用於原位測量樣本的蝕刻深度的輝光放電光譜方法和系統與流程

2023-10-19 08:50:02 2

本發明涉及通過光學發射光譜法(GD-OES)或通過質譜法(GD-MS)的用於輝光放電(GD)元素分析的裝置和方法。

更精確地，本發明涉及適於原位測量暴露於此輝光放電等離子體的樣本的蝕刻深度的輝光放電測譜法(GDS)的裝置和方法。

本發明特別地應用於通過輝光放電測譜法的用於分析材料的系統或方法，根據樣本中的蝕刻深度解析(resolve)該分析。

背景技術：

輝光放電測譜法是允許分析均質或多層固體樣本的元素和/或分子化學組分的分析技術。可在樣本內部深處進行測量或者通過深度解析測量。

輝光放電測譜法常用於分析固體樣本的組分或組分分布。

輝光放電測譜法的原理在於，將樣本的面的有限區域暴露於蝕刻等離子體。等離子體從樣本表面提取原子，並且將它們置於電離或激發電子狀態。這些原子的性質是通過分析它們在等離子體中的發射光譜或等離子體中產生的離子的質譜來確定的。當提取原子時，根據暴露於等離子體的時間，在樣本的表面處形成凹口(crater)。根據腐蝕時間，通過測譜法檢測的信號的分析因此允許得到根據蝕刻時間解析的樣本組分。

然而，蝕刻速率通常在蝕刻方法期間有變化。蝕刻速率特別地隨暴露於等離子體的樣本區域的組分變化並且還隨與等離子體開始有關的短暫現象變化而變化。

現在，期望不僅根據等離子體所產生的腐蝕凹口的深度而且根據腐蝕等離子體期間的時間來分析組分。

現在，存在不同的確定根據時間的腐蝕凹口深度的方法。

現今最多使用的方法是基於校準已知組分的參考樣本的腐蝕速率。該校準需要對不同參考樣本進行不同測量並且假定諸如(例如)已知和/或均質密度的假設。所得結果的精確度仍然是不確定的。

已經提出了通過輝光放電測譜法進行分析並且同時確定蝕刻深度的其他方法。

專利文獻WO 2007/113072_A1描述了在GDS裝置中確定由於暴露於蝕刻等離子體的樣本表面被腐蝕而導致的高度變化的方法。所描述的方法是基於使用彩色共焦移動傳感器，彩色共焦移動傳感器在等離子體開始之前，檢測樣本表面的平面的位置相對於其初始位置的變化。

專利文獻CN102829732描述了基於三角測量傳感器針對同一技術問題的另一種裝置。在這種情況下，傳感器測量被表面反射的雷射束的位置，期望該表面的深度被了解。

另一方面，專利文獻HORIBA Jobin Yvon的US6784989或FR 2843801描述了使用雙波長雷射幹涉儀。根據該文獻，光束被分成兩個次級束，次級束中的一個被暴露於蝕刻等離子體的樣本的表面反射，並且另一個次級束被樣本外部的固定參考表面反射。兩個反射束的光學重組形成隨樣本中的蝕刻深度變化而變化的幹涉測量束。

然而，所有這些測量光學方法對於蝕刻等離子體所引起的升溫是敏感的，該升溫造成輝光放電腔室膨脹。因此會引入偏置，因為不可以將凹口的腐蝕和等離子體腔室的膨脹區分開。這些腐蝕深度確定方法因此具有有限精確度，實際上並不允許達到小於1微米的準確度。

此外，三角測量光學裝置通常需要具有有時大尺寸的平面和平行面的光學窗口，讓光束從中穿過。然而，通過光學發射光譜法(GD-OES)進行輝光放電的設備通常包括等離子體腔室，等離子體腔室具有有限大小的軸向開口並且被旨在收集光學發射流的透鏡而非平面窗口緊緊閉合。

用平面窗口取代光學發射流收集透鏡將意味著收集到的光學發射信號的顯著減小，進而導致發射光譜測量的精確度損失。

因此，需要用於測量輝光放電測譜法裝置中的樣本的蝕刻深度的系統和方法，該輝光放電測譜法裝置是準確的，並不影響輝光放電測譜法信號。

技術實現要素：

本發明的目的

本發明的目的是彌補現有系統的缺陷並且更精確提出了用於輝光放電測譜法和樣本的蝕刻深度的原位測量的系統，該系統包括：輝光放電燈，其適於接收固體樣本並且形成輝光放電蝕刻等離子體，所述樣本在同一面上具有暴露於所述蝕刻等離子體的第一區域和免受蝕刻等離子體影響的第二區域；測譜儀，其耦合到所述輝光放電燈，所述測譜儀適於通過所述輝光放電等離子體的光學發射譜和/或通過其質譜，測量根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的代表輝光放電等離子體的至少一個信號，以及通過根據暴露於所述等離子體的時間原位測量通過蝕刻所述樣本的所述第一區域而產生的腐蝕凹口的深度的系統。

根據本發明，測量蝕刻深度用樣本沒有暴露於等離子體的第二區域作為各瞬時的零位深度參考。這樣，進行對蝕刻腔室的膨脹不敏感的測量。

根據本發明，一種腐蝕凹口深度的測量系統包括：光源，其適於發射光束；光學分束器，其適於在空間上或成角度地將所述光束分成第一入射束和第二入射束；輝光放電燈(60)，其適於提供朝向第一區域的第一光學路徑和朝向樣本的第二區域的第二光學路徑；光學裝置，其適於分別地將所述第一入射束沿著所述第一光學路徑向著所述第一區域引導並且將所述第二入射束沿著所述第二光學路徑向著所述第二區域引導，以分別地通過在所述第一區域上的反射來形成第一反射束，通過在所述第二區域上的反射來形成第二反射束；光學重組裝置，其適於重組所述第一反射束和所述第二反射束並且形成幹涉測量(interferometric)束；檢測裝置，其適於接收所述幹涉測量束並且檢測根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的幹涉測量信號；處理裝置，其適於通過用沒有暴露於等離子體的所述第二區域作為零位深度參考，處理所述幹涉測量信號，以確定根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的所述腐蝕凹口的深度(d)。

根據本發明的特定和有利方面，檢測裝置和處理裝置適於處理所述幹涉測量信號並且從其提取根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的所述幹涉測量信號的幅度(A)和相位(PHI)的測量。

優選地，所述第一入射束形成相對於所述樣本的所述第一區域的表面的法線小於10度的入射角，優選地，非零並且大致等於5度的入射角。

有利地，所述樣本形成所述放電燈的陰極並且所述放電燈包括柱狀陽極，所述柱狀陽極具有適於使所述第一入射束和所述第一反射束通過的第一軸向開口，並且所述陽極包括相對於所述陽極的軸偏移的第二開口，所述第二開口設置有光學窗口，所述光學窗口適於使所述第二入射束和所述第二發射束通過。

根據本發明的一方面，所述光學分離器包括至少一個偏振分束稜鏡。

優選地，所述光學分束器包括Wollaston稜鏡，所述光學重組裝置包括另一個Wollaston稜鏡，並且適於分別地將所述第一入射束向著所述第一區域引導並且將所述第二入射束向著所述第二區域引導的所述光學裝置包括透鏡光學系統，所述Wollaston稜鏡布置在所述透鏡光學系統的焦平面上。

在特定實施例中，所述光學分束器和所述光學重組裝置被合併到一起。

在一個實施例中，所述測譜儀包括經由開口耦合到所述放電燈的質譜儀，所述質譜儀適於通過質譜測量代表所述輝光放電等離子體的電離物種(species)的至少一個信號。

在另一個實施例中，所述測譜儀包括經由光學窗口或經由透鏡光學系統耦合到所述放電燈的光譜儀，所述光譜儀適於測量優選地在所述樣本的所述第一區域的表面的垂直方向上代表所述輝光放電等離子體的激發物種的至少一個光學發射信號。

根據這個實施例的特定方面，所述輝光放電測譜法系統包括光譜儀，所述光譜儀適於測量代表所述輝光放電等離子體的激發物種的至少一個光學發射信號，並且所述光源適於發射選擇的在所述輝光放電等離子體的光學發射的原子射線的波長範圍之外的波長的光束。

在特定和有利的變型中，所述檢測裝置包括偏振計，所述偏振計適於測量所述幹涉測量束的至少一個偏振分量。

特別有利地，所述偏振計包括其他光學分離裝置和多個檢測器，所述光學分離裝置被布置成將所述幹涉測量束分成多個偏振分量，所述多個檢測器適於均分別檢測所述幹涉測量信號的所述多個偏振分量的偏振分量。

本發明還涉及一種輝光放電測譜法和樣本的蝕刻深度的原位測量的方法，所述方法包括以下步驟：

-將固體樣本放置到輝光放電燈中，所述樣本在同一面上具有被暴露於蝕刻等離子體的第一區域和免受所述蝕刻等離子體影響的第二區域；

-通過光學發射譜和/或通過質譜，檢測並且分析根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的代表所述輝光放電等離子體的激發和/或電離物種的至少一個信號；

-發射光束；

-在空間上或成角度地將所述光束分成第一入射束和第二入射束；

-分別地，將所述第一入射束沿著所述第一光學路徑向著所述第一區域取向並且將所述第二入射束沿著所述第二光學路徑向著所述第二區域取向，以分別地通過所述第一區域上的反射來形成第一反射束，通過所述第二區域上的反射來形成第二反射束；

-光學重組所述第一反射束和所述第二反射束並且形成幹涉測量束；

-檢測所述幹涉測量束，以形成根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的至少一個幹涉測量信號；

-處理所述至少一個幹涉測量信號，以從其提取根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的所述腐蝕凹口的測量。

根據特定方面，原位測量樣本的蝕刻深度的方法還包括以下步驟：

-處理所述幹涉測量信號，以從其提取根據所述第一區域暴露於所述等離子體的時間的所述幹涉測量信號的相位(PHI)的測量；

-在各瞬時t，通過應用以下公式，確定所述樣本的所述第一區域的瞬時蝕刻速率Ve：

其中，LAMBDA代表光源的波長並且dPHI/dt代表幹涉測量信號的相位(PHI)的相對於時間的差分係數。

根據特定和有利的實施例，所述蝕刻等離子體通過交替開啟等離子體的階段和關閉等離子體的另一個階段在脈衝模式下操作，並且所述原位測量蝕刻深度的方法包括以下步驟：

-在開啟所述等離子體的階段期間和/或分別地在關閉等離子體的階段期間，觸發所述至少一個幹涉測量信號的檢測，以將與開啟所述等離子體的階段關聯的幹涉測量信號和與關閉所述等離子體的階段關聯的另一個幹涉測量信號區分開，

-處理與開啟所述等離子體的階段關聯的幹涉測量信號和/或分別地與關閉所述等離子體的階段關聯的其他幹涉測量信號，以通過在開啟所述等離子體的階段期間和/或分別在關閉所述等離子體的階段期間所誘導的漂移校正腐蝕凹口深度的測量。

本發明還涉及將在以下描述中揭露的並且將必須孤立地或者根據它們的技術可能組合考慮的特性。

附圖說明

以非限制示例的方式給出的該描述將允許更好理解可如何參照附圖執行本發明，在附圖中：

-圖1示意性示出根據一個實施例的通過光學發射光譜法的輝光放電測譜法設備中原位測量樣本蝕刻深度的系統；

-圖2示意性示出根據示例性實施例的合適輝光放電燈的剖視圖；

-圖3示意性示出通過光學發射光譜法在輝光放電測譜法設備中原位測量樣本蝕刻深度的系統的另一個示例；

-圖4示意性示出根據另一個實施例的光學發射輝光放電測譜法設備中原位測量樣本蝕刻深度的系統的示例。

具體實施方式

裝置

圖1示意性示出輝光放電光譜(GDS)設備中原位測量樣本蝕刻深度的系統。

示出樣本10，樣本10位於輝光放電測譜法裝置60的等離子體腔室中。

舉例來說，透鏡4緊緊閉合GDS裝置的蝕刻腔室中的(例如，軸向的)開口。

樣本具有面，該面的第一區域11暴露於蝕刻等離子體，而另一個區域12免於受所述這個蝕刻等離子體影響。

原位測量蝕刻深度的原理是基於光學幹涉測量裝置的一體化。有利地，這個幹涉儀的光學組件布置在放電燈的等離子體腔室外部。

幹涉儀基本上包括：光源；光學分束器3，其將源束分成沿著兩個分離光學路徑傳播的兩個束；光學合束器，其重組之前的分束；源-檢測器分束器5；檢測器8；以及信號處理系統。

圖1的示例示出以偏振光操作的光學幹涉儀的示例。

更精確地，測量系統包括源1，源1是例如雷射源或雷射二極體。光源1發射例如波長是635nm、或780nm、532nm、405nm的光束2(優選地，單色)。在圖1的示例中，光圈(diaphragm)6或源孔被布置成限制源束2的空間幅度。半波板(也被稱為λ/2板)7允許確定源束的偏振軸。

例如偏振分束管型的源-檢測器分束器5布置在源束2上。半波板7的軸相對於分束器5的軸的取向允許調節源束2的功率。優選地，偏振器7的偏振軸被取向成，使得分束入射束21、22具有相同幅度。當被重組在一起的束的幅度相等時，檢測到的幹涉測量束具有最大強度。

在圖1的示例中，源-檢測器分束器5將源束2向著λ/2板(圖1中的參考符號9)引導，然後向著另一個光學分束器3引導。有利地，λ/2板被取向，使得分束入射束21、22具有相同幅度。當被重組在一起的束的幅度相等時，檢測到的幹涉測量束具有最大幹涉對比度。光學分束器3是例如偏振分束管，其偏振軸相對於已經穿過λ/2板的線性偏振入射束2的軸傾斜成45度。舉例來說，光學分束器3是Wollaston稜鏡，適於成角度將入射束分成兩個入射束21、22，入射束21、22根據相對於彼此正交的偏振狀態線性偏振。因此，第一p偏振入射束21被導向第一方向並且第二s偏振入射束22被導向第二方向。通過構造Wollaston稜鏡3，第一方向和第二方向成角度分離達介於0.1度和20度之間的角度。

透鏡4安裝在放電燈的開口上，以在允許光學觸及放電燈內部的同時，確保真空密閉性。優選地，光學分束器3布置在透鏡4的焦點處。因此，透鏡4形成兩個空間上分束的入射束21、22，分束的入射束21、22在放電燈60中彼此平行地向著樣本的一個面傳播。

入射束21和22的小空間間隔允許它們藉助已經存在的透鏡4耦合到放電燈。因此，不必在放電燈60的腔室中使用新光學開口供兩個分離的光束21和22通過。

在變型中，作為Wollaston稜鏡的替代，可以使用束偏移分束器並且用窗口取代透鏡4。

優選地，樣本具有旨在部分暴露於蝕刻等離子體的平面的面。放電燈60適於允許第一入射束21遵循朝向樣本的第一區域11的第一光學路徑，第一區域11旨在暴露於等離子體。另一方面，燈特定適於允許第二入射束22遵循朝向樣本的第二區域12的第二光學路徑，第二區域12卻保持免於受蝕刻等離子體影響。

因此，透鏡4將第一入射束21聚焦到樣本的暴露於蝕刻等離子體的第一區域11上。另一方面，透鏡4將第二入射束22聚焦到樣本的免於受蝕刻等離子體影響的第二區域12上。

在結合圖2的本文獻中，描述特定適於允許有這兩個光學路徑的放電燈的示例。

通過被第一區域11反射，第一入射束21形成第一反射束32。通過被第二區域12反射，第二入射束22形成第二反射束32。在圖1中示出的示例中，樣本具有平面表面並且蝕刻第一區域11產生平底的凹口。此外，在這個示例中，入射束21、22以零入射角在樣本上被反射。在這種情況下，第一反射束31在與第一入射束21的相反方向上傳播，並且分別地，第二反射束32在與第二入射束22的相反方向上傳播。

透鏡4收集第一反射束31和第二反射束32，並且將它們向著光學重組系統引導，光學重組系統在本文中是所述已經用於將入射束分束的Wollaston稜鏡3。

Wollaston稜鏡重組第一反射束31和第二反射束32以形成幹涉測量束30。幹涉測量束穿過λ/2板並且入射到源-檢測器偏振分束器5，源-檢測器偏振分束器5將幹涉測量束的偏振分量向著濾波器18和檢測器8發送。如上文中指示的，板9的取向使得入射束2的偏振相對於Wollaston稜鏡3的軸成45°。這個布置帶來的有益效果是，由板9和分束器5組成的成對物在返回方向上，形成與Wollaston稜鏡3的軸成45°的偏振分析器，從而有效允許通過束31和32的幅度之和來生成幹涉測量信號。

濾波器18是優選地以在光源1的發射波長為中心的光譜濾波器。濾波器18允許消除源自等離子體或源自環境照明的雜散光。濾波器18是例如光譜寬度10nm的以635nm為中心的幹涉濾波器。

檢測器8檢測根據時間變化的幹涉測量信號40。處理系統允許對這個幹涉測量信號40進行數值處理，以從中提取關於幹涉測量信號的幅度和相位的信息。

在蝕刻樣本的第一區域11期間，第一光學路徑變得更長，而第二光學路徑保持穩定。光學路徑的差異因此根據樣本的第一區域11的蝕刻而增大。因此，檢測器檢測其強度代表樣本的第一區域11的蝕刻深度的幹涉測量信號40。第一光學路徑形成幹涉儀的測量臂：它從分束器-合束器3達到樣本的第一區域11並且回到分束器-合束器3。第二光學路徑形成幹涉儀的參考臂：它從分束器-合束器3達到樣本的第二區域12並且回到分束器-合束器3。

以另外已知的方式，在不透明並均質樣本的情況下，分析幹涉測量信號允許確定樣本中的蝕刻深度。事實上，在這種情況下，幹涉測量信號具有根據時間的正弦形狀。強度曲線的周期的數量允許在得知源束波長的情況下確定蝕刻深度。如此得到的深度幹涉儀測量的誤差是大約λ/8，其中，λ是源束波長。

在噴射樣本期間，凹口的深度增大，因此兩個反射波31、32之間的相位差根據時間t變化。

更精確地，注意δ(t)是第一反射束31和第二反射束32之間的相對相位偏移。

其中，k＝2π/λ，d(t)代表根據時間的蝕刻深度。

用以下關係表達第一區域11上的反射係數rV和第二區域12上的反射係數rH：

注意的是，I(t)是根據時間的幹涉測量束的強度，EV是與第一區域11上(即，凹口中)的入射束21相關的電場的幅度，EH是與第二區域12上的入射束22相關的電場的幅度。根據以下關係來書寫檢測到的幹涉測量信號的強度：

如果蝕刻速率是恆定的，則光學路徑差異線性增大，因此檢測到的強度根據時間正弦地變化。在均質材料的情況下，那麼根據時間的一系列幹涉測量結果是正弦曲線上的點集合。對於包括不同材料的多層堆疊的樣本，蝕刻速率通常取決於各層的組分。如果層是不透明的，則通過插值，一系列測量點形成由不同周期的幾個正弦組成的實驗曲線。

為了確定被蝕刻凹口的深度d(t)，估計從蝕刻開始起被檢測到的周期的數量。事實上，正弦的完整周期就長度而言等於所使用的光源(例如，雷射器)的波長λ。現在，兩個波之間的光學路徑差異在每個瞬時都等於被蝕刻凹口的深度的兩倍。強度曲線上的各周期因此對應於等於λ/2的蝕刻深度。

在蝕刻開始和瞬時t之間，如果強度測量曲線I(t)上的周期的數量等於整數N，則凹口的蝕刻深度等於N*λ/2。

對於均質樣本，因此通過簡單視覺估計幹涉測量信號I(t)的強度曲線上的周期的數量，允許以大約λ/8的精確度來確定蝕刻深度，就所使用的雷射而言，λ/8對應於大約80nm。為了更好的精確性，還可以通過使用擬合來確定強度曲線(例如，正弦函數)的頻率。這樣允許得到蝕刻深度的更加重要的精確度。

然而，在樣本包括薄和/或透明層的堆疊的情況下，根據時間的幹涉測量束的強度I(t)的信號的測量只供應有限的精度和靈敏度。

通常，放電燈的等離子體腔室只具有允許光學路徑的一個光學入口，該光學路徑(通常受限)到暴露於蝕刻等離子體的第一區域11。專利文獻FR1250594描述了一種輝光放電燈的示例，該輝光放電燈包括中空柱狀陽極和陽極軸上的單個光學入口。

圖2示意性示出根據示例性實施例的特定適於幹涉測量系統的放電燈的剖視圖。

放電燈包括：陽極15；陰極，其由樣本10本身形成；以及電絕緣部分16，其布置在陽極15和樣本10之間。陽極15具有在沿著柱體的軸的剖面中的圖2中示出的大體圓柱形形狀。電絕緣部分16還具有圓柱形形狀並且包括陽極插入其中的同軸圓柱形開口。部分16允許將陽極相對於陰極準確定位。陽極15的管狀端部因此設置成與樣本表面相距幾十毫米。通常是稀有氣體的等離子體載氣被注入陽極中，並且通過陽極的端部和樣本的表面之間的間隔對氣體進行抽氣。陽極15、絕緣部分16和樣本10的準確定位允許將等離子體約束在陽極內部的管狀中心區域中。絕緣部分16大體與暴露於蝕刻等離子體的區域11外部的樣本的面接觸，以便保護第一區域11外部的樣本的面。放電燈因此允許等離子體19選擇性蝕刻與陽極15的管狀端部相對的樣本的第一區域11。

陽極的軸向開口41提供朝向樣本的暴露於等離子體19的第一區域11的第一光學路徑。通過逆向返回，法向入射到第一區域11上的第一反射束31沿著同一光學路徑傳播。在光學發射光譜法的情況下，這個第一光學路徑也用於收集等離子體19所發射的光學發射束。

在圖2中示出的示例中，放電燈特定適於提供朝向樣本的免受等離子體19影響的第二區域12的第二光學路徑。更精確地，另一方面，已經在陽極15中形成設置有光學窗口14的開口42，並且另一方面，已經在絕緣部分16中形成開口17。開口42和開口17例如沿著偏移軸(優選地，平行於陽極15的軸)對準。因此，軸向開口41和偏軸開口17彼此之間沒有連通。窗口14限制氣體和/或等離子體向著樣本的第二區域12的洩漏。窗口14是例如具有平面和平行面的玻璃板。

開口42、光學窗口14和開口17允許將第二入射束22向著樣本的第二區域12引導。

因此限定第二光學路徑，其穿過光學窗口14並且到達保持免受蝕刻等離子體19影響的樣本的第二區域12。第二入射束22可隨後被引導，通過窗口14和開口17，向著樣本的在空間上與第一區域11分離但位於樣本10的同一面上的第二區域12。

第二反射束32優選地遵循向著光學窗口14的相反方向上的第二光學路徑。

因此，第一束和第二束在被樣本的同一面反射的同時，遵循分離的光學路徑。

該配置允許限制由於等離子體升溫所引起的放電燈膨脹而導致的幹涉測量信號偏移。

圖3示出輝光放電測譜法設備中原位測量樣本的蝕刻深度的系統的另一個示例。

該系統包括塊50，塊50包括位於放電燈60外部的至少一個光源和至少一個檢測器。

放電燈60包括中空管狀剖面的柱狀陽極15、電絕緣部分16和形成放電燈的陰極的樣本10。透鏡4例如放置在放電燈60的真空腔室的開口上。優選地，透鏡4布置在陽極15的軸上。

陽極15類似於結合圖2描述的陽極。該陽極15是圓柱狀形狀並且包括軸向開口，軸向開口形成源-檢測器塊50和樣本10的暴露於蝕刻等離子體的第一區域11之間的第一光學路徑。

放電燈的陽極15包括另一個開口，該開口相對於陽極15的軸偏移，並且設置有光學窗口14。布置在陽極15和樣本10之間的電絕緣部分16包括柱狀孔，以便形成源-檢測器塊50和樣本10的免受蝕刻等離子體影響的第二區域12之間的第二光學路徑。

在圖3中示出的示例中，樣本是平面的，並且布置在正交參考系(X,Y,Z)的平面YZ中。樣本平面的法線平行於軸X。假定蝕刻等離子體在樣本10的第一區域11上產生平底腐蝕凹口。

分束器-合束器13布置在源-檢測器塊50和放電燈60之間的源束2的光學路徑上。例如，分束器-合束器13由Wollaston稜鏡組成。Wollaston稜鏡13以例如介於0.1和10度之間(優選地，大約1度)的角度成角度地將入射束2分成第一入射束21和第二入射束22。

分束器-合束器13放置成與透鏡4相距距離L。優選地，距離L等於透鏡4的焦距，使得分束器-合束器13處於透鏡4的焦平面上。

透鏡4將第一入射束21沿著陽極15的軸，平行於軸X，向著樣本的第一區域11引導。通過被第一區域11反射，第一反射束32被向著透鏡4發送回。

同時，透鏡4沿著朝向樣本的第二區域12的第二光學路徑，將第二入射束22向著光學窗口14和開口17引導。通過被這個第二區域12反射，第二反射束32被向著透鏡4發送回。

在稜鏡3處於透鏡4的焦平面上的情況下，入射束21和22彼此之間平行並且平行於放電燈60中的軸X。同樣地，反射束31和32彼此之間大體平行並且平行於放電燈60中的軸X。

透鏡4將第一反射束31和第二反射束32聚焦到Wollaston稜鏡13上，Wollaston稜鏡將它們重組成朝向源-檢測器塊50中的檢測器的幹涉測量束30。從幾何觀點來看，透鏡4的焦平面上的稜鏡13的布置允許第一反射束31和第二反射束32重組。

圖4示意性示出耦合到光學發射輝光放電測譜法裝置的原位測量樣本的蝕刻深度的系統的第二實施例。

在這個第二實施例中，蝕刻深度的測量系統不是簡單的幹涉測量儀，而是偏振幹涉測量儀。

在圖4中，用相同的參考符號指代與圖3的元件相同的元件。

圖4的裝置包括放電燈60、源-檢測器塊50和布置在放電燈60和源-檢測器塊50之間的反射鏡和/或透鏡光學系統。

在圖4中示出的示例中，樣本10是平面的，並且布置在正交參考系(X,Y,Z)的平面YZ中。樣本平面的法線平行於軸X。

源-檢測器塊50包括光源1，例如，雷射器或雷射二極體。光學隔離器25布置在源束2上。

本文中包括平面反射鏡24和26的光學系統允許將源束向著布置在放電燈60的軸上的透鏡4引導。

特別有利地，反射鏡26包括軸向開口，軸向開口允許輝光放電等離子體所發射的光學發射束71向著光學發射測譜儀70通過。

圖4的系統還包括分束器13和合束器23。分束器13布置在源束2的光學路徑上。合束器23布置在反射束31、32的光學路徑上。例如，分束器13是Wollaston稜鏡並且合束器23是另一個Wollaston稜鏡。兩個稜鏡配置的優點是允許使用並不十分笨重並且並不十分昂貴的尺寸小的稜鏡。

作為變型，如結合圖3示出的，分束器-合束器可由較大尺寸的單個且相同的稜鏡組成。

反射鏡26將源束2向著分束稜鏡13反射。有利地，反射鏡26安裝在繞著軸OZ和相對於軸OX和OY成45°的軸的取向可調節的板上。分束稜鏡13成角度地將源束2分成第一入射束21和第二入射束22。稜鏡13被構造成，使得入射束21和22在平面YZ上成角度地分離達介於0.1和20度之間的角度(例如，2度)。反射鏡26將入射束21和22向著透鏡4反射。在圖4中示出的示例中，透鏡4和樣本之間的入射束21和22相對於透鏡4的軸(即，相對於樣本表面的法線)傾斜達介於平面XY中的1和20度之間的角度。

放電燈60類似於結合圖2或圖3描述的放電燈。放電燈特別地包括透鏡4，透鏡4布置在中空柱狀陽極15的軸上，形成朝向樣本10的第一區域11的第一光學路徑，第一區域11暴露於陽極管端部的輝光放電等離子體。陽極還包括另一個偏軸開口，該開口例如在平面XZ上，對準中間部分16中的柱狀開口，以形成朝向樣本的第二區域12的第二光學路徑。在圖4中，沒有顯現第二區域12，因為它位於橫向於圖4平面的平面上。

另一方面，透鏡4將第一入射束21聚焦到樣本的第一區域11上，第一區域11與陽極15的管狀端部相對並且暴露於蝕刻等離子體。另一方面，透鏡4經由第二光學路徑將第二入射束22聚焦到樣本的第二區域12上，第二光學路徑通過偏軸光學窗口14穿過陽極15並且通過偏軸開口17通過中間部分16。樣本的第二區域12因此免受蝕刻等離子體影響。

第一入射束21因被第一區域11反射，形成反射束31，反射束31相對於樣本的法線與入射束對稱地傾斜。類似地，第二入射束22因被第二區域12反射，形成反射束32，反射束32相對於樣本的法線與入射束對稱地傾斜。因此，反射束31沿著與入射束21成角度分離的光學路徑傳播。同樣地，反射束32沿著與入射束22成角度分離的光學路徑傳播。此外，第一反射束和第二反射束在空間上分離並且沿著空間上不同的光學路徑在放電燈中傳播。

透鏡4收集第一反射束31和第二反射束32，第一反射束31和第二反射束32在圖4中看上去是彼此疊置，而事實上在平面YZ上有偏移。反射鏡24將第一反射束31和第二反射束32向著合束稜鏡23反射。透鏡4將第一反射束31和第二反射束32聚焦到合束器23上，以幾何上疊置它們。

合束器23光學上重組第一反射束31和第二反射束32，因此形成朝向源-檢測器塊50的幹涉測量束30。源-檢測器塊包括例如幹涉測量濾波器型濾波器18，濾波器18允許去除等離子體或環境光的雜散發射。

圖4的檢測系統與結合圖1和圖3描述的檢測系統的不同之處在於，它包括偏振測量檢測系統。更精確地，這個偏振測量檢測系統包括非偏振分束器51、第一偏振分束器52和第二偏振分束器53、四分之一波板54、偏振旋轉器33和四個檢測器81、82、83、84。在替代實施例中，元件54和33的位置可顛倒。

有利地，非偏振分束器51將最佳保留透射和反射路徑二者上的入射束的偏振狀態。出於此原因，針對窄波長範圍而優化的雷射器的非偏振分束器對於寬帶分束器而言將是優選的，覆蓋例如整個可視光譜。

與偏振分束器52關聯的偏振旋轉器55相對於重組器分束器13和23的軸成45°取向的線性偏振的分析器。檢測器81檢測相對於軸13和23的+45°的幹涉測量束30的偏振分量35並且檢測器82檢測相對於軸13和23的-45°的幹涉測量束30的偏振分量37。

與偏振分束器53關聯的四分之一波板54形成圓形偏振(分別地，右圓36和左圓38)的分析器。檢測器83檢測幹涉測量束30的右圓偏振分量36並且檢測器84檢測幹涉測量束30的左圓偏振分量38。

因此，圖4的檢測系統允許同時檢測幹涉測量束30的四個偏振分量。

基於四個檢測器81、82、83、84檢測到的四個信號，可以推斷被第一區域11(即，因蝕刻樣本而導致的凹口中)反射的束31和被用作參考的第二區域12反射的束32之間的相移。同樣地，可基於兩個線性偏振分量或兩個圓偏振分量的測量來計算第一區域的反射係數的變化。

分析幹涉測量信號是基於傳統方法。在樣本由均質的吸收材料組成的情況下，其假設是半無限遠介質。在樣本包括薄和/或在測量波長處透明的層的堆疊的情況下，分析是基於模擬的數值計算和誤差函數的最小化。

如圖4中所示的測量系統提供了根據時間的四個同時測量。這四個檢測器的所有測量通過插值來提供四條曲線，可針對均質樣本實時地分析或者在針對包括層堆疊的樣本進行所有測量的採集之後分析這四條曲線。在得知測量波長下的材料的光學折射和吸收係數的情況下，可以將根據蝕刻速率和時間的幹涉測量束的強度和相位建模。通過對蝕刻速率求積分，得到根據時間t的樣本中的蝕刻深度。

這些曲線的分析允許用其推導材料或層中的蝕刻速率的測量。曲線上出現斷點允許檢測樣本中的兩個層或兩種不同材料之間的界面的蝕刻。

更精確地，注意的是，IL1是沿著相對於入射到第一區域11上的場的線性偏振H並且相對於入射到第二區域12上的場的線性偏振V成45度的方向的幹涉測量束的線性分量的強度。檢測器81測量束35的強度，即，IL1。

注意的是，IL2是沿著相對於入射到第一區域11上的場的線性偏振H並且相對於入射到第二區域12上的場的線性偏振V成-45度的方向的幹涉測量束的線性分量的強度。檢測器82測量束37的強度，即，IL2。

注意的是，IC1是幹涉測量束的右圓分量的強度。檢測器83測量束36的強度，即，IC1。

注意的是，IC2是幹涉測量束的左圓分量的強度。檢測器84測量束38的強度，即，IC2。

計算在線性路徑上檢測到的強度之間的歸一化強度差L：

同樣地，計算在圓形路徑上檢測到的強度之間的歸一化強度差C：

已表明反射波31和32之間的相位差被寫為：

在得知t＝0時兩個所選擇路徑的強度是用以下關係表達的情況下，還可用兩個線性分量IL1和IL2(或作為變型，基於兩個圓形分量IC1和IC2)的測量值來推導隨時間推移的凹口的反射率R(t)的變化：

作為替代，可定義角度ψ，使得tan(ψ)＝ρH/ρV。然後，可通過關係sin2(2ψ)＝C2+L2基於測量值來推導反射率ρH/ρV的變化。

厚且不透明的層

在不透明材料的樣本或層的情況下，基於相對於初始值的根據時間的相位變化來得到被蝕刻凹口的深度d(t)：

因此，四個偏振分量的強度的測量允許直接推導根據暴露於蝕刻等離子體的時間的凹口的深度d(t)。

d(t)的局部斜率指示瞬時蝕刻速率。

反射率與樣本表面的指標相關。

第二實施例的優點是允許在不需要正弦擬合的情況下直接獲取兩個波之間的相位差，當蝕刻深度d(t)小於一個周期時，通常精確度極低。

薄或透明的層

如果樣本包括透明材料(諸如，二氧化矽或吸收劑)但卻不非常厚的層的堆疊，則如硬碟的情況一樣，在蝕刻深度和相位差之間不存在簡單關係。事實上，在樣本上反射的束經歷不同層之間的界面處的多次反射。檢測到的幹涉測量束是所有這些反射疊加的結果。在蝕刻期間，在相位和強度中調製檢測到的幹涉測量束。

在存在透明或非常薄的層的情況下，隨後基於通過知曉構成不同層的材料而構造的樣本的數值模型來估計深度。這個模型考慮到樣本處的雷射束的多次反射並且允許計算每個蝕刻瞬時的反射波的相位和反射率。

通過考慮可通過矩陣方法描述的樣本中的波傳播，計算反射波的相位和反射率(參見，例如，P.Yeh，Optical waves in layered media，1988，Wiley)。

然後，基於數值模型的模擬的計算，基於與根據時間的不同偏振分量的強度的測量的比較，以及基於模擬計算和測量之間的差異最小化，來分析樣本的蝕刻。例如，在使用每個層的蝕刻速率作為可調節參數的最小二乘回歸上使用最小化，以允許通過逐次逼近來估計給出最佳值適於實驗值的相位和反射曲線的值。可通過使理論和實驗曲線之間的差異(僅僅相位、僅僅反射率、或相位和反射率同時)最小來執行最小二乘回歸。還可以針對各層選擇不同的最小化。這些不同變化之間的選擇通常取決於被分析樣本的結構和被分析層的特性。

計算和測量之間的差異允許改善數值模型並且檢測例如具有兩種疊加材料之間的折射率梯度的中間層的存在。

將所得幹涉儀測量的結果和對相同樣本採取的橢圓偏光儀測量的結果進行比較。通過偏振幹涉儀(根據第二實施例的裝置)並且通過橢圓偏光儀得到的厚度非常接近，通過偏振幹涉儀(在幾乎垂直入射)並且通過橢圓偏光儀進行的測量之間的差異通常小於5％。

幹涉儀測量系統(優選地，偏振的)因此允許測量根據暴露於蝕刻等離子體的持續時間的樣本中的蝕刻深度d(t)。因此可以評估各樣本的蝕刻速率，更精確地，由層的堆疊形成的樣本的每個層的蝕刻速率。

因此，變得可以調整根據蝕刻時間t的檢測到的發射光譜測量，以分析它們並且根據樣本中的蝕刻深度表示它們。

有利地，以上詳細描述的蝕刻深度測量應用於脈動或脈衝模式下操作的等離子體。脈衝模式一般用於避免包括例如聚合物的材料或層的易碎樣本過熱。在脈衝模式下，等離子體以預定頻率和佔空比交替地開啟然後關閉。只有在等離子體開啟的階段期間才出現腐蝕。

在本文中更特別料想到兩個實施例來提高蝕刻深度測量精確度。

在第一種情況下，幹擾的永久源為源自開和關等離子體階段期間的信號漂移。在這種情況下，測量關等離子體階段中的幹涉測量信號的殘留漂移，在關等離子體階段中，沒有進行蝕刻，因此只測量信號的漂移。因此，可以通過插值它們來校正開等離子體階段中的這些漂移。

在另一種情況下，幹擾的間歇源為只源自在開等離子體階段期間的特定殘留漂移(例如，等離子體熱誘導的漂移)。在這種情況下，只在沒有信號漂移的關等離子體階段期間，測量幹涉測量信號。在關等離子體階段期間使用這些幹涉測量信號測量，以例如通過插值用其推導根據時間的蝕刻深度。

以上揭示的方法中的任一個的選擇取決於永久和間隙偏移的相對幅度。

本發明的系統因此允許根據樣本中的蝕刻深度d(t)的可靠測量而不僅是根據時間來通過輝光放電光譜提供測量。

在採集通過發射光譜或質譜進行的測量的同時，原位執行幹涉測量信號的採集。結合圖4示出的測量系統允許準確確定根據暴露於蝕刻等離子體的時間的樣本中或樣本的層中的蝕刻深度。

光學發射譜(或質譜)和幹涉測量的組合允許將樣本的元素組分的分析與該樣本中的蝕刻深度極其準確地相關。

本發明的幹涉測量系統對於例如真空泵裝置的機械噪聲不是非常敏感，並且對於由於消融等離子體導致的加熱所致的熱漂移不是非常敏感。