CN116435205A - 一种光谱椭偏测量*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱椭偏测量***，包括：光源，用于提供偏振态的入射光；第一反射式投影物镜，位于光源与待测样品之间的光路内，用于将入射光会聚到待测样品的表面，以形成检测光斑；第二反射式投影物镜，对称第一反射式投影物镜地设置于待测样品与分光器之间的光路，用于从待测样品的表面获取光斑的反射光，并对反射光进行准直处理；分光器，获取第二反射式投影物镜输出的反射光，并对反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分入射角度的分光光束；以及至少一台探测器，获取分光器输出的多束分光光束，并根据多束分光光束的偏振态参数确定待测样品表面的薄膜信息。

Description

一种光谱椭偏测量***

技术领域

本发明涉及半导体量测设备，具体涉及了一种光谱椭偏测量***。

背景技术

随着半导体工艺节点的不断减小，晶圆制造厂对量测设备的性能水平要求也越来越高。传统光谱椭偏技术是一种非接触式测量技术，在半导体制造中用来监测和控制一层或多层膜层的制作过程。这个量测过程中监测和控制的主要信息参数包括膜层的厚度、材料折射率、消光系数、光学关键尺寸等信息。

光谱椭偏仪的技术原理主要利用起偏器形成一束已知偏振态的光入射到样品（例如：晶圆）表面，其反射光的偏振态将发生改变。之后，光谱椭偏仪可以通过验偏器和光电转化器件来接收反射光，并通过对光偏振态信息的处理来反演出膜层的信息。目前，市面上国内外绝大多数光谱椭偏***的入射光光轴与出射光光轴均为单一恒定值，并以此为光轴中心，对称分布一个光锥角度的光线范围进行入射及接收。按照菲涅耳（Fresnel）反射率计算公式，不同的入射角度（Angle of incidence，AOI）会改变出射光的偏振态。由于实际光束聚焦入射晶圆的光锥角越大，出射光的偏振态信息越不一致，越不利于算法反演。反之，若光锥角越小，则聚焦在晶圆上的光斑尺寸因衍射影响就会导致弥散斑越大。也就是说，光束光锥角度在晶圆上的入射角度（AOI）范围较大，就容易导致接收光的偏振态信息混叠，从而影响膜厚、光学关键尺寸等信息的反演精度。但是，如果缩小光束光锥角，又无法实现较小光斑的聚焦。

针对上述问题，现有技术中采用的是分离式多角度接收光路架构，即在入射端和出射端左右两侧均使用离轴两反物镜架构来分割入射角度。但是，这种架构一方面会导致偏振态分布不均匀，另一方面会提高***的装调灵敏度。而且，这种非对称形式的光路设置对每一路角度均需要设置不同的切趾滤光片，设计及工程实现上相对复杂。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本领域亟需一种光谱椭偏测量技术，能够将总的入射光锥角拆分为多个分角，并基于多个分光光束分别确定待测晶圆表面的薄膜信息，从而解决光斑大小和入射光锥角之间的矛盾。此外，通过采用凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜来组成同轴式的反射式投影物镜，再结合对称开孔的光阑，本发明还可以使光线的偏振态分布均匀，因而不再需要使用切趾滤光片，能够简化设计结构，并降低***的装调灵敏度。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种光谱椭偏测量***，能够将总的入射光锥角拆分为多个分角，并基于多个分光光束分别确定待测晶圆表面的薄膜信息，从而解决光斑大小和入射光锥角之间的矛盾。此外，通过采用同轴式的反射式投影物镜，该光谱椭偏测量***还可以使光线的偏振态分布均匀，从而简化设计结构，并降低***的装调灵敏度。

具体来说，根据本发明的一方面提供了一种光谱椭偏测量***，包括：光源，用于提供偏振态的入射光；第一反射式投影物镜，位于光源与待测样品之间的光路内，用于将该入射光会聚到待测样品的表面，以形成检测光斑；第二反射式投影物镜，对称第一反射式投影物镜地设置于待测样品与分光器之间的光路，用于从该待测样品的表面获取该光斑的反射光，并对该反射光进行准直处理；分光器，获取该第二反射式投影物镜输出的反射光，并对该反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束；以及至少一台探测器，获取该分光器输出的多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜信息。

可选地，在发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量***还包括起偏器，其中，该起偏器位于该光源与该第一反射式投影物镜之间，用于对该光源输出的光束进行偏振处理，以向该第一反射式投影物镜提供该偏振态的入射光。

可选地，在发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量***还包括验偏器，其中，该验偏器位于该第二反射式投影物镜与该分光器之间，用于对该第二反射式投影物镜输出的反射光进行偏振处理，以经由该分光器向该探测器提供反映了偏振态变化的输出光。

可选地，在发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量***还包括两个切趾滤光片，其中，第一切趾滤光片被设置于该起偏器与该第一反射式投影物镜之间，第二切趾滤光片被设置于该第二反射式投影物镜与该分光器之间，该第一切趾滤光片及该第二切趾滤光片具有相同的光学参数。

可选地，在发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量***还包括反射式准直模组，其中，该反射式准直模组由平面反射镜及球面反射镜组成，并位于该光源与该起偏器之间，用于对该光源输出的发散光束进行准直处理，并将准直获得的平行光束传输到该起偏器。

可选地，在发明的一些实施例中，该反射式投影物镜由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，其中，该入射光经由该第一反射式投影物镜的第一通光孔穿过第一凹面反射镜以到达第一凸面反射镜，由该第一凸面反射镜进行发散反射以到回到该第一凹面反射镜，再由该第一凹面反射镜进行会聚反射以会聚到该待测样品的表面。该反射光经由该第二反射式投影物镜的第二凹面反射镜会聚反射到第二凸面反射镜，再由该第二凸面反射镜进行准直反射，以经由第二通光孔输出该第二反射式投影物镜。

可选地，在发明的一些实施例中，该第一凹面反射镜入射至该待测样品的表面的入射光角度范围分别为54.6°~62°及72°~79.4°，其数值孔径为0.215。该分光器输出的多束该分光光束对应的入射光角度分别为58.3°及75.7°，其分离角度光锥的角度范围均为7.4°，其对应的数值孔径为0.065。可选地，在发明的一些实施例中，该起偏器与该第一投影物镜的间距L满足

，其中，D为该第一凹面反射镜的通光孔直径，θ为该起偏器分离出的o光与e光的夹角。

可选地，在发明的一些实施例中，该分光器选用分光棱镜，该光谱椭偏测量***包括多台该探测器，其中，该分光棱镜对该反射光进行关于入射角度的空间分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束，多台该探测器被分别设置于该分光棱镜的多个出光方向，同时获取多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜信息。

可选地，在发明的一些实施例中，该分光器选用孔径光阑轮，该光谱椭偏测量***包括一台该探测器，其中，该孔径光阑轮发生旋转，以对该反射光进行关于入射角度的时间分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束，该探测器被设置于该孔径光阑轮的一个出光方向，分时获取多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜信息。

可选地，在发明的一些实施例中，该分光器选用孔径光阑片，该光谱椭偏测量***包括一台该探测器，其中，该孔径光阑片包括遮挡不同入射角度的多个分光通道，该孔径光阑片发生位移，经由各该分光通道对该反射光进行关于入射角度的时间分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束，该探测器被设置于该孔径光阑片的一个出光方向，分时获取多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜信息。

可选地，在发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量***中还可以包括驱动机构，用于驱动孔径光阑轮发生旋转，或驱动孔径光阑片发生位移，以进行关于入射角度的时间分光。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本发明的一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量***的结构示意图；

图2A为图1所示的光谱椭偏测量***中的第一反射式投影物镜的结构示意图；

图2B为图1所示的光谱椭偏测量***中的第二反射式投影物镜的结构示意图；

图3为图1所示的光谱椭偏测量***中的起偏器和反射式投影物镜之间组合的结构示意图；

图4A、4B示出了根据本发明的一些实施例所提供的光谱椭偏测量***中的反射式投影物镜的两种设计架构长度与遮挡比关系示意图；

图5示出了根据本发明的一些实施例所提供的光谱椭偏测量***中的反射式投影物镜的采集两个入射角度及其对应的光锥角的示意图；

图6示出了根据本发明的一些实施例所提供的光谱椭偏测量***对应采集的不同入射角度的分布示意图；

图7A、7B示出了根据本发明的另一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量***的结构示意图；以及

图8A、8B示出了根据本发明的另一些实施例所提供的光谱椭偏测量***中的孔径光阑轮的结构示意图。

图9示出了根据本发明的一些实施例所提供的基于光谱椭偏测量方法测量膜层厚度的流程示意图。

附图说明

100、200光谱椭偏测量***；

110光源；

121第一反射式投影物镜；

122第二反射式投影物镜；

1211第一凸面反射镜；

1221第二凸面反射镜；

1212第一凹面反射镜；

1222第二凹面反射镜；

1210第一通光孔；

1220第二通光孔；

130分光棱镜；

140、141、142探测器；

150起偏器；

160验偏器；

170反射式准直模组；

171平面反射镜；

172球面反射镜；

181孔径光阑轮；

182孔径光阑片；

1811、1821上边开通、下边遮挡的孔径光阑；

1812、1822上边遮挡、下边开通的孔径光阑；

410同轴的凸球面反射镜和凹球面反射镜组合；

420同轴的凸椭球面反射镜和凹球面反射镜组合；

411、421组合长度曲线；

412、422工作距离曲线；

A上边光束；

B下边光束；

10待测样品。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

如上所述，现有技术中，传统的光谱椭偏仪***存在的问题在于入射光光轴与出射光光轴均为单一恒定值。根据入射原理，光斑大小soptsize≈1.22λ/NA，其中λ为波长，数值孔径NA=n*sinθ，n为空气折射率，θ为光束的光锥角。如果光束光锥角在晶圆上的入射角度（AOI）范围较大，就容易导致接收光的偏振态信息混叠，从而影响膜厚、光学关键尺寸等信息的反演精度。反之，如果缩小光束光锥角，又无法实现较小光斑的聚焦。尽管现有技术能够采用分离式多角度接收光路架构来解决上述问题，但是这种架构的入射端和出射端左右两侧均采用离轴两反物镜架构，一方面会导致偏振态分布不均匀，另一方面还会提高***的装调灵敏度。并且，这种非对称形式的光路设置对每一路角度均需要设置不同的切趾滤光片，设计及工程实现上相对复杂。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光谱椭偏测量***，能够将总的入射光锥角拆分为多个分角，并基于多个分光光束分别确定待测晶圆表面的薄膜信息，从而解决光斑大小和入射光锥角之间的矛盾。此外，通过采用凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜来组成同轴式的反射式投影物镜，再结合对称开孔的光阑，该光谱椭偏测量***还可以使光线的偏振态分布均匀，因而不再需要使用切趾滤光片，能够简化设计结构，并降低***的装调灵敏度。

在本发明的一些非限制性的实施方式中，光谱椭偏测量***主要包括：光源，光源，用于提供偏振态的入射光；第一反射式投影物镜，位于光源与待测样品之间的光路内，用于将入射光会聚到待测样品的表面，以形成检测光斑；第二反射式投影物镜，对称第一反射式投影物镜地设置于待测样品与分光器之间的光路，用于从待测样品的表面获取光斑的反射光，并对反射光进行准直处理；分光器，获取第二反射式投影物镜输出的反射光，并对反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分入射角度的分光光束；以及至少一台探测器，获取分光器输出的多束分光光束，并根据多束分光光束的偏振态参数确定待测样品表面的薄膜信息。

请参看图1，图1示出了根据本发明的一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量***的结构示意图。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，光谱椭偏测量***100可以由光源110、反射式准直模组170、起偏器150、第一反射式投影物镜121、第二反射式投影物镜122、验偏器160、分光棱镜130，以及至少一个探测器141、142组成。

具体来说，光源110用于提供偏振态的入射光。该入射光可以选用190nm-2200nm波段的宽波段光线，或者其中部分带宽的宽波段光线。常用的光源110可以包括卤素灯、氙灯、汞灯、贡氙灯、激光激发等离子体光源（Laser Driven Light Source，简称LDLS）、多色LED组合光源等。

此外，为了缩短光路，以实现整个光谱椭偏测量***100的小型化，该光源110和起偏器150之间可以优选地设有反射式准直模组170。该反射式准直模组170可以由球面反射镜171和平面反射镜172组成。具体来说，光源110输出的发散光束可以先由球面反射镜171反射至平面反射镜172，再经由该平面反射镜172将准直处理后获得的平行光束传输到起偏器150。相较于传统的折射式投影的透镜元件，本实施例中采用的通过采用反射式准直模组，能够使光源110发出的光束最大效率地耦合进入起偏器141中，从而在宽波段光线投影的应用中获得更大的出光效率及出光光强，提升薄膜信息的检测精度。

此外，起偏器150可以设置于光源110与第一反射式投影物镜121之间。进一步地，该起偏器150还可以优选地设置于反射式准直模组170和第一反射式投影物镜121之间，用于对经过反射式准直模组170准直处理后的平行光束进行偏振处理，从而向反射式投影物镜121提供线偏振态的入射光。

相对应地，在第二反射式投影物镜122与分光棱镜130之间，也可以设有验偏器160，用于对第二反射式投影物镜122输出的反射光进行偏振处理，以经由分光棱镜130向探测器提供反映了偏振态变化的输出光。在此，本发明中的起偏器150和验偏器160可以选用洛匈棱镜或格兰汤普森棱镜，两者对称分布，且具有一致的偏振参数。在椭偏量测膜厚的原理上，起偏器150和验偏器160有且不限于上述两种类型，可以经由旋转偏振器椭圆偏振法（Rotaing-polarizer ellipsometry，RPE）和旋转分析仪椭圆偏振法（Roating-analyzerellipsometry，RAE）来进行滤光。

在一些优选的实施例中，为了使光线的偏振态分布均匀，光谱椭偏测量***100中还可以优选地包括两个切趾滤光片，即高斯渐进滤光片，用以进一步缩小光斑尺寸。在此，第一切趾滤光片可以被设置于起偏器150与第一反射式投影物镜121之间，而第二切趾滤光片可以被设置于第二反射式投影物镜122与分光器130之间。第一切趾滤光片和第二切趾滤光片可以保持一致的设计，例如具有相同的光学参数。由于本发明中的光谱椭偏测量***100采用的是同轴两反射式投影物镜121、122来聚焦和准直的对称架构，相比于现有技术中采用离轴结构，本发明不再需要分别设计不同结构的切趾滤光片，而只需要在输入光路及反射光路上设置相同的切趾滤光片就可以实现滤光，因此简化设计结构，使其工程实现更为简单，***的装调灵敏度也更低。

可选地，在本发明中，起偏器150和验偏器160中的至少一者可以被安装在绕光轴360°旋转的电机上。之后，起偏器150和验偏器160可以通过该电机旋转来进行相对旋转，并进行光谱偏振信号的采集。当电机以角速度ω进行旋转时，探测器130即可采集到如下的周期调制信号：

I(t)=I0·(1+αcos2ωt+βsin2ωt)

进一步地，为了能够透过190nm-2500nm宽带紫外到近红外光谱，起偏器150和验偏器160的材料可以优选为氟化镁（MgF₂）。

此外，在图1所示的实施例中，第一反射式投影物镜121和第二反射式投影物镜122可以分别对称设置于待测样品（例如：待测晶圆）10的两侧。第一反射式投影物镜121同轴设置于光源110与待测样品10之间的光路，用于将入射光会聚到待测样品10的表面，以形成检测光斑。第二反射式投影物镜122同轴设置于待测样品10与分光棱镜130之间的光路，作为反射式接收物镜，用于从待测样品10的表面获取该检测光斑的反射光，并对反射光进行准直处理，形成平行光出射。通过采用同轴式的反射式投影物镜121、122，该光谱椭偏测量***10可以使光线的偏振态分布均匀，从而简化设计结构，并降低***的装调灵敏度。

本实施例中，第一反射式投影物镜121和第二反射式投影物镜122的结构相同，且位置对称。接下来以第一反射式投影物镜121为例来具体介绍该反射式投影物镜的结构。请参看图2A及图2B，图2A及图2B为图1所示的光谱椭偏测量***中的反射式投影物镜的结构示意图。

如图2A所示，第一反射式投影物镜121可以由第一凸面反射镜1211和带有第一通光孔1210的第一凹面反射镜1212组成。经过起偏器150射出的偏振态的入射光先经由第一通光孔1210穿过第一凹面反射镜1212，到达位于其前方的第一凸面反射镜1211，再由该第一凸面反射镜1211进行发散反射以到回到第一凹面反射镜1212，之后再由该第一凹面反射镜1212进行会聚反射，从而使得光线会聚到第一反射式投影物镜121的焦点处。理想状态下，经过第一反射式投影物镜121的光线可以会聚到待测样品10表面的待测区域，并形成适应尺寸的检测光斑。

如图2B所示，从待测样品10表面反射出的反射光经由第二反射式投影物镜122的第二凹面反射镜1222会聚反射到第二凸面反射镜1221，再由第二凸面反射镜12221进行准直反射，以经由第二通光孔1220输出第二反射式投影物镜122。

请进一步参看图3，图3为图1所示的光谱椭偏测量***中的起偏器和第一反射式投影物镜之间组合的结构示意图。

如图3所示，由于入射光经过起偏器150会产生两条折射光线，即寻常光线（ordinary ray，也称o光）及超常光线（extraordinary ray，也称e光）。该o光完全满足折射定律，在入射面内传播，而该e光的光线不满足折射定律，其入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数，通常也不在入射面内传播。为了提高杂散光抑制水平，在一些实施例中，本发明可以优选地将起偏器150与第一反射式投影物镜121之间的间距L调整为

，其中，D为凹面反射镜1212的通光孔1210的直径，/>

为起偏器150分离出的o光与e光的夹角。如此，该第一反射式投影物镜121即可确保起偏器150出射来的e光不进入投影物镜121中。

本领域的技术人员可以理解，上述通过使起偏器150与投影物镜121之间的间距L满足

来抑制入射杂散光的方案，只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。

更进一步地，本实施例中第一反射式投影物镜121可以采用同轴两反结构，即两片反射镜可以是同轴的凸球面反射镜和凹球面反射镜的组合，也可以是同轴的凸椭球面反射镜和凹球面反射镜的组合。

请结合参看图2A、图4A和图4B。图4A示出了同轴的凸球面反射镜和凹球面反射镜组合410的组合长度和中心遮挡比的变化趋势。图4B示出了同轴的凸椭球面反射镜和凹球面反射镜组合420的组合长度和中心遮挡比的变化趋势。在图2A和图4A中，曲线411表示凸球面反射镜和凹球面反射镜组合410的组合长度随中心遮拦比的变化，而曲线412表示凸球面反射镜1211到反射式投影物镜121的焦点的工作距离随中心遮拦比的变化。相应地，在图2A和图4B中，曲线421表示凸椭球面反射镜和凹球面反射镜组合420的组合长度随中心遮拦比的变化，而曲线422表示凸椭球面反射镜1211到反射式投影物镜121的焦点的工作距离随中心遮拦比的变化。

上述两种反射式投影物镜的区别在于，同轴的凸球面反射镜和凹球面反射镜组合410方案的公差灵敏度松，装调较容易，而同轴的凸椭球面反射镜和凹球面反射镜组合420方案的公差灵敏度相对紧，装调难度大。相对地，相比于同轴的凸球面反射镜和凹球面反射镜组合410方案，在参数相同且中心遮拦比一致时，同轴的凸椭球面反射镜和凹球面反射镜组合420的总长度更紧凑。

请继续参看图1，在本发明的一些实施例中，分光棱镜130可以从第二反射式投影物镜122及验偏器160接收经过准直及偏振处理的发生过偏振态变化的反射光，并对该反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束。之后，分光棱镜130可以将各分光光束分别输出至多台探测器141、142，以供其根据该多束分光光束的偏振态参数确定待测样品10表面的薄膜信息。

具体来说，在图1所示的实施例中，分光棱镜130可以选用三角分光棱镜，用于对验偏器160反射光进行关于入射角度的空间分光，以输出两束基于部分入射角度的分光光束。探测器141和142可以选用光谱仪，并被分别设置于分光棱镜130的两个出光方向，用于同时获取两束分光光束，并根据这两束分光光束的偏振态参数确定待测样品10表面的薄膜信息。相比于直接采用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)阵列或PD（Photo-Diode，光电二极管）阵列接收反射光的实施方式，光谱仪能够对收到的输出光进行光谱分光，从而分析薄膜在不同波长的检测光下的材料折射率、消光系数等薄膜信息，以适应宽波段光线的分析需求。

进一步地，请参看图5和图6。图5示出了根据本发明的一些实施例所提供的光谱椭偏测量***中的反射式投影物镜的采集两个入射角度及其对应的光锥角的示意图。图6示出了根据本发明的一些实施例所提供的光谱椭偏测量***对应采集的不同入射角度的分布示意图。

在图5和图6所示的实施例中，第一反射式投影物镜121入射至待测样品10表面的角度范围θ在54.6°~62°以及72°~79.4°之间，其数值孔径（Numerical aperture，简称NA）为0.215。第二反射式投影物镜122采用子孔径分离接收两种入射角度的反射光线，并将其输出到分光棱镜130，以进行关于入射角度的空间分光，并输出入射角度（AOI）为54.6°~62°以及72°~79.4°的两束分光光束。探测器142和141可以在θ1=58.3°和θ2=75.7°的位置分别接收这两束分光光束，并根据这两束分光光束的偏振态参数确定待测样品10表面的薄膜信息。在此，由于入射光线保持了24.8°的入射角度（AOI），其聚焦在待测样品10上的光斑将被控制在较小的尺寸，以利于提高光谱椭偏测量***100的检测精度。此外，由于每个分光光束的分离角度光锥的角度范围均为7.4°，即NA为0.065，其偏振态信息的一致性显著提高，因而有利于提高膜厚、光学关键尺寸等信息的算法反演精度。

可选地，请参看图7A、7B和8A。图7A、7B示出了根据本发明的另一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量***的结构示意图。图8A示出了根据本发明的另一些实施例所提供的光谱椭偏测量***中的孔径光阑轮的结构示意图。

如图7A、7B和8A所示，在本发明的一些实施例中，上述分光棱镜130还可以被替换为孔径光阑轮181，以对验偏器160输出的反射光进行关于入射角度的时间分光。相应地，该实施例中的光谱椭偏测量***200只需要配置一台探测器140，即可分时获取多束分光光束，并根据该多束分光光束的偏振态参数确定待测样品10表面的薄膜信息。该光谱椭偏测量***200中的其余结构皆可参考上述实施例的光谱椭偏测量***100，在此不再赘述。

具体来说，在基于图7A、7B和8A所示的光谱椭偏测量***200进行光谱椭偏测量时，光源110提供的偏振态的入射光可以如上所述地经由第一反射式投影物镜121会聚到待测样品10的表面，以形成检测光斑，从待测样品10表面反射的光，则由对称设置的第二反射式投影物镜122接收并准直处理形成平行光出射，再通过验偏器160后到达孔径光阑轮181。孔径光阑轮181可以通过电机带动发生旋转。两束分光光束中的上边光束A可以通过孔径光阑轮181中上边开通、下边遮挡的孔径光阑1811，沿出光方向传输到探测器140。两束分光光束中的下边光束B可以通过孔径光阑轮181中上边遮挡、下边开通的孔径光阑1812，沿出光方向传输到探测器140。如此，孔径光阑轮181即可对该束反射光进行关于入射角度的时间分光，从而输出多束基于部分入射角度的分光光束。

也就是说，在本实施例中，探测器140可以被设置于孔径光阑轮181的一个出光方向。孔径光阑轮181可以在时间上先后让两束光分别单独通过该出光孔进入到同一探测器140内，以使该探测器140在时序上先后采样两束光。如此，该探测器140即可分时获取多束分光光束，并根据多束分光光束的偏振态参数确定待测样品10表面的薄膜信息。此外，通过采用对称开孔的孔径光阑轮181来进行关于入射角度的时间分光，本发明可以实现均匀偏振态分布，从而进一步简化设计结构。

可选地，请参看图8B。图8B示出了根据本发明的另一些实施例所提供的光谱椭偏测量***中的孔径光阑轮的结构示意图。在图8B所示的另一些实施例中，孔径光阑轮181也可以由直线运动电机驱动的孔径光阑片182替换，通过直线的切入切出动作，以切换至对应通闭的孔径光阑。具体来说，如图7A及8B所示，两束分光光束中的上边光束A可以通过孔径光阑片182中上边开通、下边遮挡的孔径光阑1821，沿出光方向传输到探测器140。如图7B及8B所示，两束分光光束中的下边光束B可以通过孔径光阑片182中上边遮挡、下边开通的孔径光阑1822，沿出光方向传输到探测器140。

综合比较图1所示的基于空间分光的光谱椭偏测量***100，以及图7A、7B所示的基于时间分光的光谱椭偏测量***200，光谱椭偏测量***100对于反射光的吞吐量（throughput）较高，可同时一次采集两种AOI角度，但需要两台或两台以上的探测器进行接收，这也会对探测器之间的一致性要求较高。反之，光谱椭偏测量***200对于反射光的吞吐量（throughput）较低，需要时间上先后两次采样，对平台环境的稳定性要求较高，但只需要一台探测器进行接收。从设备成本的角度上来说，光谱椭偏测量***100需要更多的探测器，而光谱椭偏测量***200只需要增加运动机构来控制孔径光阑的切换，因此在实际应用中，可以采用时间分光的光谱椭偏测量***200来优化成本。

进一步地，在本发明的上述实施例中，由于光谱椭偏测量***100、200采用的都是同轴两反射式投影物镜121、122来聚焦和准直的对称架构，并且上述孔径光阑轮181的小孔1811、1812设计也有对称性，分离子孔径所对应的光束也具有对称性，因而只需要在输入光路及反射光路上设置相同的切趾滤光片就可以实现滤光，从而简化设计结构，使其工程实现更为简单，***的装调灵敏度也更低。

此外，根据本发明的另一方面，本文还提供了一种光谱椭偏测量方法。该方法以计算机指令的形式，存储于光谱椭偏测量***的存储器，并被连接该存储器的处理器执行，以实现基于多个不同入射光锥角的光谱数据确定半导体器件表面的膜层厚度、材料折射率、消光系数、光学关键尺寸等膜层信息的功能。

请参考图9，图9示出了根据本发明的一些实施例所提供的基于光谱椭偏测量方法测量膜层厚度的流程示意图。

如图9所示，在进行光谱椭偏测量的过程中，光谱椭偏测量***的处理器可以首先调节起偏器150与验偏器160的相对角度，以获取多组基于不同入射角度采集的实测光谱数据。在此，该多组实测光谱数据可以是基于上述空间分光的实施方式采集的，也可以是基于上述时间分光的实施方式采集的，并被如下表示：

其中，

为对应第一入射光锥角/>

的第一光强，

对应第二入射光锥角/>

的第二光强，/>

和/>

是光谱数据中的椭偏变量，/>

为椭偏变量/>

、/>

与光强/>

的关系函数，P为起偏器150的安装角度，A为验偏器的安装角度，A-P为起偏器150与验偏器160的相对角度。

例如，技术人员可以固定起偏器角度P不变，并改变检偏器的角度A，以获得上述多组基于不同入射角度

采集的实测光谱数据。

又例如，技术人员也可以固定起验器角度A不变，并改变起偏器的角度P，以同样获得上述多组基于不同入射角度

采集的实测光谱数据。

又例如，技术人员也可以同时改变起偏器角度P和检偏器的角度A，以同样获得上述多组基于不同入射角度

采集的实测光谱数据。

之后，光谱椭偏测量***可以将上述多组基于不同入射角度采集的实测光谱数据，代入预先建立的理论光谱模型，以分别确定基于各入射角度

的实测椭偏函数值。

具体来说，基于多种入射角度建立的理论光谱模型，可以被如下表示：

其中，

和/>

是光谱数据中的椭偏变量，/>

和/>

分别为各入射角序号i的理论光谱模型中，理论椭偏函数值关于膜层厚度参数（即thickness）的关系函数。

光谱椭偏测量***可以先根据上述多组基于不同入射角度采集的实测光谱数据

和/>

，求解确定实测的光谱参数/>

和

，再将其分别代入对应序号i的理论光谱模型，以计算获得对应于各入射角序号i的实测椭偏函数值，即：

再之后，光谱椭偏测量***可以多次改变上述理论光谱模型的膜层厚度参数（即

），以分别获得多个理论椭偏函数值/>

，再将其与对应的实测椭偏函数值/>

分别进行对比及误差分析，以确定光谱拟合误差。

在此，光谱拟合误差可以被如下表示：

其中，

，/>

分别是针对入射角/>

和/>

的光谱添加的权重，

，而M是数据点数。

如此，光谱椭偏测量***即可在光谱拟合的过程中添加权重，并在误差

小于预设阈值时，确定半导体器件表面的膜层厚度。

进一步地，在一些实施例中，由于不同薄膜材料具有不同的布儒斯特角，光谱椭偏测量系还有统还可以优选地增加接近薄膜材料地布儒斯特角的光谱权重，以进一步提升膜厚量测的灵敏度。

由此，相比基于单一恒定的入射光锥角进行光谱椭偏测量的现有技术，本发明可以通过改变权重，选择性增加或减少不同入射角度光谱的贡献，因而能够全面地适应各种不同薄膜材料的测量需求。

此外，通过构建关于多个入射角范围的理论光谱模型，并对应地引入多组基于不同入射角度的实测光谱数据，本发明还有效地增加了光谱拟合的拟合点数，从而降低了拟合误差。

本领域的技术人员可以理解，上述基于膜层厚度参数（即thickness）构建的理论光谱模型，只是本发明提供的一种适应膜层厚度测量需求的具体实施例，旨在清楚地展示本发明的主要构思，而非用于限制性本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，适应测量半导体器件表面薄膜的材料折射率、消光系数、光学关键尺寸等信息的实际需求，本领域的技术人员还可以对应地建立关于材料折射率、消光系数、光学关键尺寸等参数的理论光谱模型，并如上所述地进行光谱拟合，以根据光谱拟合误差来确定对应的薄膜信息，在此不再一一赘述。

综上所述，本发明提供的上述光谱椭偏测量***及光谱椭偏测量方法，能够将总的入射光锥角拆分为多个分角，并基于多个分光光束分别确定待测样品表面的薄膜信息，从而解决光斑大小和入射光锥角之间的矛盾。此外，通过采用凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜来组成同轴式的反射式投影物镜，再结合对称开孔的光阑，本发明还可以使光线的偏振态分布均匀，因而不再需要使用切趾滤光片，能够简化设计结构，并降低***的装调灵敏度。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (13)

1.一种光谱椭偏测量***，其特征在于，包括：

光源，用于提供偏振态的入射光；

第一反射式投影物镜，位于所述光源与待测样品之间的光路内，用于将所述入射光会聚到所述待测样品的表面，以形成检测光斑；

第二反射式投影物镜，对称所述第一反射式投影物镜地设置于所述待测样品与分光器之间的光路，用于从所述待测样品的表面获取所述光斑的反射光，并对所述反射光进行准直处理；

所述分光器，获取所述第二反射式投影物镜输出的反射光，并对所述反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分所述入射角度的分光光束；以及

至少一台探测器，获取所述分光器输出的多束所述分光光束，并根据多束所述分光光束的偏振态参数确定所述待测样品表面的薄膜信息。

2.如权利要求1所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，还包括起偏器，其中，所述起偏器位于所述光源与所述第一反射式投影物镜之间，用于对所述光源输出的光束进行偏振处理，以向所述第一反射式投影物镜提供所述偏振态的入射光。

3.如权利要求1或2所述光谱椭偏测量***，其特征在于，还包括验偏器，其中，所述验偏器位于所述第二反射式投影物镜与所述分光器之间，用于对所述第二反射式投影物镜输出的反射光进行偏振处理，以经由所述分光器向所述探测器提供反映了偏振态变化的输出光。

4.如权利要求2所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，还包括两个切趾滤光片，其中，第一切趾滤光片被设置于所述起偏器与所述第一反射式投影物镜之间，第二切趾滤光片被设置于所述第二反射式投影物镜与所述分光器之间，所述第一切趾滤光片及所述第二切趾滤光片具有相同的光学参数。

5.如权利要求2所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，还包括反射式准直模组，其中，所述反射式准直模组由平面反射镜及球面反射镜组成，并位于所述光源与所述起偏器之间，用于对所述光源输出的发散光束进行准直处理，并将准直获得的平行光束传输到所述起偏器。

6.如权利要求2所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述反射式投影物镜由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，其中，

所述入射光经由所述第一反射式投影物镜的第一通光孔穿过第一凹面反射镜以到达第一凸面反射镜，由所述第一凸面反射镜进行发散反射以到回到所述第一凹面反射镜，再由所述第一凹面反射镜进行会聚反射以会聚到所述待测样品的表面，

所述反射光经由所述第二反射式投影物镜的第二凹面反射镜会聚反射到第二凸面反射镜，再由所述第二凸面反射镜进行准直反射，以经由第二通光孔输出所述第二反射式投影物镜。

7.如权利要求6所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述第一凹面反射镜入射至所述待测样品的表面的入射光角度范围分别为54.6°~62°及72°~79.4°，其数值孔径为0.215，

所述分光器输出的多束所述分光光束对应的入射光角度分别为58.3°及75.7°，其分离角度光锥的角度范围均为7.4°，其对应的数值孔径为0.065。

8.如权利要求6所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述凸面反射镜为凸球面反射镜，所述凹面反射镜为凹球面反射镜，或者

所述凸面反射镜为凸椭球面反射镜，所述凹面反射镜为凹球面反射镜。

9.如权利要求6所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述起偏器与所述第一投影物镜的间距L满足

，其中，D为所述第一凹面反射镜的通光孔直径，/>

为所述起偏器分离出的o光与e光的夹角。

10.如权利要求1所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述分光器选用分光棱镜，所述光谱椭偏测量***包括多台所述探测器，其中，

所述分光棱镜对所述反射光进行关于入射角度的空间分光，以输出多束基于部分所述入射角度的分光光束，

多台所述探测器被分别设置于所述分光棱镜的多个出光方向，同时获取多束所述分光光束，并根据多束所述分光光束的偏振态参数确定所述待测样品表面的薄膜信息。

11.如权利要求1所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述分光器选用孔径光阑轮，所述光谱椭偏测量***包括一台所述探测器，其中，

所述孔径光阑轮发生旋转，对所述反射光进行关于入射角度的时间分光，以输出多束基于部分所述入射角度的分光光束，

所述探测器被设置于所述孔径光阑轮的一个出光方向，分时获取多束所述分光光束，并根据多束所述分光光束的偏振态参数确定所述待测样品表面的薄膜信息。

12.如权利要求1所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，所述分光器选用孔径光阑片，所述光谱椭偏测量***包括一台所述探测器，其中，

所述孔径光阑片包括遮挡不同入射角度的多个分光通道，所述孔径光阑片发生位移，经由各所述分光通道对所述反射光进行关于入射角度的时间分光，以输出多束基于部分所述入射角度的分光光束，

所述探测器被设置于所述孔径光阑片的一个出光方向，分时获取多束所述分光光束，并根据多束所述分光光束的偏振态参数确定所述待测样品表面的薄膜信息。

13.如权利要求11或12所述的光谱椭偏测量***，其特征在于，还包括：

驱动机构，用于驱动所述孔径光阑轮发生旋转，或驱动所述孔径光阑片发生位移，以进行所述关于入射角度的时间分光。

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