[发明专利]光纤束分光的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光纤束分光的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。

背景技术

随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来快速精确地检测半导体薄膜的厚度、材料特性及周期性结构的三维形貌是控制生产过程，提高生产率的关键环节，主要应用于集成电路、平板显示器、硬盘、太阳能电池等包含薄膜结构的工业中。利用不同材料、不同结构的的薄膜在不同波长对不同偏振态的入射光具有不同的反射率，其反射光谱具有独特性。当今先进的薄膜及三维结构测量设备，如椭圆偏振仪和光学临界尺度测量仪(Optical Critical Dimension，简称OCD)要求满足尽量宽的光谱测量能力以增加测量精确度，通常为190nm至1000nm。在薄膜结构参数已知的情况下，薄膜反射光谱可通过数学模型计算得出。当存在未知结构参数时，例如薄膜厚度，薄膜光学常数，表面三维结构等，可通过回归分析，拟合测量与模拟计算光谱，从而得出未知结构参数。测量设备通常分为相对于样品表面垂直入射的光学系统和相对于样品表面倾斜入射的光学系统。垂直入射的光学系统由于结构更加紧凑，通常可与其他工艺设备集成，实现生产与测量的整合及实时监测。现有技术中，垂直入射光谱仪的光学系统主要通过分光器，将探测光束与样品反射光束分离，使样品反射光束无法逆向返回光源，而独立入射至探测器。图1为现有技术利用分光器进行光束分离的光谱仪。如图1所示，该光谱仪中，光源101出射的发散光经透镜102后，平行入射透射通过分光器103，经透镜104会聚后聚焦至样品105表面；样品105表面的反射光经透镜104反射后，垂直入射分光器103；经反射后经透镜106会聚，入射至探测器107，获得样品表面的反射光谱。

采用分光器的光谱仪存在的主要问题为：1)光通量低，整个测量个过程中，光束由光源需经同一分光器透射和反射各一次，进入探测器。所能达到的最大光通量比率为25％，即分光器为透射率和反射率各50％；2)若同时实现高质量光斑及较宽的光谱范围，则系统复杂度较高，且成本较高。详细分析如下：

A)在分光器为分光薄片的情况下，分光薄片与光束主光需成45°使用，如美国专利US6900900B2所示。此结构的缺点为：在宽波段光束透射情况下，当光束为平行光束时，会产生色差；此问题可通过另设置完全相同的分光薄片修正色差，但增加了系统复杂度，降低了光通量。另一种基于分光薄片的分光器为点格分光镜(Polka-dot Beamsplitter)(如美国专利5450240、EdmundOptics点格分光镜)或厚度仅为100微米的点格分光镜(如美国专利US6525884B2)，其结构的特点为：反射光束可实现宽光谱(包括深紫外范围)，且自身无色散；但其表面点格的周期性结构会造成衍射光斑，极大的影响了测量的准确度；

B)在分光器为分光棱镜的情况下(如美国专利US6181427B1)，其缺点为：分光棱镜难以同时实现宽光谱分光，通常分为400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三个区域，限制了测量的光谱范围；

C)在分光器为偏振分光棱镜的情况下，透射光/反射光为固定偏振方向，改变偏振态需旋转偏振分光棱镜、或旋转样品或另设起偏器，实现非常复杂；

D)在分光器为薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)的情况下，其结构的缺点为薄膜厚度仅为2微米，受环境影响大，极易破损，无法清理表面，成本高；且薄膜对紫外波段存在吸收。

光谱仪对偏振的控制能力限定了光谱仪的应用范围，尤其对于各向异性样品，例如，三维周期性的结构的样品。通过测量偏振光在样品表面的反射光谱，计算出相位特征，拟合数值仿真结果，测量样品表面周期性图案的临界尺度(CD)、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。实现临界尺度测量的光谱仪要求其光信号采集过程中控制光束的偏振态，从而可以准确地测量样品。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：采用传统分光器的光谱仪的光通量效率低，缺乏对偏振的控制能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种光纤束分光的垂直入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统，以提高光谱仪的光通量效率，提高其对偏振的控制能力。

(二)技术方案