[發明專利]包含參考光束的垂直入射寬帶偏振光譜儀及光學測量系統

有效

• 申請號: 201110427910.4
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN103162832A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 李國光;劉濤;趙江艷;郭青楊;艾迪格·基尼歐;馬鐵中;夏洋
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所;北京智朗芯光科技有限公司
• 主分類號: G01J3/447
• 分類號: G01J3/447;G01J3/02;G01B11/06;G01B11/24;G01N21/21;G01N21/25
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉麗君

技術領域

本發明涉及光學領域，特別涉及一種包含參考光束的垂直入射寬帶偏振光譜儀及光學測量系統。

背景技術

一般來說，光學測量技術中的一個關鍵環節是將探測光束聚焦到樣品上。目前通常有兩種方法。一種方法是將系統中的最后一個聚焦透鏡與其它元件分開，通過僅僅調整這個聚焦透鏡來將探測光束聚焦到樣品上。例如，如圖1所示，通過對最后一個聚焦透鏡進行上下移動來實現聚焦。另一種方法是通過對整個光學測量系統進行調整來將探測光束聚焦到樣品上。例如，如圖2所示，通過對整個光學系統進行上下移動來實現聚焦(例如，參見美國專利No.5747813和No.5486701)。

隨著半導體行業的快速發展，利用光學測量技術來精確地測量晶片上單層或多層薄膜形成的三維結構的臨界尺度(CD，Critical?Dimension)、空間形貌及材料特性變得十分重要。當檢測一個通常尺寸為150毫米、200毫米或300毫米的晶片時，由于在晶片上的薄膜層應力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，當對整個晶片進行檢測時，為了實現高精確度的測量和保證半導體生產線產量的快速測量，對每個測量點自動聚焦是其中一項關鍵的技術。而且，本領域的技術人員公知，將寬帶探測光束在樣品表面上聚焦成相對較小尺寸的光斑是有利的，因為小尺寸光斑可以測量微結構圖案，且寬帶探測光束可以提高測量精確度。在這種情況下，當采用上述第一種聚焦方法時，會存在如下問題：透鏡通常具有色差，這樣的色差會導致不同波長的光的聚焦位置不同，增大誤差，降低測量精確度；以及難以找到對整個寬帶波長范圍都具有良好的透射性的透鏡材料。當采用上述第二種聚焦方法時，本領域的技術人員可以明顯知道，對整個光學系統進行調整，由于對系統重量和速度的要求和限制，實現精確的操作是非常復雜的。

鑒于上述原因，本領域的技術人員已經提出了這樣一種方法，即，使用曲面反射鏡來將寬帶探測光束聚焦到樣品表面上(例如，參見美國專利No.5608526和No.7505133B1、美國專利申請公開No.2007/0247624A1和中國專利申請公開No.101467306A)。這種方法具有如下好處：在整個寬帶波長范圍上，反射鏡不會產生色差，并且反射鏡可在較寬的波長范圍內都具有高反射率。

雖然利用曲面反射鏡自身不產生色差并從而增加聚焦及測量精確度，但是曲面反射鏡相對于透鏡來說比較難以校準光路。曲面反射鏡焦點位置和空間方向的調節受入射光制約，通常需要整個光學系統的同步調節實現出射光路方向及聚焦位置的調整和控制。例如，(1)橢圓面反射鏡：兩焦點空間位置相對固定，當入射光路校正后，通過單獨調節橢圓面反射鏡實現的光路方向及聚焦位置范圍非常有限。(2)超環面反射鏡(toroidal?mirror)：雖然在一定入射角度范圍內皆可實現空間對應的兩個焦點，但是這兩個焦點之間的空間關系隨著入射光線與超環面反射鏡的相對關系改變，且變化關系復雜，實現調焦非常困難；另一個缺點是調節范圍小，會造成像差。(3)離軸拋物面反射鏡：相對入射光線方向，改變離軸拋物面反射鏡的角度會造成像差，很大程度上限制了調整范圍；雖然沿平行入射光束方向移動離軸拋物面反射鏡可實現聚焦位置的大范圍移動，但無法改變其焦點相對于離軸拋物面反射鏡中心的位置，這同樣限制了調整范圍。綜上所述，使用單一曲面反射鏡自身不產生色差，但難以通過簡單調節實現光路方向及聚焦位置的調整和控制。而且，光束經過單個反射鏡反射后偏振態會發生改變。這里以一個鋁材料反射鏡為例。在圖3a中示出兩種入射角情況下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的兩條曲線是S偏振光的反射率Rs，下面的兩條曲線是P偏振光的反射率Rp。實線對應于45度的入射角，虛線對應于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且隨著入射角的不同而改變。在圖3b中示出反射后的S與P偏振光之間的相位差，實線對應于45度的入射角，虛線對應于50度的入射角。由此可知，反射后的S與P偏振光之間的相位差發生變化，而且隨著入射角的不同而改變，且與波長相關?？傊?，當寬帶光束經反射鏡反射之后，由于偏振方向正交的偏振態S與P各自具有不相同的反射率和相位變化，光束的偏振狀態發生改變，導致難以控制光束的偏振變化(例如，參見美國專利No.6829049B1和No.6667805)。