宽带偏振光谱仪及光学测量系统技术方案

本发明专利技术提供的一种宽带偏振光谱仪包括光源、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、偏振器、第一平面反射镜、第一曲面反射镜、第二反射单元和探测单元。本发明专利技术提供的包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪，提高了探测光束的光通效率，并且在探测器前端实现了分光后的作为参考光束的非探测光束和所述探测光束的完整结合。此外，还能使探测光束无色差地聚焦在样品表面，并可同时保持探测光束的偏振状态，而且系统的复杂程度比现有技术低。本发明专利技术还提供一种包含上述光谱仪的光学测量系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学领域，特别涉及一种宽带偏振光谱仪及光学测量系统。
技术介绍
随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来快速精确地检测半导体薄膜的厚度、材料特性及周期性结构的三维形貌是控制生产过程，提高生产率的关键环节，主要应用于集成电路、平板显示器、硬盘、太阳能电池等包含薄膜结构的工业中。利用不同材料、不同结构的薄膜在不同波长对不同偏振态的入射光具有不同的反射率，其反射光谱具有独特性。当今先进的薄膜及三维结构测量设备，如椭圆偏振仪和光学临界尺度测量仪(OpticalCritical Dimension，简称O⑶)要求满足尽量宽的光谱测量能力以增加测量精确度，通常为190nm至lOOOnm。在薄膜结构参数已知的情况下,薄膜反射光谱可通过数学模型计算得出。当存在未知结构参数时，例如薄膜厚度，薄膜光学常数，表面三维结构等，可通过回归分析，拟合测量与模拟计算光谱，从而得出未知结构参数。一般来说，对半导体薄膜的光学测量通常有两种方法，绝对反射率测量法和椭圆偏振测量法。如中国专利申请201110032744.8中所述，使用绝对反射率测量法测量时，需要先使用标准样品进行测量，并记录标准样品的测量结果作为参考值，然后再测量待测样品，并将待测样品的测量结果与标准样品测量得到的参考值相比，从而得到待测样品的相对真实值。由于光源本身的原因，在实际测量过程中，其光谱强度可能会发生变化(漂移)。理论上一般假定光源的光谱强度在测量标准样品和待测样品时是完全一样的，但实际上，由于对待测样品和标准样品无法在同一时刻测量，光源的光谱强度变化会影响测量结果。鉴于上述原因，本领域的技术人员提出了利用参考光束来校准光源起伏。即将光源发出的光分为两束，其中一束作为探测光记录样品的光学信息，另一束作为参考光，通过对参考光束的测量，可以分别记录测量参考样品和待测样品时光源的光谱强度，从而校正测量过程中光源的光谱强度变化，提高测量精度。测量设备通常分为相对于样品表面垂直入射的光学系统和相对于样品表面倾斜入射的光学系统。垂直入射的光学系统由于结构更加紧凑，通常可与其他工艺设备集成，实现生产与测量的整合及实时监测。现有技术中，利用参考光束校准的垂直入射光谱仪的实现方法主要有以下两种:(I)如图1所示，光源101出射的发散光经透镜102后，平行入射至分光器103，经过分光器103透射通过后的光作为探测光束，被分光器103反射的光作为参考光束。探测光束经透镜104会聚后聚焦至样品105表面，样品105表面的反射光经透镜104反射后，垂直入射分光器103，经分光器103反射后的探测光束，经透镜107会聚，入射至探测器108，获得样品表面的反射光谱；参考光束垂直入射至平面反射镜106，经平面反射镜106反射后垂直入射分光器103，经分光器103透射后的参考光束也经透镜107会聚，入射至探测器108，获得包含光源光谱特征的参考光谱(例如，参见美国专利N0.7067818B2、N0.7189973B2和N0.7271394B2、美国专利申请公开N0.2005/0002037A1)。在这种光谱仪中，可以利用控制光阑来选择所需测量的光束。这种方法具有如下好处:可以校准光源起伏，但由于采用了分光器，这种光谱仪也存在以下问题:①光通量低，整个测量个过程中，光束由光源需经同一分光器透射和反射各一次，进入探测器。假设分光器为透射率和反射率各50%，探测光束和参考光束所能达到的最大光通量比率为25% ;②若同时实现高质量光斑及较宽的光谱范围，需解决色散的问题，系统复杂度和成本都较高。(2)在光路中插入一个平面反射镜，使光源发出的光一部分入射到平面反射镜上，另一部分从平面反射镜的边缘通过。经平面反射镜反射后的光束作为探测光垂直入射到样品表面，从平面反射镜边缘通过的光束作为参考光束，探测光束和参考光束分别进入两个不同的光谱计同时进行测量(例如，参见美国专利N0.5747813和N0.6374967B1)。这种方法具有如下好处:在测量过程中探测光束和参考光束可同时测量，精准地校正了光源的光谱和强度变化；系统中光强的损耗较小，利用率高。但由于使用了两个不同的光谱计，其光电转化效率不尽相同，波长分布和分辨率也不尽相同，不易校准系统，反而会降低测量精度，另一方面，这种方案的光路结构比较复杂，不易调节，并且两个光谱计会增大设备体积，增加设备成本。当检测一个通常尺寸为150毫米、200毫米或300毫米的晶片时，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，当对整个晶片进行检测时，为了实现高精确度的测量和保证半导体生产线产量的快速测量，对每个测量点自动聚焦是其中一项关键的技术。而且，本领域的技术人员公知，将宽带探测光束在样品表面上聚焦成相对较小尺寸的光斑是有利的，因为小尺寸光斑可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精确度。在这种情况下，当采用透镜进行聚焦时，会存在如下问题:透镜通常具有色差，这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置不同，增大误差，降低测量精确度；而且，难以找到对整个宽带波长范围都具有良好的透射性的透镜材料。鉴于上述原因，本领域的技术人员已经提出了这样一种方法，使用曲面反射镜，如椭圆面反射镜，超环面反射镜(toroidalmirror)，离轴抛物面反射镜等来将宽带探测光束聚焦到样品表面上(例如，参见美国专利N0.5608526和N0.7505133B1、美国专利申请公开N0.2007/0247624A1和中国专利申请公开N0.101467306A)。这种方法具有如下好处:在整个宽带波长范围上，反射镜不会产生色差，并且反射镜可在较宽的波长范围内都具有高反射率。但是，光束经过单个反射镜反射后偏振态会发生改变。这里以一个铝材料反射镜为例。在图2a中示出两种入射角情况下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的两条曲线是S偏振光的反射率Rs，下面的两条曲线是P偏振光的反射率Rp。实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知,S或P偏振光的反射率不相等，而且随着入射角的不同而改变。在图2b中示出反射后的S与P偏振光之间的相位差，实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，反射后的S与P偏振光之间的相位差发生变化，而且随着入射角的不同而改变，且与波长相关。总之，当宽带光束经反射镜反射之后，由于偏振方向正交的偏振态S与P各自具有不相同的反射率和相位变化，光束的偏振状态发生改变，导致难以控制光束的偏振变化(例如，参见美国专利 N0.6829049B1 和 N0.6667805)。光谱仪对偏振的控制能力限定了光谱仪的应用范围。例如，当今广泛应用于集成电路生产线工艺控制的光学临界尺度设备OCD通过测量偏振光在样品表面的反射光谱及相位特征，拟合数值仿真结果，测量样品表面周期性图案的临界尺度(CD)、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。实现临界尺度测量的光谱仪要求其聚焦系统必须做到在聚焦及光信号采集过程中控制光束的偏振态，从而可以准确地测量样品。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可实现无色差的，保持偏振特性的，光通效率高且易于实现的宽带偏振光谱仪及光学测量系统。根据本专利技术的一个方面，提供一种宽带偏振光谱仪包括光源、第一反射单兀、第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括光源、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、偏振器、第一平面反射镜、第一曲面反射镜、第二反射单元、探测单元，其中：所述第一反射单元用于使所述光源发出的光束分为探测光束和参考光束两部分，并将这两部分光束分别入射至所述第一聚光单元和所述第二聚光单元；所述第一聚光单元用于接收所述探测光束，使该光束变成平行光束后入射至所述偏振器；所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第一平面反射镜之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第一平面反射镜；所述第一平面反射镜用于接收所述平行光束并将该平行光束反射至所述第一曲面反射镜；所述第一曲面反射镜用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上；所述第二反射单元用于同时或分别接收从样品反射的依次经过所述第一曲面反射镜、所述第一平面反射镜、所述偏振器、所述第一聚光单元的探测光束和通过所述第二聚光单元的参考光束，并将所接收到的光束入射至所述探测单元；所述第二聚光单元用于接收所述参考光束，并将其入射至所述第二反射单元；所述探测单元用于探测被所述第二反射单元所反射的光束。

【技术特征摘要】
1.一种宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括光源、第一反射单兀、第一聚光单兀、第二聚光单元、偏振器、第一平面反射镜、第一曲面反射镜、第二反射单元、探测单元，其中: 所述第一反射单元用于使所述光源发出的光束分为探测光束和参考光束两部分，并将这两部分光束分别入射至所述第一聚光单元和所述第二聚光单元； 所述第一聚光单元用于接收所述探测光束，使该光束变成平行光束后入射至所述偏振器； 所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第一平面反射镜之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第一平面反射镜； 所述第一平面反射镜用于接收所述平行光束并将该平行光束反射至所述第一曲面反射镜； 所述第一曲面反射镜用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上； 所述第二反射单元用于同时或分别接收从样品反射的依次经过所述第一曲面反射镜、所述第一平面反射镜、所述偏振器、所述第一聚光单元的探测光束和通过所述第二聚光单元的参考光束，并将所接收到的光束入射至所述探测单元； 所述第二聚光单元用于接收所述参考光束，并将其入射至所述第二反射单元； 所述探测单元用于探测被所述第二反射单元所反射的光束。2.根据权利要求1所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂入射宽带光谱仪还包括: 光源聚光单元，所述光源聚光单元设置于所述光源与所述第一反射单元之间，用于使所述光源发出的光成为会聚光束。3.根据权利要求2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述光源聚光单元包括: 至少一个透镜和/或至少一个曲面反射镜。4.根据权利要求1所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括: 可移动的分光器和图案识别系统； 所述分光器和图案识别系统位于所述第一曲面反射镜和样品之间； 所述图案识别系统包括透镜、照明光源与CCD成像器； 所述可移动的分光器用于将所述图案识别系统提供的样品照明光束反射至样品表面并将样品表面的反射光束反射至所述CCD成像器；并且在所述垂直入射宽带光谱仪中可以通过观测所述探测单元的光强和/或通过观测所述图案识别系统中的图像的清晰度来进行调焦。5.根据权利要求4的所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述可移动的分光器为具有至少一个直线边缘的平面反射镜，该平面反射镜可以完全处于、部分处于、或完全不处于所述探测光束的光路中。6.根据权利要求1所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括: 用于切换所述探测光束和 所述参考光束的光束切换单元。7.根据权利要求6所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于:所述光束切换单元为设置在所述第一反射单元和第二反射单元之间的可移动的挡光板，所述挡光板可分别或同时挡住探测光束和参考光束。8.根据权利要求1所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括: 用于承载样品的可调节的样品平台。9.根据权利要求2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括: 光阑，所述光阑置于整个光学系统的任意一段光路中。10.根据权利要求9所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括: 至少一个光阑，所述光阑置于由所述光源聚光单元形成的会聚光束所分出的探测光束焦点处。11.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国光，吴文镜，刘涛，赵江艳，郭青杨，马铁中，夏洋，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，北京智朗芯光科技有限公司，
类型：发明
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