专利名称：斜入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种包含至少一个偏振器、至少一个曲面反射元件和至少两个平面反射元件的斜入射宽带光谱仪，更具体地涉及利用平面反射元件改变光束传播方向， 实现探测光束斜入射并会聚于样品表面的斜入射宽带光谱仪。另外，本发明还涉及包括这种斜入射宽带光谱仪的光学测量系统。
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光透镜与其它元件分开，通过仅仅调整这个聚光透镜来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图1所示，通过对最后一个聚光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，如图加和213所示，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No. 5747813和No. 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，CriticalDimension)、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，不仅可能存在透镜像差问题，而且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的操作是非常复杂的，难以实现精确的测量。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No. 5608526和No. 7505133BU 美国专利申请公开No. 2007/0M7624A1和中国专利申请公开No. 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，(1)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8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 9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No. 6829049B1和No. 6667805)。此外，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(0CD，0ptical Critical Dimension)。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。另外，当使用不包含偏振器的光谱仪测量包含周期性结构的样品时，如中国专利申请No. 201010270454. 2中所述，由于入射光对样品的各向异性没有调整旋转角度的选择性，所以入射光必须为自然光。从光源发出的自然光理论上要求经过完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件入射在样品表面。存在任何的部分偏振态，将无法测量各向异性样品；此时，当各向异性样品旋转时，测量值变化。因此，能够对各向异性样品进行测量的不包含偏振控制的光谱仪对所涉及的光学器件质量和光路调整均要求很高。测量时，经样品反射的光为部分偏振光。在此光束入射至探测器的这个过程中，理论上要求完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件。例如，当出现偏振敏感的部件时，需要增加消偏振器，这样减低了信噪比。而且，以上问题无法通过数值方法得以校正。
发明内容
鉴于上述情形，本发明的发明人提出了一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、可保持偏振特性的、且结构简单的斜入射宽带光谱仪。该斜入射宽带光谱仪包含至少一个偏振器、至少一个曲面反射元件和至少两个平面反射元件的斜入射宽带光谱仪。具体地，该斜入射宽带光谱仪利用平面反射元件改变光束传播方向，从而实现探测光束斜入射并会聚于样品表面。本发明提供一种斜入射宽带光谱仪，该斜入射宽带光谱仪包括光源、第一聚光单元、第一偏振器、第一曲面反射元件、第一平面反射元件、第二平面反射元件、第二聚光单元和探测单元，其中所述第一聚光单元用于将来自所述光源的光束会聚成平行光束；所述第一偏振器用于使所述平行光束变成偏振光束；所述第一曲面反射元件用于将所述偏振光束会聚并反射至所述第一平面反射元件；所述第一平面反射元件用于将来自所述第一曲面反射元件的偏振光束倾斜地聚焦到样品上；所述第二平面反射元件用于将从样品上反射的光束反射至所述第二聚光单元；所述第二聚光单元用于使来自所述第二平面反射元件的反射光束会聚并入射到所述探测单元；以及所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件满足光束的入射平面相互垂直或互相平行的条件。在本发明的实施例中，所述第一偏振器可以为薄膜偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或者格兰激光偏振器。尤其，所述偏振器优选为洛匈棱镜偏振器，并且，其材料优选为氟化镁(MgF2)。所述斜入射宽带光谱仪还可以包括用于控制所述第一偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制装置。此外，所述斜入射宽带光谱仪还可以包括第二曲面反射元件和第二偏振器，所述第二曲面反射元件设置在所述第二平面反射元件和第二偏振器之间的光路中，所述第二偏振器设置在所述第二曲面反射元件和所述第二聚光单元之间的光路中，其中所述第二曲面反射元件用于接收来自所述第二平面反射元件的反射光束并将该反射光束会聚成平行光束；所述第二偏振器用于使来自所述第二曲面反射元件的平行光束变成偏振光束；所述第二聚光单元用于使来自所述第二偏振器的偏振光束会聚并入射到所述探测单元；以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件满足光束的入射平面相互垂直或互相平行的条件。此外，所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件可以具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件，并且所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件可以具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。在上述斜入射宽带光谱仪中，所述第一偏振器和所述第二偏振器可以为薄膜偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或者格兰激光偏振器。 尤其，所述第一偏振器和所述第二偏振器优选为洛匈棱镜偏振器，并且，其材料优选为氟化镁(MgF2)。而且，所述斜入射宽带光谱仪还可以包括用于控制所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制装置。此外，所述第一聚光单元可以包括第三曲面反射元件，所述第二聚光单元可以包括第四曲面反射元件，其中所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点处，使得来自所述光源的光束经过所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束，并且所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至探测单元。另外，所述第一聚光单元可以包括第三平面反射元件和第三曲面反射元件，所述第二聚光单元可以包括第四曲面反射元件和第四平面反射元件，其中所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点在所述第三平面反射元件中的镜像处，使得来自所述光源的光束经过所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束；所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至所述第四平面反射元件；所述第四平面反射元件用于将来自所述第四曲面反射元件的偏振光束反射至所述探测单元；所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件；以及所述第四平面反射元件和所述第四曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。在本发明的实施例中，光束入射在所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件、以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件上的角度可以相同且在10度至 45度之间。此外，光束入射在样品表面上的角度可以为5度至75度。在本发明的实施例中，所述斜入射宽带光谱仪还可以包括至少一个光阑，位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，用于避免经过所述第一偏振器后产生的e光入射至样品表面或者其反射光反射后入射至所述第二偏振器。在本发明的实施例中，所述光源和样品表面之间的光路中的结构与样品表面和所述探测单元之间的光路中的结构可以相对于下述平面是镜面对称的该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。所述第一曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件，或者，所述第一曲面反射元件和所述第二曲面反射元件可以为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件，或者，所述第一曲面反射元件、所述第二曲面反射元件、所述第三曲面反射元件和所述第四曲面反射元件可以为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。在本发明的斜入射宽带光谱仪中，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。优选地，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着聚焦到样品上的会聚光束的主光的传播方向移动，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相对于该会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以以该会聚光束的主光方向为轴旋转。此外，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件相对于下述平面可以保持镜面对称或反对称该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。更优选地，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度可以被对称地调整，即，以聚焦到样品上的会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也可沿着在样品表面上的所述一个方向移动。所述斜入射宽带光谱仪还可以包括用于承载样品的可调节的样品平台。而且，所述斜入射宽带光谱仪还可以包括成像系统。所述成像系统位于所述第一曲面反射元件和所述第一平面反射元件之间的光路和所述第二平面反射元件和所述第二聚光单元之间的光路中。所述成像系统包括至少两个可移动的平面反射元件、照明单元和成像单元。在这样的斜入射宽带光谱仪中，可以通过观测所述探测单元的光强和/或通过观测所述成像系统中的图像的清晰度来进行调焦。 在本发明的实施例中，所述第一聚光单元和所述第二聚光单元可以包括至少一个曲面反射元件或至少一个聚焦透镜。所述斜入射宽带光谱仪还可以包括计算单元，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。 在本发明的实施例中，所述光源可以为包含多重波长的光源。具体地说，所述光源的光谱可以在真空紫外至近红外光范围内，即，在190nm至IlOOnm波长范围内。光源可以是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源，通常此类光源的出射光束为自然光。此类光源的例子包括Oceanoptics公司产品HPX-2000、 HL-2000 和 DH2000，以及 Hamamtsu 公司产品 L11034、L8706、L9841 和 Ll(^90。光源也可为利用消偏振器将部分偏振光或偏振光转化后形成的自然光。例如，消偏振器可以是Lyot消偏振器(美国专利No. 6667805)。在本发明的实施例中，所述探测单元可以是光谱计，具体地说，可以是电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)光谱计，例如，Ocean Optics QE65000光谱计或B&W Teck Cypher H光谱计。利用本发明的斜入射宽带光谱仪，能够高精确度地测量样品材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析周期性结构的样品的临界尺度(CD)或三维形貌。本发明还提供一种包括上述斜入射宽带光谱仪的光学测量系统。结合附图考虑下面对本发明的优选实施例的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更加清楚。
在附图中，所有的视图并不一定是按比例绘制的，相同的附图标记在几个视图中始终描述基本类似的元件。具有不同字母后缀的相同附图标记表示基本类似的元件的不同实例。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。图加和图2b是示出现有技术中的通过上下移动整个光学系统来实现聚焦的示意图。图3a至图3e是用于说明使用两个平面反射镜进行调焦的方法的示意图。图如至图如用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。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8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9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10示出用于根据本发明第一实施例中的斜入射宽带光谱仪的示意图。图11是示出根据本发明第二实施例的斜入射宽带光谱仪的示意图。图12是示出根据本发明第三实施例的斜入射宽带光谱仪的示意图。
具体实施例方式本文所采用的措辞或术语仅用于描述的目的，而不用于限制性的目的。除非另有
9说明，本文所用的术语与本领域的通用术语含义一致。
首先，对本文所用的术语进行如下的说明。本文所用的“反射镜”是利用反射面反射光束的光学元件。根据反射镜的形状，反射镜通常可以包括平面反射镜和曲面反射镜，曲面反射镜又包括球面反射镜和非球面反射镜。根据反射的程度，反射镜可以包括全反射式反射镜和半透射半反射式反射镜(又简称为“半透射式反射镜”)，其中，半透射半反射式反射镜又称为分光镜。非球面反射镜又包括抛物面反射镜、椭球面反射镜、非二次面反射镜等等。本文所用的“平面反射镜”是不破坏光束单心性的反射镜。本文所用的“抛物面反射镜”是将平行光轴的光束会聚于抛物面的焦点的反射镜。本文所用的“离轴抛物面反射镜”是通过从旋转对称的抛物面反射镜中截取不包含对称轴的一个部分而获得的镜面，该离轴抛物面反射镜自身不产生色差和球面像差。本文所用的“入射平面”是由入射光和入射点处的表面法线所组成的平面。本文所用的“起偏器”和“检偏器”物理上等同于“偏振器”；位于探测光束与样品之间的称为“起偏器”；位于样品反射光束与探测器之间的称为“检偏器”。(对焦原理)如上所述，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，本发明的发明人提出了在探测光束斜入射在样品表面上的情况下使用两个平面反射镜进行调焦的方法。下面参照图3a至!Be对该方法进行详细的描述。在图3a中，假设平面反射镜IOM是入射平面反射镜，平面反射镜1024’是出射平面反射镜，平面反射镜的入射平面是样品的入射平面。入射平面反射镜IOM可以将会聚的入射探测光束以任意角度(并不限于90度)入射到样品104的表面上。然后，样品将该探测光束反射至出射平面反射镜1024’。接着，出射平面反射镜IOM’将探测光束反射至其它元件(在图中未示出)。如图北所示，若要将探测光束的聚焦位置从A垂直地移动到B，则为了使得CD+DB = CA，可以将平面反射镜从C移动到D并调整平面反射镜的倾斜角。可以通过计算机程序来调整平面反射镜的移动距离和倾斜角。计算平面反射镜的移动距离和倾斜角的具体方法如下如图3c所示，会聚的入射探测光束的主光与水平面的夹角为Φ，该主光经过位于初始位置Mtl处的平面反射镜反射之后以θ ^的入射角入射在样品上。当平面反射镜从初始位置Mtl移动到位置M处(从初始位置Mtl到位置M在主光方向上的距离为d)并倾斜一个角度(α-a J (这里，α ^是平面反射镜在位置Mtl处的法线相对于水平面的夹角，α是平面反射镜在位置M处的法线相对于水平面的夹角)时，入射探测光束的主光经过位于位置M处的平面反射镜反射之后以θ的入射角入射在样品上。这里，假设平面反射镜在初始位置Mtl 处的中心离聚焦位置Otl或0的水平距离为t，平面反射镜在位置M处的中心离聚焦位置Otl 或0的水平距离为t+x。根据图3c的几何光学结构，本领域的技术人员可以得到
权利要求
1.一种斜入射宽带光谱仪，其特征在于，该斜入射宽带光谱仪包括光源、第一聚光单元、第一偏振器、第一曲面反射元件、第一平面反射元件、第二平面反射元件、第二聚光单元和探测单元，其中所述第一聚光单元用于将来自所述光源的光束会聚成平行光束；所述第一偏振器用于使所述平行光束变成偏振光束；所述第一曲面反射元件用于将所述偏振光束会聚并反射至所述第一平面反射元件；所述第一平面反射元件用于将来自所述第一曲面反射元件的偏振光束倾斜地聚焦到样品上；所述第二平面反射元件用于将从样品上反射的光束反射至所述第二聚光单元；所述第二聚光单元用于使来自所述第二平面反射元件的反射光束会聚并入射到所述探测单元；以及所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件满足光束的入射平面相互垂直或互相平行的条件。
2.根据权利要求1所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括第二曲面反射元件和第二偏振器，所述第二曲F面反射元件设置在所述第二平面反射元件和第二偏振器之间的光路中，所述第二偏振器设置在所述第二曲面反射元件和所述第二聚光单元之间的光路中，其中所述第二曲面反射元件用于接收来自所述第二平面反射元件的反射光束并将该反射光束会聚成平行光束；所述第二偏振器用于使来自所述第二曲面反射元件的平行光束变成偏振光束；所述第二聚光单元用于使来自所述第二偏振器的偏振光束会聚并入射到所述探测单元；以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件满足光束的入射平面相互垂直或互相平行的条件。
3.根据权利要求2所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件；以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。
4.根据权利要求3所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元包括第三曲面反射元件，所述第二聚光单元包括第四曲面反射元件，其中所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点处，使得来自所述光源的光束经过所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束；以及所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至探测单元。
5.根据权利要求3所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元包括第三平面反射元件和第三曲面反射元件，所述第二聚光单元包括第四曲面反射元件和第四平面反射元件，其中所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点在所述第三平面反射元件中的镜像处，使得来自所述光源的光束经过所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束；所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至所述第四平面反射元件；所述第四平面反射元件用于将来自所述第四曲面反射元件的偏振光束反射至所述探测单元；所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件；以及所述第四平面反射元件和所述第四曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。
6.根据权利要求2-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，光束入射在所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件、以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件上的角度相同且在10度至45度之间。
7.根据权利要求2-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括至少一个光阑，位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，用于避免经过所述第一偏振器后产生的e光入射至样品表面或者其反射光反射后入射至所述第二偏振器。
8.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光源和样品表面之间的光路中的结构与样品表面和所述探测单元之间的光路中的结构相对于下述平面是镜面对称的该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。
9.根据权利要求1所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。
10.根据权利要求2-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一曲面反射元件和所述第二曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。
11.根据权利要求4或5所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一曲面反射元件、所述第二曲面反射元件、所述第三曲面反射元件和所述第四曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。
12.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。
13.根据权利要求12所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着聚焦到样品上的会聚光束的主光的传播方向移动，并且 /或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相对于该会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以以该会聚光束的主光方向为轴旋转。
14.根据权利要求12所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件相对于下述平面保持镜面对称或反对称该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。
15.根据权利要求14所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度可以被对称地调整，即，以聚焦到样品上的会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也可沿着在样品表面上的所述一个方向移动。
16.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜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。
17.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括成像系统，其中所述成像系统位于所述第一曲面反射元件和所述第一平面反射元件之间的光路和所述第二平面反射元件和所述第二聚光单元之间的光路中；所述成像系统包括至少两个可移动的平面反射元件、照明单元和成像单元；以及在所述斜入射宽带光谱仪中可以通过观测所述探测单元的光强和/或通过观测所述成像系统中的图像的清晰度来进行调焦。
18.根据权利要求1所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一偏振器为薄膜偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或者格兰激光偏振ο
19.根据权利要求2-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一偏振器和所述第二偏振器为薄膜偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或者格兰激光偏振器。
20.根据权利要求18所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括用于控制所述第一偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制装置。
21.根据权利要求19所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括用于控制所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制装置。
22.根据权利要求1-3中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元和所述第二聚光单元包括至少一个曲面反射元件或至少一个聚焦透镜。
23.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光源为包含多重波长的光源。
24.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，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、包含钨灯和卤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。
25.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述探测单元是光谱计。
26.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带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。
27.根据权利要求1-5中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，光束入射在样品表面上的角度为5度至75度。
28.一种光学测量系统，包括根据权利要求1至27中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪。
全文摘要
本发明提供了一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、可保持偏振特性的且结构简单的斜入射宽带光谱仪。该斜入射宽带光谱仪包含至少一个偏振器、至少一个曲面反射元件和至少两个平面反射元件。该斜入射宽带光谱仪利用平面反射元件改变光束传播方向，并且可补偿因反射聚光单元引起的偏振变化，使得光束经偏振器后的偏振特性在斜入射并会聚于样品表面时保持不变。本发明的斜入射宽带光谱仪能够高精确度地测量样品材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析周期性结构的样品的临界尺度(CD)或三维形貌。
文档编号G01J3/44GK102297721SQ20111013321
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年6月2日
发明者严晓浪, 刘涛, 李国光, 艾迪格·基尼欧, 马铁中 申请人:北京智朗芯光科技有限公司