一种基于同步参考光校正的椭偏测量系统的制作方法

1.本技术涉及光学量测领域，尤其涉及一种基于同步参考光校正的椭偏测量系统。


背景技术：

2.半导体超大规模集成电路制造工艺涉及到不同种类的薄膜沉积、刻蚀等，都需要高精度、高稳定性地测量厚度、光学常数、关键尺寸等多种信息。一般常采用非接触、效率高的偏振光学手段。精确、稳定的测量系统可以保证大规模生产的良品率。
3.现有技术集成电路产业的光学量测领域，经常使用可分辨偏振光的椭偏仪进行晶圆微结构的尺度测量和标定。而在椭偏测量系统中，探测器或光谱仪收集到的信号会受到光源稳定性的影响，因此光源的稳定性会直接影响整机系统的稳定性。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种基于同步参考光校正的椭偏测量系统，该椭偏测量系统能够通过使用精确控制的同步参考光来实时校正光源的稳定性，因此具备超高稳定度。
5.根据本技术的一个方面，提供一种基于同步参考光校正的椭偏测量系统，其中，该椭偏测量系统包括：光源、起偏器、分光器、第一聚焦透镜系统、第二聚焦透镜系统、验偏器、第一探测器、第二探测器、处理器以及控制器；其中，所述光源发出的光经所述起偏器转换为线偏振光，线偏振光经分光器分成测量光和参考光，所述参考光照射到所述第二探测器；所述测量光经过所述第一聚焦透镜系统后照射在待检测样品，所述待检测样品发射的光经过所述第二聚焦透镜系统后进入所述验偏器，所述验偏器出射的光照射到所述第一探测器；所述处理器用于对所述第一探测器和所述第二探测器同步测量的光强进行收集和处理，所述控制器用于在测量过程中控制马达旋转。
6.可选地，该椭偏测量系统还包括第一延迟波片；所述测量光依次经过所述第一延迟波片、所述第一聚焦透镜系统后照射在待检测样品，或者，所述待检测样品发射的光依次经过所述第二聚焦透镜系统、所述第一延迟波片后进入所述验偏器。
7.可选地，该椭偏测量系统还包括第二延迟波片和第三延迟波片，所述测量光依次经过所述第二延迟波片、所述第一聚焦透镜系统后照射在待检测样品，所述待检测样品发射的光依次经过所述第二聚焦透镜系统、所述第三延迟波片后进入所述验偏器。
8.可选地，所述处理器中包括用于第一探测器的第一模拟数字转换器以及用于第二探测器的第二模拟数字转换器，所述第一模拟数字转换器和所述第二模拟数字转换器相互独立且共用一个时钟源。
9.可选地，所述分光器的分光面与所述起偏器的出光偏振方向平行。
10.可选地，所述分光器的分光面与所述起偏器的出光偏振方向垂直。
11.与现有技术相比，本技术具有以下优点：本技术的椭偏测量系统中，在起偏器之后设置有分光器，该分光器能够将起偏器出射的线偏振光分成不同方向的测量光和参考光，所述参考光照射到所述第二探测器，所述测量光沿着入射光束的方向经过待检测样品反射
最终由第一探测器捕获，处理器可对所述第一探测器和所述第二探测器同步测量的光强进行收集和处理，由于参考光与测量光来自于同一方向的线偏振光，因此能够使用参考光来有效地实时校正光源强度波动，提高系统测量稳定性，从而实现了具备超高稳定度的椭偏测量系统。
附图说明
12.图1示出了本技术一个示例的椭偏测量系统的结构图；
13.图2示出了本技术一个示例的入射光偏振态示意图；
14.图3示出了本技术一个示例的电机不动时测量光强与参考光强的同步性示意图；
15.图4示出了将图3进行参考光校正后的结果示意图。
16.附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
17.下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
18.这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本技术的示例性实施例的目的。但是本技术可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。
19.应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。
20.这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
21.下面结合附图对本技术作进一步详细描述。
22.本技术提出了一种基于同步参考光校正的椭偏测量系统，其中，该椭偏测量系统包括：光源、起偏器、分光器、第一聚焦透镜系统、第二聚焦透镜系统、验偏器、第一探测器、第二探测器、处理器以及控制器；其中，所述光源发出的光经所述起偏器转换为线偏振光，线偏振光经分光器分成测量光和参考光，所述参考光照射到所述第二探测器；所述测量光经过所述第一聚焦透镜系统后照射在待检测样品，所述待检测样品发射的光经过所述第二聚焦透镜系统后进入所述验偏器，所述验偏器出射的光照射到所述第一探测器；所述处理器用于对所述第一探测器和所述第二探测器同步测量的光强进行收集和处理，所述控制器用于在测量过程中控制马达旋转。
23.其中，所述光源用于发出光。在一些实施例中，所述光源可以是宽波段多波长光
源，从uv(ultraviolet rays，紫外光线)光到ir(infrared radiation，红外线)波段。在一些实施例中，所述光源可以是单波长光源，即构成单波长椭偏(single wavelength ellipsometry，swe)系统。
24.其中，所述起偏器和所述验偏器，用于限定光的偏振方向为某一个确定的线偏振方向；所述起偏器用于从光中获得偏振光，所述验偏器(又称“检偏器”)用于鉴别光的偏振状态。其中，所述分光器用于将光束分成两束不同方向的光，其中一束光(也即测量光)用于与待检测样品的测量，另一束光(也即参考光)用于对光源的校正。其中，所述第一聚焦透镜系统以及所述第二聚焦透镜系统用于使入射到其中的光束光斑缩小，并使出射平行光，如所述第一聚焦透镜系统的作用在于使入射到待检测样品的光束光斑缩小，并使出射平行光。其中，所述第一探测器用于接收测量待检测样品的光，所述第二探测器用于接收分光器出射的参考光。其中，所述处理器用于对所述第一探测器和所述第二探测器同步测量的光强进行数据收集和处理(第一探测器和所述第二探测器采集到的数据必须有同步的时钟)，所述控制器用于在测量过程中控制马达旋转以控制安装有马达的光学器件(如起偏器或验偏器)旋转，所述控制器和所述处理器需要同步协同处理马达和探测器，以保证测量数据的准确性。在一些实施例中，所述待检测样品为晶圆。
25.本技术的椭偏测量系统可以包含多种系统构型。
26.作为一种示例的系统构型，椭偏测量系统中的关键部件包括光源、起偏器、分光器、第一聚焦透镜系统、第二聚焦透镜系统、验偏器、第一探测器、第二探测器。其中，起偏器和验偏器安装有旋转马达，测量过程中控制器通过旋转马达使得起偏器旋转或验偏器旋转，即采用prsa或psar椭偏构型，其中，光源可以是单波长光源或宽波段光源。
27.作为另一种示例的系统构型，该椭偏测量系统中的关键部件除光源、起偏器、分光器、第一聚焦透镜系统、第二聚焦透镜系统、验偏器、第一探测器、第二探测器之外，还包括第一延迟波片；所述测量光依次经过所述第一延迟波片、所述第一聚焦透镜系统后照射在待检测样品，或者，所述待检测样品发射的光依次经过所述第二聚焦透镜系统、所述第一延迟波片后进入所述验偏器。也即，第一延迟波片可能设置在分光器与第一聚焦透镜系统之间，也可能设置在第二聚焦透镜系统与验偏器之间。其中，第一延迟波片安装有旋转马达(需要说明的是，起偏器和验偏器也安装有旋转马达)，在测量过程中控制器通过旋转马达使得第一延迟波片旋转，也即采用pcrsa或pscra椭偏构型，其中，光源可以是单波长光源或宽波段光源。在一些实施例中，所述第一延迟波片为四分之一波片，其作用是延迟某一个透射方向的偏振光，使出射的偏振光和入射的偏振光的偏振态发生改变。
28.作为另一种示例的系统构型，除光源、起偏器、分光器、第一聚焦透镜系统、第二聚焦透镜系统、验偏器、第一探测器、第二探测器之外，该椭偏测量系统中的关键部件还包括第二延迟波片和第三延迟波片，所述测量光依次经过所述第二延迟波片、所述第一聚焦透镜系统后照射在待检测样品，所述待检测样品发射的光依次经过所述第二聚焦透镜系统、所述第三延迟波片后进入所述验偏器。也即，在分光器与第一聚焦透镜系统之间设置第二延迟波片，且在第二聚焦系统与验偏器之间设置第三延迟波片。其中，第二延迟波片和第三延迟波片安装有旋转马达(需要说明的是，起偏器和验偏器也安装有旋转马达)，在测量过程中控制器通过旋转马达使得第二延迟波片和第三延迟波片旋转，也即采用pcrscra椭偏构型，也称为穆勒矩阵椭偏仪，其中，光源一般为宽波段光源。需要说明的是，所述第二延迟波
片、第三延迟波片以及上文中涉及的第一延迟波片可为相同的四分之一波片。
29.需要说明的是，上述系统构型仅为举例，而非对本技术的限制，本领域技术人员应能理解，所述椭偏测量系统中也可能包含其他光学器件，以形成其他系统构型。
30.作为一种优选方案，所述分光器的分光面与所述起偏器的出光偏振方向平行。作为另一种优选方案，所述分光器的分光面与所述起偏器的出光偏振方向垂直。需要说明的是，通过将分光器的分光面与起偏器出光偏振方向平行或垂直，能够消除分光器对入射光偏振态的改变，也即消除分光器偏振干扰，从而保持起偏器原有出光的偏振方向，保证了系统测量精度，下文中将结合附图来对此消除分光器偏振干扰的原理进行详细说明，在此不再赘述。需要说明的是，若分光器的分光面与起偏器出光偏振方向并非平行或垂直，也可通过校正来消除分光器偏振干扰。
31.本技术中，为了实现精密的数据同步，采用了双通道数据时钟同步方案，也即所述第一探测器和所述第二探测器采集到的数据有同步的时钟。在一些实施例中，所述处理器中包括用于第一探测器的第一模拟数字转换器以及用于第二探测器的第二模拟数字转换器，所述第一模拟数字转换器和所述第二模拟数字转换器相互独立且共用一个时钟源；作为一个示例，所述处理器中配置的模数转换芯片内有两个独立的sigma-deltaadc(analogtodigitalconverter，模拟数字转换器)，同时这两个独立adc共用一个时钟源，由此所述第一探测器和所述第二探测器可以同步采集数据，也即实现了针对测量光和参考光的同步采集。在一些实施例中，所述处理器中包括用于第一探测器的第一模拟数字转换器以及用于第二探测器的第二模拟数字转换器，所述第一模拟数字转换器和所述第二模拟数字转换器分别对应不同的时钟源t1和t2，所述处理器中还包括时钟控制模块，该时钟控制模块用于对t1和t2进行控制，以使这两个时钟源同步。需要说明的是，任何用于使得所述第一探测器和所述第二探测器采集到的数据有同步的时钟的方案，均应包含在本技术的保护范围内。
32.本技术中，起偏器出射的线偏振光经分光器分成测量光和参考光，也即分光器设置在起偏器之后，这使得测量光和参考光两束光强具备同步性(也即具备分光器光强同步性)。具体来说，假设光源的光强波动可以描述为：
33.i
source
(t)＝i0(1 i
var
(t))(1)
34.其中，i0是理想情况下绝对稳定的光源光强，i
var
(t)是真实情况下光源光强的变化率，是随着时间变化的量。第一探测器测量的光强为：
[0035][0036]
其中，为理论上应该测到光强曲线，i
sample
(t)为实际上测量到的光强曲线，这是理论值受到分光器出射样品方向光强波动影响的结果。第二探测器测量得到的光强是i
ref
(t)，是随着时间变化的量，i
ref
(t)表示如下：
[0037][0038]
其中，k是分光器出射到第二探测器方向(即参考光方向)的分光比例，易得知，分光器另一个出射方向(即测量光方向)的分光比例为1-k。其中，分光器出射参考光方向的光
强波动为一般情况下，光源在不同偏振方向的光波动程度有所不同，因此，分光器应该置于起偏器之后，这样才能保证分光器出射的两束光都源于光源在某一偏振方向的分量，即这里i
var
(t)特指光源在某一偏振方向的光强波动情况。当时，可以得出：
[0039][0040]
也即，理论上的样品测量光强正比于实际测量的样品光强与参考光强的比值。考虑到椭偏仪的计算原理是将光强进行傅里叶分解，因此不需要知道k和i0的精确数值就可以直接解出正确的傅里叶系数。综合以上可见，本技术通过将分光器放置于起偏器之后，实现了测量光和参考光两束光强的同步性。
[0041]
图1示出了本技术一个示例的椭偏测量系统的结构图，该椭偏测量系统100包括光源101、起偏器102、分光器103、第二延迟波片104、第一聚焦透镜系统105、第二聚焦透镜系统106、第三延迟波片107、验偏器108、第一探测器109、第二探测器110、控制器111以及处理器112，其中，光源101可以是宽波段多波长光源，也可以是单波长光源，第二延迟波片104和第三延迟波片107为四分之一波片，处理器112配置的模数转换芯片内有两个独立的sigma-delta adc，同时这两个独立adc共用一个时钟源。基于该椭偏测量系统，光源101发出的光经起偏器102转换为线偏振光，线偏振光经分光器103分成测量光和参考光，所述参考光照射到第二探测器110；所述测量光经过第二延迟波片104进入第一聚焦透镜系统105，第一聚焦透镜系统105的出射光照射在待检测样品113(如晶圆)上，待检测样品113发射的光经过第二聚焦透镜系统106后先进入第三延迟波片107，之后进入验偏器108，验偏器108出射的光照射到第一探测器109，处理器112对第一探测器109、第二探测器110测量的光强进行数据收集和处理。其中，起偏器102、第二延迟波片104、第三延迟波片107、验偏器108安装有旋转马达，控制器111用于控制马达旋转，控制器111与处理器112需要同步协同处理马达和两个探测器，以保证测量数据的准确性。
[0042]
基于图1所示的椭偏测量系统，分光器件103将入射光束分为两束光，一束光继续沿着入射光束的方向经过待检测样品反射最终由第一探测器109捕获，另一束光则到达第二探测器110，通过处理器112，双通道数据时钟同步能够保证第一探测器109和第二探测器110的时间同步性，即二者测量的光强是同一时间的光强，而分光器光强同步性保证两束光的强度变化率一致，都应该等于光源101出光的光强变化率，并且，通过将分光器103的分光面与起偏器102出光偏振方向平行(或垂直)，消除了分光器偏振干扰，进一步保证了系统测量精度。
[0043]
图2示出了本技术一个示例的入射光偏振态示意图，该示例基于图1所示椭偏测量系统，具体展示了从光源101经过起偏器102到分光器103的光束偏振态，以说明本技术消除
分光器偏振干扰的原理。如图2所示，起偏器102将光源101发出的非偏振态的光(unpolarized light)转化为线偏振光，由于椭偏仪设备的光学需求，起偏器102出射的线偏振光与入射面(incident plane)存在某个固定的角度α1，根据椭偏光的定义可知：
[0044]
入射光：
[0045]
反射光：
[0046]
折射光：其中，α1、α
′1、α2分别为入射光、反射光、折射光的线偏振光与入射面的夹角。e
1s
、e
′
1s
、e
2s
分别为入射光、反射光、折射光的s光分量；e
1p
、e
′
1p
、e
2p
分别为入射光、反射光、折射光的p光分量。根据菲涅尔公式和斯涅尔定理(n
1 sinθ1＝n
2 sinθ2)可得到：
[0047][0048][0049]
其中，n1、n2分别是空气和镜头两种介质的折射率，θ1、θ2分别是入射角和折射角。从以上结果可知，如果α1不等于0或90
°
，那么反射和透射光的偏振角度是随着入射角和折射率变化的，因此实际入射到待检测样品表面的偏振方向就不是起偏器设计的偏振角度了，尤其是当椭偏测量系统的光源波段范围较大，分光器材料折射率的色散性会带来更加复杂的校正成本，因此，将分光器的分光面与起偏器的出光偏振方向平行或垂直，能够消除分光器对入射光偏振态的改变，也即消除分光器偏振干扰。
[0050]
图3示出了本技术一个示例的电机不动时测量光强与参考光强的同步性示意图，其中展示的是基于图1所示椭偏测量系统在某一波长下实测的光强曲线，理论上系统中电机不动时的测量光强应该是完全不变的，实际中由于光源的不稳定性会导致实际测量的波动。由图3可以看出，测量光强(图3所示measure)与参考光强(图3所示reference)的变化趋势几乎平行，一致性很好。
[0051]
图4示出了将图3进行参考光校正后的结果示意图，其中示出了电机不动时的测量光强(图4所示measure)与矫正后的光强(图4所示calibrated)。由图4可见，利用本技术的方案(见上文中的公式(4))，可以将光源的波动影响降低到最小，校正后光强基本是一条直线。
[0052]
根据本技术的方案，在起偏器之后设置有分光器，该分光器能够将起偏器出射的线偏振光分成不同方向的测量光和参考光，所述参考光照射到所述第二探测器，所述测量光沿着入射光束的方向经过待检测样品反射最终由第一探测器捕获，处理器可对所述第一探测器和所述第二探测器同步测量的光强进行收集和处理，由于参考光与测量光来自于同一方向的线偏振光，因此能够使用参考光来有效地实时校正光源强度波动，提高系统测量稳定性，从而实现了具备超高稳定度的椭偏测量系统。
[0053]
对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在
不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。