CN114910421A - 一种测量系统用的光谱仪 - Google Patents

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计亚平
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Abstract

本发明公开了一种测量系统用的光谱仪，包括入射孔，用于透过入射光；第一反射镜，用于将入射光反射到光栅上；光栅，用于对入射光进行衍射，将入射光衍射为第一衍射光信号、第二衍射光信号和高级次衍射光信号；第一出射孔，用于输出第一衍射光信号；第一探测器，用于将第一衍射光信号转换为第一电信号；第二出射孔，用于输出第二衍射光信号；第二探测器，用于将第二衍射光信号转换为第二电信号；本发明增加了第二衍射孔以及第二探测器，用于产生零级衍射光信号，并通过第二探测器进行监测，在测量系统进行样品厚度检测时，样品z位置的变化会造成光点在光谱仪入射狭缝上位置的变化，达到减少样品薄膜厚度的测量误差，提高测量的准确度的效果。

Description

一种测量系统用的光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种测量系统用的光谱仪。
背景技术
光谱椭偏仪是一种用途很广的科学仪器。它通过测量偏振光通过表面和表面的薄膜反射后，偏振态的变化来推算出薄膜的厚度、薄膜的光学折射率以及薄膜的其他性能，灵敏度极高，可以测到1/10 原子大小的膜厚的变化。20多年前，光谱椭偏仪被集成电路制造行业采用，开始用来检测薄膜制造工艺中薄膜的厚度和折射率。几乎在同时，它又被用来测量集成电路光刻和刻蚀工艺中的线宽（又称关键尺寸）。经过20多年的发展，它已成为集成电路制造工艺中不可缺少的的检测设备。光谱椭偏仪在集成电路工艺发展的道路上也面临许多挑战。
而在集成电路膜厚系统测量中，除了测量子系统外，还有几个辅助测量系统正常运行的系统，它们是：
1.确定晶圆z-方向位置的聚焦系统；
2.确定在晶圆上测量点， X-Y坐标的机器视觉系统；
3.为了保持测量系统的长期稳定性，防止测量系统偏离系统定标的参数，还需要一些辅助的子系统或传感器对一些系统的定标参数继续实时监控并进行实时矫正。对光谱椭偏仪或光谱反射仪来说，需要监控如下参数：a.系统中光谱仪的波长定标；b.光谱仪CCD列阵的零点；
4.光源的稳定性。
传统的做法是对每一个需要检测的参数有一个独立的测量子系统或传感器，但是这样安排有一个缺点。如果聚焦系统和光谱椭偏仪的相对位置发生偏差，最佳聚焦信号对应的样品的z 的位置，并非是光谱仪定标时样品的z的位置。如果这种情况发生的话，定标的波长和实际的波长也会不一致，从而产生测量的误差，因此，需要设计一种新的光谱仪，对样品的z的位置的变化进行同步监测。
发明内容
本发明主要解决现有的技术中光谱椭偏测量系统中无法对样本的z的位置的变化进行监测的问题；提供一种测量系统用的光谱仪，保留光谱仪的零级衍射信号，通过监测光谱仪的零级衍射信号进而实现样本的z的位置的变化，减少样品薄膜厚度的测量误差，提高测量的准确度。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种测量系统用的光谱仪，包括入射孔，用于透过入射光；第一反射镜，用于将入射光反射到光栅上；光栅，用于对入射光进行衍射，将入射光衍射为第一衍射光信号、第二衍射光信号和高级次衍射光信号；第一出射孔，用于输出第一衍射光信号；第一探测器，用于将第一衍射光信号转换为第一电信号；第二出射孔，用于输出第二衍射光信号；第二探测器，用于将第二衍射光信号转换为第二电信号。通过设置第二出射孔，将光栅衍射的零级信号进行保留并输出，用于光谱椭偏仪测量系统进行样本的z的位置变化的监测，减少样品薄膜厚度的测量误差，提高测量的准确度。
作为优选，还包括第二反射镜，所述第二反射镜用于反射第一衍射光信号，将第一衍射光信号反射到第一出射孔。通过第二反射镜将第一衍射光信号进行反射，使得第一衍射信号和第二衍射信号的光输出位置不同，降低干扰性。
作为优选，所述的第二出射孔基于光栅衍射时第二衍射光信号的衍射方向进行设置。
作为优选，所述的第一衍射光信号为一级衍射光信号。
作为优选，所述的第二衍射光信号为零级衍射光信号。
作为优选，所述的第一探测器为光电二极管或四象限光电二极管。
作为优选，所述的第二探测器为CCD阵列传感器。
本发明的有益效果是：相比于传统的光谱仪只产生一级衍射光信号，本发明增加了第二衍射孔以及第二探测器，用于产生零级衍射光信号，并通过第二探测器进行监测，在光谱椭偏仪测量系统进行样品厚度检测时，样品z位置的变化会造成光点在光谱仪入射狭缝上位置的变化，其变化结果通过零级衍射光信号进行变化显示，达到减少样品薄膜厚度的测量误差，提高测量的准确度的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的光谱仪的结构示意图。
图中1、入射孔，2、第一反射镜，3、光栅，4、第二探测器，5、第二衍射光信号，6、第二反射镜，7、第一衍射光信号，8、第一探测器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
实施例：一种测量系统用的光谱仪，如图1所示，包括入射孔1、第一反射镜2、光栅3、第一出射孔、第一探测器8、第二出射孔、第二探测器4和第二反射镜6，其中入射孔用于透过入射光；第一反射镜用于将入射光反射到光栅上；光栅用于对入射光进行衍射，将入射光衍射为第一衍射光信号7、第二衍射光信号5和高级次衍射光信号；第一出射孔用于输出第一衍射光信号；第一探测器用于将第一衍射光信号转换为第一电信号；第二出射孔用于输出第二衍射光信号；第二探测器用于将第二衍射光信号转换为第二电信号。
其中，第一衍射光信号为一级衍射光信号，第二衍射光信号为零级衍射光信号，第一探测器为CCD阵列传感器，第二探测器为光电二极管或四象限光电二极管，入射光从入射孔进入，经第一反射镜反射后到达光栅，通过光栅进行衍射后，部分光信号通过第二出射孔输出，另一部分光信号通过第二反射镜反射后到达第一出射孔，通过第一出射孔输出，本发明的入射光经过入射孔第一反射镜以及光栅形成总光路，经过光栅衍射后，区别与现有的光谱仪仅保留一级衍射信号一个光路，本发明经过光栅衍射后，形成两个光路，其中一个光路保留现有的一级衍射信号，另一个光路输出零级衍射光信号。
其中，第二出射孔基于光栅衍射时第二衍射光信号的衍射方向进行设置，第二出射孔不需要进行反射后进行输出，而是光栅衍射后通过直射的方式进行直接输出。
进一步的，本发明的探测器将光信号转换为电信号后，还设置有信号处理单元，用于对电信号进行信号处理，将处理后的信号波形通过显示屏进行显示，信号处理单元和显示屏可以集成为PC等现有设备。
为了保证光路的稳定，本发明还设置有壳体、遮光板等结构，遮光板固定安装在壳体上，壳体内部设置有空腔，第一反射镜、光栅、第一探测器、第二探测器和第二反射镜均设置在空腔内，入射孔设置在遮光板上，第一出射孔和第二出射孔设置在空腔内的隔板上。
入射孔、第一出射孔和第二出射孔均为狭缝，到达狭缝前的光信号范围均大于狭缝大小。
本发明的第一反射镜和第二反射镜均为圆弧形的反射镜，均具有凹面和凸面，入射光从入射孔进入后，照射在第一反射镜的凹面，经过凹面的反射，形成平行光照射到光栅上。
本发明的测量系统为光谱椭偏仪测量系统，该系统主要用于通过测量偏振光进行薄膜厚度的检测，测量系统包括了本发明的光谱仪、聚焦系统、光源系统、准直系统、样品底座、视觉系统和处理系统，光源系统产生光信号，经过聚焦系统聚焦后照射在样品上，样品放置在样品底座上，聚焦后的光信号照射在样品上后产生偏振光信号，经过准直系统进行校准后通过聚焦镜进行再次聚焦，形成入射光信号传递到光谱仪。
本发明的光谱仪相比于传统的光谱仪，保留了零级衍射信号，用做辅助聚焦信号，采用四象限光电二极管进行光信号采集，通过监测零级衍射光点在四象限光电二极管上的信号变化，即可实现监测样品z位置的变化，达到测量系统减少样品薄膜厚度的测量误差，提高测量的准确度的效果。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1.一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，包括：
入射孔，用于透过入射光；
第一反射镜，用于将入射光反射到光栅上；
光栅，用于对入射光进行衍射，将入射光衍射为第一衍射光信号、第二衍射光信号和高级次衍射光信号；
第一出射孔，用于输出第一衍射光信号；
第一探测器，用于将第一衍射光信号转换为第一电信号；
第二出射孔，用于输出第二衍射光信号；
第二探测器，用于将第二衍射光信号转换为第二电信号。
2.根据权利要求1所述的一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，
还包括第二反射镜，所述第二反射镜用于反射第一衍射光信号，将第一衍射光信号反射到第一出射孔。
3.根据权利要求1所述的一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，
所述第二出射孔基于光栅衍射时第二衍射光信号的衍射方向进行设置。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，
所述第一衍射光信号为一级衍射光信号。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，
所述第二衍射光信号为零级衍射光信号。
6.根据权利要求1所述的一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，
所述第一探测器为CCD阵列传感器。
7.根据权利要求1所述的一种测量系统用的光谱仪，其特征在于，
所述第二探测器为光电二极管或四象限光电二极管。
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