CN103048047A - 包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种包含相位元件的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、相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探测单元。本发明还公开一种光学测量系统，包括所述的垂直入射宽带偏振光谱仪。该垂直入射宽带偏振光谱仪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，易于调节聚焦、可实现无色差、可保持偏振特性、且结构简单。而且，根据本发明提供的垂直入射光谱仪及光学测量系统，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_xx、r_yy的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函数，增加了偏振光谱仪的测量精度。

Description

包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。

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。一种方法是将光学测量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2a和2b所示，通过对整个光学测量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，对整个光学测量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，通常需要整个光学测量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3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4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 CriticalDimension)。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光学测量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。

中国专利申请CN201110032744.8公开的一种垂直入射宽带偏振光谱仪包含了偏振器用以调整入射至样品表面时光束的偏振方向，可通过椭圆偏振测量法测量出样品的两种偏振方向的反射率振幅比和相位差Δ(即，琼斯矩阵中r_xx、r_yy的相位差Δ)的余弦函数，无法测量出Δ的唯一角度，从而影响精确度及部分角度范围时的灵敏度。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、可保持偏振特性的、结构简单，并且能通过椭圆偏振测量法实现测量两种偏振方向的反射率的相位偏差Δ的具体角度(即Δ的正弦值和余弦值)，提高测量精确度及部分角度灵敏度的包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。

根据本发明的一个方面，提供一种垂直入射宽带偏振光谱仪，其包括光源、分光元件、聚光单元、偏振器、相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探测单元；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、所述相位补偿元件、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，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相位补偿元件之间，使所述平行光束变成偏振光束；所述相位补偿元件设置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之间，调整所述偏振光束的偏振状态并使光束透射通过；所述第一曲面反射元件，接收通过所述相位补偿元件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，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、所述相位补偿元件、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。

根据本发明的另一个方面，还提供一种包括上述包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪的光学测量系统。根据本发明提供的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统，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_xx、r_yy的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函数，增加了宽带偏振光谱仪的测量精度及部分角度情况下的灵敏度。

附图说明

图1是现有技术中的通过上下移动整个整个光学系统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3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4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5是用于说明通过移动平面反射镜来进行对焦的示意图。

图6a至6c是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。

图7是用于解释快速寻找焦点的数学方法的示意图。

图8是洛匈棱镜偏振器(Rochon Polarizer)的光学示意图，在该图中，RP代表洛匈棱镜偏振器，D代表光阑，S代表样品。

图9是B-halle RSU1.2的消色差波片的相位补偿角曲线的示意图。

图10是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。

图11是单晶硅周期性浅沟槽的光谱示意图。

图12a是本发明实施例提出的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

图12b是图12a中点格分光镜的平面示意图。

图13是本发明另一实施例提出的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

图14是本发明另一实施例提出的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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“聚焦光学测量系统”是用于将光束聚焦在样品表面上的光学测量系统。该光学测量系统可以是由多个或单个子光学测量系统构成的总光学测量系统，也可以是集成为一体的单个光学测量系统。

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。

先对对焦原理进行介绍：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，本发明提出了使用平面反射镜调焦的方法。

如图5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M’)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，使得整个光学测量系统更加紧凑。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。

下面，参照图6a和6b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6a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光学测量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光学测量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6b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6c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1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光学测量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。

如下所述，在本发明的宽带偏振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，在光谱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光学测量系统中损失。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：I＝-A(x-x₀)²+B，其中，I为光信号强度，x₀为焦点位置，A，B为系数。如图7所示，通过前三个不同位置(即，A、B和C位置)的测量值可以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|x_n+1-x_n|＜σ，其中x_n为第n次调焦的位置，x_n+1为在增加第n次调焦位置的测量值情况下拟合出的第n+1次调焦位置，σ为光学测量系统调整的精确度。

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焦。

对于本发明中所采用的偏振器，可以采用如图8所示的洛匈棱镜偏振器RP。洛匈棱镜偏振器的材料可为MgF2、a-BBO、方解石、YVO4或石英。洛匈棱镜偏振器利用双折射晶体(o光与e光的折射率不同)使入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，MgF2可达到130-7000nm的光谱范围。由于不同的材料具有不同的o光和e光折射率，所以透射光中的o光和e光的夹角也不相同。例如，对于MgF2或石英，o光和e光的夹角为1至2度，然而，对于a-BBO或YVO4，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θ。当探测光束透射通过偏振器后，o光垂直地入射至样品S，e光以夹角α倾斜地入射至样品S；当e光在样品表面的反射光束可以进入偏振器光学孔径范围内时，其e光的反射光束可同样反射至偏振器，然后进入探测器，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D(如图8所示)，以避免e光入射至样品表面或其反射光反射回偏振器。本发明中的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。尤其，所述偏振器优选为洛匈棱镜偏振器，并且，材料优选为氟化镁(MgF₂)。

对于本发明中所采用的补偿器，可以采用波片，也可以用其他的相位补偿元件，例如，光弹相位调制器。波片是利用双折射晶体(o光与e光的折射率不同)使入射光束正交方向的两个偏振方向通过波片后产生一定的光程差，从而使它们的相位差发生一定的变化。若晶体的厚度为D，o光与e光通过晶体产生的光程差为s＝(n_o-n_e)D，相位差为δ＝2π(n_o-n_e)D/λ。在从深紫外(DUV)至近红外(NIR)的宽光谱范围(190nm至1000nm)内，波片可以为熔融石英或氟化镁材料制成的零级、低级或消色差波片。当今的消色差波片光谱范围可以从310nm至1100nm，如B-Halle RSU1.2和RSU1.4系列，对于消色差无法实现的光谱区域，可以通过起偏器-波片-检偏器方法，实现精确测量相位补偿角。通过精确的测量整个光谱范围内的相位补偿角，可以更为精确的测量样品。也可以通过起偏器-波片-检偏器方法，精确测量波片的厚度D，波片产生的相位延迟可以通过公式δ＝2π[n_o(λ)-n_e(λ)]D/λ来计算。

本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪等同为一个起偏器-第一补偿器-样品-第二补偿器-检偏器(PCSCA)结构的椭圆偏振仪，其中，检偏器与起偏器为同一偏振器，第一补偿器和第二补偿器为同一补偿器的情况。本发明可采用的椭圆偏振测量法可以分为两类：(1)通过旋转起偏器A(P)，固定补偿器C构成P_RCSCA_R的测量方式。(2)通过旋转补偿器C，固定检偏器A(P)构成PC_RSC_RA的测量方式。与中国专利申请CN201110032744.8相比较，本发明相当于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_xx、r_yy的相位差Δ，即Δ的正弦和余弦函数；增加了偏振光谱仪的测量精度。进而可以计算出样品(r_xy＝r_yx＝0)造成的消偏振度。本发明仍可以采用中国专利申请CN201110032744.8中所述的绝对反射率测量法。

椭圆偏振测量法的具体测量原理可参考书HANDBOOK OFELLIPSOMETRY，Harland G. Tompkins，2005；Spectroscopic EllipsometryPrinciples andApplications，Hiroyuki Fujiwara，2007；美国专利No.7115858B1和美国专利No.7330259B2所说明的原理公式。以下仅以旋转补偿器情况作简要描述。总光学过程由琼斯矩阵给出：

I_out＝J_AR(A)R(-C₂)J_CR(C₂)J_SR(-C₁)J_CR(C₁)R(-P)J_PL_in    (1)

其中，J_A和J_P为检偏器和起偏器的琼斯矩阵，Jc为补偿器的琼斯矩阵，J_S为样品反射的琼斯矩阵，R(α)为坐标旋转矩阵，它们分别可以表示为如下形式：

$J_A=J_P=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right),$ $J_C=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{-\mathrm{i\δ}}\end{array}\right),$ $J_s=\left(\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{xx}}& r_{\mathrm{xy}}\\ r_{\mathrm{yx}}& r_{\mathrm{yy}}\end{array}\right),$

$R\left(\mathrm{\α}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right).$

这里琼斯矩阵中的元素采用x、y下标，以区别椭圆偏振中常使用的s、p下标。因为椭圆偏振仪为倾斜入射，其s、p的方向由入射角度和入射面决定；而在垂直入射时，入射面带有任意性.入射光的偏振方向相对与样品的物理特征才有意义。例如，对于各向同性的薄膜样品，当采用正入射时，其琼斯矩阵中：r_xx＝r_yy。对于各项异性的薄膜或具有对称性三维结构的薄膜，如图10中所述的周期性浅硅槽结构，通常选择x，y方向与各向异性结构的轴向或对称性结构的轴向平行或垂直，在这种情况下，r_xx不等于r_yy，但r_xy＝r_yx＝0。

由R(α)R(-β)＝R(α-β)可知，(1)式可以简化为：

L_out＝J_AR(A-C₂)J_CR(C₂)J_SR(-C₁)J_CR(C₁-P)J_PL_in    (2)

在垂直入射椭圆偏振仪中，A＝P，C1＝C2＝C，故对于琼斯矢量为 $\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)$ 的入射光，(2)式展开可以写成以下形式：

$\left(\begin{array}{c}{E}_A\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}X(\mathrm{\δ},C,P)& Y(\mathrm{\δ},C,P)\\ 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{xx}}& r_{\mathrm{xy}}\\ r_{\mathrm{yx}}& r_{\mathrm{yy}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X(\mathrm{\δ},C,P)\\ Y(\mathrm{\δ},C,P)\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{c}{X}^2{r}_{\mathrm{xx}}+Y^2{r}_{\mathrm{yy}}+\mathrm{XY}(r_{\mathrm{xy}}+r_{\mathrm{yx}})\\ 0\end{array}\right)---\left(3\right)$

在上式中，X(δ，C，P)和Y(δ，C，P)分别定义为：

X(δ，C，P)＝cos C cos(P-C)-sin C sin(P-C)e^-iδ

Y(δ，C，P)＝sin C cos(P-C)+cos C sin(P-C)e^-iδ    (4)

若使P＝45°，对于r_xy+r_yx＝0的情况(例如，参见Li Lifeng，J.Opt.Soc.Am.A17，881(2000)中)，则输出光强可以表示为：

I＝|E_A|²＝|X²r_xx+Y²r_yy|²    (5a)

＝I₀[1+a₂cos(2C)+a₄cos(4C)+b₄sin[4C]+a₆cos(6C)+a₈cos(8C)]

其中：

$a_2=\frac{-8\tan \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\Δ}(2\sin \mathrm{\δ}-3\sin 2\mathrm{\δ})}{({\tan }^2\mathrm{\ψ}+1)(19-4\cos \mathrm{\δ}+\cos 2\mathrm{\δ})+2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}(5+4\cos \mathrm{\δ}+7\cos 2\mathrm{\δ})}$

$a_4=\frac{-32\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}{\sin }^2\mathrm{\δ}}{({\tan }^2\mathrm{\ψ}+1)(19-4\cos \mathrm{\δ}+\cos 2\mathrm{\δ})+2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}(5+4\cos \mathrm{\δ}+7\cos 2\mathrm{\δ})}$

$b_4=\frac{32({\tan }^2\mathrm{\ψ}-1)\left({\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}{({\tan }^2\mathrm{\ψ}+1)(19-4\cos \mathrm{\δ}+\cos 2\mathrm{\δ})+2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}(5+4\cos \mathrm{\δ}+7\cos 2\mathrm{\δ})}$

$a_6=\frac{-32\tan \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\Δ}\left(\sin \mathrm{\δ}{\cos }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}{({\tan }^2\mathrm{\ψ}+1)(19-4\cos \mathrm{\δ}+\cos 2\mathrm{\δ})+2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}(5+4\cos \mathrm{\δ}+7\cos 2\mathrm{\δ})}$

$a_8=\frac{({\tan }^2\mathrm{\ψ}+1)(-3-\cos 2\mathrm{\δ}+4\cos \mathrm{\δ})+2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}(3+\cos 2\mathrm{\δ}-4\cos \mathrm{\δ})}{({\tan }^2\mathrm{\ψ}+1)(19-4\cos \mathrm{\δ}+\cos 2\mathrm{\δ})+2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}(5+4\cos \mathrm{\δ}+7\cos 2\mathrm{\δ})}---\left(5b\right)$

上式中，δ＝2πD[n_o(λ)-n_e(λ)]/λ，其中D为相位补偿器的厚度，可通过起偏器-补偿器-检偏器的方法精确测量。a₂、a₄、a₆、b₄、a₈为傅里叶系数，可以通过旋转相位补偿器，对输出光强做傅里叶展开或线性拟合计算得出。

以δ＝90°为例，解(5b)式可以得到方程组的一组解：

$\tan \mathrm{\ψ}=\frac{\sqrt{-8+a_4-9b_4}}{\sqrt{-8+a_4+9b_4}},$

$\sin \mathrm{\Δ}=\frac{18a_2}{\sqrt{(-8+a_4-9b_4)(-8+a_4+9b_4)}},$

$\cos \mathrm{\Δ}=\frac{9a_4}{\sqrt{(-8+a_4-9b_4)(-8+a_4+9b_4)}}---\left(5c\right)$

从(5b)式可以看出，在已知相位补偿角δ的情况下，通过对输出光强做傅里叶展开或拟合，从而测量得到与样品相关的傅立叶系数，进而代入(5c)式，可以得到样品TE/TM的反射率振幅比值和TE与TM之间的相位差。这里TE波是指偏振方向平行于沟槽方向的光波，TM波是指偏振方向重直于沟槽方向光波。对于给定的相位补偿角δ，(5b)式中共含有5个傅里叶系数，为样品参数tanψ，cosΔ和sinΔ的超定方程组，他们的最优解可以通过最小二乘法拟合得到。

本领域的研究人员可以知道，本发明的输出光强的傅里叶系数包含了tanΨ，cosΔ和sinΔ项，其中tanΨ为r_xx、r_yy比的振幅，Δ为r_xx、r_yy的相位差。在已知相位补偿角δ的情况下，与专利申请No.201110032744.8相比较，本发明不仅可以测出tanψ和cosΔ，还可以测量出sinΔ，从而计算出Δ的具体角度，增加了测量精度。

以B-halle RSU1.4系列的波片为例，其相位补偿角与波长的关系如图9中曲线R(λ)所示，其单位为2π。从图中可以看出，此波片的宽带相位补偿范围在π/2附近，对于不同的波长，可依次求出各自所对应的相位补偿角，从而代入(5b)式解出此波长下的样品参数。图9中Ψ(°)曲线表明波片的快轴随波长旋转的角度，其旋转角度范围为±1.5°，此波片的快轴方向随波长发生偏转所造成的误差完全可以通过设定波片旋转时不同的初始角度修正。

光学测量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。现以旋转补偿器，固定偏振器的情况为例，扼要说明椭圆偏振测量法的具体操作，它包括以下三个主要步骤：1)由于旋转光学测量系统的存在，光学测量系统需要校准以排除偏振器旋转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相位补偿器角度下的光强；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，通过比值去除光学测量系统在不同相位补偿器角度的光强影响。具体可为，相位补偿器每旋转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，并将这些数据与理论值的比作为参考值保存。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)根据上述公式，计算傅立叶系数，进而得出TE/TM反射率振幅比值和TE与TM之间的相位差的光谱。以如图10所示的结构为例，其光谱如图11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，可测量各项异性和各向同性样品材料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。现今常用的光栅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。

实施例1

如图12a所示，该垂直入射宽带偏振光谱仪包括宽带点光源SO、分光元件BP、透镜L、偏振器P、波片C、离轴抛物面反射镜OAP、宽带光谱计SP、平面反射镜M、可移动的分光板BS以及成像图案识别光学系统IRS。该成像及图案识别光学系统IRS包括透镜L’、照明光源(未示出)和CCD成像器(未示出)。

如图12a所示，宽带点光源SO发射极紫外(EUV)至近红外(NIR)范围内(通常在190nm至1100nm波长范围内)的光束。光束在水平面内传播并入射至分光元件BP，来自光源的光中的50％通过分光元件BP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、波片C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、波片C、偏振器P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谱计SP。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。

本发明中的宽带点光源为可以发射宽带光谱的发散光束，该宽带光谱通常为深紫外(DUV)至近红外(NIR)范围内(大约为190nm至1100nm的波长范围内)。实践中，宽带点光源可以是氙灯、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、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)。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。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。例如，消偏振器可以是Lyot消偏振器(美国专利No.6667805)。

本发明中，探测单元可以是宽带光谱计，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用其他相位补偿元件替代，例如，光弹相位调制器(即，光弹相位补偿元件)。波片可以为熔融石英或氟化镁材料制成的零级、低级或消色差波片。当今的消色差波片光谱范围可以从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。对于消色差无法实现的光谱区域，可在校准波片后，获得光谱区域内各波长的相位补偿量，从而实现精确测量。光弹相位调制器也可进行同样的校正。

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12b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。而且，当入射光是包括宽带光谱的光束时，同样地，50％的入射光通过点格分光镜，或者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或分光板。因此，本实施例中采用明显优于普通的棱镜、分光镜和反射镜的点格分光镜。点格分光镜的例子包括Edmund点格分光镜和Newport点格分光镜。

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。

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，该宽带偏振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。

在测量样品之前，将可移动分光板BS切入光路中。样品表面的测量用反射光束及成像及图案识别光学系统照明的反射光束经分光板BS反射后，同时被成像及图案识别光学系统获得，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，以校准好的成像及图案识别光学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，通过观测所述成像及图案识别光学系统中的成像清晰度来进行调焦。并存两种聚焦光学测量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的位置移动做出调整。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，仍可进行光谱测量。

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，则当探测光束在波片和样品表面之间的光路中传播时，到达样品表面时的偏振特性相对于离开波片时保持不变，返回波片时的偏振特性相对于离开样品时也保持不变。即光束在离开波片和返回波片之间，其偏振特性仅因样品的反射而有所改变。如此，探测光束的偏振特性可通过旋转偏振器调整和旋转波片调整，样品的反射光经平面反射镜，离轴抛物面反射镜和波片入射至检偏器(与起偏器为同一偏振器)，其检偏角度由偏振器决定。可以看出，本实施例中聚焦光学测量系统和调焦过程不影响波片样品表面之间的光束偏振态。

本实施例所述垂直入射宽带偏振光谱仪等同为一个起偏器-补偿器-样品-补偿器-检偏器(PCSCA)结构的椭圆偏振仪。在此结构下，(1)通过旋转补偿器，固定偏振器构成PCRSCRA的测量方式，(2)通过旋转偏振器，固定补偿器构成PRCSCAR的测量方式，通过以上椭圆偏振测量法，计算出傅里叶系数的谱线，这条谱线与样品的归一化琼斯矩阵中含有的tanΨ，cosΔ和sinΔ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.201110032744.8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_xx、r_yy的相位差，即Δ的正弦函数和余弦函数，增加了测量精度；进一步，还可以测量出样品表面(r_xy＝r_yx＝0)反射光线的消偏振度p。本实施例也可以采用绝对反射率测量法。

本实施例中，用于控制偏振器旋转调整光束偏振方向的偏振器旋转控制装置和用于控制补偿器旋转调整光束偏振状态的相位补偿元件旋转控制装置可采用电机控制的各种自动旋转装置(手动也可实现量测)，如NewportPrecision Rotation Stage URS 150。

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。

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。

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。

实施例2

与图12a所示的垂直入射宽带偏振光谱仪相比，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实施例1相同的特征和结构的描述。下面仅仅描述本实施例与实施例1的不同之处。

如图13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、及波片C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。宽带光谱计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、波片C、偏振器P、透镜L、反射元件M2和反射元件M3的光束。

与实施例1一样，在本实施例中，如果平面反射镜M1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，则当探测光束在波片和样品表面之间的光路传播时，到达样品表面时的偏振特性相对于离开波片时可以保持不变，返回波片时的偏振特性相对于离开样品时也保持不变。即光束在离开波片和返回波片之间，其偏振特性仅因样品的反射而有所改变。

此外，与实施例1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的入射角相同和入射平面相互垂直的条件，则光束在到达宽带光谱计SP时的偏振特性相对于离开偏振器P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和偏振器之间的光路中传播时，其偏振特性保持不变；到达光谱计的偏振特性，相对于离开偏振器时也保持不变；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，这样简化了光学测量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光学测量系统偏振敏感性造成的数值修正。

与实施例1相同，本实施例中，探测光束的偏振特性可通过旋转偏振器调整和旋转波片调整，样品的反射光经平面反射镜，离轴抛物面反射镜和波片入射至检偏器(与起偏器为同一偏振器)，其检偏角度由偏振器决定。可以看出，本实施例中聚焦光学测量系统和调焦过程不影响波片样品表面之间的光束偏振态。

本实施例可以实施与实施例1中所述测量相同的测量。

实施例3

如图14所示，该宽带偏振光谱仪包括宽带点光源SO、第一平面反射镜M1、第一离轴抛物面反射镜OAP1、第二离轴抛物面反射镜OAP2、偏振器P、波片C、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以及成像及图案识别光学系统IRS。该成像及图案识别光学系统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，对于与实施例1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发射深紫外(DUV)至近红外(NIR)范围内(通常在190nm至1100nm波长范围内)的光束。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、波片C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M1反射后沿垂直方向向下入射至样品。至此，整个光学测量系统，以离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2以及第一平面反射镜M1水平对称轴确定的平面为参考平面，远离样品的半部分，即，参考平面以上的半部分，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M1、第一离轴抛物面反射镜OAP1、波片C、偏振器P、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，整个光学测量系统远离样品的半部分，即，参考平面以下的半部分，将样品表面反射的光束聚焦在光谱计上。

与实施例1和实施例2一样，在本实施例中，如果平面反射镜M1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，则当探测光束在波片和样品表面之间的光路传播时，到达样品表面时的偏振特性相对于离开波片时可以保持不变，返回波片时的偏振特性相对于离开样品时也保持不变。即光束在离开波片和返回波片之间，其偏振特性仅因样品的反射而有所改变。

此外，与实施例1和实施例2不同的是，在本实施例中，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，则当探测光束在到达偏振器时的偏振特性，相对于离开光源SO时也可以保持不变。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，则当探测光束在到达宽带光谱计SP时的其偏振特性，相对于离开偏振器时也可以保持不变。如此，在本实施例中，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，这样简化了光学测量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光学测量系统偏振敏感性造成的数值修正。

在本实施例中，探测光束的偏振特性可通过旋转偏振器调整和旋转波片调整，样品的反射光经平面反射镜，离轴抛物面反射镜和波片入射至检偏器(与起偏器为同一偏振器)，其检偏角度由偏振器决定。可以看出，聚焦光学测量系统和调焦过程不影响波片样品表面之间的光束偏振态。

本实施例可以实施与实施例1中所述测量相同的测量。

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。

与实施例1一样，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，除了实施例1和实施例2中提及的有益效果以外，还可以实现宽带光谱无色差的有益效果。

虽然实施例1、2的平面反射镜和实施例3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谱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谱仪还可以包括偏振器旋转控制装置及/或补偿器旋转控制装置，该旋转控制装置，用于控制所述偏振器的偏振方向，或用于控制所用补偿器的光轴方向的补偿器旋转控制装置。

此外，本发明的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。

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偏振光谱仪进行各种变形。本发明的宽带偏振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，采用本发明的宽带偏振光谱仪，可以实现自动聚焦，也可以实现手动聚焦。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (29)

1.一种包含相位元件的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括：

光源、分光元件、聚光单元、偏振器、相位补偿元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件和探测单元；

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、所述相位补偿元件、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，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相位补偿元件之间，使所述平行光束变成偏振光束； 

所述相位补偿元件设置于所述偏振器和所述第一曲面反射元件之间，调整所述偏振光束的偏振状态并使光束透射通过；

所述第一曲面反射元件，接收通过所述相位补偿元件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，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、所述相位补偿元件、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。

2.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

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。

3.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述分光元件为分光薄片、分光棱镜、点格分光镜或薄膜分光镜。

4.根据权利要求3所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述聚光单元为至少一个透镜或至少一个曲面反射镜。

5.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述分光元件为边缘处于光路中的第二反射元件。

6.根据权利要求5所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述聚光单元为至少一个透镜。

7.根据权利要求6所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

设置在所述探测单元和所述第二反射元件之间的光路中的第三反射元件；

所述探测单元，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、所述相位补偿元件、所述偏振器、所述至少一个透镜、所述第二反射元件和所述第三反射元件的光束；

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；并且所述第二反射元件和所述第三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。

8.根据权利要求5所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述聚光单元为第二曲面反射元件。

9.根据权利要求8所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

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；并且所述第二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。

10.根据权利要求9所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

设置在所述探测单元和所述第二曲面反射元件之间的光路中的第三反射元件；

所述探测单元，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、所述相位补偿元件、所述偏振器、所述第二曲面反射元件和第三反射元件的光束；并且所述第三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。

11.根据权利要求5-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第二反射元件为具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交的反射元件。

12.根据权利要求1-7中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。

13.根据权利要求8-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一曲面反射元件和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。

14.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。

15.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述第一平面反射元件可以沿着所述会聚光束的主光的传播方向移动。

16.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括用于承载样品的可调节的样品平台。

17.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

可移动的分光器和成像及图案识别光学系统；

所述成像及图案识别光学系统包括透镜、照明光源与CCD成像器；

所述可移动的分光器，将所述成像及图案识别光学系统提供的样品照明光束反射至样品表面并将样品表面的反射光束反射至所述CCD成像器；并且在所述垂直入射宽带偏振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及图案识别光学系统中的图像的清晰度来进行调焦。

18.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

至少一个光阑，位于所述偏振器和所述样品之间，避免经过所述偏振器后产生的e光入射至样品表面并且/或者其反射光反射回所述偏振器。

19.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

光阑，所述光阑可以置于整个垂直入射宽带偏振光谱仪的任意一段光路中。

20.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述光源为包含多重波长的光源。

21.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，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。

22.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述偏振器为洛匈棱镜偏振器。

23.根据权利要求1中所示的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

用于控制所述偏振器偏振方向的偏振器旋转控制装置。

24.根据权利要求1所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述相位补偿元件为波片或光弹相位补偿元件。

25.根据权利要求24所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

用于控制所述相位补偿元件光轴方向的相位补偿元件旋转控制装置。

26.根据权利要求24所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述波片为消色差波片。

27.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于：

所述探测单元是光谱计。

28.根据权利要求1-10中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：

计算单元，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。

29.一种光学测量系统，包括根据权利要求1至28中的任意一项所述的垂直入射宽带偏振光谱仪。

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