[发明专利]宽带偏振光谱仪及光学测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种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。

一般来说，对半导体薄膜的光学测量通常有两种方法，绝对反射率测量法和椭圆偏振测量法。如中国专利申请201110032744.8中所述，使用绝对反射率测量法测量时，需要先使用标准样品进行测量，并记录标准样品的测量结果作为参考值，然后再测量待测样品，并将待测样品的测量结果与标准样品测量得到的参考值相比，从而得到待测样品的相对真实值。由于光源本身的原因，在实际测量过程中，其光谱强度可能会发生变化(漂移)。理论上一般假定光源的光谱强度在测量标准样品和待测样品时是完全一样的，但实际上，由于对待测样品和标准样品无法在同一时刻测量，光源的光谱强度变化会影响测量结果。

鉴于上述原因，本领域的技术人员提出了利用参考光束来校准光源起伏。即将光源发出的光分为两束，其中一束作为探测光记录样品的光学信息，另一束作为参考光，通过对参考光束的测量，可以分别记录测量参考样品和待测样品时光源的光谱强度，从而校正测量过程中光源的光谱强度变化，提高测量精度。

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，利用参考光束校准的垂直入射光谱仪的实现方法主要有以下两种：

(1)如图1所示，光源101出射的发散光经透镜102后，平行入射至分光器103，经过分光器103透射通过后的光作为探测光束，被分光器103反射的光作为参考光束。探测光束经透镜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，经分光器103反射后的探测光束，经透镜107会聚，入射至探测器108，获得样品表面的反射光谱；参考光束垂直入射至平面反射镜106，经平面反射镜106反射后垂直入射分光器103，经分光器103透射后的参考光束也经透镜107会聚，入射至探测器108，获得包含光源光谱特征的参考光谱(例如，参见美国专利No.7067818B2、No.7189973B2和No.7271394B2、美国专利申请公开No.2005/0002037A1)。在这种光谱仪中，可以利用控制光阑来选择所需测量的光束。这种方法具有如下好处：可以校准光源起伏，但由于采用了分光器，这种光谱仪也存在以下问题：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。假设分光器为透射率和反射率各50％，探测光束和参考光束所能达到的最大光通量比率为25％；②若同时实现高质量光斑及较宽的光谱范围，需解决色散的问题，系统复杂度和成本都较高。

(2)在光路中插入一个平面反射镜，使光源发出的光一部分入射到平面反射镜上，另一部分从平面反射镜的边缘通过。经平面反射镜反射后的光束作为探测光垂直入射到样品表面，从平面反射镜边缘通过的光束作为参考光束，探测光束和参考光束分别进入两个不同的光谱计同时进行测量(例如，参见美国专利No.5747813和No.6374967B1)。这种方法具有如下好处：在测量过程中探测光束和参考光束可同时测量，精准地校正了光源的光谱和强度变化；系统中光强的损耗较小，利用率高。但由于使用了两个不同的光谱计，其光电转化效率不尽相同，波长分布和分辨率也不尽相同，不易校准系统，反而会降低测量精度，另一方面，这种方案的光路结构比较复杂，不易调节，并且两个光谱计会增大设备体积，增加设备成本。