光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的穆勒矩陣橢圓偏振儀及用于使用其測量樣品的穆勒矩陣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀(ellipsometer)，并且特別地涉 及一種用于通過測量和分析被樣品反射或透射的光的偏振狀態(tài)中的變化測量樣品的穆勒 矩陣元素(component)的橢圓偏振儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 在與已迅速發(fā)展的半導(dǎo)體器件、平板顯示器、納米生物、納米壓印、薄膜光學(xué)等相 關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域中，在制造工序步驟中能夠非破壞性地且非接觸地測量和評價(jià)例如納米樣品 的薄膜的厚度、納米圖案的形狀等物理性能的技術(shù)的重要性已逐漸增加。
[0003] 按照這些工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，薄膜的厚度已逐漸下降到幾個(gè)原子層的級別，并 且納米圖案的形狀已從現(xiàn)有的二維結(jié)構(gòu)到三維結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
[0004] 因此，在橢圓偏振技術(shù)領(lǐng)域中，被用作用于在這些工業(yè)領(lǐng)域中的工序的測量設(shè)備 的穆勒矩陣橢圓偏振儀已經(jīng)被開發(fā)并被使用以更準(zhǔn)確地測量如上所述的樣品的復(fù)雜形狀 或復(fù)雜的物理特征。
[0005] 根據(jù)第一示例性實(shí)施例的穆勒矩陣橢圓偏振儀中最廣泛使用的穆勒矩陣橢圓偏 振儀是光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的穆勒矩陣橢圓偏振儀，如圖1所示。如圖1所示的光學(xué)元件旋轉(zhuǎn) 類型的穆勒矩陣橢圓偏振儀作為納米測量設(shè)備被熟知，在其中入射光10是從光源11中產(chǎn)生 的平行光，并通過偏振修改單元12修改為特定的偏振狀態(tài)，然后被輻射到樣品20以成為反 射光(或透射光)30,其偏振狀態(tài)由樣品20的反射(或透射)改變，由樣品反射的光(或透射的 光）30的偏振狀態(tài)的變化使用偏振分析單元31和光檢測器32關(guān)于任意波長和入射角被測 量，且對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以找到樣品的物理性質(zhì)及形狀信息。
[0006] 將描述光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的穆勒矩陣橢圓偏振儀的核心配置。光源11以及為允許 從光源11發(fā)射的光具有特定的偏振狀態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的偏振修改單元12被設(shè)置在入射光10 的線上，且為分析反射光(或透射光）的偏振狀態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的偏振分析單元31和測量光穿 過偏振分析單元31的總量作為諸如電壓或電流的電信號的光檢測器32被設(shè)置在反射光(或 透射光)30的線上。
[0007] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的各種類型的穆勒矩陣橢圓偏振儀中使用最廣泛的穆勒矩陣橢圓 偏振儀是雙光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀，在其中兩個(gè)光學(xué)元件以恒定速度以預(yù)定的速 度比旋轉(zhuǎn)。雙光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀的典型示例包括如圖2所示的旋轉(zhuǎn)偏振器 (polarizer)旋轉(zhuǎn)分析器橢圓偏振儀、如圖3所示的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)分析器橢圓偏振儀、如 圖4所示的旋轉(zhuǎn)偏振器旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀和如圖5所示的雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀。
[0008] 根據(jù)第二示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)偏振器旋轉(zhuǎn)分析器橢圓偏振儀的核心組件是由線 性偏振器(通常被稱為偏振器13)以恒定速度旋轉(zhuǎn)配置的偏振修改單元12和由線性偏振器 (通常被稱為分析器33)以恒定的速度以不同于偏振器13的預(yù)定的比率旋轉(zhuǎn)配置的偏振分 析單元31，如圖2所示。
[0009] 根據(jù)第三示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)分析器橢圓偏振儀的核心組件是由偏 振器13停在指定的偏振角且第一補(bǔ)償器14以恒定速度旋轉(zhuǎn)配置的偏振修改單元12和由分 析器33以恒定的速度以不同于第一補(bǔ)償器14的預(yù)定的比率旋轉(zhuǎn)配置的偏振分析單元31，如 圖3所示。
[0010] 根據(jù)第四示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)偏振器旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀的核心組件是由偏 振器13以恒定速度旋轉(zhuǎn)配置的偏振修改單元12和由第二補(bǔ)償器34以恒定的速度以不同于 偏振器13的預(yù)定的比率旋轉(zhuǎn)和分析器33停在指定的偏振角配置的偏振分析單元31，如圖4 所示。
[0011]根據(jù)第五示例性實(shí)施例的雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀的核心組件是由偏振器13停 在指定的偏振角和第一補(bǔ)償器14以恒定速度旋轉(zhuǎn)配置的偏振修改單元12及由第二補(bǔ)償器 34以恒定的速度以不同于第一補(bǔ)償器14的預(yù)定的比率旋轉(zhuǎn)和分析器33停在指定的偏振角 配置的偏振分析單元31，如圖5所示。
[0012] 在這些雙光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀中，傅立葉(Fourier)系數(shù)分析方法用 以當(dāng)使用光檢測器實(shí)時(shí)地測量通過光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)根據(jù)時(shí)間t周期性改變的光強(qiáng)度時(shí)分析 光強(qiáng)度的波形。
[0013] 在假設(shè)在該測量設(shè)備中不存在錯(cuò)誤的情況下，通過光檢測器被測量為關(guān)于特定波 形的諸如電壓或電流的電信號的光強(qiáng)度Iex(t)可以由光強(qiáng)度的平均值Γο(或也被稱為0次 傅立葉系數(shù)）、傅立葉系數(shù)Α'4ΡΒ' η、參考角速度ω和表示為不為〇的標(biāo)準(zhǔn)化的傅立葉系數(shù)中 最高次的自然數(shù)N構(gòu)造的等式來表示，如在等式1中：
[0016] 由于針對樣品20的穆勒矩陣的元素21可以由傅立葉系數(shù)Γ ο、Α ' 4ΡΒ 'η計(jì)算，所以 在雙光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀中非常重要的是如在等式1中從由光檢測器測得的光 強(qiáng)度的波形更精確地測量傅立葉系數(shù)的值。
[0017] 在使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)偏振器旋轉(zhuǎn)分析器橢圓偏振儀測量樣品20的4X4穆 勒矩陣的元素21中，在偏振修改單元12中偏振器13以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為ω Ρ、在 偏振分析單元31中分析器33以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為ωΑ且它們之間的角速度比恒 定地保持在ω Ρ: ω a= 1: 3的情況中，當(dāng)在等式1中的參考角速度被確定為ω = ω ρ時(shí)，N的值 變?yōu)?,使得全部九個(gè)偶數(shù)次傅立葉系數(shù)可被測量。因此，如圖2所示，在針對樣品20的穆勒 矩陣的全部十六個(gè)元素 Mlj;i，j = l，2,3,4中只有九個(gè)元素 Mu;i，j = l，2,3為可測量的值 21，其余7個(gè)元素施4，]?24，]?34，]?41，]?42，]?43，]?44為不可測量的值22。
[0018] 在使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)分析器橢圓偏振儀測量樣品20的4X4的 穆勒矩陣的元素21中，在偏振修改單元12中第一補(bǔ)償器14以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為 、在偏振分析單元31中分析器33以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為ωΑ且它們之間的角速 度比恒定地保持在?t, : % =3:1的情況下，當(dāng)在等式1中的參考角速度被確定為ω = ωΑ 時(shí)，N的值變?yōu)?4,使得全部十五個(gè)偶數(shù)次傅立葉系數(shù)可被測量。因此，如圖3所示，在針對樣 品20的穆勒矩陣的全部十六個(gè)元素 Mij; i，j = 1，2，3，4中只有十二個(gè)元素 Mij; i = 1，2，3，j = 1，2，3，4為可測量的值21，其余4個(gè)元素 M4i，M42，M43，M44為不可測量的值22。
[0019] 在使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)偏振器旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀測量樣品20的4 X 4的 穆勒矩陣的元素21中，在偏振修改單元12中偏振器13以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為ωΡ、 在偏振分析單元31中第二補(bǔ)償器34以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為且它們之間的角速 度比恒定地保持在?e2::叫=3:1的情況下，當(dāng)在等式1中的參考角速度被確定為ω = ωΡ 時(shí)，N的值變?yōu)?4,使得全部十五個(gè)偶數(shù)次傅立葉系數(shù)可被測量。因此，如圖4所示，在針對樣 品20的穆勒矩陣的全部十六個(gè)元素 Mij; i，j = 1，2，3，4中只有十二個(gè)元素 Mij; i = 1，2，3，4，j =1，2，3為可測量的值21，其余4個(gè)元素 Mw，M24，M34，M44為不可測量的值22。
[0020] 在使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀測量樣品20的4 X 4的穆勒矩陣 的元素21中，在偏振修改單元12中第一補(bǔ)償器14以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為、在偏 振分析單元31中第二補(bǔ)償器34以恒定速度旋轉(zhuǎn)的角速度被設(shè)為?C2且它們之間的角速度比 恒定地保持在=吟 :=1:5的情況下，當(dāng)在等式1中的參考角速度被確定為@ 時(shí)，_勺 值變?yōu)?4，使得全部二十五個(gè)偶數(shù)次傅立葉系數(shù)可被測量。因此，從全部二十五個(gè)傅立葉系 數(shù)的測量值中選擇的十六個(gè)或更多個(gè)，如圖5所示，針對樣品20的穆勒矩陣的所有十六個(gè)元 素 Mij; i，j = 1，2，3，4的全部為可測量的值21。
[0021] 除了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀外的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙光學(xué)元件 旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀存在以下問題:光源的剩余偏振和光檢測器的偏振依賴性導(dǎo)致測量 的誤差。為了完全解決這個(gè)問題，在測量時(shí)偏振器和分析器33兩者都應(yīng)該以指定的偏振角 處于停止?fàn)顟B(tài)。
[0022] 在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的主要被用于單一光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀的單一偏振 器旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀和單一分析器旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀的情況下，在等式1中測量 的且不為零的傅立葉系數(shù)為(Ι'ο，Α' 2，Β'2)，且在單一補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀的情況 下，在等式1中測量的且不為零的傅立葉系數(shù)為(1'〇，' 2,8'2，'4,8'4)。因此，將被測量的穆 勒矩陣的元素的數(shù)比測量的值大，使得通過一般方法不可能從測量的傅立葉系數(shù)計(jì)算穆勒 矩陣的元素。另一方面，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的能夠測量穆勒矩陣的一些元素或所有元素的雙 光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀中，由于N的值與單一光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀相 比相對較大，所以應(yīng)該通過在等式1中以恒定速度旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件的偏振角的改變測量高 頻元素的傅立葉系數(shù)。因此，測量等式和校正方法是復(fù)雜的。特別地，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的能 夠測量穆勒矩陣的所有元素的雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓偏振儀的情況下，通常已知的是由于等式 1中高次項(xiàng)的偶數(shù)傅立葉系數(shù)應(yīng)該被測量，所以測量傅立葉系數(shù)的準(zhǔn)確度和精度與單一光 學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類型的橢圓偏振儀相比相對較低。另一方面，由于逐漸小型化技術(shù)及三維復(fù)雜 的納米結(jié)構(gòu)被采用在納米元件制造技術(shù)中，所以在使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)類 型的橢圓偏振儀測量納米圖案的形狀和物理性質(zhì)時(shí)對測量準(zhǔn)確度和測量精度的逐漸提高 的要求在納米元件行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)增加。
[0023] 因此，能解決上述提及的問題的穆勒矩陣橢圓偏振儀的發(fā)展已被要求。
[0024][現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)]
[0025] [專利文獻(xiàn)]
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[0027] 專利文獻(xiàn)2:US 2007/0229826
[0028] 專利文獻(xiàn)3:US 7,277,172
[0029] 專利文獻(xiàn)4:US 7,224,471
[0030] 專利文獻(xiàn)5:US 7,414,733
[0031] 專利文獻(xiàn)6:US 2011/0080585
[0032] 專利文獻(xiàn)7:US 7,990,549
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[0034] [紙質(zhì)文獻(xiàn)]
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【發(fā)明內(nèi)容】