專利名稱：高速大面積測微儀及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速大面積測微儀及其方法，更具體地說，涉及通過聚 焦光束橢圓偏光部高速測量樣本的屬性然后通過測微部精密地測量出現(xiàn)
了奇點(diǎn)(singularpoint)的位置的高速大面積測微儀及其方法。
背景技術(shù)：
一般地，在物理、化學(xué)和材料領(lǐng)域的研究中，測量材料的光學(xué)屬性 以及測量薄膜厚度是非常重要的。具體地說，在半導(dǎo)體工業(yè)中使用了多 種納米薄膜制造工藝，并且廣泛采用無損非接觸實(shí)時(shí)測量設(shè)備的橢偏計(jì) (ellipsometer)作為評價(jià)所制造的薄膜的物理屬性的測量設(shè)備。
目前已知作為測量材料的光學(xué)屬性和薄膜的厚度的原理的多種方 法。由于隨著光源、光檢測器和計(jì)算機(jī)的發(fā)展橢偏計(jì)的性能得到很大改 善并且利用薄膜和表面的工藝增多，因此橢偏計(jì)也有了更多的應(yīng)用。
而且，掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope,此后，稱為"SPM") 是能夠以原子量級測量材料表面的儀器并且用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
橢偏計(jì)可以分為反射型和透射型，廣泛使用的是反射型橢偏計(jì)，其 分析從樣本表面反射的具有入射角的光的偏振狀態(tài)。通過測量由樣本反 射的光的偏振狀態(tài)的變化，它可以主要用于提取樣本的諸如折射率或消 光系數(shù)的光學(xué)屬性，并且還可以用于提取諸如樣本的界面態(tài)的屬性。
在利用光學(xué)系統(tǒng)以點(diǎn)狀在樣本表面上聚焦的情況下，不能同時(shí)測量 多個(gè)樣本，因?yàn)樾枰粋€(gè)接一個(gè)地測量樣本的厚度或者屬性，所以需要 花費(fèi)很多時(shí)間。
而且，在利用橢偏計(jì)測量樣本的光學(xué)屬性的情況下，因?yàn)闄E偏計(jì)水 平分辨率低，所以難以測量樣本的非常微小的光學(xué)屬性。在這種情況下， 可以利用具有很好的垂直分辨率和水平分辨率的顯微鏡(例如SPM)測
4量樣本的微小光學(xué)屬性，但是因?yàn)闄E偏計(jì)和SPM被構(gòu)造為獨(dú)立的儀器， 所以需要花很多時(shí)間測量樣本的微小光學(xué)屬性。換句話說，可以利用橢
偏計(jì)發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)，但是因?yàn)樵跈E偏計(jì)的測量之后利用SPM測量時(shí)難以知道
奇點(diǎn)的確切位置，所以需要對大的面積再次進(jìn)行精密測量，并且需要提
供構(gòu)造為獨(dú)立的儀器的SPM。因此，需要花費(fèi)很多時(shí)間和工作
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種高速大面積測微儀及其方法，該測微 儀用于通過聚焦光束橢圓偏光部高速測量樣本的屬性，然后通過測微部 精密地測量出現(xiàn)了奇點(diǎn)的位置，來快速且精密地測量樣本的光學(xué)奇點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了高速測量樣本的光學(xué)屬性提供一種利用 凸透鏡將光聚焦到樣本上的儀器以及一種利用圓柱光學(xué)系統(tǒng)將光聚焦到 樣本上的儀器。
技術(shù)方案
一種高速大面積測微儀，該高速大面積測微儀包括聚焦光束橢圓 偏光部，其用于通過將偏振光聚焦到樣本上并檢測從該樣本反射的光來 高速測量所述樣本的光學(xué)屬性；以及測微部，其用于在原子量級下再次 測量出現(xiàn)了所述樣本的所述光學(xué)屬性的奇點(diǎn)的位置。
所述聚焦光束橢圓偏光部包括光束分離部，其用于將光源中生成 的光分離成偏振光；聚焦部，其用于將所述光束分離部分離出的光聚焦 到所述樣本上；以及光檢測部，其用于檢測從所述樣本反射之后穿過所 述聚焦部和所述光束分離部的光。
所述聚焦部包括凸透鏡，其用于將所述光束分離部分離出的光聚焦 到所述樣本上。
所述聚焦部包括圓柱光學(xué)系統(tǒng)，其用于將所述光束分離部分離出的 光線性地聚焦到所述樣本上。
所述圓柱光學(xué)系統(tǒng)包括半圓柱狀透鏡、半圓柱狀反射鏡和曲面反射 鏡中的至少一種。所述測微部包括掃描探針顯微鏡。
所述掃描探針顯微鏡測量所述樣本的納米圖案的不規(guī)則度或者所述 樣本中包含的雜質(zhì)的位置。
一種高速大面積的微小測量方法，該高速大面積的微小測量方法包 括以下步驟高速測量步驟，通過將偏振光聚焦到樣本上并檢測從該樣 本反射的光來高速測量所述樣本的光學(xué)屬性；移除步驟，移除所述光源； 以及原子量級測量步驟，利用掃描探針顯微鏡，在原子量級下再次測量 出現(xiàn)了所述樣本的光學(xué)屬性的奇點(diǎn)的位置。
所述方法還包括將出現(xiàn)了所述奇點(diǎn)的位置存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。
所述原子量級測量步驟包括利用水平移動(dòng)的XY平移器將懸臂移 到所述奇點(diǎn)的位置；以及利用所述掃描探針顯微鏡的XY掃描器和Z掃 描器再測量所述樣本的光學(xué)屬性。


圖1是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高速大面積測微儀的結(jié)構(gòu)
圖2是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的聚焦光束橢圓偏光部的結(jié)構(gòu)
圖3是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的圓柱光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖； 圖4是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的測量樣本的不規(guī)則度的方法 的圖5是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的測量樣本上雜質(zhì)的位置的方 法的圖6是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的利用高速大面積測微儀來測 量樣本的光學(xué)屬性的方法的流程圖。 主要元件的詳細(xì)描述 100:聚焦光束橢圓偏光部 110:Z平移器 120:橢偏計(jì)200:測微部 210:Z掃描器 220:懸臂 230:XY掃描器 240:XY平移器
具體實(shí)施例方式
這里使用的所有科技術(shù)語都具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所 共同理解的相同含義。
然而，有幾個(gè)術(shù)語可能未被普遍理解，這里提供這些術(shù)語的一般定 義。但目的并不是通過這些定義中的缺點(diǎn)限制本發(fā)明，而是希望提供這 些定義作為指導(dǎo)來幫助不熟悉這些術(shù)語的人員。
此后，將參照附圖來詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖1是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高速大面積測微儀的結(jié)構(gòu) 圖。參照圖1，高速大面積測微儀包括聚焦光束橢圓偏光部IOO和測微部 200。
聚焦光束橢圓偏光部100包括Z平移器110和橢偏計(jì)120，而測微 部200包括Z掃描器210、懸臂220、 XY掃描器230和XY平移器240。 Z平移器IIO上下移動(dòng)橢偏計(jì)120，使得從橢偏計(jì)120輸出的光能夠聚焦 到樣本300上。
Z平移器110可以制成各種形狀和結(jié)構(gòu)以執(zhí)行上述功能，并且Z平 移器110的形狀和結(jié)構(gòu)不約束本發(fā)明。
橢偏計(jì)120通過使偏振光入射到樣本然后測量從樣本300反射的光 來測量樣本的屬性。稍后將參照圖2和3來描述橢偏計(jì)120。
聚焦光束橢圓偏光部100快速且大范圍地測量樣本300的光學(xué)屬性。 此時(shí)，可以使用XY平移器240。例如，聚焦光束橢圓偏光部100具有 O.lnm的垂直分辨率、lpm的水平分辨率和400mm/s的移動(dòng)速度。
此后，當(dāng)根據(jù)測得的光學(xué)屬性發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)時(shí)，測微部200對該奇點(diǎn)周 圍進(jìn)行更精密地測量。測微部200可以由SPM組成。在采用SPM的情況下，測微部200具有0.05nm的垂直分辨率、0.15nm的水平分辨率、大 約30,000步/秒的測量時(shí)間和5 pm x 5 iLim的測量面積。
當(dāng)聚焦光束橢圓偏光部100的測量完成時(shí)，關(guān)閉光源并利用XY平 移器240將懸臂220移到奇點(diǎn)附近。然后，Z掃描器210和/或XY掃描 器230對奇點(diǎn)附近進(jìn)行精密地測量。
因此，與僅利用SPM進(jìn)行測量相比，能夠更快速地對奇點(diǎn)附近進(jìn)行 精密地測量。Z掃描器210和XY掃描器230的位置和結(jié)構(gòu)不約束本發(fā)明。
能夠用于本發(fā)明的SPM的示例可以包括掃描隧道顯微鏡(STM: Scanning Tunneling Microscope)、 原子力顯微鏡(AFM: Atomic Force Microscope)、力調(diào)制顯微鏡(FMM: Force Modulation Microscope)、相位 檢測顯微鏡(PDM: Phase Detection Microscope)、磁力顯微鏡(MFM: Magnetic Force Microscope )、青爭電力顯微f竟(EFM: Electrostatic Force Microscope)禾口掃描電容顯微鏡(SCM: Scanning Capacitance Microscope)。 SPM的原理是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的，因此這里不詳細(xì)描述。相應(yīng) SPM的概念如下所述。
STM利用量子隧道測量樣本的屬性，其中，當(dāng)懸臂靠近樣本導(dǎo)電表 面且間隙為一個(gè)或兩個(gè)原子時(shí)，在該間隙兩端施加合適的電壓使得電子 穿過能量壁，由此形成電流。
AFM利用這樣的現(xiàn)象測量樣本的屬性，即，當(dāng)將稱為懸臂的探針靠 近樣本導(dǎo)電表面且間隙為一個(gè)或兩個(gè)原子時(shí)，吸引力和排斥力在懸臂端 部的原子和樣本表面上的原子之間根據(jù)它們之間的距離而起作用。
FMM利用這樣的現(xiàn)象測量樣本的屬性，即，當(dāng)懸臂以在懸臂與樣本 接觸的范圍內(nèi)的固定幅度振動(dòng)時(shí)，通過與樣本的接觸，懸臂的幅度和相 位發(fā)生改變。
MFM利用涂敷有磁性物質(zhì)的懸臂測量樣本的磁屬性。 EFM利用通過在懸臂和樣本之間施加交流(AC)電壓和直流(DC)
電壓產(chǎn)生的靜電力測量樣本的電屬性。
SCM通過將電容傳感器連接到懸臂并測量懸臂和樣本之間的電容
來測量樣本的屬性。測微部200包括前述SPM中的一種并且可以包括在以后開發(fā)的其它 類型的SPM。
圖2是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的聚焦光束橢圓偏光部的結(jié)構(gòu) 圖。參照圖2，橢偏計(jì)包括光源部121、偏振生成部122、光束分離部123、 光圈擋板(apertureplate) 124、聚焦部125、偏振檢測部126、光檢測部 127和中央處理單元128。
偏振生成部122使從光源部121發(fā)射的準(zhǔn)直光進(jìn)入特定偏振狀態(tài)。 光束分離部121使穿過偏振生成部122的一些光分離。分離出的光穿過 置于光束分離部123下方的聚焦部125。聚焦部125使分離出的光折射， 并且將分離出的光線性地聚焦到樣本300上。
可選地，由光束分離部123分離的光在穿過聚焦部125之前可以穿 過光圈擋板124。光圈擋板124阻擋周圍的光并允許中心的光到達(dá)聚焦部 125。稍后來描述光圈擋板124和聚焦部125的結(jié)構(gòu)。
從樣本300反射的光在穿過聚焦部125和光束分離部123之后，穿 過偏振檢測部126以過濾特定偏振狀態(tài)。然后，將穿過偏振檢測部126 的光輸入到光檢測部127，并且光檢測部127測量輸入光的強(qiáng)度。光檢測 部127由像素構(gòu)成，并且由像素獲得的信息被傳送到中央處理單元128 并存儲(chǔ)為數(shù)字信號。
圖3是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的圓柱光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。如 圖2所示，聚焦部125可以由凸透鏡組成。在這種情況下，從光束分離 部123輸出的光通過聚焦部125被聚焦到樣本300。
而且，如圖3所示，聚焦部125可以由圓柱光學(xué)系統(tǒng)組成。參照圖 3，左側(cè)為聚焦部125的立體圖，而右側(cè)為聚焦部125沿X軸觀看的正視 圖。由光束分離部123分離出的光穿過光圈擋板124。
光圈擋板124具有在中心形成有矩形孔的矩形形狀，而由光束分離 部123分離出的一些光通過矩形孔傳送到聚焦部125，其余的光被光圈擋 板124阻擋。如前所述，光圈擋板124是可選的，并且由光束分離部123 分離出的光可以不經(jīng)過光圈擋板124直接傳送到聚焦部125。在光圈擋板 124中心處的矩形孔只是示例性的，并且本發(fā)明的光圈擋板124可以具有各種形狀的孔。
如圖3所示，聚焦部125可以由半圓柱狀透鏡構(gòu)成，并且該半圓柱
狀透鏡具有為具有半圓形剖面的彎曲表面的光圈擋板側(cè)表面和為矩形平 面的樣本側(cè)表面。因此，傳送到半圓柱狀透鏡的光在穿過半圓柱狀透鏡
的同時(shí)被折射，然后被線性地會(huì)聚入樣本300。穿過半圓柱狀透鏡的光以 與入射角O相同的反射角O從樣本300反射，然后在穿過半圓柱狀透鏡 的同時(shí)被折射并傳送到光圈擋板124。
上述聚焦部125的結(jié)構(gòu)是示例性的，并且可以采用任何聚焦部125， 只要它將光線性聚焦到樣本300上。
圖4和圖5分別是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的測量樣本的不規(guī) 則度和測量樣本上雜質(zhì)的位置的方法的圖。參照4，首先，聚焦光束橢圓 偏光部高速掃描樣本。如果在樣本的表面上發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)，存儲(chǔ)該奇點(diǎn)的位 置信息(圖4中坐標(biāo)(xl,y1))。接著，測微部對該奇點(diǎn)周圍進(jìn)行精密地測 量。盡管在圖4中利用AFM測量了樣本的不規(guī)則度，但是也可以利用另 一種SPM測量樣本的不規(guī)則度。
參照5，首先，聚焦光束橢圓偏光部高速掃描樣本。如果在樣本的 表面上發(fā)現(xiàn)包含雜質(zhì)的奇點(diǎn)，則存儲(chǔ)該奇點(diǎn)的位置信息(圖5中坐標(biāo)(xl， yl))。接著，測微部對該奇點(diǎn)周圍進(jìn)行精密地測量。盡管在圖5中利用 SCM測量了樣本中包含的雜質(zhì)的位置，但是也可以利用其它類型的SPM 測量樣本中包含的雜質(zhì)的位置。
圖6是例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的利用高速大面積測微儀來測 量樣本的光學(xué)屬性的方法的流程圖。下面，將參照圖1的部件來描述本 發(fā)明的方法的流程。
首先，利用Z平移器110在樣本300上形成聚焦(S601)。可以以點(diǎn) 狀或線狀形成聚焦。接著，利用橢偏計(jì)120和XY平移器240高速測量 樣本300的光學(xué)屬性(S602)。
如果從測量結(jié)果中沒有發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)(S603為否)，則利用橢偏計(jì)120 和XY平移器240對樣本的另一部分或另一樣本進(jìn)行測量。
如果從測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了奇點(diǎn)(S603為是)，則將發(fā)現(xiàn)了奇點(diǎn)的位
10置的信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中(S604)。接著，利用光閘(shutter)阻擋光源 (S605)，并利用XY平移器240將懸臂220移到奇點(diǎn)附近(S606)。然
后，利用XY掃描器230和/或Z掃描器210對該奇點(diǎn)周圍進(jìn)行測量 (S607)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，很容易將前述描述中公開的概念 和具體實(shí)施方式
用作修改或者設(shè)計(jì)用于執(zhí)行本發(fā)明的相同目的的其他實(shí) 施方式的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解的是，這種等同的實(shí)施方 式并沒有脫離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
工業(yè)適用性
根據(jù)本發(fā)明，可以通過聚焦光束橢圓偏光部高速測量樣本的屬性， 然后通過測微部對表示奇點(diǎn)的位置進(jìn)行精密地測量，來快速且精密地測 量樣本的光學(xué)奇點(diǎn)。
而且，為了高速測量樣本的光學(xué)屬性，可以通過提供一種利用凸透 鏡將光聚焦到樣本上的儀器以及一種利用圓柱光學(xué)系統(tǒng)將光聚焦到樣本 上的儀器，來快速且精密地測量多個(gè)樣本的光學(xué)屬性。
權(quán)利要求
1、一種高速大面積測微儀，所述高速大面積測微儀包括聚焦光束橢圓偏光部，該聚焦光束橢圓偏光部用于通過將偏振光聚焦到樣本上并檢測從所述樣本反射的光來高速測量所述樣本的光學(xué)屬性；以及測微部，所述測微部用于在原子量級下再次測量出現(xiàn)了所述樣本的所述光學(xué)屬性的奇點(diǎn)的位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速大面積測微儀，其中，所述聚焦光束 橢圓偏光部包括光束分離部，所述光束分離部用于將光源中生成的光分離成所述偏 振光；聚焦部，該聚焦部用于將所述光束分離部分離出的光聚焦到所述樣 本上；以及光檢測部，該光檢測部用于檢測從所述樣本反射之后穿過所述聚焦 部和所述光束分離部的光。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速大面積測微儀，其中，所述聚焦部包 括透鏡系統(tǒng)，所述透鏡系統(tǒng)用于將所述光束分離部分離出的光聚焦到所 述樣本上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速大面積測微儀，其中，所述聚焦部包 括圓柱光學(xué)系統(tǒng)，所述圓柱光學(xué)系統(tǒng)用于將所述光束分離部分離出的光 線性地聚焦到所述樣本上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速大面積測微儀，其中，所述圓柱光學(xué) 系統(tǒng)包括半圓柱透鏡、半圓柱反射鏡和曲面反射鏡中的至少一種。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速大面積測微儀，其中，所述測微部包 括掃描探針顯微鏡。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速大面積測微儀，其中，所述掃描探針 顯微鏡測量所述樣本的納米圖案的不規(guī)則度或者所述樣本中包含的缺陷 的位置。
8、 一種高速大面積微小測量方法，該高速大面積微小測量方法包括 以下步驟高速測量步驟，通過將偏振光聚焦到樣本上并檢測從所述樣本反射 的光，來高速測量所述樣本的光學(xué)屬性； 移除步驟，移除光源；以及原子量級測量步驟，利用掃描探針顯微鏡，在原子量級下再次測量 出現(xiàn)所述樣本的所述光學(xué)屬性的奇點(diǎn)的位置。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速大面積微小測量方法，其中，所述方 法還包括以下步驟將出現(xiàn)了所述奇點(diǎn)的位置存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速大面積微小測量方法，其中，所述 原子量級測量步驟包括以下步驟利用水平移動(dòng)的XY平移器將懸臂移到所述奇點(diǎn)的位置；以及 利用所述掃描探針顯微鏡的XY掃描器和Z掃描器測量所述樣本的 所述光學(xué)屬性。
全文摘要
本發(fā)明涉及高速大面積測微儀及其方法，更具體地說，涉及通過聚焦光束橢圓偏光部高速測量樣本的屬性然后通過測微部精密地測量出現(xiàn)了奇點(diǎn)(singular point)的位置的高速大面積測微儀及其方法。
文檔編號G01B11/06GK101688768SQ200880021185
公開日2010年3月31日 申請日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者諸葛園, 趙賢模, 趙龍?jiān)?申請人:韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院