CN1226590C - 薄膜厚度测量装置及反射系数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供薄膜厚度测量装置及反射系数测量装置和方法。薄膜厚度测量装置(1)包括：椭圆偏光计(3)，用于获取衬底(9)上薄膜的偏振状态；和光干涉单元(4)，用于获取衬底上薄膜的光谱强度。在光干涉单元的光学系统(45)中，光屏蔽光栅(453a)设置在孔径光阑元件(453)中，来自光源(41)的照明光通过光学系统发射至衬底。来自衬底(9)的反射光导引至光屏蔽光栅成像元件(43)，在此获取光屏蔽光栅的映像。当椭圆偏光计(3)进行薄膜厚度测量时，基于光屏蔽光栅的映像得出衬底的倾斜角，并且光接收单元(32)获得反射光的偏振状态。使用得到的倾斜角由反射光的偏振状态，计算部分(51)高精度地得出薄膜厚度。

Description

薄膜厚度测量装置及反射系数测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量物体上形成的薄膜厚度的技术，测量物体的光谱反射系数的技术，以及检测物体上异物的技术。

背景技术

作为测量物体表面上形成的薄薄膜厚度的方法，常规采用的是椭圆偏光法或反射系数光谱学，或不涉及椭圆偏光法的被称作白光干涉测量法的方法(在下文中，这两种方法称为“白光干涉测量法等”)。一般地说，椭圆偏光法允许对薄的薄膜进行高精度的薄膜厚度测量；而与椭圆偏光法相比的测量，白光干涉测量法等允许对较厚的薄膜或多层薄膜进行测量。

日本专利申请公开公报第61-182507号揭示了由椭圆偏光计测得的折射率和由干涉仪得到的干涉波确定物体上薄膜厚度的方法，其中椭圆偏光计和干涉仪是设置在一个装置中。

日本专利申请公开公报第11-271027号提出了一种测量薄膜厚度的方法，其中通过白光干涉测量法等测定物体上薄膜的厚度范围，和基于该测定的薄膜厚度范围通过椭圆偏光法测量薄膜厚度。

然而，在椭圆偏光法中，由于在得出薄膜厚度的计算中使用发射到物体的光的波长和入射角，因此，为了高精度的薄膜厚度测量，就必须精确测定入射光的波长，保持物体的测量表面水平，等等。此外，由于测量区域非常小，当极微小的异物(如亚微粒子)附着于物体表面时，就不可能实现高精度的薄膜厚度测量。

另一方面，在白光干涉测量法等中，必须使用反射系数是已知的参考物体来校正测量值，并且如果由于参考物体表面的天然氧化该反射系数发生变化，就不可能正确地校正该测量值。

发明内容

本发明的主要目的是高精度地测量物体上形成的薄膜的厚度。

本发明旨在测量物体上形成的薄膜厚度的薄膜厚度测量装置。

按照本发明，该薄膜厚度测量装置包括：第一光源，用于发射偏振光给物体；光接收部分，用于接收来自该物体的偏振光的反射光，以获取反射光的偏振状态；计算部分；第二光源，用于发射照明光；光学系统，用于导引照明光至物体并从该物体导引照明光的反射光至预定位置；光屏蔽光栅，设置在与从第二光源至该物体的光路上的孔径光阑位置准光学共轭的位置；以及成像元件，用于获取在预定位置形成的光屏蔽光栅的映像。并且在该薄膜厚度测量装置中，基于成像元件的输出，计算部分得出该物体的倾斜角度，进而使用该倾斜角度从偏振状态获得薄膜厚度。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，在获得物体倾斜角度的同时，可获得物体上薄膜的厚度。

按照优选的实施例，该薄膜厚度测量装置进一步包括滤光片，该滤光片设置在与从第二光源至物体的光路上的视场光阑位置准光学共轭的位置，并且在该薄膜厚度测量装置中，该滤光片截止在相应于得到物体上的显微区域(microscopic region)部分外的部分的至少特定波长的光。这就使得获取得出物体上显微区域的倾斜角度成为可能。

本发明还旨在用于测量一个测量物体的光谱反射系数的反射系数测量装置。该反射系数测量装置更适合用于测量该测量物体的薄膜厚度。

按照本发明，该反射系数测量装置包括：薄膜厚度测量部分，以椭圆偏光法测量参考物体上的薄膜厚度；和反射系数测量部分，以照明光照射该参考物体和测量物体，以获取参考物体和测量物体的反射光的各自的光谱强度，并且在该反射系数测量装置中，该反射系数测量部分包括：计算部分，基于由薄膜厚度测量部分测得的参考物体上的薄膜厚度计算该参考物体的光谱反射系数，并参照该参考物体的光谱反射系数获得该测量物体的光谱反射系数。

本发明的反射系数测量装置使它能够正确地获得测量物体的光谱反射系数。

本发明进一步旨在另一种薄膜厚度测量装置。按照本发明，该薄膜厚度测量装置包括：光源，用于发射偏振光给物体；光接收部分，用于接收来自物体的偏振光的反射光，以获取反射光的偏振状态；计算部分；开关机构，在非测量期间内导引来自光源的光至预定位置；以及波长测量部分，用于获取导引到该预定位置的光的波长，并且在该薄膜厚度测量装置中，该计算部分使用由波长测量部分获取的波长基于该偏振状态获得物体上的薄膜厚度。

本发明的薄膜厚度测量装置可使它在得到来自光源的光的波长的同时，能够高精度地获得物体上的薄膜厚度。

本发明进一步旨在检测衬底上存在或不存在异物的一种异物检测装置。

按照本发明，该异物检测装置包括：光源，以预定入射角将光发射至衬底；光接收部分，用于获取来自衬底的反射光的p偏振分量的强度；以及判断部分，基于该p偏振分量的强度判断衬底上存在或不存在异物。

本发明的异物检测装置可以快速且简易地检测衬底上存在或不存在异物。该异物检测装置更适合用于测量衬底的光谱反射系数及该衬底上薄膜的厚度，并且提高了测量结果的精度。

本发明的目的还针对应用于前述装置的方法。

本发明的这些以及其它目的、特性、方式和优点从下面结合附图的本发明的详细描述中将更为明晰。

附图说明

图1是薄膜厚度测量装置示意结构的视图；

图2是激光波长校准流程的流程图；

图3是异物检测流程的流程图；

图4是表示薄膜厚度测量结果与倾斜角之间关系的曲线图；以及

图5是表示基于光干涉单元输出的薄膜厚度测量的操作流程的流程图。

具体实施方式

图1是表示依据本发明的第一优选实施例的薄膜厚度测量装置1的示意结构图。薄膜厚度测量装置1包括：工作台2，其上设置有半导体衬底(在下文中称为“衬底”)9，在此衬底上形成多层薄膜(此薄膜可以是单层的)；椭圆偏光计3，用于获取在衬底9上的薄膜上执行椭圆偏光法的信息；光干涉单元4，用于获取来自衬底9的光(反射光)的光谱强度；控制部分5，由用于各种计算的CPU、用于储存各种信息等的存储器组成；以及工作台移动机构21，用于相对于由椭圆偏光计3和光干涉单元4的光照射的位置移动工作台2。

椭圆偏光计3具有：光源单元31，用于发射偏振光到衬底9；以及光接收单元32，用于接收来自衬底9的反射光，以获取反射光的偏振状态。指示所获取偏振状态的数据输出至控制部分5。

光源单元31具有：半导体激光器(LD)312，用于发射光束；和LD驱动控制部分311，用于控制半导体激光器312的输出，并且从半导体激光器312发出的光束入射到偏振滤光片313。偏振滤光片313提取该光束中的线性偏振的光，并且四分之一波片(在下文中，称为“λ/4波片”)314生成圆偏振的光。从λ/4波片314来的光以预定的入射角度(例如72到80度)通过透镜331被导引至工作台2上的衬底9表面。因此，光源单元31是由LD驱动控制部分311、半导体激光器312、偏振滤光片313及λ/4波片314组成，并发射圆偏振的光至衬底9。在光源单元31中(具体地说，是在半导体激光器312与偏振滤光片313之间的光路上)提供用于关断光束的电磁开关315，以执行对射向衬底9的光的出射的开/关控制。

来自衬底9的反射光通过透镜332被导引至旋转检偏器321，当该旋转检偏器321绕着平行于光轴的轴旋转时，透射光就被导引到光电二极管322，并且指示接收的光强度的信号通过A/D转换器34输出到控制部分5。因此，光接收单元32是由旋转检偏器321及光电二极管322所组成，并且反射光的偏振状态是通过将光电二极管322的输出与旋转检偏器321的旋转角度相关获得的。

光干涉单元4具有：光源41，用于发射白光作为照明光；分光仪42，用于分散来自衬底9的反射光；光屏蔽光栅成像元件43，用于获取稍后讨论的光屏蔽光栅的映像；衬底成像元件44，用于在衬底9上实现照明光照射位置的成像；以及光学系统45。该光学系统45导引来自光源41的照明光至衬底9，并且还导引来自衬底9的反射光至分光仪42、光屏蔽光栅成像元件43和衬底成像元件44。

具体地说，光源41发出的照明光被引入光纤451的一端，并从设在光纤另一端的透镜452引出。出射的照明光通过透镜450a导引至孔径光阑元件453。在孔径光阑元件453上提供预定的光屏蔽光栅453a(例如十字形的刻度标记)。照明光通过透镜450b被导引到视场光阑元件454，透镜450b相应于光屏蔽光栅453a的部分被切割掉。

其视场被视场光阑元件454所限制的照明光通过透镜450c导引至半透明反射镜(half mirror)455，通过该半透明反射镜455，并进一步导引至半透明反射镜456。由半透明反射镜456反射的照明光通过物镜457发射到衬底9的表面。此时，衬底9上的照明光照射区域的范围对应于视场光阑元件454的视场限制，但是在衬底9上不形成孔径光阑元件453的光屏蔽光栅的映像。

来自衬底9的反射光通过物镜457导引至半透明反射镜456，部分光向着半透明反射镜455反射。反射光由半透明反射镜455进一步反射，并通过透镜450d由光屏蔽光栅成像元件43接收。在从光屏蔽光栅453a通过衬底9表面至光屏蔽光栅成像元件43的光学系统中，光屏蔽光栅成像元件43的位置是与光屏蔽光栅453a光学共轭，光屏蔽光栅453a的映像形成在光屏蔽光栅成像元件43上，且光屏蔽光栅453a的映像数据输出至控制部分5。

通过半透明反射镜456的反射光进一步通过半透明反射镜458，导引至半透明反射镜459并且其中部分光被反射。反射的光通过透镜450e并且导引至衬底成像元件44并被接收。因为衬底成像元件44的位置是与视场光阑元件454及衬底9表面的位置光学共轭，衬底成像元件44在衬底9上实现照明光照射位置的成像，并且获取的映像数据输出到控制部分5。

通过半透明反射镜459的光通过透镜450f导引至分光仪42，并且得到反射光的光谱强度。光谱强度数据输出到控制部分5。因此，光学系统45是由透镜450a至450f及452，光纤451，孔径光阑元件453，视场光阑元件454，半透明反射镜455、456、458和459以及物镜457组成。

光干涉单元4进一步具有自动聚焦检测单元(在下文中，称为“AF检测单元”)46，用于检测物镜457与衬底9的表面之间的距离。AF检测单元46具有：发射光束的半导体激光器461；和AF检测元件463，用于检测由PSD元件接收的光的位置，并且从半导体激光器461发出的光束通过光学系统45入射到衬底9的表面。来自衬底9的该光束的反射光通过光学系统45导引至AF检测单元46的柱面透镜462，并进一步导引至AF检测元件463。

AF检测元件463从接收的光的位置检测物镜457与衬底9表面之间的距离，并且物镜457与衬底9表面之间的距离是由在工作台2中提供的升降机构(未示出)控制不变。此时，物镜457与衬底9表面之间的距离就是入射到物镜457的光的平行射线在衬底9表面上成像的距离(即焦距)。

工作台移动机构21具有：X方向移动机构22，用于在图1的X方向上移动工作台2；和Y方向移动机构23，用于在Y方向上移动工作台2。X方向移动机构22包括马达211及滚珠丝杠(ball screw)(未示出)，并且随着马达221的旋转，Y方向移动机构23沿导轨222在图1中的X方向移动。Y方向移动机构23与X方向移动机构22具有相同的构造，并且随着马达231的旋转，工作台2通过滚珠丝杠(未示出)沿导轨232在Y方向移动。

工作台2上有镜24，用来检查稍后讨论的光源单元31发出的光的波长，它是如此倾斜以便反射光源单元31发射的光，具有预定的入射角，垂直向上(也就是朝向物镜457)。

控制部分5具有用于执行各种计算的计算部分51，并且由光屏蔽光栅成像元件43、分光仪42、衬底成像元件44及光接收单元32所获得的各种信息都输入到计算部分51。光源41、光源单元31及工作台移动机构21也都连接到控制部分5，并且控制部分5控制这些组成部分通过薄膜厚度测量装置1进行对衬底9上形成的薄膜厚度的测量。

在薄膜厚度测量装置1中，当衬底9上的薄膜相对薄时，基于指示来自椭圆偏光计3的偏振状态的输出，计算部分51通过椭圆偏光法执行薄膜厚度测量，而当薄膜相对厚或是多层膜时，基于指示来自光干涉单元4的光谱强度的输出，操作部分51通过获得光谱反射系数来计算薄膜厚度。

在薄膜厚度测量装置1中，当薄膜厚度测量是基于椭圆偏光计3的偏振状态输出实现时，首先完成从光源单元31发射的光波长的检查(在下文中，称为“激光波长校准”)，随后完成异物检测，以检测在衬底9上测量位置存在或不存在异物。当确定没有异物存在时(换句话说，确定在衬底9的测量位置能够精确地执行薄膜厚度测量)，在测量衬底9的倾斜角后，执行薄膜厚度测量。下面将讨论薄膜厚度测量装置1的操作，以通过椭圆偏光计3一步一步地测量衬底9上的薄膜厚度。

图2是表示激光波长校准流程的流程图。在激光波长校准中，首先，工作台2上的镜24由工作台移动机构21移动至偏振光的照射位置(步骤S11)；并且由控制部分5控制开始从光源单元31发射偏振光(步骤S12)。藉此，来自光源单元31的光由镜24反射并导引至光干涉单元4的分光仪42。

在分光仪42中，获得接收光的光谱强度，由此，实质上获得从半导体激光器312发射的光束的波长。指示波长的数据输出到计算部分51并存储在计算部分51的存储器中(步骤S13)。获得的光束波长用于通过椭圆偏光计3的薄膜厚度测量。

因而，在薄膜厚度测量装置1中，通过移动工作台2可以在衬底9和将设置在光源单元31发出的光的照射位置的镜24之间进行转换，并且在非测量期间，光源单元31发出的光被导引至分光仪42，以获得光束(即偏振光)的波长。这样，即使由于环境温度或光源单元31的组成部分的特性等的变化，光源单元31发出光的波长改变，薄膜厚度测量装置1也能够高精度地获得薄膜厚度。

可使用用于散射光的散射体(scatterer)来取代镜24。镜24或该散射体可从工作台2中的一部分移动至偏振光的照射位置。

下面将讨论薄膜厚度测量装置1中在衬底9上的异物的检测。在该异物检测中，从光源41发射照明光，衬底9上的映像由衬底成像元件44预先获取，然后工作台移动机构21基于该映像移动工作台2，以将衬底9的测量位置与椭圆偏光法的偏振光的照射位置对准。

图3是表示异物检测流程的流程图。首先，偏振光的发射是从光源单元31开始，并且衬底9的测量位置以预定入射角入射的偏振光照射(步骤S21)。此时，以偏振光照射的衬底9上的照射区域例如是直径为10μm的圆形区域。来自衬底9的偏振光的反射光被导引至光接收单元32。此时，光接收单元32的旋转检偏器321的方向是固定的，只透射p偏振分量，光电二极管322只获取反射光的p偏振分量的光强(步骤S22)。

计算部分51基于从光接收单元32进入的光的强度判断衬底9上存在或不存在异物(步骤S23)。例如，当偏振光至衬底9的入射角是72至80度时，如果没有异物存在于衬底9上的该光的照射位置，则在来自衬底9的反射光中就几乎没有p偏振分量存在。另一方面，如有某种异物存在，p偏振分量就变得相对大。因此，当检测到p偏振分量时，计算部分51就判断出有某种异物存在。

因而，在薄膜厚度测量装置1中，获得从光源单元31发射的并被衬底9反射的光的p偏振分量的强度，并且基于该p偏振分量的强度，计算部分51可判断在衬底9上存在或不存在异物。因此，薄膜厚度测量装置1能够容易地检测出存在或不存在异物。

虽然通过比较作为指示在稍后讨论的薄膜厚度测量中获得的偏振状态的部分信息的周期强度信号与预先计算的周期信号，可以判明在衬底9上存在或不存在异物，但在这种情形下，为获得偏振状态必须对旋转检偏器321进行一次旋转，这就降低了透过量。另一方面，在薄膜厚度测量装置1中，因为旋转检偏器321的方向在检测期间是固定的，可以快速地执行异物检测。

即使当光源单元31发出光的入射角在72到80度的范围之外，或当光源单元31发出的光不是偏振的，也可以从光接收单元32获得的p偏振分量的强度的变化来判断存在或不存在异物。然而在薄膜厚度测量装置1中，通过使偏振光以72到80度的入射角入射，可以高灵敏度地检测存在或不存在异物。

当确定没有异物存在于衬底9上的测量位置时，随后测量衬底9与水平表面(即图1中的XY平面)间的倾斜角度。首先，从光源41开始发射照明光，光屏蔽光栅成像元件43执行成像，且光屏蔽光栅453a的映像数据输出到计算部分51。

如前所述，光屏蔽光栅成像元件43的位置通过衬底9的表面与光屏蔽光栅453a成光学共轭(因为光屏蔽光栅453a几乎在孔径光阑位置，所以光屏蔽光栅成像元件43几乎在物镜光瞳位置)，而光屏蔽光栅成像元件43获得的映像中的光屏蔽光栅的位置对应于衬底9的倾斜角(确切地说，是在照明光的照射位置的倾斜角)的位置。

计算部分51预先存储当倾斜角为0度时的映像中的光屏蔽光栅的重心位置(在下文中，称为“参考位置”)，衬底9的倾斜角(确切地说，是指示衬底9法线方向的矢量)通过计算获得的映像中光屏蔽光栅的重心位置与参考位置之间的距离(矢量)而获得。

具体地说，假设物镜457与衬底9表面之间的距离(也就是因AF检测单元46保持不变的距离)为f，衬底9的倾斜角为θ，而来自衬底9的反射光在物镜457接收，以获得光屏蔽光栅453a的映像，在所获得的映像中的光屏蔽光栅位置在对应于从衬底9的倾斜角为0度的情形倾斜的方向移动(f×tan(2θ))。因此，光屏蔽光栅成像元件43所获得的映像移动了一个距离，该距离为(f×tan(2θ))乘以在相应于倾斜的方向朝向物镜457的位置的放大倍数，且这个距离是在前述参考位置与检测的重心位置之间的距离。因为距离f是由AF检测单元46保持不变，所以计算部分51能够精确地获得衬底9的倾斜角θ。

当完成倾斜角的测量时，偏振光就从光源单元31发射到衬底9，并且反射光的偏振态由光接收单元32获得。计算部分51基于偏振状态获得衬底9上的薄膜厚度，该偏振状态是使用由激光波长校准而获得的光源单元31发出的偏振光的波长以及从倾斜角度(和倾斜方向)获得的精确的入射角而获得的。在倾斜角测量期间可获得来自衬底9的反射光的偏振状态。

图4是表示基于当一个衬底9的倾斜角变化时获得的偏振状态计算的薄膜厚度的曲线图。在图4中，曲线61表明使用测得的倾斜角而得到的薄膜厚度计算结果，曲线62表明没有进行倾斜角测量(即假设倾斜角为0秒)得到的薄膜厚度计算结果。从图4中可以看出，当未进行倾斜角测量时，计算出的薄膜厚度由于衬底9的倾斜角的作用而变化，但是当进行倾斜角测量时，可高精度地计算恒定的薄膜厚度。

因此，在薄膜厚度测量装置1中，孔径光阑元件453提供的光屏蔽光栅453a的映像由光屏蔽光栅成像元件43所获得，以获得衬底9的倾斜角。然后，使用得到的倾斜角以高精度获得衬底9上的薄膜厚度。这就使得薄膜厚度测量装置1能够获得薄膜厚度同时恰当地校正薄膜厚度，即使衬底9是倾斜的也无需控制衬底9的倾斜。

当薄膜厚度测量是由椭圆偏光计3进行时，并不总是必须进行全部的激光波长校准、异物检测及倾斜角测量。不需要为每一次薄膜厚度测量进行激光波长校准，而可以是定期地(例如，每隔预定的测量次数)进行。

下面将讨论衬底9的倾斜角测量的另一实例。在根据另一实例的倾斜角测量中，视场光阑元件454具有滤光片454a，以截止在预定区域之外部分的特定的波长。例如，当光源41使用钨卤灯时，视场光阑元件454具有光屏蔽滤光片454a，以截止在中心部分之外部分的波长大于或等于800nm的红外光。只用来透射红外光的透射滤光片附着于光屏蔽光栅成像元件43。这就使得波长大于或等于800nm的红外光只发射到衬底9上照明光照射位置中的显微区域，相应于光屏蔽滤光片的中心部分。该显微区域的位置与光源单元31发出的偏振光的照射位置重叠。

照明光的反射光被导引至光屏蔽光栅成像元件43，并且只有相应于该显微区域的反射光被光屏蔽光栅成像元件43接收，而光屏蔽光栅453a的映像通过来自该显微区域的光形成。在获得的映像中光屏蔽光栅453a的映像的重心位置根据如前所述的在衬底9的显微区域的倾斜角从参考位置移动。因此，基于参考位置与检测的重心位置之间的矢量可得到仅仅该显微区域的倾斜角。

由于衬底9上的整个照射区被波长小于或等于800nm的光所照射，衬底9上照明光的照射位置可由衬底成像元件44获得的映像确定，而偏振光的照射位置可移动到衬底9上的希望位置。也在由稍后讨论的光干涉单元4的薄膜厚度测量中，可使用波长小于或等于800nm的光来进行薄膜厚度测量。考虑到由光干涉单元4进行薄膜厚度测量，自然地光屏蔽滤光片454a可从光路中移开。

当相对于显微区域的倾斜角测量完成后，来自光源单元31的偏振光被发射到衬底9上的显微区域，并且偏振光的反射光由光接收单元32接收，以获得反射光的偏振态。基于使用相对于显微区域的倾斜角获得的偏振状态，计算部分51获得相对于衬底9上显微区域的薄膜厚度。

因而，在薄膜厚度测量装置1中，通过在视场光阑元件454中提供光屏蔽滤光片454a，能够更精确地获得衬底9上显微区域的薄膜厚度。光屏蔽滤光片454a并不是必须设置在视场光阑元件454的位置上，并且可设置在与从光源41到衬底9的光路中的视场光阑位置成准光学共轭的位置。这个光屏蔽滤光片454a必须截止在相应于衬底9的显微区域部分外的部分的至少特定波长的光，并且可以截止全部波长的光。

下面将讨论基于指示来自光干涉单元4的光谱强度的输出得到光谱反射系数进行薄膜厚度测量(特别是相对厚的薄膜或多层薄膜的厚度测量)的薄膜厚度测量装置1的操作。图5是表示使用光干涉单元4进行薄膜厚度测量的薄膜厚度测量装置1的操作流程的流程图。下面将依照图5进行讨论。

在该光干涉测量方法的薄膜厚度测量中，使用参考物体(在下文中，称为“参考衬底”)。作为参考衬底，通常使用硅衬底，但是长时间放置在大气中的参考衬底形成二氧化硅(SiO₂)的天然氧化物薄膜。于是，在薄膜厚度测量装置1中，首先，参考衬底上的天然氧化物薄膜的厚度使用椭圆偏光计3的椭圆偏光法测量(步骤S31)。

因为由椭圆偏光计3测量不需要参考物体，只要指定入射光的波长、入射角(在照射位置的倾斜角)等，就可获得薄膜厚度的绝对值(在下文中，称为“绝对薄膜厚度”)。获得的参考衬底的绝对薄膜厚度存储在计算部分51。

当参考衬底的绝对薄膜厚度测量完成后，在光干涉单元4中，照明光是从光源41发射并由光学系统45导引到参考衬底，而来自该参考衬底的反射光被导引至分光仪42。然后，由分光仪42获得反射光的光谱强度(步骤S32)，且参考衬底的光谱强度数据输出到计算部分51。随后，作为测量目标的衬底9(在下文中，称为“目标衬底9”，以区别于参考衬底)放置在工作台2，来自光源41的照明光发射到目标衬底9的测量位置，而由分光仪42获得反射光的光谱强度(步骤S33)。目标衬底9的光谱强度数据输出至控制部分5。

在计算部分51中，参考衬底的(垂直的)光谱反射系数可通过在步骤S31中获得的参考衬底的绝对薄膜厚度的理论计算来计算(步骤S34)。在下文中，在步骤S34中获得的光谱反射系数称为“理论光谱反射系数”。

随后，基于参考衬底的理论光谱反射系数，从参考衬底和目标衬底9的光谱强度获得目标衬底9的光谱反射系数(步骤S35)。在此，假设参考衬底的理论光谱反射系数是Rc(λ)，参考衬底的光谱强度是Ic(λ)，则目标衬底9的光谱强度是Im(λ)，而目标衬底9的光谱反射系数是Rm(λ)，由(Rm(λ)＝(Im(λ)/Ic(λ))×Rc(λ))获得目标衬底9的光谱反射系数Rm(λ)。换句话说，由光干涉单元4获得的目标衬底9的光谱强度乘以参考衬底的理论光谱反射系数和参考衬底光谱强度之比可获得目标衬底9的光谱反射系数。计算部分51从目标衬底9的光谱反射系数进一步计算目标衬底9的薄膜厚度(步骤S36)。

因而，在薄膜厚度测量装置1中，基于由椭圆偏光法测量的参考衬底上的薄膜厚度计算参考衬底的光谱反射系数，和参考该参考衬底的计算的光谱反射系数获得目标衬底9的光谱反射系数。因此，薄膜厚度测量装置1能够正确地获得目标衬底9的光谱反射系数，而不受参考衬底上的天然氧化物薄膜的影响，从而高精度地计算薄膜厚度。

参考衬底不是必须是硅衬底，而可以是金属衬底等等。图5示出的薄膜厚度测量流程可在允许的限制内适当的改变，例如，在计算参考衬底的理论光谱反射系数之后获得参考衬底的光谱强度。

虽然本发明的优选实施例已在前面讨论了，但本发明不限于上面讨论的优选实施例，而是允许各种变化。

在前述优选实施例中在使用椭圆偏光计3的薄膜厚度测量中进行异物检测时，有关异物检测的组成部分仅用于半导体制造过程等等中的异物检测。

在异物检测中，当在衬底9上存在大的异物或许多异物时，由于光干涉单元4的分光仪42从衬底9接收反射光，因此也能够通过分光仪42进行异物检测。

光屏蔽光栅453a不是必须设置于孔径光阑元件453的位置，但只是必须设置在与从光源41到衬底9的光路中的孔径光阑位置成准光学共轭的位置。光屏蔽光栅453a可以是仅截止特定波长光的光栅，并且在此情形下，仅透射特定波长光的滤光片可提供在光屏蔽光栅成像元件43中。

从光源单元31发射到衬底9的偏振光不限于圆偏振光，而是根据需要可使用适合的各种偏振光(如45度线性偏光)。

衬底9不限于半导体衬底，而可以是用于液晶显示器或其它平板显示器等的玻璃衬底。

虽然本发明已示出并具体描述了，前面的描述在所有方面都是示例性的并非限制性的。因此应当懂得，在不脱离本发明范围下可做出许多修改与变化。

Claims (12)

1.一种薄膜厚度测量装置，用于测量形成在物体上的薄膜厚度，其特征在于包括：

第一光源，用于发射偏振光至物体；

光接收部分，用于接收来自所述物体的所述偏振光的反射光，以获得所述反射光的偏振状态；

计算部分；

第二光源，用于发射照明光；

光学系统，用于导引所述照明光至所述物体，并导引来自所述物体的所述照明光的反射光至预定位置；

光屏蔽光栅，设置在与从所述第二光源至所述物体的光路上的孔径光阑位置成准光学共轭的位置；以及

成像元件，用于获得形成在所述预定位置的所述光屏蔽光栅的映像，

其中所述计算部分基于所述成像元件的输出获得所述物体的倾斜角，并使用所述倾斜角从所述偏振状态获得所述薄膜的厚度。

2.根据权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于进一步包括：

滤光片，设置在与从所述第二光源至所述物体的光路上的视场光阑位置成准光学共轭的位置，

其中所述滤光片截止在相应于所述物体上的显微区域的部分外的至少特定波长的光。

3.根据权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于：

所述计算部分基于在预定参考位置与从所述成像元件的所述输出指示的映像中的所述光屏蔽光栅映像的重心位置之间的矢量获得所述倾斜角度。

4.一种反射系数测量装置，用于测量一个测量物体的光谱反射系数，其特征在于包括：

薄膜厚度测量部分，通过椭圆偏光法测量参考物体上的薄膜厚度；以及

反射系数测量部分，以照明光照射所述参考物体及测量物体，以获得来自所述参考物体及所述测量物体的反射光各自的光谱强度，

其中所述反射系数测量部分包括计算部分，基于由所述薄膜厚度测量部分测量的在所述参考物体上的所述薄膜的所述厚度，计算所述参考物体的光谱反射系数，并参照所述参考物体的所述光谱反射系数获得所述测量物体的所述光谱反射系数。

5.根据权利要求4所述的反射系数测量装置，其特征在于：

所述计算部分使用所述测量物体的所述光谱反射系数进一步获得在所述测量物体上的薄膜厚度。

6.根据权利要求4所述的反射系数测量装置，其特征在于：

所述参考物体是硅衬底，而所述参考物体上的所述薄膜是天然氧化物薄膜。

7.一种薄膜厚度测量装置，用于测量在物体上形成的薄膜厚度，其特征在于包括：

光源，用于发射偏振光到物体；

光接收部分，用于接收来自所述物体的所述偏振光的反射光，以获得所述反射光的偏振状态；

计算部分；

开关机构，在非测量期间导引来自所述光源的光到预定位置；以及

波长测量部分，用于获得导引至所述预定位置的所述光的波长，

其中所述计算部分使用由所述波长测量部分获得的所述波长基于所述偏振状态获得所述物体上的薄膜厚度。

8.根据权利要求7所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于：

所述开关机构具有

工作台，在其上放置所述物体；

镜，设置在所述工作台上；以及

机械装置，用于移动所述工作台到在来自所述光源的所述光的照射位置的所述物体或所述镜的位置。

9.根据权利要求7所述的薄膜厚度测量装置，其特征在于进一步包括

另一个光源，用于发射照明光至所述物体，

其中所述波长测量部分是分光仪，并且所述分光仪接收来自所述物体的所述照明光的反射光，以获得所述反射光的光谱强度。

10.一种测量被测量物体的光谱反射系数的反射系数测量方法，包括步骤：

通过椭圆偏光法测量在参考物体上的薄膜厚度；

以照明光照射所述参考物体及测量物体，以获得来自所述参考物体及所述测量物体的反射光的各自的光谱强度；以及

基于所述参考物体上的所述薄膜的所述厚度，计算所述参考物体的光谱反射系数，并参照所述参考物体的所述光谱反射系数获得所述测量物体的所述光谱反射系数。

11.根据权利要求10所述的反射系数测量方法，进一步包括步骤：

使用所述测量物体的所述光谱反射系数获得所述测量物体上的所述薄膜的厚度。

12.根据权利要求10所述的反射系数测量方法，其中：

所述参考物体是硅衬底，而所述参考物体上的所述薄膜是天然氧化物薄膜。

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