专利名称：宽带偏振光谱仪和光学测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种宽带偏振光谱仪和光学测量系统。
背景技术：
一般来说，光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束聚焦到样品上。目前通常有两种方法。一种方法是将系统中的最后一个聚焦透镜与其它元件分开，通过仅仅调整这个聚焦透镜来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图1所示，通过对最后一个聚焦透镜进行上下移动来实现聚焦。另一种方法是通过对整个光学测量系统进行调整来将探测光束聚焦到样品上。例如，通过对整个光学系统进行上下移动来实现聚焦(例如，参见美国专利N0.5747813 和 N0.5486701)。随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来精确地测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度(⑶，Critical Dimension)、空间形貌及材料特性变得十分重要。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，当采用上述第一种聚焦方法时，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；以及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。当采用上述第二种聚焦方法时，本领域的技术人员可以明显知道，对整个光学系统进行调整，由于对系统重量和速度的要求和限制，实现精确的操作是非常复杂的。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，S卩，使用曲面反射镜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。虽然利用曲面反射镜自身不产生色差并从而增加聚焦及测量精确度，但是曲面反射镜相对于透镜来说比较难以校准光路。曲面反射镜焦点位置和空间方向的调节受入射光制约，通常需要整个光学系统的同步调节实现出射光路方向及聚焦位置的调整和控制。例如，(I)椭圆面反射镜:两焦点空间位置相对固定，当入射光路校正后，通过单独调节椭圆面反射镜实现的光路方向及聚焦位置范围非常有限。(2)超环面反射镜(toroidal mirror):虽然在一定入射角度范围内皆可实现空间对应的两个焦点,但是这两个焦点之间的空间关系随着入射光线与超环面反射镜的相对关系改变，且变化关系复杂，实现调焦非常困难；另一个缺点是调节范围小，会造成像差。(3)离轴抛物面反射镜:相对入射光线方向，改变离轴抛物面反射镜的角度会造成像差，很大程度上限制了调整范围；虽然沿平行入射光束方向移动离轴抛物面反射镜可实现聚焦位置的大范围移动，但无法改变其焦点相对于离轴抛物面反射镜中心的位置，这同样限制了调整范围。综上所述，使用单一曲面反射镜自身不产生色差，但难以通过简单调节实现光路方向及聚焦位置的调整和控制。而且，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 ο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，即OCD设备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。因此，以单个曲面反射镜为聚焦元件的宽带偏振光谱仪虽然解决了色差的问题，但是无法准确地保持(或控制)入射光的偏振态，同时难以调节光路，给实际测量带来了误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种易于调节聚焦、无色差、能准确保持(或控制)入射光的偏振态的宽带偏振光谱仪和光学测量系统。为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带偏振光谱仪包括光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元；所述分光元件用于使来自所述光源的光束在入射至所述第一聚光单元之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器，并通过所述第一聚光单元将该光束反射至所述探测单元；所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束；所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元；所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜；所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜；所述第一平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；以及所述探测单元用于探测从样品上反射的且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器、并通过所述第一聚光单元反射的光束。本发明还提供一种宽带偏振光谱仪，包括光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第三聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元；所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束；所述分光元件用于使来自所述第一聚光单元的平行光束在入射至所述偏振器之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器的光束并将该光束反射至所述第三聚光单元；所述第三聚光单元设置在所述分光元件和所述探测单元之间；所述第三聚光单元将经过所述分光元件反射的光束会聚到所述探测单元；所述偏振器设置于所述分光元件和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元；所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜；所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜；所述第一平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；以及所述探测单元接收来自所述第三聚光单兀会聚的光束。进一步地，所述第一聚光单元为消色差透镜或第一曲面反射镜；所述第二聚光单元为第二曲面反射镜；所述第三聚光单元为透镜。进一步地，所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜和所述第二曲面面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构；所述第二曲面反射镜满足光束的入射平面与第二平面反射镜的入射平面相同，且与第一平面反射镜的入射平面垂直的条件。所述第二曲面反射镜的入射角为15度，所述第二平面反射镜的入射角为40-45度，所述第一平面反射镜的入射角为90度。进一步地，第二平面反射镜的入射角为43度。进一步地，所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜为离轴抛物面反射镜。进一步地，所述分光兀件为分光薄片、分光棱镜、点格分光镜、薄膜分光镜；分光兀件为边缘处于光路中的第三反射镜，所述第三反射镜为具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交的反射镜。进一步地，所述第一平面反射镜的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。进一步地，所述第一平面反射镜可以沿着入射的会聚光束的主光的传播方向或传播方向的反方向移动。进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括可移动的分光器和图案识别系统、用于承载样品的可调节的样品平台；其中，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CXD成像器；并且在所述宽带偏振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。进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括至少一个光阑，位于所述偏振器和所述样品之间，用于避免经过所述偏振器后产生的e光入射至样品表面并且/或者其反射光反射回所述偏振器。进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括光阑，所述光阑可以置于整个光学系统的任意一段光路中。进一步地，所述光源为包含多重波长的光源。进一步地，所述光源是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和齒素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源或包含氘钨卤素的复合宽带光源，或者，所述光源是通过消偏振器产生的偏振度为零的自然光点光源。进一步地，所述偏振器为洛匈棱镜偏振器。进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括偏振器旋转控制装置，该偏振器旋转控制装置用于控制所述偏振器的偏振方向。进一步地,所述探测单元是光谱计。进一步地,所述宽带偏振光谱仪还包括计算单元,该计算单元用于计算样品材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析样品的周期性结构的临界尺度特性或三维形貌。本发明还提供一种光学测量系统，包括所述的宽带偏振光谱仪。本发明提供的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦，而且可以精确地控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。此外，本发明由于全部使用反射镜可以实现宽带光谱无色差的有益效果。
图1是示出现有技术中的通过上下移动最后一个聚焦透镜来实现聚焦的示意图。图2a示出S和P偏振光经过一个铝材料反射镜反射的反射率随着入射光的角度不同而改变，其中，上面的两条曲线对应于S偏振光，下面的两条曲线对应于P偏振光。图2b示出S和P偏振光经过上述铝材料反射镜反射所产生的相位差随着入射角的不同而改变。图3是用于说明通过移动平面反射镜来进行对焦的示意图。图4a是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。图4b是用于解释保持偏振光的偏振特性的另一示意图。图5是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。图6是绝对反射率测量法中单晶硅周期性浅沟槽TE和TM的绝对反射率光谱图。图7是椭圆偏振测量法中TE和TM的TM/TE反射率振幅比值和TM与TE之间的相位差的光谱图。图8a是示出根据本发明第一实施例的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。图Sb是本发明中利用分光器和图案识别系统对样品表面和探测光束聚焦成像的光路图。图9a是通过本发明通过图案识别系统观测到的图案。图9b是本发明通过图案识别系统观测到的图案。
具体实施例方式在现有技术中，虽然使用曲面反射镜自身不产生色差，但是难以通过简单调节来实现光路方向及聚焦位置的调整和控制。鉴于这种原因，本发明提出了使用平面反射镜调焦的方法。如图3所示，假设:来自离轴抛物面反射镜OAP的会聚光束经过平面反射镜M反射后聚焦在样品SA的位置P上，以及会聚光束中的主光沿水平方向传播且以45度的入射角入射至平面反射镜。当将平面反射镜M沿着所述会聚光束中的主光的传播方向移动距离h(即，平面反射镜被移动到位置Μ’ )时，来自离轴抛物面反射镜OAP的会聚光束经过平面反射镜Μ，反射后聚焦的位置P’相对于原来的聚焦位置P在垂直方向上移动了距离h且在所述主光的传播方向上也移动了距离h。如果需要将样品上的焦点向上移动距离h，只须将平面反射镜M相对于离轴抛物面反射镜OAP向远处移动距离h，同时将样品平台沿平面反射镜M移动的方向移动相同的距离。由此可知，本领域的技术人员可以轻松地调整光束的聚焦位置，以适应样品的高度变化。而且，由于平面反射镜自身不影响入射光的会聚状态且不产生色差，所以采用反射镜可以在保证会聚光束质量的同时改变光束的传播方向。此外，一方面，反射镜通常用于折叠光路，使得整个光学系统更加紧凑。另一方面，平面反射镜可实现宽带光谱范围内的高反射率，对光强影响很低，并且与辅助的聚焦判断方法结合，可以实现精确的手动或自动聚焦。因此，在本发明中通过调整平面反射镜来进行对焦。本发明通过两个平面反射镜来补偿单个曲面反射镜造成的偏振偏差，其光路设计如图4a所示，水平面内的平行光入射到离轴抛物面反射镜OAP后，形成会聚光束并在水平面内偏转30度，该会聚光束经平面反射镜Ml反射后在水平面内发生偏转，然后入射至平面反射镜MO，MO使该会聚光束在竖直的入射面内偏转90度后入射至样品表面。当光束在平面反射镜Ml上的入射角为40-45度之间时，在假设上述三个反射镜具有反射材料和镀膜结构相同的情况下，对小数值孔径(NA, numerical aperture)的情形进行了模拟计算。当平行光束以小NA实现聚焦时，光束经过由离轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的系统之后，虽然其偏振特性会有偏差，但是偏振特性的偏差不足以影响测量的准确性。并且，在垂直入射的情况下，当光束经各向同性样品反射返回时，其偏振变化可以得到进一步的抵消。以入射光的主光在平面反射镜M2上的入射角为43.02度为例，假设该平行光入射到离轴抛物面反射镜OAP之前为圆偏振光，S卩，Ex = Ey，且Phase (Ex)-Phase (Ey) = 90度，其中，Ex和Ey分别是光束在X和y方向上的电矢量的振幅，Phase (Ex)和Phase(Ey)分别是光束在X和y方向上的电矢量的相位。经离轴抛物面反射镜反射聚焦后，聚焦光束形成的锥体半角为4.2度(NA = 0.073)。入射光波长为210nm，入射光横截面内的计算点分布如图4b所示，总共29个点(部分已标定，例如，(0，3)至(0,0)) 0经数值计算后，在焦点处的偏振的强度变化与相位变化由表I列出。偏振强度变化定义为|Ex/Ey|-l，相位变化为Phase(Ex)-Phase (Ey)-90。从表I中可以看出，以(0，0)成中心对称的光束在偏振强度和相位变化方面存在相当接近的互补性，本领域的研究人员可以知道，在探测光束垂直入射并聚焦到样品表面的情况下，计算点经样品反射后会回到以(0，0)成中心对称的另一计算点上，以点(_3，0)为例，当探测光束由样品表面返回时，处于该计算点处的光束将被反射至点(3，0)，对于各向同性样品，即样品琼斯矩阵无交叉项的情况下，样品琼斯矩阵可以与前后互换，则该点的偏振偏差会得到相当大小的抵消。所以整体上可以进一步抵消误差所造成的影响。表I入射面坐偏振强度偏振相位入射面坐偏振强度偏振相位
标_变化变化(度) 标__变化变化(度)(-3，O)-0.02819-2.4830( 3，O)0.023382.0169 (-2,-2)-0.03554-0.0017( 2，2)0.031340.2718 (-2,-1)-0.02723-0.8256( 2，I)0.023380.8084 (-2，O)-0.01823-1.5987( 2，O)0.016161.3922 (-2，I)-0.00853-2.3235( 2,-1)0.009652.0254 (-2，2)0.00190-3.0024( 2,-2)0.003842.7104 (-1,-2)-0.024900.7539( 1，2)0.02483-0.4694 (-1,-1)-0.01720-0.0346( 1，I)0.016240.1022 (-1, O)-0.00881-0.7721( 1，O)0.008390.7207(-1，I)0.00029-1.4610( 1,-1)0.001241.3882 (-1, 2)0.01011-2.1038( 1,-2)-0.005212.1072
(0,-3)-0.021182.2635__(0，3)0.02771-1.8230
(0,-2)-0.014791.4559( 0，2)0.01775-1.2605
(0,-1)-0.007710.7024( 0，I)0.00854-0.6534
(0，O) 0.00006 0.0001 ___用平面反射镜模拟样品，进一步对探测光经过上述光路垂直入射并聚焦在到样品表面后又沿原路返回后的偏振特性进行数值计算，得到的经过离轴抛物面反射镜后的光束偏振强度与相位变化由表2列出，从表2中可以看出，各个数值计算点的偏振强度与相位变化都得到了进一步的缩小。由于光束垂直入射在平面反射镜上，对于小数值孔径的情况，平面反射镜对光束偏振造成的影响可以忽略不计，则表2中探测光束偏振变化的缩小基本上是由于从样品表面返回后又一次经过上述系统所引起的抵消。即上述由离轴抛物面反射镜和两面平面反射镜构成的系统可以完全保持光束的偏振态。表权利要求
1.一种宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括: 光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元； 所述分光元件用于使来自所述光源的光束在入射至所述第一聚光单元之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器，并通过所述第一聚光单元将该光束反射至所述探测单元；所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束； 所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元； 所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜； 所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜； 所述第一平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；以及 所述探测单元用于探测从样品上反射的且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器、并通过所述第一聚光单元反射的光束。
2.一种宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括: 光源、分光兀件、第一聚光单兀、偏振器、第二聚光单兀、第三聚光单兀、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元； 所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束； 所述分光元件用于使来自所述第一聚光单元的平行光束在入射至所述偏振器之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器的光束并将该光束反射至所述第三聚光单元； 所述第三聚光单元设置在所述分光元件和所述探测单元之间；所述第三聚光单元将经过所述分光元件反射的光束会聚到所述探测单元； 所述偏振器设置于所述分光元件和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元； 所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜； 所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜； 所述第一平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；以及 所述探测单元接收来自所述第三聚光单元会聚的光束。
3.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述第一聚光单元为消色差透镜或第一曲面反射镜；所述第二聚光单元为第二曲面反射镜；所述第三聚光单元为透镜。
4.根据权利要求3所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜和所述第二曲面面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构；所述第二曲面反射镜满足光束的入射平面与第二平面反射镜的入射平面相同，且与第一平面反射镜的入射平面垂直的条件。
所述第二曲面反射镜的入射角为15度，所述第二平面反射镜的入射角为40-45度，所述第一平面反射镜的入射角为90度。
5.根据权利要求4所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述第二平面反射镜的入射角为43度。
6.根据权利要求3所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于:所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜为离轴抛物面反射镜。
7.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述分光元件为边缘处于光路中的第三反射镜，所述第三反射镜为具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交的反射镜。
8.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述分光元件为分光薄片、分光棱镜、点格分光镜、薄膜分光镜。
9.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述第一平面反射镜的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。
10.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于: 所述第一平面反射镜可以沿着入射的会聚光束的主光的传播方向或传播方向的反方向移动。
11.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括: 可移动的分光器和图案识别系统、用于承载样品的可调节的样品平台； 其中，所述图案识别系统包括透镜、照明光源与CXD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CXD成像器；并且在所述宽带偏振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。
12.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括: 至少一个光阑，位于所述偏振器和所述样品之间，用于避免经过所述偏振器后产生的e光入射至样品表面并且/或者其反射光反射回所述偏振器。
13.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括: 光阑，所述光阑可以置于整个光学系统的任意一段光路中。
14.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括: 计算单元，该计算单元用于计算样品材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析样品的周期性结构的临界尺度特性或三维形貌。
15.一种光学测量系统，包括权利要求1或2任一项所述的宽带偏振光谱仪。
全文摘要
本发明公开一种宽带偏振光谱仪，包括光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元。本发明还公开了包含该宽带偏振光谱仪的光学测量系统。本发明提供的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦，而且可以精确地控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。
文档编号G01B11/24GK103185638SQ20111044498
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者李国光, 刘涛, 赵江艳, 吴文镜, 王林梓, 马铁中, 夏洋 申请人:中国科学院微电子研究所, 北京智朗芯光科技有限公司