和光学测量系统 技术领域

本发明总体上涉及一种包含至少一个偏振器的 垂直入射宽 带偏振光谱仪， 更具体地涉及利用至少一个平面反射元件改变 会 聚光束传播方向， 实现探测光束垂直入射并会聚于样品表面的垂 直入射宽带偏振光谱仪。 另外， 本发明还涉及包括这种垂直入射 宽带偏振光语仪的光学测量系统。 背景技术

一般来说， 光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束 聚 焦到样品上。 目前通常有两种方法。 一种方法是将系统中的最后 一个聚焦透镜与其它元件分开， 通过仅仅调整这个聚焦透镜来将 探测光束聚焦到样品上。 例如， 如图 1所示， 通过对最后一个聚 焦透镜进行上下移动来实现聚焦。 另一种方法是通过对整个光学 测量系统进行调整来将探测光束聚焦到样品上 。 例如， 如图 2所 示， 通过对整个光学系统进行上下移动来实现聚焦 （例如， 参见 美国专利 No.5747813和 No.5486701 ) 。

随着半导体行业的快速发展， 利用光学测量技术来精确地测 量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临 界尺度 （CD , Critical Dimension ) 、 空间形貌及材料特性变得十分重要。 当检 测一个通常尺寸为 150毫米、 200亳米或 300毫米的晶片时， 由 于在晶片上的薄膜层应力等原因， 晶片表面可能不平坦。 因此， 当对整个晶片进行检测时， 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， 对每个测量点自动聚焦是其中一项关 键的技术。 而且， 本领域的技术人员公知， 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 ， 因为小尺寸光斑 可以测量微结构图案， 且宽带探测光束可以提高测量精确度。 在 这种情况下， 当采用上述第一种聚焦方法时， 会存在如下问题： 透镜通常具有色差， 这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置 不同， 增大误差， 降低测量精确度； 以及难以找到对整个宽带波 长范围都具有良好的透射性的透镜材料。 当采用上述第二种聚焦 方法时， 不仅可能存在透镜像差问题， 而且本领域的技术人员可 以明显知道， 对整个光学系统进行调整的操作是非常复杂的 ， 难 以实现精确的测量。

鉴于上述原因，本领域的技术人员已经提出了 这样一种方法， 即，使用曲面反射镜来将宽带探测光束聚焦到 样品表面上（例如， 参见美国专利 No.5608526和 Νο.7505133Β1 、美国专利申请公开 NO.2007/0247624A1 和中国专利申请公开 Νο·101467306Α ) 。 这 种方法具有如下好处： 在整个宽带波长范围上， 反射镜不会产生 色差， 并且反射镜可在较宽的波长范围内都具有高反 射率。

虽然利用曲面反射镜自身不产生色差并从而增 加聚焦及测量 精确度， 但是曲面反射镜相对于透镜来说比较难以校准 光路。 曲 面反射镜焦点位置和空间方向的调节受入射光 制约， 通常需要整 个光学系统的同步调节实现出射光路方向及聚 焦位置的调整和控 制。 例如， （1 )椭圆面反射镜： 两焦点空间位置相对固定， 当入 射光路校正后， 通过单独调节椭圆面反射镜实现的光路方向及 聚 焦位置范围非常有限。 （2 )超环面反射镜（ toroidal mirror ) ： 虽然在一定入射角度范围内皆可实现空间对应 的两个焦点， 但是 这两个焦点之间的空间关系随着入射光线与超 环面反射镜的相对 关系改变， 且变化关系复杂， 实现调焦非常困难； 另一个缺点是 调节范围小， 会造成像差。 （3 ) 离轴抛物面反射镜： 相对入射光 线方向， 改变离轴抛物面反射镜的角度会造成像差， 很大程度上 限制了调整范围； 虽然沿平行入射光束方向移动离轴抛物面反射 镜可实现聚焦位置的大范围移动， 但无法改变其焦点相对于离轴 抛物面反射镜中心的位置， 这同样限制了调整范围。 综上所述， 使用单一曲面反射镜自身不产生色差， 但难以通过简单调节实现 光路方向及聚焦位置的调整和控制。 而且， 光束经过单个反射镜 反射后偏振态会发生改变。 这里以一个铝材料反射镜为例， 两种 入射角情况下 S和 P偏振光的反射系数 r _s 和 r _p , 随着入射角的不 同而改变。 由此可知， 反射后的 S与 P偏振光之间的振幅和相位 差发生变化， 而且随着入射角的不同而改变， 且与波长相关。 总 之， 当宽带光束经反射镜反射之后， 由于偏振方向正交的偏振态 S与 P各自具有不相同的反射率和相位变化， 光束的偏振状态发 生改变，导致难以控制光束的偏振变化（例如 ，参见美国专利 No. 6829049B1和 No.6667805 ) 。

此外， 光谱仪对偏振的控制能力限定了光谱仪的应用 范围。 例如， 当今广泛应用于集成电路生产线工艺控制的光 学临界尺度 设备 (OCD， Optical Critical Dimension), OCD设备通过测量偏振 光在样品表面的反射光傳及相位特征， 拟合数值仿真结果， 测量 样品表面周期性图案的临界尺度（CD )、 三维形貌及多层材料的 膜厚与光学常数。 实现临界尺度测量的光 i普仪要求其聚焦系统必 须做到在聚焦及光信号采集过程中控制光束的 偏振态， 从而可以 准确地测量样品。

另外， 当使用不包含偏振器的光语仪测量包含周期性 结构的 样品时， 如中国专利申请 No. 201010270454.2中所述， 由于入射 光对样品的各向异性没有调整旋转角度的选择 性， 所以入射光必 须为自然光。 从光源发出的自然光理论上要求经过完全的偏 振保 持或不存在任何偏振敏感的部件入射在样品表 面。 存在任何的部 分偏振态， 将无法测量各向异性样品； 此时， 当各向异性样品旋 转时， 测量值变化。 因此， 能够对各向异性样品进行测量的不包 含偏振控制的光傳仪对所涉及的光学器件质量 和光路调整均要求 很高。 测量时， 经样品反射的光为部分偏振光。 在此光束入射至 探测器的这个过程中， 理论上要求完全的偏振保持或不存在任何 偏振敏感的部件。 例如， 当出现偏振敏感的部件时， 需要增加消 偏振器， 这样减低了信噪比。 而且， 以上问题无法通过数值方法 得以校正。 发明内容

鉴于上述情形， 本发明的发明人提出了一种易于调节聚焦 的、 可实现无色差的、 可保持偏振特性的、 且结构简单的垂直入 射宽带偏振光傅仪。 该垂直入射宽带偏振光 i普仪包含至少一个偏 振器， 从而能够高精确度地测量各向异性或非均勾性 样品， 如包 含周期性结构的薄膜的三维形貌和材料光学常 数。

本发明提供一种垂直入射宽带偏振光谱仪，该 垂直入射宽带 偏振光谱仪包括光源、 分光元件、 聚光单元、 偏振器、 第一曲面 反射元件、 第一平面反射元件和探测单元， 其中： 所述分光元件 设置于所述光源和所述聚光单元之间的光路中 ， 用于使来自光源 的光束在入射至所述聚光单元之前部分地通过 ， 以及接收从样品 上反射的、 且依次经过所述第一平面反射元件、 所述第一曲面反 射元件、 所述偏振器和所述聚光单元的光束并将该光束 反射至所 述探测单元； 所述聚光单元用于接收通过所述分光元件的光 束并 使该光束变成平行光束； 所述偏振器设置于所述聚光单元和所述 第一曲面反射元件之间， 用于使所述平行光束通过并入射至所述 第一曲面反射元件； 所述第一曲面反射元件用于接收通过所述偏 振器的平行光束并使该光束变成会聚光束； 所述第一平面反射元 件用于接收所述会聚光束并将所述会聚光束反 射后垂直地聚焦 到样品上； 以及所述探测单元用于探测从样品上反射的且 依次经 过所述第一平面反射元件、 所述第一曲面反射元件、 所述偏振器 和所述聚光单元并被所述分光元件反射的光束 。

所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元 件可以具有 相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射 角相同和入射平 面相互垂直的条件。

所述分光元件可以是分光棱镜、 分光板、 点格分光镜

( Polka-dot Beamsplitter )或薄膜分光镜（ Pellicle Beamsplitter )。 例如， 所述分光元件可以是大恒光电 GCC-401、 大恒光电 GCC-411、 Edmund 点格分光镜、 Newport 点格分光镜、 或者 Edmund薄膜分光镜。

本发明中， 所述偏振器可以是薄膜偏振器、 格兰汤普森棱镜 偏振器、 洛匈棱镜偏振器、 格兰泰勒棱镜偏振器、 格兰激光偏振 器。 尤其， 所述偏振器优选为洛匈棱镜偏振器， 并且， 其材料优 选为氟化镁 (MgF ₂ )。

本发明还提供一种包括上述垂直入射宽带偏振 光镨仪的光学 测量系统。

结合附图考虑下面对本发明的优选实施例的描 述，本发明的 上述和其它目的、 特征和优点将变得更加清楚。 附图说明

在附图中， 所有的视图并不一定是按比例绘制的，相同的 附 图标记在几个视图中始终描述基本类似的元件 。 具有不同字母后 缀的相同附图标记表示基本类似的元件的不同 实例。

图 1 是示出现有技术中的通过上下移动最后一个聚 焦透镜 来实现聚焦的示意图。

图 2 是示出现有技术中的通过上下移动整个光学系 统来实 现聚焦的示意图。

图 3是用于说明通过移动平面反射镜来进行对焦� �示意图。 图 4是示出根据本发明第一实施例的垂直入射宽� �偏振光谱 仪的示意图。

图 5示出用于根据本发明第一实施例中的点格分� �镜的平面 示意图。

图 6是示出根据本发明第二实施例的垂直入射宽� �偏振光谱 仪的示意图。

图 7是示出根据本发明第三实施例的垂直入射宽� �偏振光谱 仪的示意图。

图 8至图 10是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图� �� 图 11是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。

图 12是绝对反射率测量法中单晶硅周期性浅沟槽 TE和 TM 的绝对反射率光谱图。

图 13是椭圆偏振测量法中 TE和 TM的 TM/TE反射率振幅 比值和 TM与 TE之间的相位差的光谱图。 具体实施方式

本文所采用的措辞或术语仅用于描述的目的， 而不用于限制 性的目的。 除非另有说明， 本文所用的术语与本领域的通用术语 含义一致。

(对焦原理）

如上所述， 在现有技术中， 虽然使用曲面反射镜自身不产生 色差， 但是难以通过简单调节来实现光路方向及聚焦 位置的调整 和控制。 鉴于这种原因， 本发明的发明人提出了使用平面反射镜 调焦的方法。 如图 3所示， 假设： 来自离轴抛物面反射镜 OAP的会聚光 束经过平面反射镜 M反射后聚焦在样品 SA的位置 P上， 以及会 聚光束中的主光沿水平方向传播且以 45 度的入射角入射至平面 反射镜。当将平面反射镜 M沿着所述会聚光束中的主光的传播方 向移动距离 h (即， 平面反射镜被移动到位置] VI，）时， 来自离轴 抛物面反射镜 OAP的会聚光束经过平面反射镜 M，反射后聚焦的 位置 P，相对于原来的聚焦位置 P在垂直方向上移动了距离 h且在 所述主光的传播方向上也移动了距离 h。 如果需要将样品上的焦 点向上移动距离 h， 只须将平面反射镜 M相对于离轴抛物面反射 镜 OAP向远处移动距离 h， 同时将样品平台沿平面反射镜 M移 动的方向移动相同的距离。 由此可知， 本领域的技术人员可以轻 松地调整光束的聚焦位置， 以适应样品的高度变化。

而且， 由于平面反射镜自身不影响入射光的会聚状态 且不产 生色差， 所以采用反射镜可以在保证会聚光束质量的同 时改变光 束的传播方向。 此外， 一方面， 反射镜通常用于折叠光路， 使得 整个光学系统更加紧凑。 另一方面， 平面反射镜可实现宽带光谱 范围内的高反射率， 对光强影响很低， 并且与辅助的聚焦判断方 法结合， 可以实现精确的手动或自动聚焦。 因此， 在本发明中通 过调整平面反射镜来进行对焦。

(保持任意偏振光的偏振特性的原理 )

下面， 参照图 8和 9解幹通过两个平面反射镜或者一个平面 反射镜和一个离轴抛物面反射镜保持偏振光的 偏振特性的基本原 理。

如图 8所示， 假设以 Ml入射面为参考的 S (或 P ) 偏振光 束以 （90-Θ )度的入射角入射在第一平面反射镜 Ml上， 并且被 第一平面反射镜 Ml反射至第二平面反射镜 M2。 当第一平面反 射镜 Ml的入射平面与第二平面反射镜 M2的入射平面相互垂直， 且 M2倾斜度满足使 Ml的反射光以（ 90-Θ )度入射角入射至 M2 时， 经 Ml反射的以 Ml入射面为参考的 S (或 P )偏振光转变为 以 M2入射面为参考的 P (或 S )偏振光。

现在以光束传播方向为 +Z方向确定的右手参考系分析光束 的传播及偏振态的变化。 程以数学公式表达：

以 Ml入射面为参考的偏振分量 E ^分别定义为右手参考系中 的 +X和 +Y方向分量。 经 ，

E , ^分别为以 Ml入射面为参考的反射光偏振分量；其中， r _ls 和 r _lp 分别为以 Ml入射面为参考的 S和 P光偏振分量以 （90-Θ ) 的 角度入射在第一平面反射镜 Ml的反射率。 而且，

经 Ml反射后的 ^分别为以 M2入射面为参考的入射偏振分 量- £ _lp , E _2i 。 经 M2反射

E _2s , E; _p 分别为以 M2入射面为参考的反射光偏振分量， 和 r _2p 分 别为以 M2入射面为参考的 S和 P光偏振分量以 （90-Θ ) 的角度 入射在第二平面反射镜 M2的反射率。

由于右手定则， 以 Ml 入射面为参考的 S 光偏振方向为以 M2入射面为参考的 P光负方向。规定在以光束传播方向为 +Z方 向确定的右手参考系中以 Ml入射面为参考的 S光偏振分量始终 为 +X轴。该光束经 M2反射后， 以 M2入射面为参考的 P光偏振 方向为 X轴正方向； 如此得到， 以 M2入射面为参考的 S光偏振 方向为 Y轴负方向。 有： (e)。

E;， E;为出射光偏振分量。在 Ml和 M2具有相同的反射材料和镀 膜结构的情况下：

综合以上公式有： =t ^(g) 。

以上公式 (a)-(g)中， 所有变量均为复数。 由公式 (g)可知， 出射光 偏振分量比等于入射光偏振分量比。 因此， 通过上述两个平面反 射镜， 可以保持偏振光的偏振特性。 根据上述式 (a)-(e), 本领域的技术人员知道， 只要第一平面 反射镜 Ml和第二平面反射镜 M2满足 r _2i r _lp = r _2p r的关系， 就可以 得到式 (g)的关系。 也就是说， 如果两个反射镜满足 r _2i r _1/; = r ₂ 的关 系， 则通过这两个反射镜， 可以保持偏振光的偏振特性。

由此可知， 由两个入射平面相互垂直且入射角度相同的平 面 反射镜构成的系统可以完美地对入射光保持偏 振特性。 在假设上 述两个平面反射镜中的一个平面反射镜由反射 材料和镀膜结构相 同的离轴抛物面反射镜替代的情况下， 对小数值孔径 (NA， numerical aperture)的情形进行了模拟计算。 虽然光束经过由离 轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的系统之后 在偏振特性上会有 偏差， 但是当平行光束以小 NA实现聚焦时， 偏振特性的偏差不 足以影响测量的准确性。 对于苛刻的偏振要求， 可以进一步利用 数值计算校正测量结果。 例如， 以图 9 为例， 平行光入射到离轴抛物面反射镜 OAP 之前为圆偏振光， 即， Ex=Ey, 且 Phase(Ex)-Phase(Ey)=90度， 其中， Ex和 Ey分别是光束在 X和 y方向上的电矢量的振幅， Phase(Ex)和 Phase(Ey) 分别是光束在 x和 y方向上的电矢量的相 位。经离轴抛物面反射镜聚焦后， 聚焦光束形成的锥体半角为 4.2 度 (NA=0.073)。 入射光波长为 210nm， 入射光横截面内的计算点 分布如图 10所示， 总共 29个点（部分已标定， 例如， （0，3)至 (0， 0) ) 。 经数值计算后， 在焦点处的偏振的强度变化与相位变化由 表 1 列出。 偏振强度变化定义为 |Ex/Ey|-l， 相位变化为 Phase(Ex)-Phase(Ey)-90„从表中可以看出， 以（0，0)成中心对称的 光束在偏振强度和相位变化方面存在相当接近 的互补性， 所以整 体上可以进一步抵消误差所造成 响。

因此， 采用这样的由离轴抛物面反射镜与平面反射镜 构成的 系统基本上也可以保持偏振光的偏振特性。

上面仅仅列举了用反射材料和镀膜结构相同的 离轴抛物面反 射镜替代上述两个平面反射镜之一的情况。 本领域的技术人员应 该知道， 不仅平面反射镜与离轴抛物面反射镜， 包括其它的曲面 反射镜， 如超环面反射镜、 椭球面反射镜或非二次面反射镜等在 内， 任意两种反射镜满足上述关系时， 都可以基本上保持偏振光 的偏振特性。

综上所述， 如果两个反射镜具有近似相同的反射材料和近 似 相同的镀膜结构并且满足主光束的入射角相同 和入射平面相互垂 直 （在本领域所允许的误差范围内， 即， 包括入射角近似相同和 入射平面近似相互垂直的情形） 的条件， 则任意偏振光经过这两 个反射镜之后其偏振特性保持不变。 具有相同的反射材料和镀膜 结构的反射镜的实例是保持在同真空腔中同次 镀膜而得到的反射 镜。

此外， 如果两个反射镜不具有相同的反射材料和镀膜 结构并 仅满足光束入射平面相互垂直或平行的条件， 则仅当探测光束为 线偏振光且偏振方向与入射平面相互垂直或平 行时， 其偏振特性 可以保持不变。

(实现聚焦的控制和判断的方法） 。

如下所述，在本发明的宽带光谱仪中有两种方 法来实现聚焦。 第一种方法为通过观测收集的反射光的信号强 度变化实现聚 焦。 相比于聚焦状态， 在光语仪狭缝所在位置经过校准后， 离焦 会造成光斑外围的部分光在光学收集系统中损 失。 在初步聚焦的 基础上， 可通过寻找光信号最大值来获得最精确的聚焦 。 快速寻 找焦点的数学方法和基本步骤可为： 在焦点附近， 将光信号强度 与离焦距离的关系近似为二次曲线型， 即， 抛物线形： Ι = -Α{χ - χ ₀ γ ₊ Β ^ 其中， /为光信号强度， 为焦点位置， Α , 为 系数。 自动聚焦过程中根据前三个不同位置 （即， A、 B和 C位 置） 的测量值， 通过曲线拟合得出二次曲线最大值的位置； 以此 位置的测量值为新增数值点， 可再次拟合曲线； 以此方法迭代直 至理论上满足 '— ^ ^{< σ} ， 其中 为第 _η 次调焦的位置， ^为在增 加第 η次调焦位置的测量值情况下拟合出的第 η+1次调焦位置， σ为系统调整的精确度。

第二种方法为通过观察所述图案识别系统中样 品表面的成像 清晰度来实现聚焦。 在理想聚焦状态， 在图案识别系统位置经过 校准后， 样品表面聚焦时具有最清晰的像。 在图像分辨率确定的 情况下， 图像的清晰度由图像的锐度（Sharpness )决定。 锐度表 示图像边缘的对比度。 更确切地说， 锐度是亮度对于空间的导数 幅度。 在初步聚焦的基础上 （即， 样品表面在所述图案识别系统 中可识别出） ， 可通调整焦距同步地计算出图像清晰度。 如此， 结合上述快速寻找焦点的数学方法和基本步骤 可获得最精确的聚

(偏振器）

对于本发明中所采用的偏振器可以采用洛匈棱 镜偏振器 RP, 例如， B.Halle Nachfl. GmbH公司生产的 PUM和 PUM2系列洛匈 棱镜。 洛匈棱镜偏振器的材料可为 MgF ₂ 、 a-BBO、 方解石、 YV0 ₄ 或石英。 洛匈棱镜偏振器利用双折射晶体 (0光与 e光的折射率不同) 射光束正交方向的两束偏振光通过洛匈棱镜交 界面时成一定夹 角出射， 其中 o光与入射方向保持一致， 以线性偏振光状态出射。 不同的材料具有不同的透射光谱范围， MgF ₂ 可达到 130-7000nm的 光谱范围。 由于不同的材料具有不同的 0光和 e光折射率， 所以透 射光中的 0光和 e光的夹角也不相同。 例如， 对于 MgF ₂ 或石英， 0 光和 e光的夹角为 1至 2度， 然而， 对于 a-BBO或 YV0 ₄ , 该夹角 可达 8至 14度。 此角度也部分地取决于洛匈棱镜的切角。 当探测光 束透射通过偏振器后， 0光垂直地入射至样品， e光以夹角倾斜地入 射至样品； 当 e光在样品表面的反射光束可以进入偏振器光� �孔径 范围内时， 其 e光的反射光束可同样反射至偏振器， 然后进入探测 器， 从而影响测量。 对于 e光偏角较大的偏振器， 其 e光在样品表 面的反射光不易重新进入偏振器。 为了提高测量精度， 避免 e光的 反射光的影响， 在样品表面上方的 o光与 e光分离的位置处可设置 光阑， 以避免 e光入射至样品表面或其反射光反射回偏振器� �

(测量原理）

(1)绝对反射率测量法： 测量样品在正交方向上的两个偏振 态的绝对反射率。 若要测量一个样品的绝对反射率， 应做如下： a. 测量光谱仪暗数值 I _d ；

b. 测量参考样本反射率， 例如， 裸硅晶片， 并获得光谱数 值 I

c 测量样品， 并获得数值 I；

这样， 样品的反射率为：

R = (I - I _d ) / (I _r - I _d ) x R(ref)

其中 R(ref) 是参考样品的绝对反射率。 R(ref)可从其他测量 获得，或通对参考样品的特性计算得出，通常 为棵硅片的反射率。

例如周期性浅沟槽结构中，如图 11所示，正交的两个偏振方 向分别定义为垂直于线形结构的方向 TM及平行于线形结构的方 向 TE。 当周期 p为 100纳米， 线宽 w为 50纳米， 沟槽深度 t为 50纳米时， 其反射率如图 12所示， 其中虚线为 TE偏振方向反 射率， 实线为 TM偏振方向反射率。

( 2 )椭圆偏振测量法： 本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪等 同为一个起偏器-样品-检偏器 （PSA ) 结构的椭圆偏振仪， 其中， 检偏器与起偏器为同一偏振器的情况。 椭圆偏振测量法， 可通过 测量计算出各向异性介质， 如图 11 所示的周期性浅沟槽结构， TE和 TM偏振态下的 TM/TE反射率振幅比值和样品在 TM、 TE 上造成的相位差。 具体测量原理可参考书 HANDBOOK OF ELLIPSOMETRY, Harland G. Tompkins, 2005; Spectroscopic EUipsometry Principles and Applications, Hiroyuki Fujiwara, 2007;美国专利 No.7115858B1和美国专利 No.7330259B2中所说 明的原理公式。 以下仅作简要描述。总光学过程由琼斯矩阵给 出， i(out) = J _A R(A)J _S R(-P)i(in),

其中

为样品反射的琼斯矩阵， X与 y为两个正交的偏振方向;

当 A=P，对于 r _xy +r _yx =0的情况（例如，参见 Li Lifeng, J.

Soc. Am. A17, 881(2000) 中） ， 以上的等式可以简化为：

3tan ² ^ + 3 + 2tan^cosA tan ² ^-1 tan ² ^ + l-2tan^cosA

- +cos( p) ~~ - ^ + cos( p) »

= a ₀ +a ₂ cos(2 p) + ₄ cos(4 p) 其中，

_T 2 tan φ-\

2 tan ² ^ + l-2tan^cosA

= « 8 a ₀ . a ₂ 、 3 ₄ 为傅里叶系数， 可根据傅里叶展开或线性拟合计 算得出。 Δ是由于样品反射造成的 X和 y偏振光之间的相位差， R _xx 为反射率， r _xx 为反射常数， tan(JHr _xx /r _yy |。 最后得出，

椭圓偏振测量法的具体操作包括以下三个主要 步骤： 1 ) 由 于系统存在旋转部件及偏振敏感部件， 如偏振器， 探测器等， 系 统需要校准以排除旋转部件及偏振敏感部件造 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 角度的变化关系可做为参考值， 通过比值去除系统在不同偏振器 角度的光强影响。 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镨， 并完成 360度全部的扫描， 这些数据做 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� �， 得到光强在各个角度的相对真实值。 3 )根据上述公式， 计算傅立 叶系数， 进而得出 TM/TE反射率振幅比值和 TM与 TE之间的 相位差的光谱。 以如图 11所示结构为例， 其光谱如图 13所示。

测量得到 TE、 TM绝对反射率或 TM/TE的振幅比及相位差 后， 通过与数值仿真结果比较及数值回归计算， 可测量样品表面 周期性图案的临界尺度、三维形貌及多层材料 的膜厚与光学常数。 在这种情况下， 所述垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括计算 单 元，该计算单元用于通过反射率的数学模型计 算和曲线回归拟合， 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。 现今常用的周期性结构电磁模 拟计算方法为严格耦合波分析 ( Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA ) ， 回归算法为 Levenberg-Marquardt算法。 在本发明中， 除理论测量方法之外， 测量过程还涉及对于偏 振器旋转等存在偏振感度造成的变化的处理， 此类问题可通过数 值方法解决， 更具体内容可参考美国专利 No. 6522406B1和美国 专利 Νο. 6665070Β1。 结合本实施例， 经过偏振器的光束的线性偏 振方向由偏振器旋转角度决定， 入射至偏振器的光源可为任意偏振 态的光束。 根据测量方法进行选择， 当选用绝对反射率测量法时， 经样品反射的光经过偏振器后为偏振光， 在此光束入射至探测器的 过程中，参考样品反射光与测量样品反射光皆 经历相同的偏振变化， 所以不要求保持偏振态， 对光学部件的偏振敏感无要求。 当选用椭 圆偏振测量法时， 入射至偏振器的光束最好为自然光束或圆偏振 光 束，在光源 SO至偏振器及偏振器至探测器 SP的光学过程中最好达 到完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部 件； 但这些偏差可完 全通过数值方法来得以校正。 接下来，将参照附图对根据本发明实施例的宽 带光傳仪进行 详细的描述。

(第一实施例）

在图 4中示出根据本发明的第一实施例的垂直入射� �带偏振 光讲仪。 如图 4所示， 该垂直入射宽带偏振光 i普仪包括宽带点光 源 SO、 分光元件 BP、 透镜 L、 离轴抛物面反射镜 OAP、 偏振器 P、 宽带光谱计 SP、 平面反射镜 M、 可移动的分光板 BS以及图 案识别系统 IRS。该图案识别系统 IRS包括透镜 L，、照明光源（未 示出）和 CCD成像器（未示出）。 宽带点光源 SO可以发射包含 宽带光谱的发散光束， 该宽带光谱通常在深紫外至近红外光范围 内 （大约 190nm至 llOOnm波长范围内） 。 实践中， 宽带点光源 SO 可以是氙灯、 氘灯、 钨灯、 素灯、 汞灯、 包含氘灯和钨灯 的复合宽带光源、 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、 以及包含氘钨卤素灯的复合宽带光源。 这些宽带光源的光束可以为自然光（即， 偏振度等于零）。 但是， 该宽带点光源也可以是通过消偏振器产生的偏 振度为零的自然光 点光源 （美国专利 No. 6667805 ) 。 宽带点光源 SO的例子包括 Ocean Optics公司产品 HPX-2000、 HL-2000和 DH2000, 以及 Hamamtsu公司产品 L11034、 L8706、 L9841和 L10290。 宽带光 谱计可以是电荷耦合器件（CCD )或光电二极管阵列 （PDA ) 宽 带光谱计， 例如， Ocean Optics QE65000光谙计或 B&W Teck Cypher H光墦计。

接下来， 解释一下用作本实施例的分光元件 BP的点格分光 镜（即， 表面镀有周期性金属点的平面反射镜） 的结构。 在图 5 中示出点格分光镜的平面示意图（该图摘自 www.newport.com )。 点格分光镜包括呈点花纹图案形式的铝化区和 空白区， 花纹可为 多种形状， 常见为方形和圆形； 点格分光镜的薄片材料可为熔凝 石英（ Fused Silica ) ； 当入射光照射到点格分光镜上时， 入射光 从铝化区反射或者透射通过空白区。 由此可知， 在 （以 0 至 45 度的入射角）入射至铝化区的入射光中， 有 50%的入射光通过点 格分光镜， 或者有 50%的入射光从点格分光镜反射。 由于铝在较 宽光谱上具有良好的反射率， 所以这种点格分光镜优于棱镜分光 器或分光板。 因此， 发明人在本实施例中采用明显优于普通的棱 镜分光器和分光板的点格分光镜。 点格分光镜的例子包括 Edmund点格分光镜和 Newport 、格分光镜。

返回参照 5a， 宽带点光源 SO发射的光束在水平面内传播并 入射至分光元件 BP，其中 50%透射通过分光元件 BP并入射至透 镜！^。 由于透镜 L的位置相当于宽带点光源 SO置于其焦点处， 所以来自宽带点光源 SO的光束经过透镜 L之后被会聚成沿着水 平方向传播的平行光束。 该平行光束经过偏振器 P后入射至离轴 抛物面反射镜 OAP, 离轴抛物面反射镜 OAP使该平行光束在水 平面内偏转 90度。 由离轴抛物面反射镜 OAP反射后的光是主光 在水平面内的会聚光束。该会聚光束经过平面 反射镜 M反射后沿 垂直方向向下入射至样品。 该会聚光束的主光垂直入射并且聚焦 在样品表面上。 样品表面的反射光， 依次经过平面反射镜 M、 离 轴抛物面反射镜 OAP、 偏振器和透镜 L， 形成会聚光束。 该会聚 光束中的 50%经过分光元件 BP反射后入射至宽带光嗇计 SPo该 宽带光谱计 SP将放置在分光元件 BP反射后的会聚光束的焦点 处。

此外， 平面反射镜 M的倾斜角度和 /或空间位置是可调节的， 例如， 可以沿着上述的来自离轴抛物面反射镜 OAP 的会聚光束 的主光的传播方向移动。 同样地， 该宽带光谱仪还可以包括用于 承载样品的可调节的样品平台。 根据上述对焦原理， 本领域的技 术人员将会知道通过调节平面反射镜 M如何实现对焦。在半导体 行业， 样品的尺寸通常是直径 8英寸（200亳米）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。 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。

在测量样品之前， 将可移动分光板 BS切入光路中。 样品表 面的探测光束的反射光束及图案识别系统中照 明光束的反射光束 经分光板 BS反射后， 同时被图案识别系统获得， 从而通过可移 动的样品平台， 可以对准光斑与被测图案。 通过计算样品表面成 像清晰度， 以校准好的图案识别系统为基准对样品进行调 焦。 由 此可知， 除通过观测光谱仪中光强的变化判断聚焦外， 本实施例 还可以具有另一种聚焦判断方法， 即， 通过观测所述图案识别系 统中的成像清晰度来进行调焦。 并存两种聚焦系统提高了设备聚 焦的精确度。 并且， 可以实现样品表面探测光束光斑与样品表面 图案对准的功能。 而且， 调焦过程中， 可移动的分光板 BS 不需 要随平面反射镜 M的位置变化做出调整。 当可移动的分光板 BS 不位于光路中时， 由于不对光路产生任何影响，可进行光谱测量 。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 如果平面反射 镜 M和离轴抛物面反射镜 OAP具有相同的反射材料和镀膜结构 并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直 的条件， 则当探测 光束经偏振器 P后的偏振特性在入射并会聚于样品 SA表面时保 持不变。 如此， 探测光束线性偏振方向与样品水平面上某固定 方 向的夹角可通过旋转偏振器调整。 样品的反射光， 通常为椭圆偏 振光， 偏振特性在入射至偏振器 P (此时偏振器起到检偏器的作 用） 时保持不变。 即本发明中， 所述垂直入射宽带偏振光谱仪可 按照上文所述的两种测量方法测量各向异性的 薄膜样品或非均匀 薄膜样品， 如测量表面周期性图案的临界尺度（CD )、 三维形貌 及多层材料的膜厚与光学常数。如果平面反射 镜 M和离轴抛物面 反射镜 OAP 不具有相同的反射材料和镀膜结构并仅满足光 束入 射平面相互垂直或平行的条件， 则仅当探测光束为线偏振光且偏 振方向与入射平面相互垂直或平行时，其偏振 特性可以保持不变； 在此情况下， 无法实施椭圆偏振测量法， 但可以实施绝对反射率 测量法 （ 关于其测量法的具体说明， 请参考美国专利 NO.7505133B1 ) 。

在本实施例中，经过偏振器的光束的线性偏振 方向由偏振器旋 转角度决定， 入射至偏振器的光源可为任意偏振态的光束。 根据测 量方法进行选择， 当选用绝对反射率测量法时， 经样品反射的光经 过偏振器后为偏振光， 在此光束入射至探测器的过程中， 参考样品 反射光与测量样品反射光皆经历相同的偏振变 化， 所以不要求保持 偏振态，对光学部件的偏振敏感无要求。 当选用椭圆偏振测量法时， 入射至偏振器的光束最好为自然光束或圆偏振 光束， 在光源 so至 偏振器及偏振器至探测器 SP 的光学过程中最好达到完全的偏振保 持或不存在任何偏振敏感的部件； 但这些偏差可完全通过数值方法 来得以校正。 本实施例中， 光源 SO至偏振器及偏振器至探测器 SP 的光学过程中， 由于采用点格分光镜， 无法实现偏振保持； 需要测 量前完成数值校正。 此外， 在本实施例中， 透镜 L也可以用其它 形式的聚光单元 （例如， 离轴抛物面反射镜、 由若干个透镜构成 的聚光单元等）替代。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 所述平面反射 镜 M和离轴抛物面反射镜 OAP满足光束的入射角相同时； 所述 入射角并不局限于本实施例中所述的 45 度。 实施时可根据如 Edmundoptics等所提供的入射角度 7.5度至 45度的各种离轴抛 物面镜或制定的特殊入射角度的离轴抛物面镜 改变实施方式。 本 领域的技术人员可以知道， 当入射角较小时， 平面镜反射造成的 偏振变化越小，偏振态经所述平面反射镜 M和离轴抛物面反射镜 OAP反射后变化越小； 即 15度入射角情况会优于 45度情况。 使 用本实施例的垂直入射宽带偏振光语仪不仅可 以通过简单的操作 进行聚焦， 而且可以精确地控制探测光束的偏振变化， 即， 可以 保持任意偏振光的偏振特性。

根据本实施例和上述保持偏振特性的原理， 本领域的技术人 员可以想到本实施例的任何其它等同形式。

(第二实施例）

在图 6 中示出根据本发明的第二实施例的垂直入射宽 带偏 振光 i普仪。 与图 4所示的垂直入射宽带偏振光镨仪相比， 本实施 例的垂直入射宽带偏振光谱仪不包含分光元件 BP, 而包含两个 反射元件 M2和 M3， 其中， 这两个反射元件 M2和 M3置于透 镜 L和宽带光谱计 SP之间。 为了简化起见， 在本实施例中省略 对与第一实施例相同的特征和结构的描述。 下面仅仅描述本实施 例与第一实施例的不同之处。

如图 6所示， 反射元件 M2的边缘处于从光源 SO到透镜之 间的光路中。 反射元件 M3置于宽带光谱计 SP和反射元件 M2 之间的光路中。 从光源 SO发出的光束在水平面内传播并入射至 透镜 L。由于透镜 L的位置相当于宽带点光源 SO置于其焦点处， 所以来自光源 SO的光束经过透镜 L之后被会聚成沿着水平方向 传播的平行光束。该平行光束经过偏振器 P后入射至离轴抛物面 反射镜 OAP, 离轴抛物面反射镜 OAP使该平行光束在水平面内 偏转 90度。 由离轴抛物面反射镜 OAP反射后的光是主光在水平 面内的会聚光束。 该会聚光束经过平面反射镜 M反射后沿垂直 方向向下入射至样品。 该会聚光束的主光垂直入射并且聚焦在样 品表面上。 宽带光语计 SP探测从样品上反射的且依次经过平面 反射镜 M、 离轴抛物面反射镜 OAP、 偏振器 P、 透镜 L、 反射元 件 M2和反射元件 M3的光束。

与第一实施例一样， 在本实施例中， 如果平面反射镜 M和离 轴抛物面反射镜 OAP 具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光 束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件， 则当探测光束经偏 振器 P后的偏振特性在入射并会聚于样品 SA表面时保持不变。 此外， 与第一实施例不同的是， 在本实施例中， 如果反射元件 M2和 M3具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束� ��入射角 相同和入射平面相互垂直的条件， 则光束经偏振器 P后的偏振特 性在入射至宽带光谱计 SP时保持不变。 而且， 由于透镜 L不改 变探测光束偏振特性， 当探测光束在偏振器和宽带光源 SO之间 的光路中传播时， 其偏振特性可以保持不变。 如此， 在本实施例 中， 从光源发出的光， 在光源 so和样品之间的光路中传播时， 其 偏振特性保持不变； 光束经偏振器 P后的偏振特性在入射至宽带 光谱计 SP时保持不变；在入射偏振器之前保持了光源 so自然光 的偏振性， 经偏振器后返回的光同样保持了反射光通过偏 振器后 的线性偏振性， 这样简化了系统对偏振的敏感性， 仅存在探测器 对线性偏振态的敏感性， 从而简化了具体实施时的由于系统偏振 敏感性造成的数值修正。

在本实施例中， 探测光束线性偏振方向与样品水平面上某固 定方向的夹角可通过旋转偏振器调整。 探测光束经偏振器 P后的 偏振特性在入射并会聚于样品 SA表面时保持不变。 即， 聚焦系 统和调焦过程不影响偏振器样品表面之间的光 束偏振态， 所述垂 直入射宽带偏振光镨仪可按照上文所述的两种 测量方法测量非均 匀薄膜样品， 如表面周期性图案的临界尺度（CD )、 三维形貌及 多层材料的膜厚与光学常数。 (第三实施例）

在图 7中示出根据本发明的第三实施例的宽带光躇� �。 如图 7所示，该宽带光谱仪包括宽带点光源 SO、第一平面反射镜 Ml、 第一离轴抛物面反射镜 ΟΑΡ1、 第二离轴抛物面反射镜 OAP2、 偏振器 P、 宽带光谱计 SP、 第二平面反射镜 M2、 第三平面反射 镜 M3、 可移动的分光板 BS以及图案识别系统 IRS。 该图案识别 系统 IRS包括透镜 L、 照明光源 （未示出） 和 CCD成像器 （未 示出） 。 为了简化说明起见， 对于与第一实施例相同的元件和功 能不再进行详细描述。

在本实施例中， 宽带点光源 SO可以发射包含宽带光谱的发 散光束,该宽带光谱通常在深紫外至近红外光� �围内（大约 190nm 至 llOOnm波长范围内） 。 光束垂直向下传播并被第二平面反射 镜 M2反射至第二离轴抛物面反射镜 OAP2的水平方向。 由于第 二离轴抛物面反射镜 OAP2的位置相当于宽带点光源 SO置于其 焦点处， 所以来自宽带点光源 SO的光束被第二离轴抛物面反射 镜 OAP2反射后偏转 90度形成沿着水平方向传播的平行光束。 该平行光束经过偏振器 P 之后入射至第一离轴抛物面反射镜 OAP1 , 第一离轴抛物面反射镜 OAP1 使该平行光束在水平面内 偏转 90度。 由第一离轴抛物面反射镜 OAP1反射后的光是主光 在水平面内的会聚光束。 该会聚光束经过第一平面反射镜 Ml反 射后沿垂直方向向下入射至样品。 至此， 整个光学系统， 以离轴 抛物面反射镜 OAP1和 OAP2以及第一平面反射镜 Ml 水平对称 轴确定的平面为参考平面， 接近样品的半部分， 即， 参考平面以 下的半部分， 将探测光束聚焦在样品表面。 该会聚光束的主光垂 直入射并且聚焦在样品表面上。 样品表面的反射光， 依次经过第 一平面反射镜 Ml、 第一离轴抛物面反射镜 ΟΑΡ1、 偏振器、 第二 离轴抛物面反射镜 OAP2和第三平面反射镜 M3, 形成会聚光束。 该会聚光束入射至放置在其焦点处的宽带光谱 计 SP。 至此， 整个 光学系统远离样品的半部分， 即， 参考平面以上的半部分， 将样 品表面反射的光束聚焦在光谱计上。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 如果平面反射 镜 Ml和离轴抛物面反射镜 OAP1具有相同的反射材料和镀膜结 构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂 直的条件， 则当探 测光束经偏振器 P后的偏振特性在入射并会聚于样品 SA表面时 保持不变。 如果平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2具有 相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射 角相同和入射平面 相互垂直的条件， 则光源 SO发出的探测光束的偏振特性在入射 偏振器表面时保持不变。 如果平面反射镜 M3和离轴抛物面反射 镜 OAP2具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光� �的入射角相 同和入射平面相互垂直的条件， 则光束经偏振器 P后的偏振特性 在入射至宽带光谱计 SP 时保持不变。 如此， 在本实施例中， 从 光源发出的光， 探测光束经偏振器 P后的偏振特性在入射并会聚 于样品 SA表面时保持不变； 光源 SO发出的探测光束的偏振特 性在入射偏振器表面时保持不变； 在入射偏振器之前保持了光源 SO 自然光的偏振性， 经偏振器后返回的光同样保持了反射光通 过偏振器后的线性偏振性， 这样简化了系统对偏振的敏感性， 仅 存在探测器对线性偏振态的敏感性， 从而简化了具体实施时的由 于系统偏振敏感性造成的数值修正。

在本实施例中， 探测光束线性偏振方向与样品水平面上某固 定方向的夹角可通过旋转偏振器调整。 探测光束经偏振器 P后的 偏振特性在入射并会聚于样品 SA表面时保持不变。 即， 聚焦系 统和调焦过程不影响偏振器样品表面之间的光 束偏振态， 所述垂 直入射宽带偏振光谱仪可按照上文所述的两种 测量方法测量非均 匀薄膜样品， 如表面周期性图案的临界尺度（CD )、 三维形貌及 多层材料的膜厚与光学常数。

在本实施例中， 第二平面反射镜 M2可以是半圆形平面反射 镜，也可以是具有其它至少含有一个直线边缘 形状的平面反射镜。

与第一实施例一样， 使用本实施例的垂直入射宽带偏振光谱 仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦， 而且可以精确地控制探测 光束的偏振变化， 即， 可以保持任意偏振光的偏振特性。

本实施例全部使用反射镜元件， 除了第一实施例和第二实施 例中提及的有益效果以外， 还可以实现无色差的有益效果。

虽然第一、 二实施例的平面反射镜和第三实施例中的第一 平 面反射镜被描述为可调节或可移动的， 但是它们也可以保持固定 不动。 上述样品可以保持在可移动的或固定不动的样 品台上。 分 光板也可以采用点格分光镜或其它分光器的形 式。 此外， 在上述 实施例中所述垂直入射宽带偏振光语仪还包括 至少一个光阑， 位 于所述偏振器和所述样品之间， 用于避免经过所述偏振器后产生 的 e光入射至样品表面， 和 /或其反射光反射回偏振器。 还可以设 置光阑， 该光阑可以置于任意一段光路中处于与主光垂 直且光阑 中心通过主光的位置， 以调节探测光的实际数值孔径。

此外， 本发明的垂直入射宽带偏振光潘仪还可以包括 计算单 元，该计算单元用于计算样品材料的光学常数 和 /或用于分析样品 材料的周期性微结构的临界尺度特性或三维形 貌。

此外， 本发明的垂直入射宽带偏振光潘仪还可以包括 偏振器 旋转控制装置， 该偏振器旋转控制装置， 用于控制所述偏振器的 偏振方向。

请注意， 根据本说明书的教导， 本领域的技术人员将应该理 解， 本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪不局限于上 述实施例中所 公开的具体形式， 只要在本发明的总体构思之下， 可以对本发明 的宽带光谱仪进行各种变形。 本发明的宽带光谱仪可以应用于探 测半导体薄膜、光学掩膜、金属薄膜、电介质 薄膜、玻璃 (或镀膜)、 激光反射镜、 有机薄膜等的厚度、 光学常数以及这些材料构成的 周期性结构的临界尺度和三维形貌， 尤其可以应用于测量多层薄 膜所形成的在平面内具有一维和二维周期性的 三维结构的全部尺 度及各层材料的光学常数。 此外， 采用本发明的宽带光谱仪， 可 以实现自动聚焦， 也可以实现手动聚焦。

虽然已经参照示例性的实施例对本发明进行了 描述，但是应 当理解， 本发明并不局限于所公开的示例性的实施例。 所附的权 利要求的范围应被给予最大范围的解释， 从而包含所有这样的修 改和等同结构以及功能。