CN113739920A - 近场光学偏振光谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种近场光学偏振光谱仪，包括入射光发生模块，探针扫描显微模块和出射光检测模块，其中，入射光发生模块发出不同偏振状态的探测光，入射光束入射至探针扫描显微模块的探针针尖上，探测光与探针针尖和样品表面构成的微纳空间结构相互作用，偏振状态发生变化，然后该光束的散射光、透射光或反射光由出射光检测模块收集，通过对出射光偏振状态的解调获得相互作用中偏振态产生的变化信息，对该信息进行反演计算，就能够获得被测样品的相关信息。本发明能够实现纳米级的超高横向空间分辨率，满足半导体关键器件对纳米级尺寸精确测量需求，同时具有与样品非接触、对样品无破坏性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪器测试技术领域，尤其涉及一种近场光学偏振光谱 仪。
背景技术
随着半导体制造工艺的发展，半导体器件的关键尺寸不断缩小，已实 现5nm节点，同时半导体制造业对器件尺寸测量的横向空间分辨率要求 也越来越高。传统偏振光谱仪测量所得参数是探测光在被测样品表面所形 成的光斑内的平均值。虽然传统偏振光谱仪的纵向分辨率取决于仪器的相 位测量灵敏度，一般已经可实现埃级，但是偏振光谱仪的横向分辨率受限 于光斑尺寸，微光斑型偏振光谱仪的光斑尺寸直径在25至50μm之间， 成像型偏振光谱仪的空间分辨率大多也只能达到5个微米量级，即使探测 波长向深紫外波段发展，由于偏振光谱测量要求较小的数值孔径，传统偏 振光谱仪的横向分辨率至多可实现十倍衍射极限，难以达到微米量级以下 的横向空间分辨率。对具有精细结构的被测样品而言，平均化的测量会导 致较大误差，降低测量结果的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种近场光学偏振光谱仪，以 期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种近场光学偏振 光谱仪，包括入射光发生模块，探针扫描显微模块和出射光检测模块，其 中，入射光发生模块发出不同偏振状态的探测光，入射光束入射至探针扫 描显微模块的探针针尖上，探测光与探针针尖和样品表面构成的微纳空间 结构相互作用，偏振状态发生变化，然后该光束的散射光、透射光或反射 光由出射光检测模块收集，通过对出射光偏振状态的解调获得相互作用中偏振态产生的变化信息，对该信息进行反演计算，就能够获得被测样品的 相关信息。
基于上述技术方案可知，本发明的近场光学偏振光谱仪相对于现有技 术至少具有如下有益效果的一部分：
通过采用本发明的近场光学偏振光谱仪，能够实现纳米级的超高横向 空间分辨率，满足半导体关键器件对纳米级尺寸精确测量需求，同时具有 与样品非接触、对样品无破坏性等优点。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的近场光学偏振光谱仪的示意图；
图2是示出根据本发明第二实施例的近场光学偏振光谱仪的示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1、光源；2、偏振发生器件；3、探针扫描显微模块；4、样品； 5、第一聚焦器件；6、偏振检测器件；7、探测器件； 8、第二聚焦器件；9、第一相位补偿器件；10、第三聚焦器件； 11、电动平台模块；12、第二相位补偿器件；13、第四聚焦器件； 14、锁相放大器。
具体实施方式
近场光学显微技术突破传统光学衍射极限限制，可达到几十分之一波 长的超高分辨率，实现纳米尺度的光学测量和表征；其中散射式近场探针 扫描显微镜可以在可见光波段实现1-2nm的横向空间分辨率，同时也具 有非接触测量、对样品无破坏性的优点。将近场光学显微技术与偏振光谱 仪相结合，可实现10nm级的横向空间分辨率，对实现半导体关键器件尺 寸的精确测量具有重大意义。
本发明提出了一种近场光学偏振光谱仪。该近场光学偏振光谱仪包括： 入射光发生模块，探针扫描显微模块，出射光检测模块。入射光发生模块 发出不同偏振状态的探测光，入射至探针扫描显微模块的探针针尖上，探 测光与探针针尖和样品表面构成的微纳空间结构相互作用，偏振状态发生 变化，然后该光束的散射光/透射光/反射光由出射光检测模块收集，通过 对出射光偏振状态的解调获得相互作用中偏振态产生的变化信息，对该信息进行反演计算，就可获得被测样品的光学常数、薄膜厚度等信息。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
探针扫描显微模块一般由光源(单色或宽光谱)、敲击模式的原子力 显微镜、探测光收集器件(透镜或曲面反射元件)、样品台和光电探测器 组成。探针扫描显微模块的核心部件是探针，在获取材料形貌的同时，利 用探针尖端“避雷针效应”产生的电场增强和电场局域可以获得亚波长分 辨率的局域光学性质(约10nm)。与传统光学探测中只有光和材料参与相 互作用不同，探针扫描显微模块中探针与材料存在强烈的电磁相互作用并 影响聚焦在探针上的信号光。因此必须构建探针-样品耦合模型来还原近场 相互作用，其中最简化的模型是偶极子模型。在此模型中入射光电场引发 的探针极化用偶极子代替，针尖偶极子随之引起材料的极化，极化的材料 反过来影响针尖的极化率，如此反复迭代。针尖散射的电场 Esc＝σnf·Einc∝αeff·Einc，σnf是近场散射系数，αeff是：考虑与材料相互作用后 探针的有效极化率，Einc是入射电场。当入射电场Einc垂直于样品表面，有 效极化率的表达式为：
当入射电场Einc平行于样品表面，有效极化率的表达式为：
在上述两式中，r是探针尖端半径，d是针尖-样品间距。αeff⊥和αeff||的 表达式中的分子表示探针的极化率，其中
是探针的固有属 性；分母是探针和样品的相互作用，其中
仅由材料的介电系数决 定，表示样品对探针偶极子的“近场反射系数”。由此可以从散射电场反 推材料的介电性质。其他描述近场相互作用的如单极子模型和“闪电棒” 模型也可精确反推材料的介电系数。
样品的反射可通过琼斯矩阵表达为：
我们将偏振方向平行于入射平面时的偏振状态称为p偏振，偏振方向 垂直于入射平面的偏振状态称为s偏振。如果所述探测光束入射偏振状态 为p偏振，与探针发生相互作用后出射光束偏振状态为s偏振时，其绝对 反射率用rps表示，
同理于rpp、rsp和rss。琼斯矩阵元素随样品 表面探测光束入射面的方位角和入射面内的入射角变化而变化。通常情况 下，均匀薄膜由非双折射材料组成，在任何方位角和入射角情况下， rps＝rsp＝0。
(1)绝对反射率测量法。近场光学偏振光谱仪可测量样品琼斯矩阵 中的rpp、rps、rsp和rss。若要测量一个样品的反射率，应做如下：
a.测量光谱仪暗数值Id；
b.测量参考样本反射率，例如，裸硅晶片，并获得光谱数值Ir；
c.测量样品，并获得数值I；
这样，待测样品的反射率为：
其中R(ref)是参考样本的绝对反射率。R(ref)可从其他测量获得，或 通对参考样本的特性计算得出，通常为裸硅片的反射率。
如图1所示，实际测量时调整偏振发生器件2和偏振检测器件6，分 别对应样品入射面内偏振状态所对应的偏振方向为P&P、p&s、s&p和s&s 四个情况下的样品的绝对反射率，即可得到rpp、rps、rsp和rss。当rps＝rsp＝0 时，只需要偏振发生器件2或偏振检测器件6，就可以测量得到rpp和rss。
(2)椭圆偏振测量法：如图1所示，本发明的近场光学偏振光谱仪 等同为一个偏振发生器件2-样品4-偏振检测器件6(PSA)结构的椭圆偏 振仪。可通过旋转偏振发生器件2固定偏振检测器件6，或者旋转偏振检 测器件6固定偏振发生器件2，或者偏振发生器件2与偏振检测器件6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。所说明的原理公式，以下仅以旋转偏振 检测器件6(RAE)情况做简要描述：
Lout＝AR(A)JsR(-P)PLin，
即：
可以得出：
EA＝(ρpp+ρpstan P)cos(A)+(ρsp+tan P)sin A，
探测的光强：
I＝|EA|2＝I0(1+αcos 2A+βsin 2A)。
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
当rps＝rsp＝0，即ρps＝ρsp＝0时，可得常用的各向同性薄膜样品的计算公 式：
其中，tanψ是rpp、rss比的振幅，Δ是rpp、rss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ρpp、ρps、ρsp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。
一般而言聚焦照射在探针尖端的光斑尺寸约为100μm2，而探针尖端 的尺寸为10-30nm。近场聚焦效率为ηN＝PN/PI，其中PI是入射光功率，PN是转化为探针尖端局域场的功率，分别有报道指出ηN的数值仅为0.0003 和0.000001。因此散射光中的大部分是来自探针旋臂和样品表面等的背景 信号，所以扣除背景提取近场信号是探针扫描显微模块应用的关键。锁相 放大器是一种能够从极端噪声环境中提取出己知载波频率的信号的放大 器。锁相放大器的操作依赖于正弦函数的正交性，当一个频率为f1函数乘 上另一个频率不等于f1的频率为f2的正交函数，它们在超过两个函数的周 期的时间上做积分的结果为0。而假如f1和f2相等并且相位相同，则两个 函数乘积的积分值的大小等于它们振幅乘积的一半。
采用敲击模式的探针扫描显微模块可在10k Hz-50k Hz频率范围内 谐振产生频率稳定的调制信号，作为参考信号输入锁相放大器中，探测模 块将收集到的探测光转换为输入信号输入锁相放大器。锁相放大器将输入 信号乘以参考信号，然后在特定的时长上(通常是几毫秒到几秒)积分， 得到的结果是一个直流信号，而其他与参考信号频率不同的信号成分将衰 减到0。这是因为同频率的正弦函数和余弦函数的正交，输出的相位信号 在与参考信号频率相同的位置会发生衰减，因此，锁相放大器也能够作为 一个相敏探测器。
对于一个输入信号Uin(t)，直流的输出信号对于一个模拟的锁相放大 器能够计算为：
其中相位
是能够通过锁相放大器调节的一个相位因子，通常会设置 为0。如果平均时间足够长，比信号的周期大很多倍，那么就能抑制所有 不想要的噪声，输出会变为：
式中Vsig是参考频率下信号的输入振幅，θ是参考信号和输入信号之 间的信号差。
很多对锁相放大器的应用仅仅需要考虑振幅而不需要考虑相位，比如 单相位锁定放大器，通常需要手动调节使得相位差变为0。功能更强大的 双相位锁定放大器，包括另外一个乘法器和积分器，两个通道的相位信号 有90度的相位差。所以锁相放大器会有两个输出，即同相分量X＝Vsigcosθ 以及正交分量Y＝Vsigsinθ。同时就能够计算出输入信号的振幅和相位信息：
接下来，将参照附图对根据本发明实施例的近场光学偏振光谱仪进行 详细的描述。
第一实施例
在图1中示出根据本发明的第一实施例的近场光学偏振光谱仪。如图 1所示，该近场光学偏振光谱仪包括入射光发生模块(光源1、偏振发生 器件2)、探针扫描显微模块3、样品4、出射光检测模块(第一聚焦器件 5、偏振检测器件6、探测器件7)。偏振发生器件2和偏振检测器件6也 可根据实际需要决定是否旋转，组成R.P.(旋转偏振发生器件2)、R.A. (旋转偏振检测器件6)、两器件按一定频率比旋转等结构形式。
光源1发出的光经偏振发生器件2调制为不同偏振状态的探测光，入 射至探针扫描显微模块3的探针针尖上，探测光与探针针尖和被测样品4 构成的微纳空间结构相互作用，偏振状态发生变化，然后该光束由第一聚 焦器件5收集，经偏振检测器件6解调由探测器件7接收，获得相互作用 中偏振态产生的变化信息，然后对该信息进行反演计算，获得被测样品4 的光学常数、薄膜厚度等信息。
光源1的光谱可在真空紫外至太赫兹范围内。光源1可以是宽光谱光 源，如氙灯、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、 包含氘钨卤素的复合宽带光源等；也可以是单波长光源或可调波长的单波 长光源，如氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器、半导体激光器、 光纤激光器等光源。
光束由入射光发生模块发出打在探针扫描显微模块3的探针针尖上， 入射光束与探针之间的夹角大于30°小于90°。出射光检测模块可收集经探 针针尖后发出的散射光、透射光或反射光，收集的出射角可在0-180°范 围内，方位角可在0-360°范围内。
偏振发生器件2和偏振检测器件6包括至少一个偏振元件，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等。
第一聚焦器件5可以为单个透镜或透镜组，也可以为单个曲面反射元 件或曲面反射元件组，曲面反射元件可以为离轴抛物面反射元件、超环面 反射元件等。
探测器件7中的探测器可以是电荷耦合器件(CCD)、深紫外光电二 极管、铟镓砷光电二极管、碲镉汞红外探测器、象限式光电二极管、光电 二极管阵列(PDA)光谱计等。
该近场光学偏振光谱仪还可以包括至少一个光阑，位于偏振发生器件 2和偏振检测器件6之间，用于避免经过偏振发生器件2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偏振检测器件6。
该近场光学偏振光谱仪还可以包括一个锁相放大器。
该近场光学偏振光谱仪还可以包括分析单元，该分析单元用于计算被 测样品的光学常数、薄膜厚度和各向异性特征等信息。
该偏振光谱仪还可以包括可调节X、Y、Z、Theta的承载平台模块， 用于承载样品4。
第二实施例
在图2中示出根据本发明的第二实施例的近场光学偏振光谱仪。如图 2所示，该近场光学偏振光谱仪包括入射光发生模块(光源1、第二聚焦 器件8、偏振发生器件2、第一相位补偿器件9、第三聚焦器件10)、探针 扫描显微模块3、样品4、电动平台系统11、出射光检测模块(第一聚焦 器件5、第二相位补偿器件12、偏振检测器件6、第四聚焦器件13、探测 器件7、锁相放大器14)。偏振发生器件2、第一相位补偿器件9、第二相 位补偿器件12和偏振检测器件6根据实际需要决定是否使用，可组成PSA (偏振发生器件2-样品4-偏振检测器件6)、PSCA(偏振发生器件2-样品 4-第二相位补偿器件12-偏振检测器件6)、PCSA(偏振发生器件2-第一相 位补偿器件9-样品4-偏振检测器件6)、PCSCA(偏振发生器件2-第一相 位补偿器件9-样品4-第二相位补偿器件12-偏振检测器件6)等结构形式； 偏振发生器件2、第一相位补偿器件9、第二相位补偿器件12和偏振检测 器件6也可根据实际需要决定是否旋转，组成R.P.(旋转偏振发生器件2)、 R.A.(旋转偏振检测器件6)、R.C.(旋转第一相位补偿器件9或第二相位 补偿器件12)、多器件按一定频率比旋转等结构形式。
光源1置于第二聚焦器件8的焦点位置，光源1发出的光束入射至第 二聚焦器件8后出射为平行光束。该平行光束由偏振发生器件2、第一相 位补偿器件9调制为不同偏振状态的探测光，经第三聚焦器件10聚焦到 探针扫描显微模块3的探针针尖上，探测光与探针针尖和被测样品4构成 的微纳空间结构相互作用，偏振状态发生变化，然后该光束由第一聚焦器 件5收集，出射为平行光束，该平行光束经第二相位补偿器件12、偏振检 测器件6解调后由第四聚焦器件13聚焦到探测器件7上。电动平台模块 11可调节X、Y、Z、Theta，用于承载样品4，可通过程序指令控制电动 平台模块11的移动实现X、Y、Theta方向的二维扫描，从而获取整个被 测样品表面的相关信息。
探针针尖以一定调制频率进行上下振动，该振动信号作为参考信号输 入锁相放大器14，探测器件7收集探测光信号转化为输入信号输入锁相放 大器14，锁相放大器14相对于针尖振动频率进行解调，获得相互作用中 偏振态产生的变化信息，然后对该信息进行反演计算，获得被测样品4的 光学常数、薄膜厚度等信息。
光源1的光谱可在真空紫外至太赫兹范围内。光源1可以是宽光谱光 源，如氙灯、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、 包含氘钨卤素的复合宽带光源等；也可以是单波长光源或可调波长的单波 长光源，如氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器、半导体激光器、 光纤激光器等光源。
光束由入射光发生模块发出打在探针扫描显微模块3的探针针尖上， 入射光束与探针之间的夹角大于30°小于90°。出射光检测模块可收集经探 针针尖后发出的散射光、透射光或反射光，收集的出射角可在0-180°范围 内，方位角可在0-360°范围内。
偏振发生器件2和偏振检测器件6包括至少一个偏振元件，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等。
第一相位补偿器件9和第二相位补偿器件12包括至少一个相位补偿 元件，可以为二分之一波片、四分之一波片、索累-巴比涅补偿器、光弹调 制器、自动相位延迟器等。
探测器件7中的探测器可以是电荷耦合器件(CCD)、深紫外光电二 极管、铟镓砷光电二极管、碲镉汞红外探测器、象限式光电二极管、光电 二极管阵列(PDA)光谱计等。
第一聚焦器件5、第二聚焦器件8、第三聚焦器件10、第四聚焦器件 13可以为单个透镜或透镜组，也可以为单个曲面反射元件或曲面反射元件 组，曲面反射元件可以为离轴抛物面反射元件、超环面反射元件等。
该近场光学偏振光谱仪还可以包括至少一个光阑，位于偏振发生器件 2和偏振检测器件6之间，用于避免经过偏振发生器件2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偏振检测器件6。
该近场光学偏振光谱仪还可以包括分析单元，该分析单元用于计算被 测样品的光学常数、薄膜厚度和各向异性特征等信息。
本发明将偏振光谱仪技术与近场光学显微技术相结合，发明了一种近 场光学偏振光谱仪，可突破限制传统偏振光谱仪分辨率的光学衍射极限， 实现非接触、无破坏性的对半导体关键器件的纳米尺度的精确测量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近场光学偏振光谱仪，其特征在于，包括入射光发生模块，探针扫描显微模块和出射光检测模块，其中，入射光发生模块发出不同偏振状态的探测光，入射光束入射至探针扫描显微模块的探针针尖上，探测光与探针针尖和样品表面构成的微纳空间结构相互作用，偏振状态发生变化，然后该光束的散射光、透射光或反射光由出射光检测模块收集，通过对出射光偏振状态的解调获得相互作用中偏振态产生的变化信息，对该信息进行反演计算，就能够获得被测样品的相关信息。
2.根据权利要求1所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述入射光发生模块包括至少一个光源，至少一个偏振发生器，或者还包括至少一个相位补偿器，至少一个聚焦器件；
所述出射光检测模块包括至少一个偏振检测器，一个探测器件，或者还包括至少一个相位补偿器，至少一个聚焦器件。
3.根据权利要求1所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述近场光学偏振光谱仪还能够包括至少一个反射元件，至少一个分束元件，至少一个锁相放大器，至少一个可调节的承载平台模块，用于承载被测样品；所述分束元件为平板分束镜、立方体分束镜或薄膜分束镜。
4.根据权利要求1所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述近场光学偏振光谱仪还能够包括至少一个光阑，位于入射光发生模块中的偏振发生器件和出射光检测模块中的偏振检测器件之间，用于避免经过入射光发生模块中的偏振发生器件后产生的e光入射至样品表面或者其反射光反射后入射至出射光检测模块中的偏振检测器件；
所述近场光学偏振光谱仪还能够包括分析单元，所述分析单元用于计算被测样品的光学常数、薄膜厚度和各向异性特征信息。
5.根据权利要求1所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述入射光束与探针之间的夹角大于30°小于90°；所述出射光检测模块收集的出射角在0-180°范围内，方位角在0-360°范围内。
6.根据权利要求2所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述光源的光谱在真空紫外至太赫兹范围内，所述光源是宽光谱光源，包括氙灯、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；也能够是单波长光源或可调波长的单波长光源，包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
7.根据权利要求2所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述偏振发生器和偏振检测器为薄膜偏振器、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格兰激光偏振器。
8.根据权利要求2所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述相位补偿器为二分之一波片、四分之一波片、索累-巴比涅补偿器、光弹调制器或自动相位延迟器。
9.根据权利要求2所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述聚焦器件为单个透镜或透镜组，或单个曲面反射元件或曲面反射元件组，曲面反射元件为离轴抛物面反射元件、超环面反射元件。
10.根据权利要求2所述的近场光学偏振光谱仪，其特征在于，所述探测器件使用的探测器为电荷耦合器件、深紫外光电二极管、铟镓砷光电二极管、碲镉汞红外探测器、象限式光电二极管或光电二极管阵列光谱计。
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