专利名称：包含相位元件的垂直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：
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。
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。一种方法是将光学测量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，如图2a和2b所示，通过对整个光学测量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，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，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，对整个光学测量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. 7505133B1、美国专利申请公开No. 2007/0247624A1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闻反射率。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，通常需要整个光学测量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(toroidalmirror):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3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4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(00),Optical Critical Dimension)。00)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光学测量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。中国专利申请CN201110032744. 8公开的一种垂直入射宽带偏振光谱仪包含了偏振器用以调整入射至样品表面时光束的偏振方向，可通过椭圆偏振测量法测量出样品的两种偏振方向的反射率振幅比和相位差A (g卩，琼斯矩阵中rxx、ryy的相位差A)的余弦函数，无法测量出△的唯一角度，从而影响精确度及部分角度范围时的灵敏度。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、可保持偏振特性的、结构简单，并且能通过椭圆偏振测量法实现测量两种偏振方向的反射率的相位偏差A的具体角度(即△的正弦值和余弦值)，提高测量精确度及部分角度灵敏度的包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。根据本发明的一个方面，提供一种垂 直入射宽带偏振光谱仪，其包括光源、分光兀件、聚光单元、偏振器、相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探测单元；所述分光元件设置于所述光源和所述聚光单元之间的光路中，用于使来自光源的光束在入射至所述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元件、所述第一曲面反射元件、所述相位补偿元件、所述偏振器和所述聚光单元的光束并将该光束反射至所述探测单元；所述聚光单元，接收通过所述分光元件的光束并使该光束变成平行光束；所述偏振器设置于所述聚光单元和所述相位补偿元件之间，使所述平行光束变成偏振光束；所述相位补偿元件设置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之间，调整所述偏振光束的偏振状态并使光束透射通过；所述第一曲面反射元件，接收通过所述相位补偿元件的平行光束并使该光束变成会聚光束；所述第一平面反射元件，接收所述会聚光束并将所述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元件、所述第一曲面反射元件、所述相位补偿元件、所述偏振器和所述聚光单元并被所述分光元件反射的光束。根据本发明的另一个方面，还提供一种包括上述包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪的光学测量系统。根据本发明提供的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统，增加了相位补偿元件，通过椭圆偏振测量法可以准确测量出样品琼斯矩阵中rxx、ryy的相位差A，gp △的正弦和余弦函数，增加了宽带偏振光谱仪的测量精度及部分角度情况下的灵敏度。
图1是现有技术中的通过上下移动整个整个光学系统来实现聚焦的示意图。图2a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3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4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5是用于说明通过移动平面反射镜来进行对焦的示意图。图6a至6c是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。图7是用于解释快速寻找焦点的数学方法的示意图。图8是洛匈棱镜偏振器(Rochon Polarizer)的光学不意图，在该图中，RP代表洛匈棱镜偏振器，D代表光阑，S代表样品。图9是B-halle RSU1. 2的消色差波片的相位补偿角曲线的示意图。图10是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。图11是单晶硅周期性浅沟槽的光谱示意图。图12a是本发明实施例提出的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。图12b是图12a中点格分光镜的平面示意图。图13是本发明另一实施例提出的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。图14是本发明另一实施例提出的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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“聚焦光学测量系统”是用于将光束聚焦在样品表面上的光学测量系统。该光学测量系统可以是由多个或单个子光学测量系统构成的总光学测量系统，也可以是集成为一体的单个光学测量系统。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。先对对焦原理进行介绍如上所述，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，本发明提出了使用平面反射镜调焦的方法。如图5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M’ )时，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，使得整个光学测量系统更加紧凑。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。下面，参照图6a和6b解释通过两个平面反射镜或者一个平面反射镜和一个离轴抛物面反射镜保持偏振光的偏振特性的基本原理。如图6a所示，假设以Ml入射面为参考的S (或P)偏振光束以(90-0)度的入射角入射在第一平面反射镜Ml上，并且被第一平面反射镜Ml反射至第二平面反射镜M2。当第一平面反射镜Ml的入射平面与第二平面反射镜M2的入射平面相互垂直，且M2倾斜度满足使Ml的反射光以(90-0)度入射角入射至M2时，经Ml反射的以Ml入射面为参考的S (或P)偏振光转变为以M2入射面为参考的P(或S)偏振光。现在以光束传播方向为+Z方向确定的右手参考系分析光束的传播及偏振态的变化。将上述过程以数学公式表达
权利要求
1.一种包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括光源、分光元件、聚光单元、偏振器、相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探测单元；所述分光元件设置于所述光源和所述聚光单元之间的光路中，用于使来自光源的光束在入射至所述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元件、所述第一曲面反射元件、所述相位补偿元件、所述偏振器和所述聚光单元的光束并将该光束反射至所述探测单元；所述聚光单元，接收通过所述分光元件的光束并使该光束变成平行光束；所述偏振器设置于所述聚光单元和所述相位补偿元件之间，使所述平行光束变成偏振光束；所述相位补偿元件设置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之间，调整所述偏振光束的偏振状态并使光束透射通过；所述第一曲面反射元件，接收通过所述相位补偿元件的平行光束并使该光束变成会聚光束；所述第一平面反射元件，接收所述会聚光束并将所述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元件、所述第一曲面反射元件、所述相位补偿元件、所述偏振器和所述聚光单元并被所述分光元件反射的光束。
2.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，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。
3.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述分光元件为分光薄片、分光棱镜、点格分光镜或薄膜分光镜。
4.根据权利要求3所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述聚光单元为至少一个透镜或至少一个曲面反射镜。
5.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述分光元件为边缘处于光路中的第二反射元件。
6.根据权利要求5所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述聚光单元为至少一个透镜。
7.根据权利要求6所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括设置在所述探测单元和所述第二反射元件之间的光路中的第三反射元件；所述探测单元，探测从样品上反射的且依次经过所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位补偿元件、所述偏振器、所述至少一个透镜、所述第二反射元件和所述第三反射元件的光束；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；并且所述第二反射元件和所述第三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。
8.根据权利要求5所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述聚光单元为第二曲面反射元件。
9.根据权利要求8所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，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；并且所述第二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。
10.根据权利要求9所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括设置在所述探测单元和所述第二曲面反射元件之间的光路中的第三反射元件；所述探测单元，探测从样品上反射的且依次经过所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位补偿元件、所述偏振器、所述第二曲面反射元件和第三反射元件的光束；并且所述第三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。
11.根据权利要求5-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述第二反射元件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元件。
12.根据权利要求1-7中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，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。
13.根据权利要求8-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述第一曲面反射元件和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。
14.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述第一平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。
15.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述第一平面反射元件可以沿着所述会聚光束的主光的传播方向移动。
16.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述垂直入射宽带偏振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1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于， 所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括可移动的分光器和成像及图案识别光学系统；所述成像及图案识别光学系统包括透镜、照明光源与CXD成像器；所述可移动的分光器，将所述成像及图案识别光学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/或通过观测所述成像及图案识别光学系统中的图像的清晰度来进行调焦。
18.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于， 所述垂直入射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，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。
19.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于， 所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括光阑，所述光阑可以置于整个垂直入射宽带偏振光谱仪的任意一段光路中。
20.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述光源为包含多重波长的光源。
21.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述光源是氙灯、氘灯、钨灯、齒素灯、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。
22.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述偏振器为洛匈棱镜偏振器。
23.根据权利要求1中所示的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括用于控制所述偏振器偏振方向的偏振器旋转控制装置。
24.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述相位补偿元件为波片或光弹相位补偿元件。
25.根据权利要求24所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括用于控制所述相位补偿元件光轴方向的相位补偿元件旋转控制装置。
26.根据权利要求24所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于所述波片为消色差波片。
27.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于 所述探测单元是光谱计。
28.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于， 所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括计算单元，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。
29.一种光学测量系统，包括根据权利要求1至28中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪。
全文摘要
本发明公开一种包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪，包括光源、分光元件、聚光单元、偏振器、相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探测单元。本发明还公开一种光学测量系统，包括所述的垂直入射宽带偏振光谱仪。该垂直入射宽带偏振光谱仪利用至少一个平面反射元件改变会聚光束传播方向，实现探测光束垂直入射并会聚于样品表面，易于调节聚焦、可实现无色差、可保持偏振特性、且结构简单。而且，根据本发明提供的垂直入射光谱仪及光学测量系统，增加了相位补偿元件，通过椭圆偏振测量法可以准确测量出样品琼斯矩阵中rxx、ryy的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函数，增加了偏振光谱仪的测量精度。
文档编号G01J3/02GK103048047SQ20111030640
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者刘涛, 李国光, 赵江艳, 艾迪格·基尼欧, 马铁中, 夏洋, 严晓浪 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