[发明专利]用于检查结构化对象的光学设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于三维地检查结构化对象的设备。本发明还涉及通过该设备实现的检查结构化对象的方法。

本发明的技术领域更具体地涉及但不限于微系统（MEM）领域和微电子领域中设备的测量和尺寸控制。

背景技术

特别地，微电子和微系统（MEM，MOEM）的制造技术正在朝向制造复杂体积结构的方面发展，这能够使这些系统的功能更好地进行体积整合。

这些技术的发展使得对测量和尺寸控制装置的需要发生了改变，准确而言即更多地考虑了该体积方面。

特别是基于成像和干涉测量的光学测量技术得到了广泛地应用，因为该技术可集成于工业环境并且能够在几毫米至不到一纳米的测量范围中提供精确的信息。该技术的优点还在于允许在不接触、无需降解或制备样品的情况下进行测量，而利用的设备仍然保持低成本。

已知，特别地，基于常规显微镜（通常为反射）的成像技术能够对表面和图案进行检查并通过在基本垂直于观察轴线的平面中的图像分析来执行尺寸测量。这些设备通常包括光源、相机和具有适合放大率的成像光学器件。这些装置的微米级的横向分辨率基本上通过光的衍射现象、光学器件的放大倍数和质量来确定。测量通常在光谱的可见光或近紫外区部分进行，从而能够限制衍射，也能够使用具有合理成本的相机与光学器件。

为了获得深度定量测量（平行于观察轴线），根据干涉测量显微术，成像显微镜可通过干涉测量补偿。然后，设备通过干涉仪补偿，干涉仪能够使来自对象表面的光被测量（测量波）并且使来自相同源的、由参考表面反射的参考波重叠在相机上。因此，在测量波与参考波之间获得干涉，其能够使表面拓扑以纳米级的深度分辨率进行测量。出于与成像显微镜的示例类似的实现理由，测量通常在光谱的可见光部分中进行。

干涉测量显微术例如能够在第一表面上有效地进行外形测量或能够在所使用的波长基本能透过的薄层上有效地进行厚度测量。另一方面，在没有实现灵敏的光学补偿的情况下，干涉测量显微术很难对超过几十微米厚的材料进行厚度测量，当然，干涉测量显微术不能测量硅的厚度，因为可见光波长是不能透过这种材料的。

厚度测量的问题通过干涉测量技术、特别是基于低相干红外干涉得到了有效解决。实际上，广泛用于微电子和微系统的多种材料，例如硅或砷化镓，对于近红外区的波长基本是透明的。这些一般为点测量系统，即能够测量对象表面的一点处的一个或多个高度或厚度（在测量层堆的情况下）。

微系统和微电子中的另一问题在于对具有高的深度-宽度比（也称为“纵横比”）的图案高度的测量。这些图案、特别是通过深层等离子蚀刻（“Deep RIE”）制成的图案可例如具有几微米宽、几十微米深的沟或孔。由于纵横比，很难对它们的深度进行准确的测量。基于具有高数值孔径的光学测量光束的包括基于成像的技术的所有技术（无论是否为干涉测量），以及共焦技术均无效，因为在可用条件下光束不能到达结构的底部。

Courteville的文献FR 2 892 188描述了能够测量具有高纵横比的图案高度的设备和方法。该设备包括基本呈点状的测量光束，测量光束覆盖对象表面上的受限区域。由光束覆盖的图案的高度测量通过将图案的高低部分之间的入射波前划分以及在模态过滤步骤之后干涉地测量这部分波前之间引起的相移来获得。在FR 2 892 188中描述的设备可有利地被实现为在红外波长下同时测量半导体材料层的厚度。

微电子或微系统中的特征化元件常同时需要拓扑测量以及特别位置中进行的高度或厚度测量。这些高度或厚度测量的定位有时应为非常精确的，例如在由几十或几百微米间隔的几微米宽的孔径或通孔贯穿半导体衬底的“片级组装”应用中。在其他情况下，高度和厚度测量应在具有受限范围的区域中进行以仅考虑一些图案。因此，在任何情况下，红外测量光束应被精确地调整在适当的位置和/或放大在对象表面上。

已知Canteloup等人的文献FR 2 718 231描述了使用点测量光束进行高度或厚度测量的方法，点测量光束的位置在相机上观察。测量光束穿过相机的成像光学器件，例如出现在被观察的视场中。该设备能够使测量光束精确地定位在对象表面上。然而，在这种情况下，干涉测量的波长包括在优化的成像光学器件的成像波长中。对于FR 2718 231中描述的实现，特别是涉及到对波前的寄生反射、多条光学路径和其他偏差非常敏感的干涉测量技术而言，这是很强的约束，当光学器件没有为了操作波长进行优化时，上述偏差必然出现。特别地，在FR 2 718 231中描述的方法并不适合于红外的干涉测量系统。