CN220649786U - 一种光谱椭偏装置和光谱椭偏测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光谱椭偏装置和测量系统。光谱椭偏装置包括：光源；第一光谱仪模块包括偏转放置的第一镜片，第一镜片为凹面镜，其上设有分色薄膜，用于接收入射光，向第一方向反射入射光中的第一波长光束，并沿第二方向透射入射光中的第二波长光束，第一波长光束被转换为第一电信号输出；光阑模组设于光源和第一光谱仪模块之间，用于限制入射光直径；以及第二光谱仪模块包括第二镜片，第二镜片为反射镜，用于接收透射出的第二波长光束并将其反射，第二镜片和第一镜片均位于光阑模组同侧，且第一镜片位于光阑模组第一侧，第二镜片位于第一镜片第一侧，以使第一波长光束和第二波长光束共用同一段焦距，第二波长光束转被换为第二电信号输出。

Description

一种光谱椭偏装置和光谱椭偏测量系统

技术领域

本实用新型涉及光学测量技术领域，具体涉及了一种光谱椭偏装置，以及一种光谱椭偏测量系统。

背景技术

集成半导体器件的制作工艺过程中，通常需堆叠不同材料的多层膜，尤其是越来越多的非易失性存储器芯片(例如：3D NAND、DRAM芯片)的膜层数量越来越多。这导致传统采用紫外波段到可见光波段的非接触式膜厚测量仪无法再量测超厚的膜层信息。

传统的膜厚量测设备能测量的厚度范围通常在之间，这主要是受限于传统椭偏仪的工作波段通常在190nm～900nm之间。若想要量测更厚的膜层，则需要进一步扩宽光谱椭偏仪的波段范围，例如将其扩宽到190nm～2500nm。更宽波段的光谱椭偏仪在光学系统上，由于波段范围进一步扩宽后，后端起光谱色散作用的光谱仪由原来的一个紫外可见光谱仪升级为一个紫外可见光谱仪组合一个近红外光谱仪，即紫外可见光谱仪获取190nm～900nm光谱椭偏的信息，近红外光谱仪获取900nm～2500nm的光谱椭偏信息。

但是，现有技术中，在后端光谱仪的空间布局上，是由两种光学结构的光谱仪系统构成，并且每个光谱仪系统的所占空间都包括从初始获取光束到最终输出电信号的整个空间结构，这就使得光谱仪系统整体空间体积较大，并且由于多新增分色作用的光学元件，还会使得光学系统的效率有所降低。

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技术，能够扩宽光谱椭偏仪的波段，并且整体结构更为紧凑、小型化，提高光学系统效率，从而能够提升光学信噪比，保证膜厚量测的准确度。

实用新型内容

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，本实用新型提供了一种光谱椭偏装置，以及一种光谱椭偏测量系统，能够扩宽光谱椭偏仪的波段，并且整体结构更为紧凑小型化，提高光学系统效率，从而能够提升光学信噪比，保证膜厚量测的准确度。

具体来说，根据本实用新型的第一方面提供的上述光谱椭偏装置，包括：光源，用于提供入射光；第一光谱仪模块，包括偏转放置的第一镜片，所述第一镜片为凹面镜，其上设有分色薄膜，所述第一镜片用于接收所述入射光，向第一方向反射所述入射光中的第一波长光束，并沿第二方向透射所述入射光中的第二波长光束，所述第一波长光束被转换为第一电信号输出；光阑模组，设置于所述光源和所述第一光谱仪模块之间，用于限制所述入射光的直径；以及第二光谱仪模块，包括第二镜片，所述第二镜片为反射镜，用于接收透射出的所述第二波长光束并将其反射，其中，所述第二镜片和所述第一镜片均位于所述光阑模组的同侧，并且所述第一镜片位于所述光阑模组的第一侧，所述第二镜片位于所述第一镜片的所述第一侧，以使所述反射的第一波长光束和所述透射的第二波长光束共用同一段焦距，所述第二波长光束转被换为第二电信号输出。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述第一光谱仪模块包括第一交叉型光谱仪，所述第一交叉型光谱仪包括：第一光栅，设置于所述第一镜片的第三方向，用于接收所述第一镜片反射出的所述第一波长光束，并将所述第一波长光束色散反射到第一凹面镜；所述第一凹面镜，设置于所述第一光栅的反向，用于接收所述第一波长光束对应的色散后的第一平行光，并将所述第一平行光反射聚焦到第一光电探测器；以及所述第一光电探测器，接收所述第一平行光并将其转换为所述第一电信号输出。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述第一光谱仪模块包括第一对称型光谱仪，所述第一对称型光谱仪包括：第一光栅，设置于所述第一镜片的第三方向，用于接收所述第一镜片反射出的所述第一波长光束，并将所述第一波长光束色散反射到第一凹面镜；所述第一凹面镜，设置于所述第一光栅的同向，用于接收所述第一波长光束对应的色散后的第一平行光，并将所述第一平行光反射聚焦到第一光电探测器；以及所述第一光电探测器，接收所述第一平行光并将其转换为所述第一电信号输出。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述第二光谱仪模块包括第二交叉型光谱仪，所述第二交叉型光谱仪包括：所述第二镜片，与所述第一镜片同相偏转或反相偏转放置，用于接收所述第二镜片透射出的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束反射到第二光栅；所述第二光栅，设置于所述第二镜片的第三方向或第四方向，用于接收反射的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束色散反射到第二凹面镜；所述第二凹面镜，设置于所述第二光栅的反向，用于接收所述第二波长光束对应的色散后的第二平行光，并将所述第二平行光反射聚焦到第二光电探测器；以及所述第二光电探测器，接收所述第二平行光并将其转换为所述第二电信号输出。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述第二光谱仪模块包括第二对称型光谱仪，所述第二对称型光谱仪包括：所述第二镜片，与所述第一镜片同相偏转或反相偏转放置，用于接收所述第一镜片透射出的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束反射到第二光栅；所述第二光栅，设置于所述第二镜片的第三方向或第四方向，用于接收反射的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束色散反射到第二凹面镜；所述第二凹面镜，设置于所述第二光栅的同向，用于接收所述第二波长光束对应的色散后的第二平行光，并将所述第二平行光反射聚焦到第二光电探测器；以及所述第二光电探测器，接收所述第二平行光并将其转换为所述第二电信号输出。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，还包括第三凹面镜，设置于所述光源和所述光阑模组之间，用于反射并聚焦所述入射光。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，第一波长光束为紫外光束，其波段范围在190nm～900nm，所述第二波长光束为红外光束，其波段波范围在1000nm～2500nm。

此外，根据本实用新型的第二方面提供的上述光谱椭偏测量系统，包括：光源准直模组，用以接收光源发出的光束；起偏器，设置于所述光源准直模组和所述投影物镜之间，用于对所述光源输出的光束进行偏振处理，以向投影物镜提供偏振态的入射光；所述投影物镜，用以将所述偏振态的入射光会聚到晶圆表面的薄膜上；接收物镜，用于接收从所述晶圆表面反射出的反射光；验偏器，设置于所述接收物镜和光谱椭偏装置之间，用于对所述接收物镜输出的反射光进行偏振处理，以向所述光谱椭偏装置提供反映偏振态变化的反射光；以及本实用新型第一方面所述的光谱椭偏装置，获取所述反映偏振态变化的反射光，并将其转换为电信号输出，以确定所述晶圆表面的薄膜厚度。

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，能够更好地理解本实用新型的上述特征和优点。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1示出了现有技术中的光谱椭偏装置的结构框图；

图2示出了根据本实用新型的一些实施例所提供的一种光谱椭偏装置的结构框图；

图3A示出了根据本实用新型的第一实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图3B示出了根据本实用新型的第二实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图4A示出了根据本实用新型的第三实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图4B示出了根据本实用新型的第四实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图5A示出了根据本实用新型的第五实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图5B示出了根据本实用新型的第六实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图6A示出了根据本实用新型的第七实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；

图6B示出了根据本实用新型的第八实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图；以及

图7示出了根据本实用新型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。

附图标记：

10、100 光谱椭偏装置；

101 第一光谱仪；

110 第一光谱仪结构；

111 第一镜片；

112 第一光栅；

113 第一凹面镜；

114 第一光电探测器；

102 第二光谱仪；

120 第二光谱仪结构；

121 第二镜片；

122 第二光栅；

123 第二凹面镜；

124 第二光电探测器；

103、130 光阑模组；

104 分色片；

150 光源；

160 第一波长光束；

161 第一平行光；

170 第二波长光束；

171 第二平行光；

180 入射光；

700 光谱椭偏测量系统；

710 光源；

711 第一反射镜；

712 第二反射镜；

720 起偏器；

730 投影物镜

740 接收物镜；

750 验偏器；

760 第三凹面镜；

770 晶圆。

具体实施方式

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

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

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实用新型的限制。

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实用新型一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

如上所述，现有技术中，在后端光谱仪的空间布局上，是由两种光学结构的光谱仪结构构成。具体请参看图1，图1示出了现有技术中的光谱椭偏装置的结构框图。如图1所示，在现有的技术方案中，光谱椭偏装置10一般以光阑模组103为起始，光电探测器(Chargecoupled Device，简称为CCD)等感光面为终止。光束从光阑模组103到分色片104这段光路是共用的，光束在分色片104处一部分反射进入第一光谱仪101，一部分透射进入第二光谱仪102。第一部分的光谱仪结构由光阑模组103、分色片104，以及第一光谱仪101组成；第二部分的光谱仪结构由光阑模组103、分色片104，以及第二光谱仪102组成，这导致整个光谱椭偏装置10的体积较大。

上述现有技术中的技术方案中，两个光谱仪结构从光阑模组103处就开始分为两条独立的光路结构，并且每条光路中都分别存在一个反射镜和一个光栅，在空间尺寸上不够紧凑，不仅使得光谱仪系统整体空间体积较大，而且在仪器装调上，需要对两个部分的光谱仪分别独立进行光路装调，增大了系统的装调难度，提升了维护的复杂度，并且由于两个部分的光谱仪光路中新增了一个光学元器件分色片104，相比原来的光学系统本身(对单独某一路而言)，致使光学系统效率有所降低，从而降低了光学信噪比，影响膜厚量测的准确度。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种光谱椭偏装置，以及一种光谱椭偏测量系统，能够扩宽光谱椭偏仪的波段，并且整体结构更为紧凑小型化，提高光学系统效率，从而能够提升光学信噪比，保证膜厚量测的准确度。

在一些非限制性的实施例中，本实用新型的第一方面提供的上述光谱椭偏装置可以配置于由本实用新型的第二方面提供的上述光谱椭偏测量系统中。

以下将结合一些光谱椭偏装置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，这些光谱椭偏装置的实施例只是本实用新型提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本实用新型的主要构思，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实用新型提供的一种非限制性的实施方式，不对光谱椭偏装置的配置主体构成限制。

请参看图2，图2示出了根据本实用新型的一些实施例所提供的一种光谱椭偏装置的结构框图。

如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，光谱椭偏装置100主要可以包括：光源150，用于提供入射光；光阑模组130，设置于光源150和第一光谱仪模块119之间，用于限制入射光的直径；第一光谱仪结构110和第二光谱仪结构120均设置于光阑模组130的同侧，并且第一光谱仪结构110可以位于光阑模组130的第一侧(例如，右侧)，第二光谱仪结构120也可以位于第一光谱仪结构110的第一侧(例如，右侧)。具体来说，可以结合图3A，图3A示出了根据本实用新型的第一实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

结合图2和图3A所示，第一光谱仪结构110中包括可以偏转放置的第一镜片111，第一镜片111为凹面镜，且其上设有特殊设计的光学薄膜，用以对不同波长的光线进行分色，从而可以使全波段的光谱经过第一镜片111后，实现不同波段的分光。在本实施例中，第一镜片111可以用于接收从光源150输出的入射光180，向第一方向反射入射光180中的第一波长光束160，并沿第二方向透射入射光180中的第二波长光束170，之后第一波长光束160可以被转换为第一电信号输出。可选地，第一波长光束160可以为紫外光束，其波段范围可以在190nm～900nm，第二波长光束170可以为红外光束，其波段波范围可以在1000nm～2500nm，以使光谱椭偏装置100具有更宽阔的波段范围，从而得以用于量测更厚的膜层。

上述凹面结构的第一镜片111可以准直或聚焦向第一方向反射的第一波长光束160，使其形成平行光线反射。相较于常见的普通的二向色分光器，本实施例中的具有分色薄膜的呈凹面结构的第一镜片111，不仅可以反射光线，还可以聚焦光线。本实用新型的实施例中，通过使用多功能的最小化元件，不仅可以有利于光谱椭偏装置100的整体体积的小型化，而且有利于提高光学系统效率。

进一步地，如图2所示，在一些可选的实施例中，光阑模组130可以选用狭缝，通过入射狭缝可以得到相干性较好的平行光源，可以提升光谱椭偏装置100的分辨率。可选地，在一些其他的实施例中，光阑模组130也可以包括圆形光阑，形成具有圆形的光斑的光束，从而进一步优化光斑质量。

在一些优选的实施例中，光谱椭偏装置100中还可以包括第三凹面镜(图2和图3A中未绘示出)。当光源150输出的光束方向和光阑模组130接收的光束方向不同时，可以将第三凹面镜设置于光源150和光阑模组130之间，用于进一步反射并聚焦光源150发出的入射光180。

请继续结合图2和图3A所示，光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120中可以包括第二镜片121，第二镜片可以为反射镜。例如，切换反射镜(Flip Mirror)，可以通过电机驱动切换反射镜进行运动切入/切出光路。第二镜片121可以实现将光路单独引导至其中一个光谱仪系统。在本实施例中，第二镜片121可以用于接收透射出的第二波长光束170并将其反射，其中，第二光谱仪结构120中的第二镜片121与第一光谱仪结构110中的第一镜片111均位于光阑模组130的同侧，并且第一镜片111可以位于光源150的第一侧(例如，右侧)，第二镜片121位于第一镜片111的第一侧(例如，右侧)，以使反射的第一波长光束160和透射的第二波长光束170可以共用同一段焦距。之后，第二波长光束170可以转被换为第二电信号输出。

本领域的技术人员可以理解，上述图3A中所呈现的沿第二方向透射出的第二波长光束170与入射光180之间不一定为一条直线，在实际过程中，经过第一镜片111之后的第二波长光束170可能会发生偏转。图3A所示的实施例只是本实用新型提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本实用新型的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本实用新型的保护范围。

结合图2和图3A所示，在本实用新型中，第一部分的光谱仪结构可以包括光阑模组130和第一光谱仪结构110，第二部分的光谱仪结构可以包括光阑模组130和第二光谱仪结构120。由于在第一部分的光谱仪结构中，从光阑模组130直至第一镜片111的这一段光路，同样也属于第二部分的光谱仪结构中的光阑模组130直至其第二镜片121的光路，因此可以理解为，第二部分的光谱仪结构的体积中包含了一部分第一部分的光谱仪结构的体积，采用了集成式的超宽波段光谱仪结构，将原本互相独立的两路的装调，通过共用一部分焦距，缩减为一路装调，即在空间布局上缩减了光学元件的使用，进而大大缩减了空间尺寸，因此不仅可以使最终的集成式的光谱椭偏装置100的体积变得更为紧凑，实现空间结构的小型化，而且还降低了系统的装调难度和复杂度，也降低了维护过程的复杂度。

请继续参看图3A，可选地，在本实用新型的第一实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中可以包括第一交叉型光谱仪。具体来说，第一交叉型光谱仪可以包括：第一光栅112，设置于第一镜片111(例如，凹面分色片)的第三方向(例如，第一镜片111的斜上方)，用于接收第一镜片111反射出的第一波长光束160，并将第一波长光束160色散反射到第一凹面镜113。第一交叉型光谱仪中的第一凹面镜113可以设置于第一光栅112的反向。例如，以第一镜片111为标准，第一光栅112位于第一镜片111的一侧，第一凹面镜113可以设置于与第一光栅112相对的第一镜片111的另一侧，即第一凹面镜113可以设置于第一镜片111的斜下方，用于接收第一波长光束160对应的色散后的第一平行光161，并将第一平行光161反射聚焦到第一光电探测器114。第一光电探测器114可以接收第一平行光161并将其转换为第一电信号输出。

进一步地，继续参看图3A，在本实用新型的第一实施例中，光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120中可以包括第二交叉型光谱仪。具体来说，第二交叉型光谱仪可以包括：第二镜片121，与第一光谱仪结构110中的第一镜片111同相偏转放置(例如，第二镜片121和第一镜片111都可以按照顺时针旋转某一锐角角度)。第二镜片121可以用于接收第一镜片111透射出的第二波长光束170，并将第二波长光束170反射到第二光栅122。第二光栅122可以设置于第二镜片121的第三方向(例如，第三方向可以为第二镜片121的斜上方)，用于接收反射的第二波长光束170，并将第二波长光束170色散反射到第二凹面镜123。进一步地，当第二镜片121为准直凹面结构时，可以将第二波长光束170反射、准直为平行光入射至第二光栅122。第二凹面镜123可以设置于第二光栅122的反向(例如，以第二镜片121为标准，第二光栅122位于第二镜片121的一侧，第二凹面镜123可以设置于与第二光栅122相对的第二镜片121的另一侧，即第二凹面镜123可以设置于第二镜片121的斜下方)，用于接收第二波长光束170对应的色散后的第二平行光171，并将第二平行光171反射聚焦到第二光电探测器124。第二光电探测器124可以接收第二平行光171并将其转换为第二电信号输出。

可选地，请参看图3B，图3B示出了根据本实用新型的第二实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图3B所示，在本实用新型的第二实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中可以包括第一交叉型光谱仪，其结构与上述第一实施例中相同，此处就不再赘述。光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120选用的第二交叉型光谱仪，其中，第二镜片121可以与第一镜片111反相偏转放置。可以理解为，第二实施例中的第二光谱仪结构120相较第一实施例中的第二光谱仪结构120沿着水平方向进行了180度翻转。

具体来说，第二交叉型光谱仪可以包括：第二镜片121，与第一光谱仪结构110中的第一镜片111反相偏转放置(例如，第一镜片111按照顺时针旋转某一锐角，而第二镜片121可以按照逆时针旋转某一锐角)。第二镜片121可以用于接收第一镜片111透射出的第二波长光束170，并将第二波长光束170反射到第二光栅122。第二光栅122可以设置于第二镜片121的第四方向(例如，第四方向可以为第二镜片121的斜下方，用于接收反射的第二波长光束170，并将第二波长光束170色散反射到第二凹面镜123)。进一步地，当第二镜片121为准直凹面结构时，可以将第二波长光束170反射、准直为平行光入射至第二光栅122。第二凹面镜123可以设置于第二光栅122的反向(例如，以第二镜片121为标准，第二光栅12位于第二镜片121的一侧，第二凹面镜123可以设置于与第二光栅122相对的第二镜片121的另一侧，即第二凹面镜123可以设置于第二镜片121的斜上方)，用于接收第二波长光束170对应的色散后的第二平行光171，并将第二平行光171反射聚焦到第二光电探测器124。第二光电探测器124可以接收第二平行光171并将其转换为第二电信号输出。

上述第一实施例和第二实施例中的光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110和第二光谱仪结构120中均选用了交叉型光谱仪，由于其具有交叉型的光路，通常体积较小，可以适用于安装到空间有限的设备结构(例如，光谱椭偏测量系统)中。进一步地，第一实施例中方案的优点在于可以实现两个光电探测器(第一光电探测器114和第二光电探测器124)在同一平面的结构设计，有利于光机电设计。第二实施例的方案的优点在于光机设计自由度较高，且各元件不易互相干涉。技术人员可以根据配置主体的实际空间位置，选择第一实施例中的光谱椭偏装置100结构或第二实施例中的光谱椭偏装置100结构进行安装。

但是，由于上述两个实施例中的交叉型光谱仪中的各元件较为紧凑，从而可能造成调试受限，杂散光不易规避的问题，对此，可以参看图4A，图4A示出了根据本实用新型的第三实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图4A所示，在本实用新型的第三实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110可以继续包括第一交叉型光谱仪，其结构与上述第一实施例中相同，此处就不再赘述。光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120中可以包括第二对称型光谱仪。

具体来说，第二对称型光谱仪可以包括：第二镜片121，与第一光谱仪结构110中的第一镜片111同相偏转放置(例如，第二镜片121和第一镜片111都可以按照顺时针旋转某一锐角角度)。第二镜片121可以用于接收第一镜片111透射出的第二波长光束170，并将第二波长光束170反射到第二光栅122。第二光栅122可以设置于第二镜片121的第三方向(例如，第三方向可以为第二镜片121的斜上方)，用于接收反射的第二波长光束170，并将第二波长光束170色散反射到第二凹面镜123。进一步地，当第二镜片121为准直凹面结构时，可以将第二波长光束170反射、准直为平行光入射至第二光栅122。第二凹面镜123可以设置于第二光栅122的同向(例如，以第二镜片121为标准，第二光栅122位于第二镜片121的一侧，第二凹面镜123可以设置于与第二光栅122同侧，即第二凹面镜123可以设置于第二镜片121的左右方向上另一侧的斜上方)，用于接收第二波长光束170对应的色散后的第二平行光171，并将第二平行光171反射聚焦到第二光电探测器124。第二光电探测器124可以接收第二平行光171并将其转换为第二电信号输出。

可选地，还可以参看图4B，图4B示出了根据本实用新型的第四实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图4B所示，在本实用新型的第四实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110可以继续包括第一交叉型光谱仪，其结构与上述第一实施例中相同，此处就不再赘述。光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120选用的第二对称型光谱仪，其中，第二镜片121可以与第一镜片111反相偏转放置。可以理解为，第四实施例中的第二光谱仪结构120相较第三实施例中的第二光谱仪结构120沿着水平方向进行了180度翻转。

具体来说，第二对称型光谱仪可以包括：第二镜片121，与第一光谱仪结构110中的第一镜片111反相偏转放置(例如，第一镜片111按照顺时针旋转某一锐角，而第二镜片121可以按照逆时针旋转某一锐角)。第二镜片121可以用于接收第一镜片111透射出的第二波长光束170，并将第二波长光束170反射到第二光栅122。第二光栅122可以设置于第二镜片121的第四方向(例如，第四方向可以为第二镜片121的斜下方，用于接收反射的第二波长光束170，并将第二波长光束170色散反射到第二凹面镜123)。进一步地，当第二镜片121为准直凹面结构时，可以将第二波长光束170反射、准直为平行光入射至第二光栅122。第二凹面镜123可以设置于第二光栅122的反向(例如，以第二镜片121为标准，第二光栅122位于第二镜片121的一侧，第二凹面镜123可以设置于与第二光栅122同侧，即第二凹面镜123可以设置于第二镜片121的左右方向上另一侧的斜下方)，用于接收第二波长光束170对应的色散后的第二平行光171，并将第二平行光171反射聚焦到第二光电探测器124。第二光电探测器124可以接收第二平行光171并将其转换为第二电信号输出。

上述第三实施例和第四实施例中的光谱椭偏装置100中，第一光谱仪结构110中选用交叉型光谱仪，第二光谱仪结构120中选用对称型光谱仪，由于对称型光谱仪中的两个凹面镜(第二镜片121和第二凹面镜123)的结构布置呈对称或者接近对称的放置，具有易于矫正离轴像差的优势，但是对称型光谱仪的体积相比于上述交叉型光谱仪的结构较大，因而对称型光谱仪常常应用于高分辨率的需求，但有可能带来光谱范围较窄的影响。

进一步地，由于在将本实用新型中的光谱椭偏装置100配置于实际的配置主体，例如，光谱椭偏测量系统需要考虑配置主体的实际空间情况。若配置主体的前半部分的配置空间较小，但是后半部分的配置空间较大，则上述第三、第四实施例可以满足需求。反之，如果遇到配置主体的前半部分的配置空间较大，但是后半部分的配置空间较小的情况，可以参看图5A。图5A示出了根据本实用新型的第五实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图5A所示，在本实用新型的第五实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中可以包括第一对称型光谱仪。具体来说，第一对称型光谱仪可以包括：第一光栅112，设置于第一镜片111的第三方向(例如，第三方向可以为第一镜片111的斜上方)，用于接收第一镜片111反射出的已被准直为平行光的第一波长光束160，并将第一波长光束160色散反射到第一凹面镜113。第一对称型光谱仪中的第一凹面镜113可以设置于第一光栅112的同向(例如，以第一镜片111为标准，第一光栅112位于第一镜片111的一侧，第一凹面镜113可以设置于与第一光栅112同侧，即第一凹面镜113可以设置于第一镜片111的左右方向上另一侧的斜上方)，用于接收第一波长光束160对应的色散后的第一平行光161，并将第一平行光161反射聚焦到第一光电探测器114。第一光电探测器114可以接收第一平行光161并将其转换为第一电信号输出。

如图5A所示，在本实用新型的第五实施例中，光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120中可以继续包括第二交叉型光谱仪，其中，第二镜片121与第一光谱仪结构110中的第一镜片111同相偏转放置。具体结构与上述第一实施例中相同，此处就不再赘述。

可选地，还可以参看图5B，图5B示出了根据本实用新型的第六实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图5B所示，在本实用新型的第六实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中可以继续选用第一对称型光谱仪，其结构与上述第五实施例中相同，此处就不再赘述。光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120中也可以包括第二交叉型光谱仪，其中，第二镜片121与第一光谱仪结构110中的第一镜片111反相偏转放置。可以理解为，第六实施例中的第二光谱仪结构120相较第五实施例中的第二光谱仪结构120沿着水平方向进行了180度翻转。具体结构与上述第二实施例中相同，此处就不再赘述。

上述第三至第六实施例中的技术方案，光谱椭偏装置100的整体体积稍大，其中，第四实施例中的两个光电探测器距离过近，相对来说，不适合应用于电路设计要求较高的场景中。进一步地，在对于光谱椭偏装置100中各元件的紧凑度要求没有特别严格，但是对于其分辨率要求较高的情况下，可以将光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中和第二光谱仪结构120中都选用对称型光谱仪。

请参看图6A，图6A示出了根据本实用新型的第七实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图6A所示，在本实用新型的第七实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中可以包括第一对称型光谱仪，其结构与上述第五实施例中相同，此处就不再赘述。光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120可以包括第二对称型光谱仪，其中，第二镜片121与第一光谱仪结构110中的第一镜片111同相偏转放置。具体结构与上述第三实施例中相同，此处就不再赘述。

可选地，还可以参看图6B，图6B示出了根据本实用新型的第八实施例所提供的光谱椭偏装置的结构示意图。

如图6B所示，在本实用新型的第八实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110中可以继续选用第一对称型光谱仪，其结构与上述第五实施例中相同，此处就不再赘述。光谱椭偏装置100中的第二光谱仪结构120可以包括第二对称型光谱仪，其中，第二镜片121与第一光谱仪结构110中的第一镜片111反相偏转放置。可以理解为，第八实施例中的第二光谱仪结构120相较第七实施例中的第二光谱仪结构120沿着水平方向进行了180度翻转。具体结构与上述第四实施例中相同，此处就不再赘述。

本领域的技术人员可以理解，上述列举出的第一至第八实施例，只是本实用新型提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本实用新型的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本实用新型的保护范围。技术人员在实际应用中的具体设计，需要综合光谱仪的波段范围、光栅选型、光谱探测器的光谱范围及体积、机械及工装设计、电路设计等综合考量。

接下来，请参看图7，图7示出了根据本实用新型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7所示，在本实用新型的另一方面的实施例中，光谱椭偏测量系统700可以包括光源准直模组，用以接收光源710发出的光束。具体来说，光源710发出的光束可以先后经过由第一反射镜711和第二反射镜712组合构成的光源准直模组，从而射入光谱椭偏测量系统700中的起偏器720。通过增加光源准直模组可以使光源710发出的光束最大效率地耦合进入起偏器720中，从而增大光强，并提升光能的利用率。

起偏器720可以设置于光源准直模组和投影物镜730之间，用于对光源710输出的光束进行偏振处理，从而可以向投影物镜730提供偏振态的入射光。光谱椭偏测量系统700中的投影物镜730可以用于将偏振态的入射光会聚到晶圆770表面的薄膜上，并且在晶圆770的与投影物镜730相对的另一侧可以设有接收物镜740，用于接收从晶圆770表面反射出的反射光。在接收物镜740和光谱椭偏装置100之间，还可以设有验偏器750。验偏器750与起偏器720相对设置，可以用于对接收物镜740输出的反射光，进行偏振处理，用以向光谱椭偏装置100提供反映偏振态变化的反射光。光谱椭偏装置100可以用于获取反映偏振态变化的反射光，并将其转换为电信号输出，从而可以确定晶圆770表面的薄膜厚度。光谱椭偏装置100的具体结构，上述已通过多个实施例介绍，此处就不再赘述。

进一步地，在一些优选的实施例中，如图7所示，由于从验偏器750输出的光束方向和光阑模组130接收光束的方向不同，因而，可以在验偏器750和光阑模组130之间设置第三凹面镜760，用于进一步反射并聚焦验偏器750发出的光束。上述经过晶圆770表面反射出的光线中携带晶圆770表面的膜厚信息。

接下来将结合图7，说明光谱椭偏测量系统700的工作原理。在一些实施例中，光束从验偏器750出射后，经由第三凹面镜760反射转折并聚焦到光阑模组130(例如：狭缝)，从而形成一束截面狭长的矩形光束。进一步地，在一些优选的实施例中，光阑模组130还可以在包括圆形光阑，即再选用一个圆形的通光截面，以形成圆形的光斑，从而进一步优化光斑质量。

在本实施例中，光谱椭偏装置100中的第一光谱仪结构110和第二光谱仪结构120为第一实施例中的双交叉型光谱仪，以此为例，以示说明。光束继续入射至特殊定制的第一镜片111，将携带膜厚信息的第一波长光束160，即波长范围在190nm～900nm的紫外可见光，反射、并准直为平行光入射至第一光栅112，经由第一光栅112色散后反射至第一凹面镜113，第一凹面镜113可以将所有波长的光聚焦到第一光电探测器114上。即经过晶圆770表面反射后携带膜厚信息的光线进入第一光谱仪结构110，并转换为第一电信号输出。

与此同时，入射的光束中的第二波长光束170，即波长范围在1000nm～2500nm的红外光束从第一镜片111中透射出来，继续入射到第二镜片121，其中，第二镜片121可以进一步选用准直凹面结构，第二波长光束170被反射、并准直为平行光入射至第二光栅122，经由第二光栅122色散后反射至第二凹面镜123，第二凹面镜123可以将所有波长的光聚焦到第二光电探测器124上。即经过晶圆770表面反射后携带膜厚信息的光线进入第二光谱仪结构120，并转换为第二电信号输出。第一光电探测器114和第二光电探测器124分别收集第一电信号和第二电信号，为进一步测量膜厚等指标提供重要数据。

综上所述，本实用新型提供了一种光谱椭偏装置，以及一种光谱椭偏测量系统，能够扩宽光谱椭偏仪的波段，并且整体结构更为紧凑小型化，提高光学系统效率，从而能够提升光学信噪比，保证膜厚量测的准确度。

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 (8)

1.一种光谱椭偏装置，其特征在于，包括：

光源，用于提供入射光；

第一光谱仪模块，包括偏转放置的第一镜片，所述第一镜片为凹面镜，其上设有分色薄膜，所述第一镜片用于接收所述入射光，向第一方向反射所述入射光中的第一波长光束，并沿第二方向透射所述入射光中的第二波长光束，所述第一波长光束被转换为第一电信号输出；

光阑模组，设置于所述光源和所述第一光谱仪模块之间，用于限制所述入射光的直径；以及

第二光谱仪模块，包括第二镜片，所述第二镜片为反射镜，用于接收透射出的所述第二波长光束并将其反射，其中，所述第二镜片和所述第一镜片均位于所述光阑模组的同侧，并且所述第一镜片位于所述光阑模组的第一侧，所述第二镜片位于所述第一镜片的所述第一侧，以使所述反射的第一波长光束和所述透射的第二波长光束共用同一段焦距，所述第二波长光束转被换为第二电信号输出。

2.如权利要求1所述的光谱椭偏装置，其特征在于，所述第一光谱仪模块包括第一交叉型光谱仪，所述第一交叉型光谱仪包括：

第一光栅，设置于所述第一镜片的第三方向，用于接收所述第一镜片反射出的所述第一波长光束，并将所述第一波长光束色散反射到第一凹面镜；

所述第一凹面镜，设置于所述第一光栅的反向，用于接收所述第一波长光束对应的色散后的第一平行光，并将所述第一平行光反射聚焦到第一光电探测器；以及

所述第一光电探测器，接收所述第一平行光并将其转换为所述第一电信号输出。

3.如权利要求1所述的光谱椭偏装置，其特征在于，所述第一光谱仪模块包括第一对称型光谱仪，所述第一对称型光谱仪包括：

第一光栅，设置于所述第一镜片的第三方向，用于接收所述第一镜片反射出的所述第一波长光束，并将所述第一波长光束色散反射到第一凹面镜；

所述第一凹面镜，设置于所述第一光栅的同向，用于接收所述第一波长光束对应的色散后的第一平行光，并将所述第一平行光反射聚焦到第一光电探测器；以及

所述第一光电探测器，接收所述第一平行光并将其转换为所述第一电信号输出。

4.如权利要求2或3所述的光谱椭偏装置，其特征在于，所述第二光谱仪模块包括第二交叉型光谱仪，所述第二交叉型光谱仪包括：

所述第二镜片，与所述第一镜片同相偏转或反相偏转放置，用于接收所述第一镜片透射出的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束反射到第二光栅；

所述第二光栅，设置于所述第二镜片的第三方向或第四方向，用于接收反射的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束色散反射到第二凹面镜；

所述第二凹面镜，设置于所述第二光栅的反向，用于接收所述第二波长光束对应的色散后的第二平行光，并将所述第二平行光反射聚焦到第二光电探测器；以及

所述第二光电探测器，接收所述第二平行光并将其转换为所述第二电信号输出。

5.如权利要求2或3所述的光谱椭偏装置，其特征在于，所述第二光谱仪模块包括第二对称型光谱仪，所述第二对称型光谱仪包括：

所述第二镜片，与所述第一镜片同相偏转或反相偏转放置，用于接收所述第一镜片透射出的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束反射到第二光栅；

所述第二光栅，设置于所述第二镜片的第三方向或第四方向，用于接收反射的所述第二波长光束，并将所述第二波长光束色散反射到第二凹面镜；

所述第二凹面镜，设置于所述第二光栅的同向，用于接收所述第二波长光束对应的色散后的第二平行光，并将所述第二平行光反射聚焦到第二光电探测器；以及

所述第二光电探测器，接收所述第二平行光并将其转换为所述第二电信号输出。

6.如权利要求1所述的光谱椭偏装置，其特征在于，还包括第三凹面镜，设置于所述光源和所述光阑模组之间，用于反射并聚焦所述入射光。

7.如权利要求1所述的光谱椭偏装置，其特征在于，第一波长光束为紫外光束，其波段范围在190nm～900nm，所述第二波长光束为红外光束，其波段波范围在1000nm～2500nm。

8.一种光谱椭偏测量系统，其特征在于，包括：

光源准直模组，用以接收光源发出的光束；

起偏器，设置于所述光源准直模组和投影物镜之间，用于对所述光源输出的光束进行偏振处理，以向所述投影物镜提供偏振态的入射光；

所述投影物镜，用以将所述偏振态的入射光会聚到晶圆表面的薄膜上；

接收物镜，用于接收从所述晶圆表面反射出的反射光；

验偏器，设置于所述接收物镜和光谱椭偏装置之间，用于对所述接收物镜输出的反射光进行偏振处理，以向所述光谱椭偏装置提供反映偏振态变化的反射光；以及

如权利要求1～7中任一项所述的光谱椭偏装置，获取所述反映偏振态变化的反射光，并将其转换为电信号输出，以确定所述晶圆表面的薄膜厚度。