专利名称：采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统。
背景技术：
随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来快速精确地检测半导体薄膜的厚度和材料特性是控制生产过程，提高生产率的关键环节。主要应用于集成电路、平板显示器、硬盘、太阳能电池、LED等包含薄膜结构的工业中。不同材料构成的多层薄膜在不同波长对入射光具有不同的反射率，其反射光谱具有独特性。当今先进的薄膜结构测量设备，如椭圆偏振仪要求满足尽量宽的光谱测量能力以增加测量精确度，通常为190nm至lOOOnm。在薄膜结构已知的情况下，薄膜反射光谱可通过数学模型计算得出。当存在未知结构参数时， 例如薄膜厚度，薄膜光学常数，表面条纹等，可通过回归分析，拟合测量与模拟计算光谱，从而得出未知结构参数。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，垂直入射光谱仪的光学系统主要通过分光器，将探测光束与样品反射光束分离，使样品反射光束无法逆向返回光源，而独立入射至探测器。

图1为现有技术利用分光器进行光束分离的光谱仪。如图1所示，该光谱仪中，光源 101出射发散光经透镜102后，平行入射透射通过分光器103，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 ；经反射后经透镜106会聚，入射至探测器107，获得样品表面的反射光谱。采用分光器的光谱仪存在的主要问题为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。所能达到的最大光通量比率为 25%, BP分光器为透射率和反射率各50%；2)若同时实现高质量光斑及较宽的光谱范围，则系统复杂度较高，且成本较高。详细分析如下A)在分光器为分光薄片的情况下，分光薄片与光束主光需成45度角使用，如美国专利US6900900B2所示。此结构的缺点为在宽波段光束透射情况下，当光束为平行光束时，会产生色差；此问题可通过另设置完全相同的分光薄片修正色差，但增加了系统复杂度，且降低了光通量。另一种基于分光薄片的分光器为点格分光镜(Polka-dot Beamsplitter)(如美国专利M50M0、Edmund0ptics点格分光镜)或厚度仅为100微米的点格分光镜(如美国专利US6525884B2)，其结构的特点为反射光束可实现宽光谱(包括深紫外范围)，且自身无色散；但其表面点格的周期性结构会造成衍射光斑，极大的影响了测量的准确度；B)在分光器为分光棱镜的情况下(如美国专利US6181427B1)，其缺点为分光棱镜难以同时实现宽光谱分光，通常分为400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三个区域，限制了测量的光谱范围；
C)在分光器为偏振分光棱镜的情况下，透射光/反射光为固定偏振方向，改变偏振态需旋转偏振分光棱镜、或旋转样品或另设起偏器，实现非常复杂；D)在分光器为薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)的情况下，其结构的缺点为薄膜厚度仅为2微米，受环境影响大，极易破损，无法清理表面，成本高；且薄膜对紫外波段存在吸收。在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷采用传统分光器的光谱仪的光通量效率低。

发明内容
(一)要解决的技术问题针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪光学测量系统，以提高光谱仪的光通量效率。(二)技术方案本发明的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪，包括光源、光纤束、光探测器， 光纤束包括入射光纤子束、出射光纤子束，入射光纤子束和出射光纤子束均包含至少一根光纤或光纤芯；入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，入射光纤子束的第二端口组和出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上；入射光纤子束，用于引导从第一端口组入射的光源发射的探测光，从第二端口组出射， 入射样品表面；出射光纤子束，用于引导从第三端口组入射的探测光经过样品表面的反射光，从第四端口出射，入射光探测器。优选地，本技术方案中，入射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤，出射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤外的光纤。优选地，本技术方案中，光纤束由一根中心光纤和环绕中心光纤的若干根分支光纤构成，若干根分支光纤横截面上的圆心位于中心光纤的同心圆环上，并等分此圆环；中心光纤作为入射光纤子束，若干根分支光纤作为出射光纤子束；或中心光纤作为出射光纤子束，若干根分支光纤作为入射光纤子束。优选地，本技术方案中，垂直入射宽带光谱仪还包括聚光单元，位于第二端口组和第三端口组所在的横截面和样品之间，用于将从第二端口组出射的探测光会聚至样品表面，和将样品表面的反射光会聚至第三端口组优选地，本技术方案中，当聚光单元为聚焦透镜时，样品位于聚焦透镜的离焦位置；当样品平面以聚焦透镜聚焦时像平面为参考移动时，满足关系式
权利要求
1.一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，包括光源、光纤束、光探测器，所述光纤束包括入射光纤子束、出射光纤子束，所述入射光纤子束和所述出射光纤子束均包含至少一根光纤或光纤芯；所述入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，所述出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，所述入射光纤子束的第二端口组和所述出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上；所述入射光纤子束，用于引导从所述第一端口组入射的所述光源发射的探测光，从所述第二端口组出射，入射样品表面；所述出射光纤子束，用于引导从所述第三端口组入射的所述探测光经过所述样品表面的反射光，从所述第四端口出射，入射所述光探测器。
2.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述入射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤，所述出射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤外的光纤。
3.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述光纤束由一根中心光纤和环绕所述中心光纤的若干根分支光纤构成，所述若干根分支光纤横截面上的圆心位于所述中心光纤的同心圆环上，并等分此圆环；所述中心光纤作为入射光纤子束，所述若干根分支光纤作为出射光纤子束；或所述中心光纤作为出射光纤子束，所述若干根分支光纤作为入射光纤子束。
4.根据权利要求3所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于当所述若干根分支光纤作为出射光纤子束时，所述若干根分支光纤的所述第四端口组排列为与所述光探测器入光口形状对应的形状。
5.根据权利要求4所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述光探测器的入光口为狭缝时，所述第四端口组的各端口呈一字排列。
6.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述光谱仪还包括聚光单元，位于所述第二端口组、第三端口组所在的横截面和所述样品之间，用于将从所述第二端口组出射的探测光会聚至所述样品表面，和将所述样品表面的反射光会聚至第三端口组。
7.根据权利要求6所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述聚光单元为聚焦透镜或超环形反射镜。
8.根据权利要求7所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于当所述聚光单元为聚焦透镜时，所述样品位于所述聚焦透镜的离焦位置；当样品平面以所述聚焦透镜聚焦时，像平面为参考移动，满足关系式
9.根据权利要求8所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于当所述聚光单元为聚焦透镜时，所述聚焦透镜为校正三片镜组件，三胶合透镜或双胶合透镜。
10.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述光探测器为光谱计。
11.根据权利要求10所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括 计算单元，与所述光谱计相连，用于接收所述光谱计输出的样品的反射率，利用所述反射率计算样品材料的光学常数和/或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。
12.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于所述光源为氙灯、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、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源。
13.一种光学测量系统，其特征在于，包含权利要求1-12中任一项所述的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪。
全文摘要
本发明公开了一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统。该垂直入射宽带光谱仪包括光源、光纤束、光探测器，光纤束包括入射光纤子束、出射光纤子束；入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，入射光纤子束的第二端口组和出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上。本发明垂直入射宽带光谱仪的光通量效率可达50%，远远高于传统的采用分光器的光谱仪。
文档编号G01J3/12GK102564588SQ201010593609
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者严晓浪, 刘涛, 李国光, 艾迪格·基尼欧, 马铁中 申请人:北京智朗芯光科技有限公司