CN103185638B - 宽带偏振光谱仪和光学测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带偏振光谱仪，包括光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元。本发明还公开了包含该宽带偏振光谱仪的光学测量***。本发明提供的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦，而且可以精确地控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。

Description

宽带偏振光谱仪和光学测量***

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种宽带偏振光谱仪和光学测量***。

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***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***进行调整来将探测光束聚焦到样品上。例如，通过对整个光学***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(CD，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，本领域的技术人员可以明显知道，对整个光学***进行调整，由于对***重量和速度的要求和限制，实现精确的操作是非常复杂的。

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，即，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***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2a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2b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)。

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，即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***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。

因此，以单个曲面反射镜为聚焦元件的宽带偏振光谱仪虽然解决了色差的问题，但是无法准确地保持(或控制)入射光的偏振态，同时难以调节光路，给实际测量带来了误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种易于调节聚焦、无色差、能准确保持(或控制)入射光的偏振态的宽带偏振光谱仪和光学测量***。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带偏振光谱仪包括光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元；所述分光元件用于使来自所述光源的光束在入射至所述第一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镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器，并通过所述第一聚光单元将该光束反射至所述探测单元；所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束；所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元；所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜；所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜；所述第一平面反射镜用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该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镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器、并通过所述第一聚光单元反射的光束。

本发明还提供一种宽带偏振光谱仪，包括光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第三聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元；所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束；所述分光元件用于使来自所述第一聚光单元的平行光束在入射至所述偏振器之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器的光束并将该光束反射至所述第三聚光单元；所述第三聚光单元设置在所述分光元件和所述探测单元之间；所述第三聚光单元将经过所述分光元件反射的光束会聚到所述探测单元；所述偏振器设置于所述分光元件和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元；所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜；所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜；所述第一平面反射镜用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上；以及所述探测单元接收来自所述第三聚光单元会聚的光束。

进一步地，所述第一聚光单元为消色差透镜或第一曲面反射镜；所述第二聚光单元为第二曲面反射镜；所述第三聚光单元为透镜。

进一步地，所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜和所述第二曲面面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构；

所述第二曲面反射镜满足光束的入射平面与第二平面反射镜的入射平面相同，且与第一平面反射镜的入射平面垂直的条件。

所述第二曲面反射镜的入射角为15度，所述第二平面反射镜的入射角为40-45度，所述第一平面反射镜的入射角为90度。

进一步地，第二平面反射镜的入射角为43度。

进一步地，所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜为离轴抛物面反射镜。

进一步地，所述分光元件为分光薄片、分光棱镜、点格分光镜、薄膜分光镜；分光元件为边缘处于光路中的第三反射镜，所述第三反射镜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镜。

进一步地，所述第一平面反射镜的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。

进一步地，所述第一平面反射镜可以沿着入射的会聚光束的主光的传播方向或传播方向的反方向移动。

进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括可移动的分光器和图案识别***、用于承载样品的可调节的样品平台；其中，所述图案识别***包括透镜、照明光源与CCD成像器；所述可移动的分光器用于将所述图案识别***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/或通过观测所述图案识别***中的图像的清晰度来进行调焦。

进一步地，所述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，用于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。

进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括光阑，所述光阑可以置于整个光学***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。

进一步地，所述偏振器为洛匈棱镜偏振器。

进一步地，所述宽带偏振光谱仪还包括偏振器旋转控制装置，该偏振器旋转控制装置用于控制所述偏振器的偏振方向。

进一步地，所述探测单元是光谱计。

进一步地，所述宽带偏振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。

本发明还提供一种光学测量***，包括所述的宽带偏振光谱仪。

本发明提供的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦，而且可以精确地控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。此外，本发明由于全部使用反射镜可以实现宽带光谱无色差的有益效果。

附图说明

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2a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2b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3是用于说明通过移动平面反射镜来进行对焦的示意图。

图4a是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。

图4b是用于解释保持偏振光的偏振特性的另一示意图。

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8a是示出根据本发明第一实施例的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

图8b是本发明中利用分光器和图案识别***对样品表面和探测光束聚焦成像的光路图。

图9a是通过本发明通过图案识别***观测到的图案。

图9b是本发明通过图案识别***观测到的图案。

具体实施方式

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3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***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。

本发明通过两个平面反射镜来补偿单个曲面反射镜造成的偏振偏差，其光路设计如图4a所示，水平面内的平行光入射到离轴抛物面反射镜OAP后，形成会聚光束并在水平面内偏转30度，该会聚光束经平面反射镜M1反射后在水平面内发生偏转，然后入射至平面反射镜M0，M0使该会聚光束在竖直的入射面内偏转90度后入射至样品表面。当光束在平面反射镜M1上的入射角为40-45度之间时，在假设上述三个反射镜具有反射材料和镀膜结构相同的情况下，对小数值孔径(NA，numerical aperture)的情形进行了模拟计算。当平行光束以小NA实现聚焦时，光束经过由离轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的***之后，虽然其偏振特性会有偏差，但是偏振特性的偏差不足以影响测量的准确性。并且，在垂直入射的情况下，当光束经各向同性样品反射返回时，其偏振变化可以得到进一步的抵消。

以入射光的主光在平面反射镜M2上的入射角为43.02度为例，假设该平行光入射到离轴抛物面反射镜OAP之前为圆偏振光，即，Ex＝Ey，且Phase(Ex)-Phase(Ey)＝90度，其中，Ex和Ey分别是光束在x和y方向上的电矢量的振幅，Phase(Ex)和Phase(Ey)分别是光束在x和y方向上的电矢量的相位。经离轴抛物面反射镜反射聚焦后，聚焦光束形成的锥体半角为4.2度(NA＝0.073)。入射光波长为210nm，入射光横截面内的计算点分布如图4b所示，总共29个点(部分已标定，例如，(0，3)至(0，0))。经数值计算后，在焦点处的偏振的强度变化与相位变化由表1列出。偏振强度变化定义为|Ex/Ey|-1，相位变化为Phase(Ex)-Phase(Ey)-90。

从表1中可以看出，以(0，0)成中心对称的光束在偏振强度和相位变化方面存在相当接近的互补性，本领域的研究人员可以知道，在探测光束垂直入射并聚焦到样品表面的情况下，计算点经样品反射后会回到以(0，0)成中心对称的另一计算点上，以点(-3，0)为例，当探测光束由样品表面返回时，处于该计算点处的光束将被反射至点(3，0)，对于各向同性样品，即样品琼斯矩阵无交叉项的情况下，样品琼斯矩阵可以与前后互换，则该点的偏振偏差会得到相当大小的抵消。所以整体上可以进一步抵消误差所造成的影响。

表1

用平面反射镜模拟样品，进一步对探测光经过上述光路垂直入射并聚焦在到样品表面后又沿原路返回后的偏振特性进行数值计算，得到的经过离轴抛物面反射镜后的光束偏振强度与相位变化由表2列出，从表2中可以看出，各个数值计算点的偏振强度与相位变化都得到了进一步的缩小。由于光束垂直入射在平面反射镜上，对于小数值孔径的情况，平面反射镜对光束偏振造成的影响可以忽略不计，则表2中探测光束偏振变化的缩小基本上是由于从样品表面返回后又一次经过上述***所引起的抵消。即上述由离轴抛物面反射镜和两面平面反射镜构成的***可以完全保持光束的偏振态。

表2

与专利申请201010199230.7相比，本发明利用两面平面反射镜与离轴抛物面反射镜配合使用，同样能实现调节聚焦高度的目的。并且，比较表1和表3可知，在其他条件完全相同的情况下，本发明的偏振相位补偿效果更好。

表3

本领域的技术人员可以知道，不仅是离轴抛物面反射镜，其它曲面反射镜如椭圆面反射镜，超环面反射镜与上述两个平面反射镜配合使用，也可以实现上述对焦和保持偏振的有益效果。

下面对本发明的测量原理进行说明：

(1)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，其具体步骤如下所述：

a.测量光谱仪暗数值I_d；

b.测量参考样本反射率，例如，裸硅晶片，并获得光谱数值I_r；

c.测量样品，并获得数值I；

这样，样品的反射率为：

R＝(I-I_d)/(I_r-I_d)×R(ref)

其中R(ref)是参考样品的绝对反射率。R(ref)可从其他测量获得，或通对参考样品的特性计算得出，通常为裸硅片的反射率。

例如周期性浅沟槽结构中，如图5所示，正交的两个偏振方向分别定义为垂直于线形结构的方向TM及平行于线形结构的方向TE。当周期p为100纳米，线宽w为50纳米，沟槽深度t为50纳米时，其反射率如图6所示，其中虚线为TE偏振方向反射率，实线为TM偏振方向反射率。

(2)椭圆偏振测量法：本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪等同为一个起偏器-样品-检偏器(PSA)结构的椭圆偏振仪，其中，检偏器与起偏器为同一偏振器的情况。椭圆偏振测量法，可通过测量计算出各向异性介质，如图5所示的周期性浅沟槽结构，TE和TM偏振态下的TM/TE反射率振幅比值和样品在TM、TE上造成的相位差。具体测量原理可参考书HANDBOOK OF ELLIPSOMETRY，Harland G.Tompkins，2005；Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications，Hiroyuki Fujiwara，2007；美国专利No.7115858B1和美国专利No.7330259B2中所说明的原理公式。以下仅作简要描述。总光学过程由琼斯矩阵给出，

i(out)＝JAR(A)JSR(-P)i(in)，

其中，

$J_s=\left(\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{xx}}& r_{\mathrm{xy}}\\ r_{\mathrm{yx}}& r_{\mathrm{yy}}\end{array}\right)$

为样品反射的琼斯矩阵，x与y为两个正交的偏振方向；

当A＝P，对于r_xy+r_yx＝0的情况(例如，参见Li Lifeng，J.Opt.Soc.Am.A17，881(2000)中)，以上的等式可以简化为：

$I=I_0[r_{\mathrm{xx}}^2{\cos }^{4}p+r_{\mathrm{yy}}^2{\sin }^{4}p+2{\left(r_{\mathrm{xx}}{r}_{\mathrm{yy}}\right)}^{1/2}\cos \mathrm{\Δ}{\sin }^{2}p{\cos }^{2}p]$

$=I_0{r}_{\mathrm{xx}}^2[\frac{3{\tan }^2\mathrm{\φ}+3+2\tan \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\Δ}}{8}+\cos \left(2p\right)\frac{{\tan }^2\mathrm{\φ}-1}{2}+\cos \left(4p\right)\frac{{\tan }^2\mathrm{\φ}+1-2\tan \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\Δ}}{8}]$

$=a_0+a_2\cos \left(2p\right)+a_4\cos \left(4p\right)$

其中，

$a_0=I_0{r}_{\mathrm{xx}}^2\frac{3{\tan }^2\mathrm{\φ}+3+2\tan \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\Δ}}{8}$

$a_2=I_0{r}_{\mathrm{xx}}^2\frac{{\tan }^2\mathrm{\φ}-1}{2}$

$a_4=I_0{r}_{\mathrm{xx}}^2\frac{{\tan }^2\mathrm{\φ}+1-2\tan \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\Δ}}{8}$

a0、a2、a4为傅里叶系数，可根据傅里叶展开或线性拟合计算得出。Δ是由于样品反射造成的x和y偏振光之间的相位差，Rxx为反射率，rxx为反射常数，tan＝|rxx/ryy|。最后得出，

$\tan \mathrm{\φ}=\sqrt{\frac{a_0+a_2+a_4}{a_0-a_2+a_4}}$

$\cos \mathrm{\Δ}=\frac{-a_0+3a_4}{\sqrt{{(a_0+a_4)}^2-a_2^2}}$

椭圆偏振测量法的具体操作包括以下三个主要步骤：1)由于***存在旋转部件及偏振敏感部件，如偏振器，探测器等，***需要校准以排除旋转部件及偏振敏感部件造成的测量光强偏差。校正方法为使用标准均匀样品，例如硅片，测量均匀样品在不同偏振器角度下的光强；理论上，光强应完全相同；此光强与角度的变化关系可作为参考值，通过比值去除***在不同偏振器角度的光强影响。具体可为，偏振器每旋转1度，记录每个角度下硅片的反射光强光谱，并完成360度全部的扫描，这些数据作为参考值保存。2)测量时，将各个角度的反射光强与参考值相比，得到光强在各个角度的相对真实值。3)根据上述公式，计算傅立叶系数，进而得出TM/TE反射率振幅比值和TM与TE之间的相位差的光谱。以如图5所示的结构为例，其光谱如图7所示。

测量得到TE、TM绝对反射率或TM/TE的振幅比及相位差后，通过与数值仿真结果比较及数值回归计算，可测量样品表面周期性图案的临界尺度、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。在这种情况下，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括计算单元，该计算单元用于通过反射率的数学模型计算和曲线回归拟合，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。现今常用的周期性结构电磁模拟计算方法为严格耦合波分析(Rigorous Coupled-WaveAnalysis，RCWA)，回归算法为Levenberg-Marquardt算法。

接下来，将结合实施例1、2对本发明的宽带光谱仪进行详细的描述。

实施例1

图8a示出了本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪的实施例。该垂直入射宽带偏振光谱仪包括宽带点光源SO、分光元件M2、第一聚光单元(即离轴抛物面反射镜OAP2)、偏振器P、第二聚光单元(即离轴抛物面反射镜OAP1)、平面反射镜M1、平面反射镜M0、宽带光谱计SP，该图案识别***IRS包括透镜L’、照明光源(未示出)和CCD成像器(未示出)。宽带点光源SO可以发射包含宽带光谱的发散光束，该宽带光谱通常在真空紫外至近红外光范围内(大约190nm至1100nm波长范围内)。实践中，宽带点光源SO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、以及包含氘钨卤素灯的复合宽带光源。这些宽带光源的光束可以为自然光(即，偏振度等于零)。但是，该宽带点光源也可以是通过消偏振器产生的偏振度为零的自然光点光源。宽带点光源SO的例子包括Ocean Optics公司产品HPX-2000、HL-2000和DH2000，以及Hamamatsu公司产品L11034、L8706、L9841和L10290。宽带光谱计可以是电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)宽带光谱计，例如，Ocean Optics QE65000光谱计或B&W Teck Cypher H光谱计。

作为优选的，本发明还可以包括可移动的分光板BS以及图案识别***IRS，可参照图8b所示。该分光板BS可以位于离轴抛物面反射镜OAP1与样品SA之间的光路中，该图案识别***IRS包括透镜L’、照明光源和CCD成像器，图案识别***IRS的例子包括EDMUND公司产品NT59-839，NT59-743，SEIWA公司FVL-5X-120D-C，FVL-6X-120D-C，灿锐光学公司产品XF-T6X-110D等等。

如图8a所示，分光元件M2的边缘处于从光源SO到离轴抛物面反射镜OAP2之间的光路中，其非反射面遮蔽部分从光源SO发出的光束，未被遮蔽的光束沿水平方向传播并入射至离轴抛物面反射镜OAP2。由于离轴抛物面反射镜OAP2的位置相当于宽带点光源SO置于其焦点处，所以来自宽带点光源SO的光束被离轴抛物面反射镜OAP2反射后，在水平面内偏转30度形成沿着水平方向传播的平行光束。该平行光束经过偏振器P之后入射至离轴抛物面反射镜OAP1，离轴抛物面反射镜OAP1使该平行光束变成会聚光束，并在水平面内偏转30度后入射至平面反射镜M1。该会聚光束经过平面反射镜M1反射后在水平面内偏转43度并入射至平面反射镜M0，平面反射镜M1使该光束在竖直平面内偏转90度后沿垂直方向向下入射并聚焦至样品表面。至此，整个光学***，以离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2，以及平面反射镜M1的水平对称轴确定的平面为参考平面，接近样品的半部分，即，参考平面以下的半部分，将探测光束聚焦在样品表面。该会聚光束的主光垂直入射在样品表面上。样品表面的反射光，依次经过平面反射镜M0、平面反射镜M1、离轴抛物面反射镜OAP1、偏振器、离轴抛物面反射镜OAP2后，形成会聚光束，该会聚光束经分光元件M2的反射面反射后入射至放置在其焦点处的宽带光谱计SP中。至此，整个光学***远离样品的半部分，即，参考平面以上的半部分，将样品表面反射的光束聚焦在光谱计上。

本领域的研究人员可以知道，从光源发出的光束，经过离轴抛物面反射镜OAP2、偏振器P、离轴抛物面反射镜OAP1、平面反射镜M1，入射至平面反射镜M0的过程中，以及样品反射的光束经被面反射镜MO反射后，经平面反射M1，离轴抛物面反射镜OAP1、偏振器P、离轴抛物面反射镜OAP2、入射至分光元件M2的过程中，一直处于与样品表面平行的水平面内。因此，本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅结构紧凑，还具有易于调节的优点。

此外，本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括偏振器旋转控制装置，用于控制偏振器旋转来调整光束偏振方向。该偏振器旋转控制装置可采用电机控制的各种自动旋转装置(手动也可实现量测)，如NewportPrecision Rotation Stage URS 150。

此外，平面反射镜M0的倾斜角度和/或空间位置是可调节的，例如，可以沿着上述的来自平面反射镜M1的会聚光束的主光的传播方向移动。同样地，该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。根据上述对焦原理，本领域的技术人员将会知道通过调节平面反射镜M0如何实现对焦。

测量的样品通常放置在一个可调节的样品台上，如X-Y-Z-Theta或R-Theta-Z工作台。在半导体行业，样品的尺寸通常是直径8英寸(200毫米)或12英寸(300毫米)的晶片。在平板显示器行业，样品通常具有1米以上的尺寸。对于晶片，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，表面可能不平坦。对于大尺度样品，样品表面可能扭曲，或者，样品平台可能不平坦。因此，当对样品进行检测时，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，可对每个测量点重新聚焦。

在测量样品之前，可以利用图案识别***对样品表面的测量点进行识别、定位，此过程只需将分光器需沿如图8b中箭头所示方向移入光路中即可实现。具体操作为：将可移动分光板移入所述探测光束(包括探测光束的样品反射光束)的光路中，其非反射面完全遮蔽探测光束，其反射面将照明光束入射至样品表面，此时样品表面的图案可以在CCD成像***中成像，通过计算样品表面成像清晰度，以校准好的图案识别***IRS为基准对样品进行调焦，可在CCD成像***中得到如图9a所示的芯片样品表面图案，图中较暗方形区域为测量点。测量点识别完成后，可将分光板部分移出所述探测光束的光路，其非反射面遮蔽部分探测光束，其反射面可以将照明光束反射至样品表面，同时将样品表面反射的探测光束和照明光束反射至CCD成像***，其光路如图8b所示。则此时探测光束和样品表面图案均可以在CCD成像***中成像，从而通过可移动的样品平台，可以对准光斑与测量点。当光斑与测量点对准时，CCD成像***中观测到的图像如图9b所示，中心亮斑为探测光束所成图像。以上步骤完成后，即可对测量点实施测量。测量时需将分光板BS完全移出所述探测光束中的光路(此时CCD成像***中无图像)，使探测光束自由传播至样品表面，从而进行光谱测量。

在本发明中，由离轴抛物面反射镜OAP1和平面反射镜M0，M1组成的聚光***可以保持经过探测光束的偏振特性，即，聚焦***和调焦过程不影响经过偏振器后的探测光束偏振态，则探测光束线偏振方向与样品水平面上某固定方向的夹角可以通过选择偏振器调整。所述垂直入射宽带偏振光谱仪可以按照上文所述的两种测量方法测量非均匀薄膜样品，如表面周期图案的临界尺度(CD)，三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。

本发明中，用来聚光的离轴抛物面反射镜OAP2也可以是透镜或者消色差透镜。

本发明中，分光元件M2可以是半圆形平面反射镜，也可以是其他具有至少一个直线边缘形状的平面反射镜。

此外，分光元件M2也可以是完全处于光路中的点格分光镜，如Edmund点格分光镜和Newport点格分光镜，当入射光以0-45度角入射在分光镜上时，将有50％的入射光透过，50％的入射光反射，则此分光元件也可以达到既能使光通过又能反射样品表面的反射光进入光谱计的目的。此外，分光元件M2也可以是普通的棱镜分光器和分光板。

实施例2

与实施例1不同的是，该宽带偏振光谱仪，分光元件M2也可以放置于离轴抛物面反射镜OAP2和偏振器P之间，此时，还需要在分光元件M2与光谱计SP之间设置一个第三聚光单元，如透镜，将从样品表面反射后返回通过偏振器P，并被分光元件M2反射的平行光束会聚到光谱计中。离轴抛物面反射镜OAP2用于使光源发出的发散光束变成平行光束。分光元件M2用于使来自离轴抛物面反射镜OAP2的平行光束在入射至所述偏振器之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜M0、所述第二平面反射镜M1、所述离轴抛物面反射镜OAP1、所述偏振器的光束并将该光束反射至所述第三聚光单元。第三聚光单元设置在所述分光元件和所述宽带光谱计SP之间；所述第三聚光单元将经过所述分光元件反射的光束会聚到所述宽带光谱计SP。偏振器设置于所述分光元件和所述离轴抛物面反射镜OAP1之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述离轴抛物面反射镜OAP1。离轴抛物面反射镜OAP1用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜M1。第二平面反射镜M1用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜M0。第一平面反射镜M0用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上；以及宽带光谱计SP接收来自第三聚光单元会聚的光束。

本发明所提供的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦，而且可以精确地控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。此外，本发明全部使用反射镜，还可以实现宽带光谱无色差的有益效果。

虽然本实施例中的平面反射镜M0被描述为可调节或可移动的，但是它也可以保持固定不动。上述样品可以保持在可移动的或固定不动的样品台上。分光板也可以采用点格分光镜或其它分光器的形式。此外，在上述实施例中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，用于避免经过所述偏振器后产生的e光入射至样品表面，和/或其反射光反射回偏振器。还可以设置光阑，该光阑可以置于任意一段光路中处于与主光垂直且光阑中心通过主光的位置，以调节探测光的实际数值孔径。

此外，本发明的垂直入射宽带偏振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和/或用于分析样品材料的周期性微结构的临界尺度特性或三维形貌。

在本发明中，除理论测量方法之外，测量过程还涉及对于偏振器旋转等存在偏振感度造成的变化的处理，此类问题可通过数值方法解决，更具体内容可参考美国专利No.6522406B1和美国专利No.6665070B1。结合本实施例，经过偏振器的光束的线性偏振方向由偏振器旋转角度决定，入射至偏振器的光源可为任意偏振态的光束。根据测量方法进行选择，当选用绝对反射率测量法时，经样品反射的光经过偏振器后为偏振光，在此光束入射至探测器的过程中，参考样品反射光与测量样品反射光皆经历相同的偏振变化，所以不要求保持偏振态，对光学部件的偏振敏感无要求。当选用椭圆偏振测量法时，入射至偏振器的光束最好为自然光束或圆偏振光束，在光源SO至偏振器及偏振器至探测器SP的光学过程中最好达到完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件；但这些偏差可完全通过数值方法来得以校正。

请注意，根据本说明书的教导，本领域的技术人员将应该理解，本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪不局限于上述实施例中所公开的具体形式，只要在本发明的总体构思之下，可以对本发明的宽带光谱仪进行各种变形。本发明的宽带光谱仪可以应用于探测半导体薄膜、光学掩膜、金属薄膜、电介质薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、有机薄膜等的厚度、光学常数以及这些材料构成的周期性结构的临界尺度和三维形貌，尤其可以应用于测量多层薄膜所形成的在平面内具有一维和二维周期性的三维结构的全部尺度及各层材料的光学常数。此外，采用本发明的宽带光谱仪，可以实现自动聚焦，也可以实现手动聚焦。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (15)

1.一种宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括：

光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元；

所述分光元件用于使来自所述光源的光束在入射至所述第一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镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器，并通过所述第一聚光单元将该光束反射至所述探测单元；

所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束；

所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元；

所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜；

所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜；

所述第一平面反射镜用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该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镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器、并通过所述第一聚光单元反射的光束。

2.一种宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括：

光源、分光元件、第一聚光单元、偏振器、第二聚光单元、第三聚光单元、第一平面反射镜、第二平面反射镜、探测单元；

所述第一聚光单元用于使所述光源发出的发散光束变成平行光束；

所述分光元件用于使来自所述第一聚光单元的平行光束在入射至所述偏振器之前部分地通过，以及接收从样品上反射的，且依次经过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第二聚光单元、所述偏振器的光束并将该光束反射至所述第三聚光单元；

所述第三聚光单元设置在所述分光元件和所述探测单元之间；所述第三聚光单元将经过所述分光元件反射的光束会聚到所述探测单元；

所述偏振器设置于所述分光元件和所述第二聚光单元之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第二聚光单元；

所述第二聚光单元用于接收所述平行光束使其变成会聚光束，并将该会聚光束反射至所述第二平面反射镜；

所述第二平面反射镜用于接收所述会聚光束并使其入射至所述第一平面反射镜；

所述第一平面反射镜用于并将所述平行光束变成会聚光束，并将该会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上；以及

所述探测单元接收来自所述第三聚光单元会聚的光束。

3.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一聚光单元为消色差透镜或第一曲面反射镜；所述第二聚光单元为第二曲面反射镜；所述第三聚光单元为透镜。

4.根据权利要求3所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜和所述第二曲面面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构；

所述第二曲面反射镜满足光束的入射平面与第二平面反射镜的入射平面相同，且与第一平面反射镜的入射平面垂直的条件；

所述第二曲面反射镜的入射角为15度，所述第二平面反射镜的入射角为40-45度，所述第一平面反射镜的入射角为90度。

5.根据权利要求4所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第二平面反射镜的入射角为43度。

6.根据权利要求3所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：所述第一曲面反射镜和所述第二曲面反射镜为离轴抛物面反射镜。

7.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述分光元件为边缘处于光路中的第三反射镜，所述第三反射镜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镜。

8.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，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、薄膜分光镜。

9.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一平面反射镜的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。

10.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一平面反射镜可以沿着入射的会聚光束的主光的传播方向或传播方向的反方向移动。

11.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括：

可移动的分光器和图案识别***、用于承载样品的可调节的样品平台；

其中，所述图案识别***包括透镜、照明光源与CCD成像器；

所述可移动的分光器用于将所述图案识别***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/或通过观测所述图案识别***中的图像的清晰度来进行调焦。

12.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述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，用于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。

13.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括：

光阑，所述光阑可以置于整个光学***的任意一段光路中。

14.根据权利要求1或2所述的宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述宽带偏振光谱仪还包括:

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。

15.一种光学测量***，包括权利要求1或2任一项所述的宽带偏振光谱仪。