光学测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光学测量系统，包括光源、光纤束、第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元、第四聚光单元、第五聚光单元、第六聚光单元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光谱计。本发明包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置，通过光纤束进行分光及合光，可以使两套光学测量装置共用一个光源和一个光谱计，简化了系统结构，并极大地降低了系统的成本结构简单，测量准确，集成度高。
【专利说明】光学测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学【技术领域】，特别涉及一种光学测量系统。
【背景技术】
[0002]随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术精确测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度(Critical Dimension)、空间形貌和材料特性变得十分重要。为了使测量结果有效，所用的测量系统应该能够高精确度地测量膜厚和/或薄膜构成。目前，众所周知的非破坏性检测技术有光度法和椭圆偏振测量法等测量方法，它们通过测量样品反射的光的偏振来获得样品的特征参数。在光谱椭偏仪或偏光计中，有确定偏振态的入射光被样品反射(一般以较大的入射角)，通过分析反射光的偏振态可以获得样品的特性。由于入射光包含多频率组成，则可以得到光谱曲线图。特别是，入射光的偏振态具有时间依赖性(使入射光通过一个旋转的起偏器)，或者分析反射光的方法具有时间依赖性(使反射光通过一个旋转的检偏器)。
[0003]一般情况下，半导体薄膜需要测量得出薄膜的厚度d，折射率η及消光系数k。而椭圆偏振法只能测量出两个椭偏参数，即:Ψ和△，则仅根据两个椭偏方程无法精确给出样品薄膜的光学参数(物理学报Vol.59，N0.4)，只能通过计算机拟合的方法求解。为了增加测量精度，获得目标样品的附加信息，本领域的研究人员提出了一种可变角度的光谱椭偏仪(VASE, variable angle spectroscopic Ellipsometry)。理论上这种测量装置可以给出多个角度下的椭偏方程，在一定程度上能增加测量精度。然而，实际上这样往往收效不大，如Critical Reviews of Optical Sciene and Technology Volume CR72，14-16 页中所述，
在对薄膜厚度进行数据拟合时发现，薄膜厚度在330-430A的范围内都可以得到基本一样的拟合曲线。由于薄膜的厚度和薄膜材料的光学常数在拟合中往往是相关的，对于一个假设的薄膜厚度，薄膜的光学常数会随之补偿性的改变从而得到一个同样好的拟合结果。因此，想要仅仅通过椭圆偏振法来精确测量薄膜厚度及光学常数会比较困难。为了精确测量样品，例如，测量样品薄膜的厚度及光学参数，通常在一个复合的光学测量系统中集成多个光学测量装置，则可以避免上述测量结果不够准确的问题，例如，利用垂直入射和斜入射的两个光学测量装置同时测量样品(参见美国专利US5608526，US6713753)。一般来说，集成多个光学测量装置的测量系统比较复杂，并且需要多个宽带光源和探测装置，成本较高。若如美国专利US6713753所述，采用分束器来耦合光路，虽然也可以达到减少光源和光谱计，降低成本的要求，但是在实际应用中，光路调节难以实现，并且，通过分束器来进行分光与合光时，其光通效率较低，对于垂直入射的光束，则至少需要两次通过分光镜，则其理论通光效率最高仅为25%，而斜入射的光束，也需要通过一次分光镜，通光效率较低同时会降低系统测量的准确性。因此这种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统在实际应用中并未得到广泛推广。
[0004]另一方面，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，因为小尺寸可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精度。在这种情况下，光学测量中的一个关键环节是将宽带探测光束聚焦到样品表面上，通常采用透镜时，会具有色差，从而导致不同波长的光聚焦位置不同，增大误差。而对于消色差透镜，虽然可在一定范围内减小透镜折射率造成的色差，但并不能完全消除色差，此外，这种透镜由于结构复杂，成本较高。本领域也有采用非球面反射镜如超环面反射镜，离轴抛物面反射镜的方案，它们利用反射聚焦，可以在整个宽光谱波长范围内实现无色差，并且可在较宽的波长范围内都具有高反射率。但由于光束经过单个反射镜反射后偏振态会发生改变，并且反射后的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。即，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)，而光学测量系统对光偏振的控制能力限定了其应用范围。此外，非球面反射镜加工工艺复杂，价格也比较昂贵，因此大大增加了这种测量系统的成本。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统，它具有结构简单、测量准确、集成度高的特点。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种光学测量系统，包括光源、光纤束、第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元、第四聚光单元、第五聚光单元、第六聚光单元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光谱计；
[0007]所述光源发出的光经过所述光纤束分为两束，其中一束光依次通过所述第五聚光单元、第二偏振器、第二聚光单元后斜入射到样品表面；另一束光依次通过所述第四聚光单兀、第一偏振器、第一聚光单兀后垂直入射到样品表面；
[0008]经过样品表面反射且依次经过第三聚光单元、第三偏振器及第六聚光单元的斜入射光，与从样品表面反射后返回且依次经过第一聚光单元、第一偏振器及第四聚光单元的垂直入射光，经所述光纤束传输后由同一端口输出至所述光谱计。
[0009]本发明的有益效果在于:
[0010]1.该光学测量系统包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置，并且通过光纤束进行分光及合光，可以使两套光学测量装置共用一个光源和一个光谱计，简化了系统结构，并极大地降低了系统的成本；
[0011]2.该光学测量系统采用价格低廉，加工简单球面反射镜代替昂贵的非球面反射镜或消色差透镜进行聚焦，并利用平面反射镜与之配合来消除偏振变化，则相对于现有技术中采用的消色差透镜或离轴抛物面反射镜的光学测量装置，本发明的光学测量系统不仅可以提高样品测量的精度，实现准确测量，而且使所需成本比现有技术大大降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例提供的球面反射镜聚焦示意图；
[0013]图2a为本发明实施例提供的保持偏振光的偏振特性的原理图；
[0014]图2b为光束在平面反射镜和球面反射镜照射的光路示意图；
[0015]图2c为入射光横截面内的计算点分布示意图；[0016]图3a为本发明实施例提供的Y形光纤束结构示意图；
[0017]图3b为本发明实施例提供的W形光纤束结构不意图；
[0018]图3c为光纤一字型排列的不意图；
[0019]图4为本发明实施例提供的包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置的结构示意图；
[0020]图5为本发明实施例提供的包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置的另一结构示意图；
[0021]图6a为本发明实施例提供的第II子光纤和第III子光纤在光纤束端口 3排列的结构图；
[0022]图6b为本发明实施例提供的第III子光纤和第IV子光纤在光纤束端口 4排列的结构图。
【具体实施方式】
[0023]为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统的【具体实施方式】及工作原理进行详细说明。
[0024]本发明的光学测量系统采用球面反射镜作为光束的聚焦元件，用来将发散光束聚焦成平行光束，或将平行光束聚焦成会聚光束。加工简单，价格便宜的球面反射镜，虽然可以将平行于球面反射镜主轴的近轴平行光会聚于其焦点，但由于球面反射镜的焦点位于主轴上，则利用球面反射镜对平行于其主轴的平行光进行聚焦并不方便。在本发明中，采用使入射光方向稍微偏离球面反射镜的主轴的方法来实现聚焦。
[0025]如图1所示,相对于非球面反射镜焦点和偏转角度相对固定的特点，使用球面反射镜还具有一个优点，即入射光束在球面反射镜上的入射角可以在一定范围内变化，例如，可以在5-15度范围内。在使用时，为了保证光斑质量以及便于调节光束方向及聚焦位置，本发明还在用于聚焦的球面反射镜前后设置一个平面反射镜，并且，通过设置平面反射镜的空间位置和方向，使光束在球面反射镜和平面反射镜上的入射角和入射方向相等，可保持聚焦过程中光束的偏振态。
[0026]为了进一步优化方案，本发明所述球面反射镜、平面反射镜的反射材料及镀膜优选结构相同并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。
[0027]下面，解释通过两个平面反射镜或者一个平面反射镜和一个球面反射镜保持偏振光的偏振特性的基本原理。
[0028]如图2a所示，假设以Ml入射面为参考的S (或P)偏振光束以(90-Θ )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- Θ )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。
[0029]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】
1.一种光学测量系统，其特征在于，包括: 光源、光纤束、第一聚光单兀、第二聚光单兀、第三聚光单兀、第四聚光单兀、第五聚光单元、第六聚光单元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光谱计； 所述光源发出的光经过所述光纤束分为两束，其中一束光依次通过所述第五聚光单元、第二偏振器、第二聚光单元后斜入射到样品表面；另一束光依次通过所述第四聚光单兀、第一偏振器、第一聚光单兀后垂直入射到样品表面； 经过样品表面反射且依次经过第三聚光单元、第三偏振器及第六聚光单元的斜入射光，与从样品表面反射后返回且依次经过第一聚光单元、第一偏振器及第四聚光单元的垂直入射光，经所述光纤束传输后由同一端口输出至所述光谱计。
2.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于: 所述第一聚光单元、第二聚光单元及第三聚光单元分别由镀膜材料及镀膜条件相同的平面反射镜和球面反射镜组合而成，并且，所述平面反射镜和球面反射镜上满足光束的入射角相等，入射面垂直的条件；且所述第四聚光单元、第五聚光单元及第六聚光单元为球面反射镜；或 所述第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元及第四聚光单元分别由镀膜材料及镀膜条件相同的平面反射镜和球面反射镜组合而成，并且，所述平面反射镜和球面反射镜上满足光束的入射角相等，入射面垂直的条件；且第五聚光单元及第六聚光单元为球面反射镜。
3.根据权利要求2所述的光学测量系统，其特征在于: 所述光纤束包括第一 Y型光纤束和第二 Y型光纤束。·
4.根据权利要求2所述的光学测量系统,其特征在于,所述光纤束为一个W型光纤束。
5.根据权利要求4所述的光学测量系统，其特征在于，所述W型光纤束包括: 第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤； 所述第I子光纤与所述第II子光纤共用输入端口 ； 所述第III子光纤和所述第IV子光纤共用输出端口 ； 所述第II子光纤的输出端口和所述第III子光纤的输入端口捆绑连接，形成输入输出端口 ； 所述第I子光纤和第IV子光纤的另一端分别连接一光纤端口。
6.根据权利要求5所述的光学测量系统，其特征在于: 所述第I子光纤，第II子光纤和第IV子光纤包含一根光纤，所述第III子光纤由六根光纤构成； 在所述W型光纤束的输入输出端口处，所述第II子光纤位于中心部位，构成所述第III子光纤的所述六根光纤对称地排列所述第II子光纤的周围,构成一个正六边形； 在所述W型光纤束的输出端口处，所述第III子光纤和所述第IV子光纤呈一字型并列摆放；所述第IV子光纤处于正中间，构成所述第III子光纤的所述六根光纤分成两部分，在所述第IV子光纤两侧对称地分布。
7.根据权利要求3所述的光学测量系统，其特征在于，还包括: 一分光元件，用于使从第一Y型光纤束射出的一束光在入射至第四聚光单元之前部分地通过，以及使经样品反射后返回至第四聚光单元的光束部分地通过，并进入所述第二 Y型光纤束。
8.根据权利要求7所述的光学测量系统，其特征在于，还包括: 第一光阑和第二光阑； 所述第一光阑设置在所述第一 Y型光纤束和所述分光兀件之间的光路中； 所述第二光阑设置在所述第五聚光单元和所述第一 Y型光纤束之间的光路中。
9.根据权利要求3-6任一项所述的光学测量系统，其特征在于，还包括: 第一光阑和第二光阑； 所述第一光阑设置在所述第一Y型光纤束和所述第四聚光单元中平面反射镜之间的光路中； 所述第二光阑设置在所述第五聚光单元和所述第一 Y型光纤束之间的光路中。
10.根据权利要求1-6任一项所述的光学测量系统，其特征在于，所述光学测量系统还包括: 至少一个相位补偿器，所述相位补偿器位于所述第二偏振器与所述第二聚光单元之间，或所述第三聚光单元与所述第三偏振器之间。
【文档编号】G01B11/24GK103575662SQ201210281821
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2012年8月9日
【发明者】李国光, 赵江艳 申请人:北京智朗芯光科技有限公司