包含相位元件的垂直入射寬帶偏振光譜儀和光學測量系統技術方案

本發明專利技術公開一種包含相位元件的垂直入射寬帶偏振光譜儀，包括光源、分光元件、聚光單元、偏振器、相位補償元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探測單元。本發明專利技術還公開一種光學測量系統，包括所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀。該垂直入射寬帶偏振光譜儀利用至少一個平面反射元件改變會聚光束傳播方向，實現探測光束垂直入射并會聚于樣品表面，易于調節聚焦、可實現無色差、可保持偏振特性、且結構簡單。而且，根據本發明專利技術提供的垂直入射光譜儀及光學測量系統，增加了相位補償元件，通過橢圓偏振測量法可以準確測量出樣品瓊斯矩陣中rxx、ryy的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函數，增加了偏振光譜儀的測量精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光學
，特別涉及一種包含相位元件的垂直入射寬帶偏振光譜儀及光學測量系統。
技術介紹
一般來說，光學測量技術中的一個關鍵環節是將探測光束聚焦到樣品上。目前通常有兩種方法。一種方法是將光學測量系統中的最后一個聚焦透鏡與其它元件分開，通過僅僅調整這個聚焦透鏡來將探測光束聚焦到樣品上。例如，如圖1所示，通過對最后一個聚焦透鏡進行上下移動來實現聚焦。另一種方法是通過對整個光學測量系統進行調整來將探測光束聚焦到樣品上。例如，如圖2a和2b所示，通過對整個光學測量系統進行上下移動來實現聚焦(例如，參見美國專利No. 5747813和No. 5486701)。隨著半導體行業的快速發展，利用光學測量技術來精確地測量晶片上單層或多層薄膜形成的三維結構的臨界尺度(⑶，Critical Dimension)、空間形貌及材料特性變得十分重要。當檢測一個通常尺寸為150毫米、200毫米或300毫米的晶片時，由于在晶片上的薄膜層應力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，當對整個晶片進行檢測時，為了實現高精確度的測量和保證半導體生產線產量的快速測量，對每個測量點自動聚焦是其中一項關鍵的技術。而且，本領域的技術人員公知，將寬帶探測光束在樣品表面上聚焦成相對較小尺寸的光斑是有利的，因為小尺寸光斑可以測量微結構圖案，且寬帶探測光束可以提高測量精確度。在這種情況下，當采用上述第一種聚焦方法時，會存在如下問題透鏡通常具有色差，這樣的色差會導致不同波長的光的聚焦位置不同，增大誤差，降低測量精確度；以及難以找到對整個寬帶波長范圍都具有良好的透射性的透鏡材料。當采用上述第二種聚焦方法時，不僅可能存在透鏡像差問題，而且本領域的技術人員可以明顯知道，對整個光學測量系統進行調整的操作是非常復雜的，難以實現精確的測量。鑒于上述原因， 本領域的技術人員已經提出了這樣一種方法，S卩，使用曲面反射鏡來將寬帶探測光束聚焦到樣品表面上(例如，參見美國專利No. 5608526和No. 7505133B1、美國專利申請公開No. 2007/0247624A1和中國專利申請公開No. 101467306A)。這種方法具有如下好處在整個寬帶波長范圍上，反射鏡不會產生色差，并且反射鏡可在較寬的波長范圍內都具有聞反射率。雖然利用曲面反射鏡自身不產生色差并從而增加聚焦及測量精確度，但是曲面反射鏡相對于透鏡來說比較難以校準光路。曲面反射鏡焦點位置和空間方向的調節受入射光制約，通常需要整個光學測量系統的同步調節實現出射光路方向及聚焦位置的調整和控制。例如，(I)橢圓面反射鏡兩焦點空間位置相對固定，當入射光路校正后，通過單獨調節橢圓面反射鏡實現的光路方向及聚焦位置范圍非常有限。(2)超環面反射鏡(toroidalmirror):雖然在一定入射角度范圍內皆可實現空間對應的兩個焦點，但是這兩個焦點之間的空間關系隨著入射光線與超環面反射鏡的相對關系改變，且變化關系復雜，實現調焦非常困難；另一個缺點是調節范圍小，會造成像差。(3)離軸拋物面反射鏡相對入射光線方向，改變離軸拋物面反射鏡的角度會造成像差，很大程度上限制了調整范圍；雖然沿平行入射光束方向移動離軸拋物面反射鏡可實現聚焦位置的大范圍移動，但無法改變其焦點相對于離軸拋物面反射鏡中心的位置，這同樣限制了調整范圍。綜上所述，使用單一曲面反射鏡自身不產生色差，但難以通過簡單調節實現光路方向及聚焦位置的調整和控制。而且，光束經過單個反射鏡反射后偏振態會發生改變。這里以一個鋁材料反射鏡為例。在圖3中示出兩種入射角情況下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的兩條曲線是S偏振光的反射率Rs,下面的兩條曲線是P偏振光的反射率Rp。實線對應于45度的入射角，虛線對應于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且隨著入射角的不同而改變。在圖4中示出反射后的S與P偏振光之間的相位差，實線對應于45度的入射角，虛線對應于50度的入射角。由此可知，反射后的S與P偏振光之間的相位差發生變化，而且隨著入射角的不同而改變，且與波長相關?？傊攲拵Ч馐浄瓷溏R反射之后，由于偏振方向正交的偏振態S與P各自具有不相同的反射率和相位變化，光束的偏振狀態發生改變，導致難以控制光束的偏振變化(例如，參見美國專利No. 6829049B1和No. 6667805)。此外，光譜儀對偏振的控制能力限定了光譜儀的應用范圍。例如，當今廣泛應用于集成電路生產線工藝控制的光學臨界尺度設備(00),Optical Critical Dimension)。00)設備通過測量偏振光在樣品表面的反射光譜及相位特征，擬合數值仿真結果，測量樣品表面周期性圖案的臨界尺度(CD)、三維形貌及多層材料的膜厚與光學常數。實現臨界尺度測量的光譜儀要求其聚焦光學測量系統必須做到在聚焦及光信號采集過程中控制光束的偏振態，從而可以準確地測量樣品。另外，當使用不包含偏振器的光譜儀測量包含周期性結構的樣品時，如中國專利申請No. 201010270454. 2中所述，由于入射光對樣品的各向異性沒有調整旋轉角度的選擇性，所以入射光必須為自然光。從光源發出的自然光理論上要求經過完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件入射在樣品表面。存在任何的部分偏振態，將無法測量各向異性樣品；此時，當各向異性樣品旋轉時，測量值變化。因此，能夠對各向異性樣品進行測量的不包含偏振控制的光譜儀對所涉及的光學器件質量和光路調整均要求很高。測量時，經樣品反射的光為部分偏振光。在此光束入射至探測器的這個過程中，理論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，當出現偏振敏感的部件時，需要增加消偏振器，這樣減低了信噪比。而且，以上問題無法通過數值方法得以校正。中國專利申請CN201110032744. 8公開的一種垂直入射寬帶偏振光譜儀包含了偏振器用以調整入射至樣品表面時光束的偏振方向，可通過橢圓偏振測量法測量出樣品的兩種偏振方向的反射率振幅比和相位差A (g卩，瓊斯矩陣中rxx、ryy的相位差A)的余弦函數，無法測量出△的唯一角度，從而影響精確度及部分角度范圍時的靈敏度。
技術實現思路
本專利技術的目的之一是提供一種易于調節聚焦的、可實現無色差的、可保持偏振特性的、結構簡單，并且能通過橢圓偏振測量法實現測量兩種偏振方向的反射率的相位偏差A的具體角度(即△的正弦值和余弦值)，提高測量精確度及部分角度靈敏度的包含相位元件的垂直入射寬帶偏振光譜儀及光學測量系統。根據本專利技術的一個方面，提供一種垂 直入射寬帶偏振光譜儀，其包括光源、分光兀件、聚光單元、偏振器、相位補償元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探測單元；所述分光元件設置于所述光源和所述聚光單元之間的光路中，用于使來自光源的光束在入射至所述聚光單元之前部分地通過，以及接收從樣品上反射的、且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、所述偏振器和所述聚光單元的光束并將該光束反射至所述探測單元；所述聚光單元，接收通過所述分光元件的光束并使該光束變成平行光束；所述偏振器設置于所述聚光單元和所述相位補償元件之間，使所述平行光束變成偏振光束；所述相位補償元件設置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之間，調整所述偏振光束的偏振狀態并使光束透射通過；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種包含相位元件的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于，包括：光源、分光元件、聚光單元、偏振器、相位補償元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探測單元；所述分光元件設置于所述光源和所述聚光單元之間的光路中，用于使來自光源的光束在入射至所述聚光單元之前部分地通過，以及接收從樣品上反射的、且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、所述偏振器和所述聚光單元的光束并將該光束反射至所述探測單元；所述聚光單元，接收通過所述分光元件的光束并使該光束變成平行光束；所述偏振器設置于所述聚光單元和所述相位補償元件之間，使所述平行光束變成偏振光束；?所述相位補償元件設置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之間，調整所述偏振光束的偏振狀態并使光束透射通過；所述第一曲面反射元件，接收通過所述相位補償元件的平行光束并使該光束變成會聚光束；所述第一平面反射元件，接收所述會聚光束并將所述會聚光束反射后垂直地聚焦到樣品上；以及所述探測單元用于探測從樣品上反射的且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、所述偏振器和所述聚光單元并被所述分光元件反射的光束。

【技術特征摘要】
1.一種包含相位元件的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于，包括光源、分光元件、聚光單元、偏振器、相位補償元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探測單元；所述分光元件設置于所述光源和所述聚光單元之間的光路中，用于使來自光源的光束在入射至所述聚光單元之前部分地通過，以及接收從樣品上反射的、且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、所述偏振器和所述聚光單元的光束并將該光束反射至所述探測單元；所述聚光單元，接收通過所述分光元件的光束并使該光束變成平行光束；所述偏振器設置于所述聚光單元和所述相位補償元件之間，使所述平行光束變成偏振光束；所述相位補償元件設置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之間，調整所述偏振光束的偏振狀態并使光束透射通過；所述第一曲面反射元件，接收通過所述相位補償元件的平行光束并使該光束變成會聚光束；所述第一平面反射元件，接收所述會聚光束并將所述會聚光束反射后垂直地聚焦到樣品上;以及所述探測單元用于探測從樣品上反射的且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、所述偏振器和所述聚光單元并被所述分光元件反射的光束。2.根據權利要求1所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，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鍍膜結構并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。3.根據權利要求1所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于所述分光元件為分光薄片、分光棱鏡、點格分光鏡或薄膜分光鏡。4.根據權利要求3所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于所述聚光單元為至少一個透鏡或至少一個曲面反射鏡。5.根據權利要求1所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于所述分光元件為邊緣處于光路中的第二反射元件。6.根據權利要求5所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于所述聚光單元為至少一個透鏡。7.根據權利要求6所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于，所述垂直入射寬帶偏振光譜儀還包括設置在所述探測單元和所述第二反射元件之間的光路中的第三反射元件；所述探測單元，探測從樣品上反射的且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、所述偏振器、所述至少一個透鏡、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鍍膜結構并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件；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鍍膜結構并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。8.根據權利要求5所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于所述聚光單元為第二曲面反射元件。9.根據權利要求8所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，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鍍膜結構并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件；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鍍膜結構并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。10.根據權利要求9所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于所述垂直入射寬帶偏振光譜儀還包括設置在所述探測單元和所述第二曲面反射元件之間的光路中的第三反射元件；所述探測單元，探測從樣品上反射的且依次經過所述第一平面反射元件、所述第一曲面反射元件、所述相位補償元件、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鍍膜結構并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。11.根據權利要求5-10中的任意一項所述的垂直入射寬帶偏振光譜儀，其特征在于 所述第二反射元件為具有至...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉濤，李國光，趙江艷，艾迪格·基尼歐，馬鐵中，夏洋，嚴曉浪，
申請(專利權)人：中國科學院微電子研究所，北京智朗芯光科技有限公司，
類型：發明
國別省市：