CN101467306A - 光谱椭偏仪 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光学测量和/或检测装置，其在一个应用中可用来检测半导体器件。本发明揭示了一种在椭偏仪中用于获取待测器件信息的方法，其中包括以下步骤：使用多个起偏器提供多个入射偏振光束，其中每一个光束在一个设定好的偏振角下被起偏；使用一个抛物面反射器将该多个入射偏振光束聚焦在待测器件上某一点；使用一个抛物面反射器收集从该待测器件上反射的多个光束；使用多个检偏器检偏该收集到的光束，其中每一个检偏器具有设定好的与相应起偏器相对应的偏振角。

Description

光谱椭偏仪

优先权要求

本申请要求2006年4月24日提交的申请号为60/793,926的美国临时专利申请“不包含移动部件的光谱椭偏仪”的优先权。本申请同时要求2007年4月16日提交的申请号为11/735,979的美国非临时专利申请“光学聚焦装置”的优先权。这些申请在此全部并入本申请，并供参考。

技术领域

本发明涉及检测和测量系统，尤其涉及，对诸如半导体器件和/或晶片等待测器件(Device Under Test，DUT)的光学检测和/或测量。

背景技术

光谱椭偏是一种功能非常强大的光学测量技术，其广泛应用在半导体制造、光学镀膜和材料分析中。椭偏仪测量反射率Rp和反射率Rs复数比率，其中Rp是振动方向位于入射平面中的电场的反射率，Rs为振动方向垂直于入射平面的电场的反射率。Rp和Rs都是复数，并且都和波长有关。

椭偏参量定义如下：

$\frac{R_p}{R_s}=\left|\frac{R_p}{R_s}\right|\·\mathrm{exp\; i}({\mathrm{\δ}}_p-{\mathrm{\δ}}_s)=\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)\·\mathrm{expi\Δ}$

其中

$\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)=|\frac{R_p}{R_s}|$

并且，

Δ＝δ_p-δ_s

δ_p和δ_s分别是Rp和Rs的相位。

在传统的椭偏仪中，在测量椭偏参量，即Ψ和Δ时，需要旋转系统中的某个偏振元件(起偏器、检偏器或补偿器)。这限制了测量的速度。在某些应用中，需要对很小的区域进行测量(例如测量半导体晶片上的薄膜厚度)。这就需要将光聚焦到一个很小的区域。

因此，最好得到能聚焦到一个小聚焦点的光谱椭偏仪。另外，最好能进一步得到一个移动部件尽可能少的椭偏仪，从而测量可以不需要移动系统中的任何机械部件而进行。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于椭偏仪的方法和装置，该椭偏仪能聚焦到小聚焦点。

本发明的另一个目的是提供用于椭偏仪的方法和装置，该椭偏仪能同时起偏、反射、检偏和探测数个光线。

本发明的又一个目的是提供用于椭偏仪的方法和装置，该椭偏仪能在无任何机械移动部件的前提下，同时起偏、反射、检偏和探测数个光线。

简要来说，本发明提供了一种在椭偏仪中用于获取待测器件信息的方法，该方法包括如下步骤：使用多个起偏器提供多个入射偏振光束，其中各个光束在一个设定好的偏振角下起偏；用一个抛物面反射器将该多个入射偏振光束聚焦到一个待测器件上的一个点；用一个抛物面反射器收集从该待测器件上反射的多个光束；用多个检偏器检偏所收集到的所述多个光束，其中各个检偏器具有一个设定好的与其相应起偏器相对应的偏振角。

本发明的一个优点是提供了用于椭偏仪的方法和装置，该椭偏仪能聚焦到小聚焦点。

本发明的另一个优点是提供用于椭偏仪的方法和装置，该椭偏仪能同时起偏、反射、检偏和探测多个光线。

本发明的另一个优点是提供用于椭偏仪的方法和装置，该椭偏仪能在无任何机械移动部件的前提下，同时起偏、反射、检偏和探测多个光线。

附图说明

下面结合附图和应用实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的技术的二维概念示意图；

图2是本发明的使用一个抛物面反射器、一个起偏器和一个检偏器的一个优选实施例的侧视图；

图3是本发明的使用一个抛物面反射器、一个起偏器和一个检偏器的一个优选实施例的顶角俯视图；

图4是本发明的使用一个抛物面反射器、多个起偏器和检偏器的一个优选实施例的俯视图；

图5是本发明的使用一个不同反射器的另一个优选实施例的侧视图；

图6是本发明的使用一个不同反射器的又一个优选实施例的侧视图；

图7是本发明的使用一个分光器将光线分向不同检偏器的另一个实施例；

图8是本发明的使用多个分光器将光线分向不同检偏器的另一个实施例。

具体实施方式

参看图1，其中解释了本发明实施方式的一个基础概念。设一条抛物线110位于y轴和z轴构成的坐标系中，概念上说，该抛物线的形状可被描述为简单的数学函数，即z＝ay²，其中和z轴平行的入射光线将在其焦点“F”处和z轴相交，其中该焦点位于(0，1/(4a))，且a为常数。入射光线和抛物线表面相交，并被导向到入射平面112(该平面和对称轴垂直并通过该焦点”F”)上的焦点。

这里，如图所示，进入的入射光线114和对称轴平行。该光线照射在抛物面表面，抛物面反射器根据其特性将该光线导向到其焦点，并使其在交叉点“F”和z轴相交。在相交后，光线再次照射在抛物面表面上，抛物面表面又将光线导向为光线118，其方向和入射方向相反，并与对称轴平行。由于抛物面的独特性质，如果进入的入射光线和对称轴平行，反射光线将总是和对称轴平行。

参看图2，将说明本发明的一个当前优选的实施例。这里，给出了光学探头的侧视图，其中该光学探头包括一个抛物面反射器201、一个起偏器205和一个检偏器206。该抛物面反射器可以制成抛物面形状，并以一定方式切割，使得焦点203位于待测量或待测试的物体即待测器件(DUT)202的表面。该抛物面反射器201的作用是将入射光束204聚焦到位于其焦点203处待测器件202的表面，并收集从焦点203反射来的光束。图3示出了该抛物面反射器201的前俯视图，该抛物面反射器开口处装有该起偏器205和该检偏器206。

在本发明的优选实施例中，在进行椭偏测量时，数个起偏器和检偏器被以这样的方式布置，使得Rp和Rs以及入射光束的入射功率可以被同时测量。图4在展示光学探头的俯视图时示出了上述一定排列方式中的一种。这里，有八个用于入射光线和反射光线的起偏器和检偏器，分别为405和406、407和408、409和410、411和412。其中，除了起偏器406的偏振轴垂直于其它器件的偏振轴之外，其它器件的偏振轴均相互平行。下文中，根据图中所示的四组光线(4a/4b，10a/10b，11a/1b与15a/15b)，可以示出该装置的原理。这里，字母‘a’代表进入的光线，字母b代表离开的光线。

每对光线定义了一个入射平面。光线4a通过检偏器405，被极化为沿箭头所示方向偏振的偏振光。该方向和入射平面201垂直。在从抛物面反射器和焦点反射离开后，离开的光线4b通过另一个起偏器406。然后，该出射光线被一个探测器所接收，该探测器的输出和该光线强度成正比。

下列更严格的数学表达式进一步阐述了椭偏原理。本说明书使用用于偏振的琼斯表达式。

入射光束电场为： ${\stackrel{\→}{E}}_0=\left(\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right)$

起偏器： $\stackrel{\↔}{P}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right)$

抛物面反射器为： $\stackrel{\↔}{M}=\left(\begin{array}{cc}{R}_p^M& 0\\ 0& R_s^M\end{array}\right)$

样品： $\stackrel{\↔}{S}=\left(\begin{array}{cc}{R}_p^{\mathrm{sample}}& 0\\ 0& R_s^{\mathrm{sample}}\end{array}\right)$

旋转极坐标矩阵为： $\stackrel{\↔}{R}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$

检偏器为： $\stackrel{\↔}{A}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right)$

则反射光束的电场为：

${\stackrel{\→}{E}}_D={\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(A\right)\stackrel{\↔}{A}\stackrel{\↔}{R}\left(A\right)\stackrel{\↔}{M}\stackrel{\↔}{S}\stackrel{\↔}{M}{\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(P\right)P\stackrel{\↔}{R}\left(P\right){\stackrel{\→}{E}}_0$

其中

和

分别为偏振角为A的检偏器和偏振角为P的起偏器的旋转矩阵。偏振角是从入射平面起沿着光线传播方向顺时针旋转测得。

探测器上的光强与以下参数成正比：

$I_D={\stackrel{\→}{E}}_D\·{{\stackrel{\→}{E}}_D}^{*}$

$={\left[{\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(A\right)\stackrel{\↔}{A}\stackrel{\↔}{R}\left(A\right)\stackrel{\↔}{M}\stackrel{\↔}{S}\stackrel{\↔}{M}{\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(P\right)\stackrel{\↔}{P}\stackrel{\↔}{R}\left(P\right){\stackrel{\↔}{E}}_0\right]}^{+}\left[{\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(A\right)\stackrel{\↔}{A}\stackrel{\↔}{R}\left(A\right)\stackrel{\↔}{M}\stackrel{\↔}{S}\stackrel{\↔}{M}{\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(P\right)\stackrel{\↔}{P}\stackrel{\↔}{R}\left(P\right){\stackrel{\↔}{E}}_0\right]$

$={{\stackrel{\→}{E}}_0}^{+}\stackrel{\↔}{R}{\left(P\right)}^{+}\stackrel{\↔}{P}\stackrel{\↔}{R}{\left(P\right)\stackrel{\↔}{M}}^{+}{\stackrel{\↔}{S}}^{+}{\stackrel{\↔}{M}}^{+}\stackrel{\↔}{R}{\left(A\right)}^{+}\stackrel{\↔}{A}\stackrel{\↔}{R}\left(A\right){\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(A\right)\stackrel{\↔}{A}\stackrel{\↔}{R}\left(A\right)\stackrel{\↔}{M}\stackrel{\↔}{S}\stackrel{\↔}{M}{\stackrel{\↔}{R}}^{-1}\left(P\right)\stackrel{\↔}{P}\stackrel{\↔}{R}\left(P\right){\stackrel{\→}{E}}_0$

可见

$I_D\∝{\stackrel{\→}{E}}_D\·{{\stackrel{\→}{E}}_D}^{*}$

$={\left|R_p\right|}^2{\cos }^{2}P+{\left|R_s\right|}^2{\sin }^{2}P+$

$[{\left|R_p\right|}^2{\cos }^{2}P-{\left|R_s\right|}^2{\sin }^{2}P]\cos \left(2A\right)+2\mathrm{Re}(R_p\·R_s)\sin P\cos P\sin \left(2A\right)$

这里

R_p＝R_p ^sampleR_p ^MR_p ^M

并且

R_s＝R_s ^sampleR_s ^MR_s ^M

对于光线4a和4b，

A＝45°和P＝45°

$I_1=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\{{\left|R_p\right|}^2+{\left|R_s\right|}^2+2\mathrm{Re}(R_p\·{R^{*}}_s)\}$

对于光线10a和10b，

A＝-45°且P＝45°

$I_2=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\{{\left|R_p\right|}^2+{\left|R_s\right|}^2-2\mathrm{Re}(R_p\·{R^{*}}_s)\}$

对于光线11a和11b，

A＝90°且P＝90°

$I_3=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\left\{{\left|R_s\right|}^2\right\}$

对于光线15a和15b，

A＝0°且P＝0°

$I_4=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\left\{{\left|R_p\right|}^2\right\}$

因此

$\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}=\frac{2\mathrm{Re}(R_p\·{R^{*}}_s)}{{\left|R_p\right|}^2+{\left|R_s\right|}^2}=\frac{2\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\Δ}\right)}{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\Ψ}\right)}$

并且

$\frac{I_4}{I_3}=\frac{{\left|R_p\right|}^2}{{\left|R_s\right|}^2}={\tan }^2\left(\mathrm{\Ψ}\right)$

因此，

$\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)={\left[\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)\right]}_{\mathrm{Sample}}{\left\{\tan {\left(\mathrm{\Ψ}\right)}_{\mathrm{Mirror}}\right\}}^2=\sqrt{\frac{I_4}{I_3}}$

并且

$\cos \left(\mathrm{\Δ}\right)=\cos ({\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Sample}}+2{\text{\Δ}}_{\mathrm{Mirror}})=\frac{1}{2}\·(1+\frac{I_4}{I_3})\left(\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}\right)\·\sqrt{\frac{I_3}{I_4}}$

镜像效应可通过参量已知的样品来校准。

其他反射光学方法也可以用来实现椭偏测量，如图5和图6所示。在图5中，入射光线通过起偏器502，经一个置于504的透镜和另一个置于506的透镜的反射，被聚焦在焦点403和待测器件520上。该光线在反射离开该待测器件520之后，经置于510的透镜和置于504的透镜的反射，通过检偏器512。在图6中，入射光线601经过起偏器602，接着经过透镜604之后，聚焦在焦点606和待测器件620上。该光线反射离开该待测器件后，返回并经过透镜604，并经过检偏器608。值得注意的是，可以使用偏振检偏器，它将入射光分成两个偏振方向互相垂直的偏振光。

图7示出了另一个实施例，其中入射光线是偏振角为P＝45°的线偏振光，四个检偏器的偏振角设定为A＝45°，-45°，0°，和90°。入射光线701通过偏振角为45°的起偏器702之后，可以被任何透镜或抛物面镜的抛物面反射器704在706处反射离开，并聚焦在焦点708处，然后在待测器件720上反射回来。反射回来的光束又在反射器704上的710处反射离开，通过一个分光器712被分成两束光线，到达一个第一检偏器714(偏振角为A＝45°和-45°)和一个第二检偏器716(偏振角为A＝0°和90°)。

这里，偏振角为P＝45°的偏振光经过偏振角为A＝45°的检偏器718之后，出射光线光强为

$I_1=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\{{\left|R_p\right|}^2+{\left|R_s\right|}^2+2\mathrm{Re}(R_p\·{R^{*}}_s)\};$

偏振角为P＝45°的偏振光经过偏振角为A＝-45°的检偏器720之后，出射光线光强为

$I_2=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\{{\left|R_p\right|}^2+{\left|R_s\right|}^2-2\mathrm{Re}(R_p\·{R^{*}}_s)\};$

偏振角为P＝45°的偏振光经过偏振角为A＝90°的检偏器724之后，出射光线光强为

$I_3=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\left\{{\left|R_s\right|}^2\right\};$

偏振角为P＝45°的偏振光经过偏振角为A＝0°的检偏器722之后，出射光线光强为

$I_4=I_D\∝E_D\·{E_D}^{*}=\frac{1}{2}\left\{{\left|R_p\right|}^2\right\}.$

因此，

$\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}=\frac{2\mathrm{Re}(R_p\·{R^{*}}_s)}{{\left|R_p\right|}^2+{\left|R_s\right|}^2}=\frac{2\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\Δ}\right)}{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\Ψ}\right)};$

并且

$\frac{I_4}{I_3}=\frac{{\left|R_p\right|}^2}{{\left|R_s\right|}^2}={\tan }^2\left(\mathrm{\Ψ}\right).$

因此，

$\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)={\left[\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)\right]}_{\mathrm{Sample}}{\left\{\tan {\left(\mathrm{\Ψ}\right)}_{\mathrm{Mirror}}\right\}}^2=\sqrt{\frac{I_4}{I_3}}$

并且

$\cos \left(\mathrm{\Δ}\right)=\cos ({\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Sample}}+2{\text{\Δ}}_{\mathrm{Mirror}})=\frac{1}{2}\·(1+\frac{I_4}{I_3})\left(\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}\right)\·\frac{I_3}{I_4}$

图8给出了又一个实施例，其中入射光线是线偏振光，偏振角为P＝45°，四个检偏器的偏振角分别设定为A＝45°，-45°，0°，和90°。入射光线801通过偏振角为P＝45°的起偏器802之后，可以被任何透镜或抛物面镜的抛物面反射器804在806处反射离开并聚焦在焦点808处，接着反射离开待测器件820。然后反射光线再次在反射器804上的点810处反射离开，通过一个第一分光器812分成两束分光，照射到一个第二分光器814和一个第三分光器816。从该第一分光器814出来的光线抵达偏振角为A＝45°的检偏器822和偏振角为A＝-45°的检偏器824；从该第二分光器816出来的光线抵达偏振角为A＝0°的检偏器818和偏振角为A＝90°的检偏器820。

虽然上文中参照确定的优选实施例对本发明进行描述，但本领域技术人员可以理解，本发明不仅仅限于这些特定的实施例。更确切地，发明人认为本发明应该根据如下权利要求所反映的最广的含义来理解。所以，对权利要求的理解不仅仅限于这些较佳实施例，还应包括所有其它对于本领域一般技术人员显而易见的改动和修改。

Claims (12)

1.一种在椭偏仪中用于获取待测器件信息的方法，其中，包括以下步骤：

提供多个入射偏振光束；

将该多个入射偏振光束聚焦在待测器件上的一个点；

收集从该待测器件上反射的多个光束；

检偏所收集到的所述多个光束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用起偏器来提供所述偏振光束，其中每个光束在一个设定好的偏振角下被起偏。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述聚焦步骤中使用一个抛物面反射器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述收集步骤中使用一个抛物面反射器。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用多个检偏器进行所述检偏步骤，每个所述检偏器具有一个设定好的与其相应起偏器相对应的偏振角。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚焦步骤、收集光束步骤和检偏步骤同时进行。

7.一种在椭偏仪中用于获取信息的方法，其中，包括以下步骤：

提供入射偏振光束，该入射偏振光束具有一个第一偏振角；

将该入射偏振光束聚焦在待测器件上的一个点；

收集从该待测器件上反射的所述光束；

将所收集到的所述光束进行分光，并将经分光的光束提供给用于对其进行检偏的第一检偏器与第二个检偏器，其中，每一个经分光的光束具有一个偏振角；

对所述经分光的光束进行检偏以获取信息。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述聚焦步骤中使用一个抛物面反射器。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在该收集步骤中使用一个抛物面反射器。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用多个检偏器进行该检偏步骤，每个所述检偏器具有一个设定好的偏振角。

11.如权利要求7所述的方法，其中，在该分光步骤中，所收集到的光束被分光并定向到四个检偏器，每个所述检偏器具有一个设定好的偏振角。

12.一种在椭偏仪中用于获取待测器件的信息的方法，其中，包括以下步骤：

使用多个起偏器提供多个入射偏振光束，其中每个入射光束在一个设定好的偏振角下被起偏；

使用一个抛物面反射器将该多个入射偏振光束聚焦在待测器件上的一个点；

使用一个抛物面反射器收集从该待测器件上反射的多个光束；

使用多个检偏器检偏该收集到的光束，其中，每个检偏器具有一个设定好的与其相应起偏器相对应的偏振角。

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