CN103134591A - 近垂直入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易于调节聚焦的、无色差的、保持偏振特性的、信噪比优化的、且结构简单的近垂直入射宽带光谱仪。该宽带光谱仪通过一对曲面反射元件和平面反射元件实现聚焦和调焦，包含至少一个偏振器，能够高精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；特别地，该宽带光谱仪通过采用近垂直入射，避免了分束结构的使用，提高光通量一倍以上。

Description

近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近垂直入射宽带光谱仪，更具体地涉及利用平面反射元件改变光束传播方向，实现探测光束近垂直入射并会聚于样品表面的近垂直入射宽带光谱仪，另外，本发明还涉及包括这种近垂直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，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，当采用上述第二种聚焦方法时，本领域的技术人员可以明显知道，由于对系统重量和速度的要求和限制，对整个光学系统进行调整以实现精确的操作是非常复杂的。

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2a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2b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)。

然而，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。

中国专利申请No.201110032744.8公开的一种垂直入射宽带偏振光谱仪包含用于调整入射至样品表面时光束的偏振方向的偏振器，可通过绝对反射率测量或椭圆偏振测量法测量出样品的两种偏振方向的绝对反射率、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，从而与中国专利申请No.201010270454.2中所述的光谱仪相比提高了测量精确度。但是，此光谱仪为了实现垂直入射的光学系统，采用了光学分束的结构，造成整体光学系统的光信号强度损失；其中最优化的实施例中，从光源发出的光强损失至少达到50％，影响了测量的信噪比。

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、无色差的、保持偏振特性的、信噪比优化的、且结构简单的近垂直入射宽带光谱仪。该宽带光谱仪通过一对曲面反射元件和平面反射元件实现聚焦和调焦，包含至少一个偏振器，能够高精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；特别地，该宽带光谱仪通过采用近垂直入射，避免了分束结构的使用，光通量提高一倍以上。

根据本发明，提供一种近垂直入射宽带偏振光谱仪，该近垂直入射宽带偏振光谱仪包括光源、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近似垂直地聚焦到样品上；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或相差不超过5°且入射平面相互垂直的条件；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或相差不超过5°且入射平面相互垂直的条件。

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，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。

在本发明的另一个实施例中，所述第一聚光单元可以为第三曲面反射元件，所述第二聚光单元可以为第四曲面反射元件，其中：由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构成的平面与所述样品的平面平行；并且由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构成的平面与由所述第一曲面反射元件、所述第二曲面反射元件、所述第一平面反射元件、所述第二平面反射元件和所述样品上的入射点构成的平面垂直。

在本发明的实施例中，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入射角可以为45-50度。此时，光束在样品表面上的入射角度可以为4～10度。另外，所述近垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括：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。

此外，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。

在本发明的实施例中，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可以为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。

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或反方向移动，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在该会聚光束在样品表面的入射面内旋转。

另外，本发明的近垂直入射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。而且，该近垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括成像系统，其中：所述成像系统位于所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件之间的光路中；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；以及在所述近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系统中的图像的清晰度来进行调焦。

在本发明的实施例中，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。同时，所述近垂直入射宽带偏振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。

在本发明的实施例中，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。所述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或三维形貌。

在本发明的实施例中，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Hamamatsu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)。

在本发明的实施例中，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，Ocean Optics QE65000光谱计或B&W Teck Cypher H光谱计。

利用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。

本发明还提供一种包括上述垂直入射宽带偏振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2b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3a和图3b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4d用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。

图5是用于解释快速寻找焦点的数学方法的示意图。

图6是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。

图7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8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9是示出根据本发明第一实施例的近垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

图10是示出根据本发明第三实施例的近垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

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“聚焦系统”是用于将光束聚焦在样品表面上的系统。该系统可以是由多个或单个子系统构成的总系统，也可以是集成为一体的单个系统。

本文所用的“近似垂直”是指相对于垂直而言其偏离角度不超过15度。

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”是不影响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。

(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小角度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及3b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入射到样品104的表面上，其中该样品104被置于样品台105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O₀垂直地移动到O，则为了使得M₀M+MO＝M₀O₀，可以将平面反射镜从M移动到M₀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3b所示，会聚的入射探测光束的主光与水平面的夹角为

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处时相对于水平面的夹角，α是平面反射镜在位置M处时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

根据图3b的几何光学结构，本领域的技术人员可以得到：

MO+d＝M₀O₀；

$\mathrm{MO}=\frac{t-d\cos \mathrm{\φ}}{\sin \mathrm{\θ}},$ 及 $M_0{O}_0=\frac{t}{{\sin \mathrm{\θ}}_0};$

通过对上述公式进行计算得出：

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

此外，平面反射镜与水平面的夹角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-d cosφ)ctgθ+d sinφ＝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＝10°的情况下，调整聚焦时，入射角角度变化约0.002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。

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，水平面内的平行光入射到离轴抛物面反射镜OAP后，形成会聚光束并在水平面内偏转90度，该会聚光束以45度角入射至平面反射镜M，经平面反射镜M反射后在入射面内偏转90度。该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。从该表中可以看出，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

在图4b中，若入射光在离轴抛物面反射镜OAP上和平面反射镜M1上的入射角均为48度，其他条件不变，数值计算得到的入射光的偏振强度变化和相位变化由表2列出，从该表中可以看出，入射光的偏振强度变化和相位变化也可以忽略不计。

表2

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。

此外，如果两个反射镜具有相同的反射材料和近似相同的镀膜结构并且满足入射平面相互垂直的条件，入射光在离轴抛物面反射镜OAP和平面反射镜M上的入射角并不严格相等(例如，入射角相差不超过5度)，则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也会有偏差，但在小数值孔径(NA，numericalaperture)的情形下，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。

仍以图4b的情况为例，若入射光在离轴抛物面反射镜OAP上的入射角为45度，在平面反射镜M1上的入射角均为48度，其他条件与表1相同的情况下，入射光横截面内的计算点分布如图4d所示，总共13个点(部分已标定，例如，(0，2)至(0，0))。数值计算得到的入射光的偏振强度变化和相位变化由表3列出，从该表中可以看出，入射光的偏振强度变化和相位变化也可以忽略不计。

表3

在图4b中，若为入射光在离轴抛物面反射镜的入射角为45度，在平面镜上的入射角为50度，即入射光在离轴抛物面反射镜和平面镜上的入射角相差5度时，其他条件与表3所述相同的情况下，入射的圆偏振光在焦点处的偏振强度与相位偏差如表3所示。数值计算得到的入射光的偏振强度变化和相位变化由表4列出，从该表中可以看出，此时发生的偏振强度偏差和相位偏差也是很小的，但要稍大于表3的情况，此时可以通过计算对发生的偏差进行校正。

表4

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。此外，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平面相互垂直的条件，入射角的差别在一定范围内时(相差不超过5度)，则任意偏振光经过这两个反射镜之后偏振特性也可以认为保持不变。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。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，本领域的技术人员可以知道，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，其偏振特性可以保持不变。

(数值校正)

如上所述，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平面相互垂直的条件，入射角的差别在一定范围内时(相差不超过5度)，则两个反射镜构成的系统可以较好地对入射光保持偏振特性。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。即，通过插入一个琼斯矩阵对偏振特性发生的偏差进行校正。

以琼斯向量

来表示入射光的偏振态，经过离轴抛物面镜和平面反射镜后，光的偏振和相位都会有所改变，其琼斯向量变为

其中，即同入射时定义的偏振方向，

δ′＝phase(Ex)-phase(Ey)。用一个琼斯矩阵M表示离轴抛物面镜和平面反射镜对入射光偏振的影响，M可以写成以下形式： $M=\left[\begin{array}{cc}\sin {\mathrm{\θe}}^{i\×\mathrm{\ΔO}}& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right].$

琼斯矩阵M应满足如下条件：

L_out＝M×L_in    (1)

由HANDBOOK OF ELLIPSOMETRY，Harland G.Tompkins，2005；Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications，Hiroyuki Fujiwara，2007中所述的测量原理，测量中的相对光强对实验结果没有影响，则将M代入上式，忽略比例常数，可以得到：

解上式可以得到：

故有

以表3所示的入射情况为例，对模拟得到的出射光的相位偏差和振幅比分别求平均值，可求得琼斯矩阵为

可以看出，M近似等于一个单位矩阵，说明对于小数值孔径的条件下，离轴抛物面反射镜和平面镜组成的系统对光的偏振影响很小，一般测量中可以忽略不计，对于测量精度较高的情况，也可依此求出校正矩阵后对测量得到的结果进行数值校正。

在实际测量过程中，还可以通过对标准样品的测量，来得到校正矩阵。假设样品前后的校正矩阵分别为M₁，M₂，标准样品(各向同性薄膜样品)反射的琼斯矩阵为J_s，它们分别可以表示为：

$M_1=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{pp}}& r_{\mathrm{ps}}\\ r_{\mathrm{sp}}& r_{\mathrm{ss}}\end{array}\right]=r_{\mathrm{ss}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}\\ {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sp}}& 1\end{array}\right],---\left(4a\right)$

$M_2=\left[\begin{array}{cc}{r^{\′}}_{\mathrm{pp}}& {r^{\′}}_{\mathrm{ps}}\\ {r^{\′}}_{\mathrm{sp}}& {r^{\′}}_{\mathrm{ss}}\end{array}\right]={r^{\′}}_{\mathrm{ss}}\left[\begin{array}{cc}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{pp}}& {{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ps}}\\ {{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{sp}}& 1\end{array}\right],---\left(4b\right)$

$J_s=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{xx}}& 0\\ 0& r_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]=r_{\mathrm{yy}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}& 0\\ 0& 1\end{array}\right],---\left(4c\right)$

x与y为两个正交的偏振方向，r_xx、r_yy为标准样品两个正交方向的反射率。

总光学过程由琼斯矩阵给出：

L(out)＝J_AR(A)M₂J_SM₁R(-P)PL(in)                              (5)

忽略比例常数，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_A\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos A& \sin A\\ -\sin A& \cos A\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{pp}}& {{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ps}}\\ {{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{sp}}& 1\end{array}\right]\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}& 0\\ 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}& {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}\\ {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sp}}& 1\end{array}\right]$

$\×\left[\begin{array}{cc}\cos P& -\sin P\\ \sin P& \cos P\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]---\left(6\right)$

将上式展开，可以得到：

E_A＝(ρ_xxρ′_pp X+ρ′_ps Y)cos A+(ρ_xxρ′_sp X+Y)sin A       (7)

式中X，Y满足的关系为：

X(ρ_pp，ρ_ps，P)＝ρ_pp+ρ_ps tan P，Y(ρ_sp，P)＝ρ_sp+tan P    (8)

故探测到的光强为：

I＝|E_A|²＝I₀(1+αcos 2A+βsin 2A)                            (9)

其中，α、β为光强I的傅里叶系数，其对应的表达式为

$\mathrm{\α}=\frac{{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{pp}}X+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}Y|}^2-{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{sp}}X+Y|}^2}{{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{pp}}X+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}Y|}^2+{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{sp}}X+Y|}^2}---\left(10a\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{Re}\left\{\right[{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{pp}}X+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}Y\left]{[{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{sp}}X+Y]}^{*}\right\}}{{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{pp}}X+{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ps}}Y|}^2+{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{sp}}X+Y|}^2}---\left(10b\right)$

当M₁＝M₂，且ρ_ps＝ρ_sp＝ρ_ps′＝ρ_sp′＝0时，上式可以化简为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}^2\right|}^2-{\left|\tan P\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}^2\right|}^2+{\left|\tan P\right|}^2}=\frac{{\tan }^2{\mathrm{\ψ}}_0{\tan }^4\mathrm{\ψ}-{\tan }^{2}P}{{\tan }^2{\mathrm{\ψ}}_0{\tan }^4\mathrm{\ψ}+{\tan }^{2}P}---\left(11a\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{Re}\left({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}^2\tan P\right)}{{\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xx}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}^2\right|}^2+{\left|\tan P\right|}^2}=\frac{{2\tan \mathrm{\ψ}}_0{\tan }^2\mathrm{\ψ}\tan P\cos ({\mathrm{\Δ}}_0+2\mathrm{\Δ})}{{\tan }^2{\mathrm{\ψ}}_0{\tan }^4\mathrm{\ψ}+{\tan }^{2}P}---\left(11b\right)$

其中，tanψ₀和Δ₀分别是标准样品琼斯矩阵中r_xx、r_yy的振幅比和相位差，tanψ和Δ分别和r_pp、r_ss的振幅比和相位差，则通过对测量得到的光强做傅里叶变换，由变换得到傅里叶系数可以解出校正矩阵。

(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5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。

(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_r；

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)×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，通常为裸硅片的反射率。

例如一维光栅结构中，如图6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＝10°时，其反射率如图7所示，其中实线为TE偏振方向反射率，虚线为TM偏振方向反射率。

(2)椭圆偏振测量法：本发明的近垂直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P固定检偏器A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，HiroyukiFujiwara，2007和文献Liang-Yao Chen，Xing-Wei Feng，Yi Su，Hong-Zhou Ma，and You-Hua Qian，″Design of a scanningEllipsometry 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_out＝AR(A)J_sR(-P)PL_in，

即：

$\left[\begin{array}{c}{E}_A\\ 0\end{array}\right]=E_{\mathrm{in}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos A& \sin A\\ -\sin A& \cos A\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{pp}}& r_{\mathrm{ps}}\\ r_{\mathrm{sp}}& r_{\mathrm{ss}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos P& -\sin P\\ \sin P& \cos P\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right].$

可以得出：

E_A＝(ρ_pp+ρ_ps tanP)cos(A)+(ρ_sp+tan P)sin A，

探测的光强：

I＝|E_A|²＝I₀(1+a₂ cos 2A+b₂ sin 2A)

其中，a₂、b₂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

$a_2=\frac{{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}\tan P|}^2-{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sp}}+\tan P|}^2}{{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}\tan P|}^2+{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sp}}+\tan P|}^2};$ $b_2=\frac{2\mathrm{Re}\left[({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}\tan P)({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sp}}+\tan P)\right]}{{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ps}}\tan P|}^2+{|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sp}}+\tan P|}^2}.$

当r_ps＝r_sp＝0，即ρ_ps＝ρ_sp＝0时，可得常用的各向同性薄膜样品的计算公式：

$a_2=\frac{{\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}\right|}^2-{\left|\tan P\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}\right|}^2+{\left|\tan P\right|}^2}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\ψ}-{\tan }^{2}P}{{\tan }^2\mathrm{\ψ}+{\tan }^{2}P};$ $b_2=\frac{2\mathrm{Re}\left({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}\tan P\right)}{{\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pp}}\right|}^2+{\left|\tan P\right|}^2}=\frac{2\tan \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\Δ}\tan P}{{\tan }^2\mathrm{\ψ}+{\tan }^{2}P}.$

其中，tanψ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，可以计算出傅里叶系数a₂、b₂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。

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，光强应完全相同，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，偏振器每旋转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，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6所示一维光栅为例，当测量参数为φ＝0，θ＝10时，即在此角度r_ps＝r_sp＝0，其振幅比和相位差如图8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。

接下来，将参照附图对根据本发明实施例的宽带光谱仪进行详细的描述。

(第一实施例)

图9示出本发明的近垂直入射宽带偏振光谱仪的第一实施例。该近垂直入射宽带偏振光谱仪包括宽带点光源SO，离轴抛物面反射镜OAP1、OAP2、OAP3、OAP4，起偏器P，宽带光谱计SP，平面反射镜M1、M2和M4，样品SA，及成像系统。该成像系统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，可同时显示所述样品SA表面及样品表面探测光斑的图案。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Hamamatsu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&WTeck Cypher H光谱计。

宽带点光源SO发射的光束入射至离轴抛物面镜OAP3后，在水平的入射面内(即与样品表面平行的平面内)发生偏转，并会聚成平行光束。该平行光束经过起偏器P后以45度的入射角入射至离轴抛物面反射镜OAP1，离轴抛物面反射镜OAP1使该平行光束在水平的入射面内偏转90度。由离轴抛物面反射镜OAP1反射后的光是主光与样品平面平行的会聚光束，该会聚光束以47度的入射角入射至平面反射镜M1，反射后在垂直于样品表面的入射面内偏转94度，向下倾斜入射至样品并且聚焦在样品表面上，入射角为4度。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、离轴抛物面反射镜OAP4和平面反射镜M4，形成会聚光束，入射至宽带光谱计SP。其中，由包含宽带点光源SO、宽带光谱计SP、离轴抛物面镜OAP1、OAP2、起偏器P和检偏器A构成的平面与样品平面平行，与离轴抛物面镜OAP1、OAP2、平面反射镜M1、M2和样品SA上入射点构成的入射面垂直。包含离轴抛物面镜OAP1和OAP2、起偏器P和检偏器A、离轴抛物面镜OAP3和OAP4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，可以将平面反射镜M1，M2沿离轴抛物面镜OAP1和平面反射镜M1与离轴抛物面镜OAP2和平面反射镜M2之间的光束的主光所在方向，对称地移动相同的距离。并且所述平面反射镜M1、M2可以在由平面反射镜M1、M2，样品SA表面的入射点O构成的平面内旋转。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。

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，除通过观测光谱计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，对光路不产生任何影响，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。

根据本实施例，本领域的技术人员可以知道，探测光经过平面反射镜M1和离轴抛物面反射镜OAP1时满足光束入射平面相互垂直的条件，从样品表面反射的探测光束经过平面反射镜M2和离轴抛物面反射镜OAP2时也满足光束入射平面相互垂直的条件，探测光经过离轴抛物面反射镜OAP1和平面反射镜M1时入射角分别为45度和47度，经过离轴抛物面反射镜OAP2和平面反射镜M2时入射角分别为45度和47度，其差别均不超过5度，若第一平面反射镜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，第二平面反射镜M2和离轴抛物面反射镜OAP2也具有相同的反射材料和镀膜结构，则探测光束在入射至样品表面时的偏振特性相对于离开起偏器可以基本保持不变，并且在入射至检偏器时的偏振特性相对于离开样品表面时也可以基本保持不变。即本实施例可以在一定范围内保持聚焦系统和调焦过程中探测光的偏振特性。对于较为严苛的探测要求，可以如前面所述方法求得校正矩阵，通过校正矩阵进行数值校正来获得更为精确的测量结果。因此，本实施例中，探测光束的线偏振方向可通过旋转起偏器P调整，样品表面的反射光通过平面反射镜M2和离轴抛物面反射镜OAP2后入射至检偏器A，检偏角度由检偏器A调整。

由于可实现在起偏器P和检偏器A之间传播时保持偏振特性不变，本实施例可实施椭圆偏振测量和绝对反射率测量。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。所述近垂直入射偏振光谱仪可按照上文所述的绝对反射率测量方法得到r_pp、r_ps、r_sp和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。

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。

本实施例中，作为聚光单元，离轴抛物面反射镜OAP3也可由聚焦透镜代替，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作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，其偏振特性保持不变，在入射至宽带光谱计SP之前保持了样品表面的反射光通过检偏器A后的线性偏振性。

本实施例中，也可以在光源SO和离轴抛物面反射镜OAP3之间加一个平面反射镜M3(未示出)，使光束在平面反射镜M3和离轴抛物面反射镜OAP3上反射时的入射角相同和入射平面相互垂直，且平面反射镜M3和离轴抛物面反射镜OAP3具有相同的反射材料和镀膜结构的条件，同时，平面反射镜M4和离轴抛物面反射镜OAP4也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。

由于光学系统采用了全部反射的传播过程，则使用本实施例的近垂直入射宽带光谱仪，不仅可以通过简单的操作进行聚焦，同时保持探测光束的偏振特性，还实现了宽带光谱无色差的效果。

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)

第一实施例中，若在不改变光路整体结构的条件下，对称地改变探测光束在离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2上的入射角，使在探测光经过离轴抛物面反射镜OAP1和平面反射镜M1时满足入射角相等，经过平面反射镜M2和离轴抛物面反射镜OAP2时也满足入射角相等，则可以得到本发明的第二实施例。

本实施例中的离轴抛物面反射镜OAP1和离轴抛物面反射镜OAP2仍可以采用90度偏转的离轴抛物面反射镜，为了使入射光束经过该离轴抛物面发射镜后偏转角度大于90度，可以使入射光束在离轴抛物面反射镜上的入射点稍稍偏离镜面中心即可。

本实施例中，探测光束在离轴抛物面反射镜OAP1和平面反射镜M1上满足入射角相等和入射面相互垂直的条件，在离轴抛物面反射镜OAP2和平面反射镜M2上也满足入射角相等和入射面相互垂直的条件，由以上说明可知，若离轴抛物面反射镜OAP1和平面反射镜M1具有相同的镀膜结构和反射材料，离轴抛物面反射镜OAP2和平面反射镜M2具有相同的镀膜结构和反射材料，则探测光束的偏振特性可以得到更好地保持，即与第一实施例相比，本实施例可以在不进行数值校正的条件下提高测量精度。

(第三实施例)

图10示出本发明的近垂直入射宽带偏振光谱仪的第三实施例。该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OAP1、OAP2、OAP3和OAP4，起偏器P和检偏器A，平面反射镜M1、M2、M4及样品SA。

宽带点光源SO置于离轴抛物面镜OAP3的焦点处，宽带点光源SO发射的光束以入射角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，并会聚形成沿水平面内(即与样品平行的平面内)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使该平行光束在于水平面成5度角的入射面内偏转90度，并形成会聚光束，该会聚光束以入射角45度经过平面反射镜M1反射后，在与样品表面垂直的入射面内偏转90度，以10度入射角近垂直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，与由离轴抛物面镜OAP1、OAP2，平面反射镜M1、M2和样品SA上入射点O构成的平面垂直。在离轴抛物面反射镜OAP1和OAP2之间的光束与在离轴抛物面反射镜OAP3和OAP4之间的光束互相平行。

本实施例中，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M1，M2沿离轴抛物面镜OAP1和平面反射镜M1与离轴抛物面镜OAP2和平面反射镜M2之间的光束的主光所在方向，对称地移动相同的距离。并且所述平面反射镜M1、M2可以在由平面反射镜M1、M2，样品SA表面的入射点O构成的平面内旋转。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。

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满足具有相同的反射材料和镀膜结构的条件，则当探测光束在偏振器P和样品SA表面之间的光路中传播时，其偏振特性可以保持不变。如果平面反射镜M2和离轴抛物面反射镜OAP2满足具有相同的反射材料和镀膜结构的条件，则当样品光束在光谱计SP和样品SA表面之间的光路中传播时，其偏振特性可以保持不变。即当光束在偏振器P和检偏器A之间传播时，其偏振特性可以保持不变。如此，探测光束线性偏振方向可通过旋转起偏器P调整。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偏振器样品表面之间的光束偏振态。

本实施例中，入射光在离轴抛物面反射镜和平面反射镜上的入射角小于第二实施例，则本实施例中由平面反射镜和离轴抛物面反射镜构成的系统能更好地保持入射光的偏振特性，从而提高测量精度。

本实施例中，也可以在光源SO和离轴抛物面反射镜OAP3之间加一个平面反射镜M3(未示出)，使光束在平面反射镜M3和离轴抛物面反射镜OAP3上反射时的入射角相同和入射平面相互垂直，且平面反射镜M3和离轴抛物面反射镜OAP3具有相同的反射材料和镀膜结构的条件，同时，平面反射镜M4和离轴抛物面反射镜OAP4也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。

本实施例也可如第一实施例所示，可增加成像系统。

本实施例可以实施与第一实施例相同的测量。

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，本发明的近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。此外，本发明的斜入射宽带偏振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，本发明的近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。

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 (21)

1.一种近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，该近垂直入射宽带偏振光谱仪包括光源、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近似垂直地聚焦到样品上；

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或相差不超过5°且入射平面相互垂直的条件；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或相差不超过5°且入射平面相互垂直的条件。

2.根据权利要求1所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，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。

3.根据权利要求1所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述第一聚光单元为第三曲面反射元件，所述第二聚光单元为第四曲面反射元件，其中：

由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构成的平面与所述样品的平面平行；并且

由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构成的平面与由所述第一曲面反射元件、所述第二曲面反射元件、所述第一平面反射元件、所述第二平面反射元件和所述样品上的入射点构成的平面垂直。

4.根据权利要求1所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，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入射角为45-50度。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，光束在样品表面上的入射角度为4～10度。

6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述近垂直入射宽带偏振光谱仪还包括：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至3中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，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。

8.根据权利要求1所述的近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2或3所述的近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、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至4中的任何一项所述的近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所述的近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或反方向移动，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在该会聚光束在样品表面的入射面内旋转。

12.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述近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。

13.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述近垂直入射宽带偏振光谱仪还包括成像系统，其中：

所述成像系统位于所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件之间的光路中；

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

在所述近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系统中的图像的清晰度来进行调焦。

14.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，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。

15.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述近垂直入射宽带偏振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。

16.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，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。

17.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近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。

18.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近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。

19.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近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。

20.根据权利要求1至4中的任何一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，所述近垂直入射宽带偏振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。

21.一种光学测量系统，包括根据权利要求1至20中的任意一项所述的近垂直入射宽带偏振光谱仪。

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