CN116045828B - 一种光谱椭偏测量系统和一种光谱椭偏测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱椭偏测量系统和光谱椭偏测量方法。该光谱椭偏测量系统包括：光源，用于提供偏振态的入射光；至少一组反射式投影物镜，被配置为：根据目标尺寸，调节自身的位置和/或焦距；根据该位置及该焦距，将该入射光会聚到待测样品的表面，以形成该目标尺寸的光斑；以及从该待测样品的表面获取该光斑的反射光，并根据该位置及该焦距对该反射光进行准直处理；以及探测器，获取该反射式投影物镜输出的反射光，并根据该反射光的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜厚度。本发明能够根据晶圆的图形尺寸，灵活调节聚焦到晶圆表面的光斑尺寸大小，从而准确测量出晶圆表面的薄膜厚度。

Description

一种光谱椭偏测量系统和一种光谱椭偏测量方法

技术领域

本发明涉及半导体量测设备，具体涉及了一种光谱椭偏测量系统、一种光谱椭偏测量方法，以及一种计算机可读存储介质。

背景技术

随着集成电路工艺不断进步，鳍式场效应晶体管（Fin Field-EffectTransistor，Fin FET）和3D NAND新型器件结构更加复杂，造成工艺窗口越来越小，芯片的成品率和性能对工艺的微小变化变得越来越敏感。成品率管理要求对集成电路芯片制造工艺流程中每个工艺步骤都有相应的监控，目的是在尽量不影响生产的前提下能够及时发现和解决问题。在此，薄膜厚度（Thin film thickness）参数的测量是集成电路工艺检测和控制的必不可少的手段之一。

光谱椭偏仪（Spectroscopic ellipsometry，简称SE）是目前国际先进薄膜厚度量测设备的主流技术，采用特定数值孔径（Numerical aperture，简称NA）的镜头聚焦光束至晶圆表面，通过其表面反射回的光的偏振态进行信息反演获取膜厚信息。

镜头NA值决定了光束聚焦在晶圆表面的光斑大小。然而，目前市面上国内外膜厚设备的镜头NA值均为固定值。当晶圆对焦至最佳焦面时，其光斑大小是固定不变的。但是，面对薄膜厚度小于28nm，甚至14nm的工艺节点，晶圆上用于检测薄膜精确度的图形尺寸也会随之变小。也就是说，需要膜厚量测机台的聚焦于晶圆上的SE聚焦光斑也越来越小，通常SE聚焦光斑的尺寸小于50×50um，或40×40um，或30×30um。一方面，如果聚焦的SE聚焦光斑大于上述晶圆的图形尺寸，由于周边其他厚度的区域光信息会耦合进来，从而会影响量测精度，即量测出来的图形尺寸区域的厚度值一定会失真。另一方面，如果聚焦的SE聚焦光斑过小，实际量测的晶圆的图形尺寸区域的厚度信息容易受到机台环境内的细微扰动的影响，例如机台内运动部件带来的机械微振动、空气流动、环境温度变化、机台和/或卡盘的控制精度误差等，进而影响对于同一片均匀晶圆的同一个点的量测精度，即对于该点重复测量多次的量测结果。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本领域亟需一种光谱椭偏测量技术，用于根据晶圆的图形尺寸，灵活调节聚焦到晶圆表面的光斑尺寸大小，从而准确测量出晶圆表面的薄膜厚度。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种光谱椭偏测量系统和一种光谱椭偏测量方法，以及一种计算机可读存储介质，不仅能够根据晶圆的图形尺寸，灵活调节聚焦到晶圆表面的光斑尺寸大小，从而准确测量出晶圆表面的薄膜厚度，而且此测量过程不损耗光强，提高了光能的利用率。

具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述光谱椭偏测量系统，包括：光源，用于提供偏振态的入射光；至少一组反射式投影物镜，被配置为：根据目标尺寸，调节自身的位置和/或焦距；根据该位置及该焦距，将该入射光会聚到待测样品的表面，以形成该目标尺寸的光斑；以及从该待测样品的表面获取该光斑的反射光，并根据该位置及该焦距对该反射光进行准直处理；以及探测器，获取该反射式投影物镜输出的反射光，并根据该反射光的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜厚度。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括起偏器，其中，该起偏器位于该光源与该反射式投影物镜之间，用于对该光源输出的光束进行偏振处理，以向该反射式投影物镜提供该偏振态的入射光。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括验偏器，其中，该验偏器位于该反射式投影物镜与该探测器之间，用于对该反射式投影物镜输出的反射光进行偏振处理，以向该探测器提供反映了偏振态变化的反射光。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括反射式准直模组，其中，该反射式准直模组由平面反射镜及球面反射镜组成，并位于该光源与该起偏器之间，用于对该光源输出的发散光束进行准直处理，并将准直获得的平行光束传输到该起偏器。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该反射式投影物镜由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，其中，该入射光经由该通光孔穿过该凹面反射镜以到达该凸面反射镜，由该凸面反射镜进行发散反射以返回所述凹面反射镜，再由该凹面反射镜进行会聚反射以会聚到该反射式投影物镜的焦点，该反射式投影物镜通过调节该凸面反射镜与该凹面反射镜的间距来调节自身焦距。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该反射式投影物镜的焦距，其中，/>为该凸面反射镜的焦距，/>为该凹面反射镜的焦距，d为该凸面反射镜与该凹面反射镜的间距。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该凸面反射镜及该凹面反射镜中的至少一者为非球面反射镜。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该根据目标尺寸调节自身的位置和/或焦距的步骤包括：根据待测样品的图形尺寸，确定该光斑的目标尺寸；根据该目标尺寸，确定会聚到该待测样品的表面的光束的入射光锥角；根据该入射光锥角，确定该反射式投影物镜的目标焦距；以及根据该目标焦距，调节该凸面反射镜的位置、该凹面反射镜的位置，和/或该凸面反射镜与该凹面反射镜的间距。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括驱动装置。该驱动装置分别连接所述凸面反射镜及所述凹面反射镜，用于根据所述目标焦距，调节所述凸面反射镜的位置、所述凹面反射镜的位置，和/或所述凸面反射镜与所述凹面反射镜的间距。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统包括两组该反射式投影物镜，其中，第一反射式投影物镜位于该光源与该待测样品之间，用于根据该目标尺寸调节自身的第一位置和/或第一焦距，并根据该第一位置及该第一焦距，将该入射光会聚到该待测样品的表面，以形成该目标尺寸的光斑，第二反射式投影物镜位于该待测样品与该探测器之间，其第二位置及第二焦距跟随该第一反射式投影物镜的第一位置及第一焦距同步联动，用于从该待测样品的表面获取该光斑的反射光，并根据该二位置及该焦距对该反射光进行准直处理。

进一步地，在本发明的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统包括一个该反射式投影物镜、分束片及球面反射镜，其中，该分束片位于该光源与该反射式投影物镜之间，用于将该光源提供的该偏振态的入射光传输到该反射式投影物镜，并将该反射式投影物镜输出的反射光传输到该探测器，该球面反射镜位于该待测样品输出该反射光的一侧，其曲率半径等于其球心到达该光斑的间距，用于将该反射光经由该待测样品的表面原路反射回该反射式投影物镜。

此外，根据本发明的第二方面提供的上述光谱椭偏测量方法包括以下步骤：向反射式投影物镜提供偏振态的入射光；根据目标尺寸，调节该反射式投影物镜的位置和/或焦距；经由位于该位置及具有该焦距的反射式投影物镜，将该入射光会聚到待测样品的表面，以形成该目标尺寸的光斑；经由位于对应位置及具有该焦距的反射式投影物镜，从该待测样品的表面获取该光斑的反射光，并对该反射光进行准直处理；以及将该反射式投影物镜输出的反射光传输到探测器，以根据该反射光的偏振态参数，确定该待测样品表面的薄膜厚度。

此外，根据本发明的第三方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。该计算机指令被处理器执行时，实施上述的光谱椭偏测量方法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1A示出了根据本发明的一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量系统的结构示意图；

图1B为图1A所示的光谱椭偏测量系统中的反射式投影物镜的局部放大图；

图2A示出了根据本发明的第一实施例所提供的光谱椭偏测量系统的结构示意图；

图2B为图2A所示的光谱椭偏测量系统的反射式投影物镜的局部放大图；

图3A示出了根据本发明的第二实施例所提供的光谱椭偏测量系统的结构示意图；

图3B为图3A所示的光谱椭偏测量系统在调节过程中的结构示意图；

图4示出了根据本发明的另一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量方法的流程示意图；

图5A示出了根据本发明的一些实施例所提供的入射光束的光路示意图；

图5B示出了根据本发明的一些实施例所提供的在三个不同的变焦组态下的待测样品上的光斑尺寸示意图；

图6A示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为20mm时的待测样品上的光斑聚焦点列图；

图6B示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为30mm时的待测样品上的光斑聚焦点列图；

图6C示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为40mm时的待测样品上的光斑聚焦点列图；

图7A示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为20mm时的待测样品上的X向的衍射能量集中度曲线示意图；

图7B示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为20mm时的待测样品上的Y向的衍射能量集中度曲线示意图；

图8A示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为30mm时的待测样品上的X向的衍射能量集中度曲线示意图；

图8B示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为30mm时的待测样品上的Y向的衍射能量集中度曲线示意图；

图9A示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为40mm时的待测样品上的X向的衍射能量集中度曲线示意图；

图9B示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为40mm时的待测样品上的Y向的衍射能量集中度曲线示意图；

图10A示出了适用于本发明的一些实施例所提供电机控制的示意图；

图10B示出了适用于本发明的另一些实施例所提供电机控制的示意图。

附图标记：

100、200、300、400、500 光谱椭偏测量系统；

110、210、310、410、510 光源；

121、221、321、421 第一反射式投影物镜；

122、222、322、422 第二反射式投影物镜；

1211、2211、2221、521 凹面反射镜；

1210 通光孔；

1212、2212、2222、522 凸面反射镜；

130、230、330、430、530 探测器；

141、241、341、441、541 起偏器；

142、242、342、442、542 验偏器；

150、550 反射式准直模组；

151、551 第一反射镜；

152、552 第二反射镜；

160 待测样品；

520 反射式投影物镜；

553 球面反射镜；

570 分束片；

1000、1100 计算机；

1001、1101 电机；

S410~S450 步骤。

具体实施方式

以下由特定的具体实施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示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光谱椭偏测量系统、一种光谱椭偏测量方法，以及一种计算机可读存储介质，不仅能够根据晶圆的图形尺寸，灵活调节聚焦到晶圆表面的光斑尺寸大小，从而准确测量出晶圆表面的薄膜厚度，而且此测量过程不损耗光强，提高了光能的利用率。

在一些非限制性的实施例中，本发明的第一方面提供的上述光谱椭偏测量系统可以实施本发明的第二方面提供的上述光谱椭偏测量方法。具体来说，光谱椭偏测量系统中可以包括但不限于本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。通过执行该计算机指令，以实施本发明的第二方面提供的上述光谱椭偏测量方法。

以下将结合一些光谱椭偏测量方法的实施例来描述上述光谱椭偏测量系统的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些光谱椭偏测量方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该光谱椭偏测量系统的全部工作方式或全部功能。同样地，该光谱椭偏测量系统也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些光谱椭偏测量方法中各步骤的实施主体构成限制。

具体来说，请参看图1A，图1A示出了根据本发明的一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量系统的结构示意图。

如图1A所示，在本发明一方面提供的一些实施例中，光谱椭偏测量系统100主要包括光源110、两组对称设置的反射式投影物镜121、122和探测器130。光源110主要用于向第一反射式投影物镜121提供偏振态的入射光。第一反射式投影物镜121主要用来根据待测样品160表面符合其薄膜检测精确度的光斑的图形尺寸，即目标尺寸，来调节自身的位置和/或焦距，并且根据该位置及焦距，将入射光会聚到待测样品160的表面，以形成目标尺寸的光斑。在此，待测样品160可以具体为表面具有薄膜的半导体晶圆。随后，对称设置的第二反射式投影物镜122可以作为反射式接收物镜，从待测样品160的表面获取该光斑的反射光，并根据其自身的位置及焦距对反射光进行准直处理。探测器130主要用于获取第二反射式投影物镜122输出的反射光，并根据该反射光的偏振态参数，从而确定待测样品160表面的薄膜厚度。在此，探测器130可以优选为光谱仪，以利于对近红外波段至真空紫外波段的宽波段检测光的光谱分析。

具体来说，光源110可以提供宽带光入射待测样品160，其波段范围通常可以覆盖190nm~2200nm。常用的光源110可以包括卤素灯、氙灯、汞灯、贡氙灯、激光激发等离子体光源（Laser Driven Light Source，简称LDLS）、多色LED组合光源等。

进一步地，如图1A所示，在本发明的一些实施例中，光谱椭偏测量系统100还可以包括起偏器141。起偏器141可以设置于上述光源110与第一反射式投影物镜121之间，用于对光源110输出的光束进行偏振处理，以向第一反射式投影物镜121提供偏振态的入射光。

相对应地，如图1A所示，在第二反射式投影物镜122与探测器130之间，也可以设有对应的验偏器142，用于对第一反射式投影物镜121输出的反射光进行偏振处理，即检验出上述向第一反射式投影物镜121提供偏振态的入射光，并且以向探测器130提供反映了偏振态变化的反射光。

在此，在光学元件本身设置上，起偏器141和验偏器142均可选用洛匈棱镜、格兰汤普森棱镜等偏振分光棱镜，两者对称分布，且具有一致的偏振参数。在椭偏量测膜厚的原理上，起偏器141和验偏器142有且不限于上述两种类型，可以经由旋转偏振器椭圆偏振法（Rotaing-polarizer ellipsometry，RPE）和旋转分析仪椭圆偏振法（Roating-analyzerellipsometry，RAE）来进行滤光。如图1A所示，在本发明中，起偏器141和验偏器142中的至少一者可以被安装在绕光轴360°旋转的电机上。之后，起偏器141和验偏器142可以通过该电机旋转来进行相对旋转，并进行光谱偏振信号的采集。当电机以角速度ω进行旋转时，探测器130即可采集到如下的周期调制信号：

I(t)=I0·(1+αcos2ωt+βsin2ωt)

优选地，如图1A所示，为了减小光谱椭偏测量系统的体积，光谱椭偏测量系统100的光源110侧还可以设有反射式准直模组150。反射式准直模组150设置于光源110与起偏器141之间，可以由平面反射镜及球面反射镜组成。反射式准直模组150用于对光源110输出的发散光束进行准直处理。具体来说，可以参看图1A，反射式准直模组150可以由第一反射镜151和第二反射镜152组成，其中，第一反射镜151可以配置为平面反射镜，第二反射镜152可以配置为球面反射镜。光源110输出的发散光束，先由第一反射镜151反射至第二反射镜152，再经由该第二反射镜152将准直处理后获得的平行光束传输到起偏器141。相比于透镜式准直模组，上述反射式准直模组150可以使光源110发出的光束最大效率地耦合进入起偏器141中，从而增大光强，并提升光能的利用率。

之后，经过起偏器141后射出的偏振态的入射光通过第一反射式投影物镜121聚焦至待测样品160表面，形成特定大小的光斑。

具体来说，请先结合图1A和图1B共同参看，其中，图1B为图1A所示的光谱椭偏测量系统中的反射式投影物镜的局部放大图。

如图1B所示，第一反射式投影物镜121可以由凸面反射镜1212和带有通光孔1210的凹面反射镜1211组成。结合图1A共同参看，光谱椭偏测量系统100中，经过起偏器141射出的偏振态的入射光先经由通光孔1210穿过凹面反射镜1211，到达位于其前方的凸面反射镜1212，再由该凸面反射镜1212进行发散反射以返回凹面反射镜1211，之后再由该凹面反射镜1211进行会聚反射，从而光线会聚到第一反射式投影物镜121的焦点处。理想状态下，第一反射式投影物镜121的焦点在待测样品160上。

用于接收反射光的第二反射式投影物镜122与用于投影入射光的第一投影式反射物镜121对称设置于待测样品160两侧，且两者的结构相同，此处不再赘述。

进一步地，本发明可以根据待测样品160表面上设有符合其薄膜检测精确度的光斑的图形尺寸（例如：30um、40um、50um），调节反射式投影物镜121的位置和/或焦距，来使其实际聚焦到待测样品160表面上的SE聚焦衍射光斑尺寸与上述目标尺寸相对应。

具体来说，本发明可以先根据待测样品的图形尺寸（例如：30um、40um、50um）确定SE聚焦衍射光斑尺寸（例如：10.4um×20um、16.7um×26um、22.3um×41um）。由于待测样品160上聚焦的光斑尺寸与入射光锥角有关，因而可以根据待测样品160上光斑的目标尺寸，确定会聚到该待测样品160的表面的光束的入射光锥角。入射光锥角可以通过光学系统中的数值孔径（NA）来确定。具体来说，入射光锥角为入射至待测样品160的光束中心主光线与待测样品160法线之间的夹角，NA为反射式投影物镜的数值孔径。当数值孔径（NA）确定不变时，根据该入射光锥角，可以确定反射式投影物镜121的目标焦距f，f=1/（2*NA），并且可以根据该目标焦距，调节凸面反射镜122的位置、凹面反射镜121的位置，和/或凸面反射镜122与凹面反射镜121的间距。也就是说，根据SE聚焦光斑尺寸确定入射光锥角（例如：18.4°、12.4°、9.3°），根据获得的入射光锥角，确定反射式投影物镜的焦距f（例如：20、30、40），再根据反射式投影物镜的焦距，确定其中凸面反射镜和凹面反射镜的间隔（例如：115.42mm、98.03mm、89.33mm）。

可选地，本发明还可以调节第一反射式投影物镜121中的凹面反射镜1211和/或凸面反射镜1212各自的焦距，例如，选择合适的凹面反射镜1211和/或凸面反射镜1212，使其两者配置的组合焦距正好能够对应到待测样品160上。或者，也可以通过调节凹面反射镜1211与凸面反射镜1212之间的间距来调节自身焦距。也就是说，通过改变第一反射式投影物镜121的焦距值，从而改变投影物镜的数值孔径（NA），数值孔径（NA）的改变可以调整入射光锥角，从而调整投影在待测样品160上的光斑的图形尺寸。

进一步地，本发明可以通过电机来驱动凸面反射镜1212和/或凹面反射镜1211进行在线的位置调整，例如进行前后移动。并且，本发明还可以根据双反射镜焦距公式，精确调整第一反射式投影物镜121的焦距f。在此，/>为凸面反射镜1212的焦距，/>为凹面反射镜1211的焦距，d为凸面反射镜1212与凹面反射镜1211的间距。也就是说，通过改变凸面反射镜1212和凹面反射镜1211之间的间隔d，以及对应调整后到待测样品160表面的距离，可以实现焦距f的改变。

进一步地，第一反射式投影物镜121中的凸面反射镜1212及凹面反射镜1211中的至少一者还可以选为非球面反射镜。利用非球面反射镜更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正。例如，凸面反射镜1212及凹面反射镜1211都可以选用8阶偶次非球面。

为了更加清楚直观地介绍本发明提供上述光谱椭偏测量系统，请分别参看图2A和图2B，图2A示出了根据本发明的第一实施例所提供的光谱椭偏测量系统的调距过程的结构示意图，图2B示出了根据本发明的第二实施例所提供的光谱椭偏测量系统的调距过程的结构示意图。

首先，在图2A所示的第一实施例中，光谱椭偏测量系统200可以包括两组反射式投影物镜，分别为第一反射式投影物镜221和第二反射式投影物镜222。第一反射式投影物镜221和第二反射式投影物镜222为对称于待测样品160的两侧的一对相同的反射式镜头。

第一反射式投影物镜221位于光源210与待测样品160之间，用于根据待测样品160所需的光斑的目标尺寸，调节自身的第一位置和/或第一焦距，并根据该第一位置及该第一焦距，将入射光会聚到待测样品160的表面，以形成目标尺寸的光斑。

第二反射式投影物镜222位于待测样品160与探测器130之间，其第二位置及第二焦距跟随该第一反射式投影物镜221的第一位置及第一焦距同步联动。第二反射式投影物镜222可以作为反射式接收物镜，从待测样品160的表面获取光斑的反射光，并根据该第二位置及焦距对反射光进行准直处理。经过第二反射式投影物镜222形成平行光束进入验偏器242进行偏振处理，经过验偏器242后输出的偏振态变化的反射光的光强信号可以直接或聚焦进入探测器230。探测器230可以通过光的偏振态变化反演出待测样品160上的薄膜厚度的信息。

当第一反射式投影物镜221在移动其凹面反射镜2211和/或凸面反射镜2212进行焦距改变时，与之对称的另一侧的第二反射式投影物镜222可以同步进行凹面反射镜2221和凸面反射镜2222的位置移动。图2A中的光谱椭偏测量系统300、400为光谱椭偏测量系统200中的第一反射式投影物镜221和第二反射式投影物镜222调整至不同位置状态下的示意图。

请结合图2B共同参看，图2B为图2A所示的光谱椭偏测量系统的反射式投影物镜的局部放大图。如图2B所示，在光谱椭偏测量系统200、300、400中，其对应的第一反射式投影物镜221、321、421，第二反射式投影物镜222、322、422与待测样品160的位置距离越来越远，也就是说，反射式投影物镜对应的焦距在逐渐拉长。

第一反射式投影物镜221和第二反射式投影物镜222的各自的位置移动，在机械设计上可通过联动方式实现，但是这一工程实现相对复杂。

进一步地，为了降低上述第一实施例中的机械工程实现上的复杂度，本发明又提供了第二实施例，具体请参看图3A。在图3A所示的第二实施例中，光谱椭偏测量系统500主要包括光源510、反射式准直模组550（包括第一反射镜551、第二反射镜552）、起偏器541、分束片570、一组反射式投影物镜520、球面反射镜553、验偏器542和探测器530。

具体来说，如图3A所示，分束片570位于光源510与反射式投影物镜520之间，用于将光源510提供的偏振态的入射光传输到反射式投影物镜520，并将反射式投影物镜520输出的反射光传输到探测器530。球面反射镜553位于待测样品160输出反射光的一侧，其曲率半径等于其球心到达光斑的间距，用于将反射光经由待测样品160的表面原路反射回该反射式投影物镜520。球面反射镜553放置固定不动即可。

也就是说，通过合理设置球面反射镜553的口径大小，使得在反射式投影物镜520连续变焦的过程中，经过待测样品160反射的光束均能100%被球面反射镜553原路返回，达到分束片570。反射的光束经过分束片570，其中一部分光强被反射进入验偏器542，到达探测器530。

本发明提供的第二实施例，通过在待测样品160的输出反射光的一侧设置一个标准球面自准直反射镜，即球面反射镜553，简化了上述第一实施例中的设置于待测样品160的输出反射光的一侧的第二反射式投影物镜222的结构，因而只需要入射光侧一路的电机驱动该侧的反射式投影物镜520（包括凹面反射镜521和凸面反射镜522）进行移动即可实现连续变焦。

可以参看图3B，图3B为图3A所示的光谱椭偏测量系统在调节过程中的结构示意图。图3B中重点绘示了不同位置的反射式投影物镜所对应的入射光汇聚到待测样品160表面并经由球面反射镜反射的示意图，省略分束片反射光进入验偏器和探测器的光路。如图3B所示，光谱椭偏测量系统500可以包括组态1、组态2和组态3，明显组态1对应的反射式投影物镜520的焦距f，小于组态2对应的反射式投影物镜520的焦距f，小于组态3对应的反射式投影物镜520的焦距f。

接下来将结合上述介绍的光谱椭偏测量系统来介绍本发明的第二方面提供的光谱椭偏测量方法。请参看图4，图4示出了根据本发明的另一些实施例所提供的一种光谱椭偏测量方法的流程示意图。本实施例中的光谱椭偏测量方法首先包括步骤S410：向反射式投影物镜提供偏振态的入射光。

以图2A为例，通过光源210提供宽带光入射待测样品160，其波段范围可覆盖190nm-2200nm。常用的光源210可以包含卤素灯、氙灯、汞灯、贡氙灯、激光激发等离子体光源（LDLS）、多色LED组合光源等。

此外，本实施例中的光谱椭偏测量方法还包括步骤S420：根据目标尺寸，调节反射式投影物镜的位置和/或焦距。

根据待测样品160表面上设有符合其薄膜检测精确度的光斑的目标图形尺寸，调节反射式投影物镜121的位置和/或焦距，来使其实际聚焦到待测样品160表面上的光斑与上述目标尺寸一致。

电机驱动传动机构带动反射式投影物镜中的凸面反射镜和/或凹面反射镜前后移动，从而实现多个焦距值。如图2A所示，光谱椭偏测量系统200、300、400中的反射式投影物镜220、320、420的焦距分别调整为f1=20mm，f2=30mm，f3=40mm。

为了更简便地介绍上述3种不同反射式投影物镜焦距状态，可以将反射式投影物镜220中凸面反射镜和凹面反射镜所处的位置称为组态1，反射式投影物镜320中凸面反射镜和凹面反射镜所处的位置称为组态2、反射式投影物镜420中凸面反射镜和凹面反射镜所处的位置称为组态3。在上述3种情况下的整个变焦过程，光束入瞳孔径不发生改变。

此外，本实施例中的光谱椭偏测量方法还包括步骤S430：经由位于位置及具有焦距的反射式投影物镜，将入射光会聚到待测样品的表面，以形成目标尺寸的光斑。

理想反射式物镜成像质量下，影响投影在待测样品上光斑大小的因素包括几何光斑和衍射光斑两部分，其中，几何光斑与光源的反射式准直模组（包括第一反射镜、第二反射镜）的焦距f1，和反射式投影物镜的焦距f2有关。

具体来说，请参看图5A，图5A示出了根据本发明的一些实施例所提供的入射光束的光路示意图。

假定光源10处光斑尺寸为椭圆小孔，该椭圆小孔的长轴y，短轴x，则待测样品上的几何尺寸、/>，以及衍射尺寸/>、/>分别为：

其中，为入射至待测样品160的光束中心主光线与待测样品160法线之间的夹角，NA为反射式投影物镜的数值孔径，入瞳孔径确定不变时，反射式投影物镜的焦距f，f=1/（2*NA）。此外，可以参看图5A中部分所示的待测样品上会聚的光斑示意图。

举例来说，如图5B所示，图5B示出了根据本发明的一些实施例所提供的在三个不同的变焦组态下的待测样品上的光斑尺寸示意图。光谱椭偏测量系统的光源处光斑尺寸若采用100um×34um的椭圆小孔，且采用三种变焦的反射式投影物镜，其焦距分别为f=20mm、f=30mm、f=40mm，投影到待测样品160上的光斑尺寸所对应的几何尺寸分别为12um×12.7um、16.6um×20.6um、23.4um×22.1um。待测样品上光斑的衍射尺寸在焦距f=20mm，f=30mm，f=40mm下的衍射光斑半径尺寸分别为：10.4×20um、16.7×26um、22.3×41um。结合图5B，焦距分别为20mm、30mm、40mm的组态1、组态2和组态3所对应的待测样品上会聚的光斑逐渐增大，与上述3种组态中的几何尺寸与衍射尺寸对应。

进一步地，可以参看图6A~6C，图6A示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为20mm时的待测样品上的光斑聚焦点列图，图6B示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为30mm时的待测样品上的光斑聚焦点列图，图6C示出了根据本发明的反射式投影物镜的焦距为40mm时的待测样品上的光斑聚焦点列图。

图6A~6C分别表示三个变焦组态（f=20、30、40mm）时，反射式投影物镜的成像质量均达到了衍射极限。图中3×3是9个视场点的聚焦弥散斑尺寸示意图，黑色圆圈表示衍射极限的光斑尺寸大小，光斑的尺寸均远远小于衍射极限光斑尺寸。图中灰色点落入黑色圈框内，即表示成像质量达到了衍射极限，完善成像。本发明中的优势在于在变焦过程中，成像质量都能保持很好的性能。

进一步可以参看图7A、7B，图8A、8B，图9A、9B，分别表示在不同焦距（f=20、30、40mm）下X方向和Y方向的光斑衍射光斑尺寸的示意图（X方向和Y方向，即长轴和短轴）。在图7A、7B~图9A、9B中，横坐标表示弥散斑半径，纵坐标表示能量集中度。衡量光斑的尺寸以能量集中度在99%以内所对应的弥散斑半径为准。

针对不同图形尺寸的待测样品进行量测，从而可以在线灵活调整光斑的大小，平衡光斑大小尺寸与环境所致焦面灵敏度的矛盾，从而提升系统量测的精确度的水平。

进一步地，想要获取连续多个焦距下反射式投影物镜的成像质量也能达到衍射极限。反射式投影物镜中的凸面反射镜和凹面反射镜优选采用非球面设计。例如，凸面反射镜、凹面反射镜可以分别选用8阶偶次非球面矢高方程为：

其中，R为曲率半径，c为非球面近轴的曲率，c=1/r，k为圆锥系数，a1~a8分别为非球面第2阶系数、第4阶系数、第6阶系数、第8阶系数、第10阶系数、第12阶系数、第14阶系数、第16阶系数。在本实施例中，凸面反射镜和凹面反射镜所对应的上述非球面矢高方程中的各项参数中的部分具体可以如下表1所示：

表1

本领域的技术人员可以理解，上述基于将反射式投影物镜中的凸面反射镜和凹面反射镜选用8阶偶次非球面的方案，只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据这个思路将凸面反射镜和凹面反射镜拓展至为低阶或更高阶的非球面、自由曲面等，也可以将其中一个镜片设置为球面反射镜或圆锥曲面，另一个镜片设置为低阶或高阶的非球面、自由曲面。

此外，本实施例中的光谱椭偏测量方法还包括步骤S440：经由位于对应位置及具有焦距的反射式投影物镜，从待测样品的表面获取光斑的反射光，并对反射光进行准直处理，以及步骤S450：将反射式投影物镜输出的反射光传输到探测器，以根据反射光的偏振态参数确定待测样品表面的薄膜厚度。该步骤S440及步骤S450的具体实施方式已在上述光谱椭偏测量系统的实施例中详细描述，在此不做赘述。

此外，根据本发明的第三方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。请结合参看图10A及图10B，图10A及图10B分别示出了适用于本发明的一些实施例所提供电机控制的示意图。

在图1A及图10A所示的实施例中，包含对称设置的两个反射式投影物镜121、122的光谱椭偏测量系统100中还可以优选地配置有计算机1000。该计算机1000中配置有本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，并分别通信连接一个或多个驱动装置（例如：电机1001）及探测器130。在实施本发明的第二方面提供的上述光谱椭偏测量方法时，计算机1000可以读取并执行该计算机可读存储介质中存储的计算机指令，经由电机1001分别调节各反射式投影物镜121及122中凸面反射镜的位置、凹面反射镜的位置，和/或凸面反射镜与凹面反射镜的间距，以调节各反射式投影物镜121及122的位置和/或焦距，从而将入射光会聚到待测样品160的表面，以形成目标尺寸的光斑，之后再从待测样品160的表面获取光斑的反射光，并对该反射光进行准直处理。此外，计算机1000还可以读取并执行该计算机可读存储介质中存储的计算机指令，控制探测器130根据反射光的偏振态参数，确定待测样品160表面的薄膜厚度。

类似地，在图3A及图10B所示的实施例中，仅包含一个反射式投影物镜520的光谱椭偏测量系统500中也可以优选地配置有计算机1100。该计算机1100中配置有本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，并分别通信连接一个或多个驱动装置（例如：电机1101）及探测器530。在实施本发明的第二方面提供的上述光谱椭偏测量方法时，计算机1100可以读取并执行该计算机可读存储介质中存储的计算机指令，经由电机1101调节反射式投影物镜520中凸面反射镜的位置、凹面反射镜的位置，和/或凸面反射镜与凹面反射镜的间距，以调节反射式投影物镜520的位置和/或焦距，从而将入射光会聚到待测样品160的表面，以形成目标尺寸的光斑，之后再从待测样品160的表面获取光斑的反射光，并对该反射光进行准直处理。此外，计算机1100还可以读取并执行该计算机可读存储介质中存储的计算机指令，控制探测器530根据反射光的偏振态参数，确定待测样品160表面的薄膜厚度。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

综上所述，本发明提供了一种光谱椭偏测量系统和一种光谱椭偏测量方法，以及一种计算机可读存储介质，不仅能够根据晶圆的图形尺寸，在线调节聚焦到晶圆表面的光斑尺寸大小，从而准确测量出晶圆表面的薄膜厚度，而且此测量过程不损耗光强，提高了光能的利用率。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (12)

1.一种光谱椭偏测量系统，其特征在于，包括：

光源，用于提供偏振态的入射光；

至少一组反射式投影物镜，由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，其中，所述入射光经由所述通光孔穿过所述凹面反射镜以到达所述凸面反射镜，由所述凸面反射镜进行发散反射以返回所述凹面反射镜，再由所述凹面反射镜进行会聚反射以会聚到所述反射式投影物镜的焦点，所述反射式投影物镜通过调节所述凸面反射镜与所述凹面反射镜的间距来调节自身焦距，并被配置为：根据目标尺寸，调节自身的位置和焦距；根据所述位置及所述焦距，将所述入射光会聚到待测样品的表面，以形成所述目标尺寸的光斑；以及从所述待测样品的表面获取所述光斑的反射光，并根据所述位置及所述焦距对所述反射光进行准直处理；以及

探测器，获取所述反射式投影物镜输出的反射光，并根据所述反射光的偏振态参数确定所述待测样品表面的薄膜厚度。

2.如权利要求1所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括起偏器，其中，所述起偏器位于所述光源与所述反射式投影物镜之间，用于对所述光源输出的光束进行偏振处理，以向所述反射式投影物镜提供所述偏振态的入射光。

3.如权利要求2所述光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括验偏器，其中，所述验偏器位于所述反射式投影物镜与所述探测器之间，用于对所述反射式投影物镜输出的反射光进行偏振处理，以向所述探测器提供反映了偏振态变化的反射光。

4.如权利要求2所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括反射式准直模组，其中，所述反射式准直模组由平面反射镜及球面反射镜组成，并位于所述光源与所述起偏器之间，用于对所述光源输出的发散光束进行准直处理，并将准直获得的平行光束传输到所述起偏器。

5.如权利要求1所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述反射式投影物镜的焦距，其中，/>为所述凸面反射镜的焦距，/>为所述凹面反射镜的焦距，/>为所述凸面反射镜与所述凹面反射镜的间距。

6.如权利要求1所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述凸面反射镜及所述凹面反射镜中的至少一者为非球面反射镜。

7.如权利要求1所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述根据目标尺寸调节自身的位置和焦距的步骤包括：

根据待测样品的图形尺寸，确定所述光斑的目标尺寸；

根据所述目标尺寸，确定会聚到所述待测样品的表面的光束的入射光锥角；

根据所述入射光锥角，确定所述反射式投影物镜的目标焦距；以及

根据所述目标焦距，调节所述凸面反射镜的位置、所述凹面反射镜的位置，以及所述凸面反射镜与所述凹面反射镜的间距。

8.如权利要求7所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括驱动装置，其中，所述驱动装置分别连接所述凸面反射镜及所述凹面反射镜，用于根据所述目标焦距，调节所述凸面反射镜的位置、所述凹面反射镜的位置，以及所述凸面反射镜与所述凹面反射镜的间距。

9.如权利要求1~8中任一项所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述光谱椭偏测量系统包括对称设置的两组所述反射式投影物镜，其中，

第一反射式投影物镜位于所述光源与所述待测样品之间，用于根据所述目标尺寸调节自身的第一位置和第一焦距，并根据所述第一位置及所述第一焦距，将所述入射光会聚到所述待测样品的表面，以形成所述目标尺寸的光斑；

第二反射式投影物镜位于所述待测样品与所述探测器之间，其第二位置及第二焦距跟随所述第一反射式投影物镜的第一位置及第一焦距同步联动，用于从所述待测样品的表面获取所述光斑的反射光，并根据所述二位置及所述焦距对所述反射光进行准直处理。

10.如权利要求1~8中任一项所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述光谱椭偏测量系统包括一组所述反射式投影物镜、分束片及球面反射镜，其中，

所述分束片位于所述光源与所述反射式投影物镜之间，用于将所述光源提供的所述偏振态的入射光传输到所述反射式投影物镜，并将所述反射式投影物镜输出的反射光传输到所述探测器，

所述球面反射镜位于所述待测样品输出所述反射光的一侧，其曲率半径等于其球心到达所述光斑的间距，用于将所述反射光经由所述待测样品的表面原路反射回所述反射式投影物镜。

11.一种光谱椭偏测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

向反射式投影物镜提供偏振态的入射光，其中，所述反射式投影物镜由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，所述入射光经由所述通光孔穿过所述凹面反射镜以到达所述凸面反射镜，由所述凸面反射镜进行发散反射以返回所述凹面反射镜，再由所述凹面反射镜进行会聚反射以会聚到所述反射式投影物镜的焦点；

根据目标尺寸，调节所述反射式投影物镜的位置和焦距，其中，所述反射式投影物镜通过调节所述凸面反射镜与所述凹面反射镜的间距来调节自身焦距；

经由位于所述位置及具有所述焦距的反射式投影物镜，将所述入射光会聚到待测样品的表面，以形成所述目标尺寸的光斑；

经由位于对应位置及具有所述焦距的反射式投影物镜，从所述待测样品的表面获取所述光斑的反射光，并对所述反射光进行准直处理；以及

将所述反射式投影物镜输出的反射光传输到探测器，以根据所述反射光的偏振态参数，确定所述待测样品表面的薄膜厚度。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，实施如权利要求11所述的光谱椭偏测量方法。