專利名稱：包含參考光束的垂直入射光譜儀及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種包含參考光束的垂直入射光譜儀及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，利用光學(xué)測(cè)量技術(shù)來快速精確地檢測(cè)半導(dǎo)體薄膜的厚度、材料特性及周期性結(jié)構(gòu)的三維形貌是控制生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用于集成電路、平板顯示器、硬盤、太陽能電池等包含薄膜結(jié)構(gòu)的工業(yè)中。利用不同材料、不同結(jié)構(gòu)的薄膜在不同波長(zhǎng)對(duì)不同偏振態(tài)的入射光具有不同的反射率，其反射光譜具有獨(dú)特性。當(dāng)今先進(jìn)的薄膜及三維結(jié)構(gòu)測(cè)量設(shè)備，如橢圓偏振儀和光學(xué)臨界尺度測(cè)量?jī)x(OpticalCritical Dimension，簡(jiǎn)稱O⑶)要求滿足盡量寬的光譜測(cè)量能力以增加測(cè)量精確度，通常為190nm至lOOOnm。在薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)已知的情況下,薄膜反射光譜可通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出。當(dāng)存在未知結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，例如薄膜厚度，薄膜光學(xué)常數(shù)，表面三維結(jié)構(gòu)等，可通過回歸分析，擬合測(cè)量與模擬計(jì)算光譜，從而得出未知結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般來說，對(duì)半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)測(cè)量通常有兩種方法，絕對(duì)反射率測(cè)量法和橢圓偏振測(cè)量法。如中國(guó)專利申請(qǐng)201110032744.8中所述，使用絕對(duì)反射率測(cè)量法測(cè)量時(shí)，需要先使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)量，并記錄標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量結(jié)果作為參考值，然后再測(cè)量待測(cè)樣品，并將待測(cè)樣品的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量得到的參考值相比，從而得到待測(cè)樣品的相對(duì)真實(shí)值。由于光源本身的原因，在實(shí)際測(cè)量過程中，其光譜強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生變化(漂移)。理論上一般假定光源的光譜強(qiáng)度在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品時(shí)是完全一樣的，但實(shí)際上，由于對(duì)待測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品無法在同一時(shí)刻測(cè)量，光源的光譜強(qiáng)度變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。鑒于上述原因，本領(lǐng)域的技術(shù)人員提出了利用參考光束來校準(zhǔn)光源起伏。即將光源發(fā)出的光分為兩束，其中一束作為探測(cè)光記錄樣品的光學(xué)信息，另一束作為參考光，通過對(duì)參考光束的測(cè)量，可以分別記錄測(cè)量參考樣品和待測(cè)樣品時(shí)光源的光譜強(qiáng)度，從而校正測(cè)量過程中光源的光譜強(qiáng)度變化，提高測(cè)量精度。測(cè)量設(shè)備通常分為相對(duì)于樣品表面垂直入射的光學(xué)系統(tǒng)和相對(duì)于樣品表面傾斜入射的光學(xué)系統(tǒng)。垂直入射的光學(xué)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)更加緊湊，通?？膳c其他工藝設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與測(cè)量的整合及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有技術(shù)中，利用參考光束校準(zhǔn)的垂直入射光譜儀的實(shí)現(xiàn)方法主要有以下兩種:(I)如圖1所示，光源101出射的發(fā)散光經(jīng)透鏡102后，平行入射至分光器103，經(jīng)過分光器103透射通過后的光作為探測(cè)光束，被分光器103反射的光作為參考光束。探測(cè)光束經(jīng)透鏡104會(huì)聚后聚焦至樣品105表面，樣品105表面的反射光經(jīng)透鏡104反射后，垂直入射分光器103，經(jīng)分光器103反射后的探測(cè)光束，經(jīng)透鏡107會(huì)聚，入射至探測(cè)器108，獲得樣品表面的反射光譜；參考光束垂直入射至平面反射鏡106，經(jīng)平面反射鏡106反射后垂直入射分光器103，經(jīng)分光器103透射后的參考光束也經(jīng)透鏡107會(huì)聚，入射至探測(cè)器108，獲得包含光源光譜特征的參考光譜(例如，參見美國(guó)專利N0.7067818B2、N0.7189973B2和N0.7271394B2、美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2005/0002037A1)。在這種光譜儀中，可以利用控制光闌來選擇所需測(cè)量的光束。這種方法具有如下好處:可以校準(zhǔn)光源起伏，但由于采用了分光器，這種光譜儀也存在以下問題:①光通量低，整個(gè)測(cè)量個(gè)過程中，光束由光源需經(jīng)同一分光器透射和反射各一次，進(jìn)入探測(cè)器。假設(shè)分光器為透射率和反射率各50%，探測(cè)光束和參考光束所能達(dá)到的最大光通量比率僅為25% ;②若同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光斑及較寬的光譜范圍，需解決色散的問題，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本都較高。(2)在光路中插入一個(gè)平面反射鏡，使光源發(fā)出的光一部分入射到平面反射鏡上，另一部分從平面反射鏡的邊緣通過。經(jīng)平面反射鏡反射后的光束作為探測(cè)光垂直入射到樣品表面，從平面反射鏡邊緣通過的光束作為參考光束，探測(cè)光束和參考光束分別進(jìn)入兩個(gè)不同的光譜計(jì)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量(例如，參見美國(guó)專利N0.5747813和N0.6374967B1)。這種方法具有如下好處:在測(cè)量過程中探測(cè)光束和參考光束可同時(shí)測(cè)量，精準(zhǔn)地校正了光源的光譜和強(qiáng)度變化；系統(tǒng)中光強(qiáng)的損耗較小，利用率高。但由于使用了兩個(gè)不同的光譜計(jì)，其光電轉(zhuǎn)化效率不盡相同，波長(zhǎng)分布和分辨率也不盡相同，不易校準(zhǔn)系統(tǒng)，反而會(huì)降低測(cè)量精度，另一方面，這種方案的光路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易調(diào)節(jié)，并且兩個(gè)光譜計(jì)會(huì)增大設(shè)備體積，增加設(shè)備成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、光通效率高、測(cè)量精度高、且易于實(shí)現(xiàn)的利用參考光束校準(zhǔn)光源光譜變化的包含參考光束的垂直入射光譜儀及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種包含參考光束的垂直入射光譜儀包括光源、第一反射單元、第一聚光單元、第二聚光單元、第二反射單元和探測(cè)單元；所述第一反射單元用于將光源發(fā)出的光分為探測(cè)光束和參考光束兩部分，并將這兩部分光束分別入射至所述第一聚光單元和所述第二聚光單元；所述第一聚光單元用于接收所述探測(cè)光束，使其通過后變成會(huì)聚光束垂直地聚焦到樣品上；所述第二聚光單元用于接收所述參考光束，并將其入射至所述第二反射單元；所述第二反射單元用于同時(shí)或分別接收從樣品反射的經(jīng)過所述第一聚光單元的探測(cè)光束和通過所述第二聚光單元的參考光束，并將所接收到的光束入射至所述探測(cè)單元；以及所述探測(cè)單元用于探測(cè)被所述第二反射單元所反射的光束。進(jìn)一步地，所述光譜儀還包括光源聚光單元，所述光源聚光單元設(shè)置于所述光源與所述第一反射單元之間，用于使所述光源發(fā)出的光成為會(huì)聚光束。進(jìn)一步地，所述光源聚光單元包括至少一個(gè)透鏡和/或至少一個(gè)曲面反射鏡。進(jìn)一步地，所述第一反射單元由至少兩個(gè)不共面的平面反射鏡構(gòu)成，構(gòu)成所述第一反射單元的平面反射鏡中，至少有一個(gè)反射鏡具有至少一直線邊緣并且該邊緣直線與光路的主光相交。進(jìn)一步地，所述第一聚光單元為至少一個(gè)透鏡或反射物鏡。進(jìn)一步地，所述第二聚光單元為至少一個(gè)透鏡。進(jìn)一步地，所述第二反射單元由至少兩個(gè)不共面的平面反射鏡構(gòu)成，構(gòu)成所述第二反射單元的平面反射鏡中，至少有一個(gè)反射鏡具有至少一直線邊緣并且該邊緣直線與光路的主光相交。
進(jìn)一步地，所述垂直入射光譜儀還包括用于切換所述探測(cè)光束和所述參考光束的光束切換單元，所述光束切換單元為可分別或同時(shí)擋住探測(cè)光束和參考光束的擋光板。進(jìn)一步地，所述垂直入射光譜儀還包括用于承載樣品的可調(diào)節(jié)的樣品平臺(tái)。進(jìn)一步地，所述垂直入射光譜儀還包括光闌，所述光闌可以置于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的任意一段光路中。進(jìn)一步地，所述光源為包含多重波長(zhǎng)的光源。進(jìn)一步地，所述光源包括氙燈、氘燈、鎢燈、鹵素?zé)簟⒐療?、包含氘燈和鎢燈的復(fù)合寬帶光源、包含鎢燈和鹵素?zé)舻膹?fù)合寬帶光源、包含汞燈和氙燈的復(fù)合寬帶光源、或者包含氘鎢鹵素的復(fù)合寬帶光源。進(jìn)一步地,所述探測(cè)單元是光譜計(jì)。進(jìn)一步地,所述垂直入射光譜儀還包括計(jì)算單元,該計(jì)算單元用于計(jì)算樣品材料的光學(xué)常數(shù)、薄膜厚度等。本發(fā)明還提供一種光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其包括所述垂直入射光譜儀。本發(fā)明提供的包含參考光束的垂直入射光譜儀實(shí)現(xiàn)了分光后的光束的完整結(jié)合，在提高光通效率的同時(shí)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度比現(xiàn)有技術(shù)低。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中通過分光器實(shí)現(xiàn)分光與合光的示意圖。圖2a和2b是本發(fā)明實(shí)施例提供的通過兩個(gè)不共面平面反射鏡實(shí)現(xiàn)分光的示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的通過兩個(gè)不共面的平面反射鏡實(shí)現(xiàn)合光的示意圖。圖4a和圖4b是通過模擬得到的合光后的光束截面形狀和光束所成的像。圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的垂直入射光譜儀的示意圖。圖6是可實(shí)現(xiàn)無色差聚焦的反射物鏡的原理示意圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的垂直入射光譜儀的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面參照?qǐng)D2a、圖2b和圖3來描述通過各包含兩個(gè)不共面的平面反射鏡的第一反射單元和第二反射單元分別實(shí)現(xiàn)分光和合光的過程。(I)實(shí)現(xiàn)分光:如圖2a所示，假設(shè):來自點(diǎn)光源SO的發(fā)散光束，經(jīng)過光源聚光單元后，如，曲面反射鏡M5，形成會(huì)聚光束，并在入射面內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)后入射至第一反射單元。第一反射單元由兩個(gè)不共面的平面反射鏡M3和M4組成。平面反射鏡M3含有一個(gè)直線邊緣，且該直線邊緣處于上述會(huì)聚光束的光路中，該會(huì)聚光束的一半，入射至平面反射鏡M3上，經(jīng)平面反射鏡M3反射后在入射面內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成會(huì)聚光束BI。另一部分會(huì)聚光束從平面反射鏡M3的直線邊緣通過，入射至平面反射鏡M4，經(jīng)平面反射鏡M4反射后在入射面內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成會(huì)聚光束B2。平面反射鏡M2的主軸方向在入射面內(nèi)相對(duì)于平面反射鏡M4稍稍傾斜，可使分別經(jīng)平面反射鏡M 3和M4反射后的會(huì)聚光束BI和B2的主光束先相交，然后分開,如圖2a所示；或者,使會(huì)聚光束BI和B2直接分開,如圖2b所示。自此,來自點(diǎn)光源SO的光經(jīng)過第一反射單元，即平面反射鏡M3和M4后被分成可分別作為探測(cè)光與參考光的兩束光。在分光前后，這兩束光的主光始終處于同一平面內(nèi)，且平面反射鏡M3的直線邊緣與該平面垂直。(2)實(shí)現(xiàn)合光:如圖3所示，經(jīng)樣品反射后的探測(cè)光束，沿原路返回至參考光束所在平面內(nèi)時(shí)為會(huì)聚光束。第二反射單元由兩個(gè)不共面的平面反射鏡Ml和M2組成，從樣品表面返回的探測(cè)光束和參考光束分別入射至組成第二反射單元的平面反射鏡Ml和M2上。平面反射鏡Ml至少含有一個(gè)直線邊緣形狀，且此直線邊緣與探測(cè)光束的主光束相交，探測(cè)光束經(jīng)平面反射鏡Ml反射后，入射并聚焦至光譜計(jì)SP中。該光譜計(jì)SP放置于該會(huì)聚的探測(cè)光束的焦點(diǎn)處。同一平面內(nèi)的參考光束經(jīng)透鏡L或其他聚光元件，如反射物鏡后成為會(huì)聚光束，經(jīng)平面反射鏡M2反射，在入射面內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并入射至同一光譜計(jì)SP中。通過旋轉(zhuǎn)和/或沿光的方向(或反方向)移動(dòng)平面反射鏡M2,可改變參考光束的傳播方向和/或偏轉(zhuǎn)位置，從而使參考光束的主光束與探測(cè)光光束的主光束重合，且參考光束和探測(cè)光束互不影響。參考光束的聚焦位置可通過沿參考光束光的方向或反方向移動(dòng)會(huì)聚透鏡L(圖中未示出)來調(diào)節(jié)。即調(diào)節(jié)平面反射鏡M2和聚焦透鏡L可使參考光束入射并聚焦至同一光譜計(jì)SP中。自此，來自不同方向的探測(cè)光束和參考光束經(jīng)第二反射單元反射后可入射并聚焦至同一個(gè)光譜計(jì)SP中。根據(jù)圖3所示的合光過程，模擬得到的探測(cè)光束和參考光束經(jīng)過第二反射單元反射后的光束截面如圖4a所示，則通過合適的光路設(shè)計(jì)，探測(cè)光束和參考光束同時(shí)入射到同一個(gè)光譜計(jì)中探測(cè)，且在此過程中，它們互不影響彼此的傳播。探測(cè)光束和參考光束在光譜計(jì)上聚焦所成的像如圖4b所示，在圖4b中，探測(cè)探測(cè)光束和參考光束在光譜計(jì)上所形成的聚焦光斑大小不同，這是由于兩束光聚焦過程中的放大率不同所致。在實(shí)際探測(cè)過程中，需要為光譜計(jì)選擇適當(dāng)大小的測(cè)量窗口(entrance slit),以使參考光束能盡可能多地被探測(cè)到，從而提高參考光束光譜的信噪比，達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。由于平面反射鏡自身不影響入射光的會(huì)聚狀態(tài)且不產(chǎn)生色差，所以采用反射鏡可以在保證會(huì)聚光束質(zhì)量的同時(shí)改變光束的傳播方向。探測(cè)光束和參考光束經(jīng)過上述兩個(gè)平面反射鏡后可同時(shí)聚焦至同一個(gè)光譜計(jì)中。另一方面，平面反射鏡可實(shí)現(xiàn)寬帶光譜范圍內(nèi)的高反射率，對(duì)光強(qiáng)影響很低，則本發(fā)明中一個(gè)光譜計(jì)的設(shè)計(jì)并不降低光譜計(jì)對(duì)探測(cè)光束和參考光束的探測(cè)效率，因此，本發(fā)明通過合適的光路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了分光后的光束的完整結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了提高光通效率的同時(shí)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度比現(xiàn)有技術(shù)低。本發(fā)明的垂直入射光譜儀可以采取絕對(duì)反射率測(cè)量法，即測(cè)量樣品在正交方向上的兩個(gè)偏振態(tài)的絕對(duì)反射率。若要測(cè)量一個(gè)樣品的絕對(duì)反射率，應(yīng)做如下:a.測(cè)量光譜儀暗數(shù)值Idtl,即無光信號(hào)進(jìn)入光譜儀時(shí)光譜儀的讀數(shù)。b.裝載參考樣品，例如，裸硅晶片，獲得光譜數(shù)值Isitl，并在測(cè)量參考樣品之前或之后即刻測(cè)量參考光束的光譜數(shù)值Iki ；c.裝載并測(cè)量待測(cè)樣品，獲得光譜數(shù)值I，并在測(cè)量待測(cè)樣品之前或之后即刻測(cè)量參考光束的光譜數(shù)值Ik ;d.測(cè)量光譜儀暗數(shù)值Id ;上述步驟中，步驟a和b在一段時(shí)間內(nèi)只需操作一次,例如,一個(gè)小時(shí)內(nèi)，一天內(nèi)，一周或數(shù)周內(nèi)。而步驟c和d在每次測(cè)量時(shí)都應(yīng)該重新操作。如果環(huán)境溫度不變，或者光譜儀的暗數(shù)值不隨時(shí)間改變，則Id可以用Idtl代替。
這樣，樣品的反射率為:
權(quán)利要求
1.一種包含參考光束的垂直入射光譜儀，其特征在于，包括: 光源、第一反射單元、第一聚光單元、第二聚光單元、第二反射單元和探測(cè)單元； 所述第一反射單元用于將所述光源發(fā)出的光分為探測(cè)光束和參考光束兩部分，并將這兩部分光束分別入射至所述第一聚光單元和所述第二聚光單元； 所述第一聚光單元用于接收所述探測(cè)光束，使其通過后變成會(huì)聚光束垂直地聚焦到樣品上; 所述第二聚光單元用于接收所述參考光束，并將其入射至所述第二反射單元； 所述第二反射單元用于同時(shí)或分別接收從樣品反射的經(jīng)過所述第一聚光單元的探測(cè)光束和通過所述第二聚光單元的參考光束，并將所接收到的光束入射至所述探測(cè)單元；以及 所述探測(cè)單元用于探測(cè)被所述第二反射單元所反射的光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，還包括: 光源聚光單元，所述光源聚光單元設(shè)置于所述光源與所述第一反射單元之間，用于使所述光源發(fā)出的光成為會(huì)聚光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，所述光源聚光單元包括: 至少一個(gè)透鏡和/或至少一個(gè)曲面反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于: 所述第一反射單元由至少兩個(gè)不共面的平面反射鏡構(gòu)成，構(gòu)成所述第一反射單元的平面反射鏡中，至少有一個(gè)反射鏡具有至少一直線邊緣并且該邊緣直線與光路的主光相交。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中的所述的垂直入射光譜儀，其特征在于: 所述第一聚光單元為至少一個(gè)透鏡或反射物鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于: 所述第二聚光單元為至少一個(gè)透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于: 所述第二反射單元由至少兩個(gè)不共面的平面反射鏡構(gòu)成，構(gòu)成所述第二反射單元的平面反射鏡中，至少有一個(gè)反射鏡具有至少一直線邊緣并且該邊緣直線與光路的主光相交。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，還包括: 用于切換所述探測(cè)光束和所述參考光束的光束切換單元，所述光束切換單元為可分別或同時(shí)擋住探測(cè)光束和參考光束的擋光板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，還包括: 用于承載樣品的可調(diào)節(jié)的樣品平臺(tái)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，還包括: 光闌，所述光闌可以置于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的任意一段光路中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于: 所述光源為包含多重波長(zhǎng)的光源。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射寬帶儀，其特征在于: 所述光源為氙燈、氘燈、鎢燈、齒素?zé)?、汞燈、包含氘燈和鎢燈的復(fù)合寬帶光源、包含鎢燈和鹵素?zé)舻膹?fù)合寬帶光源、包含汞燈和氙燈的復(fù)合寬帶光源、或者包含氘鎢鹵素的復(fù)合寬帶光源。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射光譜儀，其特征在于: 所述探測(cè)單元是光譜計(jì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任意一項(xiàng)所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，還包括: 計(jì)算單元，該計(jì)算單元用于計(jì)算樣品材料的光學(xué)常數(shù)、薄膜厚度。
15.—種光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),其特征在于,包括權(quán)利要求1-13中的任意一項(xiàng)所述的垂直入射光譜儀。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包含參考光束的垂直入射光譜儀，包括光源、光源聚光單元、第一反射單元、第一聚光單元、第二聚光單元、第二反射單元和探測(cè)單元。本發(fā)明提供的包含參考光束的垂直入射光譜儀利用由平面反射鏡組成的平面反射單元，實(shí)現(xiàn)了分光及分光后的光束的重新結(jié)合，在提高光通效率的同時(shí)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度比現(xiàn)有技術(shù)低。該垂直入射光譜儀能夠精確地測(cè)量各向異性或非均勻樣品，如多層材料的薄膜厚度與光學(xué)常數(shù)。本發(fā)明還公開了一種包括上述光譜儀的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01J3/42GK103162830SQ201110427609
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者李國(guó)光, 趙江艷, 劉濤, 郭青楊, 艾迪格·基尼歐, 馬鐵中 申請(qǐng)人:北京智朗芯光科技有限公司