包含垂直入射和斜入射的光学测量系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103575661 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575661 A (21)申请号 201210281800.6 (22)申请日 2012.08.09 G01N 21/21(2006.01) G01N 21/31(2006.01) G01B 11/06(2006.01) G01B 11/24(2006.01) G01B 11/00(2006.01) (71)申请人 北京智朗芯光科技有限公司 地址 100191 北京市海淀区知春路 27 号量 子芯座 402 室 (72)发明人 李国光 赵江艳 刘涛 吴文镜 (74)专利代理机构 北京华沛德权。

2、律师事务所 11302 代理人 刘丽君 (54) 发明名称 包含垂直入射和斜入射的光学测量系统 (57) 摘要 本申请公开了一种包含垂直入射和斜入射的 光学测量系统， 包括光源、 光纤束、 反射聚焦系统、 第一聚光单元、 第二聚光单元、 第三聚光单元、 第 四聚光单元、 第一偏振器、 第二偏振器以及光谱 计。本申请提供的包含垂直入射和斜入射的光学 测量系统包含斜入射和垂直入射的两个测量装 置， 提高了样品测量的精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 10 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书10页 附图4页 (。

3、10)申请公布号 CN 103575661 A CN 103575661 A 1/2 页 2 1. 一种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统， 其特征在于， 包括 ： 光源、 光纤束、 反射聚焦系统、 第一聚光单元、 第二聚光单元、 第三聚光单元、 第四聚光 单元、 第一偏振器、 第二偏振器以及光谱计 ； 所述反射聚焦系统包括第一反射元件、 第二反射元件及平面反射单元 ； 其中， 所述光源发出的光经过所述光纤束分为第一探测光束和第二探测光束， 其中， 第二 探测光束依次通过所述第一反射元件、 平面反射元件、 第二反射元件后垂直入射到样品表 面 ； 第一探测光束依次通过所述第一聚光单元、 第一偏振。

4、器、 第二聚光单元斜入射到样品表 面 ； 经过样品表面反射且依次通过第二反射元件、 平面反射元件、 第一反射元件的垂直入 射光， 与从样品表面反射且依次通过第三聚光单元、 第二偏振器、 第四聚光单元的斜入射 光， 经所述光纤束传输后由同一端口输出至所述光谱计。 2. 根据权利要求 1 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述第一聚光单元、 第二聚光单 元、 第三聚光单元、 第四聚光单元为消色差透镜或曲面反射镜 ； 所述第一反射元件、 第二反 射元件为球面反射镜 ； 所述平面反射元件为平面反射镜 ； 所述第一偏振器为起偏器， 所述 第二偏振器为检偏器。 3. 根据权利要求 1 所述的光学测量系统。

5、， 其特征在于， 所述光纤束包括 ： 第 I 子光纤， 第 II 子光纤， 第 III 子光纤和第 IV 子光纤 ； 所述第 I 子光纤与所述第 II 子光纤共用输入端口 ； 所述第 III 子光纤和所述第 IV 子光纤共用输出端口 ； 所述第II子光纤的输出端口和所述第III子光纤的输入端口捆绑连接， 形成输入输出 端口 ； 所述第 I 子光纤和第子光纤的另一端分别连接一光纤端口。 4. 根据权利要求 3 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述第 I 子光纤， 第 II 子光纤和第 IV 子光纤包含一根光纤， 所述第 III 子光纤由六根 光纤构成 ； 在所述光纤束的输入输出端口处， 所述。

6、第 II 子光纤位于中心部位， 构成所述第 III 子 光纤的所述六根光纤对称地排列所述第 II 子光纤的周围， 构成一个正六边形 ； 在所述光纤束的输出端口处， 所述第 III 子光纤和所述第 IV 子光纤呈一字型并列摆 放 ； 所述第IV子光纤处于正中间， 构成所述第III子光纤的所述六根光纤分成两部分， 在所 述第 IV 子光纤两侧对称地分布。 5. 根据权利要求 3 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光纤束为 W 型光纤束 ； 所述 光纤束为波长范围为 200-1100nm 的抗紫外变化光纤 ； 所述光源为是氙灯、 氘灯、 钨灯、 卤素 灯、 汞灯、 包含氘灯和钨灯的复合宽带光源。

7、、 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、 或者包含氘钨卤素的复合宽带光源。 6. 根据权利要求 2 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学测量系统还包括补偿 器 ； 所述补偿器位于所述起偏器和样品之间或样品与所述检偏器之间。 7. 根据权利要求 3 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学测量系统还包括第一 权 利 要 求 书 CN 103575661 A 2 2/2 页 3 光阑和第二光阑 ； 所述第一光阑设置在所述第 II 子光纤和所述第一反射元件之间的光路中 ； 所述第二光阑设置在所述第 I 子光纤和所述第一聚光单元之间的光路中。 8. 根据权利要。

8、求 7 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光纤束与光谱计相连的光 纤束输出端口还包括第 V 子光纤 ； 所述第子光纤， 将所述第二探测光束中透过样品的部分传输至所述光谱计中。 9. 根据权利要求 8 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学测量系统还包括第五 聚光单元 ； 所述第五聚光单元， 将所述探测光束中透过样品的部分聚焦至所述第子光纤中， 所 述第五聚光单元为曲面反射镜， 或消色差透镜。 10. 根据权利要求 9 所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学测量系统还包括第三 光阑 ； 所述第三光阑设置在第五聚光单元和所述样品之间的光路中。 11. 根据权利要求 1-10 任一。

9、项所述的光学测量系统， 其特征在于， 所述光学测量系统 还包括计算单元， 所述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。 权 利 要 求 书 CN 103575661 A 3 1/10 页 4 包含垂直入射和斜入射的光学测量系统 技术领域 0001 本申请涉及光学技术领域， 特别涉及一种包含垂直入射和斜入射的光学测量系 统。 背景技术 0002 随着半导体行业的快速发展， 利用光学测量技术精确测量晶片上单层或多层薄膜 形成的三维结构的临界尺度 （Critical Dimension） 、 空间形貌和材料特性变得十分重要。 为了使。

10、测量结果有效， 所用的测量系统应该能够高精确度地测量膜厚和 / 或薄膜构成。在 众所周知的非破坏性检测技术是光度法和椭圆偏振测量法， 它们通过测量样品反射的电磁 辐射来获得反射率数据。 在光谱椭偏仪中， 有确定偏振态的入射光被样品反射 （一般以较大 的入射角） ， 通过分析反射光的偏振态可以获得样品的特性。由于入射光包含多频率组成， 则可以得到光谱曲线图。 特别是， 入射光的偏振态具有时间依赖性 （使入射光通过一个旋转 的起偏器） ， 或者分析反射光的方法具有时间依赖性 （使反射光通过一个旋转的检偏器） 。 0003 一般情况下， 半导体薄膜需要测量得出薄膜的厚度 d， 折射率 n 及消光系数。

11、 k。而 椭圆偏振法只能测量出两个椭偏参数， 即 ： 和 ， 则仅根据两个椭偏方程无法精确给出 样品薄膜的光学参数 （物理学报 Vol.59， No.4） ， 只能通过计算机拟合的方法求解。为了增 加测量精度， 获得目标样品的附加信息， 本领域的研究人员提出了一种可变角度的光谱椭 偏仪 （VASE， variable angle spectroscopic Ellipsometry） 。理论上这种测量装置可以 给出多个角度下的椭偏方程， 在一定程度上能增加测量精度。 然而， 实际上这样往往收效不 大， 如Critical Reviews of Optical Science and Techn。

12、ology Volume CR72， 14-16页中 所述， 在对薄膜厚度进行数据拟合时发现， 薄膜厚度在 330- 的范围内都可以得到基 本一样的拟合曲线。 对于一个假设的薄膜厚度， 薄膜的光学常数会随之补偿性的改变从而 得到一个同样好的拟合结果， 这是由于薄膜的厚度和薄膜材料的光学常数在拟合中往往是 相关的。因此想要仅仅通过椭圆偏振法来精确测量薄膜厚度及光学常数会比较困难。为了 精确测量样品， 例如， 测量样品薄膜的厚度及光学参数， 通常在一个复合的光学测量系统中 集成多个光学测量装置， 即利用垂直入射和斜入射的两个光学测量系统同时测量样品 （参 见美国专利 US5608526， US67。

13、13753） 。一般来说， 集成多个光学测量装置的测量系统比较复 杂， 并且需要多个宽带光源和探测装置， 成本较高。若如美国专利 US6713753 所述， 采用分 束镜来耦合光路， 虽然也可以达到减少光源， 降低成本的要求， 但是在实际应用中， 光路调 节并不易实现， 并且， 通过分束镜来进行分光与合光时， 其光通效率较低， 对于垂直入射的 光束， 则至少需要两次通过分光镜， 则其理论通光效率最高仅为 25%， 斜入射的光束， 也需要 通过一次分光镜， 会降低系统测量的准确性， 因此这种包含垂直入射和斜入射的光学测量 系统在实际应用中并未得到广泛推广。 0004 另一方面， 本领域的技术人员。

14、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， 因为小尺寸可以测量微结构图案， 且宽带探测光束可以提高测量 精度。 在这种情况下， 光学测量中的一个关键环节是将宽带探测光束聚焦到样品表面上， 采 说 明 书 CN 103575661 A 4 2/10 页 5 用透镜时， 通常会具有色差， 从而导致不同波长的光聚焦位置不同， 增大误差。而对于消色 差透镜， 虽然在一定范围内减小透镜折射率造成的色差， 但并不能完全消除色差， 此外， 这 种透镜由于结构复杂， 成本较高。 本领域也有采用非球面反射镜如超环面反射镜， 离轴抛物 面反射镜的方案， 虽然它们利用反射聚焦， 可以在整。

15、个宽光谱波长范围内实现无色差， 并且 可在较宽的波长范围内都具有高反射率， 但非球面反射镜加工工艺复杂， 价格也比较昂贵。 而加工简单， 价格便宜的球面反射镜， 虽然可以将平行于球面反射镜主轴的近轴平行光会 聚于其焦点， 但其焦点位于主轴上， 用于聚焦并不方便。 在实际应用中， 一般使入射光稍微 偏离主轴， 但由于其焦点调节范围非常有限， 而一般的样品通常尺寸较大， 为几百毫米， 故 直接利用其将宽带光束聚焦到样品表面不易实现。 发明内容 0005 本申请所要解决的技术问题是提供一种结构简单， 测量准确， 集成度高的垂直入 射和斜入射的光学测量系统。 0006 为解决上述技术问题， 本申请提供。

16、了一种光学测量系统， 包括光源、 光谱椭偏仪及 分光光度计 ； 所述光源， 发射第一探测光束和第二探测光束 ； 所述光谱椭偏仪， 测量第一探 测光束被样品反射后的偏振变化 ； 所述分光光度计， 测量垂直或近乎垂直入射到样品表面 的第二探测光束被样品反射后的光强变化。 0007 本申请提供的光学测量系统包含光谱椭偏仪和分光光度计两个测量装置， 提高了 样品测量的精度， 同时， 该光学测量系统通过光纤束进行分光及合光， 可以使两套光学测量 装置共用光源和光谱计， 极大地降低了系统的成本， 同时， 相对分光器， 使用光纤束耦合的 系统光通效率较高。 此外， 该光学测量系统中的分光光度计采用价格低廉，。

17、 加工简单的球面 反射镜进行聚焦， 既能达到宽带无色差的效果， 同时并不增加设备成本。 附图说明 0008 图 1 为本申请实施例提供的聚焦系统的结构示意图 ； 0009 图 2 为本申请光学无色差聚焦的原理示意图 ； 0010 图 3 为本申请提供的 W 型光纤束的结构示意图 ； 0011 图 4a 为图 3 中第 I 子光纤和第 II 子光纤在光纤束端口 2 排列的结构示意图 ； 0012 图 4b 为图 3 中第 II 子光纤和第 III 子光纤在光纤束端口 3 排列的结构示意图 ； 0013 图 4c 为图 3 中第 III 子光纤和第 IV 子光纤在光纤束端口 4 排列的结构示意图 。

18、； 0014 图 5 为本申请提供的光束进入第 III 子光纤的光路示意图 ； 0015 图 6 为单晶硅周期性浅沟槽的结构图。 0016 图 7 为 TM 和 TE 反射率振幅比值以及 TM 与 TE 之间的相位差的光谱图。 0017 图 8 为本申请提供的光学测量系统的结构示意图 ； 0018 图 9a 为本申请提供的光学测量系统的另一结构示意图。 0019 图 9b 为图 9a 中所使用光纤束的第 III 子光纤， 第 IV 子光纤和第子光纤在端口 4 处的优选排列方式。 具体实施方式 说 明 书 CN 103575661 A 5 3/10 页 6 0020 本申请通过廉价的球面反射镜实。

19、现探测光束的无色差聚焦。如图 1 所示， 该聚焦 系统由两个球面反射镜和一个平面反射镜构成。优选地， 曲面反射镜 SPR1 和曲面反射镜 SPR2具有相同的曲率半径， 点光源S0位于球面反射镜SPR1的焦点处， 则经过点光源发出的 发散光束经过球面反射镜SPR1的反射， 偏转角度后形成平行光束， 该平行光束入射至平 面反射镜 M 后偏转角度 ， 然后入射至曲面反射镜 SPR2， 曲面反射镜 SPR2 使该平行光束偏 转 后垂直入射并聚焦至样品表面。上述曲面反射镜 SPR1， SPR2， 平面反射镜 M 的法线在 同一平面内。从图 1 可以看出， 通过这种特殊设计的结构， 可以使在球面反射镜上小。

20、角度偏 转的入射光束垂直入射到样品表面， 并且在获得合适的工作距离的前提条件下， 各个光学 元件并不遮挡光路。此外， 上述入射光束的主光在曲面反射镜 SPR2 的偏转角度也可以与曲 面反射镜 SPR1 不同。 0021 如图 2 所示， 入射的探测光束的主光束与水平面的夹角为 t， 则由几何知识可 知， 若要使由曲面反射镜 SPR2 反射的会聚光束的主光束垂直于射 向样品表面， 应满足 ： 2+-t=90。 0022 对于球面反射镜来说， 平行的入射光方向偏离其主轴的角度越大， 则其聚焦效果 越差， 因此， 上述光束的偏转角度 不宜过大， 本申请中， 光束在球面反射镜上的入射角为 优选为 5-。

21、15 度， 则可以使上述两个球面反射镜和一个平面反射镜构成的系统既能将探测 光束聚焦到合适的光斑大小， 同时获得较为合适的工作距离。 此外， 由2+-t=90可知， =90 -2+t， 即入射光在上述平面反射镜 M 上的偏转角 可以根据入射光束的方向和 设定的 角度来确定。 0023 若上述三面反射镜的位置固定不变， 仅改变入射光束的入射方向， 例如， 使入射光 束与水平面的夹角变为 t+t， 则光束在曲面反射镜 SPR1 上的偏转角度为 +2t， 在 M 上 的偏转角度为 -2t， 在曲面反射镜 SPR2 上的偏转角度为由 -2t， 由上式可以知道 2+ -t=90 +2t， 即由曲面反射镜。

22、 SPR2 反射的会聚光束的主光偏离竖直方向的 夹角为 2t。因此， 由上述结论反推可知， 若入射到样品 SA 上的入射光束的偏离竖直方向 2t， 则可以通过将入射到 SPR1 上的发散光束的主光束的入射方向改变 t， 即可以调整 由 SPR2 反射的会聚光束的方向， 使其重新垂直入射到样品表面。则本申请的聚焦系统可以 通过微调入射光的方向， 来改变出射光的出射方向。 0024 球面反射镜使利用反射来聚焦， 与材料折射率无关， 可以达到宽带无色差的效果， 此外， 球面反射镜易于加工， 所以价格便宜， 因此通过这样一个球面反射镜的系统来实现宽 带光束的聚焦， 不仅可以消除色差， 同时可以降低成本。

23、。 0025 本申请可以通过光纤束实现垂直入射和斜入射的光学测量系统中的光束耦合， 达 到两个测量装置共用一个光源和光谱计的结构， 提高测量精度的同时降低系统成本的效 果。下面介绍本申请中用于光束耦合的 “W” 形状光纤束。 0026 如图 3 所示， 该光纤束由光纤束子光纤 I， II， III， ， 和光纤束端口 1， 2， 3， 4， 5 构 成形似 W 型的外形， 即每两根光纤束子光纤共用一个端口， 具体如下 ： 光纤束子光纤 I 和光 纤束子光纤 II 共用光纤束端口 2 ； 光纤束子光纤 II 的另一端与光纤束子光纤 III 共用光 纤束端口3， 光纤束子光纤III的另一端与光纤束。

24、子光纤共用光纤束端口4， 此外， 光纤束 子光纤I的另一端与光纤束端口1相连， 光纤束子光纤的另一端与光纤束端口5相连。 其 中， 每段光纤束子光纤的长度约为 1m。 说 明 书 CN 103575661 A 6 4/10 页 7 0027 W 型光纤束的端口由套管和光纤组成， 光纤设置在套管里。 0028 优选地， 光纤束子光纤 I， II， 只包含一根光纤， 光纤束子光纤 III 包含六根光 纤。为了实现较高的耦合效率， 光纤端口可以如下设置 ： 0029 在端口 2 处， 光纤束子光纤 I， II 横截面形成并列密排结构， 如图 4a 所示 ； 0030 在端口 3 处， 光纤束子光纤 。

25、II 位于中心部位， 构成光纤束子光纤 III 的六根光纤 对称地排列其周围， 构成一个正六边形， 如图 4b 所示 ； 0031 在端口 4 处， 构成光纤束子光纤 III 的六根光纤和构成光纤束子光纤的一根光 纤呈一字型并列摆放， 并且光纤束子光纤处于正中间， 构成光纤束子光纤 III 的六根光 纤分成两部分， 在其两侧对称地分布， 如图 4c 所示， 则如此形状可以配合光谱计的狭缝入 口， 使两束反射光都能以较高效率进入光谱计中。 0032 由以上描述可知， 若入射光束由光纤束端口 2 进入光纤束， 则该光束通过光纤束 子光纤 I， II 后分为两束光， 这两束光分别从光纤束端口 1， 。

26、3 出射， 可分别作为不同的光学 测量系统的探测光束， 例如， 从光纤束端口 1 出射的光束作为斜入射的光谱椭偏仪的探测 光束， 从光纤束端口 3 出射的光束作为垂直入射至样品表面测量反射率的分光光度计的探 测光束， 则样品表面的反射光束将沿原路返回端口 3， 若使通过垂直入射到样品表面被样 品反射的探测光束由端口 3 进入光纤束子光纤 III， 同时使通过光谱椭偏仪斜入射到样品 表面被样品反射的探测光束由端口 5 进入光纤束子光纤， 则分别通过不同的光学测量装 置、 包含样品材料光学特性信息的两束探测光束将从同一光纤束端口 4 出射， 只需将光谱 计对准光纤束端口 4， 即可以实现同一个光谱。

27、计探测不同的探测光束。为了使垂直入射到 样品表面， 被样品表面反射的探测光束返回光纤束端口 3 时， 能以较高效率进入光纤束子 光纤 III， 一般是通过调节微调样品前的聚焦透镜 L 或光纤束端口 3， 使聚焦到样品表面的 光束微微失焦， 则沿原路返回的分光光度计探测光进入端口 3 中外侧的光纤， 即光纤束子 光纤III中， 其光路如图5所示， 具体实现方法可参见中国专利申请201110005913.9。 而在 本发明中， 由于球面反射镜的偏轴使用 （即使入射光方向偏离主轴） 会造成聚焦在样品上的 光斑有球差， 以及样品反射的光束回到W型光纤的光纤端口3时同样具有球差， 则可以刚好 利用该球差。

28、， 使样品表面的反射光束的绝大部分能恰好通过 W 型光纤束端口 3 的进入子光 纤中而不是沿原路返回光纤束子光纤， 可使垂直入射部分的理论光通效率达到 50% 以 上， 而斜入射部分由于不经过分光器， 其在光束耦合过程中基本没有光强损耗， 与现有技术 中使用分光器的技术方案相比， 大大提高了光通效率。 0033 此外， 如上所述的光纤束子光纤， 也可以是由多束光纤紧密排列构成的光纤束。 此 外， 若在端口 4 处再耦合一根子光纤， 则此光纤束可以用于系统中其他光学测量装置的探 测光束的接收， 例如， 分光光度计中通过样品的透射光束的接收。 0034 利用光纤束来耦合多束光， 相比较于分束器， 。

29、由于光纤束的分离端各自独立， 则光 路更容易校准。例如， 若需要将两束光合束， 只需将图 3 中的光纤束端口 3 和 5 分别对准这 两束光便可以实现。 0035 椭圆偏振测量法 ： 0036 本申请中的光谱椭偏仪可以为一个起偏器 - 样品 - 检偏器 （PSA） 结构的椭圆偏 振仪。可通过旋转起偏器 P、 固定检偏器 A， 或旋转检偏器 A、 固定起偏器 P， 或起偏器 P 与 检偏器 A 按一定的频率比旋转， 计算得出的傅里叶系数， 进而通过与数值仿真结果比较及 说 明 书 CN 103575661 A 7 5/10 页 8 数值回归计算测量样品。具体测量原理可参考书 HANDBOOK O。

30、F ELLIPSOMETRY， Harland G.Tompkins， 2005;Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications， Hiroyuki Fujiwara， 2007 和文献 Liang-Yao Chen， Xing-Wei Feng， Yi Su， Hong-Zhou Ma， and You-Hua Qian， “Design of a scanning ellipsometer by synchronous rotation of the polarizer and analyzer， “Appl.Opt.33， 1。

31、299-1305(1994) 所说明的原理公式， 以下 仅以旋转检偏器 （RAE） 情况做简要描述 ： 0037 样品琼斯矩阵可以表示为 0038 由 Lout AR(A)JsR(-P)PLin可得， 0039 0040 忽略其中的比例常数， 可以得出 ： 0041 EA (pp+pstanP)cosA+(sp+tanP)sinA， 0042 探测的光强 ： 0043 I |EA|2 IO(1+cos2A+sin2A) 0044 其中， 、 为光强 I 的傅里叶系数， 实验数值可通过计算得到。其对应的表达式 为 0045 0046 0047 当 rps=rsp=0， 即 ps=sp=0 时， 。

32、可得常用的各向同性薄膜样品的计算公式 ： 0048 0049 0050 其中， tan 是 rpp、 rss比的振幅， 是 rpp、 rss比的相位差。 0051 通过椭圆偏振测量法， 可以计算出 、 两个傅里叶系数的谱线， 这条谱线与样 品椭偏参数 和 直接相关直接相关。 0052 椭圆偏振测量法的具体操作包括以下三个主要步骤 ： 1） 由于旋转系统的存在， 系 统需要校准以排除偏振器旋转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， 通过比值去除系统在不同偏振器角。

33、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 说 明 书 CN 103575661 A 8 6/10 页 9 的相对真实值。3） 通过数学模型计算和曲线回归拟合， 得到结果。 0053 以如图 6 所示一维光栅为例， 当测量参数 =0， 60 时， 即在此角度 rps=rsp=0， 其振幅比和相位差如图 7 所示。 0054 本申请中的光谱椭偏仪还可以为包含一个相位补偿器， 构成一个起偏器 - 补偿 器 - 样品 - 检偏器 （。

34、PCSA） 结构或起偏器 - 样品 - 补偿器 - 检偏器 （PSCA） 结构的椭圆偏振 仪。可通过旋转相位补偿器 C， 固定起偏器 P 和检偏器 A 或旋转检偏器 A， 固定起偏器 P 与 相位补偿器 C， 测量得到的光谱， 并通过计算得出傅里叶系数， 进而得到样品的椭偏参数 和， 进而通过与数值仿真结果比较及数值回归计算测量样品。 以下以PSCA结构下旋转补 偿器 （RCE） 的情况做简要描述 ： 0055 Lout AR(A)R(-C)CR(C)JsR(-P)PLin， 0056 即 ： 假设系统 P=45和 A=0， 即 ： 0057 0058 0059 可以得出 =90 度时 ： 0。

35、060 0061 探测的光强 ： 0062 I |EA|2 IO(2-cos2+2sin2sinsin2C-cos2cos4C+sin2cossin4 C)/2 在此情况下， 探测光经样品反射后的斯托克斯向量对应表达式为 ： 0063 S0 1 0064 S1 -cos2 0065 S2 sin2cos 0066 S3 -sin2sin 0067 以斯托克斯向量表达的探测光强 ： 0068 0069 通过椭圆偏振测量法， 可以由实验数值计算出 S1、 S2、 S3三个傅里叶 系数的谱线， 这条谱线于与样品椭偏参数和直接相关， 并且与上述不包含补偿器的椭偏仪相比， 可 以计算出 的具体角度， 增。

36、加了测量精度。 0070 由于样品的反射率 R 和透射率 T 同样决定于薄膜厚度， 光学常数， 三维形貌等特 征， 因而通过斜入射的光谱椭偏仪测量样品椭偏参数的同时， 利用垂直入射的分光光度计 来测量样品的反射率 R 和 / 或透射率 T， 可以提供更多样品的相关信息， 有利于数学模型的 计算和回归拟合， 得到更精确的测量结果。或者通过包含斜入射及垂直入射的光谱椭偏仪 的光学测量系统， 也可以得到更多的傅里叶系数谱线， 得到更精确的测量结果。 0071 测量得到样品的椭偏参数， 以及反射率和 / 或透射率后， 通过数学模型计算谱线 和曲线回归拟合， 可以计算样品材料的光学常数、 薄膜厚度和 /。

37、 或用于分析周期性结构的 说 明 书 CN 103575661 A 9 7/10 页 10 样品的临界尺度 （CD） 或三维形貌。 0072 实施例一 0073 图 8 中示出本申请第一实施例的光学测量系统。光学参数测量系统包含光源 SO， 曲面反射镜 CM， 光纤束 FB， 球面反射镜 SPR1， SPR2， 平面反射镜 M， 消色差透镜 L1， L2， L3， L4， 起偏器 P， 检偏器 A， 以及光谱计 SP， 以上部件构成了斜入射的光谱椭偏仪 SPE 和垂直入 射的分光光度计 SPM 这两个不同的光学测量装置。 0074 宽带点光源 SO 发出的光束经过一个用于聚焦的曲面反射镜 CM。

38、 后进入 W 型光纤束 的端口2， 通过光纤束子光纤I和光纤束子光纤II分成两束光， 分别作为光学测量装置光谱 椭偏仪 SPM 和分光光度计 SPE 的探测光束。下面分别描述这两束探测光束的光路 ： 0075 （1） 进入光纤束子光纤 II， 从光纤束端口 3 出射的光束作为分光光度计中的探 测光束， 该探测光束入射至球面反射镜 SPR1， 经球面反射镜 SPR1 反射后形成平行光束， 并 发生偏转， 该平行光束入射到平面反射镜 M 上， 又发生一次偏转， 然后入射至球面反射镜 SPR2， 球面反射镜使该平行光束偏转一定角度， 由球面反射镜反射的光是主光垂直于样品 的会聚光束， 该会聚光束垂直。

39、入射并聚焦在样品表面上的 O 点， 样品表面的反射光， 依次经 过球面反射镜 SPR2， 平面镜 M， 球面反射镜 SPR1 后， 形成会聚光束， 并通过光纤束端口 3 进 入光纤束子光纤 III， 通过光纤束子光纤 III 的传输， 由光纤束端口 4 出射， 然后进入光谱 计光度 SP 中。 0076 （2） 进入光纤束子光纤 I， 从光纤束端口 1 出射的光束作为光谱椭偏仪的探测光 束， 该光束入射至消色差透镜L1， 光纤端口1位于该消色差透镜L1的焦点处， 则该发散光束 经过透镜 L1 后变成平行光束， 该平行光束经过起偏器 P 后入射到消色差透镜 L2 上， 消色差 透镜 L2 使该平。

40、行光束会聚后以较大的入射角 （例如， 70 度） 入射并聚焦至样品表面。样品 表面的反射光， 依次经过消色差透镜 L3， 检偏器 A， 消色差透镜 L4 后通过光纤束端口 5 进入 光纤束子光纤中， 然后由光纤束端口 4 出射， 进入光谱计 SP 中。 0077 光谱计SP与处理器或计算机相连， 分析光谱计SP探测到的信号， 从而通过数值回 归的曲线拟合过程， 计算得出样品薄膜的厚度与光学参数， 三维形貌等特征。 0078 本实施例中， 垂直入射光学系统中球面反射镜的偏轴使用 （入射光方向偏离主轴） 虽然不会造成色差， 但会造成聚焦在样品上的光斑有球差， 本实例中则刚好利用该球差， 使 样品表。

41、面的反射光束中的绝大部分能恰好通过 W 型光纤束端口 3 的进入子光纤 III 中而不 是沿原路返回光纤束子光纤 II， 与现有技术使用分光计相比， 提高了光通效率。 0079 本申请实施例还包括一个用于承载样品的可调节的样品平台， 该样品平台的例子 包括X-Y-Z-Theta或R-Theta-Z坐标的样品台。 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。

42、。 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。 0080 实际测量过程中， 为了使光谱椭偏仪 SPE 中的探测光束与分光光度计 SPM 中的探 测光束在样品上精确地聚焦到同一点， 可以通过可移动的样品平台来实现， 即通过光谱椭 偏仪测量得到实验数据后， 移动样品平台， 使分光光度计 SPM 中的探测光束也对准样品上 的同一点。 说 明 书 CN 103575661 A 10 8/10 页 11 0081 优选地， 本实施例还可以包括相位补偿器， 如图 8 所示， 该补偿器 C 可以位于光谱 椭偏仪 SPE 光路中的起偏器 。

43、P 与检偏器 A 之间， 则本申请的光谱椭偏仪等同为一个起偏 器 - 补偿器 - 样品 - 检偏器 （PCSA） 或起偏器 - 样品 - 补偿器 - 检偏器 （PSCA） 结构的椭圆 偏振仪。在此结构下， 1） 通过旋转检偏器 A， 固定起偏器 P 和补偿器 C 构成 PSCAR或 PCSAR测 量方式， 2） 通过旋转补偿器 C， 固定检偏器 A 和起偏器 P 构成 PSCRA 或 PCRSA 测量方式。通 过以上椭圆偏振测量法， 计算出傅里叶系数的谱线， 这条谱线于与样品的椭偏参数 和 直接相关。 0082 此 外， 本 实 施 例 中， 斜 入 射 的 光 谱 椭 偏 仪 也 可 以 是。

44、 斜 入 射 的 偏 光 计 （polarimeter） 。 0083 此外， 本实施例还可以包括用于控制偏振器偏振方向的偏振器旋转控制装置和 / 或用于控制波片光轴方向的波片旋转控制装置。 0084 此外， 本实施例中的消色差透镜 L1， L2， L3， L4 也可以为曲面反射镜， 如离轴抛物 面反射镜， 则本实施例中的光谱椭偏仪可以实现宽带无色差的效果。 0085 本实施例中， 也可以包括成像系统， 该成像系统包括照明单元和成像单元。 通过一 个可移动的平面反射镜切入一半光路中， 样品表面的测量用反射光束及照明单元的反射光 束经过可移动的平面反射镜反射后， 被成像单元捕获， 然后通过可移动。

45、的样品平台， 将探测 光斑与样品被测图案对准。 0086 本申请中， 分光光度计SPM和光谱椭偏仪SPE共用一个光谱计， 则样品椭偏参数的 测量和反射率的测量不能同时进行， 可以在光路中设置光阑， 如图中的光阑 D1 和 D2。测量 时， 先装载样品， 通过样品平台对准测量点后， 打开光阑 D1， 关闭光阑 D2， 通过光度法测量 样品的反射率 ； 然后， 关闭光阑 D1， 打开光阑 D2， 通过椭圆偏振法测量样品， 测量完成后， 将 测量得到的数据输入处理器中， 计算拟合可以得到样品材料的光学常数， 薄膜厚度、 三维形 貌等等特征。 0087 本申请实施例所述的光学参数测量系统包含两个不同的。

46、光学测量装置， 即斜入射 的光谱椭偏仪 SPE 和垂直入射的分光光度计 SPM， 从而可以精确测量样品薄膜的厚度及其 光学常数。该光学参数测量系统包含通过一个 W 型光纤束的耦合， 可以使光学测量装置光 谱椭偏仪SPE和分光光度计SPM共用光源SO以及光谱计SP， 达到了降低成本和简化光路的 效果， 此外， 该光纤束还可以以较高的光通效率收集分光光度计 SPM 测量装置中垂直入射 到样品表面、 由样品反射的沿原路返回的探测光束。另外， 本实施例中， 测量装置分光光度 计 SPM 中采用两个球面反射镜和一个平面反射镜构成的系统代替消色差透镜或非球面反 射镜 （如离轴抛物面反射镜） 来聚焦光束， 。

47、不仅消除了色差， 同时降低了使用非球面镜所带 来的昂贵的费用。 0088 实施例二 0089 图 9a 中示出本申请的包含光谱椭偏仪 SPE 和分光光度计 SPM 的光学测量系统。 本实施例的光学参数测量系统在实施例 1 的基础上， 在 W 型光纤束的端口 4 添加一根光纤 束子光纤 V， 将光纤束子光纤 V 的另一端， 即端口 6 放置在样品下方对准分光光度计中的探 测光束在样品上的聚焦光斑， 用于接收透过样品的光束， 则该透射光可通过光纤束子光纤 V 传输到端口4， 从而进入光谱计SP中探测。 光纤束端口4处各光纤的排列如图所示， 即可以 使光纤束子光纤 IV 和光纤束子光纤 V 的端口处。

48、于端口 4 的中央， 光纤束子光纤 III 的光纤 说 明 书 CN 103575661 A 11 9/10 页 12 端口分成两部分并列地排列在它们的两侧， 光纤束端口 4 处各光纤的排列如图 9b 所示。 0090 与第一实施例相比， 本实施例只需增加一根光纤， 即可以实现通过光谱椭偏仪 SPE 和分光光度计 SPM 测量样品的椭偏参数和反射率谱线的同时， 还利用分光光度计 SPM 测量 样品的透射率谱线， 从而可以更精确地测量样品薄膜的厚度及其光学常数。即本实施例可 以实现三种测量途径同时共用一个光谱计和光源， 既简化了装置的结构， 又达到了降低成 本的效果。 0091 此外， 本实施例还包括设置在样品下方的一个透镜 L5， 用于将分光光度计中的透 射光束聚焦至光纤 V 中， 该透镜可以为消色差透镜， 也用曲面反射镜来代替。 0092 此外， 本实施例中， 由于光谱椭偏仪和分光光度计共用光谱计 SP 和光源 SO， 则还 需在各个光路中设置光阑， 通过控制光阑的开关以实现不同的测量方法。光阑的设置如图 中 D1、 D2、 D3 所示。测量时， 装载好样品后， 先打开光阑 D2， 关闭光阑 D1 和 D3， 通过椭圆偏 振法测量样品， 得 到光谱强度 I1（t） ； 然后打开光阑 D1， 关闭光阑 D2 和 D3， 记录光谱计 。