求的。
前述实施例可以通过替换所述一般或特定的部件和/或前面实施例中使用的本发明的操作条件以成功地重复实现。
虽然本发明通过优选实方式进行了公开和说明，但其它实施方式也能实现同样的效果。应当理解，本领域的熟练技术人员显然可以对本发明作出变更和修改，而这些变更和等同物将落入本发明权利要求所限定的范围中。上述所有引用的参考文献、申请、专利和公开出版物在此作为参考。

Claims (42)

1.一种用于确定样品参数的装置，包括：
产生光束的光源；
可变照射数值孔径部件，其在数值孔径范围内变化的同时获得用于确定参数的数据，改变数值孔径从而改变投射到样品上照射线的角度范围；
可变观测数值孔径部件，其在数值孔径范围内变化的同时获得用于确定参数的数据，改变数值孔径从而改变接收来自样品的散射线的角度范围；以及
第一检测系统，其定位成接收和表征通过可变观测数值孔径部件接收的光线。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括定位成使光源产生的光线束指向样品的光束分离器。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括透镜，其定位成使投射到样品上的照射线聚焦并收集来自样品的散射射线。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：
用于偏振光线的第一部件，其定位成使透射到样品上的光线发生偏振；以及
用于偏振光线的第二部件，其定位成来自样品的散射光线在通过第一检测系统接收和表征之前产生偏振。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
用于偏振光线的第一部件和用于偏振光线的第二部件包括从由偏振器、光波板、电光调制器、光测弹性调制器和液晶组成的组中选择的部件。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括第二检测系统，其定位成接收和表征在可变照射数值孔径部件之后但在投射到样品之前的光线的第一部分。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括光束分离器，其定位使光线的第一部分指向第二检测系统并使光线的第二部分指向样品。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
可变照射数值孔径部件包括从由光圈、缩放透镜组件、可变光束放大器、可变孔径光圈放大成像部件、孔径光圈空间傅立叶变换部件和前述部件的组合组成的组中选择的部件。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于光圈为任意形状。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
第一检测系统包括从由光电检测器和光谱仪组成的组中选择的部件。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
第一检测系统包括用于记录与接收和表征的光线相关的数据的计算机兼容输出。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括用于控制可变照射数值孔径部件和可变观测数值孔径部件的数值孔径的处理器。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
可变照射数值孔径部件的数值孔径在从0到1的数值孔径范围内变化。
14.一种用于确定样品参数的装置，包括：
产生光束的光源；
用于在数值孔径范围内改变数值孔径的同时获得用于确定参数的数据，从而改变投射到样品上照射线的角度范围的可变照射数值孔径部件；
在固定的角度范围内接收来自样品的散射线的观测孔径部件；以及
第一检测系统，其定位成接收和表征通过观测孔径部件接收的光线。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括定位成使光源产生的光线束指向样品的光束分离器。
16.根据权利要求14所述的装置，还包括透镜，其定位成使投射到样品上的照射线聚焦并收集来自样品的散射射线。
17.根据权利要求14所述的装置，还包括：
用于偏振光线的第一部件，其定位成使透射到样品上的光线发生偏振；以及
用于偏振光线的第二部件，其定位成来自样品的散射光线在通过第一检测系统接收和表征之前产生偏振。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：
用于偏振光线的第一部件和用于偏振光线的第二部件包括从由偏振器、光波板、电光调制器、光测弹性调制器和液晶组成的组中选择的部件。
19.根据权利要求14所述的装置，还包括第二检测系统，其定位成接收和表征在可变照射数值孔径部件之后但在投射到样品之前的光线的第一部分。
20.根据权利要求19所述的装置，还包括光束分离器，其定位使光线的第一部分指向第二检测系统并使光线的第二部分指向样品。
21.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：
可变照射数值孔径部件包括从由光圈、缩放透镜组件、可变光束放大器、可变孔径光圈放大成像部件、孔径光圈空间傅立叶变换部件和前述部件的组合组成的组中选择的部件。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于光圈为任意形状。
23.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：
第一检测系统包括从由光电检测器和光谱仪组成的组中选择的部件。
24.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：
第一检测系统包括用于记录与接收和表征的光线相关的数据的计算机兼容输出。
25.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：
可变照射数值孔径部件的数值孔径在从0到1的数值孔径范围内变化。
26.根据权利要求14所述的装置，还包括用于控制可变照射数值孔径部件的数值孔径的处理器。
27.一种用于确定样品参数的装置，包括：
产生光束的光源；
确定照射线投射到样品上时的角度范围的照射孔径部件；
用于在增量的数值孔径范围内改变数值孔径的同时获得用于确定参数的数据，从而改变接收的来自样品散射线的角度范围的可变观测数值孔径部件；以及
第一检测系统，其定位成接收和表征通过可变观测数值孔径部件接收的光线。
28.根据权利要求27所述的装置，还包括定位成使光源产生的光线束指向样品的光束分离器。
29.根据权利要求27所述的装置，还包括透镜，其定位成使投射到样品上的照射线聚焦并收集来自样品的散射射线。
30.根据权利要求27所述的装置，还包括：
用于偏振光线的第一部件，其定位成使透射到样品上的光线发生偏振；以及
用于偏振光线的第二部件，其定位成来自样品的散射光线在通过第一检测系统接收和表征之前产生偏振。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于：
用于偏振光线的第一部件和用于偏振光线的第二部件包括从由偏振器、光波板、电光调制器、光测弹性调制器和液晶组成的组中选择的部件。
32.根据权利要求27所述的装置，其特征在于：
第一检测系统包括从由光电检测器和光谱仪组成的组中选择的部件。
33.根据权利要求27所述的装置，其特征在于：
第一检测系统包括用于记录与接收和表征的光线相关的数据的计算机兼容输出。
34.根据权利要求27所述的装置，还包括第二检测系统，其定位成接收和表征在照射孔径部件之后但在投射到样品之前的光线的第一部分。
35.根据权利要求27所述的装置，还包括用于控制可变观测数值孔径部件的数值孔径的处理器。
36.一种用于确定样品参数的方法，包括步骤：
产生光束；
在样品上聚焦光束；
至少改变光线入射到到样品的入射角范围和通过至少一个可变量值孔径检测到的样品散射角的范围组成的组中选择的一个参数；以及
检测和表征散射的光线。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于：
改变至少一个参数的步骤包括同时改变光线入射到样品的入射角的范围和检测的样品散射角的范围两项。
38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于：
光线入射到样品的入射角范围通过第一可变量值孔径改变，而检测的样品散射角的范围通过第二可变量值孔径改变。
39.根据权利要求36所述的方法，还包括步骤：
偏振投射到样品的光线；以及
偏振自样品散射的光线。
40.根据权利要求36所述的方法，其特征在于：
至少一个可变量值孔径包括从由光圈、缩放透镜部件、可变光束放大器、可变孔径光圈放大成像部件、孔径光圈空间傅立叶变换部件和前述部件的组合组成的组中选择的部件。
41.根据权利要求36所述的方法，其特征在于：
检测和表征包括使用从由光电检测器和光谱仪组成的组中选择的装置。
42.根据权利要求36所述的方法，其特征在于：
检测和表征包括用于记录与接收和表征的光线相关的数据的计算机兼容输出。
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