专利名称：同时具有多波长、多入射角和多方位角的光学测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测和测量系统，特别涉及例如半导体器件和/或晶片 等待测器件(Device Under Test,简称DUT)的光学检测和测量。
背景技术：
由一导向光束被待测器件(DUT)反射所产生的信息具有多种用 途。晶片上不同涂层(单层涂层或多层涂层)的厚度可由反射率或相 对反射率光谱确定，同时，也可以导出单波长的反射率。这是十分有 用的，因为涂覆有光刻胶的晶片在平版曝光机所用波长下的反射率必 须得以确定，以用于确定用于这些晶片的合适的曝光等级，或用于最 优化光刻胶厚度以最小化整个堆叠涂层的反射率。通过分析精确测量 得到的反射光镨，还可以得到涂层的折射率。
对于很多工业应用，测量样品表面超薄薄膜的厚度(小于约300 埃)是十分有用的，其利用对样品的反射率相位测量进行。例如，样品可以是带有涂层的半导体晶片，而超薄薄膜可以涂覆于晶片的硅村
底表面。
因为半导体工艺中通常对允许误差的要求非常高，所以需要一种 用于获取晶片反射率量度的准确的装置。在传统的反射率测量系统 中，单色或宽带光从晶片反射离开，反射光被收集和测量。例如，如
图l所示，在一个传统的测量和/或检测系统中，使用一透镜IOO，进 入的入射光线102在通过该透镜100时发生折射，继而被聚焦在待测 器件(DUT) 106上的焦点104上，从而产生可供分析的反射率信息。
高数值孔径("NA，，)的透镜(NA 0.95)已被用来实现同时具有 大范围入射角和方位角的入射光。然而它有许多局限。首先，由于透 镜材料在紫外波段吸收入射光，很难将入射光波长延伸到紫外波段 (例如波长小于400nm)。其次，由于色差，它很难使用宽带光，例 如从250nm至1000nm的波长同时进行工作。第三，当光通过透镜时， 存在光被吸收的问题，光强会随着其通过透镜而减小。
为了保持系统在宽带光源中性能的 一致性，需要采用反射型的光 学系统。由于设计变量数量有限，设计的选择性也受到限制。例如， Schwarzchild设计的反射物镜具有有限的数值孔径NA,还会阻碍中 心光束，也不能实现大范围的入射角。非球面反射表面也被广泛地使 用，不过其在大多数情况下被使用于非常传统的方式下，即对称轴垂 直于反射表面，入射角的范围也受到限制。
通过分析反射或透射光束的特性，可以推断出表面的特性。反射 或透射光束的特性包括光强、偏振态、相位、反射角和波长等。表面 特性包括反射率、薄膜厚度、表面或薄膜的折射率、表面微结构、表 面颗粒、表面缺陷和表面粗糙度等。
探测到的关于反射或透射光束的信息越多，可推断出的关于表面 特性的信息就越多。为了达到这个目标，需要有一个发明，其能够允 许(1 )全范围入射角(0度到近90度)；(2)大范围方位角；(3) 超宽范围波长；(4)任意偏振态等的检测。
因此，在光学测量和;险测系统中，希望光束可乂人不同入射角或不同方位角入射到物体上。进一步地，希望该光束是多波长光或连续波带光。
发明内容
本发明的一个目的是提供方法和装置，其能够实现在反射表面上
全范围(0度到近90度)的入射角。
本发明的另一个目的是提供方法和装置，其能够实现大范围方位 角的测量。
本发明的又一个目的是提供方法和装置，其能够实现超宽范围波 长的测量。
本发明的再一个目的是提供方法和装置，其能够测量任意的偏振态。
简而言之，本发明揭示了一种光学测量装置，它包括光源，用 以提供入射光线；具有内部反射面的半抛物面型反射器，其中，该反 射器具有一焦点和一概要轴，且待测器件置于焦点位置附近，其中， 进入该反射器且与概要轴平行的入射光线会被导向到焦点，并反射离 开该待测器件，产生指示该待测器件的指示信息，其中，该反射光线 离开该反射器；以及探测器阵列，用以接收该离开光线。
本发明的 一个优点在于提供了方法和装置，其能够实现在反射表 面上的全范围(0度到近90度)入射角。
本发明的另 一 个优点在于提供了方法和装置，其能够实现大范围 方位角的测量。
本发明的又 一 个优点在于提供了方法和装置，其能够实现超宽范 围波长的测量。
本发明的再 一 个优点在于提供了方法和装置，其能够实现任意偏
振态的测量。
下面将结合附图和应用例子对本发明作进 一 步详细说明。图1是现有技术中用于检测和/或测量系统的使用透镜进行聚光
的示意图2是本发明的技术的二维概念示图3是本发明的一个较佳实施例的三维俯视图4是本发明的抛物面反射器的内视图5是本发明的抛物面反射器的侧视图6是本发明的抛物面反射器的俯视图7示出了本发明的另一个实施例，其中光源被放置在抛物面反 射器的焦点上；
图8示出了本发明的另一个实施例，其中光探测器被放置在抛物 面反射器的焦点上；
图9示出了抛物面反射器与探测器阵列关联放置，其中探测器阵 列连接到 一 个或多个光i普仪上；
图10是抛物面反射器及波长滤光4仑(wave length filter wheel )、 分光器以及探测器阵列的侧视图IIA是抛物面反射器及波长滤光轮、分光器以及探测器阵列的 俯视图IIB是与图IIA中滤光轮上波长滤光器对应的带通滤光透过率 曲线；
图12是抛物面反射器及起偏器、波片、分光器和检偏器的侧视
图13是抛物面反射器及起偏器、分光器、靠近光源的滤光轮、 靠近探测器阵列的滤光轮、检偏器和探测器阵列的侧视图14A是另一个抛物面反射器及可调光源、起偏器、分光器、滤 光轮和检偏器的侧视图14B是抛物面反射器及多激光束光源、起偏器、分束器、滤光 轮和检偏器的侧视图14C是抛物面反射器及可调滤光器、起偏器、分束器、滤光轮 和检偏器的侧视图；图15示出了本发明用于透射模式的一个实施例；
图16示出了本发明的又一个实施例，其中在反射器正上方具有
开口，用于允许强光通过从而检测待测器件，特别是检测待测器件上
的颗粒；
图17示出了本发明的再一个实施例，其中在反射器正上方具有 开口，用于允许强光通过从而检测待测器件，特别是检测待测器件的 表面粗糙度；以及
图18示出了本发明的另一个实施例，其中在反射器侧方具有开 口 ，用于允许强光通过从而4企测待测器件以探测小颗粒。
具体实施例方式
参照图2,解释了本发明实施方式的关键基础概念。设一抛物线 210位于y轴和z轴构成的坐标系中，概念上，抛物线的形状可被写 成简单的数学函数形式，即z-ay2，其中和z轴平行的进入的入射光 线将在抛物线焦点"F"处和z轴相交，其中该焦点位于(0，l/4a),且
"a"为常数。进入的入射光线和抛物线表面相交，被导向到焦点， 该焦点位于入射平面212内(该平面和对称轴垂直并通过焦点"F")。 这里，如图所示，进入的入射光线214和对称轴平行。该光线照 射在抛物线表面，该抛物线反射器由于其特性，将光线导向到其焦点 并在交点"F"和z轴相交。在交叉后，光线又照射在抛物线表面上， 且该抛物线表面再次将光线导向为出射光线218,其方向和入射方向 相反，并与对称轴平行。由于抛物线的独特性质，如果进入的入射光 线和对称轴平行，离开的反射光线总是和对称轴平行。
在本发明的一个目前较佳实施例中，如图3，示出了一抛物面反 射器310,其可以为半抛物面形状。在这里，以上描述的二维抛物线 的特性对于抛物面仍然适用。例如，与概要轴平行射入的入射光线314
(光线1 ),将在抛物面反射器表面上点316反射离开。由于抛物面的 特性，反射光线将被导向到该抛物面的焦点，即点"F",其也是交叉 面312和z轴即概要轴的交点。光线将反射离开"F"点，产生和待测器件(图中未示出)有关的信息，然后再次在抛物面上点318反射 离开，且被再次导向离开抛物面反射器，成为光线320 ,其将被探测 器(图中未示出)所检测。并且，由于抛物面的独特特性，如果进入 的入射光线和对称轴平行，离开的反射光线也总是和对称轴平行。
本发明实施例中的反射器的形状可以是抛物面，该抛物面可通过 围绕一抛物线的对称轴旋转该抛物线而制得。半抛物面形状反射器可 以通过沿其旋转轴将上述抛物面平分为二而制得。在实际应用中，本
抛物面的对称轴位于将被测量或检测的待测器件表面的略上方。抛物 面反射器的内表面将是反射面。
取决于光线和抛物面相交的位置，光线将以不同的入射角和方位 角与水平交叉面相交。抛物面上的交点与光线角度之间的关系可以很
容易计算出来。如图4,从抛物面反射器的开口正对反射回来的光束 看去，抛物面反射器就像半球体的一半。设想抛物面反射器末端表面 有一个极坐标系，进入的入射光束的横截面是一个四分之一圆形状， 离开的反射光束的横截面也是一个四分之一圆形状。
以半径1/(2a)进入的入射光线同样会在同样大小半径的圆弧上射 出(参见入射光线l "II"和出射光线l "01")。也可以很容易看出， 任何进入的入射光线在与对称轴的距离为b处和该抛物面相交，则离 开的出射光线将在和对称轴的距离为(l/2a)"b处和该抛物面相交。入 射光线和出射光线在交叉面测得的角度相同。因此，在极坐标系(p, e) 中，如果进入的入射光线的极坐标为(p, e)，则离开的出射光线的极坐 标就为(i"2/p，兀-29),其中r^l/(2a)。 例如，和z轴平行的一进入的入 射光线2 ("12"和"02")将同样沿和z轴平行的方向射出。
图5示出了反射器510的一个侧视图。这里，焦点(0，l/4a)位于 512处，待测器件相比传统的检测系统来说可以更大。光线1， 2， 3 和4与z轴平行射入，如图所示，其照射到待测器件上之后，被再次 导向并反射离开该反射器，并从该反射器射出。
图6是反射器610的俯视图，其中包括交叉面612和方位角cp。这里，和z轴平行的光线1进入反射器成为光线614,在反射器上点 616反射离开并被再次导向成为光线618射到反射器的焦点。然后， 光线618在待测器件(图中未示出)上反射离开，且重新在反射器上 点620反射离开，并被反射成为平行z轴的光线622离开反射器。光 线2沿着并平行于z轴进入反射器，其沿着相同路径离开。
由于离开的光线是被待测器件反射的，因此反射光线的特征将提 供能指示待测器件的信息。反射光线将会被探测器收集，然后可以对 反射光线进行分析。取决于检测工作或测量工作的性质，探测器可以 是任何类型。
图7示出了本发明的另一个实施例，光源714可置于焦点712处， 使得光从焦点发出之后被重新导向形成准直光束离开反射器。图8示 出了本发明的又一个实施例，光探测器814被放置在焦点812处，从 而收集进入反射器的光束。在另一个实施例中，光源可以被放置在焦 点处(参考图7),而探测器也可以放置在焦点处(参考图8)以收集 从待测器件反射的任何光线，其中待测器件可放置在反射器开口处 (图中816未示出)。作为一种替代方案，光探测器也可以放置在反 射器的后部以收集准直光束。
在如图9所示的本发明的另一个实施例中，本发明的抛物面反射 器902和探测器阵列904放在一起，探测器阵列904可以是一个n维 阵列，优选地是一个二维探测器阵列904。该探测器阵列可以是光纤 或光转换器或其他器件的阵列。该探测器阵列也是提供反射光线空间 分布的相关信息的一种装置。在接收到从抛物面反射器反射来的光线 之后，这些反射光线可被该探测器阵列探测，探测到的信号通过光i普 仪输入光纤910被传输至一个或多个光谱仪。906示出了被探测器阵 列接收到的信号的 一个例子的前视图。探测器阵列接收到的信号的位 置的相关信息，举例来说，可以被用来计算各个角度和光强。
参照图10,示出了本发明另一个配备滤光轮1014的实施例的侧 视图。这里，滤光轮1014可以被一个马达1012转动。准直光线1018 通过该滤光轮的选定波长滤光片(或者一个波长选择器)，被反射器、半透明反射器或分光器IOIO反射离开。光线被反射到抛物面反射器
1002,并被导向到焦点上以反射离开待测器件1008。然后，反射光线 再次反射离开抛物面反射器，并通过半透明反射器101且被探测器阵 列1004收集。1006示出了可收集光线的一个二维探测器像素点阵的
前视图。
图11A示出了图10所示的实施例的俯^L图。这里，滤光4仑1114 包括多个波长滤光片，即1115A-1115E。可以选定所需的波长滤光 片，光束可被导向并通过该被选定的滤光片，继而被半透明反射器 1110分光，然后射向抛物面反射器。光线经过抛物面反射器和待测器 件反射之后，可以被探测器阵列1104收集。需要说明的是，半透明 反射器(分光器)可以被放置在抛物面反射器的一侧(如图所示)， 也可以被放置在两侧。图IIB是一个带通滤光器曲线图，示出了通过 如图IIA所示的不同波长滤光片(1115A-1115E)的各个光波波长。 对于探测器阵列来说，在一个特定波长下，每一个像素可以表征一种 或多种类型的角度(例如入射角、衍射角和散射角)和一个唯一的方 位角。对于滤光轮上每一个带通滤光片来说，上述过程可以被重复进 行。
图12示出了本发明的另一个实施例。这里， 一个可调节及可选 择的起偏器1206是一个可选配组件，它可被加装在光源附近，这样， 偏振光线通过并反射离开半透明反射器1203和抛物面反射器1202。 除了可选配的起偏器1206之外， 一个可选配的可调节及可选择的检 偏器1207可以被加装在探测器阵列1204附近。继而，光线可被探测 器阵列1204收集。另夕卜，如果需要， 一个可选配的波片1220 (被马 达1222驱动)可被安装在光源附近，以允许对光线的特定相位的选 择。
图13示出了本发明的另一个实施例，其中一个可选配的起偏器 1306和一个可选配的检偏器1307加装了滤光器，该滤光器1324或 1314可分别安装在光源附近或探测器阵列附近。这里，光线1318通 过起偏器1306后通过滤光轮1324,然后通过半透明反射器1303分光之后，经抛物面反射器1302反射到待测器件1308上。然后该光线反 射离开待测器件1308，并通过半透明反射器1303、滤光轮1314,以 及检偏器1307到达探测器阵列1304。这里，该光线已经被偏振，且 所关心的波长已经被选中。
图14A- 14C示出了使用不同类型光源的其它实施例。图14A示 出了光源1428为波长可调光源的实施例。图14B示出了光源是一系 列激光器1450A- 1450M的实施例，各激光器具有其特定波长。每一 个激光器可以选择打开或关闭，半透明反射器1472- 1478可用来反 射激光光束到半透明反射器1470上。图14C示出了光源通过可调滤 光器1480的实施例。
以上使用反射模式对本发明的多个实施例进行了详述。本发明也 可以应用于透射模式，此时待测器件是透明的，即光线可以穿过该待 测器件。图15示出了本发明待测器件1508是透明(具有光线可以穿 过其中的特性)时的这样的一个实施例，光线1518通过可选配的起 偏器1506之后，反射离开半透明反射器1503和第一个抛物面反射器 1502,然后穿过待测器件1508。光线接着反射离开第二个抛物面反射 器1503，并通过可选配的检偏器，被探测器阵列1504收集。这样， 待测器件的特性可以被探测、检测和测量到。
图16示出了本发明的另一个实施例。这里，抛物面反射器1602 上有一个开口 1610,正好位于焦点的正上方(垂直正上方)。 一个4艮 强的单色光，例如激光光束被导向射到待测器件1608上。如果在待 测器件上存在颗粒，散射光线就会被产生，并被探测器阵列1604收 集。在另一个如图17所示的应用中，该实施例也可以用来探测待测 器件1708表面的小颗粒以及表面粗4造度。
图18示出了本发明的另一个实施例。这里，抛物面反射器1802 上有一个开口 1810， 一束很强的单色光穿过开口 1810并照射在待测 器件1808上。待测器件1808上的颗粒或结构能够产生散射效应，散 射光线将被探测器阵列1804收集。
虽然已参照数个确定的优选实施例对本发明进行了描述，但本发明不仅仅限于这些特定的实施例。更为确切地，发明人认为本发明应 该以如下权利要求为标准来理解其最广泛的延伸含义。所以，对权利 要求的理解不仅仅限于这些优选实施例，还应包括所有其它对于本领 域一般技术人员显而易见的替换和修改。
权利要求
1. 一种光学装置，包括-光源，用以提供入射光线；-半抛物面反射器，具有反射表面和焦点，用以聚焦所述入射光线到待测器件，其中所述入射光线在所述待测器件上反射离开，并且反射光线提供指示所述待测器件的信息；-探测器阵列，用以收集从所述待测器件上反射离开的所述反射光线。
2. 如权利要求1所述的装置，其中所述探测器阵列是一个探测 器矩阵，其中从所述反射器上反射的光线的位置映射到所述探测器阵列上。
3. 如权利要求1所述的装置，还包含有起偏器，其中所述入射 光线在反射离开所述反射器之前通过所述起偏器。
4. 如权利要求1所述的装置，还包含有检偏器，其中所述反射 光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述检偏器。
5. 如权利要求3所述的装置，还包含有检偏器，其中所述反射 光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述检偏器。
6. 如权利要求1所述的装置，还包含有波长选择器，其中所述 入射光线在反射离开所述反射器之前通过所述波长选择器。
7. 如权利要求1所述的装置，还包含有波长选择器，其中所述 反射光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述波长选择器。
8. 如权利要求6所述的装置，还包含有波长选择器，其中所述 反射光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述波长选择器。
9. 如权利要求1所述的装置，还包含有波片，其中所述入射光 线在反射离开所述反射器之前通过所述波片。
10. 如权利要求l所述的装置，还包含有波片，其中所述反射光 线在被所述探测器阵列收集之前通过所述波片。
11. 如权利要求9所述的装置，还包含有波片，其中所述反射光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述波片。
12. 如权利要求l所述的装置，其中所述光源是可调光源。
13. 如权利要求l所述的装置，其中所述光源是多个可选的激光光束。
14. 如权利要求l所述的装置，其中所述光源是可调的激光器。
15. 如权利要求1的所述的装置，其中所述光源发出的光线通过 可调的滤光器。
16. —种光学装置，包括-光源，用以提供入射光线；-起偏器，其中所述入射光线通过所述起偏器；半拋物面形状的反射器，具有反射面和焦点，用以聚焦所述入射 光线到待测器件，其中所述入射光线在所述待测器件上反射离开，并 且反射光线提供所述待测器件的指示信息；-检偏器，其中所述反射光线通过所述检偏器；-探测器阵列，用以收集从所述待测器件上反射离开的并经过检 偏之后的所述反射光线，其中所述探测器阵列是一探测器矩阵，从所 述反射器上反射的光线的位置映射到所述探测器阵列上。
17. 如权利要求16所述的装置，还包含有波长选择器，其中所 述入射光线在反射离开所述反射器之前通过所述波长选择器。
18. 如权利要求16所述的装置，还包含有波长选择器，其中所 述反射光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述波长选择器。
19. 如权利要求16所述的装置，还包含有波片，其中所述入射 光线在反射离开所述反射器之前通过所述波片。
20. 如权利要求16所述的装置，还包含有波片，其中所述反射 光线在被所述探测器阵列收集之前通过所述波片。
21. —种测量待测器件的方法，包括以下步骤 -提供入射光线进入抛物面；-将所述光线反射离开所述抛物面，至所述抛物面的焦点以及 待测器件上；-收集从所述待测器件上反射，和/或透射，和/或散射，和/或 衍射的光线。
22. 如权利要求21所述的方法，其中所述入射光线平行于所述 抛物面的对称轴。
23. 如权利要求21所述的方法，其中所述入射光线是准直光束。
24. 如权利要求21所述的方法，其中所述收集到的光线平行于 所述抛物面的对称轴。
25. 如权利要求21所述的方法，其中所述收集光线的步骤采用 和 一 个或多个光谱仪耦合的探测器阵列来收集所述反射，和/或透射， 和/或散射，和/或衍射的光线。
全文摘要
本发明揭示了一种光学测量和/或检测装置，该装置在一个应用中可被用来检测半导体器件。它包括光源，用以提供入射光线；具有内反射面的半抛物面反射器，其中，所述反射器具有焦点和概要轴；和置于焦点附近的待测器件。和反射器的对称轴平行的入射光线进入反射器后，将被导向到焦点以及从待测器件上反射离开，从而产生表示该待测器件的指示信息，然后反射光线离开该反射器。探测器阵列接收反射出来的光线，该光线可被分析以确定待测器件的特征。
文档编号G01N21/55GK101443647SQ200780016961
公开日2009年5月27日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月10日
发明者吕彤欣, 王笑寒 申请人:睿励科学仪器(上海)有限公司