TWI780700B - 極紫外光光譜橢偏儀 - Google Patents

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張光佑
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Abstract

本揭示內容提供一種極紫外光光譜橢偏儀，其包含光源接收元件、第一極化調變元件、第二極化調變元件、能量分離元件以及光感測與分析裝置。光源接收元件用以接收目標光源。第一極化調變元件可旋轉地連接於光源接收元件，並產生一第一極化光。第二極化調變元件可旋轉地連接於第一極化調變元件藉以產生一第二極化光。能量分離元件用以接收第二極化光以產生一極化調變與能量解析光。光感測與分析裝置用以接收極化調變與能量解析光並提供光譜及偏振資訊，其中光譜及偏振資訊包含至少一能量資訊。藉此，有助於量測目標光源光譜偏振資訊。

Description

極紫外光光譜橢偏儀
本揭示內容係關於一種光學量測裝置，且特別是有關於一種極紫外光光譜橢偏儀。
近年來，極紫外光(Extreme Ultraviolet；EUV)的生產及應用越來越受到重視。透過獲得極紫外光的完整光學特性有助於半導體微影，分析元素及材料對掌性(Chirality)以及磁化的問題。
目前，紅外光及可見光橢偏儀測量裝置已廣泛地應用於量測薄膜厚度。現今紅外光及可見光橢偏儀依賴精準的偏振計來量測樣品反射光或透射光的偏振變化，藉由分析光偏振的變化，橢偏儀可取得薄膜膜厚的訊息，包括從微米至奈米等級的膜厚。因波長短、光子能量高的極紫外光橢偏儀可獲得更薄的膜厚，而使用寬頻極紫外光能取得大量的基本物理特性，例如折射率，能帶結構等。故具能量解析的紫外光橢偏儀將成為學界及業界不可或缺的設備。然而，極紫外光已為半導體界主要用於大量生產晶片的光源，如何精確提供極紫外光偏振特性為接下來在紫外光譜區中重要的關鍵技術。
由於極紫外光與紅外光及可見光的特性大不相同，其可被任何材料吸收，在光譜中，極紫外光與軟X光區域中沒有高透射率的元件，例如波片或偏振片，這使得在橢偏儀建置上有很大的難度。
因此，本揭示內容提出一新量測極紫外光極化特性的量測裝置，取得橢圓率、旋性方向、傾斜角以及極化光比例等光學極化資訊。
本揭示內容提供之極紫外光光譜橢偏儀，其可透過提供兩個旋轉角度及一繞射元件的裝置，對於短波長光源有效率地分析所有光譜的偏振態。
依據本揭示內容一實施方式提供一種極紫外光光譜橢偏儀，包含一光源接收元件、一第一極化調變元件、一第二極化調變元件、一能量分離元件以及一光感測與分析裝置。光源接收元件用以接收一目標光源。第一極化調變元件可旋轉地連接於光源接收元件，其中目標光源通過第一極化調變元件，藉以產生一第一極化光。第二極化調變元件可旋轉地連接於第一極化調變元件，其中第一極化光通過第二極化調變元件，藉以產生一第二極化光。能量分離元件用以接收第二極化光以產生一極化調變與能量解析光。光感測與分析裝置用以接收極化調變與能量解析光並提供一光譜及偏振資訊，其中光譜及偏振資訊包含至少一能量資訊。
根據前段所述實施方式之極紫外光光譜橢偏儀，其中第一極化調變元件可包含一真空腔室、至少一反射元件以及一馬達。真空腔室連接光源接收元件。反射元件位於真空腔室。馬達用以帶動真空腔室或反射元件旋轉。另外，第一極化調變元件之反射元件之數量可為三。
根據前段所述實施方式之極紫外光光譜橢偏儀，其中第二極化調變元件可包含一真空腔室、至少一反射元件以及一馬達。真空腔室連接第一極化調變元件之真空腔室。反射元件位於第二極化調變元件之真空腔室。馬達用以帶動第二極化調變元件之真空腔室或第二極化調變元件之反射元件旋轉。另外，第二極化調變元件之反射元件之數量可為三。
根據前段所述實施方式之極紫外光光譜橢偏儀，其中第一極化調變元件之反射元件以及第二極化調變元件之反射元件分別可為一金鏡。
根據前段所述實施方式之極紫外光光譜橢偏儀，其中能量分離元件可為一光柵或一稜鏡。
根據前段所述實施方式之極紫外光光譜橢偏儀，其中目標光源可為一極紫外光或軟X光。
根據前段所述實施方式之極紫外光光譜橢偏儀，其中光感測與分析裝置可提供複數能量解析史托克參數。
請參照第1圖，係繪示依照本揭示內容一實施方式之極紫外光光譜橢偏儀100的示意圖。由第1圖可知，極紫外光光譜橢偏儀100包含一光源接收元件110、一第一極化調變元件120、一第二極化調變元件130、一能量分離元件140以及一光感測與分析裝置150。光源接收元件110其用以接收一目標光源。第一極化調變元件120可旋轉地連接於光源接收元件110，其中目標光源通過第一極化調變元件120，藉以產生一第一極化光。第二極化調變元件130可旋轉地連接於第一極化調變元件120，其中第一極化光通過第二極化調變元件130，藉以產生一第二極化光。能量分離元件140用以接收第二極化光以產生一極化調變與能量解析光。光感測與分析裝置150用以接收極化調變與能量解析光並提供一光譜及偏振資訊，其中光譜及偏振資訊包含至少一能量資訊。藉此，極紫外光光譜橢偏儀100可同時量測寬頻光的多個極化特性，藉以提升量測速度。
詳細來說，目標光源可為一極紫外光或軟X光，但本揭示內容不以此為限。
第一極化調變元件120可包含一真空腔室121、至少一反射元件以及一馬達123，其中第1圖實施方式中，第一極化調變元件120之反射元件之數量為三，分別為反射元件122a、122b、122c，但本揭示內容不以此為限。真空腔室121連接光源接收元件110，反射元件122a、122b、122c位於真空腔室121。馬達123用以帶動真空腔室121或至少一反射元件旋轉。特別說明的是，第1圖實施方式中，馬達123用以帶動真空腔室121旋轉，但本揭示內容不以此為限。另外，反射元件122a、122b、122c可分別為金鏡，但本揭示內容不以此為限。
第二極化調變元件130可包含一真空腔室131、至少一反射元件以及一馬達133，其中第1圖實施方式中，第二極化調變元件130之反射元件之數量為三，分別為反射元件132a、132b、132c，但本揭示內容不以此為限。第二極化調變元件130之真空腔室131與第一極化調變元件120之真空腔室121連接。反射元件132a、132b、132c位於第二極化調變元件130之真空腔室131。馬達133可用以帶動第二極化調變元件130之真空腔室131或第二極化調變元件130之至少一反射元件旋轉。特別說明的是，第1圖實施方式中，馬達133用以帶動第二極化調變元件130之真空腔室131旋轉。另外，反射元件132a、132b、132c可分別為金鏡，但本揭示內容不以此為限。
根據第1圖實施方式可知，能量分離元件140可為一光柵，且其由金覆層製成。然而，在其他實施方式中，能量分離元件140另可為其他繞射元件，例如稜鏡、其他材料製成之光柵等，但本揭示內容不以此為限。
透過光源接收元件110、第一極化調變元件120、第二極化調變元件130以及能量分離元件140的配置，可針對目標光源進行極化調變，再藉由光感測與分析裝置150提供目標光源的光譜及偏振資訊，且解析其極化資訊(即能量解析極化資訊)。各能量資訊可包含目標光源之橢圓率(即橢圓偏振光之短軸與長軸的比值)、旋性方向(左旋圓偏振或右旋圓偏振)、傾斜角以及極化光比例(極化光與無極化光的比例)。同時，第一極化調變元件120與第二極化調變元件130對於目標光源S極化與P極化的振幅及相位調變以及能量分離元件140對於目標光源S極化與P極化的振幅調變可一併解析。
光感測與分析裝置150可提供複數能量解析之史托克參數(Stoke parameters)作為表示整個光譜的偏振狀態；也就是說，光感測與分析裝置150可提供光譜及根據九個未知參數描述其偏振狀態，其包含目標光源的四個 史托克參數、第一極化調變元件120的振幅調變、第一極化調變元件120的相位延遲、第二極化調變元件130的振幅調變、第二極化調變元件130的相位延遲以及能量分離元件140的振幅調變。請配合參照第2圖，其繪示依照第1圖實施方式中第一極化調變元件120與一水平面X的示意圖。詳細來說，由第1圖以及第2圖可知，由於第一極化調變元件120以及第二極化調變元件130各自獨立配置有旋轉結構(即馬達123、133)，第一極化調變元件120可沿一旋轉方向旋轉一旋轉角度α，第二極化調變元件130可沿一旋轉方向旋轉一旋轉角度β，且各自的旋轉方向可分別定義為第一極化調變元件120與水平面X的夾角以及第二極化調變元件130與水平面X的夾角。
由第1圖第一實施方式之一實施例可知，目標光源的光子能量分別為23eV、26eV、29eV以及32eV，且第一極化調變元件120以及第二極化調變元件130分別提供四旋轉角度，也就是說，提供16組(α,β)，分別為(0,0)、(0,π/4)、(0,π/2)、(0,3π/4)、(π/4,0)、(π/4,π/4)、(π/4,π/2)、(π/4,3π/4)、(π/2,0)、(π/2,π/4)、(π/2,π/2)、(π/2,3π/4)、(3π/4,0)、(3π/4,π/4)、(3π/4,π/2)以及(3π/4,3π/4)。
目標光源之各史托克參數為S in ，當目標光源通過第一極化調變元件120、第二極化調變元件130以及能量分離元件140後，光感測與分析裝置150可提供被輸出之目標光源之史托克向量S out ，如下列式(1)、(2)以及(3)。
S out =M(γ3,△3)R(-β)M(γ2,△2)R(β)R(-α)M(γ1,△1)R(α)S in ...(1)；
Figure 110117000-A0305-02-0010-1
；以及
Figure 110117000-A0305-02-0010-3
 其中M為穆勒矩陣，其被定義為將入射史托克向量轉換為出射史托克向量；R為旋轉矩陣；γ1為第一極化調變元件120的振幅調變；γ2為第二極化調變元件130的振幅調變；γ3為能量分離元件140的振幅調變；△1為第一極化調變元件120的相位延遲；△2為第二極化調變元件130的相位延遲；旋轉角度α與旋轉角度β分別為第一極化調變元件120的旋轉角度以及第二極化調變元件130的旋轉角度。
將所有矩陣展開後，可獲得S out 如下列方程式(4)：S out =S 0=K×F(S 1/S 0,S 2/S 0,S 3/S 0,γ1,γ2,γ3,△1,△2；α,β)=K+cos2γ3{(cos2β sin2β-cos2β sin2β sin2γ2 cos△2)×[S 1/S 0(cos2α sin2α-cos2α sin2α sin2γ1 cos△1)+Ksin2α cos2γ1+S 2/S 0[(sin2α)2+(cos2α)2 sin2γ1 cos△1]-S 3/S 0 cos2α sin2γ1 sin△1]+[(cos2β)2+(sin2β)2 sin2γ 2 cos△2]×[Kcos2α cos2γ1+S 2/S 0[cos2α sin2α-cos2α sin2α sin2γ1 cos△1]+S 1/S 0[(cos2α)2+(sin2α)2 sin2γ1 cos△1]+S 3/S 0 sin2α sin2γ1 sin△1]+cos2β cos2γ2[K+S 1/S 0 cos2α cos2γ1+S 2/S 0 sin2α cos2γ1]+sin2β sin2γ2 sin△2[S 3/S 0 sin2γ1 cos△1+S 2/S 0 cos2α sin2γ1 sin△1-S 1/S 0 sin2α sin2γ1 sin△1]}+ cos2β cos2γ2{Kcos2α cos2γ1+S 2/S 0(cos2α sin2α-cos2α sin2α sin2γ1 cos△1)+S 1/S 0[(cos2α)2+(sin2α)2 sin2γ1 cos△1]+S 3/S 0 sin2α sin2γ1 cos△1}+sin2β cos2γ2{S 1/S 0(cos2α sin2α-cos2α sin2α sin2γ1 cos△1)+Ksin2α cos2γ1+S 2/S 0[(sin2α)2+(cos2α)2 sin2γ1 cos△1]-S 3/S 0 cos2α sin2γ1 sin△1}+S 1/S 0 cos2α cos2γ1+S 2/S 0 sin2α cos2γ1...(4)。其中，K為極紫外光光譜橢偏儀100的一常數。故，共九個未知參數分別為K、S 1/S 0、S 2/S 0、S 3/S 0、γ1、γ2、γ3、△1以及△2，且須透過改變第一極化調變元件120的旋轉角度α，第二極化調變元件130的旋轉角度β得到九個不同的算式來解出九個未知參數。另外，透過能量分離元件140以及光感測與分析裝置150可獲得光譜。根據前述實施例，相對於水平面X，選擇16組(α,β)，分別為(0,0)、(0,π/4)、(0,π/2)、(0,3π/4)、(π/4,0)、(π/4,π/4)、(π/4,π/2)、(π/4,3π/4)、(π/2,0)、(π/2,π/4)、(π/2,π/2)、(π/2,3π/4)、(3π/4,0)、(3π/4,π/4)、(3π/4,π/2)以及(3π/4,3π/4)。
接著，可將九個算式透過前述式(4)以及實驗觀察值應用至基因演算法，藉以使16組(α,β)的結果與理論值之間的偏差達到最小化。因此，史托克參數S 1、S 2、S 3可透過16個算式解出，進而可以下列式(5)、(6)及(7)得出橢圓率ε、極化光比例p以及傾斜角θ。
Figure 110117000-A0305-02-0011-7
Figure 110117000-A0305-02-0012-5
；以及
Figure 110117000-A0305-02-0012-6
接著，請參照第3圖及下列表一，其中第3圖繪示依照目標光源四個光子能量極化狀態的極座標圖，表一則為目標光源透過光感測與分析裝置150於各光子能量的能量資訊(即能量解析之極化資訊)。
Figure 110117000-A0305-02-0012-8
由第3圖及表一可知，極紫外光光譜橢偏儀100可提供目標光源的能量解析之極化資訊。
再請參照第4圖，其為目標光源透過一極紫外光偏光器量測之極化狀態(比較例)以及目標光源透過第1圖實施方式之極紫外光光譜橢偏儀100量測之極化狀態(實施例)。為了確認能量解析的有效性，本揭示內容提供兩個獨立的實驗結果進行比較。比較例係為一偏光實例，其記錄極紫外光於旋轉角度α及旋轉角度β下的穿透率，其中以旋轉角度α等於旋轉角度β的條件下以360度遞增旋轉二腔室的方式採樣32eV的目標光源之24個旋轉角度α及旋轉角度β的穿透率。第4圖中，實線線條即為旋轉角度α之極紫外光穿透率的極座標圖。再者，實施例為目標 光源透過第1圖實施方式之極紫外光光譜橢偏儀100量測之極化狀態的反演實例，其提供量測16組(α,β)之極紫外光穿透率，所述16組(α,β)為(0,0)、(0,π/4)、(0,π/2)、(0,3π/4)、(π/4,0)、(π/4,π/4)、(π/4,π/2)、(π/4,3π/4)、(π/2,0)、(π/2,π/4)、(π/2,π/2)、(π/2,3π/4)、(3π/4,0)、(3π/4,π/4)、(3π/4,π/2)以及(3π/4,3π/4)。依據前述式(4)列出16個算式，可以基因演算法解析並反演32eV的目標光源之極化狀態，且獲得所有未知參數之振幅及相位，以及EUV於S極化與P極化間的振幅調變。基於所述得到的反演參數，透過前述式(1)的穆勒矩陣繪示出旋轉角度α等於旋轉角度β的極座標圖，即第4圖中的虛線線條。
因此，根據本揭示內容提供之極紫外光光譜橢偏儀100，其可視為包含兩個旋轉角度的反射型偏光片(即第一極化調變元件120以及第二極化調變元件130)以及一繞射元件(即能量分離元件140)，可將極紫外光光譜橢偏儀的光譜解析範圍擴大至具有極大敏感度之短波長極紫外光及軟X光範圍。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:極紫外光光譜橢偏儀
110:光源接收元件
120:第一極化調變元件
130:第二極化調變元件
121,131:真空腔室
122a,122b,122c,132a,132b,132c:反射元件
123,133:馬達
140:能量分離元件
150:光感測與分析裝置
α,β:旋轉角度
X:水平面
第1圖係繪示依照本揭示內容一實施方式之極紫外光光譜橢偏儀的示意圖； 第2圖係繪示依照第1圖實施方式中第一極化調變元件與水平面的示意圖； 第3圖繪示依照目標光源四個光子能量極化狀態的極座標圖；以及 第4圖為目標光源透過一極紫外光偏光器量測之極化狀態(比較例)以及目標光源透過第1圖實施方式之極紫外光光譜橢偏儀量測之極化狀態(實施例)。
100:極紫外光光譜橢偏儀
110:光源接收元件
120:第一極化調變元件
130:第二極化調變元件
121,131:真空腔室
122a,122b,122c,132a,132b,132c:反射元件
123,133:馬達
140:能量分離元件
150:光感測與分析裝置
α,β:旋轉角度
X:水平面

Claims (10)

  1. 一種極紫外光光譜橢偏儀，包含： 一光源接收元件，其用以接收一目標光源； 一第一極化調變元件，其可旋轉地連接於該光源接收元件，其中該目標光源通過該第一極化調變元件，藉以產生一第一極化光； 一第二極化調變元件，其可旋轉地連接於該第一極化調變元件，其中該第一極化光通過該第二極化調變元件，藉以產生一第二極化光； 一能量分離元件，其用以接收該第二極化光以產生一極化調變與能量解析光；以及 一光感測與分析裝置，其用以接收該極化調變與能量解析光並提供一光譜及偏振資訊，其中該光譜及偏振資訊包含至少一能量資訊。
  2. 如請求項1所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該第一極化調變元件包含： 一真空腔室，其連接該光源接收元件； 至少一反射元件，其位於該真空腔室；以及 一馬達，用以帶動該真空腔室或該至少一反射元件旋轉。
  3. 如請求項2所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該第一極化調變元件之該至少一反射元件之數量為三。
  4. 如請求項2所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該第二極化調變元件包含： 一真空腔室，其連接該第一極化調變元件之該真空腔室； 至少一反射元件，其位於該第二極化調變元件之該真空腔室；以及 一馬達，用以帶動該第二極化調變元件之該真空腔室或該第二極化調變元件之該至少一反射元件旋轉。
  5. 如請求項4所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該第二極化調變元件之該至少一反射元件之數量為三。
  6. 如請求項4所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該第一極化調變元件之該至少一反射元件以及該第二極化調變元件之該至少一反射元件分別為一金鏡。
  7. 如請求項1所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該能量分離元件為一光柵。
  8. 如請求項1所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該能量分離元件為一稜鏡。
  9. 如請求項1所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該目標光源為一極紫外光或軟X光。
  10. 如請求項1所述之極紫外光光譜橢偏儀，其中該光感測與分析裝置提供複數能量解析史托克參數。
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