CN102338662B - 包含相位元件的斜入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供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。该斜入射宽带光谱仪包含至少两个偏振器、至少一个相位补偿元件、至少两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。斜入射宽带光谱仪利用平面反射元件改变光束传播方向，并且可补偿因反射聚光单元引起的偏振变化，使得光束经相位补偿元件后的偏振特性在斜入射并会聚于样品表面时保持不变。本发明的斜入射宽带光谱仪，能够高精确度地测量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。

Description

包含相位元件的斜入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统

技术领域

本发明总体上涉及一种包含至少两个偏振器、至少一个相位补偿元件、至少两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谱仪的光学测量系统。 

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2a和2b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，CriticalDimension)、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No.7505133B1、美国专利申请公开No.2007/0247624A1和中国专利申请公开No.101467306A)。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。在图7中示出两种入射角情况下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的两条曲线是S偏振光的反射率Rs，下面的两条曲线是P偏振光的反射率Rp。实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且随着入射角的不同而改变。在图8中示出反射后的S与P偏振光之间的相位差，实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，反射后的S与P偏振光之间的相位差发生变化，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谱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谱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谱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。该斜入射宽带光谱仪包含至少两个偏振器、至少一个相位补偿元件、至少两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，该斜入射宽带光谱仪包括光源、第一聚光单元、第一偏振器、第一相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件、第二平面反射元件、第二曲面反射元件、第二偏振器、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；所述第一相位补偿元件用于调整所述偏振光束的偏振状态并使调整后的偏振光束透射通过；所述第一曲面反射元件用于将透射通过所述第一相位补偿元件的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曲面反射元件；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；所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件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；以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件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。 

本发明的斜入射宽带光谱仪还可以包括第二相位补偿元件，所述第二相位补偿元件设置在所述第二曲面反射元件和所述第二偏振器之间的光路中，用于调整来自所述第二曲面反射元件的平行光束的偏振状态并使调整后的平行光束透射通过。 

在本发明的一个实施例中，所述第一聚光单元可以包括第三曲面反射元件，所述第二聚光单元可以包括第四曲面反射元件。所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点处，使得来自所述光源的光束经过所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束，并且所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至探测单元。 

在本发明的另一个实施例中，所述第一聚光单元可以包括第三平面反射元件和第三曲面反射元件，所述第二聚光单元可以包括第四曲面反射元件和第四平面反射元件。在本实施例中，所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点在所述第三平面反射元件中的镜像处，使得来自所述光源的光束经过所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束；所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至所述第四平面反射元件；所述第四平面反射元件用于将来自所述第四曲面反射元件的偏振光束反射至所述探测单元；所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件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；以及所述第四平面反射元件和所述第四曲面反射元件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。 

在本发明的斜入射宽带光谱仪中，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。 

本发明的斜入射宽带光谱仪还可以包括：至少一个光阑，位于所 述第一偏振器和所述第二偏振器之间，用于避免经过所述第一偏振器后产生的e光入射至样品表面或者其反射光反射后入射至所述第二偏振器。 

在本发明的斜入射宽带光谱仪中，所述光源和样品表面之间的光路中的结构与样品表面和所述探测单元之间的光路中的结构可以相对于下述平面是镜面对称的：该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。 

此外，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。具体地说，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着聚焦到样品上的会聚光束的主光的传播方向移动，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相对于该会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以以该会聚光束的主光方向为轴旋转。更具体地说，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相对于下述平面保持镜面对称或反对称：该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。 

可替换地，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度可以被对称地调整，即，以聚焦到样品上的会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也可沿着在样品表面上的所述一个方向移动。 

本发明的斜入射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。另外，斜入射宽带光谱仪还可以包括成像系统。所述成像系统位于所述第一曲面反射元件和所述第一平面反射元件之间的光路和所述第二平面反射元件和所述第二聚光单元之间的光路中。所述成像系统可以包括至少两个可移动的平面反射元件、照明单元和成像单元。在该斜入射宽带光谱仪中，可以通过观测所述探测单元的光强和/或通过观测所述成像系统中的图像的清晰度来进行调焦。 

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。而且，本发明的斜入射宽带光谱仪还可以包括用于控制所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制装置。 

此外，在本发明中，所述第一相位补偿元件和第二相位补偿元件可以为波片或光弹相位补偿元件，优选地为消色差波片。而且，本发明的斜入射宽带光谱仪还可以包括用于控制所述波片的光轴方向的波片旋转控制装置。另外，在本发明中，所述第一聚光单元和所述第二聚光单元可以包括至少一个曲面反射元件或至少一个聚焦透镜。 

在本发明中，所述光源可以为包含多重波长的光源。具体地说，所述光源的光谱可以在真空紫外至近红外光范围内，即，在190nm至1100nm波长范围内。光源可以是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源，通常此类光源的出射光束为自然光。此类光源的例子包括Oceanoptics公司产品HPX-2000、HL-2000和DH2000，以及Hamamtsu公司产品L11034、L8706、L9841和L10290。光源也可为利用消偏振器将部分偏振光或偏振光转化后形成的自然光。例如，消偏振器可以是Lyot消偏振器(美国专利No.6667805)。 

在本发明中，所述探测单元可以是光谱计，具体地说，可以是电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)光谱计，例如，OceanOptics QE65000光谱计或B&W Teck Cypher H光谱计。 

本发明的斜入射宽带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、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(CD)或三维形貌。从而，利用该斜入射宽带光谱仪，能够高精确度地测量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或三维形貌。 

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2a和图2b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方法的示意图。 

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7示出S和P偏振光经过一个铝材料反射镜反射的反射率随着入射光的角度不同而改变，其中，上面的两条曲线对应于S偏振光，下面的两条曲线对应于P偏振光。 

图8示出S和P偏振光经过上述铝材料反射镜反射所产生的相位差随着入射角的不同而改变。 

图9示出用于根据本发明第一实施例中的斜入射宽带光谱仪的示意图。 

图10是示出根据本发明第二实施例的斜入射宽带光谱仪的示意图。 

图11是示出根据本发明第三实施例的斜入射宽带光谱仪的示意图。 

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。 

首先，对本文所用的术语进行如下的说明。 

本文所用的“反射镜”是利用反射面反射光束的光学元件。根据反射镜的形状，反射镜通常可以包括平面反射镜和曲面反射镜，曲面反射镜又包括球面反射镜和非球面反射镜。根据反射的程度，反射镜可以包括全反射式反射镜和半透射半反射式反射镜(又简称为“半透射式反射镜”)，其中，半透射半反射式反射镜又称为分光镜。非球面反射镜又包括抛物面反射镜、椭球面反射镜、非二次面反射镜等等。 

本文所用的“平面反射镜”是不破坏光束单心性的反射镜。 

本文所用的“抛物面反射镜”是将平行光轴的光束会聚于抛物面的焦点的反射镜。 

本文所用的“离轴抛物面反射镜”是通过从旋转对称的抛物面反射镜中截取不包含对称轴的一个部分而获得的镜面，该离轴抛物面反射镜自身不产生色差和球面像差。 

本文所用的“入射平面”是由入射光和入射点处的表面法线所组成的平面。 

本文所用的“起偏器”和“检偏器”物理上等同于“检偏器”；位于探测光束与样品之间的称为“起偏器”；位于样品反射光束与探测器之间的称为“检偏器”。 

(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(并不限于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M₀处的平面反射镜反射之后以θ₀的入射角入射在样品上。当平面反射镜从初始位置M₀移动到位置M处(从初始位置M₀到位置M在主光方向上的距离为d)并倾斜一个角度(α-α₀)(这里，α₀是平面反射镜在位置M₀处的法线相对于水平面的夹角，α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M₀处的中心离聚焦位置O₀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O₀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＝M₀O₀； 

$\mathrm{MO}=\frac{t+x}{\sin \mathrm{\θ}};$

x＝d cosφ； 

MM₀＝d；以及 

$M_0{O}_0=\frac{t}{\sin {\mathrm{\θ}}_0}$

通过对上述公式进行计算得出： 

$d=\frac{t(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}{\sin {\mathrm{\θ}}_0(\sin \mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\φ})}---\left(1\right).$

此外，平面反射镜的法线与水平面的夹角α和α₀满足下述关系： 

由式(2)和(3)可得出： 

$\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_0=\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0}{2}---\left(4\right).$

由此得到，聚焦位置O₀到O的垂直距离h为： 

h＝tctgθ₀-(t+x)ctgθ-dsinφ＝t(ctgθ₀-ctgθ)-d(cosφctgθ+sinφ) 

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，θ₀＝60且φ＝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R₀处)反射后聚焦在样品中心O₀处。该主光经平面反射镜1025_R0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I₀内，且此平面I₀与样品平面垂直。经样品反射后的光束经过与(位于位置R₀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θ₀的入射角入射在样品中心O₀处。调整后的目标入射角为θ(θ＞θ₀)(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要求)。假设平面反射镜1025_R0的中心与样品中心在Y方向上的距离为R_0yO₀＝S。在这种假设下，当从入射角θ₀调整为目标入射角θ时，聚焦位置在X方向上的变化为h＝(ctgθ₀-ctgθ)＊S，即，光程缩短了S/sinθ₀-S/sinθ。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R₀O₀＝RO+RR₀可以得出光程缩短了：RR₀＝S/sinθ₀-S/sinθ。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/sinθ₀-S/sinθ。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 

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 

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/sinθ₀-S/sinθ，同时垂直向上移动h＝(ctgθ₀-ctgθ)＊S。结果，使得原聚焦位置O₀移动至新聚焦位置O。 

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θ₀＝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。 

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M1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M1上，并且被第一平面反射镜M1反射至第二平面反射镜M2。当第一平面反射镜M1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M1的反射光以(90-θ)度入射角入射至M2时，经M1反射的以M1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。将上述过程以数学公式表达： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Ex}=E_{1s}\\ \mathrm{Ey}=E_{1p}\end{array}\right.---\left(a\right).$

以M1入射面为参考的偏振分量E_1s，E_1p分别定义为右手参考系中的+X和+Y方向分量。经M1反射后， 

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{1s}^{\′}=r_{1s}{E}_{1s}\\ E_{1p}^{\′}=r_{1p}{E}_{1p}\end{array}\right.---\left(b\right).$

E′_1s，E′_1p分别为以M1入射面为参考的反射光偏振分量；其中，r_1s和r_1p分别为以M1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M1的反射率。而且， 

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{2s}=E_{1p}^{\′}\\ E_{2p}=-E_{1s}^{\′}\end{array}\right.---\left(c\right).$

经M1反射后的E′_1s，E′_1p分别为以M2入射面为参考的入射偏振分量-E_2p，E_2s。经M2反射后， 

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{2s}^{\′}=r_{2s}{E}_{2s}\\ E_{2p}^{\′}=r_{2p}{E}_{2p}\end{array}\right.---\left(d\right).$

E′_2s，E′_2p分别为以M2入射面为参考的反射光偏振分量，r_2s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M1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M1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： 

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{2p}^{\′}=E_x^{\′}\\ E_{2s}^{\′}=-E_y^{\′}\end{array}\right.---\left(e\right).$

E′_x，E′_y为出射光偏振分量。在M1和M2具有相同的反射材料和镀膜结构的情况下： 

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{1s}=r_{2s}\\ r_{1p}=r_{2p}\end{array}\right.---\left(f\right).$

综合以上公式有： 

$\{\frac{E_x}{E_y}=\frac{E_x^{\′}}{E_y^{\′}}---\left(g\right).$

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M1和第二平面反射镜M2满足r_2sr_1p＝r_2pr_1s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_2sr_1p＝r_2pr_1s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|-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的影响。 

表1 

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， 

$r_{12,p}=\frac{N_2\cos {\mathrm{\θ}}_1-N_1\cos {\mathrm{\θ}}_2}{N_2\cos {\mathrm{\θ}}_1+N_1\cos {\mathrm{\θ}}_2};$ $r_{12,s}=\frac{N_1\cos {\mathrm{\θ}}_1-N_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}{N_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+N_2\cos {\mathrm{\θ}}_2};$

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， 

$r^p=\frac{r_{12,p}+r_{23,p}\exp (-j2\mathrm{\β})}{1+r_{12,p}{r}_{23,p}\exp (-j2\mathrm{\β})};$ $r^s=\frac{r_{12,s}+r_{23,s}\exp (-j2\mathrm{\β})}{1+r_{12,s}{r}_{23,s}\exp (-j2\mathrm{\β})};$ $\mathrm{\β}=2\mathrm{\π}\left(\frac{d}{\mathrm{\λ}}\right)N_2\cos {\mathrm{\θ}}_2;$

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＝-1；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变化均远小于采用45度入射角的情况。 

表2 

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，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) 

与申请人于2011年5月23日提交的专利申请No.201110133214.2(该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中)相比较，本发明增加了相位补偿元件，通过椭圆偏振测量法可以准确测量出样品琼斯矩阵中r_pp、r_ss比的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函数；进而可以计算出样品(r_ps＝r_sp＝0)造成的消偏振度(degree of depolarization)。而且，如果系统包含两个相位补偿元件，满足条件时可以测量出样品的包含4x4个矩阵元素的穆勒矩阵，从而更加准确地表征样品的特征；进而有助于测量中参数解耦等。本发明仍可以采用专利申请No.201110133214.2中所述的绝对反射率测量法。 

本发明可采用的椭圆偏振测量法可以分为三类：当仅包含一个相位补偿元件，例如消色差补偿器时，本发明的倾斜入射光谱仪等同为一个起偏器-补偿器-样品-检偏器(PCSA)或起偏器-样品-补偿器-检偏器(PSCA)结构的椭圆偏振仪。在此结构下，1)通过旋转检偏器A，固定起偏器P和补偿器C构成PSCA_R或PCSA_R测量方式，2)通过旋转补偿器C，固定检偏器A和起偏器P构成PSC_RA或PC_RSA测量方式。当包含两个相位补偿元件，例如两个消色差补偿器时，本发明的倾斜入射光谱仪等同为一个起偏器-补偿器-样品-补偿器-检偏器的椭圆偏振仪。通过以一定的旋转频率比例旋转双补偿器，固定检偏器A和起偏器P，即构成穆勒(Mueller)椭圆偏振仪的测量方式。测量计算结果与模型数值仿真结果比较及数值回归计算测量样品参数。具体测量原理可参考书HANDBOOK OF ELLIPSOMETRY，HarlandG.Tompkins，2005；Spectroscopic Ellipsometry Principles andApplications，Hiroyuki Fujiwara，2007；文献J.Opt.Soc.Am.A，Vol.16，No.8.(1August 1999)，pp.1997-2006。所说明的原理公式，以下仅以旋转单补偿器(PSC_RA)测量样品(r_ps＝r_sp＝0)情况做简要描述： 

L_out＝AR(A)R(-C)CR(C)J_sR(-P)PL_in

假设系统P＝45°和A＝0°，即： 

$\left[\begin{array}{c}{E}_A\\ 0\end{array}\right]=E_{\mathrm{in}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos C& -\sin C\\ \sin C& \cos C\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{i\δ})\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos C& \sin C\\ -\sin C& \cos C\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ψexp}\left(\mathrm{i\Δ}\right)& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

$\×\left[\begin{array}{cc}\cos 45& -\sin 45\\ \sin 45& \cos 45\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]$

可以得出δ＝90度时，即四分之一波长补偿器： 

$E_A=\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{\mathrm{in}}[({\cos }^{2}C-i{\sin }^{2}C)\sin \mathrm{\ψexp}\left(\mathrm{i\Δ}\right)+(1+i)\cos C\sin C\cos \mathrm{\ψ}]$

探测的光强： 

I＝|E_A|²＝I₀(2-cos 2ψ+2sin 2ψsinΔsin 2C-cos 2ψcos 4C+sin 2ψcosΔsin 4C)/2 

在此情况下，探测光经样品反射后的斯托克斯向量对应表达式为： 

S₀＝1 

S₁＝-cos2ψ 

S₂＝sin2ψcosΔ 

S₃＝-sin2ψsinΔ 

以斯托克斯向量表达的探测光强： 

$I=I_0(1+\frac{S_1}{2}-S_3\sin 2C+\frac{S_1\cos 4C}{2}+\frac{S_2\sin 4C}{2}).$

其中，S₁、S₂、S₃是光强I的傅里叶系数，实验数值可通过计算得到。由此，不但可以计算出专利申请No.201110133214.2中所述的tanΨ和cosΔ，而且可以计算出sinΔ，进而计算出Δ的具体角度，增加了测量精度。进一步，可以测量出样品表面反射光线的消偏振度p： 

p＝(S₁ ²+S₂ ²+S₃ ²)^1/2/S₀。 

同样，如专利申请No.201110133214.2中所述，本发明的光谱仪可以通过椭圆偏振测量法来计算傅里叶系数谱线，也可以通过数学模型计算谱线和曲线回归拟合来计算各项异性和各向同性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 OFELLIPSOMETRY，Harland G.Tompkins，2005；SpectroscopicEllipsometry Principles and Applications，Hiroyuki Fujiwara，2007。现以旋转起偏器，固定检偏器的情况为例，扼要说明椭圆偏振测量法的具体操作包括以下三个主要步骤：1)由于旋转系统的存在，系统需要校准以排除偏振器或相位补偿元件旋转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，光强分布应与理论值完全相同；此光强与角度的变化关系可作为参考值，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，每旋转1度，记录每个角度下硅片的反射光强光谱，并完成360度全部的扫描，这些数据作为参考值保存。2)测量时，将各个角度的反射光强与参考值相比，得到光强在各个角度的相对真实值。3)通过数学模型计算和曲线回归拟合，得到结果。 

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6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9中示出根据本发明的第一实施例的斜入射宽带光谱仪。如图9所示，该斜入射宽带光谱仪包括宽带点光源SO、透镜L1和L2、离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2、起偏器P、检偏器A、波片C、宽带光谱计SP、平面反射镜M1和M2、样品SA；及可选成像系统。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置于聚焦透镜L1的焦点处，宽带点光源SO发射的光束入射至聚焦透镜L1后，会聚成平行光束。该平行光束经过起偏器P后，透射通过波片C，以入射角45度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M1，反射后在入射面内偏转90度，向下倾斜以60度角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、 检偏器A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OAP1、OAP2和平面反射镜M1、M2构成的平面与样品平面平行，与平面反射镜M1、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OAP1、离轴抛物面镜OAP2、聚焦透镜L1、聚焦透镜L2和起偏器P的平面垂直。由离轴抛物面镜OAP1、OAP2和平面反射镜M1、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M1、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M1和M2如何实现对焦。例如，所述平面反射镜M1、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OAP1、OAP2和平面反射镜M1、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M1、M2可以以此方向为轴旋转。调整时，所述平面反射镜M1、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，所述所述平面反射镜M1、M2沿着一个方向移动，所述平面反射镜M1、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M1、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。 

根据本实施例，本领域的技术人员可以知道，平面反射镜M1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直的条件，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M1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，光束经波片C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，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。即当光束在离开波片C后和到达检偏器A之前，其偏振特性仅因样品的反射属性而有所改变，而不受聚焦系统和调焦过程的影响。如此，探测光束线性偏振方向可通过旋转起偏器P调整(通常固定在45度)，探测光相位特征可通过旋转波片调整，样品SA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光束经波片C后的偏振特性在斜入射并会聚于样品SA表面时保持不变，且不影响样品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。 

本实施例所述倾斜入射光谱仪等同为一个起偏器-补偿器-样品-检偏器(PCSA)或起偏器-样品-补偿器-检偏器(PSCA)结构的椭圆偏振仪。在此结构下，1)通过旋转检偏器A，固定起偏器P和补偿器C构成PSCA_R或PCSA_R测量方式，2)通过旋转补偿器C，固定检偏器A和起偏器P构成PSC_RA或PC_RSA测量方式。通过以上椭圆偏振测量法，计算出傅里叶系数的谱线，这条谱线于与琼斯矩阵归一化后含有的元素ρ_pp、ρ_ps、ρ_sp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。与专利申请No.201110133214.2相比较，本发明增加了相位元件，通过椭圆偏振测量法可以准确测量出样品琼斯矩阵中r_pp、r_ss比的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函数；进而可以计算出样品(r_ps＝r_sp＝0)造成的消偏振度。本实施例仍可以采用绝对反射率测量法。 

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1100nm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。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。 

本实施例中所述的波片也可以使用其它的相位补偿元件替代，例如，相位补偿元件可以为光弹相位调制器(即，光弹相位补偿元件)。波片可以为由熔融石英或氟化镁材料制成的零界、低阶或消色差波片。当今的消色差波片光谱范围可从310nm至1100nm，如B-halle RSU1.2和RSU1.4系列，可直接在对应的光谱范围内进行测量。消色差无法实现的区域可以在校准波片后，通过数字校正测量偏差，从而实现精确测量。光弹相位调制器也可进行同样的校正。 

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M1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。 

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也可以用其它形式的聚光单元替代。例如，由若干个透镜构成的聚光单元和超环形镜等。 

此外，在本实施例中，在宽带点光源SO与聚焦透镜L1和宽带光谱计SP与聚焦透镜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10中示出根据本发明的第二实施例的斜入射宽带光谱仪。如图10所示，该斜入射宽带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OAP1、OAP2、OAP3和OAP4，偏振器P和检偏器A，波片C1和C2，平面反射镜M1、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后透射通过波片C1，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，该会聚光束以入射角45度经过平面反射镜M1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、波片C2、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OAP1、OAP2、OAP3和OAP4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OAP1、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OAP1、OAP2、OAP3和OAP4构成的平面内，光束互相平行。 

此外，平面反射镜M1、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M1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M1、M2沿M1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M1、M2、离轴抛物面镜OAP1、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M1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直的条件，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M1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，光束经波片C1后的偏振特性在斜入射并会聚于样品SA表面时保持不变；在波片C1和起偏器P之间的光路中传播时，其偏振特性也可以保持不变。 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表面反射光束的偏振特性在入射至波片C2时保持不变，即光束在波片C1和波片C2之间，其偏振特性仅因经样品SA的反射而有所改变。如此，探测光束的线性偏振方向可通过旋转起偏器P调整，探测光相位特征可通过旋转波片调整，样品的反射光经平面反射镜M2、离轴抛物面反射镜OAP2和波片C2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光束在离开波片后到达样品表面之前的最终偏振态。 

与第一实施例中比较，由于增加波片C2，本实施例的倾斜入射光谱仪等同为一个起偏器-补偿器-样品-补偿器-检偏器的(PCSCA)椭圆偏振仪。通过以一定的旋转频率比例旋转双补偿器，固定检偏器A和起偏器P即构成穆勒(Mueller)椭圆偏振仪的测量方式。测量计算结果与模型数值仿真结果比较及数值回归计算测量样品参数。具体测量原理可参考文献J.Opt.Soc.Am.A，Vol.16，No.8.(1 August 1999)，pp.1997-2006。测量出样品的包含4x4矩阵元素穆勒矩阵，从而更加准确的表征样品的特征；而且有助于材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析周期性结构的样品的临界尺度(CD)等参数之间的解耦。本实施例仍可以采用绝对反射率测量法。 

本实施例也可如第一实施例一样增加成像系统。 

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焦透镜代替，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做为聚光单元也聚焦透镜代替，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 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，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11中示出根据本发明的第三实施例的斜入射宽带光谱仪。如图11所示，该斜入射宽带光谱仪包括宽带点光源SO、透镜L1和L2、离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2，偏振器P，检偏器A，波片C1和C2，宽带光谱计SP，平面反射镜M1和M2，样品SA组成 

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，透射通过波片C，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，该会聚光束以入射角15度经过平面反射镜M1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、波片C2、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OAP1、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OAP1、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，可通过上述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M1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直的条件，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M1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，光束经波片C1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表面反射光束的偏振特性在入射至波片C2时保持不变。即光束在波片C1和波片C2之间，其偏振特性仅因经样品SA的反射而有所改变。如此，探测光束线性偏振方向可通过旋转起偏器P调整，探测光相位特征可通过旋转波片调整，样品的反射光经平面反射镜M2、离轴抛物面反射镜OAP2和波片C2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光束在离开波片后到达样品表面之前的最终偏振态。 

与第一和第二实施例比较，本实施例采用了更小角度(10至45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，偏振变化较大角度入射变化率低。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的测量相同的测量。 

本实施例也可如第一实施例一样增加成像系统。 

本实施例也可不包含波片C1或C2，实施与第二实施例中所述相同的测量。 

与第二实施例比较，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，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的有益效果外，由于光学系统采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M1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尺度特性或三维形貌。此外，本发明的斜入射宽带光谱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，本发明的斜入射宽带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。 

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。 

Claims (28)

1.一种斜入射宽带光谱仪，其特征在于，该斜入射宽带光谱仪包括光源、第一聚光单元、第一偏振器、第一相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件、第二平面反射元件、第二曲面反射元件、第二偏振器、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；

所述第一相位补偿元件用于调整所述偏振光束的偏振状态并使调整后的偏振光束透射通过；

所述第一曲面反射元件用于将透射通过所述第一相位补偿元件的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曲面反射元件；

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；

所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件；以及

所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。

2.根据权利要求1所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括第二相位补偿元件，所述第二相位补偿元件设置在所述第二曲面反射元件和所述第二偏振器之间的光路中，用于调整来自所述第二曲面反射元件的平行光束的偏振状态并使调整后的平行光束透射通过。

3.根据权利要求1或2所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元包括第三曲面反射元件，所述第二聚光单元包括第四曲面反射元件，其中：

所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点处，使得来自所述光源的光束经过所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束；以及

所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至探测单元。

4.根据权利要求1或2所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元包括第三平面反射元件和第三曲面反射元件，所述第二聚光单元包括第四曲面反射元件和第四平面反射元件，其中：

所述光源置于所述第三曲面反射元件的焦点在所述第三平面反射元件中的镜像处，使得来自所述光源的光束经过所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件的反射之后变成平行光束；

所述第四曲面反射元件用于接收来自所述第二偏振器的偏振光束并将该偏振光束会聚至所述第四平面反射元件；

所述第四平面反射元件用于将来自所述第四曲面反射元件的偏振光束反射至所述探测单元；

所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件；以及

所述第四平面反射元件和所述第四曲面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。

5.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，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相同且在10至45度之间。

6.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括：至少一个光阑，位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，用于避免经过所述第一偏振器后产生的e光入射至样品表面或者其反射光反射后入射至所述第二偏振器。

7.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光源和样品表面之间的光路中的结构与样品表面和所述探测单元之间的光路中的结构相对于经过样品上的聚焦位置处的法线且与样品的入射平面垂直的平面是镜面对称的。

8.根据权利要求1-2中的任一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一曲面反射元件和所述第二曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。

9.根据权利要求4所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一曲面反射元件、所述第二曲面反射元件、所述第三曲面反射元件和所述第四曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。

10.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。

11.根据权利要求10所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着聚焦到样品上的会聚光束的主光的传播方向移动，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相对于该会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以以该会聚光束的主光方向为轴旋转。

12.根据权利要求11所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件相对于经过样品上的聚焦位置处的法线且与样品的入射平面垂直的平面保持镜面对称或反对称。

13.根据权利要求12所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度可以被对称地调整，即，以聚焦到样品上的会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也可沿着在样品表面上的所述一个方向移动。

14.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括用于承载样品的可调节的样品平台。

15.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括成像系统，其中：

所述成像系统位于所述第一曲面反射元件和所述第一平面反射元件之间的光路和所述第二平面反射元件和所述第二聚光单元之间的光路中；

所述成像系统包括至少两个可移动的平面反射元件、照明单元和成像单元；以及

在所述斜入射宽带光谱仪中可以通过观测所述探测单元的光强和/或通过观测所述成像系统中的图像的清晰度来进行调焦。

16.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一偏振器和所述第二偏振器为薄膜偏振器、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。

17.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括用于控制所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的偏振器旋转控制装置。

18.根据权利要求1所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一相位补偿元件为波片或光弹相位补偿元件。

19.根据权利要求2所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一相位补偿元件和第二相位补偿元件为波片或光弹相位补偿元件。

20.据权利要求18或19所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括用于控制所述波片的光轴方向的波片旋转控制装置。

21.据权利要求18或19所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述波片为消色差波片。

22.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元和所述第二聚光单元包括至少一个曲面反射元件或至少一个聚焦透镜。

23.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光源为包含多重波长的光源。

24.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光源是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源或包含氘钨卤素的复合宽带光源，或者，所述光源是通过消偏振器产生的偏振度为零的自然光点光源。

25.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述探测单元是光谱计。

26.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，所述斜入射宽带光谱仪还包括计算单元，该计算单元用于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。

27.根据权利要求1-2中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪，其特征在于，光束入射在样品表面上的角度为5度至75度。

28.一种光学测量系统，包括根据权利要求1至27中的任意一项所述的斜入射宽带光谱仪。

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