專利名稱：包含參考光束的垂直入射光譜儀及光學(xué)測量系統(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)測量技術(shù)來快速精確地檢測半導(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)的薄膜在不同波長對不同偏振態(tài)的入射光具有不同的反射率，其反射光譜具有獨特性。當(dāng)今先進(jìn)的薄膜及三維結(jié)構(gòu)測量設(shè)備，如橢圓偏振儀和光學(xué)臨界尺度測量儀(OpticalCritical Dimension，簡稱O⑶)要求滿足盡量寬的光譜測量能力以增加測量精確度，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)模型計算得出。當(dāng)存在未知結(jié)構(gòu)參數(shù)時，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，擬合測量與模擬計算光譜，從而得出未知結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般來說，對半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)測量通常有兩種方法，絕對反射率測量法和橢圓偏振測量法。如中國專利申請201110032744.8中所述，使用絕對反射率測量法測量時，需要先使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量，并記錄標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量結(jié)果作為參考值，然后再測量待測樣品，并將待測樣品的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣品測量得到的參考值相比，從而得到待測樣品的相對真實值。由于光源本身的原因，在實際測量過程中，其光譜強(qiáng)度可能會發(fā)生變化(漂移)。理論上一般假定光源的光譜強(qiáng)度在測量標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測樣品時是完全一樣的，但實際上，由于對待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品無法在同一時刻測量，光源的光譜強(qiáng)度變化會影響測量結(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，其中一束作為探測光記錄樣品的光學(xué)信息，另一束作為參考光，通過對參考光束的測量，可以分別記錄測量參考樣品和待測樣品時光源的光譜強(qiáng)度，從而校正測量過程中光源的光譜強(qiáng)度變化，提高測量精度。測量設(shè)備通常分為相對于樣品表面垂直入射的光學(xué)系統(tǒng)和相對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，實現(xiàn)生產(chǎn)與測量的整合及實時監(jiān)測?，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光束，被分光器103反射的光作為參考光束。探測光束經(jīng)透鏡104會聚后聚焦至樣品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反射后的探測光束，經(jīng)透鏡107會聚，入射至探測器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會聚，入射至探測器108，獲得包含光源光譜特征的參考光譜(例如，參見美國專利N0.7067818B2、N0.7189973B2和N0.7271394B2、美國專利申請公開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，整個測量個過程中，光束由光源需經(jīng)同一分光器透射和反射各一次，進(jìn)入探測器。假設(shè)分光器為透射率和反射率各50%，探測光束和參考光束所能達(dá)到的最大光通量比率僅為25% ;②若同時實現(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，探測光束和參考光束分別進(jìn)入兩個不同的光譜計同時進(jìn)行測量(例如，參見美國專利N0.5747813和N0.6374967B1)。這種方法具有如下好處:在測量過程中探測光束和參考光束可同時測量，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。但由于使用了兩個不同的光譜計，其光電轉(zhuǎn)化效率不盡相同，波長分布和分辨率也不盡相同，不易校準(zhǔn)系統(tǒng)，反而會降低測量精度，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)，并且兩個光譜計會增大設(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)簡單、穩(wěn)定、光通效率高、測量精度高、且易于實現(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單元；所述第一反射單元用于將光源發(fā)出的光分為探測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光束，使其通過后變成會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單元；以及所述探測單元用于探測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)出的光成為會聚光束。進(jìn)一步地，所述光源聚光單元包括至少一個透鏡和/或至少一個曲面反射鏡。進(jìn)一步地，所述第一反射單元由至少兩個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透鏡。進(jìn)一步地，所述第二反射單元由至少兩個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擋住探測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。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,所述探測單元是光譜計。進(jìn)一步地,所述垂直入射光譜儀還包括計算單元,該計算單元用于計算樣品材料的光學(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，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)中通過分光器實現(xiàn)分光與合光的示意圖。圖2a和2b是本發(fā)明實施例提供的通過兩個不共面平面反射鏡實現(xiàn)分光的示意圖。圖3是本發(fā)明實施例提供的通過兩個不共面的平面反射鏡實現(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)明第一實施例的垂直入射光譜儀的示意圖。圖6是可實現(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)明第二實施例的垂直入射光譜儀的示意圖。
具體實施例方式下面參照圖2a、圖2b和圖3來描述通過各包含兩個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現(xiàn)分光和合光的過程。(I)實現(xiàn)分光:如圖2a所示，假設(shè):來自點光源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不共面的平面反射鏡M3和M4組成。平面反射鏡M3含有一個直線邊緣，且該直線邊緣處于上述會聚光束的光路中，該會聚光束的一半，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)，形成會聚光束BI。另一部分會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)，形成會聚光束B2。平面反射鏡M2的主軸方向在入射面內(nèi)相對于平面反射鏡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,使會聚光束BI和B2直接分開,如圖2b所示。自此,來自點光源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)實現(xiàn)合光:如圖3所示，經(jīng)樣品反射后的探測光束，沿原路返回至參考光束所在平面內(nèi)時為會聚光束。第二反射單元由兩個不共面的平面反射鏡Ml和M2組成，從樣品表面返回的探測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至少含有一個直線邊緣形狀，且此直線邊緣與探測光束的主光束相交，探測光束經(jīng)平面反射鏡Ml反射后，入射并聚焦至光譜計SP中。該光譜計SP放置于該會聚的探測光束的焦點處。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SP中。通過旋轉(zhuǎn)和/或沿光的方向(或反方向)移動平面反射鏡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光光束的主光束重合，且參考光束和探測光束互不影響。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會聚透鏡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SP中。自此，來自不同方向的探測光束和參考光束經(jīng)第二反射單元反射后可入射并聚焦至同一個光譜計SP中。根據(jù)圖3所示的合光過程，模擬得到的探測光束和參考光束經(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，探測光束和參考光束同時入射到同一個光譜計中探測，且在此過程中，它們互不影響彼此的傳播。探測光束和參考光束在光譜計上聚焦所成的像如圖4b所示，在圖4b中，探測探測光束和參考光束在光譜計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。在實際探測過程中，需要為光譜計選擇適當(dāng)大小的測量窗口(entrance slit),以使參考光束能盡可能多地被探測到，從而提高參考光束光譜的信噪比，達(dá)到提高測量精度的目的。由于平面反射鏡自身不影響入射光的會聚狀態(tài)且不產(chǎn)生色差，所以采用反射鏡可以在保證會聚光束質(zhì)量的同時改變光束的傳播方向。探測光束和參考光束經(jīng)過上述兩個平面反射鏡后可同時聚焦至同一個光譜計中。另一方面，平面反射鏡可實現(xiàn)寬帶光譜范圍內(nèi)的高反射率，對光強(qiáng)影響很低，則本發(fā)明中一個光譜計的設(shè)計并不降低光譜計對探測光束和參考光束的探測效率，因此，本發(fā)明通過合適的光路設(shè)計，實現(xiàn)了分光后的光束的完整結(jié)合，從而實現(xiàn)了提高光通效率的同時，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反射率測量法，即測量樣品在正交方向上的兩個偏振態(tài)的絕對反射率。若要測量一個樣品的絕對反射率，應(yīng)做如下:a.測量光譜儀暗數(shù)值Idtl,即無光信號進(jìn)入光譜儀時光譜儀的讀數(shù)。b.裝載參考樣品，例如，裸硅晶片，獲得光譜數(shù)值Isitl，并在測量參考樣品之前或之后即刻測量參考光束的光譜數(shù)值Iki ；c.裝載并測量待測樣品，獲得光譜數(shù)值I，并在測量待測樣品之前或之后即刻測量參考光束的光譜數(shù)值Ik ;d.測量光譜儀暗數(shù)值Id ;上述步驟中，步驟a和b在一段時間內(nèi)只需操作一次,例如,一個小時內(nèi)，一天內(nèi)，一周或數(shù)周內(nèi)。而步驟c和d在每次測量時都應(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光束，使其通過后變成會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單元；以及 所述探測單元用于探測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: 至少一個透鏡和/或至少一個曲面反射鏡。
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擋住探測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。
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: 所述探測單元是光譜計。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任意一項所述的垂直入射光譜儀，其特征在于，還包括: 計算單元，該計算單元用于計算樣品材料的光學(xué)常數(shù)、薄膜厚度。
15.—種光學(xué)測量系統(tǒng),其特征在于,包括權(quán)利要求1-13中的任意一項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，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)測量系統(tǒng)。
文檔編號G01J3/42GK103162830SQ201110427609
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者李國光, 趙江艷, 劉濤, 郭青楊, 艾迪格·基尼歐, 馬鐵中 申請人:北京智朗芯光科技有限公司