本发明总体上涉及一种包含至少一个偏振器、 至少一个曲面反射 元件和至少两个平面反射元件的斜入射宽带光 谱仪， 更具体地涉及利 用平面反射元件改变光束传播方向， 实现探测光束斜入射并会聚于样 品表面的斜入射宽带光谱仪。 另外， 本发明还涉及包括这种斜入射宽 带光讲仪的光学测量系统。 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光 透镜与其它元件分开， 通过仅仅调整这个聚光透镜来将探测光束聚焦 到样品上。 例如， 如图 1所示， 通过对最后一个聚光透镜进行上下移 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毫米或 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， 当釆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 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 1%和1 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 o. 6829049B1和 o.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 反射光谱及相位特征， 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 界尺度测量的光谙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。 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 制的光镨仪对所涉及的 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 单的斜入射宽带光谱仪。 该斜入射宽带光 i普仪包含至少一个偏振器、 至少一个曲面反射元件和 至少两个平面反射元件的斜入射宽带光谱仪。 具体地， 该斜入射宽带 光谱仪利用平面反射元件改变光束传播方向， 从而实现探测光束斜入 射并会聚于样品表面。

本发明提供一种斜入射宽带光谱仪， 该斜入射宽带光语仪包括光 源、 第一聚光单元、 第一偏振器、 第一曲面反射元件、 第一平面反射元 件、 第二平面反射元件、 第二聚光单元和探测单元， 其中： 所述第一聚 光单元用于将来自所述光源的光束会聚成平行 光束； 所述第一偏振器用 于使所述平行光束变成偏振光束； 所述第一曲面反射元件用于将所述偏 振光束会聚并反射至所述第一平面反射元件； 所述第一平面反射元件用 于将来自所述第一曲面反射元件的偏振光束倾 斜地聚焦到样品上； 所述 第二平面反射元件用于将从样品上反射的光束 反射至所述第二聚光单 元； 所述第二聚光单元用于使来自所述第二平面反 射元件的反射光束会 聚并入射到所述探测单元； 以及所述第一平面反射元件和所述第一曲面 反射元件满足光束的入射平面相互垂直或互相 平行的条件。

此外， 所述斜入射宽带光语仪还可以包括第二曲面反 射元件和第二 偏振器， 所述第二曲面反射元件设置在所述第二平面反 射元件和第二偏 振器之间的光路中， 所述第二偏振器设置在所述第二曲面反射元件 和所 述第二聚光单元之间的光路中， 其中： 所述第二曲面反射元件用于接收 来自所述第二平面反射元件的反射光束并将该 反射光束会聚成平行光 束； 所述第二偏振器用于使来自所述第二曲面反射 元件的平行光束变成 偏振光束； 所述第二聚光单元用于使来自所述第二偏振器 的偏振光束会 聚并入射到所述探测单元； 以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面 反射元件满足光束的入射平面相互垂直或互相 平行的条件。

此外， 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， 并且所述第二平面反射元件和所述第二曲面反 射元件可 面相互垂直的条件。

在本发明中， 所述第一偏振器和所述第二偏振器可以为薄膜 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 或者格兰激光偏振器。 尤其， 所述第一偏振器和所述第二偏振器优选 为洛匈棱镜偏振器， 并且， 其材料优选为氟化镁 (MgF ₂ )。

在本发明中， 光束入射在所述第一平面反射元件和所述第一 曲面反 射元件、 以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反 射元件上的角度 可以相同且在 10度至 45度之间。 此外， 光束入射在样品表面上的角度 可以为 5度至 75度。

本发明还提供一种包括上述斜入射宽带光谱仪 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 3a至图 3e是用于说明使用两个平面反射镜进行调焦的� ��法的 示意图。

图 4a至图 4c用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。

图 5是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。

图 6是绝对反射率测量法中单晶硅周期性浅沟槽 TE和 TM的绝 对反射率光谘图。

图 7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。

图 8示出用于根据本发明第一实施例中的斜入射� �带光讲仪的示 意图。 图 9 是示出根据本发明第二实施例的斜入射宽带光 傳仪的示意 图。

图 10 是示出根据本发明第三实施例的斜入射宽带光 语仪的示意 图。 具体实施方式

本文所釆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在探测光束斜入射在样 品表面上 的情况下使用两个平面反射镜进行调焦的方法 。 下面参照图 3a至 3e 对该方法进行详细的描述。

在图 3a中，假设平面反射镜 1024是入射平面反射镜， 平面反射 镜 1024，是出射平面反射镜， 平面反射镜的入射平面是样品的入射平 面。入射平面反射镜 1024可以将会聚的入射探测光束以任意角度（� � 不限于 90度）入射到样品 104的表面上。 然后， 样品将该探测光束 反射至出射平面反射镜 1024，。 接着， 出射平面反射镜 1024，将探测光 束反射至其它元件 （在图中未示出） 。 如图 3b所示， 若要将探测光 束的聚焦位置从 A垂直地移动到 B, 则为了使得 CD+DB=CA， 可以 将平面反射镜从 C移动到 D并调整平面反射镜的倾斜角。 可以通过 计算机程序来调整平面反射镜的移动距离和倾 斜角。

计算平面反射镜的移动距离和倾斜角的具体方 法如下：

如图 3c所示， 会聚的入射探测光束的主光与水平面的夹角为 φ， 该主光经过位于初始位置 Mo处的平面反射镜反射之后以 θο的入射角 入射在样品上。 当平面反射镜从初始位置 Μ。移动到位置 Μ处（从初 始位置 Μ _θ 到位置 Μ在主光方向上的距离为 d )并倾斜一个角度（ α-α ₀ ) (这里， α«是平面反射镜在位置 Μ。处的法线相对于水平面的夹角， α 11000916 是平面反射镜在位置 M 处的法线相对于水平面的夹角） 时， 入射探 测光束的主光经过位于位置 M处的平面反射镜反射之后以 Θ的入射角 入射在样品上。 这里， 假设平面反射镜在初始位置 Mo处的中心离聚 焦位置 O。或 O的水平距离为 t， 平面反射镜在位置 M处的中心离聚 焦位置 Oo或 O的水平距离为 t+x。

根据图 3c的几何光学结构， 本领域的技术人员可以得到：

MO + d = M _n O _n .

x = d cos^ · 廳 o = ^d 以及 sin

通过对上述公式进行计算得出：

- t(sin0 -sin6 _Q )

a

sin ^ ₀ (sin^ + cos^) ( 1 ) 。

此外， 平面反射镜的法线与水平面的夹角 α和 α _β 满足下述关系：

"。 - 2 ⁽⁹ ° ~ ^θο) (2) ；

2 (3) 。

由式 （2) 和 （3) 可得出：

θ-θ ₀

- ₀ = - 、

2 (4) 。

由此得到， 聚焦位置 0。到 Ο的垂直距离 h为：

h = tctg0 _Q -(t + x)ctg6 _ ί/ sin = t(ctgG _Q - ctgQ) - c/(cos <ctg0 + sin φ) 调整探测光束的聚焦高度必须伴随入射角的变 化。通常晶圆表面 及样品台可保持较高平整度， 在 h变化 20微米， t为 25毫米， θ。=60 且 ψ=90。的情况下， 调整聚焦时， 入射角角度变化约 0.01度。 如此微 小的旋转可在不调整其他任何器件的情况下， 仍保持任意偏振光的偏 振特性。高精度的旋转可通过压电 (Piezoelectric)控制的旋转台（例如： 美国 Discovery Technology International, LLLP公司的 PRS-1压电旋 转台） 实现， 精度可达 0.0005度， 分辨率可达 0.001度。

在图 3d中，假设平面反射镜 1025是入射平面反射镜， 平面反射 镜 1025，是出射平面反射镜。 在该图中， 样品 104被承载在可调节的 样品平台 105上。 假设样品平台 105位于水平平面 （即， XY平面） 上， 会聚的会聚光束中的主光 101近似平行于样品（半导体样品， 例 如， 晶片）表面， 并且沿着从右向左的方向 （即， X方向）传播。 会 聚的会聚光束入射到平面反射镜 1025上， 其中， 入射主光 101 以 45 度的入射角入射到平面反射镜 1025。 在这种情况下， 根据反射定律可 知， 被平面反射镜 1025反射后的主光 103相对于入射主光 101偏转 90度。平面反射镜 1025的入射平面可与样品表面呈 0至 90中的任意 角度。 图 3d中， 反射主光 103近似垂直入射在样品 104上。 因此， 被平面反射镜 1025反射后的光束聚焦在样品 104表面上。 然后， 该 光束被样品 104表面反射之后入射在平面反射镜 1025，上， 其中， 被 样品表面反射之后的反射主光 103 _p 以 45度的入射角入射到平面反射 镜 1025，。 在这种情况下， 根据反射定律可知， 被平面反射镜 1025， 反射后的主光 101 _p 相对于反射主光 103 _p 偏转 90度， 也就是说， 该主 光 103近似沿着负 X方向离开平面反射镜 1025，。若要在垂直方向（即， Z方向）调整聚焦位置， 这两个平面反射镜沿着 X方向水平移动且对 称地或反对称地倾斜以保持聚焦位置在 Y 方向上位置恒定不变。 同 时， 样品也要随着聚焦位置沿 X方向移动。 可以通过计算机程序来调 整平面反射镜的移动量和倾斜角、 以及样品的移动量。

接下来， 参照图 3e来解释如何调整平面反射镜的移动量和倾斜 角、 以及样品的移动量。 入射的会聚光束沿着 X方向入射， 在该图中 仅仅示出会聚光束中的主光的传播方向。 该会聚光束经平面反射镜 (这里， 以平面反射镜 1025为例， 位于位置 R。处）反射后聚焦在样 品中心 Oo处。该主光经平面反射镜 1025 _R() 反射后与 X入射方向成 90 度， 入射至样品的主光与经样品反射后的反射光的 主光存在于平面 1 ₀ 内， 且此平面 I _D 与样品平面垂直。 经样品反射后的光束经过与 （位于 位置 R _e 处的） 平面反射镜对称或反对称的平面反射镜（即， 平面反 射镜 1025，）反射后沿着负 X方向离开。 假设来自平面反射镜 1025 _R0 的主光以 θ。的入射角入射在样品中心 Oc处。 调整后的目标入射角为 Θ ( θ>θ ₀ ) (在目标位置 R处的平面反射镜 1025 _R ) ， 调整过程保持聚 焦位置在 Y方向不发生偏移（这样可以简化样品平台的� �求）。 假设 平面反射镜 1025 _R() 的中心与样品中心在 Y方向上的距离为 R。 _y O。=S。 在这种假设下， 当从入射角 调整为目标入射角 Θ时， 聚焦位置在 X 方向上的变化为 h=(ct _g 0o-ctg9)*S , 即， 光程缩短了 S/sin0 _o -S/sin0. 由于入射的会聚光束的焦距是不变的， 并且该光束经过平面反射镜后 的光程缩短了， 则需将平面反射镜前的光程增加。 由 R。O _Q =RO+RR ₀ 可以得出光程缩短了： RR。=S/sine。-S/sine。 调整平面反射镜的第一步 为将平面反射镜沿会聚入射光的主光轴向光束 传播方向移动 S/sin0o-S/sine. 经如上调整后， 聚焦位置存在于原主光方向的路径上， 并且将聚焦位置以入射平面反射镜的主光为轴 在垂直于样品的平面 内旋转角度 φ ( φ= θ-θ ₀ ) 。 调整平面反射镜的第二步为将平面反射镜 以入射光主光为轴旋转角度 φ。 只要对接受反射光的平面反射镜进行 对称或反对称的调整， 就可将聚焦位置调整到相同位置。 与此同时， 样品平台应与平面反射镜沿同一 X 方向移动相同的距离 S/sin9 _O -S/sin0 , 同时垂直向上移动 ΪΙ=(<^Θ(Γ(^Θ)*8。 结果， 使得原聚 焦位置 Ο。移动至新聚焦位置 ο。

在这种情况下， 调整探测光束的聚焦高度必须伴随入射角的变 化。 通常晶圆表面及样品台可保持较高平整度， 在 h变化 20微米， S 为 25毫米且 θο=30。（即入射角为 60度） 的情况下， 调整聚焦时， 入射 角角度变化小于 0.01度。高精度的旋转可通过压电 (Piezoelectric)控制 的旋转台 (例 口： 美国 Discovery Technology International, LLLP公 司的 PRS-1压电旋转台）实现，精度可达 0.0005度，分辨率可达 0.001 度。

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 4a和 4b解释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 4a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。 将上述 学公式表达：

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

E _] ' _s , 分别为以 Ml入射面为参考的反射光偏振分量；其中， η和 分 别为以 Ml入射面为参考的 S和 Ρ光偏振分量以 （90-Θ ) 的角度入射 在第一平面反射镜 Ml的反 而且，

经 Ml反射后的 E; _s ， E; _p 分别为以 M2入射面为参考的入射偏振分量

E _2s 。 经 M2反射后，

E E _2p 分别为以 M2入射面为参考的反射光偏振分量， r _2i 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 _s , 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:

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 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 ₂ r _{l p} = r _2p r 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 4b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 4c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卜 1 , 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� ��存在相当接近 的互补性， 所以整体上可以进一步 误差所造成的影响。

00916 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。

由 Fresnel 定律可知， 两种介质交界面反射时的反射系数 r _p 、 r _s 为，

N ₂ cos θ、 - N _{ cos θ ₂ N _x cos θ _λ - N ₂ cos θ _:

N cos Θ, + N、 cos Θ. N、 cos 0, + N-, cos .

光在介质中， 在单层薄膜表面反射时的反射系数 r ^p 、 r ^s 为,

有以上公式可知， 当小角度入射时， r ^p 、 r ^s 随角度的变化率较低， 即偏振变化率较低； 当垂直入射时， r ^p /r ^s =-l; 入射角越小， 材料特性 造成的影响越小。 所以， 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， 且入射角度较小时， 理论上优于入射角度较大的情况， 更有利于降低 偏离理想情况时的偏差。以 15度入射角为例，与表 1所述相同情况下， 聚焦光束形成的锥体半角为 4.2度 (NA=0.073)。 从表 2 中可以看出， 采用 15角度入射情况下，偏振强度变化和偏振相位� ��化均远小于采用 45度入射角的情况。

表 2

入射面 偏振强度变 偏 目位变 入射面 偏振强度吏 偏 ^目位变 坐标 化 化 01) 坐标 化 化 (度）

(-3,0) 0.003219 0.499604 (3,0) -0.00893 -0.71834

(-2,-2) 0.009241 0.296834 (2,2) -0.01243 -0.0084

(-2,-1) 0.005685 0.315199 (2,1) -0.00919 -0.24283

(-2,0) 0.002784 0.356946 (2,0) -0.00532 -0.45411

(-2,1) 0.000529 0.422081 (2,-1) -0.0008 -0.64235

(-2,2) -0.00109 0.510629 (2,-2) 0.00439 -0.80766

(-1,-2) 0.008989 0.057144 (1,2) -0.00865 0.157759 (-1,-1) 0.005021 0.112179 (1,1) -0.00582 -0.04011

(-1,0) 0.001711 0.190486 (1,0) -0.00235 -0.21477

(-1,1) -0.00095 0.292091 (1,-1) 0.001776 -0.3663

(-1,2) -0.00297 0.417043 (1,-2) 0.006562 -0.49479

(0,-3) 0.013148 -0.27524 (0,3) -0.00729 0.484252

(0,-2) 0.008095 -0.20663 (0,2) -0.0055 0.299491

(0,-1) 0.003717 -0.1149 (0,1) -0.00307 0.138105

(0,0) 0.000000 0.000000

现有技术中， 存在采用小角度入射以降低偏振变化的案例， 如美 国专利 No. 5608526; 但实施例中仅包含采用单个反射镜的情况， 而当 采用如上所述包含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 直的实施方案时， 其偏 振保持优于单反射镜情况。表 3为以 15度入射角， 采用单个反射镜而 不包含第二个平面反射镜的情况。 如表 3所示， 其偏振相位变化和偏 振强度变化的平均值都明显劣于表 2中所述情况。 由此可知， 本发明 中提出的技术方案优于现有的技术方案。

表 3

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， 基本上可以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， 本领域技术人员可以知道， 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， 时， 其线性偏振特性可以保持不变。

如上文所述的情况下， 调整聚焦时， 入射角角度变化小于 0.01 度。 如此微小的旋转可在不调整其他任何器件的情 况下， 仍保持任意 偏振光的偏振特性。

(测量原理）

样品的反射可通过琼斯矩阵表达为：

琼斯矩阵元素随样品表面探测光束入射面的方 位角和入射面内的 入射角变化而变化。 通常情况下， 均勾薄膜由非双折射材料组成， 在 任何方位角和入射角情况下， r _ps =r _sp =0。 对于由包含双折射材料的薄 膜， 或由非双折射材料组成的表面具有周期性结构 的薄膜， 如图 5所 示的周期性浅硅槽结构， 通常 r _ps 、 r _sp 不为零。 但当其光学或结构轴中 的任意两条处于入射面中时 r _ps =r _sp =0， 详细说明请参考 Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications, Hiroyuki Fujiwara, 2007; 如图 5所示即当方位角 φ=0或 90度时， r _ps =r _sp =0。

( 1 )绝对反射率测量法。 斜入射偏振光谱仪可测量样品琼斯矩阵 中的 和 r _ss 。 若要测量一个样品的反射率， 应做如下：

a. 测量光侮仪暗数值 I _d ；

b. 测量参考样本反射率， 例如， 棵硅晶片， 并获得光谱数值 I _r ; c. 测量样品， 并获得数值 I；

这样， 待测样品的反射率为：

R = (I - Id) / (Ir - Id) ^x R(ref

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

实际测量时调整起偏器 P和检偏器 A， 分别对应样品入射面内偏 振状态所对应的偏振方向为 p&p、 p&s、 s&p和 s&s四个情况下的样 品的绝对反射率， 即可得到 r _pp 、 r _ps 、 r _sp 和 r _ss 。 当 r _ps =r _sp =0时， 只需 要起偏器 P或检偏器 A, 就可以测量得到 r _pp 和 r _ss 。

例如一维光栅结构中， 如图 5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， φ=0， θ=60时， 其反射率如图 6所示， 其中虚线为 ΤΕ偏振方向反射率， 实 线为 ΤΜ偏振方向反射率。

( 2 )橢圆偏振测量法： 本发明的斜入射宽带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。 可通过旋转起偏器 Ρ 固定检偏器 Α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， 通过计算得出的傅里叶系数， 进而通过与数值 仿真结果比较及数值回归计算测量样品。 具体测量原理可参考书 HANDBOOK OF 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， 1299-1305 (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：

L _oul = AR(A)J _s R(-P)PL _m .

可以得出：

E _A = (p _pp + p _ps tan P) cos ( ） + (p + tan P) sin A 探测的光强：

其中， α、 β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

。

当 r _ps =r _sp =0, 即 p _ps =p _sp =0时， 可得常用的各向同性薄膜样品的计 算公式：

其中， tan\|/是 r _pp 、 r _ss 比的振幅， Δ是 r _pp 、 r _ss 比的相位差。

通过椭圆偏振测量法， 可以计算出 α、 β两个傅里叶系数的谱线， 这条谱线于与球斯矩阵归一化后含有的元素 Ppp、 pp _S 、 Psp直接相关。 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 /或用于分析周期性结构的样品的临界尺度（CD ) 或 三维形貌。

系 统 的 具 体 校 准 过 程 可 参 考 HANDBOOK OF ELLIPSOMETRY， Harland G. Tompkins, 2005; Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications, Hiroyuki Fujiwara, 2007。 以如图 5 所示一维光栅为例， 当测量参数 φ=0， θ=60时， 即在此角度 r _ps =r _sp =0, 其振幅比和相位差如图 7所示。 接下来，将参照附图对根据本发明实施例的斜 入射宽带光谱仪进 行详细的描述。

(第一实施例）

在图 8 中示出根据本发明的第一实施例的斜入射宽带 偏振光谱 仪。 如图 8所示， 该斜入射宽带偏振光语仪包括宽带点光源 SO、 透 镜 L1和 L2、 离轴抛物面反射镜 OAPl和 OAP2、 起偏器 P、 宽带光 谱计 SP、 平面反射镜 Ml和 M2、 样品 SA; 及可选的成像系统。 成像 系统可同时显示所述样品 SA表面及样品表面探测光斑的图案， 由可 移动的平面反射镜 VM1和 VM2、 照明单元 IL和成像单元 CA组成。

宽带点光源 SO置于聚光透镜 L1的焦点处， 宽带点光源 SO发射 的光束入射至聚光透镜 L1 后， 会聚成平行光束。 该平行光束经过起 偏器 P后以入射角 45度入射至离轴抛物面反射镜 OAP1 ,离轴抛物面 反射镜 OAP1使该平行光束在入射面内偏转 90度。 由离轴抛物面反 射镜 OAP1反射后的光是主光沿水平面内的会聚光束� � 该会聚光束以 45度入射至平面反射镜 Ml , 反射后在入射面内偏转 90度， 向下倾斜 入射至样品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 M2、 离轴抛物面反射镜 OAP2和透镜 L2, 形成会聚光束， 入射至宽带光谱计 SP。 其中， 由离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2和平面 反射镜 Ml、 M2构成的平面与样品平面平行， 与平面反射镜 Ml、 M2 和样品 SA上入射点构成的入射面垂直， 与包含宽带点光源 SO、 宽带 光谱计 SP、离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、离轴抛物面镜 OAP2、聚光透镜 Ll、 聚光透镜 L2和起偏器 P的平面垂直。在由离轴抛物面镜 OAP1、 OAP2 和平面反射镜 Ml、 M2构成的平面内， 探测光束和样品 SA的反射光 束的主光互相平行。

此外， 平面反射镜 Ml、 M2 的倾斜角度和 /或空间位置是可调节 的， 该宽带光语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 Ml和 M2如何实现对焦。 例如， 所述平面反射镜 Ml、 M2可以沿着 所述探测光束和样品 SA的反射光束在由离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2 和平面反射镜 Ml、 M2 构成的平面内的主光的传播方向和反方向移 动。 并且所述平面反射镜 Ml、 M2可以以此方向为轴旋转。 调整时， 所述平面反射镜 Ml、 M2可以相对于下述平面保持镜面对称： 该平面 经过样品 SA上的聚焦位置处的法线，并且与样品 SA的入射平面垂直。 当在样品 SA表面的法线方向上调焦时， 所述平面反射镜 Ml、 M2沿 着一个方向移动， 所述平面反射镜 Ml、 M2相对于样品表面的倾斜度 被对称地调整， 即， 所述平面反射镜 Ml、 M2以与样品表面平行的主 光方向为轴旋转， 同时， 样品 SA也沿着在样品表面上的所述一个方 向移动 o

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 平面反射镜 Ml和 离轴抛物面反射镜 OAP1满足光束入射平面相互垂直的条件。 当通过 起偏器 P后的探测光束线性偏振方向与所述入射平面� �行或垂直时， 探测光束相对与平面反射镜 Ml和离轴抛物面反射镜 OAP1为单一的 p光或 s光， 所以当探测光束在起偏器 P和样品 SA表面之间的光路 中传播时， 其线性偏振特性保持不变。 本实施例中， 探测光束在平面 反射镜 Ml的入射平面与样品 SA表面的入射平面互相垂直； 在此条 件下， 当所述探测光束的入射方位角使样品满足条 r _ps =r _sp =0时样品表 面的反射光束保持探测光入射时的单一的 p光或 s光偏振状态。 样品 反射光束中的 p或 s方向分量在样品 SA和光谱计之间的光路中传播 时，其 p或 s偏振分量与参考样品反射光的 p或 s偏振分量将皆经历相 同的变化， 反射光经平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2入射 至光谱计 SP。

对于琼斯矩阵中 _rps =r _sp =0的样品， 在仅有一个偏振器的斜入射光 谱仪情况下， 能够通过绝对反射率测量法测量。 即通过调整起偏器， 分别测量当探测光束相对于样品的入射面分别 仅包含 p偏振和仅包含 s偏振两种情况下， 样品的绝对反射率。 当探测光束仅包含 p或 S偏 振时， 并且探测光束的入射方位角使样品满足条 r _ps =r _sp =0时， 样品的 反射光束也仅包含 p或 s偏振， 其由样品表面耦合至光谱计 SP中的 效率与样品无关。即，在此样品反射的具有单 一偏振态 (s光或 p光） 的 光束入射至光谱计 SP的过程中，参考样品反射光与测量样品反射� ��将皆 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。 所述斜入射偏振光谱仪可按照上文所述的绝对 反射率测量方 法， 测量得到琼斯矩阵元素 r _ss 、 r _pp ， 即对应三维周期性结构中的 TE、 TM 绝对反射率。 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 /或用于分析周期性结构的样品的临界尺度（CD ) 或三维形貌。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 本实施例中的平面 反射镜同样起到了转折光路使光学系统整体更 加紧凑的效果， 使得较 大角度倾斜入射的光学系统比传统的釆用透镜 或单个反射镜的光学系 统占用更小的体积， 例如： 美国专利 No. 5608526 和美国专利 No. 7663768ο与中国专利申请 No. 201110032744.8中所述的垂直入射宽带 偏振光谱仪比较， 本实施例中的斜入射光谱仪在光学系统体积方 面还 增加了约一倍。

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 通常在真空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、 卤素灯、 汞灯、 包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、 包含钨灯和 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 素灯的复 合宽带光源（美国专利 No. 6667805 )。 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。 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光谱计或 B&W Teck Cypher H光谱计。

测量的样品通常在一个可移动的 X-Y-Z-Theta或 R-Theta-Z坐标 的样品台上。 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。 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， 将可移动的平面反射镜 VM1切入一半光路中， 可移动的平面反射镜 VM2 完全切入光路中。 样品表面的测量用反射 光束及照明单元 IL的反射光束经可移动的平面反射镜 VM2反射后， 同时被成像单元 CA捕获。 在此情况下， 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， 可以以校准 好位置的成像单元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及实现探测光对样品的 聚焦方法外， 本实施例 还可以具有另一种聚焦判断方法， 即， 通过观测所述成像单元中的成 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， 可移动的平面镜 VM1和 VM2不需要随平面反射 镜 Ml和 M2的位置移动做出调整。 当可移动的平面镜 VM1和 VM2 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。 此 外， 分光元件可以实现探测光束相对于样品入射时 体积角的对称均匀 分布， 从而可以提高测量的准确度或简化计算模型。

此外， 在本实施例中， 宽带点光源 SO与宽带光谱计 SP位置可以 互换， 但同样仅适用于斯矩阵中 r _ps =r _sp =0的样品。 在此情况下， 起偏 器 P相当于检偏器； 分别在样品表面反射光 p和 s偏振对应的两个正 交的方向上测量参考样品和样品的两个偏振方 向的反射光强， 进一步 计算出样品两个偏振方向的绝对反射率。

此外， 在本实施例中， 以样品 SA为分割点， 不包含起偏器 P的 光通路中的离轴抛物面镜 OAP2和透镜 L2也可以用其它形式的聚光 单元（例如， 由若干个透镜构成的聚光单元、 超环面反射镜等）替代。

此外， 在本实施例中，在宽带点光源 SO与聚光透镜 L1和宽带光 谱计 SP与聚光透镜 L2之间， 可以放置反射镜， 通过折叠光路使结构 更紧凑或更易实施。

使用本实施例的垂直入射宽带光谱仪不仅可以 通过简单的操作进 行聚焦， 而且可以保持探测光束的线性偏振特性。

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 9 中示出根据本发明的第二实施例的斜入射宽带 偏振光谱 仪。 如图 9所示， 该斜入射宽带偏振光 i普仪包括宽带点光源 SO, 宽 带光谱计 SP， 离轴抛物面反射镜 ΟΑΡ1、 OAP2、 OAP3和 OAP4, 起 偏器 P和检偏器 A， 平面反射镜 Ml、 M2、 M3和 M4及样品 SA。

宽带点光源 SO置于离轴抛物面镜 OAP3焦点在平面镜 M3中的 镜像处， 宽带点光源 SO发射的光束经平面镜 M3反射后以入射角 45 度入射至离轴抛物面镜 OAP3, 离轴抛物面反射镜 OAP3使该发散光 束在入射面内偏转 90度， 并会聚成形成沿水平面内传播的平行光束。 该平行光束经过起偏器 P后以入射角 45度入射至至离轴抛物面反射 镜 OAP1 , 离轴抛物面反射镜 OAP1使该平行光束在入射面内偏转 90 度并形成与水平成 60度且在样品垂直面内向下传播的会聚光束，� ��会 聚光束以入射角 45度经过平面反射镜 Ml反射后， 在入射面内偏转 90度， 以入射角 60度倾斜入射至样品表面并且聚焦在样品表面� ��。 样品表面的反射光， 依次经过具有镜面对称结构的平面反射镜 M2、 离轴抛物面反射镜 OAP2、 检偏器 A、 离轴抛物面反射镜 OAP4和平 面反射镜 M4, 入射至宽带光谱计 SP。 其中， 由离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2、 OAP3和 OAP4构成的平面与样品 SA平面平行， 与平面反射 镜 Ml、 M2、 离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2和样品 SA上入射点 O构 成的样品 SA入射面垂直， 与包含宽带点光源 SO、 宽带光谱计 SP、 离轴抛物面镜 OAP3、 OAP4、 平面反射镜 M3、 M4构成的平面垂直。 在此离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2、 OAP3和 OAP4构成的平面内， 光 束互相平行。

此外， 平面反射镜 Ml、 M2的倾斜角度和 /或空间位置是可调节 的， 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 Ml和 M2如何实现对焦。 例如， 以上文所述平面反射镜的移动距离 和倾斜角的具体方法， 可以将平面反射镜从 Ml、 M2沿 Ml与 OAP1 和 M2与 OAP2之间光束的主光所在方向， 对称地移动相同的距离； 并且在平面反射镜 Ml、 M2、 离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2和样品 SA 上入射点 O构成的样品 SA入射面内对称地旋转相同角度。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 平面反射镜 Ml和 离轴抛物面反射镜 OAP1满足光束的入射角相同和入射平面相互垂� � 的条件， 平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2满足光束的入射 角相同和入射平面相互垂直的条件，以及平面 反射镜 Ml的入射平面、 平面反射镜 M2的入射平面和样品 SA的入射平面为同一平面。 当通 过起偏器 P后的探测光束的线性偏振方向与所述入射平� �平行或垂直 时， 探测光束相对与平面反射镜 Ml和离轴抛物面反射镜 OAP1为单 一的 p光或 s光， 所以当探测光束在起偏器 P和样品 SA表面之间的 光路中传播时， 其线性偏振保持不变。 本实施例中， 探测光束在平面 反射镜 Ml的入射平面与探测光束在样品 SA表面的入射平面重合， 并且与探测光束在样品 SA表面的反射光束在平面反射镜 M2的入射 平面重合。 在此条件下， 定义样品的 p或 s方向垂直或平行于探测光 束的偏振方向， 样品表面的反射光束的 p光或 s光偏振方向与样品表 面的反射光束在平面反射镜 M2的入射平面平行或垂直。 由此可知， 样品反射光束中的 p或 s方向分量在样品 SA和检偏器 A表面之间的 光路中传播时， 其 p或 s偏振分量与参考样品反射光的 p或 s偏振分 量将皆经历相同的变化。 当通过检偏器 A后的反射光束偏振方向与所 述入射平面平行或垂直时， 可分别测量样品 SA表面反射的 p光分量 或 s光分量。 与第一实施例中比较， 由于增加检偏器 A, 本实施可测 量 r _ps 、 r _sp 不等于零的样品； 样品的 p与 s方向根据探测光束的入射方 位角定义。 当实施绝对反射率测量法时， 可以测量全部四个琼斯矩阵 元素。 即测量起偏器 P和检偏器 A, 分别对应入射面内偏振状态所对 应的偏振方向为 p&p、 p&s、 s&p和 s&s四个情况下的样品的绝对反 射率。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 平面反射镜 Ml和 离轴抛物面反射镜 OAP1满足光束的入射角相同和入射平面相互垂� � 的条件， 平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2满足光束的入射 角相同和入射平面相互垂直的条件。 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的条件， 则光束经偏 振器 P后的偏振特性在斜入射并会聚于样品 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 镀膜结构的条件， 则样品 SA表面的反射光束的偏振特性在入射至检 偏器 A时保持不变。 如此， 探测光束线性偏振方向可通过旋转起偏器 P调整。样品 SA反射光经平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2 入射至检偏器 A, 检偏角度由检偏器 A调整。 可以看出， 聚焦系统和 调焦过程不影响起偏器 P和样品表面之间以及在样品表面和检偏器 A 之间的光束偏振态。

由于可实现光束经偏振器 P后的偏振特性在斜入射并会聚于样品 SA表面时保持不变， 并且样品 SA表面反射光束的偏振特性在入射至 检偏器 A时保持不变。 本实施例还可实施椭圆偏振测量。 当实施椭圆 偏振测量时， 不需要在参考样品与测量样品间进行更换。 如上所述， 具体测量方法可为固定起偏器 P旋转检偏器 A、 固定检偏器 A旋转起 偏器 P或检偏器 A和起偏器 P以一定旋转频率比旋转。 所述斜入射偏 振光 i普仪可按照上文所述的绝对反射率测量方法� �到 r pp i ps、 r sp r _ss , 或通过椭圆偏振测量法， 计算出 α、 β两个傅里叶系数的讲线， 这 条谱线于与琼斯矩阵归一化后含有的元素 _Ppp 、 p _ps 、 p _sp 直接相关。 通 过数学模型计算 i普线和曲线回归拟合，可以计算样品材料的� �学常数、 薄膜厚度和 /或用于分析周期性结构的样品的临界尺度（CD ) 或三维 形貌。

与第一实施例一样， 本实施例也可增加成像系统。

本实施例中平面反射镜 M3和离轴抛物面反射镜 OAP3做为聚光 单元可由聚光透镜代替，光束在宽带光源 SO与起偏器 P之间传播时， 其偏振特性可以保持不变， 在入射起偏器 P之前保持了宽带光源 SO 自然光的偏振性。 平面反射镜 M4和离轴抛物面反射镜 OAP4做为聚 光单元也聚光透镜代替， 光束在检偏器 A和宽带光谱计 SP之间传播 时， 其偏振特性可以保持不变， 保持了反射光通过检偏器 A后， 入射 至宽带光谱计 SP前的线性偏振性。 做到部分消除上文所述由于反射 造成的系统偏振敏感度的有益效果， 做到仅宽带光谱计 SP存在偏振 敏感度， 从而简化了具体实施时的数值修正。

本实施例中平面反射镜 M3和离轴抛物面反射镜 OAP3也可做到 镀膜结构的条件， 平面反射镜 M4和离轴抛物面反射镜 OAP4也可做 和镀膜结构的条件， 实现上文所述部分消除由于反射造成的系统偏 振 敏感度， 做到仅宽带光谱计 SP存在偏振敏感度， 这样不仅避免了具 体实施时的繁杂和不精确的数值修正， 由于光学系统采用了全部反射 的传播过程， 还实现了宽带光谱无色差的效果。

(第三实施例）

在图 10 中示出根据本发明的第三实施例的斜入射宽带 偏振光谱 仪。 如图 10所示， 该斜入射宽带偏振光谱仪包括宽带点光源 SO， 宽 带光谱计 SP， 离轴抛物面反射镜 ΟΑΡ1、 OAP2、 OAP3和 OAP4, 起 偏器 P和检偏器 A， 平面反射镜 Ml、 M2及样品 SA。

宽带点光源 SO置于离轴抛物面镜 OAP3焦点处，宽带点光源 SO 发射的光束以入射角 15度入射至离轴抛物面镜 OAP3, 离轴抛物面反 射镜 OAP3使该发散光束在入射面内偏转 30度， 并会聚成形成沿水 平面内传播的平行光束。 该平行光束经过起偏器 P后以入射角 15度 入射离轴抛物面反射镜 OAP1 , 离轴抛物面反射镜 OAP1使该平行光 束在入射面内偏转 30度并形成主光在水平面内传播的会聚光束，� ��会 聚光束以入射角 15度经过平面反射镜 Ml反射后， 在入射面内偏转 30度， 形成在样品垂直面内向下传播的会聚光束， 以入射角 60度倾 斜入射至样品表面并且聚焦在样品表面上。 样品表面的反射光， 依次 经过具有镜面对称结构的平面反射镜 M2、 离轴抛物面反射镜 OAP2、 检偏器 A、 离轴抛物面反射镜 OAP4, 入射至宽带光谱计 SP。 其中， 由离轴抛物面镜 OAPl、 OAP2、 OAP3、 OAP4、 宽带点光源 SO和宽 带光谱计 SP构成的平面与样品 SA平面平行，与平面反射镜 M1、M2、 离轴抛物面镜 ΟΑΡ1、 OAP2和样品 SA上入射点 O构成的样品 SA入 射面垂直。

本实施例中， 可通过第二实施例中所述的方法调焦。

根据本实施例， 本领域的技术人员可以知道， 平面反射镜 Ml和 离轴抛物面反射镜 OAP1满足光束的入射角相同和入射平面相互垂� � 的条件， 平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2满足光束的入射 角相同和入射平面相互垂直的条件。 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的条件， 则光束经偏 振器 P后的偏振特性在斜入射并会聚于样品 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 镀膜结构的条件， 则样品 SA表面的反射光束的偏振特性在入射至检 偏器 A时保持不变。 如此， 探测光束线性偏振方向可通过旋转起偏器 P调整。样品 SA表面的反射光经平面反射镜 M2和离轴抛物面反射镜 OAP2入射至检偏器 A， 检偏角度由检偏器 A调整。 可以看出， 聚焦 系统和调焦过程不影响起偏器 P和样品表面之间以及在样品表面和检 偏器 A之间的光束偏振态。

与第二实施例比较， 本实施例采用了更小角度（15度）入射至反 射镜的光学结构。 由上文所述可知， 小角度入射情况下， 反射产生的 偏振变化比大角度入射时低。 在此情况下， 如上文所述， 在两个反射 入射角相同和入射平面相互垂直的情况下， 采用 15角度入射时，偏振 强度变化和偏振相位变化均远小于釆用 45度入射角的情况； 采用 15 角度入射比采用 45角度入射具有更好的效果。如上文所述， 与美国专 利 No. 5608526仅釆用单个反射镜保持偏振的情况比较� � 当采用如上 所述包含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的实施 方案时， 其偏振保持优 于单反射镜情况。 由此可知， 本发明中提出的技术方案优于现有技术 方案。 由此可以降低由于长焦曲面、 空间位置、 镀膜工艺、 材料匹配、 镜面平整度等原因造成的偏振保持的误差， 提高偏振保持能力， 进而 提高测量精确度。

本实施例可以实施与第二实施例中所述相同的 测量。

与第一实施例一样， 本实施例也可增加成像系统。

与第二实施例相比，本实施例在离轴抛物面反 射镜 OAP3和宽带 光源 SO之间可以增加平面反射镜 M3 (未示出） ， 在离轴抛物面反 射镜 OAP4和宽带宽带光谱计 SP之间可以增加平面反射镜 M4 (未 示出） , 平面反射镜 M3和离轴抛物面反射镜 OAP3也可做到满足光 束的入射角相同和入射平面相互垂直且具有相 同的反射材料和镀膜 结构的条件， 平面反射镜 M4和离轴抛物面反射镜 OAP4也可做到满 镀膜结构的条件， 做到上文所述部分消除由于反射造成的系统偏 振敏 感度， 做到仅宽带光镨计 SP存在偏振敏感度， 从而简化了具体实施 时的数值修正的有益效果外， 由于光学系统釆用了全部反射的传播过 程， 可以实现无色差的有益效果。 虽然上述实施例中的平面反射镜 Ml和 M2的倾斜角度和 /或空间 位置是可调节的， 但是它们也可以保持固定不动。 另外， 本发明的斜 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� �度 特性或三维形貌。 此外， 本发明的斜入射宽带偏振光 i瞽仪还可以包括 用于控制偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制 装置。

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， 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。

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。