一种光谱椭偏测量系统技术方案

本发明专利技术提供一种光谱椭偏测量系统，包括：光源，用于提供偏振态的入射光；第一反射式投影物镜，位于光源与待测样品之间的光路内，用于将入射光会聚到待测样品的表面，以形成检测光斑；第二反射式投影物镜，对称第一反射式投影物镜地设置于待测样品与分光器之间的光路，用于从待测样品的表面获取光斑的反射光，并对反射光进行准直处理；分光器，获取第二反射式投影物镜输出的反射光，并对反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分入射角度的分光光束；以及至少一台探测器，获取分光器输出的多束分光光束，并根据多束分光光束的偏振态参数确定待测样品表面的薄膜信息。态参数确定待测样品表面的薄膜信息。态参数确定待测样品表面的薄膜信息。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱椭偏测量系统


[0001]本专利技术涉及半导体量测设备，具体涉及了一种光谱椭偏测量系统。

技术介绍

[0002]随着半导体工艺节点的不断减小，晶圆制造厂对量测设备的性能水平要求也越来越高。传统光谱椭偏技术是一种非接触式测量技术，在半导体制造中用来监测和控制一层或多层膜层的制作过程。这个量测过程中监测和控制的主要信息参数包括膜层的厚度、材料折射率、消光系数、光学关键尺寸等信息。
[0003]光谱椭偏仪的技术原理主要利用起偏器形成一束已知偏振态的光入射到样品（例如：晶圆）表面，其反射光的偏振态将发生改变。之后，光谱椭偏仪可以通过验偏器和光电转化器件来接收反射光，并通过对光偏振态信息的处理来反演出膜层的信息。目前，市面上国内外绝大多数光谱椭偏系统的入射光光轴与出射光光轴均为单一恒定值，并以此为光轴中心，对称分布一个光锥角度的光线范围进行入射及接收。按照菲涅耳（Fresnel）反射率计算公式，不同的入射角度（Angle of incidence，AOI）会改变出射光的偏振态。由于实际光束聚焦入射晶圆的光锥角越大，出射光的偏振态信息越不一致，越不利于算法反演。反之，若光锥角越小，则聚焦在晶圆上的光斑尺寸因衍射影响就会导致弥散斑越大。也就是说，光束光锥角度在晶圆上的入射角度（AOI）范围较大，就容易导致接收光的偏振态信息混叠，从而影响膜厚、光学关键尺寸等信息的反演精度。但是，如果缩小光束光锥角，又无法实现较小光斑的聚焦。
[0004]针对上述问题，现有技术中采用的是分离式多角度接收光路架构，即在入射端和出射端左右两侧均使用离轴两反物镜架构来分割入射角度。但是，这种架构一方面会导致偏振态分布不均匀，另一方面会提高系统的装调灵敏度。而且，这种非对称形式的光路设置对每一路角度均需要设置不同的切趾滤光片，设计及工程实现上相对复杂。
[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本领域亟需一种光谱椭偏测量技术，能够将总的入射光锥角拆分为多个分角，并基于多个分光光束分别确定待测晶圆表面的薄膜信息，从而解决光斑大小和入射光锥角之间的矛盾。此外，通过采用凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜来组成同轴式的反射式投影物镜，再结合对称开孔的光阑，本专利技术还可以使光线的偏振态分布均匀，因而不再需要使用切趾滤光片，能够简化设计结构，并降低系统的装调灵敏度。

技术实现思路

[0006]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
[0007]为了克服现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提供了一种光谱椭偏测量系统，能够
将总的入射光锥角拆分为多个分角，并基于多个分光光束分别确定待测晶圆表面的薄膜信息，从而解决光斑大小和入射光锥角之间的矛盾。此外，通过采用同轴式的反射式投影物镜，该光谱椭偏测量系统还可以使光线的偏振态分布均匀，从而简化设计结构，并降低系统的装调灵敏度。
[0008]具体来说，根据本专利技术的一方面提供了一种光谱椭偏测量系统，包括：光源，用于提供偏振态的入射光；第一反射式投影物镜，位于光源与待测样品之间的光路内，用于将该入射光会聚到待测样品的表面，以形成检测光斑；第二反射式投影物镜，对称第一反射式投影物镜地设置于待测样品与分光器之间的光路，用于从该待测样品的表面获取该光斑的反射光，并对该反射光进行准直处理；分光器，获取该第二反射式投影物镜输出的反射光，并对该反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束；以及至少一台探测器，获取该分光器输出的多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜信息。
[0009]可选地，在专利技术的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括起偏器，其中，该起偏器位于该光源与该第一反射式投影物镜之间，用于对该光源输出的光束进行偏振处理，以向该第一反射式投影物镜提供该偏振态的入射光。
[0010]可选地，在专利技术的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括验偏器，其中，该验偏器位于该第二反射式投影物镜与该分光器之间，用于对该第二反射式投影物镜输出的反射光进行偏振处理，以经由该分光器向该探测器提供反映了偏振态变化的输出光。
[0011]可选地，在专利技术的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括两个切趾滤光片，其中，第一切趾滤光片被设置于该起偏器与该第一反射式投影物镜之间，第二切趾滤光片被设置于该第二反射式投影物镜与该分光器之间，该第一切趾滤光片及该第二切趾滤光片具有相同的光学参数。
[0012]可选地，在专利技术的一些实施例中，该光谱椭偏测量系统还包括反射式准直模组，其中，该反射式准直模组由平面反射镜及球面反射镜组成，并位于该光源与该起偏器之间，用于对该光源输出的发散光束进行准直处理，并将准直获得的平行光束传输到该起偏器。
[0013]可选地，在专利技术的一些实施例中，该反射式投影物镜由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，其中，该入射光经由该第一反射式投影物镜的第一通光孔穿过第一凹面反射镜以到达第一凸面反射镜，由该第一凸面反射镜进行发散反射以到回到该第一凹面反射镜，再由该第一凹面反射镜进行会聚反射以会聚到该待测样品的表面。该反射光经由该第二反射式投影物镜的第二凹面反射镜会聚反射到第二凸面反射镜，再由该第二凸面反射镜进行准直反射，以经由第二通光孔输出该第二反射式投影物镜。
[0014]可选地，在专利技术的一些实施例中，该第一凹面反射镜入射至该待测样品的表面的入射光角度范围分别为54.6
°
~62
°
及72
°
~79.4
°
，其数值孔径为0.215。该分光器输出的多束该分光光束对应的入射光角度分别为58.3
°
及75.7
°
，其分离角度光锥的角度范围均为7.4
°
，其对应的数值孔径为0.065。可选地，在专利技术的一些实施例中，该起偏器与该第一投影物镜的间距L满足，其中，D为该第一凹面反射镜的通光孔直径，θ为该起偏器分离出的o光与e光的夹角。
[0015]可选地，在专利技术的一些实施例中，该分光器选用分光棱镜，该光谱椭偏测量系统包括多台该探测器，其中，该分光棱镜对该反射光进行关于入射角度的空间分光，以输出多束
基于部分该入射角度的分光光束，多台该探测器被分别设置于该分光棱镜的多个出光方向，同时获取多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数确定该待测样品表面的薄膜信息。
[0016]可选地，在专利技术的一些实施例中，该分光器选用孔径光阑轮，该光谱椭偏测量系统包括一台该探测器，其中，该孔径光阑轮发生旋转，以对该反射光进行关于入射角度的时间分光，以输出多束基于部分该入射角度的分光光束，该探测器被设置于该孔径光阑轮的一个出光方向，分时获取多束该分光光束，并根据多束该分光光束的偏振态参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱椭偏测量系统，其特征在于，包括：光源，用于提供偏振态的入射光；第一反射式投影物镜，位于所述光源与待测样品之间的光路内，用于将所述入射光会聚到所述待测样品的表面，以形成检测光斑；第二反射式投影物镜，对称所述第一反射式投影物镜地设置于所述待测样品与分光器之间的光路，用于从所述待测样品的表面获取所述光斑的反射光，并对所述反射光进行准直处理；所述分光器，获取所述第二反射式投影物镜输出的反射光，并对所述反射光进行关于入射角度的分光，以输出多束基于部分所述入射角度的分光光束；以及至少一台探测器，获取所述分光器输出的多束所述分光光束，并根据多束所述分光光束的偏振态参数确定所述待测样品表面的薄膜信息。2.如权利要求1所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括起偏器，其中，所述起偏器位于所述光源与所述第一反射式投影物镜之间，用于对所述光源输出的光束进行偏振处理，以向所述第一反射式投影物镜提供所述偏振态的入射光。3.如权利要求1或2所述光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括验偏器，其中，所述验偏器位于所述第二反射式投影物镜与所述分光器之间，用于对所述第二反射式投影物镜输出的反射光进行偏振处理，以经由所述分光器向所述探测器提供反映了偏振态变化的输出光。4.如权利要求2所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括两个切趾滤光片，其中，第一切趾滤光片被设置于所述起偏器与所述第一反射式投影物镜之间，第二切趾滤光片被设置于所述第二反射式投影物镜与所述分光器之间，所述第一切趾滤光片及所述第二切趾滤光片具有相同的光学参数。5.如权利要求2所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，还包括反射式准直模组，其中，所述反射式准直模组由平面反射镜及球面反射镜组成，并位于所述光源与所述起偏器之间，用于对所述光源输出的发散光束进行准直处理，并将准直获得的平行光束传输到所述起偏器。6.如权利要求2所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述反射式投影物镜由凸面反射镜及带有通光孔的凹面反射镜组成，其中，所述入射光经由所述第一反射式投影物镜的第一通光孔穿过第一凹面反射镜以到达第一凸面反射镜，由所述第一凸面反射镜进行发散反射以到回到所述第一凹面反射镜，再由所述第一凹面反射镜进行会聚反射以会聚到所述待测样品的表面，所述反射光经由所述第二反射式投影物镜的第二凹面反射镜会聚反射到第二凸面反射镜，再由所述第二凸面反射镜进行准直反射，以经由第二通光孔输出所述第二反射式投影物镜。7.如权利要求6所述的光谱椭偏测量系统，其特征在于，所述第一凹面反射镜入射至所述待测样品的表面的入射光角...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑜，杨峰，吕彤欣，韩景珊，
申请(专利权)人：睿励科学仪器上海有限公司，
类型：发明
国别省市：