专利名称：包含参考光束的垂直入射光谱仪及光学测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，特别涉及一种包含参考光束的垂直入射光谱仪及光学测量系统。
背景技术：
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仅为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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、稳定、光通效率高、测量精度高、且易于实现的利用参考光束校准光源光谱变化的包含参考光束的垂直入射光谱仪及光学测量系统。为解决上述技术问题，本发明提供了一种包含参考光束的垂直入射光谱仪包括光源、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、第二反射单元和探测单元；所述第一反射单元用于将光源发出的光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，使其通过后变成会聚光束垂直地聚焦到样品上；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；所述第二反射单元用于同时或分别接收从样品反射的经过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；以及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。进一步地，所述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。进一步地，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。进一步地，所述第一反射单元由至少两个不共面的平面反射镜构成，构成所述第一反射单元的平面反射镜中，至少有一个反射镜具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交。进一步地，所述第一聚光单元为至少一个透镜或反射物镜。进一步地，所述第二聚光单元为至少一个透镜。进一步地，所述第二反射单元由至少两个不共面的平面反射镜构成，构成所述第二反射单元的平面反射镜中，至少有一个反射镜具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交。
进一步地，所述垂直入射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，所述光束切换单元为可分别或同时挡住探测光束和参考光束的挡光板。进一步地，所述垂直入射光谱仪还包括用于承载样品的可调节的样品平台。进一步地，所述垂直入射光谱仪还包括光阑，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，所述光源包括氙灯、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。进一步地,所述探测单元是光谱计。进一步地,所述垂直入射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、薄膜厚度等。本发明还提供一种光学测量系统，其包括所述垂直入射光谱仪。本发明提供的包含参考光束的垂直入射光谱仪实现了分光后的光束的完整结合，在提高光通效率的同时，系统的复杂程度比现有技术低。
图1是现有技术中通过分光器实现分光与合光的示意图。图2a和2b是本发明实施例提供的通过两个不共面平面反射镜实现分光的示意图。图3是本发明实施例提供的通过两个不共面的平面反射镜实现合光的示意图。图4a和图4b是通过模拟得到的合光后的光束截面形状和光束所成的像。图5是根据本发明第一实施例的垂直入射光谱仪的示意图。图6是可实现无色差聚焦的反射物镜的原理示意图。图7是根据本发明第二实施例的垂直入射光谱仪的示意图。
具体实施例方式下面参照图2a、图2b和图3来描述通过各包含两个不共面的平面反射镜的第一反射单元和第二反射单元分别实现分光和合光的过程。(I)实现分光:如图2a所示，假设:来自点光源SO的发散光束，经过光源聚光单元后，如，曲面反射镜M5，形成会聚光束，并在入射面内发生偏转后入射至第一反射单元。第一反射单元由两个不共面的平面反射镜M3和M4组成。平面反射镜M3含有一个直线边缘，且该直线边缘处于上述会聚光束的光路中，该会聚光束的一半，入射至平面反射镜M3上，经平面反射镜M3反射后在入射面内发生偏转，形成会聚光束BI。另一部分会聚光束从平面反射镜M3的直线边缘通过，入射至平面反射镜M4，经平面反射镜M4反射后在入射面内发生偏转，形成会聚光束B2。平面反射镜M2的主轴方向在入射面内相对于平面反射镜M4稍稍倾斜，可使分别经平面反射镜M 3和M4反射后的会聚光束BI和B2的主光束先相交，然后分开,如图2a所示；或者,使会聚光束BI和B2直接分开,如图2b所示。自此,来自点光源SO的光经过第一反射单元，即平面反射镜M3和M4后被分成可分别作为探测光与参考光的两束光。在分光前后，这两束光的主光始终处于同一平面内，且平面反射镜M3的直线边缘与该平面垂直。(2)实现合光:如图3所示，经样品反射后的探测光束，沿原路返回至参考光束所在平面内时为会聚光束。第二反射单元由两个不共面的平面反射镜Ml和M2组成，从样品表面返回的探测光束和参考光束分别入射至组成第二反射单元的平面反射镜Ml和M2上。平面反射镜Ml至少含有一个直线边缘形状，且此直线边缘与探测光束的主光束相交，探测光束经平面反射镜Ml反射后，入射并聚焦至光谱计SP中。该光谱计SP放置于该会聚的探测光束的焦点处。同一平面内的参考光束经透镜L或其他聚光元件，如反射物镜后成为会聚光束，经平面反射镜M2反射，在入射面内发生偏转，并入射至同一光谱计SP中。通过旋转和/或沿光的方向(或反方向)移动平面反射镜M2,可改变参考光束的传播方向和/或偏转位置，从而使参考光束的主光束与探测光光束的主光束重合，且参考光束和探测光束互不影响。参考光束的聚焦位置可通过沿参考光束光的方向或反方向移动会聚透镜L(图中未示出)来调节。即调节平面反射镜M2和聚焦透镜L可使参考光束入射并聚焦至同一光谱计SP中。自此，来自不同方向的探测光束和参考光束经第二反射单元反射后可入射并聚焦至同一个光谱计SP中。根据图3所示的合光过程，模拟得到的探测光束和参考光束经过第二反射单元反射后的光束截面如图4a所示，则通过合适的光路设计，探测光束和参考光束同时入射到同一个光谱计中探测，且在此过程中，它们互不影响彼此的传播。探测光束和参考光束在光谱计上聚焦所成的像如图4b所示，在图4b中，探测探测光束和参考光束在光谱计上所形成的聚焦光斑大小不同，这是由于两束光聚焦过程中的放大率不同所致。在实际探测过程中，需要为光谱计选择适当大小的测量窗口(entrance slit),以使参考光束能尽可能多地被探测到，从而提高参考光束光谱的信噪比，达到提高测量精度的目的。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。探测光束和参考光束经过上述两个平面反射镜后可同时聚焦至同一个光谱计中。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，则本发明中一个光谱计的设计并不降低光谱计对探测光束和参考光束的探测效率，因此，本发明通过合适的光路设计，实现了分光后的光束的完整结合，从而实现了提高光通效率的同时，系统的复杂程度比现有技术低。本发明的垂直入射光谱仪可以采取绝对反射率测量法，即测量样品在正交方向上的两个偏振态的绝对反射率。若要测量一个样品的绝对反射率，应做如下:a.测量光谱仪暗数值Idtl,即无光信号进入光谱仪时光谱仪的读数。b.装载参考样品，例如，裸硅晶片，获得光谱数值Isitl，并在测量参考样品之前或之后即刻测量参考光束的光谱数值Iki ；c.装载并测量待测样品，获得光谱数值I，并在测量待测样品之前或之后即刻测量参考光束的光谱数值Ik ;d.测量光谱仪暗数值Id ;上述步骤中，步骤a和b在一段时间内只需操作一次,例如,一个小时内，一天内，一周或数周内。而步骤c和d在每次测量时都应该重新操作。如果环境温度不变，或者光谱仪的暗数值不随时间改变，则Id可以用Idtl代替。
这样，样品的反射率为:
权利要求
1.一种包含参考光束的垂直入射光谱仪，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、第二反射单元和探测单元； 所述第一反射单元用于将所述光源发出的光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，使其通过后变成会聚光束垂直地聚焦到样品上; 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； 所述第二反射单元用于同时或分别接收从样品反射的经过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；以及 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所述的垂直入射光谱仪，其特征在于，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所述的垂直入射光谱仪，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所述的垂直入射光谱仪，其特征在于: 所述第一反射单元由至少两个不共面的平面反射镜构成，构成所述第一反射单元的平面反射镜中，至少有一个反射镜具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交。
5.根据权利要求1中的所述的垂直入射光谱仪，其特征在于: 所述第一聚光单元为至少一个透镜或反射物镜。
6.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于: 所述第二聚光单元为至少一个透镜。
7.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于: 所述第二反射单元由至少两个不共面的平面反射镜构成，构成所述第二反射单元的平面反射镜中，至少有一个反射镜具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交。
8.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于，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，所述光束切换单元为可分别或同时挡住探测光束和参考光束的挡光板。
9.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于，还包括: 用于承载样品的可调节的样品平台。
10.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于，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。
11.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于: 所述光源为包含多重波长的光源。
12.根据权利要求1所述的垂直入射宽带仪，其特征在于: 所述光源为氙灯、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、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源。
13.根据权利要求1所述的垂直入射光谱仪，其特征在于: 所述探测单元是光谱计。
14.根据权利要求1-13中的任意一项所述的垂直入射光谱仪，其特征在于，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。
15.—种光学测量系统,其特征在于,包括权利要求1-13中的任意一项所述的垂直入射光谱仪。 ·
全文摘要
本发明公开了一种包含参考光束的垂直入射光谱仪，包括光源、光源聚光单元、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、第二反射单元和探测单元。本发明提供的包含参考光束的垂直入射光谱仪利用由平面反射镜组成的平面反射单元，实现了分光及分光后的光束的重新结合，在提高光通效率的同时，系统的复杂程度比现有技术低。该垂直入射光谱仪能够精确地测量各向异性或非均匀样品，如多层材料的薄膜厚度与光学常数。本发明还公开了一种包括上述光谱仪的光学测量系统。
文档编号G01J3/42GK103162830SQ201110427609
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者李国光, 赵江艳, 刘涛, 郭青杨, 艾迪格·基尼欧, 马铁中 申请人:北京智朗芯光科技有限公司