基于分束器的椭圆偏振仪聚焦系统的制作方法

基于分束器的椭圆偏振仪聚焦系统
1.相关专利申请的交叉引用
2.本专利申请要求于2019年10月1日提交的名称为“基于分束器的椭圆偏振仪聚焦系统(beamsplitter based ellipsometer focusing system)”的美国非临时专利申请第16/590,373号的优先权，该专利申请以全文引用方式并入本文中。


背景技术：

3.椭圆偏振仪是检测从样品的表面反射的光的偏振状态的变化，以测量样品的特性的光学计量装置。举例来说，图1示出了常规光谱椭圆偏振仪10，其包括宽带光源12、偏振器14和透镜15，以将照射光聚焦在位于载物台18上的样品16的表面上。椭圆偏振仪10还包括在穿过透镜20之后的分析仪22。在穿过分析仪22之后，反射光由透镜系统24聚焦在检测器26上。
4.椭圆偏振仪10必须正确聚焦在样品上。一些系统使用独立聚焦系统，即附接到椭圆偏振仪但是使用独立的光路径的系统，用于确定聚焦系统且因此椭圆偏振仪相对于样品的位置。然而，此类聚焦系统需要非常精确的对准，这是昂贵且困难的。图1示出了包括具有孔径30的镜面28的集成聚焦系统的示例。镜面28将反射光束的外部光线反射到聚焦检测器32，同时反射光束的内部光线透射穿过孔径30并由椭圆偏振仪检测器26接收。通常，聚焦检测器32是位置敏感装置(psd)或“四单元”，这两者均不对所检测光进行成像，但是原则上，将所有所接收的光相加。因此，此类装置由于杂散光而容易不准确。其它系统，如u.s.5,608,526中描述的系统，使用相机作为聚焦检测器32。然而，由于镜面28引起的系统误差，这类系统仍然遭受不精确性，因为检测器32仅采样光束的外部部分。此外，聚焦系统，如5,608,526中描述的聚焦系统，缺乏在样品上产生小照射斑大小所需的精度。
5.因此，需要用于椭圆偏振仪的改进的聚焦系统。


技术实现要素：

6.椭圆偏振仪包括聚焦系统，该聚焦系统使用测量斑的图像确定用于椭圆偏振仪的最佳焦点位置。聚焦信号通过在由偏振器分析测量信号之前分离反射测量信号来产生，从而避免成像测量斑中的调制强度。另外，在分析仪之前分离反射的测量信号避免了成像测量斑从不同样品的相对移动，该相对移动是由反射椭圆偏振在入射角分布上的差异引起的。聚焦信号在传感器阵列上成像，并且基于斑在传感器阵列上的位置，可以确定椭圆偏振仪的焦点位置。单个图像可用于确定椭圆偏振仪的焦点位置，从而允许实时聚焦位置测量。
7.在一个具体实施中，椭圆偏振仪包括源，该源沿路径发射光；偏振器，该偏振器使光偏振以产生样品光束，该样品光束与样品相互作用并且被反射以产生反射光束；补偿器，该补偿器安置于样品光束或反射光束的路径中，补偿器诱导光的偏振状态的相位延迟，其中偏振器和补偿器中的至少一者围绕平行于光的传播方向的轴线旋转；分束器，该分束器定位在补偿器之后、在反射光束的路径中，分束器被定位成接收反射光束并且将反射光束的第一部分引导到聚焦系统并将反射光束的第二部分引导到分析仪，其中反射光束的第一
部分和反射光束的第二部分均包括反射光束的整个横截面；聚焦系统被定位成从分束器接收反射光束的第一部分，聚焦系统包括：透镜系统，该透镜系统接收反射光束的第一部分，透镜系统将与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的任何偏差放大；和第一检测器，该第一检测器被定位成从透镜系统接收反射光束的第一部分，其中第一检测器包括二维传感器，并且聚焦系统中的透镜系统在二维传感器上产生斑并且二维传感器产生斑的图像；分析仪被定位成从分束器接收反射光束的第二部分；第二检测器，该第二检测器被定位成从分析仪接收反射光束；和处理器，该处理器接收图像并且被配置为在图像中获取斑在二维传感器上的位置，以确定与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的偏差。
8.在一个具体实施中，一种聚焦椭圆偏振仪的方法包括沿路径产生光；使光偏振以产生样品光束，该样品光束与样品相互作用并且被反射以产生反射光束；诱导样品光束或反射光束中的光的偏振状态的相位延迟；使偏振或偏振状态的相位延迟中的至少一者旋转；分离反射光束并沿第一路径引导反射光束的第一部分并且沿第二路径引导反射光束的第二部分，其中反射光束的第一部分和反射光束的第二部分均包括反射光束的整个横截面；将反射光束的第一部分聚焦到二维传感器上的斑中，其中将与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的任何偏差放大；产生斑的图像；在图像中确定斑在二维传感器上的位置；使用斑在二维传感器上的位置确定与最佳聚焦位置的偏差；基于与最佳聚焦位置的偏差调整椭圆偏振仪的焦点位置；分析反射光束的第二部分的偏振状态；以及检测反射光束的所分析的第二部分。
9.在一个具体实施中，椭圆偏振仪包括沿路径发射光；偏振器，该偏振器使光偏振以产生样品光束，该样品光束与样品相互作用并且被反射以产生反射光束；补偿器，该补偿器安置于样品光束或反射光束的路径中，补偿器诱导光的偏振状态的相位延迟；分析仪，该分析仪定位在补偿器之后的反射光束的路径中，其中偏振器、补偿器和分析仪中的至少一者围绕平行于光的传播方向的轴线旋转；聚焦系统，该聚焦系统定位在补偿器之后且分析仪之前的反射光束的路径中，聚焦系统包括：分束器，该分束器被定位成接收所述射光束并将反射光束的第一部分引导到透镜系统并且将反射光束的第二部分引导到分析仪，其中反射光束的第一部分和反射光束的第二部分均包括反射光束的整个横截面；透镜系统被定位成接收反射光束的第一部分并将反射光束的第一部分引导到第一检测器，透镜系统将与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的任何偏差放大；和第一检测器，该第一检测器被定位成从透镜系统接收反射光束的第一部分，其中第一检测器包括二维传感器，聚焦系统中的透镜系统在二维传感器上产生斑并且二维传感器产生斑的图像；第二检测器，该第二检测器被定位成从分析仪接收反射光束；和处理器，该处理器接收图像并且被配置为在图像中获取斑在二维传感器上的位置，以确定与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的偏差。
附图说明
10.图1示出了具有常规聚焦系统的椭圆偏振仪。
11.图2示出了根据本发明的实施方案的具有高精度聚焦系统的椭圆偏振仪100。
12.图3示出了聚焦系统中的相机的其上具有显著较小斑的二维传感器。
13.图4是示出了由聚焦系统提供的传感器信号的处理以自动地调整椭圆偏振仪的焦点位置的流程图。
14.图5示出了没有强度调制但由于旋转光学器件引起的摆动的传感器上的自动聚焦斑。
15.图6示出了具有强度调制和由于旋转光学器件引起的摆动两者的传感器上的自动聚焦斑。
16.图7是示出了聚焦椭圆偏振仪的方法的流程图。
具体实施方式
17.用于椭圆偏振仪的实时聚焦系统可以使用椭圆偏振仪测量斑的图像确定针对椭圆偏振仪的最佳焦点位置。聚焦信号通过在由偏振器分析测量信号之前分离反射测量信号来产生，从而避免成像测量斑中的调制强度。另外，在分析仪之前分离反射的测量信号避免了成像测量斑从不同样品的相对移动，该相对移动是由反射椭圆偏振在入射角分布上的差异引起的。因此，可以使用单个图像确定椭圆偏振仪的焦点位置，从而允许实时聚焦位置调整。
18.图2示出了被配置有实时高精度聚焦系统150的椭圆偏振仪100。如图所示，椭圆偏振仪100包括光源102和偏振状态发生器103和偏振状态分析仪115。椭圆偏振仪100可以是单色或光谱的，因此，光源102可以是窄带或宽带光源。偏振状态发生器103包括偏振器104，并且可以包括旋转补偿器105。在一些具体实施中，补偿器105可以位于样品之后，如由虚线所示的补偿器105’所示。偏振状态分析仪115包括另一偏振器112，通常称为分析仪112。如果需要，补偿器105可以是静止的，并且偏振器104和分析仪112中的一个或两个可以旋转，或者替代地，补偿器105以及偏振器104和分析仪112可以旋转。透镜系统106将照明光111聚焦在定位于载物台108上的样品101的表面上。由于偏振状态发生器103，入射照明光111具有已知偏振状态。样品101将改变光的偏振状态，并且由样品101反射的所得光通过偏振状态分析仪115分析，例如在由另一透镜系统110接收到反射光之后，通过使反射光113穿过分析仪112(和补偿器105’，如果位于样品101之后)。在穿过分析仪112之后，反射光113由透镜系统114聚焦在检测器116上。检测器116检测反射光113的强度，该强度可以与偏振器104、分析仪112和补偿器105的已知位置一起用于确定椭圆偏振参数ψ并且δ可以从中确定样品101的各种参数，这在本领域中是众所周知的。
19.为了正确测量样品101，椭圆偏振仪100相对于样品101定位在最佳焦点位置。因此，椭圆偏振仪100包括集成自动聚焦系统150，该集成自动聚焦系统对由椭圆偏振仪100使用的相同光线进行成像并且另外将与最佳聚焦位置的偏差放大。聚焦系统150包括分束器152，该分束器将反射光113的一部分引导到透镜系统154，该透镜系统将光聚焦到检测器156上。
20.如图3所示，透镜系统154将光聚焦到斑302中，该斑显著小于用于检测器156的二维传感器304。传感器304可以是例如二维传感器阵列，例如ccd。斑302可以是传感器304的大小的1％-50％，例如10％或更小，这增大了有用的自动聚焦范围。透镜系统154的透镜被布置成将与最佳聚焦位置的偏差放大，从而提供更大的测量精度。举例来说，如图3中的箭头306所示，斑302的位置在传感器304上的移动提供了与最佳聚焦位置的偏差的放大指示。当通过焦点范围扫描样品101时，传感器304上的斑的大小可以稍微变化，然而，这是斑位置计算可以被配置为不敏感的相对较小的影响。由透镜系统154相对于与最佳聚焦位置的偏
差产生的放大可以是3x到5x或更大，例如10x。然而，斑大小的减小降低了聚焦精度，并且因此在自动聚焦范围与精度之间进行折衷，因为较小斑会使斑位置计算精确降低，但提供了更高斑强度。因此，视需要，可以产生大斑，例如传感器304的大小，该斑可以用于提供更准确的斑位置计算。
21.如图2所示，聚焦系统150的分束器152将反射光113的一部分(例如，总光强度的4％到10％)反射到聚焦系统150，并且将反射光113的剩余部分(例如，总光强度的90％或更大)透射到椭圆偏振仪检测器116。在图2所示的配置中，将反射部分提供给聚焦系统150，但是视需要，可以将反射光113的透射部分提供给聚焦系统150，其中透射了反射光强度的4％到10％。与仅使用反射光的外部光线的图1中所示的系统相反，当通过聚焦系统150对反射光113的整个横截面进行采样时，有时称为“拾取”分束器的分束器152的使用是有利的。通过对反射光113的整个光束进行采样，聚焦系统150对由仅对反射光113的部分进行采样引起的系统误差并不敏感。
22.分束器152可以是薄膜分束器，其可以具有薄度，例如0.002mm，该薄度不会显著影响会聚光束中的光路径长度或像差。在准直光束中对光路径长度和像差的影响将甚至更小，如图2所示。使用薄膜分束器将进一步最小化色差并防止成像幻影。
23.如图2所示，例如通过帧捕捉板157将用于聚焦系统150的检测器156耦合到计算机130。也可以直接或通过例如驱动器105d所示的控制器/驱动器将旋转光学元件，例如补偿器105或偏振器104以及载物台108连接到帧捕捉板157。视需要，用于椭圆偏振仪100的检测器116可以耦合到相同计算机130或不同计算机。计算机130包括具有存储器134的处理器132，以及包括例如显示器138和输入装置140的用户界面。帧捕捉板157包括处理器157p(其可以是现场可编程门阵列(fpga))，该处理器被配置为确定聚焦误差，该聚焦误差用于例如经由载物台伺服控制器108cont来控制载物台108的聚焦位置，该载物台伺服控制器从帧捕捉板157接收聚焦误差数据并且因此控制载物台108中的致动器109。因此，在一个实施方案中，帧捕捉板157处理直接来自检测器156的聚焦误差，并且将焦点调整提供给载物台伺服控制器108cont，而不从计算机130输入。当然，视需要，计算机130可以部分地或全部用于处理聚焦误差并指示阶段伺服控制器108cont。应当理解，处理器，例如帧捕捉板157上的处理器157p，可以包括一个或多个单独的处理单元，例如处理器157p可以包括用于图像处理的第一处理器和用于聚焦误差确定的单独处理器。另外，除了帧捕捉板157之外，一个或多个处理器可以位于其它位置。举例来说，处理器157p(或包括处理器157p的处理器单元中的一个或多个处理器单元)可以位于检测器156中或位于其它地方。
24.如果处理器132是例如执行计算机程序的指令的微处理器，则用于自动地执行本详细描述中描述的一个或多个动作的数据结构和软件代码可以由本领域的普通技术人员根据本公开实施并存储在例如计算机可读存储介质上，例如存储器134或磁盘142，其可以是可以存储代码和/或数据以供计算机系统使用的任何装置或介质。计算机可读存储介质134/142可以是(但不限于)磁存储装置和光学存储装置，例如磁盘驱动器、磁带、光盘和dvd(数字通用光盘或数字视频光盘)。通信端口144还可用于接收指令，该等指令用于对处理器132进行编程以执行本文所述的功能中的任何一者或多者，并且可以表示任何类型的通信连接，例如到互联网或任何其他计算机网络的通信连接。另外，本文所述的功能可全部或部分地体现在专用集成电路(asic)或可编程逻辑器件(pld)的电路中，并且这些功能可体现
在可用于创建如本文所述那样操作的asic或pld的计算机可理解的描述符语言中。举例来说，如上文所讨论，可以使用现场可编程门阵列(fpga)。fpga可以位于检测器156中或位于计算机130内部或外部的帧捕捉板157上。在处理器132是fpga的情况下，计算机可读存储介质134/142可以提供编程文件以嵌入处理器132中的所需配置，该处理器可以针对非易失性fpga执行一次或者在上电时执行。通过避免使用主系统cpu来执行自动聚焦的必要计算，cpu不会减慢。此外，专用处理器增加了图像处理速度。因此，载物台伺服控制器108cont可以直接耦合到帧捕捉板157，该帧捕捉板可以通过串行外围通信接口(spi)信道将信号直接提供给载物台伺服控制器108cont。
25.如本领域已知的，用于测量样品的性质和/或结构的椭圆偏振仪(例如，椭圆偏振仪100)使用偏振状态发生器103或偏振状态分析仪115改变光的偏振状态。举例来说，可以通过使偏振器104和补偿器105中的至少一者围绕平行于光的传播方向的轴线旋转来改变光的偏振状态。在理想情况下，旋转光学器件(即，偏振器104或补偿器105)围绕与光轴线完全平行的轴线旋转，在这种情况下，照明斑在样品101上的位置将不会移动。然而，实际上，使旋转光学器件旋转的马达和轴承不是完美的，导致旋转光学器件摆动。另外，针对旋转光学器件的输入光束和旋转光学器件之后的输出光束将不会完全平行。由于这两种影响，样品101上的照明斑移动，这将导致在聚焦系统150的检测器156的二维传感器上成像的斑随着旋转光学器件旋转而移动。照明斑在椭圆偏振仪100中的移动可很小，例如小于2μm，但当存在时，可能导致针对自动聚焦系统150的问题。因此，自动聚焦系统150可以被配置为对照明斑的移动进行补偿。
26.存在改变光的偏振状态的几种不同方式，所有这些方式都是本公开考虑的。改变偏振状态的一种方式是使偏振器104绕光轴线连续地旋转，而仅透射一个偏振状态的分析仪112是固定的。在这种方法中，不需要使补偿器105旋转。在最简单的情况下，在样品不改变入射光的偏振的情况下，结果是分析仪112之后光的强度的变化。举例来说，分析仪112可以被设置为仅透射水平偏振光并且阻挡竖直偏振光。在偏振器104在照明光111被水平偏振的位置中开始的情况下，分析仪112将透射100％的光。当偏振器104围绕光轴线旋转90度时，光现在是竖直偏振的。因此，分析仪112将阻挡所有光，并且检测器116处将没有信号。随着偏振器再移动90度(总共180度)，偏振器现在再次透射水平偏振光，并且分析仪再次透射100％的光。因此，信号强度与时间的曲线图产生正弦波，其中信号的强度在0％与100％之间变化，并且正弦波的频率是偏振器104的旋转频率的双倍。另外，分析仪112可以旋转，而偏振器104保持固定。可替代地，如图2所示，旋转补偿器105可以用于改变偏振状态。旋转补偿器105将产生强度与时间相同的基本正弦变化。如上文所讨论，旋转补偿器105可以位于样品101的任一侧上。
27.在使用中，测试中的样品将改变入射光的偏振状态，这将改变由检测器116接收的所得信号的强度和相位。使用强度和相位的变化，可以确定样品101的材料特性，该材料特性是椭圆偏振法的实质并且在本领域中是众所周知的。然而，由于旋转光学器件所致的强度和相位的连续变化可能产生用于椭圆偏振仪的自动聚焦系统的问题。举例来说，在分析仪112之后由于旋转光学器件所致的信号强度在0％与100％之间的变化导致在信号周期的部分期间没有或只有很少的光可用于确定椭圆偏振仪的焦点位置。
28.因此，如图2所示，用于聚焦系统150的分束器152在分析仪112之前的光学路径中。
通过将分束器152放置在分析仪112之前，由于光学器件的旋转而不会调制光的强度。因此，在通过分析仪112调制反射光之前，分束器152将反射光113的一部分引导到检测器156。因此，成像到聚焦系统150的焦点平面阵列，即检测器156上的反射光113不具有调制的强度。然而，随着旋转光学器件旋转，光学器件(例如，偏振器104或补偿器105)的旋转仍然可以在聚焦系统150的检测器156上成像的斑中产生摆动。视需要，分析仪112可以旋转并且偏振器104和补偿器105保持静止，这将避免由检测器156成像的斑中由旋转光学器件产生的摆动。此外，视需要，分束器152可以定位在补偿器105’之前的光束路径中，并且分析仪112和补偿器105’中的一个或两个可以旋转，而偏振器104保持静止，这将再次避免由检测器156成像的斑中由旋转光学器件产生的摆动。
29.图4示出了自动聚焦过程的流程图，该自动聚焦过程可以完全或部分地由计算机130外部的检测器156或帧捕捉板157，例如(fpga和dsp)执行。如图所示，执行采集同步400步骤，其中用于旋转补偿器105(或偏振器104)的控制器/驱动器105d将同步(触发)信号提供给帧抓取板157以用于对样品上的斑移动进行补偿，如下文所讨论。可以执行空图像的自动检测(402)。例如，通过找到阈值水平以通过自动阈值化将斑与背景分离来检测空图像，这在图像处理领域中是众所周知的。如果不存在斑(404)，即没有感兴趣区域，则过程重新开始采集同步400。如果存在斑(404)，则可以从图像中提取感兴趣区域(roi)(406)。视需要，例如在斑大小与传感器304一样大的情况下或在处理器足够强大的情况下，例如当fpga用于帧捕捉板157中时，可以不提取roi，并且可以直接计算整个图像。
30.大部分数码相机，如常规计量系统中使用的数码相机包括内部自动曝光控制。然而，此类相机的自动曝光控制对于使用ccd上的单个斑的本发明的高精度聚焦系统150来说是不够的。常规相机中的自动曝光控制尝试调整针对整个ccd的曝光，并且因此将在ccd上存在单个斑时失去控制。此外，如果将图像下载到计算机130来执行曝光控制，则会有太多的延迟，导致控制不稳定。因此，聚焦系统150可以使用相机曝光控制i/o作为图像处理专用处理器的从属，例如在检测器156或帧捕捉板157上，因此曝光控制与图像处理中所需的相关性良好。仅相对于ccd上的斑而不是整个ccd调整曝光，该ccd是例如99％空白。因此，一旦斑位于检测器156的传感器304上，就计算基于斑的局部强度的曝光误差，而不是计算整个传感器上的曝光误差。
31.另外，一些样品将不想要的光散射到自动聚焦系统150的路径中。不想要的光的量和图案将根据样品而变化。虽然椭圆偏振仪100的光学系统可以被设计成最小化接收散射光，但是不能完全消除问题。如果不从自动聚焦系统的斑位置计算排除不想要或散射光，则将产生误差。因此，自动聚焦系统150被配置为对散射光不敏感。
32.为了提取roi(406)，可以将图像水平(x)和竖直(y)求和到向量中，并且在x和y中发现两个向量中的最大值。使用x和y中的最大值，roi可以位于图像数据中并且在图像数据中提取。然后可以根据roi中的图像的2d数据确定斑。可以执行掩蔽和阈值化(410)以从信号中过滤噪声。在这个步骤中，例如，可以产生示出给定强度下的像素数量的直方图。大部分像素接收很少或没有信号，因此在零强度附近将存在大的峰。在自动聚焦斑中照明的像素将产生第二峰。然而，自动聚焦斑外部的一些像素可以由于要去除的背景或散射光而被照明。为了确定任何给定像素是否是自动聚焦斑的一部分或背景的一部分，可以采用例如类别变化的自动阈值算法的技术。保留作为自动聚焦斑的一部分的像素，同时消除或掩蔽
例如由于反射被确定为在自动聚焦斑外部的像素或孤立的像素。
33.然后可以执行针对遮罩内部的像素的斑位置计算(412)。在一个实施方案中，可以基于斑的质心确定斑位置。然而，其它技术可以用于计算斑位置。举例来说，像素在斑中的平均x、y位置可以用于确定斑中心的位置，或者平滑函数可以用于平滑斑中的点并且最大值可以用作斑的中心的位置。可替代地，可以使用大规模优化问题找到斑的中心，例如通过将斑的周边当作椭圆并找到椭圆的中心。当然，视需要，可以使用上文的其它技术或变形。举例来说，斑的位置可以基于强度大于阈值的像素的灰度值(或可替代地，二进制值)来计算为质心。简单的质心计算将假设遮罩内部的所有像素均等地加权，即二进制质心计算。然而，已发现，当斑具有高斯分布(gaussian distribution)时，剩余像素的“blob”中心附近的较亮像素比blob的边缘处的较暗像素具有更少的噪声。因此，可以使用由像素强度(也称为灰度)加权的质心计算来产生灰阶质心，其中更亮像素根据其强度而在计算中具有更强加权，这提高了聚焦精度。然而，当斑的内部结构不是均匀的并且关于晶片图案上的变化改变时，使用二进制质心计算可能是有利的。自动聚焦系统应该对晶片图案不敏感，因此在这种情况下可以使用二进制质心计算。
34.可以使用锁相环(pll)操作(414)以与旋转光学器件的角位置同步，使得可以补偿旋转光学器件中的摆动。另外，锁定在来自旋转光学器件的同步信号上的pll可用于补偿对准误差。举例来说，传感器304的中心可能不与斑在传感器上的运动完全对准。此外，斑在传感器304上的运动可以不是线性的，例如这是因为斑在传感器304上的运动是角运动的结果，虽然传感器304是线性的。如上文所讨论，用于旋转光学器件的(即，补偿器105或偏振器104)的控制器/驱动器105d输出指示旋转光学器件的角位置的信号，该信号是在采集同步(400)期间获取的。使用角位置信号作为“触发”信号，pll可以用于锁定触发信号，并且可以使用检测器156或帧捕捉板157中(或计算机130中)的fpga中的查找表(lut)来执行对旋转光学器件中的任何摆动或对准误差进行补偿，其中查找表中的值是通过校准程序获得的。可以例如使用硅晶片来校准系统，其中旋转光学器件旋转一个或多个旋转。在旋转光学器件的每个角位置处，可以针对多个不同焦点高度测量斑位置，并且针对旋转光学器件的每个角位置(即，每个触发角)的每个焦点高度的平均斑位置被确定并加载到lut中。lut可以通过步进通过z轴线上并记录z高度或相对于ccd上测量的斑位置与所需焦点位置的偏移来获得。可以根据ccd中的像素记录斑位置，并且可以从lut输出微米或级编码器计数中的聚焦误差。因为摆动和对准误差是硬件相关的，即椭圆偏振仪的光学组件的性质，所以预计这种校准不会经常改变。
35.图5示出了由于旋转光学器件的摆动所致的自动聚焦斑在检测器156的二维传感器304上的移动。在图5中，斑552表示当旋转光学器件(例如，旋转补偿器105或偏振器104)例如基于pll触发信号而旋转360
°
时，八次曝光序列期间的检测器156的二维传感器304上的斑，即使椭圆偏振仪100的焦点位置并未改变。如图所示，曝光序列可以产生描述了随着旋转光学器件旋转斑552的移动的椭圆554。为了比较，斑556示出了如果旋转光学器件没有未对准或机械摆动，并且如果椭圆偏振仪100位于最佳焦点位置，则斑552将位于的中心位置。如箭头557所指示，从中心位置的任何移动提供了与最佳聚焦位置的偏差的指示。
36.可以针对每个图像帧(例如，pll触发信号)计算斑位置，并且因此实际上，针对360
°
旋转的旋转光学器件存在超过八次曝光。如图5所示，在旋转光学器件旋转时，斑552在
每次曝光中的强度不会改变，因为用于聚焦系统150的分束器152定位在分析仪112之前。此外，由于跨入射角的扩散两端的反射椭圆偏振的差异，测量斑的位置在不同样品之间不会变化，因为聚焦系统150定位在分析仪之前。
37.椭圆554是系统机械误差，例如旋转光学器件的摆动的结果，并且可以被校准，如上文所讨论，使得可以通过单个图像焦点平面数据采集来执行聚焦测量。举例来说，来自检测器156的图像采集可以与旋转光学器件的角位置同步。旋转光学器件硬件可以被设计为旋转光学器件的每360
°
旋转发送例如13个触发信号。如上文所讨论，使用pll允许将椭圆554划分成任何所需数量的角。在校准期间，当椭圆偏振仪100扫描通过不同焦点位置(z高度)时，可以获得针对旋转光学器件的每个所需角位置处的每个焦点位置的斑552在传感器304上的xy位置并且存储在补偿lut中。
38.举例来说，在校准期间，椭圆偏振仪100被放置在处于聚焦的空白硅晶片上方。pll将锁定来自旋转光学器件信号的触发信号，并在预定义的采集角下产生相机触发。检测器156将在每个指定角(由pll逻辑触发)下捕获图像。举例来说，在图5中，示出了八个采集角，但可以使用额外(或更少)采集角，例如13个角。可以将针对每个采集角处的焦点位置的斑的xy位置存储在lut中。该过程可以在不同的焦点高度处重复在运行时，可以基于pll和来自旋转光学器件的触发信号确定采集角(图4中的阶段414)。采集角是恒定的并且可由pll逻辑重复和处理。因为椭圆偏振仪硬件(即，旋转光学器件)可以具有角的固定划分，例如13，其可能不是等距分布的，所以pll可以在每次旋转中仅与来自旋转光学器件的第一触发器同步。pll接着可以产生针对其自身和检测器156的自身触发以用于采集角的所需划分。
39.参考图4，接着可以基于旋转光学器件的采集角、检测器156处成像的斑和针对采集角的斑的校准xy位置(例如，存储在lut中)确定与最佳聚焦位置的偏差(416)。举例来说，基于例如根据pll触发确定的采集角，可以基于斑在二维传感器304上的测量的xy位置根据lut确定焦点高度。lut表可以输出与最佳聚焦位置的以微米为单位的偏差或例如级编码器计数。lut表可以替代地输出当前焦点位置，可以根据该当前焦点位置计算与所需最佳焦点位置的偏差并转换为级编码器计数。
40.接着可以相应地调整椭圆偏振仪100的焦点位置(418)，例如通过将结果发送到用于致动器109的伺服控制器以移动载物台108来消除所确定的焦点位置偏移。
41.由于聚焦系统150的配置，并且特别是分束器152在分析仪112之前的位置，因此由检测器156成像的斑的强度不会随着旋转光学器件旋转而改变。举例来说，如图5所示，每个斑552在不同采集角处的强度是恒定的。因此，可以通过单次焦点平面数据采集，即使用来自任何采集角的单个成像斑552来执行与最佳焦点位置的偏差。
42.相反，如果分析仪112定位在分束器152之前，则由聚焦系统接收的斑的强度将由于旋转光学器件的旋转而在0％与100％之间进行调制。举例来说，图6示出了聚焦系统中定位于分析仪112之后的成像斑652，示出了由于旋转光学器件的旋转引起的旋转光学器件的摆动和强度变化而导致的斑的移动。斑652的不同灰度表示不同的强度。如图所示，由于旋转光学器件的旋转，斑652循环通过0％和100％强度。在旋转光学器件的旋转周期期间，多个位置处存在0％强度或接近0％强度意味着无法在这些采集角处测量椭圆偏振仪100的焦点位置，或者在旋转时段的一部分内必须采集并整合多个图像，以便产生足够的信号，中心位置656可根据该信号进行确定并用于测量焦点位置偏移。这将时间带宽限制在椭圆偏振
仪的旋转元件的完整机械周期的一半左右。此外，针对正确的图像采集，可能需要比例-积分-微分控制器(pid)控制器来预测检测器的曝光时间和/或增益，以便在斑强度的正弦变化之后为斑创建稳定的曝光。因此，利用这样的配置，无法使用单次焦点平面数据采集，即使用来自任何采集角的单个成像斑。如图1所示的具有在分析仪112之前的分束器152的聚焦系统150的配置产生具有更少处理要求的更快，即实时的焦点位置测量。
43.图7是示出根据一个实施方案的聚焦椭圆偏振仪(例如，图2所示的椭圆偏振仪100)的方法的流程图700。如图所示，在框702处，沿路径生成光，并且在框704处，使光偏振以产生样品光束，该样品光束与样品相互作用并且被反射以产生反射光束。在框706处，诱导样品光束或反射光束中的光的偏振状态的相位延迟。在框708处，使偏振或偏振状态的相位延迟中的至少一者旋转。在框710处，将反射光束分成沿第一路径引导的反射光束的第一部分和沿第二路径引导的反射光束的第二部分，其中反射光束的第一部分和反射光束的第二部分均包括反射光束的整个横截面。举例来说，反射光束可以分裂，并且通过薄膜分束器沿第一路径引导反射光束的第一部分，并且沿第二路径引导反射光束的第二部分。在框712处，将反射光束的第一部分聚焦到二维传感器上的斑中，其中将与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的任何偏差放大。举例来说，可将与椭圆偏振仪的最佳聚焦位置的任何偏差放大至少2x。此外，斑可以是二维传感器50％或更小。在框714处，产生斑的图像。在框716处，在图像中确定斑在二维传感器上的位置。在框718处，使用斑在二维传感器上的位置确定与最佳聚焦位置的偏差。举例来说，为了确定与最佳聚焦位置的偏差，可以使用斑在二维传感器上的单个图像。在框720处，基于与最佳聚焦位置的偏差来调整椭圆偏振仪的焦点位置。在框722处，例如通过图2中示出的分析仪112分析反射光束的第二部分的偏振状态。在框724处，检测反射光束的所分析的第二部分。
44.在一个具体实施中，使偏振或偏振状态的相位延迟中的至少一者旋转引起斑的位置在二维传感器上移动，并且过程还可以包括对斑的位置在二维传感器上的移动进行补偿。举例来说，该过程可以包括提供偏振状态的偏振或相位延迟中的至少一者的角位置的指示，其中对斑在二维传感器上的位置的移动进行补偿可以使用偏振状态的偏振或相位延迟中的至少一者的角位置的指示。
45.虽然出于说明目的结合具体实施方案示出了本发明，但本发明不限于此。在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种适配和修改。因此，所附权利要求书的精神和范围不应限于前述描述。