非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器的制作方法

本发明的各实施例涉及光学领域，更具体地涉及一种非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器，其中光学仪器特别地包括光谱椭偏仪(spectroscopicellipsometry，se)。

背景技术：

作为包括聚焦系统的光学仪器的示例，光谱椭偏仪是一种用于检测薄膜厚度、光学常数(折射率n，消光系数k)以及材料微结构的光学测量设备。由于具有无损、非接触、不需要真空、无需参照样品等特点，使得光谱椭偏仪在半导体芯片制造、光学镀膜和材料分析等领域都有广泛应用。

为了缩短检测时间，光谱椭偏仪都带有一套自动聚焦(autofocus，af)系统实现样品的快速定位。自动聚焦系统是一种将力、热、光、电或声等信号转化为电信号进行处理后自动计算并确定出焦点位置的系统。用于光谱椭偏仪的自动聚焦系统一般都采用反射式光路系统，即光源发出的光经过入射模块聚焦到样品表面反射后再经过出射模块最终被光探测器接收。

目前，在用于光谱椭偏仪的自动聚焦系统其入射光路和出射光路都垂直于样品表面(即入射光路和出射光路重合)，且都选用高倍大数值孔径的显微物镜作为聚焦和准直透镜。然而，有些情况下，样品垂直方向并没有空间来布局这种垂直式的自动聚焦系统，以及测量透明样品时样品第二个面的反射光可能会影响测量结果，进而无法正确聚焦到焦点位置。因此，基于以上问题提出一种新型的自动聚焦光学系统。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种新型的非垂直式自动聚焦系统(non-verticalautofocus，nvaf)，从而至少能够克服或者缓解现有技术中所存在的空间布局的技术问题，以及测量透明样品时无法正确聚焦的现实问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种非垂直式自动聚焦系统，其包括光源；入射模块，被配置为接收从所述光源发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品上；出射模块，被配置为接收从所述样品反射的光，并且将所接收的光聚焦到光探测器的靶面上；以及光探测器，被配置为将聚焦于所述靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出所述入射模块的焦点位置的信息；其中，从所述入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路与所述样品的表面法线的夹角均不等于零。

通过利用上述入射模块的焦点位置的信息或者相对于入射模块的焦点位置的样品位置信息，本公开的自动聚焦系统可以调整入射模块的焦点位置至样品表面或者驱动样品表面至所述焦点位置，从而实现自动聚焦功能，且由于从入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路与样品的表面法线的夹角均不等于零，则该非垂直式自动聚焦系统的空间布局相对于现有技术的空间布局有所改善，且能实现透明样品的准确聚焦。

在利用光纤引导式光源时，由光纤传导出的光源可以经过小孔与准直透镜准直成平行光，而后经过聚焦透镜聚焦于样品表面；经过样品表面反射后的光再经过准直透镜准直后经聚焦透镜聚焦于四象限探测器靶面；而在利用平行光出射式光源(诸如激光器)时，可以使用扩束透镜和准直透镜将光聚焦于样品表面，而后经由成像透镜成像于位置探测器的靶面上，这种光路设计能更好地实现光路的调整，且便于机械安装固定激光器，实现简洁紧凑的仪器结构。

需要说明的是，本文所涉及的包括准直透镜、聚焦透镜、扩束透镜、成像透镜等的透镜可以是实现相同功能的单个透镜或者透镜组。除非另外说明，本公开中所提及的准直透镜和聚焦透镜均分别涵盖单个透镜和包括多个透镜的透镜组二者。

根据本公开的第二方面，上述非垂直式自动聚焦系统可以应用于光学仪器、特别是光谱椭偏仪中。本公开的包括该非垂直式自动聚焦系统的光学仪器(诸如光谱椭偏仪)相对于现有聚焦系统而言可以具有更加宽泛的设计空间和布局。

附图说明

在附图中，相似/相同的附图标记通常贯穿不同视图而指代相似/相同的部分。附图并不必按比例绘制，而是通常强调对本发明的原理的图示。在附图中：

图1示意性地示出了根据本公开的各实施例的非垂直式自动聚焦系统的光路原理图；

图2示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第一实施例的布局图；

图3a示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品处于焦点位置时四象限探测器上的光强分布；

图3b示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品偏离焦点位置时四象限探测器上的光强分布；

图4示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第二实施例的布局图；

图5a示意性地示出了根据本公开的第二实施例的样品处于焦点位置时位置探测器上的光斑位置；以及

图5b示意性地示出了根据本公开的第二实施例的样品偏离焦点位置时位置探测器上的光斑位置。

具体实施例

以下将参考附图对本公开的各个实施例进行详细描述。实施例的一个或多个示例由附图所示出。实施例通过本公开的阐述所提供，并且不旨在作为对本公开的限制。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可能在另一个实施例中被使用以生成又一进一步的实施例。本公开旨在包括属于本公开范围和精神的这些和其他修改和变化。

此外，在本公开中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。对于附图，方向性的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，是参照所描述的附图的方位而使用的。由于本公开的实施例的组件能够被以多种方式实施，这些方向性术语是用于说明的目的，而不是限制的目的。因此，以下的具体实施例并不是作为限制的意义，并且本公开的范围由所附的权利要求书所限定。

图1示意性地示出了根据本公开的各实施例的非垂直式自动聚焦系统的光路原理图。本公开的非垂直式自动聚焦系统可以特别地应用于诸如光谱椭偏仪的光学仪器中，从而向光学仪器提供改进的设计空间或布局。

如图1所示，非垂直式自动聚焦系统主要包括光源10、入射模块20、出射模块30和光探测器40四个部分。

光源10，取决于设计需求和实际情况，可以是宽光谱光源，也可以是诸如单波长光源的窄光谱光源。如果按照光源的出射方式分类，光源10也可以是光纤引导式光源或者平行出射式光源。其中，光纤引导式光源，即光源由光纤导出；在非垂直式自动聚焦系统应用于诸如光谱椭偏仪的光学仪器的情况中，该光纤引导式光源可以取自光谱椭偏仪自带的光源(诸如氙灯光源)并由光纤导出；而平行出射式光源可以例如是激光器。

入射模块20，被配置为接收从光源10发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品s上。例如，入射模块20可以将光源10出射的光准直成平行光而后再聚焦于样品表面或被测面。入射模块所起的作用是将光源发出的光经过准直和/或聚焦于样品的被测面。入射模块的设计根据光源的实际情况有所不同。如果光源为光纤引导式光源，诸如来自氙灯光源或者耦合有光纤的激光器，则入射模块可以由小孔、准直透镜和聚焦透镜组成；如果光源为诸如激光器的平行出射式光源，则入射模块可以包括扩束透镜和聚焦透镜。

出射模块30，被配置为接收从样品s反射的光，并且将所接收的光聚焦或成像到光探测器40的靶面上。例如，出射模块30可以将样品表面或被测面反射后的光最终聚焦于光探测器40的靶面上。出射模块因光探测器工作模式的不同而有所差异。光探测器主要有两种，一种是四象限探测器(quadrantphotodiode，qp)，另一种是位置探测器(positionsensitivedevice，psd)。选用四象限探测器对出射模块的光学像差控制要求不是很高，但其工作范围比较小。而位置探测器虽然工作范围比较大，但其对出射模块的光学像差控制要求较高。具体选用那种探测器，需根据实际情况进行衡量选取。如果选择四象限探测器，则要求经过出射模块照射到探测器上的光斑大小为探测器直径的一半(毫米级)；如果选择位置探测器，则要求照射到探测器上的光斑大小尽可能小，这就要求控制出射模块各种光学像差，使其最小。

入射模块和出射模块中所包括的光学元件的光学参数可以视实际情况而有所变化。例如，在光纤引导式光源的情形中，在一些实施例中，光纤的芯径可以大于100um(例如300um)，数值孔径na可以大于0.18(例如0.23)，并且可以包括诸如sma905的光纤接头；小孔的直径可以在50um-200um之间(例如100um)，且不能大于光纤的芯径。在一些实施例中，入射模块的准直透镜可以为无穷远平场显微物镜，诸如齐焦距离为45mm的4倍无穷远平场显微镜；入射模块的聚焦透镜可以为单片透镜或透镜组，诸如焦距25mm、数值孔径0.12的透镜或透镜组，该透镜组例如是可见光波段的复消色差透镜组。在一些实施例中，出射模块的准直透镜可以为单片透镜或透镜组，诸如焦距25mm、数值孔径0.12的透镜或透镜组，该透镜组例如是可见光波段的复消色差透镜组。此外，在一些实施例中，出射模块的聚焦透镜可以为由bk7和f5两种玻璃材料组成的双胶合透镜。

光探测器40，被配置为将聚焦于靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出入射模块20的焦点位置的信息，或者相对于所述入射模块的焦点位置的样品位置信息。光探测器40可以是适于探测上述焦点位置的任何探测器，包括但不限于四象限探测器和位置探测器。在光探测器为四象限探测器时，其感光区域可以为圆形，诸如直径为5mm的圆。

此外，从入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路原则上按照入射角等于出射角的关系进行布置。在这种情况下，入射光路和出射光路与样品表面法线的夹角通常大于45度，例如可以被设计成均为67°，然而在其他实施例中，其他的夹角也是可行的。

进一步地，本公开的自动聚焦系统还可以包括驱动单元(未示出)，该驱动单元可以根据光探测器确定的焦点位置将样品被测面驱动至焦点位置。

图2示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第一实施例的布局图。作为示例，该第一实施例对应于光源10被配置为光纤引导式光源的情形。

如图2所示，光源10可以被配置为经由光纤101导出，此时光源10例如通过光纤接头(诸如sma905，未示出)连接至光学仪器自带的宽光谱或窄光谱光源。经由光纤101导出的光经由小孔201和准直透镜202准直成平行光垂直入射于聚焦透镜203，由聚焦透镜203聚焦的光束倾斜入射于水平放置的样品s表面，经样品s表面反射之后的光入射(譬如垂直入射)于准直透镜301，准直透镜301将光准直成平行光而后入射(譬如垂直入射)于聚焦透镜302，聚焦透镜302将平行光聚焦在诸如四象限探测器的光探测器401的靶面上。

为了展示四象限探测器的原理，图3a和图3b示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品处于焦点位置和偏离焦点位置时四象限探测器上的光强分布。

如果样品处于焦点位置，则四象限探测器401靶面上的光强分布如图3a示意性所示，照射到i、ii象限和iii、iv象限上的光强值相等即：a+b＝c+d，其中a、b、c、d分别表示照射到四象限探测器401上i、ii、iii、iv象限的光强值。如果样品偏离焦点位置，则四象限探测器401上的i、ii象限和iii、iv象限上的光强值不再相等即a+b≠c+d，如图3b示意性所示。四象限探测器401可以将归一化的(a+b-c-d)/(a+b+c+d)值作为信号，以便指示样品偏离焦点的位置信息，进而确定样品的所处位置，然后可以由驱动单元驱动样品至焦点位置。

应当注意，图2所示出的非垂直式自动聚焦系统中所包括的元件的种类和数目仅仅是示意性，本领域技术人员可以在本公开的原理下对该第一实施例中的元件种类和数目进行适当变形。例如，可以在图2的光路中进一步增加任何适当的光束整形元件等；又例如，准直透镜201、聚焦透镜203、准直透镜301、聚焦透镜302可以由包括多个透镜的透镜组实现。

作为进一步的示例，图4示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第二实施例的布局图，其中第二实施例对应于光源为平行出射式光源的情形。

如图4所示，作为平行出射式光源的激光器102发出平行光，该平行光经过扩束透镜204后入射(譬如垂直入射)于聚焦透镜203，由聚焦透镜203聚焦的光束倾斜入射于水平放置的样品s表面，经样品s表面反射之后的光经成像透镜303成像于诸如位置探测器的光探测器402的靶面上。

为了展示位置探测器的原理，图5a和图5b分别示意性地示出了根据本公开的第二实施例的样品处于焦点位置以及偏离焦点位置时位置探测器上的光斑位置。

如果样品处于焦点位置，则位置探测器402靶面上的光点位置处于靶面正中位置，如图5a所示。如果样品偏离焦点位置，则位置探测器402靶面上的光点位置同样偏离靶面正中位置，如图5b所示。如此，样品偏离焦点的距离可以转化为光点在位置探测器402靶面上偏离正中位置的距离。由此，可判断样品所处的位置，并最终由驱动单元将样品移至焦点位置。

类似地，图4所示的非垂直式自动聚焦系统中所包括的元件种类和数目也仅仅示意性的，本领域技术人员可以在本公开的原理下对该第二实施例中的元件种类和数目进行适当变形。例如，可以在图4的光路中进一步增加任何适当的光束整形元件；又例如，扩束透镜204、聚焦透镜205和成像透镜303也可分别是包括多个透镜的透镜组。因此，除非另行说明，本公开中的所有透镜均可以由单个透镜或透镜组构成。

本公开的上述非垂直自动聚焦系统可以被包括在许多的光学仪器之中，该许多的光学仪器包括但不限于上述提及的光谱椭偏仪。其中非垂直自动聚焦系统的光源可以通过光学接头连接至光学仪器自带或者外部的光源，从而实现光学仪器对样品表面的自动聚焦控制；同时由于利用了非垂直式自动聚焦系统，该光学仪器内部的设计空间得以扩展，从而能够更好地优化光学仪器的空间布局，并且对透明样品也可以实现精确聚焦。

虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但这些说明和描述应被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所请求保护的发明中，通过研究附图、公开和所附权利要求可以理解并且实践所公开的实施例的其它变体。

在本说明书中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足在权利要求中阐述的多个项目的功能。仅在互不相同的实施例或从属权利要求中记载某些特征的仅有事实，并不意味着不能有利地使用这些特征的组合。在不脱离本申请的精神和范围的情况下，本申请的保护范围涵盖在各个实施例或从属权利要求中记载的各个特征任何可能组合。

在权利要求中的任何参考标记不应被理解为限制本发明的范围。