CN103575392B - W型光纤束及使用w型光纤束的半导体薄膜光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种W型光纤束，包括：第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤；所述第I子光纤与所述第II子光纤共用输入端口；所述第III子光纤和所述第IV子光纤共用输出端口；所述第II子光纤的输出端口和所述第III子光纤的输入端口捆绑连接，形成输入输出端口；所述第I子光纤和第Ⅳ子光纤的另一端分别连接一光纤端口；所述第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤构成W型光纤束。还公开一种使用W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统。本发明能减少系统光源和光谱计的数量，提高测量精度的同时达到降低系统成本的效果。

Description

W型光纤束及使用W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种W型光纤束及使用W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统。

背景技术

随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术精确测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度（Critical Dimension）、空间形貌和材料特性变得十分重要。为了使测量结果更有效，所用的测量系统应该能够高精确度地测量膜厚和/或薄膜构成。为了精确测量样品，例如，测量样品薄膜的厚度及光学参数，通常在一个复合的光学测量系统中集成多个光学测量装置，即利用分光光度计和第二光学测量装置同时测量样品（参见美国专利US5608526）。一般来说，集成多个光学测量装置的测量系统比较复杂，并且需要多个宽带光源和探测装置，成本较高。若如美国专利US6417921B2所述，采用分束镜来耦合多束光路，虽然可以达到减少光源，降低成本的要求，但是在实际应用中，光路调节并不易实现，并且，通过分束镜来进行分光与合光时，其光通效率较低，两次通过分光镜后，两束光的理论通光效率最高仅为25%，因此这种包含第二光学测量装置和分光光度计的光学测量系统在实际应用中并未得到广泛推广。

将横截面为圆形的多根相同的光纤沿着纤维长度方向平行排列，并置于套管内可以构成光纤束。光纤束是由多个光纤成束并对其末端进行加工捆绑而成，光纤束由于光纤束制作简单，光束传输效率高，及出射光均匀的特点，在各种光学设备中应用广泛。但现有技术中，光纤束一般结构比较简单，不能适用于复杂光学系统中光束耦合的需要。例如，现有光纤束大部分只能进行光束的单向传输，对于垂直入射到样品表面的光谱反射仪或者第二光学测量装置来说，由于其垂直入射到样品表面的特性，被样品表面反射的探测光将沿原路返回，则在不使用分束器的情况下难以实现光束的收集和耦合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现两个光学测量装置中的光束耦合的W型光纤束及使用W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统。

根据本发明的一个方面，提供一种W型光纤束，包括：

第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤；

所述第I子光纤与所述第II子光纤共用输入端口；

所述第III子光纤和所述第IV子光纤共用输出端口；

所述第II子光纤的输出端口和所述第III子光纤的输入端口捆绑连接，形成输入输出端口；

所述第I子光纤和第Ⅳ子光纤的另一端分别连接一光纤端口；

所述第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤构成W型光纤束。

根据本发明的一个方面，使用W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统，包括：

第一光学测量装置、第二光学测量装置及光源；

所述光源发出的光通过所述第I子光纤与所述第II子光纤共用的输入端口分别传输给所述第I子光纤和所述第II子光纤；

所述第I子光纤将接收到的光通过所述第二光学测量装置斜入射至样品；

所述第II子光纤将接收到的光依次通过所述输入输出端口、所述第一光学测量装置及第二光学测量装置垂直入射至样品；

所述样品将来自所述第I子光纤的光束反射至所述第IV子光纤，并通过所述输出端口入射至光谱计中；

所述样品将来自所述第II子光纤的光束反射至所述第一光学测量装置，并依次通过所述输入输出端口、所述第III子光纤及所述输出端口入射到光谱计中。

本发明提供的W型光纤束，可以将来自同一光源的光束分成两束，进入两个不同的光学测量装置，同时从不同光学测量装置输出的探测光束耦合成一束，进入同一个光谱计中探测，有利于光学测量系统的集成，减少系统光源和光谱计的数量，提高测量精度的同时降低系统成本的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的W型光纤束的结构示意图；

图2a为图1中第I子光纤和第II子光纤在光纤束端口2排列的结构示意图；

图2b为图1中第II子光纤和第III子光纤在光纤束端口3排列的结构示意图；

图2c为图1中第III子光纤和第IV子光纤在光纤束端口4排列的结构示意图；

图3为使用W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统的结构示意图；

图4为光束进入第III子光纤的光路示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的W型光纤束包括第Ⅰ子光纤、第Ⅱ子光纤、第Ⅲ子光纤及第Ⅳ子光纤。其中，第Ⅰ子光纤和第Ⅱ子光纤共用光纤束端口2（即共用输入端口）；第Ⅱ子光纤的另一端与第Ⅲ子光纤共用光纤束端口3（即输入输出端口），第Ⅲ子光纤的另一端与第Ⅳ子光纤共用光纤束端口4（即共用输出端口），此外，第Ⅰ子光纤的另一端与光纤束端口1相连，第Ⅳ子光纤的另一端与光纤束端口5相连。其中，每段光纤束子光纤的长度约为1m。

W型光纤束的端口由套管和光纤组成，光纤设置在套管里。第Ⅰ子光纤、第Ⅱ子光纤、第Ⅳ子光纤只包含一根光纤，第Ⅲ子光纤包含六根光纤。为了实现较高的耦合效率，光纤端口可以如下设置：在端口2处，第Ⅰ子光纤，第Ⅱ子光纤横截面形成并列密排结构，如图2a所示。在端口3处，第Ⅱ子光纤位于中心部位，构成第Ⅲ子光纤的六根光纤对称地排列其周围，构成一个正六边形，如图2b所示。在端口4处，构成第Ⅲ子光纤的六根光纤和构成第Ⅳ子光纤的一根光纤呈一字型并列摆放，并且第Ⅳ子光纤处于正中间，构成第Ⅲ子光纤的六根光纤分成两部分，在其两侧对称地分布，如图2c所示，则从端口4出射的光束，可以以较高效率进入光谱计中探测。

由以上描述可知，若入射光束由光纤束端口2进入光纤束，则该光束通过第Ⅰ子光纤，第Ⅱ子光纤后分为两束光，这两束光分别从光纤束端口1，3出射，可分别作为不同的光学测量系统的探测光束，例如，从光纤束端口1出射的光束作为斜入射的光谱椭偏仪的探测光束，从光纤束端口3出射的光束作为垂直入射至样品表面测量反射率的分光光度计的探测光束，则样品表面的反射光束将沿原路返回端口3，若使通过垂直入射到样品表面被样品反射的探测光束由端口3进入第Ⅲ子光纤，同时使通过光谱椭偏仪斜入射到样品表面被样品反射的探测光束由端口5进入第Ⅳ子光纤，则分别通过不同的光学测量装置、包含样品材料光学特性信息的两束探测光束将从同一光纤束端口4出射，只需将光谱计对准光纤束端口4，即可以实现同一个光谱计探测不同的探测光束。实际测量过程中，为了使垂直入射到样品表面，被样品表面反射的探测光束返回光纤束端口3时，能以较高效率进入第Ⅲ子光纤，可以通过调节微调样品前的聚焦透镜L或光纤束端口3，使聚焦到样品表面的光束微微失焦，则沿原路返回的分光光度计探测光进入端口3中外侧的光纤，即第Ⅲ子光纤中，其光路如图4所示，具体实现方法可参见中国专利申请201110005913.9。

此外，如上所述的构成W型光纤束的各段子光纤，也可以是由多束光纤紧密排列构成的光纤束。此外，若在端口4处再耦合一根子光纤，则此光纤束可以用于系统中其他光学测量装置的探测光束的接收，例如，分光光度计中通过样品的透射光束的接收。

在图3中示出本发明的W型光纤束用于光学测量系统的实施例，该光学测量系统集成分光光度计及光谱椭偏仪。W型光纤束的端口2与光源SO相连，则光源SO发出的光经与端口2连接的第Ⅰ子光纤，第Ⅱ子光纤传输后，变成两束光，一束探测光从端口1输出，经过一个平面反射镜M1反射后，依次经过椭偏仪中的起偏器P，波片C后斜入射到样品表面。该探测光束被样品反射后，再通过检偏器A，经平面反射镜M2反射至W型光纤束的端口5，再经过第Ⅳ子光纤的传输后，进入与端口4相连的光谱计SP中；另一束探测光经过第Ⅱ子光纤的传输，从端口3输出并通过聚光单元，如聚焦透镜6垂直入射到样品表面，然后经过样品表面反射后，沿原路返回（即通过聚焦透镜6入射到端口3）。通过微调样品前的聚焦透镜6或光纤束端口3，使聚焦到样品表面的光束微微失焦，可使沿原路返回的探测光进入端口3中外侧的光纤中，其光路如图4所示。通过第Ⅲ子光纤的传输，可使探测光束进入与端口4相连的光谱计SP中。上述光路元件中，光源SO，聚焦透镜7，以及光谱计SP可构成一个分光光度计。上述光路元件中，光源SO，起偏器P，波片C，检偏器A，以及光谱计SP，可构成一个光谱椭偏仪。

由于系统中的分光光度计和光谱椭偏仪共用一个光源和光谱计，则这两个测量装置不能同时测量，可以在各自光路中设置光阑，通过控制光阑即可实现测量装置的快速切换。

本实施例中，光纤束子光纤可以为波长范围为200-1100nm的抗紫外变化(solarization resistant)光纤。

本实施例中，使用本发明的W型的光纤束，可以使对同一样品测量的包含光谱椭偏仪和分光光度计的半导体薄膜光学测量系统共用一个光谱计和光源，大大减少成本。

此外，本发明中所述的光学测量装置并不限于本发明中所述的光谱椭偏仪和分光光度计，还可以是光谱偏光计（polarimeter）等等。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种W型光纤束，其特征在于，包括：

第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤；

所述第I子光纤与所述第II子光纤共用输入端口；

所述第III子光纤和所述第IV子光纤共用输出端口；

所述第II子光纤的输出端口和所述第III子光纤的输入端口捆绑连接，形成输入输出端口；

所述第I子光纤和第Ⅳ子光纤的另一端分别连接一光纤端口；

所述第I子光纤，第II子光纤，第III子光纤和第IV子光纤构成W型光纤束；在所述输入输出端口处，所述第II子光纤位于中心部位，所述第III子光纤由六根光纤构成，构成所述第III子光纤的所述六根光纤对称地排列所述第II子光纤的周围，构成一个正六边形。

2.根据权利要求1所述W型光纤束，其特征在于，在所述输入端口处，第I子光纤和第II子光纤形成并列密排结构。

3.根据权利要求1所述的W型光纤束，其特征在于，在所述输出端口处，所述第III子光纤和所述第IV子光纤呈一字型并列摆放；所述第IV子光纤处于正中间，构成所述第III子光纤的所述六根光纤分成两部分，在所述第IV子光纤两侧对称地分布。

4.根据权利要求1所述的W型光纤束，其特征在于，所述子光纤为波长范围为200-1100nm的抗紫外变化光纤；所述端口包括套管和光纤，所述光纤设置在套管里。

5.使用权利要求1-4任一项所述W型光纤束的半导体薄膜光学测量系统，其特征在于，包括：

第一光学测量装置、第二光学测量装置及光源；

所述光源发出的光通过所述第I子光纤与所述第II子光纤共用的输入端口分别传输给所述第I子光纤和所述第II子光纤；

所述第I子光纤将接收到的光通过所述第二光学测量装置斜入射至样品；

所述第II子光纤将接收到的光通过所述第一光学测量装置后垂直入射至样品；

所述样品将来自所述第I子光纤的光束反射至所述第IV子光纤，并通过所述输出端口入射至光谱计中；

所述样品将来自所述第II子光纤的光束反射至所述第一光学测量装置，并依次通过所述输入输出端口、所述第III子光纤及所述输出端口入射到光谱计中。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一光学测量装置包括：

聚焦透镜以及光谱计；

所述第II子光纤将接收到的光通过所述聚焦透镜垂直入射到样品表面，并经过样品表面反射的光依次通过所述聚焦透镜、所述输入输出端口所述第III子光纤及所述输出端口入射到所述光谱计。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二光学测量装置包括：

起偏器，波片及检偏器；

来自所述第I子光纤的光依次通过所述起偏器、波片后斜入射到样品表面，通过样品表面反射后，依次通过所述第IV子光纤、所述输出端口入射到所述光谱计。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

第一平面反射镜；

所述第一平面反射镜设置在所述第I子光纤的端口与所述起偏器之间。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

第二平面反射镜；

所述第二平面反射镜设置在所述检偏器和第IV子光纤的端口之间。