包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统

摘要

本发明提供的一种包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪包括光源、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、偏振器、第一曲面反射镜、第一平面反射镜、第二反射单元和探测单元。本发明还提供一种光学测量系统。本发明提供的包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪实现了分光后的光束的完整结合，在提高光通效率的同时，还能保持光束的偏振状态，而且系统的复杂程度比现有技术低。

权利要求

1.一种包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪，其特征在于，包括光源、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、偏振器、第一曲面反射镜、第一平面反射镜、第二反射单元和探测单元，其中：所述第一反射单元用于将所述光源发射的光分为探测光束和参考光束两部分，并将所述探测光束入射至所述第一聚光单元，将所述参考光束入射至所述第二聚光单元；

所述第一聚光单元用于接收所述探测光束，使该光束变成平行光束后入射至所述偏振器；

所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第一曲面反射镜之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第一曲面反射镜；

所述第一曲面反射镜用于接收通过所述偏振器的平行光束并使该光束变成会聚光束；

所述第一平面反射镜用于接收所述会聚光束并将所述会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上；

所述第二聚光单元用于接收所述参考光束，并将其入射至所述第二反射单元；

所述第二反射单元用于分别或同时接收从样品反射的依次经过所述平面反射镜、所述第一曲面反射镜、所述偏振器、所述第一聚光单元的探测光束和通过所述第二聚光单元的参考光束，并将所接收到的光束入射至所述探测单元；

所述探测单元用于探测被所述第二反射单元所反射的光束。

2.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：光源聚光单元，所述光源聚光单元设置于所述光源与所述第一反射单元之间，用于使所述光源发出的光成为会聚光束。

3.根据权利要求2所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光源聚光单元包括：至少一个透镜和/或至少一个曲面反射镜。

4.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：可移动的分光器和图案识别系统；

所述分光器和图案识别系统位于所述第一曲面反射镜和所述第一平面反射镜之间；

所述图案识别系统包括透镜、照明光源与CCD成像器；

所述可移动的分光器用于将所述图案识别系统提供的样品照明光束反射至样品表面并将样品表面的反射光束反射至所述CCD成像器；并且在所述垂直入射宽带光谱仪中通过观测所述探测单元的光强和/或通过观测所述图案识别系统中的图像的清晰度来进行调焦。

5.根据权利要求4的所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述可移动的分光器为具有至少一个直线边缘的平面反射镜，该平面反射镜可以完全处于、部分处于、或完全不处于所述探测光束的光路中。

6.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：用于切换所述探测光束和所述参考光束的光束切换单元。

7.根据权利要求6所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光束切换单元为可分别或同时挡住探测光束和参考光束的挡光板。

8.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：用于承载样品的可调节的样品平台。

9.根据权利要求2所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：光阑，所述光阑置于整个光学系统的任意一段光路中。

10.根据权利要求9所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：至少一个光阑，所述光阑置于由所述光源聚光单元形成的会聚光束所分出的探测光束焦点处。

11.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：至少一个光阑，所述光阑位于所述偏振器和所述样品之间，用于避免经过所述偏振器后产生的e光入射至样品表面并且/或者其反射光反射回所述偏振器。

12.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：偏振器旋转控制装置，该偏振器旋转控制装置用于控制所述偏振器的偏振方向。

13.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述垂直入射宽带光谱仪还包括：计算单元，该计算单元用于计算样品材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析样品的周期性结构的临界尺度特性或三维形貌。

14.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第一平面反射镜和所述第一曲面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构，并且满足光的入射角相同或近似相同及入射平面相互垂直或近似垂直的条件。

15.根据权利要求14所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述探测光束的主光束在所述第一平面反射镜上的入射角与在所述第一曲面反射镜上的入射角相差不超过5度；

所述第一平面反射镜入射光束的入射平面与所述第一曲面反射镜入射光束的入射平面相互垂直的误差小于5度。

16.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第一反射单元由至少两个平面反射镜构成，其中，至少有一个反射镜具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交。

17.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第一聚光单元为离轴抛物面反射镜或超环面反射镜。

18.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第二聚光单元为透镜、透镜组、离轴抛物面反射镜或超环面反射镜。

19.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述偏振器为洛匈棱镜偏振器。

20.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第一曲面反射镜为离轴抛物面反射镜或超环面反射镜。

21.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第一平面反射镜的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。

22.根据权利要求21所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第一平面反射镜沿着所述会聚光束的主光的传播方向移动。

23.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述第二反射单元由至少两个平面反射镜构成，构成所述第二反射单元的平面反射镜中，至少有一个反射镜具有至少一直线边缘并且该边缘直线与光路的主光相交。

24.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述探测单元是光谱计。

25.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光源为包含多重波长的光源。

26.根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光源是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源或包含氘钨卤素的复合宽带光源，或者，所述光源是通过消偏振器产生的偏振度为零的自然光点光源。

27.一种光学测量系统，包括根据权利要求1-13任一项所述的垂直入射宽带光谱仪。

说明书

包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光学领域，特别涉及一种包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。

背景技术

[0002] 一般来说，光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束聚焦到样品上。目前通常有两种方法。一种方法是将系统中的最后一个聚焦透镜与其它元件分开，通过仅仅调整这个聚焦透镜来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图1所示，通过对最后一个聚焦透镜进行上下移动来实现聚焦。另一种方法是通过对整个光学测量系统进行调整来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图2所示，通过对整个光学系统进行上下移动来实现聚焦(例如，参见美国专利No.5747813和No.5486701)。

[0003] 随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来精确地测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度(CD，Critical Dimension)、空间形貌及材料特性变得十分重要。当检测一个通常尺寸为150毫米、200毫米或300毫米的晶片时，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，当对整个晶片进行检测时，为了实现高精确度的测量和保证半导体生产线产量的快速测量，对每个测量点自动聚焦是其中一项关键的技术。而且，本领域的技术人员公知，将宽带探测光束在样品表面上聚焦成相对较小尺寸的光斑是有利的，因为小尺寸光斑可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精确度。在这种情况下，当采用上述第一种聚焦方法时，会存在如下问题：透镜通常具有色差，这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置不同，增大误差，降低测量精确度；以及难以找到对整个宽带波长范围都具有良好的透射性的透镜材料。当采用上述第二种聚焦方法时，本领域的技术人员可以明显知道，对整个光学系统进行调整，由于对系统重量和速度的要求和限制，实现精确的操作是非常复杂的。

[0004] 鉴于上述原因，本领域的技术人员已经提出了这样一种方法，即，使用曲面反射镜来将宽带探测光束聚焦到样品表面上(例如，参见美国专利No.5608526和No.7505133B1、美国专利申请公开No.2007/0247624A1和中国专利申请公开No.101467306A)。这种方法具有如下好处：在整个宽带波长范围上，反射镜不会产生色差，并且反射镜可在较宽的波长范围内都具有高反射率。

[0005] 虽然利用曲面反射镜自身不产生色差并从而增加聚焦及测量精确度，但是曲面反射镜相对于透镜来说比较难以校准光路。曲面反射镜焦点位置和空间方向的调节受入射光制约，通常需要整个光学系统的同步调节实现出射光路方向及聚焦位置的调整和控制。例如，(1)椭圆面反射镜：两焦点空间位置相对固定，当入射光路校正后，通过单独调节椭圆面反射镜实现的光路方向及聚焦位置范围非常有限。(2)超环面反射镜(toroidal mirror)：虽然在一定入射角度范围内皆可实现空间对应的两个焦点，但是这两个焦点之间的空间关系随着入射光线与超环面反射镜的相对关系改变，且变化关系复杂，实现调焦非常困难；另一个缺点是调节范围小，会造成像差。(3)离轴抛物面反射镜：相对入射光线方向，改变离轴抛物面反射镜的角度会造成像差，很大程度上限制了调整范围；虽然沿平行入射光束方向移动离轴抛物面反射镜可实现聚焦位置的大范围移动，但无法改变其焦点相对于离轴抛物面反射镜中心的位置，这同样限制了调整范围。综上所述，使用单一曲面反射镜自身不产生色差，但难以通过简单调节实现光路方向及聚焦位置的调整和控制。而且，光束经过单个反射镜反射后偏振态会发生改变。这里以一个铝材料反射镜为例。在图3a中示出两种入射角情况下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的两条曲线是S偏振光的反射率Rs，下面的两条曲线是P偏振光的反射率Rp。实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且随着入射角的不同而改变。在图3b中示出反射后的S与P偏振光之间的相位差，实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，反射后的S与P偏振光之间的相位差发生变化，而且随着入射角的不同而改变，且与波长相关。总之，当宽带光束经反射镜反射之后，由于偏振方向正交的偏振态S与P各自具有不相同的反射率和相位变化，光束的偏振状态发生改变，导致难以控制光束的偏振变化(例如，参见美国专利No.6829049B1和No.6667805)。

[0006] 光谱仪对偏振的控制能力限定了光谱仪的应用范围。例如，当今广泛应用于集成电路生产线工艺控制的光学临界尺度设备(OCD，Optical Critical Dimension)。OCD设备通过测量偏振光在样品表面的反射光谱及相位特征，拟合数值仿真结果，测量样品表面周期性图案的临界尺度(CD)、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。实现临界尺度测量的光谱仪要求其聚焦系统必须做到在聚焦及光信号采集过程中控制光束的偏振态，从而可以准确地测量样品。

[0007] 此外，对半导体薄膜的光学测量通常有两种方法，绝对反射率测量法和椭圆偏振测量法。如中国专利申请201110032744.8中所述，使用绝对反射率测量法测量时，需要先使用标准样品进行测量，并记录标准样品的测量结果作为参考值，然后再测量待测样品，并将待测样品的测量结果与标准样品测量得到的参考值相比，从而得到待测样品的相对真实值。由于光源本身的原因，在实际测量过程中，其光谱强度可能会发生变化(漂移)。理论上一般假定光源的光谱强度在测量标准样品和待测样品时是完全一样的，但实际上，由于待测样品和标准样品无法在同一时刻测量，光源的光谱强度变化会影响测量结果。

[0008] 鉴于上述原因，本领域的技术人员提出了利用参考光束来校准光源起伏。即将光源发出的光分为两束，其中一束作为探测光记录样品的光学信息，另一束作为参考光，通过对参考光束的测量，可以分别记录测量参考样品和待测样品时光源的光谱强度，从而校正测量过程中光源的光谱强度变化，提高测量精度。

[0009] 测量设备通常分为相对于样品表面垂直入射的光学系统和相对于样品表面倾斜入射的光学系统。垂直入射的光学系统由于结构更加紧凑，通常可与其他工艺设备集成，实现生产与测量的整合及实时监测。现有技术中，利用参考光束校准的垂直入射光谱仪的实现方法主要有以下两种：

[0010] (1)如图4所示，光源101出射的发散光经透镜102后，平行入射至分光器103，经过分光器103透射通过后的光作为探测光束，被分光器103反射的光作为参考光束。探测光束经透镜104会聚后聚焦至样品105表面，样品105表面的反射光经透镜104反射后，垂直入射分光器103，经分光器103反射后的探测光束，经透镜107会聚，入射至探测器108，获得样品表面的反射光谱；参考光束垂直入射至平面反射镜106，经平面反射镜106反射后垂直入射分光器103，经分光器103透射后的参考光束也经透镜107会聚，入射至探测器108，获得包含光源光谱特征的参考光谱(例如，参见美国专利No.7067818B2、No.7189973B2和No.7271394B2、美国专利申请公开No.2005/0002037A1)。在这种光谱仪中，可以利用控制光阑来选择所需测量的光束。这种方法具有如下好处：可以校准光源起伏，但由于采用了分光器，这种光谱仪也存在以下问题：①光通量低，整个测量个过程中，光束由光源需经同一分光器透射和反射各一次，进入探测器。假设分光器为透射率和反射率各50％，探测光束和参考光束所能达到的最大光通量比率仅为25％；②若同时实现高质量光斑及较宽的光谱范围，需解决色散的问题，系统复杂度和成本都较高。(2)在光路中插入一个平面反射镜，使光源发出的光一部分入射到平面反射镜上，另一部分从平面反射镜的边缘通过。经平面反射镜反射后的光束作为探测光垂直入射到样品表面，从平面反射镜边缘通过的光束作为参考光束，探测光束和参考光束分别进入两个不同的光谱计同时进行测量(例如，参见美国专利No.5747813和No.6374967B1)。这种方法具有如下好处：在测量过程中探测光束和参考光束同时测量，精准地校正了光源的光谱和强度变化；测量中光强的损耗较小，利用率高。但由于使用了两个不同的光谱计，其光电转化效率不尽相同，波长分布和分辨率也不尽相同，不易校准系统，反而会降低测量精度，另一方面，这种方案的光路结构比较复杂，不易调节，并且两个光谱计会增大设备体积，增加设备成本。

[0011] 当使用不包含偏振器的光谱仪测量包含周期性结构的样品时，如中国专利申请No.201010270454.2中所述，由于入射光对样品的各向异性没有调整旋转角度的选择性，所以入射光必须为自然光。从光源发出的自然光理论上要求经过完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件入射在样品表面。存在任何的部分偏振态，将无法测量各向异性样品；此时，当各向异性样品旋转时，测量值变化。因此，能够对各向异性样品进行测量的不包含偏振控制的光谱仪对所涉及的光学器件质量和光路调整均要求很高。测量时，经样品反射的光为部分偏振光。在此光束入射至探测器的这个过程中，理论上要求完全的偏振保持或不存在任何偏振敏感的部件。例如，当出现偏振敏感的部件时，需要增加消偏振器，这样减低了信噪比。而且，以上问题无法通过数值方法得以校正。

发明内容

[0012] 本发明所要解决的技术问题是提供一种易于调节聚焦的、无色差的、保持偏振特性的、光通效率高且易于实现的包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统。

[0013] 根据本发明的一个方面，提供一种垂直入射宽带光谱仪包括光源、第一反射单元、第一聚光单元、第二聚光单元、偏振器、第一曲面反射镜、第一平面反射镜、第二反射单元和探测单元，其中：

[0014] 所述第一反射单元用于将所述光源发射的光分为探测光束和参考光束两部分，并将所述探测光束入射至所述第一聚光单元，将所述参考光束入射至所述第二聚光单元；

[0015] 所述第一聚光单元用于接收所述探测光束，使该光束变成平行光束后入射至所述偏振器；

[0016] 所述偏振器设置于所述第一聚光单元和所述第一曲面反射镜之间，用于使所述平行光束通过并入射至所述第一曲面反射镜；

[0017] 所述第一曲面反射镜用于接收通过所述偏振器的平行光束并使该光束变成会聚光束；

[0018] 所述第一平面反射镜用于接收所述会聚光束并将所述会聚光束反射后垂直地聚焦到样品上；

[0019] 所述第二聚光单元用于接收所述参考光束，并将其入射至所述第二反射单元；

[0020] 所述第二反射单元用于分别或同时接收从样品反射的依次经过所述平面反射镜、所述第一曲面反射镜、所述偏振器、所述第一聚光单元的探测光束和通过所述第二聚光单元的参考光束，并将所接收到的光束入射至所述探测单元；

[0021] 所述探测单元用于探测被所述第二反射单元所反射的光束。

[0022] 根据本发明的另一个方面，提供一种光学测量系统包括所述垂直入射宽带光谱仪。

[0023] 本发明提供的包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪实现了分光后的光束的完整结合，在提高光通效率的同时，还能保持光束的偏振状态，而且系统的复杂程度比现有技术低。

附图说明

[0024] 图1是示出现有技术中的通过上下移动最后一个聚焦透镜来实现聚焦的示意图。

[0025] 图2是示出现有技术中的通过上下移动整个光学系统来实现聚焦的示意图。

[0026] 图3a示出S和P偏振光经过一个铝材料反射镜反射的反射率随着入射光的角度不同而改变，其中，上面的两条曲线对应于S偏振光，下面的两条曲线对应于P偏振光。

[0027] 图3b示出S和P偏振光经过上述铝材料反射镜反射所产生的相位差随着入射角的不同而改变。

[0028] 图4是现有技术中通过分光器实现分光与合光的示意图。

[0029] 图5是用于说明通过移动平面反射镜来进行对焦的示意图。

[0030] 图6a至6c是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。

[0031] 图7是用于解释快速寻找焦点的数学方法的示意图。

[0032] 图8是示出洛匈棱镜偏振器(Rochon Polarizer)的光学示意图，在该图中，RP代表洛匈棱镜偏振器，A代表光阑，S代表样品。

[0033] 图9a和9b是本发明中通过两个不共面平面反射镜实现分光的示意图。

[0034] 图10是本发明中通过两个不共面平面反射镜实现合光的示意图。

[0035] 图11a和图11b是通过模拟得到的合光后的光束截面形状和光束所成的像。

[0036] 图12是单晶硅周期性浅沟槽的结构图。

[0037] 图13是绝对反射率测量法中单晶硅周期性浅沟槽TE和TM的绝对反射率光谱图。

[0038] 图14a是示出根据本发明第一实施例的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

[0039] 图14b是本发明中利用分光器和图案识别系统对样品表面和探测光束聚焦成像的光路图。

[0040] 图15a和图15b是通过图案识别系统观测到的图案。

[0041] 图16是示出根据本发明第二实施例的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

[0042] 图17是示出根据本发明第三实施例的垂直入射宽带偏振光谱仪的示意图。

具体实施方式

[0043] 如上所述，在现有技术中，虽然使用曲面反射镜自身不产生色差，但是难以通过简单调节来实现光路方向及聚焦位置的调整和控制。鉴于这种原因，本发明提出了使用平面反射镜调焦的方法。

[0044] 下面结合图5对本发明的聚焦原理、图6a至6c对保持任意偏振光的偏振特性的原理进行说明。

[0045] 如图5所示，假设：来自离轴抛物面反射镜OAP1的会聚光束经过平面反射镜M1反射后聚焦在样品SA的位置P上，以及会聚光束中的主光沿水平方向传播且以45度的入射角入射至平面反射镜M1。当将平面反射镜M1沿着所述会聚光束中的主光的传播方向移动距离h(即，平面反射镜被移动到位置M1’)时，来自离轴抛物面反射镜OAP1的会聚光束经过平面反射镜M1’反射后聚焦的位置P’相对于原来的聚焦位置P在垂直方向上移动了距离h且在所述主光的传播方向上也移动了距离h。如果需要将样品上的焦点向上移动距离h，只须将平面反射镜M1相对于离轴抛物面反射镜OAP1向远处移动距离h，同时将样品平台沿平面反射镜M1移动的方向移动相同的距离。由此可知，本领域的技术人员可以轻松地调整光束的聚焦位置，以适应样品的高度变化。

[0046] 而且，由于平面反射镜自身不影响入射光的会聚状态且不产生色差，所以采用反射镜可以在保证会聚光束质量的同时改变光束的传播方向。此外，一方面，反射镜通常用于折叠光路，使得整个光学系统更加紧凑。另一方面，平面反射镜可实现宽带光谱范围内的高反射率，对光强影响很低，并且与辅助的聚焦判断方法结合，可以实现精确的手动或自动聚焦。因此，在本发明中通过调整平面反射镜来进行对焦。

[0047] 下面，参照图6a和6b解释通过两个平面反射镜或者一个平面反射镜和一个离轴抛物面反射镜保持偏振光的偏振特性的基本原理。

[0048] 如图6a所示，假设以M1入射面为参考的S(或P)偏振光束以(90-θ)度的入射角入射在第一平面反射镜M1上，并且被第一平面反射镜M1反射至第二平面反射镜M2。当第一平面反射镜M1的入射平面与第二平面反射镜M2的入射平面相互垂直，且M2倾斜度满足使M1的反射光以(90-θ)度入射角入射至M2时，经M1反射的以M1入射面为参考的S(或P)偏振光转变为以M2入射面为参考的P(或S)偏振光。

[0049] 现在以光束传播方向为+Z方向确定的右手参考系分析光束的传播及偏振态的变化。将上述过程以数学公式表达：

[0050]

[0051] 以M1入射面为参考的偏振分量E1s，E1p分别定义为右手参考系中的+X和+Y方向分量。经M1反射后，

[0052]

[0053] E′1s，E′1p分别为以M1入射面为参考的反射光偏振分量；其中，r1s和r1p分别为以M1入射面为参考的S和P光偏振分量以(90-θ)的角度入射在第一平面反射镜M1的反射率。而且，

[0054]

[0055] 经M1反射后的E′1s，E′1p分别为以M2入射面为参考的入射偏振分量-E2p，E2s。经M2反射后，

[0056]

[0057] E′2s，E′2p分别为以M2入射面为参考的反射光偏振分量，r2s和r2p分别为以M2入射面为参考的S和P光偏振分量以(90-θ)的角度入射在第二平面反射镜M2的反射率。

[0058] 由于右手定则，以M1入射面为参考的S光偏振方向为以M2入射面为参考的P光负方向。规定在以光束传播方向为+Z方向确定的右手参考系中以M1入射面为参考的S光偏振分量始终为+X轴。该光束经M2反射后，以M2入射面为参考的P光偏振方向为X轴正方向；如此得到，以M2入射面为参考的S光偏振方向为Y轴负方向。有：

[0059]

[0060] E′x，E′y为出射光偏振分量。在M1和M2具有相同的反射材料和镀膜结构的情况下：

[0061]

[0062] 综合以上公式有：

[0063]

[0064] 以上公式(a)-(g)中，所有变量均为复数。由公式(g)可知，出射光偏振分量比等于入射光偏振分量比。因此，通过上述两个平面反射镜，可以保持偏振光的偏振特性。

[0065] 根据上述式(a)-(e)，本领域的技术人员知道，只要第一平面反射镜M1和第二平面反射镜M2满足r2sr1p＝r2pr1s的关系，就可以得到式(g)的关系。也就是说，如果两个反射镜满足r2sr1p＝r2pr1s的关系，则通过这两个反射镜，可以保持偏振光的偏振特性。

[0066] 由此可知，由两个入射平面相互垂直且入射角度相同的平面反射镜构成的系统可以完美地对入射光保持偏振特性。在假设上述两个平面反射镜中的一个平面反射镜由反射材料和镀膜结构相同的离轴抛物面反射镜替代的情况下，对小数值孔径(NA，numerical aperture)的情形进行了模拟计算。虽然光束经过由离轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的系统之后在偏振特性上会有偏差，但是当平行光束以小NA实现聚焦时，偏振特性的偏差不足以影响测量的准确性。对于苛刻的偏振要求，可以进一步利用数值计算校正测量结果。

[0067] 例如，以图6b为例，平行光入射到离轴抛物面反射镜OAP1之前为圆偏振光，即，Ex＝Ey，且Phase(Ex)-Phase(Ey)＝90度，其中，Ex和Ey分别是光束在x和y方向上的电矢量的振幅，Phase(Ex)和Phase(Ey)分别是光束在x和y方向上的电矢量的相位。经离轴抛物面反射镜聚焦后，聚焦光束形成的锥体半角为4.2度(NA＝0.073)。入射光波长为210nm，入射光横截面内的计算点分布如图6c所示，总共29个点(部分已标定，例如，(0，3)至(0，0))。经数值计算后，在焦点处的偏振的强度变化与相位变化由表1列出。偏振强度变化定义为|Ex/Ey|-1，相位变化为Phase(Ex)-Phase(Ey)-90。从表中可以看出，以(0，0)成中心对称的光束在偏振强度和相位变化方面存在相当接近的互补性，所以整体上可以进一步抵消误差所造成的影响。

[0068] 表1

[0069]

[0070]

[0071] 因此，采用这样的由离轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的系统基本上也可以保持偏振光的偏振特性。

[0072] 上面仅仅列举了用反射材料和镀膜结构相同的离轴抛物面反射镜替代上述两个平面反射镜之一的情况。本领域的技术人员应该知道，不仅平面反射镜与离轴抛物面反射镜，包括其它的曲面反射镜，如超环面反射镜、椭球面反射镜或非二次面反射镜等在内，任意两种反射镜满足上述关系时，都可以基本上保持偏振光的偏振特性。

[0073] 综上所述，如果两个反射镜具有近似相同的反射材料和近似相同的镀膜结构并且满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直(在本领域所允许的误差范围内，即，包括入射角近似相同和入射平面近似相互垂直的情形)的条件，则任意偏振光经过这两个反射镜之后其偏振特性保持不变。具有相同的反射材料和镀膜结构的反射镜的实例是保持在同真空腔中同次镀膜而得到的反射镜。

[0074] 此外，如果两个反射镜不具有相同的反射材料和镀膜结构并仅满足光束入射平面相互垂直或平行的条件，则仅当探测光束为线偏振光且偏振方向与入射平面相互垂直或平行时，其偏振特性可以保持不变。

[0075] 如下所述，在本发明的宽带光谱仪中有两种方法来实现聚焦。

[0076] 第一种方法为通过观测收集的反射光的信号强度变化实现聚焦。相比于聚焦状态，在光谱仪狭缝所在位置经过校准后，离焦会造成光斑外围的部分光在光学收集系统中损失。在初步聚焦的基础上，可通过寻找光信号最大值来获得最精确的聚焦。快速寻找焦点的数学方法和基本步骤可为：在焦点附近，将光信号强度与离焦距离的关系近似为二次2
曲线型，即，抛物线形：I＝-A(x-x0)+B，其中，I为光信号强度，x0为焦点位置，A，B为系数。
如图7所示，通过前三个不同位置(即，A、B和C位置)的测量值可以通过曲线拟合得出二次曲线最大值的位置；以此位置的测量值为新增数值点，可再次拟合曲线；以此方法迭代直至理论上满足|xn+1-xn|＜σ，其中xn为第n次调焦的位置，xn+1为在增加第n次调焦位置的测量值情况下拟合出的第n+1次调焦位置，σ为系统调整的精确度。

[0077] 第二种方法为通过观察所述图案识别系统中样品表面的成像清晰度来实现聚焦。在理想聚焦状态，在图案识别系统位置经过校准后，样品表面聚焦时具有最清晰的像。在图像分辨率确定的情况下，图像的清晰度由图像的锐度(Sharpness)决定。锐度表示图像边缘的对比度。更确切地说，锐度是亮度对于空间的导数幅度。在初步聚焦的基础上(即，样品表面在所述图案识别系统中可识别出)，可通调整焦距同步地计算出图像清晰度。如此，结合上述快速寻找焦点的数学方法和基本步骤可获得最精确的聚焦。

[0078] 对于本发明中所采用的偏振器，可以采用如图8所示的洛匈棱镜偏振器RP。洛匈棱镜偏振器的材料可为MgF2、a-BBO、方解石、YVO4或石英。洛匈棱镜偏振器利用双折射晶体(o光与e光的折射率不同)使入射光束正交方向的两束偏振光通过洛匈棱镜交界面时成一定夹角出射，其中o光与入射方向保持一致，以线性偏振光状态出射。不同的材料具有不同的透射光谱范围，MgF2可达到130-7000nm的光谱范围。由于不同的材料具有不同的o光和e光折射率，所以透射光中的o光和e光的夹角也不相同。例如，对于MgF2或石英，o光和e光的夹角为1至2度，然而，对于a-BBO或YVO4，该夹角可达8至14度。此角度也部分地取决于洛匈棱镜的切角θ。当探测光束透射通过偏振器后，o光垂直地入射至样品S，e光以夹角α倾斜地入射至样品S；当e光在样品表面的反射光束可以进入偏振器光学孔径范围内时，其e光的反射光束可同样反射至偏振器，然后进入探测器，从而影响测量。对于e光偏角较大的偏振器，其e光在样品表面的反射光不易重新进入偏振器。为了提高测量精度，避免e光的反射光的影响，在样品表面上方的o光与e光分离的位置处可设置光阑A(如图8所示)，以避免e光入射至样品表面或其反射光反射回偏振器。

[0079] 下面参照图9a、图9b和图10来描述通过各包含两个不共面的平面反射镜的第一反射单元和第二反射单元分别实现分光和合光的过程。

[0080] (1)实现分光：如图9a所示，假设：来自点光源的发散光束，经过光源聚光单元后，如，曲面反射镜M6，形成会聚光束，并在入射面内发生偏转后入射至第一反射单元。第一反射单元由两个不共面的平面反射镜M4和M5组成，平面反射镜M4含有一个直线边缘，且该直线边缘处于上述会聚光束的光路中，该会聚光束的一半，入射至平面反射镜M4上，经平面反射镜M1反射后在入射面内发生偏转，形成会聚光束B1。另一部分会聚光束从平面反射镜M1的直线边缘通过，入射至平面反射镜M5，经平面反射镜M5反射后在入射面内发生偏转，形成会聚光束B2。平面反射镜M5的主轴方向在入射面内相对于平面反射镜M4稍稍倾斜，可使分别经平面反射镜M4和M5反射后的会聚光束B1和B2的主光束先相交，然后分开，如图9a所示；或者，使会聚光束B1和B2直接分开，如图9b所示。自此，来自点光源的光经过第一反射单元，即平面反射镜M4和M5后被分成可分别作为探测光与参考光的两束光。在分光前后，这两束光的主光始终处于同一平面内，且平面反射镜M5的直线边缘与该平面垂直。

[0081] (2)实现合光：如图10所示，经样品反射后的探测光束，沿原路返回至参考光束所在平面内时，为会聚光束。第二反射单元由两个不共面的平面反射镜M2和M3组成，从样品表面返回的探测光束和参考光束分别入射至组成第二反射单元的平面反射镜M2和M3上，平面反射镜M2至少含有一个直线边缘形状，且此直线边缘与探测光束的主光束相交，探测光束经平面反射镜M2反射后，入射并聚焦至光谱计SP中。该光谱计SP放置于该会聚的探测光束的焦点处。同一平面内的参考光束经透镜L或其他聚光元件，如反射物镜后成为会聚光束，经平面反射镜M2反射，在入射面内发生偏转，并入射至同一光谱计SP中。通过旋转和/或沿光的方向(或反方向)移动平面反射镜M3，可改变参考光束的传播方向和/或偏转位置，从而使参考光束的主光束与探测光光束的主光束重合，且参考光束和探测光束互不影响。参考光束的聚焦位置可通过沿参考光束光的方向(或反方向)移动会聚透镜L(图中未示出)来调节。即，调节平面反射镜M3和聚焦透镜L可使参考光束入射并聚焦至同一光谱计SP中。自此，来自不同方向的探测光束和参考光束经第二反射单元反射后可入射并聚焦至同一个光谱计SP中。

[0082] 根据图10所示的合光过程，模拟得到的探测光束1和参考光束2经过第二反射单元反射后的光束截面如图11a所示，则通过合适的光路设计，探测光束1和参考光束2同时入射到同一个光谱计中探测，且在此过程中，它们互不影响彼此的传播。探测光束1和参考光束2在光谱计上聚焦所成的像如图11b所示，在图11b中，探测探测光束1和参考光束2在光谱计上所形成的聚焦光斑大小不同，这是由于两束光聚焦过程中的放大率不同所致。在实际探测过程中，需要为光谱计选择适当大小的测量窗口(entrance slit)，以使参考光束能尽可能多地被探测到，从而提高参考光束光谱的信噪比，达到提高测量精度的目的。

[0083] 由于平面反射镜自身不影响入射光的会聚状态且不产生色差，所以采用反射镜可以在保证会聚光束质量的同时改变光束的传播方向。探测光束和参考光束经过上述两个平面反射镜后可同时聚焦至同一个光谱计中。另一方面，平面反射镜可实现宽带光谱范围内的高反射率，对光强影响很低，则本发明中一个光谱计的设计并不降低光谱计对探测光束和参考光束的探测效率，因此，本发明通过合适的光路设计，实现了分光后的光束的完整结合，从而实现了提高光通效率的同时，系统的复杂程度比现有技术低。

[0084] 本发明可以采用绝对反射率测量法，即测量样品在正交方向上的两个偏振态的绝对反射率。若要测量一个样品的绝对反射率，应做如下：

[0085] a.测量光谱仪暗数值Id0，即无光信号进入光谱仪时光谱仪的读数；

[0086] b.装载参考样品，例如，裸硅晶片，获得光谱数值ISi0，并在测量参考样品之前或之后即刻测量参考光束的光谱数值IR0；

[0087] c.装载并测量待测样品，获得光谱数值I，并在测量待测样品之前或之后即刻测量参考光束的光谱数值IR；

[0088] d.测量光谱仪暗数值Id；

[0089] 上述步骤中，步骤a和b在一段时间内只需操作一次，例如，一个小时内，一天内，一周或数周内。而步骤c和d在每次测量时都应该重新操作。如果环境温度不变，或者光谱仪的暗数值不随时间改变，则Id可以用Id0代替。

[0090] 这样，样品的反射率为：

[0091]

[0092] 其中R(Si0)是参考样品的绝对反射率，R(Si0)可从其他测量获得，或通对参考样品的特性计算得出，通常为裸硅片的反射率； 是参考光束对光源起伏所引起的测量误差的校正。

[0093] 例如周期性浅沟槽结构中，如图12所示，正交的两个偏振方向分别定义为垂直于线形结构的方向TM及平行于线形结构的方向TE。当周期p为100纳米，线宽w为50纳米，沟槽深度t为50纳米时，其反射率如图13所示，其中虚线为TE偏振方向反射率，实线为TM偏振方向反射率。

[0094] 测量得到TE、TM绝对反射率后，通过与数值仿真结果比较及数值回归计算，可测量样品表面周期性图案的临界尺度、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。在这种情况下，所述垂直入射宽带光谱仪还可以包括计算单元，该计算单元用于通过反射率的数学模型计算和曲线回归拟合，计算样品材料的光学常数、薄膜厚度和/或用于分析样品的周期性结构的临界尺度特性或三维形貌。现今常用的周期性结构电磁模拟计算方法为严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis，RCWA)，回归算法为Levenberg-Marquardt算法。在本发明中，除理论测量方法之外，测量过程还涉及对于偏振器旋转等存在偏振感度造成的变化的处理，此类问题可通过数值方法解决，更具体内容可参考美国专利No.6522406B1和美国专利No.6665070B1。在本发明中，经过偏振器的光束的线性偏振方向由偏振器旋转角度决定，入射至偏振器的光源可为任意偏振态的光束。经样品反射的光经过偏振器后为线偏振光，在此光束入射至探测器的过程中，参考样品反射光与测量样品反射光皆经历相同的偏振变化，所以不要求保持偏振态，对光学部件的偏振敏感无要求。

[0095] 以下以具体的实施方式为例，对本发明进行详细说明。

[0096] 实施例一

[0097] 在图14a中示出根据本发明的第一实施例的垂直入射宽带光谱仪。如图14a所示，该垂直入射宽带光谱仪包括宽带点光源SO、第一反射单元(包括平面反射镜M4、M5)、活动挡光板D、光阑A、第一聚光单元(离轴抛物面反射镜OAP2)、偏振器P、第一离轴抛物面反射镜OAP1、第一平面反射镜M1、第二聚光单元(透镜L)、第二反射单元(包括平面反射镜M2、M3)，宽带光谱计SP、可移动的分光板BS(其具体位置可参照图14b)以及图案识别系统IRS。该图案识别系统IRS包括透镜L’、照明光源(未示出)和CCD成像器(未示出)。宽带点光源SO可以发射包含宽带光谱的发散光束，该宽带光谱通常在深紫外至近红外光范围内(大约190nm至1100nm波长范围内)。实践中，宽带点光源SO可以是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源、以及包含氘钨卤素灯的复合宽带光源。这些宽带光源的光束可以为自然光(即，偏振度等于零)。但是，该宽带点光源也可以是通过消偏振器产生的偏振度为零的自然光点光源。宽带点光源SO的例子包括Ocean Optics公司产品HPX-2000、HL-2000和DH2000，以及Hamamatsu公司产品L11034、L8706、L9841和L10290。宽带光谱计可以是电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)宽带光谱计，例如，Ocean Optics QE65000光谱计或B&W TeckCypher H光谱计。图案识别系统IRS的例子包括EDMUND公司产品NT59-839，NT59-743，SEIWA公司FVL-5X-120D-C，FVL-6X-120D-C，灿锐光学公司产品XF-T6X-110D等等。

[0098] 宽带点光源S0发射的发散光束入射至平面反射镜M3和M4会分为两束，其中一束为探测光，另一束为参考光。作为优选的，该实施例还包括光源聚光单元(曲面反射镜M6)，宽带点光源SO发射的光束在竖直平面内传播并入射至曲面反射镜M6，形成会聚光束，第一反射单元，即平面反射镜M4和M5将该会聚光束分为两束，其中一束为探测光，另一束为参考光。下面分别介绍这两束光的光路：(1)经M4反射的光主光在水平面内的会聚光束作为探测光，光阑A置于该会聚光束的焦点处。经过光阑后的探测光重新发散，并入射至第一聚光单元，即离轴抛物面反射镜OAP2，离轴抛物面反射镜OAP2的焦点与该发散光束的焦点重合，则该发散光束被离轴抛物面反射镜OAP2反射后形成沿水平方向的平行光束，该平行光束经偏振器P后入射至第一离轴抛物面镜OAP1，第一离轴抛物面反射镜OAP1使该平行光束在水平面内旋转90度。由第一离轴抛物面反射镜OAP1反射后的光是主光在水平面内的会聚光束，该会聚光束经过平面反射镜M1反射后垂直入射并且聚焦在样品表面上。样品表面的反射光，依次经过第一平面反射镜M1、第一离轴抛物面反射镜OAP1、偏振器P、离轴抛物面反射镜OAP2后形成会聚光束。该会聚光束经过平面反射镜M2反射后，竖直向上入射至宽带光谱计SP。该宽带光谱计SP将放置在平面反射镜M2反射后的会聚的探测光束的焦点处。(2)从平面反射镜M4的边缘通过，经平面反射镜M5反射的光作为参考光。平面反射镜M5相对于M4稍稍倾斜，则经平面反射镜M5反射后的参考光与经平面反射镜M4反射的探测光相交后又随即分开。参考光会聚至一点后成为发散光束，该发散光束入射至第二聚光单元，即聚焦透镜L，又形成会聚光束，经平面反射镜M3后竖直向上入射至宽带光谱计SP。

[0099] 本领域的技术人员可以知道，通过调整和/或转动平面反射镜M2，可使参考光束垂直入射至光谱计SP中；通过沿着或逆着参考光束的入射方向移动聚焦透镜L2的位置，可使参考光束经过平面反射镜M2的反射后聚焦至光谱计SP中。

[0100] 本发明实施例中，探测光束从宽带光源SO发射至到达离轴抛物面反射镜OAP2之前，以及经过样品反射后离开离轴抛物面镜OAP2至到达宽带光谱计SP之前，参考光束从宽带光源SO发射至到达宽带光谱计SP之前，都处在同一个平面P1内。探测光束经平面反射镜M4反射后至到达平面反射镜M1之前，以及经样品反射后离开平面反射镜M1至到达平面反射镜M2之前，处于与平面P1垂直的平面P2内。

[0101] 本发明中，点光源发出的光经过第一反射单元(即平面反射镜M4和M5反射后)分成了探测光束和参考光束两束光，从样品表面返回的探测光束和参考光束经过第二反射单元(即平面反射镜M2和M3)后，又合成了光束截面形状如图4a所示的一束光，从而实现了探测光束和参考光束公用一个光谱计的目的。

[0102] 本发明中，活动挡板D可以通过自动或手动控制移动，来切断参考光或/和探测光。且当活动挡板D不处在探测光/或参考光的光路中时，对相应的光路没有任何影响，则在光束切换完成后，不需要重调光路即可进行光谱测量。故本发明的垂直入射光谱仪，可以简便地实现测量过程中参考光束和探测光束之间的快速切换。

[0103] 本发明中，所述偏振器可以是薄膜偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器、格兰激光偏振器。尤其，所述偏振器优选为洛匈棱镜偏振器，并且，其材料优选为氟化镁(MgF2)。在本实施例中，分光板BS及反射镜M2和M4是至少含有一个直线边缘形状的平面反射元件，如，半圆形平面反射镜，或方形反射镜。本领域的技术人员可以知道，分光板BS、平面反射镜M2和M4的直线边缘平行，并且该直线边缘与光束的主光相交。该直线边缘最好是锐角形状，以避免对参考光束的反射。

[0104] 此外，平面反射镜M1的倾斜角度和/或空间位置是可调节的，例如，可以沿着上述的来自离轴抛物面反射镜OAP1的会聚光束的主光的传播方向移动。同样地，该宽带光谱仪还可以包括用于承载样品的可调节的样品平台。根据上述对焦原理，本领域的技术人员将会知道通过调节平面反射镜M1如何实现对焦。

[0105] 此外，本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括偏振器旋转控制装置，用于控制偏振器旋转来调整光束偏振方向。该偏振器旋转控制装置可采用电机控制的各种自动旋转装置(手动也可实现量测)，如Newport Precision Rotation Stage URS 150。

[0106] 测量的样品通常放置在一个可调节的样品台上，如X-Y-Z-Theta或R-Theta-Z工作台。在半导体行业，样品的尺寸通常是直径8英寸(200毫米)或12英寸(300毫米)的晶片。在平板显示器行业，样品通常具有1米以上的尺寸。对于晶片，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，表面可能不平坦。对于大尺度样品，样品表面可能扭曲，或者，样品平台可能不平坦。因此，当对样品进行检测时，为了实现高精确度的测量和保证半导体生产线产量的快速测量，可对每个测量点重新聚焦。

[0107] 在测量样品之前，需对利用图案识别系统对样品表面的测量点进行识别、定位，此过程只需将分光器需沿如图14b中箭头所示方向移入光路中即可实现。具体操作为：将可移动分光板移入所述探测光束(包括探测光束的样品反射光束)的光路中，其非反射面完全遮蔽探测光束，其反射面将照明光束入射至样品表面，此时样品表面的图案可以在CCD成像系统中成像，通过计算样品表面成像清晰度，以校准好的图案识别系统IRS为基准对样品进行调焦，可在CCD成像系统中得到如图15a所示的芯片样品表面图案，图中较暗方形区域为测量点。测量点识别完成后，可将分光板部分移出所述探测光束的光路，其非反射面遮蔽部分探测光束，其反射面可以将照明光束反射至样品表面，同时将样品表面反射的探测光束和照明光束反射至CCD成像系统，其光路如图14b所示。则此时探测光束和样品表面图案均可以在CCD成像系统中成像，从而通过可移动的样品平台，可以对准光斑与测量点。当光斑与测量点对准时，CCD成像系统中观测到的图像如图15b所示，中心亮斑为探测光束所成图像。以上步骤完成后，即可对测量点实施测量。测量时需将分光板BS完全移出所述探测光束中的光路(此时CCD中无图像)，使探测光束自由传播至样品表面，从而进行光谱测量。

[0108] 此外，除通过观测光谱仪中光强的变化判断聚焦外，本发明还具有另一种聚焦判断方法，即，通过观测所述图案识别系统IRS中的成像清晰度来进行调焦。并存两种聚焦系统提高了设备聚焦的精确度。并且，可以实现样品表面探测光束光斑与样品表面图案对准的功能。而且，调焦过程中，可移动的分光板BS不需要随平面反射镜M1的位置变化做出调整。

[0109] 根据本实施例，本领域的技术人员可以知道，如果平面反射镜M1和离轴抛物面反射镜OAP1具有相同的反射材料和镀膜结构并满足光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件，则当探测光束在偏振器和样品表面之间的光路中传播时，到达样品表面时的偏振特性相对于离开偏振器时保持不变，样品的反射光，通常为椭圆偏振光，返回偏振器时的偏振特性相对于离开样品时也保持不变。即，光束在偏振器和样品表面之间传播时，其偏振特性仅因样品的反射而有所改变。即在本发明中，聚焦系统和调焦过程不影响光束偏振态，所述双光束垂直入射偏振光谱仪可按照上文所述的两种测量方法测量各向异性的薄膜样品或非均匀薄膜样品，如测量表面周期性图案的临界尺度(CD)、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。

[0110] 在本实施例中，经过偏振器的探测光束的线性偏振方向由偏振器旋转角度决定，入射至偏振器的光可为任意偏振态的光束。经样品反射的光经过偏振器后为线偏振光，在此光束入射至探测器的过程中，参考样品反射光与测量样品反射光皆经历相同的偏振变化，所以不要求保持偏振态，对光学部件的偏振敏感无要求。

[0111] 使用本实施例的垂直入射宽带偏振光谱仪不仅可以通过简单的操作进行聚焦，精确地控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性，还可以通过简单的操作校正绝对反射率方法测量过程中宽带光源的光谱变化造成的测量误差，此外，由于仅需用一个光谱仪，并未增加成本。

[0112] 根据本实施例和上述保持偏振特性的原理及利用平面反射镜实现光分光及合光的方法，本领域的技术人员可以想到本实施例的任何其它等同形式。

[0113] 实施例二

[0114] 在图16中示出根据本发明的第二实施例的垂直入射宽带光谱仪的光路图。本实施例的光路元件和测量方法与第一实施例的双光束垂直入射宽带偏振光谱仪基本相同，但光路特征略有不同，为了简单起见，仅对光路光路作简要描述。

[0115] 宽带点光源SO发射的光束经曲面反射镜M6反射后，形成会聚光束，第一反射单元，即平面反射镜M4和M5将光束分为探测光束和参考光束两束，第二反射单元，即平面反射镜M2和M3将光束又将从样品表面返回的探测光束和参考光束合为一束光后入射至同一个光谱计SP中。与第一实施例不同的是，经M4反射后的光束为参考光，而从M4的边缘通过，经M5反射后的光束为探测光，且在本实施例中，参考光和探测光经过两面反射镜后未经过相交，而是直接分开。参考光束会聚至一点后成为发散光束，该发散光束入射至第二聚光单元(聚焦透镜L)，又形成会聚光束，经平面反射镜M3反射后垂直入射至宽带光谱计SP。而从M5的边缘通过，经M4反射后的光束为探测光。探测光为主光在水平面内的会聚光束，光阑A置于该会聚光束的焦点处。经过光阑后的探测光重新发散，并入射至第一聚光单元(离轴抛物面反射镜OAP2)，该发散光束被离轴抛物面反射镜OAP2反射后偏转90度，形成沿水平方向的平行光束，该平行光束经偏振器P后入射至第一离轴抛物面镜OAP1，第一离轴抛物面反射镜OAP1使该平行光束在水平面内偏转90度后形成会聚光束，该会聚光束经过平面反射镜M1反射后聚焦在样品表面上，并且其主光为垂直入射至样品表面。样品表面的反射光，依次经过第一平面反射镜M1、第一离轴抛物面反射镜OAP1、偏振器P、离轴抛物面反射镜OAP2形成会聚光束。该会聚光束经过平面反射镜M2反射，在入射面内偏转90度后，垂直入射至宽带光谱计SP。该宽带光谱计SP放置在平面反射镜M2反射后的会聚的探测光束的焦点处。

[0116] 本领域的技术人员可以知道，通过调整和/或转动平面反射镜M2，可使参考光束垂直入射至光谱计SP中；通过沿着或逆着参考光束的入射方向移动聚焦透镜L2的位置，可使参考光束经过平面反射镜M2的反射后聚焦至光谱计SP中。

[0117] 与第一实施例相同的是，探测光束从宽带光源SO发射至到达离轴抛物面反射镜OAP2之前，以及经过样品反射后离开第二离轴抛物面镜OAP2至到达宽带光谱计SP之前，参考光束从宽带光源SO发射至到达宽带光谱计SP之前，都处在同一个平面内。探测光束经平面反射镜M4反射后至到达平面反射镜M1之前，以及经样品反射后离开第一平面反射镜M1至到达平面反射镜M2之前，处于同一个平面内。

[0118] 本实施例也可如第一实施例增加图案识别系统。

[0119] 本实施例可以实施与第一实施例所述测量相同的测量。

[0120] 实施例三

[0121] 在图17中示出根据本发明的第三实施例的包含参考光束的垂直入射宽带光谱仪。本实施例的光路元件和测量方法与第一、二实施例基本相同。为了简化起见，下面仅对本实施例的光路作简要描述。

[0122] 如图17所示，宽带点光源SO发射的光束经曲面反射镜M6后，被平面反射镜M5和M6分为两束，其中一束为探测光，另一束为参考光。探测光经过光阑A，离轴抛物面反射镜OAP2，偏振器P后入射至离轴抛物面反射镜OAP1，平面反射镜M1后垂直入射至样品表面。经样品表面反射的探测光，经过离轴抛物面反射镜OAP1、偏振器P、离轴抛物面反射镜OAP2、平面反射镜M2后入射至光谱计SP中；参考光经过透镜L、平面反射镜M3后入射至光谱计SP中。与第一实施例不同的是，探测光束在离轴抛物面反射镜OAP1上的入射面与在离轴抛物面反射镜OAP2的入射面相互垂直。

[0123] 此外，探测光束从宽带光源SO发射至到达离轴抛物面反射镜OAP2之前，以及经过样品反射后离开离轴抛物面镜OAP2至到达宽带光谱计SP之前，参考光束从宽带光源SO发射至到达宽带光谱计SP之前，都处在同一个平面P1内。探测光束在离轴抛物面反射镜OAP2和平面反射镜M1之间的光路中，处于与上所述平面P1垂直的平面P2内。

[0124] 本实施例也可如第一实施例增加图案识别系统。

[0125] 本实施例可以实施与第一实施例所述测量相同的测量。

[0126] 虽然第一、二、三实施例的第一平面反射镜被描述为可调节或可移动的，但是它们也可以保持固定不动。上述样品可以保持在可移动的或固定不动的样品台上。此外，在上述实施例中所述垂直入射宽带偏振光谱仪还包括一个位于所述偏振器和所述样品之间的光阑，用于避免经过所述偏振器后产生的e光入射至样品表面，和/或其反射光反射回偏振器。此外，上述实施例中的任意一段光路中均可以设置光阑，该光阑处于与主光垂直且光阑中心通过主光的位置，以调节探测光的实际数值孔径。

[0127] 此外，本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪还可以包括计算单元，该计算单元用于计算样品材料的光学常数和/或用于分析样品材料的周期性微结构的临界尺度特性或三维形貌。

[0128] 请注意，根据本说明书的教导，本领域的技术人员将应该理解，本发明的垂直入射宽带偏振光谱仪不局限于上述实施例中所公开的具体形式，只要在本发明的总体构思之下，可以对本发明的宽带光谱仪进行各种变形。本发明的宽带光谱仪可以应用于探测半导体薄膜、光学掩膜、金属薄膜、电介质薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、有机薄膜等的厚度、光学常数以及这些材料构成的周期性结构的临界尺度和三维形貌，尤其可以应用于测量多层薄膜所形成的在平面内具有一维和二维周期性的三维结构的全部尺度及各层材料的光学常数。此外，采用本发明的宽带光谱仪，可以实现自动聚焦，也可以实现手动聚焦。

[0129] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。