专利名称：单偏振器聚焦光束椭偏计的制作方法
技术领域：
本发明涉及单偏振器聚焦光束椭偏计，更具体地涉及一种具有简化结构的聚焦光
束椭偏计，在该简化结构中，单个偏振分束器起着起偏器、分束器和偏振分析器的作用。此
处采用了一种新的测量方法，其中用于测量试样(specimen)所反射的光相对于多入射面 的偏振状态变化的方法被应用于多入射角，因此可以分析试样的光学性质的准确信息，即， 薄膜情况下该薄膜的厚度和折射率。
背景技术：
本发明涉及一种椭偏计，并且是一种用于测量以特定偏振状态入射到试样表面的 光在被反射后所产生的偏振状态变化并分析测量值，从而得出试样的光学物理性质的技 术。具体来讲，多种纳米薄膜制造工艺被应用于半导体行业，而属于无损非接触实时测量设 备的椭偏计被广泛用作测量设备来评估制造出的薄膜的物理性质。 多种椭偏计不仅用于半导体行业，还应用于大学等研究机构，并且根据作为探 测器的光线是如何入射到试样上的而被划分为以下类型平行光从倾斜方向入射到试样 上的类型(USP 3， 985， 447);利用光学系统使光线从倾斜方向聚焦到试样上的类型(USP 5， 166， 752和USP 5， 608， 526);以及利用光学系统使光线从垂直方向聚焦到试样上的类型 (USP5， 042， 951和USP 6， 898， 537)。 在平行光从倾斜方向入射的情况下，由于所有光线都以相同的入射角照射到试 样上，因此可以精确地控制入射角，故椭偏计具有出色的测量精度；但由于采用可变光阑 (iris)来减小入射光束的尺寸时衍射将会增加，故这种椭偏计难以将入射到试样的光束尺 寸减小到毫米级以下。 在半导体行业中，使用特别提供的测量区域被限定在数十微米X数十微米面积 内的晶片、通过测量来评估用于制造半导体器件的各种薄膜制造工艺。为了使用椭偏计在 被限定为微米等级的测量区域内测量薄膜的厚度，采用一种通过由透镜或反射镜构成的光 学系统将从倾斜方向入射的平行光聚焦到试样表面上的方法。然而，与采用倾斜方向的平 行光相比，在此情况下难以确保并维持测量精度，因为具有多个入射角的光线同时入射到 了试样上。 在半导体器件制造技术近来的持续发展中，人们希望晶片中构图的临界尺寸能够
不断减小，因此受限测量区域的面积也必须相应减小。然而，对于倾斜方向聚焦光束椭偏计
而言，尽管已经作了大量的研究和努力以尽量减小照射到试样上的光束的面积，但由于像
差和聚焦光束光学系统的结构限制等障碍，实际上很难把尺寸减得更小。 垂直入射聚焦光束椭偏计允许在面积更小的精细图案区域内进行测量，因为其能
够使用物镜将从垂直方向入射的平行光以数微米的尺寸聚焦到试样表面上。 图1示出了当前广泛使用的垂直入射聚焦光束椭偏计(USP5， 042， 951)的基本结
构。该聚焦光束椭偏计配置有用于使从光源110发出的平行光120成为特定偏振状态的起
偏器130、用于分离穿过起偏器130的部分光的非偏振分束器140、用于对非偏振分束器140
3所分离的光进行反射并集中照射到试样160上的物镜150、用于仅过滤从试样160反射后穿 过物镜150和非偏振分束器140的光的特定偏振状态的检偏器170，以及具有用于探测穿过 检偏器170的光强度的多个像素的光电探测器180。 同时，USP 6， 898， 537建议设置单个线偏振器，而非传统聚焦光束椭偏计的起偏器 130和检偏器170，将其安装在非偏振分束器140和物镜150中并由电机使之旋转，并采用 分光光电探测器(spectroscopicphotodetector)作为光电探测器，因此能够分析构图试 样所折射的光。 由于起偏器130、非偏振分束器140以及检偏器170如图1所示是独立安装的或者 某些光学元件可以旋转，所以这种传统的专利技术具有相对复杂的结构且必须进行校准才 能找出起偏器130和检偏器170相对于非偏振分束器140的反射面的光轴，以实现精确测
发明内容
本发明的目的是提供一种聚焦光束椭偏计的新原理，其中通过用单个偏振分束器
替代起偏器、检偏器和分束器的功能而简化了装置结构，并且通过采用其中对多入射角应 用多入射面测量的测量方法而增强了测量精度。 根据本发明的椭偏计包括光源(210);分束部(220)，用于将光源(210)中产生 的光分离成偏振光；物镜(230)，用于将分束部(220)所分离的部分光照射到试样(240) 上；光电探测器(250)，用于利用多个单位元件(unit cell)来探测从试样(240)反射后 穿过物镜(230)和分束部(220)的光；以及中央处理单元(260)，用于针对各入射角沿着 360°的多入射面通道将光电探测器(250)探测到的光的强度校正为与光电探测器(250) 的单位元件相对应的值，并对校正后的值进行处理。
所述分束部(220)为偏振分束器(221)。 另选的是，所述分束部(220)可以包括线偏振器和非偏振分束器。 所述光电探测器(250)包括由多个单位元件构成的二维成像装置。 所述光源(210)包括选自卤钨灯、氙放电灯的白光源或诸如激光器的单色光源。所述物镜(230)包括具有选自透镜、反射镜(mirror)及其组合所构成的组中任意
一项的光学系统。 所述椭偏计还可包括设置在所述光源(210)和所述分束部(220)之间并且使所述 光源(210)发出的光成为平行光的校准光学系统(270)。 当所述光源(210)为白光源时，所述椭偏计还可包括径向地设置在所述光源
(210) 后面或所述光电探测器(250)前面并允许所述光源(210)发出的光的特定波长范 围穿过的多个带通滤波器(211)，以及可以旋转使得所述光选择性地穿过所述带通滤波器
(211) 的滤光轮(212)。 所述椭偏计还可包括设置有用于提高所述光电探测器(250)的测量性能的中继 透镜的光学系统(251)。 所述椭偏计还可包括用于观察所述试样的表面的图像的二维成像装置。 所述椭偏计还可包括用于支撑所述试样的试样支架，所述试样支架设置有用于使
其可以在前后左右方向上移动并且旋转的传送装置(transporter)。
所述椭偏计还可包括设置在所述物镜(230)前面并对所述分束部所分离的光进 行补偿的补偿器(280)，或设置在所述物镜(230)前面并能够以电气方式对所述分束部所 分离的光的相位差进行控制的电偏振调制器。 所述补偿器(280)包括用于使所述补偿器(280)在所述试样(240)的垂直轴上旋 转的旋转器。
图1是示出根据传统技术的聚焦光束椭偏计的代表性结构的视图。 图2是示出根据本发明的单偏振器聚焦光束椭偏计的结构的视图。 图3是示出根据本发明的滤光轮的透视图。 图4是示出根据本发明的单偏振器聚焦光束椭偏计的另一实施方式的视图，其中 光源和光电探测器的位置进行了互换。 图5是示出光电探测器所测得的光强信号分布的二维图像。 图6是示出被置于具有固定半径的圆周上并且在逆时针方向上绕物镜旋转(即位
于如图4所示的多入射面的通道上)的光电探测器的像素所测得的光强信号的曲线图。主要元件的具体说明
110、210:光源 120 :平行光 130 :起偏器 140 :非偏振分束器 150 、230 :物镜 160、240 :试样 170 :检偏器 180、250 :光电探测器 211 :带通滤波器 212:滤光轮 213 :电机 220 :分束部 221 :偏振分束器 251 :光学系统 260:中央处理单元 270 :校准光学系统 280 :补偿器
具体实施例方式
以下将参照附图来具体说明根据本发明的椭偏计的优选实施方式。
图2是示出根据本发明的单偏振器聚焦光束椭偏计的结构的视图；图3是示出根 据本发明的滤光轮的立体图；图4是示出根据本发明的单偏振器聚焦光束椭偏计的另一实 施方式的视图，其中光源和光电探测器的位置进行了互换；图5是示出光电探测器所测得的光强信号分布的二维图像；图6是示出被置于具有固定半径的圆周上并且在逆时针方向 上绕物镜旋转(即位于如图4所示的多入射面的通道上)的光电探测器的像素所测得的光 强信号的曲线图。 如图所示，根据本发明的用于测量试样的光学物理性质(如薄膜的厚度和折射 率)的椭偏计包括光源210 ;用于将光源210中产生的光分离成偏振光的分束部220 ;用于
将分束部220所分离的部分光集中照射到试样240上的物镜230 ;用于利用多个单位元件 对从试样240反射后穿过物镜230和分束部220的光进行探测的光电探测器250 ;以及用 于沿着相对于各入射角360°的多入射面通道将光电探测器250探测到的光的强度校正为 与光电探测器250的单位元件相对应的值并对校正后的值进行处理的中央处理单元260。
光源210可以包括现有技术普遍采用的诸如卤钨灯、氙放电灯等白光源或诸如激 光器的单色光源。 当使用白光源作为光源210时，优选将允许光源210发出的光的特定波长范围穿 过的带通滤波器211设置在光源210后面或光电探测器250前面。此时，如图3所示，带通 滤波器为径向布置，并且优选地还包括可以旋转使得光选择性地穿过带通滤波器211的滤 光轮212。滤光轮213通过电机213而旋转。优选地，电机213为步进电机。图2例示了带 通滤波器211置于光电探测器前面的情况。 分束部220用于将光源210中产生的光分离成偏振光。优选地，分束部220为偏 振分束器221 。此外，在本发明中，偏振分束器221垂直地反射部分光而透射剩余的光，且各 部分光都具有特定的偏振状态。 利用反射和折射光学系统使光源210发出的光成为平行光，并且部分光被图2中 的偏振分束器221折射，其偏振方向具有被调准(align)在平行于偏振分束器221中的倾 斜反射面的X轴方向上的特性。 经分离的光被位于偏振分束器221下面的具有较大数值孔径(NA)的物镜230垂
直地聚焦到试样240的表面。此时，还设置了用于支撑试样240的试样支架241，试样支架
241优选地由可以在前后左右方向移动并且可以旋转的传送装置来传送。 此外，优选采用具有从透镜、反射镜及透镜和反射镜的组合所构成的组中选择的
任意一项的光学系统作为物镜230。 此外，还可以在偏振分束器221和物镜230之间设置补偿器280，以便控制入射到 试样240的光的偏振状态。 补偿器280用于在物镜230前面对分束部220所分离的光进行补偿。补偿器280 可任意地控制入射到试样240的光的偏振状态，并根据该偏振状态在偏振分束器221和物 镜230之间改变前进波的相位。 补偿器280具有如下特性当线偏振光垂直入射到补偿器280的表面时，其具有偏 振方向平行于补偿器280的光轴时所透射的光与偏振方向垂直于补偿器280的光轴时所透 射的光之间的相位差值。 此外，可以在物镜230前面设置能够以电气方式来控制分束部所分离的光的相位 差的电偏振调制器，来代替补偿器280。 此外，补偿器280优选地还设置有用于使补偿器280在试样240的垂直轴上旋转 的旋转器。
此外，分束部220可包括线偏振器和非偏振分束器来代替偏振分束器。此时，线偏 振器被置于非偏振分束器和补偿器280之间。 此外，该椭偏计优选地还包括用于使光源210发出的光成为平行光的校准光学系 统。 光电探测器250利用其单位元件来探测从试样240反射并穿过物镜230和分束部 220的光。此处光电探测器250优选地设置了具有多个单位元件并能够通过测量二维光强 图像来观察试样表面的图像的二维成像装置。此时，该成像装置的例子包括电荷耦合器件 (CCD)。 此外，优选地提供了具有中继透镜的光学系统251，以提高光电探测器250的测量 性能。 从光电探测器250的各个单位元件获得的信息被传递给中央处理单元260并作为 数字信号进行存储。 中央处理单元260用于沿着相对于各入射角360°的多入射面通道将光电探测器 250探测到的光的强度校正为与光电探测器250的单位元件相对应的值，并对校正后的值 进行处理。通过计算机(即中央处理单元260)针对光电探测器250探测到的电压或电流 信号就其波长进行分析，由此提取试样的光学性质，例如在薄膜的情况下为该薄膜的厚度 和光学常数。 即使如图4所示(与图2不同)，光源和光电探测器250的位置进行了互换，也能 够实现同样的功能。 以下详细说明本发明的垂直入射光束聚焦椭偏计的原理。 图5上部的图为示出光电探测器250所测得的光强信号分布的二维图像。入射到 物镜230的中心420C的光的入射角e为O，入射到具有相同半径r的圆周上的所有光都具 有相同的入射角e ，入射面根据方位角(p的值而旋转。 在特定偏振状态的平行光入射到420A上的情况下，光被物镜230朝着试样240表 面上的点430以入射角e折射，接着以反射角e反射，然后到达相对于物镜230的中心 420C对称的位置420B，然后经物镜230折射而再次成为平行光。此后，在光透射过偏振分 束器221时，仅平行于Y轴方向的偏振部分被过滤掉，然后光到达光电探测器250所获得的 二维图像信号的X轴上方位角cp为0的位置410B。在位置410B处，相应光的强度最终被光 电探测器250的像素探测为电信号(例如电压或电流)。 同样，在入射到420B的情况下，光在从试样240的表面反射后穿过420A，然后在光 电探测器250的位置410A处被探测到。入射到物镜230的每个位置的光都穿过相对于物 镜420C的中心240对称的位置。此时，入射到物镜的半径为r的圆周上的位置的光具有相 同的入射角e 。 入射到物镜230上的平行光在被物镜230的NA折射后入射到试样240的表面，这 里，入射到试样240表面上的光的最大入射角9 max由物镜230的NA如下来决定
e隨二sin—丄(NA) 图6例示了一曲线图，其中光电探测器250探测到的光强度的电信号沿着在具有 固定半径r的圆周上生成的多入射面的通道被校正为与光电探测器250的各个单位元件相 对应的光电探测器中心的值(例如，当光电探测器为CCD时，单位元件为像素)，然后进行处
7理。通过简单的计算，光电探测器250探测到的光的强度信号通常由下面的公式表示
<formula>formula see original document page 8</formula> 其中IO为在固定半径r的圆周上探测的光强度的平均值，而a2、 a4、 P2、 |34为 傅里叶常数。 因此，a 2、 a 4、 |3 2、 |3 4的值是通过在针对光强度而测得的二维图像数据中将各同 心圆的一个圆上的数据傅里叶变换到物镜230的中心轴420C上而获得的。通常，这些傅里 叶常数中的两个具有非零值。 试样的光学性质是通过获取针对从中心轴420C到物镜的最大入射角9 max的各入 射角(即针对多入射角)的多入射面测量而确定的傅里叶常数并分析这些常数而得出的。 由于针对多入射面的测量方法可以获得与传统的旋转分析器型椭偏计或旋转偏振器型椭 偏计相似的效果，所以与采用单入射面的传统聚焦光束椭偏计相比，针对多入射角的多入 射面测量方法可望提高测量精度。 本领域技术人员应该理解，前面的说明中所公开的构思和具体实施方式
可以方便 地作为更改或设计用于实现与本发明目的相同的其它实施方式的基础。本领域技术人员还 应该理解，这些等效的实施方式不会偏离所附的权利要求限定的本发明的精神和范围。
与传统的聚焦光束椭圆仪相比，本发明的单偏振器聚焦光束椭圆仪通过采用单个 偏振光束分离器而具有简单的结构，并且由于从单入射面测量扩展到了多入射面多入射角 的测量，故测量精度可望提高。因此，使用本发明的测量装置可以实现对于试样光学性质的 信息(即，在薄膜情况下，该薄膜的厚度和折射率)的更精确测量。 此外，与当前广泛使用的传统的旋转分析器型、旋转偏振器型和旋转补偿器型椭 圆仪相比，本发明的单偏振器聚焦光束椭圆仪可以无须恒定驱动部件(如步进电机或直流 电机)进行椭圆偏振常数的测量，从而可以消除由电机振动而产生的信号噪声以及由光学 元件旋转而产生的误差。因此，其优点是测量精度相对提高，并且测量速度提升为与光检测 器的驱动速度相同。 此外，与利用单个入射面上的光学性质的传统聚焦光束椭圆仪相比，本发明的单 偏振器聚焦光束椭圆仪还具如下优点通过使相对于多入射角(0° 最大入射角)36(T 的多入射面的偏振部件处于光学部件没有电机驱动的静止状态，能够更加精确地测量试样 的光学性质。
权利要求
一种椭偏计，该椭偏计包括光源(210)；分束部(220)，用于将所述光源(210)中产生的光分离成偏振光；物镜(230)，用于将分束部(220)所分离的部分光照射到试样(240)上；光电探测器(250)，用于利用多个单位元件来探测从所述试样(240)反射后穿过所述物镜(230)和所述分束部(220)的光；以及中央处理单元(260)，用于针对各入射角沿着360°的多入射面通道将所述光电探测器(250)探测到的光的强度校正为与所述光电探测器(250)的所述单位元件相对应的值，并对校正后的值进行处理。
2. 根据权利要求l所述的椭偏计，其中所述分束部(220)为偏振分束器(221)。
3. 根据权利要求l所述的椭偏计，其中所述分束部(220)包括线偏振器和非偏振分束器。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的椭偏计，其中所述光电探测器(250)包括由多个 单位元件构成的二维成像装置。
5. 根据权利要求l-3中任一项所述的椭偏计，其中所述光源(210)包括选自卤钨灯、氙 放电灯的白光源或诸如激光器的单色光源。
6. 根据权利要求l-3中任一项所述的椭偏计，其中所述物镜(230)包括具有选自透镜、 反射镜及透镜和反射镜的组合所构成的组中任意一种的光学系统。
7. 根据权利要求l-3中任一项所述的椭偏计，该椭偏计还包括设置在所述光源(210) 和所述分束部(220)之间并且使所述光源(210)发出的光成为平行光的校准光学系统 (270)。
8. 根据权利要求5所述的椭偏计，其中当所述光源(210)为白光源时，所述椭偏计还包 括径向地设置在所述光源(210)后面或所述光电探测器(250)前面并允许所述光源(210) 发出的光的特定波长范围穿过的多个带通滤波器(211)，以及可以旋转使得所述光选择性 地穿过所述带通滤波器(211)的滤光轮(212)。
9. 根据权利要求7所述的椭偏计，该椭偏计还包括设置有用于提高所述光电探测器 (250)的测量性能的中继透镜的光学系统(251)。
10. 根据权利要求7所述的椭偏计，该椭偏计还包括用于观察所述试样的表面的图像 的二维成像装置。
11. 根据权利要求7所述的椭偏计，该椭偏计还包括用于支撑所述试样的试样支架，所 述试样支架设置有用于使所述试样支架可以在前后左右方向上移动并且旋转的传送装置。
12. 根据权利要求l-3中任一项所述的椭偏计，该椭偏计还包括设置在所述物镜(230) 前面并对所述分束部所分离的光进行补偿的补偿器(280)，或设置在所述物镜(230)前面 并能够以电气方式对所述分束部所分离的光的相位差进行控制的电偏振调制器。
13. 根据权利要求12所述的椭偏计，其中所述补偿器(280)包括用于使所述补偿器 (280)在所述试样(240)的垂直轴上旋转的旋转器。
全文摘要
本发明涉及一种单偏振器聚焦光束椭偏计，更具体地涉及一种具有简化结构的聚焦光束椭偏计，在该简化结构中，单个偏振分束器起着起偏器、分束器和偏振分析器的作用。在采用的测量方法中，多入射面测量方法被应用于多入射角，因此可以分析试样的光学性质的准确信息，即，薄膜情况下该薄膜的厚度和折射率。
文档编号G01B11/06GK101715539SQ200880021195
公开日2010年5月26日 申请日期2008年11月11日 优先权日2007年11月13日
发明者诸葛园, 赵贤模, 赵龙在 申请人:韩国标准科学研究院