包含相位元件的斜入射寬帶偏振光譜儀和光學測量系統的製作方法
2023-06-28 04:50:56
專利名稱：包含相位元件的斜入射寬帶偏振光譜儀和光學測量系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種包含至少兩個偏振器、至少一個相位補償元件、至少兩個曲面反射元件和至少兩個平面反射元件的斜入射寬帶光譜儀，更具體地涉及利用平面反射元件改變光束傳播方向，實現探測光束斜入射並會聚於樣品表面的斜入射寬帶光譜儀。另外，本發明還涉及包括這種斜入射寬帶光譜儀的光學測量系統。
背景技術：
一般來說，光學測量技術中的一個關鍵環節是將探測光束聚焦到樣品上。目前通常有兩種方法。一種方法是將系統中的最後一個聚光透鏡與其它元件分開，通過僅僅調整這個聚光透鏡來將探測光束聚焦到樣品上。例如，如圖1所示，通過對最後一個聚光透鏡進行上下移動來實現聚焦。另一種方法是通過對整個光學測量系統進行調整來將探測光束聚焦到樣品上。例如，如圖加和213所示，通過對整個光學系統進行上下移動來實現聚焦(例如，參見美國專利No. 5747813和No. 5486701)。隨著半導體行業的快速發展，利用光學測量技術來精確地測量晶片上單層或多層薄膜形成的三維結構的臨界尺度(⑶，CriticalDimension)、空間形貌及材料特性變得十分重要。當檢測一個通常尺寸為150毫米、200毫米或300毫米的晶片時，由於在晶片上的薄膜層應力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，當對整個晶片進行檢測時，為了實現高精確度的測量和保證半導體生產線產量的快速測量，對每個測量點自動聚焦是其中一項關鍵的技術。而且，本領域的技術人員公知，將寬帶探測光束在樣品表面上聚焦成相對較小尺寸的光斑是有利的，因為小尺寸光斑可以測量微結構圖案，且寬帶探測光束可以提高測量精確度。在這種情況下，當採用上述第一種聚焦方法時，會存在如下問題透鏡通常具有色差，這樣的色差會導致不同波長的光的聚焦位置不同，增大誤差，降低測量精確度；以及難以找到對整個寬帶波長範圍都具有良好的透射性的透鏡材料。當採用上述第二種聚焦方法時，不僅可能存在透鏡像差問題，而且本領域的技術人員可以明顯知道，對整個光學系統進行調整的操作是非常複雜的，難以實現精確的測量。鑑於上述原因，本領域的技術人員已經提出了這樣一種方法，S卩，使用曲面反射鏡來將寬帶探測光束聚焦到樣品表面上(例如，參見美國專利No. 5608526和No. 7505133BU 美國專利申請公開No. 2007/0M7624A1和中國專利申請公開No. 101467306A)。這種方法具有如下好處在整個寬帶波長範圍上，反射鏡不會產生色差，並且反射鏡可在較寬的波長範圍內都具有高反射率。雖然利用曲面反射鏡自身不產生色差並從而增加聚焦及測量精確度，但是曲面反射鏡相對於透鏡來說比較難以校準光路。曲面反射鏡焦點位置和空間方向的調節受入射光制約，通常需要整個光學系統的同步調節實現出射光路方向及聚焦位置的調整和控制。例如，(1)橢圓面反射鏡兩焦點空間位置相對固定，當入射光路校正後，通過單獨調節橢圓面反射鏡實現的光路方向及聚焦位置範圍非常有限。(2)超環面反射鏡(toroidal mirror)雖然在一定入射角度範圍內皆可實現空間對應的兩個焦點，但是這兩個焦點之間的空間關係隨著入射光線與超環面反射鏡的相對關係改變，且變化關係複雜，實現調焦非常困難；另一個缺點是調節範圍小，會造成像差。(3)離軸拋物面反射鏡相對入射光線方向，改變離軸拋物面反射鏡的角度會造成像差，很大程度上限制了調整範圍；雖然沿平行入射光束方向移動離軸拋物面反射鏡可實現聚焦位置的大範圍移動，但無法改變其焦點相對於離軸拋物面反射鏡中心的位置，這同樣限制了調整範圍。綜上所述，使用單一曲面反射鏡自身不產生色差，但難以通過簡單調節實現光路方向及聚焦位置的調整和控制。而且，光束經過單個反射鏡反射後偏振態會發生改變。這裡以一個鋁材料反射鏡為例。在圖7中示出兩種入射角情況下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的兩條曲線是S偏振光的反射率Rs，下面的兩條曲線是P偏振光的反射率Rp。實線對應於45度的入射角，虛線對應於50 度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且隨著入射角的不同而改變。在圖8中示出反射後的S與P偏振光之間的相位差，實線對應於45度的入射角，虛線對應於 50度的入射角。由此可知，反射後的S與P偏振光之間的相位差發生變化，而且隨著入射角的不同而改變，且與波長相關。總之，當寬帶光束經反射鏡反射之後，由於偏振方向正交的偏振態S與P各自具有不相同的反射率和相位變化，光束的偏振狀態發生改變，導致難以控制光束的偏振變化(例如，參見美國專利No. 6829049B1和No. 6667805)。此外，光譜儀對偏振的控制能力限定了光譜儀的應用範圍。例如，當今廣泛應用於集成電路生產線工藝控制的光學臨界尺度設備(0CD，0ptical Critical Dimension)。OCD 設備通過測量偏振光在樣品表面的反射光譜及相位特徵，擬合數值仿真結果，測量樣品表面周期性圖案的臨界尺度(CD)、三維形貌及多層材料的膜厚與光學常數。實現臨界尺度測量的光譜儀要求其聚焦系統必須做到在聚焦及光信號採集過程中控制光束的偏振態，從而可以準確地測量樣品。另外，當使用不包含偏振器的光譜儀測量包含周期性結構的樣品時，如中國專利申請No. 201010270454. 2中所述，由於入射光對樣品的各向異性沒有調整旋轉角度的選擇性，所以入射光必須為自然光。從光源發出的自然光理論上要求經過完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件入射在樣品表面。存在任何的部分偏振態，將無法測量各向異性樣品；此時，當各向異性樣品旋轉時，測量值變化。因此，能夠對各向異性樣品進行測量的不包含偏振控制的光譜儀對所涉及的光學器件質量和光路調整均要求很高。測量時，經樣品反射的光為部分偏振光。在此光束入射至探測器的這個過程中，理論上要求完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件。例如，當出現偏振敏感的部件時，需要增加消偏振器，這樣減低了信噪比。而且，以上問題無法通過數值方法得以校正。
發明內容
鑑於上述情形，本發明的發明人提出了一種易於調節聚焦的、可實現無色差的、可保持偏振特性的、且結構簡單的斜入射寬帶光譜儀。該斜入射寬帶光譜儀包含至少兩個偏振器、至少一個相位補償元件、至少兩個曲面反射元件和至少兩個平面反射元件的斜入射寬帶光譜儀。具體地，該斜入射寬帶光譜儀利用平面反射元件改變光束傳播方向，從而實現探測光束斜入射並會聚於樣品表面。本發明提供一種斜入射寬帶光譜儀，該斜入射寬帶光譜儀包括光源、第一聚光單元、第一偏振器、第一相位補償元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件、第二平面反射元件、第二曲面反射元件、第二偏振器、第二聚光單元和探測單元，其中所述第一聚光單元用於將來自所述光源的光束會聚成平行光束；所述第一偏振器用於使所述平行光束變成偏振光束；所述第一相位補償元件用於調整所述偏振光束的偏振狀態並使調整後的偏振光束透射通過；所述第一曲面反射元件用於將透射通過所述第一相位補償元件的偏振光束會聚並反射至所述第一平面反射元件；所述第一平面反射元件用於將來自所述第一曲面反射元件的偏振光束傾斜地聚焦到樣品上；所述第二平面反射元件用於將從樣品上反射的光束反射至所述第二曲面反射元件；所述第二曲面反射元件用於接收來自所述第二平面反射元件的反射光束並將該反射光束會聚成平行光束；所述第二偏振器用於使來自所述第二曲面反射元件的平行光束變成偏振光束；所述第二聚光單元用於使來自所述第二偏振器的偏振光束會聚併入射到所述探測單元；所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件；以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。本發明的斜入射寬帶光譜儀還可以包括第二相位補償元件，所述第二相位補償元件設置在所述第二曲面反射元件和所述第二偏振器之間的光路中，用於調整來自所述第二曲面反射元件的平行光束的偏振狀態並使調整後的平行光束透射通過。在本發明的一個實施例中，所述第一聚光單元可以包括第三曲面反射元件，所述第二聚光單元可以包括第四曲面反射元件。所述光源置於所述第三曲面反射元件的焦點處，使得來自所述光源的光束經過所述第三曲面反射元件的反射之後變成平行光束，並且所述第四曲面反射元件用於接收來自所述第二偏振器的偏振光束並將該偏振光束會聚至探測單元。在本發明的另一個實施例中，所述第一聚光單元可以包括第三平面反射元件和第三曲面反射元件，所述第二聚光單元可以包括第四曲面反射元件和第四平面反射元件。在本實施例中，所述光源置於所述第三曲面反射元件的焦點在所述第三平面反射元件中的鏡像處，使得來自所述光源的光束經過所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件的反射之後變成平行光束；所述第四曲面反射元件用於接收來自所述第二偏振器的偏振光束並將該偏振光束會聚至所述第四平面反射元件；所述第四平面反射元件用於將來自所述第四曲面反射元件的偏振光束反射至所述探測單元；所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件；以及所述第四平面反射元件和所述第四曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。在本發明的斜入射寬帶光譜儀中，光束入射在所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件、以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件上的角度可以相同且在10至45度之間。此外，光束入射在樣品表面上的角度可以為5度至75度。本發明的斜入射寬帶光譜儀還可以包括至少一個光闌，位於所述第一偏振器和所述第二偏振器之間，用於避免經過所述第一偏振器後產生的e光入射至樣品表面或者其反射光反射後入射至所述第二偏振器。在本發明的斜入射寬帶光譜儀中，所述光源和樣品表面之間的光路中的結構與樣品表面和所述探測單元之間的光路中的結構可以相對於下述平面是鏡面對稱的該平面經過樣品上的聚焦位置處的法線，並且與樣品的入射平面垂直。此外，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件的傾斜角度和/或空間位置是可調節的。具體地說，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿著聚焦到樣品上的會聚光束的主光的傳播方向移動，並且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相對於該會聚光束的主光的方向傾斜，並且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以以該會聚光束的主光方向為軸旋轉。更具體地說， 所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相對於下述平面保持鏡面對稱或反對稱該平面經過樣品上的聚焦位置處的法線，並且與樣品的入射平面垂直。可替換地，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿著在樣品表面上的一個方向移動，並且這些平面反射元件相對於樣品表面的傾斜度可以被對稱地調整， 即，以聚焦到樣品上的會聚光束與樣品表面平行的主光方向為軸旋轉，以保持聚焦位置在樣品表面上的正交於所述一個方向的另一個方向上的位置恆定不變，同時，樣品也可沿著在樣品表面上的所述一個方向移動。本發明的斜入射寬帶光譜儀還可以包括用於承載樣品的可調節的樣品平臺。另外，斜入射寬帶光譜儀還可以包括成像系統。所述成像系統位於所述第一曲面反射元件和所述第一平面反射元件之間的光路和所述第二平面反射元件和所述第二聚光單元之間的光路中。所述成像系統可以包括至少兩個可移動的平面反射元件、照明單元和成像單元。在該斜入射寬帶光譜儀中，可以通過觀測所述探測單元的光強和/或通過觀測所述成像系統中的圖像的清晰度來進行調焦。在本發明中，所述第一偏振器和所述第二偏振器可以為薄膜偏振器、格蘭湯普森稜鏡偏振器、洛匈稜鏡偏振器、格蘭泰勒稜鏡偏振器或者格蘭雷射偏振器。而且，本發明的斜入射寬帶光譜儀還可以包括用於控制所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的偏振器旋轉控制裝置。此外，在本發明中，所述第一相位補償元件和第二相位補償元件可以為波片或光彈相位補償元件，優選地為消色差波片。而且，本發明的斜入射寬帶光譜儀還可以包括用於控制所述波片的光軸方向的波片旋轉控制裝置。另外，在本發明中，所述第一聚光單元和所述第二聚光單元可以包括至少一個曲面反射元件或至少一個聚焦透鏡。在本發明中，所述光源可以為包含多重波長的光源。具體地說，所述光源的光譜可以在真空紫外至近紅外光範圍內，即，在190nm至IlOOnm波長範圍內。光源可以是氙燈、 氘燈、鎢燈、滷素燈、汞燈、包含氘燈和鎢燈的複合寬帶光源、包含鎢燈和滷素燈的複合寬帶光源、包含汞燈和氙燈的複合寬帶光源、或者包含氘鎢商素的複合寬帶光源，通常此類光源的出射光束為自然光。此類光源的例子包括Oceanoptics公司產品HPX-2000、HL-2000和 DH2000,以及Hamamtsu公司產品L110;34、L8706、L9841和Ll(^90。光源也可為利用消偏振器將部分偏振光或偏振光轉化後形成的自然光。例如，消偏振器可以是Lyot消偏振器(美國專利 No. 6667805)。在本發明中，所述探測單元可以是光譜計，具體地說，可以是電荷耦合器件(CCD) 或光電二極體陣列(PDA)光譜計，例如，OceanOptics QE65000光譜計或B&W Teck Cypher H光譜計。本發明的斜入射寬帶光譜儀還可以包括計算單元，該計算單元用於計算樣品材料的光學常數、薄膜厚度和/或用於分析樣品的周期性結構的臨界尺度特性(CD)或三維形貌。從而，利用該斜入射寬帶光譜儀，能夠高精確度地測量樣品材料的光學常數、薄膜厚度和/或用於分析周期性結構的樣品的臨界尺度或三維形貌。本發明還提供一種包括上述斜入射寬帶光譜儀的光學測量系統。結合附圖考慮下面對本發明的優選實施例的描述，本發明的上述和其它目的、特徵和優點將變得更加清楚。
在附圖中，所有的視圖並不一定是按比例繪製的，相同的附圖標記在幾個視圖中始終描述基本類似的元件。具有不同字母後綴的相同附圖標記表示基本類似的元件的不同實例。圖1是示出現有技術中的通過上下移動最後一個聚焦透鏡來實現聚焦的示意圖。圖加和圖2b是示出現有技術中的通過上下移動整個光學系統來實現聚焦的示意圖。圖3a至圖3e是用於說明使用兩個平面反射鏡進行調焦的方法的示意圖。圖如至圖如用於解釋保持偏振光的偏振特性的示意圖。圖5是單晶矽周期性淺溝槽的結構圖。圖6是橢圓偏振測量法中TE和TM的TM/TE反射率振幅比值和TM與TE之間的相位差的光譜圖。圖7示出S和P偏振光經過一個鋁材料反射鏡反射的反射率隨著入射光的角度不同而改變，其中，上面的兩條曲線對應於S偏振光，下面的兩條曲線對應於P偏振光。圖8示出S和P偏振光經過上述鋁材料反射鏡反射所產生的相位差隨著入射角的不同而改變。圖9示出用於根據本發明第一實施例中的斜入射寬帶光譜儀的示意圖。圖10是示出根據本發明第二實施例的斜入射寬帶光譜儀的示意圖。圖11是示出根據本發明第三實施例的斜入射寬帶光譜儀的示意圖。
具體實施例方式本文所採用的措辭或術語僅用於描述的目的，而不用於限制性的目的。除非另有說明，本文所用的術語與本領域的通用術語含義一致。首先，對本文所用的術語進行如下的說明。本文所用的「反射鏡」是利用反射面反射光束的光學元件。根據反射鏡的形狀，反射鏡通常可以包括平面反射鏡和曲面反射鏡，曲面反射鏡又包括球面反射鏡和非球面反射鏡。根據反射的程度，反射鏡可以包括全反射式反射鏡和半透射半反射式反射鏡(又簡稱為「半透射式反射鏡」)，其中，半透射半反射式反射鏡又稱為分光鏡。非球面反射鏡又包括拋物面反射鏡、橢球面反射鏡、非二次面反射鏡等等。本文所用的「平面反射鏡」是不破壞光束單心性的反射鏡。本文所用的「拋物面反射鏡」是將平行光軸的光束會聚於拋物面的焦點的反射鏡。本文所用的「離軸拋物面反射鏡」是通過從旋轉對稱的拋物面反射鏡中截取不包含對稱軸的一個部分而獲得的鏡面，該離軸拋物面反射鏡自身不產生色差和球面像差。本文所用的「入射平面」是由入射光和入射點處的表面法線所組成的平面。本文所用的「起偏器」和「檢偏器」物理上等同於「檢偏器」；位於探測光束與樣品之間的稱為「起偏器」；位於樣品反射光束與探測器之間的稱為「檢偏器」。(對焦原理)如上所述，在現有技術中，雖然使用曲面反射鏡自身不產生色差，但是難以通過簡單調節來實現光路方向及聚焦位置的調整和控制。鑑於這種原因，本發明的發明人提出了在探測光束斜入射在樣品表面上的情況下使用兩個平面反射鏡進行調焦的方法。下面參照圖3a至!Be對該方法進行詳細的描述。在圖3a中，假設平面反射鏡IOM是入射平面反射鏡，平面反射鏡1024』是出射平面反射鏡，平面反射鏡的入射平面是樣品的入射平面。入射平面反射鏡IOM可以將會聚的入射探測光束以任意角度(並不限於90度)入射到樣品104的表面上。然後，樣品將該探測光束反射至出射平面反射鏡1024』。接著，出射平面反射鏡IOM』將探測光束反射至其它元件(在圖中未示出)。如圖北所示，若要將探測光束的聚焦位置從A垂直地移動到B， 則為了使得CD+DB = CA，可以將平面反射鏡從C移動到D並調整平面反射鏡的傾斜角。可以通過電腦程式來調整平面反射鏡的移動距離和傾斜角。計算平面反射鏡的移動距離和傾斜角的具體方法如下如圖3c所示，會聚的入射探測光束的主光與水平面的夾角為Φ，該主光經過位於初始位置Mtl處的平面反射鏡反射之後以θ ^的入射角入射在樣品上。當平面反射鏡從初始位置Mtl移動到位置M處(從初始位置Mtl到位置M在主光方向上的距離為d)並傾斜一個角度(α-a J (這裡，α ^是平面反射鏡在位置Mtl處的法線相對於水平面的夾角，α是平面反射鏡在位置M處的法線相對於水平面的夾角)時，入射探測光束的主光經過位於位置M處的平面反射鏡反射之後以θ的入射角入射在樣品上。這裡，假設平面反射鏡在初始位置Mtl 處的中心離聚焦位置Otl或0的水平距離為t，平面反射鏡在位置M處的中心離聚焦位置Otl 或0的水平距離為t+x。
根據圖3c的幾何光學結構，本領域的技術人員可以得到 M0+d = M0O0 ；
,^ t + x
MO =-
sin ^ ·
χ = d cos Φ ； MMtl = d ；以及
M0O0 = —
sin θ0
通過對上述公式進行計算得出
/(sin θ - sin θ0)
a =-
sin ^0 (sin ^+ cos^)( 1 )
此外，平面反射鏡的法線與水平面的夾角α和％滿足下述關係
10
權利要求
1.一種斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，該斜入射寬帶光譜儀包括光源、第一聚光單元、第一偏振器、第一相位補償元件、第一曲面反射元件、第一平面反射元件、第二平面反射元件、第二曲面反射元件、第二偏振器、第二聚光單元和探測單元，其中所述第一聚光單元用於將來自所述光源的光束會聚成平行光束； 所述第一偏振器用於使所述平行光束變成偏振光束；所述第一相位補償元件用於調整所述偏振光束的偏振狀態並使調整後的偏振光束透射通過；所述第一曲面反射元件用於將透射通過所述第一相位補償元件的偏振光束會聚並反射至所述第一平面反射元件；所述第一平面反射元件用於將來自所述第一曲面反射元件的偏振光束傾斜地聚焦到樣品上；所述第二平面反射元件用於將從樣品上反射的光束反射至所述第二曲面反射元件； 所述第二曲面反射元件用於接收來自所述第二平面反射元件的反射光束並將該反射光束會聚成平行光束；所述第二偏振器用於使來自所述第二曲面反射元件的平行光束變成偏振光束； 所述第二聚光單元用於使來自所述第二偏振器的偏振光束會聚併入射到所述探測單元；所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件；以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。
2.根據權利要求1所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括第二相位補償元件，所述第二相位補償元件設置在所述第二曲面反射元件和所述第二偏振器之間的光路中，用於調整來自所述第二曲面反射元件的平行光束的偏振狀態並使調整後的平行光束透射通過。
3.根據權利要求1或2所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一聚光單元包括第三曲面反射元件，所述第二聚光單元包括第四曲面反射元件，其中所述光源置於所述第三曲面反射元件的焦點處，使得來自所述光源的光束經過所述第三曲面反射元件的反射之後變成平行光束；以及所述第四曲面反射元件用於接收來自所述第二偏振器的偏振光束並將該偏振光束會聚至探測單元。
4.根據權利要求1或2所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一聚光單元包括第三平面反射元件和第三曲面反射元件，所述第二聚光單元包括第四曲面反射元件和第四平面反射元件，其中所述光源置於所述第三曲面反射元件的焦點在所述第三平面反射元件中的鏡像處，使得來自所述光源的光束經過所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件的反射之後變成平行光束；所述第四曲面反射元件用於接收來自所述第二偏振器的偏振光束並將該偏振光束會聚至所述第四平面反射元件；所述第四平面反射元件用於將來自所述第四曲面反射元件的偏振光束反射至所述探測單元；所述第三平面反射元件和所述第三曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件；以及所述第四平面反射元件和所述第四曲面反射元件具有相同的反射材料和鍍膜結構並滿足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的條件。
5.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，光束入射在所述第一平面反射元件和所述第一曲面反射元件、以及所述第二平面反射元件和所述第二曲面反射元件上的角度相同且在10至45度之間。
6.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括至少一個光闌，位於所述第一偏振器和所述第二偏振器之間，用於避免經過所述第一偏振器後產生的e光入射至樣品表面或者其反射光反射後入射至所述第二偏振器。
7.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述光源和樣品表面之間的光路中的結構與樣品表面和所述探測單元之間的光路中的結構相對於下述平面是鏡面對稱的該平面經過樣品上的聚焦位置處的法線，並且與樣品的入射平面垂直。
8.根據權利要求1-2中的任一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一曲面反射元件和所述第二曲面反射元件為離軸拋物面反射元件或超環面反射元件。
9.根據權利要求4所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一曲面反射元件、所述第二曲面反射元件、所述第三曲面反射元件和所述第四曲面反射元件為離軸拋物面反射元件或超環面反射元件。
10.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件的傾斜角度和/或空間位置是可調節的。
11.根據權利要求10所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿著聚焦到樣品上的會聚光束的主光的傳播方向移動，並且 /或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以相對於該會聚光束的主光的方向傾斜，並且/或者，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以以該會聚光束的主光方向為軸旋轉。
12.根據權利要求11所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件相對於下述平面保持鏡面對稱或反對稱該平面經過樣品上的聚焦位置處的法線，並且與樣品的入射平面垂直。
13.根據權利要求12所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一平面反射元件和所述第二平面反射元件可以沿著在樣品表面上的一個方向移動，並且這些平面反射元件相對於樣品表面的傾斜度可以被對稱地調整，即，以聚焦到樣品上的會聚光束與樣品表面平行的主光方向為軸旋轉，以保持聚焦位置在樣品表面上的正交於所述一個方向的另一個方向上的位置恆定不變，同時，樣品也可沿著在樣品表面上的所述一個方向移動。
14.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括用於承載樣品的可調節的樣品平臺。
15.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括成像系統，其中所述成像系統位於所述第一曲面反射元件和所述第一平面反射元件之間的光路和所述第二平面反射元件和所述第二聚光單元之間的光路中；所述成像系統包括至少兩個可移動的平面反射元件、照明單元和成像單元；以及在所述斜入射寬帶光譜儀中可以通過觀測所述探測單元的光強和/或通過觀測所述成像系統中的圖像的清晰度來進行調焦。
16.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一偏振器和所述第二偏振器為薄膜偏振器、格蘭湯普森稜鏡偏振器、洛匈稜鏡偏振器、格蘭泰勒稜鏡偏振器或者格蘭雷射偏振器。
17.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括用於控制所述第一偏振器和所述第二偏振器的偏振方向的偏振器旋轉控制裝置。
18.根據權利要求1所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一相位補償元件為波片或光彈相位補償元件。
19.根據權利要求2所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一相位補償元件和第二相位補償元件為波片或光彈相位補償元件。
20.據權利要求18或19所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括用於控制所述波片的光軸方向的波片旋轉控制裝置。
21.據權利要求18或19所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述波片為消色差波片。
22.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述第一聚光單元和所述第二聚光單元包括至少一個曲面反射元件或至少一個聚焦透鏡。
23.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述光源為包含多重波長的光源。
24.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述光源是氙燈、氘燈、鎢燈、滷素燈、汞燈、包含氘燈和鎢燈的複合寬帶光源、包含鎢燈和滷素燈的複合寬帶光源、包含汞燈和氙燈的複合寬帶光源或包含氘鎢滷素的複合寬帶光源，或者，所述光源是通過消偏振器產生的偏振度為零的自然光點光源。
25.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述探測單元是光譜計。
26.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，所述斜入射寬帶光譜儀還包括計算單元，該計算單元用於計算樣品材料的光學常數、薄膜厚度和/ 或用於分析樣品的周期性結構的臨界尺度特性或三維形貌。
27.根據權利要求1-2中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀，其特徵在於，光束入射在樣品表面上的角度為5度至75度。
28.一種光學測量系統，包括根據權利要求1至27中的任意一項所述的斜入射寬帶光譜儀。
全文摘要
本發明提供了一種易於調節聚焦的、可實現無色差的、可保持偏振特性的、且結構簡單的斜入射寬帶光譜儀。該斜入射寬帶光譜儀包含至少兩個偏振器、至少一個相位補償元件、至少兩個曲面反射元件和至少兩個平面反射元件的斜入射寬帶光譜儀。斜入射寬帶光譜儀利用平面反射元件改變光束傳播方向，並且可補償因反射聚光單元引起的偏振變化，使得光束經相位補償元件後的偏振特性在斜入射並會聚於樣品表面時保持不變。本發明的斜入射寬帶光譜儀，能夠高精確度地測量樣品材料的光學常數、薄膜厚度和/或用於分析周期性結構的樣品的臨界尺度(CD)或三維形貌。
文檔編號G01J3/02GK102338662SQ20111014747
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月2日 優先權日2010年6月2日
發明者嚴曉浪, 劉濤, 李國光, 艾迪格·基尼歐, 馬鐵中 申請人:北京智朗芯光科技有限公司