CN103575662B - 光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学测量系统，包括光源、光纤束、第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元、第四聚光单元、第五聚光单元、第六聚光单元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光谱计。本发明包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置，通过光纤束进行分光及合光，可以使两套光学测量装置共用一个光源和一个光谱计，简化了系统结构，并极大地降低了系统的成本结构简单，测量准确，集成度高。

Description

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（CriticalDimension）、空间形貌和材料特性变得十分重要。为了使测量结果有效，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。目前，众所周知的非破坏性检测技术有光度法和椭圆偏振测量法等测量方法，它们通过测量样品反射的光的偏振来获得样品的特征参数。在光谱椭偏仪或偏光计中，有确定偏振态的入射光被样品反射（一般以较大的入射角），通过分析反射光的偏振态可以获得样品的特性。由于入射光包含多频率组成，则可以得到光谱曲线图。特别是，入射光的偏振态具有时间依赖性（使入射光通过一个旋转的起偏器），或者分析反射光的方法具有时间依赖性（使反射光通过一个旋转的检偏器）。

一般情况下，半导体薄膜需要测量得出薄膜的厚度d，折射率n及消光系数k。而椭圆偏振法只能测量出两个椭偏参数，即：ψ和Δ，则仅根据两个椭偏方程无法精确给出样品薄膜的光学参数（物理学报Vol.59，No.4），只能通过计算机拟合的方法求解。为了增加测量精度，获得目标样品的附加信息，本领域的研究人员提出了一种可变角度的光谱椭偏仪（VASE，variableanglespectroscopicEllipsometry）。理论上这种测量装置可以给出多个角度下的椭偏方程，在一定程度上能增加测量精度。然而，实际上这样往往收效不大，如CriticalReviewsofOpticalScieneandTechnologyVolumeCR72，14-16页中所述，在对薄膜厚度进行数据拟合时发现，薄膜厚度在的范围内都可以得到基本一样的拟合曲线。由于薄膜的厚度和薄膜材料的光学常数在拟合中往往是相关的，对于一个假设的薄膜厚度，薄膜的光学常数会随之补偿性的改变从而得到一个同样好的拟合结果。因此，想要仅仅通过椭圆偏振法来精确测量薄膜厚度及光学常数会比较困难。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，则可以避免上述测量结果不够准确的问题，例如，利用垂直入射和斜入射的两个光学测量装置同时测量样品（参见美国专利US5608526，US6713753）。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US6713753所述，采用分束器来耦合光路，虽然也可以达到减少光源和光谱计，降低成本的要求，但是在实际应用中，光路调节难以实现，并且，通过分束器来进行分光与合光时，其光通效率较低，对于垂直入射的光束，则至少需要两次通过分光镜，则其理论通光效率最高仅为25%，而斜入射的光束，也需要通过一次分光镜，通光效率较低同时会降低系统测量的准确性。因此这种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统在实际应用中并未得到广泛推广。

另一方面，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，因为小尺寸可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精度。在这种情况下，光学测量中的一个关键环节是将宽带探测光束聚焦到样品表面上，通常采用透镜时，会具有色差，从而导致不同波长的光聚焦位置不同，增大误差。而对于消色差透镜，虽然可在一定范围内减小透镜折射率造成的色差，但并不能完全消除色差，此外，这种透镜由于结构复杂，成本较高。本领域也有采用非球面反射镜如超环面反射镜，离轴抛物面反射镜的方案，它们利用反射聚焦，可以在整个宽光谱波长范围内实现无色差，并且可在较宽的波长范围内都具有高反射率。但由于光束经过单个反射镜反射后偏振态会发生改变，并且反射后的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。即，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），而光学测量系统对光偏振的控制能力限定了其应用范围。此外，非球面反射镜加工工艺复杂，价格也比较昂贵，因此大大增加了这种测量系统的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统，它具有结构简单、测量准确、集成度高的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光学测量系统，包括光源、光纤束、第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元、第四聚光单元、第五聚光单元、第六聚光单元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光谱计；

所述光源发出的光经过所述光纤束分为两束，其中一束光依次通过所述第五聚光单元、第二偏振器、第二聚光单元后斜入射到样品表面；另一束光依次通过所述第四聚光单元、第一偏振器、第一聚光单元后垂直入射到样品表面；

经过样品表面反射且依次经过第三聚光单元、第三偏振器及第六聚光单元的斜入射光，与从样品表面反射后返回且依次经过第一聚光单元、第一偏振器及第四聚光单元的垂直入射光，经所述光纤束传输后由同一端口输出至所述光谱计。

本发明的有益效果在于：

1.该光学测量系统包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置，并且通过光纤束进行分光及合光，可以使两套光学测量装置共用一个光源和一个光谱计，简化了系统结构，并极大地降低了系统的成本；

2.该光学测量系统采用价格低廉，加工简单球面反射镜代替昂贵的非球面反射镜或消色差透镜进行聚焦，并利用平面反射镜与之配合来消除偏振变化，则相对于现有技术中采用的消色差透镜或离轴抛物面反射镜的光学测量装置，本发明的光学测量系统不仅可以提高样品测量的精度，实现准确测量，而且使所需成本比现有技术大大降低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的球面反射镜聚焦示意图；

图2a为本发明实施例提供的保持偏振光的偏振特性的原理图；

图2b为光束在平面反射镜和球面反射镜照射的光路示意图；

图2c为入射光横截面内的计算点分布示意图；

图3a为本发明实施例提供的Y形光纤束结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的W形光纤束结构示意图；

图3c为光纤一字型排列的示意图；

图4为本发明实施例提供的包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的包含垂直入射和斜入射的两个光学测量装置的另一结构示意图；

图6a为本发明实施例提供的第II子光纤和第III子光纤在光纤束端口3排列的结构图；

图6b为本发明实施例提供的第III子光纤和第IV子光纤在光纤束端口4排列的结构图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种包含垂直入射和斜入射的光学测量系统的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

本发明的光学测量系统采用球面反射镜作为光束的聚焦元件，用来将发散光束聚焦成平行光束，或将平行光束聚焦成会聚光束。加工简单，价格便宜的球面反射镜，虽然可以将平行于球面反射镜主轴的近轴平行光会聚于其焦点，但由于球面反射镜的焦点位于主轴上，则利用球面反射镜对平行于其主轴的平行光进行聚焦并不方便。在本发明中，采用使入射光方向稍微偏离球面反射镜的主轴的方法来实现聚焦。

如图1所示，相对于非球面反射镜焦点和偏转角度相对固定的特点，使用球面反射镜还具有一个优点，即入射光束在球面反射镜上的入射角可以在一定范围内变化，例如，可以在5-15度范围内。在使用时，为了保证光斑质量以及便于调节光束方向及聚焦位置，本发明还在用于聚焦的球面反射镜前后设置一个平面反射镜，并且，通过设置平面反射镜的空间位置和方向，使光束在球面反射镜和平面反射镜上的入射角和入射方向相等，可保持聚焦过程中光束的偏振态。

为了进一步优化方案，本发明所述球面反射镜、平面反射镜的反射材料及镀膜优选结构相同并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。

下面，解释通过两个平面反射镜或者一个平面反射镜和一个球面反射镜保持偏振光的偏振特性的基本原理。

如图2a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，即若两个平面反射镜的反射率完全相同，则在入射平面相互垂直且入射角度相同的条件下，由这两个平面反射镜构成的系统可以完美地保持入射光的偏振特性。

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球面反射镜替代的情况下，对小数值孔径(NA，numericalaperture)的情形进行了模拟计算。虽然光束经过由球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。

如图2b所示，当水平面内平行的入射光以入射角12度入射到平面反射镜M1上，M1使该平行光束在水平面内偏转24度，然后以12度的入射角入射到球面反射镜SPR1上，球面反射镜SPR使该平行光束在竖直平面内偏转24度后形成会聚光束，聚焦在处于水平面的样品的表面上。

以上述情况为例，假设平行光入射到平面反射镜M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。经球面反射镜聚焦后，聚焦光束形成的锥体半角为3.8度(NA=0.067)。入射光波长为200nm，入射光横截面内的计算点分布如图2c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，经过平面反射镜和球面反射镜后的光束在偏振强度和相位方面的变化相当小，几乎可以忽略不计，所以本发明的光学测量系统中在聚焦过程可以保持光束的偏振态。

表1

因此，采用这样的由球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，上述聚焦过程中，若球面反射镜与平面反射镜的位置互换，即光束先经过平面反射镜，再经过球面反射镜，只要光束在球面反射镜和平面反射镜上满足光束的入射角相等，入射平面垂直的条件，仍可以认为光束的偏振特性保持不变。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。

本发明的光学测量系统中的光谱椭偏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HANDBOOKOFELLIPSOMETRY，HarlandG.Tompkins,2005;SpectroscopicEllipsometryPrinciplesandApplications,HiroyukiFujiwara,2007和文献Liang-YaoChen,Xing-WeiFeng,YiSu,Hong-ZhouMa,andYou-HuaQian,"Designofascanningellipsometerbysynchronousrotationofthepolarizerandanalyzer,"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_pstanP)cos(A)+(ρ_sp+tanP)sinA，

探测的光强：

I＝|E_A|²＝I₀(1+αcos2A+βsin2A)

其中，α、β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：

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

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傅里叶系数的计算公式：

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

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。

本发明中的垂直入射的测量系统也可以等同为一个起偏器-样品-检偏器（PSA）结构的椭圆偏振仪，其中，检偏器与起偏器为同一偏振器。与上类似，其光学过程也可以由琼斯矩阵给出。通过对光谱计中测量得到的光谱进行傅里叶展开或者线性拟合过程，同样可以得到一组傅里叶系数。得到上述两组傅里叶系数后，通过数学模型计算谱线和曲线回归拟合，可以更精确地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。

因此，本发明实施例中，所述光学测量系统还包括计算单元，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优选严格耦合波分析（RigorousCoupled-WaveAnalysis，RCWA），回归算法优选Levenberg-Marquardt算法。

此外，本发明中的垂直入射和/或斜入射的测量系统在测量过程中，也可以不转动偏振器，即其等同为偏光计（polarimeter）的测量方式。

系统的具体校准过程可参考HANDBOOKOFELLIPSOMETRY，HarlandG.Tompkins,2005;SpectroscopicEllipsometryPrinciplesandApplications,HiroyukiFujiwara,2007。

此外，由于光谱计和光源价格均比较昂贵，本发明光学测量系统还包括光纤束；其中，所述光纤束包括至少5个端口；

所述光纤束用于将所述光源发出的光束分为所述第一探测光束和所述第二探测光束，并将经过所述第四平面反射元件反射的光发射至所述探测单元，将经过所述第六聚光单元聚焦的光发射至所述探测单元。

通过光纤束，本发明可以实现两个测量系统中的光束分光与合光。光纤束一般是由多个光纤成束并对其末端进行加工捆绑而成的，其端口由套管和光纤组成，光纤捆绑在套管里。如图3a所示，Y型光纤束是通过将多个光纤的一端进行加工、捆绑，而另一端分成两束子光纤各自加工捆绑而得到的形似字母“Y”的光纤束；如图3b所示，W型光纤束则是通过将4段光纤束两两相连形成的形似字母W形的光纤束。

实施例一

如图4所示，本发明的光学测量系统包括光源SO、Y型光纤束FB1、Y型光纤束FB2、球面反射镜SPR1、球面反射镜SPR2、球面反射镜SPR3、球面反射镜SPR4、球面反射镜SPR5、球面反射镜SPR6、平面反射镜M1、平面反射镜M2、平面反射镜M3、平面反射镜M4、第一聚光单元SPR1、第二聚光单元、第三聚光单元SPR3、第四聚光单元SPR4、第五聚光单元SPR5、第六聚光单元SPR6、分光元件BS、偏振器P1（作为检偏器兼检偏器）、偏振器P2（作为起偏器）、偏振器P3（作为检偏器）以及探测单元SP。以上部件构成了垂直入射和斜入射的两个不同的光学测量装置。Y型光纤束FB1包括光纤束子光纤FB1-I和光纤束子光纤FB1-II。Y型光纤束FB2包括光纤束子光纤FB2-I和光纤束子光纤FB2-II。

宽带点光源SO发出的光束，通过端口13进入Y型光纤束FB1，光纤束子光纤FB1-I和光纤束子光纤FB1-II将该光束分成两束光，分别作为垂直入射和斜入射的光学测量系统的探测光束。下面分别描述这两束探测光束的光路：

（1）进入光纤束子光纤FB1-I，从光纤束端口11出射的第一探测光束作为垂直入射光学系统的探测光束，经过分光元件BS后，该光束的一部分入射至球面反射镜SPR4，经球面反射镜SPR4反射后形成平行光束，并且主光方向偏转24度，该平行光束入射经过偏振器P1后，入射到平面反射镜M1上，平面反射镜M1使该平行光束在入射面内偏转24度后入射至球面反射镜SPR1，球面反射镜SPR1使该平行光束在入射面内偏转24度后形成会聚光束，该会聚光束聚焦在样品表面上的O点，并且其主光束垂直入射到样品表面。样品表面的反射光，沿原入射光路返回，依次经过球面反射镜SPR1，平面镜M1，偏振器P1，球面反射镜SPR4后形成会聚光束，该会聚光束经分光元件BS后，由Y型光纤束FB2的端口21进入光纤束子光纤FB2-I，通过光纤束子光纤FB2-I的传输，从Y型光纤束FB2的端口23出射，然后进入光谱计SP中。上述光路中，光束在平面反射镜M1与球面反射镜SPR1上的入射平面互相垂直，以保证光束经过偏振器P1后的偏振特性在入射至样品表面时保持不变，同时，使样品表面的反射光的偏振特性在返回至偏振器P1时保持不变。

（2）进入光纤束子光纤II，从光纤束端口12出射的第二探测光束作为斜入射的光学系统的探测光束，该光束沿水平方向入射至球面反射镜SPR5，光纤端口12位于该球面反射镜SPR5的焦点处，则由光纤端口12出射的发散光束经过球面反射镜SPR5反射后在水平面内偏转24°后变成平行光束，该平行光束经过偏振器P2后入射到平面反射镜M2上，平面反射镜M2使该平行光束在水平面内偏转24度后入射到球面反射镜SPR2上，球面反射镜SPR2使该平行光束在竖直平面内偏转24度后形成会聚光束，所述会聚光束以66度的入射角入射并聚焦至样品表面。样品表面的反射光依次经过球面反射镜SPR3，平面反射镜M3，偏振器P3后入射到球面反射镜SPR6上。球面反射镜SPR6使该光束变成会聚光束，该会聚光束通过Y型光纤束FB2的光纤束端口22进入光纤束子光纤II中，然后由光纤束端口23出射，进入光谱计SP中。上述光路中，光束在平面反射镜M2和球面反射镜SPR2上入射平面相互垂直，以保证光束经过偏振器P2的偏振特性在入射至样品表面时保持不变，同时，光束在平面反射镜M3和球面反射镜SPR3上的入射平面相互垂直，使样品表面的反射光的偏振特性在返回至偏振器P3时保持不变。

本实施例中，斜入射的第二探测光束在SPR5与样品表面入射点之间的光路与SPR6与样品表面入射点之间的光路优选相对于下列平面对称：该平面经过第二探测光束在样品表面入射点处的法线，并且与球面反射镜SPR2与球面反射镜SPR3之间的光束所在的平面垂直。

本实施例中，探测光束在SPR5到SPR2之间的光路中传播时，光束始终处于与样品表面平行的平面内，光束在SPR3与SPR6之间的光路中传播时，光束也处于与样品表面平行的平面内；光束在M2与M3之间的光路中传播时，光束处于与样品表面垂直的平面内，因此，本实施例的光学测量系统，光路方向比较容易调节校准，即本发明的实施例还具有易于实施的特点。

本实施例中，第二Y型光纤束FB2（作为合光机构）的总端口23处，光纤可以如图3c所示以一字型排列，以配合光谱计中的狭缝输入结构，使两个子光纤的光束都能以较高效率耦合到光谱计中。

本发明中，垂直入射和斜入射的光学系统共用一个光谱计进行探测，则这两个光学系统的测量不能同时进行，可以在光路中设置光阑，如图4中的光阑D1和D2。将光阑D1设置在光纤端口11和分光元件BS之间。将光阑D2设置在光纤端口12和球面反射镜SPR5之间。测量时，先装载样品，通过样品平台对准测量点后，打开光阑D1，关闭光阑D2，通过垂直入射的测量装置测量样品得到数据；然后，关闭光阑D1，打开光阑D2，通过斜入射的测量装置测量样品，测量完成后，将测量得到的数据输入处理器中，计算拟合可以得到样品材料的光学常数，薄膜厚度、三维形貌等等特征。

第二实施例

如图5所示，本发明的光学测量系统包括光源SO、W型光纤束FB、球面反射镜SPR1、球面反射镜SPR2、球面反射镜SPR3、球面反射镜SPR4、球面反射镜SPR5、球面反射镜SPR6、平面反射镜M1、平面反射镜M2、平面反射镜M3、平面反射镜M4、偏振器P1（可作为检偏器兼检偏器）、偏振器P2（可作为检起偏器）、偏振器P3（可作为检检偏器）以及探测单元SP。以上部件构成了垂直入射和斜入射的两个不同的光学测量装置。W型光纤束FB包括光纤束子光纤FB-I、光纤束子光纤FB-II、光纤束子光纤FB-III和光纤束子光纤FB-IV。

光纤FB的端口2与光源SO相连，则光源SO发出的光进入光纤FB后，通过光纤束子光纤FB-I和光纤束子光纤FB-II后成为两束光，分别作为垂直入射和斜入射的光学测量系统的探测光束从光纤端口1和3射出。下面分别描述这两束探测光束的光路：

从光纤端口3出射的光束依次经过平面反射镜M4、球面反射镜SPR4、偏振器P1、平面反射镜M1、球面反射镜SPR1后垂直入射到样品表面，由样品反射后，又依次经过球面反射镜SPR1、平面反射镜M1、偏振器P1、球面反射镜SPR4及平面反射镜M4返回到端口3处。由于入射到球面反射镜的光束与其主轴方向有一定夹角，则返回至端口3处的聚焦光束将具有球差。本实施例刚好利用该球差，使该聚焦光束的绝大部分进入端口3处的外围光纤中，即进入光纤束子光纤FB-III中，通过光纤束子光纤FB-III的传输，从光纤端口4输出进入光谱计SP中。

从光纤端口1出射的光束依次经过球面反射镜SPR5、偏振器P2、平面反射镜M2、球面反射镜SPR2后斜入射到样品表面，经样品反射后，依次经过球面反射镜SPR3，平面反射镜M3，偏振器P3，球面反射镜SPR6后入射到光纤端口5，并进入光纤束子光纤FB-IV，通过光纤束子光纤FB-IV的传输，进入光谱计SP中。

上述方案中，W型光纤的每段光纤束子光纤的长度约为1m，也可以根据实际要求设置各段光纤的长度。为了实现较高的耦合效率，可以如下设置：光纤束子光纤FB-I，FB-II，FB-IV只包含一根光纤，光纤束子光纤FB-III包含六根光纤。并且，在端口3处，光纤束子光纤FB-II位于中心部位，构成光纤束子光纤FB-III的六根光纤对称地排列其周围，构成一个正六边形，如图6a所示，则可以恰好使由样品表面反射的，返回至平面反射镜M4的具有球差的会聚光束的绝大部分进入光纤束子光纤光束FB-III，其耦合效率可以高达70%；在端口4处，构成光纤束子光纤Ⅲ的六根光纤和构成光纤束子光纤IV的一根光纤呈一字型并列摆放，并且光纤束子光纤IV处于正中间，构成光纤束子光纤III的六根光纤分成两部分，在其两侧对称地分布，如图6b所示，则如此形状可以配合光谱计的狭缝入口，使两束反射光都能以较高效率进入光谱计中。

为了避免了垂直部分需要两次通过分光元件所造成的光通损失，提高光路的耦合效率，本实施例优选W型光纤束来实现光束的耦合。

为了进一步优化方案，增加测量的精度，计算出Δ的具体角度，本发明的光学测量系统中的斜入射部分还可以包括至少一个相位补偿器，该补偿器位于偏振器P2和平面反射镜M2之间或者位于偏振器P3和平面反射镜M3之间，构成一个斜入射的起偏器-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PSCAR或PCSAR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的测量方式。通过椭圆偏振测量法，可以由实验数值计算出相应的傅里叶系数的谱线，该谱线于与样品椭偏参数Ψ和Δ直接相关。

上述方案中，斜入射的光学测量系统还可以包含两个相位补偿元件，例如包括两个消色差补偿器时，斜入射部分等同为一个起偏器-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。

上述方案中，还包括一个用于承载样品的可调节的样品平台，该样品平台的例子包括X-Y-Z-Theta或R-Theta-Z坐标的样品台。实际测量过程中，为了使垂直入射的探测光束与斜入射的探测光束在样品上精确地聚焦到同一点，可以通过可移动的样品平台来实现，例如，通过垂直入射的探测光束测量得到实验数据后，微微移动样品平台，使斜入射的探测光束也对准样品上的同一点。

上述方案中，平面反射镜M2与球面反射镜SPR2的位置可以互换，平面反射镜M3与球面反射镜SPR3的也可以位置互换，则平面反射镜M2，和M3还可以用来调节聚焦位置，此时可以使光学系统更为紧凑，但对于大尺寸样品，可能不太适用，因为会导致样品平台离光学元件太近，不利于样品的装载。

上述方案中，还包括用于控制偏振器偏振方向的偏振器旋转控制装置和/或用于控制波片光轴方向的波片旋转控制装置。

上述方案中，还包括成像装置，对有图案的样品表面生成分布图案，测量指定位置，及观测所述探测光束在样品上的聚焦状态。

本发明的公开的光学测量系统，包括垂直入射和斜入射的两个光学测量装置，从而可以精确测量样品薄膜的厚度及其光学常数，并且通过光纤束进行分光及合光，可以使两套光学测量装置共用一个光源和一个光谱计，简化了系统结构，并极大地降低了系统的成本；此外，相对于分束镜，使用光纤束还提高了探测光束的光通效率。同时，该光学测量系统采用价格低廉，加工简单球面反射镜代替昂贵的非球面反射镜或消色差透镜进行聚焦，并利用平面反射镜与之配合来消除偏振变化，则相对于现有技术中采用的消色差透镜或离轴抛物面反射镜的光学测量系统，本发明的光学测量系统可以在聚焦过程中保持探测光束的偏振状态，则本发明的光学测量系统不仅可以提高样品测量的精度，实现准确测量，而且使所需成本比现有技术大大降低。

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)

1.一种光学测量系统，其特征在于，包括：

光源、光纤束、第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元、第四聚光单元、第五聚光单元、第六聚光单元、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器及光谱计；

所述光源发出的光经过所述光纤束分为两束，其中一束光依次通过所述第五聚光单元、第二偏振器、第二聚光单元后斜入射到样品表面；另一束光依次通过所述第四聚光单元、第一偏振器、第一聚光单元后垂直入射到样品表面；

经过样品表面反射且依次经过第三聚光单元、第三偏振器及第六聚光单元的斜入射光，与从样品表面反射后返回且依次经过第一聚光单元、第一偏振器及第四聚光单元的垂直入射光，经所述光纤束传输后由同一端口输出至所述光谱计；

所述第一聚光单元、第二聚光单元及第三聚光单元分别由镀膜材料及镀膜条件相同的平面反射镜和球面反射镜组合而成，并且，所述平面反射镜和球面反射镜上满足光束的入射角相等，入射面垂直的条件；且所述第四聚光单元、第五聚光单元及第六聚光单元为球面反射镜；或

所述第一聚光单元、第二聚光单元、第三聚光单元及第四聚光单元分别由镀膜材料及镀膜条件相同的平面反射镜和球面反射镜组合而成，并且，所述平面反射镜和球面反射镜上满足光束的入射角相等，入射面垂直的条件；且第五聚光单元及第六聚光单元为球面反射镜。

2.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于：

所述光纤束包括第一Y型光纤束和第二Y型光纤束。

3.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述光纤束为一个W型光纤束。

4.根据权利要求3所述的光学测量系统，其特征在于，所述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。

5.根据权利要求4所述的光学测量系统，其特征在于：

所述第I子光纤，第II子光纤和第IV子光纤包含一根光纤，所述第III子光纤由六根光纤构成；

在所述W型光纤束的输入输出端口处，所述第II子光纤位于中心部位，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；

在所述W型光纤束的输出端口处，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。

6.根据权利要求2所述的光学测量系统，其特征在于，还包括：

一分光元件，用于使从第一Y型光纤束射出的一束光在入射至第四聚光单元之前部分地通过，以及使经样品反射后返回至第四聚光单元的光束部分地通过，并进入所述第二Y型光纤束。

7.根据权利要求6所述的光学测量系统，其特征在于，还包括：

第一光阑和第二光阑；

所述第一光阑设置在所述第一Y型光纤束和所述分光元件之间的光路中；

所述第二光阑设置在所述第五聚光单元和所述第一Y型光纤束之间的光路中。

8.根据权利要求6所述的光学测量系统，其特征在于，还包括：

第一光阑和第二光阑；

所述第一光阑设置在所述第一Y型光纤束和所述第四聚光单元中平面反射镜之间的光路中；

所述第二光阑设置在所述第五聚光单元和所述第一Y型光纤束之间的光路中。

9.根据权利要求1-5任一项所述的光学测量系统，其特征在于，所述光学测量系统还包括：

至少一个相位补偿器，所述相位补偿器位于所述第二偏振器与所述第二聚光单元之间，或所述第三聚光单元与所述第三偏振器之间。