专利名称：聚焦系统、聚焦方法和光学测量设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种聚焦系统和一种聚焦方法，更具体地涉及利用至少一个平面反射元件改变会聚光束传播方向，将光束会聚于样品表面的聚焦系统和方法。本发明还涉及包括上述聚焦系统的光学测量设备。
背景技术：
一般来说，光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束聚焦到样品上。目前通常有两种方法。一种方法是将系统中的最后一个聚焦透镜与其它元件分开，通过仅仅调整这个聚焦透镜来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图1所示，通过对最后一个聚焦透镜进行上下移动来实现聚焦。另一种方法是通过对整个光学测量系统进行调整来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图加和213所示，通过对整个光学系统进行上下移动来实现聚焦(例如，参见美国专利No. 5747813和No. 5486701)。随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来精确地测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度(⑶，Critical Dimension)、空间形貌及材料特性变得十分重要。当检测一个通常尺寸为150毫米、200毫米或300毫米的晶片时，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，当对整个晶片进行检测时，为了实现高精确度的测量和保证半导体生产线产量的快速测量，对每个测量点自动聚焦是其中一项关键的技术。而且，本领域的技术人员公知，将宽带探测光束在样品表面上聚焦成相对较小尺寸的光斑是有利的，因为小尺寸光斑可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精确度。在这种情况下，当采用上述第一种聚焦方法时，会存在如下问题透镜通常具有色差， 这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置不同，增大误差，降低测量精确度；以及难以找到对整个宽带波长范围都具有良好的透射性的透镜材料。当采用上述第二种聚焦方法时， 不仅可能存在透镜像差问题，而且本领域的技术人员可以明显知道，对整个光学系统进行调整的操作是非常复杂的，难以实现精确的测量。鉴于上述原因，本领域的技术人员已经提出了这样一种方法，S卩，使用曲面反射镜来将宽带探测光束聚焦到样品表面上(例如，参见美国专利No. 5608526和No. 7505133BU 美国专利申请公开No. 2007/0M7624A1和中国专利申请公开No. 101467306A)。这种方法具有如下好处在整个宽带波长范围上，反射镜不会产生色差，并且反射镜可在较宽的波长范围内都具有高反射率。虽然利用曲面反射镜自身不产生色差并从而增加聚焦及测量精确度，但是曲面反射镜相对于透镜来说比较难以校准光路。曲面反射镜焦点位置和空间方向受入射光制约， 通常需要整个光学系统的同步调节实现出射光路方向及聚焦位置的调整和控制。例如，(1) 椭圆面反射镜两焦点空间位置相对固定，当入射光路校正后，不可能通过单独调节椭圆面反射镜实现光路方向及聚焦位置的调整。(2)超环面反射镜(toroidal mirror):虽然在一定入射角度范围内皆可实现与空间对应的两个焦点，但是这两个焦点之间的空间关系随着入射光线与超环面反射镜的相对关系改变，且变化关系复杂，实际上实现起来非常困难；另一个缺点是调节范围小，会造成像差。(3)离轴抛物面反射镜相对入射光线方向，改变离轴抛物面反射镜的角度会造成像差，很大程度上限制了调整范围；虽然沿平行入射光束方向移动离轴抛物面反射镜可实现聚焦位置的大范围移动，但无法改变其焦点相对于离轴抛物面反射镜中心的位置，这同样限制了调整范围。综上所述，使用单一曲面反射镜自身不产生色差，但难以通过简单调节实现光路方向及聚焦位置的调整和控制。而且，光束经过单个反射镜反射后偏振态会发生改变。这里以一个铝材料反射镜为例。在图6中示出两种入射角情况下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的两条曲线是S偏振光的反射率Rs，下面的两条曲线是P偏振光的反射率Rp。实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且随着入射角的不同而改变。在图7中示出反射后的S与P偏振光之间的相位差，实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，反射后的S与P偏振光之间的相位差发生变化，而且随着入射角的不同而改变，且与波长相关。总之，当宽带光束经反射镜反射之后，由于偏振方向正交的偏振态 S与P各自具有不相同的反射率和相位变化，光束的偏振状态发生改变，导致难以控制光束的偏振变化(例如，参见美国专利No. 6829049B1和No. 6667805)。此外，聚焦系统对偏振的控制能力限定了聚焦系统的应用范围。例如，当今广泛应用于集成电路生产线工艺控制的光学临界尺度设备(0CD，0ptical Critical Dimension) 0 OCD设备通过测量偏振光在样品表面的反射光谱及相位特征，拟合数值仿真结果，测量样品表面周期性图案的临界尺度(CD)、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。实现临界尺度测量的光谱仪要求其聚焦系统必须做到在聚焦及光信号采集过程中控制光束的偏振态，从而可以准确地测量样品。
发明内容
然而，本发明的发明人发现，利用至少一个平面反射元件不仅可以通过简单的操作改变会聚光束传播方向来调整聚焦，而且可实现控制光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。因此，本发明的发明人提出了一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、且结构简单的聚焦系统。该聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件。根据本发明的一个实施例，所述至少一个平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。所述聚焦系统还可以包括用于承载样品的可调节的样品平台。根据本发明的一个实施例，所述聚焦系统还可以包括用于提供所述会聚光束的聚光单元，该聚光单元是至少一个曲面反射元件或透镜。在本发明中，还提供一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、可保持光束偏振态的、且结构简单的聚焦系统。该聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件，并且还包括用于实现偏振状态控制并提供所述会聚光束的偏振补偿单元，该偏振补偿单元包括至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件。所述用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件与所述偏振补偿单元中包括的所述至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件可以具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。所述至少一个曲面反射元件可以为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个平面反射元件可以沿着所述会聚光束的主光的传播方向移动，并且/或者，所述至少一个平面反射元件可以相对于所述会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述至少一个平面反射元件可以以所述会聚光束的主光方向为轴旋转。当被所述至少一个平面反射元件反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述至少一个平面反射元件在所述会聚光束的主光的方向上可移动相同的距离，其中，所述主光的方向与样品表面平行。根据本发明的一个实施例，当被所述至少一个平面反射元件反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述至少一个平面反射元件可以在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且，可以相对于该主光的方向倾斜和/或以该主光为轴旋转。所述聚焦系统还包括用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件，所述用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件和所述用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件相对于下述平面保持镜面对称或反对称该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。当在样品表面的法线方向上调焦时，所述用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件和用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时， 样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。在本发明中，还提供一种易于调节聚焦的、 可实现无色差的、且结构简单的聚焦方法。该聚焦方法包括通过至少一个平面反射元件， 将会聚光束反射后聚焦到样品上。此外，在本发明中，还提供一种易于调节聚焦的、可实现无色差的、可保持光束偏振态的、且结构简单的聚焦方法。除了通过至少一个平面反射元件将会聚光束反射后聚焦到样品上以外，该聚焦方法还包括通过用于实现偏振状态控制的偏振补偿单元提供所述会聚光束，该偏振补偿单元包括至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件。将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件与所述偏振补偿单元中包括的所述至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件可以具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。在本发明的聚焦系统或聚焦方法中，可以实现自动聚焦，也可以实现手动聚焦。通过上述聚焦系统或聚焦方法，不仅可以通过简单的操作改变会聚光束传播方向来调整聚焦，而且可实现控制光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。另外，本发明还提供一种包括本发明的聚焦系统的光学测量设备。结合附图考虑下面对本发明的优选实施例的描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加清楚。
在附图中，所有的视图并不一定是按比例绘制的，相同的附图标记在几个视图中始终描述基本类似的元件。具有不同字母后缀的相同附图标记表示基本类似的元件的不同实例。图1是示出现有技术中的通过上下移动最后一个聚焦透镜来实现聚焦的示意图。图加和图2b是示出现有技术中的通过上下移动整个光学系统来实现聚焦的示意图。图3a至!Be是示出本发明的第一实施例的聚焦系统的示意图。图如是示出本发明的第二实施例的聚焦系统的示意图，其中，通过移动和旋转平面反射镜来在垂直方向上调整聚焦位置，而没有改变入射平面。 图4b和图如是用于解释在垂直方向上调整聚焦位置时如何移动和旋转平面反射镜。图如是示出本发明的第三实施例的聚焦系统的示意图，其中，通过在X方向上移动且对称地倾斜两个平面反射镜来在垂直方向上调整聚焦位置，同时样品平台也随着聚焦位置沿着X方向移动。图恥是用于解释如何调整平面反射镜的移动量和倾斜角、以及样品的移动量的示意图。图6示出S和P偏振光经过一个铝材料反射镜反射的反射率随着入射光的角度不同而改变，其中，上面的两条曲线对应于S偏振光，下面的两条曲线对应于P偏振光。图7示出S和P偏振光经过上述铝材料反射镜反射所产生的相位差随着入射角的不同而改变。图fe至8b是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。
具体实施例方式本文所采用的措辞或术语仅用于描述的目的，而不用于限制性的目的。除非另有说明，本文所用的术语与本领域的通用术语含义一致。首先，对本文所用的术语进行如下的说明。本文所用的“聚焦系统”是用于将会聚光束聚焦在样品表面上的系统。该系统可以是由多个或单个子系统构成的总系统，也可以是集成为一体的单个系统。本文所用的“反射镜”是利用反射面反射光束的光学元件。根据反射镜的形状，反射镜通常可以包括平面反射镜和曲面反射镜，曲面反射镜又包括球面反射镜和非球面反射镜。根据反射的程度，反射镜可以包括全反射式反射镜和半透射半反射式反射镜，其中，半透射半反射式反射镜又称为分束镜。非球面反射镜又包括抛物面反射镜、椭球面反射镜、非二次面反射镜等等。本文所用的“聚光单元”是用于将至少一部分外部光束会聚的光学单元。该聚光单元可以包括一个或多个反射镜或透镜、偏振器、补偿器、分束器或其它光学元件，或者这些光学元件的组合。本文所用的“平面反射镜”是不破坏光束单心性的反射镜。本文所用的“抛物面反射镜”是将平行光轴的光束会聚于抛物面的焦点的反射镜。本文所用的“离轴抛物面反射镜”是通过从旋转对称的抛物面反射镜中截取不包含对称轴的一个部分而获得的镜面，该离轴抛物面反射镜消除了色差和球面像差。本文所用的“入射平面”是由入射光和入射点处的表面法线所组成的平面。本文所用的“出射平面”是由出射光和入射点处的表面法线所组成的平面。对于同一反射过程，“出射平面”与所述“入射平面”为相同平面。(保持任意偏振光的偏振特性的原理)
下面，参照图fe和8b解释通过两个平面反射镜或者一个平面反射镜和一个离轴抛物面反射镜保持偏振光的偏振特性的基本原理。如图8a所示，假设以Ml入射面为参考的S (或P)偏振光束以(90-θ )度的入射角入射在第一平面反射镜Ml上，并且被第一平面反射镜Ml反射至第二平面反射镜Μ2。当第一平面反射镜Ml的入射平面与第二平面反射镜Μ2的入射平面相互垂直，且Μ2倾斜度满足使Ml的反射光以(90-θ )度入射角入射至Μ2时，经Ml反射的以Ml入射面为参考的S (或 P)偏振光转变为以Μ2入射面为参考的P(或幻偏振光。现在以光束传播方向为+Z方向确定的右手参考系分析光束的传播及偏振态的变化。将上述过程以数学公式表达
权利要求
1.一种聚焦系统，其特征在于，该聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件。
2.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征在于，所述至少一个平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。
3.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征在于，所述聚焦系统还包括用于承载样品的可调节的样品平台。
4.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征在于，所述聚焦系统还包括用于提供所述会聚光束的聚光单元，该聚光单元是至少一个曲面反射元件或透镜。
5.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征在于，所述聚焦系统还包括用于实现偏振状态控制并提供所述会聚光束的偏振补偿单元，该偏振补偿单元包括至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件。
6.根据权利要求5所述的聚焦系统，其特征在于，所述用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件与所述偏振补偿单元中包括的所述至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。
7.根据权利要求6所述的聚焦系统，其特征在于，所述至少一个曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。
8.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征在于，所述至少一个平面反射元件可以沿着所述会聚光束的主光的传播方向移动，并且/或者，所述至少一个平面反射元件可以相对于所述会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述至少一个平面反射元件可以以所述会聚光束的主光方向为轴旋转。
9.根据权利要求3所述的聚焦系统，其特征在于，当被所述至少一个平面反射元件反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述至少一个平面反射元件在所述会聚光束的主光的方向上可移动相同的距离，其中，所述主光的方向与样品表面平行。
10.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征在于，当被所述至少一个平面反射元件反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述至少一个平面反射元件可以在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且，可以相对于该主光的方向倾斜和/或以该主光为轴旋转。
11.根据权利要求10所述的聚焦系统，其特征在于，所述聚焦系统还包括用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件，所述用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件和所述用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件相对于下述平面保持镜面对称或反对称该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。
12.根据权利要求11所述的聚焦系统，其特征在于，当在样品表面的法线方向上调焦时，所述用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件和用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的聚焦系统，其特征在于，所述聚焦是自动聚焦或手动聚焦。
14.一种光学测量设备，包括根据权利要求1至13中任意一项所述的聚焦系统。
15.一种聚焦方法，其特征在于，该聚焦方法包括通过至少一个平面反射元件，将会聚光束反射后聚焦到样品上。
16.根据权利要求15所述的聚焦方法，其特征在于，所述至少一个平面反射元件的倾斜角度和/或空间位置是可调节的。
17.根据权利要求15所述的聚焦方法，其特征在于，所述样品被承载在可调节的样品平台上。
18.根据权利要求15所述的聚焦方法，其特征在于，所述聚焦方法还包括通过聚光单元提供所述会聚光束，该聚光单元是至少一个曲面反射元件或透镜。
19.根据权利要求15所述的聚焦方法，其特征在于，所述聚焦方法还包括通过用于实现偏振状态控制的偏振补偿单元提供所述会聚光束，该偏振补偿单元包括至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件。
20.根据权利要求19所述的聚焦方法，其特征在于，将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件与所述偏振补偿单元中包括的所述至少一个曲面反射元件或至少一个平面反射元件具有相同的反射材料和镀膜结构并满足主光束的入射角相同和入射平面相互垂直的条件。
21.根据权利要求20所述的聚焦方法，其特征在于，所述至少一个曲面反射元件为离轴抛物面反射元件或超环面反射元件。
22.根据权利要求15所述的聚焦方法，其特征在于，所述至少一个平面反射元件沿着所述会聚光束的主光的传播方向移动，并且/或者，所述至少一个平面反射元件相对于所述会聚光束的主光的方向倾斜，并且/或者，所述至少一个平面反射元件以所述会聚光束的主光方向为轴旋转。
23.根据权利要求17所述的聚焦方法，其特征在于，当被所述至少一个平面反射元件反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述至少一个平面反射元件在所述会聚光束的主光的方向上移动相同的距离，其中，所述主光的方向与样品表面平行。
24.根据权利要求15所述的聚焦方法，其特征在于，当被所述至少一个平面反射元件反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述至少一个平面反射元件在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且，相对于该主光的方向倾斜和/或以该主光为轴旋转。
25.根据权利要求M所述的聚焦方法，其特征在于，所述聚焦方法还包括通过至少一个平面反射元件接收来自样品的发散光束，接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件和将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件相对于下述平面保持镜面对称或反对称该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面垂直。
26.根据权利要求25所述的聚焦方法，其特征在于，当在样品表面的法线方向上调焦时，将会聚光束反射后聚焦到样品上的至少一个平面反射元件和接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射元件沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射元件相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。
27.根据权利要求15至沈中任意一项所述的聚焦方法，其特征在于，所述聚焦是自动聚焦或手动聚焦。
全文摘要
本发明涉及一种聚焦系统、聚焦方法和光学测量设备。该聚焦系统包括用于改变会聚光束传播方向，将光束会聚于样品表面的至少一个平面反射镜。使用本发明的聚焦系统不仅可以通过简单的操作调节聚焦，而且还可保持会聚光束的偏振状态，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。
文档编号G01N21/01GK102269859SQ20101053183
公开日2011年12月7日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年6月2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