CN115290571A - 测量设备和测量方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种测量设备和测量方法。根据实施例，测量设备可以包括：第一光学测量***，被配置为向测量对象的目标区域照射第一光，并探测测量对象的目标区域响应于第一光而产生的第一信号；第二光学测量***，作为拉曼散射测量***，被配置为向测量对象的目标区域照射第二光，并探测测量对象的目标区域响应于第二光而产生的包括拉曼散射光在内的第二信号；以及分析装置，被配置为根据第一信号，确定测量对象的目标区域的第一特性，并根据第二信号和第一特性，确定测量对象的目标区域的第二特性。

Description

测量设备和测量方法

技术领域

本公开涉及光学测量技术，更具体地，涉及结合了拉曼散射测量和其他光学测量如椭偏测量和/或反射测量的测量设备和测量方法。

背景技术

存在各种技术来对样品进行光学测量，例如拉曼光谱仪、椭偏仪、反射仪等。

拉曼光谱依赖于光子的非弹性散射。被探测材料的振动模式吸收或增强入射光子能量，导致散射光的波长偏移。拉曼光谱提供了有关这些振动特性的直接信息，每种化学成分的拉曼光谱都是独一无二的，因此可以被称为分子的指纹信息。在半导体测量领域，拉曼光谱可以用于测量例如结晶度、晶相、成分、应力/应变等。

椭偏仪是利用椭圆偏振技术对薄膜进行无损测量的一种仪器，利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅尔公式得到光学参数与偏振态之间的关系来确定光学薄膜折射率和厚度。

反射仪是利用反射对薄膜进行无损测量的一种仪器，利用偏振光或非偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅尔公式得到光学参数与光强之间的关系来确定光学薄膜折射率和厚度。

仅利用单种测量技术，存在可能难以精确测量的问题。

发明内容

本公开的目的至少部分地在于提供一种结合了拉曼散射测量和其他光学测量如椭偏测量和/或反射测量的测量设备和测量方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种测量设备，包括：第一光学测量***，被配置为向测量对象的目标区域照射第一光，并探测测量对象的目标区域响应于第一光而产生的第一信号；第二光学测量***，作为拉曼散射测量***，被配置为向测量对象的目标区域照射第二光，并探测测量对象的目标区域响应于第二光而产生的包括拉曼散射光在内的第二信号；以及分析装置，被配置为根据第一信号，确定测量对象的目标区域的第一特性，并根据第二信号和第一特性，确定测量对象的目标区域的第二特性。

根据本公开的另一方面，提供了一种测量方法，包括：通过第一光学测量***，向测量对象的目标区域照射第一光，并探测测量对象的目标区域响应于第一光而产生的第一信号；通过作为拉曼散射测量***的第二光学测量***，向测量对象的目标区域照射第二光，并探测测量对象的目标区域响应于第二光而产生的包括拉曼散射光在内的第二信号；根据第一信号，确定测量对象的目标区域的第一特性；以及根据第二信号和第一特性，确定测量对象的目标区域的第二特性。

根据本公开的实施例，不同光学测量***之间可以彼此增强，例如第一光学测量***的测量结果可以用于增强第二光学测量***的测量结果。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的测量设备的框图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的测量设备的结构图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的测量设备的结构图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的测量设备的结构图；

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的测量设备的结构图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的公共光源的结构图；

图7(a)、7(b)和7(c)示意性示出了根据本公开实施例的反射测量***的局部结构图；

图8(a)和8(b)示意性示出了根据本公开实施例的椭偏测量***的局部结构图；

图9示意性示出了根据本公开实施例的测量方法的流程图；

图10示意性示出了根据本公开实施例的确定第一特性的流程图；

图11示意性示出了根据本公开实施例的确定第一特性的具体示例；

图12示意性示出了根据本公开实施例的确定第二特性的流程图；

图13示意性示出了根据本公开实施例的确定第二特性的具体示例。

贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在附图中示出了根据本公开实施例的各种示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开实施例的测量设备的框图。

如图1所示，根据实施例的测量设备100可以包括第一光学测量***110、第二光学测量***130、分析装置150和控制装置170。

第一光学测量***110可以是基于一种或多种光学测量技术(不同于下述拉曼散射测量技术)，例如椭偏测量技术或反射测量技术，来对测量对象例如半导体制造工艺中形成在衬底上的膜层或多个膜层的叠层进行测量的***。如图中的虚线箭头所示，第一光学测量***110可以向测量对象的目标区域照射光(为方便起见，以下称作“第一光”)，并探测测量对象的目标区域响应于第一光的照射而产生的光信号(为方便起见，以下称作“第一信号”)，例如反射光信号。第一光可以是偏振光(例如，在椭偏测量技术的情况下，可以是椭圆偏振光；或者，在反射测量技术的情况下，可以是线偏振光)，也可以是非偏振光(例如，在反射测量技术的情况下)。偏振光可以通过起偏器来产生，以下将对此进一步详细描述。第一光在目标区域的表面上发生发射、折射、多光束干涉等光学过程，可以得到携带有目标区域的光学常数(例如，折射率)和结构信息(例如，厚度)的出射光，作为上述第一信号。通过分析第一信号，例如其光强、偏振态变化等，可以确定目标区域的相关特性(为方便起见，以下称作“第一特性”)，例如折射率和/或膜厚。

第二光学测量***130可以是拉曼散射测量***。类似地，如图中的虚线箭头所示，作为拉曼散射测量***的第二光学测量***130可以向测量对象的目标区域照射光(为方便起见，以下称作“第二光”)，并探测测量对象的目标区域响应于第二光的照射而产生的包括拉曼散射光在内的光信号(为方便起见，以下称作“第二信号”)。通过分析第二信号，例如拉曼光谱的峰值位置、强度、峰宽等，可以确定目标区域的相关特性(为方便起见，以下称作“第二特性”)，例如膜厚、应变/应力、形变、缺陷、结晶度、成分等中至少之一。

分析装置150可以分析第一光学测量***110获得的第一信号以及第二光学测量***130获得的第二信号，以确定相关特性，例如上述第一特性和第二特性。根据本公开的实施例，不同测量技术可以彼此增强。例如，分析装置150在通过分析第二信号确定第二特性时，可以利用通过分析第一信号确定的第一特性，以增强对第二特性的确定。这在以下将进一步详细描述。

控制装置170可以控制测量设备100的整体操作。例如，控制装置170可以控制样品台(未示出)的运动，使放置于样品台上的测量对象的目标区域能够移动到第一光学测量***110和第二光学测量***130的照射区域(例如，焦点)处。根据本公开的实施例，为了使第一光学测量***110和第二光学测量***130各自的测量结果可以互相增强，来自第一光学测量***110的第一光和来自第二光学测量***130的第二光可以照射到测量对象的相同或基本上相同的目标区域上。又如，控制装置170可以控制第一光学测量***110和第二光学测量***130中的运动光学部件(例如，下述起偏器、补偿器、检偏器等)，以实现不同偏振态的光的入射/检出。再如，控制装置170可以控制分析装置150，以高效地组织对测量结果的分析。

控制装置170可以包括处理器或微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、单片机等。控制装置170可以实现为通用或专用计算机。该通用或专用计算机可以执行程序指令，以执行本公开中描述的各种操作。这种程序指令可以存储在本地的存储器中，或者可以经由有线或无线连接从远程存储器中下载。或者，本公开描述的操作可以通过控制装置170请求远程服务器来执行，或者其中一些操作可以由控制装置170执行而另一些操作可以由与控制装置170联网的其他控制器或服务器来执行。

在该示例中，示出了分离的分析装置150和控制装置170。但是，本公开不限于此。例如，分析装置150和控制装置170可以共同地通过一个或多个计算平台来实现，该一个或多个计算平台的一部分计算资源可以实现分析装置150，而另一部分计算资源可以实现控制装置170。

图2示意性示出了根据本公开实施例的测量设备的结构图。

如图2所示，根据该实施例的测量设备可以包括光源部290a、第一光学测量***110a和第二光学测量***130。

光源部290a可以包括发射光的光源以及用于将光源发射的光分别引导到第一光学测量***110a和第二光学测量***130中的光学部件。

光源可以包括一个或多个发射特定波长的激光器。在图2中，示意性图示了分别发射不同波长(例如，375nm、445nm、488nm、532nm)的四个激光器290-1、290-1、290-3、290-4。但是，本公开不限于此，可以根据应用的需要(例如，测量对象的特性)，设置更多或更少的激光器，或者在设置多个激光器的情况下选择接通其中一个或若干个激光器(例如，在控制装置170的控制下)。另外，在测量对象改变时，还可以切换要接通的激光器。来自不同激光器的光可以同时照射到测量对象的相同目标区域上，以便得到不同波长处的测量信号。

来自不同激光器290-1、290-1、290-3、290-4的光可以通过反射镜M1、M2、M3、M4而组合成同一光束(“入射光”)。反射镜M1可以(至少部分地)反射来自激光器290-1的光；反射镜M2可以(至少部分地)反射来自激光器290-2的光，并(至少部分地)透射来自反射镜M1的光；反射镜M3可以(至少部分地)反射来自激光器290-3的光，并(至少部分地)透射来自反射镜M1、M2的光；反射镜M4可以(至少部分地)反射来自激光器290-4的光，并(至少部分地)透射来自反射镜M1、M2、M3的光。反射镜M1、M2、M3、M4可以被配置为选择性反射相应激光器290-1、290-1、290-3、290-4的光(的波段)，例如为镀铝、镀金、镀镍等的反射镜。激光器290-1、290-1、290-3、290-4可以沿着相同或基本上相同的方向发射光，且各反射器M1、M2、M3、M4的反射面可以平行或基本上平行放置，从而最终合成的入射光可以成为平行或基本上平行光的形式。可以结合各反射器M1、M2、M3、M4的反射、透射性能，控制激光器290-1、290-1、290-3、290-4的发射光强，使得入射光中的各成分光具有相同或基本相同的光强，这可以便于后继的分析计算。

入射光可以被分束器BS1分离为不同的部分：一部分(为方便起见，以下称作“第一入射光”)被引导到第一光学测量***110a中，另一部分(为方便起见，以下称作“第二入射光”)被引导到第二光学测量***130中。例如，分束器BS1可以是分束镜，一方面透射入射光的一部分，以进入第一光学测量***110a中；另一方面反射入射光的一部分，以进入第二光学测量***130中。分束器BS1对于入射光中的各成分光可以具有相同或基本相同的反射、透射特性，从而进入各光学测量***中的入射光的成分光之间可以保持光强基本一致(例如，不会出现某一成分光被特别衰减或被特别增强)，但不同***的入射光的光强可能有所差异(取决于分束器BS1的透射反射比或分束比，例如1∶1、3∶7、2∶8、1∶9等)之外。另外，为了与各光学测量***中的光路相适应，还可以包括其他光转向部件，例如反射镜M5。反射镜M5可以具有宽谱反射特性，例如在约200nm-约2000nm的波段内具有平坦或实质上平坦的反射率。类似地，反射镜M5可以是镀铝、镀金、镀镍等的反射镜。

第一光学测量***110a在此被例示为椭偏测量***。

在椭偏测量***中期望采用偏振光，因此其中的光路可以包括偏振产生臂，用以产生将(通过分束器BS1以及反射镜M5)进入到第一光学测量***110a的第一入射光转换为椭圆偏振光。例如，偏振产生臂可以包括起偏器PL1和补偿器R1。起偏器PL1可以是偏振片，用以将入射光转换为线偏振光。补偿器R1可以(在o光与e光之间)产生相位延迟(例如，约90°或127°)，例如1/4波片，从而将线偏振光转换为椭圆偏振光。另外，偏振产生臂还可以包括其他光学部件，例如用以抑制杂散光并限位的孔径A2，用以将所产生的椭圆偏振光聚焦到测量对象S的目标区域上的透镜L3。

椭圆偏振光入射到测量对象S的目标区域上，在目标区域的(前后)表面上发生反射、折射、多光束干涉过程，介质表面作用引起偏振状态(例如，相位差Δ、振幅比ψ)发生改变。

可以检测从目标区域反射的反射光的偏振状态，以便获得相对于入射光的偏振状态改变，并因此提取测量对象S的目标区域的特性(例如，膜厚、折射率)。可以包括偏振检测臂，以检测(偏振状态改变的)反射光。例如，偏振检测臂可以具有与偏振产生臂相同的结构，例如包括检偏器PL2和补偿器R2。类似地，偏振检测臂还可以包括其他光学部件，例如用以将来自目标区域的反射光转换为平行光的透镜L4，用以抑制杂散光并限位的孔径A3。

偏振检测臂检出的光信号即上述第一信号可以送入光探测器300-2中。在该实施例中，入射光为一个或多个特定波长的激光，光探测器300-2可以是探测光强的光电二极管。

两个补偿器R1和R2均可以旋转。例如，补偿器R1和R2各自可以转动至一个或多个特定的角度(并因此可以实现不同的角度组合)。或者，补偿器R1和R2可以一定的速度旋转，且两者的旋转速度可以具有恒定的比例，例如5∶1、4∶3、5∶3等。这种双旋转补偿器配置可以实现对目标区域的更多信息的测量，例如可以获得4×4阶穆勒矩阵。

第二光学测量***130可以是拉曼散射测量***。

拉曼散射测量***可以包括向测试对象的目标区域照射用以激发拉曼效应的入射光的激发光路以及收集目标区域响应于入射光而产生的拉曼散射光的收集光路。为使测量设备更加紧凑，可以将激发光路和收集光路集成在同一镜头中。例如，可以设置分束器BS2。分束器BS2一方面可以(至少部分地)反射来自光源290a(更具体地，分束器BS1)的第二入射光以(沿着例如垂直或基本上垂直于目标区域的方向)照射目标区域，另一方面可以(至少部分地)透射来自目标区域的拉曼散射光。例如，分束器BS2可以是具有一定透射反射比或分光比(例如，1∶1、3∶7、2∶8、1∶9等)的分束镜。可选地，分束器BS2还可以透射部分第二入射光，以作光强监测用。

在激发光路中，可以设置半波片HWP1。半波片HWP1可以转动，从而可以使第二入射光的偏振方向旋转，以适应目标区域的不同图案。在激发光路中还可以设置中性密度片D1，以实现对第二入射光光强的衰减(对于不同成分光的衰减可以是一致或基本一致的)。另外，在激发光路中还可以设置滤光器F1，以过滤第二入射光，提高第二入射光的纯度。例如，滤光器F1可以是仅透射激光线的MaxLine滤光片。

可以设置透镜L1，以将入射光聚焦到目标区域上，且可以将来自目标区域的(发散)光(其中包含拉曼散射光)转换为平行光或基本上平行光，以便透射通过分束器BS2从而被探测。

在收集光路中，可以设置滤光器F2，以过滤来自目标区域的光信号。滤光器F2可以是边缘滤光片或长通滤光片，过滤掉激光线及波长小于激光线的光信号(例如，由于其他效应产生的光信号)，而通过波长大于激光线的拉曼散射光。另外，在收集光路中还可以设置其他光学部件，例如用以改变光路方向以实现紧凑结构的反射镜M6，用以汇聚拉曼散射光从而引入光探测器300-1的透镜L2，用以抑制杂散光并限位的孔径A2。反射镜M6可以具有宽谱反射特性，例如在约200nm-约2000nm的波段内具有平坦或实质上平坦的反射率。反射镜M6可以是镀铝、镀金、镀镍等的反射镜。

光探测器300-1可以是光谱仪，以得到拉曼散射光谱。例如，光谱仪可以将不同能量的光子通过光栅衍射进行分光，然后在CCD上成像，由此测量拉曼光谱。

根据实施例，滤光器F1、F2可以是滤光轮。每一滤光轮可以安装有一组具有不同滤光特性的滤光片，并可以转动以使不同滤光片被置于光路中，从而适应不同需要。

在上述实施例中，进入第一光学测量***110a和第二光学测量***130的入射光由公共的光源290-1、290-1、290-3、290-4分光而来。但是，本公开不限于此。特别是考虑到第一光学测量***和第二光学测量***各自对入射光可能具有不同需求，也可以为它们分别设置光源。

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的测量设备的结构图。

图3所示的实施例与图2所示的实施例基本相同，除了光源部290b之外。因此，以下将主要描述光源部290b，而其他部件可以参照以上结合图2的描述。

在光源部290b中，类似于上述光源部290a，可以设置激光光源(激光器290-1、290-1、290-3、290-4)，作为第二光学测量***130的光源，例如通过反射镜M7引入第二光学测量***130中。另外，对于第一光学测量***110a，可以另外设置光源290-5，例如广谱光源，如激光驱动光源(LDLS)、氘灯、氙灯等中的一种或多种。或者，光源290-5也可以是激光光源，但可以具有与第二光学测量***130的激光光源不同的特性，例如具有不同波长的激光线。

在光源290-5为广谱光源的情况下，光探测器300-2可以是光谱仪。

在上述实施例中，第一光学测量***110a为椭偏测量***。但是，本公开不限于此。例如，第一光学测量***也可以是反射测量***。

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的测量设备的结构图。

在图4所示的实施例中，关于光源部290a以及第二光学测量***130，可以参照以上结合图2的描述。在此，主要描述作为反射测量***的第一光学测量***110b。

在反射测量***中，也可以采用偏振光，因此其中的光路可以类似地包括偏振产生臂，用以将进入到第一光学测量***110b的第一入射光转换为线偏振光。例如，偏振产生臂可以包括起偏器PL3。类似地，偏振产生臂还可以包括其他光学部件，例如用以抑制杂散光并限位的孔径A4。

在该实施例中，利用离轴抛物面反射镜OAP1来将所产生的线偏振光聚焦到测量对象S的目标区域上。当然，本公开不限于此。例如，如图2所示，通过调整反射镜M5的角度，可以使入射光以相对于目标区域的倾斜角度入射。这种情况下，可以类似地采用透镜L3来实现聚焦。

线偏振光入射到测量对象S的目标区域上，在目标区域的(前后)表面上发生反射、折射、多光束干涉过程，得到一定强度的反射光。

可以检测从目标区域反射的反射光的光强，并据此提取测量对象S的目标区域的特性(例如，膜厚、折射率)。可以包括偏振检测臂，以检测反射光。例如，偏振检测臂可以具有与偏振产生臂相同的结构，例如包括检偏器PL4。类似地，偏振检测臂还可以包括其他光学部件，例如用以抑制杂散光并限位的孔径A5。

与离轴抛物面反射镜OAP1相对应，可以采用离轴抛物面反射镜OAP2以将来自目标区域的(至少一部分)反射光转换为平行光而引入到偏振检测臂中。

偏振检测臂检出的光信号即上述第一信号可以送入光探测器300-3中。在该实施例中，入射光为一个或多个特定波长的激光，光探测器300-3可以是探测光强的光电二极管。

类似地，在反射测量***的情况下，可也设置单独光源。

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的测量设备的结构图。

图5所示的实施例与图4所示的实施例基本相同，除了光源部290b之外。关于光源部290b，可以参照以上结合图3的描述。

在上述实施例中，描述了两个测量***通过分束器BS1使用公共光源的示例。但是，本公开不限于此。例如，根据实施例的测量设备可以包括更多测量***，例如椭偏测量***、反射测量***以及拉曼散射测量***。即便在这种情况下，也可以设置公共光源。

图6示意性示出了根据本公开实施例的公共光源的结构图。

如图6所示，来自光源(例如，上述激光器290-1、290-1、290-3、290-4)的入射光可以入射到分束器BS1上，分束器BS1可以反射一部分入射光，以引导到拉曼散射光学测量***130中。另外，透射过分束器BS1的入射光可以入射到另一分束器BS3上，分束器BS3可以反射一部分入射光，以引导到反射测量***110b中。另外，透射过分束器BS2的入射光可以入射到反射器M5上，以引导到椭偏测量***110a中。分束器BS1和BS2可以具有合适的分光比，以在不同***之间分配入射光强。

当然，在测量设备具备三个或甚至更多测量***的情况下，不限于这三个或更多个测量***全部使用公共光源。例如，其中一部分测量***可以使用公共光源(例如，反射测量***和椭偏测量***可以使用公共的广谱光源)，而另外一个或多个测量***可以分别使用各自的单独光源(例如，拉曼散射测量***可以使用激光光源)。在使用公共光源时，可以使用例如如图6所示的分束器结合反射镜的配置。

以下，将进一步详细描述第一光学测量***的不同配置。

图7(a)、7(b)和7(c)示意性示出了根据本公开实施例的反射测量***的局部结构图。

图7(a)所示的反射测量***的配置与以上结合图4、5描述的反射测量***相同，在此主要示出了起偏器PL3和检偏器PL4的转动配置。通过起偏器PL3的偏振光可以入射到测量对象S的目标区域上。检偏器PL4可以转动至一个或多个特定的角度，或者以一定的速度连续旋转。另外，起偏器PL3可以固定不动，或者也可以转动，例如转到至一个或多个特定的角度，或者以一定的速度连续旋转。

图7(b)所示的反射测量***与图7(a)所示的反射测量***相比，在入射光路和出射光路中分别增加了两个反射镜：在入射光路中***了反射面彼此平行对置的反射镜M8、M10，在出射光路中***了反射面彼此平行对置的反射镜M9、M11。由于这种反射镜的***，相比于图7(a)所示的反射测量***，可以抑制杂散光，因为通过两次反射，可以至少部分地将杂散光反射出***光路之外。

另外，反射镜M8和反射镜M9可以被电机驱动以相对于测量对象S相对移动。相应地，如图中的虚线框所示，离轴抛物面反射镜OAP1可以被电机驱动从而与反射镜M8一起移动，且离轴抛物面反射镜OAP2可以被电机驱动从而与反射镜M9一起移动，以便保持光路对准。由于这种移动，入射光可以不同的入射角入射到测量对象S的目标区域上。

在图7(b)所示的反射测量***中，离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2也移动，容易导致光路的漂移失准。如图7(c)所示，可以设置固定的离轴抛物面反射镜OAP1′和OAP2′。另外，为了适应反射镜M8和M9的移动，离轴抛物面反射镜OAP1′和OAP2′的反射面可以相对较大。这种情况下，可以将离轴抛物面反射镜OAP1′和OAP2′的反射面设置为彼此相对，而不是如图7(b)中所示彼此背对，以免较大的离轴抛物面反射镜OAP1′和OAP2′自身影响入射光和反射光的行进。相应地，反射镜M8和M10的反射面可以设置为彼此垂直对置，且反射镜M9和M10的反射面可以设置为彼此垂直对置。由于离轴抛物面反射镜OAP1′和OAP2′固定，从而可以确保光路稳定性。

如以上结合图7(b)和7(c)所述的通过离轴抛物面反射镜结合反射镜的方式，实现入射角度改变的方案也可以应用于椭偏测量***中。

图8(a)和8(b)示意性示出了根据本公开实施例的椭偏测量***的局部结构图。

图8(a)所示的椭偏测量***与之前实施例中的椭偏测量***相比，在入射光路和出射光路中分别增加了离轴抛物面反射镜以及两个反射镜：在入射光路中***了离轴抛物面反射镜OAP1以及反射面彼此平行对置的反射镜M8、M10，在出射光路中***了离轴抛物面反射镜OAP2以及反射面彼此平行对置的反射镜M9、M11。关于这些离轴抛物面反射镜和反射镜，可以参见以上结合图7(b)的描述。

图8(b)所示的椭偏测量***采用了以上结合图7(c)描述的离轴抛物面反射镜OAP1′和OAP2′加反射镜M8至M11的组合，其他配置与图8(a)相同。

图9示意性示出了根据本公开实施例的测量方法的流程图。

根据该实施例的测量方法100可以包括在操作901和操作903分别通过第一光学测量***测量第一信号以及通过第二光学测量***测量第二信号。例如，第一光学测量***可以是上述的椭偏测量***110a和/或反射测量***110b，第二光学测量***可以是上述的拉曼散射测量***130。第一光学测量***可以将第一光照射到测量对象的目标区域上，并探测反射光。另外，第二光学测量***可以将第二光照射到测量对象的相同目标区域上，并探测拉曼散射光。操作901和操作903可以并行进行。

在操作905中，可以根据第一信号，确定测量对象的目标区域的第一特性。在椭偏测量***110a和/或反射测量***110b的情况下，第一特性可以包括膜层的折射率和/或厚度。以下，将对此进一步详细描述。

在操作907中，可以根据第二信号且另外根据在操作905中确定的第一特性，来确定测量对象的目标区域的第二特性。与常规拉曼散射测量***不同，在分析拉曼光谱时，还额外考虑了通过第一光学测量***确定的第一特性，以增强拉曼分析，甚至可以对常规拉曼散射测量***仅能定性分析的某些特性进行定量分析。以下，将对此进一步详细描述。

图10示意性示出了根据本公开实施例的确定第一特性的流程图。

可以用一个模型来描述测量对象S(的目标区域)，该模型包含了模拟测量对象S(的目标区域)的叠层结构，包括衬底以及之上形成的材料层。可以用厚度(d)和光学常数(n、k)等模型数据来描述叠层中的每一层。对于需要测定的第一特性(例如，膜厚d，折射率n、k等)，可以赋予初始设定值。在操作1031，对于由模型数据描述的模型，可以仿真该模型在同样被第一光照射的情况下的响应，得到仿真数据(也可以视为如果由第一光学测量***对具有当前模型数据的模型进行测量而预期能够得到的第一信号)。在操作1033，可以将仿真数据(预期的第一信号)与实际测得的第一信号进行比较。如果在操作1035中判断仿真数据与测得的第一信号不匹配，则在操作1039，可以调整模型数据中的相关设定值，并重复操作1031和操作1033。另一方面，如果在操作1035判断仿真数据与测得的第一信号相匹配，则可以输出当前模型数据所采用的关于第一特性的设定值，作为第一特性的测量值。

图11示意性示出了根据本公开实施例的确定第一特性的具体示例。

如图11所示，可以采用N层(N是大于等于1的自然数)的叠层模型来描述测量对象S。模型中的每一层具有相应的模型数据如(n₁，k₁，d₁)、(n₂，k₂，d₂)、…、(n_i，k_i，d_i)、…、(n_N，k_N，d_N)(1≤i≤N)，其中d_i表示第i层的膜厚，n_i、k_i表示第i层的折射率(复折射率为n_i+ik_i)。模型数据中还可以包括其他特性，例如粗糙度、均匀度等。模型参数例如n_i、k_i可能是波长相关的。在图11中的叠层模型右上方示意性示出了折射率在一定波段上对波长的依赖性。关于模型以及模型数据的初始设定值，可以根据测量对象S的设计数据来确定。

可以基于第一光学测量***在进行测量时的测量条件(例如，入射光的光谱、偏振态、入射角等)，对模型在相同测量条件下对第一光的响应进行仿真。

为方便将仿真结果与第一光学测量***实际测得的第一信号据进行比较，这两者可以采用相同的表示形式，例如穆勒矩阵。具体地，在仿真时，可以基于模型来仿真计算穆勒矩阵；另一方面，可以将第一光学测量***实际测得的第一信号(通常为光强或光谱信号)变换为穆勒矩阵。例如，可以对第一信号进行傅里叶变换，得到各频率光强分量。对于各频率光强分量，可以基于***参数(例如，入射角、圆频率等)，采用穆勒矩阵元解析形式。当然，测量信号不限于以穆勒矩阵来表示，也可以采用其他表示形式，如归一化坐标系(N.C.S.)数据。

在比较仿真数据与第一信号(例如，均为穆勒矩阵形式)时，可以采用非线性拟合算法、遗传算法等。它们之间的匹配可以根据拟合优度(GoF)来判定。

图12示意性示出了根据本公开实施例的确定第二特性的流程图。

在如上所述确定了目标区域的第一特性的测量值(采用相应模型数据的仿真结果与第一光学测量***的第一信号相匹配)之后，在操作12071中，可以基于这样的模型数据，来预测模型在同样被第二光照射的情况下得到的拉曼光谱。在操作12073中，可以将预测的拉曼光谱与实际测得的第二信号(即，第二光学测量***测得的拉曼光谱)进行比较。在操作12075中，可以根据比较结果，来确定测量对象S的目标区域的第二特性，例如膜厚、应变/应力、形变、缺陷、结晶度和/或成分等。例如，可以根据预测拉曼光谱与实际测量拉曼光谱之间的偏移，来确定第二特性。

图13示意性示出了根据本公开实施例的确定第二特性的具体示例。

在图13的左上角示出了模型，其具有相应的模型数据，特别是其中的第一特性已根据第一光学测量***的测量而被较准确地确定。可以基于第二光学测量***在进行测量时的测量条件(例如，入射光的光谱、偏振态、入射角等)，对模型在相同测量条件下对第二光的拉曼散射进行计算。例如，可以计算拉曼散射光在不同层中的吸收、反射、透射和穿透深度，并据此严格预测(rigorous prediction)与膜厚和成分等相关的拉曼峰值。

可以将由此得到的预测拉曼光谱(图13的中部左侧)与第二光学测量***实际测得的拉曼光谱(图13的中部右侧)进行比较。在所示的光谱图中，横坐标表示波数，而纵坐标表示光子计数(光强)。例如，可以根据波段位置偏移，确定应力/应变、形变、压力、温度；可以根据半高全宽(FWHM)来确定结晶度、缺陷、掺杂。可以根据预测光谱与测量光谱之间的偏移量，来定量地确定第二特性。偏移量与第二特性之间的定量关系可以通过机器学习来确定。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (29)

1.一种测量设备，包括：

第一光学测量***，被配置为向测量对象的目标区域照射第一光，并探测所述测量对象的所述目标区域响应于所述第一光而产生的第一信号；

第二光学测量***，作为拉曼散射测量***，被配置为向所述测量对象的所述目标区域照射第二光，并探测所述测量对象的所述目标区域响应于所述第二光而产生的包括拉曼散射光在内的第二信号；以及

分析装置，被配置为根据所述第一信号，确定所述测量对象的所述目标区域的第一特性，并根据所述第二信号和所述第一特性，确定所述测量对象的所述目标区域的第二特性。

2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述第一光学测量***包括椭偏测量***和反射测量***中至少之一。

3.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述第一特性包括膜层的折射率和/或厚度。

4.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述椭偏测量***包括：

偏振产生臂，被配置为将入射光转换为椭圆偏振光，以作为所述第一光照射到所述目标区域；以及

偏振检测臂，被配置为检测所述第一光被所述目标区域反射的反射光。

5.根据权利要求4所述的测量设备，其中，

所述偏振产生臂包括起偏器和第一补偿器，

所述偏振检测臂包括检偏器和第二补偿器。

6.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述反射测量***包括：

偏振产生臂，被配置为将入射光转换为线偏振光，以作为所述第一光照射到所述目标区域；以及

偏振检测臂，被配置为检测所述第一光被所述目标区域反射的反射光。

7.根据权利要求6所述的测量设备，其中，

所述偏振产生臂包括起偏器，所述偏振检测臂包括检偏器。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的测量设备，其中，所述第一光学***包括：

反射面彼此平行地对置的第一反射镜和第二反射镜，其中，所述第一反射镜被配置为接收来自所述偏振产生臂的所述第一光，所述第二反射镜被配置为接收从所述第一反射镜反射的所述第一光；

第一离轴抛物面反射镜，被配置为接收从所述第二反射镜反射的所述第一光，并将所述第一光聚焦到所述目标区域；

第二离轴抛物面反射镜，被配置为接收所述第一光被所述目标区域反射的反射光，并将所述反射光的至少一部分平行地出射；以及

反射面彼此平行地对置的第三反射镜和第四反射镜，其中，所述第三反射镜被配置为接收来自所述第二离轴抛物面反射镜的所述反射光，所述第四反射镜被配置为接收从所述第三反射镜反射的所述反射光，并将所述反射光输入到所述偏振检测臂中，

其中，所述第二反射镜与所述第一离轴抛物面反射镜一起且所述第三反射镜与所述第二离轴抛物面反射镜一起被配置为相对于所述目标区域可移动，以实现相对于所述目标区域的不同入射角。

9.根据权利要求4至7中任一项所述的测量设备，其中，所述第一光学***包括：

反射面彼此垂直地对置的第一反射镜和第二反射镜，其中，所述第一反射镜被配置为接收来自所述偏振产生臂的所述第一光，所述第二反射镜被配置为接收从所述第一反射镜反射的所述第一光；

第一离轴抛物面反射镜，被配置为接收从所述第二反射镜反射的所述第一光，并将所述第一光聚焦到所述目标区域；

第二离轴抛物面反射镜，被配置为接收所述第一光被所述目标区域反射的反射光，并将所述反射光的至少一部分平行地出射；以及

反射面彼此垂直地对置的第三反射镜和第四反射镜，其中，所述第三反射镜被配置为接收来自所述第二离轴抛物面反射镜的所述反射光，所述第四反射镜被配置为接收从所述第三反射镜反射的所述反射光，并将所述反射光输入到所述偏振检测臂中，

其中，所述第二反射镜与所述第三反射镜被配置为相对于所述目标区域可移动，以实现相对于所述目标区域的不同入射角。

10.根据权利要求7所述的测量设备，还包括：

第一离轴抛物面反射镜，被配置为接收来自所述偏振产生臂的所述第一光，并将所述第一光聚焦到所述目标区域；以及

第二离轴抛物面反射镜，被配置为接收所述第一光被所述目标区域反射的反射光，并将所述反射光的至少一部分平行地出射到所述偏振检测臂中。

11.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述第二光学测量***包括：

分束器，被配置为接收入射光，至少部分地反射所述入射光从而作为所述第二光以相对于所述目标区域实质上垂直的方向照射到所述目标区域上，并至少部分地透射所述目标区域响应于所述第二光而产生的拉曼散射光。

12.根据权利要求11所述的测量设备，其中，所述第二光学测量***还包括半波片和中性密度片，其中，所述入射光经过所述半波片和所述中性密度片之后入射到所述分束器上。

13.根据权利要求1所述的测量设备，还包括：

光源，被配置为产生入射光；以及

分束器，被配置为将所述入射光分为提供给所述第一光学测量***的第一入射光以及提供给所述第二光学测量***的第二入射光。

14.根据权利要求13所述的测量设备，其中，所述光源包括发射不同波长激光的多个激光器，所述多个激光器分别发射的激光以实质上相同的角度入射到所述分束器上以共同作为所述入射光。

15.根据权利要求13所述的测量设备，其中，所述分束器被配置为部分地透射所述入射光，以作为所述第一入射光提供给所述第一光学测量***，并部分地反射所述入射光，以作为所述第二入射光提供给所述第二光学测量***，

其中，所述测量设备还包括：反射镜，被配置为改变所述第一入射光的方向。

16.根据权利要求1所述的测量设备，还包括：

第一光源，被配置为产生提供给所述第一光学测量***的第一入射光；以及

第二光源，被配置为产生提供给所述第二光学测量***的第二入射光。

17.根据权利要求16所述的测量设备，其中，所述第一光源包括一个或多个发射特定波长的激光的激光器或广谱光源，所述第二光源包括一个或多个发射特定波长的激光的激光器。

18.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述分析装置被配置为通过以下操作来获得所述目标区域的所述第一特性：

(a)建立所述目标区域的模型，并仿真所述模型在被所述第一光学测量***测量时预期获得的仿真数据，其中所述模型具有相关联的模型数据，所述模型数据包括所述第一特性的设定值；

(b)将所述第一信号与所述仿真数据相比较；

(c)如果所述第一信号与所述仿真数据不匹配，则调整包括所述第一特性的所述设定值在内的模型数据，并重复操作(a)和操作(b)；以及

(d)如果所述第一信号与所述仿真数据相匹配，则将当前模型数据中的所述第一特性的所述设定值确定为所述目标区域的所述第一特性的测量值。

19.根据权利要求18所述的测量设备，其中，操作(b)通过非线性拟合算法或遗传算法进行。

20.根据权利要求18所述的测量设备，其中，所述第一光学测量***为椭偏测量***，所述仿真数据具有穆勒矩阵的表示形式，

其中，操作(b)包括：

对所述椭偏测量***测量的所述第一信号进行傅里叶变换，得到频率光强分量；

根据所述频率光强分量，得到所述第一信号按穆勒矩阵形式的表示；以及

将所述仿真数据的穆勒矩阵形式表示和所述第一信号的穆勒矩阵形式表示相比较。

21.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述分析装置被配置为通过以下操作来获得所述目标区域的所述第二特性：

根据所述分析装置所获得的所述目标区域的所述第一特性，预测所述目标区域在所述第二光照射下的拉曼光谱；以及

将所述第二信号与预测的拉曼光谱相比较，以确定所述目标区域的所述第二特性。

22.根据权利要求21所述的测量设备，其中，所述第二特性包括膜厚、应变/应力、形变、缺陷、结晶度、成分等中至少之一。

23.一种测量方法，包括：

通过第一光学测量***，向测量对象的目标区域照射第一光，并探测所述测量对象的所述目标区域响应于所述第一光而产生的第一信号；

通过作为拉曼散射测量***的第二光学测量***，向所述测量对象的所述目标区域照射第二光，并探测所述测量对象的所述目标区域响应于所述第二光而产生的包括拉曼散射光在内的第二信号；

根据所述第一信号，确定所述测量对象的所述目标区域的第一特性；以及

根据所述第二信号和所述第一特性，确定所述测量对象的所述目标区域的第二特性。

24.根据权利要求23所述的测量方法，其中，所述第一光学测量***包括椭偏测量***和反射测量***中至少之一，所述第一特性包括膜层的折射率和厚度。

25.根据权利要求23所述的测量方法，其中，根据所述第一信号，确定所述测量对象的所述目标区域的第一特性包括：

(a)建立所述目标区域的模型，并仿真所述模型在被所述第一光学测量***测量时预期获得的仿真数据，其中所述模型具有相关联的模型数据，所述模型数据包括所述第一特性的设定值；

(b)将所述第一信号与所述仿真数据相比较；

(c)如果所述第一信号与所述仿真数据不匹配，则调整包括所述第一特性的所述设定值在内的模型数据，并重复操作(a)和操作(b)；以及

(d)如果所述第一信号与所述仿真数据相匹配，则将当前模型数据中的所述第一特性的所述设定值确定为所述目标区域的所述第一特性的测量值。

26.根据权利要求25所述的测量方法，其中，操作(b)通过非线性拟合算法或遗传算法进行。

27.根据权利要求25所述的测量方法，其中，所述第一光学测量***为椭偏测量***，所述仿真数据具有穆勒矩阵的表示形式，

其中，操作(b)包括：

对所述椭偏测量***测量的所述第一信号进行傅里叶变换，得到频率光强分量；

根据所述频率光强分量，得到所述第一信号按穆勒矩阵形式的表示；以及

将所述仿真数据的穆勒矩阵形式表示和所述第一信号的穆勒矩阵形式表示相比较。

28.根据权利要求23所述的测量方法，其中，根据所述第二信号和所述第一特性，确定所述测量对象的所述目标区域的第二特性包括：

根据所述第一特性，预测所述目标区域在所述第二光照射下的拉曼光谱；以及

将所述第二信号与预测的拉曼光谱相比较，以确定所述目标区域的所述第二特性。

29.根据权利要求28所述的测量方法，其中，所述第二特性包括膜厚、应变/应力、形变、缺陷、结晶度、成分等中至少之一。

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