專利名稱：采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀及光學測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀及光學測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著半導體行業(yè)的快速發(fā)展，利用光學測量技術(shù)來快速精確地檢測半導體薄膜的厚度和材料特性是控制生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要應(yīng)用于集成電路、平板顯示器、硬盤、太陽能電池、LED等包含薄膜結(jié)構(gòu)的工業(yè)中。不同材料構(gòu)成的多層薄膜在不同波長對入射光具有不同的反射率，其反射光譜具有獨特性。當今先進的薄膜結(jié)構(gòu)測量設(shè)備，如橢圓偏振儀要求滿足盡量寬的光譜測量能力以增加測量精確度，通常為190nm至lOOOnm。在薄膜結(jié)構(gòu)已知的情況下，薄膜反射光譜可通過數(shù)學模型計算得出。當存在未知結(jié)構(gòu)參數(shù)時， 例如薄膜厚度，薄膜光學常數(shù)，表面條紋等，可通過回歸分析，擬合測量與模擬計算光譜，從而得出未知結(jié)構(gòu)參數(shù)。測量設(shè)備通常分為相對于樣品表面垂直入射的光學系統(tǒng)和相對于樣品表面傾斜入射的光學系統(tǒng)。垂直入射的光學系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)更加緊湊，通常可與其他工藝設(shè)備集成，實現(xiàn)生產(chǎn)與測量的整合及實時監(jiān)測?，F(xiàn)有技術(shù)中，垂直入射光譜儀的光學系統(tǒng)主要通過分光器，將探測光束與樣品反射光束分離，使樣品反射光束無法逆向返回光源，而獨立入射至探測器。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)利用分光器進行光束分離的光譜儀。如圖1所示，該光譜儀中，光源 101出射發(fā)散光經(jīng)透鏡102后，平行入射透射通過分光器103，經(jīng)透鏡104會聚后聚焦至樣品105表面；樣品105表面的反射光經(jīng)透鏡104反射后，垂直入射分光器103 ；經(jīng)反射后經(jīng)透鏡106會聚，入射至探測器107，獲得樣品表面的反射光譜。采用分光器的光譜儀存在的主要問題為1)光通量低，整個測量個過程中，光束由光源需經(jīng)同一分光器透射和反射各一次，進入探測器。所能達到的最大光通量比率為 25%, BP分光器為透射率和反射率各50%；2)若同時實現(xiàn)高質(zhì)量光斑及較寬的光譜范圍，則系統(tǒng)復雜度較高，且成本較高。詳細分析如下A)在分光器為分光薄片的情況下，分光薄片與光束主光需成45度角使用，如美國專利US6900900B2所示。此結(jié)構(gòu)的缺點為在寬波段光束透射情況下，當光束為平行光束時，會產(chǎn)生色差；此問題可通過另設(shè)置完全相同的分光薄片修正色差，但增加了系統(tǒng)復雜度，且降低了光通量。另一種基于分光薄片的分光器為點格分光鏡(Polka-dot Beamsplitter)(如美國專利M50M0、Edmund0ptics點格分光鏡)或厚度僅為100微米的點格分光鏡(如美國專利US6525884B2)，其結(jié)構(gòu)的特點為反射光束可實現(xiàn)寬光譜(包括深紫外范圍)，且自身無色散；但其表面點格的周期性結(jié)構(gòu)會造成衍射光斑，極大的影響了測量的準確度；B)在分光器為分光棱鏡的情況下(如美國專利US6181427B1)，其缺點為分光棱鏡難以同時實現(xiàn)寬光譜分光，通常分為400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三個區(qū)域，限制了測量的光譜范圍；
C)在分光器為偏振分光棱鏡的情況下，透射光/反射光為固定偏振方向，改變偏振態(tài)需旋轉(zhuǎn)偏振分光棱鏡、或旋轉(zhuǎn)樣品或另設(shè)起偏器，實現(xiàn)非常復雜；D)在分光器為薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)的情況下，其結(jié)構(gòu)的缺點為薄膜厚度僅為2微米，受環(huán)境影響大，極易破損，無法清理表面，成本高；且薄膜對紫外波段存在吸收。在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人意識到現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺陷采用傳統(tǒng)分光器的光譜儀的光通量效率低。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀光學測量系統(tǒng)，以提高光譜儀的光通量效率。(二)技術(shù)方案本發(fā)明的采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀，包括光源、光纖束、光探測器， 光纖束包括入射光纖子束、出射光纖子束，入射光纖子束和出射光纖子束均包含至少一根光纖或光纖芯；入射光纖子束具有第一端口組和第二端口組，出射光纖子束具有第三端口組和第四端口組，入射光纖子束的第二端口組和出射光纖子束的第三端口組在同一橫截面上；入射光纖子束，用于引導從第一端口組入射的光源發(fā)射的探測光，從第二端口組出射， 入射樣品表面；出射光纖子束，用于引導從第三端口組入射的探測光經(jīng)過樣品表面的反射光，從第四端口出射，入射光探測器。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，入射光纖子束為反射/背散射光纖束的預設(shè)光纖，出射光纖子束為反射/背散射光纖束的預設(shè)光纖外的光纖。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，光纖束由一根中心光纖和環(huán)繞中心光纖的若干根分支光纖構(gòu)成，若干根分支光纖橫截面上的圓心位于中心光纖的同心圓環(huán)上，并等分此圓環(huán)；中心光纖作為入射光纖子束，若干根分支光纖作為出射光纖子束；或中心光纖作為出射光纖子束，若干根分支光纖作為入射光纖子束。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，垂直入射寬帶光譜儀還包括聚光單元，位于第二端口組和第三端口組所在的橫截面和樣品之間，用于將從第二端口組出射的探測光會聚至樣品表面，和將樣品表面的反射光會聚至第三端口組優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，當聚光單元為聚焦透鏡時，樣品位于聚焦透鏡的離焦位置；當樣品平面以聚焦透鏡聚焦時像平面為參考移動時，滿足關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于，包括光源、光纖束、光探測器，所述光纖束包括入射光纖子束、出射光纖子束，所述入射光纖子束和所述出射光纖子束均包含至少一根光纖或光纖芯；所述入射光纖子束具有第一端口組和第二端口組，所述出射光纖子束具有第三端口組和第四端口組，所述入射光纖子束的第二端口組和所述出射光纖子束的第三端口組在同一橫截面上；所述入射光纖子束，用于引導從所述第一端口組入射的所述光源發(fā)射的探測光，從所述第二端口組出射，入射樣品表面；所述出射光纖子束，用于引導從所述第三端口組入射的所述探測光經(jīng)過所述樣品表面的反射光，從所述第四端口出射，入射所述光探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述入射光纖子束為反射/背散射光纖束的預設(shè)光纖，所述出射光纖子束為反射/背散射光纖束的預設(shè)光纖外的光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述光纖束由一根中心光纖和環(huán)繞所述中心光纖的若干根分支光纖構(gòu)成，所述若干根分支光纖橫截面上的圓心位于所述中心光纖的同心圓環(huán)上，并等分此圓環(huán)；所述中心光纖作為入射光纖子束，所述若干根分支光纖作為出射光纖子束；或所述中心光纖作為出射光纖子束，所述若干根分支光纖作為入射光纖子束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于當所述若干根分支光纖作為出射光纖子束時，所述若干根分支光纖的所述第四端口組排列為與所述光探測器入光口形狀對應(yīng)的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述光探測器的入光口為狹縫時，所述第四端口組的各端口呈一字排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述光譜儀還包括聚光單元，位于所述第二端口組、第三端口組所在的橫截面和所述樣品之間，用于將從所述第二端口組出射的探測光會聚至所述樣品表面，和將所述樣品表面的反射光會聚至第三端口組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述聚光單元為聚焦透鏡或超環(huán)形反射鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于當所述聚光單元為聚焦透鏡時，所述樣品位于所述聚焦透鏡的離焦位置；當樣品平面以所述聚焦透鏡聚焦時，像平面為參考移動，滿足關(guān)系式
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于當所述聚光單元為聚焦透鏡時，所述聚焦透鏡為校正三片鏡組件，三膠合透鏡或雙膠合透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述光探測器為光譜計。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于，所述光譜儀還包括 計算單元，與所述光譜計相連，用于接收所述光譜計輸出的樣品的反射率，利用所述反射率計算樣品材料的光學常數(shù)和/或分析樣品材料的周期性微結(jié)構(gòu)的臨界尺度特性或三維形貌。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直入射寬帶光譜儀，其特征在于所述光源為氙燈、氘燈、 鎢燈、鹵素燈、汞燈、包含氘燈和鎢燈的復合寬帶光源、包含鎢燈和鹵素燈的復合寬帶光源、 包含汞燈和氙燈的復合寬帶光源、或者包含氘鎢鹵素的復合寬帶光源。
13.一種光學測量系統(tǒng)，其特征在于，包含權(quán)利要求1-12中任一項所述的采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用光纖束分光的垂直入射寬帶光譜儀及光學測量系統(tǒng)。該垂直入射寬帶光譜儀包括光源、光纖束、光探測器，光纖束包括入射光纖子束、出射光纖子束；入射光纖子束具有第一端口組和第二端口組，出射光纖子束具有第三端口組和第四端口組，入射光纖子束的第二端口組和出射光纖子束的第三端口組在同一橫截面上。本發(fā)明垂直入射寬帶光譜儀的光通量效率可達50%，遠遠高于傳統(tǒng)的采用分光器的光譜儀。
文檔編號G01J3/12GK102564588SQ201010593609
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者嚴曉浪, 劉濤, 李國光, 艾迪格·基尼歐, 馬鐵中 申請人:北京智朗芯光科技有限公司