TWI855675B

TWI855675B - 基於脈衝雷射的橢偏量測裝置及相關的光操作方法

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Publication number: TWI855675B
Application number: TW112117179A
Authority: TW
Inventors: 吕彤欣; 韓景珊; 峰楊
Original assignee: 大陸商睿勵科學儀器（上海）有限公司
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2023-05-09
Publication date: 2024-09-11

Abstract

本公開提供了一種基於脈衝雷射的橢偏量測裝置以及相關的光操作方法。該裝置被配置為能夠操作選擇地在橢偏量測模式下工作，所述橢偏量測裝置特別地包括：鎖相放大模組，其被配置成接收來自於樣品的第一檢測訊號，並且基於所述第一調變訊號作為參考訊號，以通過對所述第一檢測訊號的鎖相放大，來產生經噪聲處理的第一檢測訊號；以及控制和處理模組，其被配置成基於所述經噪聲處理的第一檢測訊號，獲得與所述樣品的特性相關的訊息。

Description

基於脈衝雷射的橢偏量測裝置及相關的光操作方法

本公開涉及光學量測及檢測領域，並且更具體地涉及一種基於脈衝雷射的橢偏量測裝置及其相關的光操作方法。

在積體電路製造過程中，為提高晶片良率，需對各工藝環節進行監測，以便在製造完成前及時發現工藝問題並糾正。目前，無接觸式的光學量測與檢測技術被大規模用於各工藝環節的監測。這其中，橢偏量測系統被大量應用於半導體生產過程中的鍍膜工藝監測，以測量薄膜的厚度，光學常數等性質。

本公開的目的在於提供一種新穎的橢偏量測裝置及其相關的光操作方法，其至少可以在脈衝雷射的情況下實現橢偏測量。

根據本公開的第一方面，其提供一種基於脈衝雷射的橢偏量測裝置。該橢偏量測裝置被配置為能夠操作選擇地在橢偏量測模式下工作，所述橢偏量測裝置包括：脈衝產生模組，其適於在所述橢偏量測模式下產生具有第一預定光強的第一雷射脈衝串；調變模組，其被配置成接收所述第一雷射脈衝串，並且基於第一調變訊號對所述第一雷射脈衝串的週期性調變，以獲得經調變的第一雷射脈衝串，其中所述經調變的第一雷射脈衝串的每個週期內至少包含兩個雷射脈衝；入射模組，其至少包括起偏器，並且被配置用於將至少經過起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串入射至樣品；反射模組，其至少包括檢偏器，並且被配置用於至少對從所述樣品反射或衍射的光訊號進行檢偏處理，以獲得經處理的光訊號；第一檢測器，其被布置在所述反射模組的下游，以便檢測所述經處理的光訊號並輸出相應的第一檢測訊號；鎖相放大模組，其被配置成接收所述第一檢測訊號，並且基於所述第一調變訊號作為參考訊號，以通過對所述第一檢測訊號的鎖相放大，來產生經噪聲處理的第一檢測訊號；以及控制和處理模組，其被配置成基於所述經噪聲處理的第一檢測訊號，獲得與所述樣品的特性相關的訊息。

容易理解，利用本公開的橢偏量測裝置，其可以有利地在脈衝雷射的情況下實現橢偏量測。而且，由於脈衝雷射還可以用於脈衝清洗，這使得本公開的橢偏量測裝置兼具橢偏量測模式和脈衝清洗模式成為可能。

在一些實施例中，該橢偏量測裝置還被配置為能夠操作選擇地在脈衝清洗模式工作；其中所述脈衝產生模組適於在所述脈衝清洗模式下產生具有第二預定光強的第二雷射脈衝串，其中所述第二雷射脈衝串被布置成經由所述調變模組和所述入射模組而入射至所述樣品，以用於對所述樣品的表面的空氣分子污染層的清洗。

在一些實施例中，所述脈衝產生模組包括脈衝雷射器和光強控制器，其中所述光強控制器被布置成能夠操作選擇地對脈衝雷射器所產生的雷射脈衝串的光強進行控制，以產生所述第一預定光強的第一雷射脈衝串或所述第二預定光強的第二雷射脈衝串。

在一些實施例中，在所述脈衝清洗模式下，所述調變模組還被配置成基於第二調變訊號對所述第二雷射脈衝串進行調變，以獲得經調變的第二雷射脈衝串，所述經調變的第二雷射脈衝串經由所述入射模組而入射至所述樣品，以用於對所述樣品的表面的空氣分子污染層進行清洗。

在一些實施例中，所述第一調變訊號是週期性的方波訊號，所述第二調變訊號是單個方波訊號。

在一些實施例中，所述光強控制器由從以下各項中選擇：一組安裝在可切換結構上的中性濾光片組；一組安裝在可連續變換位置的連續變化中性濾光片組；起偏器與λ/2波片的組合，其中所述起偏器與λ/2波片之一是可旋轉的；和電光調變器與起偏器的組合。

在一些實施例中，所述調變模組由從以下各項中選擇：電光調變器以及起偏器的組合；和斬波器。

在一些實施例中，所述調變頻率小於脈衝雷射重頻的四分之一。

在一些實施例中，所述入射模組還包括分光器，以用於從入射到樣品的光束中分出參考光；所述橢偏量測裝置還包括第二檢測器，所述第二檢測器適於檢測參考光，並輸出第二檢測訊號。

在一些實施例中，所述鎖相放大模組還配置成接收所述第二檢測訊號，並且基於所述第一調變訊號作為參考訊號，以實現對所述第二檢測訊號的噪聲處理，並輸出經噪聲處理的第二檢測訊號。

在一些實施例中，所述控制和處理模組還被配置成：基於所述經噪聲處理的第二檢測訊號，對所述經噪聲處理的第一檢測訊號進行校正。

在一些實施例中，所述第一調變訊號的頻率大於所述第一探測器和所述第二探測器的訊號採集頻率。

在一些實施例中，所述入射模組和所述反射模組中的至少一者還包括相位補償器，所述相位補償器被布置用於對相應光束的偏振分量進行相位延遲。

在一些實施例中，其中所述起偏器、所述檢偏器和所述相位補償器中的至少一者是可操作旋轉地。

在一些實施例中，所述控制和處理模組還被配置為對所述起偏器、所述檢偏器和所述相位補償器中的至少一者的旋轉進行控制。

根據本公開的第二方面，提供了一種基於脈衝雷射的光操作方法，該光操作方法包括在橢偏量測模式下的第一操作方法，所述第一操作方法包括：產生具有第一預定光強的第一雷射脈衝串；基於第一調變訊號對所述第一雷射脈衝串進行週期性調變，來獲得經調變的第一雷射脈衝串，其中所述經調變的第一雷射脈衝串的每個週期內至少包含兩個雷射脈衝；至少使用起偏器對經調變的第一雷射脈衝串進行起偏處理，並將經過起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串入射至樣品；至少使用檢偏器對從所述樣品反射或衍射的光訊號進行檢偏處理，以獲得經處理的光訊號；檢測所述經處理的光訊號並輸出相應的第一檢測訊號；基於所述第一調變訊號作為參考訊號，通過對所述第一檢測訊號進行鎖相放大，來產生經噪聲處理的第一檢測訊號；以及基於所述經噪聲處理的第一檢測訊號，獲得與所述樣品的特性相關的訊息。

在一些實施例中，所述光操作方法還包括在脈衝清洗模式下的第二操作方法，其中所述第二操作方法包括：產生具有第二預定光強的第二雷射脈衝串；使用第二調變訊號對所述第二雷射脈衝串進行調變，以獲得經調變的第二雷射脈衝串；將所述經調變的所述第二雷射脈衝串入射至樣品，以對所述樣品的表面的空氣分子污染層進行清洗。

在一些實施例中，該光操作方法還包括：操作地選擇所述橢偏量測模式和所述脈衝清洗模式中的一者。

在一些實施例中，所述操作地選擇橢偏量測模式和脈衝清洗模式中的一者包括：調節光強控制器，以控制從脈衝雷射器產生的雷射脈衝串的光強。

在一些實施例中，該光操作方法還包括：對所述經過起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串進行分光，以產生參考光；對所述參考光進行檢測，以輸出第二檢測訊號；以及基於所述第一調變訊號作為參考訊號，通過對所述第二檢測訊號進行鎖相放大，來產生經噪聲處理的第二檢測訊號；以及基於所述經噪聲處理的第二檢測訊號，實現對所述經噪聲處理的第一檢測訊號進行校正。

在一些實施例中，所述至少使用起偏器對經調變的第一雷射脈衝串進行起偏處理包括：使用第一相位補償器，使經起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串的兩個偏振分量之間產生相位延遲，並且使所述起偏器和所述第一相位補償器之一在第一檢測器檢測時旋轉；和/或所述至少使用檢偏器對從所述樣品反射或衍射的光訊號進行檢偏處理包括：使用第二相位補償器，使所述光訊號的兩個偏振分量之間產生相位延遲，並且使所述檢偏器和所述第二相位補償器之一在第一檢測器檢測時旋轉。

還應當理解，發明內容部分中所描述的內容並非旨在限定本公開的實施例的關鍵或重要特徵，亦非用於限制本公開的範圍。本公開實施例的其它特徵將通過以下的描述變得容易理解。

100:橢偏量測裝置

10:脈衝產生模組

20:調變模組

30:入射模組

40:反射模組

50:第一檢測器

60:鎖相放大模組

70:控制和處理模組

101:脈衝雷射器

102:光強控制器

103:反射鏡

105:起偏器

106:分光器

107:第一相位補償器

108:第一物鏡

109:第二物鏡

110:第二相位補償器

111:檢偏器

116:處理模組

117:控制模組

300:光操作方法

310:第一操作方法

311:框

312:框

313:框

314:框

315:框

316:框

317:框

320:第二操作方法

321:框

322:框

323:框

結合圖式並參考以下詳細說明，本公開各實施例的上述和其他特徵、優點及方面將變得更加明顯。在圖式中，相同或相似的元件符號表示相同或相似的元素。

圖1示出了根據本公開的示例實施例的基於脈衝雷射的橢偏量測裝置的示意性結構圖。

圖2示出了根據本公開的示例實施例的各個訊號的圖示。

圖3示出了根據本公開的示例實施例的基於脈衝雷射的光操作方法的圖示。

圖4示出了根據本公開的示例實施例的基於脈衝雷射的光操作方法中的第一操作方法的流程圖。

圖5示出了根據本公開的示例實施例的基於脈衝雷射的光操作方法中的第二操作方法的流程圖。

下面將參照圖式更詳細地描述本公開的實施例。雖然圖式中顯示了本公開的某些實施例，然而應當理解的是，本公開可以通過各種形式來實現，而且不應該被解釋為限於這裡闡述的實施例，相反提供這些實施例是為了更加透徹和完整地理解本公開。應當理解的是，本公開的圖式及實施例僅用於示例性作用，並非用於限制本公開的保護範圍。

如前所述的，橢偏量測系統被大量應用於半導體生產過程中的鍍膜工藝監測，以測量薄膜的厚度，光學常數等性質。但是，隨著半導體工藝的持續發展，在一些場景中，所用薄膜的厚度已經達到1奈米或者次奈米級別。那麼相應的橢偏量測設備的測量性能也需要提高，比如對於厚度為1奈米的薄膜，其測量精度需要小於0.003奈米。

對上述這種情況，通常的寬光譜型橢偏量測裝置(Broadband Spectroscopy Ellipsometry)已經難以滿足要求，需要使用基於單波長雷射的單波長橢偏量測裝置。例如，專利申請號CN114427834A已經描述了一種類型的基於單波長雷射的橢偏量測裝置。為了方便理解，該申請的全部內容通過引用而並入本文。

即便如此，在使用橢偏量測裝置時還需要消除空氣分子污染(即Airborne Molecular Contamination，AMC)，因為即使在潔淨室環境中，空氣中還是會包含水分子、碳氫化合物等，它們會沉降到薄膜表面，並形成污染層，而污染層的厚度會隨著薄膜暴露在環境中的時間而增加，即使在機台內部也會有污染層形成，達到0.1奈米甚至以上。這樣，薄膜厚度的量測結果就會受到影響，產生誤測誤報。

然而，包括專利申請號CN114427834A在內的現有的橢偏量測裝置大部分都是基於連續雷射的，而沒有使用脈衝雷射，這是因為難以解決使用脈衝雷射量測時的訊噪比問題。這種方案的缺點在於需要額外的雷射清洗裝置，即需要使用兩種獨立的光路系統，從而會使得裝配流程、工作時序變得複雜，也使得系統需要額外的一些診斷和監測程序。

為此，本公開設計了一種基於脈衝雷射的橢偏量測裝置，其特點在於：該裝置可以使用脈衝雷射來實現單波長的橢偏量測。此外，由於使用脈衝雷射，該裝置還可以兼具AMC層的清洗功能，而不需要配置額外的清洗模組。

將會理解，本公開的橢偏量測裝置100可以被配置成能夠操作選擇地在橢偏量測模式或脈衝清洗模式下工作。在這種情況下，橢偏量測裝置100可以被操作選擇地從橢偏量測模式切換至脈衝清洗模式，或者從脈衝清洗模式切換至橢偏量測模式。然而，將會理解，儘管本公開的橢偏量測裝置100被設計成兼具橢偏量測模式或脈衝清洗模式這兩者，但在一些特別的實施例中，橢偏量測裝置100僅具有橢偏量測模式或脈衝清洗模式兩者之一的功能也是可行的。

僅作為示例，如圖1所示，該橢偏量測裝置100可以主要包括脈衝產生模組10、調變模組20、入射模組30、反射模組40、第一檢測器50、鎖相放大模組60以及控制和處理模組70。

具體地，脈衝產生模組10可以被配置成在橢偏量測模式下產生具有第一預定光強的第一雷射脈衝串，或者在脈衝清洗模式下產生具有第二預定光強的第二雷射脈衝串。

典型地，脈衝產生模組10可以例如包括脈衝雷射器101和光強控制器102。

脈衝雷射器10的作用在於產生預定波長的雷射脈衝。僅作為示例，該預定波長可以例如為355nm、535nm和632nm的單波長；脈衝寬度可以例如是奈秒、飛秒或皮秒級別。特別地，在一些實施例中，脈衝雷射器的重複頻率可以大於1MHz，這可以有助於後續的鎖相放大模組60的工作。

光強控制器102的作用在於對脈衝雷射器101所產生的雷射脈衝的光強進行控制。典型地，光強控制器102是衰減器。在一些實施例中，光強控制器102可以由從以下各項中選擇：一組安裝在可切換結構上的中性濾光片組；一組安裝在可連續變換位置的連續變化中性濾光片組；起偏器與λ/2波片的組合，其中所述起偏器與λ/2波片之一是可旋轉的；和電光調變器與起偏器的組合。僅作為示例，上述可切換結構、連續變化中性濾光片組、或者起偏器與λ/2波片之一的旋轉例如可以通過馬達來控制。

取決於橢偏量測裝置100所旨在要工作的模式，即橢偏量測模式或脈衝清洗模式，可以操作光強控制器102以使得脈衝產生模組10所輸出的光強處於第一預定光強還是第二預定光強。一般而言，第二預定光強通常要大於第一預定光強，其可以更為有利地對所述樣品的表面的空氣分子污染層進行清洗。將會理解，一旦操作光強控制器102以使得脈衝產生模組10所輸出的光強處於第一預定光強，則可以視為將橢偏量測裝置100置於橢偏量測模式，而一旦操作光強控制器102以使得脈衝產生模組10所輸出的光強處於第二預定光強，則可以視為將橢偏量測裝置100置於脈衝清洗模式。除了上述橢偏量測模式和脈衝清洗模式之外，在一些實施例中，本公開的橢偏量測裝置100還可以被配置在測試模式下操作，在該測試模式下，可以調節光強控制器102，來對脈衝產生模組10所輸出的光強進行優化，從而選擇出適用於橢偏量測模式的第一預定光強和適用於脈衝清洗模式的第二預定光強。

調變模組20可以被布置在脈衝產生模組10的下游，以便接收並調變來自脈衝產生模組10所輸出的雷射脈衝串。如參見後面的描述，將會理解，調變模組20的作用在於結合鎖相放大模組60以實現對從樣品反射或衍射的檢測光訊號的去噪。僅作為示例，在一些實施例中，調變模組20可以例如從以下各項中選擇：電光調變器以及起偏器的組合，以及斬波器。

在橢偏量測模式，調變模組20可以被配置成：接收第一雷射脈衝串，並且基於第一調變訊號對所述第一雷射脈衝串的週期性調變，以獲得經調變的第一雷射脈衝串。在一些實施例中，第一調變訊號可以是調變模組20自己生成的。而在又一些實施例中，調變模組20可以從外部(例如，控制和處理模組70)接收第一調變訊號。特別地，第一調變訊號的調變頻率需要小於雷射脈衝重頻的四分之一，以保證所述經調變的第一雷射脈衝串的每個週期內至少包含兩個雷射脈衝。又特別地，第一調變訊號的調變頻率還需要大於後續將要描述的第一檢測器和第二檢測器的採樣頻率，以保證訊號採樣的完整性以及可靠性。僅作為示例，第一調變訊號可以例如是週期性的方波訊號。

而在脈衝清洗模式，調變模組20可以被配置成：接收第二雷射脈衝串，並且基於第二調變訊號對所述第二雷射脈衝串的週期性調變，以獲得經調變的第二雷射脈衝串。隨後，該經調變的第二雷射脈衝串可以經由所述入射模組而入射至所述樣品，以用於對所述樣品的表面的空氣分子污染層進行清洗。在一些實施例中，上述第二調變訊號可以是單個的方波訊號。可以理解，可以通過調節單個的方波訊號的寬度來控制將要對所述樣品的表面的空氣分子污染層進行清洗的時間，從而實現清洗的目的。

還將會理解，不管是橢偏量測模式，還是脈衝清洗模式，其共用入射光路以及入射光路上的模組，這使得本公開的橢偏量測模式和脈衝清洗模式之間的切換變得方便。還將會理解，在脈衝清洗模式下，入射模組30僅起到入射通路的作用，而反射光路是不必要的，因此，可以在該模式下關閉反射光路或者反射光路上的模組，並且下面將主要以橢偏量測模式來描述橢偏量測裝置中的其他模組的功能和配置。

在一些實施例中，可以在脈衝產生模組10和調變模組20之前布置可調節的反射鏡103，以方便調節入射到樣品的光束的指向。本領域技術人員容易理解，該反射鏡103也可以被布置在入射到樣品上的光路的其他位置。

入射模組30可以至少包括起偏器105，並且被配置用於將至少經過起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串入射至樣品。在一些實施例中，除了起偏器105之外，入射模組30還可以可選地包括第一相位補償器107和第一物鏡108中的一者或多者。特別地，起偏器105、第一相位補償器107和第一物鏡108可以沿著入射光路依次布置。

與此相應地，反射模組40可以至少包括檢偏器111，並且被配置用於至少對從所述樣品反射或衍射的光訊號進行檢偏處理，以獲得經處理的光訊號。在一些實施例中，除了檢偏器111之外，反射模組30還可以可選地包括第二物鏡109和第二相位補償器110中的一者或多者。特別地，第二物鏡109、第二相位補償器110和檢偏器111可以沿著從樣品反射的反射光路依次布置。

容易理解：上述起偏器105和檢偏器111的作用在於限定從其出射的光的偏振方向為某一確定的線偏振方向；第一相位補償器107和第二相位補償器110的作用在於使得入射到其上的光的兩個偏振分量之間產生相位延遲量，該延遲量與其方位角有關，如果旋轉相位補償器，則從其出射的光的偏振分量之間的延遲量會週期性地變化，即出射剛的偏振態發生週期性變化；第一物鏡108的作用在於將光束會聚成一個小光斑至待測樣品上，而第二物鏡109的作用在於使得從樣品上反射或衍射回來的光准直。

應當理解，上述入射模組30和反射模組40兩者的上述具體布置是橢偏量測裝置的典型配置，並且取決於其具體的配置，旋橢偏量測裝置可以具有不同橢偏測量構型。

例如，在入射模組和反射模組的關鍵部件中包含起偏器105、第一物鏡108、第二物鏡109、檢偏器111和第一檢測器112的實施例中，如果在測量過程中，起偏器105或檢偏器111旋轉，則該橢偏量測裝置為PRSA或PSAR橢偏構型，其中P代表起偏器、S代表樣品、A代表檢偏器、R代表旋轉。

又例如，在入射模組和反射模組的關鍵部件中包含起偏器105、第一相位補償器107或第二相位補償器110、第一物鏡108、第二物鏡109、檢偏器111和第一檢測器112的實施例中，如果在測量過程中，第一相位補償器107或第二相位補償器110旋轉，則該橢偏量測裝置為PCRSA或PSCRA橢偏構型。

又例如，在入射模組和反射模組的關鍵部件中包含起偏器105、第一相位補償器107、第一物鏡108、第二物鏡109、第二相位補償器110、檢偏器111和第一檢測器112的實施例中，如果在測量過程中，第一相位補償器107和第二相位補償器110都旋轉，即該橢偏量測裝置為PCRSCRA橢偏構型，也稱為穆勒矩陣型橢偏儀。

此外，在上述入射模組30和反射模組40中，還可以針對起偏器105和檢偏器111中分別配置光收集器113，以便收集未從起偏器105或檢偏器111通過的光，即洩漏光或垃圾光。

第一檢測器50被布置在反射模組40的下游，以便檢測所述經處理的光訊號並輸出相應的第一檢測訊號。僅作為示例，第一檢測器可以是CCD、CMOS傳感器，或者諸如光電管等一切可以用來探測光訊號的傳感器。

在此，本領域技術人員將會理解，由於使用雷射脈衝作為入射到樣品的光束，則第一檢測器50所檢測到的來自樣品的光訊號將表現出低的訊噪比。

為了實現高的訊噪比，本公開特別地設計了鎖相放大模組60，該鎖相放大模組60被配置成接收所述第一檢測訊號，並且基於所述第一調變訊號作為參考訊號，以通過對所述第一檢測訊號的鎖相放大，來產生經噪聲處理的第一檢測訊號。在一些實施例中，鎖相放大模組60還可以耦接至調變模組20，以接收上述第一調變訊號作為參考訊號。

隨後，控制和處理模組70可以被配置成基於所述經噪聲處理的第一檢測訊號，來獲得與所述樣品的特性相關的訊息。具體地，控制和處理模組70可以將上述經噪聲處理的第一檢測訊號轉換為傅里葉系數，然後計算與待測樣品相關的參數訊息。這些參數訊息可以包括但不限於諸如薄膜的厚度、光學常數等。

此外，控制和處理模組70還可以被配置成控制橢偏量測裝置中的相關硬件的工作模式、觸發以及參數調節，以便實現在橢偏量測模式和脈衝清洗模式下的正常工作。譬如，這些相關硬件可以包括但不限於：脈衝產生模組10中的脈衝雷射器101和光腔控制器102，入射模組30中的起偏器105和第一相位補償器107，反射模組40中的第二相位補償器110以及檢偏器111，第一檢測器50，鎖相放大模組60，等。

在一些實施例中，控制和處理模組70可以進一步由訊號採集和處理模組116和控制模組117組成。該訊號採集和處理模組116可以用於對從鎖相放大模組60輸出的上述經噪聲處理的第一檢測訊號進行進一步的訊號採集和處理，以將上述經噪聲處理的第一檢測訊號轉換為傅里葉系數，然後計算與待測樣品相關的參數訊息。而控制模組117可以用於控制上述各個硬件的工作模式、觸發以及參數調節，以便獲得最終的數據。

譬如，控制模組117可以控制光強控制器10中的濾光片的切換(例如，經由可切換機構)或電光調變器的電壓，以實現對脈衝產生模組所輸出的光強的控制。又譬如，控制模組117可以在不同的橢偏構型布置中控制起偏器105、第一相位補償器107、第二相位補償器110以及檢偏器111中的相應器件的旋轉(例如，這可以經由對這些器件的相關旋轉馬達的控制實現)，以實現在所述相應器件的不同方位角下的來自樣品的光訊號的檢測，與此同時，控制模組117還可以同步地控制第一檢測器50、鎖相放大模組60和訊號採集與處理模組116，以實現這些器件的同步觸發。

為了更准確的獲得檢測結果，在一些實施例中，入射模組30還可以包括分光器106，以用於從入射到樣品的光束中分出參考光。如後面將要描述的，該參考光的作用在於對入射到樣品的測量光的光強波動進行校正。

在一些實施例中，該分光器106可以被布置在起偏器105之後，這對於使得入射到樣品的測量光和參考光為來自同一方向的線偏振光是有利的。進一步地，分光器106的分光面可以被布置成與起偏器105的出光偏振方向平行或垂直，這有助於消除分光器對入射光偏振態的改變，也即消除了分光器偏振干擾，從而保持起偏器原有出光的偏振方向，保證了系統測量精度。需要說明的是，分光器的分光面與起偏器的出光偏振方向並非平行或垂直也是可能的，這可以後續通過校正來消除分光器的偏振干擾。

橢偏量測裝置100還可以包括第二檢測器114，其可以用於檢測該參考光，並輸出第二檢測訊號。進一步地，該第二檢測訊號將會被輸出至鎖相放大模組60，以利用鎖相放大的原理進行噪聲處理。具體地，類似於第一檢測訊號，可以同樣使用上述第一調變訊號作為參考訊號。更進一步地，該控制和處理模組70還可以被配置成：基於所述經噪聲處理的第二檢測訊號，對所述經噪聲處理的第一檢測訊號進行校正。

將會理解，由於參考光和測量光來自於同一光源的光(更特別地，它們可以是來自同一偏振方向的偏振光)，因此，以上述校正方式，能夠有效地校正第一檢測訊號中源於光源的強度波動，這提高了系統測量的穩定性，從而實現了具備超高穩定度的橢偏測量系統。

此外，為了實現精密的數據同步，本公開還設計了雙通道數據時鐘同步的方案，也即所述第一探測器和所述第二探測器採集到的數據有同步的時鐘。譬如，在一些實施例中，第一探測器和第二探測器可以共用上述控制和處理模組70中的時鐘源，以便同步採集數據，也即實現了針對測量光和參考光的同步採集。進一步地，在又一些實施例中，還可以例如使用同一個時鐘訊號來同步鎖相放大模組60和訊號採集與處理模組116的操作。

需要說明的是，本公開並不限於上述同步的方案，任何用於同步上述起偏器105、第一相位補償器107、第二補償器110和檢偏器111中的一者、所述第一探測器和所述第二探測器的數據採集，以及同步鎖相放大模組60和訊號採集與處理模組116兩者的操作的方案，均應包含在本申請的保護範圍內。

為了更好地理解本公開的相關器件所採用或輸出的訊號，圖2示出了根據本公開的示例實施例的各個訊號的圖示。

以上已經詳細地描述了根據本公開的示例實施例的橢偏量測裝置中的各個部件以及具體結構，下面將參照圖3至圖5來簡要描述根據本公開的示例實施例的基於脈衝雷射的光操作方法。應當理解，本公開的光操作方法是與上面的橢偏量測裝置相對應的，因此，本公開的光操作方法中的相關方法步驟可以通過上面的橢偏量測裝置的相應模組來執行。

具體地，如圖3所示，本公開的光操作方法300可以包括在橢偏量測模式下的第一操作方法310以及在脈衝清洗模式下的第二操作方法320。在一些實施例中，該方法300可以進一步包括選擇橢偏量測模式以及脈衝清洗模式中的任一模式。在又一些實施例中，該方法300可以進一步包括任意地在橢偏量測模式以及脈衝清洗模式之間進行切換。特別地，上述選擇或切換的操作可以通過調節上述脈衝產生模組中的光強控制器來進行。一旦調節到橢偏量測模式或脈衝清洗模式所對應的光強，則表示可以進行相應模式的操作。

具體地，如圖4所示，第一操作方法310可以包括：在框311，產生具有第一預定光強的第一雷射脈衝串。在一些實施例中，該步驟可以通過上面的脈衝產生模組10來執行。特別地，該脈衝產生模組10可以包括脈衝雷射器和光強調變器，其中可以利用光強調變器來調變脈衝雷射器所產生的光強。

在框312，基於第一調變訊號對所述第一雷射脈衝串進行週期性調變，來獲得經調變的第一雷射脈衝串。

在一些實施例中，可以通過調變模組20來對所述第一雷射脈衝串進行週期性調變，來獲得經調變的第一雷射脈衝串。在又一些實施例中，所述經調變的第一雷射脈衝串的每個週期內至少包含兩個雷射脈衝。在又一些實施例中，上述第一調變訊號可以來自調變模組20自身，或者從外部接收。在又一些實施例中，第一調變訊號的調變頻率需要小於雷射脈衝重頻的四分之一，以保證所述經調變的第一雷射脈衝串的每個週期內至少包含兩個雷射脈衝。此外，第一調變訊號的調變頻率還需要大於前面描述的第一檢測器和第二檢測器的採樣頻率，以保證訊號採樣的完整性以及可靠性。

在框313，至少使用起偏器對經調變的第一雷射脈衝串進行起偏處理，並將經過起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串入射至樣品。作為示例，該步驟可以在包括上述起偏器的入射模組30中執行。

相應地，在框314，至少使用檢偏器對從所述樣品反射或衍射的光訊號進行檢偏處理，以獲得經處理的光訊號。作為示例，該步驟可以在包括上述檢偏器的反射模組40中執行。

取決於橢偏量測裝置100的不同橢偏構型，可以在入射模組30和反射模組40中進行不同的配置。例如，該不同的橢偏構型可以包括但不限於：PCRSA、PSCRA或PCRSCRA。

在一些實施例中，所述至少使用起偏器對經調變的第一雷射脈衝串進行起偏處理可以包括：使用第一相位補償器，使經起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串的兩個偏振分量之間產生相位延遲，並且使所述起偏器和所述第一相位補償器之一在第一檢測器檢測時旋轉。

在又一些實施例中，所述至少使用檢偏器對從所述樣品反射或衍射的光訊號進行檢偏處理可以包括：使用第二相位補償器，使所述光訊號的兩個偏振分量之間產生相位延遲，並且使所述檢偏器和所述第二相位補償器之一在第一檢測器檢測時旋轉。

隨後，在框315，檢測所述經處理的光訊號並輸出相應的第一檢測訊號。作為示例，該步驟可以通過上述第一檢測器50來執行。該第一檢測器50可以例如是CCD、CMOS等的傳感器。

接著，在框316，基於所述第一調變訊號作為參考訊號，通過對所述第一檢測訊號進行鎖相放大，來產生經噪聲處理的第一檢測訊號。作為示例，該步驟可以通過上面的鎖相放大模組60來執行。可以理解，鎖相放大模組60可以有效地去除所檢測訊號中的高頻噪聲，從而獲得更高訊噪比的經噪聲處理的第一檢測訊號。

最後，在框317，作為示例，該步驟可以例如在上面的控制和處理模組70中的訊號採集和處理模組116中執行。上述樣品的特性相關的訊息包括但不限於：諸如薄膜的厚度、光學常數等。

此外，在基於所述經噪聲處理的第一檢測訊號，獲得與所述樣品的特性相關的訊息一些實施例中，第一操作方法320還可以包括：對所述經過起偏處理的所述經調變的第一雷射脈衝串進行分光，以產生參考光；對所述參考光進行檢測，以輸出第二檢測訊號；以及基於所述第一調變訊號作為參考訊號，通過對所述第二檢測訊號進行鎖相放大，來產生經噪聲處理的第二檢測訊號；以及基於所述經噪聲處理的第二檢測訊號，實現對所述經噪聲處理的第一檢測訊號進行校正。

應當理解，上述分光的步驟可以通過上面的分光器來進行；對所述參考光進行檢測可以通過上述第二檢測器來進行；對所述第二檢測訊號進行鎖相放大的操作可以通過上述鎖相放大模組來進行；而對所述經噪聲處理的第一檢測訊號進行校正可以通過上述控制和處理模組中的訊號採集與處理模組來進行。

如圖5所示，第二操作方法320可以包括：在框321，產生具有第二預定光強的第二雷射脈衝串。

在一些實施例中，該步驟可以通過上面的脈衝產生模組10來產生。特別地，該脈衝產生模組10可以包括脈衝雷射器和光強調變器，其中可以利用光強調變器來調變脈衝雷射器所產生的光強，以產生具有第二預定光強的第二雷射脈衝串。

在框322，使用第二調變訊號對所述第二雷射脈衝串進行調變，以獲得經調變的第二雷射脈衝串。

在一些實施例中，該步驟可以通過上面的調變模組20來執行。類似地，第二調變訊號可以由上面的調變模組20自身產生，或者從外部接收。

接著，在框333，將所述經調變的所述第二雷射脈衝串入射至樣品，以對所述樣品的表面的空氣分子污染層進行清洗。

在一些實施例中，該步驟可以例如通過入射模組30來執行。以這種方式，容易理解，這意味著橢偏量測模式和脈衝冲洗模式兩者可以共用入射光路，這使得橢偏量測模式和脈衝冲洗模式兩者的切換變得簡單，並且使得整個橢偏量測裝置的成本得以降低。

以上已經詳細地描述了基於脈衝雷射的橢偏量測裝置以及相關的光操作方法的各個實施例。將會理解，本公開的方案使用了脈衝雷射器實現橢偏量測，同時使用了鎖相放大模組來實現噪聲抑制，這提高了橢偏量測的性能。此外，本公開還使用了精確同步參考光、雙通道時鐘同步、分光器偏振干擾等技術，這進一步提高了橢偏量測的性能。容易理解，本公開的方案可以容易地滿足先進工藝節點的薄膜量測需求。此外，還可以理解，由於使用了脈衝雷射器，本裝置可以在不需要額外光路的情況下，實現雷射清洗的功能，並且系統方便簡單。

此外，還已經詳細地描述本公開的基於脈衝雷射的橢偏量測方法或光操作方法的流程。將會理解，上面描述的流程僅僅是示例。儘管說明書中以特定的順序描述了方法的步驟，但是這並非要求或者暗示必須按照該特定順序來執行這些操作，或是必須執行全部所示的操作才能實現期望的結果，相反，描繪的步驟可以改變執行順序。附加地或備選地，可以省略某些步驟，將多個步驟合並為一個步驟執行，和/或將一個步驟分解為多個步驟執行。

雖然已經在圖式和前述描述中詳細說明和描述了本發明，但這些說明和描述應被認為是說明性的或示例性的而不是限制性的；本發明不限於所公開的實施例。本領域技術人員在實踐所請求保護的發明中，通過研究圖式、公開和所附請求項可以理解並且實踐所公開的實施例的其它變體。

在請求項中，詞語「包括」並不排除其它元件，並且不定冠詞「一」或「一個」不排除多個。單個元件或其它單元可以滿足在請求項中闡述的多個項目的功能。僅在互不相同的實施例或從屬請求項中記載某些特徵的僅有事實，並不意味著不能有利地使用這些特徵的組合。在不脫離本申請的精神和範圍的情況下，本申請的保護範圍涵蓋在各個實施例或從屬請求項中記載的各個特徵任何可能組合。

此外，在請求項中的任何參考標記不應被理解為限制本發明的範圍。