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CN115176147B - 光学计量系统和方法 - Google Patents

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CN115176147B CN202180016485.1A CN202180016485A CN115176147B CN 115176147 B CN115176147 B CN 115176147B CN 202180016485 A CN202180016485 A CN 202180016485A CN 115176147 B CN115176147 B CN 115176147B
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Abstract

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

Description

光学计量系统和方法
技术领域和背景技术
本发明属于图案化结构(如半导体晶片)的光学测量领域，特别适用于计量测量。
广泛用于半导体计量和过程控制的光学测量方法，传统上依赖于光谱反射仪和/或光谱椭圆仪。然而，由于从结构中散射出来的电磁场也包含光谱相位信息，这也有利于从测量中提取更多或更准确的信息，而在光学频率下不可能直接获取这些信息，因此使用光谱干涉仪。
一些光谱干涉技术例如在美国专利第10,739,277号和第10,161,885号中有所描述，这两个专利都转让给了本申请的受让人。
发明内容
本领域需要一种新颖的技术，用于在图案化结构中实现基于红外(IR)的光谱干涉测量，能够基于干涉仪的有限时间相干性，分离出来自结构的背面的贡献。
将散射测量的波长范围扩大到红外范围有多种好处，特别是能够穿透在可见光-紫外(Vis-UV)范围内不可穿透的材料，具有独特的敏感性(例如，对材料的特性)，在模拟的简单性方面具有优势，等等。更具体地说，当在部分或全部光学系统的操作波长部分或完全可穿透的结构中进行测量时(例如，在(标准)硅晶片上制造的结构)，入射光在结构内不被吸收，而是继续在结构内传播并从底部(背面)部分反射回来，当通过结构的顶部部分输出时，呈现一个寄生信号，该信号要与顶部表面反射分开。对于超过～1.1μm的波长，硅衬底变得可穿透，可能会由于来自晶片背面的反射产生重大污染。晶片的底部反射由于重复性低/晶片夹具表面而不稳定。
通常希望使用正常入射测量，与斜入射操作相比，它有几个优点。这些优点的例如涉及到硬件简单(照明和收集光学器件在光路的重要部分是共同的)，尺寸紧凑，允许将解决方案集成到小尺寸的实现中(如集成测量)，甚至光-物质相互作用模拟简单。
然而，使用红外照明的正常入射模式不可避免地导致收集结构的顶部部分(所需数据)和结构的底部部分(污染)的反射。当需要高光谱质量时，就像当前的计量要求一样，这种污染会不利于对测量数据的正确解释。因此，人们希望在保持其他系统参数(如光斑大小和吞吐量)的同时，避免或准确地消除这种污染。
有几种方法可以缓解这个问题。例如，晶片背面的反射可以通过共焦光学布局来消除(共焦布局的实施可以显著减少焦点外的贡献)。然而，共焦模式对散射测量来说存在问题，因为它使得对微小的焦点误差强烈敏感。根据晶片背面反射去除算法，晶片背面反射产生的信号贡献被估计出来，并通过算法从测量信号中减去。然而，晶片上的不同位置的背面反射会有所不同(取决于粗糙度，甚至是固定晶片的底层平台的特性)，同时，被测结构(制造在晶片顶部的)也会影响背面反射的信号：由于这种结构的变化会影响通过它的整体光传输，我们不能将背面反射视为一个“恒定”贡献。预期的与背面反射相关的光谱误差为几个百分点(对于某些光学布局来说甚至是百分之几)，这有时仍然允许以合理的误差进行定量解释。然而，对于高端散射测量，处理先进的应用，这样的误差是完全不可接受的，因此不能简单地忽略背面的贡献。因此，用于半导体计量的红外散射测量通常基于斜入射测量。
本发明的技术是基于分析原始测量数据的新方法，在样品上测量的光谱干涉信号指示在样品和干涉仪参考臂之间的不同光路差，并利用包括样品基本上不吸收的波长的操作波长。本发明能够直接提取样品顶部部分的光谱反射和相位，而不考虑原始测量数据是否还包括来自样品顶部部分以外的界面的反射(例如，底部部分的反射)。
以上是在发明中通过从原始测量数据中提取的干涉信号部分来实现了信号强度的变化，并在样品和参考臂之间的光路差(OFD)变化(至少四个)OFD的不同值。被测量的光谱干涉信号部分与从样品的一个或多个内部界面返回的干涉信号无关，因此提供了从所述部分直接确定从样品的顶部部分返回的信号的光谱振幅和相位。在下面的描述中，这种描述强度(振幅)变化的信号部分有时被称为在光路差变化中测量的“信号的AC部分”。
如下文所述，发明人发现，测量信号的所谓“DC部分”，即与OPD无关的部分是唯一与样品背面(或其他内部界面)反射有关的信号部分，而单独的AC部分则与顶部部分的反射有关。这种情况在在这样的假设保持：来自干涉反射镜(一般是光路差诱导单元)的光场反射，以及来自底面(一般是样品的内部界面)的光场反射，和来自顶部部分的光场反射，在整个像素的光谱带宽内不发生变化，因为单个像素的光谱带宽通常非常窄(一般为～1至几纳米)。
应该指出的是，尽管本发明对硅结构(半导体晶片)的光学计量特别有用，其中需要使用红外光谱范围的正常入射测量，但本发明的原理既不限于样品的类型，也不限于操作波长的光谱范围。本发明有利于对样品的光谱干涉测量，其中要确定样品的顶部部分对施加在顶部部分的照明的响应(振幅和相位)，而该照明包括基本上不被样品材料吸收的波长。
因此，根据本发明的一个大方面，提供了一种用于光学计量测量的测量系统，该测量系统包括配置为计算机系统的控制系统，该系统包括数据输入工具、存储器和数据处理器。并被配置为与测量数据提供者进行数据通信，测量数据提供者用于接收指示响应于入射到样品顶部部分的照明电磁场从样品返回并包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围的测量光谱干涉信号的原始测量数据，数据处理器包括分析器工具，该工具被配置并可操作以执行下列：
从原始测量数据中提取描述在干涉测量期间随着光路差OPD的变化而产生的信号强度变化的测量光谱干涉信号部分，所述测量光谱干涉信号部分独立于响应所述照明电磁场而从样品的底部返回的干涉测量信号；以及
从测量光谱干涉信号的提取部分直接确定来自样品顶部部分反射的照明电磁场的光谱振幅和相位，从而能够确定表征样品顶部部分的测量光谱特征。
控制系统可还包括拟合工具，该工具被配置并可操作以对测量光谱特征进行基于模型的处理，以确定被测样品的一个或多个参数。
本发明的技术基本上适用于使用红外光谱或可见光和红外光谱的组合对硅材料制成的样品/结构进行监测测量。
在一些实施方式中，原始测量数据包括指示响应于包括红外光谱的照明电磁场而从硅材料制成的样品的顶部和底部部分(也可能从样品的一个或多个内部界面返回)返回的光谱干涉信号的数据。
在一些实施方式中，测量系统包括被配置为测量数据提供者的测量单元，用于生成和提供原始测量数据，该测量单元被配置并可操作用于使用包括样品基本上不吸收的至少一个光谱范围的操作波长对样品进行光谱干涉测量。
例如，光谱干涉测量信号的信号强度曲线确定为：
其中：Etop(λi)是来自顶部部分反射的电磁场的光谱振幅；Ebot(λi)是来自样品的底部部分反射的电磁场的光谱振幅；Em(λi)是来自干涉反射镜反射的电磁场；λi是操作波长；以及z是干涉反射镜的位置；以及Φ(λi)是测量的光谱干涉信号的光谱相位。
要提取的信号部分是：
它描述了信号强度随干涉反射镜位置z的变化而变化，并且要提取的信号部分与从样品的底部部分返回的干涉信号无关。这使得能够直接确定顶部部分的电磁场反射的光谱振幅和相位。
根据本发明的另一个大方面，提供了一种用于光学计量测量的方法，该方法包括：
提供原始测量数据，原始测量数据指示响应于入射到样品的顶部部分的照明电磁场而从样品返回的测量光谱干涉信号并且测量光谱干涉信号包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围，以及
处理所述原始测量数据，处理包括：
从原始测量数据中提取描述在干涉测量期间信号强度随光路差OPD的变化而变化的测量光谱干涉信号部分，测量光谱干涉信号部分与响应所述照明电磁场而从样品的底部返回的干涉测量信号无关，以及
从测量光谱干涉信号的提取部分直接确定样品顶部部分反射的照明电磁场的光谱振幅和相位，从而确定表征样品顶部部分的测量光谱特征。
根据本发明的又一个方面，提供了一种测量系统，包括：
测量单元，被配置并可操作用于对样品进行正常入射光谱干涉测量，并生成原始测量数据，指示在样品和参考臂之间针对若干不同光路差(OPD)，对样本使用操作波长测量的光谱干涉信号，该操作波长包括至少一个样品基本不吸收的光谱范围；以及
控制系统，被配置并可操作以执行以下内容：从原始测量数据中提取测量光谱干涉信号部分，描述在干涉测量期间信号强度随光路差OPD的变化而变化，所述测量光谱干涉信号部分独立于从样品的底部部分响应所述照明电磁场而返回的干涉测量信号；以及从测量光谱干涉信号提取部分直接确定从样品的顶部部分反射的照明电磁场的光谱振幅和相位，从而能够确定表征样品的顶部部分的测量光谱特征。
附图说明
为了更好地理解本文所公开的主题，并举例说明如何在实践中进行，现在将参照附图，仅以非限制性的实例来描述实施方式，其中：
图1是与光谱干涉测量单元相关的本发明的控制系统的框图；
图2是本发明的一种方法的流程图，用于光谱干涉数据的数据解释，以直接提取样品对照明的响应的振幅和相位；
图3和图4举例说明了本发明的基本原理；以及
图5是本发明的测量系统的一个具体实例。
具体实施方式
参照图1，通过框图说明了本发明的测量系统10。该系统包括测量单元12和控制系统14。
测量单元12被配置为光谱干涉仪系统，可用于测量从结构/样品S(例如，半导体晶片)返回(反射和/或散射)的光的光谱相位，以便能够确定该结构的一个或多个参数(例如，图案参数)。测量单元12可以基于一般的光谱反射仪配置，其中样品的反射率被准确测量，并为光谱干涉测量进行修改。
就本发明而言，要测量的是样品顶部部分的光谱特征，使用应用于样品顶部部分的正常入射测量，操作波长包括至少一个样品基本上不吸收的光谱范围。因此，原始测量数据，除了有效信号(样品顶部部分的反射/散射)，不可避免地包括与样品内部界面的反射/散射有关的“寄生”信号成分，例如，样品的底部部分。
因此，测量单元12包括正常入射干涉仪组件，包括：提供宽带输入光Lin(例如，包括红外光谱范围)的光源系统16，检测系统18(包括光谱仪)，以及光导向装置20。光导向装置20包括分光器/合光器22和24，物镜单元26(一个或多个透镜)，以及光路差诱导单元28(例如，干涉反射镜)。
分光器/合光器22位于输入光束Lin的光路中，并引导(反射)输入光Lin向物镜单元26传播，物镜单元26将输入光Lin聚焦到结构S所在的测量平面MP上，并引导(传输)从测量平面返回的光Lcom传播到检测系统18。分光器24位于物镜单元26和测量平面MP之间，被配置为将输入光Lin分成样品光成分Lsam和参考光成分Lref，分别沿不同的光路向测量平面(样品平面)和光路差诱导单元28传播，并将样品和反射镜28的反射结合成组合光Lcom，并将其引导到物镜单元26，后者将此光成像到检测平面，其中干涉图案由此产生。
控制系统14被配置为计算机系统，除其他外包括数据输入/输出工具14A、存储器14B和数据处理器14C。控制系统中还提供了与反射镜28相关的控制器14D，用于控制反射镜的位置，从而控制样品和参考臂之间的光路差的变化。反射镜28相对于感兴趣的波长范围的反射率，Em(λi)，可以测量一次并存储在存储器14B中。
数据处理器14C被配置并可操作以分析由检测系统18产生的原始测量数据，包括指示测量光谱干涉信号的数据。根据本发明，数据处理器14C包括分析器30，其中包括信号部分提取工具15，该工具从原始测量数据中提取光谱干涉信号部分，描述信号强度(振幅)随几个(至少四个)不同OPD值的变化而变化，以及顶部部分表征工具17。后者被配置并可操作，以利用反射镜28的预定(一旦测量)反射率，并从干涉测量信号的提取部分直接确定样品顶部部分的光谱反射Etop(λi)和相位Φ(λi)。
顶部部分表征工具17被进一步配置为利用顶部部分的光谱反射和相位，并产生表征样品顶部部分的光谱特征。
控制系统14C中还提供了拟合工具32。拟合工具被配置并可操作，以对样品顶部部分的光谱特征进行基于模型的处理，并确定样品的一个或多个参数。
控制系统14可以是也可以不是与测量单元12集成的。一般来说，控制系统14可以是一个独立的系统，被配置为与测量数据提供者进行数据通信，该测量数据提供者可以是测量单元12本身或存储此类测量数据的存储设备。
根据本发明，样品的顶部部分光谱反射和相位都可以从原始测量的光谱干涉信号中直接确定(提取)，而不考虑原始测量数据是否包括与样品中的中间层/界面的反射有关的任何污染成分。
光路差诱导元件(如干涉仪反射镜)不存在与其背面的反射有关的问题。这可以通过以下方式避免：使反射镜28由在测量光谱范围内不可穿透的材料制成(特别是红外范围，如使用金属或金属涂层的反射镜)，或使用足够厚的反射镜以保证其背面与系统中其他反射之间丧失时间连贯性。更具体地说，反射镜是由与被测样品(在半导体晶片的情况下——通常是硅)不同的材料组成，并具有不同的厚度，以消除或至少显著减少来自样品和反射镜底面的相干反射对测量信号的干涉贡献。
以下是对本发明原理的解释。在下面的描述中，顶部部分有时被称为“顶面”。
考虑到干涉反射测量法的情况，即只检测样品的顶面反射(如可见光波长的情况)，单波长λ干涉公式为：
其中：
·Em是反射镜28的电磁场反射率(|E|m 2可以在结构S处于物镜单元26的视场之外时测量)。
·Ew是样品S的电磁场反射率(|Ew|2可以在反射镜28处于倾斜位置时测量，在这个位置上，从反射镜反射的光沿着不与物镜单元相交的轴传播。
·k＝2π/λ
·z是反射镜28平面和样品平面MP之间的光路差；
·是干涉测量相位
现在让我们考虑一下光谱仪分辨率的干涉反射测量法。光谱仪上的每个像素都看到有限的光谱宽度。为简单起见，让我们考虑每个像素是中的平均值。干涉测量公式为：
对于光路差(OPD)条件OPD＜＜λ，干涉公式为：
而对于OPD＞＞λ，则有：
因此，一般来说，在干涉反射测量的情况下，只有样品的顶面反射被检测到(如可见光波长的情况)，样品的电磁场反射Ew可以从干涉信号的测量强度的基线或“DC”分量中提取，相位数据可以从测量数据的变化或“AC”分量中提取。为此，在没有反射镜贡献的情况下，对样品的反射进行“参考”测量，然后在改变光路差(如移动反射镜28)的同时，进行若干(如四个)干涉测量。
发明人表明，当用宽带干涉光谱进行操作时，可以从变化的分量中提取出样品反射的“期望”分量(即顶面反射)，即在几次干涉测量中(例如，至少四次这样的测量)，测量振幅随光路差变化的曲线。这种技术可用于可见光通道光谱干涉测量。然而，在使用红外光谱时，这种技术的优势更加重要，在这种情况下，这种技术可以根据干涉仪有限的时间相干性，分离来自样品背面的贡献。
以下是对本发明的红外光谱干涉的发明技术的解释。在此，为简单起见，对样品和干涉仪反射镜的反射特性做了一些假设。然而，应该理解，本发明的原理并不依赖于这些假设，它们只是用来简化描述。
光谱仪的时间相干性是由其光谱分辨率决定的。为此，让我们考虑光谱仪上的一个特定像素，它测量的光谱范围为λi-δ<λ<λi+δ。在此，λi是这个像素读取的中心波长，δ决定其光谱带宽。
对于λi，在像素处测得的强度由以下公式给出。
测量的干涉强度是由从干涉仪反射镜Em(λ)和从样品Ew(λ)反射的场之间的干涉来定义。
选择干涉仪反射镜的材料组成，以便其反射率没有突然的光谱变化。由于单个像素的光谱带宽通常很窄(通常为～1至几纳米)，因此可以假定该范围内的反射镜反射率是恒定的。
Em(λ)≈Em(λi)。
在这个光谱范围内，样品的反射率同样是大致恒定的(典型的样品在如此狭窄的光谱范围内也很少表现出明显的光谱变化)，只不过它由两个贡献组成：
第一项Etop(λ)与样品顶部的反射有关。在整个像素光谱带宽内反射率(大致)不变的简化假设下，可以使用以下条件Etop(λ)≈Etop(λi)。
第二项与样品底部的反射有关，并包括底部反射率Ebot(λ)和通过样品的附加相位，/>与该项和顶部表面反射之间的相位差有关，以及光在样品内部穿过的光路z。
在此，2h是总样品厚度的两倍，这是光在下到样品的底部和返回其顶部时所走的路径。在实践中，光可以在两个样品的侧面之间经过多次反射，但为了简单起见，这些项在分析中被忽略了。
同样地，可以做如下假设：Ebot(λ)≈Ebot(λi)。然而，应该注意的是，不能假设振荡项在一个像素的光谱范围内是恒定的，因为对于某些类型的样品，系数2nh可能非常大，例如对于硅，n～4并且h～700μm。
测量的强度是由样品和反射镜反射的电磁场的干涉决定的。反射镜28的位置z可控制地通过几个值扫描，以提供几个干涉光谱，从中可以得出反射相位和振幅。
对于特定的反射镜位置z，特定波长λ的强度由以下公式(4)给出：
对于λi，在像素处测得的强度由以下公式给出：
在上述假设下，这个强度由以下公式给出。
现定义如下：
·I0(λi)＝|Etop(λi)|2+|Ebot(λi)|2+|Em(λi)|2(6)
代表信号贡献，它与反射镜的位置z无关，与样品背面的反射Ebot有关。
因此，与使用紫外-可见光(UV-Vis)光谱的测量不同，当使用红外光谱操作时，不能使用测量信号的DC部分，I0(λi)，不能用来提取顶面反射Etop，因为它与Ebot耦合。
与从反射镜反射的光和从样品顶部反射的光之间的干涉有关，后者是干涉测量下的实际结构(即期望的成分)。
上述表达式(7)可以有不同的写法：
这里，Φ(λi)是来自反射镜和样品顶部反射的电磁场之间的光谱相位。光谱干涉仪测量的属性包括|Etop(λi)|和Φ(λi)。
与来自样品底面和反射镜的反射之间的干涉有关。
应该注意的是，反射镜的位置(z)通常是测量波长的数量级，因为它是用来测量改变样品和反射镜之间相位的影响。因此，它的典型值最多为几百纳米或几微米，而且在任何情况下，它都明显小于由样品背面反射所代表的光路长度，即2nh。
项可以从积分中提取出来。的确，
重新排列意味着沿着积分/>的值几乎没有变化，因此可以从积分中提取出来。
IB(λi)中的积分项与时间退相干有关，反映来自样品背面的干涉产生了一个高度振荡的信号，该信号在像素上被平均化。
具体而言，对于n～4，h～700μm并且光谱仪像素的典型光谱响应(例如，光谱带宽δ～1nm)和测量波长～2000nm，该项代表了信号的衰减量级<10-10，有效地从测量中完全去除这一贡献。
因此，光谱干涉测量的信号可以表示为：
这里，项I0(λi)包括一些来自样品背面反射的影响，但与干涉仪反射镜面位置z无关。|Etop(λi)|和Φ(λi)是反射场的振幅和相位，是光谱干涉仪的可测量特性，|Em(λi)|是反射镜的反射率，z是反射镜的位置。
由此可见，虽然与z无关的项I0(λi)受到来自样品背面反射的影响，但对与z有关的项没有这种影响。因此，根据本发明，所需的顶面反射，Etop(λi)，从与z相关(OPD相关)的测量强度曲线中提取。
参考图2、图3和图4，举例说明根据本发明的测量方案。如图2中本发明方法的流程图100所示，提供了测量数据，包括一次测量的镜面反射率Em(λi)，以及在不同的镜面位置z采取的I(λi,z)的几次测量。
图3说明了测量的强度I(λi)随着反射镜位置z的变化而变化。该图有一个AC分量，IAC，即z扫描期间的强度变化曲线。图4举例说明了两个波长λ1和λ2(例如，红外光谱)的类似光谱测量。
根据本发明的技术，原始测量数据的这一部分(即描述强度/振幅随OPD值变化而变化的干涉信号部分)被提取并用于直接确定样品顶部的光谱反射和相位。为此，可以进行四个或更多的测量，I1-I4，具有不同的光路差值(z值)。
如上所述(上面的公式(10))，测量光谱干涉信号中唯一与样品的底部反射有关的部分，是与z无关的项。因此，样品的顶部反射率Etop(λi)和相位Φ(λi)都可以单独从振幅变化的信号部分提取出来，即在z变化中测量的信号强度曲线。不考虑测量数据解释中的强度平均值，完全消除了与(非相干)样品的背面反射有关的任何贡献。
公式(10)可以表示为：
其中，A是与z无关的常数(即项I0(λi)包括样品背面反射的一些影响，但与干涉仪反射镜面位置z无关)；而参数B(即2|Etop(λi)||Em(λi)|)和参数C(即)，可用于解释测量数据，完全不考虑常数A。
例如，光谱振幅和相位可以确定为：。
返回图1，控制系统14例如从光谱干涉测量单元12等处接收原始测量数据，这些数据表明对样品和参考臂之间的光路差的至少4个不同值，例如，反射镜28的不同z位置。数据处理器14C(其分析器30)的操作是从原始测量数据中提取在不同z值上变化的幅度的干涉信号部分，并从该信号部分直接确定顶面反射Etop(λi)和相位Φ(λi)。
应该理解的是，本发明虽然适用于任何光谱干涉测量系统，以便从数据分析中直接过滤掉来自样品界面而非顶部部分的反射成分，但对解释红外测量特别有用，否则无法直接提取顶部部分的响应。
参考图5，该图示意性地说明了利用本发明的测量系统200的一个具体但非限制性的实例。系统200的配置与上述图1的系统10大致相似，即包括光谱干涉测量12单元和控制系统14。相同的参考号用于表示两个实例中共同的系统部件。
系统200包括光源系统216，在本例中它提供视觉和红外光谱的宽带输入光；检测系统218，在本例中它包括光谱仪(分光光度计)18，用于生成入射光线的光谱数据，还包括成像检测器19，用于导航到结构上的测量点和/或收集干涉条纹图案。以及光学系统220，被配置为光导向装置，用于将来自光源216的光引向位于样品支架上的被测样品/结构S，并引向光路差诱导机构28(例如，在此本非限制性实例中为平面参考镜)，并将返回的光引导到检测系统216。检测单元216的输出被(通过电线或无线信号通信)传达给控制系统14。
光学系统20被配置为定义照明通道，用于从光源216向测量平面MP(结构平面)传播输入光Lin；以及检测通道，用于向检测系统218传播被测光Lcom。输入光Lin被分光器/合光器22引导(反射)到物镜单元26，该单元将此光引导到分光器/合光器24，该分光器将输入光Lin分成样品光Lsam和参考光Lref.。这些光束Lsam和Lref分别与样品S和光路差诱导单元28相互作用，各自的反射(散射)L'sam和L'ref由分光器/合光器24组合成一束组合光Lcom。后者由透镜单元26和分光器/合光器22引向检测系统218的检测单元18和19。为此，光学系统20还包括分光器/合光器29，它将返回的光束Lcom分成光部分(Lcom)1和(Lcom)2，分别指向成像检测器19和光谱传感器(光谱仪)18。
在本非限制性实例中，光导向装置20还可选择包括照明通道中的准直透镜21，位于从光源216向分光器/合光器22传播的输入光Lin的光路中，以及检测通道中的管状透镜23，位于传播到检测单元18的测量光的光路中。
此外，在该非限制性的实例中，光学系统20包括分别位于照明和检测通道的偏振器32和34。更具体地说，来自光源216的输入光Lin，通过偏振器32，特定的偏振(如线性偏振)输入光由分光器/合光器22引导至物镜26，物镜26将其引导至分光器/合光器24。后者将偏振输入光分成样品偏振光Lsam和参考偏振光Lref，并将它们分别引导到结构S和参考镜28上。来自结构和反射镜的反射被分光器/合光器24结合成具有所述特定偏振的组合光束Lcom，它通过物镜26和分光器/合光器24到偏振器34，它只允许所述特定偏振的光传播到检测系统。这个组合的偏振光被分光器29分成光部分(Lcom)1和(Lcom)2，分别被引向成像检测器19和光谱仪l8。光谱仪18分别测量每个波长的强度，相应地，由光谱仪产生的测量数据对应于光谱干涉图(也可由图像检测器19检测)。
系统200还包括与反射镜28和样品支架中的一个或两个相关联的驱动单元33，用于可控地沿光轴，即z轴移动它/它们，从而诱发光路差，导致光谱干涉图案的时间变化。应该指出的是，虽然在图1中没有具体显示，但图1的测量单元12也可以包括类似的驱动单元。
应该理解，使用如上所述的偏振器32和34，实际上提供了一个交叉偏振方案，这导致了暗场测量模式。还应理解，当反射镜28不使用时(即移出入射光的光路或通过使用适当的快门使其失活)，测量单元12可以作为光谱反射仪运行。因此，同一个测量单元12可以在两种不同的操作模式之间转换，作为光谱干涉仪和光谱反射仪。
控制系统14通常是计算机系统，其配置和操作如上文参考图1和图2所述。
应该注意的是，就图1和图5的两个实例而言，虽然在这些实例中说明了折射光学器件，但也可以使用部分或完全反射光学器件(基于反射镜)。在宽范围红外的情况下，反射式光学器件可能是最好的。

Claims (14)

1.一种用于光学计量测量的测量系统，所述测量系统包括被配置为计算机系统的控制系统，所述计算机系统包括数据输入工具、存储器和数据处理器，并且所述控制系统被配置用于与测量数据提供者进行数据通信，所述测量数据提供者用于接收指示响应于入射到样品的顶部部分的照明电磁场而从样品返回的测量光谱干涉信号的原始测量数据，并且所述测量光谱干涉信号包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围，所述数据处理器包括分析器工具，所述分析器工具被配置并能够操作以执行以下：
从所述原始测量数据中提取光谱干涉信号的一部分，所述光谱干涉信号的一部分描述在干涉测量期间随着光路差OPD的改变而变化的信号强度，所述光谱干涉信号的一部分与响应于所述照明电磁场从所述样品的底部部分返回的干涉信号无关；
从所述光谱干涉信号的提取部分直接确定来自所述样品的顶部部分的所述照明电磁场的反射的光谱振幅和相位，从而能够确定表征所述样品的顶部部分的测量光谱特征；并且
其中，所述测量系统包括被配置为所述测量数据提供者的测量单元，所述测量单元用于生成和提供所述原始测量数据，所述测量单元被配置并能够操作用于使用操作波长对样品执行光谱干涉测量，所述操作波长包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述原始测量数据包括指示响应于包括红外光谱的所述照明电磁场而从由硅材料制成的所述样品的顶部部分和底部部分返回的光谱干涉信号的数据。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述原始测量数据包括指示响应于包括红外光谱的所述照明电磁场而从所述样品的顶部部分和底部部分以及从所述样品的一个或多个内部界面返回的光谱干涉信号的数据。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作波长包括红外光谱。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述控制系统还包括拟合工具，所述拟合工具被配置并能够操作以对所述测量光谱特征应用基于模型的处理，以确定被测量的所述样品的一个或多个参数。
6.根据权利要求2所述的测量系统，其中，所述控制系统还包括拟合工具，所述拟合工具被配置并能够操作以对所述测量光谱特征应用基于模型的处理，以确定被测量的所述样品的一个或多个参数。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述原始测量数据包括光谱干涉测量信号，所述光谱干涉测量信号的信号强度曲线确定为：
其中：Etop(λi)是来自所述顶部部分的电磁场反射的光谱振幅；
Ebot(λi)是来自所述样品的底部部分的电磁场反射的光谱振幅；Em(λi)是来自干涉反射镜的电磁场反射；λi是操作波长；以及z是所述干涉反射镜的位置；以及Φ(λi)是所述测量光谱干涉信号的光谱相位，所述分析器工具被配置并能够操作以提取干涉信号部分
所述干涉信号部分描述随着所述干涉反射镜的位置z的改变而变化的信号强度，并且所述干涉信号部分与从所述样品的底部部分返回的干涉信号无关，从而能够直接确定所述顶部部分的电磁场反射的光谱振幅和相位。
8.一种用于光学计量测量的方法，所述方法包括：
提供原始测量数据，所述原始测量数据指示响应于入射到样品的顶部部分的照明电磁场而从所述样品返回的测量光谱干涉信号，并且所述测量光谱干涉信号包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围，以及
处理所述原始测量数据，处理包括：
从所述原始测量数据中提取光谱干涉信号的一部分，所述光谱干涉信号的一部分描述在干涉测量期间随着光路差OPD的改变而变化的信号强度，所述光谱干涉信号的一部分与响应于所述照明电磁场从所述样品的底部部分返回的干涉信号无关，从所述光谱干涉信号的提取部分直接确定来自所述样品的顶部部分的所述照明电磁场的反射的光谱振幅和相位，从而能够确定表征所述样品的顶部部分的测量光谱特征，以及
使用操作波长对样品执行光谱干涉测量，所述操作波长包括所述样品基本上不吸收的至少一个光谱范围。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述原始测量数据包括指示响应于包括红外光谱的所述照明电磁场而从由硅材料制成的所述样品的顶部部分和底部部分返回的光谱干涉信号的数据。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述原始测量数据包括指示响应于包括红外光谱的所述照明电磁场而从所述样品的顶部部分和底部部分以及一个或多个内部界面返回的光谱干涉信号的数据。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述处理还包括将基于模型的拟合应用于所述测量光谱特征，以确定被测量的所述样品的一个或多个参数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述操作波长包括红外光谱。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述样品是硅结构。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述原始测量数据包括光谱干涉测量信号，所述光谱干涉测量信号的信号强度曲线确定为：
其中：Etop(λi)是来自所述顶部部分的电磁场反射的光谱振幅；
Ebot(λi)是来自所述样品的底部部分的电磁场反射的光谱振幅；Em(λi)是来自干涉反射镜的电磁场反射；λi是操作波长；以及z是所述干涉反射镜的位置；以及Φ(λi)是所述测量光谱干涉信号的光谱相位，所述干涉信号的提取部分为
所述干涉信号的提取部分描述随着所述干涉反射镜的位置z的改变而变化的信号强度，并且所述干涉信号的提取部分与从所述样品的底部部分返回的干涉信号无关，从而能够直接确定所述顶部部分的电磁场反射的光谱振幅和相位。
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