光學測量系統的制作方法

光學測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種光學測量系統，包括光源、光纖束、第一聚光單元、第二聚光單元、第三聚光單元、第四聚光單元、第五聚光單元、第六聚光單元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光譜計。本發明包含垂直入射和斜入射的兩個光學測量裝置，通過光纖束進行分光及合光，可以使兩套光學測量裝置共用一個光源和一個光譜計，簡化了系統結構，并極大地降低了系統的成本結構簡單，測量準確，集成度高。
【專利說明】光學測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學【技術領域】，特別涉及一種光學測量系統。
【背景技術】
[0002]隨著半導體行業的快速發展，利用光學測量技術精確測量晶片上單層或多層薄膜形成的三維結構的臨界尺度(Critical Dimension)、空間形貌和材料特性變得十分重要。為了使測量結果有效，所用的測量系統應該能夠高精確度地測量膜厚和/或薄膜構成。目前，眾所周知的非破壞性檢測技術有光度法和橢圓偏振測量法等測量方法，它們通過測量樣品反射的光的偏振來獲得樣品的特征參數。在光譜橢偏儀或偏光計中，有確定偏振態的入射光被樣品反射(一般以較大的入射角)，通過分析反射光的偏振態可以獲得樣品的特性。由于入射光包含多頻率組成，則可以得到光譜曲線圖。特別是，入射光的偏振態具有時間依賴性(使入射光通過一個旋轉的起偏器)，或者分析反射光的方法具有時間依賴性(使反射光通過一個旋轉的檢偏器)。
[0003]一般情況下，半導體薄膜需要測量得出薄膜的厚度d，折射率η及消光系數k。而橢圓偏振法只能測量出兩個橢偏參數，即:Ψ和△，則僅根據兩個橢偏方程無法精確給出樣品薄膜的光學參數(物理學報Vol.59，N0.4)，只能通過計算機擬合的方法求解。為了增加測量精度，獲得目標樣品的附加信息，本領域的研究人員提出了一種可變角度的光譜橢偏儀(VASE, variable angle spectroscopic Ellipsometry)。理論上這種測量裝置可以給出多個角度下的橢偏方程，在一定程度上能增加測量精度。然而，實際上這樣往往收效不大，如Critical Reviews of Optical Sciene and Technology Volume CR72，14-16 頁中所述，
在對薄膜厚度進行數據擬合時發現，薄膜厚度在330-430A的范圍內都可以得到基本一樣的擬合曲線。由于薄膜的厚度和薄膜材料的光學常數在擬合中往往是相關的，對于一個假設的薄膜厚度，薄膜的光學常數會隨之補償性的改變從而得到一個同樣好的擬合結果。因此，想要僅僅通過橢圓偏振法來精確測量薄膜厚度及光學常數會比較困難。為了精確測量樣品，例如，測量樣品薄膜的厚度及光學參數，通常在一個復合的光學測量系統中集成多個光學測量裝置，則可以避免上述測量結果不夠準確的問題，例如，利用垂直入射和斜入射的兩個光學測量裝置同時測量樣品(參見美國專利US5608526，US6713753)。一般來說，集成多個光學測量裝置的測量系統比較復雜，并且需要多個寬帶光源和探測裝置，成本較高。若如美國專利US6713753所述，采用分束器來耦合光路，雖然也可以達到減少光源和光譜計，降低成本的要求，但是在實際應用中，光路調節難以實現，并且，通過分束器來進行分光與合光時，其光通效率較低，對于垂直入射的光束，則至少需要兩次通過分光鏡，則其理論通光效率最高僅為25%，而斜入射的光束，也需要通過一次分光鏡，通光效率較低同時會降低系統測量的準確性。因此這種包含垂直入射和斜入射的光學測量系統在實際應用中并未得到廣泛推廣。
[0004]另一方面，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，因為小尺寸可以測量微結構圖案，且寬帶探測光束可以提高測量精度。在這種情況下，光學測量中的一個關鍵環節是將寬帶探測光束聚焦到樣品表面上，通常采用透鏡時，會具有色差，從而導致不同波長的光聚焦位置不同，增大誤差。而對于消色差透鏡，雖然可在一定范圍內減小透鏡折射率造成的色差，但并不能完全消除色差，此外，這種透鏡由于結構復雜，成本較高。本領域也有采用非球面反射鏡如超環面反射鏡，離軸拋物面反射鏡的方案，它們利用反射聚焦，可以在整個寬光譜波長范圍內實現無色差，并且可在較寬的波長范圍內都具有高反射率。但由于光束經過單個反射鏡反射后偏振態會發生改變，并且反射后的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。即，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N0.6829049B1和N0.6667805)，而光學測量系統對光偏振的控制能力限定了其應用范圍。此外，非球面反射鏡加工工藝復雜，價格也比較昂貴，因此大大增加了這種測量系統的成本。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種包含垂直入射和斜入射的光學測量系統，它具有結構簡單、測量準確、集成度高的特點。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供了一種光學測量系統，包括光源、光纖束、第一聚光單元、第二聚光單元、第三聚光單元、第四聚光單元、第五聚光單元、第六聚光單元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光譜計；
[0007]所述光源發出的光經過所述光纖束分為兩束，其中一束光依次通過所述第五聚光單元、第二偏振器、第二聚光單元后斜入射到樣品表面；另一束光依次通過所述第四聚光單兀、第一偏振器、第一聚光單兀后垂直入射到樣品表面；
[0008]經過樣品表面反射且依次經過第三聚光單元、第三偏振器及第六聚光單元的斜入射光，與從樣品表面反射后返回且依次經過第一聚光單元、第一偏振器及第四聚光單元的垂直入射光，經所述光纖束傳輸后由同一端口輸出至所述光譜計。
[0009]本發明的有益效果在于:
[0010]1.該光學測量系統包含垂直入射和斜入射的兩個光學測量裝置，并且通過光纖束進行分光及合光，可以使兩套光學測量裝置共用一個光源和一個光譜計，簡化了系統結構，并極大地降低了系統的成本；
[0011]2.該光學測量系統采用價格低廉，加工簡單球面反射鏡代替昂貴的非球面反射鏡或消色差透鏡進行聚焦，并利用平面反射鏡與之配合來消除偏振變化，則相對于現有技術中采用的消色差透鏡或離軸拋物面反射鏡的光學測量裝置，本發明的光學測量系統不僅可以提高樣品測量的精度，實現準確測量，而且使所需成本比現有技術大大降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明實施例提供的球面反射鏡聚焦示意圖；
[0013]圖2a為本發明實施例提供的保持偏振光的偏振特性的原理圖；
[0014]圖2b為光束在平面反射鏡和球面反射鏡照射的光路示意圖；
[0015]圖2c為入射光橫截面內的計算點分布示意圖；[0016]圖3a為本發明實施例提供的Y形光纖束結構示意圖；
[0017]圖3b為本發明實施例提供的W形光纖束結構不意圖；
[0018]圖3c為光纖一字型排列的不意圖；
[0019]圖4為本發明實施例提供的包含垂直入射和斜入射的兩個光學測量裝置的結構示意圖；
[0020]圖5為本發明實施例提供的包含垂直入射和斜入射的兩個光學測量裝置的另一結構示意圖；
[0021]圖6a為本發明實施例提供的第II子光纖和第III子光纖在光纖束端口 3排列的結構圖；
[0022]圖6b為本發明實施例提供的第III子光纖和第IV子光纖在光纖束端口 4排列的結構圖。
【具體實施方式】
[0023]為進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的一種包含垂直入射和斜入射的光學測量系統的【具體實施方式】及工作原理進行詳細說明。
[0024]本發明的光學測量系統采用球面反射鏡作為光束的聚焦元件，用來將發散光束聚焦成平行光束，或將平行光束聚焦成會聚光束。加工簡單，價格便宜的球面反射鏡，雖然可以將平行于球面反射鏡主軸的近軸平行光會聚于其焦點，但由于球面反射鏡的焦點位于主軸上，則利用球面反射鏡對平行于其主軸的平行光進行聚焦并不方便。在本發明中，采用使入射光方向稍微偏離球面反射鏡的主軸的方法來實現聚焦。
[0025]如圖1所示,相對于非球面反射鏡焦點和偏轉角度相對固定的特點，使用球面反射鏡還具有一個優點，即入射光束在球面反射鏡上的入射角可以在一定范圍內變化，例如，可以在5-15度范圍內。在使用時，為了保證光斑質量以及便于調節光束方向及聚焦位置，本發明還在用于聚焦的球面反射鏡前后設置一個平面反射鏡，并且，通過設置平面反射鏡的空間位置和方向，使光束在球面反射鏡和平面反射鏡上的入射角和入射方向相等，可保持聚焦過程中光束的偏振態。
[0026]為了進一步優化方案，本發明所述球面反射鏡、平面反射鏡的反射材料及鍍膜優選結構相同并滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。
[0027]下面，解釋通過兩個平面反射鏡或者一個平面反射鏡和一個球面反射鏡保持偏振光的偏振特性的基本原理。
[0028]如圖2a所示，假設以Ml入射面為參考的S (或P)偏振光束以(90-Θ )度的入射角入射在第一平面反射鏡Ml上，并且被第一平面反射鏡Ml反射至第二平面反射鏡M2。當第一平面反射鏡Ml的入射平面與第二平面反射鏡M2的入射平面相互垂直，且M2傾斜度滿足使Ml的反射光以(90- Θ )度入射角入射至M2時，經Ml反射的以Ml入射面為參考的S(或P)偏振光轉變為以M2入射面為參考的P (或S)偏振光。
[0029]現在以光束傳播方向為+Z方向確定的右手參考系分析光束的傳播及偏振態的變化。將上述過程以數學公式表達:
【權利要求】
1.一種光學測量系統，其特征在于，包括: 光源、光纖束、第一聚光單兀、第二聚光單兀、第三聚光單兀、第四聚光單兀、第五聚光單元、第六聚光單元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光譜計； 所述光源發出的光經過所述光纖束分為兩束，其中一束光依次通過所述第五聚光單元、第二偏振器、第二聚光單元后斜入射到樣品表面；另一束光依次通過所述第四聚光單兀、第一偏振器、第一聚光單兀后垂直入射到樣品表面； 經過樣品表面反射且依次經過第三聚光單元、第三偏振器及第六聚光單元的斜入射光，與從樣品表面反射后返回且依次經過第一聚光單元、第一偏振器及第四聚光單元的垂直入射光，經所述光纖束傳輸后由同一端口輸出至所述光譜計。
2.根據權利要求1所述的光學測量系統，其特征在于: 所述第一聚光單元、第二聚光單元及第三聚光單元分別由鍍膜材料及鍍膜條件相同的平面反射鏡和球面反射鏡組合而成，并且，所述平面反射鏡和球面反射鏡上滿足光束的入射角相等，入射面垂直的條件；且所述第四聚光單元、第五聚光單元及第六聚光單元為球面反射鏡；或 所述第一聚光單元、第二聚光單元、第三聚光單元及第四聚光單元分別由鍍膜材料及鍍膜條件相同的平面反射鏡和球面反射鏡組合而成，并且，所述平面反射鏡和球面反射鏡上滿足光束的入射角相等，入射面垂直的條件；且第五聚光單元及第六聚光單元為球面反射鏡。
3.根據權利要求2所述的光學測量系統，其特征在于: 所述光纖束包括第一 Y型光纖束和第二 Y型光纖束。·
4.根據權利要求2所述的光學測量系統,其特征在于,所述光纖束為一個W型光纖束。
5.根據權利要求4所述的光學測量系統，其特征在于，所述W型光纖束包括: 第I子光纖，第II子光纖，第III子光纖和第IV子光纖； 所述第I子光纖與所述第II子光纖共用輸入端口 ； 所述第III子光纖和所述第IV子光纖共用輸出端口 ； 所述第II子光纖的輸出端口和所述第III子光纖的輸入端口捆綁連接，形成輸入輸出端口 ； 所述第I子光纖和第IV子光纖的另一端分別連接一光纖端口。
6.根據權利要求5所述的光學測量系統，其特征在于: 所述第I子光纖，第II子光纖和第IV子光纖包含一根光纖，所述第III子光纖由六根光纖構成； 在所述W型光纖束的輸入輸出端口處，所述第II子光纖位于中心部位，構成所述第III子光纖的所述六根光纖對稱地排列所述第II子光纖的周圍,構成一個正六邊形； 在所述W型光纖束的輸出端口處，所述第III子光纖和所述第IV子光纖呈一字型并列擺放；所述第IV子光纖處于正中間，構成所述第III子光纖的所述六根光纖分成兩部分，在所述第IV子光纖兩側對稱地分布。
7.根據權利要求3所述的光學測量系統，其特征在于，還包括: 一分光元件，用于使從第一Y型光纖束射出的一束光在入射至第四聚光單元之前部分地通過，以及使經樣品反射后返回至第四聚光單元的光束部分地通過，并進入所述第二 Y型光纖束。
8.根據權利要求7所述的光學測量系統，其特征在于，還包括: 第一光闌和第二光闌； 所述第一光闌設置在所述第一 Y型光纖束和所述分光兀件之間的光路中； 所述第二光闌設置在所述第五聚光單元和所述第一 Y型光纖束之間的光路中。
9.根據權利要求3-6任一項所述的光學測量系統，其特征在于，還包括: 第一光闌和第二光闌； 所述第一光闌設置在所述第一Y型光纖束和所述第四聚光單元中平面反射鏡之間的光路中； 所述第二光闌設置在所述第五聚光單元和所述第一 Y型光纖束之間的光路中。
10.根據權利要求1-6任一項所述的光學測量系統，其特征在于，所述光學測量系統還包括: 至少一個相位補償器，所述相位補償器位于所述第二偏振器與所述第二聚光單元之間，或所述第三聚光單元與所述第三偏振器之間。
【文檔編號】G01B11/24GK103575662SQ201210281821
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月9日 優先權日:2012年8月9日
【發明者】李國光, 趙江艷 申請人:北京智朗芯光科技有限公司