[發明專利]利用平面反射鏡合光的成像系統及光學測量裝置

有效

• 申請號: 201010524334.0
• 申請日: 2010-10-28
• 公開（公告）號: CN102455511A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 劉濤;李國光;艾迪格·基尼歐;馬鐵中;夏洋;嚴曉浪
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所;北京智朗芯光科技有限公司
• 主分類號: G02B27/14
• 分類號: G02B27/14;G01B11/00;G01B11/24;G01N21/84
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 王建國

技術領域

本發明涉及光學測量技術領域，更具體的涉及一種利用平面反射鏡合光的成像系統及光學測量裝置。

背景技術

在光學測量系統中，測量過程中通常需要觀測目標樣品表面結構和探測光束在樣品表面的形狀和位置；即，具有能夠同時觀測樣品表面結構和探測光束在樣品表面光斑、且最小影響光學測量的成像系統。若要實現對樣品表面指定的位置進行測量，則要求成像系統能夠同時觀測樣品表面結構和探測光束在樣品表面光斑的位置，以實現探測光束與指定測量位置的校準。另外，集成圖像識別功能的成像系統，可實現對樣品表面重復的相同結構的自動識別和標定，從而實現測量自動化，提高測量精度和測量速度。當今先進的薄膜結構測量設備，如橢圓偏振儀和光學臨界尺度測量儀器(OCD)要求滿足盡量寬的光譜測量能力，通常為190nm至1000nm。由此，對光學系統中各個部件在寬光譜上的指標和光學系統色差、像差和偏振性控制方面的設計要求都提出了更全面的更高標準的要求。

在現今技術中，同時顯示探測光束光斑與樣品表面結構的成像系統主要通過集成在光學系統中的分光器實現；分光器使部分測量光束及照明光束入射在樣品表面樣品，并且將部分測量光束及照明光束在樣品表面的反射光束合并，而后導入同一圖像探測器成像。分光器可為分光薄片、分光棱鏡、薄膜分光器(Pellicle?Beamsplitter)。如圖1所示，探測光束103垂直入射至樣品102的情況下，探測光束103經分光器101透射后聚焦在樣品102表面，探測光束103在樣品102表面的反射光束入射至分光器101后，其反射光束經分光器104和透鏡105聚焦在圖像探測器106上。照明光束107先后經分光器104反射及分光器101反射后入射至樣品102表面(光路未示出)。照明光束107在樣品102表面的反射光束經分光器104反射和透鏡105聚焦在圖像探測器106上。此過程可認為探測光束103和照明光束107合并為一路光束入射在樣品102表面，探測光束103和照明光束107在樣品102表面的反射光束為一路光束入射在圖像探測器106上。圖1示例中，探測光束103為會聚光束，且探測光束103經分光器101透射后入射在樣品102上。圖2示例為探測光束103為平行光束情況，且探測光束103經分光器101反射后，經透鏡108使平行光會聚入射在樣品102表面。照明光束107與探測光束103在樣品102表面的反射光束依次透射經分束器101、照明分束器104、透鏡105后，入射至圖像探測器106。此例中，由于分光器皆處于平行光入射狀態，所以較適合分光棱鏡。以上兩個實例中，僅描述了正入射情況；在準正入射或小角度入射情況下，通過調整照明光束107，仍可做到合光成像；此時探測光束103將不受分光器101影響直接入射至樣品表面。

在分光器為分光薄片的情況下，分光薄片與光束主光需成45度角使用，如美國專利US7505133B1所示。此結構的缺點為：1)薄片的兩個面可形成重影，影響成像質量、位置校準及測量。2)無論透射或反射，光束經過分光薄片后，偏振態發生變化；若要實現探測光束的偏振控制，需在分光器與樣品之間設置偏震器；如此成像受到樣品偏振特性及探測光束偏振狀態的限制。3)在寬波段光束透射情況下，當光束為平行光束時，會產生色差；當光束為會聚或發散光束時，使得光束成像沿單一方向分開，可嚴重影響表面結構不均勻樣品的測量和成像；此問題可通過另設置完全相同的分光薄片修正色差及由不同入射角引起的像差，但增加了系統復雜度。另一種基于分光薄片的分光器為點格分光鏡(Polka-dot?Beamsplitter)(如美國專利5450240，EdmundOptics點格分光鏡)或厚度僅為100微米的點格分光鏡(如美國專利US6525884B2)，其結構的特點為：反射光束可實現寬光譜(包括深紫外范圍)，且自身無色散；但其表面點格的周期性結構會造成衍射光斑，極大的影響了測量和成像識別的準確度。

在分光器為分光棱鏡的情況下，其缺點為：1)分光棱鏡難以同時實現寬光譜分光，通常分為400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三個區域，限制了測量的光譜范圍。2)光束最好以平行光入射，若非平行光，則產生嚴重的色散。在分光器為偏振分光棱鏡的情況下，透射光/反射光為固定偏振方向，改變偏振態需旋轉偏振分光棱鏡、或旋轉樣品或另設起偏器，實現非常復雜。

在分光器為薄膜分光器(Pellicle?Beamsplitter)的情況下，其結構的缺點為：

1)薄膜厚度僅為2微米，受環境影響大，極易破損，無法清理表面，成本高。

2)薄膜對紫外波段存在吸收。