[发明专利]一种宽光谱椭偏光学系统

说明书

本发明涉及一种宽光谱椭偏光学系统，包括起偏组件和检偏组件；所述起偏组件包括光源、离轴椭圆形反光镜、视场光阑、离轴抛物镜、第一孔径光阑、起偏器、第一相位延迟器、汇聚透镜；所述检偏组件包括准直透镜、第二孔径光阑、第二相位延迟器、检偏器、耦合透镜、光谱仪；所述起偏组件与所述检偏组件工作时沿样品台的法线方向对称放置，且起偏组件与检偏组件间的光路夹角θ为50°＜θ＜180°。本发明利用离轴椭圆形反射镜在不引入色焦移的情况下将193‑1700nm宽光谱光源汇入视场光阑，全光谱能量利用率一致。通过视场光阑控制样品面光斑尺寸。采用离轴抛物镜对通过视场光阑的光束进行了193‑1700nm全波段无色差准直，全光谱能量准直度一致。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种用于亚纳米量级膜厚测量的宽光谱椭偏光学系统。

背景技术

半导体集成电路生产过程中，测量手段有常规扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)等，均满足亚纳米级厚度尺寸的测量要求。可是其测量速度慢、维护成本高、环境要求高、难以实现在线测量，对待测样品具有一定的破坏性和选择性，更无法用于表征材料的光学特性。与之相比，光谱椭偏仪使用偏振光束作为探头，测量被测样品对反射光束偏振状态的影响，从而获得样品的一些光学特性和表面结构性质的信息。可以实现亚纳米量级的膜厚测量，还具有测量速度快、无损伤、低成本和易于集成等优点。

光谱椭偏仪测量的是被测样品反射光束偏振状态，照射光的波长范围直接决定可测量的样品材料。更宽的光谱能获得更广泛的应用。然而宽光谱光路中的色焦移会导致照射光斑变大同时影响各波长能量利用率。普通消色差胶合透镜会吸收紫外波长，且透镜应力会影响光束偏振态，从而缩短测量波长及降低测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的至少一个技术问题，提供一种用于亚纳米量级膜厚测量的宽光谱椭偏光学系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种宽光谱椭偏光学系统，包括起偏组件和检偏组件；

所述起偏组件包括光源、离轴椭圆形反光镜、视场光阑、离轴抛物镜、第一孔径光阑、起偏器、第一相位延迟器、汇聚透镜；

所述检偏组件包括准直透镜、第二孔径光阑、第二相位延迟器、检偏器、耦合透镜、光谱仪；

所述起偏组件与所述检偏组件工作时沿样品台的轴线方向对称放置，且起偏组件与检偏组件间的光路夹角θ为50°＜θ＜180°。

本发明的有益效果是利用离轴椭圆形反射镜在不引入色焦移的情况下将193-1700nm宽光谱光源汇入视场光阑，全光谱能量利用率一致。通过视场光阑控制样品面光斑尺寸。采用离轴抛物镜对通过视场光阑的光束进行了193-1700nm全波段无色差准直，全光谱能量准直度一致。

进一步的，所述离轴椭圆形反光镜放大倍率包括但不限于0.5～2.5倍，用于将光源能量耦合进视场光阑。

进一步的，所述离轴抛物镜焦距为f1，且30mm＜f1＜150mm，其表面镀膜为紫外增强铝膜，用于将通过视场光阑的光束准直。

进一步的，所述汇聚透镜焦距为f2，0.15f1＜f2＜1.5f1，其作用为将准直光束照射于样品表面；所述准直透镜焦距为f3，0.15f1＜f3＜1.5f1，其作用为将样品面反射光束准直；耦合透镜角距为f4，0.15f1＜f4＜1.5f1，其作用为将光能耦合进光谱仪。

进一步的，所述汇聚透镜、准直透镜为无镀膜、无双折射、无应力三胶合消色差透镜。

进一步的，所述三胶合消色差透镜的第一片透镜材料为紫外熔融石英、第二片透镜材料为氟化钙、第三片透镜材料为紫外熔融石英，其胶合工艺为深化光胶。

进一步的，所述第一相位延迟器和第二相位延迟器在测量过程中以相同或不同的速度沿光轴旋转。